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Flexibles elektrisches Heiz- oder Temperaturmeßelement
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein flexibles elektrisches Heiz-
oder Temperaturmeßelement aus isolierten Speiseadern und einem oder mehreren diese
Adern umgebende Heiz- oder Meßleiter, die durch Freilegung der Leiter der Speiseadern
an über die Länge in Abständen wiederkehrenden, von SpeiSeader zu Speiseader unterschiedlichen
Stellen diese Leiter kontaktieren und zwischen aufeinander folgenden Kontaktstellen
im Wechsel von einer Speiseader zur anderen Heizzonen definierbarer Leistung oder
Meßzonen bilden.
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Bekannt sind flexible Heizelemente beispielsweise unter dem Handelsnamen
"Econotrace". Diese für Begleitheizungsprcbleme angebotenen Heizkabel weisen Speiseadern
mit einem Kupferleiter und einer Isolierung aus Polytetrafluorethylen-Perfluorpropylen
(FEP), also aus einem Mischpolymerisat aus Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen,
auf. Aus dem gleichen extrusionsfähigen Werkstoff besteht auch die beide Speiseadern
gemeinsam umschließende sog.
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Innenisolierung, über die der eigentliche Heizleiter aus einer Chrom-ickel-Legierung
gewickelt ist. An in Abständen vorgesehenen Stellen an den Außenkanten sind die
Innenisolierung und die Aderisolierung entfernt, so daß dort die jeweilige Windung
oder Windungen des Heizleiters elektrisch leitenden Kontakt mit den Leitern der
Speiseadern erhalten.
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Solche Heizkabel in Bandform haben ebenso wie die bekannten sog. selbstregulierenden
Heizbänder (US-PS 4,194,536) beim Einsatz als Rohrbegleitheizung den Nachteil einer
ungünstigen Wärmeverteilung, so daß zusätzliche Mittel, etwa eine Metallbandbewicklung,
die Heizband und Rohr gemeinsam umschließt, notwendig werden (DE-OS 29 18 144).
Das bekannte bandförmige Heizkabel wendelförmig z. B. um eine Rohrleitung herum
zu legen, führt wegen des
hierzu notwendigen verhältnismäßig großen
Schlages zu keiner ausreichenden Temperierung eines im Rohr befindlichen Mediums.
Zudem kann das beim Aufwickeln unvermeidbare Verschieben der parallel geführten
Speiseadern gegeneinander leicht zur Verschiebung des Heizleiters gegenüber der
ihm zugeordneten Kontaktstelletauf dem Leiter der Speiseader führen, so daß zusätzlich
mit einem Ausfall der einen oder anderen Heizzone gerechnet werden muß.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die
Aufgabe zugrunde, ein flexibles elektrisches Heizelement zu schaffen, das auch in
den beschriebenen Einsatzfällen für eine optimale Wärmeverteilung bei hoher Betriebssicherheit
sorgt. Nicht auf eine optimale Wärmeverteilung, vielmehr auf eine optimale Wärme-
bzw. Temperaturerfassung kommt es bei gleichem oder vergleichbarem mechanischen
Aufbau - selbstverständlich bei hoher Betriebssicherheit - an, wenn das flexible
elektrische Element nicht zu Heizzwecken, sondern zu Temperaturmeßzwecken verwendet
wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Speiseadern
mit mindestens einer weiteren Ader verseilt oder mit dieser zu einem Bündel oder
einer Lage zusammengefaßt sind. Ein solches Element, das z. B. aus den beiden Speiseadern
und einer weiteren Ader besteht, wobei letztere Meß- oder Kontrollfunktionen ausüben
kann, läßt sich, wie bekannte Heizdrähte (US-PS 3 355 572) auch, mit verhältnismäßig
kleinem Schlag etwa auf eine Rohrleitung aufwickeln, so daß die Wärmeverteilung
auf die Rohroberfläche gegenüber den bekannten Heizelementen wesentlich verbessert
ist. Wegen der Verseilung oder Bündelung besteht auch keine Gefahr, daß die Kontaktgabe
zwischen Heizleiter und Speiseadern beim Aufbringen auf ein Rohr gemindert oder
gar völlig unterbrochen wird.
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Im wesentlichen die gleichen Vorteile - lediglich mit umgekehrter
Blickrichtung ergeben sich auch dann, wenn es sich bei dem erfindungsgemäßen flexiblen
Element um eine Temperaturmeßleitung, etwa zur Temperaturüberwachung elektrischer
Kabel, Rohre oder Rohrsysteme handelt, der die verseilten, gebündelten oder in einer
Lage zusammengefaßten Speiseadern umgebende Draht ein entsprechender Widerstandsdraht
ist, und über die Speiseadern die bei Temperaturerhöhung in der Ungebung veränderte
Widerstandscharakteristik dieses Drahtes etwa über eine Brückenschaltung festgestellt
wird. Bei den die verseilten oder gebündelten Speiseadern umgebenden ;eßleitern
kann es sich aber auch um Thermo-
elemente handeln, die bei entsprechender
Temperaturänderung im zu überwachenden System über die hier spannungsfreien Speiseadern
Signale nach außen geben. In jedem Fall sind demnach im erfindungsgemäß ausgebildeten
Element beliebig viele Heizzonen oder auch Meßzonen bzw. Thermoelemente zusammengefaßt,
wobei deren Anzahl durch den Verwendungszweck und die Produktlänge bestimmt wird.
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Die mit der Erfindung vorgeschlagene Maßnahme der Verseilung oder
Bündelung ermöglicht es, neben den Speiseadern Blindstränge aus einem geeigneten
Kunststoff oder auch weitere isolierte Adern mit einzubringen. So können die Blindstränge
dazu dienen, den Durchmesser des Heizelementes zu vergrößern, um auf diese Weise
größere Längen an Heizdraht im Element unterbringen zu können bzw.
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im Falle einer Meßzone die Meßgenauigkeit zu erhöhen und Ansprechzeiten
von nachgeschalteten Schalteinrichtungen zu verkürzen. Dem gleichen Zweck können
die weiteren isolierten Adern dienen, wobei mit diesen Elementen sich gleichzeitig
eine Steigerung der Funktionsmöglichkeiten ergibt. Diese zusätzlichen Adern können
Kontrollfunktionen ausüben, z. B. in den Fällen, bei denen ein gleichmäßiger Temperaturverlauf
gefordert wird, sie können aber auch Abschaltorgane beeinflussen, wenn ein plötzlicher
Schaden auftritt.
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Neben einer gestreckten Ausführung des das Verseilelement oder Bündel
umschließenden Heiz- oder Meßleiters kann dieser auch die Form einer auf einen Kern
wendelförmig aufgewickelten Kordel aufweisen, er kann aber auch innerhalb einer
Geflechtfachung untergebracht sein oder selbst eine solche Form besitzen.
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Allen ablängbaren bekannten Heizbändern, Heizkabeln und dergl. ist
gemeinsam, daß für die Kontaktgabe zwischen Heizleiter und Speiseleiter die Isolierung
an den vorgesehenen Stellen mechanisch, etwa durch Fräsen, Schaben, Schneiden und
dergl. entfernt wird. Da diese Maßnahme vor dem Aufwickeln des Heizleiters an den
bereits fertig isolierten und ggf. ummantelten Speiseadern vorgenommen wird, sind
nur die außen liegenden Bereiche der Isolierung zu erfassen. Diese für die Kontaktgabe
verhältnismäßig räumlich engen Bereiche sind weitere Schwachstellen einer Heizleitung.
Diese nachträgliche Freilegung der Leiter der Speiseadern ist offenbar auch ein
weiterer Grund dafür, daß bisher lediglich bandfcrmige Ausführungen ablängbarer
Heizelemente bekannt geworden sind.
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In Weiterführung der Erfindung werden die geschilderten Schwierigkeiten
dadurch überwunden, daß die Speiseadern an den Kontaktstellen rundum von der
Isolierung
befreit sind. Diese Entfernung der Isolierung erfolgt bei der Aderfertigung, so
daß ein nachträgliches Bearbeiten mit der Gefahr der Beschädigung des Heiz- oder,
wie bei der Erfindung, auch des Temperaturmeßelementes entfällt. Hinzu kommt die
nunmehr sichere Kontaktmöglichkeit über den gesamten Umfang der Speiseader. Das
gilt selbst dann, wenn, wie bei der Erfindung, die Speiseadern und weitere Adern
miteinander verseilt oder gebündelt sind.
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Wie bekannt, werden für die Isolierung der Speiseleiter höher temperaturbeständige
Werkstoffe, z. B. Silikonkautschuke, eingesetzt. Als für die Erfindung am zweckmäßigsten
haben sich jedoch hochtemperatur-beständige Kunststoffe auf Basis Fluorpolymere,
vorzugsweise auf Basis Polytetrafluorethylen, erwiesen.
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An sich ist es bereits bekannt, Fluorpolymere, etwa das Polytetrafluorethylen,
zur Isolierung elektrischer Leitungen einzusetzen. Aufgrund der bekannten Verarbeitungsschwierigkeiten
solcher Polymermaterialien sind die herzustellenden Produktlängen jedoch begrenzt.
Rohrleitungen oder Rohrsysteme z. B. größerer Länge können ohne weiteres also nicht
mittels elektrischer Leitungen,die mit einem hochtemperatur-beständigen Werkstoff
isoliert sind, beheizt werden.
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Gleiches gilt selbstverständlich für Temperaturmeßleitungen, deren
Gesamtlänge Beschränkungen unterworfen ist.
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Diese Schwierigkeiten beim Einsatz bekannter Heizbänder oder Heizkabel
werden nach einem weiteren Erfindungsgedanken dadurch überwunden, daß die Isolierung
der Speiseadern aus einem zunächst in ungesinterter Form aufgewickelten und im aufgebrachten
Zustand gesinterten Bandmaterial besteht Diese Art der Isolierung macht es möglich,
Speiseadern für hohe thermische Beanspruchungen herzustellen, wobei gegenüber dem
Formen durch Pulverpressen und Sintern der hochtemperatur-beständigen Kunststoffe
höhere Fertigungsgeschwindigkeiten bei vor allem beliebigen Fertigungslängen erreicht
werden. Höchste Isolierqualitäten werden insbesondere dann erzielt, wennn entsprechend
einem älteren Vorschlag das verwendete Bandmaterial eine von der Rechteckform abweichende,
vorzugsweise linsen- oder trapezförmige Querschnittsform,aufweist.
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Wie bereits angedeutet, haben sich elektrische Heizleiter für sog.
Begleitheizungen für Rohrleitungen im tiarkt bereits durchgesetzt. Sie finden z.
B.
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in der chemischen Industrie beim temperierbaren Medientransport, etwa
auch
als Analysenleitungen, weite Anwendungsgebiete; Hierbei kommt
es u. a. darauf an, die Temperatur des zu fördernden Mediums von der Aufnahme bis
zur Abgabe konstant zu halten. Dies ist in vielen Fällen absolute Voraussetzung>
da Temperaturänderungen, etwa in einem Rohrabschnitt, zur Änderung des Aggregatzustandes
des zu fördernden Mediums führen und damit die gesamte Rohrleitung blockieren können.
Die bekannten Heizleiter in Bandform haben den Nachteil einer in Bezug auf den Rohrumfang
ungleichmäßigen Wärmeverteilung, die bekannten mit höherer Temperatur belastbaren
und ablängbaren Heizleitungen oder -kabel haben außerdem den Nachteil, daß sie in
der Länge begrenzt sind.
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Abhilfe schafft hier in Weiterführung des Erfindungsgedankens die
Maßnahme, daß die das Heizelement bildenden Speiseadern und weitere Adern um das
Rohr oder Rohrsystem ein- oder mehrlagig herum verseilt oder parallel zum Rohr in
Achsrichtung herumgelegt sind und die Heizleiter jede Lage wendelförmig umgeben.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Heizelemente für Begleitheizungen sichert nunmehr
eine völlig gleichmäßige Temperierung über den gesamten Rohrumfang, ohne daß zusätzliche
Mittel erforderlich wären.
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Darüber hinaus ergibt sich aber noch der besondere Vorteil, daß wegen
der Herstellung der Heizelemente nach der Erfindung in beliebigen Längen, nunmehr
beliebig ablängbare, temperierbare Rohrleitungen und/oder Rohrsysteme geschaffen
sind. In der beheizbaren Form können z. B. Rohrleitungen aus Kunststoff oder Metall,
beispielsweise Kupfer oder Edelstahl, in praktisch endlosen Längen hergestellt und
erst am Montageort in der benötigten Länge zugeschnitten werden. Die ablängbaren
Heizleiter bieten Gewähr dafür, daß kürzere oder längere Rohrleitungsstrecken stets
einwandfrei, und zwar über den gesamten Rohrumfang, temperierbar sind.
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Handelt es sich nicht um eine Rohrleitung, sondern um ein Rohrsystem,
etwa in Form eines Rohrbündels aus einer liehrzahl verseilter Einzelröhrchen, dann
können in Durchführung der Erfindung die Speiseadern und weitere Adern sowie der
Heizleiter das Rohrbündel in einer oder mehreren Lagen umgeben.
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Durch Einfügung einer oder mehrerer isolierender Zwischenlagen ergibt
sich hier die Möglichkeit, auch mehrere Heizkreise zur Temperierung der zu übertragenden
Medien einzusetzen. Mehrere Heizkreise lassen sich in ein Rohrsystem auch in der
Weise einfügen, daß das Rohrbündel insgesamt von einer aus Speiseadern, weiteren
Adern und Heizleiter gebildeten Lage umschlossen wird und ein oder mehrere Einzelröhrchen
des Rohrbündels für sich genommen noch
einmal beheizt werden. Da
in jedem Fall die Rohre, auch die Einzelröhrchen einschließlich der nach der Erfindung
ausgebildeten Heizleiter, beliebig ablängbar sind, sind die unterschiedlichsten
Rohr- oder Rohrsystemkombinationen möglich.
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Gleiches gilt für den Fall, daß die Rohrleitung oder das Rohrleitungssystem
entsprechend der Erfindung hinsichtlich der Temperaturführung der zur transportierenden
Medien überwacht werden soll. Durch das gleichmäßig am Rohrumfang verteilte Temperaturmeßelement,
Widerstandsleiter, Thermoelement oder dergl., ist eine genaue Temperaturführung
möglich, Schäden im System können kurzfristig erfaßt und geortet werden.
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Die Erfindung ermöglicht es auch, Insbesondere im Rohrsystem, Heizelemente
und ternperaturirießelemente gemeinsam unterzubringen. So kann z. 8. in einem aus
mehreren verseilten oder gebündelten Einzelrohren bestehenden Rohrbündelkabel ein
medienführendes Röhrchen mit einem Heizelement nach der Erfindung temperiert sein,
während zur Temperaturüberwachung des gesamten Kabels die aus den einzelnen Röhrchen
gebildete Seele von einem Temperaturmeßelement nach der Erfindung in Form einer
Lage umgeben ist.
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Die Erfindung sei anhand der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt ein flexibles elektrisches Heizelement nach der Erfindung,
bestehend aus den beiden Speiseadern 1 und 2 mit den spannungführenden Leitern 3
und 4, die von der Isolierung 5 aus gewickelten Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Bändern
umgeben sind. In Abständen ist die Isolierung 5 entfernt, und zwar in gleichen Abständen
auf jeder Speiseader, wobei allerdings die von der Isolierung befreiten Stellen
in Achsrichtung gegeneinander räumlich verschoben sind. Diese Stellen sind mit 6,
6' bzw. 7, 7' bezeichnet. -Damit erhält der das verseilte oder unverseilte Bündel
wendelförmig umgebende Heizleiter 8 die Möglichkeit einer Kontaktierung mit den
Leitern 3 und 4 der Speiseadern an den bezeichneten Stellen, und zwar so, daß der
Heizleiter 8 jeweils Heizzonen zwischen 6 und 7 bzw. 6' und 7' bildet. Mit 9 ist
eine weitere Ader bezeichnet, die z. 8. der Temperaturüberwachung dient. Selbstverständlich
kann auch an dieser Stelle eine Blindader, z. B. aus Kunststoff, oder ein Glasfaserstrang
verwendet werden. Die rundum entfernte Isolierung
der Speiseadern
sichert auch bei verseilten Elementen eine einwandfreie und dauerhafte Kontaktierung
zwischen Heizleiter 8 und Leiter 3 und 4 der Speiseadern 1 und 2 selbst dann, wenn
eine solche Heizleitung in engem Schlag z. B.
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auf eine Rohrleitung aufgewickelt wird.
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In der Fig.'2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem ein
nach der Erfindung ausgebildetes Heizelement in Form einer Lage auf eine Rohrleitung
aufgeseilt ist. über der Rohrleitung 10, die aus metall oder Kunststoff bestehen
kann, sind die Speiseadern 11 und 12 zusammen mit weiteren Adern oder Blindsträngen
13 aufgeseilt. Für den Fall, daß das Rohr 10 aus Metall besteht, empfiehlt sich
eine isolierende Zwischenlage zwischen Rohr 10 und aufgeseiltem Heizelement, etwa
in Form einer Glasseidenbewicklung oder eines Glasseidengeflechtes. Die verseilten
Elemente sind umgeben von dem Heizleiter 14, der in gestrecktem Zustand in Form
einer in Achsrichtung verlaufenden Wendel ausgebildet sein kann, aber auch als Geflechtfachung
oder innerhalb-eines isolierenden Geflechtes untergebracht verwendet werden kann.
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Der weitere Schichtenaufbau kann ein Haltegeflecht oder eine Haltewendel
15 sein, an die sich eine wärmeisol-ierende Hülle 16 und schließlich als mechanischer
äußerer Schutz eine Kunststof-fumhüllung 17, auch in rlammwidriger Ausführung, anschließen
können.
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Abweichend von der Fig. 2 zeigt die Fig. 3 eine Rohrbündelkabel-Ausführung,
bei der als beheizbare Seele drei Einzelröhrchen 18 verwendet sind. Von einer Bewicklung
oder einem Geflecht 19 werden die verseilten oder parallel geführt ten Einzel röhrchen
und Füllstränge 20 zusammengefaßt. Das ablängbare Heizelement besteht aus den Speiseadern
21 und 22, die zusammen mit weiteren Adern oder Strängen 23 das innere Rohrbündel
umgeben. Der Heizleiter ist mit 24 bezeichnet, er ist z. B.- ein- gestreckter Heizdraht
aus NiCr in gewendelter Ausführung. An diesen Aufbau können sich weitere Schichten,
etwa wie in der-Fig. 2 dargestellt, anschließen.
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Das in den Fig. 2 und 3 dargestellte Heizelement kann auch mehrlagig
ausgeführt sein, beispielsweise zum Zwecke der Erhöhung der Heizleistung pro laufenden
tester Rohr. Falls gewünsch"c, ist es nach der Erfindung aber auch möglich, zwei
oder mehr Heizkreise z. B. innerhalb eines Rohrbündelkabels an unterschiedlichen
Stellen vorzusehen. Ein solches Ausführungsbeispiel
zeigt die Fig.
4. Hier weist das z. B. aus einem geeigneten Kunststoff bestehende Röhrchen 25 an
seinem Umfang ein Heizelement 26, aufgebaut nach der Erfindung, auf. Dieses beheizbare
Röhrchen ist mit den anderen, etwa aus Edelstahl hergestellten Röhrchen 27 zu einem
Bündel zusammengefaßt, etwa durch eine Verseilung. Oberhalb einer Haltewendel 28
befindet sich dann das Heizelement 29 aus Speiseadern 30 und 31, weiteren Adern
32 und Heizleiter 33, der diese Lage wendelförmig umschließt und dabei zwischen
jeweils zwei Kontaktstellen an den Speiseadern 30 und 31 wendelförmig das Rohrsystem
umschließende Heizzonen definierbarer Leistung bildet.
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Der weitere Aufbau kann, wie in der Fig. 2 dargestellt, erfolgen.
Auf das Heizelement 29 kann im übrigen verzichtet werden, wenn es lediglich auf
die Beheizung des Röhrchens 25 und nicht auf die Temperierung der Röhrchen 27 ankommt.
In diesem Fall könnte man aber auch den mechanischen Aufbau so belassen, jedoch
das "Heizelement 2g" als Temperaturmeßelement vençenden.
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Dasdlat den Vorteil, daß neben der speziellen Temperierung des im
Röhrchen 25 geförderten Mediums gleichzeitig das gesamte Rohrsystem hinsichtlich
der Temperaturführung überwacht werden kann.
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Die Rohrleitung 10 z. B. nach der Fig. 2 kann im übrigen auch ein
elektrisches Kabel sein, wobei die aufgeseilten Elemente (11, 12, 13, 14) nicht
Bestandteile eines Heizelementes, sondern eines Temperaturmeßelementes sind.
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Die Temperaturüberwachung von Energiekabeln ist seit langem bekannt
(z. B.
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DE-PS 624.998),jedoch lassen die bekannten Maßnahmen die durch die
Erfindung mögliche Meßgenauigkeit wegen der am Umfang verteilten Meßleiter nicht
zu, abgesehen davon, daß die beliebige Ablängbarkeit nicht immer gegeben ist.
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