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Durchführung für Meßelektroden in Hochdruckbehältern
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchführung für Meßelektroden
in Hochdruckbehältern, die aus lösbar miteinander zuverbincenden, zum Teil in eine
erweiterte Aufnahmebohrung einsetzbaren Einzelteilen aufgebaut ist.
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In der chemischen Industrie und in der Forschung sind häufig wässrige
Lösungen oder Gase zu untersuchen. Das heißt, es sind spezifische Messungen oder
laufende Überwachungen bei hohen Temperaturen - im Bereich von etwa 3000 C - und
bei hohen Drücken - bis etwa 100 MPa (entspricht 1000 bar) oder darüber - durchzuführen.
Bei der konstruktiven Ausbildung für die Durchführungen von Meßelektroden für solche
Zwecke sind mehrere Bedingungen zu berücksichtigen, die sich teilweise gegenseitig
beeinflussen.
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Ein Problem besteht beispielsweise darin, daß ein elektrischer Potentialausgleich
zwischen der Elektrode und der Behälterwandung unbedingt vermieden werden muß. Die
Elektrode ist dementsprechend gut zu isolieren. Diese Isolierung muß andererseits
temperaturbeständig sein und auch aggressiven chemischen Substanzen widerstehen.
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Selbstverständlich ist dafür zu sorgen, daß ein druckdichter Abschluß
gewährleistet ist. Hierbei hat sich gezeigt, daß übliche Maßnahmen allein nicht
ausreichen.
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Es muß nämlich verhindert werden, daß infolge des hohen Druckes die
Elektrode aus ihrer Halterung in der Durch-
führung nach außen herausgeschoben
werden kann.
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Bekannte Konstruktionen für Durchführungen von Elektroden oder elektrischen
Leitern sind zumeist für spezielle Anwendungen konzipiert, bei denen nicht gleichzeitig
alle oben beispielhaft genannten Bedingungen auftreten. So kann zunächst unterschieden
werden zwischen solchen Konstruktionen, die auf hohe Temperaturen und geringe Drücke
ausgelegt sind, tind solchen, mit denen sich hohe Drücke, jedoch keine hohen Temperaturen
beherrschen lassen. Weiterhin lassen sich sowohl bei der einen als auch bei der
oberen Kategorie die chemischen, elektrochemischen und physikalischen Gegebenheiten,
wie Zusammensetzung, Leitfähigkeit und Aggregatzustand (flüssig, gasförmig) der
im Meßraum befindlichen Substanzen nicht genérelt und optimal berücksichtigen.
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Für Säure-Messungen bei erhöhten Temperaturen ist z.B.
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in: The Journal of Physical Chemistry, Band 74 Nr. 9, 30. April 197O,
Seiten 1937 ...1942, ein Apparat beschrieben (5. insbesondere a.a.0. Seite 1938,
Beschreibung der Apparatur und Figur 1). Diesem bekannten Stand der Technik ist
kein Hinweis darauf zu entnehmen, auf welche Weise verhindert werden könnte, daß
die Elektroden infolge eines hohen Druckes- aus ihren Halterungen nach außen herauseschobn
werden.
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Weiterhin ist beim Herbsttreffen der Electrochemical Society in Montreal,
Kanada (17. bis 21.10.1982) -s.a. Extended Abstracts, Band 82-2, Seite 135, über
eine Referenz-Elektroden-Konstruktion berichtet worden.
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Diese Konstruktion weist einen besonderen Kühler auf,
der
den außerhalb des Druckbehälters befindlichen Teil der Elektrode umgibt, und ist
nur von der Außenseite her in einen Behälter oder Deckel einzubauen.
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Außerdem finden sich auch hierbei keine Hinweise auf eine unverschiebbare
Halterung der Elektrode.
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Aus einem dem Erfinder seit dem Jahre 1981 vorliegenden Katalog: GHT
Gesellschaft für Hochdrucktechnik mbH., 2000 Tangstedt 2, Bundesrepublik Deutschland,
Seiten 4.17 und 4.18, sind Leiterdurcaführungen, d.h.
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elektrische Stromdurchführungen für Hochdruck, bekannt, die dann verwendet
werden, wenn in Hochdruckbehältern Innenheizungen angeschlossen werden müssen oder
Meßleitungen aus dem Druckraum herausgeführt werden sollen. Die Teile, die geliefert
werden, umfassen nicht den elektrischen Leiter, aber das erforderliche Isolationsrohr.
Für die vorgesehene Verwendung sollen bei Bestellungen weitere Details, insbesondere
die Betriebstemperatur, mitgeteilt werden, um gegebenenfalls betreffende - zusätzliche
- Hinweise geben oder andere Lösungen vorschlagen zu können. Die katalogmäßig angebotenen
Ausführungsformen - siehe a.a.0. Seite 4.18 -erlauben entweder (Abb. 1) eine unverschiebbare,
isolierte Befestigung eines besonderen Leiters, d.h. eines metallischen Bolzens
mit Gewinde an beiden Enden, also keine ununterbrochene Durchführung einer Elektrode,
oder (Abb.2) eine isolierte Halterung eines durchgehenden Leiters, der dort zweifellos
sehr schwer verschiebbar ist, eine Unverschiebbarkeit aber wohl doch nicht garantiert.
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Ebenfall aus einem Firmenkatalog, nämlich der Firma C.T. (Hamburg)
GmbH., 2000 Hamburg 2O, Bundesrepublik
Deutschland, Blatt 231.2.08,
ist eine elektrische Leiterdurchführung mit Weichsteinkonus bekannt. Dabei befinden
sich beiderseits des Weichsteinkonus je ein Stück Isolationsrohr, und mit einer
Überwurfmutter werden die Einzelteile in der Aufnahme- und der Durchgangsbohrung
befestigt. Der elektrische Leiter wird durch diese Isolationsrohre und den Weichsteinkonus
geführt. Auch hier kann wohl eine Unverschiebbarkeit des Leiters nicht garantiert
werden.
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Die Erfindung zielt darauf ab, für Meßelektroden in Hochdruckbehältern
eine solche Konstruktion für die erforderliche Durchführung zu schaffen, die einen
Einbau von einer Seite, der Innen- oder der Außenseite, ermöglicht, druckdicht ist,
temperatur- und korrosionsbeständig ausgebildet werden kann, einen unerwünschten
Potentialausgleich zwischen Elektrode und Behälter verhindert und insbesondere garantiert,
daß die Elektrode infolge hohen Druckes im Meßraum nicht aus ihrer Halterung bewegt
werden kann. Dies wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des
Anspruches 1 angegebenen Merkmale erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch
die-Merkmale der Ansprüche 2 bis 10 gekennzeichnet.
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Die Erfindung und ihre Ausführungformen werden anhand der schematischen
Darstellung in der beigefügten Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1: eine Explosiv-Darstellung einer Meßelektrode und den Bauteilen für ihre
Durchführung und Fig. 2: einen Hochdruckbehälter mit Meßelektroden, im Schnitt.
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Die in Fig. 1 gezeigten Bauteile bilden eine vollständi ge unordnung
und können - wie ohne weiteres zu ersehen - zusammengesetzt und eingebaut werden.
Dazu ist zunächst an der Elektrode 1, die z.B. aus Platin besteht, ein Wulstkörper
2 anzubringen. Dieser Wulstkörper 2 besteht z.B. aus Edelstahl und kann eine konusförmige
Dichtfläche 3 aufweisen. Die Verbindung der Elektrode 1 und des Wulstkörpers 2 wird
bevorzugt durch Hartlöten hergestellt. Nunmehr wird zur Isolierung am unteren Ende
der Elektrode 1 ein Schlauch 4 aufgezogen und auch der Wulstkörper 2 umhüllt. Dies
geschieht mit einem Schrumpfschiauch 5, wobei für eine überlappung 6 dieser beiden
Isoliermantelteile 4 und 5 unterhalb der Dichtfläche 3 gesorgt wird. Die Isoliermantelteile
4 und 5 bestehen vorzugsweise aus einem Kunststoff, z.B. Polytetrafluoräthylen,
abgekürzt PTFE, der auch temperatur- und korrosionsbeständig, jeweils optimal in
Bezug auf die im Meßraum herrschenden Bedingungen ausgewählt wird. Da die Einzelteile
lösbar miteinander verbunden werden, ist auch ein Auswechseln oder ein Ersatz unbrauchbar
gewordener Isoliermantelteile 4 und 5 ohne großen Aufwand möglich.
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Die mit Wulstkörper 2 und Isoliermantelteilen 4 und 5 versehene Elektrode
1 kann nun in eine Aufnahmebohrung 7 - Durchführungsbohrung 8 eingesetzt werden.
Der Übergang zwischen Aufnahmebohrung 7 und Durchführungsbohrung 8 wird vorzugsweise
konisch ausgebildet und wirkt als Dichtfläche 9. Vorteilhaft wird zwischen den Dichtflächen
3 und 9 noch ein zusätzlicher Dichtungskörper 10, z.B als Doppelkonus 11 ausgebildet,
vorgesehen, der als Kunststoffbett und gegebenenfalls auch als Adapter zwischen
unterschiedlich geformten Dichtflächen 3 und 9, dient.
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Die Bohrungen 7 und 8 können sich unmittelbar in der Wandung oder
dem Deckel eines Hochdruckbehälters befinden. Häufig ist es jedoch zweckmäßig, einen
entsprechend ausgebildeten Druckstutzen 12 vorzusehen.
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Die Elektrode 1 mit ihrem fest verbundenen Wulstkörper 2 wird nun
druckdicht und unverschiebbar in der Durchführung eingespannt, indem zunächst ein
Druckring 13 vom oberen Ende der Elektrode 1 her in die Aufnahmebohrung 7 eingeführt,
sodann ein Stück Isolierschlauch 14 über das obere Ende der Elektrode 1 geschoben
und schließlich eine Druckschraube 15 mit einer zentralen Bohrung 16 aufgesetzt
und festgezogen wird.
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Dabei werden der Druckring 13, aber auch - soweit vorhanden - der
zusätzliche Druckkörper 10 soweit verformt, daß ein druckdichter Abschluß entsteht.
Der Isolierschlauch 14, der sich am druckfernen Ende der Elektrode 1 befindet und
außer der elektrischen Isolierung keine weiteren Aufgaben zu erfüllen hat, weist
das für Montagezwecke notwendige Spiel auf.
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Die Druckschraube 15, aber auch ein Druckstutzen 12, können mit Einrichtungen
für eine zusätzliche Kühlung der Meßelektrodendurchführung versehen sein. Hierbei
kann es sich um Kühler mit umlaufender Kühlflüssigkeit oder um Rippen für gegebenenfalls
besonders beschleunigte Umluft handeln.
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Der in Fig. 2 dargestellte Hochdruckbehälter 21 weist eine korrosionsfeste
Innenbeschichtung oder einen derartigen Innenbehälter 22 auf. Durch Isolierrohre
23 werden Meßelektroden 1 - entsprechend Fig. 1 an den mit offenen Kreisen markierten
Stellen montiert - von
außen in den Behälter geführt. Die Besonderheiten
der Anordnungen innerhalb des Meßraumes geben einen beispielhaften Begriff von der
Problematik bei Messungen unter hohem Druck - bis etwa 100 MPa oder auch darüber
-, hoher Temperatur - über 2500 C, d.h. ca 3000 C oder mehr - und mit aggressiven,
elektrisch leitfähigen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen. Im dargestellten
Beispiel führen die Elektroden 1 in Probenröhrchen, die am oberen Ende mit Stopfen
25 abgeschlossen sind.
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Die zylindrische Wandung der Röhrchen wird von Kunststoffrohren 26
gebildet. Darauf aufgeschrumpft befindet sich jeweils ein Kunststoffschlauch 27,
in den als unterer, einen Flüssigkeitsaustausch ermöglichender Bodenabschluß ein
leicht angerauhter Stopfen 28 eingesetzt ist. Zwischen den Probenlösungen 29 in
den beiden Röhrchen findet ein Ladungsaustausch über die Elektrolytflüssigkeit 24
statt, wozu der durch die Pfeile angedeutete und auf die erwähnte Weise ermöglichte
Flüssigkeitsaustausch unbedingt erforderlich ist.