DE1288705B

DE1288705B - Heizelement

Info

Publication number: DE1288705B
Application number: DE1965SC037416
Authority: DE
Inventors: Schladitz Johannes
Original assignee: Schladitz Whiskers AG
Current assignee: Wilhelm Herm Mueller & Co Kg 3000 Hannover De
Priority date: 1964-07-28
Filing date: 1965-07-22
Publication date: 1969-02-06
Also published as: CS166189B2; AT258428B; SE363397B; CH431749A; GB1096375A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Heizelement zum Aufheizen von Gasen, Flüssigkeiten, Dämpfen und Aerosolen mittels elektrischer Energie, das aus einer Vielzahl von kleinen, einander berührenden, elektrisch leitenden Teilchen besteht.
Bei einem bekannten Heizelement (deutsche Patentschrift 636 602) sind die elektrisch leitendenTeilchen lose aneinanderliegende Körper aus einem Metallerz. Diese Erzstückchen sollen gleichzeitig zur Speicherung der erzeugten Wärme dienen, wozu es erforderlich ist, daß diese Stückchen eine beträchtliche Masse haben. Das Porenvolumen kann daher im Verhältnis zum Gesamtvolumen nur relativ gering sein, wodurch der Strömungswiderstand verhältnismäßig groß wird. Da die lose aneinanderliegenden Erzstücken in einem Behälter gegen Herausfallen gehalten werden müssen, muß die Zu- und Abführung des zu behandelnden Gutes .durch Öffnungen erfolgen, die nicht größer sein dürfen als die Erzstückchen, was einen erhöhten Strömungswiderstand zur Folge hat.
Ein anderes bekanntes Heizelement (britische Patentschrift 846114) besteht aus porösen Metallplatten. Obgleich diese Ausführung manche Nachteile des vorstehend beschriebenen Heizelementes nicht aufweist, kann sie selbst dann, wenn die porösen Metallplatten aus Pulverteilchen von nur 0,08 mm Durchmesser gesintert sind, ein Porenvolumen von maximal 40% des Gesamtvolumens und eine innere Oberfläche von etwa 450 cm2 pro Kubikzentimeter erhalten. Mit .diesen Werten läßt sich eine oftmals notwendige schlagartige Aufheizung nicht erreichen, da die hierfür notwendige innere Oberfläche zu klein und der Strömungswiderstand zu groß ist. Werden Pulverteilchen größeren Durchmessers verwendet, so kann das Porenvolumen zwar größer werden, die innere Oberfläche nimmt jedoch schnell ab. Werden dagegen noch kleinere Pulverteilchen verwendet, so verbinden sich diese beim Sintern über den größten Teil ihrer Oberfläche miteinander, womit sowohl die Porengröße als auch die innere Oberfläche dem Grenzwert Null zustrebt.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Heizelement zu schaffen, das dem aufzuheizenden Medium eine sehr große Heizfläche (innere Oberfläche) darbietet und gleichzeitig einen sehr geringen Strömungswiderstand aufweist, um das Medium in außerordentlich kurzer Zeit auf eine bestimmte Temperatur erhitzen zu können. Diese Forderungen bestehen beispielsweise bei solchen Medien, die wegen der Gefahr einer chemischen Zersetzung nur eine extrem kurzzeitige Erhitzung vertragen, z. B. Kohlenwasserstoffe, -bei denen bei hohen Temperaturen ein Crackprozeß innerhalb kurzer Zeit ein= setzen würde.
Die bekannten Heizelemente erfüllen diese Forderungen nicht, da sie nicht unmittelbar auf das gesamte Volumen des zu erhitzenden Mediums einwirken, sondern nur auf den in unmittelbarer Nähe der beheizten Flächen befindlichen Anteil, während sich das gesamte Volumen erst innerhalb einer gewissen Zeit durch Wärmekonvektion auf die gewünschte Temperatur erhitzt. Um das zu erhitzende Medium innerhalb möglichst kurzer Zeit auf die gewünschte Temperatur aufzuheizen und Wärmeverluste auszugleichen, muß die Oberflächentemperatur erheblich höher sein als diejenige, die das Medium endgültig annehmen soll, was zur Folge haben kann, daß der der Heizfläche benachbarte Anteil des Mediums Temperaturen ausgesetzt wird, bei denen es sich bereits zersetzt, obgleich die Durchschnittstemperatur des Mediums geringer ist.
Die vorstehend erwähnte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektrisch leitenden Teilchen aus miteinander verfilzten und an den Berührungsstellen metallisch miteinander verbundenen Haaren, Nadeln, Stäbchen oder VVhiskem mit einem Durchmesser unter 10 R,m oder aus blättchenförmigen Teilchen mit einer Dicke unter 1 Rin bestehen und der Filz mit Elektroden versehen oder innerhalb einer Induktionsspule angeordnet ist. Unter einer metallischen Verbindung wird dabei nicht eine bloße Berührung, sondern eine unlösbare Verbindung der Teilchen verstanden, da nur hierdurch die Übergangswiderstände klein gehalten werden können und dem Filz eine mechanische Festigkeit erteilt werden kann, die es gestattet, den Filz beispielsweise in ein Rohr einzusetzen und lediglich an der Rohrwand zu haltern, so daß praktisch die ganze Querschnittsfläche für das durchströmende Medium zur Verfügung steht, was einen geringen Strömungswiderstand zur Folge hat.
Die metallische Verbindung der Teilchen kann durch eine Reihe bekannter Maßnahmen erzielt werden und wird vorgenommen, nachdem die Porosität durch entsprechende Schüttung und Pressung vorher festgelegt wurde. Die metallische Verbindung der. Teilchen an ihren Berührungsstellen kann z. B. durch Metallisierung aus der Gasphase, Verschweißung durch kurzzeitiges örtliches Schmelzen mit Hilfe von kohärenten gebündelten Lichtstrahlen, durch Elektronenstrahlschweißen, Ultraschallschweißen, ferner durch galvanische Abscheidung von Metallen, oder durch die Rekombinationswärme von Atomen, z. B. Wasserstoffatomen, erfolgen.
Unter dem Begriff »Whisker« werden feinste Metallhaare verstanden, welche aus der Gasphase gewachsen sind. Diese Whisker können polykristallinen oder einkristallinen Charakter haben und zeichnen sich durch eine außerordentlich große Festigkeit und Temperaturbeständigkeit aus.
Das erfindungsgemäße Heizelement besteht also z. B. aus sehr dünnen Metallhaaren, -nadeln, -stäbchen oder Whiskern, bei denen das Verhältnis von Durchmesser zur Länge zwischen 1:10 und 1:10 000 liegen kann und die miteinander verfilzt sind, so daß ein feinporiges Skelett mit einer außerordentlich großen inneren Oberfläche vorliegt. Besteht der Filz z. B. aus Whiskern mit einem Durchmesser von 1 l,m, so ergibt sich bei einem spezifischen Gewicht von 0,8 g/cms des Filzes eine spezifische innere Oberfläche von etwa 4000 cm2/cms und ein Porenvolumen von etwa 85 % des Gesamtvolumens. Somit wird dem zu erhitzenden Medium, das in die Poren von 1 cms des Heizelementes eingeführt wird, eine wärmeabgebende Oberfläche von etwa 4000 cm2 dargeboten, so daß sich das Medium praktisch schlagartig erhitzen kann, da jedem kleinsten Volumenanteil des Mediums unmittelbar eine sehr große wärmeabgebende Oberfläche gegenübersteht, welche ihreWärme auf kürzestem Wege an das Medium abgeben kann. Durch die große Oberfläche wird außerdem erreicht, daß die Temperatur der wärmeabgebenden Oberfläche kaum höher zu sein braucht als die Temperatur, auf die das Medium aufgeheizt werden soll, so daß ein Wegschmelzen der dünnen Teilchen nicht eintreten kann. Durch das außerordentlich große Porenvolumen ist der Strömungswiderstand des erfindungsgemäßen Heizelements sehr gering, so daß große Durchsätze bei geringem Druck möglich sind.
Die elektrisch leitenden Teilchen des erfindungsgemäßen Heizelementes können auch aus durch eine Metallumhüllung elektrisch leitend gemachten fadenförmigen Nichtleitern, wie Aluminiumoxid, Quarz, Glas oder einem organischen Kunststoff, sowie aus verschiedenen Metallen und/oder verschiedenen Metall-Legierungen oder aus verschiedenen metallumhüllten Nichtleitern oder aus Metallen und metallumhüllten Nichtleitern bestehen.
Mit besonderem Vorteil können die Teilchen auch hohl sein, um die Oberfläche zu vergrößern. Solche hohle Teilchen erhält man beispielsweise dadurch, daß man feinste, aus organischen Stoffen bestehende Haare, Nadeln, Stäbchen, Folien oder Bänder mit einer Metallumhüllung vorsieht und dann den organischen Stoff herauslöst, so daß dann die Metallhaut verbleibt.
Für das Erhitzen leitfähiger flüssiger Medien kann die Oberfläche der metallisch miteinander verbundenen Teilchen mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen werden. Es eignen sich hierzu beispielsweise sehr dünne überzüge aus Lack, Kunststoff, Oxiden oder elektrophoretisch niedergeschlagene Isolierstoffe feinster Korngröße.
Der von den Teilchen gebildete Filz kann in einem rohrförmigen Gehäuse aus nichtleitendem Material angeordnet werden, das am einen Ende eine Öffnung zur Zuführung des Behandlungsgutes und am anderen Ende eine Öffnung zur Abführung des erhitzten Behandlungsgutes aufweist. Vorzugsweise ist das Rohr konisch ausgebildet, wobei die Zuflußseite für das Behandlungsgut an dem Ende liegt, das den größeren Querschnitt hat. Durch diese Maßnahme wird die Druckfestigkeit des Filzes gegenüber dem strömenden Medium erhöht. Außerdem wird hierdurch eine bewußt ungleichförmige Erhitzung des Filzes erreicht, da sein dickerer Teil infolge seines geringeren elektrischen Widerstandes weniger erwärmt wird als sein dünnerer Teil, so daß das Behandlungsgut beim Durchströmen des Filzes fortlaufend stärker erhitzt wird. Auf diese Weise wird das Behandlungsgut im dickeren Teil des Filzes zunächst vorgewärmt, um an der Spitze des Filzes bis auf die gewünschte Temperatur nacherhitzt zu werden, so daß die stärkste Erwärmung während eines sehr kurzen Zeitraumes erfolgt.
Der Filz kann auch ring- oder scheibenförmig und in einem Gehäuse angeordnet sein, der einen den Filz umgebenden, mit einem Zuführungsrohr für das Behandlungsgut verbundenen Ringkanal aufweist und mit einem zentralen Abführungsrohr für das erhitzte Behandlungsgut versehen ist. Dabei können auch mehrere ringförmige Filzlagen übereinander in dem Gehäuse angeordnet werden, wobei sich das Abführungsrohr axial durch das Gehäuse hindurch erstreckt und für jede Filzlage mit Öffnungen für den Durchritt des erhitzten Behandlungsgutes versehen ist.
Um die mechanische Stabilität des Heizelementes zu erhöhen, kann der Filz mit der Innenwand des Gehäuses fest verbunden, z. B. verwachsen, verkittet, verlötet, verschweißt oder versintert werden. Dadurch wird vermieden, daß bei höheren Drücken das durchströmende Medium einen Weg geringeren Strömungswiderstandes entlang der umgebenden Wand aufreißt.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein erfindungsgemäßes Heizelement in einem rohrförmigen Gehäuse im Längsschnitt, F i g. 2 ein Heizelement in einem konischen Rohr, ebenfalls :im Längsschnitt, F i g. 3 ein scheibenförmiges Heizelement mit Gehäuse im Längsschnitt und F i g. 4 eine Vorrichtung aus mehreren übereinanderliegenden Heizelementen im Längsschnitt.
In F i g. 1 ist ein zylindrisches rohrförmiges Gehäuse a aus einem Nichtleitermaterial dargestellt, in das :ein poröses, leitfähiges Heizelement in Form eines Filzes b eingesetzt ist. d und e sind Elektroden, die mit sicherem Kontakt an den Enden des Filzes b anliegen und zur Zu- und Abführung des Stromes dienen. Das zu erhitzende Behandlungsgut c strömt in Richtung der Pfeile durch den Filz b.
Bei der Ausführung gemäß F i g. 2 hat das rohrförmige Gehäuse a' aus Isoliermaterial eine konische Form, wobei die Zuflußseite für das Behandlungsgut c an dem Ende liegt, das den größeren Querschnitt hat. In dem Rohr a' ist der als Heizelement dienende Filz b' angeordnet, der ebenfalls konische Form aufweist und mit Elektroden d und e versehen ist. Der durch Widerstandserhitzung geheizte Filz b' wird von dem Behandlungsgut in Richtung vom breiten zum schmalen Ende durchströmt. Die in Filz b' erzeugte Temperatur hängt von dessen Querschnitt und elektrischer Leitfähigkeit ab, so daß je nach dem Spitzenwinkel des Konus ein mehr oder weniger großes Temperaturgefälle zwischen seiner Basis und seiner Spitze besteht. Demgemäß wird das Behandlungsgut beim Durchströmen an der Basis schwächer und an der Spitze stärker erwärmt. Gleichzeitig nimmt auch die Strömungsgeschwindigkeit von der Basis zur Spitze hin zu, so daß das Behandlungsgut an der Stelle höherer Temperatur den Konus schneller durchströmt.
In F i g. 3 ist das Gehäuse a" als flache Scheibe ausgebildet, und es nimmt einen ringförmigen, als Heizelement dienenden Filz b" mit Elektroden d und e auf. Das Gehäuse a" weist einen den Filz b" umgebenden Ringkanal g auf, der mit einem Zuführungsrohr f für das Behandlungsgut in Verbindung steht. In der Mitte ist das Gehäuse ä' mit einem Abführungsrohr h versehen. Das Behandlungsgut c strömt also von außen her durch den Filz b" zur Mitte zu und wird durch das Abführungsrohr h abgeleitet. Der Filz b" wird bei Widerstandserhitzung an seinem Umfang weniger hoch erhitzt als im mittleren Bereich, so daß wie bei der Ausführung gemäß F i g. 2 die Temperatur des Filzes und damit diejenige des Behandlungsgutes in Strömungsrichtung zunimmt.
Bei der Ausführung gemäß F i g. 4 sind mehrere ringförmige Heizelemente gemäß F i g. 3 zusammengefaßt, um einen größeren Durchsatz zu erzielen. Wie ersichtlich, sind vier ringförmige Filzlagen b1, b" b3 und b4 übereinander in dem Gehäuse a" angeordnet, die wie bei der Ausführung gemäß F i g. 3 von einem ringförmigen Zuflußkanal g umgeben sind, in den das Zuführungsrohr f mündet. Das Abführungsrohr h erstreckt sich axial durch das Gehäuse a" hindurch und ist für jede Filzlage mit Öffnungen zum Durchtritt des erhitzten Behandlungsgutes versehen. Die einzelnen Filzlagen b1, b2, b3 und b4 können durch Zwischenwände i voneinander getrennt sein. Das Behandlungsgut strömt entsprechend den Pfeilen gleichzeitig durch alle Filzlagen und tritt gemeinsam durch das zentrale Ableitungsrohr h aus. Die porösen Elektroden d und c sind in diesem Falle allen Filzlagen gemeinsam.
Bei allen dargestellten Ausführungen ist es zweckmäßig, daß der Filz mit den benachbarten Wänden des Gehäuses fest verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Heizelement kann außer zum raschen Aufheizen von gasförmigen und flüssigen Medien auch für Dämpfe, Nebel, Aerosole, Gele, Suspensionen und Schwebeteilchen in Flüssigkeiten verwendet werden, wobei die Erhitzung auch mehrerer Medien gemeinsam zur Einleitung oder Durchführung anderer physikalischer oder chemischer Reaktionen verwendet werden kann, wobei eine katalytische Wirkung des Heizelementes möglich ist. Die Erhitzung kann auch für selektive physikalische oder chemische Reaktionen dienen, z. B. zur fraktionierten Destillation, zur Auslösung einer chemischen Teilreaktion zwischen Bestandteilen des erhitzten Mediums, zur Änderung der Diffusionsgeschwindigkeit von Gasen oder zur Ionisierung von Gasen bei hohen Temperaturen.

Claims

Patentansprüche: 1. Heizelement, bestehend aus einer Vielzahl von kleinen, einander berührenden, elektrisch leitenden Teilchen zum raschen Aufheizen von Gasen, Flüssigkeiten, Dämpfen und Aerosolen, mittels elektrischer Energie, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß diese Teilchen aus miteinander verfilzten und an den Berührungsstellen metallisch miteinander verbundenen Haaren, Nadeln, Stäbchen oder Whiskern mit einem Durchmesser unter 10 F,m oder aus blättchenförmigen Teilchen mit einer Dicke unter 1 Eim bestehen und. der Filz (b, b', b", b1, b2, b3, b4) mit Elektroden (d, e) versehen oder innerhalb einer Induktionsspule angeordnet ist.
2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haare, Nadeln, Stäbchen oder Whisker einen Durchmesser unter 1 IIn haben.
3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus durch eine Metallumhüllung elektrisch leitend gemachten Nichtleitern, wie Aluminiumoxid, Quarz, Glas oder einem organischen Kunststoff, bestehen.
4. Heizelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus verschiedenen Metallen und/oder verschiedenen Metall-Legierungen oder aus verschiedenen metallumhüllten Nichtleitern oder aus Metallen und metallumhüllten Nichtleitern bestehen.
5. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen. hohl sind.
6. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der metallisch miteinander verbundenen Teilchen mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen sind.
7. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Filz (b, b') in einem rohrförmigen Gehäuse (a, a') aus nichtleitendem Material angeordnet ist, das am einen Ende eine Öffnung für die Zuführung des Behandlungsgutes (c) und am anderen Ende eine Öffnung zur Abführung des erhitzten Behandlungsgutes aufweist (F i g. 1, 2). B.
Heizelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Gehäuse (d) konisch ausgebildet ist, wobei die Zuflußseite an dem Ende liegt, das den größeren Querschnitt hat (F i g. 2).
9. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Filz (b" bzw. b1, b2, b3, b4) ring- oder scheibenförmig und in einem Gehäuse (a") angeordnet ist, das :einen den Filz umgebenden, mit einem Zuführungsrohr (f) für das Behandlungsgut (c) verbundenen Ringkanal (g) aufweist und mit einem zentralen Ausführungsrohr (h) für das erhitzte, Behandlungsgut versehen ist (F i g. 3, 4).
10. Heizelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere ringförmige Filzlagen (b1, b2, b3, b4) übereinander in dem Gehäuse (a") angeordnet sind und daß sich das Abführungsrohr (h) axial durch das Gehäuse (a") hindurch erstreckt und für jede Filzlage mit Öffnungen für den Durchtritt des erhitzten Behandlungsgutes versehen ist (F i g. 4).
11. Heizelement nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Filz (b, b', b", b1, b2, b3, b4) mit der Innenwand des Gehäuses (a, d, a") fest verbunden ist.