DE10129675A1 - Vorrichtung zur elektrischen Beheizung eines senkrecht stehenden Raumes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Beheizung eines sich vertikal erstreckenden Raumes, z. B. eines Reaktors, auf hohe Temperaturen (>= 1000 DEG C) und/oder mit großen Leistungen 30 bis 1000 kW je Zone), bestehend aus mehreren senkrecht übereinander angeordneten Heizzonen, wobei die Bestandteile der Vorrichtung, mit Ausnahme der isolierenden Teile, aus Graphitwerkstoffen bestehen. Die Vorrichtung soll derart ausgestaltet und weitergebildet werden, dass bei geringem Konstruktionsaufwand ein größtmögliches Maß an Stabilität und Funktionstüchtigkeit der gesamten Vorrichtung erreicht wird. Insbesondere soll die Vorrichtung auch für die Beheizung sehr hoher Räume geeignet sein. Dies wird dadurch erreicht, dass jede Zone Z eine Mehrzahl von, im wesentlichen gleichmäßig um den zu beheizenden Raum R verteilt, angeordneten Stützen 1 aufweist, welche gleichzeitig als Stromzuführungen für die Heizer dienen und dass die Heizer jeder Zone Z an ihrem einen Ende fest und an ihrem anderen Ende längenverschieblich angeordnet sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Beheizung eines sich vertikal erstreckenden Raumes, z. B. eines Reaktors, auf hohe Temperaturen (≥ 1000°C) und/oder mit großen Leistungen (30 bis 1000 kW je Zone), bestehend aus mehreren senkrecht übereinander angeordneten Heizzonen, wobei die Bestandteile der Vorrichtung mit Ausnahme von Isolationsteilen aus Graphitwerkstoffen bestehen.
• Hochtemperaturheizungen aus Graphitwerkstoffen müssen in einem gasdichten, luftfreien Heizraum betrieben werden. Die Stromzuführungen müssen dabei durch die Wand einer dichten und vergleichsweise kalten Hülle geführt werden.
• Zweizonige, übereinander angeordnete Graphitheizungen für senkrecht stehende (Reaktions-)Räume können, durch Isolationsteile voneinander getrennt, direkt übereinander angeordnet werden. Dabei müssen die Stromzuführungen einer Heizzone die Längenunterschiede der Heizung im Vergleich zur Hülle, bedingt durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen, ausgleichen können.
• Ab der dritten Heizzone müssen die Stromzuführungen der mittleren Heizzonen aber radial aus der Heizzone geführt werden. Diese können nun radial und flexibel (mittels gekühlter metallischer Werkstoffe) durch die Seitenwand der Hülle oder mit groß dimensionierten Graphit-Stromzuführungen außerhalb der Heizung senkrecht nach oben oder unten geführt werden, wo wiederum flexible, metallische Anschlüsse nötig sind. Insbesondere bei sehr großen Heizungen (z. B. bis zu 10 m Höhe) führt der seitliche Anschluss zu großen Problemen bei der Montage.
• Bei groß bauenden Heizungen großer Leistung, die oft bei sehr niedriger Spannung betrieben werden (mit der Folge von noch größer - und schwerer - dimensionierten Teilen) sind die Stromzuführungen der übereinander stehenden Heizzonen sehr schwer und die Gesamtkonstruktionen werden mit der Bauhöhe zunehmend mechanisch instabil. Insbesondere filigrane und hohe CFC-Heizelemente können die Gewichte der jeweils darüber liegenden Heizzonen mit ihren Stromdurchführungen nicht mehr tragen. Somit werden für die einzelnen Heizzonen Hilfsrahmen mit eigenen, außerhalb der Heizung stehenden Stützen notwendig.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Vorrichtung zur elektrischen Beheizung eines sich vertikal erstreckenden Raumes derart auszugestalten und weiterzubilden, dass bei geringem Konstruktionsaufwand ein größtmögliches Maß an Stabilität und Funktionstüchtigkeit der gesamten Vorrichtung erreicht wird.
• Diese Aufgabe ist bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass jede Zone von einer Mehrzahl (2 bzw. bei Dreiphasen-Heizung 3 mal Anzahl der Zonen) von im wesentlichen gleichmäßig um den zu beheizenden Raum R und die Heizer, bestehend aus Heizelementen 6 und Heizelementverbindern 7, verteilt angeordneten Stützen 1 umgeben ist, wobei jeweils 2 bzw. 3 dieser Stützen gleichzeitig als Stromzuführungen für die Heizer jeder Zone Z dienen und dass die Heizer jeder Zone Z an ihrem einen Ende fest und an ihrem anderen Ende längenverschieblich angeordnet sind.
• Der erfindungsgemäße Aufbau einer solchen großen, hohen (bis zu etwa 10 Metern), mehrzonigen (Z ≥ 2) Heizung sehr hoher Leistung aus Graphitwerkstoffen hat die folgenden Vorteile:
  
• - die Nutzung der Stützen des Hilfsrahmens als Stromzuführungen,
• - die Möglichkeit eines stehenden Heizungsaufbaus ohne längenveränderliche Stromzuführungen,
• - die Ausdehnung der Heizelemente der einzelnen Heizzonen ohne die anderen Zonen zu beeinflussen,
• - die Möglichkeit der Vormontage der einzelnen Heizzonen und das Übereinanderstellen derselben bei der Endmontage.
• Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Längenverschieblichkeit der Heizer mittels auf der den Stromzuführungen (Verbindungsstücke 8 oder 9) der Heizer gegenüberliegenden Ebenen angeordneten Führungsstiften 11 erfolgt. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass sich die Heizelemente 6 innerhalb der jeweiligen Zone unabhängig von dem sie umgebenden Stützrahmen ausdehnen können.
• Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind die Grundplatten 4 jeder Zone mit den Verbindungselementen 2 elektrisch leitend bzw. mit den Verbindungselementen 3 elektrisch isolierend mit den Stützen 1 verbunden und ist jede Grundplatte 4 in zwei bzw. drei (bei Dreiphasen-Heizung), elektrisch voneinander getrennte Bereiche aufgeteilt.
• Der Aufbau der erfindungsgemäßen Heizungskonstruktion setzt voraus, dass sich die Stromanschlüsse der Heizer der einzelnen Heizzonen auf der selben Ebene (oben oder unten) befinden. Dies ist durch mindestens drei Anordnungen der Heizelemente 6 zu erreichen: Mit einer Ein-Phasen-Heizung (2 Stromanschlüsse) aus 2n (n ≥ 1) in Reihe geschalteten Gruppen aus i (i ≥ 1 (bei i = 1 : alle in Reihe)) parallel geschalteter Heizelemente oder als Mäander aus einem Stück oder als eine Drei-Phasen-Heizung (3 Stromanschlüsse) in Sternschaltung (Stromanschlüsse liegen auf der einen und die Verbindungen der 3 Heizelementgruppen (auch Gruppen aus i parallel geschalteter Heizelemente) liegen auf der zweiten Ebene (beispielsweise Stromanschlüsse unten und Verbindungselemente oben) bzw. Dreieckschaltung, wenn die drei Heizwiderstände jeweils aus 2n (n ≥ 1) in Reihe geschalteter Gruppen aus i (i ≥ 1 (bei i = 1 : alle in Reihe)) parallel geschalteter Heizelemente bestehen.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit einer darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
• Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, schematisch im Vertikalschnitt und
• Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, schematisch in der Draufsicht (die untere Ebene einer Heizzone).
• Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Vorrichtung zur elektrischen Beheizung eines sich vertikal erstreckenden Raumes mit einer S-zonigen Ein-Phasen- Heizung aus stehenden Heizern mit vier in Reihe geschalteten Heizelementgruppen (n = 2) aus jeweils vier parallel geschalteten Heizelementen (i = 4) im grundsätzlichen Aufbau schematisch dargestellt (in Fig. 1 und 2 sind der Übersichtlichkeit wegen die Verbindungen (eine unten und zwei oben) zwischen den Heizelementgruppen weggelassen). Die Heizelemente 6 der Heizer (Gesamtheit der 2n mal i Heizelemente 6, der dazugehörigen 2n mal 2 Heizelementverbinder 7 und der 2n-1 Verbindungen der Heizelementgruppen) sind in der Beispielzeichnung als CFC-Streifen ausgebildet, es können jedoch z. B. auch Heizstäbe- bzw. Rohre eingesetzt werden. Großflächige CFC-Heizelemente bieten sich z. B. da an, wo die Leistungsdichte bzw. die Temperatur an den Heizelementen begrenzt werden muss.
• Da die 10 Stromzuführungen der 5 Heizzonen gleichzeitig auch als Stützen genutzt werden, werden diese unabhängig von der tatsächlichen Einbauhöhe der einzelnen Heizzone jeweils bis zum oberen Ende der S. Heizzone hochgeführt. Diese Stützen 1 bestehen jeweils aus Abschnitten, die untereinander mit den Verbindungselementen 2 oder 3 mechanisch und elektrisch verbunden werden. Die Höhe jeweils einer Stütze 1 und eines Verbindungselementes 2 oder 3 bestimmen die Höhe einer Heizzone Z.
• An den jeweils 10 Verbindungselementen 2 und 3 einer Ebene ist jeweils eine ringförmige Grundplatte 4 befestigt. Auf diesen Grundplatten 4 stehen jeweils die Heizer jeder Heizzone, d. h. die Heizelemente 6 mit ihren Heizelementverbindern 7. Diese ringförmigen Grundplatten 4 sind jeweils durch elektrisch isolierende Isolationsstücke 12 in zwei elektrisch gegeneinander isolierte Halbringe 4A und 4B geteilt. Diese Teilung erfolgt derart, dass diese Halbringe jeweils mit einem Verbindungselement 2 leitend und mit vier Verbindungselementen 3 isoliert (durch den Isolationsring 5) verbunden sind.
• Die Heizer stehen mit ihren unteren vier Heizelementverbindern 7 über leitende und isolierende Verbindungsstücke 9 und 8 auf den Grundplatten-Halbringen 4A und 4B. Dabei sind die Grundplatten-Halbringe 4A mit den ersten und die Grundplatten- Halbringe 4B mit den letzten Heizelementverbindern 7 leitend (mit leitenden Verbindungsstücken 9) und mit den beiden mittleren Heizelementverbindern 7 isolierend (mit isolierenden Verbindungsstücken 8) verbunden. Die Heizelementverbinder 7 sind ihrerseits mit weiteren Verbindungselementen (nicht gezeichnet) so verbunden, dass sich eine Reihenschaltung der mit den Heizelementverbindern 7 gebildeten Heizelementgruppen (mit i = 4 Heizelementen) ergibt.
• An ihrem oberen Ende werden die Heizer mit ihren vier Heizelementverbindern 7 in isolierenden Führungsstiften 11, die an oder in der Grundplatte 4 der jeweils darüber liegenden Heizzone Z befestigt sind, geführt.
• Die Länge der Stützen 1 sind so bemessen, dass sich ein ausreichender Dehnspalt 10 ergibt. Damit wird der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Stützen 1 und der Heizer Rechnung getragen, ohne dass die anderen Heizzonen bzw. die Gesamtkonstruktion davon berührt würden.
• Die fünf identisch aufgebauten Heizzonen Z (allerdings können z. B. zur Anpassung der Heizleistung die Heizelemente 6 der Heizer durchaus variiert werden) werden nun, mit ihren Grundplatten 4 jeweils um 72° (360°/5) gedreht, übereinander gesetzt, wodurch jede Heizzone Z mit zwei anderen Stützen 1 stromführend verbunden wird. Zum Abschluss der obersten Heizzone müssen noch ein weiterer Satz (im dargestellten Ausführungsbeispiel 10 Stück) isolierende Verbindungselemente 3 und eine Grundplatte 4 aufgesetzt werden.
• Die gesamte Heizung steht mit ihrer untersten Heizzone auf den kürzeren Stützen 13 (analog Stützen 1), durch die Isolationsteile 14 elektrisch und thermisch entkoppelt, auf der Basisplatte 15 der Gesamtkonstruktion. Zum Stromanschluss können nun die Stützen 13 direkt durch die Basisplatte 15 geführt oder aber mit separaten Stromanschlüssen starr verbunden werden (beides nicht gezeichnet).
• Im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Heizelemente 6 stehend angeordnet. Es ist jedoch auch eine hängenden Anordnung möglich, wobei die Stromanschlüsse mit den Verbindungsstücken 8 und 9 oben und der Dehnspalt 10 unten angeordnet wären.
• Bei anderen Bauformen der Heizelemente 6, beispielsweise als einteiliges CFC- Mäander, können die Heizelementverbinder 7 und die Verbindungsstücke 8 und 9 - ganz oder teilweise - zu einem Teil zusammengefasst, ausgeführt sein.
• Zum Bau einer oben beschriebenen Heizung können die verschiedensten Graphitwerkstoffe eingesetzt werden. Wegen der benötigten hohen Festigkeit wird man jedoch zweckmäßig die Grundplatten 4 aus CFC-Werkstoffen und die Verbindungselemente 2 und 3 aus isostatisch gepressten Feinstkorngraphiten höchster Festigkeit fertigen.
• Je nach Anwendungszweck- und Temperatur sind die isolierenden Konstruktionsteile beispielsweise aus Al₂O₃, BN oder AlN hergestellt.
• Nach einer weiteren Lehre der Erfindung wird die Passung zwischen den Verbindungselementen 2 bzw. 3 und den Stützen d konisch ausgeführt. Diese konische Verbindung führt nicht nur zu einer sehr guten elektrischen Verbindung und einer einfachen Konstruktion, sondern ist im allgemeinen Vorbedingung für das praktikable Aufeinandersetzen der - zweckmäßigerweise vormontierten - einzelnen Heizzonen Z. Um die in einer konischen Passung entstehenden radialen Kräfte so zu begrenzen, dass die Verbindungselemente 2 und 3 nicht zerreißen (die Festigkeiten der besten Graphitsorten sind sehr klein im Vergleich zu metallischen Werkstoffen) werden erfindungsgemäß zur Begrenzung der axialen Kräfte komprimierbare Packungen 16 (entsprechend den zu erwartenden Kräften dimensioniert) aus expandiertem Graphit, z. B. "Sigraflex®" der Firma SGL Carbon, zwischen den Verbindungselementen 2 und den Stützen 1 und 13 angebracht. Der Winkel der notwendigerweise sehr präzise zu bearbeiteten Konuspassung sollte so bemessen werden, dass keine Selbsthemmung mehr auftritt.
• Die Vormontage der einzelnen Heizzonen sollte aus Praktikabilitätsgründen auf einer Montageplattform, bestehend aus den entsprechend angeordneten Oberteilen der 2n Stützen 13 erfolgen, auf die die Verbindungselemente 2 und 3 mit ihren Isolationsringen 5, die Grundplatte 4 mit den Führungsstiften 11 und den Isolationsstücken 12 und anschließend die Stützen 1 aufgesetzt werden. Die Heizelemente 6 mit ihren Heizelementverbindern 7 können dann auf der Grundplatte 4 und den Verbindungsstücken 8 und 9 zusammengebaut werden. Weitere Bauteile wie beispielsweise Thermoelementhalterungen und Strahlschirme (nicht dargestellt) können auch aufgebaut werden. Für den Zusammenbau der Heizer können auf die Stützen 1 entsprechende Lehren aufgesteckt werden. Die vormontierten Heizzonen Z können nun mit einem teilbaren Hilfsrahmen mit Traverse, der unter den Verbindungselementen 2 und 3 angreift, um 72° verdreht auf die darunter liegende Heizzone aufgesetzt werden, wobei die Führungsstifte 11 in die entsprechenden Löcher in den Heizelementverbindern 7 der darunter liegenden Heizzone eingeführt werden.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur elektrischen Beheizung eines sich vertikal erstreckenden Raumes, z. B. eines Reaktors, auf eine hohe Temperatur und/oder mit einer hohen Leistung, bestehend aus einer Mehrzahl von übereinander angeordneten und mit jeweils einer Stromzuführung versehenen Heizzonen, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zone (Z) eine Mehrzahl von im Wesentlichen gleichmäßig um den zu beheizenden Raum (R) verteilt angeordneten Stützen (1) aufweist, welche gleichzeitig als Stromzuführungen für die Heizer, bestehend aus Heizelementen (6) und Heizelementverbindern (7) dienen und dass die Heizer jeder Zone (2) an ihrem einen Ende fest und an ihrem anderen Ende längenverschieblich angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenverschieblichkeit der Heizer mittels auf der den Stromzuführungen gegenüberliegenden Seite angeordneten Führungsstiften (11) erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizer jeder Zone (Z) auf einer Grundplatte (4) angeordnet sind und dass jede Grundplatte (4) in zwei oder drei, elektrisch voneinander getrennte Bereiche aufgeteilt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatten (4) mittels Verbindungselementen (2, 3) mit allen Stützen (1) in einer Ebene verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (2, 3) jeweils zwei übereinander angeordnete Stützen (1) miteinander verbinden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, die Verbindungselemente (2, 3) und die Enden der Stützen (1) eine konische Passung aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der konischen Passung so bemessen ist, dass keine Selbsthemmung auftritt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kraftbegrenzung zwischen den Verbindungselementen (2, 3) und den Stützen (1) komprimierbare Packungen (16) aus expandiertem Graphit vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützen (1) aus Graphitwerkstoff hergestellt sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatten (4) aus CFC-Werkstoffen hergestellt sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (2, 3) aus isostatisch gepressten Feinstkorngraphiten höchster Festigkeit hergestellt sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass isolierende Konstruktionsteile aus Al₂O₃, BN oder AlN hergestellt sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Zone (Z) aus einer vormontierten Einheit von Grundplatte (4) mit Isolationsstücken (12), Verbindungselementen (2, 3) mit Isolationsringen (5), Heizeelementen (6) mit Heizelementverbindern (7), Verbindungsstücken (8, 9), Führungsstiften (11) und Stützen (1) gebildet ist.