DE2948370B2 - Heizvorrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art
Derartige Heizvorrichtungen, (AT-PS 2 17 594 und CH-PS 98 499), bei denen ein Heizdraht derart in einem
keramischen isolierenden Material eingebettet ist, daß durch das isolierende 'Material eine thermische Verformung
des Holzdrahtes im wesentlichen verhindert wird (im folgenden als »ummantelte Heizvorrichtung«
bezeichnet), bestehen beispielsweise aus stabförmigen
oder ebenen Heizvorrichtungen. Ifv Vergleich zu einer
Heizvorrichtung mit bloßliegendein Heizdraht besitzt die ummantelte Heizvorrichtung eine angemessene
Wärmekapazität, eine große Wärmeflbertragungsfläche
und eine lange Lebensdauer bei kontinuierlicher Benutzung. Demzufolge wird eine solche ummantelte
Heizvorrichtung auch in großem Umfang in der Industrie und im Haushalt benutzt
Eine Kompaktheizvorrichtung hoher Leistungsdichte, die häufig an- und abgeschaltet wird, dient
vorzugsweise als Heizvorrichtung zum Vorheizen von beispielsweise Natriumschmelzerohren »schneller
Brüter« oder zur Verhinderung des Einfrierens von Zugtüren.
Wenn eine ummantelte Heizvorrichtung häufig an- und abgeschaltet wird, bricht bzw. reißt der Heizdraht
der ummantelten Heizvorrichtung gelegentlich. Bei einschlägigen Untersuchungen der Ursache hierfür hat
es sich gezeigt, daß die Lebensdauer der ummantelten Heizvorrichtung hauptsächlich von (1) der Größe der
Kriechverformung des Heizdrahtes und (2) der Oxidationsbeständigkeit des Heizdrahts während des
Aufheizens abhängt
Die Lebensdauer einer unverkleideten Heizvorrichtung hängt hauptsächlich von der Oxidationsbeständigkeit
des Heizdrahtes ab. Somit ist also eine ummantelte Heizvorrichtung, bei der der Heizdraht in ein
keramisches Material eingebettet ist, der unverkleideten
Heizvorrichtung in der Oxidationsbeständigkeit des Heizdrahtes etwas überlegen, da der Heizdraht gegen
die Oxidierende Atmosphäre abgedichtet ist. Daraus folgt, daß die ummantelte Heizvorrichtung in dauernd
angeschaltetem Zustand einer unverkleideten Heizvorrichtung in der Lebensdauer überlegen ist. Es hat
sich jedoch gezeigt, daß die Lebensdauer einer unyerkjeideten
Heizvorrichtung dami linger ist als einer ummantelten Heizvorrichtung, wenn die Heizvorrichtung
häufig an» und abgeschaltet wird.
Wenn die ummantelte Heizvorrichtung angeschaltet wird, wird der Heizdraht rasch heiß, Wenn die Temperaturerhöhung des Mantels beträchtlich langsamer erfolgt als die Temperaturerhöhung des Heizdrahts, kommt es zu einem beträchtlichen Teroneraturgefälle. Da der Wärmeverformung des Heizdrahts durch den Mantel und die darin enthaltenen keramischen Materialien entgegengewirkt wird, erfährt der Heizdraht aufgrund des genannten Temperaturgefälles eine Druckbelastung während der Temperatur-
Wenn die ummantelte Heizvorrichtung angeschaltet wird, wird der Heizdraht rasch heiß, Wenn die Temperaturerhöhung des Mantels beträchtlich langsamer erfolgt als die Temperaturerhöhung des Heizdrahts, kommt es zu einem beträchtlichen Teroneraturgefälle. Da der Wärmeverformung des Heizdrahts durch den Mantel und die darin enthaltenen keramischen Materialien entgegengewirkt wird, erfährt der Heizdraht aufgrund des genannten Temperaturgefälles eine Druckbelastung während der Temperatur-
is erhöhung und eine Zugbelastung während des Sinkens
tier Temperatur. Zwangsläufig erfährt der Heizdraht bei jedem An- und Abschalten der ummantelten Heizvorrichtung
eine thermische Belastung, so daß die thermische Ermüdung der ummantelten Heizvorrichtung
weit größer ist als diejenige einer unverkleideten Heizvorrichtung, wenn die Heizvorrichtung häufig
an- und abgeschaltet wird.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine selbst unter drastischen Gebrauchsbedingungen, d.h. bei
häufigem An- und Abschalten, eine lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit aufweisende ummantelte
schaffen.
kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst
häufigem An- und Abschalten beträchtlich verlängern.
weitergebildet Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert Im einzelnen
zeigt
F i g. 1 einen Querschnitt durch eine ummantelte Heizvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung;
F i g. 2. eine graphische Darstellung der Kriechverformung
in bezug auf die bei Heizdrähten applizierten An/Abschaltzyklen und
F i g. 3 eine graphische Darstellung des Widerstands in bezug auf die Temperatur bei einer ummantelten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung und einer üblichen ummantelten Heizvorrichtung.
F i g. 3 eine graphische Darstellung des Widerstands in bezug auf die Temperatur bei einer ummantelten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung und einer üblichen ummantelten Heizvorrichtung.
Das folgende Beispiel soll die Erfindung näher veranschaulichen.
Durch Heißtauchen wird auf der Oberfläche eines Holzdrahtes eines Durchmessers von 0,5 mm aus einer
Legierung aus 19,6% Cr, 0,08% Mn, 0,20% Fe, 0,05% C und zum Rest Ni eine etwa 3 μπι dicke Al-reiche Schicht
gebildet. Danach wird aus dem Draht eine Spule eines Außendurchmessers von 5 mm hergestellt Unter Verwendung
der erhaltenen Heizdrahtspule wird eine ummantelte Heizvorrichtung gemäß F i g. 1 hergestellt.
Aus F i g. 1 ergibt sich, daß in einer Hülle bzw. einem Mantel 1 eines Außendurchmessers von 9 mm aus
rostfreiem Stahl (Type 304) eine Spule 2 aus dem Heizdraht und ein Isolator 4 aus Magnesiumoxid
eingeschlossen sind. Der Isolator 4 ist in einer solchen Menge vorhanden, daß seine Dichte 90% der
theoretischen Dichte entspricht. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, erstrecken sich durch Isolierdichtungen
53 Drahtanschlüsse 3,3 zu den Enden der Spule 2.
Vergleichsbeispiel
Es wird in entsprechender Weise eine ummantelte
Heftvorrichtung hergestellt, wobei jedoch auf der Oberfläche des Heizdrahts keine Al-reiche Schicht
erzeugt wird.
Die beiden Arten von ummantelten Heizvorrichtungen werden nun unter einer Wattdichte von 11 bzw.
9 W/cm2 wiederholt jwi- xmu ausgesphaltet, um die
Anzahl der An7Abse|mlteykJen, die einen, Bruch des
Heizdrahts bedingen, w ermitteint Jetler Zyklus besteht
a«s 15 min Anschalten und 15 min Abschalten, Die fol·
gende Tabelle I zeigt die hierbei erhaltenen Ergebnisse sowie die mechanischen Eigenschaften des jeweiligen
Heizdrahtes,
Eigenschaften des | Heizdrahts | Dehnung | Versuchsergebnisse | Anzahl der |
Zugfestigkeit | 0,2% Streck | Wattdichte | An-/Abschalt- | |
grenze | % | zyklen | ||
kg/mm2 | kg/mm2 | W/cm2 | ||
Erfindung
56
55
55
Die Tabelle I zeigt, daß der in einer ummantelten
Heizvorrichtung gemäß der Erfindung verwendete Heizdraht in seinen mechanischen Eigenschaften einem
üblichen Heizdraht im wesentlichen gleicht Die Lebensdauer der ummantelten Heizvorrichtung gemäß
der Erfindung ist jedoch bei häufigem An- und Abschalten etwa 30maI größer als die Lebensdauer der
üblichen ummantelten Heizvorrichtung.
Zum Vergleich der ummantelten Heizvorrichtung mit einer unverkleideten Heizvorrichtung wird noch ein
weiterer Versuch gefahren. Insbesondere werden unter Verwendung der gemäß dem Beispiel und dem
27
30
30
11
9
9
11
9
9
151 4100
5 142
Vergleichsbeispiel hergestellten Heizdrähte zwei unverkleidete Heizvorrichtungen hergestellt und den
beschriebenen An-Mbschaltzyklen unter einer Watidichte
von 9 W/cm2 unterworfen. Diese Versuche dienen zur Ermittlung der Anzahl von An-/Abschaltzyklen,
die einen Bruch des Heizdrahtes hervorrufen. Wie bei dem vorhergehenden Versuch besteht jeder
Zyklus aus 15 min Anschalten und 15 min Abschalten. Die Tabelle II zeigt die Ergebnisse tusammen mit den
Ergebnissen des vorhergehenden 'ersuchs mit ummantelten Heizvorrichtungen.
Anzahl der
zyklen
Vergleich mit der unverkleideten Heizvorrichtung %
Beispiel gemäß
der Erfindung
der Erfindung
ummantelte Heizvorrichtung
unverkleidete Heizvorrichtung
unverkleidete Heizvorrichtung
ummantelte Heizvorrichtung
unverkleidete Heizvorrichtung 4100
885
unverkleidete Heizvorrichtung 4100
885
142
342
342
+362 56,7
1 - 56,
Bei der üblichen ummantelten Heizvorrichtung wird die Wärmeverformung des Heizdrahts durch das
keramische isolierende Material gehindert, so daß die ummantelte Heizvorrichtung der unverkleideten Heizvorrichtung
in der Lebensdauer unterlegen ist (vgl. Tabelle II). Erfindungsgemäß zeigt dagegen im
Gegensatz zur allgemeinen Tendenz der üblichen ummantelten Heizvorrichtung die ummantelte Heizvorrichtung
eine deutlich verlängerte Lebensdauer als die unverkleidete Heizvorrichtung. Wie bereits erwähnt,
besitzt der in der ummantelten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung verwendete Heizdraht eine geringe
Kriechdeformation und eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit. Diese Eigenschaften des Heizdrahts
sind vermutlich für die hervorragenden Ergebnisse der Tabelle II verantwortlich.
Die F i g. 2 zeigt die Kriechdeformation des Heizdrahts in bezug auf die Anzahl der mit dem Heizdraht
durchgeführten An-Mbschaltzyklen. Die Kriechdeformation
wird gemäß der t'S-Standardvorschrift ASTM
und Ni-Cr-Fe-Legierungen zu elektrischen Heizecken)
ermittelt Die Kurven A und B (durchbrochene Linie) von F i g. 2 entsprechen den Heizdrähten der
ummanteiten Heizvorrichtungen gemäß dem Beispiel bzw. femäß dem Vergleichsbeispiel. Andererseits
entsprechen die Kurven C und D Vergleichsheizdrähten aus einer ?5Cr — 5 AI — Fe-Legierung bzw.
einer 24 Cr-5,5 Al-1,5 Co-Fe-Legierung. Aus F i g. 2
geht klar und deutlich hervor, daß der in der Regel einem Nichrome-Draht in der Oxidationsbeständigkeit
überlegene Heizdraht uus der Fe-Cr-Al-Legierung
eine deutliche Kriechdeformation zeigt. Ferner geht aus der F ί g. 2 hervor, daß der Heizdraht auf Nichrome-Basis
des Vergleichsbeispiels (durchbrochene Linie B) trotz niedriger Kriechdeformation eine recht kurze
b5 Lebensdauer aufweist. Im Gegensatz dazu besitzt der in
einer ummantelten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung verwendete Heizdraht, d. h. ein Draht auf
Nichrome-Basis mit einer Al-reichen Oberflächen-
schicht, sowohl eine niedrige Kriechdeformation als auch eine lange Lebensdauer (vgl. Kurve A von F i g. 2).
Die ummantelten Heizvorrichtungen des Beispiels bzw. Vergleichsbeispiels werden zum Vorheizen eines
Natriumschmelzerohrs eines Flüssigmetall-Schnell- ; brüterreaktors verwendet. Zum Vorheizen werden die
Heizdrähte der ummantelten Heizvorrichtungen auf 6000C erhitzt. Es zeigt sich, daß die Lebensdauer der
ummantelten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung etwa 30mal länger ist als die Lebensdauer der üblichen in
'ummantelten Heizvorrichtung.
Es wird ein weiterer Versuch gefahren, um für die ummantelten Heizvorrichtungen des Beispiels b/w.
Vcrglcichsbeispiels die Beziehung zwischen dem Widerstand (ρ) und der Temperatur zu ermitteln. Dieser
Versuch ist deshalb von Interesse, weil eine gleichmäßige Erwärmung in einem solchen Natriumschmelzrohr
von wesentlicher Bedeutung ist. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt. Die Kurven fund F von
F i g. 3 entsprechen den ummantelten Heizvorrichtungen des Beispiels bzw. Vergleichsbeispiels. Aus
F i g. 3 geht hervor, daß die ummantelte Heizvorrichtung gemäß der Erfindung ihren Widerstand bei
Temperaturen zwischen 20° und 8000C nur in sehr geringem
Maße ändert. Bei der üblichen ummantelten Heizvorrichtung ist dies nicht der Fall.
2 Hhill
Claims (1)
- Patentansprüche?1, Heizvorrichtung, b.ei der ein Heizdraht aus einer Legierung mit einem Chjom-Nickel-AnteH derart in ein keramisches isolierendes Material eingebettet ist, daß die thermische Deformation des Heizdrahtes durch das isolierende Material im wesentlichen verhindert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht auf Nichrome-Basis eine aluminiumreiche Oberflächenschicht, die durch thermische Oxidation in Aluminiumoxid umgewandelt wird und mit dem Heizdraht auf Nichrome-Basis legiert ist, aufweistZ Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aluminiumreiche Oberflächenschicht Si enthält3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aluminiumreiche Oberflächenschicht durch Heißtauchen erzeugt wurde.
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