DE1058650B

DE1058650B - Electric heat radiation device

Info

Publication number: DE1058650B
Application number: DEH25316A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Mohn
Original assignee: Heraeus Schott Quarzschmelze GmbH
Current assignee: Heraeus Schott Quarzschmelze GmbH
Priority date: 1955-10-27
Filing date: 1955-10-27
Publication date: 1959-06-04

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Wärmestrahleinrichtung mit verhältnismäßig langem Strahler mit rohrförmiger Hülle aus Siliziumdioxyd, wobei die Hülle eine verhältnismäßig geringe lichte Weite hat und einen mit geringem Spiel angeordneten Heizleiter enthält. Bei dem Siliziumdioxyd kann es sich um das mehr oder weniger durchsichtige Quarzglas oder um den opaken, als Quarzgut bekannten Werkstoff handeln.The invention relates to an electrical heat radiation device with a relatively long Radiator with a tubular shell made of silicon dioxide, the shell having a relatively low clearance Has width and contains a heating conductor arranged with little play. The silicon dioxide can it is the more or less transparent quartz glass or the opaque one known as quartz Trade material.

Derartige Strahler finden, abgesehen von der reinen Beheizung, beispielsweise im großtechnischen Maßstab für Trocknung, in der Textilausrüstungstechnik zum Kondensieren, Aushärten und Trocknen von Farben und Appreturen auf Geweben oder Spinnfasern oder in der chemischen Technik zum Polymerisieren oder Kondensieren bei der Kunststoffherstellung Anwendung. Sie haben auch Bedeutung in der Nahrungsmittelindustrie und für therapeutische Zwecke.Such radiators are found, apart from the pure heating, for example in large-scale Scale for drying, in textile finishing technology for condensing, hardening and drying of colors and finishes on fabrics or staple fibers or in chemical technology for polymerisation or condensation in plastic production application. They matter too in the food industry and for therapeutic purposes.

Die in der Technik bisher verwendeten Strahler erfüllen für zahlreiche Verwendungszwecke noch nicht alle Wünsche. So ist eine Anordnung bekannt, bei der gasförmige Medien durch parallel nebeneinander angeordnete Rohre strömen, um so eine intensive Wärmeübertragung auf das durchströmende Gas zu erzielen. Die Wärmeübertragung findet hier ausschließlich durch Leitung und Konvektion statt; wenn hierbei auch die Verwendung von Quarzglas vorgeschlagen wurde, dann nur deshalb, weil dieses einen temperaturbeständigen Werkstoff darstellt. Man hat auch schon ein Bündel paralleler Heizstäbe in elektrischen Strahlungsofen angeordnet. Hierbei war jedoch für die einzelnen Stäbe keine Hülle vorgesehen. The emitters previously used in technology still fulfill numerous uses not all wishes. Thus, an arrangement is known in which gaseous media through parallel side by side arranged pipes flow, so an intensive heat transfer to the gas flowing through to achieve. The heat transfer takes place here exclusively by conduction and convection; if the use of quartz glass has also been suggested, it is only because it is represents a temperature-resistant material. You already have a bundle of parallel heating elements placed in electric radiation furnace. In this case, however, no casing was provided for the individual rods.

Aber auch die bekannten Strahler, bei denen bereits Hüllen aus Metall oder sogar auch aus Siliziumdioxyd verwendet wurden und die sich für bestimmte Verwendungszwecke an sich auch bewährt haben, ließen für andere Verwendungszwecke wiederum noch Wünsche offen.But also the well-known emitters, which already have shells made of metal or even silicon dioxide have been used and which have proven themselves for certain purposes, left something to be desired for other purposes.

Die Hüllrohre übernehmen bei solchen Strahlern die Aufgabe, die Heizleiter gegen äußere, insbesondere mechanische Einflüsse zu schützen. Daneben ist für die geforderte Wärmemission vor allem die teilweise Absorption der von dem Heizleiter ausgehenden kurzwelligen Strahlung im Hüllrohr von Bedeutung; dieses heizt sich auf und ist dann befähigt, die aufgenommene Energie als langwelligere, sogenannte Hüllrohrstrahlung auszusenden. Wenn deshalb auch die Gesamtstrahlung bei den gebräuchlichen Temperaturen von etwa 1000° C den Schwerpunkt im kurzwelligeren Teil des Ultraroten, etwa bei 2,3 μ hat, so erstreckt sie sich dann doch auch noch weiter in das langwellige Ultrarote hinein. Außerdem ist bei den Elektris che WärmestrahleinrichtungIn such radiators, the cladding tubes take on the task of protecting the heating conductors from the outside, in particular to protect mechanical influences. In addition, for the required heat emission, especially the partial The absorption of the short-wave radiation emanating from the heating conductor in the cladding tube is important; this heats up and is then able to use the absorbed energy as longer-wave, so-called To emit cladding tube radiation. If therefore the total radiation at the usual temperatures of around 1000 ° C has the center of gravity in the shorter-wave part of the ultra-red, around 2.3 μ, see above it then extends even further into the long-wave ultra-red. In addition, the Electrical heat radiation device

Anmelder:Applicant:

Heraeus Quarzschmelze G.m.b.H.,
Hanau/M.Heraeus Quarzschmelze GmbH,
Hanau / M.

Heinrich Mohn, Hailer (Kr. Gelnhausen), ist als Erfinder genannt wordenHeinrich Mohn, Hailer (district of Gelnhausen), has been named as the inventor

von Quarzrohren umgebenen Heizdrähten die Ausnutzung der Strahlungsenergie und die Richtwirkung erheblich günstiger als bei frei ausgespannten Heiz-Heating wires surrounded by quartz tubes, the utilization of the radiant energy and the directional effect considerably cheaper than with freely stretched heating

ao drähten, bei denen die Verluste durch Konvektion recht erheblich sind.ao wires, in which the losses due to convection are quite considerable.

Hierbei ist der Durchmesser und die Dicke der Hüllrohre neben den stofflich bedingten Eigenschaften von maßgeblichem Einfluß auf die Wärmemission, die spezifische Strahlungsintensität pro Längeneinheit der Strahler und die thermische Belastung der Hüllrohre durch die Strahlung. Da für viele technische Anwendungen die Wärmestrahler ganz beachtliche Längen, z. B. bis zu 3 m, erhalten, um etwa großflächige, gegebenenfalls auch durchlaufende Gebilde, z. B. Textilbahnen, zu bestrahlen, wird für sie eine große Bruchfestigkeit verlangt.Here, the diameter and the thickness of the cladding tubes are in addition to the material properties of decisive influence on the heat emission, the specific radiation intensity per unit length the radiator and the thermal load on the ducts from the radiation. There for many technical applications the radiant heaters quite considerable lengths, z. B. up to 3 m, get to approximately large-area, possibly also continuous structures, z. B. textile webs to irradiate, is for it requires a high breaking strength.

Hierdurch ergibt sich die Notwendigkeit, Hüllrohre mit möglichst großem Durchmesser zu benutzen, beispielsweise von etwa mindestens 20 mm, vorzugsweise aber von 35 mm und mehr, da solche mit kleinerem Durchmesser von etwa 8 bis 10 mm zu bruchempfindlich sind.This results in the need to use ducts with the largest possible diameter, for example of about at least 20 mm, but preferably of 35 mm and more, since those with smaller Diameters of about 8 to 10 mm are too fragile.

Solche Strahler mit großem Hüllrohrquerschnitt zeigen den Mangel zur Ablagerung oxydischer Schichten an der Innenseite der Hüllrohre durch den Einfluß aggressiver Dämpfe und Oxydation der Heizleiter. Diese Folgen sind um so größer, je größer der freie Querschnitt des Quarzhüllrohres ist.Such radiators with a large cladding tube cross-section show the lack of deposition of oxidic Layers on the inside of the ducts due to the influence of aggressive vapors and oxidation of the Heating conductor. These consequences are greater, the greater the free cross-section of the quartz cladding tube.

Da es bei den nur bis zu mittleren Temperaturen belastbaren Heizleitern nicht zweckmäßig ist, im Vakuum zu arbeiten, wurden die Strahler bisher nicht evakuiert, sondern mit Stickstoff- oder Luftfüllung betrieben. DieHeizleiter wurden in den Rohren nicht gasdicht eingeschmolzen, sondern hatten Verbindung mit der Atmosphäre, damit sie bei Temperaturschwankungen atmen konnten, ohne abwechselnd Zug- und Druckspannungen auf das Hüllrohr auszuüben. Bei solchen Trocknungsvorgängen, vor allemSince it is not advisable for heating conductors that can only be loaded up to medium temperatures, in a vacuum To work, the emitters have not been evacuated, but filled with nitrogen or air operated. The heating conductors were not melted gas-tight in the pipes, but were connected with the atmosphere so that they could breathe in temperature fluctuations without alternating To exert tensile and compressive stresses on the cladding tube. In such drying processes, especially

909 529/382909 529/382

wo Wasserdämpfe oder auch aggressive Dämpfe frei wurden, trat dann die beschriebene Oxydation auf, indem etwa von den glühenden Heizwendeln Wasserdampf reduziert, sie selbst aber dabei oxydiert wurden. Durch einen Kreisprozeß konnte das Oxyd gegebenenfalls wieder abgebaut und an der Hüllrohrwaridung abgelagert werden mit der Folge einer erheblichen Minderung der Durchlässigkeit des Quarzrohres für den kurzwelligen Teil der Ultrastrahlung. Ein entsprechendes Emissionsäquivalent im kurzwelligen Teil entsteht im allgemeinen dabei nicht.where water vapors or aggressive vapors were released, the described oxidation occurred, by reducing water vapor from the glowing heating coils, for example, but oxidizing them themselves. By means of a circular process, the oxide could possibly be broken down again and attached to the cladding tube wall are deposited with the consequence of a considerable reduction in the permeability of the quartz tube for the short-wave part of the ultra-radiation. A corresponding emission equivalent in the short-wave Part is generally not created.

Da gerade zur Bestückung breiter Bestrahlungsstrecken, etwa für Trocknungszwecke, Strahler mit verhältnismäßig großem Durchmesser benötigt werden, um eine möglichst gleichmäßige hohe Strahlungsintensität bei geringer Flächenbelastung des Hüllrohres zu erreichen, fällt der geschilderte Mangel der Anfälligkeit der Heizspirale besonders ins Gewicht.Because it is used to equip wide irradiation paths, e.g. for drying purposes, with emitters relatively large diameter are required in order to achieve a high radiation intensity that is as uniform as possible To achieve with a low surface loading of the cladding tube, the deficiency described falls the susceptibility of the heating coil is particularly significant.

Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, die Wärmestrahler mit einer rohrförmigen Hülle aus Siliziumdioxyd, also aus mehr oder weniger durchsichtigem Quarzglas oder dem opaken oder undurchsichtigen Quarzgut so zu verbessern, daß die genannten schwerwiegenden Nachteile behoben werden.The invention has now set itself the task of making the heat radiator with a tubular casing Silicon dioxide, i.e. made of more or less transparent quartz glass or the opaque or non-transparent To improve fused quartz so that the serious disadvantages mentioned are eliminated.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in überraschend einfacher Weise gelungen, indem in der elektrischen Wärmestrahleinrichtung, die mindestens einen verhältnismäßig langen Strahler mit rohrförmiger Hülle aus Quarzglas oder Quarzgut verhältnismäßig geringer lichter Weite und. darin mit geringem Spiel angeordnetem Heizleiter enthält, mindestens zwei einzelne Strahler parallel zueinander verlaufen und, unverrückbar miteinander verbunden, einen aus einem dichtgepackten Bündel bestehenden, zu einer Einheit zusammengefaßten. Strahlersatz bilden. Vorzugsweise werden nach der Erfindung wenigstens drei schmale einzelne Strahler zu einem derartigen Satz vereinigt.The solution to this problem has been achieved in a surprisingly simple manner by adding in the electrical Heat radiation device, the at least one relatively long radiator with a tubular shell Made of quartz glass or fused quartz, the clear width is relatively small and. in it with little play arranged heating conductor, at least two individual radiators run parallel to each other and, immovably connected to one another, one consisting of a tightly packed bundle, into one Unity summarized. Form source replacement. Preferably according to the invention at least three narrow individual radiators combined into such a set.

In der Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Strahlersatz der Erfindung wiedergegeben und in den Fig. 2, 3, 4 und 5 Querschnitte durch den neuen Bündelstrahler.In Fig. 1 is a longitudinal section through a radiator set of the invention is shown and in the Fig. 2, 3, 4 and 5 cross sections through the new beam emitter.

Die lichte Weite der Quarzglas- und Quarzguthüllen ergibt sich auf Grund dieses Erfindungsgedankens etwa zwischen 0,3 bis 8 mm, wobei die kleineren Weiten bei Verwendung eines glattgestreckten Heizleiterdrahtes und die etwas größeren lichten Weiten bei Verwendung von Heizspiralen in Betracht kommen. Hierbei ist, wie Fig. 2 zeigt, der Spielraum zwischen dem Heizdraht und der Wandung möglichst gering und beträgt bis zu etwa 0,5 mm. Erwähnt sei auch noch, daß an Stelle einer einfachen Wicklung, wie ebenfalls Fig. 2 zeigt, eine Doppelwendel benutzt werden kann, also eine enggewickelte Heizspirale, die selber wieder zu einer Spirale aufgewickelt ist.The clear width of the quartz glass and quartz glass envelopes results from this inventive concept between about 0.3 to 8 mm, the smaller widths when using a smoothly stretched heating conductor wire and the slightly larger clearances when using heating coils come into consideration. Here, as FIG. 2 shows, the clearance between the heating wire and the wall is as possible low and is up to about 0.5 mm. It should also be mentioned that instead of a simple Winding, as also shown in FIG. 2, a double helix can be used, that is to say a tightly wound one Heating coil, which is itself wound up again into a spiral.

Durch diese neue Wärmestrahleinrichtung wird eine Reihe von bedeutenden technischen Fortschritten erzielt. Diese Fortschritte sind der Anordnung anderer elektrischer Erhitzer, bei denen langgestreckte Heizelemente ebenfalls parallel geschaltet wurden, nicht zu entnehmen.A number of significant technical advances are made by this new heat radiation device achieved. These advances are the placement of other electric heaters where elongated Heating elements were also connected in parallel, can not be removed.

Die Heizspiralen sind bei der Anordnung der Erfindung zum Unterschied, von den vorbekannten Strahlern mit einer Hülle aus Quarzglas oder Quarzgut in einem kleinen Leervolumen untergebracht, wodurch sich eine geringe lichte Weite des Rohres bei möglichst eng gewickelter Heizspirale ergibt. Beim Betrieb der Strahler werden zwar geringe MengenIn the arrangement of the invention, the heating coils differ from the previously known ones Radiators with a shell made of quartz glass or quartz material housed in a small empty volume, whereby there is a small inside diameter of the pipe with the heating coil wound as tightly as possible. At the Operation of the emitters will be small amounts

Sauerstoff aufgenommen, die eine Oxydschicht auf dem Heizleiter erzeugen, jedoch beträgt das »Atemvolumen« der Strahler ein Minimum, so daß in Gegenwart aggressiver Gase und Dämpfe deren Wirkung auf ein geringstes Maß beschränkt bleibt.Oxygen absorbed, which creates an oxide layer on the heating conductor, but the "breathing volume" is the emitter a minimum, so that their effect in the presence of aggressive gases and vapors remains limited to the lowest possible level.

Daneben wird die Strahlungsintensität pro Längeneinheit im Vergleich zur spezifischen Belastung der Hüllrohre erheblich vergrößert.In addition, the radiation intensity per unit length is compared to the specific load the ducts are considerably enlarged.

Für die Anwendung ist es außerdem von großer Bedeutung, daß ein derartiges Bündel aus Quarzrohren geringen Durchmessers eine größere Flexibilität besitzt als ein einheitliches Quarzrohr mit dem bei gleicher Heizleistung erforderlichen großen Durchmesser. Die Bruchsicherheit beim Transport, beim Aufbau und Gebrauch des Strahlers wird hierdurch recht erheblich erhöht.It is also of great importance for the application that such a bundle of quartz tubes small diameter has greater flexibility than a single quartz tube with the same heating power required large diameter. The break resistance during transport, during This increases the construction and use of the radiator considerably.

Ferner ist es beim Vergleich mit anderen Hochleistungsstrahlern auch ein besonderer Vorteil, daß der gesamte Querschnitt mehrerer enger Rohre wesentlich geringer ist als der Querschnitt eines entsprechenden Hochleistungsstrahlers aus einem einzigen Rohr. Schließlich ist bei dem Bündelstrahler der Erfindung auch ein Betrieb in vertikaler Anordnung möglich, weil die Stabilität auch bei hohen Temperaturen in Richtung der Längsachse so stark ansteigt, daß die Spirale, geführt durch das enge Ouarzrohr, gegen Zusammensacken gesichert werden kann. Hierfür werden beispielsweise Heizspiralen aus einem Draht mit einem Querschnitt von 0,2 bis 0,7 mm bei einem Windungsdurchmesser bis zu 3 mm benutzt.Furthermore, when compared with other high-power radiators, it is also a particular advantage that the total cross-section of several narrow tubes is much smaller than the cross-section of a corresponding one High-performance radiator from a single tube. Finally, with the bundle radiator The invention also allows operation in a vertical arrangement, because the stability even at high Temperatures in the direction of the longitudinal axis rises so much that the spiral, guided through the narrow Ouarzrohr, can be secured against sagging. Heating coils, for example, are used for this from a wire with a cross section of 0.2 to 0.7 mm with a winding diameter of up to 3 mm used.

Zum Beispiel läßt sich aus Ultrarotstrahlern mit Quarzglashüllen von 8 mm Durchmesser und 1 kW/m Belastung ein Satz von 3 kW/m Belastung bilden. Die einzelnen Strahler werden mittels dünner Drähte oder Schellen an mindestens zwei Stellen fest zusammengehalten. Sie können zweckmäßig eine gemeinsame Stromzuführung an den beiden Enden erhalten, etwa wenigstens durch Vereinigung der Einzellitzen zu einem Kabel.For example, ultrared radiators with quartz glass envelopes 8 mm in diameter and 1 kW / m Load form a rate of 3 kW / m load. The individual emitters are made by means of thin wires or clamps firmly held together in at least two places. You can expediently use a joint Get power supply at the two ends, for example at least by uniting the individual strands to a cable.

Es wird weiterhin vorgeschlagen, bei den Einzelstrahlern des Satzes, die eine verhältnismäßig niedrige Belastung von 5 bis 12 Watt/cm haben, die lichte Weite des Rohres zu begrenzen auf etwa 8 mm, so daß sich nur eine Oberflächenbelastung von etwa 2 bis 5 Watt/qcm ergibt. Im Vergleich mit bisher gebräuchlichen Ultrarotstrahlern von etwa 20 mm Rohrdurchmesser sinkt infolgedessen der Leerraum und damit das Atemvolumen ganz wesentlich, z. B. auf den neunten Teil der früheren Werte. Außerdem ist das Bündel wesentlich elastischer als ein Einzelstrahler, und auch die Gewichtsverminderung auf etwa den vierten Teil ist von Belang.It is also proposed that the individual radiators of the set have a relatively low one Have a load of 5 to 12 watts / cm, limit the clear width of the pipe to about 8 mm, so that there is only a surface load of about 2 to 5 watts / square cm. Compared to before As a result, the empty space is reduced with conventional ultrared emitters with a pipe diameter of about 20 mm and thus the tidal volume is very important, z. B. on the ninth part of the previous values. aside from that the bundle is much more elastic than a single radiator, and also the weight reduction is on about the fourth part is relevant.

Weitere Einzelheiten seien an Hand der Fig. 1 und 2 erläutert, welche einen erfindungsgemäßen Strahlersatz mit drei Einzelelementen schematisch im Längsschnitt bzw. im Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 zeigen.Further details are explained with reference to FIGS. 1 and 2, which one according to the invention Radiator set with three individual elements schematically in longitudinal section or in cross section along the Show line II-II in fig.

Die drei Strahlerhüllrohre 1 bzw. la, Ib und 1 c werden beispielsweise von Drahtringen 2 oder Schellen 4 und einem keramischen Ring 3 zusammengehalten und am gemeinsamen Reflektor 9 befestigt, in der dargestellten Ausführungsform etwa mittels einer Schraube 5. Innerhalb der Hüllrohre liegen die Heizelemente, z. B. einzelne Heizspiralen 6 a, 6 b und 6 c aus den bekannten Heizleiterlegierungen. Am Ende sind die Strahler möglichst über ein kurzes Stück des Rohres vorzugsweise mittels eines der Eigenart des Hüllrohres in Bezug auf die Wärmeausdehnung angepaßten Kittes 7 abgedichtet. EineThe three radiator cladding tubes 1 or la, Ib and 1c are held together, for example, by wire rings 2 or clamps 4 and a ceramic ring 3 and attached to the common reflector 9 , in the embodiment shown, for example by means of a screw 5. Inside the cladding tubes are the heating elements, z. B. individual heating coils 6 a, 6 b and 6 c from the known heating conductor alloys. At the end, the radiators are sealed as far as possible over a short piece of the tube, preferably by means of a cement 7 which is adapted to the nature of the cladding tube with regard to thermal expansion. One

Claims

In general, absolute gas tightness does not have to be achieved even if the pipes can also be evacuated or filled with desired gases, for example noble gases, for special purposes by means of arrangements known per se. Due to the seal, the connections welded to the heating conductor, z. B. in the form of wire strands 8 fixed. The protruding parts of the wire strands can be combined to form a cable at one end of the set or even be conductively connected to one another. Such a heat radiator set with quartz glass or quartz glass envelope tubes for the individual heating rods is extremely stable and much less prone to breakage than a single narrow and also wider radiator; this has been proven by various drop tests and transports. Particularly decisive is their advantage that their heating conductors after many thousands of hours of operation in aggressive vapors, z. B. in drying processes, were not noticeably oxidized. The more individual stripes are combined into a bundle, the more the advantages of the design according to the invention come into play. Such sets are shown in Figs. 3 and 4 in different spatial configurations in cross-section. It is also easily possible to combine radiators of different sizes, in particular different diameters, with different intensities to form a lamp replacement according to the invention. In order to increase the elasticity, the diameter of the individual cladding tubes can be reduced far, for example down to 4 mm. As already mentioned, you can also use heating conductors in the form of slightly corrugated or smooth wires that are simply pulled through the pipes without a carrier. The individual emitters of the sets can be bundled in different staggering when densely packed in order to achieve additional effects. For example, as FIG. 5 shows, it is often advisable to give the back radiators 10 opaque cladding tubes and the radiator 11 in front of them a transparent cladding tube. This results in a certain directional effect for the radiation. The cladding tubes for the individual radiators can also be subdivided themselves into zones of different degrees of permeability, so that the back is less permeable than the front. Various electrical circuit options can be used for the individual radiators in a set. The parallel connection is particularly advantageous. The radiation intensity can then be varied with the same wavelength depending on the radiation of the connected individual radiators of the set. However, the individual radiators can also be operated under different voltages if adjustable series resistors are placed in the branches ίο. When using three-phase current, the emitters of a three-part set can be connected in star or delta connection. However, it can also be useful to connect the individual radiators of a set in series. If z. B. the set is made up of an even number of individual radiators, you only need power connections for one end of the radiator. With a given total output, larger wire cross-sections and current strengths can also be used when the individual radiators are connected in series, which increases the service life of the radiators. Finally, switching measures can be provided in order to switch from parallel connection to series connection. Patent claims:

1. Electrical heat radiation device, which has at least one relatively long radiator with a tubular envelope made of quartz glass or quartz material, a relatively small clear width and a heating conductor arranged therein with little play, characterized in that at least two individual such radiators run parallel to each other and, immovable with each other connected, one consisting of a tightly packed bundle, combined into a unit Form source replacement.

2. Electrical heat radiation device according to claim 1, characterized by a graduation the radiator in the bundle according to the transparency of the cladding tubes such that the individual radiators with opaque cladding tubes, seen from the irradiation side, behind the individual radiators are arranged with transparent ducts.

Considered publications:
German patent specifications No. 389 895, 837 738,
853 621;

Swiss Patent No. 132 544.

For this purpose, 1 sheet of drawings