气体电加热器的制作方法

本发明涉及气体电加热器。本发明还涉及用于加热气体电加热器中的气体的方法。

背景技术：

1、包括电加热管的通流式气体电加热器是已知的，待加热的气体被传导通过所述电加热管。

2、us927173公开了一种具有由镍管构成的电阻构件的电加热器。在壳体中，大量薄壁镍管通过绝缘安装在横向金属板壁中。镍管通过适当置放的金属板条被串联插置，从而形成用于电流的不间断导体。

3、us4233494公开了一种用于流体的通流式加热器，特别是用于对空气精馏系统中的二氧化碳吸附器进行再生的空气加热器。

4、一种不同类型的气体加热器包括延伸穿过平行布置的若干管的一个或多个电加热线，例如，如us2018/098385中所公开的那样。这种类型的气体加热器与包括电加热管的上述类型的流体加热器明显不同。也就是说，电加热线所延伸穿过的管必须是电绝缘的。这也意味着，这些管可以定位成在管束中彼此抵接。此外，气体主要通过电加热线进行加热，其次由电加热线间接地加热的这些管来进行加热。

5、为了确保气体电加热器的正确操作，重要的是气体电加热器的这些管彼此分离。因此，气体电加热器的这些管的悬置是复杂的，并且可能需要复杂的悬置布置来满足其悬置要求和电绝缘要求。特别是，如果气体电加热器应包括大量平行管，则悬置需要足够强固，以承载该大量平行管的重量。

技术实现思路

1、将有利的是实现一种改进的气体电加热器，该气体电加热器克服或至少减轻上述缺点中的至少一些缺点。特别地是，将期望的是能够高效地悬置气体电加热器的大量管。为了更好地解决这些问题中的一个或多个问题，提供了一种具有独立权利要求中限定的特征的气体电加热器。

2、根据本公开的一方面，提供了一种气体电加热器，所述气体电加热器包括：壳体，所述壳体具有入口腔室和出口腔室；导电管的管束，所述导电管的管束至少包括第一导电管和第二导电管，所述管束中的管被布置为彼此平行且平行于纵向轴线，并且被布置为在所述壳体内部，位于所述入口腔室和所述出口腔室之间；电导体，所述电导体用于将所述管束中的管与供电电源连接；绝缘元件，所述绝缘元件包括第一绝缘元件，所述第一绝缘元件被构造用以将所述第一管与所述第二管电绝缘；支撑元件，所述支撑元件被布置在所述壳体内部并且被构造用以支撑所述管束，其中所述管束中的每个管具有入口开口和出口开口，其中所述入口开口连接到所述入口腔室，所述出口开口连接到所述出口腔室，其中所述第一管承载所述第一绝缘元件。

3、因此，第一管支撑第一绝缘元件。特别地是，第一管部分地或完全地承载绝缘元件的重量。在这个意义上讲，根据本公开，第一绝缘元件被安装到第一管。

4、这一特征有助于支撑和绝缘的分离，这也有助于灵活的设计方案，以根据所需的应用来调整气体电加热器。

5、根据实施例，所述管束中的每个管从面向天空的端部沿着重力方向朝向面向地面的端部延伸，使得所述纵向轴线被竖直对准。

6、这种竖直对准便于从单个悬置点垂下每个管，使得不需要对管的进一步支撑。此外，由于重力场在近地环境中是非常均匀的，因此使用重力使这些管彼此平行对准变得简单，特别是在气体电加热器包括大量的导电管（例如400个导电管）的情况下。这些管的近乎完美的平行对准总是优选的，因为它以最小的能量耗散引起均匀的流量分布。

7、根据实施例，所述管束中的每个管从第一端朝向第二端水平地延伸，使得所述纵向轴线被水平对准。当将相应的气体电加热器添加到现有的工业机器时，这种水平对准可能是有利的。

8、根据实施例，所述纵向轴线可以具有在0度和180度之间的任何倾斜角度。

9、替代性地是，气体电加热器在本文中可以简称为气体加热器或加热器。气体电加热器可以用于在工业工艺中加热气体。例如，经加热的气体可以用于工业工艺，它可以是工业工艺中的能量载体，并且/或者它可以用作工业工艺中的热源。

10、这里，替代性地是，导电管，特别是第一导电管和第二导电管，可以称为管。

11、多个管被布置成由管形成的管束。在所述管束中，这些管以彼此相距一定距离的方式平行布置。

12、气体加热器提供了直接电加热的管，从而提供了直接通电的管，这些管没有任何附加的加热元件，并且从而为气体加热器的简单构造提供了基础。气体加热器具有简单的结构，只需要几个不同的部件。尽管加热器可以包括数百个单独的管，但是这些管可以是有限数量的不同类型的管。这尤其使得气体加热器在操作上是可靠的。

13、根据实施例，这些管具有较小的直径和较薄的壁厚，特别地是，直径为7–30毫米，并且特别地是，壁厚为1mm-3mm。因此，可以在给定体积的气体加热器中设置大量的管。因此，这些管提供了对壳体容积的高效利用，并且因此提供了对待加热气体的高效热传递。

14、此外，由于这些数量的管被构造为连接到外部的供电电源，因此这些管由于其固有电阻而被直接电加热。如此提供的电能被高效地转换成热量，该热量被传递到气体电加热器中的待加热的气体。

15、每个管提供了用于待加热的气体的、从入口腔室到出口腔室的流动通路。根据实施例，这些管的内部没有从中延伸穿过的任何热生成构件。换言之，这些管不具有从中延伸穿过的任何内部元件，例如金属丝加热元件。

16、根据实施例，管束被布置在壳体的内部，所述壳体不仅保护管束，而且另外还可以被设计为压力容器。如果壳体被设计为压力容器，则这意味着所述数量的管中的各个管不是必须能够承受在其内部和外部之间的、比将由气流引起的压降大的任何压力差。因此，另外，不需要压力额定管。

17、外部供电电源可以包括干线电源，或者可以经由变压器连接到干线电源，所述变压器用于调整供应到气体电加热器的电流的电压。

18、在气体加热器的使用期间，入口腔室充当歧管，以用于将汇流的气体流分布到各个管。出口腔室充当歧管，以用于将已在各个管中加热的气体汇聚成一个汇流的气体流。

19、所述管包括电阻材料，所述电阻材料是电导体。当电流流过电阻材料时，电流导致电阻材料被加热。

20、根据实施例，电阻材料是形成氧化铝的材料。氧化铝将形成保护层，并且由此，这些管可以承受高温并可以承受其它恶劣的环境条件，从而可以允许将气体加热到高温。此类材料的示例是kanthal公司以商标名kanthal®apmt和kanthal®apm销售的材料。

21、根据替代性实施例，这些管由钼基合金形成。当待加热的气体是诸如氢或氮的非氧化性气体时，可以使用这种合金。

22、根据实施例，所述第一绝缘元件仅安装到第一管，使得绝缘元件围绕第一管的外表面的一部分。因此，所述管束中的各个管承载各个绝缘元件。这种解决方案可以制造得非常简单并且具有成本效益。

23、根据实施例，所述第一管具有外部支撑凸缘，其中绝缘元件支承在所述支撑凸缘上。这也是用于在所述管束中的管之间支撑绝缘元件的非常简单且成本有效的解决方案。如果管被竖直对准，则此解决方案将发挥作用。

24、根据实施例，所述第一绝缘元件是围绕所述第一管的外表面的至少一部分的绝缘套管。这种绝缘套管使第一管与第二管充分绝缘。此外，如果纵向轴线被竖直对准，并且绝缘套管的面向地面的端部支承在相应的管的支撑凸缘的抵接表面上，则可以容易地安装绝缘套管。

25、根据实施例，所述绝缘套管具有在10mm至20mm范围内的径向壁厚。已经表明，对于许多工业应用而言，这样的壁厚足以使两个相邻的管彼此绝缘。

26、根据实施例，所述第一绝缘元件由陶瓷材料制成。

27、根据实施例，所述第一绝缘元件的纵向延伸小于所述管束中的管的纵向延伸的50%。

28、根据实施例，所述第一绝缘元件的纵向延伸小于所述管束中的管的纵向延伸的49%。

29、根据实施例，所述第一绝缘元件的纵向延伸小于所述管束中的管的纵向延伸的45%。

30、根据实施例，所述第一管的所有的绝缘元件的所有的纵向延伸的总和小于所述管束中的管的纵向延伸的50%。

31、根据实施例，所述第一管的所有的绝缘元件的所有的纵向延伸的总和小于所述管束中的管的纵向延伸的49%，但是大于所述管束中的管的纵向延伸的1%。

32、根据实施例，所述第一管的所有的绝缘元件的所有的纵向延伸的总和小于所述管束中的管的纵向延伸的45%，但是大于所述管束中的管的纵向延伸的5%。

33、根据实施例，所述第一绝缘元件的纵向延伸在10mm至300mm的范围内。

34、根据实施例，所述第一绝缘元件的纵向延伸在20mm至100mm的范围内。

35、因此，绝缘元件是比较短的。使用短的绝缘元件是非常有材料效率的，并且因此具有成本效益。

36、根据实施例，所述第一绝缘元件和所述支撑元件沿着纵向轴线布置，使得在第一绝缘元件与支撑元件之间形成间隙。所述间隙的轴向长度可以取决于气体加热器内部所达到的温度。所述间隙被构造用以保证在气体加热器的操作期间在相邻的管之间不存在短路事件。

37、根据实施例，所述间隙的轴向延伸大于所述第一绝缘元件的轴向延伸。

38、根据实施例，所述绝缘元件包括一组多个绝缘元件，其中该一组多个绝缘元件中的每个绝缘元件安装到导电管。因此，这些管承载绝缘元件。绝缘元件可以以最高效的方式分布，以便一方面保证管的绝缘，并且另一方面最小化气体加热器的材料成本和重量。

39、根据实施例，所述管束中的每个管承载至少一个绝缘元件，例如围绕相应的管的外表面的绝缘套管。这降低了在气体加热器的操作期间发生短路的风险。

40、根据实施例，所述管束中的每个管承载多个绝缘元件，例如绝缘套管。这进一步降低了在气体加热器的操作期间发生短路的风险。

41、根据实施例，所述绝缘元件包括至少两个绝缘元件，所述至少两个绝缘元件在轴向上彼此隔开并且在彼此之间限定出轴向间隙。此外，该间隙被构造用以保证在气体加热器的操作期间在相邻的管之间不存在短路事件。

42、根据实施例，除了所述第一绝缘元件之外，所述第一管还承载第二绝缘元件和第三绝缘元件，其中，从所述第一管的所述入口开口沿着所述第一管看，所述第一绝缘元件、所述第二绝缘元件和所述第三绝缘元件以从所述第一绝缘元件开始并以所述第三绝缘元件结束的顺序布置，其中，所述第二绝缘元件布置为邻近所述第一绝缘元件且邻近所述第三绝缘元件，其中，所述第二绝缘元件和所述第三绝缘元件之间的距离小于所述第一绝缘元件和所述第二绝缘元件之间的距离。当从入口开口到出口开口行进时，这种距离减小的顺序布置是由沿着管的温度分布引起的。由于管从入口开口到出口开口变得越来越热，所以在出口开口附近的较热区域中比在入口开口附近的较冷区域中需要更高频率的绝缘元件。

43、根据实施例，管束中的各个管的相邻绝缘元件之间的距离发生变化并且/或者在0至700mm的范围内。

44、根据实施例，所述绝缘元件包括至少三个绝缘元件，所述至少三个绝缘元件在轴向上彼此隔开并且在彼此之间限定出轴向间隙。对于长管来说，提供更大数量（>2）的轴向间隔开的绝缘元件是有利的。

45、根据实施例，所述第一绝缘元件仅安装到所述第一管并沿着所述纵向轴线的第一轴向段延伸，并且另一绝缘元件仅安装到另一个管并且沿着所述纵向轴线的第二轴向段延伸，其中所述第一轴向段和所述第二轴向段重叠，其中所述第一管和所述另一个管被布置为使得在所述气体电加热器的操作期间，所述另一绝缘元件和所述第一绝缘元件彼此接触或者能够进行彼此接触。

46、根据实施例，导电管的所述管束包括多于两个导电管，其中所述绝缘元件被设计和布置为使得所述管束中的各对相邻的管在第一轴向区段内至少通过所述绝缘元件中的单个绝缘元件而彼此隔开且电绝缘。

47、根据实施例，所述支撑元件包括主要区段，其中所述主要区段包括金属材料，其中，所述主要区段与所述导电管电绝缘。对于在管束中包括大量管的气体加热器来说，这些管的总重量非常大，使得支撑元件应该足够强固。这种强度可以通过所描述的包括金属材料的主要区段来实现。

48、根据实施例，所述支撑元件被构造用以支撑所述管束中的管，使得所述管束中的每个管朝向地面垂下，其中第一管从第一悬置点垂下，并且第二管从第二悬置点垂下。

49、根据实施例，取决于纵向轴线的倾斜度，所述支撑元件还可以被构造用以支撑所述管束中的管，以确保每个管彼此分离，并确保管被保持在期望的位置上。

50、根据实施例，所述第一悬置点是第一管的唯一悬置点，并且第二悬置点是第二管的唯一悬置点。这种关于各个管的单点悬置简化了所述管束中的管的平行对准。

51、根据实施例，所述纵向轴线被竖直对准，并且所述第一管的面向地面的端部是自由悬垂的。

52、根据实施例，所述支撑元件包括绝缘区段，其中所述绝缘区段被构造用以将第一管和第二管中的每一个管与支撑元件的金属区段电绝缘。

53、根据实施例，所述绝缘区段包括陶瓷材料。

54、根据实施例，所述支撑元件至少在第一轴向安装点处和第二轴向安装点处安装到壳体，其中第一轴向安装点与第二轴向安装点具有相对彼此的非零的轴向距离。

55、根据实施例，所述支撑元件包括支撑板，其中所述支撑板布置在垂直于纵向轴线的平面中，使得所述支撑板具有第一侧表面和第二侧表面，其中至少所述第一管和所述第二管被机械地连接到所述支撑板，其中所述第一管和所述第二管与支撑板电隔离。

56、根据实施例，所述支撑元件还包括悬架臂，所述悬架臂被连接到所述支撑板的第一侧表面的中心并且被构造用以相对于所述壳体安装所述支撑板。

57、根据实施例，所述支撑板包括至少第一通道和第二通道，所述第一通道和所述第二通道两者均从所述第二侧表面贯穿所述支撑板延伸到所述第一侧表面，其中所述第一管的一部分延伸通过所述第一通道，其中所述第二管的一部分延伸通过所述第二通道，其中所述气体电加热器包括导电的连接器元件，其中所述第一管经由所述连接器元件被电连接到且机械连接到所述第二管，使得电流能够传导通过所述第一管、所述第二管和所述连接器元件，其中所述连接器元件布置在所述支撑板的所述第一侧表面上或布置在所述第一侧表面上方，其中所述连接器元件和所述支撑元件被构造用以将所述连接器元件与所述支撑元件的导电区段电绝缘。因此，无论如何都需要连接管的所述连接器元件还用于支撑所述管。因此，这种解决方案是非常材料高效的。

58、根据实施例，电绝缘的插入件被布置在所述第一通道的内表面与所述第一管之间，使得所述第一管与所述支撑板电绝缘，其中另一电绝缘的插入件被布置在所述第二通道的内表面与所述第二管之间，使得所述第二管与所述支撑板电绝缘。因此，在气体加热器的操作期间，不存在由于所述管束中的管与所述支撑板接触而导致短路的风险。

59、根据实施例，两个电绝缘的插入件都是陶瓷套管。

60、根据实施例，所述支撑元件还被构造用以将所述第一管与所述第二管电隔离。

61、根据实施例，所述支撑元件包括与绝缘元件相比不同的材料或材料成分。

62、根据实施例，所述绝缘元件中的至少单个绝缘元件还被构造用以支撑所述导电管中的管。

63、根据实施例，所述管束中的导电管的一对相邻管的彼此之间的距离在10mm至30mm的范围内。

64、根据实施例，所述管束中的导电管的一对相邻管的彼此之间的距离在15mm至20mm的范围内。

65、在前述以及以下实施例和所附权利要求书的详细描述中，参考了气体电加热器或用于加热气体加热器的方法，所描述的特征可应用于气体电加热器以及用于加热气体的方法。

66、根据本公开的一个方面，提供了一种用于加热根据前述权利要求中的任一项所述的气体电加热器中的气体的方法，包括以下步骤：将气体供应到所述入口腔室，由此所述气体沿着平行于所述气体电加热器的纵向轴线的气体流动路径经由所述管的内部被传导到所述出口腔室；向所述管提供电流，以加热所述管；继续将气体沿着竖直的气体流动路径经由所述管的内部传导到所述出口腔室；以及将气体引出所述出口腔室。

67、根据实施例，提供了一种用于加热根据前述权利要求中的任一项所述的气体电加热器中的气体的方法，包括以下步骤：将气体供应到所述入口腔室，由此所述气体沿着平行于所述气体电加热器的纵向轴线的竖直的气体流动路径经由所述管的内部被传导到所述出口腔室；向所述管供给电流，以加热所述管；继续将气体沿着竖直的气体流动路径经由所述管的内部传导到所述出口腔室；以及将气体引出所述出口腔室。