DE1954458A1 - Verfahren zur Regelung der Waermeerzeugung eines Heizrohres - Google Patents

Description

CHISSO CORPOBAIiaH Osaka / Japan .

"Verfahren zur Regelung der Wärmeerzeugung eine* Heisrohres"·

Die Erfindung bezieht eich auf ein Verfahren zur Regelung der lokalen Wärmeerzeugung in einem Heiarohr. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren, zur Regelung der lokalen Wärmeerzeugung» gemäß dem Bedarf des zu erhitzenden Körpers, in einem Heizrohr, hei dem der Hauteffektßtrom ausgenutzt vird und welches ein ferromagnetiaches .Rohr, dem Elektrizität von einer Stromquelle zugeführt wird, ale Heizkörper aufweist.

Heizrohre, hei denen der Haut effekt etrom ausgenutzt wird, siad in den US-Patentschriften 3 293 407 und 627 086 beschrieben.

Das Prinzip des Heizrohres, bei dem der Haut effekt a trau ausgenutzt vird, vird nun näher anhand der beigefügten Figuren 1 und 2 erläutert·

Die Figuren 1 und 2 zeigen den Aufbau und die Verdrahtung von zwei Heizrohren, die auf verschiedenen Prinzipien basieren« Pig. 3 zeigt eine erfindungsgemässe AusfUhrungaform, die weiter unten erläutert wird,

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Fig. 1 zeigt den Aufbau und die Verdrahtung einos Heizrohren, wie es in der erwähnten US-Pat ent schrift 3 295 407 angegeben iet· In dieser Figur ntollen die einzelnen Symbole folgendes dar: 1 ein forromaßnetische3 Rohr; 2 einen isolierten Leiter, dor dna ferromagnetische Rohr an einem Ende 3 betritt und mit dem anderen Ende 4, nachdem er durch das Rohr hindurchgegangen ißt, verbunden ist; und 5 einen leiter, der mit den erwähnten linde 3 des ferronaghetischen Rohrs verbunden ist· Die anderen Enden der leiter 2 und 5 ßind mit zwei Polen einer Wecbselatro:*- quölle 6 verbunden« Wenn ein Wechselstrom geeigneter Frequenz durch den auf diese Weise gebildeten Kreis hindurchgeführt wird, dann wird der durch das Rohr 1 fliessende YJech3 el strom auf einen beschränkten Bereich der Inneren Oberfläche (Hautbereich) dos Rohres 1 aufgrund des Haut effekte beschränkt, wodurch eine Joule'sehe Wärme entsprechend dem elektrischen Widerstand des oben einrannten Hautbereichs erzeugt wird, wobei im wesentlichen kein elektrisches Potential auf der äusseren Oberfläche des Rohres 1 auftritt.

Fig. 2 zeigt einen Aufbau eines anderen Heizrohres, das in dor US-Patontschrift 627 086 angegeben ist. In dieser Figur stellen

1 und 1 · zwei ferromagnetische Rohre dar. Ein isolierter Leiter

2 verläuft aufeinanderfolgend durch die Rohre 1 und 1 ·, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, und seine beiden Enden sind an die beiden Pole einer Wechselstromquelle 6 angeschlossen. Die einen Enden 3 und 3* der ferromagnetiechen Rohre 1 und I¹ und die. -■■· anderen Enden 4 und 4' der gleichen Rohre 1 und 1 * sind durch Leiter 7 und 7¹ (beispielsweise elektrische Drähte) miteinander verbunden. Wenn ein Wechselstrom geeigneter Frequenz durch den Leiter 2 hindurchgeführt wird,, dann wird ein Wechselstrom in den ferromagnetischen Rohren 1 und 1 · induziert, welcherdurch

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den duroh die ferromagnetieohQn Rohre 1 und 1 * und die Leiter ? und 7* gebildeten Kreis fließt· Wenn die Impedanzen der leiter 7 und 7* so eingestellt werden, daß alt praktisch null. eind (was dadurch realisiert werden kann, daß nan die Leiter 7 ubd. 7¹ BÖgllchet kurz hält, Indem man die Enden der Rohre 3, 3* bstf· 4» 4* eo dicht wio möglich aneinander anordnet* und daß man Leiter 7 und 7' mit einem Beglichst niedrigen elektrischen Widerstand verwendet). dann wird der durch diese Rohre fliesoende Strom in einem beschränkten Bereich der Innenoberfläche (Hautbercich) der Rohre 1 und 1' aufgrund des Hauteffekts konzentriert, wodurch eine Joule'sohe Wärme entsprechend dem , elektrischen Widerstand des Hautbereichs erzeugt wird, wobei im wecentlichen kein elektrisches Potential an den Aussenoborflächen der ferromagnetischen Rohre 1 und 1' auftritt.

Bei den obigen beiden Typen von Heisrohren 1st die Stärko oder Dicke S des inneren Bereichs des ferromagnetischen Rohro3, in dem der Wechselstrom fließt, durch die folgende Gleichung gegeben: .

S = 5030 \/' f/ p£ (1)

worin f der spezifische Widerstand des ferroaagnetischen Materials des Rohrs (Q. cm) ist, ^i die Permeabilität des gleichen Materials ist und f die Frequenz des Wechselstrom (Hz) ict.

Wenn den folgenden Bedingungen genügt wird:

t > 2 S

d » s (2)

1 » d

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Korin t die Dick© dee verendetem

(cm) i0t, d dor Innendurchmesser des Sohrei? (em) ie£_f 1 die dee ÄQtoee (em) ist und θ die oben ertfSkate stfbrko ist, darm tritt im vesentXiciien keia elalctarieebee a«i der äuoaoren öberfl&oho dey fery^aw^netlscjis» Eohr© UO0OT, wenn ^fOi wiX3.Mij?Xiofee Pwx^t© auf d©?? diesel* ferromagnetische» Rolw?e durch einen jieitsr ß_# via in Fi£. 1 wnd 2 gcsseigt ißt, Teirtmnden wurden, daim fließt in diesem Iiciter icein Strom· Weiterhin Jcann ei» KÖvp«r dir^t der o^ei^Xäehe von solchen icrronagnetischen Bohren ohne d&JS irgendein 8tmm em den f W<3im dw^emäö ein neisroha? diee^r Aart r.uy Bxfoitevag elnee XOvpers Tjsrifendet wird» deam ist es möglich, dieises Kör« por direkt damit in Berührung eu tringen.

die ßt&rke a einer OberflächenhÄmt in dor aieichun^ (1) nur 0,1 «an, wenn ein liAndeXBUhliehes als ferrowagnetiBcheig Rohr verwendet wird und die 7r$i}iie;rMs dein Heizrohr »ugefUhrten Stroina 50 oder 60 Hjs hetr%1;, kann ein Stshlrohr mit einer Picke von pehr als 0,2 cm als f<3rroma0netij3ehe8 Heigrohr verwendet wer4onj aueeerdö© iqt kein Haterial raad kein besonderer Strom erforderlieh*

Ofcvohl die Heizrohre in den Figuren 1 und 2 lediglich für Ein* phaeen^trSiiie verwendet wurden, ist es fur einen Paehaiann klar, da(3 diese Heiäsrohre auch leicht für ^reiphasenströme verwendet worden können»

Pie je qn des oben erwähnten Heizrohres erseugte ( VJ Watt) kmm wie folgt berechnet werden;

(A) Ißinn&senge, die im forroEiajgnetisohen Bohr erzeug wirä (W₁

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Watt): .Der Widerstand R, (Ohm/cm) eines ferromagnjtischen Rohr;; kann mit Hilfe der Gleichung (1) abgeleitet voad direh den folgenden Ausdruck wiedergegeben worden;

~ 5 Q3O ^K:>1

Wenn die fliessende Stromstärke i Ampere beträgt, dann läßt sich die Wärmemenge durch die folgende Gleichung ausdrucken:

(B) Wärmemenge, die inr isolierten Leiter erzeugt iird (Vi₂ Watt/; Wenn der Wideretand je cm eines Leiters R₂ (Ohm/ci) "betrag"!;, dann läßt eich die Wärmemenge wie folgt ausdrücke.·!:

A (5)

Die im isolierten Leiter erzeugte Y/ärme wird hauptsächlich durch das Medium zwischen dem Leiter und dem ferromagnetischen Rohr abgeführt» Dieses Medium besteht gewöhnlich aus Lift, aber es können auch bessere Wärmeleiter verwendet werden, wie Z₀B₀ Wasser, öle und andere flüssige Medien» Die Verwendung eines solchen flüssigen Mediums erlaubt es, daß der Strom im Leiter ungefähr dreimal so groß ist als bei.einem gasförmigen Medium, beispielsweise Luft. Deshalb ist die Vervendung e:lnes flüssigen Mediums wirtschaftlich, insbesondere bei Heizrohran hoher Kapazität.

Die Menge der je cm Heizrohr .erzeugten Warmemerge (W Watt) ist die Summe der Wärmemengen, die durch die obigen Gleichungen (4)

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und (5) gegeben sind.

w » w_t + W₂ ($)

Angenähert gilt:

w _m -Ef ₀₃(f + i A₂ (7)

Die oben erwähnten Heizrohre, bei denen der Haute:?fektatrom »uagtmutzt wird, können mehrere Kilometer lang gemacht werden, wobei Elektrizität nur von einen Punkt zugeführt wirrt, sofern dan elektrische Potential der Stromquelle, die den St.x>m liefert, entsprechend hoch.ist· Dies ist einer der bemerkenswerten Vorteile von Heizrohren dieser Art« Wenn ein Heizrohr von einer solchen Länge mit Biegungen installiert wird, um m bei der Erhitzung von Oberflächen von Baukonstruktionen, wi-ϊ ζ·Β· Gebäudiböden, Wände oder Strassenoberflächen, zu verwenden, dann ist es im gewissen Hasse möglich, die an eine zu erhitzende Oberfläche abzugebende Wärme lokal zu verändern, inden die Dichte der je Flächeneinheit zu erhitzende Oberfläche installierten Rohre entsprechend gewählt wird. Dagegen 1st es. unmöglich, lokc-l die zuzuführende Wärmemenge entsprechend einzustellen, um die Temperatur einer langen Konstruktion, wie z.B· einer Pipeline, aulreohteuerhalten.

Wenn eine lange Pipeline installiert wird, dann int die Umgebung nicht immer die gleiche· So kann sich das Wetter ändern, wobei einmal die Sonne mehr oder weniger scheint· Weiterhin kann die Pipeline über dem Boden oder Im Boden geführt sein und aus ε er dem kann sie durch Wasser hindurchgehen· Man sieht al ro, daß sich die Wärmeverluste der Pipeline entsprechend der Uhgebung ändern,

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können· Weiterhin kann ee «er Foil eeia, daß «in fill des Tranoportaateriale i» eiflo andere !»eitrig abgezweigt wird, oder daß eine andere Jieitung i» *** fipeliet elagtfitt*** wird, wobei eine lokale federung der FXußmeagt it*ttti»eet »nd fi auch ©ine lokale Änderung «er zuzuführende» Wirmewepgi n ist. wenn eine pipeline eo gebaut wird, daß eiser Stelle enteprechend-om Bedarf die maximale "wärmemenge sugeftthrt werden lrann, denn lot die WürroeerÄeugmig in einem TeIX, wo weniger v;urn(f erforderlich let, «u etark, was nioht erv-ttneoht iet» da doa tranoportlere Medium Uberhltüt wird# M ist »öglichf ei»« solche übermUoßige wiroeoraeugung «w vermeiden, indem man ein Heiisrobr in verechiedene Abeqhnitte unterteilt und federn Abachnltt ein goelgnetee eleJctriiiohee Potential «ufUhrt* Jedoch lot ein oolchea Verfahren uagUnetig, da te eine einheitliche Hecelung elnea Helssrehree. unmöglich maoht ua« <iie oben erwähnten bemerkenewertea Vorteile einea Heisrohrea «!teer Art verrincert.

der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren zu schaffen» durch welches die erwähnten Nachteiie t ines dieser Art vermieden werden können*

Die Aufgabe wird erfindungsgemte dadurch gelöst, «äö na ein oder mehrere Paktoren, wie z,B, QuersohnlttsflÄe)?© den Deiters, spezifischer Widerstand desselben, spezifischer Vlderutand des ferromagnetiscben Rohrs, Permeabilität desselben und Innendurchmesser desselben« verändert, um lokal die Wlra&emenge eu regeln, die in einem Heizrohr erzeugt wird, bei &m der Haut* effektstrom ausgenutzt wird und welches aus eine» schon Rohr und einem deirin Installierten ieollertas besteht, in welohem Rohr ein Wecbselstrom konzentriert raw? dem inneren Hautbereich strömt, wobei die Stärke and die des im isolierten leiter und im Heizrohr fiieeseaden Stros»

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konstant sled·

Vie in der oben erwähnten Gleichung (6) aanähenvl ausgedrückt ist die je Längeneinheit diener Art von HelEronr erzeugte Wärmogleich der Summe der Wärme, die im inneren Hautboreioh

dea ferroiaagnetischen Rohrs erzeugt wird, W. « ——' » der V.'Urac, die im Isolierten Leiter erzeugt irird_? W₂ * i²R_2# Unter den Paktoren, welche einen Einfluß auf die oben erwähnte Wärmeerzeugung besitzen, sind der Strom (i) und die Frequenz (f) des Wechselstroms in Jedem Teil des Heizrohres konstant und können nicht verändert werden. Dagegen sind die folgenden Paktoren veränderbar: (1) spezifischer Widerstand (f.) und (2) Permeabilität (u) des ferromagnetischen Rohres (nie können durch Veränderung dee Materials des ferromagnetischen Rohres geändert werden); (3) Durchmesser des ferromagnetiochen Rohres (dieser kann villlcürllch auegewählt werden, auch wenn das Rohr aus dem Gleichen Material besteht); und (4) der Wideretatd (R₂) dea isolierten. Leiters (dieser kann willkürlich durch Auswahl des Materials und/oder des Durchmessers des Leiters verändert werden). Im allgemeinen ist es zweckmässig, ein Heizrohr, bei dem der Hautstromeffekt ausgenutzt wird und reiches eine grosse Variationsmögllohkeit bezüglich der Je Längeneinheit erzeugten tiärme besitzt, aus einem Stahlrohr und einem Eupferdraht herzustellen, wie sie leicht auf dem Markt erhältlich sind, und den Innendurchmesser des Stahlrohrs und/oder den Querschnitt des isolierten Leiters zu verändern.

Eine erfindungsgeraäeae Ausführungsform wird nun ε-nhand durch Fig. 3 naher erläutert. In dieser. Zeichnung ist S ein Rohr, welches ein fließfähiges Medium transportiert, wobei ein 'J)eil des Rohres über dem Boden und ein anderer Seil des Rohres

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im BDlGn Installiert ist«, to bedeutet .Boden und Saud* Dtr Teil, dor im Bodon Installiert ist, braucht im VerglaicH au dem Teil, der in-der Luft liegt, zur. Auf r echt erhaltung der Tom- .'■ poratur eine geringer© Wärmemenge· In einigen Fäulen let es möglich, die Veränderung der Temperatur dee fliensenden .Mediums in einem Transportrohr sogar bei konstanter FarmoaufUhrung je Längeneinheit gering zu halten, wenn man als Umhtillungeschioht J Γ für den im Boden liegenden Teil ein Material verwendet, das eine schlechtere Isolationswirkung aufweist, als das Dmhüllungsmatorial für den über dem Boden liegenden Teil, oder wenn man die Dicke der Isolationsschicht verringert..Jedooh ist es im · allgemeinen erwünscht, die Änderung der Temperatur des flieeöenden Mediums dadurch gering zu halten, daß man die Wärmeverluste so niedrig wie möglich hält. Insbesondere für länge Pipelines ■ ist letzteres wirtschaftlich und vernünftig. . .

In Figo 5 stellen 1 und 1* ein ferromagnetisches Rohr dar, die in einem Iransportrohr 9 angeordnet sind* Am Verbindungspunkt sin^ sie miteinander verschweißt* 2 und 2' sind Leiter, die durch die f erromagnetischen Rohre .1 und 1' hindu3.'chgehen_a Ein Ende des Leiters 2 ist mit einem Pol einer Wechselstromquelle 6 verbunden, wie dies durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, und das andere Ende desselben ist durch den Verbindungpunkt 13 mit einem Leiter 2' verbunden· Der Leitor 2' ist mit einem Ende 4 des ferromagnetischen Rohres 1 · verbunden, nachdem er durch dieses hindurchgeführt worden ist. Andererseits ist ein Ende 3 des ferromagnetischen Rohres 1 mit dem anderen Pol der Wechselstromquelle .6 durch einen Leiter 5 verbunden, wie es durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist_e Dadurch kommt ein Heizrohr zustande. Wenn die Art der Isolierten Loiter in einem Heizrohr verändert wird, wie dies im obigen Beispiel geschehen

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ist, oder wann Gin Heizrohr lang ist oder viele Biegungen aufweist, dann wird ztreekmässigerweise ein Kasten, iür den Bau tuvl die Wartung des Heizrohres angebrachte

Bei der Anwendung des erfindungsgemäseen Verfahrens auf den in Fig«. 5 äargestellton Fall kann ein Material mit gröeserea spezifischen Widerstand und/oder grösserer Permeabilität als diejenige des Rohres 1', welches ia Boden liegt, für das ferro» ■ magnetische Heizrohr 1, das über dem Boden liegt, verwendet werden* Wenn das gleiche Material verwendet wird, dann kann ds: Durchmesser des Rohres 1 · verringert werden, oder ee kann auc?i das Material oder der Querschnitt eines jeden ieolierten Leit 3rs in der Weise ausgewählt werden, daß der Widern tend im der Leitung 2 grosser als in der Leitung 2' ist.

Da die ia isolierten Leiter erzeugte Wärmemenge W₂, d.h. iTU» wesentlich kleiner ist als die Wärmemenge W,, die durch ein ferromagnetiaehes Bohr erzeugt wird, ist es nicht so wirkungsvoll _f Änderungen im isolierten Leiter vorzunehmen, um dia Wärmeerzeugung des Heizrohres zu verändern.

Die herkömmlichen Stahlrohre. sind für die ferronagnetischen Heizrohre dieser Art brauchbar, da sie billig ur.d am Har?it in den verschiedensten Grossen erhältlich sind· Derrgemäß ist es äusserst zweckmässig und günstig, bei der Anwendung der Erfindung Stahlrohre zu verwenden und lokal ihren Innendurchmesser entsprechend deä lokalen Wärmebedarf zu verändern. Beispielsweise kann man., gemäß Pig, 3 ein Stahlrohr 1 mit einem veiiiältniomässig kleinen Innendurchmesser verwenden,' um entsprechend der Gleichung 4 die Wärmeerzeugung zur Erhitzung eines Röhrt eile zu erhöhen, der über dem Boden liegt, wo die Wärmeverluste ver-

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haltnismäaeig groß sind, während man ein Stahlrohr 1* alt Grösseren Innendurchmesser als derjenige dea Rohres 1 sie rohr fUr den im Boden liegenden Teil verwendet« Der rict&ige Durchmesner deo ferromagnetischen Rohres kann leicht mter fei"-, vcndung der Gleichung (3) aus der gewünschten Temperatur und dom vorhandenen WäiroeYertust errechnet

Die obige Beschreibung dient lediglich but Erläuterung einer lie» •vorzugten AuafUhrungeform der Erfindung. Das Material fttr das ferromagnetische Heierohr muß nicht unbedingt au3 Stahl bestehen·

Wolterhin let die obige Beschreibung nahesii außeohließlicb. auf . den Fall der Anwendung in Pipelines gerichtet· Ifcie getaä8se Verfahren kann jedoch auch ausgedehnt und «Irfcsam mat' T cmperaturaufr echt erhaltung, sur Verhinderung eines Eiifrlirem, zum Sonn.-Iz en ν η Schnee auf Gebäudeteilen, Bödeu, Bäohern, Strasaen oerfläohen, Plugzeugstartbahnen» Oberf lächsa yob Eiecn· bahnkörpern, Brücken und ELektrizitätsfernleltungeft, sowie zm-Erhitzung oder cemperaturaufrechterhaltung von Tanks verwendet werden, vo eine Temperaturabsenkung unerwünscht ist·

Pat ent anspruci;

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Claims (1)

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PATBBTANSPROCH »

Vorfahren zur lokalen Regelung der in einem Heisrohr erzeugten Wärmemenge, dadurch gekennzeichnet, daß man ein oder mehrere Faktoren_f wie Z₀Bo Querschnittefläche des Leiters, spezifischer Widerstand desselben spezifischer Widerstand des ferromagnetischen Rohrs, Permeabilität desselben und Innendurchmesser desselben, verändert» um lokal die Wärmemenge zu regeln, die in einem Heizrohr erzeugt wird, bei dem der Hauteffefctstrom ausgenutzt wird und «reiches aus einem ferromagnetische^ Rohr und einem darin installierten isolierten Leiter besteht, in welchem Rohr ein Wechselstrom konzentriert nur auf dem Inneren Hautbereich strömt, wobei die Stärke und die Frequenz des Stroms, die im isolierten Leiter und im Hautbereich des ferromagnetischen itöhrifließt, konstant sind,

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