DE8712831U1 - Beheizbare Leitung - Google Patents
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Description
1 I 4 I fc 4
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft beheizbare Leitungen insbesondere Rohre, die mit Einrichtungen zum Aufheizen durchfließender
Flüssigkeiten ausgerüstet sind.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, Rohre mit elektrischen Widerstandsheizungen auszustatten, die um
die Aussenseite des Rohrs gewickelt sind, gegebenen-^
falls mit einer thermischen Isolierung zur Verminderung des Wärmeverlustes. Solche Heizungen werden
nicht nur zum Erhitzen von Flüssigkeiten, sondern auch zum Schutz gegen Einfrieren verwendet. In den
letzten Jahren erfolgte eine Abkehr von einfachen Widerstandsheizungen mit konstanter Leistung, deren
effektive Steuerung schwierig ist, hin zu selbstiimitierenden Heizungen, im typischen Fall selbstlimitierende
Parallelkreisheizungen, z.B des von der RAYCHEM CORPORATION unter dem Handelsnamen CHEMELEX
vertriebenen Typs* Solche Heizungen besitzen typischerweise Bandform und umfassen zwei parallele
stabförmige Elektroden, die sich über die Länge des Bandes hin erstrecken, und sind in ein leitfähiges
polymeres Material eingebettet.
Der Begriff "leitfähiges Polymer" wird im folgenden verwendet, um eine Zusammensetzung zu bezeichnen, die
feinen Polymerbestandteil und darin dispergiert oder Huf andere Weise verteilt ein aus einzelnen Teilchen
bestehendes leitfähiges Füllmaterial enthält. Die folgenden Patentschriften beschreiben leitfähige
Polymerzusammensetzungen und diese enthaltende Vorrichtungen. US-Patentschriften: 2,952,761; 2,9 78,665;
3r243,753; 3,351,882; 3,571,777; 3,591,526;
4,429,216; 4,442,139; 4,476,450; 4,502,929;
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Selbstlimitierende Eandheizungen stellen einen wesentlichen
Fortschritt des Standes der Technik dar, sie können jedoch einige Nachteile aufweisen, wenn sie
bei Röhren aus Kunststoffmaterial angewandt werden, das im allgemeinen eine sehr niedrige thermische
Leitfähigkeit aufweist, beispielsweise weniger als
20 w/Km, und die daher sehr schwierig gleichmäßig mit
einer Bandheizung so beheizbar sind, daß eine erfor-^
derliche Mindesttemperatur des Röhreninhalts aufrecht erhalten werden kann» Bei den Versuchen, dieses Profan
lern zu lösen wurde, unter anderem die Heizung auf der innenseite einer Pipeline-Wandung angebracht, wie in
DE-OS 27 07 244 beschrieben oder es wurde wie in US-PS 4,429,213 eine Heizhülse aus Polymermaterial
•hit leitfähigen Teilchen darin um das Rohr extrudiert.
Jede dieser Lösungen erfordert eine komplizierte Ausrüstung und erlaubt nicht die Verwendung von
Parallelkreis-selbstlimitierenden-Bandheizungen, die
nun Stand der Technik sind.
Es wurde nun gefunden, daß die im wesentliche gleichmäßige
Heizung von Leitungen geringer thermischer Leitfähigkeit, insbesondere unter 20 w/Km, wesentlich
verbessert werden kann und unter günstigen Umständen vollständig erreicht v/erden kann durch Verbesserung
des thermischen Kontakts zwischen Heizung und Leitung und durch Anpassung der Unterschiede der thermischen
Ausdehnung der Heizung und der Leitung.
In einem Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine langgestreckte beheizbare Leitung aus einem polymeren
Material und ein elektrisch leitfähiges Polymerheizband in innigem thermischen Kontak" damit vor, wobei
die Heizung mit zwei parallelen Elektroden ausgestattet ist, die zur Anpassung der Unterschiede der
thermischen Ausdehnung der Heizung mit der Leitung in der Lage sind.
Heiterhin sieht die Erfindung eine langgestreckte beheizte Leitung, gebildet aus einem polymeren Material
und ein elektrisch leitfähiges Polymerheizband
vor, wobei die Leitung mit Einrichtungen zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen der Leitung und der
Heizung und zur Begrenzung der thermischen Ausdehnung der Leitung ausgestattet ist, um die Unterschiede in
der thermischen Ausdehnung der EJeizung und des Leiters zu vermindern.
Die Leitung kann einen offenen oder geschlossenen Querschnitt aufweisen, jedoch wird es sich im allgemeinen
um einen geschlossenen Querschnitt handeln, i.B. ein Rohr.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar für die Wärmeaufnahme von Polyethylen- oder Polyethylen- oder
Polypropylenrohren, es wurde jedoch erkannt, daß sie auf jede Polymerleitung angewandt werden kann, die
aus einem geeigneten polymeren Material besteht, einschließlich Kohlenwasserstoff-Polymeren, Fluorkohlenstoff-Polymeren,
Polyestern, Polyamiden, Po lyketonen und ähnlichen Stoffen. Die Erfindung ist insbesondere
verwendbar bei polymeren Leitungen, die aus polymeren Stoffen mit einer thermischen Leitfähigkeit
von weniger als 20 w/Km, insbesondere wenicjer als 10 w/Km bestehen.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Polymerleitungen besitzen oft sehr große thermische Ausdehnungskoeffizienten,
häufig größer als 10 X 10"^K-1 und gelegentlich größer als
50 X 10~6k~1; diese thermische Ausdehnung kann unerwünschte
Beanspruchungen auf die Heizung ausüben, beispielsweise wenn die Heizung zu eng um die Leitung
gewunden ist« Bisher1 stellte dies" eine Begrenzung £üif
eineil innigen thermischen Kontakt zwischen Heizung
und Leitung dar.
Dieses Problem wird in einem Aspekt der Erfindung dadurch gelöst, daß die Heizung mit parallelen Elektroden
ausgestattet wird, die an die Längenänderung der Heizung, verursacht durch die Ausdehnung der
Leitung anpassungsfähig sind. Solche Elektroden können beispielsweise geflochtene oder gewobene leitfähige
Materialien umfassen oder Gewebe oder Non-wovens, die sich in der Länge ausdehnen oder kontrahieren
können, um sich an Längenänderungen des Heizbandes anzupassen. Geeignete Elektroden werden in dem britischen
Patent Nr. 1,562,086 beschrieben. Vorzugsweise beträgt die Längenausdehnungs- und -kontraktionsfähigkeit
der Elektroden pro Grad Kelvin mindestens das zweifache, vorzugsweise mindestens das vierfache der
Ausdehnung oder Kontraktion pro Grad Kelvin der Polymerleitung bei Erhitzung oder Abkühlung. Vorzugsweise
beträgt die Längenausdehnung bzw. -kontraktion der Elektrode mindestens 1 %, besonders bevorzugt mindestens
2 %>
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden
die Leitung und das Heizband koextrudiert, so daß das Heizband in engem Kontakt der Leitungswand anhaftet.
Das Heizband kann entweder die Innenseite oder die Aussenseite der Leitungswand berühren oder ganz oder
teilweise darin eingebettet sein. Wegen der einfachen Herstellung und des einfachen späteren Anschlusses
wird es bevorzugt, daß das Heizband in engem Kontakt mit der äusseren Oberfläche der Leitungswandung ist.
Alternativ kann das Heizband zuerst alleine Und dann
in engem Kontakt mit dem Rohr" extrudieift werden, z.B.
in einer Form mit Querspritzkopf. Das letztgenannte Verfahren mag einfacher durchzuführen sein, im allgemeinen
wird es jedoch selbstverständlich die Verwendung eines leitfähigen Polymermaterials der Heizung
umfassen, das einen Schmelzpunkt oberhalb desjenigen des Polymermaterials der Leitung besitzt. Beispielsweise
kann das Heizband aus Polyvinylidenfluorid hergestellt sein, wenn die Leitung aus Polyethylen
besteht. In beiden Verfahren können die Extrusionsbedingungen den verwendeten polymeren Stoffen angepasst
werden. Es ist selbstverständlich auch erforderlich, die Elektroden während der Extrusion der Heizung in
das Heizband einzuführen.
De* innige Kontakt ist vorzugsweise derart, daß die angrenzenden Oberflächen der Leitungswand und des
Heizbandes übv_r mindestens 6 0 % ihrer Fläche, vorzugsweise
mindestens 70 %, in Berührung sind.
Die Verwendung von selbstlimitierenden Heizbänder.!!
bei den beheizten Leitungen der vorliegenden Erfindung ist besonders bevorzugt; solche Heizungen umfas sen
gewöhnlich vernetzte leitfähige polymere Materialien. Der Vernetzungsprozeß kann unter Einsatz von
Bestrahlung durchgeführt werden; dies kann in einem getrennten Verfahrensschritt geschehen oder (und dies
in geeigneten Fällen bevorzuot) nach dem Extrusionsschritt. Dies hat den Vorteil, daß das polymere Leitungsmaterial
auch gleichzeitig vernetzt werden kann, wodurch seine physikalischen und chemischen Eigenschaften
verbessert werden.
Wie oben erwähnt, kann die Leitung mit Vorrichtungen
zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Leitung
ti
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< I I
• *
* i I * I I # I
Il t I III I
• I * ■ ill
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\ und Heizband versehen werden. Solche Vorrichtungen
:* umfassen vorzugsweise eine Schicht aus einem Material
j guter thermischer Leitfähigkeit, die sich um die
Leitung, vorzugsweise vollständig um die Leitung
■ erstrecken kann und die in einem guten thermischen
Kontakt mit dem Heizband steht. Das Material ist vorzugsweise eine Metallfolie, z.B. eine Aluminiumoder
Kupferfolie, die eine Dicke von mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,2 mm, insbesondere
bevorzugt mindestens 0,3 mm aufweisen sollte. Die Folienstärke beträgt typischerweise 0,1 bis 0,5 mm,
vorzugsweise 0,2 bis 0,3 mrn. Die Folie kann sich auf der inneren oder äusseren Oberfläche der Leitungswand
befinden, oder darin eingebettet sein, vorausgesetzt, sie bleibt in thermischem Kontakt mit dem Heizband.
In dieser Ausführungsform ist die Leitung auch mit Einrichtungen zur Begrenzung ihrer thermischen Ausdehnung
versehen; solche Einrichtungen können beispielsweise eine Verstärkung oder Versteifung sein, die
sich um die Leitungswand erstreckt oder darin eingebettet ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
erfüllt eine Metallfolie sowohl die Funktion der Verbesserung des Wärmeübergangs als auch
der Limitierung der thermischen Ausdehnung des Rohrs. Beispielsweise kann eine Leitungsschicht zuerst
extrudiert und dann mit Metallfolie umwickelt, das Heizband auf die Folie aufgebracht und darüber eine
weitere Rohrschicht extrudiarö werden, so daß die Folie und das Heizband in die Leitungswand eingebettet
werden. Obwohl dies eine bevorzugte Ausführungsform ist, wird betont, daß dies nicht die einzige
Möglichkeit ist, und daß beispielsweise zwei Schichten Metalifolien Votfgesehen Werden können, eine füf
den Wärmeübergang und die andere zu£ Begrenzung der
Wärmeausdehnung des Rohrs*
In einer Ausführungsform, bei der Mittel zur Verbesserung
des Wärmeübergangs zum Heizband und Mittel zur
Limitierung der thermischen Ausdehnung vorgesehen
Limitierung der thermischen Ausdehnung vorgesehen
sind, werden vorzugsweise selbstlimitierende Heiz- |
bänder verwendet, die Von der RAYCHEM CORPORATION |
hergestellt und unter dem Handelsnamen HWAT vertrie- |
ben werden. f
Ein besonderer Vorteil der beheizten Leitung der J
vorliegenden Erfindung ist die praktische Montage. |
Viele beheizte Leitungen nach dem Stand der Technik |
können nur in bestimmten Längen hergestellt werden, I
wodurch eine umfangreiche Lagerhaltung mit den damit f
verbundenen hohen Kosten erforderlich wird. Die be- |
heizten Leitungen gemäß der Erfindung hingegen können S
an Ort und Stelle auf die erforderliche Länge gekürzt |
werden, wodurch der Materialabfall auf ein Minimum |
reduziert wird. i
Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nun j
anhand von Beispielen unter Bezug auf die beigefügten &idiagr;
Figuren beschrieben: &tgr; Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht
einer beheizbaren Leitung mit einem |
extrudierten Heizband; |
Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht
einer zweiten Ausführungsform einer ; :
beheizten Leitung mit einem koextrudierten Heizband;
Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht |
einer dritten Äusführungsform einer beheizten Leitung, ausgestattet mit
einem Heizband und einer Metallfolienschicht, die damit in Kontakt
steht;
Figur 4 zeigt im Seitenschnitt eine Verbindung zwischen zwei erfindurgsgemäßen Leitungen;
Figur 5 zeigt einen Schnitt der Verbindung der Figur 4 entlang der Linie A-A;
Figur 6 zeigt einen Schnitt durch eine Aufsicht auf ein T-Stück zwische
dungsgemäßen Leitungen.
auf ein T-Stück zwischen drei erfin- |
Die beheizbäre Leitung in Figur 1 umfasst ein PoIyethylenrohr
(1), welches auf seiner äusseren Oberfläche mit einer sich in Längsrichtung erstreckenden
Rille (2) versehen ist, die durch Stege (3) begrenzt |
wird. Ein Heizband (4) ist in die Rille (2) eingebracht. Die Elektroden des Heizbandes werden von
geflochtenen Drähten gebildet. Das Ganze wird von einer elektrisch und thermisch isolierenden äusseren
Hülle (5) umgeben. Das Heizband (4) ist vom selbstlimitierenden Parallelkreis-Typ und ist ausgestattet
mit parallelen Elektroden (6).
Die beheizbare Leitung wird hergestellt, indem das Rohr (1) extrudiert wird, während in die Extrusionsform
das Heizband (4) eingegeben wird. Die Hülle (5) wird in einem nachfolgenden Arbeitsgang über das
Ganze extrudiert.
I ·
I
I
&igr; &igr; · &igr; &igr;
Die beheizbare Leitung in Figur 2 unterscheidet sich
Von der in Figur 1 darin, daß das Rohr (1) und die Heizung (4) gleichzeitig extrudiert werden, wobei die
Extrusionsform eine solche Konfiguration aufweist,
daß das Heizband (4) in die Wand des Rohrs (1) einge^ bettet wird. Dieses ganze Gebilde kann dann mit einem
Elektronenstrahl bestrahlt werden, wodurch das Rohr (1) und das leitfähige Polymermaterial des Heizbandes
(4) vernetzt werden. Die parallelen Elektroden (6) des Heizbandes (4) werden von geflochtenen Drähten
gebildet und besitzen eine Dehnung und Kontraktion in Längsrichtung von 2 %.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung, in der das Rohr (1) mit einer Aluminiunrtfolienschicht (7) der
Dicke 0,2 mm ausgestattet ist, welche in die Rohrwand eingebettet ist und in Kontakt mit dem Heizband (4)
Steht. Diese Ausführungsform kann hergestellt werden, indem zuerst die innere Rohrwand (8) extrudiert, dann
diese mit; einer Aluminiumfolienschicht (7) umwickelt, das Heizband (4) aufgebracht und schließlich darüber
die äussere Rohrwand (9) extrudiert wird. Die Aluminiumfolienschicht trägt dazu bei, die Wärme um
das Rohr (1) zu leiten und die thermischen Expansions- und Kontraktionsbewegungen des Rohrs (1) zu
begrenzen.
Figuren (4) und (5) zeigen eine Verbindung zwischen zwei beheizbaren Leitungen, wobei die beiden Kunststoff
rohre (10) und (11) durch ein Verbindungsstück
(12) verbunden werden, das ein wärmeschrumpfbares Rohr umfasst, welches von der RAYCHEM CORPORATION
unter dem Handelsnamen ULTRAFUSE vertrieben wird. Das
•
Verbindungselement (12) wird konform mit der Rohroberfläche
aufgeschrumpft und liegt auf einer Seite des
I Rohres gegen die Stege (3), die auf dieser Seite des
I Rohrs vorstehen* Die elektrische Isolierung (17) auf
4 >eder Seite der Verbindung wurde zurückgeschnitten,
§ um die Rohre (10) (11) und die Heizbänder (14) frei
I &egr;&ugr; legen« Die Heizbänder (14) wurden teilweise zurück-
I geschnitten, so daß sie sich nicht bis zu den auf-
I einander treffenden Enden der Rohre (10), (11) er
strecken. Die Enden der Elektroden (13) der Heizbänder (14) sind mittels eines Paars Madenschrauben (15)
I und einer Verbindungsstange (16) verbunden. Die Maden-
I echrauben (15) sind in Gewindelöchern in einem Gehäu-
I se (18) angebracht, welches (wie aus Figur 5 ersicht-
* lieh) aus zwei mit Bolzen verbundenen Halbschalen
I besteht, die sich um die Verbindung zusammenfügen.
I Eine Dichtung zwischen dem Gehäuse (18) und der zu-
X rückgeschnittenen Isolierung (17) wird durch Tüllen
(19) gebildet.
Figur (6) zeigt das elektrische Verbindungssystem für eine Abzweigungsmuffe zwischen den beheizbaren Leitungen
(20, 21 und 22). Die Flüssigkeit führenden Leitungen sind durch ein T-Verbindungsstück (23) verbunden,
das mit elektrischen Verbindungsstäb^n (24) versehen ist. Die Stäbe enden in Verbindung^schrauben (25),
die die Heizelektroden elektrisch miteinander verbinden. Eine aussere Hülle (26), zur ausseien Isolation
der Rohre (20, 21 und 22) abgedichtet durch Tüllen (27), vervollständigt die Anordnung.
Claims (1)
- SCHÜTZANSPRÜCHE1. Langgestreckte beheizbare Leitung aus einem polymeren Material, gekennzeichnet durch eine damit in innigem Kontakt stehende elektrisch leitfähige PoIyme^-Bandheizung (4), wobei die Heizung mit parallelen Elektroden (6) versehen ist, die zur Anpassung der Differenzen der thermischen Ausdehnung zwischen dem Heizband (4) und der Leitung (1) angebracht sind.2. Leitung nach Anspruch 1, bei der das langgestreckte Heizband (4) in innigem Kontakt mit der äuaseren Oberfläche der Leitungswand (1) steht.3. Langgestreckte beheizbare Leitung aus einem polymeren Material und einem elektrisch leitfähigen polymeren Heizband, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (1) versehen ist mit Vorrichtungen (7) zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen der Leitung (1) und dem Heizband (4) und mit Vorrichtungen (7) zur Limitierung der thermischen Ausdehnung des Rohrs, so daß die Unterschiede in der thermischen Ausdehnung Zwischen dem Heizband (4) und der Leitung (1) vermindert werden.4. Leitung nach Anspruch (3), bei der die Vorrichtungen (7) zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen der Leitung (1) und dem Heizband (4) eine Schicht (7) aus thermisch leitfähigem Material ist, das um die Leitung (1) angebracht ist, welche sich in thermischen Kontakt mit dem Heizband (4) befindet.5. Leitung nach Anspruch (4), bei der die Schicht (7) aus thermisch leitfähigem Material eine Metallfolie umfasst.6. Leitung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der die Vorrichtung (7) zur Begrenzung der thermischen Ausdehnung der Leitung (1) ein sich um die Leitung erstreckendes Verstärkungsmittel oder in die Warv* der Leitung eingebettetes Verstärkungsmittel umfasst.7. Leitung nach Anspruch 6, bei dem das Verstärkungsmittel eine Metallfolie umfasst.8. Leitung nach den Ansprüchen 5 und I1 bei der eine Metallfolie (7) sowohl die thermisch leitfähige Schicht als auch das Verstärkungsmittel darstellt.9. Leitung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das polymere Material der Leitung (1) eine thermische Leitfähigkeit unter 20 w/Km besitzt.10. Leitung nach einem der vorangehenden Ansprücne, bei der die Polymerleitung (1) ein Polyolefin, vorzugsweise Polyethylen oder Polypropylen, enthält.11. Leitung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das polymere Heizband (4) mit parallelen Elektroden (6) versehen ist, uie zur Anpassung der durch die Ausdehnung des Rohrs verursachten Längenänderungen des Heizbandes in der Lage sind.12i Leitung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die polymere Bändheizung (4) parallele Elektroden (6) umfasst, die ein textiles Flächen-material, vorzugsweise ein geflochtenes oder gewobenes textiles Flächenmätefial enthalten*13« Leitung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der das leitfähige Polymermaterial des Heizbandes
(4) einen höheren Schmelzpunkt als das Polymefmaterial der Leitung (1) besitzt*14&iacgr; Leitung nach einem der vorangehenden Ansprüche, Ibei der das Heizband (4) eine selbstlimitiefende IHeizung ist* |15* Leitung nach einem der vorangenenden Ansprüche, 1bei der das Heizband (4) ein leitfähiges Polymermate- jrial umfasst, welches PTC-Verhalten aufweist (po^iti- jver Temperaturkoeffizienz des Widerstands)* |16. Leitung nach einem der vorangehenden Ansprüche, .'bei der das Heizband (4) an eine Stelle des Umfangs
in Längsrichtung erstreckt.
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