AT522500A1

AT522500A1 - Spiralwärmetauscher

Info

Publication number: AT522500A1
Application number: AT601042019A
Authority: AT
Inventors: Manfred Ddipl Ing Dr Gruber
Original assignee: Att Advanced Thermal Technologies Gmbh
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2020-11-15
Also published as: EP3731596B1; EP3731596A2; ES2886339T3; AT522500B1; EP3731596A3

Abstract

Vorrichtung zur Erwärmung eines Fluids mittels elektrischer Energie, wobei ein zylindrisches Gehäuse (2) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (5) für das Fluid vorgesehen ist, und der Einlass (3) mit dem Auslass (5) über einen innerhalb des Gehäuses (2) verlaufenden Strömungskanal (1) für das Fluid verbunden ist, der einen sich mit zunehmendem Abstand zur Zylinderachse auswärts windenden spiralförmigen Strömungskanalabschnitt (1a) aufweist , sowie einen sich mit abnehmendem Abstand zur Zylinderachse einwärts windenden spiralförmigen Strömungskanalabschnitt (1b). Deren Wandung wird aus einem als bahnförmiges Heizelement (4) ausgeführten elektrischen Heizelement (4) gebildet, das mit PTC-Widerstandselementen versehen ist. Der vorgeschlagene Strömungskanal (1) ermöglicht es, dass sich beidseits des spiralförmig angeordneten Heizelements (4) an jeder Stelle Fluide mit Temperaturen befinden, deren Durchschnitt jeweils konstant ist. Dadurch wird der unerwünschte Effekt einer Reduktion der Heizleistung durch den PTC-Effekt eliminiert, was die mögliche Heizleistung der Vorrichtung in einem gegebenen Bauraum drastisch erhöht .

Description

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18.04.2019

Spiralwärmetauscher

Technische Beschreibung

Im Rahmen der innerbetrieblichen F&E wurde ein elektrischer Wärmetauscher entwickelt, der bei sehr kompakter Bauweise eine sehr rasche Aufheizung von Fluiden und Gasen ermöglicht. Der im Vergleich zum Stand der Technik viel höhere Wirkungsgrad kommt durch eine spiralförmige Anordnung und die dadurch mögliche große Oberfläche des Heizelements, das beidseitig umströmt wird, zustande.

Das Heizelement wird unter Anwendung einer proprietären Flächenheiztechnologie ein bandförmiges Heizelement konstruiert, gefertigt und in ein Gehäuse integriert. Das Heizelement besteht aus einem Substrat (vorzugsweise aus Kunststoff), einer Wärmeverteillage aus Metall, Elektroden und einer Heizschicht aus PTC-Material (Carbonpasten oder Keramikschichten), das als Ohmscher Widerstand wirkt und im Siebdruckverfahren aufgebracht wird. Nach außen kann das Heizelement durch eine dielektrische Deckfolie isoliert sein.

Das PTC-Material ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand des Materials mit steigender Temperatur (verursacht durch Betrieb oder passive Erwärmung) ansteigt und das Material bei der materialspezifischen Abregelungstemperatur schließlich hochohmig wird. Dadurch sinkt die elektrische Heizleistung und somit kommt es zu keiner weiteren Erwärmung. Dies gilt auch für lokale thermische Inhomogenität wie z.B. Lufteinschlüsse im Fluid. Das verwendete Heizelement ist dadurch selbstregelnd und kann nicht überhitzen. Gleichzeitig ermöglicht das PTC-Material eine im Vergleich zu herkömmlichen Widerstandsmaterialien eine besonders rasche Aufheizung.

Deckfolie

PTC-Material

Elektroden \

Substrat

a AN a nn. a u Sr

NN Wärmeverteillage SS

Abbildung 1: Querschaitt Heizelement Deckfolie

Abblidung 2: Draufsicht Heizelement en “ Faltlinie

Vor dem Einbau in das Gehäuse kann das Heizelement, das als Folie ausgeführt ist, so gefaltet werden, dass sich die Wärmeverteillage außen befindet und somit der Gehäuseinnenseite zugewandt ist. Daher stellt die Wärmeverteillage einerseits den Wärmeübergang zwischen Heizelement und dem Fluid / Gas

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Bank und Sosrkassen AG FB-Nr. 419205& www.thermaltech.at 5 1 / 13:5 UID-Nr. ATUS8830036

sicher und entkoppelt andererseits die elektrisch leitenden Schichten (Elektroden und Heizschicht) vom Fluid / Gas. Es gibt somit keine Schnittkanten der Heizfolie, die dem Fluid / Gas ausgesetzt sind. Ein Kurzschluss ist somit dank der erfindungsmäßigen Konstruktion ausgeschlossen.

Durch die Verwendung flexibler, dünner Materialien lässt sich das Heizelement spiralförmig in das Gehäuse integrieren.

Das Gehäuse ermöglicht eine einfache Herstellung bei kleinem Bauraum und gleichzeitig hoher Heizleistung. Es besteht im Wesentlichen aus drei Elementen, die im Spritzgussverfahren, 3D-Druck oder durch Fräsen hergestellt werden können.

Abbildung 3: Transparente Ansicht des Spirahwürmetauschers 2 N Ns sszs SS

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Abbildung 5: Grundplatte mit eingelegtem Heizelement

he Bank und Sosrkassen AD FB-Nr. 419205& www.thermaltech.at 81 sc2 / 13:25 UID-Nr. ATUS8830035 z

552478 36 52478-4

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Abblidung 5: Grundpiatte mit Heizelement und Seitentell (Element 2}

Deckel (Element 3)

Abbildung 7: Zusammenbau

Bank und Sosrkassen AG FB-Nr. 419205& www.thermaltech.at 1 53 / 1 335 UID-Nr. ATUS8830036

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Abhildung 8: Seitenansicht Spirahwärmetauscher

Ausschlaggebend sind die Zylinderform des Gehäuses und die spiralförmige Verlegung des Heizelements im Inneren, nicht die Anzahl der Einzelteile. Der Zu- und Abfluss durchstoßen die Grundplatte und den Deckel des Gehäuses und liegen einander in der Regel gegenüber, können sich jedoch auch beide auf einer Seite liegen oder das Seitenteil durchstoßen. Durch Vergießen der Austrittstelle des Heizelements durch das Gehäuse mit Vergussmasse oder Klebstoff wird die Dichtheit sichergestellt. Das nach außen ragende Ende des Heizelements wird als Kontaktierungslasche für den elektrischen Anschluss verwendet.

Bereich wird vergossen

Abbildung 9: Kontaktierung Kontaktierung Heizelement

In der folgenden Abbildung ist der Strömungspfad dargestellt.

ATT acvanced thermal technologies GmbH Steiermär| ank und Soarkassen AG FB-Nr. 419205& www.thermaltech.ot Gewerb 5 IE TE ; 4 / 13:25 UID-Nr. ATUS8830036 A-8143 Dobi-Zwailng BIC STSPÄT2G

Fax. +43 3126 52478-4

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Einströmstelle des kühlen Fluids / Gases

Ausströmstelle des erhitzten Fluids / Gases

Abbildung 10; Stremungspfod

Der erfindungsgemäße Strömungspfad leitet das zentral durch den Zufluss eintretende kühle Fluid / Gas entlang der durch das spiralförmige Heizelement gebildeten labyrinthartigen Bahn nach außen, WO es umgelenkt wird und wieder auf einer zwischen den zuerst durchflossenen Bahnen verlaufenden Bahn nach innen fließt und durch den Abfluss wieder aus dem Gehäuse tritt. Da die Bahnen aus dem Heizelement gebildet werden, erwärmt sich das Fluid / Gas dabei, wenn dieses eingeschaltet ist und so seine Wärme an das Fluid / Gas abgibt, was durch die Wärmeverteillage in besonderer Weise begünstigt wird.

Der PTC-Effekt des Heizelements bewirkt, dass in den äußeren Bereichen der Spirale der elektrische Widerstand des Heizelements durch die höhere Temperatur des Fluids / Gases steigt und die Heizleistung sinkt, was im Widerspruch zum Ziel der möglichst starken Erwärmung des durch den Spiralwärmetauscher strömenden Fluids / Gases entlang des gesamten Strömungspfads steht.

Der erfindungsmäßige Strömungspfad ermöglicht es nun in vorteilhafter Weise, dass sich beidseits des spiralförmigen Heizelements an jeder Stelle Fluide / Gase mit Temperaturen befinden, deren Durchschnitt jeweils konstant ist.

jermärkische Bank ind Saar FB-Nr. 419205% www.thermaitech.gt SATE6 2081 509 / 13:35 UID-Nr. ATUS3830035

BIC STSPATZG

Einströmstelle des kühlen Fluids / Gases

Ausströmstelle des erhitzten Fluids / Gases

Abbildung 21: Temperaturverlauf Fluid f Gas

So befindet sich im Bereich der Einströmstelle das kühlste Fluid / Gas, während sich auf der anderen Seite des Heizelements das heißeste Fluid / Gas befindet, weil dieses bereits den gesamten Strömungspfad durchflossen und daher die maximale Heizleistung aufgenommen hat. Der Durchschnitt der beiden Temperaturen entspricht weitgehend der Temperatur an der Umlenkstelle des Strömungspfads, wo das kühle Fluid / Gas etwa die Hälfte des Strömungspfades durchflossen und somit etwa die Hälfte der Heizleistung aufgenommen hat.

Da an jeder Stelle des Heizelements die durch das Fluid / Gas entstehende Durchschnittstemperatur konstant ist, wird der unerwünschte Effekt einer Reduktion der Heizleistung durch den PTC-Effekt eliminiert, was die mögliche Heizleistung des Spiralwärmetauscher in einem gegebenen Bauraum drastisch erhöht. Die Erfindung ist zudem so konzipiert, dass mehrere Spiralwärmetauscher in Serie geschaltet werden können, um eine höhere Heizleistung zu erzielen.

he Bank und Sosrkassen AD FB-Nr. 419205& www.thermaltech.at 81 :cO / 13:25 UID-Nr. ATUS8830035 z

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Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Erfindung einen Wärmetauscher mit einem spiralförmigen Strömungspfad betrifft, der den Bauteilinnenraum in idealer Weise ausnützt, indem er die beheizte Oberfläche maximiert und so die maximal mögliche Wärmeübertragung an die durchströmende Flüssigkeit oder das durchströmende Gas sicherstellt.

Zudem ermöglicht die Erfindung die Ausführung der Spirale als bandförmige Heizfolien, die unter Verwendung von PTC-Material aufgebaut sind, welches eine besonders schnelle Aufheizung ermöglicht, sich jedoch nur bis zu einer materialspezifischen Abregeltemperatur aktiv erhitzen kann. Durch Falten der verwendeten Heizfolien in einer solchen Weise, dass die aktiv beheizte Seiten von den beheizten Fluiden oder Gasen abgewandt und die im Aufbau vorhandene metallische Wärmeverteillage diesen zugewandt sind, vermeidet die Erfindung Kurzschlüsse und mechanische Belastungen der heizaktiven Schicht, wobei die homogene Wärmeübertragung gefördert wird.

Der Verlust an Heizleistung bei Verwendung von Materialien mit PTC-Eigenschaften bei langen Strömungspfaden wird durch das erfindungsmäßige Design des Strömungspfades, der für eine weitgehend homogene Temperatur des Heizelements an jeder Stelle sorgt, eliminiert. Der Vorteil der PTC-Eigenschaften in Form erhöhter Sicherheit und höherer Heizleistung bleibt hingegen erhalten.

Die vorliegende Erfindung ist so ausgeführt, dass mehrere Spiralwärmetauscher in Serie geschaltet werden können, um eine höhere Heizleistung zu erzielen.

hermal technalogies GmbH

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Bank und Sosrkassen AG FB-Nr. 419205& www.thermaltech.at 5 7 / 13:5 UID-Nr. ATUS8830036

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung Zur Erwärmung eines Fluids mittels elektrischer Energie, wobei ein zylindrisches Gehäuse (2) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (5) für das Fluid vorgesehen ist, und der Einlass (3) mit dem Auslass (5) über einen innerhalb des Gehäuses (2) verlaufenden Strömungskanal (1) für das Fluid verbunden ist, der einen sich um die Zylinderachse des Gehäuses (2) mit abnehmendem Abstand zur Zylinderachse einwärts windenden spiralförmigen Strömungskanalabschnitt (1b) aufweist, der von einer senkrecht zwischen einer Deckplatte (2D) und einer Bodenplatte (2B) des Gehäuses (2) angeordneten Wandung gebildet wird, die mit einem als bahnförmiges Heizelement (4) ausgeführten elektrischen Heizelement (4) zur Erwärmung des strömenden Fluids versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung zusätzlich einen sich um die Zylinderachse des Gehäuses (2) mit zunehmendem Abstand zur Zylinderachse auswärts windenden spiralförmigen Strömungskanalabschnitt (la) bildet, wobei die Wandung in einem zentralen Bereich des Gehäuseinneren

einen den sich einwärts windenden Strömungskanalabschnitt

(1b) abschließenden Endbereich umgrenzt, der in den Auslass (5) mündet, sowie einen den sich auswärts windenden Strömungskanalabschnitt (la) abschließenden

Endbereich umgrenzt, in den der Einlass (3) mündet, und der sich auswärts windende Strömungskanalabschnitt (la) in einem der Gehäuseinnenwand nächstliegenden Abschnitt der Wandung über einen durch ein freies Ende der Wandung gebildeten Umkehrbereich in den sich einwärts windenden Strömungskanalabschnitt (1b) mündet, wobei die Wandung vom bahnförmig ausgeführten Heizelement (4) gebildet wird, das mit PTC-Widerstandselementen versehen ist, und als Grenzfläche zwischen dem sich auswärts windenden Strömungskanalabschnitt (la) und dem sich einwärts

windenden Strömungskanalabschnitt (1b) ausgeführt ist.

( ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE )

. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bahnförmig ausgeführte Heizelement (4) in einem ersten Endabschnitt (4.1) über einen £luiddichten, schlitzförmigen Befestigungsbereich (6) den Gehäusemantel (2M) des zylindrischen Gehäuses (2) quert und ein erstes, elektrische Anschlüsse aufweisendes und außerhalb des Gehäuses (2) angeordnetes Ende des Heizelements (4) bildet, und in einem zweiten Endabschnitt (4.2) das innerhalb des Gehäuses (2) angeordnete, freie Ende der

Wandung bildet.

. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bahnförmig ausgeführte Heizelement (4) mit seinen Längsseiten in Nuten der

Deckplatte (2D) und der Bodenplatte (2B) des Gehäuses (2) befestigt ist.

. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das innerhalb des Gehäuses (2) angeordnete, freie Ende des bahnförmig ausgeführten Heizelements (4) mit einem Stabilisierungsstab versehen ist, der an der Deckplatte (2D) und der Bodenplatte (2B) des Gehäuses (2) befestigt ist.

. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das bahnförmige Heizelement (4) als Heizfolie ausgeführt ist, die zur Bildung der Wandung um

seine Längsachse (L) gefaltet ist.

. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das bahnförmige Heizelement (4) als Heizfolie ausgeführt ist, die zur Bildung der Wandung um

seine Querachse (0) gefaltet ist.

. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (3) und der Auslass (5) auf unterschiedlichen Seiten des Gehäuses (2) angeordnet

sind.

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( ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE )