-
Die Erfindung betrifft elektrische Gaserhitzer mit einer Anzahl, innerhalb
eines Gehäuses angeordneter, parallelgeschalteter elektrischer Heizelemente.
-
Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, einen Gaserhitzer
der vorbeschriebenen Art zu schaffen, der konstruktiv äußerst einfach, in seiner
Wirkungsweise bekannten Gaserhitzern jedoch überlegen ist, wobei insbesondere eine
turbulente Strömung des durch den Gaserhitzer geführten Gases vermieden wird, und
der beim Durchströmen des Erhitzers auftretende Druckabfall auf ein Minimum reduziert
werden soll.
-
Die letztgenannten Vorzüge des erfindungsgemäßen Gaserhitzers schließen
jedoch auf Grund seiner einfachen und billigen Herstellungsweise seine Verwendung
in Fällen nicht aus, wo der Druckabfall und bzw. oder die Turbulenz der Gasströmung
von untergeordneter Bedeutung sind.
-
Ein bekannter rohrförmiger Gaserhitzer (deutsche Patentschrift 826
325) vermeidet zwar eine turbulente Strömung, indem das Gas lediglich geradlinig
verlaufende Bohrungen durchströmen muß, er ist jedoch in der Herstellung teuer,
weil er aus mit Bohrungen für das Durchströmen des Gases versehenen Graphitblöcken
aufgebaut ist, und verursacht infolge der Querschnittsverengung durch die Bohrungen
einen beachtlichen Druckabfall, der in der das erhitzte Gas weiterführenden, Leitung
zu turbulenten Strömungen führen kann.
-
Ein bekannter plattenförmiger Wärmetauscher (belgische Patentschrift
557 321) vermeidet zwar einen größeren Druckabfall, beansprucht aber, sobald eine
große wärmetauschende Oberfläche gefordert wird, sehr viel Platz und begünstigt
durch das mehrmalige Umlenken des Gasstromes um 90°, ja sogar l80° die Bildung einer
turbulenten Strömung.
-
Es ist auch ein rohrförmiger Gaserhitzer bekannt (deutsche Patentschrift
919 184), bei dem mehrere rohrförmige, aber hintereinandergeschaltete Heizelemente
konzentrisch ineinander angeordnet sind und nacheinander vom zu erhitzenden Gas
durchströmt werden. Auch hier tritt zunächst einmal der Nachteil eines großen Druckabfalles
auf, weil das zu erhitzende Gas jedes Heizelement in seiner gesamten Länge durchströmen
und erst am Ende durch wenige Öffnungen in das weiter innen liegende eintreten kann.
Auch hier läßt sich durch die häufigen und apprupten Richtungsänderungen eine turbulente
Strömung kaum vermeiden.
-
Gegenüber diesen bekannten Gaserhitzern zeichnet sich der erfindungsgemäße
dadurch aus, daß jedes Heizelement rohrförmig oder als im Querschnitt vieleckiger,
geschlossener Hohlkörper ausgebildet ist und aus einem metallischen Maschenwerk
besteht, daß ferner alle Heizelemente konzentrisch ineinander, jedoch in Abständen
voneinander angeordnet sind, die nacheinander durch die Öffnungen des Maschenwerkes
von dem zugeführten Gas im wesentlichen in radialer Richtung durchströmt werden.
-
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Elemente, konzentrisch jedoch
in Abständen voneinander, nimmt die von jedem Element aufgenommene Stromstärke fortlaufend
in Richtung des Gasstromes ab. Der Grund hierfür liegt darin, daß das Element, welches
zuerst mit dem kühlen Gas in Berührung kommt, durch dieses Gas stärker abgekühlt
wird als die anderen Elemente. Die Senkung der Temperatur diese Elementes vermindert
dessen Widerstand, und dadurch steigt die in diesem Element fließende Stromstärke
und somit auch die von ihm auf das Gas übertragene Wärmemenge. Es stellt sich schließlich
ein Gleichgewichtszustand ein, bei welchem die Lastverteilung der verschiedenen
Elemente zwischen dem ersten, mit dem kühlen Gas in Berührung kommenden Element
und dem letzten, vom bereits erhitzten Gas durchströmten Element verschieden ist.
Diese Erscheinung ist vom Standpunkt der Wärmeübertragung gesehen äußerst vorteilhaft,
da die Temperaturdifferenz zwischen Element und Gas im Bereich des Gaseinlasses
erhöht wird und der Wärmeübergang bei einer bestimmten Elementengröße auf diese
Weise vergrößert wird. Die Tatsache, daß die Elemente konzentrisch eines innerhalb
des anderen angeordnet sind, erhöht im Zusammenhang mit der im wesentlichen radialen
Richtung des Gasstromes ebenfalls den Wärmeübergang, da die einzelnen Elemente gegenseitig
als Abschirmung wirksam sind und auf diese Weise die Strahlungsverluste verringern,
so daß beim erfindungsgemäßen Gaserhitzer im Gegensatz zum bekannten besondere Wärmeisolierungen
der konzentrisch ineinander angeordneten Rohrelemente nicht erforderlich sind.
-
Gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal wird das zu erhitzende Gas
von einem äußersten Heizelement radial nach innen zu einem innersten Heizelement
geführt und um das äußerste Heizelement herum, jedoch in Abstand von diesem ist
ein Strahlungsschild angeordnet, welcher in axialer Richtung der Größe nach abgestufte
Öffnungen aufweist, um eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung des Gases über
die axiale Länge der Heizelemente zu bewirken.
-
Ein weiteres Erfindungsmerkmal besteht darin, daß die Heizelemente
aus einem ausgeweiteten metallischen Maschenwerk, z. B. Streckmetall, bestehen und
die Begrenzung der dadurch gegebenen Durchlässe der einzelnen Heizelemente in einer
sich senkrecht zur gemeinsamen Achse der Heizelemente erstreckenden Ebene liegen,
jedoch schräg zu dieser Achse gerichtet sind, so daß auch die Gasströmung durch
die Durchlässe in allgemein radialer Richtung, aber schräg zur gemeinsamen Achse
der Heizelemente fließt. Durch diese Schrägstellung der Begrenzungsflächen der Durchlässe
wird der Druckabfall beträchtlich vermindert, und gleichzeitig wird die Kontaktfläche
des metallischen Maschenwerks, über welche das Gas streicht, erhöht.
-
Schließlich besteht die Erfindung auch in einem Gaserhitzer der vorbeschriebenen
Art, bei dem die einzelnen, in radialer Richtung aufeinanderfolgenden Heizelemente
in bezug auf den Gehäusemantel zunehmend axial derart gestaffelt sind, daß jeweils
das weiter innen liegende Heizelement weiter in Richtung des schräg zur Achse gerichteten
Gasstromes versetzt ist als das benachbarte äußere Heizelement, wobei der Gasstrom
vom äußersten Heizelement zum innersten Heizelement fließt. Diese Anordnung hat
den Vorteil, daß das Gas beim Durchströmen der Elemente unter einem Winkel zu der
gemeinsamen Achse die wärmeaustauschenden Oberflächen weitestgehend ausnutzt.
-
Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Gaserhitzer, vorzugsweise für inerte Gase
zur
Verwendung bei magneto-hydrodynamischen Stromerzeugungsanlagen, F i g. 2 einen Schnitt
gemäß der Linie A-A in F i g. 1, F i g. 3 einen Schnitt gemäß der Linie B-B in Fig.l.
-
Bei der als Beispiel dargestellten Ausführungsform der Erfindung besteht
der Erhitzer aus einem Gehäuse 1, welches eine Anzahl als im Querschnitt
vieleckiger, geschlossener Hohlkörper ausgebildeter Heizelemente 2 umschließt, die
aus einem metallischen Maschenwerk 2 a bestehen. Die Heizelemente 2 erstrecken sich
parallel oder doch im wesentlichen parallel zu der Achse X-X des Gaserhitzers, wobei
alle Heizelemente konzentrisch ineinander, jedoch in Abständen voneinander angeordnet,
wie aus F i g. 2 ersichtlich, und elektrisch parallel geschaltet sind. An Stelle
des dargestellten sechseckigen Querschnitts können die Heizelemente auch die Form
konzentrischer bzw. koaxialer Zylinder oder einer Spirale haben.
-
Die Heizelemente 2 werden an jedem Ende von Klemmenblöcken
3 und 4 gehalten, und die elektrische Energie wird durch den Block 3 hindurch
mittels der Anschlüsse 5, durch den Block 4 hindurch mittels der Anschlüsse
6 zugeführt. Die Anschlüsse können dabei elastisch nachgiebig sein, um eine
Ausdehnung der Heizelemente zu ermöglichen.
-
Das zu erhitzende Gas strömt zunächst in den äußeren Ringraum des
Gehäuses 1 und dann radial einwärts durch die Heizelemente 2 in einen zentralen
Raum la, der mit einem Auslaßkanal7 in Verbindung steht.
-
Eine Möglichkeit der Leitung des Gases in den die Heizelemente umgebenden
Raum ist in den F i g. 1 und 3 dargestellt. Das Gas strömt durch den Eintrittsstutzen
8 ein, welcher auf einen Teil seiner Länge den Auslaßkanal7 umgibt, und dann durch
radiale Bohrungen 9 im Klemmblock 3 in den erwähnten Ringraum.
-
Die Heizelemente können von einem oder mehreren Strahlungsschilden
oder Gasströmungsverteilern 10 mit darin befindlichen Öffnungen für den Durchtritt
des Gases umgeben und diese Öffnungen in ihrer Größe so abgestuft sein, daß das
Gas auf die ganze Länge des Heizelements gleichmäßig verteilt wird.
-
Am rechten Ende der Heizelemente (F i g. 1) befindet sich ein Gasprallblech
11, welches den Zutritt der heißen Gase zum Klemmblock 4 verhindert
und dazu beiträgt, das Gas in den Auslaßkanal7 zu richten. Gegegebenenfalls kann
man auch für den Klenunblock 3 einen Strahlungsschild vorsehen.
-
Die Heizelemente können beispielsweise aus Aluminium, rostfreiem Stahl,
einer Nickel-Chrom-Legierung oder einer Tantal-Wolfram-Legierung bestehen, je nach
der erforderlichen Erhitzungstemperatur der Gase. Der letzterwähnte Werkstoff würde
beispielsweise ermöglichen, chemisch inerte Gase, wie z. B. Helium, Neon, Argon
od. dgl., auf Temperaturen bis zu 2400° C zu erhitzen. Das Gehäuse kann beispielsweise
- je nach den gestellten Anforderungen - aus Aluminium, Flußstahl oder rostfreiem
Stahl gefertigt werden.
-
Die aus einem metallischen Maschenwerk bestehenden Heizelemente
2 bieten innerhalb des gegebenen Raums eine große Oberfläche für den Wärmeübergang,
wobei der Druckverlust durch die Maschen hindurch niedrig ist. Der Druckverlust
kann ohne viel Einbuße an Wärmeübertragungseigenschaften erheblich herabgesetzt
werden, wenn man die Heizelemente so anordnet, daß die gedehnten Maschen, z. B.
bei Streckmetall, parallel zu der Richtung der Gasströmung am Eintritt in die Heizelemente
bzw. innerhalb der Heizelemente liegen. Man kann sich zudem die natürlichen Konvektionsströmungen
des Gases zunutze machen, wenn man den Erhitzer vertikal aufstellt, wobei die in
der F i g. 1 rechte Seite zuunterst angeordnet wird.
-
Erhitzer der hier beschriebenen Art können bei Raumheizanlagen oder
bei Klimaanlagen Verwendung finden; man kann sie aber auch in magnetohydrodynamischen
Anlagen zur direkten Erzeugung elektrischen Stromes verwenden.