DE2356401A1 - Heizelement fuer vorrichtungen zum erwaermen von gasen und fluessigkeiten - Google Patents
Heizelement fuer vorrichtungen zum erwaermen von gasen und fluessigkeitenInfo
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Description
PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, 2000 Hamburg 1, Steindamm 94
Heizelement für Vorrichtungen zum Erwärmen von Gasen und
Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft ein Heizelement für Vorrichtungen zum
Erwärmen von Gasen und Flüssigkeiten.
Derartige Vorrichtungen sind z.B. als Wärmeaustauscher oder
Durchlauferhitzer bekannt. Der Wärmeaustausch erfolgt in
derartigen Vorrichtungen in einem System von Röhren oder Kanälen, durch das die zu erhitzenden Gase oder Flüssigkeiten
strömen. Dies gilt für Flammenrohrkessel ebenso wie für Warm-
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wasserbereiter, für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren wie
für Warmluft-Haartrockner.
Die Heizelemente der bekannten Vorrichtungen bestehen meist. aus Metallen, insbesondere dann, wenn das Erwärmen .durch
direktes Durchleiten von elektrischem Strom erfolgt. Dies bringt Korrosionsprobleme mit sich, teils direkt durch
aggressive zu erhitzende Medien, z.B. Säuren, teils indirekt, z. B. durch die Notwendigkeit, Ablagerungen aus den zu erhitzenden
Medien, wie Kesselstein, mittels Säuren zu entfernen. Schützt man die Metalle in derartigen Heizelementen durch
resistente Materialien wie z.B. Quarz, Glas oder keramische Massen, so muß man für die erhöhte Korrosionsbeständigkeit
schlechtere Wärmeübergangsbedingungen in Kauf nehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizelement zu schaffen, das eine holie chemische und mechanische Resistenz
aufweist und zugleich einen guten Wärmeübergang ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Heizelement aus offenporigem Kohlenstoff schaum besteht.
Kohlenstoffschaum wird durch pyrolytische Zersetzung von
Kunststoffschäumen hergestellt. Der Nachteil einer außerordentlich
geringen Festigkeit des Kohlenstoffschaums kann dadurch behoben werden, daß das I-laterial mit glasartigem
Kohlenstoff verstärkt wird. Zu diesem Zweck wird ein hochporöser Kunst stoff schaum mit einem viskosen Phenolharz imprägniert
und nach Aushärtung durch Pyrolyse in Kohlenstoff •überführt. Dabei wird die Pyrolyse so geführt, daß das Imprägnierungsmittel
in glasartigen Kohlenstoff umgewandelt wird (Chemie-Ingenieur-Technik 42 (1970) 667).
Vorzugsweise besteht das erfindungsgemäße Heizelement aus
einem Schaumstoff aus glasartigem Kohlenstoff. Glasartiger Kohlenstoff ist elektrisch leitend (der spezifische elektrische
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Widerstand von kompakten, d.h. porenfreiem gläsartigem Kohlenstoff beträgt etwa' 10 Ohm ·cm), mechanisch stabil und abriebfest
sowie chemisch inert auch gegen starke Säuren, Basen
und viele Schmelzen (z.B.Salzschmelzen).
Das erfindungsgemäße Heizelement wird, während es von dem
aufzuheizenden Medium (Gas, Flüssigkeit) durchströmt wird,
mit elektrischer Energie; aufgeheizt.. Selbstverständlich ist
eine Beheizung ruhender Gase und Flüssigkeiten ebenfalls .
möglich. Durch Steuerung der Porencharakteristik, z.B. der Größe und der Form der Poren, während der Herstellung des
Kohlenstoffschaums kann die Durchströmungscharakteristik des
erfindungsgemäßen Heizelements weitgehend variiert werden·.
Durch die elektrische Beheizung des erfindungsgemäßen Heizelements
entsteht, die Wärme unmittelbar im Heizelement,, wodurch ein optimaler Wärmeaustausch mit dem zu beheizenden,
durchströmenden Medium möglich ist. Λ
Die elektrische Energie kann in das erfindungsgemäße Heizelement ^sowohl induktiv als auch auf dem Wege des direkten
Stromdurchgangs (Gleichstrom, Wechselstrom) eingeleitet werden.
Die elektrische Kontaktierung kann auf einfache Weise durch
Anpressen von Elektroden - gegebenenfalls unter Zwischenlage
druckdämmender Materialien, z.B. Graphitfilz, erfolgen.
Um die Kontaktierung der Stromzuführungen zu erleichtern,
weist eine besonders zweckmäßige Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen
Heizelements die Form eines Verbundkörpersauf,
dessen Inneres aus Schaumstoff aus glasartigem Kohlenstoff besteht, während zumindest eine seiner Oberflächen aus
dichtem oder kompaktem glasartigem Kohlenstoff besteht. Die Kontaktierung ,der Stromzuführungen kann dabei wahlweise durch
Schrauben, Stiftkontakte, Anlöten oder auch wieder durch einfaches Anpressen erfolgen. Besonders vorteilhaft wirkt sich
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bei Heizelementen in Form eines solchen Verbundkörpers die Tatsache
aus, daß Kontaktplatte und Schaumstoffteil aus artgleichem
Material, nämlich glasartigem Kohlenstoff bestehen und infolgedessen keine Schwierigkeiten durch unterschiedliche
thermische Ausdehnungen auftreten können.
Nötigenfalls kann das erfindungsgemäße Heizelement eine Isolation aus thermisch beständigem, vorzugsweise kautschukelastischem
Material zur Aufnahme thermisch bedingter Spannungen aufweisen.
Die mit dem erfindungsgemäßen Heizelement erzielten Vorteile bestehen insbesondere in seiner hohen chemischen und mechanischen
Resistenz, im nahezu optimalen Wärmeübergang pro Volumeneinheit und in der breiten Variationsmöglichkeit der Strömungsbzw. Durchiaufcharakteristik. Hierzu sei im einzelnen folgendes
bemerkt: Mit Kesselstein verunreinigte Heizelemente können auf einfache Weise, z.B. mit Salzsäure, gereinigt werden;
glasartiger Kohlenstoff zeigt auch in starken anorganischen .Säuren wie Salzsäure, Salpetersäure, Flußsäure und konzentrierte
Schwefelsäure, auch bei Expositionszeiten von mehreren hundert Stunden keinen Angriff. Der günstige Wärmeübergang
beruht auf der großen Austauschfläche Heizelement/Flüssigkeit oder Gas, die in den Poren des erfindungsgemäßen Heizelements
zur Verfugung steht. Strömungs- bzw. Durchiaufcharakteristik
können, wie bereits erwähnt, während der Herstellung dem vorgesehenen Anwendungszweck weitgehend angepaßt
werden.
Das erfindungsgemäße Heizelement kann in Durchlauferhitzern jedweder Art Anwendung finden. Für Haushaltsgeräte zur Warmwasserbereitung
muß im Wasserausläuf eine geerdete Schutzelektrode, z.B. in Form eines Drahtsiebes, angeordnet sein.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind beheizte Diffusoren für Bedampfungsanlagen und Warmlufttrockner. Einen besonderen
Vorteil bietet das erfindungsgemäße Heizelement in Geschirrspülmaschinen, wo es sowohl zum Erwärmen des Spülwassers als
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auch anschließend zum Erwärmen der Trockenluft dienen kann. ·
Es sei noch bemerkt, daß das erfindungsgemäße Heizelement
wegen seiner einfachen Bauweise besonders leicht mit anderen Heizelementen kombiniert werden kann. .
Einige Ausführungsbeisplele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 einen Durchlauferhitzer
Fig. 2 und 3 einen Verbundkörper als Heizelement eines Durchlauferhitzers
in Aufsieht und im Schnitt· und Fig. 4 ein Schaltbild für einen Durchlauferhitzer.
Der Durchlauferhitzer nach Fig. 1 enthält ein Heizelement 1,
bestehend aus grobporigem (mittlerer Porendurchmesser etwa 3 mm) Schaumstoff aus glasartigem Kohlenstoff, das z.B. eine
Länge von etwa 20 cm bei einem Durchmesser von etwa 30 mm hat.
Das Heizelement 1 ist von einem etwa 3 mm dicken Mantel 2 aus
gefülltem.-Silikonkautschuk (z.B. Silikonkautschuk-Vergußmasse
RTV der Firma Wacker-Chemie GmbH, München) eingefaßt
und steckt bündig in einem Glasrohr 3, das als Außenumhüllung dient und oben-und unten von zwei Kunststoffkappen 4 und 5
abgedeckt ist. Diese Kappen tragen die Stromzuführungen 6 und 7 sowie Aus- und Einlauftüllen 8 und 9 und eine Spannvorrichtung
10, bestehend aus drei.mm 120° über den.Umfang
versetzten Stangen mit Spannschrauben. - Die Elektroden 6 und 7 verbreitern sich z.B. zu Messingtellern 11 und 12,
die z.B. mittels Gewindebolzen an das Heizelement 1 angedrückt werden können. Zur Verbesserung des Kontaktes sowie
zur Verhinderung einer Beschädigung des relativ brüchigen
Schaumstoffes ist je eine Lage Graphitfilz 13 und 14 zwi- sehen
den Metalltellern 11 und 12 und dem Heizelement 1 eingefügt.
- Die Isolationsschicht 2 aus thermisch relativ hoch
belastbarem Silikonkautschuk erfüllt verschiedene Funktionen.
Einmal wirkt sie wärmedämmend nach:außen hin, sie trägt das
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Heizelement und dichtet dessen Zylinderfläche so ab, daß das
Medium zwangsläufig durch die Poren des Heizelementes fließen muß. Darüber hinaus nimmt der Isolationsmantel wegen seiner
* Kautschukelastizität alle thermisch bedingten Kontraktionen und Dilatationen der übrigen Geräteteile leicht auf.
Die in Fig. 1 angegebene Art der Kontaktierung ist in Fig. und 3 dahingehend abgeändert, daß anstelle des einfachen
Schaumstoff-Heizelementes ein Verbundkörper 1 vorgesehen
ist, dessen obere (und nicht dargestellte untere) Kreisfläche 1a aus dichtem oder kompaktem glasartigem Kohlenstoff
besteht, der mit Bohrungen 15 versehen ist. Die dichten Abdeckplatten
1a ermöglichen eine bessere, d.h. betriebssichere Kontaktierung.
Im Schaltbild nach Fig. 4 ist u.a. die Schaltung einer Schutzelektrode
1b dargestellt. Alle übrigen Bezugszeichen in den Fig. 3 und 4 haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1.
Eine Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten, die ein erfindungsgemäßes Heizelement enthielt und an der ein Versorgungsteil
für elektrische Energie sowie eine Messanordnung für Strom, Spannung, Durchflußmenge und Mediumtemperatur
angeordnet waren, wurde als Durchlauferhitzer erprobt. Als Medium diente Wasser.
Die Gesamtanordnung, d.h. praktisch das Heizelement, hatte einen Widerstand von 1,75 Ohm. In einer Reihe von Versuchen
wurden im Auslauf folgende Wassertemperaturen gemessen (im thermischen Gleichgewicht):
— 7 — 5098 21/(U A3
| . i/A | υ/ | V | ...- N/w ·-. | Q/ih-1· | Einlauf | ^/0C | ■: 4 | 23564 01 | |
| 40,0 | 22 | ,8 | 912 | 33 | Auslauf | 16 | 40 | ||
| Nr | 45,5 | 26 | ,3 | 1113 | 32 | = Dauer des Tests | 16 | 48 | / C t/min |
| 1 | . 40,0 | 23 | 920 | 49 | 16 | 32 | ■:' 30 | ||
| 2 | 40,2 | 23 | ,2 | 933 | 49,0 | 16 | 32 | . 20 ;" | |
| 3 | 40,1 | 23 | ,1 | 928 | 38 | 16 | 37 | ,0 100 | |
| 4 | 40,1 | 23 | ,1 | • 928 | 13,5 | 16 | 75 | 100 | |
| 5 | bedeuten: | I | = Strom | ,0 100 | |||||
| 6 | y | = Spannung" | 100 | ||||||
| Es | N | = Leistung | |||||||
| Q | = Wassermenge | ||||||||
| K | = Temp, im | ||||||||
| ^E | — » »ι | ||||||||
| t | |||||||||
Unter Zugrundelegung einer Wärmekapazität'-von Wasser von
10 Joule/10C ergibt sich ein Wirkungsgrad von praktisch
Patentansprüche:
5098217G443
Claims (5)
- •g.Patentansprüche:Vi. / - Heizelement für Vorrichtungen zum Erwärmen von Gasen und Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß es aus offenporigem Kohlenstoffschaum (1) besteht.
- 2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Schaumstoff (1) aus glasartigem Kohlenstoff besteht.
- 3. Heizelement nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß es durch angepreßte Elektroden (11, 12), gegebenenfalls unter Zwischenlage druckdämmender Materialien 03,14), elektrisch kontaktiert ist.
- 4. Heizelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines Verbundkörpers aufweist, dessen Inneres aus Schaumstoff aus glasartigem Kohlenstoff besteht, während zumindest eine seiner Oberflächen (1a) aus dichtem oder kompaktem glasartigem Kohlenstoff besteht.
- 5. Heizelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Isolation (2) aus thermisch beständigem kautschukelastischem Material versehen ist.509821 /0U3
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OD | Request for examination | ||
| 8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
| 8125 | Change of the main classification |
Ipc: H05B 3/82 |
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| D2 | Grant after examination | ||
| 8363 | Opposition against the patent | ||
| 8366 | Restricted maintained after opposition proceedings | ||
| 8305 | Restricted maintenance of patent after opposition | ||
| D4 | Patent maintained restricted | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |