DE102014102474A1

DE102014102474A1 - Heizelement und Prozessheizer

Info

Publication number: DE102014102474A1
Application number: DE102014102474.5A
Authority: DE
Inventors: Markus Mann; Michael Kramer
Original assignee: Sandvik Materials Technology Deutschland GmbH
Current assignee: Alleima GmbH
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2015-08-27
Also published as: ES2586472T5; EP2926623A1; US20180098385A1; WO2015128183A1; CA2936372C; CN108489087A; PL2926623T5; JP2017510021A; CN105874878A; US9867232B2; DK2926623T4; PL2926623T3; JP2018041722A; EP2926623B2; DK2926623T3; KR20170054576A; KR101735817B1; CN105874878B; JP6194115B2; EP2926623B1

Abstract

Heizelement zum Erhitzen von Gasen auf hohe Temperaturen, mit mindestens einem für die Durchströmung von zu erhitzendem Gas eingerichteten Rohr (1) und einem elektrischen Heizdraht in dem Rohr, welches für die Übertragung von Wärme auf an dem Heizdraht vorbeiströmendes Gas ausgelegt ist. Um einen Prozessheizer und ein entsprechendes Heizelement bereitzustellen, die eine Erzeugung von Gastemperaturen bis zu 1000 °C oder auch darüber erlauben und dennoch eine relativ lange Standzeit haben, die bei der Erzeugung von Gastemperaturen bis 1000°C in der Regel mindestens das 10-fache der Lebensdauer herkömmlicher Heizwendeln beträgt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Heizdraht als sich entlang der Rohrachse erstreckender Heizstab (2) ausgebildet ist, dessen maximaler lichter Abstand zu der Innenwand des Rohres über mindestens 80% des Umfanges und/oder mindestens 80% der Überlappungslänge von Rohr und Heizstab einen Wert von 10 mm nicht übersteigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement zum Erhitzen von Gasen auf hohe Temperaturen, mit mindestens einem für die Durchströmung von heißem bzw. zu erhitzendem Gas ausgelegten Rohr 1 und einem elektrischen Heizdraht in dem Rohr, welcher für die Übertragung von Wärme auf an dem Heizdraht vorbeiströmendes Gas ausgelegt ist.
Ebenso betrifft vorliegende Erfindung auch einen Prozessheizer mit einem Gehäuse mit einer Gaszufuhr und einem Gasauslass, einem Heizraum zwischen Gaszufuhr und Gasauslass zur Aufnahme eines Heizelementes und elektrischen Anschlüssen für mindestens ein Heizelement,
Entsprechende Heizelemente sind seit langem bekannt. Sie bestehen, wie bereits erwähnt, aus mindestens einem von Gas zu durchströmenden Rohr, das zum Zwecke der Durchströmung beidseitig offen ist, wobei in dem Rohr ein Heizdraht angeordnet ist, an welchem das Gas vorbeiströmt und sich durch den direkten Kontakt mit dem Heizdraht erhitzt.
Üblicherweise werden als Heizdrähte wendelförmig aufgewickelte, feine Drähte verwendet, deren Querschnitt sehr viel kleiner als der Rohrquerschnitt ist und die von Strom durchflossen werden und sich dadurch erhitzen. Die durch den Heizdraht in Wärme umgesetzte elektrische Energie hängt selbstverständlich ab von der zur Verfügung stehenden elektrischen Spannung und dem Widerstand entsprechender Heizdrähte, wobei man zur Erzielung gewünschte Widerstandswerte die Länge eines gewendelten Drahtes entsprechend anpassen oder mehrere entsprechende Heizdrahte parallel oder auch in Reihe schalten kann. Die auf das an dem Heizdraht entlangströmende Gas übertragene Wärmeenergie hängt dabei selbstverständlich ab von der maximalen Temperatur, welche der Heizdraht erreicht, von der Strömungsgeschwindigkeit und von der zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehenden Oberfläche sowie auch den genauen Strömungsverhältnissen in dem Heizelement. Die maximalen Gastemperaturen, die man im Dauerbetrieb mit derartigen Prozessheizern in der Praxis regelmäßig erreichen kann, liegen in der Größenordnung von 700 °C.
Es werden zwar vereinzelt auch Heizelemente bzw. Prozessheizer angeboten, die eine Erzeugung von höheren Gastemperaturen bis zu etwa 900 °C erlauben, jedoch haben diese nur äußerst kurze Standzeiten. Bei den für viele Prozesse erforderlichen Gasströmungsraten hat der Heizdraht selbst notwendigerweise immer eine mehr oder weniger deutlich über der Gastemperatur liegende Temperatur, wobei bereits kleinste Inhomogenitäten in dem Heizdraht bzw. in dessen Querschnitt oder auch allein ungünstige lokale Strömungsbedingungen und Turbulenzen dazu führen können, dass sich einige Abschnitte des Heizdrahtes stärker erhitzen als der übrige Teil, was dann schnell zum Bruch und Versagen der Heizdrahte führt. Da der Heizdraht typischerweise in kleinen Mengen Aluminium enthält, führt der Kontakt mit Sauerstoff zunächst zur Ausbildung einer schützenden Aluminiumoxidschicht um den Draht. Nach Verbrauch des Aluminium-Anteils, reagieren jedoch andere Legierungsbestandteile wie Eisen und Chrom mit dem Sauerstoff, was im Allgemeinen das Ende der Lebensdauer des Heizdrahtes bedeutet. Sonstige chemische Reaktionen des zu erhitzenden oder heißen Prozessgases mit dem Material des Heizdrahtes können das Versagen bzw. Brechen der Heizdrähte noch beschleunigt. Kleine Unregelmäßigkeiten in dem Material oder Querschnitt des Heizdrahtes aufgrund chemischer Veränderungen führen schnell zu einem lokalen Überhitzen des Heizdrahtes und zum Bruch. Da auch die Stabilität der sehr dünnen, gewendelten Heizdrähte insbesondere bei hohen Temperaturen relativ gering ist, können die Heizwendeln in einem vertikalen Rohr leicht in sich zusammensacken, wodurch Kurzschlüsse auftreten, die ebenfalls die Lebensdauer solcher Wendeldrähte herabsetzen. Ein solches Versagen durch Überhitzen, vor allem lokales Überhitzen, tritt umso leichter auf, je kleiner der Querschnitt bzw. Durchmesser der Heizdrähte ist. Andererseits wird aber ein großes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis der Heizdrähte als vorteilhaft für eine effektive Übertragung der in dem Heizdraht erzeugten Wärmenergie auf das vorbeiströmende Gas angesehen, so dass man bisher die kurze Standzeit solcher Heizelemente in Kauf nimmt, wenn man Gastemperaturen im Bereich von 900°C oder darüber erreichen will.
Prozessheizer und Heizelemente, die Gastemperaturen von 900 °C oder auch noch darüber erzeugen, haben aber aus den vorgenannten Gründen regelmäßig nur eine Standzeit von wenigen Stunden.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Prozessheizer und ein entsprechendes Heizelement bereitzustellen, die eine Erzeugung von Gastemperaturen bis zu 1000 °C oder auch darüber erlauben und dennoch eine relativ lange Standzeit haben, die bei der Erzeugung von Gastemperaturen bis 1000°C in der Regel mindestens das 10-fache der Lebensdauer herkömmlicher Heizwendeln beträgt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Heizdraht als sich entlang der Rohrachse erstreckender Heizstab ausgebildet ist, dessen maximaler lichter Abstand zu der Innenwand des Rohres über mindestens 80 % des Umfanges und/oder mindestens 80 % der Überlappungslänge von Rohr und Heizstab einen Wert von 10 mm nicht übersteigt.
Mit anderen Worten ist der Heizdraht kein gewendelter Draht, dessen Materialquerschnitt wesentlich kleiner ist als der des Rohres, sondern vielmehr ein Stab, für den man seinerseits eine entsprechende Längsachse definieren kann, die sich im Wesentlichen entlang der oder parallel zu der Achse des Rohres erstreckt und dabei das Rohr soweit ausfüllt, dass zwischen Heizstab und Rohrwand nur ein relativ kleiner, lichter Abstand verbleibt, der maximal 10 mm und vorzugsweise noch deutlich weniger beträgt, auch wenn er punktuell, d.h. in Bereichen, die weniger als 20% der Überlappungslänge von Rohr und Heizstab oder aber weniger als 20% des Umfangs des Heizstabes ausmachen, größer sein kann. Der Begriff „Heizdraht“ wird daher im Rahmen der vorliegenden Beschreibung als Oberbegriff sowohl für relativ dünne gewendelte Drähte als auch für Heizstäbe gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, wobei die unterschiedliche Dicke nicht das primäre Unterscheidungskriterium ist.
Der maximale lichte Abstand zwischen Heizstab und Rohr liegt in vielen praktischen Fällen bei 1 mm oder auch darunter, bis herab zu Werten von 0,02 mm.
Der Begriff „Rohr“ ist im Sinne der vorliegenden Erfindung weit auszulegen und definiert letztlich nur einen Hohlraum mit einer Eintritts und einer Austrittsöffnung, die ein Durchströmen mit zu erhitzendem Gas erlauben. Dabei muss nicht einmal der Querschnitt über die Länge des Rohres hinweg konstant sein, auch wenn dies selbstverständlich bevorzugt ist, um mit einfachen Mtteln einen weitgehend konstanten Spalt zwischen Heizstab und Rohrwand zu erzeugen.
Als Rohre werden beispielsweis auch durchgehende Bohrungen in einem massiven Block angesehen, wobei eine solcher Block eine Vielzahl paralleler Bohrungen aufweisen kann.
Da die Heizstäbe gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den gewendelten Drähten in entsprechenden Rohren herkömmlicher Heizer relativ dick sind, können sie Wärme intern besser weiterleiten, was eine lokale Überhitzung vermeiden hilft, und sie haben schon aus diesem Grund bei hoher thermischer Belastung bzw. hohen Heizstabtemperaturen jenseits von 1000 °C eine deutlich längere Lebensdauer und Standzeit.
Eine alternative Bedingung anstelle des maximalen lichten Abstandes zwischen Heizstab und Rohr lässt sich durch eine Mindestverhältnis der Querschnittsfläche des Heizstabes zur dem freien Innenquerschnitt des Rohres ausdrücken. Demnach sollte der Heizstab, zumindest soweit er innerhalb des Rohres verläuft, eine Querschnittsfläche haben, die mindestens 30 % und noch bevorzugter mindestens 50% des freien Rohrquerschnitts beträgt. Bei konkreten Ausführungsformen, die mit positiven Ergebnissen getestet wurden, lag dieses Querschnittsverhältnis bei etwa 80 % wobei der maximale lichte Abstand 0,2 mm betrug und ein entsprechend gleichmäßiger Ringspalt zwischen Heizstab und Rohrwand etwa 0,1 mm betrug. Gleichzeitig hat sich herausgestellt, dass bei einer im Wesentlichen laminaren Strömung von Gas durch einen Ringspalt zwischen einem stabförmigen, entlang der Rohrachse verlaufenden Heizstab und der Innenwand des Rohres die Wärmeübertragung zwischen Heizstab und hindurchströmendem Gas überraschend effektiv ist, sodass man mit einem solchen Heizelement ohne Weiteres Prozessgastemperaturen von bis zu 1000 °C oder auch noch darüber erreichen kann, während die Lebensdauer dieser Prozessheizer und insbesondere der Heizstäbe ein Vielfaches der Lebensdauer von herkömmlichen Prozessheizern bzw. Heizdrähten beträgt, die für die Erzeugung von Gastemperaturen von 900 °C oder mehr ausgelegt sind. Dabei muss der Ringspalt entlang des Umfangs des Heizstabs auch nicht notwendigerweise eine konstante Breite haben, sondern kann ziwschen 0 (Berührung) und dem Maximalwert (bei kreisförmigen Querschnitten also dem Doppelten der gleichmäßigen Spaltbreite variieren.
Die absoluten Rohrdurchmesser und Heizstabdurchmesser können in weiten Bereichen variieren, beispielsweise zwischen einem Innendurchmesser des Rohres von 1 mm bis 20 mm oder auch mehr, wiederum abhängig von den sonstigen Maßen, wie z.B. der Länge von Rohr und Heizstab, der gewünschten Breite des Ringspaltes, der Gasstromrate und dem elektrischen Widerstand des Heizstabes sowie der zur Verfügung stehenden Spannung.
Der Heizstab hat bei kleinen Rohrdurchmessern selbstverständlich einen entsprechend kleineren Durchmesser, der im Extremfall auch 0,5 mm oder weniger betragen kann. Er ist damit gegenüber herkömmlichen Wendeldrähten aber immer noch deutlich dicker und vor allem nicht gewendelt, sondern erstreckt sich parallel zu der Rohrachse und entlang der Rohrachse. Der Unterschied zwischen dem „Heizdraht“ nach dem Stand der Technik und dem „Heizstab“ gemäß der vorliegenden Erfindung liegt also primär nicht (bzw. nicht nur) in der unterschiedlichen Dicke, sondern vielmehr in der definierten Längserstreckung und vergleichsweise stabilen Form des Heizstabes, der sich, soweit praktisch machbar, genau entlang der Achse des Rohres erstreckt, so dass seine Länge innerhalb des Rohres genau der Länge des Rohres entspricht und der Heizstab somit nicht entlang eines künstlich verlängerten Weges im Rohr verläuft. Gleichwohl ist der Heizstab eines Heizelementes gemäß der vorliegenden Erfindung in aller Regel auch dicker als die Heizdrähte bei herkömmlichen Heizelementen mit gleichem Rohrquerschnitt und bei einem in der Heizleistung insgesamt vergleichbaren Heizelement nach dem Stand der Technik.
Idealerweise ist der Heizstab möglichst genau im Zentrum des Rohres angeordnet, wobei der Außenquerschnitt des Heizstabes mit der Form des Innenquerschnitts des Rohres im Wesentlichen übereinstimmt, was im Ergebnis dazu führt, dass der Ringspalt zwischen Heizstab und Innenwand des Rohres eine im wesentlichen konstante Breite hat. Eventuell könnten aber die Innenfläche des Rohres und/oder die Außenfläche des Heizstabes auch strukturiert sein, d.h. beispielsweise eine in Längsrichtung des Stabes und des Rohres verlaufende Rippen- oder Rillenstruktur aufweisen, die auch einen kleinen Drallwinkel aufweisen kann. Solche oberflächliche Strukturen können bei gegebener Ringspaltbreite den Bereich der laminaren Strömung gegebenenfalls zu größeren Gasstromraten hin erweitern.
Die konkrete Breite des Ringspaltes stellt dabei immer einen Kompromiss zwischen maximaler Wärmeenergieübertragung und Druckverlust bei gewünschter Gasstromrate dar. Das heißt, je enger der Ringspalt ist, desto effektiver ist die Wärmeübertragung von dem Heizstab auf das zwischen Heizstab und Rohr strömende Gas, wobei ein enger Spalt jedoch auch den Gasstrom begrenzt und/oder eine große Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass erfordert.
Darüber hinaus hängt die sinnvolle Breite des Ringspaltes aber auch von der Länge des Rohres und auch von der im Heizstab umgesetzten elektrischen Heizleistung ab.
In einer konkreten Ausführungsform beträgt die durchschnittliche Breite des Ringspaltes etwa 0,1 mm, wobei es aber nicht immer gelingt, den Heizstab wirklich konzentrisch in einem Rohr anzuordnen, sodass die Ringspaltbreite zumindest an einigen axialen Positionen in Umfangsrichtung zwischen Null und dem Doppelten der durchschnittlichen Ringspaltbreite variieren kann.
In einer Ausführungsform sind deshalb an einigen Positionen entlang des Umfanges und/oder über die Länge verteilt Abstandhalter vorgesehen, die den Heizstab in dem Rohr zentrieren.. Die Abstandhalter können mit dem Heitzstab oder dem Rohr einstückig ausgebildet sein und sind insbesondere so gestaltet, dass sie den Gasstrom zwischen Heizstab und Rohr möglichst wenig behindern
Idealerweise werden Heizstab und Rohr koaxial zueinander angeordnet, d. h. ihre Achsen fallen zusammen.
Dabei müssen der Heizstab und das Rohr aber keineswegs einen kreisförmigen Querschnitt haben, sie könnten beispielsweise auch den Querschnitt eines vorzugsweise gleichseitigen Polygons haben und es könnte beispielsweise auch ein Rohr mit sechseckigem oder achteckigem Querschnitt, das einen zylindrischen Heizstab aufnimmt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Mehrzahl von parallelen Rohren zu einem Rohrpaket zusammengefasst und der Heizstab, genauer gesagt die Heizstäbe der einzelnen Rohre des Rohrpaketes haben die Form eines mäanderförmig durch die Rohre hindurchgeführten Heizdrahtes, der am Ende eines Rohres eingeführt wird und von der Austrittseite dieses Rohres durch ein benachbartes Rohr wieder zurückgeführt wird usw. Dabei ist die Anzahl der Rohre, durch die ein einzelner Heizdraht als Heizstab hindurchgeführt ist, vorzugsweise ungerade, sodass der Heizstab in Form eines durch die Vielzahl von Rohren hin-und her-verlaufenden Drahtes auf der gleichen Seite wie das Eintrittsende parallel zu diesem austritt und somit an einem Ende des Rohrpaketes mit entsprechenden elektrischen Anschlusskontakten verbunden werden kann. Es versteht sich, dass ein Rohrpaket aus mehreren Gruppen von Rohren bestehen kann, die jeweils von einem einzigen zusammenhängenden Heizdraht durchzogen werden.
Zweckmäßigerweise ist eine dichte Packung solcher Rohre in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, wobei zwischen der Gehäusewand und der Außenseite der dichten Packung aus einzelnen Rohren zusätzlich noch Isolationsmaterial angeordnet ist.
Das Isoliermaterial ist vorzugsweise ein hochtemperaturbeständiges, keramisches Material, das eine ausreichende Stabilität zur Herstellung von formstabilen Rohren aufweist. Zwischen mehreren parallelen Rohren, die zu einem Paket zusammengefasst sind, kann eine hochtemperaturbeständiges keramisches Isoliermaterial angeordnet werden, wie es von der Anmelderin unter der Markenbezeichnung „Fibrothal“ vertrieben wird.
Statt nebeneinander können auch mehrere der erfindungsgemäßen Heizelemente und entsprechende Pakete aus Heizelementen axial hintereinander angeordnet werden.
Die Rohre sollten aus einer isolierenden und hochtemperaturbeständigen Keramik bestehen, wofür insbesondere Aluminiumoxid (Al2O3) in Betracht kommt.
Der Heizstab besteht vorzugsweise aus einer Eisen-Chrom-Aluminiumlegierung. Gegebenenfalls könnte insbesondere ein dickerer Heizstab auch seinerseits aus einem Bündel paralleler, gegebenenfalls auch miteinander verdrillter Einzelstäbe bzw. Drähte bestehen, wobei bei einer solchen Ausführungsform der oben definierte lichte Abstand durch den lichten Abstand einer Einhüllenden des Bündels aus Stäben oder Drähten zu der Innenwand des Rohres definiert ist.
Der Heizstab kann einen Durchmesser im Bereich von 0,2 bis 50 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 10 mm haben.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren.
Es zeigen:
1 eine stirnseitige Draufsicht auf ein Heizelement, welches aus einem Bündel von Rohren mit hindurchgeführten Heizstäben besteht.
2 eine Seitenansicht des Heizelementes nach 1,
3 eine Schnittansicht mit einem Schnitt entlang der Längsachse eines kompletten Prozessheizers mit einem erfindungsgemäßen Heizelement und einem Gehäuse mit Anschlüssen für Gas und Strom sowie einer Isolierung,
4 eine Stirnansicht von links auf den Prozessheizer nach 3.
5 einen Schnitt durch ein Heizelement gemäß 1 und 2 und
6 nochmals schematisch einen Prozessheizer mit der Lage der Schnittlinie der 5
Man erkennt in 1 eine dichte Packung von Rohren 1 in hexagonaler Anordnung, durch welche Heizstäbe 2 hindurchgeführt sind. Die Rohre 1 bestehen aus Aluminiumoxid-Keramik und haben einen Innendurchmesser von etwa 1,7 mm, sowie einen Außendurchmesser von etwa 2,7 bis 2,8 mm, woraus sich eine Wandstärke der Rohre 1 von etwa 0,5 bis 0,55 mm ergibt. Ein Heizdraht 3 mit einem Durchmesser von etwa 1,5 mm ist durch eine Vielzahl der Rohre dieses Rohrpaketes hindurchgeführt, wobei der Heizdraht 2a die Einführseite des Drahtes 2 in das Rohr 1a markiert, der dann durch das Rohr 1b wieder zurückgeführt, in das Rohr 1c wieder eingeführt und auf diese Weise durch eine Vielzahl von Rohren und im Wesentlichen parallel zu deren Achse hindurchgeführt wird, bis schließlich das Ende 2z des Drahtes 2 durch das Rohr 1z wieder austritt.
Einige der Rohre sind Leerrohre, welche z. B. der Aufnahme von Thermoelementen oder sonstigen Thermometern dienen, während das zentrale Rohr beispielsweise eine Zentrierung 4 aufweisen kann, mit deren Hilfe das aus dem Rohrpaket und dem hindurchgeführten Heizdraht bestehende Heizelement 10 in dem Gehäuse eines Prozessheizers zentriert werden kann.
2 ist eine Seitenansicht des Paketes bzw. der hexagonalen Packung von Rohren gemäß 1.
Die Länge l der Rohre 1 beträgt beispielsweise zwischen 20 und 50 cm, während die Länge L des gesamten Heizelementes 10 (ohne die überstehenden Anschlussenden 2a und 2z) bei den hier angegebenen Maßen von Rohren 1 und Heizstäben 2 um etwa 4–5 mm größer ist.
3 zeigt einen kompletten Prozessheizer 100 mit einem rohrförmigen Gehäuse 6, einem Gaszufuhrrohr 7, einer Gasaustrittsdüse 9 mit Austrittsrohr 8 und einem Befestigungsflansch 13, der seinerseits an einem Stromzufuhrflansch 14 montiert ist.
Das Gaszufuhrrohr 7 mündet in einen zylindrischen Hohlraum 18, durch den sich auch zwei parallele Stromanschlussrohre 16 erstrecken, von denen in der Seitenansicht der 3 nur eines erkennbar ist. Die Stromanschlussrohre bilden eine Durchführung für die Verbindung der Drahtenden 2a und 2z mit elektrischen Anschlusskontakten an dem elektrischen Anschlussflansch 14. Das Heizelement 10, welches aus einem Rohrpaket beispielsweise gemäß 1 und 2 besteht, ist im Zentrum des rohrförmigen Gehäuses 6 aufgenommen, wobei zwischen der Innenwand des rohrförmigen Gehäuses 6 und dem Heizelement 10 ein hochtemperaturbeständiges, keramisches Isoliermaterial 17 angeordnet ist, welches typischerweise aus zwei das Heizelement 10 von gegenüberliegenden Seiten her umschließenden Halbschalen 17a, 17b (siehe 5) besteht, deren Innenkontur der Außenkontur des Heizelementes 10 angepasst ist.
Alternativ können die Halbschalen auch gemeinsam ein einfaches zylindrisches Rohr bilden, wobei dann die verbleibenden Zwischenräume zwischen dem Heizelement 10 mit in loser Faserverbundform vorliegenden Isoliermaterial ausgestopft werden, welches im Übrigen auch die Zwischenräume zwischen den Rohren 2 ausfüllt.
Als Alternative zu dem Stopfen der Rohrzwischenräume könnte die Gaseintrittsseite des Heizelementes 10 auch eine entsprechende gelochte, kreisförmige Abdeckscheibe aufweisen, deren Durchmesser dem maximalen Außendurchmesser des Rohrpaketes des Heizelementes 10 entspricht und welche Bohrungen nur an der Position der Rohre bzw. der Rohröffnungen aufweist und damit die gesamte Stirnseite der Rohrpackung mit Ausnahme der Bohrungen abdeckt, bevor der Heizdraht durch die Rohre hindurchgeführt wird. Eine solche Abdeckscheibe könnte aus demselben keramischen Isoliermaterial bestehen, wie es auch für die Halbschalen 17a, 17b zwischen Gehäuse und Heizelement 10 verwendet wird und welches von der Anmelderin unter dem Markennamen „Fibrothal“ vertrieben wird. Die Enden 2a und 2z des Heizdrahtes bzw. der Heizstäbe 2 werden durch die isolierenden Verbindungsrohre 16 mit äußeren elektrischen Anschlüssen 12 verbunden, die über eine Klemmringverschraubung 11 an dem Zufuhrflansch 14 montiert sind.
Die hier dargestellte Variante eines Prozessheizers ist für eine Heizleistung von 3,5 kW ausgelegt, es versteht sich, dass man entsprechende Prozessheizer beliebig dimensionieren kann, sodass sich der Leistungsbereich zwischen einigen Watt oder einigen 100 Watt und 100 oder mehr Kilowatt erstrecken kann.
Das zu erhitzende Gas wird durch den Anschluss 7 zugeführt und gelangt in einem im Wesentlichen zylindrischen Vorraum 18, der ansonsten noch von den beiden isolierenden Rohren 16 der Stromverbindung durchzogen ist und strömt in die offenen Ringspalte 5 zwischen den Rohren 1 und den Heizdrähten 2 hinein und durch die Rohre hindurch, um dann über die Düse 9 und das Austrittsrohr 8 aus dem Prozessheizer auszutreten.
Es versteht, sich, dass man mehrere Heizelemente bzw. Prozessheizer auch axial hintereinander schalten kann.
4 ist schließlich noch eine stirnförmige Ansicht auf den Prozessheizer nach 3 von links, wobei man wiederum die Düse 9 mit dem Austrittsende 8 erkennt, ebenso wie das Gehäuse 6, das Gaszufuhrrohr 7 und den Anschlussflansch 13.

Claims

Heizelement zum Erhitzen von Gasen auf hohe Temperaturen, mit mindestens einem für die Durchströmung von zu erhitzendem Gas eingerichteten Rohr (1) und einem elektrischen Heizdraht in dem Rohr, welches für die Übertragung von Wärme auf an dem Heizdraht vorbeiströmendes Gas ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizdraht als sich entlang der Rohrachse erstreckender Heizstab (2) ausgebildet ist, dessen maximaler lichter Abstand zu der Innenwand des Rohres über mindestens 80% des Umfanges und/oder mindestens 80% der Überlappungslänge von Rohr und Heizstab einen Wert von 10 mm nicht übersteigt.
Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale lichte Abstand zwischen dem Heizstab und der Innenwand des Rohres 0,02 und 5 mm beträgt.
Heizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der lichte Abstand zwischen Heizstab und Innenwand des Rohres durch einen über die Überlappungslänge und den Umfang hinweg im Wesentlichen konstanten Ringspalt definiert ist.
Heizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichte Abstand bzw. die Breite des Ringspaltes im Bereich 0,05 bis 1 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt.
Heizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche des Rohres strukturiert ist,
Heizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Mehrzahl paralleler Rohre mit Heizstäben aufweist.
Heizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre in einer dichten Packung nebeneinander angeordnet sind.
Heizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre aus einer Mehrzahl paralleler Bohrungen in einem massiven Block bestehen.
Heizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab sich als kontinuierlicher, massiver Heizdraht mäandernd durch eine Mehrzahl paralleler Rohre erstreckt.
Heizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl mehrerer paralleler Rohre mit Heizstab ungerade ist.
Heizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Rohren in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst ist.
Heizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen mehreren Rohren und zwischen Rohren und Gehäuse durch ein hochtemperaturbeständiges, keramisches Fasermaterial ausgefüllt und abgedichtet ist.
Heizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rohr aus Aluminiumoxid (Al2O3) besteht
Heizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung besteht
Heizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab seinerseits aus einem Bündel paralleler, gegebenenfalls auch miteinander verdrillter Einzelstäbe bzw. Drähte besteht, wobei der lichte Abstand durch den lichten Abstand einer Einhüllenden des Bündels zu der Innenwand des Rohres definiert ist.
Heizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab einen Durchmesser im Bereich von 0,2 bis 50 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 10 mm hat
Heizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Heizstab und Rohrwand Abstandhalter vorgesehen sind.
Prozessheizer mit einem Gehäuse, mit einer Gaszufuhr und einem Gasauslass, einem Heizraum zwischen Gaszufuhr und Gasauslass und elektrischen Anschlüssen für mindestens ein elektrisches Heizelement, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizraum mindestens ein Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16 aufweist.
Prozessheizer nach Anspruch 18, da durch gekennzeichnet, dass der Heizraum mehrere Heizelemente axial hintereinander und/oder parallel nebeneinander aufweist.