FI74376C

FI74376C - Electric heater.

Info

Publication number: FI74376C
Application number: FI842208A
Authority: FI
Inventors: Tuomo Juntunen; Mikko Kaitavuori
Original assignee: Loval Oy
Priority date: 1984-06-01
Filing date: 1984-06-01
Publication date: 1988-01-11
Also published as: FI74376B; FI842208A0; SE8502680D0; FI842208A; SE8502680L

Description

1 74376 Sähköinen lämmitin1 74376 Electric heater

Keksinnön kohteena on sähköinen lämmitin, joka on liitettävissä suurjännitteeseen ja joka käsittää lämpöä 5 kehittäviä elementtejä, kuten lämmitysvastuksia ja jonka teho on tyypillisesti megawattien luokkaa.The invention relates to an electric heater which can be connected to a high voltage and which comprises heat generating elements, such as heating elements, and the power of which is typically in the order of megawatts.

Tämän teholuokan vastuslämmityslaitteissa on yleisesti käytössä kaksi perusratkaisua: pienjännitteellä toimiva sähkökattila ja ns. elektrodikattila, joka voidaan 10 liittää myös suurjännitteeseen.There are two basic solutions commonly used in resistance heating devices in this power class: a low-voltage electric boiler and a so-called an electrode boiler that can also be connected to a high voltage.

Pienjännitekattiloissa käytetään lämmityselement-teinä tavallisimmin ns. putkivastuksia, so. metallivaip-paisia mineraalieristeisiä vastuksia. Ne ovat teknisesti ja taloudellisesti monessa suhteessa hyvin edullisia läm-15 mityselementtejä, mutta niiden rajoituksena on käyttöeris-tyksen jännitekestoisuus, joka asettaa käyttöjännitteen ylärajaksi n. 500 V.In low-voltage boilers, the so-called pipe resistors, i.e. metal-sheathed mineral insulated resistors. They are technically and economically very advantageous heating elements in many respects, but they are limited by the voltage resistance of the operating insulation, which sets an upper limit of the operating voltage of about 500 V.

Elektrodikattila perustuu veden suoraan vastusläm-mitykseen, jossa veteen on upotettu elektrodit ja näiden 20 välillä vedessä kulkeva sähkövirta kuumentaa veden. Elek-trodikattilan haittapuolena on mm. vedenkäsittelylaitteis-ton tarve veden johtokyvyn pitämiseksi oikealla tasolla. Etuna on mahdollisuus liittää laite usoraan suurjänniteverkkoon.The electrode boiler is based on the direct resistance heating of water, in which electrodes are immersed in the water and the electric current flowing in the water between these 20 heats the water. The disadvantage of the electric boiler is e.g. the need for water treatment equipment to keep water conductivity at the right level. The advantage is the possibility to connect the device to a dense high-voltage network.

25 Tämän keksinnön tarkoituksena on yhdistää edellä mainittujen ratkaisujen edut eli tavanomaisten sarjavalmisteisten putkivastusten tai vastaavien käyttö ja laitteen liitettävyys suoraan suurjännitteeseen. Pienjännitekatti-laan verrattuna säästetään yksi muuntajaporras, eikä toi-30 saalta tarvita elektrodikattilan vaatimaa vesien käsittelyä.The object of the present invention is to combine the advantages of the above-mentioned solutions, i.e. the use of conventional series-produced pipe resistors or the like, and the connection of the device directly to high voltage. Compared to a low-voltage boiler, one transformer stage is saved, and the water treatment required by the electrode boiler is not required.

Tämä on toteutettu keksinnön mukaisella suurjännite-lämmittimellä, jolle on tunnusomaista, että lämpöä kehittävät elementit on kokonaisuudessaan kytkentäpäät mukaanlu-35 kien sijoitettu koteloon, joka on täytetty sähköisesti eristävällä, lämmönsiirtoväliaineena toimivalla nesteellä.This is realized by a high-voltage heater according to the invention, which is characterized in that the heat-generating elements, including the connection ends, are housed entirely in a housing filled with an electrically insulating liquid acting as a heat transfer medium.

Pienjännitteisten vastuksien käytön mahdollistami- 2 74376 seksi vastuksia on kytketty sekä sarjaan että rinnan riittävän jännitekestoisuuden ja toisaalta tehonsäätömahdolli-suuden saavuttamiseksi. Edullisesti kotelossa on ainakin yksi sisäänmeno ja ulostulo, joiden kautta lämmönsiirtovä-5 liainetta kierrätetään lämmönsiirtimen läpi eristävän nesteen lämpösisällön siirtämiseksi varsinaiseen käyttökohteeseen, kuten esimerkiksi lämpöputkiston kiertoveteen. Keksinnön ideana on siten sijoittaa lämmitysvastuksen sähköi-sine kytkentäosineen sekä eristeenä että lämmönsiirtoväli-10 aineena toimivaan nesteeseen. Pienjännitekäyttöön tarkoitettuja lämmitysvastuksia käytettäessä jaetaan laitteeseen liitettävä suurjännite vastusten sarjakytkentää hyväski käyttämällä vastusten syöttöjännitteeksi soveltuvalle tasolle .To enable the use of low voltage resistors, 2 74376 resistors are connected both in series and in parallel to achieve sufficient voltage resistance and on the other hand the possibility of power control. Preferably, the housing has at least one inlet and outlet through which the heat transfer medium is circulated through the heat exchanger to transfer the heat content of the insulating liquid to the actual application, such as the circulating water of the heating pipeline. The idea of the invention is thus to place the heating resistor with its electrical coupling parts in a liquid acting as both an insulator and a heat transfer medium. When using heating resistors for low-voltage operation, the high-voltage to be connected to the device is distributed using the series connection of the resistors using a level suitable for the supply voltage of the resistors.

15 Seuraavassa keksinnön mukaista suurjännitelämmitin tä kuvataan yksityiskohtaisemmin viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa, kuvio 1 esittää lämmittimen kolmivaihekytkentää, kuvio 2 esittää lämmittimen yhden vaiheen sisäisen 20 rakenteen, kuvio 3 esittää lämmitintä sivulta, kuvio 4 esittää kuvion 3 lämmittimen päädystä, ja kuvio 5 esittää kuvion 3 lämmittimen päältä nähtynä. Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukaisen laitteen 25 kytkentä kolmivaiheiseen 20 kV verkkoon. Kyseessä on symmetrinen tähtikytkentä, ja siten kunkin vaiheen vastusten yli vaikuttava jännite on noin 11,5 kV. Olettamalla yksittäisen lämmitysvastuksen jännitekestoisuudeksi 500 V, saadaan sarjaan kytkettävien vastusten vähimmäismääräksi vai-30 hetta kohden 23 kappaletta. Lisäksi on huolehdittava siitä, että sarjaa kytketyt vastukset tulevat sähköisesti riittävästä eristetyiksi sekä toisistaan, toisten vaiheiden vastuksista että vastuksia ympäröivästä koteloinnista.The high voltage heater according to the invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which: Figure 1 shows a three-phase heater connection, Figure 2 shows a single phase internal structure of the heater, Figure 3 shows the heater from the side, Figure 4 shows the heater end of Figure 3, and seen from above the heater. Figure 1 shows the connection of the device 25 according to the invention to a three-phase 20 kV network. It is a symmetrical star connection, and thus the voltage across the resistors of each phase is about 11.5 kV. Assuming that the voltage resistance of a single heating resistor is 500 V, the minimum number of resistors to be connected in series is 23 per phase. In addition, care must be taken to ensure that the resistors connected in series are sufficiently electrically isolated from each other, from the resistors of the second phases and from the enclosure surrounding the resistors.

Käytännön toteutuksessa, jota on yhden vaiheen osal-35 ta kuvattu kuviossa 2, joudutaan varmuusmarginaalien, sää-dettävyyden, vastusten kuormitettavuuden ja fyysisten mittojen johdosta käyttämään huomattavasti suurempia vastus- 3 74376 määriä ja yhdistettyä sarja-rinnan-kytkentää. Kuvion 2 yhtä vaihetta esittävässä rakenteessa onkin kytketty 40 vastusta sarjaan, jolloin yhden jännite on 290 V, ja tällaisia sarjakytkentöjä on lisäksi 4 rinnakkain erilaisten 5 tehoporrasten (1/4, 1/2, 3/4 ja 1/1) aikaansaamiseksi. Kuvion 2 rakenteessa putkivastukset 1, joiden vaipat ovat metallia, on eristetty toisistaan toisaalta upottamalla koko rakenne eristävään nesteeseen, kuten silikoniöljyyn, ja sovittamalla vastusten väliin tietyn minimietäisyyden 10 takaavat eristekappaleet 2, jotka voivat olla esim. keraamista materiaalia, kuten steatiittia. Lisäksi vastusten metallivaippa on edullista liittää galvaanisesti yhteen vastuksen jomman kumman syöttönavan kanssa. Tällä toimenpiteellä taataan se, ettei vastuksen eristeen yli pääse syn-15 tymään vastuksen syöttöjännitteen ylittävää jännitettä.In the practical implementation described for the single-phase part in Figure 2, significantly higher amounts of resistance and combined series-to-parallel connection have to be used due to safety margins, controllability, resistance load and physical dimensions. Indeed, in the single-phase structure of Figure 2, 40 resistors are connected in series, one with a voltage of 290 V, and there are also 4 such series connections in parallel to provide different power stages (1/4, 1/2, 3/4 and 1/1). In the structure of Fig. 2, the pipe resistors 1, the sheaths of which are made of metal, are insulated from each other by immersing the entire structure in an insulating liquid, such as silicone oil, and by inserting insulating pieces 2, which may be e.g. ceramic material, such as steatite. In addition, it is advantageous to galvanically connect the metal sheath of the resistors to one of the two input terminals of the resistor. This measure ensures that a voltage exceeding the supply voltage of the resistor cannot be generated across the insulation of the resistor.

Eristävän nesteen käytön avulla laitteen koko saadaan pieneksi ja toisaalta vastuksista nesteeseen siirtynyt lämpö on helposti siirrettävissä käyttökohteeseensa esim. lämmön-siirtimen välityksellä. Eristäväksi nesteeksi soveltuu hy-20 vin esimerkiksi silikoniöljy, koska sen eristysominaisuu-det ovat hyvät, sen lämpötilankestoisuus on korkea ja se on vaaratonta putkivastusten eristyksen ominaisuuksien kannalta.By using an insulating liquid, the size of the device is reduced and, on the other hand, the heat transferred from the resistors to the liquid can be easily transferred to its intended use, e.g. via a heat exchanger. Silicone oil, for example, is well suited as an insulating liquid because of its good insulating properties, its high temperature resistance and its harmless to the insulating properties of pipe resistors.

Kuvioissa 3...5 on esitetty yksi esimerkinomainen 25 keksinnön suoritusmuoto. Se koostuu kotelosta 3, jonka sisään vastukset sovitetaan. Koteloon on liitetty putkiyh-teet 4 ja 5, joiden kautta eristävää nestettä kierrätetään lämmönsiirtimeen (ei esitetty) ja takaisin. Kotelon 3 päälle on sovitettu kotelon 3 nestetilaan yhteydessä oleva 30 säiliö 6 eristävää nestettä varten. Tällä sinänsä muuntajista tavanomaisella sovituksella varmistetaan, että kotelo on täynnä nestettä ja toisaalta muodostetaan lämpölaa-jenemismahdollisuus nesteelle. Kotelon päälle on lisäksi sovitettu eristetyt liittimet A1...A4, B1...B4, C1...C4 35 ja N vastusten kytkemiseksi sähköverkkoon. Liittimiä on neljä vaihetta kohden, jotta jo aiemmin mainitut tehopor-taat voidaan toteuttaa kotelon 3 ulkopuolisten kytkentö- 4 74376 jen avulla. Vaikka kuvatun esimerkinomaisen suoritusmuodon teho on 1 MW, niin kotelon 3 mitat ovat vain noin 1 x 2 x 2,5 m, joten sen vaatima tilantarve on pieni.Figures 3 to 5 show one exemplary embodiment of the invention. It consists of a housing 3, inside which the resistors are fitted. Pipe connections 4 and 5 are connected to the housing, through which the insulating liquid is circulated to the heat exchanger (not shown) and back. A container 30 for insulating liquid 30 is connected to the housing 3 in connection with the liquid space of the housing 3. This conventional arrangement of transformers per se ensures that the housing is filled with liquid and, on the other hand, provides a possibility of thermal expansion for the liquid. In addition, insulated terminals A1 ... A4, B1 ... B4, C1 ... C4 35 and N are connected to the housing to connect the resistors to the mains. There are connectors per four phases, so that the aforementioned power stages can be implemented by means of connections 4 74376 outside the housing 3. Although the power of the described exemplary embodiment is 1 MW, the dimensions of the housing 3 are only about 1 x 2 x 2.5 m, so the space requirement required is small.

Yllä on kuvattu vain yhtä keksinnön mukaisen suur-5 jännitelämmittimen suoritusmuotoa ja on ilmeistä, että siihen voidaan tehdä merkittäviä muutoksia poikkeamatta kuitenkaan oheisten patenttivaatimusten suojapiiristä. Siten esimerkiksi putkivastusten sijasta voidaan haluttaessa käyttää ns. avovastuksia, joissa jännitteinen osa on suo-10 rassa kosketuksessa eristävän nesteen kanssa, ja myös muita lämmitysvastusrakenteita, kuten ns. patruuna, liuska-vastus, jne. Samoin voidaan kotelon ulkonäköä, mittoja, ja yhteiden lukumäärää ja sijaintia sekä sähköliitäntöjen toteutusta muuttaa vaikuttamatta itse keksinnöllisen idean 15 toteutukseen. Keksintö soveltuu käytettäväksi myös ilman lämmönsiirrintä sijoittamalla koko lämmitin esim. lämmityskattilan sisään, jolloin lämpö johtuu eristävästä nesteestä lämmittimen vaipan kautta suoraan ympäröivään veteen.Only one embodiment of the Suur-5 voltage heater according to the invention has been described above, and it is obvious that significant changes can be made to it without, however, departing from the scope of the appended claims. Thus, for example, instead of pipe resistors, the so-called open resistors, in which the live part is in direct contact with the insulating liquid, and also other heating resistor structures, such as the so-called cartridge, strip resistor, etc. Likewise, the appearance, dimensions, and number and location of the housings and the implementation of the electrical connections can be changed without affecting the implementation of the inventive idea itself. The invention is also suitable for use without a heat exchanger by placing the entire heater, e.g. inside a heating boiler, whereby the heat is due to the insulating liquid through the heater jacket directly into the surrounding water.

Claims

An electric heater which is connectable to high voltage and comprising heat generating elements, the sensor 5 heat resistance (1), characterized in that the heat generating elements are in their entirety including the coupling ends located in a housing (3) which is filled with electrically insulating, such as heat transfer fluid acting fluid. 10

Heater according to claim 1, characterized in that the housing (5) has at least one input (4) and one outlet (5) through which the heat transfer medium is circulated through a heat exchanger for transferring the heat content of the insulating liquid to the the actual use such as, for example, in the circulation water of a heating pipe system.

Heater according to claim 1, characterized in that the insulating liquid is silicone oil. 20

Heater according to claim 1, characterized in that the heating elements (1) are metal-sheathed, mineral insulated pipe resistors, of which a sufficient number are connected in series to lower the driving voltage of each element (1) to the low voltage range. 25

5. A heater according to claim 1, characterized in that the ends of the series-connected pipe resistors (1) are connected to one of the feed potentials of each resistor.

High voltage heater according to claim 1, characterized in that the conductive part of the heat resistance (1) is in direct contact with the insulating liquid.

High-voltage heater according to claim 1 or 4, characterized in that an insulating liquid container (6) is provided on the housing, which container is connected to the liquid space of the housing (3).