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Die Erfindung betrifft einen Heißdampferzeuger, insbes. für eine thermische Spritzmaschine.
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Heißdampferzeuger gehören heute mit einer Vielzahl verschiedener Bauformen zum Stand der Technik. Standardbauform ist der Großwasserraumkessel. Hier wird in einem Druckbehälter Flüssigkeit an elektrisch beheizten Stäben oder an mit Öl oder Gas befeuerten Rauchgaszügen verdampft und über einen Dampfraum abgeführt. Daneben gibt es den Schnelldampferzeuger, bei dem eine Flüssigkeit in einer mit Gas- oder Ölfeuerung beheizten Rohrschlange verdampft wird. An Stelle der Rohrschlange sind z. B. auch Bauformen bekannt, bei denen der Strömungskanal durch einen Kreisring mit dazwischen liegenden Wendeln gebildet wird, der wiederum durch eine Feuerung im Inneren des Rohres beheizt wird. Weiterhin sind Dampferzeuger bekannt, deren Rohrschlange zusammen mit einem Heizkörper in einen Metallblock eingegossen ist bzw. der Heizkörper mit auswechselbaren Heizpatronen versehen ist. Besonders im Bereich der Kleindampferzeuger in der Klima- und Bügeltechnik sind Dampferzeuger bekannt, bei denen Flüssigkeit auf eine beheizte Oberfläche gespritzt wird und dort verdampft.
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Jede dieser Bauformen besitzt bauartbedingt spezifische Nachteile. So hat der Großwasserraumkessel mit seiner unter Druck stehenden Flüssigkeits- und Dampfmenge ein erhebliches Gefährdungspotential, das entsprechend der Druckgeräterichtlinie abgesichert werden muss. Der Schnelldampferzeuger neigt bei Druckschwankungen dazu, Flüssigkeitströpfchen mit der Dampfströmung mitzureißen, was zu einem oftmals unerwünschten Nassdampf führt, der aufwändig nacherhitzt oder über einen Flüssigkeitsabscheider getrocknet werden muss. Dasselbe gilt auch für die elektrisch beheizten Dampferzeuger mit eingegossener Rohrschlange die vorrangig als Durchlaufverdampfer bei niedrigen Drücken eingesetzt werden.
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Bei der Verdampfung an einer beheizten Oberfläche lässt sich zwar die erzeugte Dampfmenge sehr einfach steuern, der Betrieb bei höheren Drücken erweist sich jedoch als schwierig, da über den jeweiligen Leidenfrostpunkt überhitzte Flächen zu einem Siedeverzug führen, der einen stark schwankenden Dampfmengenstrom zur Folge hat.
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DE 15 51 034 A beschreibt einen Schnelldampferzeuger mit einem Wärmeaustauscher und einem Ölbrenner, einer Wasserpumpe und einem Verbrennungsluftgebläse. Die Verbrennungsluft wird über einen am Eingang des Wärmetauschers angeordneten Brennraum in die Mitte des Wärmeaustauschers eingeleitet, dann durch eine Prallwand und durch ein oder mehrere Umlenkbleche mehrfach in die entgegengesetzte Richtung unter Bestreichen der Heizschlange umgelenkt und zum Ausgang geleitet.
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US 4,246,871 beschreibt einen Wärmetauscher für einen Dampfgenerator, wobei der Wärmetauscher ein spiralförmiges Metallrohr mit kleinem Durchmesser aufweist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Vorteile verschiedener Bauformen von Heißdampferzeugern zweckmäßig zu verbinden, um überhitzten Dampf aus einem geringen Dampfvolumen bei Sättigungsdampfdrücken größer als 2 bar, vorzugsweise zwischen 5 bar und 160 bar zu erzeugen. Zudem soll durch ein schnelles An- und Abfahrverhalten eine zyklische Dampfentnahme ohne Zwischenspeicher möglich sein.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Heißdampferzeuger, insbes. für eine thermische Spritzmaschine, zum Erzeugen von Heißdampf aus einer Flüssigkeit, mit einer gewundenen Heizwendel, die z. B. auch aus mehreren spiral- oder meanderförmig gewundenen, ineinander liegend angeordneten Rohrschlangen bestehen kann, deren Enden zu einem geschlossenen Strömungskanal verbunden sind und an deren Ende oder im nachfolgenden Rohrsystem sich mindestens eine Querschnittsverengung befindet, die kritisch, d. h. mit Schallgeschwindigkeit durchströmt wird. Für unterschiedliche Dampfmengenbereiche kann auch eine Verengung mit veränderlichem Querschnitt eingesetzt werden.
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Der in Richtung Dampfaustritt am Ende des Strömungskanals liegende Teil der Rohrschlange wird mit einer weit über der Sättigungstemperatur liegenden Temperatur beaufschlagt um eine direkte Überhitzung des Dampfes zu erreichen.
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Infolge dieser Ausgestaltung kann die Flüssigkeit auf einem relativ begrenzten Raum verdampft und nachfolgend noch überhitzt werden.
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Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung sind mögliche einzelne Rohrabschnitte der Heizwendel derart untereinander verbunden, dass die Flüssigkeit die Rohre von außen nach innen passiert. Dies hat den Vorteil, dass mitgerissene Flüssigkeitstropfen in den engeren Wendeln der inneren Rohrabschnitte durch die dort höheren Fliehkräfte besser an die Wand gedrückt und dadurch verdampft werden, wodurch ein trockener Dampf ohne Flüssigkeitsanteile erreicht wird.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Heizwendel in ein aus einem Material oder einer Legierung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Aluminium, bestehenden Körper eingegossen.
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Zur Beheizung der Heizwendel sind in dem Körper nach einer vorteilhaften Ausgestaltung Heizelemente vorgesehen.
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Diese Heizelemente können vorteilhafterweise aus elektrischen Heizpatronen oder rauchgasführenden Rohren bestehen.
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Die Heizelemente sind nach einer vorteilhaften Weiterbildung in dem Körper eingegossen.
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Alternativ können in dem Körper auch Bohrungen zur Aufnahme der Heizelemente vorgesehen sein, in welche die Heizelemente eingesteckt werden können.
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Um eine besonders symmetrische Beheizung zu ermöglichen, sind die Heizelemente vorzugsweise ringförmig zwischen den Rohrschlangen angeordnet.
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Außerdem sind vorteilhafterweise in dem Körper Temperatursensoren vorgesehen, welche auch die Temperatur der einzelnen Heizbereiche regeln können.
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Nach einer alternativen Ausgestaltung können die Heizelemente auch um die Rohrschlangen herumgewickelt und zusammen mit diesen in den Körper eingegossen sein.
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Der Schmelzpunkt des die Heizschlangen umgebenden Materials liegt vorteilhafterweise ausreichend unterhalb des Schmelzpunktes der Rohrschlangen und oberhalb der maximalen Betriebstemperatur.
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Um eine Vergrößerung der Heizfläche zu erzielen, kann nach einer bevorzugten Ausgestaltung die Heizwendel eine gewellte oder gerippte Innenoberfläche haben. Ferner bewirken diese Geometrien eine Zerstäubung der Flüssigkeit bzw. eine Trennung zwischen mitgerissener Flüssigkeit und Dampf.
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Weiterhin kann nach einer bevorzugten Weiterbildung die Heizwendel auf ihrer Außenseite eine Stützkonstruktion zur Verankerung in dem Gußkörper aufweisen. Diese Stützkonstruktion kann vorzugsweise aus einer Außenberippung bestehen.
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Da sich das Volumen der verdampfenden Flüssigkeit stark ausdehnt, ist es zudem vorteilhaft, wenn sich der Querschnitt der Heizwendel in Strömungsrichtung vergrößert, um eine längere Verweilzeit zu erreichen. Zudem können die Verbindungen zwischen möglichen einzelnen Abschnitten der Heizwendel als Kammern ausgebildet sein, die eine Trennung zwischen mitgerissener Flüssigkeit und Dampf bewirken.
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Der Körper ist vorteilhafterweise von einer Isolierung umgeben.
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Außerhalb der Isolierung kann nach einer bevorzugten Ausgestaltung ein kreisringförmiger Mantel angeordnet sein, welcher von der zu erwärmenden Flüssigkeit durchströmt ist. Dadurch kann einerseits die Wärmebelastung der Umgebung minimiert und andererseits die zugeführte Flüssigkeit vorgeheizt werden. Diese Kühlung bzw. Vorheizung kann auch erreicht werden, wenn die äußeren Wendeln nicht unmittelbar beheizt werden. Der Körper wird außen durch die eingespeiste Flüssigkeit gekühlt.
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Der Heizwendel ist vorzugsweise eine Pumpe zur Zuführung der aufzuheizenden Flüssigkeit vorgeschaltet. Weiterhin ist der Heizwendel eine kritisch durchströmte Querschnittsverengung, z. B. ein Auslassventil nachgeschaltet. Dies hat den Vorteil, dass die Regelung der Anlage ausschließlich über die Pumpe, den Grad der Dampfüberhitzung sowie die eingestellte Querschnittsverengung auf der Dampfseite erfolgen kann. Der Heißdampferzeuger wird bevorzugt auf eine Temperatur vorgeheizt und geregelt, die zwischen der Sättigungstemperatur und der Wiederbenetzungstemperatur (Leidenfrosttemperatur) der Flüssigkeit im Betriebszustand liegt. Durch eine geeignete Temperaturregelung des Körpers kann der Bereich der Heizwendel in Richtung der Dampfabströmung weiter überhitzt werden um einen absolut trockenen überhitzten Dampf zu erzeugen.
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Die Pumpe kann kontinuierlich oder pulsierend arbeiten, wobei letzteres zu einer besseren Verdampfung im zweiphasigen Strömungsgebiet führt. Mit dieser Betriebsführung wird ein rasches An- und Abfahrverhalten erreicht.
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Wenn das Gesamtvolumen der Heizwendel zwei Liter nicht überschreitet, so liegt auch bei höchsten Drücken kein Gefährdungspotential für die Umgebung in Folge eines Bruchs der Rohrwendel vor. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass sich der engste Querschnitt unmittelbar am Ende der Heizwendel befindet oder dass am Ende der Heizwendel ein Absperrorgan vorgesehen ist, dessen Querschnitt jedoch immer größer als der kritisch durchströmte engste Querschnitt im weiteren Verlauf der Dampfleitung sein muss.
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Der Druck wird nach dem Ausschalten der Pumpe schlagartig abgebaut.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Heizwendel im Stand-By-Betrieb drucklos gehalten, was die Betriebssicherheit zusätzlich erhöht.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch die verschiedenen Rohrschlangen eines erfindungsgemäßen Heißdampferzeugers, und
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2 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Heizdampferzeuger.
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In den Figuren ist eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemaßen Heißdampferzeugers dargestellt. Als Heißdampferzeuger wird auch ein Verdampfer, bei dem sich der Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig verändert, oder ein Erhitzer verstanden, bei dem der Aggregatzustand beibehalten bleibt. Als Medien können Stickstoff, Luft, Wasser, Helium, Wasserstoff, usw., eingesetzt werden.
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Der erfindungsgemäße Heißdampferzeuger besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Heizwendel 1 oder einer mehrteiligen Rohrschlange, die aus mehreren spiralförmig gewundenen, ineinander angeordneten Rohrschlangen 1a, 1b, 1c besteht, deren Enden zu einem geschlossenen Strömungskanal verbunden sind. Die einzelnen Rohrschlangen 1a, 1b, 1c sind derart untereinander verbunden, dass die Flüssigkeit die Rohrschlangen 1a, 1b, 1c von außen nach innen passiert.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Rohrschlangen 1a, 1b, 1c vorgesehen, so dass die Flüssigkeit in die äußerste Rohrschlange 1a eintreten und aus der innersten Rohrschlange 1c austreten kann. Dies hat den Vorteil, dass mitgerissene Flüssigkeitstropfen in den engeren Wendeln der inneren Rohrschlange 1b, 1c durch die dort höheren Fliehkräfte besser an die Wand gedrückt und dadurch verdampft werden, wodurch ein trockener Dampf ohne Flüssigkeitsanteile erreicht wird.
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Die Heizwendel 1 ist in ein vorzugsweise aus Aluminium bestehendes Körper 2 eingegossen. Anstelle von Aluminium kann auch ein Material oder eine Legierung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.
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Zur Beheizung der Heizwendel 1 sind in dem Körper 2 Heizelemente 3 vorgesehen. Diese Heizelemente 3 können aus elektrischen Heizpatronen oder rauchgasführenden Rohren bestehen. Sie sind ebenfalls in den Körper 2 eingegossen.
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Alternativ können in dem Körper 2 auch Bohrungen zur Aufnahme der Heizelemente 3 vorgesehen sein, in welche die Heizelemente 3 eingesteckt werden können.
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Um eine besonders symmetrische Beheizung zu ermöglichen, sind die Heizelemente 3 vorzugsweise ringförmig zwischen den Rohrschlangen 1a, 1b, 1c angeordnet.
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Außerdem sind in dem Körper 2 Temperatursensoren 4 vorgesehen, welche auch die Temperatur der einzelnen Rohrschlangen 1a, 1b, 1c regeln können.
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Nach einer alternativen Ausgestaltung können die Heizelemente 3 auch um die Rohrschlangen 1a, 1b, 1c herumgewickelt und zusammen mit diesen in den Körper 2 eingegossen sein.
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Der Schmelzpunkt des Körper 2 bildenden Materials liegt vorteilhafterweise ausreichend unterhalb des Schmelzpunktes der Rohrschlangen 1a, 1b, 1c und oberhalb der maximalen Betriebstemperatur.
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Um eine Vergrößerung der Heizfläche zu erzielen, können die Rohrschlangen 1a, 1b, 1c eine gewellte oder gerippte Innenoberfläche haben.
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Weiterhin können die Rohrschlangen 1a, 1b, 1c auf ihrer Außenseite eine Stützkonstruktion zur Verankerung in dem Körper 2 aufweisen. Diese Stützkonstruktion kann beispielsweise aus einer Außenberippung bestehen.
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Da sich das Volumen der verdampfenden Flüssigkeit stark ausdehnt, kann sich der Querschnitt der Rohrschlangen 1a, 1b, 1c in Strömungsrichtung vergrößern, um eine längere Verweilzeit der Flüssigkeit bzw. des Dampfers zu erreichen. Zudem können die Verbindungen zwischen den einzelnen Rohrschlangen 1a, 1b, 1c als Kammern ausgebildet sein, die eine Trennung zwischen mitgerissener Flüssigkeit und Dampf bewirken.
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Der Körper 2 ist von einer Isolierung umgeben.
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Außerhalb der Isolierung kann ein kreisringförmiger Mantel angeordnet sein, welcher von der zu erwärmenden Flüssigkeit durchströmt ist. Dadurch kann einerseits die Wärmebelastung der Umgebung minimiert und andererseits die zugeführte Flüssigkeit vorgeheizt werden.
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Der Heizwendel 1 ist eine Pumpe zur Zuführung der aufzuheizenden Flüssigkeit vorgeschaltet. Weiterhin ist der Heizwendel 1 eine Querschnittsverengung nachgeschaltet. Somit kann die Regelung der Anlage ausschließlich über die Pumpe, den Grad der Dampfüberhitzung sowie den eingestellten Querschnitt der Verengung auf der Dampfseite geregelt werden. Der Heißdampferzeuger wird bevorzugt auf eine Temperatur vorgeheizt und geregelt, die zwischen der Sättigungstemperatur und der Wiederbenetzungstemperatur (Leidenfrosttemperatur) der Flüssigkeit im Betriebszustand liegt. Je nach Anzahl der Rohrschlangen 1a, 1b, 1c wird der Bereich in Richtung der Dampfabströmung von trockenem Dampf durchströmt, der dort durch eine geeignete Temperaturregelung des Körpers direkt überhitzt werden kann.
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Die Pumpe kann kontinuierlich oder pulsierend arbeiten, wobei letzteres zu einer besseren Verdampfung im zweiphasigen Strömungsgebiet führt. Mit dieser Betriebsführung wird ein rasches An- und Abfahrverhalten erreicht.
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Wenn das Gesamtvolumen der Heizwendel 1 zwischen Wassereintritt und einem geeigneten Absperrorgan am Ende der Heizwendel 1 zwei Liter nicht überschreitet, so liegt auch bei höchsten Drücken kein Gefährdungspotential für die Umgebung in Folge eines Bruchs der Rohrwendel 1a, 1b, 1c vor.
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Der Druck wird nach dem Ausschalten der Pumpe schlagartig abgebaut. Dabei ist die Heizwendel im Stand-By-Betrieb drucklos gehalten, was die Betriebssicherheit zusätzlich erhöht.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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Die Offenbarung der Figuren wird als expliziter Inhalt der vorliegenden Beschreibung angesehen.
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Alle oben beschriebenen Komponenten können auch in Alleinstellung oder in beliebiger Kombination in anderen Herstellungsverfahren von metallischen oder Verbundbauteilen zur Anwendung kommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizwendel
- 1a
- Rohrschlange
- 1b
- Rohrschlange
- 1c
- Rohrschlange
- 2
- Körper
- 3
- Heizelemente
- 4
- Temperatursensor
