DE2356401C2 - Poröses Heizelement aus kohlenstoffhaltigem Material - Google Patents
Poröses Heizelement aus kohlenstoffhaltigem MaterialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein poröses Heizelement aus
kohlenstoffhaltigem Material für Vorrichtungen zum Erwärmen von Gasen und Flüssigkeiten.
Derartige Vorrichtungen sind z. R 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 Warmwasserbereiter, für gasgekOhlte Hochtemperaturreaktoren wie für Warmluft-Haartrockner.
Die Heizelemente der bekannten Vorrichtungen beste -hen meist aus Metallen, Insbesondere dann, wenn das
Erwärmen durch direktes Durchleiten von elektrischem Strom erfolgt. Dies bringt Korroslonsprobieme 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 reslstente Materlallen wie z. B. Quarz, Glas oder keramische Massen, so muß man für die erhöhte Korrosionsbeständigkeit
schlechtere Warmeübergangsbedlngungen In Kauf nehmen.
Aus der DE-OS 20 55 927 Ist ein poröses elektrisches
Heizelement zum raschen Erhitzen von Gasen, Flüssigkelten, Dämpfen oder Aerosolen bekannt, das aus einer
Vielzahl von länglichen, miteinander verfilzten Teilchen besteht, die an ihren Berührungsstellen metallisch miteinander verbunden sind, wobei die Teilchen aus gegebenenfalls graphltlerten Kohlefaden bestehen, auf deren
Oberfläche durch thermische Zersetzung einer Metallverbindung ein Metall aus der Gasphase abgeschieden Ist.
Zur Herstellung dieses Heizelements werden durch Verkohlen von natürlichen oder künstlichen Fäden, die aus
einer Kohlenstoffverbindung bestehen, Kohlefäden gewonnen. Diese werden In einem Durchlaufverfahren
auf die Zersetzungstemperatur eines Metallcarbonyle erhitzt und einer Metallcarbonyldampf enthaltenden
Atmosphäre ausgesetzt, bis Ihre Oberflächen mit einer
Metallschicht gewünschter Dicke versehen sind. Dann
werden die metallisierten Kohlefäden zu Stapelfasern zerschnitten. In die Form eines losen Haufwerkes gebracht,
auf die gewünschte Porosität komprimiert und an ihren Berührungsstellen metallisch miteinander verbunden.
Wegen der Metallschichten treten auch bei diesem HeIz
element die zuvor erwähnten Korrosionsprobleme auf.
Außerdem ist das mehrstufige Herstellungsverfahren ziemlich aufwendig.
Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizelement zu schaffen, das eine hohe chemische und
is mechanische Resistenz aufweist und zugleich einen
guten Wärmeübergang ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Heizelement aus offenporigem Kohlenstoffschaum besteht.
Kohlenstoffschaum wird durch pyrolytische Zersetzung von Kunststoffschäumen hergestellt. Der Nachteil
einer außerordentlich geringen Festigkeit des Kchienstoffschaums kann dadurch behoben werden, daß das
Material mit glasartigem Kohlenstoff verstärkt wird. Zu
diesem Zweck wird ein hochporöser Kunststoffschaum
mit einem viskosen Phenolharz imprägniert und nach Aushärtung durch Pyrolyse in Kohlenstoff überführt.
Dabei wird die Pyroiyse so geführt, daß das Imprägnierungsmittel in glasartigen Kohlenstoff umgewandelt wird
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung besteht beim
erfindungsgemäßen Heizelement der offenporige Kohlens'.offschaum aus glasartigem Kohlenstoff. Glasartiger
Kohlenstoff ist elektrisch leitend (der spezifische elektrl
sehe Widerstand von kompakten, d. h. porenfreiem glas
artigem Kohlenstoff beträgt etwa 10~3 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 Flüssigkelten 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 elektrlr/che Beheizung des erflndungsgemä-
mit dem zu beheizenden, durchströmenden Medium
möglich Ist.
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. Graphltfllz, erfolgen.
Um die Kontaktierung der Stromzuführungen zu
erleichtern, weist eine besonders zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelements die
Form eines Verbundkörpers auf, dessen Inneres aus Schaumstoff aus glasartigem Kohlenstoff besteht, während zumindest eine seiner Oberflächen aus dichtem oder
kompaktem glasartigem Kohlenstoff besteht. Die Kon-
taktierang der Stromzuführungen kann dabei wahlweise
durch Schrauben, Stlftkontakte, Anlöten oder auch wieder
durch einfaches Anpressen erfolgen. Besonders vorteilhaft wirkt sich bei Heizelementen In Form eines solchen
Verbundkörpers die TaUache 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 erfindungsgernäße Heizelement eine Isolation aus thermisch beständigem, vorzugsweise
kautschukelastischem Material zur Aufnahme thermisch bedingter Spannungen aufweisen.
Die mit dem erflndungsgemäßen Heizelement erzielten
Vorteile bestehen insbesondere in seiner hohen chemischen und mechanischen Resistenz, Im nahezu optimalen
Wärmeübergang pro Volumeneinheit und -In der breiten Variationsmöglichkeit der Strömungs- bzw.
Durchlaufcharakteristik. Hierzu sei im einzelnen folgendes bemerkt: Mit Kesselstein verunreinigte Heizelemente
können auf einfache Welse, 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 Verfügung steht. Strömungs- bzw. Durchlaufcharakteristik 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 Wasserauslauf eine geerdete Schutzelektrode, z. B. in
Form eines Drahtsiebes, angeordnet sein. Weitere Anwendungsmöglichkelten sind beheizte Diffuseren für
Bedampfungsanlagen und Warmlufttrockner. Einen besonderen Vorteil bietet das erfindungsgemäße Heizelement
In Geschirrspülmaschinen, wo es sowohl zum Erwärmen des Spülwassers als 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 Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und weiden Im folgenden näher
beschrieben. Es zeigt
Flg. 1 einen Durchlauferhitzer,
FI g. 2 upd 3 einen Verbundkörper als Heizelement eines Durchlauferhitzers in Aufsicht und Im Schnitt und
Flg. 4 ein Schaltbild für einen Durchlauferhitzer.
Der Durchlauferhitzer nach Flg. 1 enthält ein Heizelement
I, 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 Z aus gefülltem Silikonkautschuk eingefaßt und steckt bündig
In einem Glasrohr 3, das als Außenumhüllung dient und oben und unten von zwei Kunststoffkappen 4 und S
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 zwischen den
Metalltellern 11 und 12 und dem Heizelement 1 eingefügt. - Die Isolationsschicht 2 aus thermisch relativ hoch
ίο belastbarem Silikonkautschuk erfüllt verschiedene Funktionen.
Einmal wirkt sie wärmedämmend nach außen hin, sie trägt das Heizelement und dichte!: 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 F i g. 2 und 3 dahingehend abgeändert, daß anstelle des
einfachen ochaumstoff-Heizelementes ein Verbundkörper 1 vorgesehen ist, dessen obere (uyi nicht dargestellte
untere) Kreisfläche la aus dichtem oc.er kompaktem
glasartigem Kohlenstoff besteht, der mit Bohrungen 15 versehen ist. Die dichten Abdeckplatten la ermöglichen
eine bessere, d. h. betriebssichere Kontaktierung.
Im Schaltbild nach Fig. 4 ist u. a. die Schaltung einer
Schutzelektrode Ii dargestellt. AiIe übrigen Bezugszeichen
in den Flg. 3 und 4 haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1.
Ausführungsbeispiel
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):
Unter Zugrundelegung einer Wärmekapazität von Wasser von 4,186 · '.Q3 Joi'le/1° C ergibt sich ein Wirkungsgrad
von praktisch 100%.
| Nr. | I/a | U/v | N/w | Q/ih-i | iV°C | 40 | t/min |
| 1 | 40,0 | 22,8 | 912 | 33 | 16 | 48 | 30 |
| 2 | 45,5 | 26,3 | 1113 | 32 | 16 | 32,0 | 20 |
| 3 | 40,0 | 23 | 920 | 49 | 16 | 32 | 100 |
| 4 | 40,2 | 23,2 | 933 | 49,0 | 16 | 37,0 | 100 |
| 5 | 40,1 | 23,1 | 928 | 38 | 16 | 75 | 100 |
| 6 | 40,1 | 23,1 | 928 | 13,5 | 16 | 100 | |
| Es | bedeuten: | I = U = N = Q = »0 = t = |
Strom Spannung Leistung Wassermenge Temp, im Einlauf Temp, im Auslauf Dauer des Tests |
||||
Claims (5)
1. Poröses Heizelement aus kohlenstoffhaltigem Material 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 der offenporige Kohlenstoffschaum (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 (13, 14), elektrisch kontaktiert Ist.
4. Heizelement nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form
eines Verbundkörpers aufweist, dessen Inneres aus Schaumstoff aus glasartigem Kohlenstoff besteht,
wahrend zumindest eine seiner Oberflächen (\a) 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.
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|---|---|---|---|---|
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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 |
|
| 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 |