-
Heizvorrichtung, insbesondere Heizstab Die Erfindung betrifft eine
Heizvorrichtung, insbesondere Heizstab, mit einer in das aufzuheizende Medium eintauchenden
wärmeabgebenden Zone und mit einer wärmeaufnehmenden Zone.
-
Es sind eine Vielzahl elektrischer Heizapparate zur Aufheizung von
gasförmigen, flüssigen oder festen Medien bekannt. Bekannte Ausführungsformen sind
Konvektoren, Heizstäbe, Heizkabel, Gliederheizkörper, Heizpatronen und Tauchsieder.
Die bekannten Heizvorrichtungen bestehen aus einem stromdurchflossenen Leiter, bei
dem die Joule'sche Wärme ausgenutzt wird. Der elektrische Leiter ist von
einer
elektrischen Isolierschicht umgeben, die ihrerseits - entsprechend dem Anwendungsfall
- mit einem Schutzrohr versehen ist. Das Isolationsmaterial, die erforderliche Isolationsstrecke
und die höchstzulässige Heizleiter- bzw.
-
Rohrmanteltemperatur bestimmen die Belastbarkeit der Heizfläche über
die höchstzulässige Temperatur. Die Aufheizungvon insbesondere chemisch aggressiven
Schmelzbädern, wie z.B.
-
Fluorid-Salzschmelzen für Wärmespeicher, ist mit solchen elektrischen
Heizstäben nach oben durch den Aufbau des Heizstabes und der zulässigen Höchsttemperaturen
derart begrenzt, daß die geforderten Aufheiztemperaturen in manchen Anwendungsfällen
nicht erreicht werden können. Heizstäbe, die für solche Schmelzen ausgelegt sind,
weisen infolge der notwendigen elektrischen Isolation, bzw. der erforderlichen Isolierstrecke
und der erforderlichen Schutzrohrhülse einen großen Wärmewiderstand in radialer
Richtung auf, so daß die Oberflächentemperatur des Heizstabs relativ niedrig liegt.
Weitere Nachteile der bekannten Heizvorrichtungen bestehen darin, daß zur Aufheizung
von explosionsanfälligen Medien elektrische Heizvorrichtungen aus Sicherheitsgründen
nicht verwendet werden dürfen. Ein Heizbrenner ist in solchen Fällen ohnehin nicht
verwendbar.
-
Andererseits ist bei-den herkömmlichen Heizstäben die wärmeübertragende
Oberfläche zur Aufheizung eines Mediums durch den Stabdurchmesser festgelegt. Zusätzliche
Wärmeübertragungsflächen in Form von aufgesetzten Rippen weisen infolge des Temperaturgradienten
durch Wärmeleitung vom Rippenfuß bis an die Rippenoberfläche eine geringere "mittlere!'
Oberflächentemperatur auf als die Rohroberfläche selbst.
-
Bei dem Wärmerohr-Heizstab kann die Wärmeübertragungsfläche zur Wärmeab'gabe
jedoch leicht dadurch vergrößert werden, daß z.B.
-
der Umfang des Stabes durch einen faltenartigen bzw. sternförmigen
Querschnitt beliebig vergrößert wird. Die so gebildeten "Rippen" weisen dann alle
dieselbe hohe Temperatur auf. Damit kann gegenüber berippten konventionellen Heizstäben
die Wärmeübertragungsfläche kiein gehalten werden.
-
Eine Oberflächenvergrößerung des Dampfraumes kann natürlich auch durch
beliebige Abzweigkanäle von dem Dampfraum auf der Heizseite, bzw. durch eine Auffächerung
eines Dampfraumes gebildet werden; dazu gehört auch die wärmetechnische Parallelschaltung
mehrerer einzelner Wärmerohre.
-
Große Wärmeübertragungsflächen können aber auch lurch den Zusammenbau
mehrerer einzelner in sich abgeschlossener Wärmerohre erzielt werden, allerdings
mit geringem Temperaturabfall entsprechend der Wärmewiderstände der einzelnen Rohrwände.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizvorrichtung, insbesondere
einen Heizstab zu entwickeln, der auf Grund seines geringeren radialen Wärmewiderstands
auf höhere Temperaturen aufheizbar ist der eine hohe Wärme leitung an das aufzunehmende
Medium mit relativ kleiner Wärmeaustauschfläche und hoher Oberflächentemperatur
überträgt, und der auch zur Aufheizung explosionsanfälliger Medien verwendbar ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die wärmeaufnehmende
Zone außerhalb des aufzuheizenden Mediums angeordnet ist und daß für die Wärmeübertragung
zur wärmeabgebenden Zone ein Wärmerohr (heat pipe) vorgesehen ist.
-
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß der elektrische Teil der Heizvorrichtung außerhalb des aufzuheizenden Mediums
angeordnet und auch räumlich getrennt werden kann und somit keine Gefahr bei aggressiven
oder explosionsanfälligen Medien entstehen kann. Durch die Verwendung eines Wärmerohrs
(heat pipe) ist auf Grund des geringen Wärmewiderstands eine sehr gute und verlust
freie Wärmeübertragung gewährleistet. Es kann auf höhere Temperaturen aufgeheizt
werden.
-
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß zur Aufheizung der wärmeaufnehmenden
Zone außerhalb des aufzuheizenden Mediums auch ein Gasbrenner oder andere Aufheizvorrichtungen
verwendet werden können, die mit dem aufzuheizenden Medium nicht in Kontakt kommen
bzw. kommen dürfen. Dies ist auch für die Aufheizung von Räumen von Vorteil, in
denen kein eSauerstoffmangel auftretBh das%
Insbesondere bei aggressiven
Medien ergibt sich ein Vorteil durch wesentlichen geringen Aufwand an elektrischen
Isoliermaterial und durch höhere Betriebssicherheit.
-
Ein weiterer Vorteil von Wärmerohrheizstäben ist die Möglichkeit,
nahezu beliebige Biegungen und Umlenkungen am Wärmerohr vorzunehmen, sowie mehrere
Wärmerohre als Verlängerung hintereinander zu schalten, ohne eine wesentliche Verringerung
der Wäremübertragungsleistung zu bewirken. Die weiteren bekannten Vorteile eines
Wärmerohrs sind auch für einen Heizstab von Vorteil: hintereinander geschaltete
Wärmerohre können als Wärmetransformator geschaltet werden, sie sind auswechselbar,
sie sind durch Gaspolster steuer- und regelbar (z.B. auf konstante Temperatur bei
unterschiedlicher Leistungsentnahme), sie sind als Diode schaltbar (ein Wärmestrom
ist nur in einer Richtung möglich).
-
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.
-
Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Heizvorrichtung
mit elektrischer Widerstandsheizung, Fig. 2 eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
mit mehreren Wärmerohren, Fig. 3 ein Schnittbild des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsb
ei spie Is , Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem gebogenen Wärmerohr
und einer Ofenkammer und Fig. 5 eine Ausführung mit Wärmerohr-Rippen.
-
Zunächst sei auf das bekannte Prinzip des Wärmerohrs (heat pipe) eingegangen.
Bei einem solchen Wärmerohr handelt es sich um ein geschlossenes Rohr beliebigen
Querschnitts, an dessen Innenwandung eine Kapillarschicht angebracht ist. Eine solche
Kapillarschicht kann z.B. ein engmaschiges Netz oder eine Gewinderille in der Rohrinnenfläche
sein. In einem Bereich A, der sogenannten Heizzone, wird das Wärmerohr erhitzt und
eine Flüssigkeit im Innern des Wärmerohrs verdampft. Der Dampf schießt mit hoher
Geschwindigkeit im Innern des Wärmerohrs durch eine sogenannte Transportzone B und
kondensiert an einer kälteren Stelle C des Wärmerohrs, der sogenannten Kühlzone.
Die Flüssigkeit wird durch Kapillarkraft in der Kapillarstruktur wieder in die Heizzone
A zurückgeführt. Bei flüssigem Natrium als Wärmeübertragungsmedium kann eine Wärmeleitfähigkeit
erreicht werden, die einige tausendmal höher ist als bei Wärmeleitung durch Metallstäbe
(Cu) bei gleichem Durchmesser der wärmeübertragenden Vorrichtung und bei gleichem
Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Wärmesenke. Verdampfung und Kondensation
sind Phasenumwandlungen eines Stoffes, bei denen sich der Energieinhalt, nicht aber
die Temperatur des Stoffes ändert. Das erklärt sich daraus, daß bei der Phasenumwandlung
nicht die kinetische Energie der Moleküle, sondern ihre potentielle Energie verändert
wird. Pro Masseneinheit der Flüssigkeit muß eine bestimmte Wärmemenge, die spezifische
Verdampfungswärme zugeführt werden, um die Flüssigkeit in Dampf umzuwandeln. Die
gleiche Wärmemenge - auch latente Wärme genannt - wird bei der Kondensation des
Dampfes wieder frei. Läßt man daher an einem Ende einer geschlossenen Röhre fortwährend
eine bestimmte Flüssigkeitsmenge verdarnpfen, so strömt der Dampf in Richtung des
anderen Endes und kondensiert, wenn dort die Temperatur nur wenig geringer ist,
wieder zu einer Flüssigkeit. Die Wärmeübertragung von Wäremquelle zur -senke erfolgt
also praktisch bei konstanter Temperatur längs des Heizstabs (isotherme Verhältnisse
im Wärmerohr). Bei diesem Vorgang wird die latente Wärme längs der Röhre transportiert.
Man bezeichnet die Form der Wärmeübertragung in der Technik als "Verdampfungskühlung".
Wärmerohre sind beispielsweise bekannt aus den "Preprints" der "International Heat
Pipe
Conference, October 73, Stuttgart". Über die Regelbarkeit von
Wärmerohren mittels Gaspolstern ist dort in Session 7 unter dem Titel "Variable
Conductance Heat Pipes" berichtet.
-
Der Betrieb eines Wärmerohrs als Diode, d.h. Wärmeübertragung nur
in eine Richtung, ist in Session 12, "Development of Alkali-Metal Heat Pipes as
Thermal Switches" beschrieben.
-
In dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausfühungsbeispiel ist ein Wärmerohr
10 durch einen stromdurchflossenen, als Wicklung ausgebildeten Leiter 11 beheizt.
Die Heizung erstreckt sich über die Heizzone A, entlang der das Wärmerohr einen
größeren Durchmesser aufweist. Der Heizleiter 11 ist gegenüber dem Wärmerohr 10
durch eine Isolierschicht 12 und nach außen durch eine Isolierschicht 13 isoliert.
Eine die Teile 10 bis 13 überdeckende Abschlußplatte 14 trägt die beiden veizleiteranschlüsse
15. Entlang der Wärmeübertragungszone B, auch Transportzone genannt, ist eine Isolierschicht
16 zur Verhinderung von Wärmeverlusten angebracht. Die wärmeabgebende Zone C des
Wärmerohrs 10, auch Kondensationszone oder Kühlzone genannt, trägt eine Anzahl Heizrippen
17 zur Vergrößerung der Oberfläche und damit zum besseren Wärmeübergang. Das Wärmerohr
10 selbst besteht aus einer. abgeschlossenen Hülle 100 und einer innen angebrachten
Kapillarstruktur 101.
-
Der Querschnitt des Wärmerohrs 10 ist im einfachsten Falle eine Kreisfläche,
es sind jedoch auch andere Formen denkbar, insbesondere Formen mit größerer Oberfläche.
Solche Formen sind z. B. sternförmige Querschnitte oder Kreisflächen, die in ihrem
Umfang mäanderformig strukturiert sind. Die Wärmeabgabe erfolgt dann auf der gesamten
so vergrößerten Rohroberfläche angenähert bei der hohen Siedetemperatur des dampfförmigen
Wärmeträgers.
-
Das in den Fig. 2 und 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel besteht
aus einer scheibenförmigen, elektrischen Heizvorrichtung 20 mit Anschlüssen 15,
auf die neun Wärmerohre 10 senkrecht
angebracht sind. Fig. 3 zeigt
dabei ein Schnittbild an der Schnittlinie X. Der Vorteil dieser Anordnung ist wiederum
eine große Oberfläche der wärmeabgebenden Zone.
-
Bei Ausfall eines Wärmerohrs sinkt die Übertragungsleistung nur unerheblich.
Die Wärmerohre können bei Defekten leicht ausgewechselt werden.
-
Das dritte, in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt die Aufheizung
eines Ofens durch ein Wärmerohr mit einer außerhalb des Ofens angebrachten Aufheizvorrichtung.
-
Das entlang der Transportzone B durch eine Wärmeisolienung 16 abgeschirmte
Wärmerohr 10 ragt mit seiner wärmeabgebenden Zone C in einen Ofen 3o hinein. Das
andere Ende des Wärmerohrs lo, durch Pfeile als wärmeaufnehmende Zone A gekennzeichnet,
kann durch eine beliebige Wärmequelle aufgeheizt werden. Solche Wärmequellen sind
elektrische Widerstandsheizungen, Gasbrenner oder Induktionsheizungen. -Das Wärmerohr
kann zwischen Wärmequelle und Ofen beliebig gebogen und umgelenkt werden. Das Wärmerohr
kann auch teilweise flexibel ausgebildet sein, indem man beispielsweise die Wandung
als Faltenbalg ausbildet. Bei größeren Strecken zwischen Wärmequelle und Ofen, bzw.
wärmeabgebendem Teil, können mehrere Wärmerohre ohne merkliche Ubertragungsver-Iuste
zusammengesetzt werden. Durch die Wahl der Arbeitsmedien in den einzelnen Wärmerohren
kann die Wärmeübertragung bzw. die Temperatur der Anordnung eingestellt werden.
-
In Fig. 5 ist prinzipiell die gleiche Ausführung wie in Fig. 1 dargestellt,
jedoch sind die Heizrippen 17 ebenfalls als Wärmerohre ausgebildet. Diese Wärmerohrrippen
können angesetzt sein und ein eigenes inneres Wärmeüber- -tragungssystem aufweisen,
sie können jedoch auch mit dem Wärmerohr 10 ein gemeinsames System mit einem gemeinsamen
Wärmeüberträger bilden.