DE2433790C2 - Elektrischer Heizstab - Google Patents

Description

2. Elektrischer Heizstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (10) zumindest über einen Teil seiner Länge einen unterschiedlichen Querschnitt gegenüber dem verbleibenden Teil aufweist

3. Elektrischer Heizstab nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Wärmerohr (10) weitere als Heizrippen ausgebildete Wärmerohre (17) angeordnet sind.

4. Elektrischer Heizstab nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohre (10) biegsam ausgebildet sind.

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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Heizstab, bestehend aus einem Heizrohr und einem Heizkopf.

Es sind eine Vielzahl elektrischer Heizapparate zur Aufheizung von gasförmigen, flüssigen oder festen Medien bekannt. Bekannte Ausführungsformen sind Konvektoren, Heizkabel, Gliederheizkörper, Heizpatronen und Tauchsieder. Die bekannten Heizvorrichtungen bestehend 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 Aufheizung von 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 explosionsfälligen Medien elektrische Heizvorrichtungen aus Sicherheitsgründen nicht verwendet werden dürfen.

Wie die Literaturstelle »Chemie Ing.-Technik, 39. Jahrgang 1967, Heft 1 Seiten 21 bis 26 zeigt, sind sogenannte Wärmerohre bekanntgeworden. Diese bestehen aus einem allseitig geschlossenen Rohr mit einem

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65 an der Innenwand anliegenden Docht aus Metallgewebe und einem eingeschlossenen Transportmittel, das in der einen Seite, der Verdampfungsseite verdampft und in der anderen gekühlten Seite kondensiert Das Kondensat wird durch Kapillarkräfte an der Innenwand des Rohres zurückgeführt Die »scheinbare Wärmeleitfähigkeit« ist dabei etwa 10³ bis 10*mal so groß wie die guter metallischer Wärmeleiter.

In der US-PS 36 13 773 wird die Anwendung eines Wärmerohres mit einem im Durchmesser vergrößerten Aufnahmeteil für eine innenliegende Wärmequelle und eine Gaspolsterregelung, wobei das Wärmetransportmittel unmittelbar aufgeheizt wird, beschrieben.

Die Literaturstelle »Anwendung von Wärmerohren in der Leistungselektronik«, BBC-Nachrichten, Heft 6/7 1973, Seiten 143 bis 152 schließlich zeigt eine Anwendung von Wärmerohre.n für die Kühlung von Thyristoren. Diese Kühlung erfolgt bei Thyristoren an deren Seiten in einer geeigneten Spannvorrichtung unter einem Druck von über 1500 kp mit Rippen versehene Wärmerohre angepreßt werden. Die Wärmerohre weisen dabei einen rechteckigen Querschnitt auf, so daß sich die Kontaktfläche zum Thyristor an einer Seitenfläche befindet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Heizstab der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Wärmeübertragung nahezu isotherm erfoigt und die Heizleistung und die Temperatur in einfacher Weise dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Heizstab der gattungsgemäßen Art gelöst, bei welchem das Heizrohr ein an sich bekanntes Wärmerohr ist, der Heizkopf eine elektrische Widerstandsheizung aufweist und zur Aufnahme von mindestens einem Wärmerohr ausgebildet ist und die Wärmerohre im Heizkopf leicht auswechselbar sind.

Um den erfindungsgemäßen Heizstab einem möglichen Verwendungszweck noch besser anzupassen, ist eine weitere Ausgestaltung dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr zumindest über einen Teil seiner Länge einen unterschiedlichen Querschnitt gegenüber dem verbleibenden Teil aufweist. Zur besseren Abführung der mittels der Einrichtung übertragenen Wärme sind gemäß einer Weiterführung der Erfindung auf dem Wärmerohr weitere als Heizrippen ausgebildete Wärmerohre angeordnet. Um eine Wärmeübertragung mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung auch in solchen Fällen zu ermöglichen, in denen zwischen der Wärmezufuhrstelle und der Entnahmestelle keine geradlinige Verbindung vorhanden ist, sind gemäß einer Weiterführung der Erfindung die Wärmerohre biegsam ausgebildet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Heizstabes mit einem Heizkopf mit elektrischer Widerstandsheizung,

F i g. 2 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels mit mehreren Wärmerohren,

F i g. 3 ein Schnittbild des in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels,

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel mit einem gebogenen Wärmerohr und

F i g. 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 belie-

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bigen Querschnitts, an dessen Innenwandung eine Ka- spiel besteht aus einem Heizkopf 20 mit Anschlüssen 15, pillarschicht angebracht ist Eine solche Kapillarschicht in dem neun Wärmerohre 10 senkrecht angebracht sind, kann z. B. ein engmaschiges Netz oder eine Gewinden!- F i g. 3 zeigt ein Schnittbild an der Schnittlinie X. Der Ie in der Rohrinnenfläche sein. In einem Bereich A, der Vorteil dieser Anordnung ist wiederum eine große sogenannten Heizzone, wird das Wärmerohr erhitzt 5 Oberfläche der wärmeabgebenden Zone. Bei Ausfall ei- und eine Flüssigkeit im Innern des Wärmerohrs ver- nes Wärmerohrs sinkt die Obertragungsleistung nur undampft Der Dampf schießt mit hoher Geschwindigkeit erheblich. Die Wärmerohre können bei Defekten leicht im Innern des Wärmerohrs durch eine sogenannte ausgewechselt werden.

Transportzone B und kondensiert an einer kälteren Das in F i g. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt

Stelle C des Wärmerohrs, der sogenannten Kühlzone. 10 als Beispiel die Aufheizung eines Ofens durch ein Wär-Die Flüssigkeit wird durch Kapillarkraft in der Kapillar- merohr 10 mit einer außerhalb des Ofens angebrachten struktur wieder in die Heizzone A zurückgeführt Bei Aufheizvorrichtung (Heizkopf 20 nicht dargestellt). Das ■ flüssigem Natrium als Wärmeübertragungsmedium entlang der Transportzone B durch eine Wärmeisolie-

kann eine Wärmeleitfähigkeit erreicht werden, die eini- rung 16 abgeschirmte Wärmerohr 10 ragt mit seiner β ge tausendmal höher ist als bei Wärmeleitung durch 15 wärmeabgebenden Zone C in einen Ofen 30 hinein. Das Ü Metallstäbe (Cu)bei gleichem Durchmesser der wärme- andere Ende des Wärmerohrs 10, durch Pfeile als wär- || übertragenden Vorrichtung und bei gleichem Tempera- meaufnehmende Zone A gekennzeichnet wird durch I! turunterschied zwischen Wärmequelle und Wärmesen- den dort angebrachten, nicht dargestellten Heizkopf 20 iß ke. Verdampfung und Kondensation sind Phasenum- aufgeheizt Das Wärmerohr 10 kann zwischen Wärme- || Wandlungen eines Stoffes, bei denen sich der Energiein- 20 quelle und Ofen beliebig gebogen und umgelenkt wer- §| halt, nicht aber die Temperatur des Stoffes ändert Das den, es kann auch nur teilweise flexibel ausgebildet sein, I*¹ erklärt sich daraus, daß bei der Phasenumwandlung indem man beispielsweise die Wandung als Faltenbalg Ui nicht die kinetische Energie der Moleküle, sondern ihre ausbildet Bei größeren Strecken zwischen Wärmequelle potentielle Energie verändert wird. Pro Masseneinheit Ie und wärmeabgebendem Teil, können mehrere Wärt,¥ der Flüssigkeit muß eine bestimmte Wärmemenge, die 25 merohre ohne merkliche Übertragungsverluste zusam- [~l spezifische Verdampfungswärme zugeführt werden, um mengesetzt werden. Durch die Wahl der Arbeitsmedien :· die Flüssigkeit in Dampf umzuwandeln. Die gleiche in den einzelnen Wärmerohren kann die Wärmeüber-Wärmemenge — auch latente Wärme genannt — wird tragung bzw. die Temperatur der Anordnung eingestellt bj; bei der Kondensation des Dampfes wieder frei. Läßt werden.

ι": man daher an einem Ende einer geschlossenen Röhre 30 In Fig.5 ist die gleiche Ausführung wie in Fig. 1 ;, fortwährend eine bestimmte Flüssigkeitsmenge ver- dargestellt, jedoch sind die Heizrippen als Wärmerohre p" dampfen, so strömt der Dampf in Richtung des anderen 17 ausgebildet. Diese Wärmerohrrippen können angeiS Endes und kondensiert, wenn dort die Temperatur nur setzt sein und ein eigenes inneres Wärmeübertragungswenig geringer ist, wieder zu einer Flüssigkeit. Die War- system aufweisen, sie können jedoch auch mit dem Wärmeübertragung von Wärmequelle zur -senke erfolgt al- 35 merohr 10 ein gemeinsames System mit einem gemein-. so praktisch bei konstanter Temperatur längs des Heiz- samen Wärmeüberträger bilden.

£;. stabs (isotherme Verhältnisse im Wärmerohr). Bei die-

I* sem Vorgang wird die latente Wärme längs der Rohre Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

transportiert.

In dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist 40
; ein Wärmerohr 10 durch einen Heizkopf 20, bestehend
j aus einer stromdurchflossenen, als Wicklung ausgebildeten elektrischen Widerstandsheizung 11 beheizt. Die
Heizung erstreckt sich über die Heizzone A, entlang der
: das Wärmerohr 10 einen größeren Durchmesser auf- 45
weist. Der Heizkopf 20 ist gegenüber dem Wärmerohr
10 durch eine Isolierschicht 12 und nach außen durch
eine Isolierschicht 13 isoliert. Eine Abschlußplatte 14
des Heizkopfes 20 trägt die beiden Heizleiteranschlüsse
15. Entlang der Wärmeübertragungszone B, auch Trans- 50
portzone 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 zur Vergrößerung der Oberfläche und da- 55
mit 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 60
Formen denkbar, insbesondere Formen mit größerer
Oberfläche. Solche Formen sind z. B. sternförmige
Querschnitte oder Kreisflächen, die in ihrem Umfang
mäanderförmig strukturiert sind. Die Wärmeabgabe erfolgt dann auf der gesamten so vergrößerten Rohrober- 65
fläche angenähert bei der hohen Siedetemperatur des
dampfförmigen Wärmeträgers.

Das in den F i g. 2 und 3 dargestellte Ausführungsbei-

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Heizstab, bestehend aus einem Heizrohr und einem Heizkopf, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Heizrohr ein an sich bekanntes Wärmerohr (10) ist,

b) der Heizkopf (20) eine elektrische Widerstandsheizung (U) aufweist und zur Aufnahme von mindestens einem Wärmerohr ausgebildet ist und

c) die Wärmerohre im Heizkopf leicht auswechselbar sind.