DE102016009226A1

DE102016009226A1 - Thermal management system water heating

Info

Publication number: DE102016009226A1
Application number: DE102016009226.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2018-02-01

Abstract

Wassererwärmung mit herkömmlichen Durchlauferhitzern ist energieintensiv und damit teuer. Photovaltaikanlagen können mit diesen Systemen nur schwerlich betrieben werden. Die Erfindung zielt, neben allen übrigen Einsatzmöglichkeiten, besonders auf externe Verbundsysteme ab. Einsatzbedingt können normale Netzanschlüsse verwendet werden, aber auch der Dauerbetrieb mit Niedervolttechnik in Verbindung mit Photovoltaikpaneelen ist Bestandteil des Thermo-Management-Systems.
Um die am GNP-Heizmodul entstehende Hochtemperatur auf die wasserführende Rohr- oder Mäanderkonstruktion verlustfrei zu übertragen muß ein besonders guter Wärmekontakt hergestellt werden. Üblicherweise erfolgt dies kostenintensiv durch Planfräsen der Kontaktflächen. Zudem muß das Heizmodul vom wasserführendem Element elektrisch isoliert werden. Deshalb sind Materialien mit richtigem k-Wert eine unabdingbare Voraussetzung für energiesparende und umweltfreundliche Systeme. Die vorliegende Erfindung entspricht dieser Anforderung. Je höher der Wert für – k – desto besser der Wärmetransport. Der thermische Widerstand ist sowohl von der Abmessung als auch der Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Konstruktionsmaterial abhängig. Je dünner die Schichtstärke der Kontaktfläche ist umso schneller vollzieht sich der Wärmeaustausch zwischen Heizquelle und wasserführendem System. Geräte mit konvexen, konkaven, wellenartigen Unebenheiten oder materialbedingter Rauheit erhöhen den thermischen Widerstand durch Lufteinschlüsse und verschlechtern damit den Wirkungsgrad des Systems. (K-Wert Luft: 0.0026 W/mK) Diese grundlegenden Erkenntnisse entstanden aus Erfahrungswissen und sind Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung.Water heating with conventional instantaneous water heaters is energy-intensive and therefore expensive. Photovoltaic systems are difficult to operate with these systems. The invention aims, in addition to all other applications, especially on external composite systems. Normal network connections can be used depending on the application, but also continuous operation with low-voltage technology in conjunction with photovoltaic panels is part of the thermal management system.
In order to transfer the high temperature arising at the GNP heating module lossless to the water-bearing pipe or meander construction a particularly good thermal contact must be made. Usually, this is costly by face milling of the contact surfaces. In addition, the heating module must be electrically isolated from the water-bearing element. Therefore, materials with the right k-value are an essential requirement for energy-saving and environmentally friendly systems. The present invention meets this requirement. The higher the value for - k - the better the heat transfer. The thermal resistance is dependent on both the dimension and the thermal conductivity of the construction material used. The thinner the layer thickness of the contact surface, the faster the heat exchange between the heat source and the water-carrying system takes place. Devices with convex, concave, wave-like unevenness or material roughness increase the thermal resistance due to air inclusions and thus worsen the efficiency of the system. (K value air: 0.0026 W / mK) These basic insights arose from empirical knowledge and are the main feature of the present invention.

Description

Allgemein: Wassererwärmung kostet Energie, Zeit und Geld. Herkömmliche Systeme arbeiten mit Netzanschlusswerten von 5–27 kW/h und sind damit uneffizient. Das TMS-System benötigt 60–2900 Watt je nach Konfiguration. Verwendbar als Boilerheizung, Durchlauferhitzer oder Kombigerät. Die Erfindung basiert auf der Patentanmeldung 102014 018 647.4 vom 13.12.2014General: Water heating costs energy, time and money. Conventional systems work with grid connection values of 5-27 kW / h and are thus inefficient. The TMS system requires 60-2900 watts depending on the configuration. Suitable as boiler heater, water heater or combi boiler. The invention is based on the patent application 102014 018 647.4 from 13.12.2014

Vorteile:Advantages:

Geringe Anschlusswerte –Low connection values -

24 V. 60 W per module (alternative)
42 V. 120 W (alternative)
230 V. 300 W (continuous operation)
230 V. 2.9 kW (rapid heating stage) • AC and DC - safe to operate, • Small footprint - 390 mm × 390 mm × 50 mm, variable, • Can be retrofitted to any water - bearing pipe system, • Rapid heating, no loss of water due to flow, • Controllable Demand - warm - to boiling water, tank storage, • low initial cost per heating element, • simple and safe self-assembly • single unit or domestic water supply in the thermal block unit • Sterility through slow water flow at high temperature • Suitable for liquid materials • High safety by full encapsulation • Long life because without mechanics • Environmentally friendly due to lowest power consumption • Lowest repair requirement (replacement part) Particularly suitable for connection to photovoltaic systems No exhaust gases, no CO 2 emissions,

Technische Details:Technical details:

Standartmodell 390 × 390 × 20 mm, Hohlkammer-Aluminium-Stegplatte als wasserleitendes geschlossenes System, bedarfsgerecht größenvariabel. Als Einzelgerät oder in Kaskadenbauweise für größere Wassermengen. Anschlusswert max. 230 Volt, 60–2900 Watt, ab- und zuschaltbar, kompiniertes Widerstandsmaterial, PTC-Heizmodul, Metallgehäuse, geräuschloser Betrieb, an jede Kaltwasserleitung anschließbar, auch als Nachrüstung für herkömmliche Heizanlagen geeignet. Thermostatregelung von Durchflussmenge und Wassertemperatur. In einem Blechgehäuse befindet sich der wasserführende Corpus aus Aluminium-Hohlkammerstegplatten in Mäanderausführung. (1) Beidseitig Hochleistungs-Glimmer-Wärmestrahler in Mehrschicht-Bauweise, die mit 350° Celsius auf die wasserführende Hohlkammer einwirken. Die Oberfläche, die effiziente Geometrie und die Zusammenwirkung der verwendeten Materialien Aluminium, Graphene und Molybdän sorgen für eine schnelle Erwärmung des Wassers. Die spezifische thermische Leitfähigkeit – k – ist eine Materialkonstante. Je höher der Wert für – k – bei sonst gleicher Geometrie und Dicke desto besser erfolgt der Wärmetransport. Der Wert für – k – der verwendeten Materialien ist
Aluminium 220 W/mK
Graphen 166 W/mK
Molybdän 139 W/mKStandard model 390 × 390 × 20 mm, hollow chamber aluminum web plate as water-conducting closed system, as required, variable in size. As a single unit or in cascade design for larger amounts of water. Connected value max. 230 volt, 60-2900 watt, can be switched off and on, comp. Resistance material, PTC heating module, metal housing, noiseless operation, can be connected to any cold water pipe, also suitable as retrofit for conventional heating systems. Thermostat control of flow rate and water temperature. In a sheet metal housing, the water-bearing corpus made of aluminum hollow chamber web plates in meander design. ( 1 ) Double-sided high performance mica heat radiators in multi-layer design, which act with 350 ° Celsius on the water-bearing hollow chamber. The surface, the efficient geometry and the interaction of the materials aluminum, graphene and molybdenum ensure a rapid warming of the water. The specific thermal conductivity - k - is a material constant. The higher the value for - k - otherwise the same geometry and thickness, the better the heat transfer. The value for - k - is the materials used
Aluminum 220 W / mK
Graphene 166 W / mK
Molybdenum 139 W / mK

Gemessen am k-Wert von Luft mit 0,0026 W/mK wird deutlich, das die Kombination der Werte ohne Lufteinschlüsse und die kompakte Bauweise hohe Temperaturen mit geringem Energieverbrauch ermöglicht. Besonders für den Einsatz dieser Konstruktion in Photovoltaik-Anlagen mit geringerer Stromstärke steigert den Wert solcher Hausanlagen erheblich. (1)Measured by the k-value of air at 0.0026 W / mK, it becomes clear that the combination of values without air pockets and the compact design enables high temperatures with low energy consumption. Especially for the use of this design in photovoltaic systems with lower amperage increases the value of such home systems considerably. ( 1 )

Das Gesamtsystem ist steinwollgedämmt und berührungssicher in einem geschlossenem Metallbehälter plaziert. Die Leistung des Gerätes wird daduch weiter verbessert. Je nach Bedarf können diese Einzelgeräte zu Kaskaden zusammengefügt werdenThe entire system is stone wool insulated and placed in a secure metal container. The performance of the device is daduch further improved. Depending on requirements, these individual devices can be assembled into cascades

Das TM-System kann in bestehende Warmwasser-Heizsysteme auf Öl- oder Gas-Basis integriert werden und ergänzt diese auf ideale Weise. Der gekoppelte Wasserumlaufzyklus im Heiz- und Warmwasseraufbereitungssystem bleibt konstant durch die gesteuerte Wärmeabgabe des Thermosiphons im Durchflussbereich des Vor- und Rücklaufes der Heizanlage. Eine externe Warmwasserbereitung entfällt damit. Durch wesentlich geringere Starts des Öl- oder Gasbrenners reduziert sich sowohl der Öl- und Gasverbrauch als auch die Strommenge für das Umwälzpumpensystem, das auf niedrigstem Niveau gefahren wird.The TM system can be integrated into existing oil or gas-based hot water heating systems and ideally complements them. The coupled water circulation cycle in the heating and hot water treatment system remains constant due to the controlled heat dissipation of the thermosyphon in the flow area of the flow and return of the heating system. An external water heating is thus eliminated. Significantly lower starts of the oil or gas burner reduce both oil and gas consumption and the amount of power required for the circulation pump system, which is operated at the lowest level.

Das System kann auch in minimierter Ausführung in Einzelzapfstellen für Warmwasser installiert werden, z. B. Küche, Bad, Werkstatt. Durch die gekoppelte Bauweise besteht kein Gefährdungspotential für die Benutzer. Alternativ und wenn erforderlich kann der Heizwiderstand auch aus 2, 4 oder mehr Flachplatten, aus GNP-Material bestehend, in einem anders geformten Hüllkörper positioniert und kontaktiert werden, z. B. in einem rechteckigem Metall- oder Keramikgehäuse. Das selbstregelnde Heizmodul erzeugt infrarote Wärmestrahlung. Die gewünschte Temperatur wird durch selektive Einstellung des Widerstandes, durch Variieren der Spannung und Voltage sowie durch Temperatursteuer-Geräte erreicht Der CNT-Widerstand wird, geometrisch definiert, segmentartig oder in Formteilen eingesetzt. Die Kontaktierung erfolgt durch Cu-Kabel- oder Band und wird wahlweise parallel, seriell oder in Mischformen ausgeführt. Die Oberflächen der Heizwiderstände aus GNP werden mit unterschiedlichem Materialien – wie temperaturfeste Lacke, Keramiken oder Emailfarben veredelt und zusätzlich mit Isolier- oder Haftschichten thermisch stabil isoliert. Eine kompakte Isolierschicht im Aussenbereich verhindert ungewollte Wärmeabgabe in den Raum. Ein Ergänzungs-Widerstand aus CNT- und conductiven Particeln (PTC-Effekt) ermöglichen schnelle Aufheizung und sparsamen Dauerbetrieb.The system can also be installed in minimized version in individual taps for hot water, z. Kitchen, bathroom, workshop. Due to the coupled construction, there is no danger potential for the users. Alternatively, and if necessary, the heating resistor can also be made of 2, 4 or more flat plates, consisting of GNP material, positioned and contacted in a differently shaped envelope body, for. B. in a rectangular metal or ceramic housing. The self-regulating heating module generates infrared heat radiation. The desired temperature is achieved by selective adjustment of the resistance, by varying the voltage and voltage as well as by temperature control devices. The CNT resistance is used geometrically defined, segment-like or in shaped parts. The contact is made by Cu cable or tape and is executed either parallel, serial or in mixed forms. The surfaces of the heating resistors made of GNP are finished with different materials - such as temperature-resistant lacquers, ceramics or enamel paints and additionally thermally stable insulated with insulating or adhesive layers. A compact insulation layer on the outside prevents unwanted heat dissipation into the room. A CNT and conductive PTC effect resistor allows fast heating and economical continuous operation.

Die Ausführung der GNP-Warmwasserheizer im Wasseranschlussbereich entspricht dem Stand modernster Technik und ist nach internationalen Standart bereits zertifiziert und als tauglich eingestuft.The design of the GNP hot water heater in the water connection area corresponds to the state of the art and is already certified according to international standards and classified as suitable.

Die vorstehend beschriebenen Merkmale der Erfindung sind jeweils im Einzelnem erfindungswesentlich und können beliebig miteinander kombiniert werden. So kann die Voltage von 48 Volt auf 230 Volt verändert werden oder eine Mischschaltung 48/230 Volt angelegt werden. Die duale Anordnung der Heizwiderstände verändert die Leistungsaufnahme und Temperatur und gestaltet sich damit selbstregelnd.The features of the invention described above are essential to the invention in each case and can be combined with one another as desired. Thus, the voltage can be changed from 48 volts to 230 volts or a 48/230 volt mixed circuit can be created. The dual arrangement of the heating resistors changes the power consumption and temperature and thus makes it self-regulating.

Die Entwicklung des Systems ist abgeschlossen. Technische Verbesserungen und Erweiterung des Einsatzbereiches bleiben im Vorbehalt.The development of the system is complete. Technical improvements and expansion of the area of application remain subject to reservation.

Claims

Heating system of a thermally resilient molding for heating aggregates and materials in a defined and combined form of metal hollow chamber web plates or similar water-bearing systems with one or more electrically and thermally conductive structure coating and metals with an electrically conductive structure layer, the combination by electrical and thermally specified materials is designed geometrically at electrical contact and generated at current flow infrared radiant heat, characterized in that the electrically conductive structure layer has a defined network of aluminum, graphene nano-platelets, molybdenum or tungsten, the structural characteristic is used in an operationally defined.

Heating device according to claim 1, characterized in that the conductive structure and insulating layers may consist of a plurality of identical or different ohmic resistors, which are connected in parallel, in series and in combination with each other and equipped with frequency and temperature controlling electronics and flow-controlling sensor technology.

Heating device according to claim 1 and 2, characterized in that between the molded body and conductive structural layer at least one functional coating of thermally treated ceramic, metallic, enamel or blocking, adhesive and insulating layer is present, wherein at least one layer of GNP material ,

Heating device according to claim 1, 2 and 3, characterized in that an insulating layer in the form of a thermal barrier coating of rock wool or other thermally resilient material is applied.

Heating device according to claim 1, 2, 3 and 4, characterized in that the radiating surfaces are coated with functional GNP and special high-k elements and the emission spectrum transmits the applied radiant temperature by specified infrared wavelengths in predetermined mkm-scaling to the aquiferous hollow chamber guidance system.

Heating device according to claim 1, 2, 3, 4 and 5, characterized in that the heating modules are designed as a composite element and comprise at least two shaped bodies of equal or different thickness. Several shaped bodies with an electrically conductive structural layer can be arranged in layers and alternately.

Heating device according to claim 1, 2, 3, 4, 5 and 6, characterized in that the surface of a molded body is provided with a thermally conductive layer whose material components are heat-resistant and the highest by a high k value as a "blackbody" Generates IR radiation and further reduces energy consumption. (PTC effect)

Heating device according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6 and 7, characterized in that the heating elements are designed as a defined area or in a different geometric shape, wherein the outer shape is determined by the application modalities and with openings and recesses, for , B. holes can be provided.

Heating devices according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 and 8, characterized in that a system variant consists in installing the module in the form of a "power block" in a heating system. Depending on the requirement, one or a plurality of the "Power Blocks" can be introduced as an additional heating module in existing oil or gas heating systems, in photovoltaic systems or goethermie systems. 1 shows the construction principle.