NO179660B - Rörformet varmeelement med omviklet motstandsbånd for elektrisk væskeoppvarming - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en elektrotermisk generator iform av et rørformet varmeelement for elektrisk væskeoppvarming, omfattende et rør med sirkulerende væske og omviklet et motstandsbånd.

Det er velkjent å varme opp væske som er fritt bevege-lig i et rør ved å anordne et eller flere elektriske motstandselementer tilført elektrisk energi utenpå røret. Motstandselementet er mest hensiktsmessig i form av en motstandstråd eller et motstandsbånd som vikles opp som en skruelinje ( i spiral) utenpå røret.

Denne måte å varme opp væske på bør ses under to delvis motsatte synsvinkler, nemlig ved at overføringen av termisk energi til væsken krever en god varmeledningsevne i det materiale som omslutter den, dvs. rørets materiale, og videre kreves en god varmeledningsevne mellom varmeelementet i form av en tråd eller et bånd og rørets yttervegg, mens virkningen av et slikt elektrisk varmeelement krever elektrisk isolasjon i forhold til røret, og videre isolasjon mellom elementets enkelte vindinger.

Videre er det slik at det for de fleste faste stoffer

er en nær sammenheng mellom den elektriske ledningsevne og varmeledningsevnen, siden begge mekanismer bygger på mobili-teten av elektroner i materialstrukturen.

Følgelig er det slik at den energimengde som kan over-føres per lengdeenhet av et rør er relativt begrenset. Når det gjelder et båndformet varmeelement hvis form ligger bedre til-rette enn en rund leder for overføring av energi, er et aktuelt effektområde for energioverføringen 25 - 825 W/m rørlengde, og med et stigningsforhold på 20 for omviklingen vil effektom-rådet ligge fra 0,5 til 16,5 kw per meter rør.

Endelig har rør en ganske stor varmevekslingsflate for et gitt væskevolum, slik at energitapet fra den oppvarmede væske til omgivelsene kan bli betydelig, og dette krever en omhyggelig varmeisolering av de rør som kommer til anvendelse.

Av denne grunn har løsningene hittil vært forbeholdt de tilfeller hvor væsketransporten har vært å betrakte som det primære,

mens oppvarmingen kommer i annen rekke, idet oppvarmingen i slike tilfeller kan utnytte tilstedeværelsen av en varmevekslingsflate som inngår i rørinstallasjonen.

Når derimot oppvarmingen er det primære vil det først og fremst være gunstig å anordne de motstandselementer som skal sørge for oppvarmingen i et formvolum som nærmer seg kulens (dvs en slags ballong) for å redusere overflaten mest mulig med hensyn til avkjøling og videre benytte neddykkbare oppvarmingselementer for å øke energioverføringen til væsken og redusere mellomlig-gende hindringer for energioverførselen.

Imidlertid har ballonger for væskeoppvarming med neddykkbare elementer ulempen med at væsken ikke er i bevegelse, og særlig ikke i noen aktiv sirkulasjon like inntil varmeelementene, hvorved energioverførselen begrenses ved isolasjonsvirk-ning, eventuelt vil det dannes et isolerende dampsjikt rundt varmeelementene, og dette hindrer naturligvis også varmeoverførselen til væsken i stor utstrekning (Leidenfrosts fenomen).

Patentlitteraturen, særlig DE 2 707 244 og US 4 581 521 viser og beskriver rørformede varmeelementer for elektrisk væskeoppvarming ved hjelp av spiralviklede motstandstråder i det indre av godset i et rør, mellom et indre og et ytre lag.

Videre viser DE 2 726 791 at både et ledende midtre lag og et ytre isolasjonslag i et varmeelement er armert med glassfibre.

De patentskrifter som er nevnt ovenfor gjelder imidlertid ikke oppvarming av vann under høyt trykk i et rør, nærmest en "varmtvannskoker". Problemet som ligger til grunn for oppfinnelsen er således overføring av energi ved større tetthet enn det som har vært tilgjengelig tidligere, og i denne sammenheng er det flere problemer med hensyn til varmeoverf øring/trykkfasthet og elektrisk isolasjon som må løses.

Ifølge oppfinnelsen foreslås derfor et rørformet varmeelement for høyeffekts elektrisk væskeoppvarming, av den type som fremgår av innledningen av det patentkrav 1 som er satt opp etter den beskrivelse som nå følger. Varmeelementet er særlig kjennetegnet ved de trekk som fremgår av karakteristikken i samme krav. Ytterligere særegenheter ved oppfinnelsens varmeelement vil fremgå av de øvrige underordnede patentkrav.

Siden motstandselementet i form av et bånd på forøvrig kjent vis er innstøpt i selve rørveggen og skilt fra væsken som skal oppvarmes bare med et meget tynt indre lag får man både elektrisk isolasjon mellom væsken og motstandselementet og minimalt energitap gjennom isolasjonen. Hele rørets veggtykkelse kommer altså ikke mellom elementet og væsken, og isolasjonen rundt de enkelte vindinger i motstandselementet bidrar heller ikke særlig til varmetap.

Plasseringen av motstandsbåndet såvidt nær den væske som skal oppvarmes, bare med et tynt lag mellom, muliggjør at det utenpå båndet kan anordnes en kraftigere ytterkappe. Lagets varmeledningsevne er sammenlignbar med den varmeledning et elektrisk isolasjonssjikt har, for minimum isolasjon for de spenningsnivåer det dreier seg om, og man risikerer i praksis ikke noen lokale uregelmessigheter i varmeoverføringen, hvilket tillater at energioverføringen kan holdes maksimal. Ved det faktum at væsken også sirkulerer og bevéges langsetter inne i røret vil varmeopphopning eller noen varmebarriere ikke komme på tale, selv med stor tilført varmeeffekt.

Fortrinnsvis er ytterkappen fiberarmert med glassfibre, helst med glassfibre som er trukket i strømper. Videre er det en fordel hvis motstandsbåndet er bygget opp noe elastisk og på en grafittbasis på i og for seg kjent måte, f.eks. finnes slike bånd i handelen under benevnelsen PAPYEX, fremstilt av SCL Lorraine, Frankrike. Dette materiale har meget markerte anisotropiske egenskaper og en egnet resistivitet.

For å kunne overføre en maksimalt stor effekt uten risiko for kortslutning mellom de enkelte vindinger kan f.eks. motstandsbåndets viklingsstigning være mellom 1,05 og 1,15 ganger båndets bredde, dvs. at avstanden mellom de enkelte vindinger ligger mellom 5 og 15% av båndets bredde.

Ifølge en foretrukket utførelsesform består oppfinnelsens varmeelement av et rør som er omviklet med tre motstandsbånd, galvanisk isolert fra hverandre og lagt etter hverandre i rørets lengderetning, og hver av båndenes ender er da utrustet med et forbindelsesstykke som har en tilkoblingsledning for forbindelse med et elektrisk kraftforsynings-nett. Det er her neppe nødvendig å komme inn på viktigheten av å tilkoble motstandsbåndene på forskjellig måte til nettet, f.eks. for å fordele belastningen på hver av nettets faser noenlunde likt, eller for å kunne variere den tilførte effekt, f.eks. ved omkobling mellom stjerne- og trekantkonfigurasjon, eller ved forskjellig omkobling til parallell- eller serie-kobling av elementer.

Ifølge et annet aspekt ved oppfinnelsen er det rør-formede varmeelement utført med skjøteflenser i endene av det omviklede rør, for å tilkoble varmeelementet til en rørinstal-lasjon, også her kan varmeelementet ha flere motstandsbånd fordelt langsetter røret og med mulighet for forskjellig art sammenkobling eller tilkobling til nettet.

øvrige fordeler og trekk vil fremgå av den beskrivelse som nå følger og som støtter seg til de tilhørende tegninger, hvor fig. 1 viser en typisk utførelse av oppfinnelsens varmeelement, sett fra siden og delvis gjennomskåret, fig. 2 viser en detalj av det utsnitt som er angitt med II på fig. 1, fig.3 viser et tverrsnitt av varmeelementet, angitt ved III-III på fig. 2, og fig. 4 viser et perspektivutsnitt av et forbindelsesstykke i form av en kappe i enden av ett av de omviklede motstandsbånd.

Ifølge den utførelsesform som er vist her er varmeelementet for elektrisk væskeoppvarming bygget opp med et rør 1 hvis to ender har sin respektive skjøteflens 2, 3, og røret har i den viste utførelse tre innstøpte motstandsbånd 11, 12 og 13 som danner sylindriske spoler anordnet etter hverandre. Rørets 1 vegg-gods er bygget opp av et tynt indre lag 4 av harpiks og med et innlagt fiberarmeringsnett, fortrinnsvis av glassfibre som er ført i omhyllinger eller strømper, og utenpå dette indre lag er så motstandsbåndene viklet. De sylindriske spoler som båndene danner er relativt tett viklet slik at avstanden mellom h<y>er enkelt vinding blir relativt liten og slik at hver båndspole blir fleksibel. Særlig kan man bruke den alle-rede nevnte type bånd benevnt PAPYEX, idet dette bånd består av orientert grafitt. Avstanden mellom de enkelte vindinger er valgt slik at man ikke skal ha noen risiko for kortslutning mellom dem, men likevel ikke større enn at en maksimal energi-overføring kan finne sted til spolens indre. Energioverføringen kommer følgelig til å foregå uten særlige diskontinuiteter langs spolenes lengde.

Utenpå spolene av motstandsbånd 11, 12, 13 og det indre lag mellom hver enkelt spole er under fremstillingen av varmeelementet lagt en ytterkappe 5 som er relativt tykk og er bygget opp på samme måte som det indre lag med et nett av glassfibre i omhylling eller strømpe. Den harpiks som benyttes som hovedmateriale i både det indre lag 4 og ytterkappen er av kjent type og en harpiks som er vanlig ved fremstilling av rør-ledninger for oppvarmet fluid som står under trykk, f.eks. trykk fra noen få bar til noen få titalls.

Det er naturlig at det indre lag under tilvirkningen legges på en innvendig dor ved at harpiksen smøres utenpå og hvor deretter armeringsnettet legges, hvoretter oppvarmingen og herdingen finner sted, idet man dimensjonerer laget til å få tilstrekkelig styrke til at motstandsbåndene 11, 12 og 13 kan vikles på uten å forskyve seg nevneverdig. fjerdingen ut-føres imidlertid ikke fullstendig, idet man ønsker at den til sist pålagte ytterkappe 5 smelter sammen delvis med det indre lag.

Det er ytterkappen 5 som deretter utformes til rørets skjøteflenser 2 og 3, og en sluttmaskinering med avkutting og boring av hull for skjøting.

Fig. 1 viser et utførelseseksempel hvor de tre spoler av motstandsbånd 11, 12 og 13 har samme lengde og er lagt etter hverandre fortløpende med relativt liten innbyrdes avstand, mens avstanden mellom flensen i hver ende av røret og de ytter-ste bånd 11 hhv. 13 er relativt stor. Avstanden mellom de enkelte spoler og ut til rørendene med flensen er avpasset behovet for isolasjon mellom elementene og ut til varmeelementets ender. Den relativt store avstand ut til flensene 2 og 3 hindrer også utillatelig oppvarming av disse og eventuelt det rør som er tilkoblet utenfor selve varmeelementet.

En særlig vanskelighet som er knyttet til elektriske motstandsbånd bygget på grafittbasis ligger i at forbindelsen fra båndets ender og ut til tilkoblingsledninger ikke kan ut-føres ved at grafitten f. eks. sveises eller loddes, og heller ikke kan et motstandsbånd av denne type tåle mekaniske påkjen-ninger som overføres fra tilkoblingsledningene. Endelig gjelder det forhold at et for snevert kontaktområde kan gi årsak til overoppvarming, noe som igjen kan føre til ødeleggelse av kontakt-stedets metallisering eller den nærliggende harpiks.

I den viste utførelse har de tre motstandsbånd 11, 12 og 13 endene tilkoblet tilkoblingsledninger lic, lid, 12c, 12d, 13c og 13d via overgangselementer i form av forbindelseskapper lia, 11b, 12a, 12b, 13a og 13b, idet kappene er presset inn på båndets ender ved hjelp av den utenforliggende ytterkappe 5. Ledningene er på sin side loddet eller slagloddet til den respektive forbindelseskappe av metall. Fig. 4 viser best hvordan en typisk forbindelseskappe 13b er utformet sylindrisk og med en bredde som tilsvarer bredden av motstandsbåndet 13. Forbindelseskappen strekker seg her over en bue på mellom 70

og 105° for å gi tilstrekkelig stor kontaktflate mot båndet. Tykkelsen av forbindelskappen må være tilstrekkelig til at

den hele tiden kan ligge an med elastisk press mot båndet selv om røret utvides eller trekkes sammen noe. I den viste ut-førelse oppnås nettopp en god elektrisk energioverføring mellom forbindelseskappen og enden av motstandsbåndet ved at overgangsflaten er så stor som antydet og ved at forbindelseskappen er elastisk og ligger under press av den utvendige ytterkappe. Strømtettheten i overføringsområdet blir derved ganske jevn og holdes innenfor tolererbare grenser.

For å konkretisere nærmere skal nå gjennomgås en slik elektrotermisk generator i form av et varmeelement, med nominell effekt på 48 kw og strømforsynt fra et trefasenett med spenningsnivå 220/380 V.

De tre spoler av motstandsbånd 11, 12 og 13 har da hver en effekt på 16 kW og er stjernekoblet, idet de tre nettfaser er tilkoblet via ledninger lic, 12c og 13c, mens ledningene lid, 12d og 13d er sammenkoblet for å danne stjernekoblingens midt-punkt. Det følger av dette at spenningen over hver av spolene er 220 V, for å oppnå 16 kW er følgelig strømmen 73 A, og mot-standen i hvert av motstandsbåndene 11, 12 og 13 følger av dette til å være 3 ohm.

Spolene er i dette varmeelement utført av det tidligere nevnte materiale PAPYEX og har en bredde på 25 mm, en tykkelse på 0,4 mm og en resistivitet i lengderetningen på omkring 0,01 milliohm.meter, hvilket gir en lineær motstand på 1 ohm/m.

Hver av spolene har altså en utstrukket lengde på 3 m.

Røret 1 har en innerdiameter på 81,8 mm, og det tynne indre lag 4 har en tykkelse på ca. 1 mm, slik at man kan regne med en midlere viklediameter på 85 mm og en stigning på 26 7 mm, hvilket gir et teoretisk vindingsantall på 11,2. Når man så

tar hensyn til forbindelsesområdene i hver ende får man totalt 12 vindinger.

Vindingsstigningen blir da 27,14 mm hvis man ønsker

å ha 2 mm mellom hver enkelt vinding og man samtidig tar hensyn til vindingenes praktiske utførelse som tilsier at de i lengderetningen opptar noe større plass enn sin egentlige bredde. Forholdet mellom stigningen av hver vinding og båndbredden er 1,085. Forøvrig er lengden av hver spole, målt langs rørets lengdeakse, 325 mm. Den angitte spoleomvikling gir en varmeoverføring basert på 18,5 W/cm 2, og effekttettheten av selve båndet er omkring 21 W/cm 2. Totalt omviklet område langs det rørformede varmeelement opptar ca. lm, mens selve røret 1 har en lengde på 1,4 m mellom ytterplanene av skjøteflensene 2 og 3. Ytterdiameteren av røret 1 er ca. 9 0 mm.

Man bemerker at ytterkappen 5, hvis tykkelse er omkring 3 mm, bevirker at røret får god motstandsdyktighet overfor indre overtrykk (nominellt 1,6 Mpa), mens varmeoverføringen fra motstandsbåndene til væsken inne i røret skjer gjennom det tynne indre lag 4. For den angitt tykkelse for dette lag og den varmeeffekt som overføres i det angitte eksempel, blir temperaturforskjellen mellom motstandselementene og væsken i kontakt med laget 4 omkring 40°C. På denne måte vil ikke bånd-temperaturen stige særlig over 120°C selv om væsketemperaturen blir 80°C.

Den valgte båndtype (PAPYEX) kan i seg selv tåle temp-eraturer omkring 10 0 0°C, og eventuelle temperaturbegrensninger for oppfinnelsens varmeelement vil derfor skyldes harpiksen i rørveggen. Med harpikser som er istand til å tåle f.eks. 250°C driftstemperatur i stedet for de 150 - 160°C som gjelder for den harpiks som er anvendt i eksempelet, vil væsketemperaturer på minst 140 - 150°C kunne oppnås. Det er klart at det rør-formede varmeelement som her er beskrevet og som er ifølge oppfinnelsen med fordel kan varmeisoleres utvendig, ved f.eks. å inneslutte det i en termoplastisk omhylling, f.eks. av kompakt polyetylen, og mellomrommet inn til selve elementet kan da fylles med et polyuretanskum med lukkede porer, f.eks. dannet på stedet og med spesifikk vekt 80 kg/m 3.

Det er videre klart at oppfinnelsen ikke er begrenset av de eksempler som er vist, men den dekker alle de utførelses-varianter som vil falle innenfor de etterfølgede patentkrav.

Claims (9)

1. Rørformet varmeelement for høyeffekts elektrisk væskeoppvarming ved stort væsketrykk og høy temperatur, omfattende et elektrisk motstandselement som er omviklet et rør (1) som væsken sirkulerer i, hvor det elektriske motstandselement er opptatt i godset i rørets (1) vegg, og hvor motstandselementet er et motstandsbånd (11, 12, 13) av bøyelig materiale og anordnet mellom et indre lag (4) og en ytterkappe (5) i røret (1), KARAKTERISERT VED at motstandsbåndet (11, 12, 13) er tett viklet med en viklingsstigning mellom 1,05 og 1,15 ganger dets bredde og har liten elektrisk motstand og effektkapasitet på flere titalls kilowatt pr. meter lengde, at det indre lag (4) har en slik tykkelse at det sikrer elektrisk isolasjon mellom motstandsbåndet (11, 12, 13) og væsken som skal oppvarmes samtidig med at det indre lag gir liten termisk motstand for den varmeoverføring som går fra motstandsbåndet og til væsken, og at ytterkappen (5) er innrettet for å kunne motstå trykket av den oppvarmede væske i røret (1), idet både det indre lag (4) og ytterkappen (5) er dannet av fibernettarmert harpiks.

2. Varmeelement ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at armeringen er av glassfibre.

3. Varmeelement ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at armeringsfibrene er flettet til en strømpe.

4. Varmeelement ifølge ett av kravene 1 - 3, KARAKTERISERT VED at motstandsbåndet (11, 12, 13) er et i og for seg kjent, mykt materiale på grafittbasis.

5. Varmeelement ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at motstandsbåndet (11, 12, 13) har en tykkelse i størrelsesorden 0,4 mm og en bredde i størrelsesorden 25 mm.

6. Varmeelement ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at røret (1) har en innerdiameter på omkring 82 mm og en ytterdiameter på omkring 90 mm, og at det indre lag (4) har en tykkelse på omkring 1 mm.

7. Varmeelement ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at det på ett felles rør (1) har tre spoler av motstandsbånd (11, 12, 13), hver elektrisk adskilt fra hverandre og lagt etter hverandre i varmeelementets lengderetning, og at hver spoleende har en forbindelseskappe (lia, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b) forbundet med sin respektive tilkoblingsledning (lic, lid, 12c, 12d, 13c, 13d) for tilkopling til et elektrisk fordelingsnett.

8. Varmeelement ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at hver forbindelseskappe er i form av en metallplate, utformet som en rørsektor og utrustet med sin respektive tilkoblingsledning (lic, lid; 12c, 12d; 13c, 13d) for ytre tilkopling, idet platen er innesluttet under ytterkappen (5) og er i anlegg mot motstandsbåndets ende.

9. Varmeelement ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED å omfatte, på et lineært rørledningselement (1) for væske og som er avsluttet i skjøtef lenser (2, 3) for å kunne installeres i en rørinstallasjon ved å erstatte et tilsvarende standardisert element, flere spoler av motstandsbånd (11, 12, 13), hver adskilt og lagt etter hverandre langs varmeelementet, og at hver spole i endene har sin respektive tilkoplingsledning (lic....13d).