EP0009136A2 - Heizeinrichtung zur Vorwärmung von Heizöl - Google Patents

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EP0009136A2
EP0009136A2 EP79103136A EP79103136A EP0009136A2 EP 0009136 A2 EP0009136 A2 EP 0009136A2 EP 79103136 A EP79103136 A EP 79103136A EP 79103136 A EP79103136 A EP 79103136A EP 0009136 A2 EP0009136 A2 EP 0009136A2
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oil
heating element
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Andreas Schebler
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K5/00—Feeding or distributing other fuel to combustion apparatus
    • F23K5/02—Liquid fuel
    • F23K5/14—Details thereof
    • F23K5/20—Preheating devices
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/141—Conductive ceramics, e.g. metal oxides, metal carbides, barium titanate, ferrites, zirconia, vitrous compounds

Definitions

  • the invention relates to a heating device with a heat dissipation body for pre-warning of heating oil, as specified in the preamble of claim 1.
  • today's oil burners are designed in such a way that they can be used for a relatively large output range and that they can only be adapted to the special needs of the individual customer It is necessary to insert a suitable nozzle and adjust the air supply. If, however, resistance-heated electrical preheating is also provided in the oil burner, this would have to be adapted to the respective oil throughput. This would make assembly work considerably more difficult. Care should be taken to ensure that, on the one hand, the oil is heated to a sufficiently high temperature, for example above 70 ° C., and that the final state is reached relatively quickly. On the other hand, however, in the event of a brief standstill or when the oil supply is interrupted, no oil overheating with steam formation may occur, the steam formation in particular being able to impair further oil production.
  • Electric heating by means of a heating winding would therefore also make very complex control electronics necessary.
  • the aim is not only to design such oil burners as simply as possible, but also to make them reliable.
  • a PTC thermistor is a component made of a material based on the barium titanate, which has a self-controlling temperature-resistance characteristic due to known manufacturing measures and doping.
  • PTC thermistor material as can be seen, for example, from “Ceramic time- *, the so-called Curie temperature, a specific material size, leads to an extreme increase in the specific electrical resistance with a further rise in temperature.
  • FIG. 1 shows a diagram from which the temperature-resistance characteristic with an indication of the Curie temperature and the slope emerge.
  • heating of the supplied heating oil does not need to be as strong for larger supply quantities (within the specified range), as is the case e.g. for the lower limit of 0.3 1 per hour.
  • FIG. 2 An exemplary embodiment of a heating device according to the invention is shown in FIG. 2 described below.
  • the heating device which has a heat dissipation body 32 with an intermediate space 33 provided for receiving the PTC heating element 4.
  • This heating element has the physical sizes specified.
  • Electrodes 8 are shown in section on the surfaces of the plate-shaped heating element 4 perpendicular to the plane of illustration of the figure.
  • the heating element 4 is wedged into the intermediate space 33 by means of the wedge-shaped bodies 37 and 137, which have a wedge angle ⁇ , in such a way that, apart from one firm mounting also good thermal contact from both surfaces of the heating element 4 on the heat-dissipating surfaces 35 and 36 of the heat dissipation body 32 takes place.
  • 10 ductile inserts are designated.
  • connection Lines of the electrodes 8 designated, to which a voltage of 110 volts or 220 volts (or an intermediate voltage value) can be applied.
  • the upper portion 132 of the heat dissipation body 32 in the illustration in the figure is designed such that a tube with good thermal contact can be inserted into the semicircular cylindrical recess 133, as is usually used as a copper tube for oil production from the tank system to the burner.
  • 134 denotes a counterpart which is expediently to be used and matches the portion 132. This has the portion of a recess which supplements the recess 133 to form a cylinder. With the help of the screws 135, this part 134 can be fastened on the heat dissipation body 32, as can be seen, in such a way that the copper pipe 5 of the oil production line is firmly clamped with good thermal contact.
  • the section 134 can also be replaced by a perhaps less complex mounting of the heat dissipation body 32 on the tube 5.
  • a heat dissipation body for a heating device has a measured length (perpendicular to the plane of the figure) of e.g. 4.5 cm for a tube 5 with e.g. 8 mm outer diameter.
  • the PTC thermistor plate 4 has a thickness of approximately 2 mm and 10 cm 2 total area of both plate surfaces.
  • a PTC thermistor material for a given operating voltage of 220 volts one is used that has a Curie temperature T c of 160 ° C and at this reference temperature T c has a specific electrical resistance of approx. 17000 Ohm ⁇ cm.
  • the Curie temperature is selected so that it is about 10 to 120 ° C higher than the temperature that the oil to be heated should reach at maximum. With a flow rate of only 0.3 1 per hour, the oil flowing through at the specified 220 volt operating voltage reaches approximately 110 ° C.
  • the temperature of the PTC thermistor plate 4 adjusts itself to a temperature of 170 ° C at which the plate delivers 35 watts of heating power. This is achieved when the slope the increase in resistance is at least 20% / ° C. If an amount of oil flows from 2 l per hour under the same conditions, the oil heats up to a still 73 ° C, whereby the PTC thermistor plate 4 then emits 70 watts because the PTC thermistor plate 4 only dissipates when the amount of heat dissipated still heated to about 167 ° C.
  • ⁇ o 4300 Ohm ⁇ cm at a Curie temperature of 160 ° C.
  • a quantity of 2 liters of oil flowing through per hour is then heated to 73 ° C. with a heating output of 70 watts.
  • the lower limit of the respective range of variation for ⁇ o values in question is about a factor of 10 lower than the values given above. In each case smaller values of ⁇ o lead to a somewhat higher temperature of the oil flowing through and to be heated.

Abstract

Heizöl-Vorwärmung mit Kaltleiter-Heizung (1) für großen Belastungsbereich.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung mit einem Wärmeableitungskorper zur Vorwarnung von Heizöl, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist.
  • Im Zusammenhang mit der zunehmenden Verknappung von Heizöl einerseits und den gesteigerten Anforderungen an schadstoffreiem 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 Durchsatzmengen, z.B. unter 1,4 kg pro Stunde, zuverlässig zerstäuben. Einzelheiten hierzu lassen sich der Druckschrift Feuerungstechnik, 1978, Seiten 13 bis 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 auf den jeweiligen Öldurchsatz angepaßt werden. Dies würde eine erhebliche Erschwernis für die Montagearbeiten bedeuten. Es müßte nämlich dafür Sorge getragen sein, daß einerseits eine ausreichend hohe Erwärmung des Öls auf Temperaturen z.B. bis über 70°C 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 nur möglichst einfach, sondern damit auch betriebssicher auszubilden.
  • Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Heizeinrichtung zur Vorwärmung von Heizöl anzugeben, mit der ohne besondere Einstellarbeit ein sich etwa über eine Größenordnung erstreckender Bereich der Ölzufuhr abgedeckt werden kann, die sich in einfacher Weise in auch bereits vorhandenen Ölbrennerarlagen (nachträglich) einsetzen läßt und die insbesondere sowohl bei 110 Volt als auch bei 220 Volt ohne das Erfordernis einer Umschaltung zu betreiben ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Heizeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß gelöst, wie dies im Kennzeichen des Anspruches 1 angegeben ist.
  • Die Verwendung von Kaltleitern zur Beheizung in unterschiedlichsten Anwendungsfällen 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 Kaltleiter-Material, wie es z.B. aus "Keramische Zeit-* 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
    Figure imgb0001
    hervorgehen.
  • Aus der deutschen Patentanmeldung P 27 43 880.8 und dem deutschen Gebrauchsmuster G 78 04 316 sind bereits Einzelheiten für den grundsätzlichen Aufbau einer auch bei der vorliegenden Erfindung dem Prinzip nach zu verwendenden Heizeinrichtung mit Kaltleiter-Material 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 umfaßte hat eine Heizeinrichtung ergeben, die für eine jegliche Ölzufuhrmenge innerhalb des relativ weiten (und für Beheizung in Frage kommenden) Bereichs von 0,3 bis 2,5 1 pro Stunde)verwendbar ist und die insbesondere auch ohne weitere Abänderung sowohl *schrift, Band 12, 1964, 766-770 für 110 Volt als auch für 220 Volt 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 Bereichs) nicht so stark zu sein braucht, wie dies z.B. für die an der unteren Grenze liegende Zufuhrmenge von 0,3 1 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 deutschen Gebrauchsmuster G 78 11 098 beschrieben sind. Mit 1 ist die Heizeinrichtung bezeichnet, die einen Wärmeableitungskörper 32 mit einem zurAufnahme des Kaltleiter-Heizelements 4 vorgesehenen Zwischenraum 33 hat. Dieses Heizelement hat wie noch angegebene physikalische Größen. Auf den senkrecht zur Därstellungsebene 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 Keilwinkel γ aufweisen, in den Zwischenraum 33 derart eingekeilt, daß außer einer festen Halterung auch guter Wärmekontakt von beiden Oberflächen des Heizelements 4 auf die wärmeableitenden Flächen 35 und 36 des Wärmeableitungskörpers 32 erfolgt. Mit 10 sind duktile Beilagen bezeichnet. Mit 11 sind Anschlußleitungen der Elektroden 8 bezeichnet, 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 eingelegt werden kann, wie es als Kupferrohr für die Ölförderung von der Tankanlage zum Brenner hin üblicherweise verwendet 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.
  • Ein Wärmeableitungskörper für eine erfindungsgemäße 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. 8 mm Außendurchmesser.
  • Nachfolgend werden für eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung, z.B. für eine solche gemäß dem Aufbau der Fig.2, passende Bemessungen angegeben und erläutert. Das Kaltleiter-Plättchen 4 hat eine Dicke von ca. 2 mm und 10 cm2 Gesamtfläche beider Plattenoberflächen. Als Kaltleiter-Material für eine vorgegebene Betriebsspannung von 220 Volt wird ein solches verwendet, das eine Curie-Temperatur Tc von 160°C hat und bei dieser Bezugstemperatur Tc einen spezifischen elektrischen Widerstand von ca. 17000 Ohm·cm aufweist. Die Curie-Temperatur ist so gewählt, daß sie etwa 10 bis 120°C höher liegt als die Temperatur, die zu beheizendes Öl maximal erreichen soll. Bei einer Durchflußmenge von nur 0,3 1 pro Stunde erreicht das durchfließende Öl bei den angegebenen 220 Volt Betriebsspannung etwa 110°C. Die Temperatur des Kaltleiter-Plättchens 4 stellt sich dabei selbstgeregelt auf eine Temperatur von 170°C ein, bei der vom Plättchen 35 Watt Heizleistung geliefert werden. Erreicht wird dies, wenn die Steilheit
    Figure imgb0002
    des Widerstandsanstiegs wenigstens 20%/°C beträgt. Fließt unter den gleichen Bedingungen eine Ölmenge von 2 1 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. δo = 4300 Ohm·cm bei wiederum 160°C Curie-Temperatur auszuwählen. Bei 110 Volt wird dann eine Menge von 2 1 pro Stunde hindurchfließenden Öls bei wiederum einer Heizleistung von 70 Watt auf 73°C erwärmt. Im anderen Extremfall, nämlich bei 220 Volt anliegender Betriebsspannung und nur 0,3 1 pro Stunde hindurchfließenden Öls, wird bei etwa der angegebenen Steilheit α=20%/°C eine Erwärmung auf 170°C erreicht.
  • Die angegebenen Werte für ρo=17000 bzw. 4300 Ohm·cm können in jeweils einem Bereich variiert werden, dessen Obergrenze bei bis zu 20% größeren Werten (als die oben angegebenen ρo-Werte) liegt. Die untere Grenze des jeweiligen Variationsbereichs für in Frage komnende ρo-Werte liegt vergleichsweise zu den oben angegebenen Werten bei etwa um einen Faktor 10 niedrigeren Werten. Jeweils kleinere Werte von ρo führen zu etwas höherer Temperatur des hindurchfließenden, zu erwärmenden Öls.
  • Bei dem an zweiter Stelle beschriebenen Bemessungsbeispiel mit wahlweise 110 Volt oder 220 Volt Betriebsspannung und wahlweise 0,3 bis 2,5 1 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 Quadrat ihres Wertes in die Berechnungen eingeht.

Claims (7)

1. Heizeinrichtung zur Vorwärmung von Heizöl mit einem Wärmeableitungskorper, gekennzeichnet dadurch, daß in der Heizeinrichtung ein plattenförmiges Heizelement aus Kaltleiter-Material mit einer Curie-Temperatur zwischen 120 und 220°C zur Beheizung einer beliebigen Ölmenge im Bereich von 0,3 bis 2,5 1 pro Stunde vorgesehen ist.
2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß für eine Betriebsspannung von 220 Volt ein Kaltleiter-Material mit einem spezifischen Widerstand ρo von 1700 bis 20 000 Ohm.cm, gemessen bei der Betriebsspannung und bei der Curie-Temperatur dieses Materials, verwendet ist.
3. Heizeinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß ein Kaltleiter-Material mit einem spezifischen Widerstand von 17 000 Ohm·cm verwendet ist.
4. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß für eine beliebige Betriebsspannung im Bereich von 110 bis 220 Volt ein Kaltleiter-Material mit einem spezifischen Widerstand von 430 bis 5 000 Ohm.cm, gemessen bei einer Meßspannung von 110 bis 220 Volt und bei der Curie-Temperatur des Materials, verwendet ist.
5. Heizeinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß ein Kaltleiter-Material mit einem spezifischen Widerstand von etwa 4300 Ohm·cm verwendet ist.
6. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß das plattenförmige Heizelement eine Dicke von 0,5 bis mm hat.
7. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Wärmeableitungskörper (32, 132) so ausgebildet ist, daß er an einem Ölförderrohr (5) gut wärmeleitend anzubringen ist.
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