WO1997038554A1 - Fluid-heizeinrichtung - Google Patents

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WO1997038554A1
WO1997038554A1 PCT/EP1997/000028 EP9700028W WO9738554A1 WO 1997038554 A1 WO1997038554 A1 WO 1997038554A1 EP 9700028 W EP9700028 W EP 9700028W WO 9738554 A1 WO9738554 A1 WO 9738554A1
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heating
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fluid
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Joachim Pokorny
Andreas STEINRÜCKE
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Steag Microtech Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/12—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium
    • F24H1/14—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form
    • F24H1/142—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form using electric energy supply
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/0033—Heating devices using lamps
    • H05B3/0038—Heating devices using lamps for industrial applications
    • H05B3/0052—Heating devices using lamps for industrial applications for fluid treatments

Definitions

  • the present invention relates to a fluid heating device with a tube through which a fluid flows.
  • a fluid heating device of the type mentioned in which the heating element is attached as an electrical resistance band on the outer circumference of the fluid tube.
  • the indirect heating of the fluid via the pipe wall means that the heating device cannot be switched on and off quickly without delaying the heating and switching off of the heating of the fluid.
  • the object of the present invention is to provide a fluid heating device which is inexpensive to manufacture and which allows the heating device to be switched on and off quickly.
  • the object of the invention is achieved in a fluid heating device in that the tube is concentric a radiator surrounded by a quartz jacket is arranged.
  • a particular advantage of the present invention is that the quartz jacket stores only a small amount of residual heat, as a result of which the fluid is no longer heated immediately after the fluid heating device is switched off.
  • the quartz jacket is a quartz tube which contains the radiator in the form of an electrical heating element. At least a portion of the quartz tube preferably contains a heating wire. If several sections of the quartz tube contain a heating element, a greater heating output is achieved by interconnecting the several heating elements.
  • a safety temperature sensor is provided on the outer circumferential section of the fluid pipe opposite the section of the quartz pipe.
  • a heating current flowing through the heating wire is preferably switched off when the temperature measured by the safety temperature sensor reaches a predetermined temperature value.
  • the value for the temperature supplied by the safety temperature sensor also indicates whether gas flows through the fluid tube, since in this case the heating heat is transported through the fluid medium to the outer peripheral portion of the fluid tube.
  • a second temperature sensor is provided at an outlet of the fluid tube.
  • the temperature value determined by the second temperature sensor is advantageously used to regulate the heating power.
  • the radiator is advantageously an infrared radiator and the fluid tube is made of stainless steel, a ceramic tube or a steel tube lined with ceramic or a ceramic tube. As a result, a large part of the thermal energy emitted by the radiator is reflected back into the fluid tube on the inner circumference of the fluid tube.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a first exemplary embodiment of a fluid heating device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a second exemplary embodiment of a fluid heating device according to the invention.
  • FIG. 1 A first exemplary embodiment of a fluid heating device 1 according to the invention is shown schematically in FIG. 1.
  • the fluid heating device 1 has a fluid tube 2 through which a gas (not shown) flows, the direction of flow being shown by the arrows in FIG. 1.
  • a quartz tube 3, which has a heating wire 4, is arranged concentrically in the fluid tube 2.
  • the heating wire 4 has two lead wires 5, 6, which are guided to the outside through passages in the quartz tube 3 and the fluid tube 2. By applying a voltage to the lead wires 5, 6, the heating wire 4 is supplied with energy and emits in particular IR heating power, which heats the gas flowing in the direction of the arrow in the flow process.
  • a safety temperature sensor 7 senses the temperature on the outside of the quartz jacket 3 in order to switch off the heating device in the event of overtemperature.
  • a second temperature sensor 8 analogously senses the temperature of the gas downstream of the fluid heating device 1. The value of the temperature measured by the second temperature sensor 8 can be used to control the electrical power applied to the heating wire 4 via the lead wires 5, 6 in order to keep the temperature of the gas constant.
  • the fluid heating device 1 has a fluid tube 2 made of polished stainless steel, in which a gas (not shown), such as N 2 gas, flows. The direction of flow is indicated by the arrows.
  • the gas enters the tube 2 through an inlet 9 arranged transversely to the fluid tube 2 and exits through an outlet 10 likewise offset transversely to the fluid tube 2 and the inlet 9.
  • a quartz jacket is arranged axially symmetrically, which is designed as a quartz tube 3, which extends beyond the inlet 9 and the outlet 10.
  • a heating wire (not shown) is arranged over the schematically indicated length L in a section 11 of the quartz jacket 3, to whose supply wires 5, 6 an electrical voltage is applied in order to heat the heating wire.
  • the lead wires 5, 6 are guided in the quartz tube 3 and are led out of the fluid tube 2 at the quartz tube ends.
  • the points at which the quartz tube 3 emerges from the fluid tube 2 are provided with sealing devices 12, 13 on the inlet side 9 and outlet side 10, which are preferably designed as sealing rings.
  • the safety temperature sensor 7 feels that Temperature on the outer circumference of the fluid tube 2 from.
  • a second temperature sensor 8 senses the gas temperature downstream of the heated section 11 of the quartz tube 3 on the outer circumference of a tube that conducts the fluid.

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Abstract

Bei einer Fluid-Heizeinrichtung (1) wird ein schnelles An- und Ausschalten der Heizeinrichtung (1) dadurch gestattet, daß ein von einem Fluid durchströmtes Rohr (2) einen von einem Quarzmantel (3) umgebenen Strahler aufweist.

Description

Fluid-Heizeinrichtunq
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluid-Heizein- richtung mit einem von einem Fluid durchströmten Rohr.
Es ist bekannt, Flüssigkeiten und Gase zu erhitzen, um sie zu verdampfen bzw. unter Druck zu setzen. Die bekann¬ ten Vorrichtungen weisen jedoch ein schlechtes Ansprech- verhalten auf. Es dauert relativ lange bis das zu erhit¬ zende Fluid nach dem Anschalten der Heizeinrichtung er¬ wärmt wird und nach dem Ausschalten der;Heizvorrichtung wird die Erhitzung des Fluids nicht sofort abgestellt.
Aus der DE 44 20 493 AI ist eine Fluid-Heizeinrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der das Heizele¬ ment als elektrische Widerstandsbänder auf dem Außenum¬ fang des Fluidrohrs angebracht ist. Durch die indirekte Heizung des Fluids über die Rohrwandung ist ein schnelles Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung ohne Verzögerung der Aufheizung und des Abschaltens der Aufheizung des Fluids nicht möglich.
Aus den Druckschriften DE-GM 19 06 191, DE 89 13 683 Ul, DE 38 41 448 Cl und DE-AS 12 69 748 sind Heizelemente und Wärmestrahler bekannt, die jedoch nicht zur Aufheizung von in einem Rohr strömenden Fluids vorgesehen oder geeignet sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ei¬ ne Fluid-Heizeinrichtung zu schaffen, die kostengünstig herzustellen ist und die ein schnelles An- und Ausschal¬ ten der Heizeinrichtung gestattet.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird bei einer Fluid-Heiz¬ einrichtung dadurch gelöst, daß das Rohr konzentrisch um einen von einem Quarzmantel umgebenen Strahler angeordnet ist.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Quarzmantel nur eine geringe Restwärme speichert, wodurch unmittelbar nach dem Abschalten der Fluid-Heizeinrichtung das Fluid nicht mehr geheizt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Quarzmantel ein Quarzrohr, das den Strahler in Form eines elektrischen Heizelements enthält. Vorzugsweise enthält wenigstens ein Teilabschnitt des Qüarzrohrs einen Heizdraht. Wenn mehrere Teilabschnitte des Quarzrohrs ein Heizelement enthalten, wird durch das Zusammenschalten der mehreren Heizelemente eine größere Heizleistung er¬ zielt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er¬ findung ist ein Sicherheits-Temperaturfühler an dem, dem Teilabschnitt des Quarzrohrs gegenüberliegenden Außenum- fangsabschnitt des Fluidrohrs vorgesehen. Vorzugsweise wird ein durch den Heizdraht fließender Heizstrom abge¬ schaltet, wenn die von dem Sicherheits-Temperaturfühler gemessene Temperatur einen vorbestimmten Temperaturwert erreicht. Der von dem Sicherheits-Temperaturfühler gelie¬ ferte Wert für die Temperatur zeigt überdies an, ob Gas durch das Fluidrohr strömt, da in diesem Fall die Heiz¬ wärme durch das Fluidmedium an den Außenumfangsabschnitt des Fluidrohrs transportiert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er¬ findung ist ein zweiter Temperaturfühler an einem Auslaß des Fluidrohrs vorgesehen. Vorteilhafterweise wird der von dem zweiten Temperaturfühler ermittelte Temperatur- wert zur Regelung der Heizleistung verwendet. Vorteilhafterweise ist der Strahler ein Infrarotstrahler und das Fluidrohr ist aus Edelstahl, ein Keramikrohr oder ein mit Keramik oder einem Keramikrohr ausgekleidetes Stahlrohr. Dadurch wird ein großer Teil der von dem Strahler emittierten Wärmeenergie an dem Innenumfang des Fluidrohrs in das Fluidrohr zurückreflektiert.
Die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ausgestaltungen derselben wird bzw. werden nachfolgend in der Beschrei- bung von Ausfuhrungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausfüh¬ rungsbeispiels einer erfindungsgemaßen Fluid-Heiz- einrichtung; und
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausfüh¬ rungsbeispiels einer erfindungsgemaßen Fluid-Heiz¬ einrichtung.
In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche bzw. entsprechende Elemente.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausfuhrungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Fluid-Heizeinrichtung 1 schematisch darge- stellt. Die Fluid-Heizeinrichtung 1 weist ein Fluidrohr 2 auf, durch das ein (nicht dargestelltes) Gas strömt, wo¬ bei die Strömungsrichtung durch die Pfeile in Fig. 1 dar¬ gestellt ist. In dem Fluidrohr 2 ist ein Quarzrohr 3 kon¬ zentrisch angeordnet, das einen Heizdraht 4 aufweist. Der Heizdraht 4 besitzt zwei Zuleitungsdrähte 5, 6, die durch Durchlässe in dem Quarzrohr 3 und dem Fluidrohr 2 nach außen geführt sind. Durch Anlegen einer Spannung an die Zuleitungsdrähte 5, 6 wird der Heizdraht 4 mit Energie versorgt und strahlt insbesondere IR-Heizleistung ab, die das in Pfeilrichtung strömende Gas im Durchflußverfahren erwärmt. Ein Sicherheits-Temperaturfühler 7 fühlt die Temperatur auf der Außenseite des Quarzmantels 3 ab, um bei Übertem¬ peratur die Heizeinrichtung stromlos zu schalten. Ein zweiter Temperaturfühler 8 fühlt analog die Temperatur des Gases stromabwärts von der Fluid-Heizeinrichtung 1 ab. Der Wert der von dem zweiten Temperaturfühler 8 ge¬ messenen Temperatur kann zur Regelung der an den Heiz¬ draht 4 über die Zuleitungsdrähte 5, 6 angelegten elek¬ trischen Leistung verwendet werden, um die Temperatur des Gases konstant zu halten.
In Fig. 2 ist eine Querschnittansicht eines zweiten Aus¬ führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Fluid-Heizeinrichtung 1 weist ein Fluidrohr 2 aus po- liertem Edelstahl auf, in dem ein (nicht dargestelltes) Gas, wie zum Beispiel N2-Gas, strömt. Die Strömungsrich¬ tung ist dabei durch die Pfeile angedeutet. Das Gas tritt durch einen quer zum Fluidrohr 2 angeordneten Einlaß 9 in das Rohr 2 ein und durch einen ebenfalls quer zum Flui- drohr 2 und zum Einlaß 9 um 90° versetzt angeordneten Auslaß 10 aus. Im Fluidrohr 2 ist ein Quarzmantel axialsymetrisch angeordnet, der als ein Quarzrohr 3 aus¬ gebildet ist, das sich über den Einlaß 9 und den Auslaß 10 hinaus erstreckt. Im Quarzrohr 3 ist über die schema- tisch angedeutete Länge L in einem Teilabschnitt 11 des Quarzmantels 3 ein (nicht dargestellter) Heizdraht ange¬ ordnet, an dessen Zuleitungsdrähte 5, 6 eine elektrische Spannung angelegt wird, um den Heizdraht zu erwärmen. Im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausfüh- rungsbeispiel sind die Zuleitungsdrähte 5, 6 im Quarzrohr 3 geführt und werden an den Quarzrohrenden aus dem Flui¬ drohr 2 herausgeführt. Die Stellen, an denen das Quarz¬ rohr 3 aus dem Fluidrohr 2 austritt, sind mit Abdichtvor¬ richtungen 12, 13 an der Einlaßseite 9 bzw. der Auslaß- seite 10 versehen, die vorzugsweise als Dichtringe ausge¬ bildet sind. Der Sicherheits-Temperaturfühler 7 fühlt die Temperatur an dem Außenumfang des Fluidrohrs 2 ab. Ein zweiter Temperaturfühler 8 fühlt stromabwärts von dem be¬ heizten Abschnitt 11 des Quarzrohrs 3 an dem Außenumfang eines das Fluid leitenden Rohres die Gastemperatur ab.
Die Erfindung wurde anhand zweier bevorzugter Ausfüh¬ rungsbeispiele beschrieben. Dem Fachmann sind jedoch zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen möglich, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke verlassen wird. Beispielsweise kann anstelle eines Gases auch eine Flüssigkeit durch die erfindungsgemäße Heizein¬ richtung erhitzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Fluid-Heizeinrichtung ( 1 ) mit einem von einem Fluid durchströmten Rohr (2) , dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2 ; konzentrisch um einen von einem Quarz¬ mantel (3 ) umgebenen Strahler angeordnet ist .
2 . Heizeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Strahler ein Infrarotstrahler ist .
3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Strahler ein elektrisches Heizelement ist.
4. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler ein Heizdraht ist.
5. Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzman¬ tel ein Quarzrohr (3) ist, das den Strahler enthält.
6. Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Zuleitungs- drahte (5, 6) des Heizdrahtes (4) an wenigstens ei¬ nem Ende des Quarzrohrs (3) nach außen geführt ist.
7. Heizeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Zuleitungsdrähte (5, 6) des Heizdrahtes (4) durch wenigstens eine Öffnung in der Wand des Quarzrohrs (3) nach außen geführt sind.
8. Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teilabschnitt (11) des Quarzrohrs (3) ein Heiz¬ element (4) enthält.
9. Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Heiz¬ elemente vorgesehen sind.
10. Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sicher¬ heits-Temperaturfühler (7) an dem, dem Heizelement gegenüberliegenden Außenumfangsabschnitt des Fluid- rohrs (2) vorgesehen ist.
11. Heiizeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß ein durch den Heizdraht (4) fließender Heizstrom abgeschaltet wird, wenn die vom Sicher- heits-Temperaturfühler (7) gemessene Temperatur ei¬ nen vorbestimmten Temperaturwert erreicht.
12. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Temperaturfühler (8) an einem Auslaß (10) des Fluid¬ rohrs (2) vorgesehen ist.
13. Heizeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der von dem zweiten Temperaturfühler (8) ermittelte Temperaturwert zur Regelung der Heiz¬ leistung vorgesehen ist.
14. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidrohr (2) aus Edelstahl ist.
15. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidrohr (2) aus Keramik ist.
16. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidrohr (2) ein mit Keramik ausgekleidetes Stahlrohr ist.
17. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid ein Gas, vorzugsweise Stickstoff ist.
18. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid auf eine Temperatur im Bereich von 100 °C bis 200 °C- aufgeheizt■wird.
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