EP0009136B1 - Heizeinrichtung zur Vorwärmung von Heizöl - Google Patents

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EP0009136B1
EP0009136B1 EP79103136A EP79103136A EP0009136B1 EP 0009136 B1 EP0009136 B1 EP 0009136B1 EP 79103136 A EP79103136 A EP 79103136A EP 79103136 A EP79103136 A EP 79103136A EP 0009136 B1 EP0009136 B1 EP 0009136B1
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ohm
heating device
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Hans Dr. Meixner
Andreas Schebler
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Siemens AG
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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 for preheating heating oil, with a heating element made of cold conductor material.
  • the oil burners that are commercially available today are designed in such a way that they can be used for a relatively large output range and that they only have to be adapted to the special needs of the individual customer by inserting a suitable nozzle and adjusting the air supply.
  • 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 the assembly work considerably more difficult. It should be ensured that on the one hand a sufficiently high heating of the oil to temperatures e.g. is reached up to over 70 ° C, and with relatively quick reaching the final state.
  • 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. On the other hand, it is always strived to make such oil burners not only as simple as possible, but also. training in a reliable manner.
  • DE-A-24 10 999 describes a heating device with a honeycomb-shaped PTC thermistor, for which it is stated that it can also be used for heating 01.
  • the oil to be heated must inevitably come into direct contact with the surface of the PTC material and with the layer electrodes located thereon, specifically with a voltage of 220 V present between the layer electrodes of this PTC material.
  • DE-A-28 08 449 describes a similar honeycomb PTC thermistor element, for which dimensions are specified which are suitable for air heating.
  • the air to be heated is in direct contact with the PTC material, its electrodes and thus also with the applied electrical voltage.
  • a PTC thermistor is a component made of a material based on the barium titanate, which has a self-regulating temperature-resistance characteristic due to known manufacturing measures and doping.
  • 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.
  • FIG. 2 An embodiment of a heating device according to the invention is shown in FIG. 2 described below. In this embodiment there are details which have already been described in DE ⁇ U ⁇ 78 11 098. With 1 the heating device is designated, which has a heat dissipation body 32 with a 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 which are perpendicular to the plane 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 y, 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.
  • 11 connecting lines of the electrodes 8 are 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 of 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 tube 5 of the oil recovery 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 which 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 chosen so that it is about 10 to 120 ° higher than the temperature that the oil to be heated is to reach at maximum.
  • 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.
  • an amount of 2 l 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 the p o values in question is approximately a factor 10 lower than the values given above. In each case smaller values of p ° lead to a somewhat higher temperature of the oil flowing through and to be heated.

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 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 Druchschrift Euerungstechnik, 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 Einzetzens 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 Oldurchsatz angepaßt werden. Diese 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 Ubterbrechung der Olzufuhr 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 auch. betriebssicher auszubilden.
  • In der DE-A-,24 10 999 ist eine Heizvorrichtung mit einem wabenförmigen Kaltleiter beschrieben, für den angegeben ist, er könne auch zur Erwärmung von 01 verwerdent werden. Bei einer solchen Anwendung muß zwangsläufig das zu erwärmende Öl mit der Oberfläche des Kaltleitermaterials und mit den darauf befindlichen Schichtelektroden in unmittelbare Berührung kommen, und zwar dies bei zwischen den Schichtelektroden dieses Kaltleitermaterials anliegender Spannung von 220 V.
  • In der DE-A-28 08 449 ist ein gleichartiges wabenförmiges Kaltleiterelement beschrieben, zu dem dort Bemessungen angegeben sind, die zur Lufterwärmung geeignet sind. Auch bei diesem Beispiel eines Kaltleiter-Heizelements steht die zu erwärmende Luft mit dem Kaltleitermaterial, seinen Elektroden und damit auch mit der angelegten elektrischen Spannung in unmittelbarer Berührung.
  • Aus der Druchschrift DE-U-78 11 098 ist eine Heizeinrichtung mit Kaltleitermaterial bekannt, bei der das Kaltleitermaterial und die an ihm anliegende elektrische Spannung mit dem zur 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 Wärmeableitflächen 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 Kaltleiterplättchen wegen zu hoher Eingenerwärmung und damit entstehender innerer thermischer Spannungen zerplatzt.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Heizeinrichtung zur Vorwärmung von Heizöl anzugeben, mit der ohne besondere Einstellarbeit ein sich etwa über ein Größenordnung erstreckender Bereich der Ölzufuhr abgedeckt werden kann, die sich in einfacher Weise in auch bereits vorhandenen Ölbrenneranlagen einsetzen läßt und die sowohl bei 220 Volt als auch bei 110 bis 220 Volt ohne das Erfordernis eine Umschaltung zu betreiben ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Heizeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst, wie dies im Kennzeichen der Ansprüche 1 und 3 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 der Bariumtitanats, das durch prinzipiell bekannte Herstellungsmaßnahmen und Dotierungen eine selbststeuernde Temperatur-Widerstandscharakteristik hat. Bei Kaltleiter-Material, 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
    Figure imgb0001
    hervorgehen.
  • Aus der DE-A-27 43 880 und der DE-U-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 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 2,5 I pro Stunde) verwendbar ist und die insbesondere auch ohne weitere Abänderung sowohl 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 einer 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 I 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 der DE―U―78 11 098 beschrieben sind. Mit 1 ist die Heizeinrichtung bezeichnet, die einen Wärmeableitungskörper 32 mit einem zur Aufnahme des Kaltleiter-Heizelements 4 vorgesehenen Zwischenraum 33 hat. Dieses Heizelement hat wie noch angegebene physikalische 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 Keilwinkel y 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 augebildet, daß in die halbkreisförmige zylindrische Aussparung 133 ein solches Rohr mit gutem Wärmekontakt eingelegt werden kann, wie es als Kupferrohr für 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 Ölföderungsleitung 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 Bezugs-temperatur Tc einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ° von ca. 17000 Ohm - cm aufweist. Die Curie-Temperatur ist so gewählt, daß sie etwa 10 bis 120° höher liegt t als die Temperatur, die zu beheizendes ÖI maximal erreichen soll. Bei einer Durchflußmenge von nur 0,3 I 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 Olmenge. von 2 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 eine Kaltleiter-Material mit einem spezifischen Widerstand von z.B. p.=4300 Ohm · cm bei wiederum 160°C Curie-Temperatur auszuwählen. Bei 110 Volt wird dann eine Menge von 2 I 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 pro Stunde hindurchfließenden Öls, wird bei etwa der angegebenen Steilheit α=20%/°C eine Erwärmung auf 170°C erreicht.
  • Die angegebenen Werte für ρ°=17000 bzw. 4300 Ohm · cm können in jeweils einem Bereich varriert 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 po-Werte liegt vergleichsweise zu den oben angegebenen Werten bei etwa um einen Faktor 10 niedrigeren Werten. Jeweils kleinere Werte von p° 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 I 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 (5)

1. Heizeinrichtung zur Vorwärmung von Heizöl für Ölheizungen mit einem Heizelement aus Kaltleitermaterial, gekennzeichnet, dadurch,
daß zur Vorwärmung einer beliebigen Ölmenge im Bereich von 0,3 bis 2,5 I 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 p. von 1700 bis 20 000 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 Wärmeableitungsflächen (35, 36) befindet, zwischen denen dieser plattenförmige Körper (4) gut wärmeleitend fest eingekeilt (37, 137) ist.
2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Kaltleiter-Material mit einem spezifischen Widerstand von 17 000 Ohm - cm verwendet ist.
3. Heizeinrichtung zur Vorwärmung von Heizöl für Ölheizungen mit einem Heizelement aus Kaltleitermaterial, gekennzeichnet dadurch,
daß zur Vorwärmung einer beliebigen Ölmenge im Bereich von 0,3 bis 2,5 I 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 ρ° von 430 bis 5000 Ohm - cm, gemessen bei der Betriebsspannung von 110 bis 220 V und der gewählten Curie-Temperatur dieses Materials, vorgesehen ist;
und daß das Heizelement in 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 plattenförmige Körper (4) gut wärmeleitend fest eingekeilt (37, 137) ist.
4. Heizeinrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß ein Kaltleitermaterial mit einem spezifischen Widerstand von etwa 4300 Ohm - cm verwendet wird.
5. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Wärmeableitungskörper (32, 132) so ausgebildet ist, daß er an einem Ölförderrohr (5) gut wärmeleitend anzubringen ist.
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