DE2913988C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Fluid­ heizvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine elektrische Fluidheizvorrichtung dieser Art ist in der US-PS 11 63 536 beschrieben. Diese bekannte Fluid­ heizvorrichtung weist eine Widerstandsdrahtspule auf, die wegen ihrer charakteristischen Form auch als Stachel­ spule bezeichnet wird (siehe z. B. US-PS 11 71 059). Wie aus der US-PS 11 63 536 hervorgeht, ergibt eine derartige Stachelspule, wenn sie sich in einem Rohr befindet, durch das eine Flüssigkeit oder Gas strömen kann, eine sehr wirksame elektrische Widerstandsheizvorrichtung.

Zur Anfertigung der Stachelspule wird der elektrische Widerstandsdraht auf einen Kern mit dreieckigem Querschnitt gewickelt, so daß näherungsweise dreieckförmige Windungen entstehen, die Ecken mit kleinem Biegeradius haben.

Wenn der Kern aus der Spule entfernt wird, dreht die im Draht vorhandene Federkraft die Windungen begrenzt in gleicher Richtung, so daß die vom Kern befreite Spule selbsttätig die Form einer wendelförmigen Aufreihung an­ nähernd flacher Windungen annimmt.

Die Windungen sind über die Länge der Spule zusammenge­ drängt, so daß die Spule auseinandergezogen werden muß, damit die Windungen sich nicht mehr berühren und ein Kurz­ schluß vermieden wird.

Gemäß der US-PS 11 63 536 wird die Spule dadurch auseinan­ dergehalten, daß die Enden an Klemmen befestigt sind. Gemäß der US-PS 11 71 059 ist die Spule am oberen Ende senkrecht aufgehängt, wobei die Spulenwindungen durch die Schwerkraft getrennt werden. Beide Anordnungen ergeben keine stabile Ausführung; sie sind insbesondere dann unge­ eignet, wenn durch die Spule Gas oder Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit strömt.

Bei zylindrischen Spulen aus elektrischem Widerstandsdraht mit runden Windungen ist es beispielsweise aus der US-PS 7 86 257 bekannt, um die Außenseite der Spulenwindungen flüssiges oder plastifiziertes Isoliermaterial zu gießen, das zu einem Rohr um die Spule herum erhärtet, in dessen Innern die Spulenwindungen teilweise eingebettet sind, so daß die Windungen auseinandergehalten werden. Dabei wird nur etwa die Hälfte der Drahtoberfläche der Strömung in dem Rohr ausgesetzt, so daß nur ein geringer Wärmeaus­ tausch erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektri­ sche Fluidheizvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 derart weiterzubilden, daß ein robuster Aufbau und ein hoher Wirkungsgrad gewährleistet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß wahlweise mit den im kennzeichnen­ den Teil der Ansprüche 1, 3 und 4 angegebenen Merkmalen gelöst.

Das Ausmaß der Einbettung ist also nur so groß, daß sich die einzelnen Windungen nicht bewegen können, wobei der übrige Teil der einzelnen Windungen innen in dem Rohr völlig freiliegt, so daß ein starker Wärmeaustausch er­ reicht wird, wenn Gas oder Flüssigkeit durch das Rohr strömt. Das Gas oder die Flüssigkeit muß durch den Raumteil des Rohrs strömen, in dem sich die Schenkel der dreieckför­ gen Windungen kreuzen. Dadurch wird eine turbulente Strömung erzeugt und eine ungehinderte Nebenströmung durch den freien, vorzugsweise vollständig offenen Mittelraum der Spule verhindert. Dadurch, daß jede Spulenwindung an ihren Ecken befestigt ist, kann auch eine starke Strömung in dem Rohr die auseinandergezogene Spule in ihrer Anordnung nicht verändern.

Eine feste, sichere Spulenanordnung wird gemäß Anspruch 1 dadurch erreicht, daß der Innendurchmesser des Rohres geringer als der Außendurchmesser der Spule ist und die Windungsecken infolge des durch dieselben ausgeübten hohen örtlichen Drucks die keramischen Fasern des Rohres teilweise zusammendrücken und sich in die Wandung einbetten. Die Festigkeit der keramischen Fasern verhindert ein seitliches Verschieben der Windungen.

Gemäß Anspruch 3 wird ein robuster Aufbau mit sicherem Sitz der Spule durch eine harte, glasartige Emailleausklei­ dung des Rohrinnern gewährleistet, in der die Windungsecken unter teilweiser Einbettung verankert sind.

Die im Anspruch 4 angegebene Aufschlemmung keramischer Fasern stellt ebenfalls eine zuverlässige Einbettung der Windungsecken sicher. Durch die anschließende Aushärtung verfestigt sich das Rohrinnere derart, daß sich ein robuster Aufbau mit festsitzenden Spulenwindungen ergibt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht der Fluidheizvorrichtung mit einem längsgeteilten Rohr aus keramischen Fasern,

Fig. 2 eine Ansicht der in Pfeilrichtung auseinandergezogenen Stachelspule mit elektrischen Anschlüssen und den beiden zusammenzupressenden Rohr­ hälften aus keramischen Fasern,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Ausschnitt der Fig. 2 mit einer Rohrhälfte, die sich den Ecken von Stachelspulenwindungen nähert,

Fig. 4 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3, die jedoch darstellt, wie sich die Ecken in die Innenseite des Rohres unter Zusammenpressen des faserigen Materials eindrücken, wenn beide Hälften zusammenge­ drückt werden,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch die gesamte Heizvorrichtung,

Fig. 6 eine Stirnansicht der gesamten Heizvorrichtung, die veranschaulicht, wie die Windungsschenkel einander kreu­ zen und so eine Turbulenzzone für den Flüssigkeits- oder Gasstrom bilden,

Fig. 7 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 6, die jedoch ein Bei­ spiel für die Verwendung eines starren Rohres wieder­ gibt, das mit zu einem Zylinder geformten keramischen Fasern oder eventuell mit Emaille ausgekleidet ist,

Fig. 8 einen senkrechten Schnitt durch die auseinandergezo­ gene Stachelspule in einem porösen Beutel vor dem Ein­ setzen in eine Form mit einer Aufschlämmung keramischer Fasern,

Fig. 9 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 8, bei der die Spule und der Beutel in die Aufschlämmung eingetaucht sind und das Innere evakuiert ist,

Fig. 10 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 9, wobei jedoch veran­ schaulicht ist, wie die Aufschlämmung durch Absaugen des flüssigen Bestandteils unter Bildung eines Rohres die Ecken der Spulenwindungen umgeben hat,

Fig. 11 wie die Spule mit dem Rohr gemäß Fig. 10 zum Trocknen oder Erhärten erhitzt wird.

Fig. 1 zeigt das Äußere einer Heizvorrichtung. Es ver­ steht sich, daß diese für die meisten Anwendungszwecke wesent­ lich länger in bezug auf ihren Durchmesser ist als es in der Zeichnung dargestellt ist.

Fig. 2 gibt den inneren Aufbau der Heizvorrichtung wieder. Eine Stachelspule 1 befindet sich zwischen zwei halbzylindrischen Hälften 2 und 3 aus gegossenen keramischen Fasern. Rohre aus gegossenen keramischen Fasern sind im Han­ del erhältlich. Diese können in zwei Hälften längs­ geteilt werden. Die keramischen Fasern sind miteinander verfilzt oder vergossen, so daß ein derartiges Rohr steif ist und mechani­ sche Festigkeit besitzt, während es gleichzeitig unter Druck örtlich verformbar ist. Das keramische Fasermaterial ist sowohl elektrisch isolierend als auch feuerfest.

Gemäß Fig. 2 sind in die Trennflächen der beiden Hälften Rinnen 4 und 5 geformt, die zur Aufnahme eines Leiters 6 dienen, der sich vom vorderen Spulenende nach hinten erstreckt. Das hin­ tere Spulenende ist mit einem erforderlichen zweiten Leiter 7 direkt verbunden. Beide Leiter sind mit Klemmen T ver­ sehen. Die charakteristische Form der Stachelspulenwindungen ist der Fig. 6 zu entnehmen, die eine Aufsicht auf die Stirnseite der voll­ ständigen Heizvorrichtung wiedergibt. Die Heizvorrichtung entsteht durch das Zusammendrücken der beiden Hälften 2 und 3, wobei diese entweder an den aneinander stoßenden Flächen zusammengeklebt, mechanisch durch nicht dargestellte Bänder verbunden oder in ein starres Rohr eingesetzt werden, das dieselben zusammenhält.

In Fig. 6 kann man auch sehen, daß die Spulenwindungen gerade Schenkel 1 a und Ecken oder Spitzen 1 b haben und daß jede Windung durch Drehung gegen die nächste sich anschlie­ ßende Windung versetzt ist. Wenn die Spule auseinandergezo­ gen wird, wie durch die Pfeile A in Fig. 2 dargestellt, entsteht zwischen den Windungen ein Abstand. Die Darstellung der Spule in Fig. 2 veranschaulicht, warum eine derartige Spule als Stachelspule bekanntgeworden ist.

Jede Ecke 1 b der Windungen erzeugt einen punkt­ förmigen Druck, so daß der radiale Druck, der die beiden Hälf­ ten in Fig. 2 zusammenbringt, dazu führt, daß die Ecken 1 b durch örtliches Zusammenpressen des keramischen Fasermaterials in das Material eindringen und sich teilweise darin einbetten. Wenn dies bei soweit auseinandergezogener Spule erfolgt, daß die Windungen voneinander getrennt sind oder einen erwünschten größeren Abstand voneinander haben, ist nach Aneinanderfügen der Hälften jede Win­ dung einzeln gegen Verschiebung gesichert; dann ist die durch die Pfeile A angedeutete Kraft, die die Spule auseinanderzieht, nicht mehr nötig. Alle Win­ dungen sind fest an ihrem Platz verankert und zuverlässig gegen Ver­ schiebung selbst dann gesichert, wenn ein zu erwärmendes Fluid mit hoher Geschwindigkeit durch das Rohr strömt.

Es versteht sich, daß der Innendurchmesser des Rohres, das aus den beiden Hälften 2 und 3 besteht, etwas geringer als der Außendurchmesser der Stachelspule sein muß. Das Ausmaß des Unterschiedes ergibt sich aus dem gewünschten Ausmaß der Ein­ dringtiefe der Ecken 1 b in das kera­ mische Fasermaterial.

Verständlicherweise können in Fig. 5 die Eindringstellen nur bei den Windungen dargestellt werden, die in der wiedergegebenen Schnittebene liegen; alle anderen gezeichneten Windun­ gen sind jedoch in der gleichen Weise fest verankert.

Wie die Spule im auseinandergezogenen Zustand gehalten wird, während die beiden Hälften geschlossen werden, ist nicht dargestellt. Theoretisch kann dies von Hand erfolgen. Bei industrieller Produktion wer­ den geeignete Befestigungen verwendet.

Wie in Fig. 7 dargestellt, kann eine starre Hülse oder ein Außen­ rohr 8 verwendet werden. Dieser Teil ist zu fest und hart, als daß die Ecken in diesen eindringen könnten. Er ist jedoch mit einem feuerfesten Material ausgekleidet, das, wie ersichtlich, diese Eigen­ schaft hat. Das Außenrohr 8 und der innere Teil 9 können, wie zuvor beschrieben, geteilt sein. Es kann aber auch nur der innere Teil 9 geteilt sein, wobei das starre Außenrohr über den inneren Teil 9 geschoben wird, nachdem dessen Teile zusam­ mengesetzt worden sind; oder das Außenrohr 8 kann ungeteilt sein und der innere Teil 9 dann aus einer Schicht einer kera­ mischen Aufschlämmung oder ungebrannter Emaille bestehen, in die die Ecken der Windungen leicht eindringen können, nachdem die Spule eingesetzt und in dem Rohr auseinandergezogen worden ist. Dann wird die Schicht getrock­ net oder gebrannt, beispielsweise indem die Spule unter Strom gesetzt wird, wodurch der die Schicht bildende innere Teil 9 erhärtet.

Der charakteristische völlig offene Mittelraum der Spule ist gut in Fig. 6 und 7 zu sehen, wo die sich kreuzenden Schenkel der Windungen zu erkennen sind. Die geringen Anteile des in den umgebenden rohrförmi­ gen Teil teilweise eingebetteten elektri­ schen Widerstandsdrahtes vermindern die erzielba­ re Heizkraft um keinen nennenswerten Betrag. Die Strömung durch den ringförmigen Raum mit den sich kreuzenden Drähten erzeugt so hohe Turbulenzen, daß eine freie Strö­ mung durch den freien Mittelraum der Spule praktisch unmög­ lich oder zumindest unbedeutend ist, da die Turbu­ lenzen auch dort bestehen.

Wie bei der Papierherstellung kann das genannte keramische Material aus einer Aufschlämmung von keramischen Fasern her­ gestellt werden, der zur Erzeugung eines festen Materials der flüssige Bestandteil entzogen wird. Daher kann die neue Heizvorrichtung hergestellt werden, indem das kerami­ sche Faserrohr an der Spule gefertigt wird.

Dies ist in den Fig. 8-11 dargestellt. Die Fig. 8 und 9 zeigen ei­ nen rohrförmigen Halter 10 mit gelochter Wandung, der die Spule 1 gestreckt hält und an einer Kappe 11 befestigt ist. Die Spule steckt in einem Beutel 12, der die Ecken der Windungen gerade berührt. Der Beutel sollte porös sein und die Eigenschaften eines Polyamidstrumpfes haben. Tatsächlich wurde bei der experimentellen Ausführung des beschriebenen Verfahrens ein Polyamidstrumpf ver­ wendet. In Fig. 8 sieht man einen von den erwähnten Teilen gebildeten Einsatz vor dem Eintauchen in eine Aufschlämmung 13 von keramischen Fasern in einem Behälter 14, auf dessen Öff­ nung die Kappe 11 luftdicht aufgesetzt werden kann. Der Behäl­ ter 14 ist mindestens so hoch wie die auseinandergezogene Spule mit dem porösen Beutel 12 lang ist.

Fig. 9 zeigt, wie durch Erzeugen von Unterdruck am oberen Ende des rohrförmigen Halters 10, dessen Wandung gelocht ist, ein Vakuum im Beutel 12 gebildet wird, wenn die Kappe 11 auf den Behälter 14 aufgesetzt ist. Dabei steigt die Aufschläm­ mung 13 durch das Eintauchen des Einsatzes so weit nach oben, daß sie den Raum zwischen der Außenseite des Beutels und der Innenseite des Behälters vollständig ausfüllt. Da der Beutel innen evakuiert ist, wird der flüssige Bestandteil der Auf­ schlämmung nach innen gesogen und weggeführt, wobei sich die kerami­ schen Fasern außen am Beutel dicht aneinanderlegen. Obgleich als Aufschlämmung 13 bezeichnet, versteht es sich, daß dieselbe eine hohe Konzentration von keramischen Fasern im Vergleich zum flüssigen Bestandteil haben kann, so daß die zylin­ drische Innenseite des Behälters 14 eine Form bildet und nach dem Absaugen des flüssigen Bestandteils, beispielsweise Wasser, die Spule von einem keramischen Faserrohr umgeben ist, das aus einem Stück besteht und untrennbar an den Ecken der Windungen der Stachelspule festsitzt, wie aus Fig. 10 hervorgeht.

In dem zuvor geschilderten Zustand ist das gebildete Gehäuse oder Rohr noch feucht. Wie Fig. 11 zeigt, kann alle Restfeuchtigkeit aus dem feuchten Gehäuse oder dem Einsatz in einer Trockenkammer oder einem Ofen entfernt werden, so daß ein starres und genügend festes Bauteil entsteht. Das feuchte und schließlich erhärtete Rohr ist in Fig. 10 und 11 mit 13 a bezeichnet.

Wenn eine Wendelspule, deren Windungen eine Fläche bilden, so daß sich ihre Schenkel also nicht kreuzen, in der Weise, wie zuvor beschrieben, angeordnet wird, ergibt sich ein ho­ her Wärmeübergangsverlust, da über die gesamte Spulenlänge der halbe Drahtquerschnitt für den Wärmeübergang auf das durch die Spule strömende Fluid verlorengeht.

Die erforderlichen elektrischen Anschlüsse der Spulenenden im Rohr können in jeder gewünschten Weise erfolgen. Das Rohr kann innen etwas konisch sein, so daß die Windungsecken die Rohr­ innenseite in über die Rohrlänge zunehmendem Maße eindrücken. Für einen Mehrphasenwechselstrombetrieb kann die Spule zur Aufnahme der dann erforderlichen verschiedenen Phasenanschlüs­ se in zwei oder mehr Teile geteilt werden. Die Spule und das Rohr können jede gewünschte Länge und jeden Durchmesser haben, wobei zur Zeit Spulendurchmesser bis 15 cm in Betracht gezo­ gen werden. Der Durchmesser oder Querschnitt des elektrischen Widerstandsdrahtes sollte dem in Betracht gezogenen Strom ent­ sprechen. Die Drahtzusammensetzung kann jede für elektrische Widerstandsheizungen geeignete sein.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen können insbesondere bei Heizpistolen angewendet werden. Eine derartige Vorrich­ tung muß rohrförmig sein, eine große Menge an mit ho­ her Geschwindigkeit strömendem Fluid bereitstellen und imstande sein, das Fluid, das gewöhnlich Luft ist, auf hohe Tempera­ turen zu bringen. Bei dieser Anwendung hat die vorliegende Erfindung den Vorteil, daß alle Spulenwindungen an ihren gegenüberlie­ genden Ecken sicher gehalten werden, wobei die geraden Windungsschenkel Brücken zwischen den eingespannten Ecken bilden. Das Verhältnis der freilie­ genden Drahtoberfläche zu der in dem umgebenden Rohr einge­ betteten ist sehr groß, was eine maximale Wärmeübertragung ergibt.

Durch die vorliegende Erfindung werden bei einer elektrischen Stachelspulenwiderstandsheizung ein äußerst hoher Wärmeüber­ gang und sehr hohe Durchströmungsgeschwindigkeit durch äußerst geringe Einbettung der Ecken der Spulenwindungen erreicht.

Claims (4)

1. Elektrische Fluidheizvorrichtung mit einer Wider­ standsdrahtspule, die durch eine wendelförmige Aufreihung im Querschnitt näherungsweise dreieckförmiger Windungen gebildet ist und in ihrer axialen Richtung innerhalb eines Rohres mit elektrisch isolierender Innenseite so gestreckt ist, daß die Windungen gegenseitigen Abstand haben, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2, 3; 8, 9) aus keramischen Fasern besteht und der Innendurchmesser desselben geringer als der Außendurchmesser der Spule ist, und daß die nähe­ rungsweise dreieckförmigen Windungen mit ihren Ecken (1 b) die Rohrfasern an der Innenseite unter Bildung einer teil­ weisen Einbettung zusammendrücken.

2. Elektrische Fluidheizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2, 3; 8, 9) aus zwei Längshälften zusammengesetzt ist, die fest mitein­ ander verbunden sind.

3. Elektrische Fluidheizvorrichtung mit einer Wider­ standsdrahtspule, die durch eine wendelförmige Aufreihung im Querschnitt näherungsweise dreieckförmiger Windungen gebildet ist und in ihrer axialen Richtung innerhalb eines Rohres mit elektrisch isolierender Innenseite so gestreckt ist, daß die Windungen gegenseitigen Abstand haben, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2, 3; 8, 9) aus Hartkeramik besteht, die mit harter glasartiger Emaille ausgekleidet ist, in der die Ecken der näherungsweise dreieckförmigen Windungen unter teilweiser Einbettung fixiert sind.

4. Elektrische Fluidheizvorrichtung mit einer Wider­ standsdrahtspule, die durch eine wendelförmige Aufreihung im Querschnitt näherungsweise dreieckförmiger Windungen gebildet ist und in ihrer axialen Richtung innerhalb eines Rohres mit elektrisch isolierender Innenseite so gestreckt ist, daß die Windungen gegenseitigen Abstand haben, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (13 a) durch Aufschlemmen keramischer Fasern und anschließender Aushärtung um die Spule geformt ist, wobei die Fasern die Ecken der näherungs­ weisen dreieckförmigen Windungen umgeben.