DE3837198C2 - Elektroerhitzer zur thermischen Behandlung von ein- oder mehrphasigen Fluiden mit durch elektrischer Widerstandsheizung direkt beheiztem Rohr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektroerhitzer für ein- oder mehrphasige Fluide mit einem oder mehreren durch Wider­ standsheizung direkt beheizten Rohren, der auch bei höchsten Heizrohrwandtemperaturen sich durch niedrige Wärmeverluste auszeichnet, für den Betrieb von Vakuum im Heizrohr besonders geeignet ist und bei dem andererseits auch bei höchsten Betriebsdrücken und Betriebstemperaturen im Heizrohr die Heizrohrwandicke optimal nach den elektrischen und heiz­ technischen Forderungen - d. h. u. U. sehr kleine Wanddicken - und nicht nach den hohen Betriebsdrücken und Temperaturen ausgelegt wird.

Elektroerhitzer mit durch Widerstandsheizung direkt beheizten Rohren, die für Vakuum geeignet sind, sind bekannt. So sind z. B. die in der DE 27 32 133 C2 und DE-PS 6 12 379 beschriebenen Elektroerhitzer mit durch direkt beheizten Rohren ausgestattet, die in einem Behälter untergebracht sind. Bei Undichtigkeit oder Bruch eines Heizrohres hält der Behälter das Vakuum aufrecht, sodaß keine Luft an das beheizte Fluid gelangen kann. Nachteilig bei den oben beschriebenen Elektroerhitzern ist die Notwendigkeit der großen Isolierdicke bei sehr hohen Heizrohrwandtemperaturen, um den Wärmeverlust gering zu halten. Ein weiterer Nachteil ist, daß das Fluid nur an einer Seite und nicht an beiden Seiten, d. h. am Heizrohr außen und innen kontrolliert an der Heizrohrwand entlang strömt. Bei einer kontrollierten Fluidströmung an beiden Seiten der Heizrohrwand, d. h. außen und innen vom Heizrohr, kann die Heizrohrwandfläche fast halbiert werden gegenüber einer Ausführung bei der die kontrollierte Fluidströmung nur innen im Heizrohr vorhanden ist.

Ausführungen von Elektroerhitzern mit Heizwendeln, die von dem Fluid vollständig umströmt werden, wie z. B. die in der DE 16 15 278 B2 beschriebenen Ausführung, zeichnen sich durch hohe unerwünschte Druckverluste aus oder haben keine kontrollierte Fluidströmung an den Heizwendeln, was z. B. notwendig ist, um gezielt chemische Reaktionen zu erreichen. Außerdem sind Elektroerhitzer mit Heizwendeln nicht für alle mehrphasigen Fluide geeignet, wie das eben bei direkt beheizten Rohren der Fall ist.

Eine weitere Ausführung eines Elektroerhitzers ist in dem DE-GM 12 45 563 angegeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Elektroerhitzer für ein- oder mehrphasige Fluide mit durch Widerstand elektrisch direkt beheizten Rohren so auszubilden, daß das Fluid kontrolliert sowohl an der Heizrohrinnenwand als auch Heizrohraußenwand entlangströmt, daß ein sicherer Vakuumbetrieb im Heizrohr gewährleistet ist, daß die Wärmeverluste ohne Isolierung minimiert werden, daß der Austausch von schadhaften Heizrohren mit geringem Aufwand durchgeführt werden kann und daß die Heizrohrwand­ dicke auch bei höchsten Drücken und Temperaturen im Heiz­ rohr klein gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Elektroerhitzer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausbildungen sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Das Heizrohr ist mit einem Leitrohr versehen. Das Leitrohr um­ gibt das Heizrohr zu einem großen Teil in seiner Länge und ist an eine der beiden Fußplatten der Mantelrohre befestigt. Das Heizrohr mit seinem Leitrohr ist in der Mitte von mehreren ineinandergeschobenen Mantelrohren angebracht; die Mantelrohre sind jeweils an einem Rohrende gemeinsam mit einer Fußplatte abgeschlossen.

Das Fluid fließt z. B. seitlich am einen Mantelrohrende in den 1. Zwischenraum, der zwischen dem 1. und 2. der in­ einandergeschobenen Mantelrohre gebildet wird. Das Fluid fließt nun an den Mantelrohren entlang zum anderen Rohr­ ende, wo der erste Zwischenraum offen zum zweiten Zwischen­ raum ist, der vom 2. und 3. der ineinandergeschobenen Mantelrohre gebildet wird. Der zweite Zwischenraum, durch den das Fluid nun weiterfließt, ist am entgegengestzten Rohrende offen zum dritten Zwischenraum, der vom 3. und 4. der ineinandergeschobenen Mantelrohre gebildet wird usw. d. h. das Fluid fließt durch alle Zwischenräume der ineinander­ geschobenen Mantelrohre bis der letzte Zwischenraum am Leitrohr des Heizrohres endet. Das Fluid fließt also im Gegenstrom vom ersten Zwischenraum zwischen den Mantel­ rohren zum nächsten Zwischenraum und dann zum nachfolgenden Zwischenraum usw. und nimmt dabei an Temperatur bis zum Leitrohr zu. Die hierbei vom Fluid aufgenommene Wärme­ energie ist abhängig von der Heizrohrwandtemperatur und ginge ohne das im Gegenstrom durch die Mantelrohrzwischen­ räume fließende Fluid verloren bzw. müßte durch eine starke Isolierung nach außen abgeschirmt werden. Aus dem letzten Zwischenraum zwischen dem letzten Mantelrohr und dem Leitrohr fließt das Fluid in den Raum zwischen Leitrohr und Heizrohr und dort, je nach Ausführung im Gleichstrom oder im Gegenstrom zur Fluidströmung im Heizrohr, außen am Heizrohr entlang.

Da die Heizrohrwand außen und innen mit etwa dem gleichen Druck des Fluids beaufschlagt wird und das Heizrohr federnd mit Zug gegen Biegung gelagert werden kann, kann die Heizrohr­ wanddicke optimal nach den elektrischen und heizungstechnischen Forderungen ausgelegt werden.

Die Zwischenräume zwischen den ineinandergeschobenen Mantel­ rohren können so ausgelegt werden, daß am Eintritt zum ersten Zwischenraum ein Überdruck gegenüber der Atmosphäre herrscht, während im Heizrohr schon das Vakuum der nachgeschalteten Apparate herrscht. Bei dieser Betriebsweise kann auch bei einem Bruch des Heizrohres keine Luft von außen in bzw an das Fluid gelangen.

Um auch elektrisch leitende Fluide mit dem Elektroerhitzer erwärmen zu können, wird - bei der Alternative "Gegenstrom" - das Leitrohr und die Fußplatte - zumindestens der Teil inner­ halb des Leitrohres - an der das Leitrohr befestigt ist, aus elektrisch nichtleitendem Material hergestellt oder damit elektrisch isolierend überzogen. Bei der Alternative "Gleich­ strom" wird entsprechend das letzte Mantelrohr vor dem Leit­ rohr und das Leitrohr sowie die Fußplatte - zumindestens inner­ halb des letzten Mantelrohres und des Leitrohres - aus elektrisch nichtleitendem Material hergestellt oder damit elektrisch isolierend überzogen. Selbstverständlich ist bei beiden Alter­ nativen dann auch der elektrische Anschluß im Deckelraum elektrisch gegen das Fluid zu isolieren.

In den Abb. 1 bis 4 ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen dargestellt.

Abb. 1 zeigt einen Elektroerhitzer mit einem zentralen Heizrohr, das durch die Fußplatte der ineinandergeschobenen Mantelrohre reicht und federnd, aber elektrisch isoliert an dieser Fußplatte befestigt ist. Das andere Heizrohrende ist elektrisch leitend an der anderen Fußplatte der Mantelrohre befestigt.

Abb. 2 zeigt einen Elektroerhitzer mit einem zentralen Heizrohr, das an beiden Enden fest, am einen Ende aber elektrisch leitend am anderen Ende elektrisch isoliert, an den Fußplatten der ineinandergeschobenen Mantelrohre befestigt ist und die Zugspannung auf das Heizrohr über die auseinandergedrückten Fußplatten übertragen wird.

Abb. 3 zeigt einen Elektroerhitzerausschnitt in dem zu erkennen ist, wie ein Heizelement aufgebaut ist, das aus mehreren ineinandergeschobenen Heizrohren mit einem Leitrohr besteht.

Abb. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Rohranschlusses an den Elektroerhitzer mit zwei übereinanderstehenden Flanschen.

Das Heizelement in Abb. 1, bestehend aus einem Heizrohr 1 ist an dem einen Heizrohrende mit einem Flansch 2 versehen, sowie für einen guten elektrischen Stromfluß vorteilhafterweise mit Rippen 3. Am anderen Ende des Heizrohres 1 ist eine Gewinde­ stange 4 mit Fußplatte 5 an das Heizrohr 1 elektrisch leitend befestigt. Der Flansch 2 ist elektrisch gut leitend an die untere Fuß­ platte 6 der ineinandergeschobenen Mantelrohre 7a, 7b, 7c, ... 7x befestigt. Die Gewindestange 4 ragt, elektrisch vollständig zur oberen Fußplatte 8 isoliert, durch die obere Fußplatte 8 der ineinanderge­ schobenen Mantelrohre 9a, 9b, 9c, ... 9x. Zwei Federn 10, die durch die Mutter 11 vorgespannt werden können, sorgen dafür, daß das Heizrohr 1 in seinem Betriebszustand mit einer Zug- oder Druckspannung belastet ist oder spannungslos ist. Bei höheren Heizrohrtemperaturen sollten die Federn 10 gegen Übertemperatur geschützt werden, z. B. durch Kühlung und/oder Isolierung.

Um ein Austreten des Fluids in die Umgebung bei Überdruck im Heizrohr bzw ein Einfließen von Luft bei Vakuum im Heiz­ rohr 1 durch die mit einer isolierenden Dichtung 12 ver­ sehenen Öffnung 13 zu vermeiden, wird die gesamte Federmechanik und der elektrische Anschluß am Heizrohrende mit einem Deckel 14 dicht abgeschlossen.

Das Leitrohr 15, das vorteilhafterweise auf das Heizrohr 1 und die Fluiddurchflußmenge abgestimmt werden sollte, ist, je nach Ausführung, an eine der beiden Fußplatten 6 oder 8 befestigt.

Je nachdem, wo das Leitrohr 15 befestigt wird, fließt das Fluid zwischen Leitrohr 15 und Heizrohr 1 im Gleichstrom oder im Gegenstrom zum Fluid innerhalb des Heizrohres 1.

Ist das Leitrohr 15 an der unteren Fußplatte 6 befestigt, so fließt das Fluid zwischen Leitrohr 15 und Heizrohr 1 im Gleichstrom zum Fluid innerhalb des Heizrohres 1. In diesem Fall fließt also nur ein Teil des Fluids in das Heizrohr 1 der restliche Teil des Fluids fließt im Gleichstrom dazu zwischen Heizrohr 1 und Leitrohr 15 zum Heizrohrende mit Flansch 2 und tritt dort durch die Öffnungen 17 aus.

Ist das Leitrohr 15 an der oberen Fußplatte 8 befestigt, so fließt das gesamte Fluid zwischen Heizrohr 1 und Leitrohr 15 vom Heizrohrende mit Flansch 2 zum Heizrohrende mit Gewindestange 4 und dort durch die seitlichen Öffnungen 16 in der Heizrohrwand in das Heizrohrinnere; dort fließt dann das ganze Fluid zum Heizrohrende mit Flansch 2, wo es das Heizrohr 1 verläßt.

Zur Kühlung der Federn 10 können z. B. in der oberen Fußplatte 8 Öffnungen 18 und 19 gebohrt sein, durch die ein Teil des Fluids in den Deckelraum ein und wieder ausfließen kann. Durch die Öffnungen 18 in einem der ersten Mantelrohrzwischenräume kann etwas Fluid heraus in den Deckelraum fließen und dort durch die Rippen 20 so umgelenkt werden, daß das Fluid an den Federn 10 entlangströmt und diese kühlt. Durch die Öffnungen 19 fließt das Fluid in einen der letzten Mantelrohrzwischenräume zurück. Ein gewisser Druckabfall über die Mantelrohrzwischenräume ist allerdings notwendig, um die Fluidströmung durch den Deckel­ raum gewährleisten.

Bei sehr hohen Heizrohrtemperaturen ist eine ausreichende Kühlung der Federn 10 im Deckelraum u. U. nicht mehr möglich. Für einen solchen Fall können die Federn außerhalb des Elektro­ erhitzermantelrohres installiert werden. Abb. 2 zeigt eine solche Möglichkeit. Das äußere Elektroerhitzermantelrohr muß in diesem Fall in Lägsrichtung kompensatorische Eigenschaften haben, um einer Längenänderung des Heizrohres 1 bei Temperaturänderung folgen zu können.

Um das Fluid beim Durchströmen durch das Heizrohr, je nach Bedarf, an verschiedenen Stellen mit einer größeren oder kleineren Wärmestromdichte beaufschlagen zu können, kann das Heizrohr in seiner Längsrichtung unterschiedliche elektrische Widerstände besitzen. So wird z. B. die Wärmestromdichte in das Fluid verkleinert, wenn bei konstanter elektrischer Stromstärke der elektrische Widerstand verkleinert wird, z. B. durch Ver­ größerung der Heizrohrwandstärke oder Anbringen von Rippen 3 gemäß der Gleichung für die ohmsche Widerstandsheizung:

Q = I² . R mit I = Ampère und R = Ohm

Die Wärmestromdichte kann vergrößert werden, wenn der elektrische Widerstand vergrößert wird, z. B. durch Verringerung der Heizrohr­ wandstärke, wie bei 21 gezeigt.

Wird der Elektroerhitzer zum Teil als Vakuumapparat einge­ setzt und tritt das Fluid mit einem gewissen Überdruck gegen­ über der Atmosphäre in den Elektroerhitzer ein und soll bei Vakuum erhitzt werden, wobei unter keinen Umständen Umgebungs­ luft - z. B. wegen Explosionsgefahr - in das erhitzte Fluid gelangen darf, so kann eine vollständig luftdichte und trotzdem lösbare Rohrverbindung zu den nachgeschalteten Vakuumapparaten wie folgt hergestellt werden: (siehe Abb. 4)

Das anschließende Rohr 22 hat an seinem Ende zwei Flansche 23, 24 mit zwei unterschiedlichen Durchmessern an seiner Rohrwand luftdicht angeschweißt. Der Flansch 23 mit dem kleineren Durchmesser hat Stehbolzen 25 mit denen des Heizrohr 1 und - bei der Alternative "Gleichstrom" - das Leitrohr 15 an den Flansch 23 fest ange­ schraubt wird. Dann wird der restliche Elektroerhitzer an den äußeren Flansch 24 befestigt, wobei gleichzeitig die Gewinde­ stange 4 des Heizrohres 1 durch die Öffnung 13 der oberen Fußplatte 8 gefädelt wird, um dann mittels Feder 10 und Mutter 11 mit dieser verbunden zu werden. Danach kann der Deckel 14 aufgesetzt werden. In der unteren Fußplatte 6 sind in dem Bereich, wo das Fluid noch einen Überdruck gegenüber der Atmosphäre hat, Öffnungen 26 angebracht, durch die das Fluid in den Zwischenraum zwischen den beiden Flanschen 23 und 24 gelangen kann, so daß immer ein Überdruck gegenüber der Atmosphäre in diesem Zwischenraum herrscht. Somit kann, selbst wenn die Flanschverbindung 23 undicht wird, keine Luft in das im Vakuum erhitzte Fluid gelangen, da das Vakuum und die Verbindung vollständig von Fluid mit Überdruck umgeben ist.

Bei der Alternative "Gegenstrom" wird anstelle des Leit­ rohres 15 das letzte Mantelrohr 7× zusammen mit dem Heizrohr 1 an den Flansch 23 befestigt. Im übrigen wird die Verbindung dann auch entsprechend ausgeführt.

Die in Abb. 4 mit (+) gekenzeichneten Bereiche haben einen Überdruck, die mit (-) gekennzeichneten Bereiche einen Unterdruck gegenüber der Atmosphäre; eine Verschiebung des Unterdruckbereiches ist möglich, dann müssen allerdings die Öffnungen 26 u. U. vergrößert werden.

Von Vorteil ist es, wenn die obere Feder 10 eine Steigung hat, die der unteren Feder 10 entgegengesetzt ist.

Claims (13)

1. Elektroerhitzer zur thermischen Behandlung von ein- oder mehrphasigen Fluiden mit einem durch elektrische Widerstandsheizung direkt beheizten Heizrohr (1), welches im oberen Bereich Zuströmoffnungen (16) aufweist und am unteren Ende offen ist, mit einem nicht beheizten Leitrohr (15), welches das Heizrohr (1) zu einem großen Teil seiner Länge umgibt und für den Gegenstrombetrieb an einer oberen Fußplatte (8) und für den Gleichstrombetrieb an einer unteren Fußplatte (6) befestigt ist, mit mehreren konzentrisch um das Leitrohr (15) angeordneten Mantelrohren (7, 9), die an einem Ende an der oberen bzw. unteren Fußplatte (8, 6) befestigt sind und die kürzer sind als der Abstand zwischen der oberen und unteren Fußplatte, und mit verschließbaren Öffnungen (17) im Flansch (2), mit dem das Heizrohr (1) elektrisch leitend mit der Fußplatte (6) verbunden ist.

2. Elektroerhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere ineinandergeschobene Heizrohre (1) aufweist die von einem Leitrohr (15) umgeben sind.

3. Elektroerhitzer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizrohr (1) an seiner oberen Befestigung mittels einer Feder (10) gehalten wird.

4. Elektroerhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizrohr (1) in seiner Längsrichtung unterschiedliche Rohrwandstärken (21) und/oder Rippen (3) hat.

5. Elektroerhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizrohr (1) im Bereich der seitlichen Öffnungen (16) Rippen (3) besitzt.

6. Elektroerhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die freidurchströmbaren Ringflächen zwischen aufeinanderfolgenden Mantelrohren kleiner sind, als die freidurchströmbare Fläche des Heizrohres (1).

7. Elektroerhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die freidurchströmbare Ringfläche zwischen Leitrohr (15) und dem nächsten Heizrohr (1) kleiner ist, als die freidurchströmbare Fläche des Heizrohres (1).

8. Elektroerhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Fußplatte (8) der Mantelrohre (9), an der das Heizrohr (1) beweglich befestigt ist, Öffnungen (18, 19) aufweist, durch die ein Teil des Fluids aus den Mantelrohrzwischenräumen in einen Deckelraum bzw. aus dem Deckelraum in die Mantelrohrzwischenräume strömen kann.

9. Elektroerhitzer nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Deckelraum Rippen und/oder Leitelemente (20) angebracht sind.

10. Elektroerhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, für den Gleichstrombetrieb bei dem das Leitrohr (15) an der unteren Fußplatte (6) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitrohr (15), das letzte Mantelrohr (9x) vor dem Leitrohr (15) und die obere Fußplatte (8) - zumindestens der Teil der oberen Fußplatte innerhalb des letzten Mantelrohres (9x) aus elektrisch nichtleitendem Material gefertigt oder mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen sind.

11. Elektroerhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, für den Gegenstrombetrieb bei dem das Leitrohr (15) an der oberen Fußplatte (8) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitrohr (15) und die obere Fußplatte (8) - zumindestens der Teil der oberen Fußplatte innerhalb des Leitrohres (15) - aus elektrisch nichtleitendem Material gefertigt oder mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen sind.

12. Elektroerhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergeschobenen Heizrohre (1) und das umgebende Leitrohr (15) mit einer elektrischen Stromversorgung versehen sind, die über ein Drehstromnetz erfolgt, wobei jedes Heizrohr (1) mit einer Phase verbunden ist und die Heizrohre elektrisch hintereinander geschaltet sind.

13. Elektroerhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er an seinem Fluidaustritt zwei übereinanderstehende Flansche (23, 24) aufweist, die mit einem Rohr (22) verbunden sind.