DE2644937C2

DE2644937C2 - Anlage zur Erwärmung flüssiger und gasförmiger strömender Medien

Info

Publication number: DE2644937C2
Application number: DE2644937A
Authority: DE
Inventors: Valentin Ivanovi&ccaron; Boroda; Konstantin Andreevi&ccaron; Lavrent'ev; Vladimir Nikitovi&ccaron; Klin Moskovskaja oblast' Mel'ni&ccaron;uk; Gennadij Petrovi&ccaron; Popov; Ivan Grigor'evi&ccaron; Vorone&zcaron; Popov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-10-05
Filing date: 1976-10-05
Publication date: 1982-11-25
Also published as: DE2644937A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Heizelemente, die auf der Methode der Widerstandserwärmung beruhen, insbesondere auf eine Anlage zur Erwärmung flüssiger und gasförmiger strömender Medien, denen keine Beimengungen zugegeben sind.

In der Halbleitertechnik findet das deionisierte hochgereinigte Wasser bei der Herstellung von Halbleitergeräten weite Verwendung.

Bekannt ist, daß das Waschen von Halbleiterplatten und -kristallen am produktivsten mit deionisiertem hochgereinigtem Heißwasser ist. In diesem Falle erhöht sich die Waschqualität, lösen sich die Säurereste besser auf; ferner verbessert sich das Aussehen der Platten und Kristalle und es erhöht sich der prozentuale Anfall fertiger Geräte. Das deionisierte Wasser mit hohem Reinigungsgrad besitzt jedoch eine erhöhte Absorption Deshalb war dessen Erwärmung bis auf die Temperatur von 70 bis 80° C ohne Zugabe von Beimengungen bis jetzt praktisch nicht möglich.

Die Erfindung löst das genannte Problem.

Die Erfindung kann in der Radioindustrie, der Medizin und der Nahrungsmittelindustrie angewendet werden.

So kann die Erfindung z. B. in der Medizin als Anlage für die Erwärmung einer dialysierenden Flüssigkeit (Salzlösungen), die für eine mittels des Gerätes »Künstliche Niere« durchzuführende Hämodialyse verwendet wird, benutzt werden.

In der Nahrungsmittelindustrie kann die Erfindung bei der Pasteurisierung von Milch, Bier und Fruchtsäften eingesetzt werden.

Bis jetzt hat man in der Halbleitertechnik das deionisierte Wasser in wendeiförmigen Erhitzern erwärmt. Solche Anlagen haben große Abmessungen, erfordern große Mengen an hilzebeständigen Speziallegierungen, besitzen einen geringen Wirkungsgrad und eine geringe Leistung. Außerdem gestatten sie nicht, ein heißes deionisiertes Wasser zu erhalten, dem keine Beimengungen zugegeben sind.

Bekannt ist die Anlage für Erwärmung vor. deionisiertem Wasser der Firma »Aqua Media« (siehe die Zeitschrift »Solid State technology«, 3, '.974, S. 12, 13).

Die bekannte Anlage enthält einen aus einem Bündel von Kapillarrohren bestehenden Fluorwasserstoff-Wärmeaustauscher, in dessen Inneren das deionisierte Wasser fließt Der genannte Wärmeaustauscher ist in einem Behälter mit emer Flüssigkeit von hoher Wärmekapazität untergebracht welche beim Erhitzen mit metallischen Erhitzern eine große Menge an Wärme speichert und diese über den Wärmeaustauscher zu dem deionisierten Wasser überträgt

Die bekannte Anlage hat eine komplizierte Bauweise

und erfordert für ihre Herstellung eine große Menge an teuren hitzebeständigen Legierungen. Die Einstellung und Prüfung der Anlage sind arbeitsaufwendig und nehmen viel Zeit in Anspruch.

Bekannt ist ferner eine Anlage für Erwärmung flüssiger und gasförmiger Medien (SU-PS 1 88 601), bei der ein Heizelement mit stromleitendem Überzug verwendet wurde.

Die bekannte Anlage enthält eine Verkleidung, in deren Inneren ein Heizelement untergebracht ist, welches ein aus einem Isoliermaterial gefertigtes Gehäuse aufweist auf dessen äußere Räche ein stromleitender Überzug aufgebracht ist, der mittels stromleitender Schienen mit dem elektrischen Speisesystem verbunden ist Die Ein- und Austrittsstutzen des Gehäuses sind mit einem System zum Zuführen und Abführen eines Mediums verbunden.

Das Heizelement ist in der genannten Anlage in Form eines Zylinders mit Doppelwänden ausgebildet, zwischen denen ein Vakuum herrscht

In Richtung der Achse des Heizelementes im Inneren des Zylinders ist ein Metallrohr angeordnet, durch welches das aufzuwärmende Medium strömt d. h. der stromleitende Überzug ist von dem Medium durch eine Luftzwischenschicht und die Wand eines Metallrohres getrennt.

Das zu erwärmende Medium strömt im Inneren des Metallrohres, welches nur mit der im stromleitenden Überzug entwickelten Strahlungsenergie erwärmt wird. Der größte Teil der Wärmeenergie wird zum Erwärmen der Verkleidung und anderer Teile der Anlage verbraucht Der Wirkungsgrad eines solchen Heizelementes beträgt höchstens 4%, außerdem ist die

genannte Anlage in der Herstellung kompliziert

Bekannt ist ferner eine Hohlkörperheizung für Glasoberflächen von Hohlglaskörpern in Form eines aufgebrachten und anschließend eingebrannten Silberbelages in Gestalt von Leiterbahnen (DE-GM 76 02 010).

Der so beheizbare Hohlkörper ist ein zylindrischer Becher mit Boden.

Das Problem, ein das Gefäß durchströmendes Medium zu erwärmen, tritt bei dieser Hohlkörperheizung nicht auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zum Erwärmen flüssiger und gasförmiger

strömender Medien zu schaffen, mit der die Erwärmung von besonders reinen flüssigen und gasförmigen strömenden Medien bei hoher Leistung der Anlage und

bei einem hohen Wirkungsgrad gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei der Anlage zum Erwärmen flüssiger und gasförmiger strömender Medien, die eine Verkleidung enthält, in deren Inneren mindestens ein Heizelement untergebracht ist, welches ein Isoliergehäuse aufweist auf dessen auüere Fläche ein stromleitender Überzug aufgebracht ist und dessen Ein- und Austrittsstutzen mit einem System zum Zuführen und Abführen eines Mediums verbunJen sind, gemäß der Erfindung das Gehäuse des Heizelementes in Form einer Kombination von nacheinander durchströmten Räumen variablen Querschnitts ausgebildet ist, die der Reihe nach durch Zwischenstege mit darauf aufgebrachten Schienen für die Zuführung einer elektrischen Spannung zu dem stromleitenden Oberzug miteinander verbunden sind.

Die Turbulenz der Strömung durch große Querschnittsänderungen des Gefäßes und die große Oberfläche der beispielsweise kugelförmigen Erweiterungen bewirken eine wesentlich verbesserte Erwärmung des durch das Gefäß strömenden Mediums, verglichen z. B. mit einem zylindrischen Gefäß oder mit einem wendeiförmigen Erhitzer.

Es ist zweckmäßig, daß in der Anlage zum Erwärmen flüssiger und gasförmiger Medien das Verhältnis des maximalen Maßes eines Raumes mit variablem Querschnitt bezüglich dessen Zentralachse zu dem maximalen Maß eines Zwischensteges zwischen 15 und 3 liegt

Es ist vorteilhaft daß man in der Verkleidung der vorliegenden Anlage eine Anzahl von Heizelementen anordnet, die zu einem Block mit Hilfe von Kollektoren vereinigt sind, welche mit den Ein- und Austrittsstutzen des Isoliergehäuses eines jeden Heizelementes verbunden sind.

Es ist möglich, die Verbindung eines jeden Ein- und Austrittsstutzens des Heizelementes mit dem entsprechenden Kollektor in Form einer aus Fluoroplast bestehenden Hülse auszuführen, die im Kaltzustand auf den entsprechenden Stutzen aufgepreßt wird, und mit einer elastischen, die Verbindung umfassenden Spannmuffe zu verseilen.

Die vorliegende Anlage zum Erwärmen flüssiger und gasförmiger strömender Medien gestattet es, die Leistung bei Erwärmung von besonders reinen flüssigen und gasförmigen strömenden Medien gegenüber z. B. zylindrischen Erhitzern zu steigern und somit den Verbrauch an Elektroenergie zu vermindern. Sie bedarf außerdem eines geringen Aufwands an teuren Metallen zu deren Herstellung.

Nachstehend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße Anlage zum Erwärmen flüssiger und gasförmiger Medien mit einem Heizelement;

Fig.2 die Verkleidung des Heizelementes nach der Erfindung;

Fig.3 die Anlage zum Erwärmen flüssiger und gasförmiger Medien mit drei Heizelementen, die zu einem Block tvM Hilfe von Kollektoren vereinigt sind, gemäß der Erfindung;

Fig.4 die Verbindungsbaugrppe eines der Stutzen des Heizelementes mit dem Kollektor nach der Erfindung.

Die Anlage zum Erwärmen flüssiger und gasförmiger Medien enthält eir.e Verkleidung 1 (Fig. 1), in deren Inneren ein Heizelement 2 untergebracht ist, welches ein Isoliergehäuse 3 aii.weist, auf dessen äußere Oberfläche ein stroaiieitender Überzug 4 p.ufgebracht ist, der mittels stromleitenittT 'Schienen 5 mit einem elektrischen Speisesystem 6 verbund^ &.

O:;^r, Gehäuse 3 des Heizelementes 2 ist in der voflisgeiiuen Ausführungsvariante der Anlage aus

Qiwrz hergestellt, der stromleitende Überzug 4 ist auf

die Außenfläche des Gehäuses 3 aufgebracht ur.j kommt mit dem zu erwärmenden Medium nicht in Berührung. Dies gestattet die Erwärmung von besonders reinen Medien in einem geschlossenen Raum, ohne daö diesen Beimengungen zugegeben werden.

Der Eintritts- 7 und der Austrittsstutzen 8 des Heizelementes 2 sind mit einem System 9 für die Zuführung und Abführung des Mediums verbunden. Die Pfeile 10 und 10' zeigen, in welcher Richtung das Medium in die Anlage zugeführt bzw. aus ihr abgeführt wird.

Gemäß der Erfindung ist das Heizelement 2 als Kombination der Räume 11 (Fig.2) variablen Quer-Schnitts, z. B. in Form von Kugeln, ausgeführt, die der Reihe nach durch Zwischenstege 12 mit. darauf aufgebrachten Schienen 5 (F i g. 1) für cft? Zuführung der elektrischen Spannung an den stromleitenden Überzug 4 miteinander verbunden sind.

Das Verhältnis des maximalen Maßes eines Raumes 11 (Fi g. 7) bezüglich dessen Zentralachse, z. B. des Durchmessers einer Kugel, zu dem maximalen Maß des Zwischenstegs 12 liegt zwischen 1,5 und 3.

Nachstehend soll eine Ausführungsvariante der Anlage erläutert werden, bei der in der Verkleidung 1 die vorgegebene Anzahl von Heizelementen 2 (F i g. 3),

z. B. drei Elemente 2_U 2₂, 2₃, angeordnet sind, die zu einem Block mit Hilfe von Kollektoren 13 und 14 vereinigt sind, welche mit den Eintrittsstutzen 7_U T₂, 7j und den Austrittsstutzen 8|, 82, 83 der Heizelemente 2τ, 22,23 verbunden sind.

Die Verbindung eines jeden Eintrittsstutzens 7|. 7₂,T₁ der Heizelemente 2\, 2₂, 2] mit dem Kollektor 13 ist in Form einer Hülse 15 (Fig.4), z. B. aus Fluoroplast die im Kaltzustand auf den entsprechenden Stutzen 7\, T₂ oder 7₃ aufgepreßt ist, und einer elastischen, diese Verbindung umfassenden Spannmuffe 16 ausgeführt.

Da Fluoroplast ein kaltfließender Stoff ist, so ist zur

Schaffung einer dichten Verbindung mit dem Quarzstutzen, z. B. 7|, eine stets andrückende Kraft erforderlich, die über die Oberfläche der aufgepreßten Fluoroplasthülse 15 gleichmäßig verteilt ist. Diese Funktion übt die elastische Spannmuffe 16 aus, die z. B. aus Gummi gefertigt ist, ohne daß sie den Quarzstutzen 7| zerstört.

Die Verbindungen eines jeden Eintrittsstutzens 81,82, 83 der Heizelemente 2|, 2₂,2₃ mit dem Kollektor 14 sind ähnlich ausgebildet.

Die Erwärmung flüssiger und gasförmiger Medien in der vorliegenden Anlage geht folgenderweise vor sich. Das Medium gelangt in die Anlage in Pfeilrichtung 10 und füllt das Heizelement 2 (F ig. 1).

Die Temperatur des in das Heizelement gelangenden

Mediums liegt stets unter der Temperatur der Umgebung. Dadurch wird ein Temperaturgradient gewährleistet, dessen Vektor nach der Seite der höchsten Temperatur gerichtet ist.

Bei Zuführung der Spannung mittels Schienen 5 zu dem stromleiienden Überzug 4 erwärmt sich dieser und entwickelt Wärme, wobei der Wärmestrom die b5 Richtung hat, die uer Richtung des Vektors des Tempeiuturgradietiteii entgegengesetzt ist, d. h. ic aas Innere des Gehäuses 3 des Heizelementes 2. Die· Länge der ausgestrahlten Welle dei stromleitenden Überzuges

λ = 4—4,5 μιη

Das zu erwärmende Medium beginnt, nachdem es sich auf 100 bis 150⁰C erwärmt hat, selbst die Wärme mit einer Wellenlänge von λ = 7 bis 8 μπι auszustrahlen.

Der stromleitende Überzug 4, z. B. aus Zinndioxid, besitzt ein Reflexionsvermögen in dem Infrarotbereich des Spektrums der elektromagnetischen Schwingungen. Das maximale Reflexionsvermögen des stromleitenden Überzugs 4 zeigt sich bei Wellenlängen von λ = 8 μιη und λ = 16 μιη. Deshalb wird die vom Wasser ausgestrahlte Strahlungsenergie zu 80 bis 90% durch den .stromleitenden Überzug 4 reflektiert.

Das in das Heizelement 2 gelangende Medium ändert außerdem an den Stellen der Ringstege 12 seine durchschnittliche Ausströmgeschwindigkeit, was zum Übergang einer laminaren Strömung in eine turbulente führt.

Wenn sich der laminare Strom eines Mediums, z. B. des deionisierten Wassers, erwärmt, so ist die Übertragung von Wärme in das Innere des Stromes verzögert, da die Wärmeleitungszahl von Wasser außerordentlich gering ist. In diesem Falle erwärm; sich nur eine dünne Oberflächenschicht des laminaren Wasserstromes, während im inneren Teil des Stromes die Wärme nur mittels der Strahlung übertragen wird.

Bei Übergang zu einer turbulenten Strömung wird die Wärmeenergie an das Medium mittels Strahlung, Wärmeleitfähigkeit und Konvektion übertragen. Dadurch wird eine schnelle und leistungsfähige Erwärmung des fließenden Mediums gewährleistet. Der gesamte Wirkungsgrad des Heizelementes, unter Berücksichtigung von Reflexionseigenschaften des Überzugs 4 und des Vorhandenseins der turbulenten Strömung, erreicht 97%.

Die Verwendung von kugelförmigen Räumen als volumenvariable Räume Il gewährleistet eine größere Erwärmungsfläche des stromleitenden Überzuges 4 bei geringen Abmessungen des Gehäuses 3 des Heizelementes 2. Die hohle Kugel weist eine maximale Festigkeitsgrenze bei inneren Beanspruchungen auf, die durch das unter Druck fließende Medium entstehen, > wodurch es möglich ist, die Dicke der Wand für eine hohle Kugel minimal zu wählen.

Der Bereich der Verhältnisse der maximalen Maße des Raumes 11 variablen Querschnitts zum maximalen Maß des Zwischenstegs 12. der 1,5 bis 3 ausmacht, hängt

in von dem Turbulenzgrad des Flüssigkeitstroms, der im Inneren des Heizelementes 2 fließt, und der Dichte des durch den stromleitcnden Überzug 4 fließenden elektrischen Stroms ab.

Bei Erweiterung des obenerwähnten Bereiches, d.h.

r, bei Verminderung eines maximalen Durchmessers des Zwischensteges 12 steigt die Turbulenz der Strömung an, es nimmt aber auch die Dichte des durch den stromleitenden Überzug 4 fließenden Stroms zu und sie erreicht einen kritischen Wert, bei dem der Überzug 4

:o verbrennt.

Bei Verminderung dieses Bereichs, d. h. bei Vergrößerung des maximalen Durchmessers des Steges 12, vermindert sich die Stromdichte, was für die Wirkung des Überzugs 4 besonders günstig ist, gleichzeitig aber

_>-, vermindert sich der Turbulenzgrad der Strömung, was zur Verminderung der Wärmeüberi'-ygung von den Gehäusewäriden her führt.

Die L*· Hung der Anlage erhöht sich in direkter Abhängigkeit von der Anzahl der /u verwendenden

κι Heizelemente 2.

Die Anlage gestattet es, besonders reine Medien, z. B. deionisiertes Wasser, ohne Zugabe von Beimengungen bei hohem Wirkungsgrad zu erwärmen. Es bedarf keiner großen Anzahl von besonderen hitzebeständigen

υ Legierungen zur Herstellung von Hei.:c!eme!!^;-*n So sind für die Anlage mit einer Lautung von bOO l/h nur einige Dutzende Gramm einer solchen Legierung erforderlich. Die Anlage besitzt kleine Abmessungen, ist einfach und wirtschaftlich in der Herstellung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anlage zum Erwärmen flüssiger und gasförmiger strömender Medien, die eine Verkleidung enthält, in deren Inneren mindestens ein Heizelement untergebracht ist, welches ein Isoliergehäuse aufweist, auf dessen äußere Fläche ein stromleitender Oberzug aufgebracht ist, und dessen Ein- und Austrittsstutzen mit einem System zum Zuführen und Abführen eines Mediums verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (3) des Heizelementes (2) in Form einer Kombination von nacheinander durchströmten Räumen variablen Querschnitts ausgebildet ist, die der Reihe nach durch Zwischenstege (12) mit darauf aufgebrachten Schienen (5) für die Zuführung einer elektrischen Spannung zu dem stromleitenden Überzug (4) miteinander verbunden sind.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des maximalen Maßes eines Raumes (!!) mit variablem Querschnitt bezüglich dessen Zentralachse zu dem maximalen Maß des Zwischensteges (12) zwischen 15 und 3 liegt

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in ihrer Verkleidung (1) eine Anzahl von Heizelementen (2) angeordnet ist, die zu einem Block mit Hilfe von Kollektoren (13) und (14) vereinigt sind, die mit Eintrittsstutzen (7_)t 7₂,7₃) und Austrittsstutzen (8|, 82,8j) des Isoliergehäuses eines jeden Heizelementes (2) verbunden sind.