DE2222849A1 - Elektrische heizvorrichtung zum raschen erhitzen von stroemenden medien - Google Patents
Elektrische heizvorrichtung zum raschen erhitzen von stroemenden medienInfo
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Description
Schladitz-Whiskers AG, Zug/Schweiz, Gartenstr. 2
Elektrische^Heizvorrichtung zum raschen Erhitzen von strömenden
Medien
Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung zum
raschen Erhitzen von strömenden Medien wie Gasen, Flüssigkeiten, Dämpfen oder Aerosolen.
Eine bekannte Heizvorrichtung (DBP 1 288 705) weist ein aus
einer Vielzahl von miteinander verfilzten und an. ihren Berührungsstellen
metallisch miteinander verbundenen, elektrisch leitenden Pasern, insbesondere sogenannten Whiskern, bestehendes
Heizelement auf, das von dem zu erhitzenden Medium durchströmt wird. Ein derartiges Heizelement bietet dem aufzuheizenden
Medium eine sehr große Heizfläche (innere Oberfläche) dar und weist gleichzeitig einen sehr geringen Strömungswiderstand
auf, Oo daß das Medium in ausserordentlich kurzer Zeit auf eine bestimmte Temperatur erhitzt v/erden kann. Zur
Erreichung der gewünschten Endtemperatur des Mediums ist unter anderem eine bestimmte Verweilzeit des Mediums in
dem Heizelement erforderlich, die durch die Länge des Heizelements
in Strömungsrichtung in Abhängigkeit von der
Strömungsgeschwindigkeit festgelegt wird. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ist also zum Erreichen einer bestimmten
Endtemperatur ein längeres Heizelement erforderlich als bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten. Lange Heizelemente
aus einem elektrisch leitenden Faserskelett können jedoch praktisch nicht mit der an sich notwendigen Homogenität
hergestellt werden, so daß es unvermeidlich ist, daß an einigen Stellen in dem Faserskelett kleinere Poren oder Hohlräume
vorhanden sind als an anderen Stellen. Bei der Erhitzung von Flüssigkeiten werden diese in den Engstellen aufgrund
des größeren Strömungswiderstandes und des größeren Wärme-
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ORIGINAL INSPECTED
angebotes stärker erhitzt als im Bereich der größeren Poren,
so daß es in diesen Engstellen bereits zu einer Verdampfung der Flüssigkeit kommt, während die Temperatur der Flüssigkeit
im übrigen Bereich noch weit unterhalb des Verdampfungspunktes liegt. Diese Dampfblasen stören das Durchströmen
der Flüssigkeit durch das Heizelement beträchtlich. Diese Tatsache steht in Übereinstimmung mit der Erkenntnis, daß
die Durchflußmenge durch eine Kapillare schlagartig sinkt, wenn die Flüssigkeit ihren Siedepunkt erreicht hat.
Wenn ein derartiges verhältnismäßig langes Heizelement zum Erhitzen von Kohlenwasserstoff-Gemischen wie Bensin oder
Diesel- oder Heizöl verwendet werden soll, besteht im Bereich der erwähnten Engstellen überdies die Gefahr, daß
dort die leichtflüchtigen Bestandteile verdampfen und die schwerflüchtigen Kohlenwasserstoffe verharren und allmählich
cracken, wodurch eine Verstopfung eintritt, die ausserdem eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit bewirkt, so daß
der elektrische Strom im wesentlichen nur noch durch diese Stellen erhöhter Leitfähigkeit fließt, wodurch die übrigen
Teile des Faserskelettes nicht mehr ausreichend erwärmt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Heizvorrichtung zu schaffen, welche die Erhitzung des
strömenden Mediums ohne die Gefahr schädlicher Dampfblasenbildung ermöglicht und ohne großen Aufwand herstellbar ist.
Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung ist gekennzeichnet
durch mehrere in der Strömungsrichtung des zu erhitzenden Mediums hintereinandergeschaltete, aus einer
Vielzahl von miteinander verfilzten und an ihren Berührungsstellen metallisch miteinander verbundenen, elektrisch
leitenden Fasern, insbesondere sogenannten Whiskern, bestehende Heizelemente und zwischen benachbarten Heizelementen
angeordnete Homogenisierungszonen, in denen keine oder
keine wesentliche Erhitzung des Mediums stattfindet.
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Durch die Aufteilung in einzelne, aufeinanderfolgende Erhitzungsstufen wird zunächst eine weitgehend gleichmassige
Porösität der die Heizelemente bildenden Faserskelette gewährleistet, da diese Heizelemente relativ
kurz sein können und in diesen Längen von beispielsweise 1 bis 5 mm mit ausrexchender Homogenität hergestellt
werden können. Selbst wenn jedoch in den Faserskeletten Inhomogenitäten vorhanden sind, die örtlich zu einer
stärkeren Erhitzung des Mediums führen, so erfolgt in den Zwischenstufen eine Vermischung der heißeren und
kälteren Bestandteile des Mediums, wodurch das Medium beim Eintritt in das nächste Heizelement wieder eine
gleichmässige Temperatur aufweist. Die Zwischenstufen verhindern also, daß sich Bahnen, die durch Dampfblasenbildung
an irgendeiner Engstelle der Heizelemente erzeugt wurden, durch die ganze Heizvorrichtung hindurcherstrecken.
Bei der Erhitzung von Kohlenwasserstoffgemischen können sich Kurzschl'ußbrücken, die gegebenenfalls
beim Cracken in Engstellen entstanden sind, nicht weiter als höchstens bis zu der nächsten Zwischenstufe
fortpflanzen, so daß die Gefahr einer merklichen Verringerung des elektrischen Widerstandes der gesamten
Heizvorrichtung und damit ein Absinken der Heizleistung nicht zu befürchten ist.
Die Zwischenstufen können von leeren Hohlräumen gebildet werden, in denen sich etwa .'entstandene Dampfblasen in
der Flüssigkeit auflösen können. Die Zwischenstufen können auch von elektrisch leitenden Faserskeletten
gebildet werden, deren Porenvolumen und·elektrische Leitfähigkeit erheblich größer ist als das- bzw. diejenige
der Erhitzungsstufen. In diesem Faserskelett, das aufgrund seiner größex'en Leitfähigkeit nur unwesentlich
an einer Erhitzung des Mediums beteiligt ist, kann eine intensive Vermischung der dampfförmigen mit den
flüssigen Bestandteilen des Mediums erreicht v/erden.
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Die benachbarten Erhitzungsstufen sind vorzugsweise durch Bistanzstüeke voneinander getrennt, welche die
elektriache^Ferbindung zwischen diesen Erhitzungsstufen herstellen. Me Bistanzstücke können von rohrförmigen
Hohlkörpern gebildet werden, die jeweils einen leeren, eine Zwischenstufe darstellenden Hohlraum umgrenzen*
Alternativ können die Distanzstücke von den vorher erwaimten, elektrisch leitenden Faserskeletten gebildet
werden, welche die Zwischenstufen darstellen. Diese IPaserskelette können beispielsweise aus Metallwhiskern
bestehen, deren Querschnitt ein Mehrfaches des Querschnitts der die Heizelemente bildenden Whisker
beträgt·
Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung kann
einen rohrförmigen Mantel aus elektrisch isolierendem Material aufweisen, in welchem die scheibchenförmig
ausgebildeten Heizelemente und Zwischenstufen abwechseln und aufeinanderfolgend eingesetzt sind. Für direkten Stromdurchgang
erfolgt die Kontaktierung am ersten und am letzten Heizelement. Es ist jedoch auch möglicnj /innerhalb
einer Induktionsspule anzuordnen.
Die die Heizelemente bildenden Fasern sind vorzugsweise polykristalline Metallwhisker mit einem Durchmesser von
beispielsweise 0,5 bis 20 /um, da sich diese Whisker durch eine ausserordentlioh hohe Festigkeit auszeichnen und somit
auch hohen Flüssigkeitsdrücken widerstehen können, ohne zu zerbrechen und von der Flüssigkeit mitgenommen zu werden.
Es lassen sich jedoch auch andere Fäden mit Erfolg verwenden, beispielsweise metallisierte Kohlefäden, AIpO-,-Whisker,
Quarzfäden, Äl20,-Fäden und dergleichen.
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Die metallische Verbindung der Fasern an ihren Berührungsstellen kann durch eine Reihe bekannter Maßnahmen erfolgen,
beispielsweise durch Metallisierung aus der Gasphase, Verschweißen durch kurzzeitiges örtliches Verschmelzen mit
Hilfe von kohärent gebündelten Lichtstrahlen» durch Elektronenstrahlschweißen, ultraschallschweißen, ferner durch
galvanische Abscheidung von Metallens durch stromlose Metallbeschichtung
und dergleichen.
Unter dem Begriff "polykristalline Metallwhisker" werden
feinste Metallfasern oder -haare verstanden, welche aus der Gasphase gewachsen und in der Deutschen Patentschrift
1 224- 934- beschrieben sind. Das Verhältnis von Durchmesser
zu Länge dieser Whisker oder auch der anderen vorher ea?-
wähnten Fasern kann über 1 : 1000 betragen.
Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen. Heizvorrichtung
werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigts
Fig. Λ einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform,
bei der die Erhitzung durch direkten Stromdurchgang erfolgt, und
2 einen Längs schnitt durch eine zweite Aus führungs form,
Die Heizvorrichtung gemäß Fig. 1 weist einen rohrförmigen Mantel 1 aus elektrisch isolierendem Material auf, in
welchem mehrere in der Strömungsrichtung S des zu erhitzenden Mediums hintereinandergeschaltete Heizelemente 2 angeordnet
sind. Diese Heizelemente 2 bestehen aus einer Vielzahl von miteinander verfilzten und an ihren Berührungsstellen metallisch miteinander verbundenen, elektrisch
leitenden Fasern, insbesondere sogenannten Whiskern. Benachbarte Heizelemente 2 sind durch Distanzstücke 3
voneinander getrennt,, welche die elektrische Verbindung
" 6 " ■'.'·.■
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zwischen diesen Heizelementen herstellen· Diese Distanzstücke 3 sind von rohrförmigen Hohlkörpern gebildet, die
jeweils einen leeren, eine Zwischenstufe darstellenden Hohlraum 4 umgrenzen. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit
ua& zur Erzielung eines homogenen Stromdurchganges sind zwischen den Distanzstücken 5 und den benachbarten
Heizelementen 2 Drahtgitter oder -siebe^angeordnet. Das
erste und das letzte Heizelement 2 sind jeweils mit einer
siebfqrmigen Kontaktplatte 6 versehen, die an den Plusbzw·
Minuspol einer Stromquelle angeschlossen wird·
Beim Durchgang des zu erhitzenden Mediums durch die Heizvorrichtung
wird dieses stufenweise durch die aufeinanderfolgenden Heizelemente 2 auf eine immer höhere Temperatur
erhitzt, bis es beim Austritt aus dem letzten Heizelement 2 die gewünschte Endtemperatur erreicht hat. In den von
den Hohlräumen 4 gebildeten Zwischenstufen, die auch als Mischzonen bezeichnet werden können, findet eine temperaturmäßige
Homogenisierung des in den vorausgegangenen Heizelementen erhitzten Mediums statt, so daß das Medium beim
Eintritt in das folgende Heizelement stets eine im wesentlichen gleichförmige Temperatur aufweist und bei der Erhitzung
von Flüssigkeiten etwa gebildete Dampfblasen gelöst werden· Die scheibchenförmigen Heizelemente 2 lassen
sich mit weitgehend gleichmäßiger Porengröße ohne großen Aufwand maschinell herstellen. Die Anzahl der hintereinandergesehalteten
Heizelemente kann beliebig sein und richtet sich nach der gewünschten Endtemperatur, der Strömungsgeschwindigkeit
und verfügbaren elektrischen Leistung.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 1 im wesentlich nur dadurch,
daß die Zwischenstufen zwischen den benachbarten Heizelementen 2 nicht von leeren Hohlräumen, sondern von Faserskeletten gebildet werden, die im Prinzip den gleichen
Aufbau haben wie diejenigen der Heizelemente 2, jedoch
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ein größeres Porenvolumen und eine erheblich
elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Dieses laserskelett
begünstigt die Vermischung der schon dampfförmigen mit den noch flüssigen Bestandteilen des Mediums. Bei
einer ausgeführten Heizvorrichtung bestehen die Heizelemente 2 aus polykristallinen Eisenwhiskern mit einem
durchschnittlichen Durchmesser von etwa 1 /um und sie
/ weisen ein Porenvolumen von etwa 65 % und einen
elektrischen Widerstand v.on beispielsweise 1 Ohm auf» Das Easerskelett der Zwischenstufen 7 besteht beispielsweise
aus Whiskern mit einem Durchmesser von etwa 10 /um
und es hat ein 0 Porenvolumen von etwa 90 % raid ©inen
elektrischen Widerstand von beispielsweise O3OI Ohm.
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Claims (6)
- PatentansprücheHeisvorrichtung zum raschen Erhitzen von strömenden Medien wie Gasen, Flüssigkeiten, Dämpfen oder Aerosolen,, gekennzeichnet durch mehrere in der Strömungsri-chtung des zu erhitzenden Mediums Ii.±atsreina2idergesa!ialtete, aus einer Vielzahl tob saiteinanäe:? verfilzten und an ihren Berührungsstellen metallisch miteinander verbundenen, elektrisch leitenden Fases2i5 insbesondere sogenannten V/hiskern, bestehende _EeJ-3§lemente__t2X imd swischen.. benachbart en Heizelementen (2) angeordnete Hömogenisierungszonen (*i"»7)a iß denen keine oder keine'wesentliche Erhitzung des Mediums stattfindet«
- 2. Elektrisches Heiselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstufen (4) von leeren Hohlräumen gebildet sind. " -
- 3. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstufen (7) von elektrisch leitenden Faserskeletten gebildet sind, deren Porenvolumen und elektrische Leitfähigkeit erheblich größer ist als das bzw· diejenigen Heizelemente (2).
- 4-, Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet? daß benachbarte Heizelemente (2) durch Bistanzstücke (3) voneinander getrennt sind, welche die elektrische Terbindung zwischen diesen Heizelementen (2) herstellen»
- 5· Elektrisches Heizelement nach den Ansprüchen 1, 2 und 4S dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzstücke (3) von rohrförmigen Hohlkörpern gebildet sind, die jeweils einen leeren, eine Zwischenstufe darstellen-_ 2 —
309847/0614222284!den Hohlraum (4·) umgrenzen, - 6. Elektrisches Heizelement nach den Ansprüchen 1 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß die die Zwischenstufen (7) bildenden Faserskelette aus MetalXwhiskern bestehen, deren Querschnitt ein Mehrfaches des Querschnitts der die Heizelemente (2) bildenden Whisker beträgt.7· Elektrisches Heizelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche9 dadurch gekennzeichnet9 daß sie einen rohrförmigen Mantel (1) aus elektrisch isolierendem Material aufweistf in-welchem die Heiz- elemente (2) und die Zwischenstufen (7) als Scheiben aufeinanderfolgend und abwechselnd eingelegt sindo309847/0614L e e r s e i ΐ e
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