DE2135790A1

DE2135790A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Be festigen von mit Skineffektstrom Warme erzeugenden Rohren

Info

Publication number: DE2135790A1
Application number: DE19712135790
Authority: DE
Inventors: Masao Yokohama. Kanagawa Ando (Ja pan) P
Original assignee: Chisso Corp
Current assignee: JNC Corp
Priority date: 1970-07-16
Filing date: 1971-07-16
Publication date: 1972-01-20
Also published as: DE2135790B2; AU3108671A; JPS4834259B1; US3718804A; CA933561A; GB1299149A

Description

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Chisso Corporation, Osaka / Japan

Vorrichtung und Verfahren zum Befestigen von mit Skineffektstrom Wärme erzeugenden Rohren

Die Erfindung bezieht sich auf eine Erwärmungsanordnung mit einem mit Skineffektstrom wärmeerzeugenden Rohr, welches aus einem ferromagnetischen Rohr und einer durch das ferromagnetische Rohr geführten isolierten elektrischen Leitung besteht und eine solche Schaltung hat,daß sich bei Fließen eines Wechselstromes in der Leitung ein Strom auf die innere Oberflächenschicht des Rohres konzentriert und nur in dieser fließt, und mit einem zu erwärmenden Material, und auf ein Verfahren zum Befestigen eines solchen mit Skineffektstrom wärmeerzeugenden Rohres an dem zu erwärmenden Material.

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Die Erfindung bezieht sich also auf eine Erwarmungsanordnung und ein Verfahren zu deren Herstellung, die einen solchen Aufbau hat, daß der über eine isolierte elektrische Leitung durch da^s ferromagnetische Rohr geführte Wechselstrom sich auf die innere Oberflächenschicht des ferromagnetisehen Rohres konzentriert und Wärme erzeugt, und daß an der äußeren Oberfläche des ferromagnetischen Rohres im wesentlichen kein Strom fließt. Derartige Anordnungen sind durch die US-Patentschriften 3 293 ^07 und 3 515 837 bekannt geworden.

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bzw. Erwärmungsanordnung und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, bei welcher eine Zerstörung des zu erwärmenden Materials, z.B. eines Transportrohres usw., selbst bei Auftreten eines elektrischen Bogens zwischen der isolierten elektrischen Leitung und dem wärmeerzeugenden Rohr verhindert wird.

Dieses Ziel wird mit einer Erwärmungsanordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Abstandsstück zwischen das Rohr und das zu erwärmende Material so eingefügt ist, daß ein kleiner Abstand zwischen dem wärmeerzeugenden Rohr und dem zu erwärmenden Material auftritt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Befestigen eines mit Skineffektstrom wärmeerzeugenden Rohres an einem zu erwärmenden Material besteht darin, daß zwischen das wärmeerzeugende Rohr und das zu erwärmende Material ein Abstandsstück eingefügt wird, um einen kleinen Abstand zwischen efem wärmeerzeugenden Rohr und dem zu erwärmenden Material vorzusehen.

Weiterbildungenind zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.

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Ausftlhrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1, 2 und 3 grundsätzliche Schaltanordnungen von verschiedenen mit Skineffektstrom wärmeerzeugenden Rohren,

Fig. 4 und 5 Querschnittansichten verschiedener mit Skineffekt-• strom wärmeerzeugenden Rohren, welche auf übliche Weise befestigt sind, und

Fig. 6 und 7 Querschnittansichten, welche die Art der Befestigung eines mit Skineffektstrom wärmeerzeugenden Rohres entsprechend der Erfindung zeigen.

In Fig. 1 ist eine grundsätzliche Schaltanordnung eines mit Skineffektstrom wärmeerzeugenden Rohres dargestellt, wie es in der US-Patentschrift 3 293 407 gezeigt ist. Die Bezugsziffer 1 bezeichnet ein ferromagnetisches Rohr, z.B_x. ein Stahlrohr, und die Bezugsziffer 2 bezeichnet eine isolierte elektrische Leitung, welche in das ferromagnetische Rohr eingeführt und durch dieses geführt ist. Ein Ende der isolierten elektrischen Leitung ist mit einem Anschluß einer Wechselstromquelle 3 verbunden, während ihr anderes Ende mit dem von der Wechselstromquelle entfernten Ende des ferromagnetisehen Rohres verbunden ist. Das Ende 5 äes ferromagnetischen Rohres 1, welches nahe der Wechselstromquelle angeordnet ist, ist mit dem verbleibenden Anschluß der Wechselstromquelle 3 über eine elektrische Leitung 4 verbunden, und Wechselströme 7 bzw. 7¹ werden durch die isolierte elektrische Leitung bzw. das ferromagnetische Rohr geführt.

Wenn S (-ilem) der spezifische Widerstand des ferromagnetischen Rohres, μ die Permeabilität und f(Hz) die Frequenz des Stromes in der Schaltanordnung nach Fig. 1 ist, ergibt sich die

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Eindringtiefe s (cm) infolge des Skineffekts aufgrund folgender Gleichung:

β = 5050 \ -i_ (1)

Wenn t (cm) die Wanddicke des ferromagnetischen Rohres, l(cm) die Länge und d(cm) der Innenradius im Zusammenhang mit s ist, und wenn zwischen diesen Größen die folgenden Beziehungen gültig sind:

t > 2s, 1 >d (2),

konzentriert sich der durch das ferromagnetische Rohr 1 fließende Strom 7^! nur auf die innere Oberflächenschicht des ferromagnetischen Rohres 1 und fließt nur in dieser, und auf der Außenfläche des ferromagnetischen Rohres tritt fast überhaupt keine Spannung auf. Wenn daher die äußere Oberfläche des ferromagnetisehen Rohres durch einen Leiter niedriger Impedanz kurzgeschlossen wird, fließt durch diesen fast kein Strom. Selbst wenn die äußere Oberfläche des ferromagnetischen Rohres in Berührung mit einem zu erwärmenden elektrisch leitenden Material gebracht wird, wird durch dieses Material kein wesentlicher Strom abgeleitet. Die äußere Oberfläche des ferromagnetischen Rohres bleibt so sicher, und das ferromagnetische Rohr kann als wärmeerzeugendes Rohr verwendet werden.

Die grundsätzliche Schaltanordnung in Fig. 2 ist derjenigen in Fig. 1 recht ähnlich mit dem einzigen Unterschied gegenüber Fig. 1, daß der Punkt für die Stromzufuhr in der Mitte eines ferromagnetischen Rohres 9 vorgesehen ist. D.h., daß in Fig. 2 isolierte elektrische Leitungen 10 und 11 mit den zwei Anschlüs-ί sen einer Wechselstromquelle 12 und den zwei Enden I3 und 14 des ferromagnetischen Rohres 9 verbunden sind. Die Bezugsziffer 16 bezeichnet eine öffnung zum Durchführen dieser elektrischen Leitungen. Durch die Schaltanordnung fließen Ströme I5 und 15*.

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Wenn das ferromagnetische Rohr 9 die Bedingungen der Gleichungen (1) und (2) erfüllt, konzentriert sich der Strom 15' auf die innere Oberflächenschicht des ferromagnetisohen Rohres und fließt nur durch diese, und das ferromagnetische Rohr kann so als wärmeerzeugendes Rohr auf die gleiche Weise wie das wärmeerzeugende Rohr nach Fig. 1 verwendet werden.

Fig. 3 stellt eine grundsätzliche Schaltanordnung eines mit Skineffektstrom wärmeerzeugenden Rohres dar, wie sie in der US-Patentschrift 3 515 837 gezeigt ist.

In Fig. 3 ist mit der Bezugsziffer 18 ein ferromagnetisches Rohr ähnlieh den Rohren 1 und 9 in Fig. 1 bzw. 2 bezeichnet. Das ferromagnetische Rohr ist U-förmig gebogen, und die beiden Enden des Rohres sind miteinander mit Hilfe eines Leiters 21 mit möglichst geringer Impedanz verbunden.Eine isolierte elektrische Leitung I9 ist durch das ferromagnetischeRohr 18 dieser Anordnung geführt. Wenn die beiden Enden der elektrischen Leitung mit den zwei Anschlüssen einer Wechselstromquelle 20 verbunden werden, wird ein Primärstrom 22 durch die isolierte elektrische Leitung 19 als Primärkreis und ein Sekundärstrom 22' durch das ferromagnetische Rohr 18 als Sekundärkreis geführt."Wenn das ferromagnetische Rohr die Bedingungen der Gleichungen (1) und (2) erfüllt, haben der Primärstrom 22 und der Sekundärstrom 22' die gleiche Größe, und der Sekundärstrom 22' konzentriert sich"nur auf die innere Oberflächenschicht des ferromagnetischen Rohres 18. Auf der äußeren Oberfläche des ferromagnetischen Rohres entwickelt sich fast keine Spannung, und das ferromagnetische Rohr nach Fig. 3 kann ebenfalls als wärmeerzeugendes Rohr ähnlich denen nach Fig. 1 und 2 verwendet werden.

Diese wärmeerzeugenden Rohre können als Wärmequelle für solche Materialien verwendet werden, welche die Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur erforderlich machen, z.B. eine Rohrleitung für schweres Brenn- oder Heizöl.

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Fig. 4 zeigt eine Querschnittansicht, welche ein Beispiel für das Anbringen eines mit Skineffektstrom wärmeerzeugenden Rohres an dem zu erwärmenden Material entsprechend dem bekannten Verfahren zeigt. Dabei bezeichnen die Bezugsziffer 27 ein Transportrohr, den wesentlichen Teil der Rohrleitung, und 25 das ferromagnetische Rohr des mit Skineffektstrom wärmeerzeugenden Rohres, durch welches eins isolierte elektrische Leitung 26 geführt ist. Der Schaltungsaufbau ist bereits erläutert worden, und es versteht sich, daß im Falle der Schaltanordnung nach Fig. 3 ein weiteres wärmeerzeugendes Rohr erforderlich ist. Die Bezugsziffer 28 bezeichnet eine wärmeisolierende Schicht, welche eine Wärmeabstrahlung von der Rohrleitung verhindert. Die wärmeisolierende Schicht steht jedoch mit der Erfindung in keinem direkten Zusammenhang und ist daher in den'Fig. 5* 6 und 7 weggelassen. Im Falle von Fig. 4 ist das ferromagnetische Rohr 25 in Berührung mit dem Transportrohr 27, um die Wärmeleitung zu verbessern. D.h., gewöhnlich ist eine Schweißung 29 zwischen beiden oder ein wärmeleitendes Bindemittel vorgesehen.

Fig. 5 zeigt einen Teil eines Querschnitts einer Rohrleitung, an welcher ein mit Skineffektstrom wärmeerzeugendes Rohr entsprechend dem bekannten Verfahren ähnlich dem nach Fig. 4 angebracht ist. In diesem Beispiel ist ein Teil des ferromagnetischen Rohres durch einen Teil eines Transportrohres 32 aus Stahl ersetzt. D.h., das ferromagnetische Rohr besteht aus einem Stahlwinkel 30 aus ferromagnetischem Material und dem mit dem Stahlwinkel verschweißten Transportrohr 32 aus Stahl. Eine isolierte elektrische Leitung 3I ist durch den Raum innerhalb des Stahlwinkels und der Oberfläche des Transport rohre s aus Stahl geführt. Die Bezugsziffern 33 und 33' bezeichnen Schweißnähte. Wenn die Wanddicke des Stahlwinkels 30, des Transportrohres 32 aus Stahl und der Schweißnähte 33 und 33', welche den Stromkreis darstellen, in diesem Falle größer als die Eindringtiefe s aufgrund des Skineffekts ist, wie sie durch die

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Gleichung (1) dargestellt wird, konzentriert sich der Strom nur auf die innere Hauptshient des ferromagnetischen Rohres und tritt nie in andere Teile des Transportröhres 32 Über. So läßt sich die gewünschte Vorrichtung wie das wärmeerzeugende Rohr erreichen.

In Pig. 5 ist der Verschnitt des ferromagnetischen Rohres dreieckförmig. Er kann jedoch auch Jede andere gewünschte Form aufweisen.

Wenn eine mit Skineffektstrom wärmeerzeugende Vorrichtung in den oben beschriebenen Fällen länger als einen Kilometer ist, wird die Spannung der Wechselstromquelle mit Industriefrequenz 500 V übersteigen und der Strom etwa 50 bis 250 A sein. In diesem Falle besteht die Gefahr des Auftretens eines dielektrischen Durchbruchs an dem Teil der isolierten elektrischen Leitung innerhalb des ferromagnetischen Rohres, wie er mit 8 in Fig. 1, 17 in Fig. 2 und23 und 24 in Fig. 3 bezeichnet ist. Der dielektrische Durchbruch kann beispielsweise infolge eines Fehlers im Entwurf, in der Einrichtung usw. auftreten. Wenn ein dielektrischer Durchbruch auftritt, konzentriert sich ein größerer Strom auf die Punkte des Durchbruchs und es kann ein elektrischer Bogen erzeugt werden. Manchmal schmilzt in dem Fall entsprechend Fig. 4 das ferromagnetische Rohr 25 infolge des Bogens, und das Transportrohr 27 wird durchlöchert. So kann ein Teil der transportierten Flüssigkeit durch das Loch austreten. Im Falle von Fig. 5 wird das Transportrohr 32 leichter als im Falle von Fig. 4 durchlöchert, und es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß ein Teil der transportierten Flüssigkeit durch das Loch austritt. Wenn die transportierte Flüssigkeit ein brennbares Material, wie schweres Brenn- oder Heizöl ist, besteht die Gefahr einer Entzündung.

Ziel der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen die Zerstörung eines zu erwärmenden Materials, z.B. eines Transportrohrs usw., verhindert wird,

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■ - 8 selbst wenn ein elektrischer Bogen wie oben beschrieben, auftritt.

Nach der Erfindung wird ein Abstandsstück zwischen ein mit Skineffektstrom wärmeerzeugendes Rohr und ein zu erwärmendes Material eingeführt, um einen kleinen Abstand zwischen dem wärmeerzeugenden Rohr und dem zu erwärmenden Material zu haben.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 näher erläutert werden. Durch ein ferromägnetisches Rohr ~$k ist eine isolierte elektrische Leitung 35 geführt, und die Schaltanordnung basiert auf den in Fig. 1 bis 3 gezeigten Grundsätzen. Diese Teile stellen ein mit Skineffektstrom wärmeerzeugendes Rohr dar.

Zwischen dem ferromagnetischen Rohr 34 und einem Transportrohr 36 sind Abstandsstücke 37 und 37* so angeordnet, daß sich das mit Skineffektstrom wärmeerzeugende Rohr nicht in enger Berührung mit dem Transportrohr 36 befindet und ein kleiner Abstand 39 z.B. ein Abstand von etwa 1 mm zwischen beiden bleibt. Es ist möglich,die Abstandsstücke 37 und 37^! mit dem ferromagnetischen Rohr 34 und dem Transportrohr 36 durch Schweißungen 38 zu verschweißen, wie es in der linken Hälfte von Fig. 6 gezeigt ist, um die Wärmeleitung zwischen dem ferromagnetischen Rohr als wärmeerzeugendem Rohr und dem Transportrohr zu verbessern. In diesem FaTLe kann ein billiges Material wie Stahl für das Abstandsstück 37 verwendet werden; die Bearbeitbarkeit ist besser bei der Verwendung von Stahl. Weiter ist es, wie in der rechten Hälfte von Fig. 6 gezeigt, nicht immer notwendig, ein Material mit guter Wärmeleitung wie Stahl für das Abstandsstück 37^! zu verwenden, wenn ein wärmeübertragendes Bindemittel 38' verwendet wird. Es ist Jedoch erforderlich, das ferromagnetische Rohr 3²I- und das Transportrohr 36 auf übliche Weise durch ein Band aneinander spannend zu befestigen, um das ferromagnetische Rohr an dem Transportrohr fest anzubringen.

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In Fig. 6 sind in der linken und in der rechten Hälfte verschiedene Ausführungsformen zur Darstellung von zwei Beispielen gezeigt. In der Praxis wird Jede dieser beiden Ausführungsformen für sich verwendet, und die beiden Ausführungsformen werden nicht gleichzeitig am gleichen Punkt ausgeführt.

In Fig. 7 ist ein ferromagnetisches Rohr 40 mit quadratischem Querschnitt anstelle des ferromagnetischen Rohrs 34 mit kreisförmigem Querschnitt, wie in Fig. 6 gezeigt. Das Rohr mit quadratischem Querschnitt ist teuerer als das Rohr mit kreisförmigem Querschnitt und wird nur in Sonderfällen verwendet.

In Fig. 7 bezeichnen die Bezugsziffern 41 eine isolierte elektrische Leitung, 42 ein Transport rohr, 4j5 und 4j5' Abs tands stücke, 44 eine Schweißung und 44* ein wärmeübertragendes Bindemittel. Ein kleiner Abstand 45 wird wie im Falle von Fig. 6 durch diese Teile vorgesehen.

Wie unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 erläutert, kann nach der Erfindung verhindert werden, daß bei Auftreten eines elektrischen Bogens zwischen der elektrischen Leitung und dem ferromagnetischen Rohr infolge eines dielektrischen Durchbruchs der durch das ferromagnetische Rohr geführten isolierten elektrischen Leitung ein Durcljb'chern des Transport rohre s auftritt. Dies kann dadurch verhindert werden, daß ein kleiner Abstand, gewöhnlich ein Abstand von etwa 1 mm, zwischen dem wärmeerzeugenden Rohr mit einem ferromagnetischen Rohr und dem Transportrohr als zu erwärmendem Material vorgesehen wird. Die Wärmeübertragung von dem wärmeerzeugenden Rohr zu dem Transportrohr erfolgt über Abstandsstücke oder ein wärmeübertragendes Bindemittel, und die Temperaturdifferenz zwischen dem wärmeerzeugenden Rohr und dem Transportrohr ist daher bei Befestigung der beiden aneinander nach der Erfindung etwas höher als bei bekannter Befestigung. Die Temperaturdifferenz ist jedoch bei Verwendung nur eines Abstandsstückes nur um etwa 2 bis 3° höher,

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solange als Material für das Abstandsstück ein Material mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Stahl, verwendet wird. Wenn weiter ein wärmeübertragendes Bindemittel um das Abstandsstück herum vorgesehennwird, ist die Temperaturdifferenz so gering, wie sie sich etwa durch einen Meßfehler darstellen könnte.

In den meisten Fällen besteht das wärmeübertragende Bindemittel aus einem kohlenstoffhaltigen Material und hat eine hohe Beständigkeit gegenüber einem elektrischen Bogen. Versuche haben bestätigt, daß das Transportrohr nicht durch den Bogen beschädigt wird, wenn das Bindemittel zwischen das wärmeerzeugende Rohr und das zu erwärmende Material gefüllt wird.

Wenn das ferromagnetische Rohr direkt auf dem Transportrohr wie in Fig. 4 gezeigt, befestigt werden soll, ist es beim Schweißvorgang praktisch unmöglich, einen kleinen Abstand zwischen dem ferromagnetischen Rohr und dem Transportrohr zu erzielen. Wenn andererseits ein Abstandsstück wie in Fig. 6 gezeigt, vorhanden ist, läßt sich ein definierter Abstand sicherstellen.

In der obigen Beschreibung sind nur Fälle dargestellt worden, in welchen das zu erwärmende Material ein Transportrohr ist, d.h. in welchen eine Rohrleitung auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden soll. Die Erfindung ist jedoch ebenso verwendbar, wenn das zu behandelnde Material einer möglichen Zerstörung durch einen elektrischen Bogen zwischen dem ferromagnetischen Rohr und dem isolierten elektrischen Leiter des mit Skineffektstrom wärmeerzeugenden Rohres ausgesetzt ist.

Kurz zusammengefaßt umfaßt die Erfindung ein mit Skineffektstrom wärmeerzeugendes Rohr, bestehend aus einem ferromagnetischen Rohr und einem hierin eingeführten und durchgeführten isolierten elektrischen Leiter, zwischen welches und ein zu erwärmendes Mate-

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rial ein Abstandsstück eingeführt ist, um einen kleinen Abstand zwischen dem wärmeerzeugenden Rohr und dem zu erwärmenden Material vorzusehen. Wenn an einem Teil des isolierten elektronen Leiters ein dielektrischer Durchbruch auftritt und ein elektrischer Bogen in diesem Teil erzeugt wird, kann hierdurch eine Zerstörung des zu erwärmenden Materials infolge des elektrischen Bogens verhindert werden.

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Claims

- 12 Patentansprüche

lyErwärmungsanordnung mit einem mit Skineffektstrom wärmeerzeugenden Rohr, welches aus einem ferromagnetisehen Rohr und einer durch das ferromagnetische Rohr geführten isolierten elektrischen Leitung besteht und eine solche Schaltung hat, daß sich bei Fließen eines Wechselstroms in der Leitung ein Strom auf die innere Oberflächenschicht des Rohres konzentriert und nur in dieser fließt, und mit einem zu erwärmenden Material, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstandsstück (37, 37', 43, 43') zwischen das Rohr (34, 40) und das zu erwärmende Material (36, 42) so eingefügt ist, daß ein kleiner Abstand (39* ^·5) zwischen dem wärmeerzeugenden Rohr (34, 4θ) und dem zu erwärmenden Material (36, 42) auftritt.
2. Erwärmungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeerzeugende Rohr (39, 4θ) mit dem Abstandsstück (37* 43) und das Abstandsstück mit dem zu erwärmenden Material (36, 42) verschweißt ist.
3. Erwärmungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein wärmeübertragendes Bindemittel (38¹, 44') in der Umgebung des Abstandsstücks (37¹, 44') angeordnet ist, um den Wärmeübergang von dem wärmeerzeugenden Rohr (34, 4o) zu dem zu erwärmenden Material (36, 42) zu verbessern.
4. Erwärmungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzei chnet, daß in den kleinen Abstand (39, 45) ein wärmeübertragendes kohlenstoffhaltiges Bindemittel (38¹, 44¹) gefüllt ist. - .

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5. Verfahren zum Befestigen eines mit Skineffektstrom wärmeerzeugenden Rohr, welches aus einem ferromagnetischen Rohr und einer durch das ferromagnetische Rohr geführten isolierten elektrischen Leitung besteht und eine solche Schaltung hat, daß sich bei Fließen eines Wechselstroms in der Leitung ein Strom auf die innere Oberflächenschicht des Rohres konzentriert und nur in dieser fließt, an einem zu erwärmenden Material, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das wärmeerzeugende Rohr und das zu erwärmende Material ein Abstandsstück eingefügt wird, um einen kleinen Abstand zwischen dem wärmeerzeugenden Rohr und dem zu erwärmenden Material vorzusehen.
6. Verfahren nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeerzeugende Rohr mit dem Abstandsstück und das Abstandsstück mit dem zu erwärmenden Material verschweißt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichn e t, daß ein wärmeübertragendes Bindemittel in der Umgebung des Abstandsstückes angeordnet wird, um den Wärmeübergang von dem wärmeerzeugenden Rohr zu dem zu erwärmenden Material zu verbessern.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den kleinen Abstand wärmeübertragendes, ein kohlenstoffhaltiges Bindemittel gefüllt wird.

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