DE2840242C2

DE2840242C2 - Heizeinrichtung zur Vorwärmung von Heizöl

Info

Publication number: DE2840242C2
Application number: DE2840242A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. Dr. 8013 Haar Meixner; Andreas Ing.(grad.) 8700 Würzburg Schebler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-09-15
Filing date: 1978-09-15
Publication date: 1984-08-23
Also published as: DK385279A; JPS5541400A; US4371778A; ATE3132T1; EP0009136B1; DE2840242A1; EP0009136A2; EP0009136A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung zur Vorwärmung von Heizöl, mit einem Heizelement aus Kaltleitermaterial.

Im Zusammenhang mit der zunehmenden Verknappung von Heizöl einerseits und den gesteigerten Anforderungen an schadstofffr^iem Abgas andererseits wird für Ölbrenner eine elektrische Vorwärmung des Heizöls beabsichtigt. Durch die damit zu erreichende Verringerung der Viskosität des Heizöls lassen sich auch noch geringere Durchsiitzmengcn. /.B. unter 1.4 kg pro Stunde, zuverlässig zerstäuben. Einzelheiten hierzu lassen sich der Druckschrift »Feuerungstechnik«. l^l)78. Seiten 13 30 entnehmen.

Gerade für Kleinanlagen sind die heute handelsüblichen Ölbrenner derart ausgebildet, daß sie für einen relativ großen Leistungsbereich verwendbar sind und eine Anpassung an den speziellen Bedarf des einzelnen Kunden lediglich eines Einsetzens einer passenden Düse und einer Justierung der Luftzufuhr bedarf. Ist aber im Ölbrenner außerdem noch eine widerstandsbeheizte elektrische Vorwärmung vorgesehen, so müßte diese dem jeweiligen öldurchsalz angepaßt werden. Dies würde eine erhebliche Erschwernis für die Montagcarbcitcn bedeuten. Es müßte nämlich dafür Sorge getragen sein, daß eincr-

Ki seits eine ausreichend hohe Erwärmung des Öls auf Temperaturen, z.B. bis über 70⁰C, erreicht wird, und zwar mit relativ raschem Erreichen des Endzustandes. Andererseits darf aber - etwa bei kurzzeitigem Stillstand oder bei Unterbrechung der Ölzufuhr - keine Ölüberhitzung mit Dampfbildung eintreten, wobei die Dampfbildung insbesondere die weitere Ölförderung beeinträchtigen könnte.

Eine elektrische Heizung mittels einer Heizwicklung würde somit auch eine sehr aufwendige Steuerungselektronik erforderlich machen. Andererseits wird aber stets danach gestrebt, solche ölbrenner nicht möglichst einfach, sondern auch betriebssicher auszubilden.

In der DE-OS 2410999 ist eine Heizvorrichtung mit einem wjbenförmigen Kaltleiter beschrieben, für den

angegeben ist, er könne auch zur Erwärmung von Öl verwendet werden. Bei einer solchen Anwendung muß zwangsläufig das zu erwärmende Öl mit der Oberfläche des Kaltlfitermatcrials und mit den darauf befindlichen Schichtelektrodcn in unmittelbare Berührung kommen,

μ und zwar dies bei zwischen den Schichtelektrodcn dieses Kaltlcitcrmatcrials anliegender Spannung von 220 Volt. In der DE-OS 2808449 ist ein gleichwertiges wabenförmiges Kaltleiterclcment beschrieben, zu dem dort Bemessungen angegeben sind, die zur Lufterwärmung gc-

J5 eignet sind. Auch bei diesem Beispiel eines Kaltleiter-Heizelementcs steht die zu erwärmende Luft mit dem Kaltleitermaterial, seinen Elektroden und damit auch mit der angelegten elektrischen Spannung in unmittelbarer Berührung.

-ίο Aus der Druckschrift DE-GM 7811 098 ist eine Heizeinrichtung mit Kaltleitermaterial bekannt, bei der das Kaltleitermaterial und die an ihm anliegende elektrische Spannung mit dem zu erwärmenden Gut nicht in unmittelbare Berührung kommen kann. Diese Druckschrift bezieht sich im wesentlichen auf die Art der Anbringung eines 0,5 bis 2 mm dicken Kaltleiterplättchens zwischen zwei Wärmeablcitflächcn der gesamten Einrichtung. Aus dieser Druckschrift geht hervor, daß es für die Benutzung eines Kaltleiterplättchens als Heizelement mit hoher spezifischer Leistung wesentlich darauf ankommt, von diesem Plättchen auf beiden Seiten gleich gut die Wärme abzuleiten, um zu verhindern, daß das Kaltlcitcrplätlchen wegen zu hoher Eigenerwärmung und damit entstehender innerci thermischer Spannungen zerplatzt.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Heizeinrichtung zur Vorwärmung anzugeben, mit der ohne besondere Einstellbarkeit ein sich etwa über eine Größenordnung erstreckender Bereich der Ölzufuhr abgedeckt werden kann, die sich in einfacher Weise in

auch bereits vorhandene Ölbrenner-Anlagen einsetzen läßt und die sowohl bei 22OVoIt als auch bei UO bis 220 Volt ohne das Erfordernis einer Umschaltung zu betreiben ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Heizeinrichtung nach

f.5 dem Oberbegriff des Palentanspruchs I erfindungsucniäß gelöst, wie dies im Kennzeichen der Ansprüche 1 bzw. 3 angegeben ist.

Die Verwendung von Kaltleitern zur Beheizung in un-

tcrschicdlichslcn Anwendungsfallcn ist bereits seit Jahrzehnten vorgeschlagen worden. Bei einem Kaltleiter handelt es sich dabei um ein Bauelement aus einem Material auf der Basis des Bariumtitanats, das durch prinzipiell bekannte Herstellungsmaßnahmen und Dotierungen eine selbststeuernde Temperatur-Widerstandscharakteristik hat. Bei Kaltleitermaterial, wie es z. B. aus »Keramische Zeitschrift«. Band 12,1964, 766-770 hervorgeht, tritt bei der sogenannten Curie-Temperatur, einer spezifischen Materialgröße, mit weiterem Temperaturanstieg ein extremer Anstieg des spezifischen elektrischen Widerstands auf. Fig. 1 zeigt ein Diagramm, aus dem die Temperatur-Widerstandscharakteristik mit einer Angabe der Curie-Temperatur und der Steilheit

a = —— log(i)/l»o), α in %/°C

hervorgehen.

Aus der DE-OS 2743880 und der DE-O5 7804316 sind bereits Einzelheiten für den grundsätzlichen Aufbau einer auch bei der vorliegenden Erfindung dem Prinzip nach zu verwendenden Heizeinrichtung mit Kaltleitermateriai bekannt. Auch sind dort bereits die allgemeinen physikalischen Grundlagen einer solchen Heizeinrichtung beschrieben. Die vorliegende Erfindung, die zum einen die Verwendung einer Kaltleiter-Heizeinrichtung zur Vorwärmung von Heizöl betrifft und zum anderen die für diesen speziellen Anwendungsfall noch erforderlichen Abwägungen bezüglich der Bemessungen umfaßt, hat eine Heizeinrichtung ergeben, die für eine jegliche Ölzufuhrmenge innerhalb des relativ weiten (und für Beheizung in Frage kommenden) Bereichs von 0,3 bis 2,51 pro Stunde verwendbar ist und die insbesondere auch ohne weitere Abänderung sowohl für 110 Voll als auch für 220VoIt passend ist. Diese Heizeinrichtung bedarf somit keiner zusätzlichen Einstellung.

An sich wurde erwartet, daß für einen so großen Spielraum der zu beheizenden Ölmenge und gegebenenfalls der Betriebsspannungen erhebliche individuelle Anpassungen erforderlich werden würden. Überraschenderweise ist jedoch eine solche Anpassung im Rahmen der vorliegenden Erfindung entbehrlich. Dabei ist berücksichtigt, daß eine Erwärmung des zugeführten Heizöls für größere Zufuhrmengen (im Rahmen des angegebenen Bereiches) nicht so stark sein braucht, wie dies z.B. für die an der unteren Grenze liegende Zufuhrmenge von 0,31 pro Stunde notwendig ist.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung geht aus der nachfolgend beschriebenen Fig. 2 hervor. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegen Einzelheiten vor, die auch schon in dem DE-GM 78 11 098 beschrieben sind. Mit 1 ist die Heizeinrichtung bezeichnet, die einen Wärmeableitungskörper 32 mit einem zur Aufnahme des Kaltleiter-Heizelements 4 vorgesehener Zwischenraum 33 hat. Dieses Heizelement hat die im Anspruch 1 angegebenen und nachfolgend noch näher erörterten physikalischen Größen. Auf den senkrecht zur Darstellungsebene der Figur stehenden Oberflächen des plattenförmigen Heizelements 4 befinden sich im Schnitt dargestellte Elektroden 8. Das Heizelement 4 ist mit Hilfe der keilförmigen Körper 37 und 137, die einen Kcilwinkel y aufweisen, in den Zwischenraum 33 derart eingekeilt, düö außer einer festen Halterung auch guter Wärinekonüikt von beiden Oberflächen des llei/elenienis 4 auf di'·' wurmeableitenden Flächen 35 und 36 des Waimeablc'Uingskörpers 32 erfolgt. Mil IO sind duktile Beilagen N-"-'eichtiet. Mit Il sind Anschlußleitungen der Elektroden 8 be/eichnc-t, an die wahlweise eine Spannung von 110 Volt oder 220 Volt (oder einem dazwischenliegenden Spannungswert) angelegt werden können.

Der in der Darstellung der Figur obere Anteil 132 des Wärmeableitungskörpers 32 ist so ausgebildet, daß in die halbkreisförmige zylindrische Aussparung 133 ein solches Rohr mit gutem Wärmekontakt eingeiegt werden kann, wie es als Kupferrohr für die Ölförderung von der

ίο Tankanlage zum Brenner hin üblicheiweise verwendbar wird. Mit 134 ist ein zweckmäßigerweise zu verwendendes, zum Anteil 132 passendes Gegenstück bezeichnet. Dieses hat den die Aussparung 133 zu einem Zylinder ergänzenden Anteil einer Aussparung. Mit Hilfe der Schrauben 135 läßt sich dieses Teil 134 auf dem Wärmeableitungskörper 32 wie ersichtlich derart befestigen, daß das Kupferrohr 5 der Ölförderungsleitung mit gutem Wärmekontakt fest eingespannt wird. Das Teilstück 134 kann aber auch durch eine vielleicht weniger aufwendige Halterung des Wärmeableitungskörpers 32 am Rohr 5 ersetzt sein.

Der Wärmeablcitungskörper für die Heizeinrichtung hat für die Zuführung einer wie oben angegebenen Wärmemenge eine (senkrecht zur Darstellungsebene der Figur) gemessene Länge von z. B. 4,5 cm für ein Rohr (5) mit z.B. 8mm Außendurchmesser.

Nachfolgend werden für eine Heizeinrichtung, z. B. für eine solche gemäß dem Aufbau der Fig. 2, passende Bemessungen angegeben und erläutert. Das Kaltleiter-

M Plättchen 4 hat eine Dicke von ca. 2mm und 10cm² Gesamtfläche beider Plattenoberflächen. Als Kaltleiter-Material für eine vorgegebene Betriebsspannung von 220 Volt wird ein solches verwendet, das eine Curie-Temperatur T₁ von 160⁰C hat und bei dieser Bezugstemperatür T_c einen spezifischen elektrischen Widerstand Q₀ von ca. 17000 Ohm · cm aufweist. Die Curie-Temperatur ist so gewählt, daß sie etwa 10 bis 120⁰C höher liegt als die Temperatur, die zu beheizendes Öl maximal erreichen soll. Bei einer Durchflußmenge von nur 0,31 pro Stunde

•«ι erreicht das durchfließende Öl bei den angegebenen 22OVoIt Betriebsspannung etwa 110⁰C. Die Temperatur des Kaltleiter-Plättchens 4 stellt sich dabei selbstgecegelt auf eine Temperatur von 170°C ein, bei der vom Plättchen J5 Watt Heizleistung geliefert werden. Erreicht wird dies, wenn die Steilheit

11 _ T-T,

so des Widerstandsanstiegs wenigstens 20%/°C beträgt. Fließt unter den gleichen Bedingungen eine Ölmenge von 21 pro Stunde hindurch, erfolgt eine Erwärmung des Öls auf immerhin noch 73'C, wobei vom Kaltleiter-Plättchen 4 dann 70 Watt abgegeben werden, weil bei größerer abgeführter Wärmemenge das Kaltleiter-Plättchen 4 sich nur noch auf etwa 167°C erwärmt.

Soll die Heizeinrichtung auch unabhängig davon sein, ob 110 Volt oder 220 Volt angelegt werden, ist ein Kaltleiter-Material mit einem spezifischen Widerstand von z. B.

mi Uu ⁼ 4300 Ohm · cm bei wiederum 160⁰C Curie-Temperatur auszuwählen. Bei 110 Volt wird dann eine Menge von 21 pro Stunde hindurchfließenden Öls bei wiederum einer Heizleistung von 70 Watt auf 73"C erwärmt. Im andcwn Extremfall, nämlich bei 220VoIt anliegender

(.5 Betriebsspannung und nur 0.3 I pro Stunde hindurchfließcndcn Öls, wird bei etwa der angegebenen Steilheit ot = 2()%/"C eine Erwärmung auf 170'C erreicht.
Die !ingegebenen Werte für (.»„=17000 bzw. 4300

Ohm · cm können in jeweils einem Bereich variiert werden, dessen Obergrenze bei bis zu 20 % größeren Werten (als die oben angegebenen ρ,,-Werte) liegt. Die untere Grenze des jeweiligen Variationsbereichs für in Frage kommende e_o-Werte liegt vergleichsweise zu den oben angegebenen Werten bei etwa um einen Faktor 10 niedrigeren Werten. Jeweils kleinere Werte von ρ₀ führen zu etwas höherer Temperatur des hindurchfließenden, zu erwärmenden Öls.

Bei dem an zweiter Stelle beschriebenen Bemessungs- in beispiel mit wahlweise 110 Volt oder 220VoIt Betriebsspannung und wahlweise 0,3 bis 2,51 pro Stunde hindurchfließenden Öls wird ein Bereich von 1 :40 für die Heizung in ausreichender Weise abgedeckt. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Betriebsspannung mit dem Qua- is drat ihres Wertes in die Berechnungen eingeht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

21)

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30

45

Claims

Patentansprüche:

1. Heizeinrichtung zur Vorwärmung von Heizöl für Ölheizungen mit einem Heizelement aus Kaltleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorwärmung einer beliebigen Ölmenge im Bereich von 0,3 bis 2,51 pro Stunde folgende Bemessung vorgesehen ist: daß ein Kaltleitermaterial mit einer Curie-Temperatur zwischen 120 und 220" C vorgesehen ist; daß für das Kaltleitermaterial ein spezifischer Widerstand l'o von 1700 bis 20000 Ohm · cm, gemessen bei der Betriebsspannung von 220 Volt und der gewählten Curie-Temperatur dieses Materials, vorgesehen ist; und daß das Heizelement ein plattenförmiger Körper (4) mit einer Dicke zwischen 0,5 und 3 mm ist, der sich zwischen einander gegenüberstehenden Wärmeleitungsfiächen (35,36) befindet, zwischen denen dieser plaitenförmige Körper (4) gut wärmeleitend fest eingekeilt (37, 137) ist.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kaltleiter-Material mit einem spezifischen Widerstand von 17000 Ohm cm verwendet ist.

3. Heizeinrichtung zur Vorwärmung von Heizöl für Ölheizungen mit einem Heizelement aus Kaltleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorwärmung einer beliebigen ölmenge im Bereich von 0,3 bis 2,51 pro Stunde folgende Bemessung vorgesehen ist: daß ein Kaltleitermaterial mit einer Curie-Temperatur zwischen 120 und 220⁰C vorgesehen ist; daß für das Kaltleitermaterial ein spezifischer Widerstand (J₀ von 430 bis 5000 Ohm ■ cm, gemessen bei der Betriebsspannung von 110 i/is 220 V und der gewählten Curie-Temperatur dieses Materials, vorgesehen ist; und daß das Heizelement ein plattenförmiger Körper (4) mit einer Dicke zwischen 0,5 und 3 mm ist, der sich zwischen einander gegenüberstehenden Wärmeableitungsflächen (35, 36) befindet, zwischen denen dieser plattenfSrmige Körper (4) gut wärmeleitend fest eingekeilt (37, 137) ist.

4. Heizeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kaltleitermaterial mit einem spezifischen Widersland von etwa 4300 Ohm · cm verwendet wird.

5. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeableitungskörpcr (32, 132) so ausgebildet ist, daß er an einem Ölförderrohr (5) gut wärmeleitend anzubringen ist.