DE1615192C - Induktiv beheiztes Heizrohr - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein induktiv beheiztes Heizrohr, insbesondere zum Beheizen von Bauwerken, Straßenoberflächen, Flugzeugrollbahnen und Transportrohren, die für den Transport von Flüssigkeiten relativ hoher Viskosität bestimmt sind, bestehend aus mindestens einem rohrförmigen ferromagnetischen Außenleiter und einem gut leitenden Innenleiter, wobei lediglich der Innenleiter mit einer Wechselstromquelle verbunden ist.

Gemäß einem älteren Vorschlag der Anmelderin ist es bereits bekannt, für die Beheizung von Bauwerken, Straßenoberflächen, Flugzeugrollbahnen, Transportrohren usw. ein induktiv beheiztes Heizrohr vorzusehen, welches im wesentlichen aus einem ferromagnetischen Außenleiter und einem elektrisch gut leitenden Innenleiter besteht, wobei der Innenleiter an einem Ende des Heizrohres mit dem Außenleiter verbunden ist und sowohl Innenleiter als auch Außenleiter am anderen Ende des Heizrohres mit einer Wechselstromquelle angeschlossen ist (siehe japanische Patentschrift 460 224 bzw. USA.-Patentschrift 3 293 407). Auf Grund des in der Hochfrequenztechnik bekannten Hauteffekts fließen die Ströme im wesentlichen an der Innenseite des Außenleiters, so daß an der Außenseite im wesentlichen keine Potentialunterschiede auftreten.

Eine derartige Ausbildung hat jedoch den Nachteil, daß der aus ferromagnetischem Material wie Stahl bestehende Außenleiter an seinen beiden Enden mit dem Innenleiter bzw. der Anschlußleitung des Wechselstromgenerators verbunden werden muß. Da letztere Leiter in der Regel aus Kupfer oder Aluminium bestehen, treten an den Verbindungsstellen besondere Korrosionsprobleme auf. Insbesondere bei permanenter Verlegung derartiger Heizleiter in Straßenoberflächen oder Flugzeugrollbahnen ergeben sich Schwierigkeiten, da diese Verbindungsstellen einerseits einer gewissen Bodenfeuchtigkeit ausgesetzt sind, andererseits wegen des festen Einbaus schlecht kontrolliert bzw. repariert wgrden können.

Es ist somit bereits bekannt, bei induktiv beheizten Heizrohren den Wechselstromgenerator einzig und allein an dem Innenleiter anzuschließen (siehe deutsche Patentschrift 434 567 und deutsche Auslegeschrift 1012710). Auf Grund der Speisung mit Wechselstrom wird auf Grund des um den Innenleiter sich bildenden elektromagnetischen Wechselfeldes an der Innenseite.des Außenleiters ein in entgegengesetzter Richtung zu dem Strom des Innenleiters fließender Strom induziert, der auf Grund des relativ hohen elektrischen Widerstandes des ferromagnetischen Außenleiters eine Joulesche Erwärmung des Heizrohres ergibt.

Eine derartige Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß an der Außenseite des ferromagnetischen Außenleiters ein gleich großer, entgegengesetzt gerichteter Strom wie an der Innenseite des Außenleiters auftritt, da die Strombahnen irgendwie geschlossen werden müssen. Durch diesen an der Außenseite fließenden Strom entstehen jedoch entlang der Außenseite des Heizrohres Potentiale, die bei starrem Einbau in Bauwerke, Straßenoberflächen oder FlugzeugroUbahnen wegen des Vorhandenseins von Feuchtigkeit zu unerwünschten Korrosionseffekten führen würden bzw. in gewissen Betriebssituationen für das Personal einen Gefahrenherd bilden könnten.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein induktiv beheiztes Heizrohr zu schalten, daß diesen obengenannten Nachteil nicht aufweist und das ohne das Auftreten von besonderen Korrosionsproblemen das Auftreten von Potentialdifferenzen entlang der Außenseite des Heizrohres vermeidet.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Enden des Außenleiters bzw. der Außenleiter durch Hilfsleiter miteinander verbunden sind, und daß die Wandstärke des oder der ferromagnetischen Außenleiter größer als die Eindringtiefe des Stromes

ίο ist.

Auf Grund des Vorsehens von Hilfsleitern, die einerseits gute Leitungseigenschaften aufweisen, andererseits in geeigneter Weise isoliert sein können, besteht die Möglichkeit, daß die an der Innenseite des Außenleiters induzierten elektromagnetischen Ströme über diese Hilfsleiter zurückgeleitet werden können. Unter der Voraussetzung, daß die Wandstärke des ferromagnetischen Außenleiters größer als die Eindringtiefe des Stromes ist, können somit an der

so Außenseite des Heizrohres im wesentlichen keine Potentialunterschiede auftreten. Es ist somit möglich, derartige Heizrohre direkt in Bauwerke, Straßenoberflächen oder Flugzeugrollbahnen zu verlegen, ohne daß später irgendwelche Kontrollen von Kontaktstellen notwendig sind, da der ferromagnetische Außenleiter nicht direkt mit der Wechselstromquelle verbunden ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der den Innenleiter umschließende Außenleiter derart in Windungen gelegt ist, daß sich eine geradzahlige Anzahl von einander Parallelen Schenkeln ergibt. Auf Grund einer derartigen Ausbildung können die Außenleiter äußerst kurz gehalten werden, da jeweils zwei Windungen nebeneinander zu liegen kommen.

Bei Verwendung eines Drehstromgenerators erweist es sich als zweckmäßig, wenn der den Innenleiter umschließende Außenleiter einen geschlossenen Kurvenzug ergibt und an wenigstens zwei Stellen durch Hilfsleiter miteinander verbundene Zuführungsstutzen aufweist, durch welche die Anschlüsse des . ebenfalls in geschlossenem Kurvenzug geführten Innenleiters herausgeführt sind und wenn drei Zuführungsstutzen für einen Dreiphasenanschluß vorgesehen sind und der Außenleiter in Mäanderform ausgelegt ist.

Der Gegenstand nach den Ansprüchen wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizrohres,

F i g. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizrohres in U-förmiger Auslegung,

F i g. 3 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit zwei parallel zueinander angeordneten Heizrohren,

F i g. 4 eine schematische Ansicht von drei nebeneinander angeordneten Heizrohren für den Anschluß an einen Drehstromgenerator, und

F i g. 5 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizrohres zum Anschluß an einen Drehstromgenerator.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung den Längsschnitt und die elektrische Schaltung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizrohres. F i g. 1 zeigt eine Wechselstromquelle 20, einen ferro-

magnetischen Außenleiter 21 und einen elektrischen Innenleiter 22, der gegenüber dem Außenleiter 21 elektrisch isoliert ist. Der Innenleiter 22 ist mit seinen beiden Enden an den Klemmen 23 und 24 der Wechselstromquelle 20 angeschlossen und bildet einen Primärkreis. Die beiden Enden 25 und 26 des Außenleiters 21 sind mit einem, elektrischen Hilfsleiter 27 verbunden, dessen elektrischer Widerstand äußerst klein — d. h. weniger als 10~² Ω beträgt — und durch welchen ein Sekundärkreis gebildet ist.

Sobald ein Wechselstrom in den Primärkreis eingespeist wird, wird in dem durch den Außenleiter 21 und den Hilfsleiter 27 gebildeten Sekundärkreis ein Sekundärstrom induziert. Auf Grund des Hauteilektes wird der durch den Außenleiter 21 iließende Sekundärstrom auf der Innenseite konzentriert. Dieser Sekundärstrom fließt durch den Hilfsleiter 27 und wieder zurück, so daß auf der Außenseite des Außenleiters 21 im wesenlichen keine Spannungen auftreten, solange die Wandstärke des Außenleiters 21 groß gegenüber der Eindringtiefe des Wechselstromes ist. Demzufolge kann der Außenleiter 21 direkt in die zu beheizenden Schichten eingebettet werden, wobei keine Korrosionsprobleme auftreten, da keine Verbindungspunkte zwischen dem ferromagnetischen Außenleiter 21 und dem Innenleiter 22 vorhanden sind.

Um den elektrischen Widerstand des Hilfsleiters 27 so klein wie möglich zu machen, scheint es vorteilhaft, die beiden Enden des Außenleiters so eng wie möglich nebeneinanderzulegen, damit die Länge des Hilfsleiters möglichst kurz gehalten werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel dieses Gedankens ist in F i g. 2 dargestellt, gemäß welcher das Heizrohr U-förmig ausgebildet ist, solange die Speisung eine Einphasen-Wechselstromquelle ist. Fig. 2 zeigt eine Wechselstromquelle 28 und einen U-förmig gebogenen ferromagnetischen Außenleiter 29. Durch den Außenleiter 29 verläuft ein elektrischer Innenleiter 30, der gegenüber der Innenwand des Außenleiters 29 elektrisch isoliert ist. Die beiden Enden des Innenleiters 30 sind mit den beiden Klemmen der Wechselstromquelle 28 verbunden, wodurch ein Primärkreis gebildet ist. Die beiden in engem Abstand voneinander angeordneten Enden 31 und 32 des U-förmigen Rohres 29 sind mit einem niederohmigen Hilfsleiter 33 verbunden, wodurch sich ein Sekundärkreis ergibt. Wenn ein Wechselstrom in den Primärkreis eingespeist wird, dann wird ein im wesentlichen gleich großer, entgegengesetzt der Richtung des Primärstromes fließender Strom in dem Sekundärkreis induziert, wie dies in F i g. 2 durch Pfeile angedeutet ist. Der in dem Außenleiter 29 fließende Strom wird auf dessen Innenseite konzentriert, wobei auf der Außenseite im wesentlichen keine Spannungen auftreten, solange die Wandstärke des Außenleiters 29 groß gegenüber der Eindringtiefe ist. Wenn somit andere leitende Materialien in direkten Kontakt mit der Außenseite des Außenleiters 29 gebracht werden, fließt praktisch kein Strom in diese leitenden Materialien.

Bei Verwendung eines Einphasenwechselstromes kann an Stelle des oben erwähnten U-förmigen Außenleiters ein ferromagnetischer Außenleiter verwendet werden, der eine ungerade Anzahl von U-förmigen Krümmern bzw. eine gerade Anzahl von Schenkeln aufweist, die bei gleicher Länge und paralleler Anordnung mit entsprechenden Hilfsleitern versehen sind.

F i g. 3 zeigt einen Längsschnitt und die elektrische Schaltung einer zwei ferromagnetischen Außenleiter aufweisenden Ausführungsform, wobei ebenfalls als Speisung ein Einphasenwechselstrom einer Stromquelle verwendet ist. Gemäß F i g. 3 ist eine Wechselstromquelle 34 und zwei parallel zueinander angeordnete ferromagnetische Außenleiter 35 und 35' vorgesehen. In diesen Außenleitern liegt ein elektrischer Innenleiter 36, der gegenüber den Außenleitern elektrisch isoliert ist. Die Enden des Innenleiters 36 sind mit den Klemmen der Wechselstromquelle 34 verbunden. Außerdem sind die beiden Enden 37 und 38 des Außenleiters 35 mit den beiden Enden 37' und 38' des Außenleiters 35' über niederohmige Hilfsleiter 39 und 40 verbunden, wodurch ein Sekundärkreis gebildet ist. Wenn in den Primärkreis ein Wechselstrom eingespeist wird, dann wird der in dem Sekundärkreis induzierte Strom auf Grund des Hauteffektes nur auf den Innenseiten dieser Außenleiter 35, 35' konzentriert. Es tritt jedoch keine wesentliche elektrische Spannung auf den Außenseiten der Außenleiter 35, 35' auf, solange die Wandstärke der Außenleiter 35, 35' groß gegenüber der Eindringtiefe des Wechselstromes ist.

Als Stromquelle kann ebenfalls eine Dreiphasenwechselstromquelle verwendet werden. Fig. 4 zeigt den Längsschnitt von drei Heizrohren und ihre elektrische Verbindung für den Fall, daß von der Stromquelle ein Dreiphasenwechselstrom geliefert wird. Diese Figur zeigt eine Wechselstromquelle 41 und drei parallel zueinander angeordnete ferromagnetische Außenleiter 42, 42' und 42", in welchen je ein elektrischer Innenleiter 43, 43' und 43" liegt, der jeweils mit einer der Klemmen der Wechselstromquelle 41 verbunden ist. Die Innenleiter 43, 43', 43" sind gegenüber den Außenleitern 42, 42' und 42" elektrisch isoliert und an einem Punkt 44 miteinander verbunden, so daß ein Primärkreis gebildet ist. Die beiden Enden der Außenleiter 42 und 42' und die beiden Enden der Außenleiter 42' und 42" sind über niederohmige Hilfsleiter 45 und 46, bzw. 45' und 46' miteinander verbunden, wodurch sich ein Sekundärkreis ergibt. Wenn in den Primärkreis ein Dreiphasenwechselstrom eingespeist wird, dann wird in dem Sekundärkreis ein Induktionsstrom induziert, der auf seinem Weg in den ferromagnetischen Außenleitern 42, 42', 42" nur auf deren Innenseiten konzentriert ist. Auf den Außenseiten der Außenleiter 42, 42', 42" tritt jedoch im wesentlichen keine elektrische Spannung auf.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in VerbindungmiteinerSpeisungdurch einen Dreiphasenwechselstrom ist in Fig. 5 dargestellt. An Hand dieser Figur erkennt man die mäanderförmige Auslegung des Außenleiters 48, 54, 55, 56, in welchem ein Innenleiter 49 angeordnet ist, der über die Anschlußstellen 52, 52', 52" mit der Dreiphasenwechselstromquelle 47 verbunden ist. Wie dargestellt sind Hilfsleiter 53, 53' vorgesehen, durch welche die Sekundärkreise geschlossen werden. Da diese Ausführungsform in elektrischer Hinsicht der von F i g. 4 entspricht, erübrigt es sich, auf die Funktionsweise dieser Anordnung näher einzugehen.

Wie oben erläutert ist, hat das erfindungsgeinüße Heizrohr eine sehr einfache Konstruktion. Als Außenleiter können übliche Stahlrohre verwendet werden,

deren magnetische Eigenschaft ausreicht. Wenn beispielsweise ein handelsübliches Stahlrohr verwendet wird, dann reicht eine Dicke von mehr als 2 mm, wenn der Wechselstrom die übliche Netzfrequenz aufweist. Es besteht somit keine besondere Notwendigkeit, Einrichtungen für die Erzeugung eines Wechselstromes höherer Frequenz vorzusehen.

Als Innenleiter für den Primärkreis kommt ein handelsüblicher Draht in Betracht, der mit natürlichem oder künstlichem Gummi, Polyolefinen wie Polyäthylen, Polypropylen oder ähnlichem, Polyhaloolefinen wie Polyvinylchlorid, Polyfluoräthylen oder ähnlichem, Polyamidharz, Polyesterharz, Glasfiber oder ähnlichem isoliert ist. Eine weitere Isolation des Raumes zwischen dem ferromagnetischen Außenleiter und einem derart isolierten Innenleiter ist dabei nicht notwendig. .

Der Temperaturbereich, in dem das Heizrohr der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, hängt von der Art des Isoliermaiciials ab. Beispielsweise werden Innenleiter, die mit natürlichem Gummi oder synthetischem. Butadiengummi oder Polyvinylchlorid isoliert sind, vorzugsweise bei einer niedrigeren Temperatur als 60° C verwendet. Mit Polypropylen isolierte Leiter können hingegen bis zu einer Temperatur von etwa 100° C verwendet werden. Wenn eine höhere Temperatur als 15O⁰C erforderlich ist, ist die Verwendung von Polyfluaräthylen als Isolierung vorzuziehen.

Wie dies bereits erwähnt woiden ist, kann wegen des Fehlens von nennenswerten Spannungen auf der Außenseile des Heizrohres dasselbe mit dem zu heizenden Material in innigen Kontakt gebracht werden, wobei feste Verbindungen mit Metallbändern oder Verschweißungen mit dem zu heizenden Material möglich sind. Dementsprechend ist die Art des Einbaus extrem einfach. In Verbindung mit dessen einfachen Konstruktion, ergibt somit das erfindungsgemäße Heizrohr eine wirtschaftliche Hcizmelhode höchster Zuverlässigkeit und leichter Wartung.

Wenn die Heizrohre vorliegender Erfindung für die Beheizung von Wänden oder Böden, Straßenoberflächen oder Schneeverwehungen oder Vereisungen ausgesetzten Fhigzeugrollbahnen verwendet werden, erweist es sich als zweckmäßig, dieselben in passendem Abstand voneinander als Teil der Bewehrung von Stahlbeton anzuordnen, wobei eine anschließende Abdeckung mit Beton vorgenommen wird.

Eine andere nützliche kommerzielle Anwendung des erfindiingsgemäßen Heizrohres ist die Erwärmung und die Aufrechterhaltung einer erhöhten Temperatur von Transportrohren für Flüssigkeiten, die entweder bei

geringeren Temperaturen erstarren — wie festes Paraffin, Asphalt, Naphtalin, Eisessig, hochkonzentrierte wässerige Lösung von Ätznatron — oder die bei niedriger Temperatur eine hohe Viskosität besitzen — wie z. B. Schweröl oder eine gewisse Art

ίο von Erdöl. In einem solchen Fall kann das Heizrohr in innigen Kontakt mit dem Transportrolir gebracht werden, was durch Verbindung mit Metallbändern oder durch Verschweißen mit der Wandung des Transportrohres möglich ist. Im allgemeinen ist die

Schweißmethode vorzuziehen, weil sie einen besseren Wärmeübergang gestattet.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Induktiv beheiztes Heizrohr, bestehend aus mindestens einem rohrförmigen ferromagnetischen Außenleiter und einem gut leitenden Innenleiter, wobei lediglich der Innenleiter mit einer Wechselstromquelle verbunden ist, dadurch gekenn-

zeichnet, daß die Enden des Außenleiters (21, 29) bzw. der Außenleiter (35,35', 42,42', 42", 48, 54, 55, 5(5) durch Hilfsleiter (27, 33, 39, 4(»_; 45, 45', 46, 46', 53, 53') miteinander verbunden sind, und daß die Wandstärke des oder der ferromagnetischen Außenleiter größer als die Eindringtiefe des Stromes ist.

2. Heizrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter (29) den Innenleiter (30) umschließt und derart in Windungen gelegt

ist, daß sich eine geradzahlige Anzahl von einander parallelen Schenkeln ergibt.

3. Heizrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter (48) den Innenleiter (49) umschließt, einen geschlossenen Kurvenzug

ergibt und an wenigstens zwei Stellen durch Hilfsleiter (53) miteinander verbundene Zuführungsstutzen (51) aufweist, durch welche die Anschlüsse des ebenfalls in geschlossenem Kurvenzug geführten Innenleiters (49) herausgeführt sind.

4. Heizrohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß drei Zuführungsstutzen (51) für einen Dreiphasenanschluß vorgesehen sind und daß der Außenleiter (48) in Mäanderform ausgelegt ist. .

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen