DE2510802C2 - Heizelement für elektrisch beheizte Flüssigkeitsverdampfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für elektrisch beheizte Flüssigkeitsverdampfer.

Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung bilden Verdampfer für träge öle in Dampfstrahl-Vakuumpumpen, jedoch kann die Erfindung grundsätzlich auch bei Flüssigkeitsverdampfern für andere Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, Anwendung finden.

Aus der DE-OS 17 65 930 ist bereits ein Heizelement der in Rede stehenden Gattung bekannt, dessen Heizkörper als von der zu verdampfenden Flüssigkeit radial durchströmter Hohlzylinder ausgebildet ist, wobei die zu verdampfende Flüssigkeit an der inneren oder äußeren Mantelfläche in den hohlzylindrischen Heizkörper eintritt und der erzeugte Dampf an der jeweils anderen Wandseite austritt

Beim Verdampfungsvorgang tritt eine außerordentliche Volumenvergrößerung ein, was dazu führt, daß die Flüssigkeit an der Flüssigkeitseintrittsseite des Heizkörper zwar mit verhältnismäßig geringer Strömungsgeschwindigkeit in den Heizkörper eintritt, der Dampf an der Dampfaustrittsseite jedoch mit viel höherer Geschwindigkeit den Heizkörper verläßt Dies hat zur Folge, daß der schnell ausströmende Dampf auch Flüssigkeitströpfchen mitreißt, so daß der Verdampfer zusammen mit dem Dampf ein Nebel von Flüssigkeitströpfchen abgibt Durch dieses Herausreißen von Flüssigkeit aus dem Heizkörper kann das örtliche und das Gesamtgleichgewicht zwischen der Wärmezufuhr zum Heizkörper und der Menge der erhitzten und verdampften Flüssigkeit erheblich gestört werden, was zu Oberhitzungen im Heizelement führen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Heizelement der eingangs genannten Gattung derart auszubilden, daß die Bildung eines Nebels aus von dem austretenden Dampf mitgerissenen unverdampften Flüssigkeitströpfchen weitgehend ausgeschlossen ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Heizelement der in Rede stehenden Gattung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Konstruktion gelöst.

Die Anordnung von Ausnehmungen an der Dampf austrittsseite des Heizkörpers ermöglicht den frühzeitigen Austritt von bereits tief innerhalb des Heizkörpers gebildetem Dämpf in diese Ausnehmungen, ohne daß durch den Austritt dieses Dampfes die Strömung der noch unverdampften Flüssigkeit im Heizkörper wesentlich gestört wird. Da dieser Dampf aus dem tiefer inner liegenden Bereichen des Heizkörpers seitwärts in die Ausnehmungen hinein austritt, werden auch etwa noch mit diesem Dampf mitgerissene Flüssigkeitströpfchen zur gegenüberliegenden Wand der Ausnehmung geschleudert und dort mit großsr Wahrscheinlichkeit wieder aufgesogen, so daß über der dampfaustrittsseitigen Heizkörperoberfläche praktisch kein Flüssigkeitsnebel auf mit dem Dampf mitgerissenen Flüssigkeits- tröpfchen entsteht

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in weichen zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein in einem Verdampfer angeordnetes Heizelement nach der Erfindung,
F i g. 2 einen schematischen Halbschnitt durch das Heizelement längs der Ebene H-II in Fig. 1,

Fig.3 und 4 Querschnitte zweier verschiedener Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Heizelements mit unterschiedlichen Nuten an der Dampfaustrittsseite, und

F i g. 5 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizelements, das Sacklöcher anstelle von Nuten an der Dampfaustrittsseite aufweist.

Bei Verdampfern der in Rede stehenden Art wird die

zu verdampfende Flüssigkeit durch ein Rohr 2 in den Verdampfer eingeleitet. Gemäß der Darstellung ist am unteren Ende des Rohres 2 ein Endstück 4 angeordnet, welches eine ringförmige Berührungsfläche darstellt, gegen welche die untere Stirnfläche eines zylindrischen

Heizelements 6 gedrückt wird. Das Rohr 2 ist innerhalb des Heizelements 6 perforiert, so daß die zu verdampfende Flüssigkeit den Innenraum des Heizelements 6 ausfüllen und radial nach außen zum Heizelement hin strömen kann.

Am Rohr 2 ist eine Manschette 8 befestigt, welche auch als elektrischer Anschluß einer Stromquelle 10 dient, bei welcher es sich gewöhnlich um eine Stromquelle mit niedriger Spannung und hoher Stromstärjcp handelt Die Manschette 8 ist mittels eines Isolierstückes 14 von einer unter diesem befindlichen rohrförmigen, nur schematisch dargestellten Halterung 12 isoliert. Die Halterung 12 trägt an ihrem unteren Ende ein oberes Endstück 16 für das Heizelement, welches ähnlich dem unteren Endstück 4 ausgebildet ist und eine ringförmige Anlagefläche für die obere Stirnseite des Heizelements 6 darstellt

Das Isolierstück 14 ist so ausgebildet, daß es axial zusammendrückbar ist und die beiden Endstücke 4 und 16 axial gegeneinander drängt, indem auf den unteren Teil des Rohres 2 eine Zugkraft ausgeübt wird.

Die rohrförmige Halterung 12 ist mit dem anderen Pol der Heizstromquelle 10 verbunden, so daß im Betrieb der Anordnung eine elektrische Spannung zwischen den beiden Endstücken 4 und 16 liegt.

Das Heizelement 6 weist einen derart gewählten elektrischen Widerstand auf, daß es in dem gewünschten Maße Joule'sche Wärme an die Flüssigkeit abgibt, die in radialer Richtung durch das Heizelement hindurchtritt. Die Wärmeabgabegeschwindigkeit und die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit stehen derart miteinander in Beziehung, daß die Flüssigkeit während des Durchtritts durch das Heizelement im wesentlichen vollständig verdampft wird. Trotzdem wird aus Sicherheitsgründen gewöhnlich sichergestellt, daß bei stabilisierten Bedingungen stets eine geringe Menge unverdampfter Flüssigkeit vom Heizelement abtropft, da es wichtig ist, daß das Heizelement niemals in Gefahr kommt, trocken zu werden, was zur Bildung von heißen Stellen führen würde. Dies wiederum würde zur pyrolytischen Zersetzung der Flüssigkeit führen, was die Zerstörung des Heizelements nach sich ziehen kann.

Bei denjenigen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen ein zylindrisches Heizelement Anwendung findet, strömt die zu verdampfende Flüssigkeit vom Inneren des Heizelements radial nach außen, obwohl es innerhalb der Grenzen des möglichen liegt, die Flüssigkeit stau dessen radial einwärts strömen zu lassen. Diese letztere Möglichkeit ist jedoch wegen der schnellen Volumenvergrößerung der Flüssigkeit beim Verdampfungsvorgang nicht vorteilhaft. Trotzdem könnte es in manchen Anwendungsfällen vorteilhaft sein, den Dampf aus dem hohlzylindrischen Raum im Inneren des Heizelements austreten zu lassen.

Gemäß der Erfindung ist die Austrittsoberfläche (aus dem eben erwähnten Grund gewöhnlich die Außenoberfläche) des Heizelements mit einer Vielzahl von Ausnehmungen versehen. Bei zylindrischen Heizelementen haben diese Ausnehmungen gewöhnlich die Form paralleler Nuten 18. Normalerweise endigen die Nuten 18 kurz vor den Stirnseiten des Heizelements 6, so daß jeweils ununterbrochene ringförmige Stirnflächen 20 zurückbleiben. In manchen Fällen läßt sich jedoch eine billigere Konstruktion erreichen, wenn die Nuten über die gesamte Länge des Heizelements verlaufen.

Das Heizelement 6 isi aus einem Werkstoff hergestellt, der hauptsächlich aus Kohlefasern besteht.

so daß der elektrische Widerstand des Heizelements zwischen den beiden Potentialen der Endstücke 4 und 16 bekannt ist Obwohl Kohlefasern zur Herstellung des Heizelements bevorzugt werden, können auch andere Materialien Anwendung finden. Die Zwischenräume zwischen den Fasern dienen als Strömungskanäle, durch welche die zu verdampfende Flüssigkeit hindurchtreten kann, wodurch auch der Flüssigkeitsströmung ein bekannter Widerstand entgegengesetzt wird. In den in meisten Fällen ist der durch das Heizelement gebildete Strömungswiderstand geringer als es zur Sicherstellung einer gleichförmigen Strömungsverteilung notwendig ist In diesen Fällen ist es üblich, die Eintrittsoberfläche des Heizelements 6 mit einem durchlässigen Teil 7 auszukleiden, welches den gewünschten, zusätzlichen erforderlichen Strömungswiderstand herstellt ohne für den Heizstrom einen Parallelzweig herzustellen. Die Anwendung dieses durchlässigen Teils 7 kann also in vorteilhafter Weise die Wärmeübertragung auf die Flüssigkeit beeinflussen. Die Auskleidung 7 ist aus einem inerten Werkstoff hergestellt beispielsweise Aluminiumoxyd, welches elektrisch isoliert und in Faserform herstellbar ist. Die Erzeugung dieses zusätzlichen Strömungswiderstandes ist bereits bekannt und gehört >5 nicht zur Erfindung und wird deshalb nicht näher beschrieben.

Wie bereits erwähnt, verändert sich das Volumen der zu verdampfenden Flüssigkeit beim Verdampfungsvorgang außerordentlich. Dies führt dazu, daß die

jo Flüssigkeit an der Eintrittsoberfläche des Heizelements 6 mit verhältnismäßig geringer Strömungsgeschwindigkeit in das Heizelement eintritt, dieses jedoch in Form von Dampf an der Austrittsoberfläche mit viel höherer Geschwindigkeit verläßt. Diese Dampfaustrittsgeschwindigkeit kann so hoch sein, daß Flüssigkeitströpfchen mitgerissen werden können, so daß der Verdampfer zusammen mit dem Dampf ein Nebel von Flüssigkeitströpfchen abgibt. Dieses Herausreißen von Flüssigkeit aus dem Heizelement kann das örtliche und das Gesamtgleichgewicht zwischen dem Wärmeeingang und der Menge der erhitzten und verdampften Flüssigkeit erheblich stören, was zu örtlichen oder allgemeinen Überhitzungen im Heizelement führen kann. Die Anwesenheit eines solchen Nebels ist daher unerwünscht und die Erfindung bezweckt eine so beträchtliche Verminderung der Erzeugung dieses Nebels, daß er praktisch vernachläßigbar ist. Dies wird durch Anordnung der Nuten 18 erreicht.

Bei der Betrachtung der Art und Weise, in welcher die Nuten im Sinne einer Verringerung der Nebelbildung wirken, muß berücksichtigt werden, daß ein Teil des Flüssigkeitsstromes schon tief innerhalb der Wand des Heizelements zu verdampfen beginnt. Auf dem restlichen Weg der Strömung zur Außenoberfläche des Heizelements wird fortschreitend immer mehr der Flüssigkeit in Dampf umgewandelt. Die außerordentliche Vergrößerung des Volumens beim Übergang vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand wird von einer entsprechenden Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit begleitet. Dadurch können noch nicht verdampfte Flüssigkeitsteilchen mitgerissen und beschleunigt werden, wodurch das gleichförmige Strömutigsbild der Flüssigkeitsströmung derart gestört wird, daß Flüssigkeitströpfchen zusammen mit dem Dampf aus dem Heizkörper herausgerissen werden, bevor sie die Möglichkeit haben, selbst in den dampfförmigen Zustand überzugehen.

Durch das Vorhandensein der Nuten sind Alternativ-

austretende Dampf
Flüssigkeitströpfchen
Flüssigkeitströpfchen
auf einen anderen

wege gebildet, durch welche der tief innerhalb der Heizelementwand entstandene Dampf aus dem Heizelement austreten kanii. Dieser Dampf kann nun seitwärts in die Nuten austreten, ohne daß er vor sich in radialer Richtung strömende Flüssigkeit verdrängen muß, die sich zwischen diesem Dampf und der normalen Außenfläche des Elements befindet. Diese zusätzlichen, für den Dampf verfügbaren Wege verringern nicht nur die Dampfströmungsgeschwindigkeit innerhalb des Heizelements, sondern es ist auch verhältnismäßig unbedeutend, wenn der aus den Nutwandungen dazu neigt, einen Nebel von mit sich zu reißen, da diese mit großer Wahrscheinlichkeit Teil der Nutwandung wieder auftreffen und infolge der Oberflächenspannungskräfte wieder in das Heizelement eintreten.

Kurz zusammengefaßt, wirken die Nuten als Kanäle zur Ermöglichung des freien Austritts von tief innerhalb des Heizelements vor der normalen Austrittsfläche gebildetem Dampf, durch welche der Dampf ohne Notwendigkeit der Verdrängung von vor ihm befindlicher Flüssigkeit austreten kann. Diese Nuten ermöglichen also besondere Strömungsrichtungen für die Dampfströmung, so daß die Geschwindigkeit der Dampfströmung innerhalb der porösen Struktur des Heizelements verringert ist Die Nuten stellen auch in gewissem Maße eine Flüssigkeitströpfchenfalle für mit dem Dampf in die Nuten hineingerissene Flüssigkeitströpfchen dar, da diese Flüssigkeitströpfchen zu groß sind, als daß sie leicht durch die Dampfströmung aus den Nuten herausgetragen werden könnten, so daß sie mit großer Wahrscheinlichkeit auf eine andere Nutwandungsfläche auftreffen und wieder in das Heizelement eintreten.

Wie aus den F i g. 3 und 4 ersichtlich ist, können die Querschnittsformen der Nuten 18 in weitem Rahmen variieren, wobei der Bereich von engen Nuten 24, wie sie in Fig.3 dargestellt sind, bis zu verhältnismäßig breiten Nuten 26 nach Fig.4 reichen können. Die Winkelabstände und die Querschnittsform sowie die Grundfläche dieser Nuten können durch Versuche für die jeweils zu verdampfende besondere Flüssigkeit optimal bestimmt werden.

Im Falle von Treibmitteln für Dampfstrahl-Vakuumpumpen hat sich als zufriedenstellende Tiefe für die Nuten ein Wert von etwa einem Drittel der radialen Dicke des Heizelements ergeben. Wenn Wasser verdampft werden soll, kann eine beträchtlich größere Tiefe vorteilhaft sein. Aus der obigen Erläuterung ist klar, daß die Nuten bis in eine Tiefe vorstoßen sollen, in welcher die Erzeugung einer beträchtlichen Dampfmenge beginnt, so daß sie wirksame Entweichkanäle für den ersten erzeugten Dampf bilden können. Die jeweilige tatsächliche Tiefe der Nuten sollte im Zusammenhang mit der spezifischen und gebundenen Wärme der zu verdampfenden Flüssigkeit stehen. Die Flüssigkeit muß eine gewisse Strecke durchlaufen, um die zur Erwärmung auf den Siedepunkt erforderliche Wärme aufnehmen zu können. Danach dient von der Flüssigkeit aufgenommene weitere Wärme zur Verdampfung. Die Nuttiefe muß deshalb mit derjenigen Tiefe in Beziehung stehen, in welcher die Flüssigkeit zuerst den Siedepunkt erreicht Im Falle von Wasser führt das Verhältnis zwischen spezifischer und gebundener Wärme dazu, daß die Verdampfung während des Durchgangs des Wassers durch das Heizelement früher beginnt als es im Falle von Treibmitteln für Dampfstrahl-Vakuumpumpen der Fall ist Bei einem Wasserdampferzeuger sollte die Nuttiefe deshalb etwa neun Zehntel der radialen Dicke des Heizkörpers betragen.

Was die gegenseitigen Abstände der Nuten betrifft, so s stehen diese selbstverständlich mit der Dicke der Rippen 22 in Beziehung. Aus der obigen Erläuterung wird deutlich, daß die Rippen ausreichend dünn sein sollen, damit der innerhalb derselben erzeugte Dampf seinen Weg seitwärts in die Nuten hinein findet, wobei

ίο dieser Strömungsweg einen Strömungsweg einen Strömungswiderstand aufweist der mit demjenigen des Dampfströmungsweges radial auswärts durch die Rippe hindurch zur normalen Austrittsfläche hin vergleichbar oder geringer als dieser ist Die Breite der Rippe wird deshalb normalerweise etwa vergleichbar mit der Tiefe der angrenzenden Nuten gewählt und übersteigt das Zweifache der Nuttiefe normalerweise nicht. Die optimalen Bemessungen müssen für die verschiedenen Flüssigkeiten und Betriebsbedingungen jeweils bestimmt werden.

Bei den meisten Ausführungsformen von mit Nuten versehenen Heizelementen verlaufen die Nuten parallel zueinander und zur Längsachse des Heizelements. Es kann jedoch in manchen Fällen auch wünschenswert sein, die Nuten 18 und die Rippen 22 schwach schraubenlinienförmig verlaufer, zu lassen.

Was den elektrischen Heizstrom betrifft, so stellt das; mit Nuten versehene Heizelement 6 einen elektrischen Pfad in Form eines einfachen Hohlzylinders mit einer Reihe von leitfähigen Rippen an seiner Außenfläche dar. Verlaufen die Rippen parallel zur Achse des Heizelements, so sind für den elektrischen Strom nur Strömungswege gleicher Länge vorhanden und in den Rippen stellt sich die gleiche Stromdichte ein wie im übrigen Zylinderkörper des Heizelements. Sind die Rippen jedoch schraubenlinienförmig ausgebildet, so stellen sie Strompfade mit größerer Länge dar als der übrige Zylinderkörper, so daß die Stromdichte in den Rippen niedriger ist als im übrigen Zylinderkörper. Dies kann dazu benützt werden, eine gewünschte elektrische Entkopplung der Rippen vom übrigen Zylinderkörper herbeizuführen.

Dies kann in Fällen vorteilhaft sein, in denen es wünschenswert ist, in demjenigen Teil des Heizelements eine hohe Leistungsdichte zu erhalten, in welchen die Flüssigkeit eintritt (um die anfänglich kühle Flüssigkeit schnell aufzuheizen), und die demjenigen Teil des Heizelements eine niedrigere Leistungsdichte zu erhalten, in welchem der größte Teil der Flüssigkeit bereits in

so den dampfförmigen Zustand übergegangen ist (zur Verminderung der Gefahr der Bildung heißer Stellen,' welche leicht an der Außenfläche des Heizelements auftreten können, wenn bei Abwesenheit einer Flüssigkeitsströmung und dem damit verbundenen schnellen Flüssigkeitsübergang eine zu hohe Leistungsdichte vorhanden ist). " ' ,'

Ein weiterer Vorteil der Nuten 18 liegt darin, daß sie die Ausbreitung heißer Stellen zwischen benachbarten Rippen verhindern. Bei glatten zylindrischen Heizelementen hat sich gezeigt, daß bei Entstehung einer heißen Stelle diese dazu neigt, sich im wesentlichen gleichförmig an der Austrittsfläche des Heizelements auszubreiten. Dieses Wachstum wird durch die Zunahme der festen Zersetzungsprodukte verursacht Da diese Zunahme fester Zersetzungsprodukte die Flüssigkeits- bzw. Dampfströmung im Bereich der heißen Stelle verringert, steigt die Temperatur dieser Stelle an, wodurch wiederum der elektrische Widerstand der

heißen Stelle und ihrer unmittelbaren Umgebung herabgesetzt wird. Der Heizstrom fließt dann auch aus benachbarten Bereichen vorzugsweise durch die heiße Stelle, was ein Freiwerden von zusätzlicher Wärme an der heißen Stelle und die weitere Zersetzung der Flüssigkeit zur Folge hat. Die Nuten 18 verringern jedoch wesentlich die Wachstumsgeschwindigkeit der heißen Stellen (und der damit verbundenen Ablagerungen von Zersetzungsrückständen aus der Flüssigkeit), indem Unterbrechungen in der Oberfläche in Umfangsrichtung hergestellt werden. Eine sich möglicherweise bildende heiße Stelle kann also nur in axialer Richtung entlang der jeweiligen Rippe wachsen und läßt das übrige Heizelement unbeeinflußt.
Die F i g. 1 bis 4 zeigen Ausführungsformen der

Erfindung, bei welcher die dem Dampfaustritt dienenden Ausnehmungen die Form länglicher Nuten besitzen. In F i g. 5 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Ausnehmungen durch eine Anordnung von in der zylindrischen Austrittsfläche 30 gebildeten Sacklöchern 28 gebildet sind. Die Löcher 28 können parallele oder zueinander geneigte Seitenflächen haben. Die Grundfläche jedes Loches und die Verteilung der Löcher über die Austrittsfläche 30 ist derart gewählt, daß das gewünschte Gleichgewicht zwischen dem durch die Löcher ermöglichten Dampfaustritt und der von dem durch das Material zwischen und neben den Löchern fließenden elektrischen Strom zugeführten Wärme erreicht wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Heizelement für elektrisch beheizte Flüssigkeitsverdampfer, mit einem flüssigkeitsdurchlässigen Heizkörper aus elektrischem Widerstandsmaterial, an dessen einer Seite die zu verdampfende Flüssigkeit eintritt und an dessen anderer Seite der erzeugte Dampf austritt, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (6) an seiner Dampfaustrittsseite mit einer Vielzahl von nuten- oder sacklochförmigen Ausnehmungen (18, 24, 26, 28) versehen ist, deren Tiefe bis in den Bereich des Verdampfungsbeginns innerhalb des Heizkörpers reicht.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (6) als Hohlzylinder ausgebildet ist und daß die Ausnehmungen in Form paralleler Nuten (18) an der dampfaustrittsseitigen Mantelfläche gebildet sind, die im wesentlichen über die ganze Zylinderlänge verlaufen.

3. Heizelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (18) in der Außenmantelfläche des Hohlzylinders gebildet sind und jeweils kurz vor dessen Stirnenden endigen, und daß diese Nuten entweder parallel zur Zylinderachse oder unter einem kleinen Winkel zu dieser geneigt verlaufen.

4. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Ausnehmungen (z. B. 18) zur Verdampfung von Dampfstrahl- Vakuumpumpenöl weniger als die Hälfte der Wanddicke des Heizkörpers (6) beträgt

5. Heizelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Ausnehmungen (z. B. 18) etwa ein Drittel der Wanddicke des Heizkörpers (6) beträgt

6. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verdampfung von Wasser die Tiefe der Ausnehmungen (z. B. 18) etwa neun Zehntel der Wanddicke des Heizkörpers (6) beträgt

7. Heizelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung gemessene Breite der zwischen den benachbarten Nuten (18) vorhandenen Rippen (22) nicht mehr als das Zweifache der Tiefe der Nuten beträgt.

8. Heizelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung gemessene Breite der zwischen den benachbarten Nuten (18) vorhandenen Rippen (22) im wesentlichen gleich der Tiefe der Nuten ist.

9. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen als Sacklöcher (28) mit parallelen Wandflächen ausgebildet sind.