DE2222849B2 - Elektrische heizvorrichtung zum raschen erhitzen von stroemenden medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung zum raschen Erhitzen von strömenden Medien wie Gasen, Flüssigkeiten, Dämpfen oder Aerosolen, die Heizelemente aufweist, welche aus einer Vielzahl von miteinander verfilzten und an ihren Berührungsstellen metallisch miteinander verbundenen, elektrisch leitenden Fasern, insbesondere sogenannten Whiskern, bestehen.

Derartige aus der DT-PS 12 88 705 bekannte Heizelemente bieten dem aufzuheizenden Medium eine sehr große Heizfläche (innere Oberfläche) dar und weisen gleichzeitig einen sehr geringen Strömungswiderstand auf, so daß das Medium in außerordentlich kurzer Zeit auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden 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 Wärmeangebotes 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 Benzin 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 der eingangs genannten Art 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 hintereinander angeordnete Heizelemente und zwischen benachbarten Heizelementen angeordnete Homogenisierungszonen, in denen keine oder keine wesentliche Erhitzung des Mediums stattfindet.

Durch die Aufteilung in einzelne, aufeinanderfolgende Erhitzungsstufen wird zunächst eine weitgehend gleichmäßige Porosität der die Heizelemente bildenden Faserskelette gewährleistet, da diese Heizelemente relativ kurz sein können und in diesen Längen von beispielsweise 1 bis 5 mm mit ausreichender 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 KohlenwasserstoffgeiThschen können sich Kurzschlußbrücken, 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 ui.cl 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 u,id elektrische Leitfähigkeit erheblich größer ist als das- bzw. diejenige der Erhitzungsstu^fen. In diesem Faserskelett, das aufgrund seiner größeren Leitfähigkeit nur unwesentlich an einer Erhitzung des Mediums beteiligt ist, kann eine intensive Vermischung der dampfförmigen mit den flüssigen Bestandteilen des Mediums erreicht werden.

Die benachbarten Erhitzungsstufen können durch Distanzstücke voneinander getrennt sein, welche die elektrische Verbindung zwischen diesen Erhitzungsstufen herstellen. Die Distanzstücke können von rohrförmigen Hohlkörpern gebildet werden, die jeweils einen leeren, eine Zwischenstufe darstellenden Hohlraum umgrenzen. Alternativ können die Distanzstücke von den vorher erwähnten, elektrisch leitenden Faserskelet- · ten gebildet werden, welche die Zwischenstufen darstellen. Diese Faserskelette 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 ίο Zwischenstufen abwechseln und aufeinanderfolgend eingesetzt sind. Für direkten Stromdurchgang erfolgt die Kontaktierung am ersten und am letzten Heizelement. Es ist jedoch auch möglich, diese innerhalb einer Induktionsspu'e anzuordnen.

Die die Heizelemente bildenden Fasern können polykristalline Metallwhisker mit einem Durchmesser von beispielsweise 0,5 bis 20 μΐη sein, da sich diese Whisker durch eine außerordentlich hohe Festigkeit auszeichnen und somit auch hohen Flüssi^keitsdrücken widerstehen können, ohne zu zerbrechen und von der Flüssigkeit mitgenommen zu werden. Es lassen sich jedoch auch andere Fäden mit Erfolg verwenden, beispielsweise metallisierte Kohlefaden, Al₂Ch-Whisker, Quarzfäden, AI2O3- Fäden u. dgl..

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 Metallen, durch stromlose Metallbeschichtung u. dgl..

Unter dem Begriff »polykristalline Metallwhisker« werden feinste Metallfasern oder -haare verstanden, welche aus der Gasphase gewachsen und in der Deutschen Patentschrift 12 24 934 beschrieben sind. Das Verhältnis von Durchmesser zu Länge dieser Whisker oder auch der anderen vorher erwähnten Fasern kann über 1 : 1000 betragen.

Zwei Ausführungsbeispieie der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform, bei der die Erhitzung durch direkten Stromdurchgang erfolgt, und

F i g. 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform.

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 zwischen diesen Heizelementen herstellen. Diese Distar.zstücke 3 sind von rohrförmigen Hohlkörpern gebildet, die jeweils einen leeren, eine Zwischenstufe darstellenden Hohlraum 4 umgrenzen. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit und zur Erzielung eines homogenen Stromdurchganges sind zwischen den Distanzstücken 3 und den benachbarten Heizelementen 2 Drahtgitter oder -siebe 4 angeordnet. Das erste und das letzte Heizelement 2 sind jeweils mit einer siebförmigen 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 hintereinandergeschalteten Heizelemente kann beliebig sein und richtet sich nach der gewünschten Endtemperatur, der Strömungsgeschwindigkeit und verfügbaren elektrischen Leistung.

Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 unterscheidet sich von demjenigen gemäß F i g. 1 im wesentlichen 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 ein größeres Porenvolumen und eine erheblich höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Dieses Faserskelett 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 μΐη und sie weisen ein Porenvolumen von etwa 65% und einen elektrischen Widerstand von

beispielsweise 1 Ohm auf. Das Faserskelett der Zwischenstufen 7 besteht beispielsweise aus Whiskern mit einem Durchmesser von etwa 10 μίτι und es hat ein Durchmesser-Porenvolumen von etwa 90% und einen elektrischen Widerstand von beispielsweise 0,01 Ohm.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektrische Heizvorrichtung zi raschen Erhitzen von strömenden Medien, j Gasen, Flüssigkeiten. Dämpfen oder Aerosolen, die Heizelemente aufweist, welche aus einer Vielzahl von miteinander verfilzten und an ihren Berührungsstellen metallisch miteinander verbundenen, elektrisch leitenden Fasern, insbesondere sogenannten Whiskern,bestehen, gekennzeichnet durch mehrere in der Strömungsrichtung des zu erhitzenden Mediums hintereinander angeordnete Heizelemente (2) und zwischen benachbarten Heizelementen (2) angeordnete Homogenisierungszonen (4, 7), in denen keine oder keine wesentliche Erhitzung des Mediums stattfindet.

2. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstufen (4) von ieeren 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 Distanzstücke (3) voneinander getrennt sind, welche die elektrische Verbindung zwischen diesen Heizelementen (2) herstellen.

5. Elektrisches Heizelement nach den Ansprüchen 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzstücke (3) von rohrförmigen Hohlkörpern gebildet sind, die jeweils einen leeren, eine Zwischenstufe darstellenden Hohlraum (4) umgrenzen.

6. Elektrisches Heizelement nach den Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zwischenstufen (7) bildenden Faserskelette aus Metallwhiskern bestehen, deren Querschnitt ein Mehrfaches des Querschnitts der die Heizelemente (2) bildenden Whisker beträgt.

7. Elektrisches Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen rohrförmigen Mantel (1) aus elektrisch isolierendem Material aufweist, in welchem die Heizelemente (2) und die Zwischenstufen (7) als Scheiben aufeinanderfolgend und abwechselnd eingelegt sind.