DE2036791A1

DE2036791A1 - Ptfe coated immersion tube - for electrical heating bath with intermediate heat conductivity resistant porcelain layer

Info

Publication number: DE2036791A1
Application number: DE19702036791
Authority: DE
Priority date: 1970-07-24
Filing date: 1970-07-24
Publication date: 1972-01-27

Abstract

The immersion tube has an outer coating of plastic especially PTFE or fluorethylene-propylene sealing the pores of the layer or layers beneath it whch are assembled to a heat conductivity resistance in the region of 0.0115m2h degrees C/kcal. - 0.0015 m2h degrees C/kcal. thus the ptfe. which is chemically inert to strongly oxidising acids such as hydrofluoric acid, is thermally protected from the high temp. heating coil within the immersion tube.

Description

Bezeichnung des Anmeldungsgegenstandes Kunststoff-, insbesondere Polytetrafluoräthylen(PTFE) -ummantelte Tauchrohre für elektrische Badwärmer Anwendungsgebiet Zur direkten Erwärmung von chemischen Lösungen, die vornehmlich in der Beiz- und Galvanotechnik Anwendung finden werden vielfach elektrische Badwärmer eingesetzt. Diese Badwärmer bestehen im wesentlichen aus folgenden, vorwiegend ausbaubaren Teilen; 1) Tauchrohr, 2) Heizkörper, 3) Klemmengehäuse, 4) Anschlußleitung.Designation of the subject of the application plastic, in particular polytetrafluoroethylene (PTFE) -Sheathed immersion tubes for electric bath heaters Application area For direct heating of chemical solutions, which are mainly used in pickling and electroplating technology electric bath heaters are often used. These bath warmers exist essentially from the following, mainly expandable parts; 1) immersion tube, 2) radiator, 3) terminal housing, 4) connecting cable.

Stand der Technik In Anpassung an den chemischen Angriff durch die Badlösung werden die Tauchrohre aus verschiedenen Werkstoffen hergesteUt, z. B. aus Flußstahl für alkalische Badlösungen, aus Edelstahl für salpeter- und phosphorsaure Lösungen, aus Hartporzellan, Quarzgut oder Glas für schwefel- und salzsaure Lösungen, aus Graphit für fluß- und kieselfluorsaure Lösungen.State of the art In adaptation to the chemical attack by the Bath solution, the dip tubes are made from different materials, e.g. B. Made of mild steel for alkaline bath solutions, of stainless steel for nitric and phosphoric acid Solutions made of hard porcelain, quartz or glass for sulfuric and hydrochloric acid solutions, Made of graphite for hydrofluoric and silicofluoric acid solutions.

Ein Problem besteht jedoch bei der direkten Beheizung von Chrombädern, also stark oxidierend wirkenden Lösungen, mit Zusätzen von Flußsäure oder Kieselfluorwasserstoffsäure mittels elektrischer Badwärmer, weil keiner der obengenannten Tauchrohr -Werkstoffe gegen den Angriff der Badlosung chemisch hinreichend beständig-ist.However, there is a problem with the direct heating of chrome baths, so strongly oxidizing solutions, with additions of Hydrofluoric acid or hydrofluoric acid using an electric bath heater because none of the The above-mentioned immersion tube materials are chemically sufficient against attack by the bath solution is constant.

Als chemisch beständige Werkstoffe kommen lediglich einige Kunststoffe, insbesondere Polytetrafluoräthylen (PTFE) und Fluoräthylenpropylen (FEP) in Betracht. Die beiden letztgenannten Werkstoffe sind jedoch thermisch nur bis 2600 C bzw. 2000 C beanspruchbar; andere beständige Kunststoffe weisen noch niedrigere -Werte für die höchstzulässige Dauergebrauchstemperatur auf (z. B. PVC-HT nur 90° C).Only a few plastics are used as chemically resistant materials, especially polytetrafluoroethylene (PTFE) and fluoroethylene propylene (FEP) into consideration. The last two materials mentioned are only thermally up to 2600 C and 2000 respectively C claimable; other resistant plastics have even lower values for the maximum permissible long-term use temperature (e.g. PVC-HT only 90 ° C).

Die Temperatur am elektrischen Widerstandsheizkörper im Innern des Tauchrohres, insbesondere am isolierkeramischen Tragkörper des Heizleiterdrahtes, liegt bei 6000 C, wodurch sich infolge des Wärmeüberganges an das den Heizkörper umgebende Tauchrohr an dessen innerer Oberfläche eine Temperatur von etwa 400° C einstellt, sofern die übertragene Wärmemenge einer spezifischen Belastung der mittleren Wärmedurchgangsfläche von 3 Watt/cm 10 % entspricht.The temperature on the electrical resistance heater inside the Immersion tube, especially on the insulating ceramic support body of the heating conductor wire, is at 6000 C, which is due to the heat transfer to the radiator surrounding immersion tube has a temperature of about 400 ° C on its inner surface set, provided the amount of heat transferred is a specific load of the average Heat transfer area of 3 watts / cm corresponds to 10%.

Kritik des Standes der Technik Der Wert 4000 C besagt, daß sich Kunststoffe zur unmittelbaren Verwendung als Tauchrohre elektrischer Badwärmer aus thermischen Gründen nicht eignen.Criticism of the prior art The value 4000 C means that plastics for direct use as immersion pipes for electric bath heaters from thermal Not suitable for reasons.

Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu finden, wie Kunststoffe wegen ihrer chemischen Beständigkeitseigenschaften für Tauchrohre elektrischer Badwärmer mittelbar eingesetzt werden können. The object of the invention is to provide a solution like plastics because of their chemical resistance properties for dip tubes electric bath heater can be used indirectly.

Lösung Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß zwischen Heizkörper und Kunststoffmantel eine Wärmedämmschicht mit geeigneten Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Dicke) angeordnet wird. Solution This object is achieved according to the invention in that between Radiator and plastic jacket form a thermal insulation layer with suitable properties (Thermal conductivity, thickness) is arranged.

Der Nachweis der Durchführbarkeit wird an einer Rohrkonstruktion mit folgenden Eigenschaften erbracht (Bedeutung der benutzten Buchstaben siehe der dem Patentanspruch nachgehefteten Aktenzeichnung)i tl Innentemperatur der 1. Rohrwand (Wärmedämmschicht) in oc = 400 (siehe letzten Abschnitt des Kapitels Stand der Technik") t2 maximal zulässige Temperatur zwischen der 1. und der 2. Rohrwand in OC # 260 flir PTFE 21 Wärmeleitzahl der 1. Rohrwand (Wärmedämmschicht) in kcal/m h °C rl innerer Radius der 1. Rohrwand (Wärmedämmschicht> in m = 0,0225 r2 äußerer Radius der 2. Rohrwand aus PTFE in m r 0, 028 Stärke der 1. Rohrwand (Wärmedämmschicht) in m 0,0045 L beheizte Rohrlänge in m = 0,4 Q übertragene Wärmemenge in kcal/h S 1720 Nunmehr ist die mittlere Wärmedurchgangsfläche Fm = 0,00505 # # # 0,4 FmI 0, 0, 063 m2 ============== Nach A. Schack: Der industrielle Wärmeübergang, 5. Auflage, 1957, Verlag Stahleisen m.b.H., Düsseldorf, Seite 10, Kapitel "3. Vereinfachte Berechnung der Wärmeleitung in Rohrwänden" kann man als Wärmedurchgangsfläche die Mantelfläche in mittlerer Tiefe, d. h. in der Entfernung r1 + r2 von der Rohrachse einsetzen. The proof of the feasibility is on a pipe construction with the following properties (for the meaning of the letters used, see the the file drawing attached to the claim) i tl internal temperature of the 1st pipe wall (Thermal insulation layer) in oc = 400 (see last section of the state of the art chapter ") t2 maximum permissible temperature between the 1st and the 2nd pipe wall in OC # 260 for PTFE 21 coefficient of thermal conductivity of the 1st pipe wall (thermal insulation layer) in kcal / m h ° C rl inner radius of the 1st pipe wall (thermal insulation layer> in m = 0.0225 r2 outer radius the 2nd pipe wall made of PTFE in m r 0.028 Thickness of the 1st pipe wall (thermal insulation layer) in m 0.0045 L heated pipe length in m = 0.4 Q amount of heat transferred in kcal / h S 1720 The mean heat transfer area is now Fm = 0.00505 # # # 0.4 FmI 0, 0.063 m2 ============== According to A. Schack: The industrial heat transfer, 5th edition, 1957, Verlag Stahleisen m.b.H., Düsseldorf, page 10, chapter "3. Simplified calculation the heat conduction in pipe walls "can be used as the heat transfer surface the jacket surface at medium depth, d. H. Insert at the distance r1 + r2 from the pipe axis.

2 Die nochmalige Berechnung von F nach der Glei-F m chung Fm = (Fa - Fi)/ln a/F1 aus "Hütte", 28. Auflage, 1955, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin Band I, Seite 502, bringt ebenfalls keinen abweichenden Wert, wie nachstehende Berechnung zeigt. 0,0703 Fm = (0,0703 - 0,0565)/ln 0,0565 0,0138 = 0, 219 2 Fm = 0,063 m2 ============== Nebenrechnungen r1 + r2 = 0,02525 m 2 d = 0, 0505 m m 0,0056 # # # 0,4 = 0,0703 0,0045 ### 0,4 = 0,0565 0,0703 ln = ln 1,244 0,0565 log 1,244 log e Anmerkung: Es sei darauf hingewiesen, daß unter Umrechnung der Beziehung 860 kcal/h # 1 kW die spezifische Belastung der mittleren Wärmedurchgangsfläche#3,18 Watt/cm2 beträgt, also innerhalb der im Abschnitt "Stand der Technik" genannten Grenzen liegt. 2 The repeated calculation of F according to the equation Fm = (Fa - Fi) / ln a / F1 from "Hütte", 28th edition, 1955, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin Volume I, page 502, also does not provide any different value than the calculation below shows. 0.0703 Fm = (0.0703 - 0.0565) / ln 0.0565 0.0138 = 0.219 2 Fm = 0.063 m2 ============== Additional calculations r1 + r2 = 0.02525 m 2 d = 0.0505 m m 0.0056 # # # 0.4 = 0.0703 0.0045 ### 0.4 = 0.0565 0.0703 ln = ln 1.244 0.0565 log 1.244 log e Annotation: It should be noted that converting the relationship 860 kcal / h # 1 kW the specific load on the mean heat transfer area is # 3.18 watt / cm2, that is, within the limits stated in the section "State of the art".

Nebenrechnungen 0,095 = = 0,219 0,4343 Die Gleichung für die Ermittlung der Temperatur zwischen der 1. und der 2. Rohrwand lautet Nachdem für PTFE die Bedingung t2 = 260° C gestellt ist, ergibt sich: s1 Auflösung nach ergibt sich: #1 ---------------------s1 Bezeichnet man als den Wärmeleitungswiderstand, so gilt die Aussage: #1 zur Erreichung der gestellten Bedingung (t2 # 260° C) muß der Leitungsm2 h °C widerstand der Wärmedämmschicht 0,00513 betragen.Additional calculations 0.095 = = 0.219 0.4343 The equation for determining the temperature between the 1st and 2nd pipe wall is as follows After the condition t2 = 260 ° C has been set for PTFE, the result is: s1 resolution after results in: # 1 --------------------- s1 If the thermal conduction resistance is used, the following applies: # 1 To achieve the set condition (t2 # 260 ° C), the conduction m2 h ° C resistance of the thermal insulation layer should be 0.00513.

kcal Setzt man nun für die Stärke s1 der 1. Rohrwand 0,001 m, 0,003 m, 0, 005 m, 0, 008 m und 0, 01 m, so ergeben sich nach Einsetzen s1 in die Beziehung = 0,00513 die zugehörigen, für die Erfüllung #1 der gestellten Bedingung (t2 # 260° C) notwendigen Wärmeleitzahlen #1 in keal/m OC wie folgt: 81 0,001 0,003 0,005 1 0,008 0,01 #1 0,195 0,585 0,975 1,559 1,949 Erzielbare Vorteile Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß jeder gegen den Angriff der Badlösung chemisch beständige Kunststoff zur Ummantelung von elektrischen Badwärmern verwendet werden kann, sofern zwischen dem elektrischen Heizkörper und dem Kunststoff eine in der Weise wärmedämmend wirkende Wand, erforderlichenfalls auch aus mehreren Schichten bestehend, angeordnet wird, daß in der Grenzschicht zwischen warmedämmender Wand und Kunststoff die für den Kunststoff maximal zulässige Dauergebrauchstemperatur nicht überschritten wird.kcal If one now sets 0.001 m, 0.003 m, 0.005 m, 0.008 m and 0.01 m for the thickness s1 of the 1st pipe wall, then after inserting s1 into the relationship = 0.00513 the associated, for the fulfillment of # 1 of the set condition (t2 # 260 ° C) necessary thermal conductivity # 1 in keal / m OC as follows: 81 0.001 0.003 0.005 1 0.008 0.01 # 1 0.195 0.585 0.975 1.559 1.949 Achievable Advantages The advantages achieved by the invention are that any plastic that is chemically resistant to attack by the bath solution can be used for sheathing electric bath heaters, provided that between the electric heater and the plastic there is a thermally insulating wall, if necessary also of several Layers consisting, is arranged that in the boundary layer between the heat-insulating wall and plastic, the maximum permissible long-term use temperature for the plastic is not exceeded.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels Eine technisch durchführbare Lösung zur Verwendung von PTFE als mittelbare Ummantelung von elektrischen Badwärmern ergibt sich durch die Anordnung einer Wärmedämmschicht aus Hartporzellan mit einer Dicke von 5 mm und einer Wärmeleitzahl von 0,975 kcal/ m h °C. Gemäß dem der Aktenzeichnung nachgehefteten Schreiben der Staatlichen Porzellan-Manufaktur Berlin, Berlin, vom 20. 7. 1970 weist jedoch deren Hartporzellan eine Wärmeleitfähigkeit von nur 0, 864 kcal/m h °C auf, wodurch sich aus der Beziehung s # = 0, 0,00513 die für die Erfüllung der für PTFE gestellten Bedingung (t2 2600 C) erforderliche Wandstärke mit 4,43 mm ergibt.Description of an exemplary embodiment A technically feasible one Solution for using PTFE as an indirect coating for electrical bath heaters surrendered by arranging a thermal insulation layer made of hard porcelain with a thickness of 5 mm and a thermal conductivity of 0.975 kcal / m h ° C. According to the Letter from the State Porcelain Manufactory attached to the file drawing Berlin, Berlin, dated July 20, 1970, however, their hard porcelain exhibits thermal conductivity of only 0.864 kcal / m h ° C, which results from the relationship s # = 0.00513 the necessary for the fulfillment of the condition set for PTFE (t2 2600 C) Wall thickness of 4.43 mm results.

Variiert man den Wärmeleitungswiderstand , in den Grenzen von 0, 0115 bis 0, 0015 m2/k h so kcal so ergibt sich ein Temperatur -abfall in der Wärmedämmschicht zwischen 3140 C und 410 C. Damit ergeben sich folgende konstruktiven Möglichkeiten bei einem Temperaturabfall von 314° C 41° C 1. unter Beibehaltung von tl 14000 C und einer spezifischen Belastung der mittleren Wärmedurchgangsfläche von 3 W/cm 2 # 10 % können bis 900 C thermisch beständige Kunststoffe (z. B. PVC-HT) Verwendung finden (4000 C - 3140 Cl 860 C); 2. unter Erhöhung von tl bis auf 574 0C durch entsprechende Steigerung der 1. unter Senkung von tl auf 3000 C durch Herabsetzung der übertragenen Wärmemenge und damit der spezifischen Belastung der mittleren Wärmedurchgangsfläche kann PTFE immer noch Verwendung finden (die Senkung von tl auf 3000 C kann z. B. If the thermal resistance is varied within the limits of 0, 0115 to 0.0015 m2 / k h so kcal this results in a temperature drop in the thermal insulation layer between 3140 C and 410 C. This results in the following design options with a temperature drop of 314 ° C 41 ° C 1. while maintaining tl 14000 C and a specific load on the mean heat transfer area of 3 W / cm 2 # 10% can use plastics (e.g. PVC-HT) that are thermally resistant up to 900 C find (4000 C-3140 Cl 860 C); 2. while increasing tl up to 574 0C by appropriate Increase in the 1st with lowering from tl to 3000 C by reducing the transferred Amount of heat and thus the specific load on the average heat transfer area PTFE can still be used (the reduction from tl to 3000 C can e.g.

übertragenen Wärmemenge und damit der spezifischen Belastung der mittleren Wärmedurchgangsfläche kann PTFE immer noch Verwendung finden (574° C - 314° C = 260° C).transferred amount of heat and thus the specific load of the middle PTFE can still be used for heat transfer surface (574 ° C - 314 ° C = 260 ° C).

erforderlich werden durch die maximale Temperaturbeständigkeit des gewählten Werkstoffes der Wärmedämmschicht (300° C - 41° C = 259° C).required by the maximum temperature resistance of the selected material of the thermal insulation layer (300 ° C - 41 ° C = 259 ° C).

Claims

Claim

Immersion tube for electric bath heaters, characterized in that the immersion tube is composed of several wall layers, the outer wall layer made of plastic (pipe, hose, film, dispersion), possibly applied in multiple layers to achieve pore tightness, while the one under the plastic (n) Wall layer (s) is (are) constructed in such a way that their thermal resistance 0.005 m2 h ° C / kcal + 130% - 70%, i.e. in the range from 0.0115 mh ° C / kcal to 0.0015 mh ° C / kcal.

Re: thermal and electrical properties of the mass from which the porcelain pipes for bath heaters are made: Line @ are thermal expansion coefficient α = 3.2 x 10 - 6 m t X specific heat @ = 0.187 kcal. kg- 1. ° C- 1 thermal conductivity # = 0.864 kcal. h- 1 x m-1. ° C- 1 thermal diffusivity a = 19.5 x 10- 4 m2. h- 1 dielectric strength Ed = 346 KV cm-1 specific volume resistance (effective resistance) Temperature #. cm oC 15 - 40> 10 @@ 20 3. l0 14 300 4 d 10 400 4. 10 6 500 5. 10 800 1. 10 1000 2.6. 10 Tracking resistance level T 5 The values were determined by the Physikal.-Technische Bundesanstalt Berlin according to VDE 0335 and DIN 53 480.