CN108489087A - 加热元件和过程加热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加热元件和过程加热器。用于将气体加热到高温的加热元件具有至少一个被设立成用于待加热的气体的穿流的管(1)以及管中的电的加热丝，加热丝被设计成用于将热传递到从加热丝旁边流过的气体。为了提供过程加热器和相应的加热元件，它们允许产生最高1000℃或甚至更高的气体温度，并且尽管如此仍具有相对较长的使用寿命，该使用寿命在产生最高1000℃的气体温度的情况下通常至少为传统的加热线圈的使用寿命的10倍，根据本发明提出，加热丝构造为沿着管轴线延伸的加热棒(2)，该加热棒与管的内壁的最大的净间距在管和加热丝的重叠长度的至少80％和/或周长的至少80％上不超过数值10mm。

Description

加热元件和过程加热器

本申请是申请日为2015年2月10日，国家申请号为201580003492.2(PCT申请号为PCT/EP2015/052712)，题为“加热元件和过程加热器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于将气体加热到高温的加热元件，其具有至少一个被设计成用于热气或待加热的气体的穿流的管1以及管中的电加热丝，该电加热丝被设计成用于将热传递到从加热丝旁边流过的气体。

同时，本发明还涉及一种过程加热器，其具有带气体输入部和气体输出部的壳体、在气体输入部与气体输出部之间的用于容纳加热元件的加热腔和用于至少一个加热元件的电联接端。

背景技术

相应的加热元件早已公知。如已提到那样，它们由至少一个被气体穿流的管构成，出于穿流的目的，管在两侧是敞开的，其中，在管内布置有加热丝，气体从加热丝旁边流过并且由于与加热丝直接接触而被加热。

通常，将螺旋状盘绕的、细的线材作为加热丝使用，其横截面比管横截面小得多，气流流过该加热丝并且由此被加热。通过加热丝来转化成热的电能显然依赖于所提供的电压和相当于加热丝的电阻器，其中，为了获得期望的电阻值可以对螺旋线材的长度进行相应调整，或者可以将多个相应的加热丝并联或串联联接。在此，传递到沿着加热丝流动的气体上的热能显然依赖于加热丝所达到的最高的温度、流动速度、用于热交换的表面以及在加热元件中的准确的流动情况。在持续运行中利用这种过程加热器在实践中经常可以实现的最高的气体温度的数量级为700℃。

虽然个别地也提供有允许产生最高约900℃的较高的气体温度的加热元件或过程加热器，但是这些加热元件或过程加热器却具有极短的使用寿命。在针对许多过程所要求的气体流率的情况下，加热丝本身不可避免地总是具有或多或少明显高于气体温度的温度，其中，在线材中或在其横截面中的最小的不均匀性或仅仅是不利的局部流动条件和湍流都已经可能导致的是，加热丝的一些区段比其余部分更强地被加热，于是这就迅速导致加热丝的断裂和故障。因为加热丝典型地含有少量的铝，其与氧气接触首先导致在围绕线材构成保护性的氧化铝层。然而，在铝成分被消耗之后，其他的合金组分，如铁和铬与氧气起反应，这通常意味着加热丝的使用寿命终结。待加热的或热的过程气体与加热丝的材料的其他化学反应也会加速加热丝发生故障或断裂。在加热丝的材料或横截面中的由于化学变化所引起的小的不规则性迅速导致加热丝的局部过度加热并且导致断裂。因为尤其是在高温下，非常细的、螺旋的加热丝的稳定性相对较低，所以加热线圈本身在竖直的管中容易下沉聚集，由此出现短路，这同样降低了这种螺旋线材的使用寿命。加热丝的横截面或者说直径越小，这种由于过度加热，特别是局部过度加热所引起的故障就越容易发生。但是另一方面，加热丝的大的表面与体积之比被认为对于将在加热丝中产生的热能有效传递到流动经过的气体来说是有利的，从而当希望使气体温度达到900℃的范围内或更高时，人们就要接受这种加热元件的较短的使用寿命。

但是出于上述原因，产生900℃或甚至还要更高的气体温度的过程加热器和加热元件通常仅具有几个小时的使用寿命。

发明内容

在此背景下，本发明的任务在于，提供一种过程加热器和一种相应的加热元件，它们允许产生最高1000℃或甚至更高的气体温度，由此能够将相当大的能量传递到气体上，并且仍然还具有相对较长的使用寿命，该使用寿命在产生最高1000℃的气体温度的情况下通常至少为传统的加热线圈的使用寿命的10倍。

该任务通过如下方式来解决，即，加热丝构造为沿着管轴线延伸的加热棒，该加热棒与管的内壁的最大净间距在管与加热棒的重叠长度的至少80％和/或周长的至少80％上不超过数值10mm。

换句话说，该加热丝不是材料横截面比管小得多的、螺旋的线材，而是棒，对于棒来说，其本身就能够限定基本上沿着或平行于管的轴线延伸的相应的纵向轴线，并且在此，即使在净间距在一些点，也就是说，在小于管和加热棒的重叠长度的20％或小于加热棒的周长的20％处形成的区域中可能较大时，管也满足在加热棒与管壁之间仅保留相对较小的、最大为10mm并且优选还要更小的净间距。因此在本说明书的范围内，术语“加热丝”不仅是用于相对较细的螺旋的线材的通用术语，而且是用于根据本发明的加热棒的通用术语，其中，不同的厚度不是主要的区别标准。

加热棒与管之间的最大净间距在许多实际情况中在1mm至2mm之间、略微在此之上或也可以在此之下直到0.02mm的最小值。加热棒的最大直径很少在10mm之上，这是因为在更大的直径的情况下，能量传递的效率由于加热棒的相对较大的体积/表面之比而显著降低，这仅可以通过更大的管长度和加热棒长度而部分地补偿。原则上，尽管不是优选，但使用具有较大直径的加热棒也是可行的。在根据本发明的意义中，针对加热棒的在实践中明显有利的直径范围在0.5mm至5mm之间。

术语“管”在本发明的意义下被宽泛地解释，并且最终仅限定出具有进入部和排出开口的空腔，进入部和排出开口允许了被待加热的气体穿流。在此，甚至横截面在管的长度上也没有必要是恒定的，尽管这显然对于以简单的措施来产生在加热棒与管之间的很大程度上恒定的空隙，尤其是恒定的环形空隙来说是优选的。环形空隙可以通过在周边上分布地布置在加热棒表面或管的内面上的隆起部被中断，以便能够实现对加热棒定心并确保均匀的热传递。

例如也将在实心的块中的贯通的钻孔视为管，这种块可以具有许多平行的钻孔。

因为根据本发明的加热棒与在传统的加热器的相应的管中的螺旋的线材相比要相对较厚，所以它们可以使热在内部更好地传递和分布，这有助于避免局部过度加热，并且出于该原因已经使得它们在高的热负荷或在1000℃之上的高的加热棒温度的情况下具有明显更长的使用寿命和使用寿命，或者能够实现用金属的电加热元件加热气体在1000℃之上。

代替加热棒与管之间的最大净间距的替选条件可以通过加热棒的横截面面积与管的空着的内截面的最小的比来说明。因此，只要至少延伸到管内部的加热棒应当具有大小为空着的管横截面的至少30％的横截面面积，更优选其至少50％的横截面面积。在经测试而具有有利结果的具体的实施方式中，该横截面比约为80％，其中，最大的净间距在0.2mm至0.5mm，并且加热棒与管壁之间的相应的均匀的环形空隙约为0.1mm至0.25mm。

一般而言，加热棒的横截面与管的内横截面之间的优选的度量比在0.2至约0.95的范围内。例如，在大约在非常细的为0.2mm的加热棒直径和为0.45mm的管直径的情况下得到为0.2的横截面比。例如在约为4.75mm的加热棒直径位于具有内直径为5mm的管中的情况下得到为0.9的横截面比，其中，只要加热棒直径位于上述和下述的范围之内，在横截面比方面不依赖于度量单位或绝对尺寸。与在0.5mm至5mm之间的加热棒绝对直径且在约0.5至0.9之间的直径比相应地，横截面比的优选的范围在0.3至0.8之间。

同时已经表明，在气体基本上分层地流动穿过在棒状的、沿着管轴线延伸的加热棒与管的内壁之间的环形空隙的情况下，加热棒与所穿流的气体之间的热传递是令人惊喜地高效的，从而利用这种加热元件可以毫无问题地达到最高1200℃或甚至更高的过程气体温度，而该过程加热器的使用寿命，尤其是加热棒的使用寿命是被设计成用于产生900℃或更高的气体温度的传统的过程加热器或加热丝的使用寿命的数倍。在此，沿加热棒的圆周的环形空隙不必一定具有恒定的宽度，而是可以在0(碰触)与最大值(在圆形的横截面的情况下，也就是两倍的均匀的空隙宽度)变化。

绝对的管直径和加热棒直径可以在较宽的范围内变化，例如在1mm至20mm或更高，例如60mm的管的内直径之间变化，它们还依赖于其他的度量，例如管和加热元件的长度、环形空隙的期望的宽度、气体流率和加热棒的电阻以及所提供的电压。

加热器在管直径小的情况下显然具有相应更小的直径，该直径在极端的情况下也可以为0.5mm或更小，例如0.2mm。因此，加热棒相对于传统的螺旋线材或加热丝总是明显更厚，并且尤其不是螺旋地，而是平行于管轴线并沿管轴线地延伸。因此，根据现有技术的“加热丝”和根据本发明中的“加热元件”之间的区别主要不在于(或者不仅在于)不同的厚度，而是在于加热棒的限定的纵向延伸和相对稳定的形状，该加热棒本身在实践中能够如此地实现，即，正好沿着管的轴线延伸，从而使其在管之内的长度正好相应于管的长度，并且因此，加热棒不沿着人造的延长的路径在管中延伸。但是，根据本发明的加热元件的加热棒通常还是比在具有相同的管横截面的传统的加热元件中的加热丝更厚，而且比在加热功率方面整体相近的根据现有技术的加热元件中的加热丝也更厚。

理想的是，加热棒尽可能正好布置在管的中央，其中，加热棒的外横截面与管的内横截面的形状基本上一致，结果是导致，加热棒与管的内壁之间的环形空隙具有基本上恒定的宽度。但是，管的内面和/或加热棒的外面也可以是经结构化的，也就是说，具有例如沿棒和管的纵向方向延伸的肋结构或槽结构，这些肋结构或槽结构也可以具有小的扭绞角度(Drallwinkel)。这种表面的结构可以在给定的环形空隙宽度的情况下使分层流动的区域必要时朝更大的气体流率扩展。

环形空隙的具体宽度在此总是表示在期望的气体流率的情况下的最大热能传递与压力损耗之间的折中。也就是说，环形空隙越窄，从加热棒到在加热棒与管之间流动的气体的热传递就越高效，然而其中，窄的空隙也限制了气体流动，并且/或者在入口与输出部之间要求有很大的压力差。

但是此外，环形空隙的很里的宽度也依赖于管的长度，并且也依赖于在加热棒中转化的电加热功率。

在一个具体的实施方式中，环形空隙的平均宽度约为0.1mm，在另一示例中为0.2mm，但是其中，并不总能实现使加热棒真正定心地布置在管中，从而环形空隙宽度至少在沿轴向方向的一些轴向位置处会在零与两倍的平均环形空隙宽度之间变化。

因此，在一个实施方式中，在沿着周边的一些位置处和/或在长度上分布地设置有间距保持器，其将加热棒在管中定心。间距保持器可以与加热棒或管一体式地构成，并且尤其如下这样地设计，即，其尽可能少地妨碍在加热棒与管之间的气体流动。间距保持器优选由耐加热的陶瓷构成并且理想地经由管几何结构来实现。

理想的是，加热棒和管彼此同轴地布置，也就是说，它们的轴线重合。

但是，加热棒和管在此根本就不必具有圆形的横截面，例如它们也可以具有优选是等边的多边形的横截面，并且例如也可以是具有六边形或八边形的横截面或外轮廓的管，该管容纳柱体形的加热棒。尤其地，管的方形或六边形的外轮廓能够实现对管束的非常紧凑的布置和由此产生的管之间的最小的旁路流动。

在本发明的一个实施方式中，将多个平行的管组合成管组，并且加热棒，准确地说是管组的各个管的加热棒具有回纹形穿引过管的加热丝的形状，该加热丝在管的端部处引入并且从该管的排出侧出来又穿过邻近的管引回来并且继续如此。在此，穿引有作为加热棒的单个的加热丝的管的数量优选是偶数，从而使形式为穿过许多管来回延伸的线材的加热棒在与进入端部相同的侧上平行于该进入端部地出来，并且因此在管组的端部上能够与相应的电联接接触部连接。可以理解的是，管组能够由多组管构成，这些管分别被唯一的连贯的加热丝穿过。如果应当要求电联接功率，那么划分成多个电区被证明是可行的，这些电区能够实现三角形电路或星形电路的连通。

适宜的是，这些管的紧密的排列布置在共同的壳体，其中，在壳体壁与由各个管构成的紧密排列的外侧之间附加地还布置有绝缘材料。

绝缘材料优选是耐高温的、陶瓷的材料，其具有用于制成形状稳定的管的足够的稳定性。在组合成排束的多个平行的管之间可以布置有耐高温的陶瓷的绝缘材料，例如其由申请人以商标“Fibrothal”进行销售。

代替并排，也可以在轴向依次地布置有其中多个根据本发明的加热元件和由加热元件构成的相应的组。

管应由绝缘且耐高温的陶瓷制成，为此尤其考虑到氧化铝(Al₂O₃)。

加热器优选由铁铬铝合金或镍铬铁合金制成。必要时，尤其是较厚的加热元件其本身也可以由平行的、必要时也彼此扭绞的单棒或线材的束构成，其中，在这种实施方式中，上述限定的净间距通过由棒或线材构成的束的包络线与管的内壁的净间距来限定。

加热棒的直径可以在0.2mm至50mm的范围内，优选在0.5mm与10mm之间的范围内。

附图说明

本发明的另外的优点、特征和应用可行性结合对优选的实施方式和所属的附图的以下描述来阐明。

在附图中：

图1示出加热元件的端侧的俯视图，加热元件由具有穿引过的加热棒的管的束构成；

图2示出根据图1的加热元件的侧视图；

图3示出具有沿着整个的过程加热器的纵向轴线的剖面的剖视图，过程加热器具有根据本发明的加热元件和壳体，壳体具有用于气体和电流的联接端和绝缘部；

图4示出从左侧看根据图3的过程加热器的端视图；

图5示出穿过根据图1和图2的加热元件的剖面；并且

图6再次示意性地示出过程加热器，其具有图5的剖线的位置。

具体实施方式

在图1可以看到在六边形布置中的管1的紧密的排列，加热棒2穿引过这些管。管1由氧化铝陶瓷构成并具有约1.7mm的内直径以及约2.7mm至2.8mm的外直径，由此得到管1的约0.5mm至0.55mm的壁厚。在此，加热棒由具有约1.5mm的外直径的连续的加热丝形成，该加热丝分别沿相反的方向交替地穿引过组的多个管，其中，用2a作标识的加热棒标记为加热丝进入到管1a引入侧，然后该加热棒又穿过管1b引回，又引入管1c中并且以该方式穿过多个管且基本上平行于这些管的轴线地穿引，直到最后形式为加热棒2z的线材的端部穿过管1z再次出来。

其中一些管是空管3，其例如用于容纳热电偶或其他温度计，而中央的管例如可以具有定心部4，借助该定心部能够使由管组和穿引过管组的加热丝构成的加热元件10在过程加热器的壳体中定心。

图2是根据图1的管的排束或管的六边形排列的侧视图。

管1的长度l例如为150mm至500mm之间，而整个加热元件10的长度L(不包括凸出的联接端部2a和2z)在这里所示出的管1和加热元件2的尺寸的情况下比管1的长度大了约4mm至5mm。

图3示出了整个过程加热器100，其具有管状的壳体6、气体输入管7，带排出管8的气体排出喷嘴9和紧固法兰13，该紧固法兰本身能够装配在电路输入部法兰14上。

气体输入管7通到柱体形的空腔18中，两个平行的电流联接管16也延伸穿过空腔，在图3的侧视图中只能看到其中一个。电流联接管形成有用于使线材端部2a和2z与电联接接触部连接在电联接法兰14上的穿引部。由例如根据图1和图2的管排束构成的加热元件10容纳在管状的壳体6的中央，其中，管状的壳体6的内壁与加热元件10之间布置有耐高温的、陶瓷的绝缘材料17，绝缘材料典型地由两个从相对置的侧包围加热元件10的半壳17a、17b构成(见图5)，半壳的内轮廓与加热元件10的外轮廓相匹配。

替选地，半壳也可以共同形成一个柱体形的管，其中，于是在加热元件10之间的保留的间隙可以用以松散的纤维复合形式存在的绝缘材料填满，管1、3之间的间隙的其余部分也与该绝缘材料填满。

作为填塞管间隙的替选方案，加热元件10的进气侧也可以具有相应的有孔的、圆形的盖盘，盖盘的直径相当于加热元件10的管组的最大的外直径，并且盖盘只在管和管开口的位置上具有钻孔，并且因此在加热丝穿引过管之前，管排列的整个端侧除了钻孔之外都被覆盖。这种盖盘可以由如下的陶瓷的绝缘材料制成，例如其也可以用于壳体与加热元件10之间的半壳17a和17b，并且该陶瓷的绝缘材料由申请人以商标“Fibrothal”进行销售。加热丝或加热棒2的端部2a和2z通过绝缘的连接管16与外部的电联接端12连接，电联接端经由卡圈式螺接件11装配在输入部法兰14上。

过程加热器的在此所示的变型方案在加热棒直径或加热丝直径为约1.5mm的情况下被设计成用于3.5kW的加热功率，其中，管的内直径可以在约1.7mm至2.2mm之间，并且其中，加热丝或加热棒由铁铬铝合金制成。合适的加热丝由申请人以商标“Nicrothal”进行销售。应理解，可以任意地设定相应的过程加热器的规格，从而使得功率范围可以在数瓦或数百瓦与100或更多的千瓦之间。

待加热的气体通过联接端7输入并进入基本上柱体形的前腔18中，此外气体还从电流连接部的两个绝缘管16穿过并且流进管1与加热丝2之间的敞开的环形空隙5中并穿过管，以便之后经由喷嘴9和排出管8从过程加热器排出。

可以应理的是，也可以在轴向依次地接通多个加热元件或过程加热器。

最后，图4是从左边看根据图3的过程加热器的端侧视图，其中，还能够看到具有排出端部8的喷嘴9以及壳体6、气体输入管7和联接法兰13。

附图标记列表

1 管

2 加热棒、加热丝

2a、2z 加热丝或加热棒的端部

3 空管

4 定心部

5 环形空隙

6 壳体

7 供气管

8 排出管

9 喷嘴

10 加热元件

11 卡圈式螺接件

12 电联接端

13 紧固法兰

14 输入部法兰

16 电流联接管/连接管

17a、17b 半壳

18 前腔

Claims (15)

1.一种用于将气体加热到高温的加热元件，所述加热元件具有被设立成用于待加热的气体的穿流的至少一个管(1)以及在所述管中的电的加热丝，所述加热丝被设计成用于将热传递到从所述加热丝旁边流过的气体，其特征在于，所述加热丝构造为沿着管轴线延伸的加热棒(2)，所述加热棒与所述管的内壁的最大的净间距在管和加热丝的重叠长度的至少80％和/或周长的至少80％上不超过数值10mm。

2.根据前述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于，所述加热棒具有在0.2mm至50mm的范围内，优选在0.5mm至10mm之间的范围内的直径。

3.根据前述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于，根据前述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于，所述加热棒的横截面与所述管的内横截面之比在0.04至0.95之间的范围内，并且优选在0.3至0.8之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于，所述加热棒与所述管的内壁之间的最大的净间距为0.02mm至5mm。

5.根据前述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于，加热棒与所述管的内壁之间的净间距通过跨所述重叠长度和所述周长基本上恒定的环形空隙来限定。

6.根据前述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于，所述环形空隙的净间距或宽度在0.05mm至1mm的范围内，优选在0.1mm至0.5mm之间的范围内。

7.根据前述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于，所述加热棒作为连续的、实心的加热丝回纹形地延伸穿过多个平行的管。

8.根据前述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于，所述加热元件具有多个平行的带加热棒的管，所述管优选以紧密排列的方式并排地布置。

9.根据前述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于，所述至少一个管由氧化铝(Al₂O₃)制成。

10.根据前述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于，所述加热棒由铁铬铝合金或镍铬合金制成。

11.根据前述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于，所述加热棒本身由平行的、必要时也彼此扭绞的单棒或线材的束构成，其中，所述净间距通过所述束的包络线与所述管的内壁的净间距来限定。

12.根据前述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于，在加热棒与管壁之间设置有间距保持器，所述间距保持器优选由管几何结构得到。

13.根据前述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于，所述管的内面是经结构化的。

14.根据前述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于，在多个管之间的间隙以及管与壳体之间的间隙通过耐高温的、陶瓷的纤维材料填充并且密封。

15.一种过程加热器，所述过程加热器具有带气体输入部和气体输出部的壳体、在气体输入部与气体输出部之间的加热腔以及用于至少一个电的加热元件的电联接端，其特征在于，所述加热腔具有至少一个根据权利要求1至14中任一项所述的加热元件。