WO2011038837A2 - Infrarotbestrahlungsvorrichtung, insbesondere infrarotbestrahlungsheizung mit einem infrarotstrahler - Google Patents

Infrarotbestrahlungsvorrichtung, insbesondere infrarotbestrahlungsheizung mit einem infrarotstrahler Download PDF

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WO2011038837A2
WO2011038837A2 PCT/EP2010/005671 EP2010005671W WO2011038837A2 WO 2011038837 A2 WO2011038837 A2 WO 2011038837A2 EP 2010005671 W EP2010005671 W EP 2010005671W WO 2011038837 A2 WO2011038837 A2 WO 2011038837A2
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radiation
radiator
emitter
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Sven Linow
Michael Tittmann
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Heraeus Noblelight Gmbh
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    • 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
    • H05B3/0033—Heating devices using lamps

Definitions

  • Infrared irradiation device in particular infrared irradiation heating
  • the invention relates to an infrared radiation device, in particular infrared radiation heating with an infrared radiator for heating exposed to the weathering devices.
  • a condition that is particularly critical for wind turbines is icing in the corresponding weather conditions.
  • the icing of the rotors leads to changes in mass and the associated additional forces, and on the other hand, there is a reduction in the effectiveness of converting the wind power into electrical energy.
  • the increased density of the air at low temperatures leads to increased Force action.
  • the anemometer for measuring the wind speed, as well as the wind vane to measure the wind direction freeze there is a risk that the anemometer for measuring the wind speed, as well as the wind vane to measure the wind direction freeze.
  • frost on the anemometer is also critical for the wind turbine, as in: H. Seifert: Ice Age at the site. DEWI Magazine 26 (2005) 68-75; and S. Kimura et al .: Aerodynamic characterstics of an iced cup-shaped body. Cold Regions Science and Technology 33 (2001) 45-58)), as well as the change in the viscosity of the lubricants in the bearings.
  • Second effect can be turned off in many weather conditions with a so-called shaft heating.
  • the first effect can be reduced with a shell heater, as offered by some commercially available anemometers.
  • heating lamps according to DIN EN 60240-1 are known. Such heating lamps are otherwise used e.g. used in piglet rearing. However, these lamps are not up to the mechanical requirements, as well as the requirements of reliability, so that they must be replaced frequently. In particular, ice chunks that come loose from the rotor blades immediately lead to the breakage of the lamps. At the same time, the performance is limited by the use of outer bulb of conventional glass and high proportions of radiation are absorbed by the outer bulb again and are lost as convective heat.
  • the object of the invention is therefore to provide a device for infrared heating, which should exert the least possible influence on the air flow and their wake flow normally does not affect the anemometer. At the same time, it must be able to irradiate all surfaces of the anemometer as much as possible.
  • the infrared irradiation heater according to the invention for heating devices exposed to the weather, in particular anemometers for measuring the wind conditions.
  • the infrared radiator, the inner housing wall and the protection unit are coordinated so that only a cooling by free convection is needed.
  • a device which already has all the required properties for use in extremely difficult environmental conditions. Only a reduction to the minimum necessary functions an extreme reliability with very high mechanical resistance is achieved.
  • the use of a protective unit allows the safe installation of one (or more) infrared radiator, which - although its envelope bulb is made of break-proof quartz glass - not only in terms of fracture safety must be optimized, but at the same time in terms of efficiency of heating the components to be heated , Direction of radiation and unavoidable waste heat is optimized. This is done by shaping the enveloping piston, emitted spectrum, ratio of surface of the enveloping bulb to radiated power and other measures, which are explained in the subclaims.
  • the protective unit is a glass pane of quartz glass.
  • Quartz glass is extremely weather-resistant compared to conventional glasses, has high mechanical strength and an advantageous high transmission far into the infrared, so that the infrared radiation of the heating emitter does not heat up the heating device unnecessarily, but is available for heating anemometer and surrounding elements.
  • the protective unit is a glass pane of thermally or chemically toughened glass.
  • aluminum silicate glasses with other properties are conceivable
  • toughened glass or toughened safety glass has a significantly increased breaking strength compared to normal glass.
  • the use of eg aluminum silicate glass compared to soda-lime glasses to prefer.
  • the use of chemically toughened aluminum silicate glass eg Corning Glass 2317 has proven itself.
  • the invention provides that the protective unit has a grid made of heat-resistant metal.
  • the protective unit has a grid made of heat-resistant metal.
  • a grid of heat-resistant stainless steel instead of glass.
  • a combination of suitable glass and grid made of heat-resistant stainless steel has proven.
  • the radiation emitted primarily by the heating element of the infrared radiator is absorbed to less than 20% by the protection unit, particularly preferably to less than 10% by the protection unit.
  • the lower the absorption of energy in the protection device the more efficient the heating and the lower the disadvantages caused by the increased heating of the protection device. It must be prevented that the protective glasses - especially those which are not made of quartz glass - are heated to such an extent that the mechanical properties are changed. This is the case with single-pane safety glass already near the lower annealing point.
  • the emission wavelength of the radiator the absorption properties of the glass, the expected contamination of the glass, the surface coverage of a protective grid to match.
  • an advantageous embodiment of the invention provides that the inner housing wall is formed as an infrared reflector. This ensures that on the one hand, a high efficiency of the device is achieved and second, a strong heating or overheating of the unit is prevented.
  • the infrared reflectors are made of heat-resistant, unbreakable material, so that stainless steel or better still fire-aluminized steel are used, which remains up to 400 ° C resistant. It has been shown that it is advantageous if the inner housing wall is designed as a functional reflector, and thereby images the radiation emitted by the infrared radiator, in particular to the components to be irradiated. Functional means that the radiation is directed by the geometry of the reflector in a suitable manner to the components to be heated. For this example, parabolic shapes can be used. An optimization of the system eg by means of suitable software with regard to a homogeneous illumination (even if one unit fails, if several are used) should be aimed for.
  • the invention provides in an advantageous embodiment that the cladding tube of the infrared radiator is coated with a refractory consisting of an opaque oxide reflector. Unlike coatings of lamp envelopes by means of metallic layers can be achieved as a non-aging reflector layer having constant properties of the radiation over a long life.
  • the oxide has almost the same elemental composition as the material of the cladding tube with a deviation of less than 5% in the composition. This has proven itself at the same time to achieve a particularly good resistance of the layer even with frequent and strong temperature changes and to achieve optimum reflectivity of the layer in the infrared.
  • the object according to the invention can be realized particularly well with at least three heating devices, wherein the task can also be achieved with two functioning units. If three (or more) heaters disposed symmetrically about the element to be irradiated are used (which may also be in a common housing), the influence of asymmetric arrangement of components is minimized (asymmetry can lead to undesired increased directional dependence of the measurement result of the anemometer ). At the same time, the properties of the heating devices can be matched to the geometry of the element to be heated so that a function is ensured even if one heater fails. Furthermore, it has been found that e is advantageous if at the same time a shaft heater or a shell heater are used. This further increases the redundancy and thus the operational reliability of the measuring device.
  • the device is designed such that the heating power can be regulated.
  • the heating power can be regulated.
  • they can be switched on depending on the actual weather conditions. While at moderate wind speeds and relatively high temperatures up to about -10 ° C still a shaft heater is sufficient, it has been found that especially in strong winds and at extremely low temperatures or in the rain, the use of infrared heaters in addition or alone to prefer.
  • Infrared radiant heater for a bowl anemometer with integrated wind vane and lightning rod.
  • the heater is attached to the lightning rod and heats the anemometer with its shells from above.
  • the anemometer cups are made of metal and coated with an IR radiation in the range of 1000 nm to 3000 nm, preferably absorbing heat resistant water repellent coating (a black enamel).
  • the anemometer has a shaft heater.
  • the heater consists of an outer impact-resistant metal housing, inside which are mounted three short-wave infrared radiators with a filament temperature of 2200 ° C, which are coated on their side facing away from the anemometer with a reflector made of opaque quartz glass.
  • the infrared radiators irradiate almost the entire surface of the anemometer, each with a power of 250 W.
  • the failure of a radiator can be compensated sufficiently.
  • Enclosing the spotlight is an inner reflector made of bright stainless steel.
  • the unit is mounted 25 cm above the anemometer, externally round and aerodynamically shaped, so that only in strongly falling or strongly ascending winds affects the wind speed on the anemometer. Comparative measurements between a free-standing and the anemometer mounted with a heater only show an influence on the anemometer results for winches with vertical proportions> 30%.
  • Infrared radiant heater for a bowl anemometer with integrated wind vane and lightning rod.
  • three heating elements are arranged symmetrically below the anemometer plane and mounted on the three lightning rods attached to an enclosing cage. These irradiate the anemometer, the wind vane and opposing rods of the lightning rod.
  • Each of the three units has an outer metal shroud with ventilation slots, an inner metallic reflector with staggered ventilation slots that deflects stray radiation from the infrared radiators toward the components to be irradiated, a tungsten-type infrared radiator with a short-wavelength radiating helix that operates in nominal operation 2000 ° C and is thus designed for maximum service life.
  • a break-resistant glass sheet of 4 mm thick quartz glass is mounted in front of the unit, with less than 5% of the power dissipated by the filament being absorbed by this disk. Due to the arrangement of the ventilation slots a sufficient cooling of the entire unit is made possible even with almost no air through free convection.
  • the function of the anemometer can be maintained at average wind speeds of up to -20 ° C, even if one unit fails, with additional shaft heating.
  • the arrangement of the elements about 20 cm below the anemometer plane is an influence on the Anemometer measurement by the trailing vortices of the heating units from ascending winds with a vertical component of> 25%.
  • Infrared radiant heater for a bowl anemometer with integrated wind vane and lightning rod.
  • three heating elements are arranged symmetrically below the anemometer plane and mounted on the three lightning rods attached to an enclosing cage. These irradiate the anemometer, the wind vane and opposing rods of the lightning rod.
  • Each of the three units has an outer metal shroud with ventilation slots, an inner metallic reflector with staggered ventilation slots that redirects scattered radiation from the infrared radiators toward the components to be irradiated, an infrared radiator with a medium wavelength radiating helix of an alloy of chromium, iron and aluminum, which operates in rated operation at 1000 ° C and is designed for maximum service life.
  • a break-resistant glass sheet of 4 mm thick quartz glass is mounted in front of the unit, with less than 20% of the power dissipated by the filament being absorbed by this disk. Due to the arrangement of the ventilation slots a sufficient cooling of the entire unit is made possible even with almost no air through free convection.
  • the function of the anemometer can be maintained at average wind speeds of up to -15 ° C, even if one unit fails, with additional shaft heating.
  • the anemometer measurement is influenced by the trailing vortices of the heating units, for example from ascending winds with a vertical component of> 20%.

Landscapes

  • Radiation Pyrometers (AREA)
  • Domestic Hot-Water Supply Systems And Details Of Heating Systems (AREA)
  • Wind Motors (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Infrarotbestrahlungsvorrichtung, insbesondere Infrarotbestrahlungsheizung mit einem Infrarotstrahler zur Erwärmung von der Witterung ausgesetzten Vorrichtungen, mit einem Emitter, wobei der Emitter zum Aussenden der Infrarotstrahlung in einem Gehäuse eingesetzt ist und der Emitter auf der ausstrahlenden Seite durch eine für die ausgesandte Strahlung Einheit geschützt ist, wobei der Infrarotstrahler, die innere Gehäusewand und die Einheit derart angeordnet sind, dass deren Kühlung mittels freier Konvektion erfolgt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung in einer Windkraftanlage.

Description

Infrarotbestrahlungsvorrichtung, insbesondere Infrarotbestrahlungsheizung
mit einem Infrarotstrahler
Die Erfindung betrifft eine Infrarotbestrahlungsvorrichtung, insbesondere Infrarotbestrahlungsheizung mit einem Infrarotstrahler zur Erwärmung von der Witterung ausgesetzten Vorrichtungen.
Wesentliche Voraussetzung für den sicheren Betrieb einer Windkraftanlage ist die exakte Messung der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung in allen Wetterlagen. Kann die aktuelle Windgeschwindigkeit und die aktuelle Windrichtung nicht sicher bestimmt werden, so muss die Windkraftanlage sofort in Ruhestellung gefahren werden, um Schaden an der Anlage und an der Umgebung zu vermeiden. Unnötige Abschaltungen der Windkraftanlage resultieren sofort in finanziellen Verlusten für den Betreiber. Um die benötigten Anforderungen, wie sie auch in Industriestandards formuliert sind, an die Genauigkeit der Messung der Windgeschwindigkeit einzuhalten, haben sich bisher nur Schalenkreuz Anemometer bewährt wie beispielsweise in„R.S. Hunter et al [Hrsg]: Re- commended Practices for Wind Turbine Testing: 11. Wind speed measurement and use of cup anemometry. 1. Ed. 1999. International Energy Agency)" beschrieben.
Ein Zustand, der besonders kritisch für Windkraftanlagen ist, ist die Vereisung bei entsprechenden Witterungslagen. Zum einen führt die Vereisung der Rotoren zu Masseveränderungen und damit einhergehenden zusätzlichen Kräften, weiter kommt es zu einer Reduktion der Effektivität der Umwandlung der Windkraft in elektrische Energie. Zugleich führt die erhöhte Dichte der Luft bei niedrigen Temperaturen zu erhöhter Kraftwirkung. Zum zweiten besteht die Gefahr, dass das Anemometer zur Messung der Windgeschwindigkeit, sowie die Windfahne zur Messung der Windrichtung einfrieren.
Kritisch für die Windkraftanlage ist jedoch auch die Reifbildung auf dem Anemometer wie beispielsweise in: H. Seifert: Eiszeit am Standort. DEWI Magazin 26 (2005) 68 - 75; sowie S. Kimura et al: Aerodynamic characterstics ofan iced cup-shaped body. Cold Regions Science and Technology 33 (2001) 45-58)) beschrieben, sowie die Veränderung der Viskosität der Schmierstoffe in den Lagern. Zweiter Effekt kann in vielen Wetterlagen mit einer sogenannten Schaftheizung abgestellt werden. Erster Effekt kann mit einer Schalenheizung vermindert werden, wie sie bei einigen kommerziell erhältlichen Anemometern angeboten wird.
Da Windkraftanlagen zunehmend in vereisungsgefährdeten Umgebungen, wie in Ostoder Nordeuropa oder in Hügel- oder Gebirgslagen eingesetzt werden, zusätzlich sich die Witterungsextreme in Europa verstärken - zugleich im Winter in Europa deutlich höhere mittlere Windgeschwingkeiten auftreten, als im Sommer - ist es zunehmend von Bedeutung, dass Anemometer auch in extremen Bedingungen jederzeit eisfrei sind. Als untere Temperaturgrenze sind ca. -30 °C anzusetzen, mit Rücksicht auf die strukturellen Eigenschaften der Werkstoffe in einer Windkraftanlage wird diese zur Zeit als untere Betriebstemperatur angesetzt, bis zu der die Sicherheit der Anlage noch gewährleistet bleibt. Wie Untersuchungen zeigen, tritt jedoch bei üblichen höheren Windgeschindig- keiten und Temperatur von -10 °C bereits Vereisung bei schalen- und schaftbeheizten Anemometern auf. Zudem beeinflussen Vereisungen an das Anemometer umgebenden Strukturen sehr stark die Genauigkeit der Windmessung (T. Laakso et al: State-of-the- art of wind energy in cold climates. International Energy Agency: 2003, Seite 13). Zu diesen Strukturen zählen Blitzableiter, die nahe des Anemometers auf der Gondel montiert werden, wie auch der untere Bereich des Schaftes, dessen Vereisung insbesondere kritisch ist, falls vertikale Anteile des Windes auftreten können.
Aus diesen Gründen ist es sinnvoll an stark oder häufig von Vereisung betroffenen Standorten alternativ zur Schaft- und Schalenheizung oder komplementär eine Infrarot- Strahlungsheizung einzusetzen, die das Anemometer und den Schaft, sowie die umgebenden Einrichtungen erwärmt und trocknet.
Bekannt ist hierbei der Einsatz von Heizlampen entsprechend der DIN EN 60240-1. Solche Heizlampen werden sonst z.B. in der Ferkelaufzucht eingesetzt. Diese Lampen sind den mechanischen Anforderungen, wie auch den Anforderungen an Zuverlässigkeit jedoch nicht gewachsen, so dass sie häufig ausgewechselt werden müssen. Insbesondere auftreffende Eisbrocken, die sich von den Rotorblättern lösen, führen sofort zum Bruch der Lampen. Zugleich ist durch den Einsatz von Hüllkolben aus üblichen Glas die Leistung begrenzt und hohe Anteile der Strahlung werden vom Hüllkolben wieder absorbiert und gehen als konvektive Wärme verloren.
Die Anforderungen an eine technische Lösung zur Infrarotbeheizung von Anemometer und Windfahne sowie der umgebenden Komponenten ergeben sich direkt aus den Umgebungsbedingungen, den auftretenden Beanspruchungen, der benötigten Lebensdauer und der benötigten Leistung. Die Heizung muss bei extremen Temperaturen, starkem Wind, damit einhergehenden starken strukturellen Beanspruchungen, bei Feuchtigkeit und Nässe jederzeit funktionieren. Eine wesentliche Gefahr stellen Eisbrocken dar, die sich von den Rotorblättern lösen und auch auf die Infrarotheizung fallen können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Infrarotbeheizung bereitzustellen, wobei diese einen möglichst geringen Einfluss auf die Luftströmung ausüben sollte und ihre Nachlaufströmung normalerweise nicht das Anemometer beeinflusst. Zugleich muss sie möglichst alle Oberflächen des Anemometers bestrahlen können.
Die Aufgabe wird bereits mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Infrarotbestrahlungsheizung zur Erwärmung von der Witterung ausgesetzten Vorrichtungen, insbesondere Anemometer zur Messung der Windge- schwindigkeit zum Einsatz für Windkraftanlagen sowie Windfahnen und Blitzableiter, bei der der Emitter zum Aussenden der Infrarotstrahlung in einem Gehäuse eingesetzt ist und der Emitter auf der ausstrahlenden Seite durch eine für die ausgesandte Strahlung im wesentlichen transparente Einheit geschützt ist
Sieht vor, dass der Infrarotstrahler, die innere Gehäusewand und die Schutzeinheit derart aufeinander abgestimmt sind, dass nur eine Kühlung durch freie Konvektion benötigt wird. Dadurch wird eine Vorrichtung dargestellt, die bereits alle benötigten Eigenschaften für den Einsatz in extrem schwierigen Umgebungsbedingungen aufweist. Nur durch eine Reduzierung auf die minimal notwendigen Funktionen ist eine extreme Betriebssicherheit bei sehr hoher mechanischer Beständigkeit erreicht. Zugleich erlaubt der Einsatz einer Schutzeinheit die sichere Montage eines (oder mehrerer) Infrarotstrahlers, der - obwohl sein Hüllkolben aus bruchfestem Quarzglas hergestellt ist— nicht nur im Hinblick auf Bruchsicherheit optimiert werden muss, sondern der zugleich im Hinblick auf Effizienz der Erwärmung der zu erwärmenden Komponenten, Ausstrahlrichtung und unvermeidbarer Abwärme optimiert ist. Dies erfolgt durch Formgebung des Hüllkolbens, emittiertes Spektrum, Verhältnis von Oberfläche des Hüllkolbens zur abgestrahlten Leistung und weiterer Maßnahmen, die in den Unteransprüchen erläutert sind.
Vorteilhafterweise ist die Schutzeinheit eine Glasscheibe aus Quarzglas. Quarzglas ist gegenüber üblichen Gläsern extrem witterungbeständig, weist hohe mechanische Festigkeit auf und eine vorteilhafte hohe Transmission weit in das Infrarote hinein auf, so dass die Infrarotstrahlung der Heizemitter nicht die Heizvorrichtung unnötig aufheizt, sondern für die Aufheizung von Anemometer und umgebenden Elementen zur Verfügung steht.
Es hat sich gezeigt, dass es sich positiv auswirkt, wenn die Schutzeinheit eine Glasscheibe aus thermisch oder chemisch vorgespanntem Glas ist. Hierbei sind insbesondere Aluminiumsilikat Gläser mit anderen Eigenschaften denkbar, vorgespanntes Glas oder Einscheiben Sicherheitsglas weist eine deutlich erhöhte Bruchfestigkeit gegenüber normalem Glas auf. Um jedoch eine zufriedenstellende Transmission im Infraroten aufzuweisen, ist der Einsatz von z.B. Aluminiumsilikatglas gegenüber Kalk-Natron Gläsern zu bevorzugen. Insbesondere hat sich der Einsatz von chemisch vorgespanntem Aluminiumsilikatglas (z.B. Corning Glas 2317) bewährt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform sieht die Erfindung vor, dass die Schutzeinheit ein Gitter aus hitzebeständigem Metall aufweist. Insbesondere bei Vorrichtungen, die sehr hohe Leistungen abstrahlen, so dass die o.g. genannten Gläser überhitzen könnten, oder bei Vorrichtungen, die nach unten abstrahlen hat sich der Einsatz eines Gitters aus wärmebeständigem Edelstahl statt der Glasscheibe bewährt. Bei Vorrichtungen, die extreme Belastungen z.B. aufgrund besonders hoher Anzahl an Tagen mit Vereisung der Rotorblätter ausgesetzt sind, hat sich eine Kombination aus geeignetem Glas und Gitter aus wärmebeständigem Edelstahl bewährt.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn die primär vom Heizelement des Infrarotstrahlers ausgesandte Strahlung zu weniger als 20 % von der Schutzeinheit, besonders bevorzugt zu weniger als 10 % von der Schutzeinheit absorbiert wird. Je geringer die Absorption von Energie in der Schutzvorrichtung ist, desto effizienter ist die Heizung und desto geringere Nachteile durch die stärkere Erwärmung der Schutzeinrichtung entstehen. Es ist zu verhindern, dass die Schutzgläser - insbesondere solche, die nicht aus Quarzglas bestehen - so weit erwärmt werden, dass die mechanischen Eigenschaften verändert werden. Dies ist bei Einscheibensicherheitsglas bereits in der Nähe des unteren Temperpunktes der Fall.
Hierzu sind die Emissionswellenlänge des Strahlers, die Absorptionseigenschaften des Glases, die zu erwartende Verschmutzung des Glases, die Flächenbelegung eines Schutzgitters aufeinander abzustimmen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung sieht vor, dass die innere Gehäusewand als Infrarotreflektor ausgebildet ist. Hierdurch wird erreicht, dass zum einen eine hohe Effizienz der Vorrichtung erreicht wird und zum zweiten ein starkes Erwärmen oder Überhitzen der Einheit verhindert wird. Die Infrarotreflektoren sind aus wärmebeständigem, bruchfesten Material auszuführen, so dass Edelstahl oder besser noch Feueraluminierter Stahl eingesetzt werden, der bis ca. 400 °C beständig bleibt. Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die innere Gehäusewand als funktionaler Reflektor ausgebildet ist, und dabei die von dem Infrarotstrahler ausgesandte Strahlung insbesondere auf die zu bestrahlenden Komponenten abbildet. Funktional bedeutet, dass die Ausstrahlung durch die Geometrie des Reflektors in geeigneter Weise auf die zu erwärmenden Komponenten gerichtet wird. Hierzu können z.B. parabolische Formen eingesetzt werden. Eine Optimierung des Systems z.B. mittels geeigneter Software im Hinblick auf eine homogene Ausleuchtung (auch bei Ausfall einer Einheit, wenn mehrere eingesetzt werden) ist anzustreben.
Die Erfindung sieht in einer vorteilhaften Ausgestaltungsform vor, dass das Hüllrohr des Infrarotstrahlers mit einem hitzebeständigen aus einem opaken Oxid bestehenden Reflektor beschichtet ist. Anders als Beschichtungen von Lampenkolben mittels metallischer Schichten kann so eine nicht alternde Reflektorschicht erreichtwerden, die konstante Eigenschaften der Abstrahlung über eine lange Lebensdauer aufweist.
Vorteilhaft ist es dabei, wenn das Oxid nahezu dieselbe Elementarzusammensetzung aufweist, wie das Material des Hüllrohres mit einer Abweichung von weniger als 5 % in der Zusammensetzung. Dies hat sich bewährt um zugleich eine besonders gute Beständigkeit der Schicht auch bei häufigem und starkem Temperaturwechsel zu erreichen und eine optimale Reflektivität der Schicht im Infrarot zu erreichen.
Es hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäße Aufgabe mit zumindest drei Heizvorrichtungen besonders gut realisieren lässt, wobei die Aufgabe auch mit zwei funktionierenden Einheiten gelöst werden kann. Werden drei (oder mehr) symmetrisch um das zu bestrahlende Element angeordnete Heizvorrichtungen eingesetzt (die sich auch in einem gemeinsamen Gehäuse befinden können), so ist der Einfluss durch asymmetrische Anordnung von Komponenten minimiert (Asymmetrie kann zu einer unerwünschten verstärkten Richtungsabhängigkeit des Messergebnisses des Anemometers führen). Zugleich können die Eigenschaften der Heizeinrichtungen so auf die Geometrie des zu erwärmenden Elementes abgestimmt werden, dass auch bei Ausfall einer Heizung noch eine Funktion sichergestellt ist. Ferner hat sich herausgestellt, dass e vorteilhaft ist, wenn zugleich eine Schaftheizung oder eine Schalenheizung eingesetzt werden. Dies erhöht die Redundanz und damit die Betriebssicherheit der Messeinrichtung weiter.
Die Vorrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass die Heizleistung geregelt werden kann. Insbesondere wenn mehrere Heizelemente vorgesehen sind, so können diese in Abhängigkeit von den tatsächlichen Witterungsbedingungen zugeschaltet werden. Während bei moderaten Windgeschwindigkeiten und relativ hohen Temperaturen bis ca. -10 °C noch eine Schaftheizung ausreicht, so hat sich herausgestellt, dass insbesondere entweder bei Starkwind sowie bei extrem niedrigen Temperaturen oder bei Regen der Einsatz von Infrarotheizungen zusätzlich oder allein zu bevorzugen ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Ausführungsbeispiel 1
Infrarotstrahlungsheizung für ein Schalen Anemometer mit integrierter Windfahne und Blitzableiter. Die Heizung ist am Blitzableiter befestigt und beheizt das Anemometer mit seinen Schalen von oben. Die Anemometerschalen sind aus Metall ausgeführt und mit einer IR Strahlung im Bereich von 1000 nm bis 3000 nm bevorzugt absorbierenden wärmefesten wasserabweisenden Beschichtung, (einem schwarzen Email) beschichtet. Zusätzlich weist das Anemometer eine Schaftheizung auf. Die Heizung besteht aus einem äußeren stoßunempfindlichen Gehäuse aus Metall, darin sind drei kurzwellige Infrarotstrahler mit einer Filamenttemperatur von 2200 °C montiert, die auf ihrer dem Anemometer abgewandten Seite mit einem Reflektor aus opakem Quarzglas beschichtet sind. Die Infrarotstrahler bestrahlen dabei jeweils nahezu die gesamte Oberfläche des Anemometers mit jeweils 250 W Leistung. Dadurch kann der Ausfall eines Strahlers ausreichend kompensiert werden. Die Strahler umhüllend ist ein innerer Reflektor aus blankem Edelstahl angeordnet. Zum Schutz der Strahler befindet sich unterhalb dieser ein Gitter aus 1 ,0 mm starkem Draht aus wärmebeständigem Edelstahl (z.B. 1.4404), wobei das Drahtgeflecht weniger als 20 % der Fläche vor den Strahlern einnimmt. Durch versetzte Öffnungen im inneren Reflektorblech, sowie in der äußeren Hülle wird unabhängig von der Windgeschwindigkeit eine ausreichende Kühlung der gesamten Einheit mittels freier Konvektion erreicht.
Die Einheit ist 25 cm oberhalb des Anemometers montiert, äußerlich rund und aerodynamisch geformt, so dass nur bei stark fallenden oder stark aufsteigenden Winden eine Beeinflussung der Windgeschwindigkeit am Anemometer auftritt. Vergleichsmessungen zwischen einem frei stehenden und dem mit Heizung montierten Anemometer zeigen erst bei Winden mit Vertikalanteilen >30 % eine Beeinflussung der Anemometerergebnisse.
Ausführungsbeispiel 2
Infrarotstrahlungsheizung für ein Schalen Anemometer mit integrierter Windfahne und Blitzableiter. Hierzu sind drei Heizelemente symmetrisch unterhalb der Anemometerebene angeordnet und an den drei zu einem umhüllenden Käfig gefügten Blitzableiterstäben montiert. Diese bestrahlen dabei das Anemometer, die Windfahne und gegenüberliegende Stäbe des Blitzableiters. Jede der drei Einheiten verfügt über eine äußere Umhüllung aus Metall mit Belüftungsschlitzen, einem inneren metallischen Reflektor mit versetzt angeordneten Belüftungsschlitzen, der Streustrahlung von den Infrarotstrahlern in Richtung der zu bestrahlenden Komponenten umlenkt, einem Infrarotstrahler mit einer kurzwellig abstrahlenden Wendel aus Wolfram, die im Nennbetrieb bei 2000 °C betrieben wird und so für eine maximale Lebensdauer ausgelegt ist. Eine bruchfeste Glasscheibe aus 4 mm starkem Quarzglas ist vor der Einheit montiert, wobei weniger als 5 % der vom Filament abgegeben Leistung von dieser Scheibe absorbiert werden. Durch die Anordnung der Belüftungsschlitze ist eine ausreichende Kühlung der gesamten Einheit auch bei nahezu Luftstillstand durch freie Konvektion ermöglicht.
Durch die Anordnung und die Leistung von 300 W je Einheit kann bei zusätzlicher Schaftheizung die Funktion des Anemometers bei mittleren Windgeschwindigkeiten bis ca. -20 °C auch bei Ausfall einer Einheit erhalten werden. Durch die Anordnung der Elemente ca. 20 cm unterhalb der Anemometerebene erfolgt eine Beeinflussung der Anemometermessung durch die Nachlaufwirbel der Heizeinheiten etwa ab aufsteigenden Winden mit einem Vertikalanteil von >25 %.
Ausführungsbeispiel 3
Infrarotstrahlungsheizung für ein Schalen Anemometer mit integrierter Windfahne und Blitzableiter. Hierzu sind drei Heizelemente symmetrisch unterhalb der Anemometerebene angeordnet und an den drei zu einem umhüllenden Käfig gefügten Blitzableiterstäben montiert. Diese bestrahlen dabei das Anemometer, die Windfahne und gegenüberliegende Stäbe des Blitzableiters. Jede der drei Einheiten verfügt über eine äußere Umhüllung aus Metall mit Belüftungsschlitzen, einem inneren metallischen Reflektor mit versetzt angeordneten Belüftungsschlitzen, der Streustrahlung von den Infrarotstrahlern in Richtung der zu bestrahlenden Komponenten umlenkt, einem Infrarotstrahler mit einer mittelwellig abstrahlenden Wendel aus einer Legierung aus Chrom, Eisen und Aluminium, die im Nennbetrieb bei 1000 °C betrieben wird und so für eine maximale Lebensdauer ausgelegt ist. Eine bruchfeste Glasscheibe aus 4 mm starkem Quarzglas ist vor der Einheit montiert, wobei weniger als 20 % der vom Filament abgegeben Leistung von dieser Scheibe absorbiert werden. Durch die Anordnung der Belüftungsschlitze ist eine ausreichende Kühlung der gesamten Einheit auch bei nahezu Luftstillstand durch freie Konvektion ermöglicht.
Durch die Anordnung und die Leistung von 250 W je Einheit kann bei zusätzlicher Schaftheizung die Funktion des Anemometers bei mittleren Windgeschwindigkeiten bis ca. -15 °C auch bei Ausfall einer Einheit erhalten werden. Durch die Anordnung der Elemente ca. 10 cm unterhalb der Anemometerebene erfolgt eine Beeinflussung der Anemometermessung durch die Nachlaufwirbel der Heizeinheiten etwa ab aufsteigenden Winden mit einem Vertikalanteil von >20 %.

Claims

Infrarotbestrahlungsvorrichtung, insbesondere Infrarotbestrahlungsheizung mit einem Infrarotstrahler Patentansprüche
1. Infrarotbestrahlungsvorrichtung, insbesondere Infrarotbestrahlungsheizung mit einem Infrarotstrahler zur Erwärmung von der Witterung ausgesetzten Vorrichtungen, mit einem Emitter, wobei der Emitter zum Aussenden der Infrarotstrahlung in einem Gehäuse eingesetzt ist und der Emitter auf der ausstrahlenden Seite durch eine für die ausgesandte Strahlung im wesentlichen transparente Schutzeinheit geschützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotstrahler, die innere Gehäusewand und die Einheit derart angeordnet sind, dass deren Kühlung mittels freier Konvektion erfolgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinheit eine Glasscheibe aus Quarzglas umfasst.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinheit eine Glasscheibe aus thermisch und/oder chemisch vorgespanntem Glas umfasst.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinheit ein Gitter aus hitzebeständigem Metall umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Heizelement des Infrarotstrahlers ausgesandte Strahlung zu weni- ger als 20 % von der Schutzeinheit, besonders bevorzugt zu weniger als 10 % von der Schutzeinheit absorbiert wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere Gehäusewand als Infrarotreflektor ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Gehäusewand als funktionaler Reflektor ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotstrahler ein Hüllrohr mit einem hitzebeständigen aus einem opaken Oxid bestehenden Reflektor aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxid im wesentlichen der Elementarzusammensetzung des Material des Hüllrohres mit einer Abweichung von weniger als 5 % in der Zusammensetzung entspricht
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, bevorzugt drei Heizvorrichtungen vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaftheizung und/oder eine Schalenheizung vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung regelbar ist.
13. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einer Windkraftanlage.
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