DE19723994C2 - Tauchheizer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tauchheizer mit einem länglichen elektrischen Heizelement, das in einem inneren Quarzglasrohr angeordnet ist und dessen elektrischer Anschluß mit dem Heize­ lement verbundene Stromleitungen und eine Erdung umfaßt, und mit einem äußeren Quarz­ glasrohr, das das innere Quarzglasrohr unter Bildung eines Ringspaltes umgibt.

Derartige Tauchheizer werden unter anderem zur Erwärmung von aggressiven flüssigen Che­ mikalien, wie Säuren, eingesetzt. Aus der FR-A 2 623 357 ist ein Stab-Tauchheizer mit einer geerdeten elektrischen Heizwicklung bekannt, die über elektrische Anschlußdrähte mit einer Spannungsquelle verbunden ist und die von einem doppelwandigen Quarzglasrohr umgeben ist. Das doppelwandige Quarzglasrohr gewährleistet eine hohe mechanische Festigkeit des bekannten Tauchheizers. Bei Brüchen des Quarzglasrohres besteht aber die Gefahr, daß zu erwärmende Flüssigkeit, Gerätschaften oder eine Person mit stromführenden Teilen in Berüh­ rung kommt. Dies ist besonders problematisch beim Einsatz des Tauchheizers zur Erwärmung elektrisch leitender Flüssigkeiten.

In der DE-T2 38 72 179 ist ein elektrischer Tauchheizer mit einer Sicherheitsvorrichtung be­ schrieben, die die elektrische Isolierung des Tauchheizers überwacht. Hierzu weist der Tauch­ heizer ein metallisches Innenrohr für die Aufnahme eines Heizelementes auf. Das Innenrohr ist unter Belassung eines Ringspaltes von einem Außenrohr aus Glas umgeben. Bei dem Heize­ lement handelt es sich um einen elektrischen Widerstandsheizdraht, der in ein refraktäres Iso­ liermittel eingebettet, und reit elektrischen Anschlüssen versehen ist. Die elektrischen An­ schlüsse sind über einen Sicherheits-Schaltkreis mit einem Draht verbunden, der in den Ring­ spalt ragt, und der bei einem Eindringen von Wasser in den Ringspalt eine Unterbrechung des Heizstromkreises bewirkt.

Aus DE-U1 82 15 699 ist ein elektrischer Tauchbadwärmer bekannt, bei dem ein Heizeinsatz von einem doppelwandigen Rohr umschlossen ist, wobei die Innenwandung des Rohres von einem Keramikrohr gebildet wird. Der Heizeinsatz ist von einer Schutzeinrichtung in Form zwei­ er Metallstreifen, die am Heizeinsatz diametral gegenüberliegend in Längsrichtung angeordnet, und mittels einer Metallscheibe miteinander verbunden sind, umgeben. Der eine der beiden Metallstreifen ist elektrisch leitend mit dem Nullleiter verbunden.

In dem Aufsatz von v. Beaulien Marcconay, "Die elektrische Außen- und Innenheizung von Geräten aus geschmolzenem Quarz usw. ", Chem. Fabrik, 9. Jahrg., 1939, Nr. 51/52, S. 3592, sind Schaft-Tauchheizer beschrieben, bei denen eine Heizspirale auf einem Quarz-Innenrohr aufgewickelt ist, das von einem Quarz Außenrohr umgeben ist, dessen unters Ende geschlos­ sen ist. Die bekannten Schaft-Tauchheizer besitzen keine Erdung.

Aus der US 1,459,459,307 ist ein Tauchheizer bekannt, bei dem innerhalb eines Quarzglasroh­ res ein Heizelement angeordnet ist. Das Heizelement besteht aus einem rohrförmigen Träger­ körper aus elektrisch isolierendem Werkstoff, dessen Außenwandung mit einer wendelförmi­ gen Nut zur Aufnahme einer Heizspirale versehen ist. Die Heizspirale ist mit elektrischen An­ schlußdrähten verbunden, wovon der eine durch die Bohrung des Trägerkörpers geführt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen betriebssicheren Tauchheizer anzugeben, bei dem die Gefahr einer versehentlichen Berührung stromführender Teile verringert ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs genannten Tauchheizer dadurch gelöst, daß der Ringspalt die Stromleitungen umgibt und daß das innere Quarzglasrohr ein unteres Ende aufweist, das mit einer Bohrung versehen ist, durch die hindurch sich ein mit der Erdung verbundener Innendraht bis zu einer im Ringspalt vorgesehenen Verteilungsstelle erstreckt, von der aus der Innendraht in eine Vielzahl von Erdungsdrähten verzweigt, die innerhalb des Ringspaltes um das Heizelement symmetrisch verteilt und entlang dessen gesamter Länge verlaufen.

Als stromführende Teile des Tauchheizers werden im folgenden das Heizelement und die Stromleitungen für seinen elektrischen Anschluß bezeichnet. Der erfindungsgemäße Tauch­ heizer zeichnet sich durch eine doppelte Sicherung gegenüber versehentlicher Berührung stromführender Teile aus.

Die erste Sicherung besteht im Ringspalt selbst. Der Ringspalt wird durch den Zwischenraum zwischen dem inneren und dem äußeren Quarzglasrohr gebildet. Bei einem Bruch des äuße­ ren Quarzglasrohres kommen Personen, Gegenstände oder eindringende Flüssigkeiten nicht sofort mit stromführenden Teilen in Kontakt. Wesentlich dafür ist, daß innerhalb des Ringspal­ tes keine stromführenden Teile verlaufen. Dies wird dadurch gewährleistet, daß der Ringspalt sowohl die Stromleitungen als auch das Heizelement umgibt. Der Ringspalt muß nicht kreis­ ringförmig sein; beispielsweise kann der Ringspalt auch eine rechteckige oder eine ovale Querschnittsfläche umschließen. Der Ringspalt kann auch von Stegen oder dergleichen unter­ brochen sein.

Die zweite Sicherung ergibt sich daraus, daß das innere Quarzglasrohr ein unteres Ende auf­ weist, das mit einer Bohrung versehen ist, durch die hindurch sich ein mit der Erdung verbun­ dener Innendraht bis zu einer im Ringspalt vorgesehenen Verteilungsstelle erstreckt, von der aus der Innendraht in eine Vielzahl von Erdungsdrähten verzweigt, die innerhalb des Ringspal­ tes um das Heizelement symmetrisch verteilt und entlang dessen gesamter Länge verlaufen. Dadurch wird erreicht, daß sowohl der Ringspalt, als auch die Erdung - in Richtung senkrecht zur Längsachse des Heizelementes gesehen - vor den stromführenden Teilen liegen. Bei ei­ nem Bruch des äußeren Quarzglasrohres kommt eine Person, ein Gegenstand oder eindrin­ gende Flüssigkeit daher zunächst mit der Erdung in Berührung. Dies ermöglicht, daß im Feh­ lerfall die Stromversorgung des Tauchheizers unmittelbar unterbrochen wird, beispielsweise mittels eines Fehlesrstromschutzschalters oder eines anderen Sicherungselementes.

Dadurch, daß die Erdung innerhalb des Ringspaltes um das Heizelement symmetrisch verteilt angeordnet ist, sind, unabhängig von der Lage eines Bruches des äußeren Quarzglasrohres, stets möglichst kurze Abstände zwischen dem Ort des Bruches und der Erdung gewährleistet. Einströmende Flüssigkeit kommt daher immer zuerst mit der Erdung in Kontakt. In einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Heizelementes gesehen kann die Erdung beispielsweise radial­ symmetrisch oder mit mindestens zweizähliger Symmetrie um das Heizelement verteilt sein.

Auch bei einem Bruch sowohl des äußeren als auch des inneren Quarzglasrohres kommt die einströmende Flüssigkeit in aller Regel ebenfalls zunächst mit der Erdung in Berührung, da diese - in Richtung der einströmenden Flüssigkeit gesehen - vor den stromführenden Teilen des Tauchheizers liegt.

Die stromführenden Teile sind daher einerseits von einem Ringspalt und andererseits von ei­ ner Erdung umgeben. Die Gefahr einer Berührung mit tatsächlich noch Strom führenden Tei­ len ist bei dem erfindungsgemäßen Tauchheizer daher gering.

Die Stromleitungen werden üblicherweise innerhalb des inneren Quarzglasrohres geführt. Es ist aber auch möglich, die Stromleitungen isoliert außerhalb des inneren Quarzglasrohres zu füh­ ren. Anstelle eines inneren Quarzglasrohres können auch mehrere innere Quarzglasrohre vor­ gesehen sein.

Anstelle eines einzigen Quarzglasrohres können auch mehrere äußere Quarzglasrohre vorge­ sehen sein. Wesentlich ist, daß ein Ringspalt zwischen einem äußeren und einem inneren Quarzglasrohr ausgebildet ist, in dem mindestens ein Teil der Erdung angeordnet ist, die die stromführenden Teile des Tauchheizers umgibt.

Im Hinblick auf eine hohe Betriebssicherheit verläuft die Erdung entlang des Heizelementes über dessen gesamte Länge. Dabei wird die gesamte beheizbare Länge des Tauchheizers, die durch die Länge des Heizelementes bestimmt wird, von der Erdung umgeben. Die Erdung wird durch die untere Stirnseite des inneren Quarzglasrohres herausgeführt und innerhalb des Ringspaltes entlang des Heizelementes bis zum oberen Ende des Tauchheizers geführt. Da­ bei verzweigt sich die Erdung in eine Vielzahl von Drähten, die in Richtung der Längsachse des Heizelementes innerhalb des Ringspaltes verlaufen. Die Erdungsdrähte können beispiels­ weise mäanderförmig in Richtung der Längsachse des Heizelementes verlaufen. In jedem Fall sind die Erdungsdrähte um das Heizelement symmetrisch verteilt angeordnet.

In einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Erdungsdrähte in Richtung der Längsach­ se des Heizelementes. Dabei sind vorteilhafterweise vier Erdungsdrähte um das Heizelement symmetrisch verteilt angeordnet.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des Tauchheizers ist ein Teil der Erdung in Form ei­ ner Spirale oder eines Netzes ausgebildet. Daraus läßt sich besonders einfach eine symmetri­ sche Verteilung der Erdung innerhalb des Ringspaltes ausbilden, die die Form eines infrarot­ durchlässigen Rohres aufweist. Die Infrarotdurchlässigkeit des Rohres wird dabei durch die Materialzwischenräume der Erdung bestimmt. Eine besonders hohe Betriebssicherheit wird durch kleine Materialzwischenräume der Erdung erreicht.

Es hat sich bewährt, mindestens einen Teil der Erdung aus einem edelmetallhaltigen Material auszubilden. Edelmetall, wie beispielsweise Silber oder Gold, zeichnet sich durch eine gute elektrische Leitfähigkeit einerseits und durch eine hohe Hitzebeständigkeit andererseits aus.

Als besonders geeignet hat sich eine Erdung aus mit Edelmetall beschichtetem Kupfer erwie­ sen. Dieses Material zeichnet sich durch hohe Hitzebeständigkeit und gleichzeitig gute, elek­ trische Leitfähigkeit aus. Aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit gewährleistet Kupfer eine niedrige Impedanz der Erdung. Die niedrige Impedanz trägt zur Betriebssicherheit des Tauchheizers bei. Die Edelmetallbeschichtung verhindert eine Korrosion des Kupfers bei ho­ hen Temperaturen. Es ist ausreichend, wenn derjenige Teil der Erdung, der hohen Temperatu­ ren ausgesetzt ist, aus diesem Material besteht.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Zeichnung nä­ her erläutert. In der Zeichnung zeigen im einzelnen anhand schematischer Darstellungen

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Stab-Tauchheizer in einer Seitenansicht,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des unteren Bereichs des Stab-Tauchheizers, teilweise im Schnitt, und

Fig. 3 den in Fig. 2 dargestellten Bereich des erfindungsgemäßen Tauchheizers in einer Draufsicht in Richtung des Richtungspfeiles "A".

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stab-Tauchheizers ist ein äußeres Quarzglashüllrohr 1 vorgesehen, in dem jeweils koaxial zueinander und parallel zur Längsachse 6 des Tauchheizers verlaufend ein Quarzglasschutzrohr 2, ein Trägerrohr 3 aus Aluminiumoxid und ein weiteres Aluminiumoxid-Röhrchen 4 angeordnet sind.

Auf dem Trägerrohr 3 ist ein spiralförmiges Heizleiterelement 5 gewickelt, das von dem Quarz­ glasschutzrohr 2 umhüllt ist. Das Heizleiterelement 5 ist mittels elektrischer Anschlußdrähte 7; 8 mit einer (in Fig. 1 nicht dargestellten) Spannungsquelle verbunden. Die Anschlußdrähte 7; 8 sind nach oben aus dem Quarzglasschutzrohr 2 herausgeführt und mit einem Klemmstein 9 verbunden. Dabei verläuft einer der Anschlußdrähte 7 im Spalt zwischen dem Trägerrohr 3 und dem Quarzglasschutzrohr 2, der andere Anschlußdraht 8 im Spalt zwischen Trägerrohr 3 und dem Aluminiumoxid-Röhrchen 4.

Das untere, ansonsten geschlossene Ende des Quarzglasschutzrohres 2 ist mit einer Bohrung 10 versehen. Von dort erstreckt sich das Aluminiumoxid-Röhrchen 4 bis zu einem oberhalb des Klemmsteines 9 angeordneten Anschlußkopf 11 aus Tetrafluorethylen. Innerhalb des Alu­ miniumoxid-Röhrchen 4 verläuft ein mit Masse verbundener Innendraht, der jenseits der Boh­ rung 10 mit einer Verteilungsstelle 13 verbunden ist. Von der Verteilungsstelle 13, die im unte­ ren Bereich des Tauchheizers zwischen dem Quarzglasschutzrohr 2 und dem Quarzglashüll­ rohr 1 vorgesehen ist, verzweigt sich der Innendraht in vier einzelne Erdungsdrähte. Von die­ sen sind in Fig. 1 nur die Erdungsdrähte 14a, 14b und 14c eingezeichnet, wobei in der Darstellung der Innendraht vom Erdungsdraht 14b überdeckt ist. Innendraht, Verteilungsstelle 13 und die Erdungsdrähte 14a, 14b, 14c sind Teil der elektrischen Erdung des Tauchheizers. Von der Verteilungsstelle 13 verlaufen die Erdungsdrähte 14a, 14b, 14c innerhalb eines vom Quarz­ glasschutzrohr 2 und vom Quarzglashüllrohr 1 umschlossenen Ringspaltes 15 entlang des Heizleiterelementes 5, und zwar über dessen gesamte Länge, bis zum Anschlußkopf 11.

Über den Anschlußkopf 11 sind die Erdungsdrähte 14a; 14b; 14c bzw. der Innendraht 12 so­ wie die Anschlußdrähte 7; 8 mit einem Anschlußkabel 16 verbunden. Der Durchmesser der Erdungsdrähte hängt von dem Material und der erforderlichen Schutzleiterimpedanz ab, die hier weniger als 0,1 Ohm bei 20 Ampere betragen muß. In diesem Fall bestehen die Erdungs­ drähte 14a, 14b; 14c aus einem Kupferkern, der mit einer dünnen Silberschicht versehen ist und sie haben einen Durchmesser von 1 mm.

Aus der vergrößerten Darstellung in Fig. 2 sind oben bereits erwähnte Einzelheiten des Tauchheizers besser erkennbar, wobei für entsprechende Bauteile und Bestandteile des Tauchheizers die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet sind. Auf die obigen Ausfüh­ rungen wird daher verwiesen.

Auch in Fig. 3 sind identische Bauteile und Bestandteile des Tauchheizers mit den gleichen Bezugsziffern wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet. Aus der in Fig. 3 dargestellten Drauf sicht sind die vier Erdungsdrähte 14a-14d zu erkennen, die sich innerhalb des Ringspaltes 15 entlang des Heizleiterelementes 5 erstrecken. Dabei sind die Erdungsdrähte 14a-14d in der Blattebene um das Heizleiterelement 5 gleichmäßig verteilt.

Bei dem erfindungsgemäßen Tauchheizer sind die stromführenden Teile, nämlich das Heiz­ leiterelement 5 und die Anschlußdrähte 7; 8 für den elektrischen Anschluß von einer doppelten Quarzglashülle umgeben, die durch das Quarzglashüllrohr 1 einerseits und durch das Quarz­ glasschutzrohr 2 andererseits gebildet wird. Dies gewährleistet bereits eine hohe Betriebssi­ cherheit des Tauchheizers, denn bei einem Bruch des äußeren Quarzglashüllrohres 1 besteht nicht die Gefahr, daß Menschen, Flüssigkeit oder Gerätschaften mit stromführenden Teilen versehentlich in Berührung kommen.

Darüberhinaus sind die stromführenden Teile von einer Erdung umgeben, die gewährleistet, daß bei einem Bruch des Quarzglashüllrohres 1 bzw. des Quarzglashüllrohres 1 und des Quarzglasschutzrohres 2 eindringende Flüssigkeiten oder Gerätschaften zuerst mit der Erdung und erst danach mit dem Heizleiterelement 5 oder mit den Anschlußdrähten 7; 8 in Berührung kommen. Im Fehlerfall wird die Stromversorgung des Tauchheizers unmittelbar mittels eines Fehlerstromschutzschalters unterbrochen. Dadurch wird ein Kontakt mit tatsächlich noch Strom führenden Teilen vermieden.

Der Innendraht 12 und die Erdungsdrähte 14a-14d bestehen aus silberbeschichtetem Kupfer. Sie weisen eine Impedanz von weniger als 0,1 Ohm bei einer Stromstärke von 20 Ampere auf. Aufgrund ihrer niedrigen Impedanz tragen die Erdungsdrähte 14a-14d zur Betriebssicherheit des Tauchheizers bei. Darüberhinaus zeichnen sich die Drähte durch eine hohe Hitzebestän­ digkeit aus.

Claims (5)

1. Tauchheizer mit einem länglichen elektrischen Heizelement (5), das in einem inneren Quarzglasrohr (2) angeordnet ist und dessen elektrischer Anschluß mit dem Heizelement (5) verbundene Stromleitungen (7; 8) und eine Erdung (12; 13; 14a; 14b; 14c; 14d) um­ faßt, und mit einem äußeren Quarzglasrohr (1), das das innere Quarzglasrohr (2) unter Bildung eines Ringspaltes (15) umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (15) die Stromleitungen (7; 8) umgibt und daß das innere Quarzglasrohr (2) ein unteres Ende aufweist, das mit mit einer Bohrung (10) versehen ist, durch die hindurch sich ein mit der Erdung (12; 13; 14a; 14b; 14c; 14d) verbundener Innendraht bis zu einer im Ringspalt (15) vorgesehenen Verteilungsstelle (13) erstreckt, von der aus der Innendraht in eine Vielzahl von Erdungsdrähten (14a; 14b; 14c; 14d) verzweigt, die innerhalb des Ringspal­ tes (15) um das Heizelement (5) symmetrisch verteilt und entlang dessen gesamter Län­ ge verlaufen.

2. Tauchheizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdungsdrähte (14a; 14b; 14c; 14d) in Richtung der Längsachse (6) des Heizelementes (5) verlaufen.

3. Tauchheizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Er­ dung in Form einer Spirale oder eines Netzes ausgebildet ist.

4. Tauchheizer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Erdung aus einem edelmetallhaltigen Material gebildet ist.

5. Tauchheizer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Er­ dung (12; 13; 14a; 14b; 14c; 14d) aus mit Edelmetall beschichtetem Kupfer gebildet ist.