DE2712849A1

DE2712849A1 - Elektrische heizeinrichtung insbesondere zur erhitzung von gasen

Info

Publication number: DE2712849A1
Application number: DE19772712849
Authority: DE
Inventors: Takeshi Sawazaki; Norichika Yanagawa
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1976-06-21
Filing date: 1977-03-23
Publication date: 1977-12-22
Also published as: GB1562346A; JPS52155448A; JPS5755105B2; DE2712849B2; DE2712849C3

Description

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tavf/ 17 516/7 60/ko

Agency of Industrial Science & Technology, Tokyo/Japan

Elektrische Heizeinrichtung insbesondere zur Erhitzung von Gasen

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung speziell für die Erhitzung von Gasen.

Zur Erwärmung von Gasen auf hohe Temperaturen werden elektrische Heizeinrichtungen weithin eingesetzt, jedoch gibt es nur sehr wenige Heizeinrichtungen mit einer Leistung von mehr als 100 KW, die Gas unter Druck erhitzen können. In Japan beispielsweise gibt es derzeit lediglich eine elektrische Heizeinrichtung mit einer Leistung von mehr als 100 KW in einem Atomenergie-Laboratiorium. Diese Heizeinrichtung ist in den Fig. 1 und 2 schematisch veranschaulicht. Wie daraus ersichtlich ist, weist diese Heizeinrichtung ein vertikales Druckgefäß auf, in dessen Inneren drei U-förmige, rohrartige Heizelemente b angeordnet sind, deren eine Enden an einem Gaseinlaß c und deren andere Enden an einem Gasauslaß d angeschlossen sind. Der untere Abschnitt jedes Heizelementes b ist an einer Elektrode e angeschlossen. Bei dieser bekannten Heizeinrichtung ist es jedoch unmöglich oder vom wirtschaftlichen Standpunkt aus völlig untragbar, die elektrische Leistung weiter zu erhöhen, wie dies nachfolgend näher erläutert wird.

Um die Leistung zu erhöhen, müssen die Wärmeübergangsflächen. der Heizelemente b vergrößert werden, was jedoch zu folgenden' Problemen führt:

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1. Mit einer Erhöhung der Anzahl der Heizelemente b muß der Innendurchmesser de?: Druckgefäßes in unwirtschaftlicher Weise vergrößert werden.

2. Mit einer Vergrößerung der Länge der Schenkelabschnitte der U-förmigen rohrähnlichen Heizelemente b unterliegen diese Verformungen durch ungleichmäßige Wärmeausdehnung der Schenkel. Daher können die Heizelemente b nur bis zu einer gewissen maximalen Länge ausgelegt werden.

3. Mit einer Erhöhung der Anzahl und der Länge der Heizelemente b bleibt dennoch die Heizeinrichtung insgesamt ein mit niedriger Spannung und hoher Stromstärke arbeitendes System, so daß die zugehörige elektrische Isolierung und Ausrüstung erheblich vergrößert werden muß, was zu einem Anstieg der Gestehungskosten führt.

Infolge dieser Probleme besteht ein Bedürfnis nach einer elektrischen Heizeinrichtung zur Erhiteung von Gas unter Druck auf hohe Temperaturen, der eine hohe Heizleistung und hohen elektrischen Energiedurchsatz aufweist.

Ziel der Erfindung ist mithin vor allem die Schaffung einer elektrischen Heizeinrichtung, die sehr kompakt baut und deren zugeordnete elektrische Ausrüstung und Installation klein gehalten werden kann, und in der Gas unter hohem Druck auf stabile, zuverlässige und sichere Weise auf hohe Temperaturen erhitzt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, während die Ansprüche 2 und 3 vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt haben.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh- · rungsbeispiels anhand der Zeichnung.

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Fig. 1 schematisch im Schnitt eine bekannte Heizeinrichtung, Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie Λ-Α in Fig. 1,

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung,

Fig. 4 einen Schnitt gemäß Linie B-B in Fig. 3, Fig. 5 einen Schnitt gemäß Linie C-C in Fig. 3,

Fig. 6 in vergrößerter Darstellung eine Teilansicht der Einzelheit im Kreis D in Fig. 3 und

Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung einer Teilansicht der Einzelheit im Kreis E in Fig. 3.

Wie insbesondere aus den Fig. 3 bis 5 ersichtlich ist, ist ein vertikales Druckgefäß 1 aus Kohlenstoffstahl gefertigt und mit einem Isolierungsfutter 2 ausgelegt, welches aus laminierten Kaolinitwolle-Schichten (Kaowool-layers) besteht, die durch dünne Schichten aus rostfreiem Stahl mit beispielsweise 0,1 mm Dicke voneinander abgeteilt sind, um eine Konvektion des Gases in dem Isolierungsfutter 2 zu vermeiden und so Strahlungsverluste zu minimieren und den Außenmantel des Druckgefäßes 1 auf niedriger Temperatur zu halten.

Im Inneren des vom Isolierungsfutter 2 umgebenen Raumes sind dreißig rohrförmige Heizelemente 3 vertikal angeordnet. Wie am besten aus Fig. 6 ersichtlich ist, erstreckt sich das obere Ende jedes Heizelementes 3 durch eine obere Stützplatte 4 hindurch, die im Oberteil des Druckgefäßes 1 starr befestigt ist, und ist in eine Mutter 5 eingeschraubt, so daß das Heizelement an der Stützplatte 4 hängend gelagert ist. Daher wird das gesamte Gewicht der Heizelemente 3 durch die obere Stützplatte abgestützt.

Das Druckgefäß 1 ist mit einem Gaseinlaß 6 und einem Gasaus-laß 7 im Oberteil bzw. irn Unterteil versehen, so daß ein Gas

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unter Druck durch <ien Einlaß 6 hindurch an den rohrförmigen Heizelementen 3 vorbei zum Auslaß 7 strömen kann und auf diesem Weg auf die gewünschte Temperatur erwärmt wird.

Elektrische Isolierungen 8 und 9 aus Borstickstoff sind zwischen die Heizelemente 3 und die obere Stützplatte 4 eingesetzt, wie dies am besten aus Fig. 6 ersichtlich ist, um diese Teile elektrisch gegeneinander zu isolieren. Wie die Fig. 4 und 6 veranschaulichen, sind die dreißig Heizelemente 3 in drei Gruppen von je zehn Heizelementen 3 unterteilt, die über Anschlüsse 10 in Serie geschaltet sind, wobei die drei Gruppen der Heizelemente eine Y- bzw. Sternschaltung bilden. Daher ist ein Ende jeder Gruppe der Heizelemente 3 über eine Elektrode 11 an eine Dreiphasen-Wechselstromquelle angeschlossen, so daß Wechselstrom durch die Heizelemente 3 fließt.

Die unteren Enden der Heizelemente 3 sind gleitbeweglich durch eine untere Stützplatte 12 geführt und mit Isolierungen 13 und 14 gegen die Stützplatte 12 elektrisch isoliert, so daß eine freie thermische Ausdehnung der Heizelemente 3 während des Betriebes möglich ist. Die unteren Enden der Heizelemente 3 sind zur Bildung der Sternschaltung in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise mit Anschlüssen 15 untereinander verbunden.

Um die von den Heizelementen 3 abgestrahlte Wärme zu reflektieren und einen Wärmeabfluß durch den Mantel des Druckgefäßes 1 zu verhindern, ist koaxial zum Druckgefäß 1 ein Reflextor 16 angeordnet, der aus einigen koaxialen Zylindern aus Metall von etwa 1,0 mm Dicke besteht, die radial in einem Abstand von etwa 2 bis 3 mm gehalten sind. Dor Reflektor ist radial innerhalb des Iso lierungs futter': 2 angeordnet, wobei sein oberes Ende durch die obere S tiiizplatte 4 und sein unteres Ende durch die untere Stützplatte 12 sicher gehalten sind.

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ORIGINAL INSPECTED

Reflektoren 17 und 18, die im wesentlichen dem Reflektor 16 entsprechend aufgebaut sind, sind im Kopfbereich des Druckgefäßes und seinem Bodenbereich, wo die Temperaturen vergleichsweise hoch sind, angeordnet. _t

Im Betrieb strömt das zu erhitzende Gas durch den Einlaß 6 in das Druckgefäß 1 ein und fließt sodann nach unten durch die rohrförmigen Heizelemente 3 zum Auslaß 7. Da der Dreiphasen-Wechselstrom die Elektroden 11 und die rohrförmigen Heizelemente 3 durchströmt, wird Joule¹sehe Wärme erzeugt und an das durchströmende Gas abgegeben, so daß in dem gewünschten Umfang erwärmtes Gas am Auslaß 7 abströmt.

Nach der Erfindung sind somit die Heizelemente 3 dicht und dennoch kompakt im Druckgefäß 1 angeordnet, so daß die Wärmedichte oder Wärmeabgabe erheblich erhöht werden kann und daher ein Gas auf eine gewünschte Temperatur erhitzt werden kann, selbst wenn das Gas das Druckgefäß 1 sehr schnell durchströmt.

Zu Versuchszwecken ist eine Heizeinrichtung gebaut worden, deren Heizelemente 3 einen Außendurchmesser von 25,4 nun, eine Dicke von 3,0 mm und eine Länge von 5000 mm bei einer Heizungstestung von 1400 KW aufwiesen. Heliumgas wurde mit einer Menge von 1920 kg/h unter einem Druck von 40 at bei einer Temperatur von 725°C am Einlaß 6 eingeführt. Das am Auslaß 7 ausströmende Heliumgas hatte eine Temperatur von 1050°C.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern sind vielfache Abwandlungen und Abänderungen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So könnten beispielsweise anstelle der geradlinigen rohrförmigen Heizelemente 3, die im Hinblick auf eine kompakte Bauweise der Vorrichtung vorteilhaft sind, Heizelemente in irgendeiner gewünschten Form eingesetzt werden, solange Gas unter Erwärmung an diesen entlang nach unten

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fließen kann. Weiterhin können die Heizelemente 3 in jeder beliebigen Weise gelagert sein, solange sichergestellt ist, daß eine freie Wärmeausdehnung der Heizelemente möglich ist. Anstelle von Heliumgas können irgendwelchen anderen geeigneten Gase erhitzt werden, die keine Korrosion der Heizelemente 3 verursachen. Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung eignet sich besonders zur Aufheizung eines Hochtemperaturgases unter hohem Druck, welches mit hohem Strömungsdurchsatz durch die Vorrichtung geführt wird. Bei Heizelementen aus "Incoloy 800" kann Gas auf eine Temperatur von bis zu 1100 C aufgeheizt werden. Bei Heizelementen aus Metall wie Tantal kann inertes Gas wie Argon oder Helium auf höhere Temperaturen oberhalb von 1100⁰C aufgeheizt werden.

Die erfindungsgemäße Heizeineinrichtung weist somit eine ganze Reihe von Vorteilen auf. Da eine Mehrzahl von rohrförmigen Heizelementen vertikal in einem Druckgefäß angeordnet ist, kann die Heizeinrichtung kompakt gebaut werden. Ebenso können die zugeordneten elektrischen Ausrüstungen und Einrichtungen kompakt gebaut werden. Dennoch kann die Heizleistung oder die Stromaufnahme erheblich erhöht werden, so daß ein Gas bei hohem Gasdurchsatz auf eine gewünschte Temperatur erhitzt werden kann.

Die rohrförmigen Heizelemente können dicht im Druckgefäß angeordnet werden, das Druckgefäß selbst kann kompakt ausgeführt werden, während die Leistung deutlich erhöht werden kann, so daß ein in hoher Durchsatzmenge durchströmendes Gas auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt werden kann.

Da die freie Wärmeausdehnung der Heizelemente gewährleistet ist, sind die Heizelemente nicht unerwünschten Spannungen ausgesetzt.

Da die Heizelemente im Oberteil des Druckgefäßes gehalten sind,

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ist ihre Wärmedehnung gewahrleistet.

Im Betrieb nimmt die Temperatur der Heizelemente nach unten hin zu, wobei jedoch die Gev/ichtsbelastung eines gegebenen Querschnitts der Heizelemente von dem darunterliegenden Abschnitt der Heizelemente abhängt, so daß die Gewichtsbelastung und Spannung in den Heizelementen nach unten hin abnimmt. Der am stärksten aufgeheizte Abschnitt in der Nachbarschaft der elektrischen Anschlüsse im Bereich der unteren Enden der Heizelemente hat daher eine nur ganz geringe Spannung infolge der Gewichtsbelastung aufzunehmen. Daher können die Heizelemente aus einem geeigneten Material selbst bei hohen Temperaturen in der Nachbarschaft der Schmelztemperatur der Heizelemente sicher gehalten und abgestützt werden, so daß das Gas auf extrem hohe Temperaturen aufgeheizt werden kann.

Die Heizelemente liegen in Y- bzw. Sternschaltung, jedoch ist eine Mehrzahl der langen Heizelemente in Reihe geschaltet, so daß sie einen hohen elektrischen Widerstand besitzen. Daher kann selbst bei Heizelementen aus einem Metall eine vergleichsweise hohe Spannung bei vergleichsweise geringem Strom eingesetzt werden, so daß die zugehörige elektrische Ausrüstung und Einrichtung klein bauen kann und die Steuerung des Betriebs sehr vereinfacht ist. Daher ist die erfindungsgemäße Heizeinrichtung auch sehr wirtschaftlich.

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Claims

Ansprüche

1. Elektrische Heizeinrichtung für Gase, gekennzeichnet durch ein Druckgefäß (1), durch einen Gaseinlaß (6) im Oberteil des Druckgefäßes (1), durch einen Gasauslaß (7) im Unterteil des Druckgefäßes (1) und durch eine Mehrzahl von rohrförmigen Heizelementen (3) im Inneren des Druckgefäßes (1), die in einem geeigneten Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die Heizelemente (3) in drei Gruppen unterteilt sind, die in Sternschaltung liegen und über eine Elektrode an eine Dreiphasen-Wechselstromquelle angeschlossen sind, wobei die Heizelemente (3) einer Gruppe vorzugsweise in Reihe geschaltet sind, so daß vom Gaseinlaß (6) zum Gasauslaß (7) strömendes Gas im Inneren des Druckgefäßes bei der Strömung entlang den Heizelementen (3) aufheizbar ist.

2. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Heizelemente (3) geradlinig ausgebildet sind.

3. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Heizelemente (3) hängend abgestützt sind.

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ORIGINAL INSPECTED