DE2432904A1 - Heizelement zum erhitzen von stroemungsmitteln - Google Patents

Heizelement zum erhitzen von stroemungsmitteln

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DE2432904A1
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heating element
fluid
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DE2432904A
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Richard John Brook
Peter Douglas Dunn
Rodney Ivan Taylor
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UK Atomic Energy Authority
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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/141Conductive ceramics, e.g. metal oxides, metal carbides, barium titanate, ferrites, zirconia, vitrous compounds
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24HFLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/101Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply
    • F24H1/102Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply with resistance
    • F24H1/105Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply with resistance formed by the tube through which the fluid flows

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Description

  • Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 34599/73 vom 19. Juli 1973 beansprucht.
  • Heizelement zum Erhitzen von Strömungsmitteln Die Erfindung bezieht sich auf Heizelemente zum Erhitzen von Strömungsmitteln und insbesondere zum Erhitzen von Flüssigkeiten, einschließlich des Erhitzens bis zum Verdampfen der Flüssigkeit und des Erhitzens bis zum Uberhitzen des durch Verdampfung der Flüssigkeit gebildeten Dampfes.
  • Vorrichtungen mit einem Heizkörper aus durchlässigem elektrisch leitendem Material durch welches ein Strömungsmittel hindurchgeleitet wird und bei dem Wärme durch Hindurchfließen eines elektrischen Stromes durch den Heizkörper erzeugt wird, sind im Prinzip attraktiv, weil die große Berührungsoberfläche zwischen Strömungsmittel und Heizkörper die Möglichkeit bietet, die erzeugte Wärme auf das Strömungsmittel in wirksamer und vorteilhafter Weise zu übertragen. Derartige Vorrichtungen sind zum Erhitzen von Strömungsmitteln für die verschiedensten Zwecke vorgeschlagen worden und haben sich zum Erhitzen von Gasen geeignet erwiesen sowie auch zum Erhitzen von Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser, auf eine Temperatur unterhalb der Sättigungstemperatur oder dem Siedepunkt der Flüssigkeit.
  • In der Praxis gibt es jedoch häufig Schwierigkeiten mit solchen Vorrichtungen, insbesondere dann, wenn das Material des Heizkörpers einen geringen spezifischen Widerstand aufweist, wie beispielsweise Kohlenstoff, und das Strömungsmittel eine Flüssigkeit ist, die bis dicht an die Sättigungstemperatur oder bis auf die Sättigungstemperatur und darüber erhitzt werden soll. Beispielsweise können Probleme auftauchen beim Erhitzen des Strömungsmittels in gleichförmiger und kontrollierter Weise, um so eine genaue Kontrolle über Strömungsmitteltemperatur oder Strömungsmittelqualität zu erzielen und eine weitläufige Änderung der Temperatur und der Qualität des Strömungsmittels an der Austrittsfläche des Heizkörpers zu vermeiden.
  • Für den höchst zufriedenstellenden Betrieb solcher Vorrichtungen besteht das Ziel darin, eine gleichmäßige Erzeugung von Wärme durch den gesamten Heizkörper hindurch sowie eine gleichmäßige Strömungsverteilung der Flüssigkeit durch den Heizkörper hindurch sicherzustellen. Es ist außerdem notwendig, daß die Wärmeerzeugung und Strömung entsprechend aufeinander abgestimmt,sind, um den gewünschten Anstieg der Flüssigkeitstemperatur gleichmäßig innerhalb des Heizkörpers zu erzielen.
  • Die Gleichmäßigkeit der Flüssigkeits-Strömungsverteilung ist abhängig von der inneren Geometrie des Heizkörpers, von manometrischen Druckänderungen in der Flüssigkeit an der Eingangsoberfläche der Heizvorrichtung und kann durch jegliche Nichtgleichmäßigkeiten in der Wärmeerzeugung beeinflußt werden.
  • In der Praxis bestehen sowohl bei der Wärmeerzeugung als auch bei der Strömungsverteiung Ungleichmäßigkeiten. Beispielsweise hat ein durchlässiger Heizkörper, der aus granuliertem Kohlenstoff hergestellt ist, einen Bereich von Porenabmessungen, die ungleichmäßig verteilt sind. Die sich daraus ergebende Ungleichmäßigkeit in der Strömungsverteilung ist offensichtlich, doch wird auch die Struktur eine Matrix von elektrischen Stromwegen von örtlich variierenden Widerständen liefern, so daß die Wärmeerzeugung ebenfalls ungleichmäßig ist. Die Strömungs-Ungleichmäßigkeit und die Ungleichmäßigkeit der Wärmeerzeugung sind selten selbstkompensierend, und dies führt zu einer Fehlanpassung zwischen Strömungamittelatrömung und Wärmeerzeugung. Eine Fehlanpassung bedingt änderungen der Temperatur vom einen Bereich zum anderen in ebenen des Heizkörpers, wo eine konstante Temperatur vorhanden sein sollte.
  • Wenn derartige Temperaturänderungen Veränderungen der Viskosität des Strömungsmittels erzeugen, dann wird die Ungleichmäßigkeit der Strömung weiter verschlimmert, da die Strömungsrate des Strömungsmittels von der Viskosität abhängig ist.
  • Weitere Beschränkungen ergeben sich in Bezug auf die Betriebsbedingungen, wenn das Strömungsmittel wärmeempfindlich ist, z.B. eine Degradierung oder Pyrolyse, wenn die Temperatur über einen vorbestimmten Wert erhöht wird. Zwei Möglichkeiten ergeben sich, und zwar insofern, als man wünschen kann, eine Degradation oder Pyrolyse zu vermeiden, wie beispielsweise bei der Verdampfung eines Siliconöls in einer Vakuum-Dampfpumpe, oder der Zweck der Erwärmungsstufe kann darin bestehen, eine Pyrolyse zu erzielen, doch es kann wesentlich sein, daß diese durch das gesamte Strömungsmittel hindurch stattfindet, und zwar in einer im wesentlichen konstanten Entfernung entlang der Strömungsrichtung von der Eingangsoberfläche der Heizvorrichtung.
  • Eine Fehlanpassung bei den Strömungs- und Wärmeerzeugungsmustern, die zu überhitzten Stellen führt, muß nstürlich bei solchen wärmeempfindlichen Strömungsmitteln vermieden werden.
  • Wenn darübeinsus der Heizkörper eine Flüssigkeit auf eine mittlere Temperatur gerade oberhalb ihres Siedepunktes erwärmen soll, dann kann die Flüssigkeit an einigen isolierten Stellen den Siedepunkt erreichen. Wenn auf diese Weise Dampf erzeugt wird, dann hat die merkliche Anderung in der örtlichen Strömungs-und Wärmeabfuhrcharakteristik das Bestreben, die Fehlanpassung zu verstärken, und eine überhitzte Stelle kann die Folge sein.
  • Wenn zudem auf diese Weise Dampf nahe der Plüssigkeits -Eintr itts -fläche des Heizkörpers erzeugt wird, so kann ein ungenügender Druckabfall in der flüssigen Phase innerhalb des Heizkörpers vorliegen, um die Strömung in denjenigen Bereich hinein zu stabilisieren, in dem der Dampf gebildet wird. Die Folge davon ist, daß die überhitzten Stellen größer werden und schließlich zu einem Fehlfunktionieren des Heizgerätes führen. Die Folgen können katastrophal sein in Fällen, wo der Kohlenstoffkörper an der lokalisierten überhitzten Stelle dauernd beschädigt wird.
  • Erfindungsgemäß wird ein Heizelement zum Erhitzen eines Strömungsmittels geschaffen, welches einen elektrischen Widerstands-Heizkörper aus einem Material aufweist, welches einen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist, wobei Strömungsmittel-Strömungswege durch den Körper hindurch vorgesehen sind.
  • Die Strömungsmittel-Strömungswege können durch eine Anzahl von Kanälen gebildet werden, die sich durch das Element hindurch von einer ersten Seite des Körpers nach einer zweiten Seite desselben erstrecken. Alternativ können die Strömur3smittel-Strömungswege auch durch untereinander verbundene Poren im Körper gebildet werden. In diesem Falle kann das Strömungsmittel mäanderartig und willkürlich durch den Körper hindurchströmen, doch ist der Körper so gebaut, daß der Gessmteffekt so ist, daß die aus dem Körper abgezogene Wärme allgemein in einer gemeinsamen Richtung durch den Körper hindurchfließt.
  • Vorzugsweise wird der Körper aus einem Ferroelektrikum hergestellt, welches eine Perovskite-Kristallstruktur aufweist, wie beispielsweise: BaTiO3; (Ba, Sr) TiO3; (Ba, Pb) TiO3; Ba-(TiSn) O3; Ba (TiZr) O,; (Ba, Sr) (TiSn) O3; oder Titanate der allgemeinen Formel (X0,003 Z0,997) #0,001 #0,001 TiO3#y, worin 1 ein Seltenerdemetall oder Antimon oder Yttrium oder ein anderes dreiwertiges Metall oder eine Kombination derselben ist; wobei Z Barium oder Strontium oder Blei oder eine Kombination von diesen ist; und wobei y null oder eine positive Zahl im Bereich von größer als >0 bis 1 sein kann.
  • Alternativ kann die allgemeine Formel des Materials von folgendem Typ sein: Z (ei0,997 wo,003) °3 +0,001 +0,001 worin Z Barium, Strontium oder Blei ist, und wobei Q Niob oder Antimon oder Wismut oder ein anderes fünfwertiges Metall oder eine Kombination von diesen ist. Verbindungen, die aus Gemischen der beiden Formeln dargestellt werden, sind ebenfalls geeignet.
  • Durch die Erfindung wird außerdem ein Heizelement zum Erwärmen eines Strömungsmittels geschaffen, welches einen elektrischen Widerstands-Heizkörper aufweist, der aus einem Material hergestellt ist, welches einen positiven Widerstandstemperaturkoeffizient en hat und mit Strömungsmittel-Strömungswegen durch den Körper hindurch versehen ist, wobei der Körper so konstruiert ist, daß Ausweichwege bzw alternative Wege für den elektrischen Strom gebildet werden.
  • Durch die Erfindung wird auch ein Heizelement zum Erhitzen eines Strömungsmittels geschaffen, wobei das Element einen elektrischen Widerstands-Heizkörper aus einem Material aufweist, das einen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist und mit Strömungsmittel-Strömungswegen durch den Körper hindurch versehen ist, wobei der Körper so konstruiert ist, daß Ausweichwege für den elektrischen Strom in der Nähe der Oberfläche des Körpers, die mit dem entlang den Strömungsmittel-Strömungswegen fließendem Strömungsmittel in Kontakt steht, für den Fall, daß ein Bereich des Körpers, der nicht in direktem Kontakt mit dem entlang dem Strömungsmittel-Strömungswegen fließendem Strömungsmittel steht, die Curie-Temperatur des Material des Körpers erreicht.
  • Ferner wird durch die Erfindung ein Heizelement zum Beheizen eines Strömungsmittels geschaffen, wobei das Element einen elektrischen Widerstands-Heizkörper aus einer Matrix von Blechen oder Folien eines Materials aufweist, welches einen positiven Widerstandkemperaturkoeffizienten aufweist, wobei diese so zusammengebaut ist, daß langgestreckte Strömungsmittel~ Strömungswege zwischen den Blechen oder Folien gebildet werden, welche sich durch den Körper hindurch erstrecken, und wobei das Element ferner Mittel zum Hindurchschicken eines elektrischen Stromes durch die Bleche oder Folien in einer Richtung quer zur Strömung des Strömungsmittels entlang den Strömungsmittel-Strömungswegen aufweist.
  • Die Bleche oder Folien können abwechselnd flache und gewellte Bleche oder Folien sein, wobei die gewellten Bleche oder Folien in Ebenen liegen, die allgemein parallel zu den flachen Blechen oder Folien verlaufen.
  • Die Bleche, Folienstreifen oder Scheiben können zwei Sätze von im wesentlichen parallelen, im Abstand voneinander angeordneten flachen Blechen oder Scheiben bilden, wobei ein Satz von Blechen oder Scheiben in Ebenen angeordnet werden, die senkrecht zu jenen Blechen oder Scheiben des anderen Satzes verlaufen.
  • Die Bleche oder Scheiben können so angeordnet werden, daß sie einen würfel- bzw. mosaikartigen Aufbau jeder beliebigen geometrischen Form im Querschnitt des Heizelementes bilden.
  • Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigen die Fign. 1 und 2 schematisch zwei Ausführungsformen eines porösen Heizelementes, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist, während Fig. 3 einen Querschnitt durch das Heizelement nach Fig. 2 entlang der Linie A-A von Fig. 2 wiedergibt.
  • Das Heizelement nach Fig. 1 weist einen Körper 1 mit untereinander verbundenen Poren auf, die Strömungsmittel Strömungswege durch den Körper hindurch bilden Zwei Elektroden 2,3 sind an entgegengesetzen Seiten des Körpers 1 befestigt.
  • Im Betrieb wird zu erwärmendes Strömungsmittel gezwungen, allgemein in einer bestimmten Richtung durch den Körper 1 zu strömen, wie durch Pfeile angedeutet. Die Elektroden 2,3 werden an eine entsprechende elektrische Energiequelle angeschlossen, und ein elektrischer Strom wird durch den Körper hindurchgeschickt, woraufhin der Körper erwärmt wird. Sobald irgendein Teil des Heizelementes die Curie-Temperatur des Materials des Elementes (1200C für Lanthan-Barium-Titanat) erreicht wird der elektrische Widerstand örtlich erhöht, und der elektrische Strom ist nicht in der Lage, durch den Bereich von hohem Widerstand zu strömen.
  • Wenn das gesamte Heizelement die Curie-Temperatur erreicht, schaltet entweder das gesamte Heizelement ab oder bei höheren zugeführten Spannungen geht das positive Temperaturkoeffizientverhalten verloren.
  • Da das Wärmeleitvermögen von Lanthan-Barium-Titanat gering ist (wobei der Koeffizient der spezifischen Wärmeleitfähigkeit etwa 10 2 W/cm Grad beträgt), so ist die Geschwindigkeit des Abführens von Wärme aus dem Inneren des Heizelementes gering im Vergleich zu derjenigen an dessen Oberfläche. Da somit die Spannung im Verhältnis zum spezifischen Widerstand abmimmt, wenn der elektrische Strom keine andere Wahl hat, als durch das Innere des Materials zu fließen, dann wird nahezu die gesamte zugeführte Spannung auf einem sehr schmalen Bereich innerhalb des Heizelementes konzentriert, und die weiter außen gelegenen Schichten tragen fast pa lichts zur Erwärmung bei. Erfindungagemäß wird es vorgezogen, den elektrischen strom zu veranlassen, in den Oberflächenbereichen des Materials in einem paralle1eschalteten elektrischen Weg für den Strom zu fließen, so daß er den inneren Bereich des Materials in einem Beipaß umgehen kann.
  • Ein vorhersehbarer Vorteil bei der Verwendung eines Materials mit einem positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten gegenüber beispielsweise den z.Zt. verwendeten Kohlenstoffkörpern ergibt sich aus der Möglichkeit, das Heizelement dazu zu verwenden, um das Strömungsmittel'auf eine genau beizubehaltende vorgegebene Temperatur zu erwärmen, die durch das Hei-zelement selbst bestimmt und thermostatisch geregelt wird.
  • Das Volumen der Poren relativ zum Volumen des gesamten porösen Heizelementes ist so, daß die Dicke des Materials des Heizelementes zwischen benachbarten Poren in der Größenordnung von 0,1 mm bis 0,3 mm liegt, und die kleinste Abmessung des Materials zwischen den Poren liegt in einer Richtung, die im wesentlichen senkrecht zu der über das Material verlaufenden Strömung des Strömungsmittels verläuft. Der Körper 1 braucht nicht ein Würfel zu sein, sondern könnte beispielsweise auch ein Zylinder sein. Es hat sich herausgestellt, daß ein zglindrischer poröser Heizelementkörper von 3 cm Durchmesser und einer Länge von 3 cm, hergestellt aus Lanthan-Barium-Titanat mit einem Gesamtporenvolumen von 60% und mit einer Materialdicke zwischen den Poren im typischen Fall von 0,2 mm zum Erwärmen von Wasser auf eine Temperatur von 1000C geeignet ist, wenn ein elektrischer Strom von 8 Ampere durch diesen hindurchgeschickt wird, und zwar von einem Versorgungsnetz von 220 Volt Wechselstrom.
  • Bei einer anderen Ausführungsform von Heizelement, wie sie in den Fign. 2 und 3 dargestellt ist, ist das Heizelement 10 aus einer Matrix von abwechselnden gewellten Scheiben oder Blechen 11 und flachen Scheiben oder Blechen 12 aufgebaut, jede im typischen Fall mit den Abmessungen 3 cm x 5 cm x 0,2 mm und' hergestellt aus Lanthan-Barium-Titanat (La0,003 Ba0,997 TiO3) in einem Block mit den Abmessungen 3 cm x 3 cm x 5 cm. Die gewellten Bleche oder Scheiben 13 sind an die Bleche oder Scheiben 14 in Bereichen angeschmolzen, wo die Scheitel der Wellungen die flachen Scheiben oder Bleche berühren. Zusammen bilden die Scheiben 13 und 14 Kanäle 15, die Strömungsmittel-Strömungswege darstellen, welche sich durch das Heizelement von der einen Seite nach einer anderen Seite erstrecken. Elektroden 13s14 sind an den Enden der Scheiben 11 und 12 befestigt, und die Kanäle 15 erstrecken sich in einer Richtung senkrecht zu der allgemeinen Richtung, in der der elektrische Strom durch das Heizelement von der Elektrode 11 nach der anderen Elektrode 12 fließt. In Fig. 2 deuten die Pfeile 16 die Strömungsrichtung des zu beheizenden Strömungsmittels an Im Betrieb wird zu beheizendes Strömungsmittel gezwungen, entlang den Kanälen 15 in Richtung der Pfeile 16 zu fließen, und die Elektroden 11,12 werden mit einem entsprechenden Versorgungsnetz verbunden, im typischen Falle von 240 Volt Wechselstrom- 50 Hz, so daß ein elektrischer Strom von der Elektrode 11 nach der Elektrode 12 über die Breite der Bleche bzw. Scheiben 13 und 14 fließt0 Die in den Scheiben oder Blechen 13,14 erzeugte Wärme wird durch das entlang den Kanälen 15 fließende Strömungsmittel abgezogen Es hat sich herausgestellt, daß ein Heizelement, welches entsprechend den Fign. 2 und 3 konstruiert ist, wobei Lanthan-Barium-Titanat-Bleche in den Abmessungen 3 cm x 5 cm x 0,2 mm verwendet werden9 die in einen Block zusammengebaut sind, welcher die Abmessungen 3 cm x 3 cm x 5 cm hat, zum Erwärmen von Wasser auf eine Temperatur von 100°C geeignet ist, wenn ein elektrischer Strom von 8 Ampeieaus einem 220-Volt-Wechselstromnetz durch das Heizelement hindurchgeschickt wird.
  • Bei einer anderen Konstruktion kann das Heizelement 10 aus dünnen .(z.B, 0,2 mm) Blechen aus Lanthan-Barium-Titanat hergestellt werden, die so angeordnet werden, daß Kanäle gebildet werden, die im Querschnitt des Heizelementes einen vieleckigen mosaikartigen Aufbau bilden, z.B. dreieckig, viereckig, sechseckig oder achteckig oder von irgendeiner anderen gewünschten geometrischen Form. Beispielsweise kann der eine Satz von parallel beabstandeten Blechen oder Scheiben in Ebenen angeordnet werden, die senkrecht zu einem zweiten Satz von parallelen beabstandeten Scheiben verlaufen, um ein viereckiges Mosaikmuster im Querschnitt des Heizelementes zu bilden. In diesem Falle kann der elektrische Strom veranlaßt werden, entlang einem oder mehreren Sätzen von Blechen oder Scheiben in einer Richtung zu fließen, die normal bzw. senkrecht zur Strömung des Strömungsmittels durch die so gebildeten Kanäle verläuft.
  • Die Curie-Temperatur von Lanthan-Barium-Titanat beträgt 120 0C, doch falls erwünscht, kann das Lanthan-Barium-Titanat mit anderen Elementen angereichert werden, um die Curie-Temperatur zu erhöhen oder zu erniedrigen.
  • Auf diese Weise kann das Heizelement so ausgelegt werden, daß es ein gegebenes Strömungsmittel auf eine gegebene Temperatur erhitzt, die durch die Curie-Temperatur des Materials des Heizelementes bestimmt wird.
  • Tabelle 1 veranschaulicht die Curie-Temperatur einiger Titanate von der allgemeinen Formel: Lag,003 x Ti 0,997 5 y + + -0,001 -0,001
    Curie-Temperatur
    100% Ba 1200C
    50% Ba 50 Sr weniger als OOC
    50% Ba 50% Pb 350°C
    00% Pb 490 C
    Das Heizelement ist so konstruiert, daß abwechselnde Wege für den elektrischen Strom an oder nahe jenen Oberflächen des Heizkörpers existieren, die in direktem Kontakt mit dem Strömungsmittel stehen, für den Fall, daß das Innere des Körpers, welches nicht in direktem Kontakt mit dem Strömungsmittel steht, die Curie-Temperatur des Körpers erreicht. Auf diese Weise wird das Funktionieren des Heizelementes durch die Temperatur des Strömungsmittels beherrscht und nicht durch die Temperatur der inneren Bereiche des Heizkörpers.
  • Im Idealfall werden die Wärmeleitwege zwischen dem Inneren des Körpers und jenen Oberflächen, die in direktem Kontakt mit dem entlang den Strömungsmittelströmungswegen fließenden Strömungsmittel stehen, so kurz wie möglich gehalten, und der steuernde Hauptwärmefluß wird entlang dem kürzesten Weg verlaufen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß das Material zwischen den Strömungsmittel-Strömungswegen möglichst dünn gehalten wird. Wenn diese Ziele erreicht sind, und wenn der elektrische Strom veranlaßt wird, entlang dem Körper in einer Richtung parallel zu den Oberflächen, die in Kontakt mit dem Strömungsmittel stehen, welches entlang den Strömungsmittel-Strömungswegen fließt, und nicht senkrecht zu diesen zu fließen, und wenn das Innere die Curie-Temperatffr erreicht, während die mit dem Strömungsmittel in Berührung stehenden Oberflächen unterhalb der Curie-Temperatur liegen, dann umgeht der elektrische Strom die heißen Innenbereiche und fließt in der Nähe der Oberflächen, die mit dem Strömungsmittel in Kontakt stehen, um diese auf die Curie-Temperatur zu erwärmen. Wenn alle diese Oberflächen (und somit das Strömungsmittel) auf der Curie-Temperatur liegen, dann schaltet das gesamte Heizelement ab.
  • Andererseits werden Heizelemente, bei denen der elektrische Strom in die eine Oberfläche hineinfließt, welche in Kontakt mit dem Strömungsmittel steht, und zwar über einen Innenbereich hinweg, der nicht mit dem Strömungsmittel in direktem Kontakt steht und aus einer zweiten Oberfläche heraus, die mit dem Strömungsmittel in Berührung steht, abschalten, wenn das Innere die Curie-Temperatur erreicht, und zwar ungeachtet der Temperatur an den Oberflächen. Dies kommt daher, weil keine alternativen Stromwege vorhanden sind und das Innere mit den gekühlsten äußeren Oberflächen, die in Kontakt mit dem Strömungsmittel stehen, elektrisch in Reihe (und nicht parallel) geschaltet ist.
  • Da die dünnen Bleche oder Scheiben 13 und 14 des Heizelementes nach den Fign. 2 und 3 mit ihrer kleinsten Abmessung allgemein senkrecht zu der Strömungarichtung des Strömungsmittels durch die Kanäle 15 hindurch angeordnet sind, verläuft der Wärmefluß in jedem Blech oder jeder Scheibe 13,14 vom Inneren nach der Außenoberfläche senkrecht sowohl zum Strömungsmittel fluß als auch zum allgemeinen Fluß des elektrischen Stromes durch das Heizelement 10 hindurch. Sollte sich also eine örtliche überhitzte Stelle bei einer Temperatur entwickeln, die der Curie-Temperatur des Materials des Bleches oder der Scheibe 13 oder 14 äquivalent ist, dann bestehen alternative Wege für den elektrischen Strom entweder entlang dem übrigen Teil des Bleches oder der Scheibe, in welcher die überhitzte Stelle auftritt, oder entlang anderen Blechen oder Scheiben 13 oder 14. Außerdem werden lokalisierte überhitzte Stellen im Inneren jedes Bleches oder jeder Scheibe 13 oder 14, verglichen mit deren Oberflächen, die in Kontakt mit dem zu beheizenden Strömungsmittel stehen, nicht unbedingt den elektrischen Strom für dieses Blech oder diese Scheibe "abschalten11, es sei denn, daß die gesamten Oberflächen ebenfalls Curie-Temperatur haben. Dies liegt daran, weil der elektrische Strom immer noch entlang den Oberflächenbereichen des Bleches oder der Scheibe fließen könnte, obwohl das Innere des Bleches oder der Scheibe Curie-Temperatur hat und der elektrische Strom nicht in der Lage ist, durch die Innenbereiche des Bleches oder der Scheibe zu fließen.
  • Patent ansprüche

Claims (1)

  1. Patentaspyüche 1. Heizelement zum Erhitzen eines Strömungsmittels, bestehend aus einem elektrischen Widerstands-Heizkörper, der aus einem Material hergestellt ist, welches einen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Strömungsmittel-Strömungswege durch den Körper (1) hindurch vorgesehen sind. -2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmittel-Strömungswege durch eine Anzahl von Kanälen (15) gebildet sind, die sich durch den Körper (1) hindurch von einer ersten Seite desselben nach einer zweiten Seite desselben erstrecken.
    3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmittel-Strömungswege durch untereinander verbundene Poren im Körper (1) gebildet sind.
    4. Heizelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb das Strömungsmittel veranlaßt wird, willkürlich durch den Körper (1) zu strömen, und daß der Körper (1) so aufgebaut ist, daß der Gesamteffekt darin besteht, daß die aus dem Körper (1) abgezogene Wärme allgemein in einer gemeinssmen Richtung durch den Körper g1) fließt.
    5. Heizelement zum Erhitzen eines Strömungsmittels, bestehend aus einem elektrischen Widerstands-Heizkörper, der aus einem Material hergestellt ist, welches einen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) mit Strömungsmittel-Strömungswegen durch den Körper hindurch versehen ist und daß der Körper (1) so konstruiert ist, daß alternative Wege bzw. Ausweichwege für den elektrischen Strom für-den Fall geschaffen werden, daß lokalisierte Bereiche des Körpers (1) dessen Curie-Temperatur erreichen.
    6. Heizelement zum Erhitzen eines Strdmungsmittels, bestehend aus einem elektrischen Widerstands-Heizkörper, der aus einem Material hergestellt ist, welches einen positiven Widerstandstemperatur-Koeffizienten hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) mit durch ihn hindurch verlaufenden Strömungsmittel-Strömungswegen versehen und so aufgebaut ist, daß alternative Wege für den elektrischen Strom in der Nähe der Oberfläche des Körpers (1) geschaffen werden, die mit dem entlang den Strömungsmittel-Strömungswegen (15) fließenden Strömungsmittel in Kontakt stehen, und zwar für den Fall, daß ein Bereich des Körpers, der nicht in direktem Kontakt mit dem Strömungsmittel steht, welches entlang den Strömungsmittel-Strömungswegen fließt, die Curie-Temperatur des Materials des Körpers (1) erreicht.
    7. Heizelement zum Erhitzen eines Strömungsmittels, bestehend aus einem elektrischen Widerstands-Heizkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) aus einer Matrix von Blechen oder Scheiben (13,14) aus einem Material hergestellt ist, welches einen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten hat, wobei die Scheiben oder Bleche so zusammengebaut sind, daß langgestreckte Strömungsmittel-Strömungswege (15) zwischen den Blechen oder Scheiben (13,14) gebildet werden, die sich durch den Körper (1) hindurch erstrecken, und daß Mittel (11,12) zum Hindurchachicken eines elektrischen Stromes durch die Bleche oder Scheiben t3,14) in einer Richtung quer zum Fluß des Strömungsmittels entlang den Strömungsmittel-Strömungswegen (15) vorgesehen sind.
    8. Heizelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche oder Scheiben (13,14) abwechselnd flache (14) und gewellte (13) Bleche oder Scheiben sind und daß die gewellten Bleche oder Scheiben (15) in Ebenen liegen, die allgemein parallel zu den flachen Blechen oder Scheiben (14) verlaufen.
    9. Heizelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche oder Scheiben (i3,i4) zwei Sätze von im wesentlichen parallelen, im Abstand voneinander angeordneten flachen Blechen oder Scheiben bilden, wobei der eine Satz von Blechen oder Scheiben in Ebenen angeordnet ist, die senkrecht zu den Blechen oder Scheiben des anderen Satzes verlaufen.
    10. Heizelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche oder Scheiben (13,14) so angeordnet sind, daß sie einen mosaikartigen Aufbau von gleichmäßigen geometrischen Formen im Querschnitt des Heizelementes bilden.
    11. Heizelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) aus einem Ferroelektrikum mit Perovskite-Kristallstruktur hergestellt ist.
    12. Heizelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein solches ist, welches aus der Gruppe folgender Materialien ausgewählt ist: BaTiO3; (Ba, Sr)TiO3; (Ba, Pb)TiO3; Ba(TiSn)03; Ba(TiZr)03; (Ba, 8r) (Ti Sn)03.
    13. Heizelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein solches mit der allgemeinen Formel (I000; 0,997) 3 -+ 0,001 ist, wobei 1 ein Seltenerdemetall oder Antimon oder Yttrium oder ein anderes dreiwertiges Metall oder eine Kombination derselben ist, wobei Z Barium oder Strontium oder Blei oder eine Kombination von diesen ist; und wobei y null oder eine positive Zahl im Bereich von größer als >O-bis 1 sein kann.
    14. Heizelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material die allgemeine Formel hat: Z (io,997 Q0,003) 0 +0,001 +-0,00i 3 -y, wobei Z Barium oder Strontium oder Blei ist, Q Niob oder Antimon oder Wismut oder ein anderes fünfwertiges Metall oder eine Kombination von diesen ist, und wobei y null oder eine positive Zahl im Bereich von 0 bis 1 ist.
    15. Heizelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Verbindung ist, die aus Gemischen der Formeln: (X0,003 Z0,997) TiO3#y +0,001 +0,091 und Z (Ti0,997 Q0,003) O3 #0,001 #0,001 #y aufbereitet wird, wobei X ein Seltenerdemetall oder Antimon oder Yttrium oder ein anderes dreiwertiges Metall oder eine Kombination von diesen ist; Z Barium oder Strontium oder Blei oder eine Kombination von diesen ist; y null oder eine positive Zahl im Bereich von > O bis 1 ist, und wobei Q Niob oder Antimon oder Wismut oder ein anderes fünfwertiges Metall oder eine Kombination von diesen ist.
DE2432904A 1973-07-19 1974-07-09 Heizelement zum erhitzen von stroemungsmitteln Pending DE2432904A1 (de)

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