DE7523180U - Beilaufkiihleinrichtung für unterirdisch verlegbare Rohrgaskabel - Google Patents

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz) Beilaufkühleinrichtung für unterirdisch verlegbare Rohrgaskabel

Die Erfindung betrifft eine BeilaufkÜhleinrichtung für unterirdisch verlegbare Rohrgaskabel mit wenigstens je einem elektrischen Leiter.

Der Zweck der Erfindung liegt in einer Verbesserung der Rohrgaskabelkühlung und somit auch Kabelkühlung allgemein

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bei gleichzeitiger Vereinfachung der Herstellung von solchen Beilaufkühleinrichtungen, wobei auch eine Vereinfachung und Verbilligung einer gegebenenfalls erforderlichen Kabel- und/oder KUhleinrichtungsrevision erreicht wird.

Bekanntlich besteht der Wärmedurchgang durch zwei durch eine Wand getrennte gasförmige oder flüssige Medien aus drei Einzelvorgängen, nämlich zwei Wärmeübergängen und einem Wärmeleitvorgang durch die Wand. Damit ein Wärmeübergang vor sich geht, muss zwischen der jeweiligen Wandoberfläche und dem angrenzenden Medium eine Temperaturdifferenz bestehen, wie dies insbesondere aus Fig. 1 der Patentzeichnung ersichtlich ist. Es gilt demnach für einen von innen nach aussen erfolgenden Wärmedurchgang, dass die mittlere Temperatur des Mediums /U^ innen grosser als die Wandtemperatur JT\ innen, OJ₁ grosser als die Wandtemperatur Jy ι aussen und fU -^ endlich grosser als die mittlere Temperatur des Mediums Äf aussen ist:

Der Wärmeübergang vom Medium innen an die Wand sowie von der Wand an das Medium aussen erfolgt in einem sehr komplizierten Vorgang. Zur Vereinfachung der rechnerischen Erfassung dieses Vorganges setzt man die vom inneren Medium auf die innere Wand in der Zeiteinheit übergehende Wärmemenge — 9 wobei mit Q die Wärmemenge und mit ζ die Zeit

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bezeichnet ist, also den Wärmestrom _ =

der Differenz {ff_K - ϋ[_Λ ), so dass man

-Λ/χ )» ε

prop.ortional

erhält, wobei mit A die Fläche der Wand bezeichnet ist, über d4e der Wärmeübergang erfolgt, und oC^ der Proportionalitätsfaktor ist, der als Wärmeübefgangskoeffizient bezeichnet wird. dC , geressen in kcal/m h grd ist demnach

die Wärmemenge, die bei einer Temperaturdifferenz von

2 1 Grad zwischen Medium und Wand und umgekehrt auf Im

in einer Stunde übertragen wird. cC. kann bekanntlich zwischen weiten Grenzen schwanken, weil dieser Wert von der Art und der Geschwindigkeit der Strömung des Mediums, der Art des Mediums, seinem Druck, seiner Temperatur u.a. mehr abhängig ist. Der Wärmeübergang erfolgt' hierbei über die an der Wand befindlichen Gas- oder Flüssigkeitst^ilchen und geht in einer dünnen Grenzschicht vor sich.

Für den Wärmeübergang von der Wand an das Medium ausse,n gilt dann entsprechend :

II

Der vorgenannte Wärmeleitvorgang geht in der Wand mit der Dicke d vor sic.h. Hierbei geht der Wärme strom Φ von

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den Stellen höherer Temperatur fi* \ ^zu °*^βη ^^m Abs^⁸*^ befindlichen Stellen mit niedrigerer Temperatur über. Erfahrungsgemäss ist der Wärmestrom Φ <. proportional der Temperaturdifferenz ( λ/ ^ - (υ ?) ^uncl der Fläche A sowie umgekehrt proportional der Dicke der Wand. Es gilt daher

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Ά -

III

wobei der empirisch definierte Proportionalitätsfaktor eine die Wand kennzeichnende Stoffkonstante ist, die als Wärmeleitfähigkeit oder Wärmeleitzahl bezeichnet wird»

Die in kcal/h m grd gemessene Wärmeleitfähigkeit oder Wärmeleitzahl yl stimmt zahlenmässig mit derjenigen Wärmemenge überein, die in 1 h durch 1 m^ einer Im dicken Wand fliesst, wenn der Temperaturunterschied der beiden Wandoberflächen 1 grd beträgt.

Der von der einer· Seite der Wand nach der anderen Seite gehende Wärmestrom W genügt demnach den drei vorstehenden Gleichungen (I,II,III). Berechnet man nun A/. und A/ aus den beiden erstgenannten Gleichungen (I und II)

und

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und setzt man diese Werte in die letztgenannte Gleichung (III) ein, so ergibt sich

oder

Die Summe der beiden Wärmeübergangswiderstandskoeffizienten

1— und 1 zusammen mit dem Wärmeleitwiderstands- JL a

et

koeffizienten —r— wird als Wärmedurchgangswiderstands-

koeffizient —i— bezeichnet : k

Der Kehrwert k = -

am t

wird als Wärmedurchgangskoeffizient benannt.

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— b —

Bei dem gesamten vorstehend betrachteten Wärmedurchgang gilt demnach für den Wärmestrorp

kA ψ^ -/Va ) ι wobei

A den Flächeninhalt einer der beiden Wändoberflächen.

die mittlere Temperatur des Mediums innen und die mittlere Temperatur des Mediums aussen bedeutet.

Bei mehrschichtigen Wänden oder mehreren hintereinander geschalteten Wänden lasst sich leicht zeigen, dass

... ₊-5j[n ₊ J An

d.

wobei für jede Schicht oder Wand ein -^-*· ^_n Rechnung zu setzen ist. *

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Schreibt man

k (

setzt k ein und rechnet aus, so ergibt sich

Aa

wobei die Grossen

als Wärmeübergangswiderstände und die Grosse

als Wärmeleitwiderstand bezeichnet werden.

Es zeigt sich demnach, dass für den Wärmestrom fD ausser der Temperaturdifferenz zwischen den Medien der Wärmeübergangs- sowie der Wärmeleitwiderstand (bei einer mehrschichtigen Wand oder mehreren Wänden die Wärmeleitwiderstände) massgebend sind, wobei ^C der Wärmeübergangskoeffizient und /L die Wärmeleitzahl ist.

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Es ist nun bereits bekannt, bei elektrischen Kabeln deren in axialer Richtung sich erstreckenden Kern etwa rohrförmig freizulassen und mittels eines durchströmenden Kühlmediums die im jeweiligen Kabel entstehende Joule'sehe Wärme möglichst unmittelbar abzuführen.

Weiters ist auch bereits vorgeschlagen worden, das Kabel in ein querschnittmässig grösseres Rohr einzuziehen und den verbleibenden freien Raum zwischen Kabel und Rohrinnenwand mittels eines strömenden Kühlmediums auszufüllen (Electrical Review, 20. July 1973, Seite 86).

Wenn nun bei der erstgenannten Ausführung das insbesondere aus OeI oder Wasser bestehende Kühlmedium die etwa rohrförmige Innenwand des Kabels ohne Zwischenschaltung einer Isolation kühlt, liegt der günstige Fall einer direkten

des Leiters
Kühlung Λ/όγ. Das in Betracht gezogene System besteht dann zur Gänze aus einem strömenden Kühlmedium, das im Kabelinneren einen erheblichen Teil der Verlustwärme übernimmt und abführt, während der restliche Teil der Verlustwärme über die Leiterisolation sowie die Isolationsschützhülle an die Kabelumgebung, z.B. den Boden, abgegeben wird.

Wenn man nun zur Vereinfachung aller weiteren Abschätzungen die Zylinder- oder Rohrform der Leiter bzw. Isolierungen und

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Schutzmäntel u.s.w. vernachlässigt, ist bei dem letztgenannten System ausser der Temperaturdifferenz zwischen dem rohrförmigen Kabelleiter und dem darinnen strömenden OeI oder Wasser sowie der Temperaturdifferenz zwischen diesem Kabelleiter und dem das Kabel umgebenden Boden der Wärmeübergangswiderstand zwischen Leiterrohr und OeI oder Wasser, der Wärmeleitwiderstand der das Leiterrohr umgebenden Leiterisolation, der Wärmeleitwiderstand der Isolationsschutzhülle sowie der Wärmeleitwiderstand des das Kabel umgebenden Bodens massgebend. Bei Vorhandensein einer Isolation zwischen Leiterrohr und OeI oder Wasser wäre auch noch der Wärmeleitwiderstand dieser Isolation in Rechnung zu setzen. Zusammenfassend handelt es sich also um einen isolierten Leiter mit Flüssigkeitskühlung, der über weitere das Kabel umgebende Schichten einen Teil der Verlustwärme an den Boden abgeben kann, dessen Wärmeleitwiderstand reichlich unbestimmt ist.

Aber auch bei dem art zweiter Stelle vorgenannten bekannten direkt kühlenden System bestehend aus einem in einem äusseren Rohr innenliegenden isolierten Kabel mit Kühlung durch ein zwischen Kabel und äusserem Rohr strömendes flüssiges Medium, wie Wasser, ist einerseits die Temperaturdifferenz zwischen Kabelleiter und Medium und andererseits die Temperaturdifferenz zwischen diesem Leiter und dem das äussere Rohr umgebenden Boden zu berücksichtigen. Da das isolierte Kabel zumindest längs

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einer Rohrerzeugenden bzw. Zone innen auf dem Rohr aufliegt, ist der Wärmeleitwiderstand der Kabelisolation, der Wärmeübergangswiderstand der zwischen Kabelisolation und äusserem Rohr in dieser Zone befindlichen Grenzschicht aus Wasser, der Wärmeleitwiderstand der Rohrwand des äusseren Rohres und der schwer definierbare Wärmeleitwiderständ des im Bereich dieser Rohrzone befindlichen Bodens zu berücksichtigen. Für den überwiegenden Teil dieses Systems ist jedoch der zwischen der Kabelisolation und der Rohrinnenwand des äusseren Rohres befindliche kühlende Wassermantel in Rechnung zu setzen, so dass also noch der Wärmeübergangswiderstand zwischen' Kabelisolation und Wasser sowie der Wärmeübergangswiderstand zwischen Wasser und Innenwand sowie der Wärmeleitwiderstand des äusseren Rohres zu berücksichtigen ist, wobei der das äussere Rohr umgebende Boden hinsichtlich seines Wärmeleitwiderstandes wider reichlich Undefiniert ist.

Solche vorbeschriebene, bekannte, wenigstens aus einem Kabel und einer integrierten Flüssigkeits- oder Gaskühlung bestehende Verbundsysteme weisen nun einen erheblich grösseren Durchmesser als das Kabel allein auf, so dass sich dadurch die Kosten der Erdarbeiten bei der Verlegung solcher Systeme im Vergleich mit gewöhnlichen Kabeln, beträchtlich erhöhen. Aber auch der Verbundaufbau von Kabel und Kühlung in einem kompliziert eine solche

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Anordnung und macht deren Verlegung aufwendiger. Bei' Schäden an einem solchen Verbundsystem erweisen sich die erforderlichen Reparaturarbeiten im allgemeinen als schwierig durchführbar und zeitraubend. Liegt überdies, wie vorhin angedeutet, eine Oelkühlung vor, so ist zusätzlich auch noch eine Gefahr für die Verschmutzung des Grundwassers gegeben.

Anderseits hat sich die ursprünglich übliche Verlegung der Kabel direkt in den Boden als unzureichend erwiesen, weil die Strombelastbarkeit bzw. die Temperatur des jeweiligen Kabeln sehr vom Wärmewiderstand des das Kabel umgebenden Bodens abhängig ist. Wie sehr hierbei nun der spezifische Wärmewiderstand des Bodens variieren kann, sei bereits mittels nur weniger nachstehender Werte gezeigt :

Material

Schlacke

Beton

Sand, trocken Sand, 10% feucht Sand, feucht gesättigt Erdreich, trocken Erdreich, feucht

spez. Wärmewiderstand

500 - 900° C cm/W

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Zur Herstellung des Zusammenhanges zwischen dem Wärme-

leitwiderstand und dem spezifischen Leitwiderstand

oder spezifischen Wärmewiderstand OL ist hier darauf hingewiesen, dass der Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit oder Wärmeleitzahl ^ der spezifische Wärmeleitwiderstand oder spezifische Wärmewiderstand ΛΡ ist;

= γ> (spez. Wärmewiderstand).

λ ^

Der Wärmewiderstand des. Bodens hängt entsprechend der vorstehenden Wertübersicht sehr von seinem Feuchtigkeitsgehalt ab. Stark erwärmte Kabel haben nun bekanntlich die Tendenz, die Feuchtigkeit aus der Kabelumgebung zu verdrängen.

Um die durch das Austrocknen des Bodens bedingte Erhöhung des qpez. Wärmewiderstandes zu verx-hindern, ist bereits der Vorschlag gemacht worden, parallel zum Kabel ein wasserdurchflossenes Berieselungsrohr aus ,Kunststoff zu verlegen, mittels dessen der Boden bzw. das Erdreich ständig mit Feuchtigkeit angereichert wird (Electrical Review, 11. August 1972, Seite 190). JDas dem Erdboden auf diese Weise zugeführte Wasser dient hierbei der Erniedrigung des Wärmeleitwiderstandes dieses Erdbodens.

Nun hat sich eine derartige Massnahme als sehr problematisch erwiesen, da die jeweiligen Bodenverhältnisse von der eigentlichen Bodenart bzw. Bodenzusammensetzung, von der Jahreszeit, der momentanen Wetterlage und vielen anderen Gegebenheiten bestimmt sind.

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Als ein Hauptproblem bei der Bodenberieselung hat sich insbesondere der Druckabfall in der Berieselungsleitung ergeben. Ausserdem ist bei dieser Methode der Kühlung von Kalbelstrek-.ken der Wasserverbrauch sehr hoch (DT-PS Nr. 1 174 386).

Vergleicht man nun die vorbeschriebenen Systeme der Kabelkühlung, bei denen das Kabel in seinem Inneren oder an seinem Umfang durch ein strömendes Kühlmedium gekühlt wird, mit dem letztbeschriebenen System mit Berieselungsrohr·, so zeigt sich, dass bei diesem System mit Berieselung die Verlustwärme anstatt durch ein strömendes Medium mit definierter Temperatur mittels des variabel mit Wasser angereicherten Bodens mit entsprechend variablem spezifischen Wärmewiderstand und somit variablem Wärmeleitwiderstand abgeführt werden muss, was sich als sehr unsicher erwies.

Deshalb wurde zu der nunmehr bereits zum Stande der Technik gehörenden Massnahme. gegriffen, parallel zum elektrischen· Kabel eine entsprechende Anzahl von Metall- oder Kunststoffrohr.e zu verlegen, die z.B. von Frischwasser oder von künstlich gekühltem Wasser durchflossen sind. Diese Wasserrohre sind dazu bestimmt, wenigstens einen Teil der vom Kabel entwickelten Wärme aus der Kabelumgebung abzuführen, um dadurch eine übermässige Erwärmung des Kabels bzw. der Kabelumgebung zu verhindern (Electrical Review, 20. Juli .1973, Seite 86 und DT-PS Nr. 1 17H 386).

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Derart mittels parallel zum Kabel laufender Wasserrohre hergestellte indirekte Kühlungen sind im Vergleich mit den bisher beschriebenen Systemen zwar einfacher und billiger zu realisieren, jedoch weniger wirksam als diese. Dies hat seine Ursache darin, dass auch bei solchen indirekt gekühlten Kabeln der Wärmeleitwiderstand des zwischen Kabel und Kühlrohr befindlichen Bodens wirksam ist, welcher Wärmeleitwiderstand nicht nur von der Erstreckung Cl des Bodens zwischen Kabel und Kühlrohr sowie der jeweils wirksamen Querschnittsfläche dieses Bodens, durch den Wärmedurchgang vor sich geht, sondern, auch vom spezifischen Wärmewiderstand —=— abhängig ist. Gerade dieser spezifische Wärmewiderstand t/L ist, wie vorstehend ausgeführt wurde, jedoch nicht unerheblich eine Funktion des jeweiligen Feuchtigkeitsgehaltes des Bodens, wobei dessen Heterogenität die Erfassung von ψ noch zusätzlich erschwert.

Deshalb wurde zur Minderung der letztgenannten Nachteile bereits vorgeschlagen, den Bodenaushub in unmittelbarer Umgebung des Kabels durch ein spezielles Rückfüllmaterial zu ersetzen. Hierbei handelt es sich meistens um Sand-Lehmmischungen bestimmter Körnung mit relativ niedrigem spezifischen Wärmewiderstand (70 bis 100⁰C cm/W), die nicht irreversibel austrocknen. Aber auch solche Systeme

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weisen eine nachteilige Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt auf· Ausserdem werden grosse Mengen von RückfUlimaterial benötigt, was hinsichtlich dessen Herstellung eine grosse Sorgfalt und Zuverlässigkeit erfordert, um über die gesamte Kabelverlegungsstrecke eine gleichmassig hohe Qualität der Kabelbettung zu erreichen.

Um nun von der Bodenfeuchtigkeit möglichst weitgehend unabhängig zu werden, wurde für indirekt gekühlte Systeme weiters vorgeschlagen, den Raum zwischen Kabel und Kühlrohr mit-Magerbeton auszufüllen. Beten neigt jedoch, vor allem wegen der unterschiedlichen Wärmedehnungen von Kabel und Kühlrohr, sehr stark zu Rissbildungen, wodurch der Wärmeleitwiderstand auch dieses Rückfüllmittels erheblich grosser wird.

Endlich ist man bei einem Grenzfall einer indirekten als auch direkten. Kühlung nach US-PS.Nr. 3.409.731 dazu übergegangen, vorzugsweise drei isolierte Leiter in ein Rohr zu verlegen, derart, dass jedes der drei Kabel die Rohrinnenwand längs einer Wanderzeugenden berührt und der Raum zwischen den Kabeln sowie dem Rohr z.B. mit OeI oder einem Gas unter Druck gefüllt ist. Parallel verlaufend mit diesem Rohr sind zwei Kühlrohre vorgesehen, die an zwei einander in Rohrdurchmesserentfernung gegenüberliegenden Aussenwanderzeugenden am. Rohr anliegen und

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mittels das Rohr und die Kühlröhre umfassenden Metallstreifen in ihrer gegenseitigen Lage gehalten sind. Diese u.a. aus drei Kabeln, einem Rohr und zwei Kühlrohren bestehende Anordnung ist in einem diese umgebenden weiteren Rohr verlegt, wobei zwischen den beiden .Rohren eine Plastikschaumisolation vorgesehen ist und das weitere Rohr von einem weiteren Medium, z.B. dem Boden, umgeben ist.

Zwischen den beiden Kühlrohren und dem die drei Kabel umgebenden Rohr besteht demnach nur ein geringfügiger Oberflächenkontakt längs den Rohrberührerzeugenden bzw. einer minimalen Zone eines Verbindüngsmetalles,während der übrige Zwischenraum zwischen den Kühlrohren und dem Rohr durch einen wärmedämmenden Schaumstoff ausgefüllt ist. Abgesehen von der Aufwendigkeit des gesamten Systemes ist nach dem Vorstehenden unschwer zu erkennen, dass hier komplizierte Wärmedurchgangsverhältnisse vorliegen. So ist bei diesem System der Wärmeleitwiderstand der Kabelisolierungen, die Wärmeübergangswiderstände zwischen den Kabelisolierungen und dem OeI oder Gas, der Wärmeübergangswiderstand zwischen dem OeI oder Gas und der Rohrinnenwand, der Wärmeleitwiderstand der Rohrwand, der Undefinierte Wärmeübergangswiderstand der Grenzschichte zwischen dem Rohr und den Kühlrohren sowie der Wärmeleitwiderstand des zwischen dem Rohr und den Kühlrohren befindlichen Plastikschaumstoffes, der Wärmeleitwiderstand des Schaumstoffes zwischen dem

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Rohr und dem weiteren Rohr, der Wärmeleitwiderstand des weiteren Rohres und endlich der Wärmeleitwiderstand des umgebenden Bodens in Rechnung zu setzen, wobei auch die Anwendung von örtlich zwischen dem Rohr und den Kühlrohren vorgesehenen Kontaktmetall - worüber später noch auszuführen sein wird - die voraufgezählten Wärmewiderstandsverhältnisse nicht unwirksam machen kann, weil dieses Kontaktmetall nicht direkt zwischen den Kabeln und den Kühlrohren angeordnet ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem System aus Rohrgaskabeln mit Beilaufkühleinrichtung, also insbesondere mit parallel zu den Rohrgaskabeln verlaufenden Kühlrohren, die zwischen den elektrischen Leitern und den Kühlmedien bestehenden Wärmewiderstände auf ein möglichst gleichbleibendes Minimum zu reduzieren und nebenbei den Wärmestrom an die Umgebung eines solchen Systems wählbar klein zu halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgewäss dadurch gelöst, dass mindestens ein einen geringen, insbesondere unter 50°c cm/W liegenden, spezifischen Wärmewiderstand aufweisendes und wenigstens zum Teil vorzugsweise oberhalb 40°C insbesondere

im Temperaturbereich von 40°C ^i₅ ioo°C, zumindest etwas plastisches und adhäsives Mittel vorgesehen ist, das wenigstens zwischen der Kapselung des jeweiligen Rohrgas-

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kabeis und dem oder den diesem Rohrgaskabel beilaufend zugeordneten Kühlrohren angeordnet ist.

Besonders vorteilhaft ist es hierbei, dass das Mittel aus einer zumindest etwas plastischen und adhäsiven Substanz aus Asphalt oder Bitumen besteht und ausserdem von wenigstens einem metallischen Stoff in Form von Spänen, Wolle oder Geflechten durchsetzt ist, die ein Gerüst bilden.

Es empfiehlt sich hierbei, metallische Stoffe aus Kupfer, Aluminium, Eisen oder Stahl zu verwenden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass sich der Erfindungsgegenstand gegenüber den vorstehend beschriebenen direkt gekühlten Systemen - soweit überhaupt vergleichbar - durch seine besondere Einfachheit auszeichnet. Im Gegensatz zu diesen Systemen wird bei der Erfindung der Aufbau des oder der Kabel durch die Kühlung nicht verkompliziert. Aber auch die Verlegung und eventuelle Reparatur des Kabel- und Kühlsystems gemäss der Erfindung ist relativ einfach und billig.

Gegenüber den durch den Boden, insbesondere mittels speziellen Rückfüllmateriales aus Sand und Lehm, oder mittels feuchtigkeitsberieselten Bodens gekühlten Systemen zeichnet sich die Erfindung durch die Feuchtigkeitsunabhängigkeit ihres

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- 19 die zu kühlenden Kabel umgebenden Mittels aus.

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Aber auch gegenüber in Magerbeton deshalb hinsichtlich der Bodenfeuchtigkeit relativ unabhängig gebetteten elektrischen Kabeln zeichnet sich die Erfindung durch ihr bei den üblichen Betriebstemperaturen von ca. 40 bis 80°C hinreichend, plastisches und adhesives Mittel aus, das sich allen Wärmedehnungen der Kabel und Kühlrohre anpasst, ohne hierbei seinen Wärmeleitwiderstand zu verändern.

Die Erfindung stellt vor allem die Lösung des Problems der indirekten Kühlung bei Rohrgaskabeln dar, deren Kühlung im Hinblick auf die hohen Uebertragungsströme erheblich forciert werden muss, abgesehen davon, dass bei den bekannten indirekten Kühlungen ausserdem bisher kein guter und zugleich sicherer Wärmekontakt zwischen Kabeln, und Kühlrohren gewährleistet ist und deshalb solche Kühlungen nur beschränkt einsatzfähig und wirksam sind. Dies trifft insbesondere auch auf den Gegenstand der US-PS. Nr. 3.409.731 zu, bei dem die Zwischenschicht zwischen dem die drei isolierten Leiter umgebenden Rohr einerseits und den beiden Kühlrohren anderseits zum Teil aus Plastikschaumisoliermaterial und zum Teil aus einer schmalen Schicht eines Verbindungsmetalles besteht, das im Hinblick auf thermische sowie mechanische Wechselbeanspruchungen aber auch in Sicht auf Korrosion keine

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verlässliche Dauerverbindung gewährleistet, abgesehen davon, dass die Herstellung dieser Verbindung sowie des gesamten Systems kompliziert und deshalb arbeits- und kostenaufwendig ist und im Gebrechensfalle dieses Systems weiteren erheblichen Aufwand wegen der Schwierigkeit der Reparaturen erfordert.

Zusammenfassend vereinigt die Erfindung in sich den Vorteil des guten Wirkungsgrades der direkt gekühlten Systeme sowie die Vorteile indirekt gekühlter Systeme mit Sand-Lehmmischungen oder Magerbeton als Wärmedurchgangsmaterial zwischen Kabel und Kühlrohr, ohne dass die Erfindung die Nachteile der beiden letztgenannten Systeme aufweist, wobei sich die Erfindung darüber hinaus ausserdem noch durch die Plastizität sowie das Adhäsionsvermögen ihres Wärmedurchgangsmateriales und noch nachstehend besprochenen Eigenschaften auszeichnet, was durch kein bisher bekanntes Kühlsystem bei elektrischen Kabeln nahegelegt wird.

Ein Außführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung der Wärmedurchgangsverhältnisse bei durch eine Wand getrennte Kadien,

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Fig. 2 einen Querschnitt durch ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem dreiphasigen Kabel,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein dreiphasiges AusfUhrungsbeispiel· der Erfindung mit Einzelführung der Phasen, wobei jeder Phase zwei Kühlrohre beilaufend zugeordnet sind,

Fig. 4 einen Querschnitt durch drei einzelne Kabel mit insgesamt nur zwei Kühlrohren,

Fig. 4a einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführung entsprechend Fig. 4 mit den Vorteilen einer asymmetrischen Anordnung des jeweiligen zwischen zwei Kabeln befindlichen Kühlrohres,

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Ausführung gemäss Fig. 4 mit.je einem zusätzlichen Kühlrohr bei den beiden äusseren der drei nebeneinancierl iegend geführten Kabeln und

Fig« 6 einen Querschnitt durch eine vorteilhafte drei-. phasige Ausführung mit drei separaten Kabeln, wobei zwischen je zwei Kabeln zwei Kühlrohre angeordnet sind.

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In Fig. 1 ist auf der Abszisse des Diagrammes die Dicke χ der in Betracht gezogenen Medien und auf der Ordinate die Temperatur ή/ dieser Medien abgetragen. Hierbei ist ein inneres gasförmiges oder flüssiges Medium i durch eine Wand mit der Dicke d von einem äusseren gasförmigen oder flüssigen Medium a getrennt. Die mittlere Temperatur nj des wärmeren inneren Mediuivjs i sinkt in seiner Grenzschichte auf die Temperatur /I/ ^ der inneren Wandgrenzfläche ab. Die Wand α selbst weist das aus Figur 1 ersichtliche Temperaturgefälle auf. Die Temperatur. Aj\ der äusseren Wandgrenzfläche fällt dann in der Grenzschichte des äusseren kälteren Mediums a auf d'essen mittlere Temperatur M ab, so dass die in dar Heschreibungseinleitung genannte Voraussetzung

für den Wärmedurchgang erfüllt ist.

In Fig. 2 ist eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung in einem Schnitt quer zum Kabel dargestellt. Es handelt sich hierbei um ein unterirdisch verlegtes Hochsparxnungskabel, wie solche in dicht besiedelten Gebieten immer häufiger verwendet werden. Nachdem die konventionellen

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Kabel meist eine Oel-Papier- oder -Kunststoffisolation aufweisen, deren spezifischer Wärmewiderstand i~ etwa zwischen 300 bis 600 C cm/W liegt, wird bei dem vorliegenden Beispiel gemä'ss Fig. 2 für Hochleistungsübertragung von einem Rohrgaskabel 2_ vorzugsweise mit SF,-*— Gas als Isolationsmittel ausgegangen. Dies hat seinen.Grund darin, dass der innere Wärmewiderstand des Rohrgaskabels ^,nämlich der Wärmeübergangswiderstand zwischen den elektrischen- Leitern 2b und dem SFg,dem Wärmeleitwiderstand des SF₆ und dem Wärmeübergangswiderstand zwischen dem SFg und der rohrförmigen Kapselung 2a viel kleiner ist (ca. -ζ ) als bei den konventionellen Kabeln. Zu dem relativ kleinen inneren Wärmewiderstand

des Rohrgaskabels 2 kommt noch der Wärmeleitwiderstand —

Λα

der rohrförmigen Kapselung 2a, der dem spezifischen Wärmewiderstand --— sowie der Kapselungs- bzw. Rohrdicl'.e direkt und etwa der mittleren Rohrmantelfläche verkehrt proportional ist, wobei für die im allgemeinen aus Eisen bzw. Stahl bestehende Kapselung ein —=—

von etwa 1,4°C cm/W in Rechnung gesetzt werden kann.

Zwischen dem Rohrgaskabel 2. ^unc* ^den Kühlrohren 3 ist das plastische und adhäsive Mittel 1 mit einem unter 50°c cm/W liegenden spezifischen Wärmewiderstand angeordnet, dessen Wärmeleitwiderstand ebenfalls als relativ niedrig zu veranschlagen ist, wozu nocl", um den gesamten Wärmedurchgangswiderstand Σ» — +

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des Systems zu erfassen, der Wärmeleitwiderstand der Wände der Kühlrohre 3 sowie der Wärmeübergangswiderstand des KUhlmediums mit den Kühlrohren 3 sowie der Wärmeleitwiderstand des thermischen Nebenschlusses vermittels des Füllmittels 5 hinzukommt, wenn man vom Boden 6 absieht. Es ist hierbei im wesentlichen .nur eine Frage der Rohrkabelbelastung und der Kühlrohr- bzw. Kühlungsdimensionierung und Anordnung sowie Dimensionierung des Mittels 1 sowie des spezifischen Wärmewiderstandes des Füllmittels 5, bis zu welch hohem Prozentsatz das System bestehend aus Rohrgaskabel 2j* Mittel 1 und Kühlrohre 3 ein abgeschlossenes System bildet und bezüglich der eingangs beschriebenen direkt gekühlten Systeme wirkungsgradmässig zumindest gleichwertig oder besser ist.

Das zwischen dem Rohrgaskabel 2_ und den Kühlrohren 3 befindliche Mittel 1 besteht hinsichtlich seines plastischen und adhäsiven Teiles in vorteilhaftester Weise aus Asphalt (DIN 55 946), das heisst, einem Gemisch aus Bitumen und Mineralstoffen, das im allgemeinen technisch hergestellt wird. Beim reinen Asphalt handelt es sich um Gemenge von hochmolekularen polyzyklischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit geringen Mengen von Sauerstoff-, Schwefel- und Stickstoffverbindungen. Die Klassifikation ist hierbei nicht einheitlich und die Grenze zu den Harzen nicht scharf. Unter Bitumen (DIN 55 946)

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sind die bei der schonenden Aufbereitung von Erdölen gewonnenen hochmolekularen Kohlenwasserstoffgemische und die in Schwefelkohlenstoff löslichen Anteile der Naturasphalte zu verstehen. Die Klebewirkung und Plastizität macht die Bitumen vor allem als Bindemittel sehr geeignet. Insbesondere zeichnen sich die Bitumen durch eine sehr geringe Wasserquellung und minimale Wasser- und Wasserdampfdurchlässigkeit aus, so dass sie sehr gut als Abdichtungs- bzw. wasserabstossendes Material verwendbar sind, wozu noch ihre geringe elektrische Leitfähigkeit hinzukommt. Das zwischen dem Rohrgaskabel 2, und den Kühlrohren 3 befindliche Mittel 1 besitzt demnach bei den üblichen Betriebstemperaturen von ca. 40 bis 80°c hinreichende Plastizität bzw. Duktilität, um sich allen Wärmedehnungen des Rohrgaskabels 2. sowie der Kühlrohre 3 anzupassen. Im interessanten Temperaturbereich von etwa 40 bis 100°C zeigt sich ausserdem,. dass bei Asphalt eine genügende plastische Verformung allein durch das Eigengewicht der Asphaltmasse erfolgt, so dass im Zusammenwirken mit dem als Klebwirkung sich äussernden Adhäsionsvermögens des Asphaltes Rissbildungen zwischen dem Mittel 1 und den sich ausdehnenden und wieder zusammenziehenden Rohren 2. und 3 sicher vermieden sind. Asphalte haben weiters den Vorteil, dass ihr spezifischer Wärmewiderstand vom Feuchtigskeitsgehalt

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des sie umgebenden Füllmittels 5 sowie des daran angrenzenden Bodens 6 praktisch unabhängig ist. Um nun den bei

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ca· 120 C cm/W liegenden spezifischen Wärmewiderstand des aus Asphalt oder einer asphaltähnlichen Substanz oder einem entsprechenden Harz bestehenden Teiles des Mittels 1 zu verringern, sind diesem Teil als weiterer Teil gut wärmeleitende Stoffe beigemischt. Am besten haben sich hierfür metallische Stoffe erwiesen, deren spezifischer Wärmewiderstand ca. 100-mal kleiner als der von Erde oder Sand ist, wie die kurze nachstehende Uebersicht für die wichtigsten in Frage kommenden Metalle zeigt :

Al , 0,3 - 0,5⁰C cm/W

Cu O,27°C cm/W

Fe . 1,4°C cm/W

Die in Form von Metallspänen, insbesonderen Stahl- oder

bei Aluminiumwolle oder Geflechten dem Asphalt/gegebenen den weiteren Teil des Mittels 1 ausmachenden Stoffe bilden hierbei im Asphalt ein gut wärmeleitendes Gitter oder Gerüst, mittels dessen der spezifische Wärmewiderstand des Mittels 1 einen unter 3O°C cm/W liegenden Wert erreicht. Das aus einer Mischung aus Aluminiumspänen oder Aluminiumwolle und Asphalt bestehendes Mittel 1 hat ausserdem den weiteren besonderen Vorteil, dass auch bei relativ

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hohen Temperaturen, bei denen das Asphalt bereits stark plastisch ist, u.a. zufolge der etwa gleich grossen spezifischen Gewichte der Mischungsteile keine Entmischung und dadurch Aenderung des spezifischen Wärmewiderstandes des Mittels 1 eintreten kann.

Der allgemeine Erfindungsgedanke beim Mittel 1 ist ! demnach, aus einer Mischung aus zumindest zwei gängigen

bzw. billigen Substanzen einen Stoff mit der Summe der j vorbeschriebenen günstigen Eigenschaften herzustellen,

wobei die Kombination dieser Substanzen über ihre

] Einzeleigenschaften hinausgehende Eigenschaften wie

: Konstanz des Mischungsverhältnisses bzw. der Mischungs-

topologie und somit des Wärmewiderstandes aufweisen muss.

Die Beilaufkühleinrichtung gemäss der Erfindung erweist sich demnach nicht nur als sehr wirksam und billig sondern ist auch besonders einfach herzustellen und zu revidieren.

Zur Herstellung wird der Boden 6, also z.B. das Erdreich, . mittels selbstfahrender Bagger in Form einer Künette

fortlaufend ausgehoben, bereitliegendes Füllmittel 5 oder

der ausgehobene Boden
/bis zur Höhe des Auflageniveaus des Rohrgaskabels 2_ j

nachlaufend eingebracht und der bereitgestellte Rohr-

der Boden oder gaskabelstrang fortlaufend eingelegt sowie'das Füll-

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mittel 5 bis etwa zur Höhe des horizontalen Rohrgaskabeldurchmessers ständig nachgefüllt. Nach Einbringung der Formstücke 4 wird das Mittel 1 in den durch die obere Hälfte der Kapselung 2a und den Formstücken 4, wie Bretter, gebildeten Trog laufend eingeschüttet, hierauf die Kühlrohre 3 in das Mittel 1 fortlaufend

der ausgehobene Boden oder eingelegt und schliesslich^das Füllmittel 5 bis zu seinem Niveau 5a bi*3 in die Höhe des Bodenniveaus 6a im Fliessverfahren aufgefüllt.

Aus Gründen der Rationalisierung kann bei guten Bodenverhältnissen anstatt des Füllmittels 5 auch das Bodenmaterial anstatt des Füllmittels 5 wiederverwendet und gegebenenfalls die Formstücke 4 weggelassen werden. Für besonders hoha Uebertragungsleistungen hingegen kann das Rohrgaskabel 2, ganz in das Mittel 1 eingebettet werden.

In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bis 6 sind die den der Fig. 1 entsprechenden Positionen gleichbezeichnet·

In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch eine Ausführung mit drei separat geführten einphasigen Rohrgaskabeln 2, dargestellt, wobei der Aufbau des Systems ansonsten dem

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der vorbeschriebenen Fig. 2 entspricht. Die Kühlung der einzelnen elektrischen Leiter 2b erfolgt hierbei mittels je zweier Kühlrohre 3, die geringfügig aus dem Mittel 1 hervorragen. Dies hat den Vorteil, dass die Kühlrohre 3 leicht lokalisierbar sind, sobald sich Aufgabungen als notwendig erweisen.

In Fig. 4 ist ein.Querschnitt durch eine Erfindungsvariante mit drei einphasigen Rohrgasgabeln _2_ mit insgesamt nur zwei Kühlrohren 3 abgebildet. Die Formstücke 4a sind hierbei nur zwischen den Rohrgaskabeln 2. und zugleich zwischen dem Mittel 1 und dem Füllmittel 5 vorgesehen und könnten gegebenenfalls auch entfallen.

Hier liegt nun eine Beilaufkühleinrichtung vor, bei der die aus den Kühlrohren 3 bestehende Wärmesenke durch das besonders gut wärmeleitende Mittel 1 mit der aus den Rohrgaskabeln 2. gebildeten Wärmequelle verbunden ist. Der von der Wärmequelle über das Füllmittel 5 zur Wärmesenke führende thermische Nebenschluss sowie der Wärmestrom in den Boden 6 sind hierbei,wie auch bei den vorhergehenden Ausführungen, weitgehend vernachlässigbar.

Durch das Mittel 1 werden im allgemeinen zwar nur 25 % bis 50 % der Kapselung des Rohrgaskabels

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definiert gekühlt. Trotzdem ist die Temperaturverteilung am Umfang der Kapselung nahezu gleichmässig, weil der Wärmestrom von den heissesten Stellen der Kapselung durch diese selbst (Wandstärke z.B. 10 mm AL) zur kältesten Stelle am äusseren Umfang der Kapselung fliesst; hierbei jedoch nur zum geringen Teil über den thermischen Nebenschluss, d.h. über den durch den ausgehobenen Boden 6 gebildeten Parallelpfad zur letztgenannten Kapselung geht.

Eine eventuelle Austrocknung bzw. gefürchtete Verödung "des Bodens ergibt sich im allgemeinen ungünstigstenfalls in Form einer irreversibel ausgetrockneten Schicht, die bis etwa zu einer Dicke von 50 cm das Rohrgaskabel umgibt.. Die letztgenannte Schicht kann die Struktur eines gebackenen Ziegels annehmen. Gefürchtet ist hierbei die Erhöhung des spezifischen Wärmewiderstandes dieser Schicht von z.B. 70 auf 300⁰C cm/W.

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Fig. 4a zeigt einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführung entsprechend Fig. 4 mit unsymmetrisch zwischen den Rohrgaskabeln _2_ angeordneten Kühlrohren 3, Hierbei ist das jeweils zwei Rohrgaskabeln 2_ zugeordnete Kühlrohr 3 jeweils näher dem äusseren Rohrgaskabel 2_ angeordnet, um dadurch eine gleichmäss ge Kühlung der drei Rohrgaskabel 7_ zu erhalten.

Gemäss Fig. 5 sind den beiden äussersten Rohrgsskabeln 2^ zusätzlich Kühlrohre 3 mit je etwa halb so grossem freien Querschnitt zugeordnet als. der jeweilige Querschnitt der übrigen Kühlrohre 3 des Systems gross ist, um dadurch den Temperaturgradienten des Systems zu vergleichmässigen.

Fig. 6 zeigt schliesslich eine besonders zu bevorzugende Erfindungsvariante,bei der Wärmequelle (.2) und Wärmesenke (3) weitgehend nur über das Mittel 1 thermisch miteinander in Verbindung stehen, wobei im Bedarfsfall auch die noch vom Mittel 1 freien Kapselungsteile 2a vom Mittel 1 hüllenförmig umfasst sein können, um durch eine solche Anordnung des Mittels günstige Wärmedurchgangsverhältnisse zu schaffen. Hierbei kann der radiale Querschnitt einer solchen in Fig· 5 an den äusseren Rohrgaskabeln 2. nicht eingezeichneten Hülle

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flächenmässig etwa direkt proportional mit dem Abstand d der Querschnittspunkte vom jeweils am nächsten gelegenen Kühlrohr 3 zunehmen, wobei die Dicke der Hülle im minimalsten Hüllenquerschnitt in radialer Richtung gemessen mindestenseo gross ist, dass der Wärmedurchgang an die Umgebung, also an das Füllmittel 5 bzw. den Boden 6, einen wählbaren Wert nicht übersteigt. Selbstverständlich können derart vom Mittel 1 eingehüllte Rohrgaskabel 2, ausserdem auch noch von einer wärmedämmenden Schichte mit hohem ,tpezif Ischen Wärmewiderstand umgeben sein, um praktisch jede Wärmeabgabe an die letztgenannte Umgebung zu unterbinden.

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Claims (10)

<·'■■■ ■ G 75 23 180.0 107/75 Fr/Ca 5.4.77 S chut zansprüche

1. Anordnung zur Kühlung eines Rohrgaskabels durch mindestens ein hierzu beilaufend angeordnetes Kühlrohr, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Rohrkapselung (2a) des Rohrgaskabels (2) und dem Kühlrohr (3) ein oder mehrere von Metallteilen durchsetzte Verbindungsteile aus einem Mittel (1) aus Aspnalt oder Bitumen mit ein^m unter 50° C cm/W liegenden spezifischen Wärmewiderstand angeordnet sind, die oberhalb 40° C, insbesondere im Temperaturbereich von 40° C bis 1'"O⁰ C, zumindest etwas plastisch und adhäsiv sind.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallteile die Form von Spänen, Wolle oder Geflechten aufweisen.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallteile in dem zumindest etwas plastischen und adhäsiven Mittel (1) ein Gerüst bilden.

4. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekenn-

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zeichnet, dass die Metallteile aus Kupfer (Cu) oder auo Aluminium (Al) oder aus Eisen (Fe) oder aus Stahl bestehen.

5. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsteile an der der Erdoberfläche (5a, 6a) zugewandten Seite der Kapselung (2a) und/oder zwischen den einander zugewandten Seiten der Kapselungen (2a) benachbarter Rohrgaskabel (2) angeordnet sind und die Kühlrohre (3) zumindest teilweise in das Mittel (1) eingebettet sind.

6. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre (3) an der der Erdoberfläche (5a, 6a) zugewandten Seite der Kapselung (2a) und/oder zwischen den einander zugewandten Seiten der Kapselungen ^ (2a) benachbarten Rohrgaskabel (2) mit Abstand gleichlaufend wie die Rohrgaskabel (2) diesen beilaufend zugeordnet sind.

7· Kühleinrichtung nach Anspruch 1, 5 oder 6, dadurch ge-

j kennzeichnet, das der freie Querschnitt der Kühlrohre (3)

bei separat angeordneten Rohrgaskabeln (2) (Fig. 2 und 3)

! relativ klein, hingegen bei durch die Verbindungsteile

bzw. das Mittel (1) verbundenen Rohrgaskabeln (2)

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(Fig. k bis 6) bei kleinerer Zahl der Kühlrohre (3) vergleichsweise gross ist.

8. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, 5» 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem System mit mehreren Rohrgaskabeln (2), wie z.B. bei drei nebeneinanderliegenden Rohrgaskabeln (2), die Kühlrohre (3) näher dem jeweils näheren äusseren Rohrgaskabeln (2) angeordnet sind (Fig. l4a).

9. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren nebeneinander angeordneten und durch die Verbindungsteile bzw. das Mittel (1) verbundenen Rohrgaskabeln (2) der freie Querschnitt des nahe der Aussenseite des jeweils äussersten Rohrgaskabels (2) angeordneten Kühlrohres (3) etwas halb zu gross ist als der freie Querschnitt der zwischen Rohrgaskabeln (2) befindlichen Kühlrohre (3) (Fig. 5).

10. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der kürzeste Abstand der dem oder den jeweiligen Rohrgaskabeln (2) zugeordneten Kühlrohren (3) kleiner als der Durchmesser der Kühlrohre (3) ist.

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