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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dampferzeugung.
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Es ist aus der
DE 10 2004 052 734 A1 ein Dampferzeuger bekannt, der für eine reduzierte Kalkablagerung ausgebildet sein soll. Dazu weist er eine längliche Heizquelle auf, beispielsweise eine Halogenlampe, um die spiralartig mit etwas Abstand zueinander ein Rohr gebogen ist. Durch die Form des Rohrs soll der erzeugte Dampf sowie auch davor das Wasser derart schnell durch das Rohr fließen, dass der Kalkansatz bzw. auch Kalkpartikel mit entfernt werden.
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Aus der
DE 43 26 632 C2 , der
GB 2 265 697 A und der
US 2,978,562 A sind ebenfalls Heizeinrichtungen bzw. Dampferzeuger mit Wasserführung, die spiralförmig um ein Heizelement herum angeordnet ist, bekannt.
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Aus der
DE 38 24 367 A1 ist ferner ein Heizungskessel mit einer oval geformten, spiralgewendelten Kupferheizschlange bekannt, die im heißen Heizungswasser eingebettet ist.
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Aufgabe und Lösung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Vorrichtung zu schaffen, mit der Probleme des Standes der Technik vermieden werden können sowie insbesondere eine vielfältige Verwendung möglich ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Es ist vorgesehen, dass ein längliches Heizelement in der Vorrichtung zur Dampferzeugung als Strahlungsheizelement arbeitet, also mit Temperaturen von mehreren 100°C, vorzugsweise mindestens 800°C bis 2500°C. Das Heizelement wird von einer Wasserführung umgeben, in welcher hindurch fließendes Wasser erhitzt und verdampft wird sowie der Dampf weiter erwärmt werden kann. Diese Wasserführung weist eine spiralige bzw. schraubenartige Form auf und führt so das zu erhitzende Wasser sowie den Dampf um das Heizelement herum, und zwar entlang dessen Länge.
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Der Dampf wird in der Wasserführung nach Erzeugung durch Erhitzen des Wassers noch weiter erhitzt auf eine Temperatur von deutlich über 100°C, vorteilhaft sogar über 200°C. Dieser überhitzte Dampf tritt aus der Vorrichtung aus und kann dann verwendet werden. Mögliche Verwendungen sind ein Dampfgarer, also zur Nahrungsmittelzubereitung. Hier kann durch überhitzten Dampf die Effizienz und vor allem auch die Geschwindigkeit des Dampfgarers bzw. der Nahrungsmittelzubereitung verbessert werden bzw. erhöht werden. Somit kann vor allem eine ansonsten in vielen Fällen übliche weitere Vorrichtung zur Dampferzeugung, in welcher eingeleiteter Dampf noch weiter und somit überhitzt wird, eingespart werden. Alternativ kann dieses Verfahren verwendet werden, um in einem Kaffeeautomat Dampf zu erzeugen, vor allem zum Milchaufschäumen bzw. anschließend zum Reinigen einer Düse zum Milchaufschäumen. Weitere Verwendungen sind in einer Waschmaschine oder in einem Wäschetrockner, so dass Wäsche behandelt, desinfiziert oder aufgefrischt werden kann.
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Vorteilhaft liegen die Spiralen bzw. Windungen der Wasserführung bzw. eines Rohres, aus dem die Wasserführung gebildet oder gebogen ist, sehr nahe oder sogar direkt aneinander an. Dies weist zum einen den Vorteil auf, dass die Vorrichtung kompakter gebaut werden kann bei vorgegebener Rohrlänge bzw. Länge der Wasserführung. Des Weiteren umschließt die Wasserführung so das Heizelement großteils, so dass sowohl die davon erzeugte Strahlungsenergie möglichst vollständig zur Erhitzung des Wassers bzw. Dampfes verwendet werden kann als auch eine thermische Dämmung nach außen weniger aufwändig sein muss, da lediglich die Abwärme der Wasserführung nach außen hin gedämmt werden muss.
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Vorteilhaft wird der Dampf kontinuierlich erzeugt, und zwar im Durchlaufverfahren. Dazu wird Wasser kontinuierlich in die Wasserführung eingeleitet bzw. hindurch geführt. Dazu wird vorteilhaft eine Pumpe verwendet, die in ihrer Pumpleistung gesteuert werden kann, vorteilhaft möglichst fein geregelt werden kann. Alternativ kann der Pumpenbetrieb getaktet erfolgen, wobei dann die Ein-Zeiten sowie die Aus-Zeiten nur wenige Sekunden betragen sollten, um einen möglichst kontinuierlichen Dampfausstoß bzw. gleichmäßigen Dampfausstoß zu erreichen. Somit kann durch die Pumpe die Menge der Dampferzeugung beeinflusst werden, vorteilhaft auch die letztendlich erreichte Temperatur des Dampfes. Dazu kann am Ausgang der Wasserführung, der vorteilhaft möglichst nahe am Heizelement angeordnet ist mit beispielsweise wenigen cm, ein Temperatursensor angeordnet sein, um zu überwachen, dass Dampf mit der richtigen Temperatur erzeugt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Strahlungsheizelement in seiner Leistung nicht geregelt wird, sondern nur entweder mit voller Leistung betrieben wird oder aber ausgeschaltet ist. Zwischen diesen beiden Zuständen kann auf an sich bekannte Art und Weise getaktet werden, um eine gewünschte Durchschnittsleistung zu erreichen. Weiterhin könnte das Heizelement mittels einer Phasenanschnittssteuerung auf eine gewünschte Leistung stufenlos eingestellt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass über die Länge der Wasserführung bzw. des die Wasserführung bildenden Rohres hinweg ein Teil genutzt wird, um das Wasser zu erhitzen bzw. zum Sieden zu bringen. Dies können beispielsweise etwa 11% der Länge sein. Ein folgender, wesentlich größerer Teil kann dazu genutzt werden, um das Wasser von dem flüssigen in den gasförmigen Zustand zu überführen, also in die Dampfphase. Dies können beispielsweise etwa 75% der Länge sein. Die restliche Länge, die wiederum relativ kurz sein kann, wird verwendet, um den erzeugten Dampf zu überhitzen bzw. auf die beispielsweise vorgenannten 300°C zu bringen. Dies können etwa 14% der Länge sein.
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Der beim Betrieb des Dampferzeugers erreichte Volumenstrom des Dampfes kann ein Verhältnis von Volumenstrom zum Bauvolumen der Vorrichtung zur Dampferzeugung aufweisen, das bei Dampf mit einer Temperatur von etwa 100°C zwischen 0,3 und 0,5 (IDampf/min)/cm3 betragen. Vorteilhaft sind es etwa 0,4 (IDampf/min)cm3.
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Des Weiteren kann die Vorrichtung dadurch bestimmt sein, dass das Volumen eines zu bedampfenden Raumes, insbesondere eines Garraumes eines Dampfgarers, mindestens 300mal größer ist als das Bauvolumen des Dampferzeugers. Vorteilhaft sind es sogar mindestens 350, so dass also der mit Dampf zu füllende Raum viel größer sein kann als die Baugröße der Vorrichtung zur Dampferzeugung selber.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in dem Fall, dass Dampf mit einer Temperatur von etwa 300°C erzeugt wird, das Wasser in der Wasserführung eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 3 m/min bis 4 m/min aufweist. Der Dampf kann dabei eine erheblich höhere Dampfgeschwindigkeit aufweisen, beispielsweise von etwa 6000 m/min.
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Der Durchmesser eines Strahlungsheizelements kann bei etwa 8 bis 15 mm liegen. Seine Länge kann etwa 5 cm bis 30 cm betragen, vorteilhaft etwa 10 cm betragen. Ein Strömungsquerschnitt im Rohr der Wasserführung kann etwas über 4 mm2 betragen. Erfindungsgemäß weist die Wasserführung einen ellipsenförmigen Querschnitt auf mit der flachen Richtung der Ellipse in Richtung des Heizelements. Dadurch wird das Verhältnis von der die Wärmestrahlung auffangenden Fläche der Wasserführung zu Durchflussquerschnitt noch einmal erhöht bzw. verbessert.
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In nochmals weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann als Strahlungsheizelement ein Halogenheizelement verwenden werden, beispielsweise eine stabförmige Halogenlampe, wie sie als übliches Teil im Handel erhältlich ist. Sie kann, wie dies bei derartigen Halogenlampen der Fall ist, jeweils einen elektrischen Anschluss an jedem der Enden aufweisen, die dann entsprechend mit je einem Kabel kontaktiert werden. Alternativ und besonders bevorzugt können sämtliche elektrischen Anschlüsse der Halogenlampe an nur einem Ende vorgesehen sein, wodurch der Aufwand für die elektrischen Anschlüsse erheblich verringert werden kann. Dann kann vor allem auch der elektrische Kontakt mit einem einzigen Stecker hergestellt werden. Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Schrägansicht von außen auf eine Vorrichtung zur Dampferzeugung aus dem Stand der Technik mit innen liegender Halogenlampe und spiralförmig umgebendem Rohr zur Wasserführung und
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2 einen Schnitt durch eine Vorrichtung ähnlich 1 mit ellipsenförmigem Querschnitt des Rohres.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist in Schrägdarstellung eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung 11 zur Dampferzeugung dargestellt. Sie weist eine Wasserführung 13 auf, die aus einem im Wesentlichen spiralig bzw. schraubenartig mit gleichem Durchmesser gewickeltem Rohr 15 besteht. Die Wasserführung 13 weist einen Einlass 16 am rechten Rand auf sowie einen Auslass 18 am linken Rand. Am Einlass 16 wird Wasser in die Wasserführung 13 bzw. die Vorrichtung 11 eingebracht. Am Auslass 18 tritt dann Dampf aus.
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Die Wasserführung 13 bildet einen Innenraum 19, der im Wesentlichen rundzylindrisch und länglich ausgebildet ist. In diesem Innenraum 19 ist mit einem etwas kleineren Außendurchmesser eine Halogenlampe 20 in länglicher Stabform angeordnet. Die in 1 dargestellte Halogenlampe 20 weist sowohl am linken Ende als auch am rechten Ende nicht im Detail dargestellte elektrische Anschlüsse auf, insbesondere jeweils einen. Vorteilhaft ist die Halogenlampe 20 eine übliche Halogenlampe, wie sie beispielsweise für Baustrahler oder helle Scheinwerfer im Handel erhältlich ist.
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Es ist zu erkennen, dass von der Halogenlampe 20 an sich nur sehr kurze Stücke aus der Wasserführung 13 bzw. dem Innenraum 19 herausragen. Vorteilhaft sind dies die elektrischen Anschlüsse.
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Es ist auch aus 1 zu erkennen und konstruktiv so vorgesehen, dass die einzelnen Windungen des Rohrs 15 der Wasserführung 13 direkt aneinander anliegen, unter Umständen sogar sozusagen federnd gegeneinander gedrückt werden durch eine spezielle Herstellungsmethode. Dadurch wird eine geschlossene Anordnung erreicht zur besseren Nutzung der Strahlungsenergie der Halogenlampe 20 einerseits sowie um den außen vorzusehenden thermischen Dämmungsaufwand zu senken. Es kann nämlich noch eine thermische Dämmung vorteilhaft um die Vorrichtung 11 herum vorgesehen sein, die für den Fachmann jedoch einfach auszugestalten ist und deswegen hier nicht dargestellt werden muss.
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Die Wasserführung 13 weist zwanzig Windungen um den Innenraum 19 bzw. die Halogenlampe 20 herum auf. Ein Durchflussquerschnitt des Rohrs 15 kann eine Fläche von etwa 4,5 mm2 betragen und, wie insbesondere aus dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ersichtlich ist, ellipsenartig sein. Durch das Biegen zu den Windungen wird aus dem eigentlich rundzylindrischen Rohr 15 eben die Ellipsenform mit einem Durchmesser in der einen Richtung von etwa 4,4 mm und in der anderen Richtung von etwa 1,4 mm. Alternativ sind auch andere Formen denkbar, beispielsweise eine dreieckige Form oder eine rechteckige Form.
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In 2 ist bei einer etwas anderen Ausführung einer Vorrichtung 11' zur Dampferzeugung eine Halogenlampe 20' dargestellt, deren beide elektrischen Anschlüsse 21' an einem Ende angeordnet sind, und zwar am rechten. So ist eine elektrische Kontaktierung erheblich leichter und im Übrigen ist es durchaus auch möglich, die Wasserführung 13 bzw. die Vorrichtung 11' am linken Ende zu schließen. Durch die elektrischen Anschlüsse 21' nur an einem Ende ist ein Anschluss auch nur von einer Richtung her ausreichend und somit sehr viel einfacher durchzuführen.
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Es ist aus 2 zu erkennen, dass der Abstand der Halogenlampe 20' und der Wasserführung 13 einige Millimeter betragen kann, beispielsweise 5 mm bis 10 mm. Dieses Maß ist aber von untergeordneter Bedeutung, da die Energieabgabe der Halogenlampe über die Wirkung der Strahlungsheizung erfolgt und sich mit größerem Abstand, also insgesamt größerem Durchmesser der Wasserführung 13, zwar eine geringere Wärmemenge pro Fläche ergibt, gleichzeitig aber die Fläche entsprechend größer sein kann. Dabei sollte auch darauf geachtet werden, dass die Halogenlampe 20' einigermaßen in der Mitte bzw. mit ihrer Mittellängsachse zusammenfallend mit derjenigen der Wasserführung 13 verläuft. So können besonders heiße Bereiche an der Wasserführung 13 vermieden werden.
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In 2 ist auch noch dargestellt, dass die Länge der Vorrichtung 11' in drei Bereiche I, II und III unterteilt werden kann. Ein Bereich I dient dazu, zum Einlass 16 eingebrachtes Wasser auf etwa 100°C zu erhitzen. Der Bereich II dient dazu, das auf etwa 100°C erhitzte Wasser von der flüssigen in die Dampfphase zu überführen, also zu verdampfen. Im Bereich III wird dann der Dampf noch einmal deutlich über 100°C hinaus erhitzt, beispielsweise auf etwa 200°C bis 300°C. Dieser überhitzte Dampf tritt dann am Auslass 18 aus.
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Es ist also zu erkennen, dass der weitaus größte Bereich der Wasserführung 13 benötigt wird, um das erhitzte Wasser in die Dampfphase überzuführen.
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In 2 ist auch noch dargestellt, wie vor dem Einlass 16 eine Pumpe 22 angeordnet ist mit einer Wasserzuleitung 23. Diese Pumpe kann von einer nicht dargestellten Steuerung angesteuert werden und maßgeblich bestimmen, natürlich zusammen mit dem Betrieb der Halogenlampe 21', wie viel Dampf erzeugt wird bzw. am Auslass 18 herausgelassen wird und welche Temperatur er aufweist. Dazu kann die Pumpe 22, wie eingangs beschrieben, entweder kontinuierlich mit unterschiedlicher Leistung und Fördermenge betrieben werden. Alternativ kann sie in kurzen Abständen getaktet betrieben werden.
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Am Auslass 18 ist ein schematisch dargestellter Temperatursensor 25 vorgesehen, beispielsweise ein Thermoelement. Mit ihm kann die Temperatur des erzeugten Dampfes erfasst werden und in einer nicht dargestellten Steuerung verarbeitet werden. Wenn die Steuerung gleichzeitig über die Betriebsinformationen der Pumpe 22 in etwa die Förderleistung kennt und gleichzeitig die von der Halogenlampe 20' eingekoppelte Heizleistung, so kann sie auch die erzeugte Dampfmenge bestimmen.
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Nicht dargestellt in 2 sind Abstandshalter, mit denen die Halogenlampe 20' in etwa zentrisch im Innenraum 19 gehalten werden kann. Dies ist aber für den Fachmann problemlos zu realisieren.
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Die Vorrichtung 11 kann allgemein, vorteilhaft mit einer sie umgebenden Wärmedämmung, zusammen mit elektrischen Anschlüssen und einer Wasserzuleitung 23 sowie einer Leitung für den Auslass 18 als Baueinheit in ein Gerät eingebaut werden, beispielsweise eines der eingangs genannten.
