BR202021022912Y1 - Disposição introduzida em aquecedor elétrico econômico de fluídos - Google Patents

Abstract

AQUECEDOR ELÉTRICO ECONÔMICO DE FLUÍDOS Aquecedor elétrico de fluídos (líquidos ou gasosos), que utiliza resistência elétrica para aquecer gradualmente um fluxo de massa fluída, ao longo de um percurso determinado, podendo esse percurso tubular ser linear ou não (tubo reto ou em forma de serpentina, espiralada, helicoidal, etc.). Esse aquecimento gradual faz com que a potência necessária para aquecer a massa fluída seja bem menor do que a potência de um aquecedor atual tradicional necessita para aquecer a mesma massa, pois o tempo de contato com a fonte de calor será bem maior. Com isso, o consumo de energia elétrica será reduzido, diferenciando dos aquecedores tradicionais; trazendo economia energética para o consumidor; poupando assim os recursos ambientais para a geração de energia elétrica. O aumento do tempo de contato da massa fluída com a fonte de calor produz a energia necessária para o aquecimento do delta de temperatura com uma potência menor, esse é o principal diferencial dessa proposta em relação ao estado da técnica existente.

Description

Campo de aplicação

[001] Refere-se o presente modelo de utilidade a um aquecedor elétrico de fluídos (líquidos ou gasosos), chuveiro elétrico, torneira elétrica, aquecedor de passagem.

Fundamentos do modelo

[002] Os aquecedores elétricos de passagem, de uma forma geral, utilizam resistências elétricas potentes para aquecimento quase que instantâneo, ou com tempos de aquecimento muito pequenos, de uma massa fluída (líquida ou gasosa). Isso faz com que o consumo elétrico seja muito elevado, visto que P=U*i (onde P=potência; U=tensão e i=corrente). Sendo que estes equipamentos consistem de uma fonte de calor, que é a resistência elétrica, a câmara de aquecimento do fluído, onde ocorre o contato do fluído frio com a fonte de calor e a saída do fluído aquecido.

[003] O problema técnico principal dos aquecedores elétricos de passagem atuais é a potência elétrica alta necessária para o aquecimento de um fluído, consumindo muita energia elétrica, onerando o bolso do consumidor. A proposta do modelo é reduzir o consumo de energia elétrica reduzindo a potência da resistência elétrica de forma a atingir o mesmo delta de temperatura de um fluxo mássico de um fluído; para isso o tempo de contato entre o fluído e a fonte de calor deve ser aumentado. Da termodinâmica e da elétrica temos a seguinte formulação para demonstrar o benefício energético, com redução de consumo elétrico, trazendo economia energética para o consumidor; poupando assim também os recursos ambientais para a geração de energia elétrica.

[004] Q = energia necessária para aquecer uma massa de fluído Q = m*c*ΔT [J].

[005] Pel = potência elétrica do elemento de aquecimento (resistência elétrica) Pel = U * i [W].

[006] Pterm = potência térmica Q / t [J/s = W].

[007] t = tempo de contato entre a fonte de calor e a massa de fluído a ser aquecida [s].

[008] U = tensão da rede elétrica [V].

[009] i = corrente elétrica [A]. Tabela 1: Exemplo comparativo do estado atual da técnica e o modelo.

[010] Na tabela 1, acima, podemos observar que para um chuveiro de potência 5200 W utilizado para banhos diários de 8min, com uma vazão de 3 L/min, aquecendo a água em 24°C (ΔT), consome 23kWh/mês e com o aquecedor econômico (proposta deste invento), o consumo mensal cai para 3kWh/mês, devido ao aumento do tempo de contato, no exemplo vai de 0,97segundos para 7,36segundos. Com essa redução de potência teremos uma economia muito significativa.

Estado da técnica

[011] O documento GB 2472809 A, publicado em 23/02/2011, versa sobre um aquecedor de água elétrico compreendendo um corpo que define uma câmara com um tubo de pré-aquecimento, um tubo de aquecimento externo e um tubo de aquecimento interno disposto dentro dele, onde cada tubo atua como substrato de aquecimento. O tubo de pré-aquecimento está disposto ao redor do tubo de aquecimento externo. O tubo aquecedor externo tem um revestimento aquecedor de resistência condutora de película fina em sua superfície externa e o tubo aquecedor interno tem um revestimento aquecedor de resistência condutora de película fina em sua superfície interna. Cada aquecedor de resistência pode compreender três seções separadas. A água passa para o corpo através de um orifício de entrada e flui através do tubo de pré- aquecimento em uma passagem anular de fluxo de pré-aquecimento definida entre o tubo de pré-aquecimento e o corpo. A água pré-aquecida passa então sobre as superfícies não revestidas dos tubos de aquecimento, dentro do espaço anular definido entre os tubos de aquecimento externo e interno, para ser aquecida antes de fluir para fora do corpo através de uma porta de saída. Um dispositivo é fornecido para induzir o fluxo helicoidal no fluido que flui através do aquecedor de água. De preferência, um estreitamento de Venturi do caminho de fluxo é usado para acelerar o fluxo entre as seções do aquecedor. A Fig. 7 compreende três conjuntos de tubos de aquecimento interno e externo dispostos em série. O corpo é substancialmente retangular em planta com um orifício de entrada formado em um canto do mesmo e um orifício de saída formado no canto diagonalmente oposto dele. O corpo é oco e define um caminho de fluxo sinuoso. O caminho de fluxo sinuoso compreende uma primeira cavidade tubular que se estende desde o orifício de entrada até a borda oposta do corpo, um primeiro caminho de fluxo cruzado que se estende desde a extremidade da primeira cavidade tubular espaçada do orifício de entrada paralelo com a borda do corpo na qual o orifício de saída é formado, uma segunda cavidade tubular se estende desde a extremidade do primeiro caminho de fluxo cruzado até a borda oposta do corpo, na qual o orifício de entrada é formado. A segunda cavidade tubular termina em um segundo caminho de fluxo que se estende da extremidade da segunda cavidade tubular paralela à borda do corpo no qual o orifício de entrada é formado. Uma terceira cavidade tubular se estende da extremidade do segundo caminho de fluxo cruzado até o orifício de saída. Nas fig. 14 a 21 o aquecedor de água compreende um corpo oco de forma cúbica. Um orifício de entrada é formado em uma face do corpo e um orifício de saída é formado em outra face. O corpo oco contém três placas aquecedoras empilhadas e espaçadas. O espaço entre a primeira e a segunda placas de aquecimento define um primeiro caminho de fluxo de aquecedor e o espaço entre a segunda e terceira placas de aquecimento define o segundo caminho de fluxo de aquecedor. Na fig. 16, a água flui em torno do caminho sinuoso definido pelas nervuras e passa através da abertura para o caminho de fluxo do aquecedor formado entre as placas do aquecedor. A água então flui ao redor do caminho sinuoso definido pelas nervuras entre as placas e para fora da saída.

[012] Em termos construtivos, o documento GB 2472809 A revela um módulo com poucos canais, tendo ainda saída e entrada somente pelas lateiras. Já o objeto em análise, o presente modelo, apresenta um módulo com vários canais em Zig e Zag, tendo entrada e saída pela parte frontal do módulo.

[013] Ainda assim, a anterioridade GB 2472809 A versa sobre um aquecedor de resistência condutora de película fina é preferencialmente disposto para fornecer 40 watts por cm2 de potência de aquecimento. O substrato de qualquer um dos aquecedores de qualquer um dos três aspectos da invenção destina-se preferencialmente a aumentar a temperatura da superfície do mesmo para pelo menos 400-450°C, preferencialmente para 1000°C.

[014] Para ilustrar a diferença entre o presente modelo e outros equipamentos existentes no mercado, a priori num chuveiro elétrico que precisa de uma potência de 5200 Watts para aquecer em 1,0 segundo uma massa de fluído com vazão de 3 Litros/minuto em 24°C; ao passo que se aumentarmos esse tempo de aquecimento para 7,4 segundos, precisaríamos de apenas 700 Watts. Esse tempo é conseguido fazendo passar por um duto de 0 12,7mm de 3,0 metros de comprimento a vazão de 3L/min. Em tempo, um chuveiro de potência 5200 W utilizado para banhos diários de 8min, com uma vazão de 3 L/min, aquecendo a água em 24°C (ΔT), consome 23kWh/mês e com o aquecedor econômico (proposta deste invento), o consumo mensal cai para 3kWh/mês. Com essa redução de potência teremos uma economia muito significativa.

[015] O documento US 10323858 B2 publicado em 08/06/2017, versa sobre um aquecedor de líquido tal como um aquecedor de líquido de resistência elétrica direta com múltiplos canais de fluxo fornecido com um elemento sensor de temperatura na forma de um fio que se estende por vários canais, preferencialmente todos os canais, perto das extremidades a jusante dos canais. A resistência do fio representa a temperatura média do líquido que passa por todos os canais e, portanto, a temperatura do líquido misturado que sai do aquecedor. Uma estrutura de supressão de bolhas é fornecida nas proximidades do fio. Um dispositivo de manuseio de fluido compreendendo: uma estrutura de canal definindo um canal que se estende em uma direção a jusante; um fio de detecção de temperatura alongado que se estende ao longo do canal em uma direção transversal à direção a jusante e adjacente a uma extremidade a jusante do canal; e uma estrutura de saída limitando o canal em uma extremidade a jusante do canal, a estrutura de saída definindo uma fenda que se estende através do canal na direção da largura em alinhamento com o fio, a fenda tendo uma área de seção transversal menor que a área de seção do canal, a fenda sendo aberta para o fluxo de fluido que sai do canal, a estrutura de saída definindo ainda um par de câmaras de coleta dispostas em lados opostos da fenda e deslocadas da fenda em direções laterais transversais à direção a jusante e na direção da largura, e um par de lábios alongados se estendendo na direção da largura e separando as câmaras da ranhura, as câmaras de coleta sendo abertas na direção a montante e se estendendo a jusante dos lábios, a estrutura de saída definindo ainda os orifícios de saída que se comunicam com a coleta câmaras e abertas para fluxo de fluido que sai do canal, os orifícios de saída tendo coletivamente uma área de seção transversal menor que a área da seção transversal da ranhura.

[016] O documento US 10323858 B2 revela uma estrutura dielétrica montada dentro do invólucro, em que os eletrodos planos e semelhantes a placas são montados na estrutura polimérica e subdividem a câmara de aquecimento superior em canais individuais geralmente retangulares. Portanto, o documento não revela um módulo com vários canais em Zig e Zag, tendo entrada e saída pela parte frontal do módulo, como reivindica o presente modelo.

[017] O documento KR 1311169 B1 publicado em 25/06/2012, versa sobre um aquecedor de água transparente compreendendo um alojamento transparente em forma de placa, um aquecedor tipo plano e uma unidade de controle. A caixa transparente compreende um espaço vedado onde a água pode ser colocada. O alojamento transparente compreende uma porção de entrada e uma porção de saída. O aquecedor do tipo plano é disposto dentro do espaço vedado para ficar paralelo a um plano estendido do alojamento. O aquecedor tipo avião gera calor recebendo energia elétrica. A unidade de controle controla a geração de calor do aquecedor tipo plano. A caixa compreende uma unidade de superfície frontal e uma parte de superfície traseira. A parte da superfície frontal da caixa e o aquecedor tipo plano são formados respectivamente com materiais transparentes. A porção interna do invólucro, o invólucro inclui o invólucro que recebe a pressão da água da torneira que pode ser fornecido com a seção do canal de troca de calor formando o caminho do fluido que é suficientemente aquecido a partir da fonte de aquecimento instalada na porção interna do caminho da água da unidade de influxo para a parte de saída. Tal seção de canal de troca de calor pode ser formada no tipo zig-zag para desenhar o caminho do fluido. Mas outra forma em que a seção do canal de troca de calor é conhecida além do tipo zig-zag pode ser aplicada.

[018] Em termos construtivos, o documento KR 1311169 B1 revela uma porção interna do invólucro, em que o invólucro recebe a pressão da água da torneira que pode ser fornecido com a seção do canal de troca de calor formando o caminho do fluido que é suficientemente aquecido a partir da fonte de aquecimento instalada na porção interna do caminho da água da unidade de influxo para a parte de saída. Tal seção de canal de troca de calor pode ser formada no tipo zig-zag para desenhar o caminho do fluido. Mas outra forma em que a seção do canal de troca de calor é conhecida além do tipo zig-zag pode ser aplicada.

[019] Ou seja, na anterioridade acima, o próprio canal de troca de calor pode ser formada no tipo zig-zag para desenhar o caminho do fluido. Já no presente invento, o objeto em análise, tem-se um aquecedor elétrico composto por canais de circulação do fluído no formato de zig zag (serpentina) que acomoda uma resistência elétrica acompanhando toda trajetória dos canais de circulação do fluído no formato Zig Zag.

[020] O documento DE 102007032250 B3 publicado em 18/12/2008, versa sobre um dispositivo tendo percursos condutores que não estejam em contato elétrico entre si e espaçados entre si. Os caminhos estão presentes em um lado de uma unidade de superfície flexível eletricamente não condutora, por exemplo, lã e tecido. Uma tensão elétrica é aplicada entre os caminhos condutores e uma resistência elétrica é medida entre os caminhos condutores quando uma gota de água está presente na unidade de superfície. Um lado da unidade de superfície é plano enquanto o outro lado da unidade de superfície é áspero, onde a unidade de superfície é formada de material absorvente.

[021] Em termos construtivos, o documento DE 102007032250 B3, revela um módulo composto por uma carcaça antecedente, a qual acomoda trilhos condutores em Zig Zag. Contudo, o presente modelo, possui canais de circulação do fluído no formato de zig zag (serpentina) com a resistência elétrica acompanhando toda trajetória. Já no documento DE 102007032250 B3 o trilho condutor é o próprio caminho em Zig Zag.

[022] O documento EP 485211 A1 publicado em 13/05/1992, versa sobre um aparelho de aquecimento compreendendo um recipiente que define uma câmara para reter o líquido. Uma porção aquecida do recipiente compreende um substrato metálico de um circuito impresso de filme espesso no qual é formado um elemento de aquecimento. Quando usado em um aquecedor de água para um chuveiro, o aparelho pode ter um circuito de regulação e controle de corrente formado integralmente com o circuito de filme espesso. O recipiente pode ser uma chaleira na qual o circuito de controle é formado integralmente com o circuito de filme espesso e está conectado a um sensor de vapor.

[023] Em termos construtivos, o documento EP 485211 A1 revela um aparelho de aquecimento compreendido por um aquecimento, tendo uma porção aquecida do recipiente compreende um substrato metálico de um circuito impresso de filme espesso no qual é formado um elemento de aquecimento, ou seja, não se trata de canais para introdução de uma resistência elétrica que acompanhas os referidos canais, mas, sim, de um circuito impresso de filme espesso. Contudo, enquanto o presente modelo possui canais de circulação do fluído no formato de zig zag (serpentina) com a resistência elétrica acompanhando toda trajetória.

[024] Por fim, o documento BR 102013025268 A2 publicado em 24/05/2016, versa sobre um aparelho elétrico de aquecimento de água, do tipo de um chuveiro, que compreende um corpo de chuveiro dotado de uma entrada de água e uma entrada de energia elétrica, um espalhador de água associado ao corpo de chuveiro, uma resistência elétrica na região definida entre o corpo de chuveiro e o espalhador de água, a resistência sendo disposta em uma primeira região interna do chuveiro e estando em contato elétrico com a entrada de energia elétrica, uma segunda região interna voltada para o corpo e em comunicação fluídica com a primeira região interna, uma terceira região interna voltada para o espalhador e em comunicação fluídica com a primeira região interna, tal que a água que entra pela entrada de água segue um caminho desde a entrada de água até o espalhador passando, respectivamente, pela segunda região interna, pela primeira região interna e pela terceira região interna, onde ao menos uma das segunda região interna e terceira região interna compreende um caminho de água alongado apresentando um comprimento e uma área média em seção transversal, tal que a relação do comprimento dividido pela área e maior ou igual. Ainda, tem o objetivo prover um aquecedor elétrico de água, do tipo de um chuveiro, que garanta a utilização segura do aparelho em situações em que a instalação elétrica não possui aterramento.

[025] Em termos construtivos, o documento BR 102013025268 A2 revela um aparelho elétrico de aquecimento de água com uma resistência elétrica na região definida entre o corpo de chuveiro, cuja resistência elétrica é empregada numa região interna, que compreende um caminho de água alongado, sendo que tal caminho é totalmente circular/espiral.

[026] Contudo, a anterioridade se mostra totalmente distinta do presente modelo, o qual possui canais de circulação do fluído no formato de zig zag (serpentina) com a resistência elétrica acompanhando toda trajetória.

Breve descrição dos desenhos

[027] A Figura 1 apresenta configuração básica do aquecedor;

[028] A Figura 2 ilustra um corte mostrando os canais de circulação do fluído no formato de serpentina;

[029] A Figura 3 apresenta o corte de uma configuração básica de instalação da resistência elétrica pelos canais do aquecedor.

Descrição do modelo

[030] O presente modelo do aquecedor elétrico econômico se baseia no conceito termodinâmico de transferência de calor a um fluído de forma gradual ao longo de um tempo maior que o tempo utilizado pelos equipamentos de aquecimento existentes hoje no mercado, de forma a fornecer a energia suficiente para aquecer o fluído neste tempo.

[031] As formulações a seguir, uma da termodinâmica e outra da elétrica, mostram de uma forma didática os fundamentos teóricos do modelo onde é mostrada a influência do tempo no consumo de energia, através da redução da potência elétrica. Esse é o princípio que governa a física do modelo.

[032] Iniciando a explicação, a energia para aquecer uma massa de fluído em um delta de temperatura é representada pela fórmula Q=m*c*Δt; onde:

[033] Q = energia necessária para aquecer a massa do fluído [Cal ou Joules].

[034] m = massa do fluído a ser aquecido [g].

[035] c = calor específico do fluído [cal/g*°C] (O calor específico é a quantidade de calor que deve ser fornecida para que 1 g de substância tenha a sua temperatura elevada em 1°C.).

[036] Δt = aumento desejado de temperatura do fluído [°C].

[037] A fonte de calor para aquecer a massa do fluído vem da resistência elétrica, onde o consumo de energia elétrica é dado pela potência dessa resistência (medida em Watts).

[038] A fórmula da potência elétrica da resistência é dada por:

[039] Pel = U * i; onde:

[040] Pel = potência elétrica do elemento de aquecimento (resistência elétrica) [Watts];

[041] U = tensão da rede elétrica [V];

[042] i = corrente elétrica [A];

[043] Para relacionarmos o tempo com a energia, partimos do conceito de que a Potência térmica é a Energia necessária para aquecer a massa do fluído dividida pelo tempo que o fluído leva para percorrer o trajeto desde a entrada até a saída do aquecedor; então teremos que:

[044] Ptérmica = Q / t;

[045] E então considerando que a maior parte da potência elétrica seja convertida em calor, temos que a igualdade da potência elétrica seja igualada à potência térmica, e assim teremos que:

[046] U * i = Q / t e com isso podemos ver que a energia para aquecer o fluído é Q = U * i * t; ou seja, se aumentarmos o tempo t (lado direito da equação) para obter a mesma energia Q para aquecimento do fluído, poderemos baixar a corrente.

[047] Esse é o principal ponto do modelo baixar a corrente aumentando o tempo de exposição do fluído à fonte de calor.

[048] Da área elétrica, partindo da fórmula U = R * i, podemos notar que se baixarmos a corrente, mantendo a mesma tensão de alimentação da resistência elétrica, teremos que aumentar a resistência R, aumentando seu comprimento efetivo; e com isso vamos diminuir o consumo de energia elétrica para fornecer o aquecimento desejado do fluído em questão (que pode ser água, óleo, ar, etc.).

[049] A diferença desse modelo para o estado atual da técnica é que não precisamos aumentar a temperatura do fluído instantaneamente exigindo uma potência muito alta para isso; o modelo propõe que o aquecimento do fluído seja feito em um tempo maior, aumentando o percurso de troca de calor através de dutos com a resistência elétrica dentro deles com uma potência menor.

Exemplos de concretizações do modelo

[050] Um exemplo de concretização desse modelo é mostrado na Figura 1; essa é uma configuração básica do aquecedor elétrico (1), que consiste em uma caixa fechada (2) (que podemos chamar de módulo de aquecimento) com canais de circulação (3) do fluído no formato de zig zag (serpentina) (S) com a resistência elétrica (4) acompanhando toda trajetória (5). O fluído entra frio pela parte inferior (6) e sai pela parte superior (7) aquecido. No entanto a configuração de entrada e saída do fluído pode ser alterada, podendo ficar alinhadas, todas na parte superior, na parte inferior, nas laterais, pela frente ou por trás, ou até mesmo uma combinação delas.

[051] Quanto aos canais de circulação (3) do fluído, mostrados na Figura 2, podem ter diversos formatos e configurações, tais como zig zag, helicoidal, tubo reto, tubo curvo apenas, ou combinações dessas formas para ajustar ao espaço físico ou layout de design do aquecedor elétrico (1).

[052] Um exemplo para ilustrar a diferença entre esse invento e outros equipamentos existentes no mercado, é o chuveiro elétrico que precisa de uma potência de 5200 Watts para aquecer em 1,0 segundo uma massa de fluído com vazão de 3 Litros / minuto em 24°C; ao passo que se aumentarmos esse tempo de aquecimento para 7,4 segundos, precisaríamos de apenas 700 Watts. Esse tempo é conseguido fazendo passar por um duto de 0 12,7mm de 3,0 metros de comprimento a vazão de 3L/min.

[053] Na tabela 1 abaixo, podemos observar que para um chuveiro de potência 5200 W utilizado para banhos diários de 8min, com uma vazão de 3 L/min, aquecendo a água em 24°C (ΔT), consome 23kWh/mês e com o aquecedor econômico (proposta deste invento), o consumo mensal cai para 3kWh/mês. Com essa redução de potência teremos uma economia muito significativa. Tabela 1: Exemplo comparativo do estado atual da técnica e o presente modelo.

Claims (2)

1) DISPOSIÇÃO INTRODUZIDA EM AQUECEDOR ELÉTRICO ECONÔMICO DE FLUÍDOS, consiste em umaquecedor elétrico (1) compreendido por uma caixa fechada (2) chamada de módulo de aquecimentocom canais de circulação (3) e resistência elétrica (4), possuir uma pluralidade de canais de circulação (3) inseridas no interior da caixa fechada (2), cujos canais de circulação (3) possuem o formato de zig zag, serpentina ou S caracterizado por, pelos canais de circulação acomodarem uma resistência elétrica (4) acompanhando toda trajetória (5), em que o fluído entra frio pela parte inferior (6) e sai pela parte superior (7) aquecido, estando a parte inferior (6) e a parte superior (7) alinhados e/ou desalinhados.

2) DISPOSIÇÃO INTRODUZIDA EM AQUECEDOR ELÉTRICO ECONÔMICO DE FLUÍDOSde acordo com a reivindicação 1, é caracterizado por possuir canais de circulação (3) do fluído com diversos formatos e configurações, tais como, tubo reto ou tubo curvo apenas.