DE2712849C3 - Elektrischer Erhitzer für Gase - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Erhitzer für Gase, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Erwärmung von Gasen auf ^phe Temperaturen werden elektrische Erhitzer weithin eingesetzt, jedoch gibt es nur sehr wenige Erhitzer mit einer Leistung von als etwa SOO kW, die Gas unter Druck erhitzen können. Ein derartiger Erhitzer, der in einem japanischen Atomenergie-Laboratorium arbeitet, ist in den F i g. 1 und 2 schematisch veranschaulicht. Wie daraus ersiehtlieh ist, weist der Erhitzer ein vertikales Druckgefäß auf, in dessen Innenraum drei U-förmige Heizrohre b angeordnet sind, deren eine Enden an einem Gaseinlaß c und deren andere Enden an einem Gasauslaß d angeschlossen sind. Der untere Abschnitt jedes 4; Heizrohres b ist an einer Elektrode e angeschlossen. Wird bei einem solchen Erhitzer versucht, die Heizleistung und damit den hierzu erforderlichen elektrischen Energiedurchsatz zu erhöhen, so müssen die Wärmeübergangsflächen der Heizrohre b vergrö-Bert werden, was aber nur begrenzt möglich ist Bei einer Erhöhung der Anzahl der Heizrohre b muß nämlich der Innendurchmesser des Druckgefäßes in unwirtschaftlicher Weise vergrößert werden, während bei einer Vergrößerung der Länge der Schenkelabschnitte der IMörmigen Heizrohre b Verformungen durch ungleichmäßige Wärmeausdehnung der Schenkel auftreten können, die zu groß werden.

Ein Erhitzer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US-PS 35 41304 bekannt Bei diesem bekannten Erhitzer dient die die Heizrohre umgebende zylindrische Zwischenwand zur Rückleitung des zunächst in den unteren Bereich des Druckgefäßes geleiteten Gases an der Außenseite der Heizrohre vorbei zu deren oberer Eintrittsmündung. Die Heizrohre selbst enden frei im Abstand oberhalb des unteren Endes der Zwischenwand, so daß dort und auch über die Länge der Heizrohre seitlich an Schlitzen ausströmendes Gas beispielsweise in dem von Heizrohren freien Zentralbereich des Erhitzers nach oben gewirbelt werden kann. Irgendeine untere Führung oder Abstützung der hängenden Heizrohre ist nicht vorgesehen; im Bedarfsfalle können alle unteren Enden oder auch nur ein Teil, beispielsweise die Hälfte davon, mit isolierenden Manschetten versehen werden, um eine elektrisch leitende Berührung benachbarter Heizrohre zu verhindern.

Bei der zur Erzielung hoher Heizleistung auf engem Raum anzustrebenden dicht benachbarten Anordnung der Heizrohre besteht die Gefahr, daß Bewegungen der Heizrohre zu gegenseitigem elektrischem Kontakt an Stellen führen, an denen ein Stromfluß und erst recht eine auftretende Funkenbildung zumindest unerwünscht, wenn nicht gar gefährlich sind. Zwei an ihren unteren Enden durch einen Anschlußsteg miteinander verbundene Heizrohre biegen ähnlich wie die U-förmigen Heizrohre bgemäß Fig. 1 wie ein Bimetallelement aus, wenn unterschiedliche Wärmedehnungen der Heizrohre vorliegen. Solche unterschiedliche Wärmedehnungen können bei Betriebsstörungen infolge unterschiedlichen Stromflusses oder unterschiedlichen Gasflusses beispielsweise infolge Verschmutzungen des Rohrinnenraums auftreten und im Bereich der unteren Enden zu elektrisch leitenden Verbindungen führen, wenn das benachbarte Rchrpaar nicht mittels einer Isolierungsmanschette geschützt ist Bei einer Hochleistungserhitzung ergeben sich darüber hinaus erhebliche Gasgeschwindigkeken in dem vergleichsweise engen Rohrquerschnitt und damit eine turbulente Strömung, die Seitenkräfte auf das Heizrohr ausübt, so daß dieses in Schwingungen geraten kann. Da die unteren Enden der Heizrohre nur über den Anschlußsteg zu einem benachbarten Heizrohr mangelhaft abgestützt sind, können diese Schwingungsanregungen zu Schwingungen führen, die nicht nur zu elektrisch leitenden Kontakten über die Rohrlänge führen können, sondern darüber hinaus gefährliche "Spanntscgsspitzen in das Material der Heizrohre einführen. Bei sehr starker Aufheizung des Gases bis auf Temperaturen, bei denen die Festigkeit des Materials der Heizrohre bereits stark abfällt können solche zusätzlichen Spannungen zu Brüchen an den durch das Eigengewicht der Heizrohre am meisten belasteten oberen Enden führen. Diese Gefahr wird dadurch weiter erhöht daß die an den unteren Rohrenden austretenden stark aufgeheizten Gase bis in den Bereich der oberen Rohrenden zurückwirbeln können und dort für eine stärkere Aufheizung sorgen.

Daher eignet sich auch der Erhitzer gemäß US-PS 35 41 304 nicht für eine Hochleistungsaufheizung des Gases auf extrem hohe Temperaturen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Erhitzer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 umrissenen Gattung mit möglichst geringem Energieverbrauch und betriebssicher eine Hochleistungsaufheizung des Gases bis auf solche Temperaturen zu ermöglichen, bei denen die Warmfestigkeit des Materials der Heizrohre bereits nicht mehr zur Aufnahme der Zugbelastung im Rohroberteil infolge der auftretenden Belastungen insbesondere durch Eigengewicht ausreichen würde.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Dadurch, daß die Zwischenwand als Reflektor ausgebildet ist, wird im Sinne einer Verminderung des Energieverbrauchs erreicht, daß die von den Heizroh-

ren abgestrahlte Wärme in starkem Umfang zurückreflektiert wird und so der Wirkungsgrad der Umsetzung der elektrischen Energie in Joule'sche Wärme verbessert wird. Weiterhin wird die Wärmeisolation insgesamt dadurch verbessert, daß Strahlungswärme von den isolierten Wänden des Druckgefäßes ferngehalten und diese daher von Wärmeeinfall entlastet werden. Vor allem aber ergibt sich eine geschlossene Bauweise, bei der die an den unteren Enden der Rohre ausströmenden, maximal aufgeheizten Gase durch die untere Stützplatte ι ο und den daran unmittelbar anschließenden Reflektor an einer Rückströmung in den Oberteil des Druckgefäßes sicher gehindert sind. Da gleichzeitig durch die seitliche Führung der unteren Enden der Heizrohre eine erheblich bessere Stabilität gegenüber Schwingungen π und Bewegungen infolge unterschiedlicher Wärmedehnungen erzielt ist, ergibt sich sowohl eine niedrigere Temperatur- als auch eine niedrigere Spannungsbelastung der durch das Eigengewicht der Heizrohre am meisten belasteten oberen Bereiche der Heizrohre, so daß eine Aufheizung des Gases bis auf eine solche Temperatur an den unteren Rohrenden erfolgen kann, die bei einem Vorliegen an den kühleren oberen Rohrenden dort bereits eine zu starke Schwächung des Materials herbeiführen würde. Dabei ist die Baueinheit obere Stützplatte — Reflektor — untere Stützplatte mit den darin geschützt angeordneten Heizrohren als Ganzes vorfertigbar und patronen- oder kassettenartig auswechselbar, so daß sich Montage und Wartung entsprechend vereinfachen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer zeichnerisch dargestellten Ausführungsform näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch im Schnitt einen bekannten elektrischen Erhitzer,

F i g. 2 einen Schnitt gemäß Linie A-A in F i g. 1,

F i g. 3 einen Vertikalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Erhitzer, «to

F i g. 4 einen Schnitt gemäß Linie B-B in F i g. 3, F i g. 5 einen Schnitt gemäß Linie C-Cin F i g. 3,

Fig.6 in vergrößerter Darstellung eine Teilansicht der Einzelheit im Kreis Din F i g. 3 und

F i g. 7 eine vergrößerte Darstellung einer Teilansicht « der Einzelheit im Kreis Ein F i g. 3.

Der bekannte Erhitzer gemäß den F i g. 1 und 2 ist einleitend bereits kurz erläutert worden.

Wie insbesondere aus den F i g. 3 bis 5 ersichtlich ist, ist bei einem erfindungsgemäßen Erhitzer ein vertikales Druckgefäß 1 aus Kohlenstoffstahl gefertigt und mit einem Isolierungsfutter 2 ausgelegt, welches aus laminierten Kaolinitwolle-Schichten besteht, die durch dünne Schichten aus rostfreiem Stahl mit beispielsweise 0,1 mm Dicke voneinander abgeteilt sind, um eine Konvektion des Gases an dem Isolierungsfutter 2 zu vermeiden und so Strahlungsverluste zu minimieren und den Außenmantel des Druckgefäßes 1 nuf niedriger Temperatur zu halten.

Im Inneren des vom Isolierungsfutter 2 umgebenen w Raumes sind dreißig Heizrohre 3 vertikal angeordnet. Wie am besten aus F i g. 6 ersichtlich ist, erstreckt sich das obere Ende jedes Heizrohres 3 durch eine obere Stützplatte 4 hindurch, die im Oberteil des Druckgefäßes 1 starr befestig* ist, und ist in eine Mutter 5 6¹S eingeschraubt, so daß das Heizrohr 3 an der Stützplatte 4 hängend gelagert ist. Daher wird das gesamte Gewicht der Heizrohre 3 durch die obere Stützplatte 4 abgestützt

Das Druckgefäß 1 ist mit einem Gaseinlaß 6 und einem Gasauslaß 7 im Oberteil bzw. im Unterteil versehen, so daß ein Gas unter Druck durch den Gaseinlaß 6 hindurch an den Heizrohren 3 vorbei zum Gasauslaß 7 strömen kann und auf diesem Weg auf die gewünschte Temperatur erwärmt wird.

Elektrische Isolierungen 8 und 9 aus Bohrstickstoff sind zwischen die Heizrohre 3 und die obere Stützplatte 4 eingesetzt, wie dies am besten aus F i g. 6 ersichtlich ist, um diese Teile elektrisch gegeneinander zu isolieren. Wie die F i g. 4 und 6 veranschaulichen, sind die dreißig Heizrohre 3 in drei Gruppen von je zehn Heizrohren 3 unterteilt, die über Anschlußstege 10 in Serie geschaltet sind, wobei die drei Gruppen der Heizrohre 3 eine Sternschaltung bilden. Daher ist ein Ende jeder Gruppe der Heizrohre 3 über eine Elektrode 11 an ein Dreiphasennetz angeschlossen, so daß Wechselstrom durch die Heizrohre 3 fließt

Die unteren Enden der Heizrohre 5. sand 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 Heizrohre 3 während des Betriebes möglich ist. Die unteren Enden der Heizrohre 3 sind zur Bildung der Sternschaltung in der aus F i g. 5 ersichtlichen Weise mit Anschlußstegen 15 untereinander verbunden.

Um die von den Heizrohren 3 abgestrahlte Wärme zu reflektieren und einen Wärmeabfluß durch den Mantel des Druckgefäßes 1 zu verhindern, ist koaxial zum Druckgefäß 1 ein zylindrischer Reflektor 16 nach Art einer Zwischenwand 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. Der Reflektor 16 ist radial innerhalb des Isolierungsfutters 2 angeordnet, wobei sein oberes Ende durch die obere Stützplatte 4 und sein unteres Ende durch die untere Stützplatte 12 sicher gehalten sind.

Reflektoren 17 und 18, die im wesentlichen dem Reflektor 16 entsprechend aufgebaut sind, sind im Kopfbereich des Druckgefäßes 1 und seinem Bodenbereich, wo die Temperaturen vergleichsweise noch sind, angeordnet.

Im Betrieb strömt das zu erhitzende Gas durch den Gaseinlaß 6 in das Druckgefäß 1 ein und fließt sodann nach unten durch die Heizrohre 3 hindurch zum Gasauslaß 7. Da der Dreiphasen-Wechselstrom die Elektroden 11 und die Heizrohre 3 durchströmt, wird Joule'sche Wärme erzeugt und an das durchströmende Gas abgegeben, so daß in dem gewünschten Umfang erwärmtes Gas am Gasauflaß 7 abströmt.

Die Heizrohre 3 können dicht nebeneinander im Druckgefäß 1 angeordnet werden, da sie gut gegen Bewegungen jeglichsr Art gesichert sind, so daß die Wärmedichte oder Wärmeabgabe sehr hoch gewählt werden kann und ein Gas auf eine gewünschte Temperatur erhitzt werden kann, selbst wenn es das Druckgefäß 1 sehr schnell durchströmt.

Zur Versuchszwecken ist ein Erhitzer dieser Art gebaut worden, dessen Heizrohre 3 einen Außendurchmesser von 25,4 mm, eine Dicke von 3,0 mm und eine Länge von 5000 mm bei einer Heizleistung 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 Gascinlaß 6 eingeführt. Das am Gasauslaß 7 ausströmende Heliumgas wies eine Temperatur von 1050° C auf.

Anstelle der im Beispielsfalle geradlinigen Heizrohre 3, die im Hinblick auf eine kompakte Bauweise des Erhitzers vorteilhaft sind, können auch Heizelemente irgendeiner anderen gewünschten Form eingesetzt werden, solange Gas unter Erwärmung an diesen entlang nach unten fließen kann.

Bei Fertigung der Heizrohre 3 aus Metall wie Tantal kann inertes Gas wie Argon oder Helium auf Temperaturen deutlich oberhalb von 1100°C aufgeheizt werden. Dabei kann die Aufheizungsendtemperatur bis in die Nähe der Schmelztemperatur des Materials der Heizrohre 3 getrieben werden, da die maximale Gastemperatur im Bereich der unteren Enden der Heizrohre 3 auftritt, die mechanisch praktisch unbelastet sind, während die mechanisch durch das Gewicht der Heizrohre 3 belasteten oberen Enden der Heizrohre 3 durch das zu erwärmende Gas gekühlt werden und somit auch bei hohen Endtemperaturen mechanisch belastungsfähig bleiben. Da in der Sternschaltung eine Mehrzahl der langen Heizrohre 3 in Reihe geschaltet ist, ergibt sich ein hoher elektrischer Widerstand, so daß selbst bei Heizrohren 3 aus Metall eine vergleichsweise hohe Spannung bei vergleichsweise geringem Strom eingesetzt werden kann, und die zugehörige elektrische Ausrüstung und Einrichtung klein bauen kann sowie die Steuerung des Betriebes sehr vereinfacht ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche;

1. Elektrischer Erhitzer für Gase, mit einem Druckgefäß mit oberem Gaseinlaß und unterem Gasauslaß, mit einer Mehrzahl von im wesentlichen vertikal angeordneten und in drei Gruppen in Sternschaltung an ein Dreiphasennetz angeschlossenen Heizrohren, die von oben nach unten von dem Gas zu dessen Aufheizung durchströmt werden und innerhalb der Gruppen durch elektrisch leitende Anschlußstege alternierend an den oberen und unteren Enden in Reihe geschaltet sind, mit einer gegen das Druckgefäß festgelegten oberen Stützplatte mit Durchbrüchen zur hängenden Lagerung der oberen Enden der Heizrohre und mit einer die Heizrohre umgebenden zylindrischen Zwischenwand, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwand als Reflektor (16) ausgebildet ist, der an der oberen Stützplatte (4) hängend gelagert ist und seinerseits eine untere Stützplatte (12) trägt, durch welche hindurch sich die unteren Enden der Heizrohre (3) in Durchbrüchen seitlich geführt und in Rohrlängsrichtung unbehindert beweglich erstrecken.

2. Erhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizrohre (2) geradlinig ausgebildet sind.