CH207597A - Heizelement für Hochtemperaturöfen. - Google Patents

Heizelement für Hochtemperaturöfen.

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CH207597A
CH207597A CH207597DA CH207597A CH 207597 A CH207597 A CH 207597A CH 207597D A CH207597D A CH 207597DA CH 207597 A CH207597 A CH 207597A
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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00Ohmic-resistance heating
    • H05B3/02Details
    • H05B3/06Heater elements structurally combined with coupling elements or holders

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  • Resistance Heating (AREA)

Description


  Heizelement für     Nochtemperaturöfen.            Bei        Heizelementen        für     z. B. solchen für     1300-1700'    C und       darüber,        besteht        Ader        Heizleiter    zweckmässig  aus einem hochschmelzenden Metall, einer  Metallverbindung oder aus     hochgesintertem     Kohlenstoff (Graphit). Um das Heizelement  vor der     Verbrennnung    zu     ,schützen,    hat man  in den Ofeneine Schutzatmosphäre     eingeführt     oder ihn evakuiert.

   Da diese Massnahmen  jedoch die Verwendung derartiger Öfen     ein-          schränken        und    ihre Handhabung unbequem  machen, ist man neuerdings dazu übergegan  gen, jedes     Heizelement        selbst    mit einer gas  undurchlässigen Schutzschicht zu umgeben,  die     beispielsweise    aus einem Rohr aus Por  zellan,     Sillimanit    oder andern     silikathaltigen     keramischen Materialien,     beispielsweise    auf       Specksteinbasis,    oder auch aus hochgesinter  ten Oxyden des Aluminiums oder Magne  siums besteht.

   Die Enden des     Schutzrohres,     das den Heizleiter enthält, werden     vakuum-          un,d    gassicher     abgedichtet    und meist mit  Wasser gekühlt.         Fig.    1 der     beiliegenden        Zeichnung    zeigt       schematisch    die     bisherige        Ausführungsform          derartiger        Heizelemente.    1 ist der     Heizleiter          aus    einem hochschmelzenden Metall, z. B.

         Molybdän,    der sich unter der Wirkung des  elektrischen !Stromes bis zu Temperaturen von  <B>1700'</B> C und     darüber        auflheizt,    '2     Ader        gas-          .dichte    keramische :

  Schutzmantel der ins  besondere     durch    Strahlung die     Wärme    nach  aussen abgibt, ohne schädliche Gase, ins  besondere den     Sauerstoff,    von aussen zu dem  Metall des     Heizleiters    durchzulassen, so dass  also dieses vor     Oxydation    geschützt ist.     ä    be  zeichnet eine     Abschlusskappe    des Heizelemen  tes,; die auf .ein Ende des Keramikrohres 2       gasdicht    aufgeschmolzen oder aufgelötet ist.

    Die     Absehlusskappe    muss durch einen auf  gesetzten     Wassterkühlmantel    4     intensiv    ge  kühlt werden, .damit .sie sich nicht unter der       Wirkung    der hohen Temperatur     ablöst    und  dadurch der elektrische Anschluss     bezw.    der  gasdichte Abschluss verloren geht. Die An  ordnung     eines    solchen     Heizelementes    im Ofen      erfolgt in der Regel     so,    dass die Kappe 3 mit  ,dem     Wasserkühlmantel    4 ausserhalb der Ofen  wand liegt.  



  Die beschriebene Anordnung hat nun sehr  viele Nachteile: Der     Endverschluss    ist nicht  genügend betriebssicher, da bei     verminderter          Wasserzufuhr    leicht Zerstörungen     eintreten.          Der    grosse     Wasserkühlmantel    an den Enden  erschwert das Auswechseln des     Heizelementes     und macht es während des     Betriebes    gänzlich  unmöglich. Der Hauptnachteil des beschrie  benen Heizelementes aber     isst    sein     schlechter     thermischer Wirkungsgrad.

   Ein grosser Teil  der im     Heizleiter    umgesetzten Energie     wird     durch die Wasserkühlung abgeführt. Die  Kühlung der Endverschlüsse wirkt sich längs  des Heizleiters weit in den Ofen hinein aus.  Das     Bestreben    des Ofenbauers geht aber  dahin, diejenige Strecke möglichst kurz zu  halten, auf der die Temperatur des Heiz  leiters von der     Kühlmittel-Temperatur    auf       die        Ofentemperatur        ansteigt.     



  Diese Mängel sind nun beim     Heizelement     gemäss der Erfindung dadurch vermieden, dass  innerhalb des keramischen     Schutzrohres    die       beiden        Abschlusskappen    über ein     eine    Wärme  drossel bildendes     Zwischenstiiek    von kleine  rem     Querschnitt    als der übrige     Teildes        Heiz-          leiters    mit diesem verbunden sind.  



  Damit     gelingt        es,    den     achsialen    Wärme  strom geringer zu halten. Unter Annahme  eines temperaturunabhängigen, spezifischen  elektrischen Widerstandes     ergibt    die Ein  schnürung eine Vergrösserung des Energie  umsatzes, und dies tritt in     erhöhtem    Masse  ein, wenn der     spezifische    Widerstand, wie bei  den meisten     Metallen,

      mit der Temperatur       ansteigt.    Umgekehrt ergibt die     Einschnürung     eine     Vergrösserung    des     Wärme@videnstand.es     und damit eine Verminderung der durch den  Temperaturgradienten     bedingten    Komponente  des     achsialen    Wärmestromes.  



  Im folgenden werden an Hand der     Fig.    2       his    10 der Zeichnung Ausführungsbeispiele  der Erfindung erläutert.  



       Fig.    2 gibt einen Schnitt durch ein     Heiz-          element    gemäss der Erfindung. 1 bezeichnet  wieder den     Heizleiter,    beispielsweise aus Mo-         lybdän,    2     das    keramische Schutzrohr. Am       Heizleiter    befindet sich an den     beiden    Enden  je ein Zapfen 5 von einem     Durchmesser    d,  der kleiner als der Durchmesser des     Heiz-          leitere    ist.

   Dieser Zapfen     ist    seinerseits am  andern Ende 6 mit der metallenen     End-          verschlusskappe    7 verbunden. Die Kappe i  kann gegebenenfalls zum Ausgleich von  Wärmeausdehnungen durch Eindrücken von       konzentrischen    Nuten federnd sein und mit       Hilfe    eines Aufsatzes durch Wasser gekühlt  werden. Die Zuführung des elektrischen  Stromes erfolgt zum     Beispiel    durch einen auf  geklemmten     Kontaktring    B.

   Die Länge der  Wärmedrossel 5 (in der Figur mit     l    bezeich  net) wird vorteilhaft etwa     so        gross    gemacht,  wie die Stärke des     Ofenmantels,    so dass man  das Heizelement so im Ofen anordnen kann,  dass die     Wärmedrosoel    innerhalb der Durch  führung durch die Ofenwand liegt.  



  Die Verhältnisse,     insbesondere    am     Sieb-          ende,    zeigt     Fig.    3. Als Ordinate     ist    :die Tem  peratur T, als     Abszisse    der Ort, gerechnet  vom     Stabende    nach dem Ofeninnern zu,

       auf-          getTagen.    Unter     denn    Diagramm ist     schema-          tisch    die Anordnung des Heizstabes gegen  über dem Ofenmantel zur Erläuterung der       Ortsachse    des     Diagrammes        dargestellt.    Die  alte     Anordnung    ohne     Wärmedrossel    zeigt  einen     Temperaturverlauf    nach der Kurve I,

         während        die    Kurve     II    den örtlichen     Tempe-          raturverlauf    bei     Anbringung    der     Wärme-          drossel    wiedergibt.

   Man erkennt, dass bei der  neuen Anordnung einmal die Temperatur an       der        Stirnfläche    der     Abschlusskappe    von dem       Werte        T1    ohne     Wärmedrossel    auf den     Wert          TZ    mit Wärmedrossel     herabgesetzt    wird, was  gleichzeitig mit einer Erhöhung     des    örtlichen       Temperaturanstieges    verbunden ist.

   Während       die    Temperatur an der Stelle A beider alten       Anordnung    von dem     Werte        T..-    noch     stark     abweicht, ist bei der neuen Anordnung die  ser Temperaturwert fast     erreicht.     



  Da an der     Abschlusskappe    des     Heiz-          widerstandes    gemäss dem Diagramm in     Fig.    3  bei Vorhandensein der Drossel eine viel nie  drigere Temperatur     TZ        herrscht    als ohne  Drossel, kann man jetzt schon mit einer ver-           hältnismässig        geringen    sekundlichen     Wasser-          Uurchflussmenge        auskommen,    wobei die Tem  peraturen     zwischenWasserzufluss@-    und     -abfluss     nur ca.     .20'-3,0      erreichen.

   Es genügt jetzt       beispielsweise    eine     einfache    Frontalkühlung  ,der     Abschlusskappe    nach,     Fig.    2. Eine Auf  heizung der Kappe durch     Strahlung    seitens  ,des     Heizleiters    1 oder der heissen Teile :der  Drossel 5     kann    man leicht     .durch    einen Strah  lungsschirm, wie er beispielsweise bei 9 an  gedeutet ist, verhindern.  



  Da bei     Vorhandensein    der     Wärmedrossel     ,der     Endverschluss    weniger     Wärme    zugeführt  erhält, kann der     Wasserkühlmantel    so klein  gehalten werden, dass sein Durchmesser gleich  .dem des eigentlichen     Heizstabes    gemacht wer  den kann. Dadurch ist das     Auswechseln    von       beschädigten    oder durchgebrannten     Heiz-          elementen    schnell und einfach selbst während  des     Betriebes    des Ofens durchführbar.  



  Häufig empfiehlt es sich, die     Wärme-          drossel        nicht        aus    .demselben     Material        her-          zu's'tellen,    aus dem das     Heizelement    selbst  besteht,     sondern    aus einem andern Material,  wobei man durch entsprechende Wahl der       thermischen        und    elektrischen Leitfähigkeit in  der Lage ist, -bei der gleichen Länge     l    und  der gleichen thermischen Wirkung den       Durchmesser        d    der Drossel zu vergrössern,

   was  bei     gewissen        Konstruktionen    des     Heizleiters          Vorteile        bietet.        Zn        Fig.    4     ist    mit 1 wieder  der     Heizleiter,    .mit     2,das        keramische    Schutz  rohr bezeichnet.

   Die     Wärmedrossel    10 ist aus  einem     andern    Metall     bezw.    einer     Metall-          legierung    als der eigentliche     Heizleiter    1 her  gestellt und bei 11 mit diesem verbunden.

    Diese Verbundstelle muss besonders sorg  fältig     ausgeführt    werden, .da sie sich wäh  rend des Betriebes     dauernd    auf     hoher    Tempe  ratur befindet und     Übergangswiderstände     vermieden werden müssen, weil sonst durch  zusätzliche Erhitzung der     Kontaktstelle    diese  abschmilzt oder     zerstäubt.    E<B>G</B> hat sich ge  zeigt,     dass    es     vorteilhaft        ist,

      solche Übergangs  stellen durch Angiessen     der    Drossel 10 im  Vakuum oder     in.    .einer     inerten        Atmosphäre     herzustellen. Um eine mechanische Verklam  merung der beiden zu verbindenden Metalle    zu erreichen,     wird    zweckmässig dafür gesorgt,  .dass die     Grenzlinie    zwischen den beiden Me  tallen nicht senkrecht zur Achse     der    Drossel  verläuft,     sondern,    wie in     Fig.    2 bei 6 an  gedeutet, konisch oder,     wie    in     Fig.    4 bei 11  gezeichnet,

   in Form einer     achsialsymmetri-          sschen        @Schwalbenschwanzverbindung    angefer  tigt ist. Das andere Ende der Drossel wird  mit ,dem     Metall,der        federnden        Anschlusskappe     13 bei 12     verschweisst    oder verlötet.  



  Um eine Strahlungserhitzung der     Dich-          tungsstelle    14     zwischen    Kappe und     Keramik     nach Möglichkeit zu     verhindern,    ist bei dem  Beispiel nach     Fig.    4 die     Wärmedrossel    10  mit einer dünnen Oberflächenschicht schlech  ten     Wärmeabs@trahlungsvermö.gens    versehen,       beispielsweise    versilbert oder vergoldet.  



  Statt der     Kühlung    .durch     Druckwasser          oder        Thermosiphon    kann, da infolge der       Wärmedrossel    die Temperatur an ,den Enden       ides    Heizelementes schon verhältnismässig  niedrig gehalten werden kann, auch bloss eine       Luftkonvektionsikühlung    vorgesehen werden.

    Zu diesem Zwecke wird an der Kappe 13  nach     aussen    ein Wärmeradiator     befestigt,    der  zum Beispiel die     Form    von auf     einen'    Mit  telstab aufgereihten Blechscheiben aus     gut     wärmeleitendem     Material,    z. B.     Kupfer    oder       Aluminium,    besitzt.

   Eine andere Ausfüh  rungsform     idieser        Radiatorkühlung    zeigt       Fig.    5, bei. der     eine        Reihe    von     Blechstreifen     17     .auf    die Aussenkappe     derartig    aufgelötet  oder     aufgeschweisst    ist, dass die aufsteigende  warme     Luft    zwischen den so gebildeten     Zwi-          schenräumen        von:    unten nach oben hindurch  streichen kann.  



  In manchen Fällen     isst        es    vorteilhaft, :den       Temperaturverlauf    längs der Drossel so zu       gestalten,        @dass    an der     Stelle,    an     der    die  Drossel in den eigentlichen Heizleiter über  geht, mit     Bestimmtheit    bereits die volle Tem  peratur herrscht, die der Heizleiter in seiner  Mitte besitzt.

   In diesem Falle werden die  jenigen Teile der Drossel, die dem     Heiz-          element    am nächsten liegen, höher erhitzt,  als die     Maximaltemperatur    des     Heizleiters          selbst        beträgt.    Da die Drossel stromdurch  flossen ist, lässt sich das durch     entsprechenne         Schwächung des Durchmessers der     Drossel,     in diesem Falle der dem Heizleiter benach  barten Teile, ohne     weiteres    erreichen. Man  kann beispielsweise, wie in     Fig.    6 gezeigt,  die Drossel konisch gestalten.

   Um die Lebens  dauer des Stabes bei dieser Massnahme nicht  zu verringern, kann man den Teil der Drossel,  der auf höhere Temperatur kommt als der       Heizleiter        selbst,    aus einem Metall herstellen,  das eine niedrigere     Dampfdruckkurve    in Ab  hängigkeit von der Temperatur und einen  höheren     Schmelzpunkt    als das     Heizleiter-          metall    selbst besitzt. Besteht beispielsweise  der Heizleiter aus     Molybdän,    so kann man  den höher geheizten Teil der Drossel, z. B.  wie     Fig.    7 zeigt, aus Wolfram herstellen.

   Der  Abbau, das heisst     Materialabwanderung    in die  Umgebung, des höher geheizten Teils wird  dann wegen der geringen     Verdampfungs-          geschwindigeit    des     Wolframes    nicht schneller  vor sich gehen, sondern sogar langsamer als  der des     Heizleiters    aus     Molybdän,    so     dass     trotz der höheren     Temperatur    eines Teils der  Drossel keine Verkürzung der     Lebensdauer     des gesamten     Heizelementes        eintritt.     



  Die     Fig.    8 bis 10 zeigen.     Ausführungs-          beispiele,    bei denen die     Wärmedrossel     elastisch     verformbar    gestaltet ist. Damit  lassen sich     Aus,dehnungs@differenzerx    zwischen  dem metallischen Heizleiter und der kerami  schen Hülle     bezw.    dem kühl gehaltenen,  vakuumdichten     Endversehluss    vermeiden.  Hierbei ist 1 wieder der eigentliche     Heiz-          leiter,    der von einer keramischen Hülle 2  umgeben ist.

   Bei     20    ist in einem Zapfen die  Wärmedrossel 18 am besten durch Vergiessen  im Vakuum oder in     inerter    Atmosphäre an  geschlossen. Das andere     Endo    der Wärme  drossel ist bei 21 durch Schweissen oder Löten  mit der     Verschlusskappe    19 verbunden. Die       Wä.rmed.rossel    18 ist nun so ausgestaltet, dass  sie leicht bei Wärmeausdehnung des     Heiz-          stabes    1 elastisch oder plastisch nachgeben  kann, also beispielsweise, wie in     Fig.    8 an  gedeutet, in Wellenform ausgeführt.

   Solche  Ausführungen der Wärmedrossel haben auch  noch den     Vorteil,    dass man auf eine verhält  nismässig kleine Länge w eine grössere    Drossellänge     unterbringen    kann als     bei    einer  geradlinigen Drossel. Das ist deshalb beson  ders wichtig, da wie früher ausgeführt wor  den ist, die Drossel innerhalb der Strecke w  liegen soll, auf der das     Heizelement    die Ofen  wand durchsetzt.

   Bei dieser     Ausführung    ist  man nun im Gegensatz zur geradlinigen  Drossel bezüglich der wirksamen Drossel  länge     insoferne    unabhängig von der Stärke  der Ofenwand, als man bei gleichem thermi  schem Drosselmaterial den Durchmesser der  Wärmedrossel wegen der grösseren Baulänge  als w stärker wählen kann.  



       Fig.    9 zeigt eine andere     Ausführungsform     einer     flexiblen    Wärmedrossel, die neben ihrer       Wärmedrosselwirkung    gleichzeitig als Aus  gleichsglied für     Aus,dehnungsdifferenzkräfte     dient. 1 bedeutet wieder den eigentlichen  Heizleiter, 2 das keramische Schutzrohr. Die  Wärmedrossel 22 ist aus mehreren auf einem  Kreisbogen angeordneten     Vierkantstäben    ge  bildet, die in der     Mitte    nach aussen leicht ge  bogen sind.

   Einen Querschnitt durch die  Mitte der so ausgebildeten Wärmedrossel 22  zeigt     Fig.    10 bei der     beispielsweise    vier     Vier-          kantstäbe    verwendet worden sind. Die Drossel  2,2 der     Fig.    9 ist mit der     Abschlusskappe    23  mit Hilfe eines Innenpfropfens     2-1,    auf den  die einzelnen Stäbe aussen aufgeschweisst sind,  verbunden.  



  In manchen Fällen empfiehlt es sich, zu  sätzlich noch einen Dichtungspfropfen aus  einem Material niederer Fliessgrenze entweder  an den Befestigungsstellen an den Enden der  Drossel, wie in     Fig.    9 bei 25 und 26 angedeu  tet ist, oder auch an andern Stellen der  Drossel, wo gerade eine für die     Diehtungs-          wirkung    des Pfropfens günstige Temperatur       herrscht,    unterzubringen.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Heizelement für Hochtemperaturöfen mit in einem gasundurchlässigen, keramischen Schutzrohr angeordnetem Heizleiter, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des kerami schen Schutzrohres die beiden Anschluss kappen über ein eine Wärmedrossel bilden ,des Zwischenstück von kleinerem Querschnitt als,der übrige 'feil des Heizleiters mit diesem verbunden sind. UNTERANSPRÜCHE: 1.
    Heizelement nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedrossel in einem Stück mit dem Heizleiter hergestellt ist. 2. Heizelement nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet,
    .dass an den Verbindungs- stellen zwischen der Drossel und ihren Anschlüssen an den Heizleiter bezw. die Kappe ineinandergreifende Teile vor gesehen sind.
    3, Heizelement nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel und ihre Anschlussteile mindestens teilweise mit einer das WIIrmeemissionsvermögen herab- setzendenSchicht überzogen sind. -:. Heizelement nach Patentanspruch, -dadurch gekennzeichnet, @dass die Drossel konisch ,gestaltet ist.
    5. Heizelement nach Patentanspruch,dadurch gekennzeichnet"dass die Wärmedrossel ge wellt ist. 6. Heizelement nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedrossel aus mehreren, in :der Mitte nach aussen ge bogenen Stäben gebildet ist.
CH207597D 1937-07-22 1938-07-20 Heizelement für Hochtemperaturöfen. CH207597A (de)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3173121A (en) * 1962-06-18 1965-03-09 Robert O Murry Hermetically sealed resistor
US3199058A (en) * 1962-03-09 1965-08-03 Electra Mfg Company Precision resistor

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