DE7523180U - Beilaufkiihleinrichtung für unterirdisch verlegbare Rohrgaskabel - Google Patents
Beilaufkiihleinrichtung für unterirdisch verlegbare RohrgaskabelInfo
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Description
107/75 Fr ,·
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 {ffK - 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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_ 4 - 107/75
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
/ .AC
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
_ 5 _ 107/75
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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. . , 107/75
— 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. *
752 81ti κν. η
107/75
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.
7S23HI Bf.0T.7f
• · 1
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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.
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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107/7? /a
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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' 107/75·
- 21 -
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.
7S2318107.WJ7
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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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·« ·■«· IMi Ml
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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
ο
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 :
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
/bis zur Höhe des Auflageniveaus des Rohrgaskabels 2_ j
nachlaufend eingebracht und der bereitgestellte Rohr-
der Boden oder gaskabelstrang fortlaufend eingelegt sowie'das Füll-
7523181
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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
7523181
— 29a.1"
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.
7523181
- 30 -
107/75
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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■ 107/75
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)
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-
7523180 07.07.77
- 2 - 107/75
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)
7523189 07.W.77
HU 1 ' ' <
- 3 - 107/75
(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.
7523!It 07.W.J7
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