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Anordnung zur elektrischen Erhitzung 'strömender Luft oder Gase auf
hohe Temperaturen Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur elektrischen
Erhitzung strömender Luft oder Gase auf hohe Temperaturen, bei welcher die Luft
einen Durchströmkörper mit einer Vielzahl von, parallelen Kanälen mit gleichbleibendem
Querschnitt unter -der Wirkung eines künstlichen, z. B. durch ein Gebläse, erzeugten
Druckunterschiedes gleichsinnig durchströmt unid bei welcher in den Kanälen des
Durchströtnkörpers entweder Heizleiter untergebracht sind, die, die Wandungen der
Kanäle durch: Leitung oder Strahlung erhitzen oder bei «-elchen die Wandungen der
Kanäle selbst als unmittelbar vom Strom durchflossene Heizleiter ausgebildet sind.
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Es ist bekannt, in solchen Anordnungen die einzelnen Kanäle in ihrer
ganzen Länge elektrisch zu beheizen. Dieses bekannte Verfahren bat jedoch große
Nachteile, wenn es sich darum handelt, kalt einströmende Luft oder andere Gase auf
hohe Temperaturen (70o' C t:ud mehr) zu erhitzen und gleichzeitig den Unterschied
zwischen der Austrittstemperatur der Luft und der Höchsttemperatur des Heizkörpern
möglichst gering zu halten. Es stellt sich nämlich heraus, dar in diesem halle bei
Anordnungen, in denen die Luft durch einen künstlich erzeugten Druckunterschied
durch das System der parallelen Kanäle hindurchgetrieben wird, keine einheitliche
Erhitzung der Luft in sämtlichen parallel geschalteten Kanälen mehr stattfindet,
sondern :. dar sich der Gesamtquerschnitt des Heizkanalsystems auf der -Austrittsseite
in zwei oder rnehrere Zonen aufteilt, derart, daB dunkel glühende Teile neben übermäßig
hell glühenden auftreten. Infolgedessen strömt die Luft entweder im Mittel ungenügend
erhitzt durch das Kanalsystem hindurch oder der Heizkörper wird an d°n heißesten
Stellen in kürzester zeit durch lokale Überhitzung zerstört.
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Nach der Erfindung werden diese Nachteile dadurch vermieden., dar
die elektrische Beheizun;g der Durchströmkanäle sich nur oder überwiegend auf etwa
die halbe Länge aller
Kanäle erstrecht und daß die Zuführung des
durch die Kanäle strömenden Mediums (Luft, Gas) an der von der Heizsonne abgewandten
Seite der Durchströmkanäle vorgesehen ist. Durch diese Anordnung wird es erstmalig
ermöglicht, strömende Luft oder Gase in einem einmaligen Durchlauf durch einen elektrisch
aufgeheizten Heizkörper in ihrer Gesamtheit auf 700' und mehr zu erhitzen,
ohne daß irgendwelche Teile des elektrischen Heizkörpers wesentlich höhere Betriebstenip,-raturen
anzunehmen brauchen. Da die langzeitig,', Belastungsgrenze der meisten elektrischen
Heizleiter unterhalb fooo° C liegt, ist damit überhaupt erstmalig die Möglichkeit
gegeben, Luft oder andere Gase durch Hindurchpress:n durch einen elektrischen Heizkörper
unter Benutzung der üblichen elektrischen Heizleiterwerkstofte und unter Wahrung
einer wirtschaftlichen Lebensdauer auf ;0o° C und mehr zu erhitzen.
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Die Erfindung hat nichts zti tun. mit den bekannten elektrisclicn
Zimmerheizkörpern, bei denen durch dickwandige Blechkörper gebildete Kanäle vertikal
angeordnet sind, ctene:i in einem Teilabschnitt ihre Wärni.e durch einen elektrischen
Heizkörper zugeführt wird und in denen die Luft durch - natürliche Schornsteinwirkung
von unten nach oben strömt. Hier ist die Wärmeleitung längs der Kanäle so groß und
die Luftgeschwindigkeit so gering, daß ein - in diesem Falle nur schädlicher - Temp;raturtinterschied
längs der einzelnen Kanäle nicht wirksam in Erscheinung tritt; die Austrittsteml)eratur
der Luft liegt überdies unter roo' C.
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Zur Erläuterung der Erfindung wird vif die wahrscheinliche Entst.ebung
des geschilderten Zonenphänomens kurz eingegangen. Es werd-. zunächst ein Einzelkanal,
z. B. in Form eines dünnen 'Metallrohres, betrachtet, durch das die Luft mit einem
künstlich erzeugten festen Druckunterschied d j, hindurchgetrieben wird. Im kalten
Zustande geht hierbei eine Luftmenge vom Kaltvoiunien l' (to) Liter pro Sekunde
hindurch, wob:i to die Zimnierteinperatur ist. Wird nun las Rohr in ganzer Länge,
z. B. durch eine Flamme oder einen hindurchgeschickten Strom, auf eine konstante
Cbertemperattir 7l erhitzt, so nimmt 1>ei gegeb°rem Druck die liindurcbgehende Luftmenge
auf dä.s kleinere sekundliche Iialtvolumen I' (ü) ab. Diese :Abnahme hat zwei Ursachen:
einmal würde durch die in d2 r Röhre erfolgend: Erhitzung die Geschwindigkeit der
Luft im Verhältnis ihrer Verdünnung erhöht werden, wenn das gleiche Kaltvolumen
hindurchgetrieben wird. Es treten also größere Reibungskräfte auf, bei gegebenem
Druck sinkt die hindurcligetrieben.e haltluftmenge. Noch wirksamer jedoch ist ein
anderer Umstand: die Zähigkeit der Luft, wie aller andern Gase, vergr- 'ßert sich
bei Erhitzung von Zimmertemperatur auf beispielsweise goo° C auf ein Vielfaches
ihres Kaltwertes, in demselben Mafi#e wächst der Strömungswiderstand uud sinkt,
bei gegebenem Druckunterschied, die hindurchgetriebene Luftmenge. Die Gesamterhöhung
des Luftwiderstandes durch die genannten beiden Ursachen würde zwischen Zimmertemperatur
und 90o° C fast eine Zehnerpotenz 1ietragen. wenn die Luft schon bald nach Eintritt
in das Heizrohr praktisch dessen Wandtemperatur annehmen würde. Unter diesen Umständen
würde die hindurchströmende Luftmenge jedoch noch eindeutig .durch die Tetiiperatur
der Rohrwand bestiinnt sein und mit zuneltnender Wandtemperatur ständig bis auf
et@va'r/io ihres sekundlichen Kaltvolumens ab nehmen.
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In Wirklichkeit ist nun bei elektrischen Lufterhitzungssvsteinen mit
einzeln aufgeheizten Kanälen nicht die Wandtemperatur, sondern die pro Längeneinheit
des Kanals elektrisch zügefithrte Heizleistung durch die äußeren Bedingungen vorgegeben.
Da diese elektrische Heizleistung zum übevviegenden Teil nicht anders als an diehindurchströinende
Luft abgegeben werden kann, ist in deni betrachteten Kanal der Wärmeinhalt der ausströmenden
Luft fest geget@°n gleich der pro Kanal zugeführten Heizleistung L: die Temperatur
der Luft muß also desto höher werden, je weniger Luft hindurchströmt.
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Das Zusammenwirken dieser tliei-niisclien mit der vorher geschilderten
dynamisch;_i Gesetzmäßigkeit bringt es nun offenbar mit sich. daß bei gegebenem
d p und I_ ein labiler Zustand bezüglich der ;Menge und Teinperat:ir der aufgeheizten
Luftmenge auftreten kann. U@ird in diesem Zustand durch irgendeine zufällige kleine
Schwankung einmal die hindurchströmende Luftmenge plötzlich verringert, so steigt
die Lufttemperatur an; infolge der mit wachsender Temperatur w@tclisenden Verdünnung
und gleichzeitigen Z,ilii;;heitscergrößerung wird die hindarclistr(>riienrle Luftm;iige
noch weiter vermin(lert. dadurch ihre Temperatur weiter erhöht. Diese Wirkungen
steigern sich gegenseitig, bis mir noch so wenig Luft hindurchströmt, daß ein erheblicher
Teil der Heizleistung durch Strahlung; oder Leitung an die äußere I_'mgebttng abgegeben
-wird.
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Wird andererseits von dem betrachteten labilen Punkt aus die durchströmende
Luftmenge durch eine zufällige Schwankung ein wenig vergrößert, so wirkt die damit
verliundene Erniedrigung der I-ufttenil)erat_ir ini Sinne eirar weiteren Vergrößerung
der Luftmenge, diese wiederum im Sinne einer noch st.i-keren un:I das Gleichgewicht
wird
erst wieder bei einer erheblich tieferen Durcbströmungstemperatur erreicht.
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Es gibt somit anscheinend bei gegebenem I_ und 0 p in einem
Einzelkanal zwei Zustände erheblich verschiedener Luft- und Wandtemperatur, die
beide im stabilen Gleichgewicht 'sind. Welcher von beiden Zuständen erreicht wird,
kann von verhältnismäßig unwichtigen N ebenumständen, etwa kleinen Verschiedenlieiten
der Heizleistung oder der äußeren Wärmeabfuhr, abhängen.
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Ist nun nicht nur ein. derartiger Kanal vorhanden, sondern eine Vielzahl
parallel geschalteter Kanäle, die alle unter demselben Druckunterschied A p stehen
und die gliche Einzelleistung L zugeführt erhalten, so kann sich aus geringfügigen
Ursachen in dem eitlen Teil der Kanäle der heiße Zustand mit langsamer Durchströmung,
in einem anderer. Teil der kalte Zustand mit rascher Durchströmung einstellen. Dadurch
scheint die eingangs erwähnte Beobachtung ihre Erklärung zu finden.
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Die stabilisierende Wirkung der gemäß der Erfindung zur Verwendung
kommenden kalten Vorkanäle wäre dann folgendermaßen zu verstehen. Im Grenzfall des
sehr langen Vorkanals ist die hindurchströmende Luftmenge von dem Strömungswiderstand
des verhältnismäßig kurzen heißen Endkanals praktisch unabhängig, da der Widerstand
des gesamten Vorkanals groß ist gegen den Widerstand des heißen Endkanals. Im Grenzfall
eine3 sehr kurzen Vorkanals wird immerhin die Grenze der zulässigen Heizbelastung
L, bei der noch ein stabiles Arbeiten .möglich ist, etwas zu höheren Belastungen
verschoben. Durch Versuche hat sich ergeben, daß ein Vorkanal von ähnlicher Länge
und ähnlichem Querschnitt wie der Heizkanal genügt, um eine Stabil.isierung-der
Luftmenge und Lufttemperatur über den ganzen Querschnitt eines Kattälsystenis bis
zu L.uftaüstrittstemperaturen von goo bis iooo° und Glühdraht- bzw. Wandtemperaturen
von iooo bis iloo° C zu erreichen.
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Unter den möglichen Ausführungsformen der Erfindung seien, vor allem
zwei Ausführungsformen hervorgehoben, ,die als Siebrohranordnung und als Glühbandanordnung
bezeichnet werden mögen.
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Die elektrische Aufheizung strömender Luft in keramischen Siebrohren
mit einer Vielzahl von beispielsweise kreisrund oder quadratisch ausgebildeten Kanälen,
die durch eingeführte Heizdrähte einzeln aufgeheizt werden, ist aus frühereren Patentveröffentlichungen
bekannt. Gemäß der Erfindung wird nun die Länge der Heizelemente in diesen Kanälen
nicht gleich der Gesamtlänge- des Siebrohres, sondern wesentlich kürzer gewählt,
und zwar derart, daß sich die Heizelemente etwa von der Mitte bis zu derjenigen
Stirnfläche des Siebrohres erstrecken, an der die aufgeheizte Luft das Rohr verläßt.
Auf diese Weise ist die Anordnung der kalten Vorkanäle, zugleich mit der völligen
aerodynamischen Trenmin:g der Einzelkanäle voneinander, in einfachster Form zu verwirklichen.
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Eine Ausführungsform dieser Anordnung ist in Fig. i bis q. im Längsschnitt
sowie in den Ouerschnitten in Höhe A.4, BB und CC
von Fig. i schematisch dargestellt.
Die Aufheizun,g der Einzelkanäle erfolgt hier durch Schleifenreihen, deren Einzelelemente
in der aus Fig. i ersichtlichen Weise in Haarnadelform gebogen sind und auf der
Heißluftseite ohne Lötstellen miteinander zusammenhängen. Die schraffierten Teile
bedeuten keramische Zwischenwände. Die Ziffer i in Fig. i und 2 bezeichnet die über
die keramischen Zwischenwände übergreifenden Verbindungsbögen einer Schleife, z
in Fig. z und 3 sind die Schenkel der Haarnadelschleifen, 3 in zig. i, 3 und q.
bedeutet die Enddrähte einer Schleifenreihe, die auf der Eintrittsseite der Luft
in -der aus Fig. q. ersichtlichen Weise miteinander verschweißt oder verlötet sind;
6 sind die Anschlußenden. Bei dieser Ausführungsforen genügt die Bestückung der
Randlöcher mit den durchgehenden Drähten 3 nicht dem durch die Erfindung vorgeschlagenen
Stabilisierungsprinzip; da jedoch die Randlöcher immer eine Wärmeabfuhr nach außen
haben, welche in beträchtlichem Maße stabilisierend wirkt, ist am Rand eine besondere
Stabilisierung nicht nötig. Es ist sogar in Weiterbildung der Erfindung möglich,
den Randlöchern etwas höhere Heizenergie zuzuführen als den 1littellöchern, um den
Temperaturabfall der Heißluft nach dem Rande zu zu vermindern. Für die Enddrähte
3 ist das entweder dadurch zu verwirklichen, daß die Länge des gesamten Siebrohres
größer als die doppelte Haarnadellänge der Innendrähte gewählt wird, oder dadurch,
daß der Luftwiderstand der die Enddrähte enthaltenden Kanäle, gegebenenfalls bis
zur völligen Drosselung, erhöht wird, oder endlich, im Sinne der HaupterfinJung
am günstigsten dadurch, daß durch die Endlöcher entweder eine rückkehrende Schleife
von ähnlicher Länge wie die der Mittelschleifen als auch der bis zur Eintrittsseite
durchgehende Enddraht hindurchgeführt wird. Für die Randreihen 5-5, Fi.g. 2, werden
andererseits die Haarnadeln um etwa 5o v. H. längzr gewählt als für die Mittelreihen
4-.I. Eine weitere Maßnahtrie zum Temperaturausgleich zwischen Mitte und Rand des
Siebkörpers sowie zur Verminderung der Seitenverluste besteht in der Außenversilberung
des keramischen Körpers etwa zwischen den Querschnitten AA und BB (Feg. i), zur
Herabsetzung seitlicher Wärmeabstrahlung. Dieselbe Wirkung hat das
i-mhüllen
dieses Rohrteiles mit einer dünnen Silberfolie.
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Als zweite Hauptausführungsforin einer Anordnung gemäß der Erfindung
lcomint die oben genannte Glühbandanordnung in Frage. Diese Anordnung ist dadurch
gekennzeichizm. daß keramisch.. Teile inn:rhalb der Anordnung mehr oder i@eni,g;r
vollständig vermi@-dün sind und die aufheizenden Kanäle <kirch die Wände eines
oder mehrerer hin und her geführter Metallbänder gebildet werden, die l u -r zur
Luftströniungsrichtung ZD g vom eIcktrischeu Strom d.urcbflossen und aufgeheizt
werden. Versuche haben ergeben, daij hei einem derartigen Bandsystem, falls die
Luft durch einen künstlichen L-berdruck hinirlurclig; preßt wird, in Fällen, wo
die Luft bis nahe zur Temperatur der Heizbänder erwärmt wird, ebenfalls bei holten
Temperaturen eine selbsttätige Aufteilung des Gesamtquerschnittes in heiße und kühlerer
Zonen auftritt, offenbar aus denselben Gründen, die oben besprochen sind. (Wird
in einem derartigen Svstein die Luft nicht niit künstlichem Cberdruck, sondern durch
Schornsteinwirkung einer erbitzt°_n Luftsäule in Bewegung gesetzt, so w;iclist der
Antrieb der Luft an jeder Stelle des -- horizontal zu denkenden - Querschnittes
mit wachsender Erhitzung: -diese -Wirkung wirkt der besprochenen Geschwindigkeitsverminderung
bei Temperaturerhöhung entgegen und macht besondere Stabil:isierungsmaßnahrnen in
den meisten Fällen überflüssig.) Als einfachste -Maßnahme zur Herstellung eines
kalten Vorkanals für jeden schlitzförinigen Teilkanal der Gliih-bandanordnun:g erweist
sich g; mäß :fier Erfindung die Unterbrechung des Stromweges bzw, eine starke Erhöhung
des Stromwiderstandes in dein der Luftströmungsseite zuggekehrten Teil der Heizhänder.
Die Heizbänder, welche beispielsweise aus 33 man breitem Clironniiclcelband von
0.1 man Dicke bestehen, werden in der aus Fi.g. 5 ersichtlichen Weis; mit schmalen
Spalten versehen, welche im unteren Tcil des Heizbandes den Strom praktisch unterbrechen,
ohne die aerodvnainisclie Trennung der Kanäle voneinander nierklich zu beeinträchtigen.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden die Spalten S gemäß dem in
Feg. 6 in v ergrfißertem -Maßstab dargestellten Bandqu°rsclinitt (in Höhe
DD von Fig. 5) mit dachförmigen Ausbuchtungen des Bandes an der Spaltstelle
.S vers:üen. Diese Ausbuchtungen dienen zur Abstützung benachbarter Bänder gegeneinander
auf Abstände, die in den wirksamsten Austauschanordnungen bis zu Bruchteilen von
1 inin herabgehen müssen. Gegebenenfalls werden die dachförmigen Ausbuchtungen auch
über den oberen feil cler Bandbreite fortgesetzt, jedoch ohne daß es bis zur Durchstoß°an.g
-der Dachkante lzcinint. L m ein Zusammenstoßen der Ausbuchtungen benachi)arter
Bänder zu vermeiden, werdcii entweder abwechselnd ausgebuchtete und glatte i jedoch
in ihrem untern Teil geschlitzte j Bänder nebeneinander gjffihrt, oder es «-erden
die Ausbuchtungen zweier benachbarter I>:iric?er in regelmäßigen Abständen gegeneinander
versetzt angeordnet, oder es werden die Dachkanten benachbarter Bänder schräg zur
Ströniungsricbtung abwechselnd von links unten nach rechts oben und von rechts unten
nach links obere geführt.
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Die direkte Berührung nebeneinanderlieg@a:ier Bänder ist dann ohric
weiteres zulässig, wenn die henaclib.arten Bänder parallel vorn gleichen Strom durchflossen
werden. falls die Bänder an der Brerührungssteiie verschiedene Potentiale haben,
ist bis zu Poten'iahinterschi:eden von. mehreren Volt eine elektrisch kontaktfrei;
Berührung bei solchen Werkstoffen möglich, die sich wie die üblichen Chromnickelbänder,
beim Glühen mit einer oxydischen Schutzschicht überziehen. Potentialunterschiede
über etwa 30 Volt erfordern entweder eine besonders aufgebrachte Schutzschicht
oder eine keramische Isolation.
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In Fig.7 ist ein schematischer Querschnitt durch eine ganze Glühbandanordnung
gemäß der Erfindung, von der Austrittsseite gesehen, dargestellt. 11, 12, 13 sind
drei an den Zuführungsstellen 7-,Z parallel geschaltete Heizbänder, die in einer
aus der Figur ersichtlichen Weise derart hin und her geführt sind, daß sie ein Schlitzgitter
von genügender Tiefe und genügend kleinem :\bstand bilden. Die dachförmigen Abstützungen
der BänEler gegeneinander sind nicht mit eingezeichnet. 1( ist ein keramischer Körper,
der zugleich die Wand des Strömungsrohres bildet.
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Statt den elektrischen Widerstand des Bandes auf der Luftanströmungsseite
durch Spalte zti erhöhen, wird auch vorgeschlagen, die Bänder gemäß der- vergrößerten
Darstellung Fig.8 auf der Anströmungsseite %ceseiitlich dünner zu machen als im
heißen Teil. Derartige Bandformen werden beispielsweise durch Aufwalzen eines schmalen
stärkeren Bandes auf ein breites dünnes Band verwirklicht.