DE1111311B - Vorrichtung zum Erwaermen von stroemenden Medien, vorzugsweise aktiven Gasen oder Fluessigkeiten, bei der ein elektrisch beheizbarer, gedichteter Graphitkoerper Bohrungen oder Kanaele zum Durchleiten der Gase oder Fluessigkeiten aufweist - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum Erwärmen von strömenden Medien, vorzugsweise aktiven Gasen oder Flüssigkeiten, bei der ein elektrisch beheizbarer, gedichteter Graphitkörper Bohrungen oder Kanäle zum Durchleiten der Gase oder Flüssigkeiten aufweist Es ist bereits eine Vorrichtung zum Erwärmen von strömenden Medien bekannt, bei der ein elektrisch beheizbarer gedichteter Graphitkörper Bohrungen oder Kanäle zum Durchleiten der Gase oder Flüssigkeiten aufweist. Ein derartiger Graphitkörper besitzt den Vorteil, daß z.B. eine hohe chemische Aggressivität besitzende Medien erhitzt und hohe Temperaturen erreicht werden können. Die elektrische Beheizung erfolgt bei der bekannten Vorrichtung dadurch, daß der Graphitkörper als elektrischer Widerstandsheizkörper ausgebildet ist, dem mittels Elektroden der Strom zugeführt wird, wobei die Bohrungen möglichst gleichmäßig über den Querschnitt des Graphitkörpers verteilt sind, Aufgabe der Erfindung ist es, einen solchen Graphitkörper derart zu beheizen, daß die unter Umständen zu überhitzungen führenden Stromzuführungsstellen am Graphitkörper in Wegfall kommen und die Heizkanäle dabei in möglichst vorteilhafter Weise in der beheizten Zone liegen.
• Erflndungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der durch anorganische Mittel, insbesondere Kieselsäure gedichtete Graphitkörper im Felde einer bei Metallgehäusen von Durchflußerhitzern an sich bekannten primären Induktionsspule angeordnet ist und die Kanäle oder Bohrungen in der Nähe der der Induktionsspule zugeordneten Fläche des Graphitkörpers liegen, dessen Stärke wenigstens gleich der Eindringtiefe des Wechselfeldes ist.
• Induktionsheizung von aus metallischem Material bestehenden Durchlauferhitzern und auch Induktionsheizung von Graphitkörpern ist an sich bekannt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird jedoch der Umstand, daß die Wärmewirkung von der elektromagnetisch beaufschlagten Fläche aus nach einer e-Funktion bei Graphit über eine größere Strecke abfällt, in der Weise ausgenutzt, daß die zu erwärmenden Medien nicht durch einen Graphitbehälter ' sondern durch Bohrungen oder Kanäle des Graphitkörpers geleitet werden, die nahe unter der belasteten Oberfläche liegen, d. h. also in dem Bereich, in welchem die Hauptwärmewirkungen auftreten. Vorzugsweise wird der Graphitkörper von einer Induktionsspule umschlossen. Man kann die Anordnung jedoch auch umgekehrt treffen, so daß also der Graphitkörper die Induktionsspule umschließt, und schließlich lassen sich beide Anordnungen miteinander vereinen. Mechanisch einfach wird die Herstellung der Graphitkörper, wenn man für die Medien achsparallele Bohrungen vorsieht. Es ist jedoch auch zg ohne weiteres möglich, wendelförmige Kanäle zu verwenden, indem man in die Graphitmasse beim Pressen einen wendelförmigen Körper einfügt, der entweder beim Brennen verdampft oder chemisch herausgelöst wird. Der Graphitkörper kann, um die Eindringtiefe zu verringern, auf einer Fläche, d. h. auf der belasteten oder auf der unbelasteten Fläche mit einem Metallüberzug versehen sein, der gut leitend (z. B. Kupfer) oder ferromagnetisch (z. B. Eisen) ist. Die Überzüge können sich auch auf beiden Flächen befinden. Mit Rücksicht auf eine chemische Aggressivität der Medien wird man dagegen die Überzüge im allgemeinen nicht in den Behrungen oder Kanälen anbringen können. Es können mehrere Helzflächen in Strömungsrichtung des Mediums hintereinandergeschaltet werden, wobei dann im Bedarfsfall nur die letzte Heizfläche im Bereich der Induktionsspule liegt, wogegen die übrigen Heizflächen in anderer Weise beheizt werden, beispielsweise durch das Kühlmittel der Induktionsspule. Die Anschlußstücke werden zweckmäßig durch Verbindungsteile aus einer Eisen-Nickel-Legierung untereinander verbunden, da Eisen-Nickel-Legierungen mit dem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Graphit hergestellt werden können.
• In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele für den Gegenstand der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt Fig. 1 im axialen Schnitt, Fia. 2 im Querschnitt einen Heizkörper für ein flüssiges oder gasförmiges Medium, Fig. 3 einen Querschnitt durch einen hohlzylindrischen Graphitkörper mit außen- und innenliegenden Primärwicklungen, wobei eine der Primärwicklungen gegebenenfalls auch fortfallen kann, Fig. 4 den Gegenstand der Fig. 3 im Querschnitt, Fig. 5 einen axialen Schnitt durch eine Anordnung mit massivem Graphitzylinder und unischließendern Graphitmantel, wobei in dem zylindrischen Hohlraum die Primärwicklung untergebracht ist, und Fil-. 6 einen Querschnitt durch die Anordnunc, nach im Fig. 5.
• Gemäß Fig. 1 und 2 ist ein massiver Graphitkörper 1 mit zylindrischer Außenwand vorgesehen, der von einer Primärwicklung 2 von quadratischem oder rechteckigem hohlem Leiterquerschnitt umschlossen wird. In der Nähe seiner Außenfläche hat der Graphitkörperl achsparalleleBohrungen3, durch welche das zu beheizende Medium strömt. Die Leiter der Primärwicklung können von einem Kühlmittel durchströmt werden. Der Graphitkörper ist von einem Isoliermantel 4 umschlossen, der in Schlitzen 5 Eisen-Nickel-Stäbe 6 aufnimmt, auf deren Enden Gewindemuttem 7 aufgesehraubt sind, um (gegebenenfalls über Federn) die Stimringe 8 gegeneinanderzupressen. Dabei drücken die Stimringe 8 über Zwischenlagen gegen die Graphithauben 9, welche durch Zwischenlage von Dichtungsringen gegen den Graphitkörper 1 abgedichtet sind. In die Mittelbohrungen der Graphithauben 9 sind Anschlußstutzen 10 eingekittet. Zum Anschluß an das übrige Leitungssystern können Ringe 11 dienen, die in ihrem Innendurchmesser größer sind als der Außendurchmesser der Stutzen an der Kittstelle, dagegen kleiner als der Außendurchmesser des Endflansches 12 der Stutzen. Die Ringe werden durch Bolzenschrauben 13 durchsetzt. Der Zwischenraum zwischen dem Graphitkörper 1 und dem Isoliermantel 4 kann im Bedarfsfalle von einem inerten Medium durchströmt werden, um bei höheren Belastungen eine Schädigung des Graphitkörpers zu vermeiden. Statt dessen oder zusätzlich können hitzebeständige überzüge dienen.
• Der Gesamtdurchmesser des zylindrischen Graphitkörpers 1 muß bei der Ausführung gemäß Fig. 1 und 2 etwa das 3,5- bis 4fache der Eindringtiefe betragen. Dies beruht darauf, daß z. B. ein im Uhrzeigersinn kreisender Strom in der Primärspule 2 einen entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn kreisenden Strom im Graphitkörper 1 induziert. Wenn nun das Feld bis zur Kernmitte nicht abgeklungen ist, so entstehen hier gegeneinandergerichtete Induktionskräfte, das induktive Feld wird nicht ausgenutzt, und die Erhitzung erfolgt nicht in dem gewünschten Maße. Diese Störung kann überwunden werden, wenn man gemäß Fig. 3 und 4 zu einem hohlzylindrischen Graphitkörper 20 mit z. B. achsparallelen Bohrungen 21 übergeht, der entweder innen eine Primärspule 22 oder außen eine Primärspule 23 oder schließlich zwei Primärspulen 22 und 23 aufweist. Benutzt man nur eine Primärspule, so genügt für die Wandung des Graphitkörpers die Stärke der Eindringtiefe. Daran ändert sich nichts, wenn man in der dargestellten Weise, zwei Primärspulen benutzt, doch muß man dann darauf achten, daß beide Primärspulen im selben Sinne (im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt) durchströmt werden. Die Fig. 5 und 6 zeigen gewissermaßen eine Umkehrung der Anordnung nach Fig. 3 und 4. Während dort ein Graphitring zwischen zwei Spulen angeordnet war, ist- hier eine Primärspule zwischen zwei Graphitkörpern angeordnet. In der Mitte hat man einen Graphitkörper 30 mit einem wendelförinigen Kanal 31 für das Medium. Dieser Kern 30 wird von einer Primärwicklung 32 umschlossen, die ihrerseits von einem Graphitring 33 umgeben ist. In diesem Graphitring befinden sich im vorliegenden Fall zwei parallel verlaufende wendelförmige Kanäle 34 und 35, so daß die Erhitzung für jeden äußeren Kanal 34, 35 etwa gleich der Erhitzung im inneren Kanal 31 sein mag.
• Die Primärspule kann auch in der Weise unterteilt werden, daß mehrere Spulen desselben Durchmessers gleichachsig im Anschluß aneinander oder zwischeneinander gesetzt (ähnlich wie die Kanäle 34, 35) angeordnet werden. Dabei können dann diese Spulen parallel an die gleiche Phase oder (beispielsweise bei Drehstrom) an verschiedene Phasen, gegebenenfalls unter Verwendung eines Phasenschiebers, angeschlossen werden. Falls mehrere Spulen auf einer Fläche des Graphitkörpers vorgesehen werden, trennt man diese zweckmäßig durch geschlitzte Eisenbleche induktiv voneinander. Insbesondere bei niedrigen Frequenzen, d. h. bei Frequenzen unterhalb von 500 Hz, können zur Verkürzung des Luftspaltes Eisenkörper benutzt werden, die aus Dynamoblech od. dgl. aufgebaut sind. Beispielsweise kann sich innerhalb der Spule 22 der Fig. 3 und 4 ein solcher Eisenkem befinden. Ferner können die Spulen 2 und 23 der Fig. 1 und 2 bzw. 3 und 4 durch Eisenjoche überbrückt sein, die von außen aufgesetzt sind. Im Falle der Fig. 3 und 4 kann man diese Joche mit dem erwähnten Eisenkern magnetisch verbinden. Der Spalt zwischen den Spulen und den Oberflächen der Graphitkörper soll möglichst klein sein, um eine gute Kopplung bei ausreichender Isolation zu erhalten.
• So ist es möglich, den Gegenstand der Erfindung mit Netz-Wechselstrom von 50 Hz zu betreiben. Will man mit den Abmessungen heruntergehen, so bevorzugt man jedoch höhere Frequenzen, da die Eindringtiefe sich umgekehrt proportional zur Wurzel aus der Frequenz ändert. Der Graphitkörper wird vorzugsweise dadurch gedichtet, daß er mit Siliciumtetrachlorid getränkt wird, worauf diese Verbindung im Graphitkörper durch Wasser zu Kieselsäuregel umgesetzt und anschließend in Siliciumdioxyd umgewandelt wird.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zum Erwärmen von strömenden Medien, vorzugsweise aktiven Gasen oder Flüssigkeiten, bei der ein elektrisch beheizbarer, gedichteter Graphitkörper Bohrungen oder KanÜle zum Durchleiten der Gase oder Flüssigkeiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der durch anorganische Mittel, insbesondere Kieselsäure, gedichtete Graphitkörper (1 bzw. 20 bzw. 30, 33) im Felde einer bei Metallgehäusen von Durchflußerhitzem an sich bekannten primären Induktionsspule (2 bzw. 22, 23 bzw. 32) angeordnet ist und die Kanäle (31, 34, 35) oder Bohrungen (3 bzw. 21) in der Nähe der der Induktionsspule zugeordneten Fläche des Graphitkörpers liegen, dessen Stärke wenigstens gleich der Eindringtiefe des Wechselfeldes ist.
2. 2. Vorrichtung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitkörper (1) von einer Induktionsspule 2 umschlossen ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Graphitzylinder (20) eine Induktionsspule (22) umschheßt. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitkörper (1 bzw. 20) achsparallele Bohrungen (3 bzw. 21) für die Durchleitung des Mediums hat. 5. Vorrichtung nach Ansprach 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitkörper (30 bzw. 33) wenigstens einen wendelförmigen Kanal (31 bzw. 34, 35) für die Durchleitung des Mediums hat. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Graphitkörpers durch einen hitzebeständigen überzug und/oder eine inerte Atmosphäre geschützt ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fläche des Graphitkörpers einen Metallüberzug trägt. 8. Vorrichtung nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallüberzug gut leitend ist. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallüberzug ferromagnetisch ist. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Heizflächen in Strömungsrichtung des zu erwärmenden Mediums hintereinandergeschaltet sind. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß nur die letzte Heizfläche im Felde einer Induktionsspule liegt. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die lnduktionsspule durch ein strömendes Medium gekühlt wird, welches zum Beheizen einer vorgeschalteten Stufe dient. 13. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß auf beide Enden des Graphitkörpers aufg ,epreßte Anschlußstücke durch Verbindungsteile aus Eisen-Nickel-Legierungen miteinander verbunden sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 826 325; deutsche Patentanmeldung Sch7182V111d/21h (bekanntgemacht am 28.5.1953); französische Patentschrift Nr. 706 730; Formel- und Taschenbuch für Starkstromingenieure der SSWAG von Lohr, 1953, Druck D. Girardet, Essen, Bild 46.