NO157640B - Varmeaggregat. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et elektrisk høyspennings- og høyeffekt varmeaggregat til oppvarming av en gassart, især en prosessgass, som føres gjennom aggregatet, hvilket aggregat omfatter et antall ved siden av hverandre monterte enheter, som hver især omfatter et stort antall seriekoblede varmetrådsviklinger, som er montert på varmebestandige, fortrinnsvis keramiske rør, opphengt i en innadtil varmebestandig isolert ramme av et elektrisk ledende materiale.

I forbindelse med luftoppvarming, blant annet i forbindelse med kjemiske prosesser, hvorved en luftart skal oppvarmes til 300 - 500°, f.eks. med henblikk på tørring, kreves der under tiden meget store effekter, f.eks. helt opptil 10 - 15 MW, hvilket er vanskelig og kostbart såvel i anlegg som i drift.

Det er formålet med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et varmeanlegg som kan oppvarme meget store mengder av prosessgass samtidig med, at anleggs- og driftsomkostninger er billigere enn hittil kjent for anlegg av den type.

Ifølge oppfinnelsen kjennetegnes varmeaggregatet ved at nevnte ramme elektrisk flyter på et ukjent potensiale, idet den ikke er forbundet elektrisk med noe annet, og at den elektrisk flytende rammen er omgitt av en ytre isolering, som igjen er omgitt av en ytre ramme, som er jordet. Derved oppnås at varmeaggregatets trådvikling kan forbindes til en høyspenning på opptil f.eks. 36 kV med en varmeffekt på f.eks. 1/2 MW i varmetråden i hver enhet. Dette er kun mulig, fordi den beskrevne isolering er så effektiv, at overslag unngås. Anlegget kan eventuelt dimensjoneres til en effekt på minst 1 MW ved en tilførselsspenning på ca. 10 kV. Ved anlegget ifølge oppfinnelsen utnyttes, at der i forbindelse med det øvrige fabrikkanlegg er en høyspenning til rådighet, f.eks. en trefaset tilførselsledning på ca. 10 kV eller eventuelt ca. 30 kV. Spesielt i land med en billig elektrisitetsforsyning p.g.a. utnyttelse av vannkraft, vil man med et anlegg Ifølge oppfinnelsen oppnå billige driftsomkostninger .

Ifølge oppfinnelsen er tilledninger til varmetrådsviklingene omgitt av toroider på de steder, hvor tilledningene føres gjennom den ytre og den indre ramme.

Varmeaggregatet kan ifølge et annet trekk ved oppfinnelsen omfatte tre eller et multiplum av tre enheter, hvis varmetråder er stjernekoblet, dvs. den ene ende forbundet til hver sin fase og i den andre enden er forbundet innbyrdes til dannelse av et felles flytende eller isolert nullpunkt. På den måte fås en hensiktsmessig kompakt enhet samtidig med, at den trefasede kraftforsyningen utnyttes.

I et isolasjonslag kan det mellom to enheters rammer inn-legges en elektrisk ledende skinne, som forbindes til varmeaggregatets flytende eller isolerte nullpunkt, hvilken forbindelse overvåkes via en strømtransformator. Derved blir det mulig å overvåke konstruksjonen og i gitt tilfelle å gripe inn før en eventuell krypstrøm gir anledning til alvorlige skader. Varmetrådene kan dessuten med fordel overvåkes med pyrometere med henblikk på å avbryte strømmen til varmetrådene, hvis trådtemperaturene overstiger en gitt tillatt verdi på f.eks. 500 eller 700<*>C.

Det er videre fordelaktig å tilveiebringe en tredobbelt isolering mellom fasene, omfattende et første isolasjonslag, plassert mellom varmetrådsviklingen og rammens vertikale sidekanter, et andre isolasjonslag mellom rammene innbyrdes og plassert langs med og mellom rammenes horisontale sidekanter, samt et tredje isolasjonslag i naborammen plassert mellom rammens vertikale sidekanter og varmetrådsviklingene i denne rammen.

Av hensyn til muligheten for å kunne foreta vedlikeholds-ettersyn på anlegget, er det nødvendig å kunne demontere hver enhet og dermed hver fase for seg og konstruksjonen krever derfor en klemmekasse til hver faseledning og hver nulledning for hver enhet. Dermed blir det et problem å oppfylle sikkerhetskravene ifølge sterkstrømsreglementet. Den nominelle sikkerhetsavstanden ved 10 - 12 kV er 11 cm. Denne avstand er det ikke mulighet for å oppnå ved denne kompakte konstruksjon som ønskes til gassoppvarmningsaggregat. En luftavstand på 11 cm tilsvarer at utstyret skal kunne klare en støtspehhingsprøve ved 75 kV. Det er derfor et ytterligere formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en usedvanlig kompakt klemmekasse, som likevel kan klare en støtspennings-prøve på 75 kV.

Dette oppnås ved at hver spenningsførende tilledning koples til en ytre spennlngskllde gjennom en dertil innrettet klemmekasse, hvori der på begge sider av ti Hedningen er innrettet plater av et isolerende materiale, f.eks. Etronax, hvilke plater strekker seg vesentlig utover tilledningens dimensjoner, og i hovedsak er plassert omtrent midt i luftgapene mellom tilledningen og de nærmeste metalliske platevegger i den omgivende klemmekasse, og at alle samlinger i tilledningen er utført kuleformet, og at der ytterligere er innrettet kjøleorganer i klemmekassen.

Hver spenningsførende faseledning fra spenningskllden føres inn i klemmekassen gjennom en trykktett gjennomføring og innbygges i isolatorer. Alle gjennomføringer av den spen-ningsførende tilledning i klemkassens vegger er forsynt med toroider langs kanten av veggen i veggsidens plan, og hulrommet mellom tilledningen, som føres gjennom veggen og veggens toroideformete avslutning inn mot lederen, er utfylt med et isolerende dielektrikum med cr i 2.

Ved dette oppnår man en spredning av alle felter samtidig med at kjølingen sikrer en passende høy gjennomslagsspenning for den i kassen eksisterende lufttype.

Oppfinnelsen skal i det etterfølgende forklares nærmere under henvisning til tegningene. Fig. 1 viser et eksempel på et anlegg Ifølge oppfinnelsen, sett i perspektiv. Fig. 2 viser en plantegning av det i fig. 1 viste

anlegg, sett forfra.

Fig. 3 er et snitt gjennom samme, langs linjen A-A. Fig. 4 er et eksempel på en kassett til anlegget i fig.

1, sett forfra.

Fig. 5 er samme, sett fra siden.

Fig. 6 viser et eksempel på en varmetrådsvikling til

anlegget.

Fig. 7 er et skjema over en foretrukket ledningsføring

for varmetrådene i en enkelt kassett.

Fig. 8 er et skjema over en foretrukket ledningsføring

til et anlegg med tre kassetter.

Fig. 9 er et eksempel på en klemmekasse til faseleder,

sett fra siden.

Fig. 10 er samme, sett forfra.

Fig. 11 er samme, sett ovenfra.

Fig. 12 er et eksempel på en trykktett gjennomføring av

en fasetilledning.

Fig. 13 illustrerer en gjennomføring av et ledende stangorgan. Fig. 14 viser et eksempel på en klemmekasse for en

nulleder.

Det i fig. 1-5 viste varmeaggregat er utformet som en kanal, som gjennomstrømmes av den prosessluft som skal oppvarmes. Kanalen er isolert termisk og elektrisk. Varmeaggregatet består ytterst av en utvendig, rektangulær ramme 12, f.eks. av stålprofiler. Innenfor denne ligger to lag keramiske blokker 14, f.eks. av skamol. I dette isolerte skall er der plassert tre såkalte kassetter 20 med hver sin rekke av seriekoblede varmetråder. En kassett er oppbygget av en ramme 22, som innvendig er kledd med isolerende keramiske blokker, fortrinnsvis skamol, type V 1100. Både den elektriske og den termiske isoleringsevnen er av vesentlig betydning i denne konstruksjon. Rammen 22 består av to rektangulære stålprof iler, som er forbundet med tverrprof iler i hvert hjørne. På de smale, loddrette sider er der montert tverrstykker 32, som anvendes som oppheng for et antall keramiske rør 26 som kan være oppbygget av to rør, innerst et rør av type 710 ifølge DIN 40685, f.eks alsint ® 99,7, som har en stor mekanisk styrke og kan motstå gjennomslag ved 10 kV driftsspenning og en temperatur på 800"C. Utenom og konsentrisk med alsinterrøret kan der være av type 530 etter Silimanit ® 60 rør, som kan tåle store temperaturendringer. Dette røret sikrer en temperaturutjevning i forhold til alsintrøret.

De keramiske rør 26 bærer varmetrådene. Varmetrådene kan være alle allminnelige forekommende motstandsmaterialer, men en nikkellegering, Ni 80, f.eks. av merket "Kantal" fore-trekkes, og viklingene kan med fordel danne et nærmest stjerneformet mønster, som vist i fig. 6 hvor en slik varmetrådsvikling sees fra den ene enden. Det er klart, at der vil kunne anvendes mange andre lignende viklingsmønstre, som oppfyller de to nødvendige betingelser, nemlig at viklingen skal kunne sitte fast omkring et rør og dessuten at den skal kunne avgi sin varme så effektivt som mulig til den omgivende, forbistrømmende luft. Slike viklinger er blant annet beskrevet i tysk patent nr. 2850111. Fortrinnsvis anvendes oksyderte varmetråder, som dermed har noe overflate-isolering.

I en foretrukket utførelsesform av en typisk kassett er der to loddrettstående søyler adskilt av en mellomvegg 70, hver med f.eks. fjorten rør 26, omviklet med en varmetråd. De enkelte varmetrådselementer er forbundet av kraftigere forbindelsestråder eller stenger. Fortrinnsvis er alle varmetrådselementene i en kassett dog i hovedsak dannet av en fortløpende varmetråd, som, på de steder, hvor tråden passerer gjennom mellomveggen 70, er parallell koblet med en passende tykk ekstra varmetråd for å nedsette varmeavgivelsen ved det angjeldende sted. En foretrukket viklingsmåte er vist i fig. 7, hvor viklingene dog kun er antydet.

En stang 30 danner tilledningen til varmetrådsviklIngen. Stangen går gjennom isolasjonen 24 av skamol og gjennom rammen 22. For å unngå spenningsoverslag fra tillednings-stangen 30 til rammen 22 og de med rammen forbundne oppheng 32, er tilledningen 30 omgitt av en toroide 34, som sikrer en jevn feltfordeling omkring tilledningen.

Fortrinnsvis plasseres tre kassetter 20 ved siden av hverandre, således at hver kassett kan forbindes til en av fasene i et trefaset høyspenningsnett med f.eks. en merkespenning på 10 eller 30 kV. Viklingene stjernekobles som vist i fig. 8 og fortrinnsvis tilkobles de øverste tilledningene 30 til faseledningene og de nederste tilledningene forbindes sammen til 0-lederen. Med denne løsning oppnår man, at spennings-nivået i den øverste del av konstruksjonen ligger på ca.

10 kV eller den høyspenning man har valgt, og derfra faller jevnt ned til 0 volt i bunnen av aggregatet. Mellom de enkelte viklinger er der kun små spenningsforskjeller. Der er dog stor spenningsforskjell mellom to glødetråder i to naborammer, især oventil og rammene er derfor plassert i en viss innbyrdes avstand og med mellomliggende Isolasjon 46, slik som det fremgår av fig. 3.

Ved oppbygningen av aggregatet føres hver ferdigmontert kassett på ruller eller kuler inn på hver sin skinne 1 bunnen av aggregatet, som deretter avlukkes med den utvendige isolasjon 14.

I fig. 8 er vist et elektrisk skjema over varmeaggregatet. Varmetrådene 40 er i den ene ende forbundet til hver sin fase R, S, T og i den andre enden er de forbundet innbyrdes. Blokkene 42 symboliserer motstanden i den innvendige Isoleringen mellom stålrammen 22 og varmetrådene 40. Lederen 22 representer selve stålrammen, som i det idielle tilfellet vil være spenningsfri. Blokkene 44 representerer motstanden i den utvendige isolasjon utenpå kassettens stålramme 22. Den ytre isolasjonen 14 fastholdes av den ytterste rammen 12, som er jordet.

Der er således i prinsippet to av hverandre uavhengige isolasjonssystemer med hver sin isolasjonsevne symbolisert ved motstanden 42 og 44. De tre innvendige rammer 22 danner tre skall, som spenningsmessig er flytende såvel innbyrdes som i forhold til jord.

Den del av konstruksjonen, som er mest utsatt for feil-strømmer, vil være den øverste del av den innerste isolasjon, idet de store spenningsforskjeller er tilstede i den øverste del av konstruksjonen. Dessuten vil den innvendig isolering under drift bli kraftig oppvarmet, og denne oppvarming vil nedsette den elektriske isoleringsevnen.

En krypstrøm fra fase til fase skal passere tre krypstrekninger, LI, L2, L3, hvor LI ligger i den innvendige ramme-isolering 24, L2 er Isoleringen 46 mellom rammene innbyrdes og L3 i den innvendige isolering 24 i den andre rammen. I det på tegningen viste anlegg er LI = L2 - L3 «= 20 cm, dvs. den samlede krypstrekning er 60 cm. Ytterligere ligger krypstrekningene 3 forskjellige steder i konstruksjonen. Oppdelingen i tre krypstrekninger plassert tre forskjellige steder i konstruksjonen gjør det meget usannsynlig, at betingelsene for å danne en lysbue er tilstede alle tre steder samtidig.

Det vil også være en viss risiko for et gjennomslag fra fase til fase mellom to varmetråder. Luftavstanden mellom varmetrådene i to forskjellige faser er i det viste anlegg 30 cm, slik det fremgår av fig. 3. Denne avstand må naturligvis dimensjoneres under hensyntagen til arten av den prosessgass og gassens temperatur i det anlegg, som skal fremstilles, samt den påtrykte høyspenning.

I isolasjonslaget 46 mellom rammene kan man med fordel innlegge en metallskinne X, som forbindes til varmeflatens interne flytende eller isolerte 0-punkt. Via en strømtrans-formator vil det da være mulig å registrere en begynnende krypstrøm mellom fasene. En slik krypstrøm kunne være forårsaket av en tilsmussing av isolasjonsmaterialet.

Til varmeaggregatet hører et sett klemmekasser, som vist i fig. 1. Gjennom de tre øverste klemmekasser 51 tilføres høyspenningen til den ene ende av varmetrådsviklingene, og gjennom de tre nederste klemmekasser forbindes den andre enden av varmetrådsviklingene til et felles flytende eller isolert 0-punkt, således at man får den i fig. 8 viste stjernekobling.

Fig. 9-11 viser en klemmekasse 51 for en faseleder 30, som er ført ut gjennom varmeaggregatets sidevegg gjennom de isolerende lag 14, 24. Fasetilledningen 61 tilføres ovenfra gjennom et isolerende oppheng 62 og gjennom en ytterligere isolator 66. Tilledningen 61 forbindes med lederen 30 i en kule 55 plassert omtrent midt i klemmekassen. Selve gjennom-føringen inn i klemmekassen av lederen 30 skjer gjennom et antall isolerende plater 60, se flg. 13, som fortrinnsvis består av sllikongumml, som har et cr på ca. 2. Det anvendes en lagdelt konstruksjon av flere sammenllmte plater.

Lederen 30 er dessuten forsynt med en rekke kjøleribber, f.eks. i aluminium, som vist i fig. 9 og 11. Disse kjøle-ribber skal holde temperaturen i lederen 30 nede, idet man må huske at lederen 30 utgår fra et kraftig oppvarmet område.

Både lederen 30 og kjøleribbene 52, samt kulen 55 er på begge sider omgitt av feltfordelende, isolerende plater 54, f.eks. av Etronax, og fortrinnsvis av Etronit nr. 1. Platene er opphengt uten ledende forbindelse til noe annet. Med disse plater oppnås en spredning av feltet fra de ledende høy-spenningsforsynte deler.

Fig. 12 viser et forstørret utsnitt av den i fig. 9 viste klemmekasse og skal illustrere hvorledes en faseleder 61 er ført trykktett inn i klemkassen 51. Lederen 61 er omgitt av en koaksial, sylindrisk isolering 66, som nedentil er lukket trykktett av en propp 67 forsynt med pakninger 68, som tetter mot lederen 61. Under den trykktette gjennomføring er lederen 61 omgitt av en isolerende kappe 69.

Klemmekassen 51 lukkes foran med et lokk 64. Dette lokk er på sin bakside 65 forsynt med kanaler til kjøleluft for å holde en passende lav lufttemperatur i klemmekassen. Dette er meget vesentlig, ettersom gjennomslagsspenningen for en gassart er meget temperaturavhengig.

Flg. 14 viser en utførelsesform for en klemmekasse til en nulleder som innføres nedentil. Klemmekassen er vist med avtatt lokk 65 og delvis oppskåret, slik at innføringene av tilledningene kan ses.

De nederste klemmekasser for O-lederene tilsvarer i prinsippet de ovenfor beskrevne klemmekasser, men de tre klemmekassene er dessuten forsynt med gjennomføringer, som tillater en sammenkobling av nullederene. Gjennomføringene i siden av klemmekassene er utført etter samme prinsipp som vist i fig. 13. Dessuten anvendes toroider for å oppnå en ytterligere feltutjevning. I nullederens klemmekasse er der dessuten en innføring av den leder 48, som forbinder den elektrisk ledende måleskinnen X med det flytende nullpunktet for å muliggjøre en overvåkning av varmeaggregatet, således at en begynnende krypstrøm hurtig vil bli registrert, og således at høyspenningen kan nå og bli utkoblet, hvis en faretruende situasjon oppstår.

Claims (8)

1. Elektrisk høyspennings- og høyeffekt varmeaggregat til oppvarmning av en gassart, især en prosessgass, som føres gjennom aggregatet, hvilket aggregat omfatter et antall ved siden av hverandre monterte enheter, som hver især omfatter et stort antall seriekoblede varmetrådsviklinger (16), som er montert på varmebestandige, fortrinnsvis keramiske rør (26), opphengt i en innadtil varmebestandig isolert ramme (22) av et elektrisk ledende materiale, karakterisert ved at denne ramme elektrisk flyter på et ukjent potensiale, idet den ikke er forbundet elektrisk med noe annet, og at den elektrisk flytende rammen (22) er omgitt av en ytre isolering (14), som igjen er omgitt av en ytre ramme (12), som er jordet.

2. Elektrisk varmeaggregat som angitt i krav 1, karakterisert ved tilledninger (30) til varmetrådsviklingene (16) er omgitt av toroider (34) på de steder, hvor tilledningene føres gjennom den ytre (12) og den indre (22) ramme.

3. Elektrisk varmeaggregat som angitt i krav 1, karakterisert ved at det omfatter tre eller et multiplum av tre enheter, hvis varmetråder (40) er stjernekoblet, dvs. den ene ende forbundet til hver sin fase (R, S, T) og i den andre enden er forbundet innbyrdes til dannelse av et felles flytende eller Isolert nullpunkt (0).

4. Elektrisk varmeaggregat som angitt i krav 3, karakterisert ved at der 1 et isolasjonslag (46) mellom to enheters rammer (22) er Innlagt en elektrisk ledende skinne (48), som forbindes til varmeaggregatets flytende eller isolerte nullpunkt (0), hvilken forbindelse overvåkes via en strømtransformator.

5. Elektrisk varmeaggregat som angitt i krav 3 eller 4, karakterisert ved at der er tilveiebragt en tredobbelt isolering mellom fasene, omfattende et første isolasjonslag (24), plassert mellom varmetrådsviklingen (16) og rammens (22) vertikale sidekanter, et andre isolasjonslag (46) mellom rammene (22) innbyrdes og plassert langs med og mellom rammenes horisontale sidekanter, samt et tredje isolasjonslag (24) i naborammen (22) plassert mellom rammens vertikale sidekanter og varmetrådsviklingene i denne rammen.

6. Elektrisk varmeaggregat som angitt i ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at hver spenningsførende tilledning er koplet til en ytre spennings-kilde gjennom en dertil innrettet klemmekasse (51), hvori der på begge sider av tilledningen (30) er innrettet plater (54) av et isolerende materiale, f.eks. Etronax, hvilke plater strekker seg vesentlig utover tilledningens dimensjoner, og i hovedsak er plassert omtrent midt i luftgapene mellom tilledningen og de nærmeste metalliske platevegger i den omgivende klemmekasse, og at alle forbindelser i tilledningen er utført kuleformet, og at der ytterligere er innrettet kjøleorganer (65) i klemmekassen (51).

7. Elektrisk varmeaggregat som angitt i krav 6, karakterisert ved at hver spenningsførende faseledning (61) fra spenningskilden er ført inn i klemmekassen (51) gjennom en trykktett gjennomføring og er innbygget i isolatorer (62, 66).

8. Elektrisk varmeaggregat som angitt i krav 6, karakterisert ved at alle gjennomføringer av den spenningsførende tilledning (30) i klemkassens (51) vegger er forsynt med toroider langs kanten av veggen i veggsidens plan, og at hulrommet mellom tilledningen, som føres gjennom veggen og veggens toroideformete avslutning inn mot lederen, er utfylt med et isolerende dielektrikum med cr £ 2.