DE8712831U1 - Beheizbare Leitung - Google Patents

Beheizbare Leitung

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DE8712831U1 DE8712831U DE8712831U DE8712831U1 DE 8712831 U1 DE8712831 U1 DE 8712831U1 DE 8712831 U DE8712831 U DE 8712831U DE 8712831 U DE8712831 U DE 8712831U DE 8712831 U1 DE8712831 U1 DE 8712831U1
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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;
3,757,086; 3,793,716; 3,823,217; 3,858,144; 3,861,029; 3,950,604; 4,017,715; 4,072,848; 4,085,286; 4,117,312; 4,177,376; 4,177,446; 4,188,276; 4,237,441; 4,242,573; 4,246,468; 4,250,400; 4,252,692; 4,255,698; 4,271,350; 4,272,471; 4,304,987; 4,309,596; 4,309,597; 4,314,230; 4,314,231; 4,315,237; 4,317,027; 4,318,881; 4,327,351; 4,330,704; 4,334,351; 4,352,083; 4,361,799; 4,388,607; 4,398,084; 4,413,301; 4,425,397; 4,426,339; 4,426,633; 4,427,877; 4,435,639;
4,459,473; 4,481,498;
4,514,620; 4,517,449; 4,529,866; 4,534,889; 4,545,926; 4,547,659; 4,560,498; 4,562,313; 4,571,481; 4,574,188; 4,582,983; öffentlich übertragen US Serial Nummern: 141,98 9 (Evans); 250,491 (Jacobs et al); 300,709 und 423,589 (Van Konynenburg et al); 509,897 und 598,048 (Masia et 61); 573,099 (Batliwalla et al); 596,761 und 720,117 (Rosenzweig); 629,645 und 732,52 7 (Afkhampour); 650,918 iBatliwalla et al); 650,919 (Batliwalla et *1); 650,920; 663,014 und 735,408 (Batliwalla et al); 711,909 (Deep et al); 720,119 (Soni et al); 711,910 (Au et al); 818,845 (Rosenzweig) und 818,84 6 (Barma). Die aufgeführten Literaturstellen werden durch die Bezugnahme Bestandteil dieser Anmeldung.
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 14** t Il It I < I I
&bull; * * i I * I I # I Il t I III I
&bull; I * ■ ill <
\ 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
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
&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
&bull;
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)

  1. SCHÜTZANSPRÜCHE
    1. 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, I
    bei der das Heizband (4) eine selbstlimitiefende I
    Heizung ist* |
    15* Leitung nach einem der vorangenenden Ansprüche, 1
    bei der das Heizband (4) ein leitfähiges Polymermate- j
    rial umfasst, welches PTC-Verhalten aufweist (po^iti- j
    ver 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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