DE1540899C - Infrarotstrahlungsheizvorrich tung mit flachenhaftem, hohlgewolb tem Strahler - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Infrarotstrahlungsheizvorrichtung mit.flächenhaftem, hohlgewölbtem Strahler, der vor einem Reflektor mit guten Reflexionseigenschaften für kurzwellige Infrarotstrahlung ein elektrisch erhitztes, die Infrarotstrahlung emittierendes Heizelement aufweist: ; · ; ' . ■

Bekannte Infrarotstrahlungsheizvorrichtungen dieser Art sind zur Abgabe kürzwelliger Infrarotstrahlung mit elektrisch beheizten Widerstandsdrähten ausgestattet, die selbst derart erhitzt werden, daß sie die gewünschte. kurzwellige Infrarotstrahlung abgeben. Die Strahlungsabgabe läßt sich dabei von der Strahlungsquelle selbst zunächst nicht nur auf den zu erwärmenden Gegenstand richten, sondern erfolgt allseitig und wird von dem Reflektor, der gerade für kurzwellige Infrarotstrahlung gute Reflektionseigenschaften besitzt, zurückgeworfen. . . ,

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Infrarotstrahlungsheizvorrichtung zu schaffen, die bei gutem Wirkungsgrad in der Lage ist, langwellige Infrarotstrahlung auf einen zu beheizenden Gegenstand abzugeben. Die große Schwierigkeit liegt dabei darin, daß langwellige Infrarotstrahlung nur mit wesentlich schlechterem Wirkungsgrad von einem Reflektor zu reflektieren ist, so daß die von der Strahlungsquelle selbst nicht auf den zu beheizenden Gegenstand, sondern in die entgegengesetzte Richtung abgegebene Strahlung zu einem überwiegenden Teil verlorengeht.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird jedoch erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Heizelement zum Aufheizen in den Innenraum eingebrachter Gegenstände eine hohlzylindrische Gestalt hat und der Reflektor ein das Heizelement mit allseitig gleichem radialem-Abstand umgebender Reflektorhohlzyiinder-Sst.mit geringer Emissionsfähigkeit und daß das zylindrische Heizelement auf seiner gesamten Innenfläche' mit einer langwellige Infrarotstrahlung stark emittierenden ersten Substanz beschichtet ist und auf seiner Außenfläche eine zweite Substanz trägt, die eine niedrige Emissionsfähigkeit hat und Strahlungseigenschaften für im wesentlichen kurzwellige Infrarotstrahlen besitzt.

Die erfindungsgemäße Strahlungsheizvorrichtung, die im wesentlichen technischen Zwecken vorbehaltene langwellige Infrarotstrahlung abgibt, ist also zweckmäßig als Hohlzylinder gestaltet, der die zu behandelnden Werkstücke vollkommen umgibt. Dieser Hohlzylinder weist auf seiner Innenseite eine Beschichtung auf, die eben vorzugsweise gute Abgabeeigenschaften für Infrarotstrahlung des gewünschten längerwelligen Bereichs besitzt. Darüber hinaus wird, um die durch die. unvermeidbare Abstrahlung auf der Außenseite des Hohlzylinders abgegebene Energie nicht verlorengehen zu lassen, der umgebende bekannte Reflektor für kurzwellige Strahlung vorgesehen. Dieser kurzwellige Infrarotstrahlung stark reflektierende Reflektor mit einer Reflektionsfähigkeit, die bei längerwelliger Infrarotstrahlung nicht zu erreichen ist, dient nun dazu, die von der Außenfläche des Strahlungshohlkörpers abgegebene Strahlungsenergie zu reflektieren, zu welchem Zweck die Außenseite des Hohlzylinders mit einem Material beschichtet wird, das diese nach· außen abgegebene Strahlung in den kurzwelligen Infrarotbereich verlegt. Die unvermeidbare Abstrahlung nach außen ist damit in den Bereich verlegt, in dem die Reflexion mit bestmöglichem Wirkungsgrad erfolgen kann, so daß die Energie auf die Energiequelle zurückreflektiert wird und zum überwiegenden Teil der Erwärmung des im Innern der Strahlungsenergiequelle vorhandenen Werkstücks verwendet werden kann. Daß ■ darüber hinaus die Substanz auf der Außenseite der Strahlungsquelle einen möglichst geringen Emissionsfaktor besitzt, ist ein weiteres Merkmal der Erfindung und dient einem zweckmäßigen Energiefluß.'

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind . in den Unteransprüchen charakterisiert. '

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend die Erfindung nochmals eingehend erläutert. Die Zeichnung zeigt eine leicht schematisierte Darstellung einer perspektivischen Ansicht der Infrarotstrahlungsheizvorrichtung nach der Erfindung. '

Das Heizelement 1 ist aus elektrischem Widerstandsmaterial geeigneten Widerstands hergestellt und ist mit einem Längsschlitz 6 durch die Zylinderwand versehen, an deren beiden gegenüberliegenden Kanten die Stromquelle S an das Heizelement 1 zur Zuführung der elektrischen Energie angeschlossen ist. Wird ein Heizelement 1 mit den Abmessungen Innendurchmesser 183 mm und Länge 420 mm und einer Eisenoxyd-Pulverschicht (Fe₂O₃) auf der Innenfläche 2 und einer Aluminiumoxyd-Pulverschicht (Al₂O₃) auf der Außenfläche 3 verwendet und mit 280 Amp; bei einer Spannung von 100 V gespeist, kann man eine Oberflächen temperatur von nahezu 1200⁰C erreichen.

Unter diesen Bedingungen strahlt die Eisenoxyd-Pulverschicht langwellige Strahlen (unterer Infrarotbereich) von 8 bis 25 μ Wellenlänge oder länger senkrecht zur Achse X-Y (mit Pfeil P bezeichnet) des Heizelements mit hohem Emissionskoeffizient der Größenordnung F₁ ~ 0,9 ab. Wird nun ein Messingstab von 100 mm Durchmesser und 400 mm Länge als Teil 5 zum Erhitzen in die Mitte des Heizelements 1 eingesetzt, wird dieser Stab in 11 Minuten auf 700° C gleichmäßig erhitzt. So kann man auf einfache Weise mit langwelliger Strahlungsheizung langgestreckte Werkstücke erhitzen, und folglich können bei der Herstellung von Messingstangen oder Rohren diese gleichmäßig erhitzt werden, wenn diese Heizvorrichtung mit einer Fließpresse verbunden wird.

Andererseits strahlt die Aluminiumoxyd-Pulverschicht auf der Außenmantelfläche 3 des Heizelements 1 mit kurzer Wellenlänge (oberer Infrarotbereich) ungefähr von 0,7 bis 3 μ. Es ergab sich, daß der Emissionskoeffizient ε₂ dieser Strahlung etwa ε₂ ^ 0,2 war.

Es wurde weiter gefunden, daß bei dem oben beschriebenen Beispiel etwa 20% der mit 28 kW (100 V χ 28 Ä) erzeugten Wärmeenergie oder 5,6 kW Wärmeübertragungsverluste (einschließlich Konvektionsverluste) sind und daß die übrigen 80% oder 22,4 kW abgestrahlt werden, von denen

22,4

22,4·

0,9

0,9 + 0,2

0,2
0,9 + 0,2

~ 18,3 kW nach innen und

18,3
22,4

100 ~ 81%

Um das Wesen und den Nutzen der Erfindung noch deutlicher zu machen, sollen die folgenden Versuchsbeispiele und Ergebnisse angeführt werden, wobei sie nur als erklärendes Beispiel zu verstehen sind, und durch sie der Umfang der Erfindung und deren Anwendung nicht eingeschränkt werden sollen.

Versuchsstäbe gleicher Abmessungen aus Aluminium, Messing, Stahl und Kupfer wurden gleichmäßig auf die entsprechenden Temperaturen 500, 700, 630 und 800⁰C erhitzt, und zwar mit der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung, woraus folgende Ergebnisse erhalten wurden:

30

4,1 kW nach außen abgestrahlt

werden.

Wenn der Abstand zwischen dem Heizelement 1 (innerer Zylinder) und dem äußeren Zylinder 450 mm beträgt und der Außenzylinder aus einem Aluminiumblech von 1 mm Dicke gefertigt ist, hat der Außenzylinder für Strahlen der kurzen Wellenlänge von etwa 3 μ etwa einen Reflektionsfaktor von 90%. Dementsprechend wirkt der Außenzylinder als Reflektor und erreicht, da er der Strahlungsleistung von 4,1 kW ausgesetzt ist, eine stationäre Endtemperatur von 12O⁰C.

Steigt jedoch die Wellenlänge der Strahlungsenergie von 4,1-kW-Leistung über 3 μ, sinkt der Reflexionsfaktor der Aluminiumfolie auf 70% und darunter, und die Temperatur des Außenzylinders liegt höher.

Deshalb wird das zu erwärmende Werkstück 5 mit langwelliger Strahlung (unterer Infrarotbereich) mit 18,3 kW beheizt. Es wurde ermittelt, daß die Absorption des erhitzten Werkstücks 5 bei langwelliger Strahlung von 8 μ und länger etwa 1,7 und mehr mal größer war als bei kurzwelliger Strahlung (oberer Infrarotbereich) von 3 μ und weniger.

Der Heizwirkungsgrad η wird in diesem Fall

35

40

55

60

woraus hervorgeht, daß eine Beheizung jener bei Niederfrequenzinduktionsheizung vergleichbar, etwa erreicht wird. Außerdem beträgt der Anteil der Wärmemenge, den der gleichmäßig auf 700⁰C erwärmte Messingstab gespeichert hat zur hineingesteckten elektrischen Energie, also der Gesamtwirkuneserad. etwa 37%.

Stabmaterial	End temperatur (0C)	Heizzeit (Minuten/ Sekunden)	Gesamt wirkungs grad (%)
Aluminium Messing Stahl Kupfer	500 700 630 800	T 11' 10'30" 11'40"	38 37 48 47

Aluminiumstäbe verschiedenen Durchmessers und gleicher Länge wurden erwärmt, woraufhin die folgenden Gesamtwirkungsgrade ermittelt wurden.

Aluminiumstab, Gesamtwirkungsgrad

125 mm Durchmesser 52%

100 mm Durchmesser 38%

80 mm Durchmesser 29%

Zur Temperaturmessung der Stäbe während des Aufheizvorgangs wurde ein 2 mm großes, 60 mm tiefes Loch in der Achse jedes Stabes gebohrt und ein Platin - Platinrhodium - Thermoelement eingebracht und das Loch abgedichtet. Die gemessene Temperatur wurde mit einem schreibenden Gerät aufgezeichnet.

Zum Vergleich wurden die Beläge auf den beiden Oberflächen des Heizelements der Heizvorrichtung entfernt und die gleichen Versuche, wie oben beschrieben, nochmals durchgeführt. Man erhielt folgende Ergebnisse:

45 Stabmaterial (100 mm Durchmesser, 400 mm Länge)	End temperatur (0C)	Heizzeit (Minuten/ Sekunden)	Gesamt wirkungs grad
Aluminium 5° Messing Stahl	500 700 630	13Ί2" 42' 32'	OO Ui O

Der Vergleich dieser Ergebnisse mit den Ergebnissen der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung zeigt, daß die Beläge den Gesamtheizwirkungsgrad wesentlich beeinflussen.

Während dieser Versuche ergab sich auch, daß der äußere, aus Aluminiumblech bestehende Zylinder (Reflektor) auf Temperaturen bis 500⁰C aufgeheizt wurde und sich zu erweichen begann. Das zeigt, daß die Aluminiumoxydschicht auf der Außenfläche des Heizelements sehr wirksam die Abstrahlungsverluste herunterdrückt. Man fand weiter, daß sich die Beläge aus Eisenoxyd- und Aluminiumoxydpulver nicht mehr infolge der Wechsel beim Erhitzen und Abkühlen des Heizelements ablösen, wenn sie mit Wasserglas (Na₂SiO₃) vermengt und angeklebt sind.

Es wurde ein Temperaturunterschied von etwa 80° C am Heizelement mit bzw. ohne Eisenoxydpulverbelag gemessen. Das heißt, daß durch das Anbringen des Eisenoxydpulverbelags die Temperatur des Heizelements um 80° C gesenkt und seine Emissionsfähigkeit erhöht wird. Das bedeutet weiter, daß als charakteristische Wirkung des Eisenoxyds der Hauptteil der abgestrahlten Energie im Bereich der größeren Wellenlängen liegt, bei denen die Absorption der Metalloberflächen ausgezeichnet ist.

Während der Belag des Heizelements mit Aluminiumoxydpulver sehr wirksam die Emissionsfähigkeit herabsetzt, wird die Strahlungsverteilung gegenüber dem Eisenoxydbelag wesentlich zum Bereich der kürzeren Wellenlängen hin verschoben, was die Reflektionsfähigkeit an der Oberfläche des Aluminiumblechs heraufsetzt.

In einer Abwandlung der oben beschriebenen Erfindung wird das zylindrische Heizelement aus einem elektrischen Heizwiderstand-Bandmaterial von 0,8 mm Dicke und 32 mm Breite hergestellt, das zu einer schraubenförmigen Spule mit 183 mm Innendurchmesser gewickelt wird, mit 3 mm Abstand der Seiten benachbarter Windungen, und das aus insgesamt 12 Windungen besteht, wobei das ganze von sechs Tragstäben gehalten wird.

Es versteht sich, daß die vorhergehenden Erläuterungen sich nur auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung und eine Abwandlung dessen beziehen und daß die Erfindung alle Abwandlungen der zur Erläuterung herangezogenen Beispiele mit umfaßt, die in den Bereich der Erfindung fallen, welche in den Patentansprüchen dargelegt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Infrarot-Strahlungsheizvorrichtung mit flächenhaftem, hohl gewölbtem Strahler, der vor einem Reflektor mit guten Reflexionseigenschaften für kurzwellige Infrarot-Strahlung ein elektrisch erhitztes, die Infrarotstrahlung emittierendes Heizelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (1) zum Aufheizen in den Innenraum eingebrachter Gegenstände eine hohlzylindrische Gestalt hat und der Reflektor (4) ein das Heizelement mit allseitig gleichem radialem Abstand umgebender Reflektor-Hohlzylinder ist mit geringer Emissionsfähigkeit und daß das zylindrische Heizelement (1) auf seiner gesamten Innenfläche (2) mit einer langwellige Infrarotstrahlung stark emittierenden ersten Substanz beschichtet ist und auf seiner Außenfläche (3) eine zweite Substanz trägt, die eine niedrige Emissionsfähigkeit hat und Strahlungseigenschaften für im wesentlichen kurzwellige Infrarotstrahlen besitzt.

2. Strahlungsheizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement aus einem elektrischen Heizwiderstandsmaterial besteht, daß der erste, auf der Innenfläche (2) des Heizelements angebrachte Stoff Eisenoxydpulver (Fe₂O₃) und der zweite, auf der Außenfläche (3) des Heizelements angebrachte Stoff Aluminiumoxydpulver (Al₂O₃) ist und daß der Außenzylin- der (4) aus Aluminiumblech gefertigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement aus . einem elektrischen Heizwiderstand-Bandmaterial besteht, das zu einer Schraubenspule in Hohlzylinderform mit Abständen zwischen den benachbarten Windungen gewickelt ist.