DE2315268B2

DE2315268B2 - Elektrische heizvorrichtung

Info

Publication number: DE2315268B2
Application number: DE19732315268
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-03-27
Filing date: 1973-03-27
Publication date: 1977-12-08
Also published as: DD111005A5; DE2315268A1; US3934117A; DE2315268C3; FR2223929B1; SE399353B; GB1455911A; JPS49128337A; FR2223929A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine elektrische Heizvorrichtung dieser Art ist u.a. in der DTPS 12 88 705 beschrieben.

Poröse Körper, die aus miteinander verbundenen polykristallinen Metalkvhiskern bestehen, können mit einer außerordentlich großen inneren Oberfläche hergestellt werden. Diese Möglichkeit ist dadurch gegeben, daß die polykristallinen Metallkörper eine weit überdurchschnittliche Festigkeit aufweisen und daher schon mit Durchmessern in der Größenordnung von wenigen Mikron bis unter 1 Mikron zu Skeletten verarbeitet werden können, welche Flüssigkeits- oder Gasdrücken standhalten, bei denen Skelette aus anderen Werkstoffen zusammengedrückt oder zerrissen wurden. Herstellung und Eigenschaften derartiger polykrisialliner Metallwhisker sind u.a. in der DT-PS 12 24 934 und in der »Zeitschrift für Metallkunde« Band 59 (1968), 1 left 1, S. 18 bis 22 beschrieben.

Derartige poröse Körper werden als Widerstandsllei/elemente mit großem Erfolg für die Verdampfung oder Vernebelung von flüssigen Brennstoffen verwendet (siehe »Ingenieur Digest«, 1972, Heft 12, Seiten 43 bis 44). Eine gewisse Schwierigkeit ergibt sich jedoch aus der guten elektrischen Leitfähigkeit, also dem geringen elektrischen Widerstand eines solchen Whisker Skeletts, was hohe Stromstärken bedingt. Die Verwendung von entsprechenden Vorwiderständen zum Zwecke der Verringerung der Stromstärke ist aus wirtschaftlichen Gründen nicht vertretbar. Die Verwendung eines Transformators zwecks Herabsetzung der Spannung ist in manchen Fällen nicht möglich oder wünschenswert. Außerdem läßt sich der elektrische Widerstand derartiger Whisker-Skelette nur in relativ engen Grenzen variieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Heizvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Stromaufnahme ohne Zuhilfenahme teuerer oder unwirtschaftlicher Zusatzaggregate beliebig variiert und gegebenen Verhältnissen angepaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß alternativ durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Bei den erfindungsgemäßen Vorschlägen wird der poröse Körper also nicht oder jedenfalls nicht ausschließlich direkt durch elektrischen Strom erhitzt, sondern indirekt durch ein Bauelement, das seinerseits durch elektrischen Strom erhitzt wird und dessen elektrischer Widerstand der zur Verfügung stehenden Stromquelle und den technischen Erfordernissen hinsichtlich der benötigten Wärmeenergie angepaßt werden kann.

Bei dem Vorschlag gemäß Anspruch 1 ist der Gesamtwiderstand dieser elektrischen Heizvorrichtung die Summe der F.inzelwiderstände des Rohres und des

porösen Körpers, und da der elektrische Widerstand des Rohres ein Vielfaches des elektrischen Widerstandes des porösen Körpers beiragt, wird der poröse Körper durch elektrischen Strom direkt nur geringfügig erwärmt, während seine Haupterwärmung durch die Wärmeaufnahme von dem wesentlich höher erhitzten Rohr erfolgt.

Bei dem Vorschlag gemäß Anspruch 2 ist der elektrische Widerstand der Heizelemente wiederum ein Vielfaches des elektrischen Widerstandes der porösen Körper. Die elektrischen Heizelemente sind, gegebenenfalls durch die dazwischenliegenden porösen Körper, elektrisch hintereinandergeschaltet. Auch bei dieser Ausführung erfolgt die Erwärmung der porösen Körper in erster Linie durch die Wärmeaufnahme von den elektrischen Heizelementen. Dm eine schnelle Wärmeaufnahme zu erreichen, sollen ditse Scheibchen verhältnismäßig dünn, beispielsweise nur wenige Millimeter oder Bruchteile von Millimetern dick sein-, der Durchmesser soll also ein Vielfaches ihrer Dicke betragen.

Die elektrischen Heizelemente können in an sich bekannter Weise (DT-OS 20 55 927) von gegebenenfalls metallisierten Kohlefaden gebildet werden. Die Metallisierung hat dabei vor allem den Zweck, einen bestimmten Gesamtwiderstand der elektrischen Heizvorrichtung einzustellen. Diese Metallisierung kann nach Zusammensetzen der Säule durchgeführt werden, indem die Säule an eine Stromquelle angeschlossen wird und die aus Kohlefaden bestehenden elektrischen Heizelemente durch direkten Stromdurchgang auf die Zersetzungstemperatur einer thermisch zersetzbaren Metallverbindung, vorzugsweise eines Metallcarbonyls, erhitzt werden, und darauf diese Metallverbindung in Dampfform durch die Säule hindurchgeführi wird, wobei sie sich zersetzt und Metall auf den Kohlefäden niedergeschlagen wird. Die Erhitzung und die Durchleitung der Metallverbindung wird so lange fortgesetzt, bis der gewünschte elektrische Gcsamtwiderstand der Säule erreicht ist. Dies läßt sich laufend mit Hilfe eines Ohm-Meters kontrollieren.

Alternativ können die elektrischen Heizelemente von Platten oder Sieben aus einer Heizleiterlegierung oder von Filzen ?,us organischen oder anorganischen Fasern oder polykristallinen Metallwhiskern gebildet werden, die mit einem Überzug aus kolloidalem Graphit versehen sind, wodurch der gewünschte elektrische Widerstand erreicht werden kann.

Besonders für die Erhitzung oder Verdampfung von Kohlenwasserstoffen ist eine radiale Durchströmung der Heizvorrichtung von innen nach außen von Vorteil, da bei einer derartigen Durchströmung dem zu erhitzenden Medium ein immer größer werdendes Porenvolumen zur Verfügung gestellt wird, welches mit der Volumenvergrößerung des sich beim Durchgang durch die Heizvorrichtung in Dampf umwandelnden Kohlenwasserstoffes in Einklang steht. Auf diese Weise wird die Gefahr einer Verstopfung oder einer lokalen Überhitzung der Heizvorrichtung weitgehend vermieden. Zu diesem Zweck weist die aus scheibchenförmigen porösen Körpern und scheibchenförmigen elektrischen Heizelementen aufgebaute Säule einen an ihrer einen Stirnseite mit der Zuflußleitung für das zu erhitzende Medium in Verbindung stehenden, zentralen Längskanal auf, der an der anderen Stirnseite der Säule abgeschlossen ist, wobei das Rohr mit Abstand von der Säule angeordnet ist.

Die scheibchenförmigen elektrischen Heizelemente können porös sein, sind jedoch vorzugsweise weitgehend porenfrei, weisen also geschlossene Seitenflächen uuf, um den anliegenden scheibchenförmigen porösen Körpern eine grolie Wärmeübertragungsfläche anbieten zu können. Solche porenfreie elektrische Heizelemente können z. B. dadurch hergestellt werden, daß die Poren eines Filzes oder Gewebe-, aus gegebenenfalls metallisierten Kohlefaden mit einem geeigneten Mittel, beispielsweise einem hitzebeständigen Kitt, gefüllt weiden.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausfiihrungsfonii der Erfindung,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch eine /weite Ausfiihrungsform der Erfindung, und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung.

Bei allen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist in einem Rohr mindestens ein poröser Körper vorgesehen, der aus einer Vielzahl von miteinander verfilzten und an ihren Berührungsstellen vorzugsweise metallisch miteinander verbundenen, aus der Gasphase gewachsenen polykristallinen Metallwhiskern besteht und der von dem zu erhitzenden Medium durchströmt wird. Die Erhitzung des porösen Körpers erfolgt überwiegend indirekt mittels elektrischer Energie, indem der poröse Körper in wärmeleitender Verbindung mit einem durch elektrischen Strom erhitzten Bauelement steht, dessen elektrischer Widerstand ein Vielfaches des elektrischen Widerstandes des porösen Körpers beträgt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 ist der poröse Körper t im Inneren eines dünnwandigen Rohres 2 aus einer Heizleiter-Legierung angeordnet und mit der Rohrwand in wärmeleitender Verbindung, jedoch von dieser elektrisch isoliert. Die elektrische Isolierung kann durch eine Schicht 5 eines Isolierlackes erreicht werden. Das Rohr 2 ist von einer wärmeisolierenden Umhüllung 4 umgeben.

Das Rohr 2 und der poröse Körper t sind in diesem Ausführungsbeiipie! elektrisch hintereinandergeschaltet. Zu diesem Zweck sind die beiden in der Zeichnung rechten Enden das porösen Körpers 1 und des Rohres 2 durch eine Metallkappe 5 elektrisch leitend miteinander verbunden. Das in der Zeichnung linke Ende des porösen Körpers 1 ist mit einem Anschluß 6 versehen, der mit dem einen Pol einer Stromquelle verbunden ist. Der andere Pol dieser Stromquelle ist mit dem in der Zeichnung linken Ende des Rohres 2 verbunden, welches gegenüber dem porösen Körper 1 und den Anschluß 6 elektrisch isoliert ist. Das zu erhitzende Medium wird durch den Anschluß 6 zugeführt, durchströmt den porösen Körper 1 in Richtung der Pfeile 7 und tritt gegebenenfalls in Dampfform durch die zentrale öffnung 8 in der Kappe 5 aus.

Wie eingangs erwähnt, beträgt der elektrische Widerstand des Bauteiles, in diesem Fall des Rohres 2, ein Vielfaches des elektrischen Widerstandes des porösen Körpers 1. Demzufolge wird der poröse Körper 1 durch direkten Stromdurchgang wesentlich weniger erwärmt als das Rohr 2 und die gewünschte Erhitzung des porösen Körpers t erfolgt überwiegend durch Aufnahme der von dem Rohr 2 abgegebenen Wärme. Das Verhältnis der Widerstände des Rohres 2 und des porösen Körpers 1 kann etwa 5 : 1 betragen. Zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes kann das Rohr 2 aus einem Band gewickelt sein, dessen

Windungen einen Abstand voneinander haben, so daß die ganze Länge dieses Bandes als Heizleiter dient.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, bei dem gleiche oder gleichartige Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. !,jedoch mit einem Index a, versehen sind, sind in einem elektrisch leitenden Rohr 2a abwechselnd schcibchenförmige poröse Körper 9 aus polykristallinen Mctallwhiskern und scheibchenförmige elektrische Heizelemente 10 angeordnet, die gegenüber dem Rohr 2a durch eine Schicht 3a elektrisch isoliert sind. Die scheibchenförmigen Heizelemente 10 sind elektrisch hintercinandergeschaltet, und zwar im Ausführungsbeispiel mit Hilfe der dazwischenliegenden porösen Körper 9. Die aus den Scheibchen 9 und 10 gebildete Säule ist ihrerseits mit dem Rohr 2a elektrisch in Serie geschaltet, wie dies in Zusammenhang mit Fig.! beschrieben wurde. Da die scheibchenförmigen Heizelemente 10 einen erheblich größeren Widerstand haben als die scheibchenförmigen porösen Körper 9, werden die Heizelemente 10 durch den elektrischen Strom stärker erhitzt als die porösen Körper 9 und sie geben somit Wärme an die porösen Körper 9 ab. Auch bei diesem Ausführungsbeispiei ist das Rohr 2a von einer wärmeisolierenden Umhüllung 4a umgeben. Die Heizvorrichtung wird wie bei dem vorhergehenden Beispiel in Längsrichtung des Rohres 2a von dem zu erhitzenden Medium durchströmt. Dies erfordert, daß die scheibchenförmigen elektrischen Heizelemente 10 ebenfalls für das zu erhitzende Medium durchlässig sind. Daher bestehen die Heizelemente 10 beispielsweise aus Kohlefäden, entweder in Form eines Filzes oder in Form eines Gewebes. Die einzelnen Heizelemente 10 können aus mehreren Gewebelagen bestehen. Alternativ können die Heizelemente 10 aus Sieben oder perforierten Platten aus einer Heizleiter-Metallegierung oder aus einem Filz aus organischen oder anorganischen Fasern oder polykristallinen Metallwhiskern bestehen, die eine Graphitbeschichtung aus kolloidalem Graphit aufweisen.

Bei dieser Ausführung läßt sich eine Einstellung des elektrischen Gesamtwiderstandes auf einen vorbestimmten Wert in einfacher Weise dadurch erreichen, daß die die Heizelemente 10 bildenden Fäden oder Fasern mit Metall beschichtet werden. Zu diesem Zweck wird eine komplette, aus den porösen Körpern 9, den Heizelementen 10 und dem Rohr 2a gebildete Heizvorrichtung an eine Stromquelle angeschlossen und die Heizelemente 10 werden durch direkten elektrischen Stromdurchgang auf die Zersetzungstemperatur einer thermisch zersetzbaren Mctallverbindung, vorzugsweise eines Metallcarbonyls. erhitzt. Dann wird das Carbonyl in Dampfform durch die Säule hindurchgelei-

, tet, wobei sich das Carbonyl zersetzt und Metall auf die erhitzten Fäden der Heizelemente 10 niedergeschlagen wird. Diese Metallisierung bewirkt auch eine Verbindung der Heizelemente 10 mit den benachbarten porösen Körpern 9. Wenn der gewünschte Gesamt-

'<· widerstand erreicht ist, was während der Metallisierung durch ein angeschlossenes Widerstandsmeßgerät festgestellt werden kann, wird die Erhitzung der Säule und die Zufuhr von Carbonyldampf eingestellt. Ohne Metallisierung ist der elektrische Widerstand

ι ■ der Heizelemente 10 etwa hundert mal so groß wie derjenige der porösen Körper 9.

Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 ist ähnlich wie dasjenige gemäß Fig. 2 mit einer aus Scheibchen aufgebauten Säule versehen, wobei scheibchenförmige

μ poröse Körper 9' aus polykristalincn Metallfaden mit scheibchenförmigen elektrischen Heizelementen 10' abwechseln. Die Heizelemente 10' sind mittels der dazwischenliegenden porösen Körper 9' elektrisch hintereinandergeschaltet und die äußersten Heizele-

■. mente 10' sind einerseits mit einem Anschluß 11 für die Zuführung des zu erhitzenden Mediums und andererseits mit einem die Säule mit Abstand umgebenden metallischen Rohr 12 verbunden, die ihrerseits an die Pole einer Stromquelle angeschlossen sind.

;.< Abweichend von dem Beispiel gemäß F i g. 2 erfolgt bei dem Beispiel von Fig. 3 die Durchströmung der Säule nicht in axialer, sondern in radialer Richtung, und zwar von innen nach außen. Zu diesem Zweck weist die aus den Scheibchen 9' und 10' aufgebaute Säule einen

i. zentralen Längskanal 13 auf, der mit dem Zuflußanschluß 11 für das zu erhitzende Medium in Verbindung steht. Die elektrischen Heizelemente 10' können, sie müssen jedoch nicht porös sein, da das zu erhitzende Medium allein durch die porösen Körper 9' geleitet

in werden kann. Die elektrischen Heizelemente 10' können wie beim vorhergehenden Beispiel aus einem Gewebe oder einem Filz aus gegebenenfalls metallisierten Kohlefäden bestehen, dessen Poren aber mit einem Kitt gefüllt sein können.

r, Das erhitzte und beispielsweise in Dampfform radia aus den porösen Körpern 9' austretende Mediurr sammelt sich in dem Rohr 12 und wird durch di( öffnungen 14 der Verbrauchsstelle zugeführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Heizvorrichtung zum raschen Erhitzen von strömenden Medien, be na aus einem Rohr mit einer ZufluBleitung an .nein und einer oder mehreren Austrittsöffnungen am anderen Rohrende und aus mindestens einem aus einer Vielzahl von miteinander verfilzten und an ihren Berührungsstellen miteinander verbundenen, polykristallinen, aus der Gasphase gewachsenen Metallwhiskern sich zusammensetzenden, im Rohr angeordneten, porösen Körper, der elektrisch erhiizt und von dem zu erhitzenden Medium durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement zur Erhitzung des porösen Körpers (1) von dem Rohr (2) aus elektrisch leitendem Werkstoff gebildet ist, in welchem der poröse Körper (I) in wärmeleitender Verbindung mit der Rohrwand, jedoch gegenüber dieser elektrisch isoliert, angeordnet ist und daß das Rohr (2), dessen elektrischer Widerstand ein Vielfaches des elektrischen Widerstandes des porösen Körpers betrügt, und der poröse Körper (1) elektrisch hintereinandergeschaltet sind.

2. Elektrische Heizvorrichtung nach Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung abwechselnd aufeinanderliegende, in wärmeleitender Verbindung miteinander stehende, scheibchenförmige, poröse Körper (9, 9') und scheibchenförmige. elektrische Heizelemente (10, 10') aufweist, daß die aus den porösen Körpern (9,9') und scheibchenförmigen Heizelementen (10, 10') bestehende Säule in dem Rohr (2a, 12) elektrisch isoliert angeordnet ist, die Heizelemente (10, 10') elektrisch miteinander verbunden sind und deren elektrischer Gesamtwiderstand ein Vielfaches des Gesamtwiderstandes der porösen Körper (10, 10') beträgt.

3. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Heizelemente in an sich bekannter Weise von einem Gewebe oder Filz aus gegebenenfalls metallisierten Kohlefaden gebildet sind.

4. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Heizelemente aus organischen oder anorganischen Fasern oder aus polykristallinen Metallwhiskern mit einer Beschichtung aus kolloidalem Graphit bestehen.

5. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der scheibchenförmigen porösen Körper (9, 9') ein Vielfaches ihrer Dicke beträgt.

6. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Heizelemente (10, 10') durch die dazwischenliegenden porösen Körper (9,9') elektrisch miteinander geschaltet sind.

7. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus scheibchenförmigen porösen Körper (9') und scheibchenförmigen elektrischen Heizelementen (10') aufgebaute Säule einen an ihrer einen Stirnseite mit der Zuflußleitung (11) fur das zu erhitzende Medium in Verbindung stehenden, zentralen Längskanal (13) aufweist, der an der anderen Stirnseite der Säule abgeschlossen ist und daß das Rohr (12) mit Abstand zur Säule angeordnet ist.

8. Elektrisches Heizelement iiach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibchenförmigen elektrischen Elemente (9, 9') porös sind.

9. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibchenförmigen elektrischen Heizelemente (9') weitgehend porenfrei sind.