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Biegsamer Elektroerhitzer
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Die Erfindung betrifft einen biegsamen Elektroerhitzer, der zur Wärmebehandlung
von Schweißverbindungen von Rohren und Trommeln von Kesselaggregaten verwendet werden
kann.
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Bekannt ist ein aus einem Induktor bestehender biegsa--mer Eektroerhitzer,
der in Form eines vieladrigen Kupferkabels ausgeführt ist, welches mit einer Umflechtung
aus Äsbestschnur oder Asbestgewebe überzogen ist (F.A. Khromchenko "Termicheskaya
obrabotka svarnykh soedineny trub elektrostantsy1t, Moskau, 1972, S. 88).
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Da der Elektroerhitzer aus Kupfer besteht, oxydiert er selbst bei
niedrigen Temperaturen, so daß seine Einsatzzeit nur kurz ist. Der Induktor wird
auf ein zu erhitzendes Rohr nur über eine Wärmedämmschicht gelegt, was den Erwärmungswirkungsgrad
herabsetzt. Außerdem ermöglicht ein so gebauter Erhitzer nur eine Induktionsheizung,
bei welcher die in ihm entwickelte Wirkleistung an die Umgebung abgegeben wird,
was den Erwärmungsgrad zusätzlich vermindert.
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Bekannt ist weiterhin ein als Induktor ausgebildeter biegsamer Elektroerhitzer,
der ein flexibles.Kupferkabel aufweist, welches mit Asbestumflechtung überzogen
und zur Durchführung seiner Wasserkühlung hohl ausgeführt ist. Dieser biegsame Elektroerhitzer
weist dieselben Nachteile wie. der vorstehend beschriebene auf, und ist aufgrund
des Wasserkühlsystems bedeutend komplizierter.
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Ein anderer bekannter aus einem Induktor bestehender biegsamer Elektroerhitzer
besteht aus einem vieladrigen Kabel aus hitzebeständigem Stahl, beispielsweise aus
Nichrom, und ist mit einer Elektroisolationshülle in Form eines Satzes von gleichmäßig
über die Länge verteilten Keramikbuchsen überzogen. Dieser Erhitzer kann unmittelbar
auf den Körper einer zu erwärmenden Kammer aufgelegt werden. Die in ihm freigesetzte
Energie, also sowohl die magnetische als auch die durch den elektrischen Widerstand
bedingte, kann für die Erwärmung eines Gegenstandes genutzt werden, was einen hohen
Erwärmungs-Wirkungsgrad gewährleistet.
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Jedoch ist die aus einem Satz von Keramikbuchsen bestehende Elektroisolationshülle
mechanisch nicht fest.
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Ungeschützte Buchsen fallen oft beim Auflegen auf einen zu erwärmenden
Gegenstand aus. Überdies bilden die über die gesamte Länge des Kabels verteilten
Buchsen eine kontinuierliche Wärmeisolationsschicht, was die WErmeabgabe des vieladrigen
Kabels erschwert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen biegsamen Elektroerhitzer
zu schaffen, der verbesserte Wärmeabgabebedingungen bei gleichzeitiger Erhöhung
der Biegsamkeit des Elektroerhitzers ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem biegsamen Elektroerhitzer,
der ein flexibles Kabel, durch welches ein Heizstrom fließt, und elektrisch isolierende
Keramikbuchsen aufweist, die das flexible Kabel umfassen, erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß Jeweils zwischen zwei benachbarten elektrisch isolierenden Keramikbuchsen
ballige Metallfassungen befestigt sind, von denen jede das flexible Kabel umgibt.
Zweckmäßigerweise ist jede ballige Metallfassung biegsam in Form einer Spirale ausgeführt
oder bildet einen hohlen Rotationskörper.
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Auf der Mantelfläche jeder elektrisch isolierenden Kera-
mikbuchse
kann eine Metallbuchse befestigt sein, die zweckmäßigerweise zusammengesetzt ausgeführt
ist. Jede Metallfassung wird vorteilhafterweise an den benachbarten Metallbuchsen
angelenkt.
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Es ist ferner günstig, wenn die Innenfläche des hohlen Rotationskörpers
teilweise spiegelblank ausgeführt ist und auf einem Teil der Mantelfläche des hohlen
Rotationskörpers Nuten vorgesehen sind.
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Wenn das flexible Kabel einen rechteckigen Querschnitt hat, wird innerhalb
jeder elektrisch isolierenden Keramikbuchse zweckmäßigerweise eine Metallbuchse
angeordnest, die in ihr durch eine keilförmige Verbindung befestigt ist und auf
der Innenfläche Vorsprünge verschiedener Höhe aufweist, von denen mindestens ein
Teil die Oberfläche des flexiblen Kabels berührt.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagene biegsame Elektroerhitzer gewährleistet
eine hohe Effektivität bei der Erwärmung von Gegenständen und folglich einen hohen
Erwärmungswirkungsgrad.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 eine Gesamtansicht eines biegsamen Elektroerhitzers; Fig. 2 einen
biegsamen Elektroerhitzer mit Metallfassungen in Form einer Spirale; Fig. 3 einen
biegsamen Elektroerhitzer -mit Metallfassungen in Form eines Rotationskörpers; Fig.
4 den Schnitt IV-IV von Fig. 1; Fig. 5 den Schnitt V-V von Fig. 1; Fig. .6 den Schnitt
VI-VI von Fig. 5. und Fig. 7 die Anbringung des biegsamen Elektroerhitzers auf der
Oberfläche eines zu erwärmenden Gegenstandes.
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Der biegsame Elektroerhitzer ist ein blankes vieladriges flexibles
Kabel (1) (Fig. 1), dessen Adern aus hitzebeständigem Stahl, beispielsweise aus
Nichrom, ausgeführt sind. Das Kabel 1 befindet sich in über seiner- Länge gleichmäßig
verteilten elektrisch isolierenden Keramikbuchsen 2. Zwischen zwei benachbarten
Buchsen 2 sind auf der gesamten Länge des Kabels 1 ballige Metallfassungen 3 angeordnet,
von denen jede das Kabel 1 umgibt. Die ballige Form der Fassungen 3 erhöht die Steifigkeit
des Elektroerhitzers und erleichtert das Auflegen auf einen zu erwärmenden Gegenstand.
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Die Fassungen 3 bestehen aus einer Metalldrahtspirale 4 (Fig. 2),
die eine ballige Form hat und konzentrisch zum Kabel 1 angeordnet ist. Die Enden
der Spirale 4 sind in den Vertiefungen 5 der Buchsen 2 befestigt. Die Spirale 4
besteht aus hitzebeständigem magnetischen oder unmagnetischen Stahl.
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Um eine unerwünschte EMK, die in den hintereinander verbundenen Spiralen
4 beim Durchfluß des Arbeitsstroms durch das Kabel 1 induziert wird, zu beseitigen,
sind die Spiralen 4 abwechselnd links und rechts gewickelt.
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Dadurch heben sich die in den einzelnen Spiralen 4 induzierten elektromotorischen
Kräfte gegenseitig auf.
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Die Enden des vieladrigen Kabels 1 sind mit Klemmen 6 (Fig. 1) für
den Anschluß an eine nicht gezeigte Stromquelle versehen.
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Die Metallfassung 3 kann ein hohier Rotationskörper 7 (Fig. 3) sein.
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Auf der Mantelfläche jeder Keramikbuchse 2 (Fig. 2) ist eine Metallbuchse
8 befestigt. Die Buchse 2 selbst ist aus zwei Teilen 9, 10 (Fig. 3) zusammengesetzt.
Die Metallbuchse 8 ist auf ihrer Mantelfläche ebenfalls geteilt, hat zwei Teile
11, 12 und ist mit den Teilen 9, 10 der Buchse 2 durch eine keilförmige Verbindung
verbunden, welche zwei Dichtungselemente 13 aus hitzebe-
ständigem
Material in Form eines regelmäßigen Kegels aufweist. Die Innenräume der Teile 11,
12 der Buchse 8, die eine entsprechende Konizität haben, werden bei der Montage
durch Schraubenbolzen 14 und Muttern 15 zusammengezogen und ermöglichen so eine
zuverlässige Befestigung der Buchse 2 am Kabel 1.
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Die Fassung 3 wird zwischen den benachbarten Buchsen 2 gelenkig befestigt,
wozu die Buchsen 11 Flansche 16 mit an ihnen befestigten Fingern 17 aufweisen, welche
in Langlöcher 18 der Fassungen 3 frei hineinragen.
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Die Achsen der Finger 17 liegen in einer Ebene, die durch die Mittellinie
des Kabels 1 senkrecht zur Ebene seiner Hauptarbeitsbiegung verläuft. Außer der
Hauptbiegung braucht der Elektroerhitzer eine verhältnismäßig kleine Krümmung in
einer Ebene, die zur Ebene der Hauptbiegung senkrecht ist, d.h. in der Ebene der
Achsen der Finger 17 liegt. Die Krümmung wird durch einen zwischen der Buchse 2
und der Fassung 3 vorgesehenen Spalt sowie dadurch gewahrleistet, daß die Löcher
18 als Langlöcher ausgebildet sind.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsvariante ist das flexible
Kabel 1 als Band mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Eine solche Ausführung
des Kabels ermöglicht es, einerseits das Biegemoment zu verringern, d.h. die Biegsamkeit
des Elektroerhitzers beim Auflegen auf eine krummlinige Oberfläche, beispielsweise
auf die Oberfläche eines Sammlers, zu erhöhen, andererseits nimmt die Nutzfläche
der Strahlung im Vergleich mit einem Kabel 1 mit kreisrundem Querschnitt zu.
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Die hohle Metallfassung 3, die in der Ebene der Hauptbiegung, d.h.
in der Ebene der maximal möglichen Krümmung des Elektroerhitzers, ballig aüsgebildet
ist, gibt eine hinreichende mechanische Festigkeit, weil die Stoßbelastungen nicht
von den Keramikbuchsen 2, sondern von den mit ihren Enden an den Fingern 17 frei-hängenden
Fassungen 3 aufgenommen werden. In der Ebene der Achsen
der Finger
17 kann man die Wände der-Fassung 3 flach (Fig. 4) ausbilden, was einen minimalen
Spalt zwischen den benachbarten Windungen des Erhitzers beim Auflegen auf einen
zu erwärmenden Gegenstand, z.B. eine Solenoidspule, und somit auch eine hohe Dichte
von Amperewindungen je Einheit der Sammlerlänge ergibt.
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Die Innenfläche 19 eines Teils der Fassung 3 ist im Querschnitt auf
der Außenseite der Hauptbiegung des Kabels 1 lückenlos spiegelblank ausgebildet,
während der übrige Teil der Fassung durchgehende Nuten 20 aufweist, die Längsnuten,
wie gezeigt, oder Quernuten sind.
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Wenn das biegsame Kabel 1 einen rechteckigen Querschnitt aufweist
und beispielsweise vieladrig aus miteinander verflochtenen Bändern besteht, bei
denen die Breite-beträcht--lich größer ist als die Dicke, so ist inne-rhalb der
Buchse 2 eine Metallbuchse 21 (Fig. 5, 6) untergebracht, die das Kabel 1 umfaßt
und in der Budhse 2 durch eine keilförmige Verbindung 22 befestigt ist. Die Buchse
21 besteht aus einem hitzebeständigen Meterial und weist auf der Innenfläche Vorsprünge
23 verschiedener Höhe auf, welche über die Innenfläche der Buchse gleichmäßig verteilt
sind.
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Die Buchse 2 ist von Metallfassungen 24 umgeben, die durch Schweißverbindungen
25 miteinander verbunden sind.
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Somit bilden die durch die Buchsen 2 miteinander verbundenen Metallfassungen
3 eine ununterbrochene Elektroisolierhülle, in deren Mitte sich das vieladrige Kabel
1 des Elektroerhitzers befindet.
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Der biegsame Elektroerhitzer arbeitet folgendermaßen: Der Elektroerhitzer
wird auf den zu erwärmenden Abschnitt eines Gegenstandes 26 (Fig. 7) in mehreren
Windungen aufgelegt, deren Zahl rechnerisch vorbestimmt wird. Die Windungen werden
unmittelbar auf die Außenfläche des Gegenstandes 26 gelegt, wobei die Metallfassungen
3 über die
metallische Oberfläche des Gegenstandes gleiten. Da
die Metallfassungen 3 ballig ausgebildet sind, berühren die Buchsen 2 den Gegenstand
26 nicht, was deren Ausfall ausschließt.
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Außerdem-gewährleistet die Konstruktion der Fassung 3 selbst eine
zusätzliche Dämpfung der Flansche 8. All dasführt zur hohen mechanischen Festigkeit
derElektro isolierhülle des Elektroerhitzers. Nach dem Verlegen bedeckt man die
Windungen des Elektroerhitzers mit einer Wärmedämmschicht 27 und schließt an die
Klemmen 6 eine Stromquelle an. Hierbei erzeugt der durch die Windungen des vieladrigen
Kabels 1 fließende Wechselstrom ein elektromagnetisches Wechselfeld, welches den
Gegenstand 26 durch Wirbelströme erwärmt. Gleichzeitig wird wegen des hohen elektrischen
Widerstands des aus Nichrom bestehenden vieladrigen Kabels eine große Wirkleistung
entwickelt, die es auf eine hohe Temperatur erwärmt.
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Hierbei wird die Wärmeenergie des Kabels 1 durch Strahlang und Konvektion
verhältnismäßig frei auf den Gegenstand 26 übertragen, weil die Elektroisolierhülle
fast auf der ganzen Länge des Kabels 1 die Wärmeübertragung vom Kabel 1 zum Gegenstand
26 nicht behindert. Es kommt zu einer recht effektiven Erwärmung des Erzeugnisses,
wobei die gesamte im vieladrigen Kabel 1 entwickelte Energie für die Erwärmung gebraucht
wird.
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Wenn die Fassungen 3 Nuten 20 (Fig. 4) besitzen, so geht die Strahlung
der zum Sammler gekehrten Oberfläche des Kabels 1 frei durch die durchgehenden Nuten
20. Wenn man noch berücksichtigt, daß das Kabel 1 als Band ausgebildet ist, welches
mit dem breiten Teil dem Erzeugnis zugewandt ist, so ist die Strahlungsfähigkeit
des Kabels 1 recht hoch. Außerdem trifft die Strahlung der von dem Gegenstand 26
abgewandten Oberfläche des Kabels 1 auf den spiegelblanken Hohlraum 19- der Fassung
3, wird dort reflektiert und gelangt über die durchgehenden Nuten 20
auf
die Oberfläche des Gegenstandes 26, wobei sie diesen zusätzlich erwärmt. Somit wird
praktisch die ganze Strahlungsenergie des Kabels 1 für die Erwärmung des Gegenstandes
26 genutzt. Nur ein geringer Teil dieser Energie wird über die Fassungen 3 zur Wärmeschutzschicht
27 übertragen, was eine Überhitzung der Berührungszone der Fassung 3 und der Schicht
27 verhindert. Gleichzeitig mit der Strahlungserwärmung findet zusätzlich auch die
Induktionserwärmung des Sammlerkörpers statt, was eine recht effektive Erwärmung
mit hohem Wirkungsgrad und geringen Verlusten gewährleistet.
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Im folgenden wird der Zusammenbau eines Bauteils mit einer Keramikbuchse
2 gemäß Fig. 5 und 6 erläutert.
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Zunächst werden an beiden Seiten des Bandpakets, das das Kabel 1 bildet,
die Buchsen 21 angebracht und zwangsweise an das Kabel 1 so angedrückt, daß ihre
Vorsprünge 23 in die Körper der äußeren Bänder eindringen. Da die Vorsprünge 23
verhältnismäßig kurz ausgeführt sind, werden die inneren Bänder des Pakets von diesen
Vorsprüngen 23 nicht berührt. Nach der Fixierung der Buchsen 21 am Kabel 1 werden
auf diese die Keramikbuchsen 2 aufgebracht und von den Fassungen 24 umgeben, welche
durch die Schweißverbindungen 25 miteinander verbunden werden.
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Wenn beim Auflegen auf die Oberfläche eines zu erwärmen- -den Gegenstandes
26 der Elektroerhitzer gebogen wird, erfolgt eine gegenseitige Verschiebung der
Bänder im Querschnitt nicht nur in den freien Abschnitten des Kabels 1, sondern
auch in den Abschnitten der Befestigung der Buchsen 2, und zwar weil die Vorsprünge
23 nur in die äußeren Bänder des Pakets eingedrungen sind, während die übrigen Bänder
frei bleiben. Deshalb wird die Biegsamkeit des Kabels 1 nicht nur aufgrund seiner
Paketform, sondern auch durch die Konstruktion der die Buchsen 2 aufweisenden Bauteile
sichergestellt.
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Eine solche Bauweise des Elektroerhitzers gestattet es, abgesehen
von der erhöhten Biegefähigkeit, einige Bauteile und -einheiten zu vereinheitlichen,
da man bei Änderung der Anzahl der Bänder in einem Paket nur die Buchse 1 abändert,
ohne die Bauweise der übrigen Bauteile und -einheiten zu verandern, so daß man auf
diese Weise einen für andere Zwecke angepaßten Elektroerhitzer erhält.
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Überdies ist die Reparatur eines so gebauten biegsamen Elektroerhitzers
einfach, da sich die Baueinheit leicht auseinandernehmen läßt.
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Das Vorhandensein der Buchsen 21 mit den Vorsprüngen 23 erlaubt es,
die ganze Baugruppe am Kabel 1 zuverlässig zu fixieren. Falls auf die Baueinheit
der Buchse2 wirkende Längskräfte auftreten, geschieht ein Selbstverklemmen der Buchse
2 auf dem Kabel 1 aufgrund der keilförmigen Verbindung 22, was eine hohe Zuverlässigkeit
der Befestigung und Fixierung der Buchsen 2 auf dem'Kabel 1 gewährleistet.
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Somit hat die erfindungsgemäße Bauart des biegsamen Elektroerhitzers
eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Betriebssicherheit. Ein derartiger
Erhitzer ist gegen Stoßbelastungen, Vibrationen und andere mechanische Einwirkungen
wenig empfindlich.
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Obendrein wird eine hohe Effektivität des Wärmeübergangs durch Strahlung
und Konvektion vom vieladrigen Kabel auf den Körper der Kammer sichergestellt, was
einen hohen Erwärmungswirkungsgrad gewährleistet.
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Es kann auch ein Satz von Elektroerhitzern verschiedener Abmessungen
wegen der in der Bauweise vorgesehenen Möglichkeiten der Vereinheitlichung verwendet
werden, was eine ausreichend wirtschafiliche'und hocheffektive elektrische Erwärmung
von Gegenständen ermöglicht.
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Die erhöhte Biegsamkeit des Elektroerhitzers erweitert den Bereich
von Gegenständen, die sowohl einer örtlichen als auch einer allseitigen Wärmebehandlung
ausgesetzt werden können.
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Der erfindungsgemäße biegsame Elektroerhitzer kann zur Wärmebehandlung
der Schweißringnuten von Trommeln sowie zur Wärmebehandlung der Kammern in Blöcken
von Kesselaggregaten und ihren Sammlern verwendet werden. Hierbei wird die Wärmebehandlung
technologisch vereinfacht. und.
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der Reparaturaufwand verringert. Die Verwendung des biegsamen Induktors
der erfindungsgemäßen Bauart gewährleistet auch eine Elektroenergieeinsparung.
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Die Elektroerhitzer der erfindungsgemäßen Bauweise können bei Montage-
und Reparaturarbeiten in Wärmekraftwerken breite Anwendung finden.