DE2035287C3 - Anordnung zum Aufheizen von Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufheizen eines Gases, bestehend aus einem oder mehreren gegebenenfalls unter Verwendung von Dichtungen miteinander verbundenen, beheizten Graphitblöcken, der bzw. die rohrförmige Bohrungen oder Schlitze für den Durchgang des zu erhitzenden Gases aufweist bzw. aufweisen.

Zur Erwärmung von Fluiden sind Wärmeaustauscher bekanntgeworden, die einen oder mehrere rohrförmige Bohrungen für den Durchgang der Fluide aufweisende Graphitblöcke enthalten. Diese bei Temperaturen von einigen Hundert Grad Celsius eingesetzten Wärmeaustauscher sind für das Aufheizen von Gasen auf höhere Temperaturen wegen der für diese Bedinjungen verhältnismäßig ungünstigen Wärmeübergangszahlen nicht geeignet. Wenig effektiv für das Aufheizen strömender Gase sind wegen der kleinen Austauschfläche und des schlechten Wärmeübergangs auch Heizvorrichtungen, die ein oder mehrere in einer Heizkammer angeordnete Widerstandsheizelemente aufweisen. Durch die amerikanische Patentschrift 34 97 674 ist es schließlich bekannt, die Wärmeaustauschfläche derartiger Heizvorrichtungen dadurch zu vergrößern, daß die Widerstandsheizelemente in einer porösen Schüttung eines feuerfesten körnigen Materials angeordnet sind, durch welche das zu erhitzende Gas geleitet wird. Die Wärmeübergangsbedingungen sind in dieser Anordnung jedoch nicht stabil, da sich Änderungen der Packungsdichte der Schüttung während des Betriebs oder bei Neuzustellungen kaum vermeiden lassen. Es ist auch nicht ohne weiteres möglich, bestimmte Temperaturprofile innerhalb der Schüttung vorzugeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad von Heizvorrichtungen zum Aufheizen von Gasen auf hohe Temperaturen durch Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche und der Wärmeübergangszahlen zu verbessern, die Bedingungen für den Wärmeübergang zu stabilisieren und die Reparatur der Heizvorrichtung zu vereinfachen.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Graphitblock bzw. die Graphitblöcke durch mindestens ein Widerstandsheizelement beheizt ist bzw. sind, das in einer Ausnehmung des Graphitblocks auswechselbar angeordnet ist

Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Graphitkörper jeweils zwei oder mehr in Ausnehmungen angeordnete, gegebenenfalls gegeneinander versetzte Widerstandsheizelemente auf. Die Widerstandsheizelemente bestehen vorteilhafterweise aus Kohlenstoff oder Graphit. Neben Dreiphasenelementen sind nach der Erfindung U-förmige, W-förmige und spiralförmige Widerstandsheizeiemente sowie aus zwei an einem Ende elektrisch verbundenen, koaxialen Rohren bestehende Elemente besonders vorteilhaft. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs ist die Länge des Graphitblocks vorzugsweise derart bemessen, daß die Einlaufturbulenz über die Blocklänge erhalten bleibt.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Ausnehmung des Graphitblocks mit einer Bohrungen zur Durchführung des Widerstandsheizelements aufweisenden Platte aus einem thermisch beständigen, elektrisch nichtleitenden keramischen Material abgedeckt. Die Dichtung zwischen Graphitkörper und Keramikplatte sowie zwischen Heizelement und Keramikplatte besteht vorzugsweise aus flexiblem Graphit oder auch aus Graphittextilien.

Weist die Heizvorrichtung mehrere Widerstandsheizelemente auf, ist zweckmäßig die Heizleistung jedes Widerstandsheizelements unabhängig voneinander regelbar. Als Verbindungselemente weisen die Graphitblocke stirnseitig Nut und Feder auf. Als zusätzliche Dichtung zwischen zwei Graphitblöcken sind Folien aus flexiblem Graphit oder kohlenstoffhaltige Kittmassen geeignet.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen insbesondere darin, daß ein Großteil der dem Widerstandsheizelement zugeführten Energie durch Strahlung auf den Graphitkörper übertragen wird, so daß die gesamte Oberfläche der Bohrungen und Schlitze Wärmeaustauschfläche ist. Die absorbierte Wärmestrahlung wird wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Graphit gleichmäßig über den Graphitblock verteilt und sodann auf das die Bohrungen und Schlitze durchströmende Gas durch Konvektion übertragen.

Länge, Breite und Höhe der Graphitblöcke, die Anzahl der Bohrungen oder Schütze sqwie der Bohrungsdurchmesser bzw. die Schlitzbreite können für einen gegebenen Strömungswiderstand durch Rechnung oder aber durch Versuche für ein vorgegebenes Gas-Temperatur-Profil ermittelt werden. Temperaturprofile im strömenden Gas können auch durch die Reihenanordnung mehrerer Graphitblöcke eingestellt werden, wobei ein vorgegebenes Profil durch Änderung der Wärmeaust.?)>schfläche oder aber der Heizleistungen eingestellt werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich besonders zum Aufheben von nichtoxidierenden Gasen. Das Aufheizen von oxidierenden Gasen oder Dämpfen ist dann möglich, wenn Austauschflächen und Heizelemente in bekannter Weise mit einer oxidationsbeständigen Deckschicht versehen worden sind.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren in beispielhafter Ausführung näher trläutert

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung mit einem stabförmigen Heizelement

F i g. 2 zeigt einen Schnitt A-A der F i g. 1.

F i g. 3 zeigt eine Ausführung mit einem U-förmigen Heizelement

F i g. 4 zeigt einen Schnitt Ä-fider F i g. 3.

F i g. 5 zeigt eine Ausführung mit mehreren hintereinandergeschalteten Graphitblöcken.

F i g. 6 zeigt schematisch eine weitere Ausführung mit W-förmigen Widerstandsheizelementen.

In F i g. 1 ist 1 ein Graphitblock mit einer Anzahl von vertikalen, parallel zu den Seitenflächen verlaufenden Schlitzen 2 und einem aus zwei koaxialen Rohren bestehenden Widerstandsheizelement 3, das mit flexiblen Metallbändern 4 mit einer zeichnerisch nicht dargestellten Stromquelle verbunden ist Der Graphitblock weist eine quaderförmige Ausnehmung 7 (F i g. 2) auf, die mit einer Platte 5 aus Aluminiumoxid abgeschlossen ist Zur Durchführung des aus Graphit bestehenden Heizelements ist die Platte mit einer Bohrung versehen. Die Dichtungselemente 6 zwischen Keramikplatte und Graphitblock sowie zwischen Keramikplatte und Widerstandsheizelement bestehen aus flexiblem Graphit Zu- und Ableitung des aufzuheizendes Gases erfolgen über zeichnerisch nicht dargestellte Stutzen.

Der Graphitblock ist in einem mit keramischen Isolierstoffen ausgekleideten Stahlbehälter angeordnet, der zugleich ein inertes Gas, z. B. Stickstoff enthält Durch Erhöhung des Stickstoffdrucks über den Druck des die Schlitze durchströmenden Gajes können in bekannter Weise Diffusionsverluste vermieden werden.

ίο Zum Auswechseln eines zerbrochenen oder sonstwie unbrauchbar gewordenen Heizelements werden der Deckel des Stahlbehälters abgeklappt, die auf der Keramikplatte 5 liegenden Schamottesteine entfernt und nach Abziehen der Dichtung 6 die Platte 5 und das

ι 5 Heizelement 3 entnommen.

Die Fig.3 und 4 zeigen eine Anordnung mit gekapseltem Widerstandsheizelement Der zylindrische Graphitkörper 8 mit einem Permeabilitätskoeffizienten von etwa 10-⁵cm²/sec weist achsenparallele Bohrungen 9 und eine Ausnehmung 13 auf, in der das U-förmige Widerstandsheizelement 10 angeordnet ist Die Ausnehmung ist mit einer aus Bornitrid bestehenden Platte 11, die Bohrungen zur Durchführung des Widerstandsheizelements aufweist sowie mit den Dichtungselementen 12 gasdicht verschlossen. Das aufzuheizende Gas berührt das Widerstandsheizelement nicht, wodurch die

Spaltung von thermisch instabilen Gasen an dem heißen Element vermieden wird. In der Fig.5 sind mehrere, Nut und Feder

ίο aufweisende Graphitblöcke 14 hintereinander angeordnet Jeder Block enthält stirnseitig eine Ausnehmung, in die je ein U-förmiges Widerstandsheizelement 17 eingreift Die Dichtungen 19 zwischen Heizelement und Aluminiumoxidplatte 18 sowie die Dichtung 15 zwisehen je zwei Graphitblöcken bestehen aus flexiblem Graphit

Die Heizvorrichtung nach Fig. 6 weist einen Graphitblock 20 mit einem gewinkelten Kanal 21 auf, dessen Oberfläche 22 geschlitzt ist und in dem zwei

w W-förmige Widerstandsheizelemente angeordnet sind. Deckplatten und Dichtungen sind in der schematischen Zeichnung nicht dargestellt

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Aufheizen eines Gases, bestehend aus einem oder mehreren gegebenenfalls unter Verwendung von Dichtungen miteinander verbundenen, beheizten Graphitblöcken, der bzw. die rohrförmige Bohrungen oder Schlitze für den Durchgang des zu erhitzenden Gases aufweist bzw. aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitblock bzw. die Graphitblöcke durch mindestens ein Widerstandsheizelement beheizt ist bzw. sind, das in einer Ausnehmung des Graphitblokkes auswechselbar angeordnet ist

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Graphitkörper jeweils is zwei oder mehr in Ausnehmungen angeordnete, vorzugsweise gegeneinander versetzte, '«Viderstandsheizelemente aufweist bzw. aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizelemente aus Kohlenstoff oder Graphit bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizelemente aus zwei an einem Ende elektrisch verbundenen koaxialen Rohren, aus Dreiphasenelementen oder aus U-, W- oder spiralförmigen Elementen bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Graphitkörpers kleiner als die Länge der Einlaufturbulenz ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung mit einer Bohrungen zur Durchführung eines Widerstandsheizelementes aufweisenden Platte aus einem thermisch beständigen, elektrisch nicht leitenden Material abgedeckt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung zwischen Graphitkörper und Abdeckplane sowie zwischen Widerstandsheizelement und Abdeckplatte aus flexiblem Graphit besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung jedes Widerstandsheizelements unabhängig voneinander regelbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch 4> gekennzeichnet, daß die Graphitkörper stirnseitig Nut und Feder aufweisen.