DE102017100564A1 - Fluid heating device and method for heating a fluidic heat transfer medium - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Fluidheizvorrichtung, umfassend einen Fluidkanal zum Hindurchführen eines fluidischen Wärmeträgermediums, einen im oder am Fluidkanal angeordneten oder von diesem gebildeten Wärmeübertragungskörper mit vom Wärmeträgermedium durchströmbaren Durchgängen und eine elektromagnetische Erregereinrichtung, die mit dem Wärmeübertragungskörper induktiv gekoppelt ist. Außerdem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Erwärmen eines fluidischen Wärmeträgermediums und eine Vorrichtung mit mindestens einer Fluidheizvorrichtung.The invention relates to a fluid heating device, comprising a fluid channel for passing a fluidic heat transfer medium, arranged in or on the fluid channel or formed by this heat transfer body can be traversed by the heat transfer medium passages and an electromagnetic excitation device which is inductively coupled to the heat transfer body. Moreover, the invention also relates to a method for heating a fluidic heat transfer medium and a device having at least one fluid heating device.
Description
Die Erfindung betrifft eine Fluidheizvorrichtung, umfassend einen Fluidkanal zum Hindurchführen eines fluidischen Wärmeträgermediums.The invention relates to a fluid heating device, comprising a fluid channel for passing a fluidic heat transfer medium.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erwärmen eines fluidischen Wärmeträgermediums mit einer Fluidheizvorrichtung.Moreover, the invention relates to a method for heating a fluidic heat transfer medium with a fluid heating device.
Eine Fluidheizvorrichtung zum Erwärmen eines fluidischen Wärmeträgermediums erfährt vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Bei dem Wärmeträgermedium kann es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln, wobei hierunter vorliegend auch ein Gasgemisch verstanden werden kann. Flüssige Wärmeträgermedien (insbesondere Wasser) werden zum Beispiel in als Durchlauferhitzer ausgebildeten Fluidheizvorrichtungen eingesetzt. Beispielhafte Anwendungsgebiete liegen im Sanitärbereich, bei Getränkeautomaten oder Standheizungen für Kraftfahrzeuge. Fluidheizvorrichtungen mit einem gasförmigen Wärmeträgermedium (insbesondere Luft) werden beispielsweise bei Trockengeräten, in elektrisch betriebenen Heizlüftern und in Windkanälen eingesetzt.A fluid heating device for heating a fluidic heat transfer medium experiences a variety of uses. The heat transfer medium can be a liquid or a gas, which in the present case can also be understood to mean a gas mixture. Liquid heat transfer media (in particular water) are used, for example, in fluid heaters in the form of instantaneous water heaters. Exemplary fields of application are in the sanitary sector, in drinks dispensers or auxiliary heaters for motor vehicles. Fluid heaters with a gaseous heat transfer medium (in particular air) are used, for example, in drying devices, in electrically operated fan heaters and in wind tunnels.
Bei herkömmlichen Fluidheizvorrichtungen erfolgt die Aufheizung des Wärmeträgermediums über ein ohmsches Heizelement, das durch Beaufschlagung mit elektrischer Energie aufgeheizt wird und die Wärme an das vorbeiströmende Wärmeträgermedium abgibt. Derartige Fluidheizvorrichtungen benötigen vergleichsweise großen Bauraum. Die Ansprechzeit ist nicht unbeträchtlich, wodurch auch der Wirkungsgrad herkömmlicher Fluidheizvorrichtungen eher gering ist. Dies beschränkt die Skalierungsmöglichkeiten hinsichtlich Größe und/oder Leistung.In conventional fluid heating, the heating of the heat transfer medium via an ohmic heating element, which is heated by exposure to electrical energy and dissipates the heat to the passing heat transfer medium occurs. Such fluid heaters require comparatively large space. The response time is not inconsiderable, whereby the efficiency of conventional fluid heaters is rather low. This limits scaling options in terms of size and / or performance.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Fluidheizvorrichtung und ein Verfahren zum Erwärmen eines fluidischen Wärmeträgermediums bereitzustellen, mit der bzw. dem im Hinblick auf die Möglichkeit der Skalierung eine konstruktiv einfache Erwärmung des Wärmeträgermediums möglich ist, wobei vorteilhafterweise eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet werden kann.The object of the present invention is to provide a fluid heating device and a method for heating a fluidic heat transfer medium with which a structurally simple heating of the heat transfer medium is possible with regard to the possibility of scaling, wherein advantageously a high level of operational reliability can be ensured.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Fluidheizvorrichtung gelöst, umfassend einen Fluidkanal zum Hindurchführen eines fluidischen Wärmeträgermediums, einen im oder am Fluidkanal angeordneten oder von diesem gebildeten Wärmeübertragungskörper mit vom Wärmeträgermedium durchströmbaren Durchgängen und eine elektromagnetische Erregereinrichtung, die mit dem Wärmeübertragungskörper induktiv gekoppelt ist.This object is achieved by a fluid heating device according to the invention, comprising a fluid channel for passing a fluid heat transfer medium, arranged in or on the fluid channel or formed by this heat transfer body can be traversed by the heat transfer medium passages and an electromagnetic excitation device which is inductively coupled to the heat transfer body.
Bei der erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung kann Energie, die von der elektromagnetischen Erregereinrichtung bereitgestellt wird, induktiv mit hohem Wirkungsgrad auf den Wärmeübertragungskörper übertragen werden. Durch die induktive Erregung des Wärmeübertragungskörpers kann eine physische Verbindung zwischen der Erregereinrichtung und dem Wärmeübertragungskörper eingespart werden. Dies ermöglicht eine konstruktiv einfache Ausgestaltung der Fluidheizvorrichtung und erlaubt es, dessen Herstellungskosten gering zu halten. Durch Induktion bilden sich im Wärmeübertragungskörper Wirbelströme, wodurch dieser aufgeheizt wird. Wärme kann an das die Durchgänge des Wärmeübertragungskörpers durchströmende Wärmeträgermedium abgegeben werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Wärmeübertragungskörper eine poröse oder schaumartige Beschaffenheit aufweist und die vom Wärmeübertragungsmedium kontaktierbare innere Oberfläche im Verhältnis zur äußeren Oberfläche oder dem Volumen des Wärmeübertragungskörpers groß bis sehr groß ist. Die zu erhitzende Masse des Wärmeübertragungskörpers kann gering gehalten werden, wodurch eine schnelle Ansprechzeit der Fluidheizvorrichtung gewährleistet ist. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Fluidheizvorrichtung im Sinne eines Durchlauferhitzers, bei dem der Übertrag von Wärme träge und ineffizient nach Art eines Wärmetauschers erfolgt, kann die erfindungsgemäße Fluidheizvorrichtung demgegenüber gewissermaßen als „Energietauscher“ angesehen werden. Die die Erregereinrichtung beaufschlagende elektrische Energie führt durch die induktive Kopplung zum Aufheizen des Wärmeübertragungskörpers und kann von diesem mit hoher volumetrischer Leistung zum Erwärmen des Wärmeträgermediums umgesetzt werden, wobei dessen Kontakt mit der Erregereinrichtung selbst nicht erforderlich ist.In the fluid heating apparatus according to the present invention, energy provided by the electromagnetic excitation means can be inductively transferred to the heat transfer body with high efficiency. By the inductive excitation of the heat transfer body, a physical connection between the excitation means and the heat transfer body can be saved. This allows a structurally simple embodiment of the fluid heater and allows to keep its production costs low. Induction forms in the heat transfer body eddy currents, causing it to be heated. Heat can be delivered to the heat transfer medium flowing through the passages of the heat transfer body. It is particularly advantageous if the heat transfer body has a porous or foam-like nature and the contact surface of the heat transfer medium inner surface in relation to the outer surface or the volume of the heat transfer body is large to very large. The mass of the heat transfer body to be heated can be kept low, whereby a fast response time of the fluid heater is ensured. In contrast to a conventional fluid heating device in the sense of a water heater, in which the transfer of heat is inert and inefficient in the manner of a heat exchanger, the fluid heater according to the invention in contrast can be regarded as a kind of "energy exchanger". The electrical energy acting on the excitation device leads through the inductive coupling to the heating of the heat transfer body and can be implemented by this with high volumetric power for heating the heat transfer medium, wherein its contact with the exciter device itself is not required.
Die Erregervorrichtung weist vorteilhafterweise mindestens eine Spule auf. Dabei ist vorzugweise vorgesehen, dass sich die Spule in einer Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums durch den Fluidkanal über die gesamte Länge des Wärmeübertragungskörpers erstreckt.The excitation device advantageously has at least one coil. It is preferably provided that the coil extends in a flow direction of the heat transfer medium through the fluid channel over the entire length of the heat transfer body.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist als Spule günstigerweise eine eine Wandung des Fluidkanals umgebende Zylinderspule vorgesehen. Wicklungen der Zylinderspule umgeben den Fluidkanal. Ein durch die Beaufschlagung der Spule mit Wechselstrom entstehendes magnetisches Wechselfeld kann induktiv in den innerhalb der Spule angeordneten Wärmeübertragungskörper eingekoppelt werden. Durch das Wechselfeld werden Wirbelströme im Wärmeübertragungskörper induziert. Wicklungen der Spule können direkt oder indirekt, beispielsweise über ein Isolationsmedium, an der Wandung des Fluidkanals anliegen. Bei Einsatz einer Zylinderspule kann der Fluidkanal beispielsweise einen runden und insbesondere kreisförmigen Querschnitt quer zur Strömungsrichtung des Wärmeübertragungsmediums aufweisen.In an advantageous embodiment, a coil surrounding a wall of the fluid channel is advantageously provided as a coil. Windings of the cylindrical coil surround the fluid channel. An alternating magnetic field produced by the action of the alternating current coil can be inductively coupled into the heat transfer body arranged inside the coil. The alternating field induces eddy currents in the heat transfer body. Windings of the coil can bear directly or indirectly, for example via an insulating medium, on the wall of the fluid channel. When using a cylindrical coil, the fluid channel may have, for example, a round and in particular circular cross-section transverse to the flow direction of the heat transfer medium.
Alternativ oder ergänzend kann bei einer vorteilhaften Umsetzung vorgesehen sein, dass als Spule eine seitlich neben einer Wandung des Fluidkanals angeordnete Spule vorgesehen ist, wobei es sich dabei insbesondere um eine Flachspule handeln kann, beispielsweise bei Ausgestaltung des Fluidkanals als Flachkanal. Die Anordnung der Spule seitlich neben dem Fluidkanal erlaubt eine einfache Skalierung und Montage der Fluidheizvorrichtung. Ein von der mit Wechselstrom beaufschlagten Spule erzeugtes magnetisches Wechselfeld ist beispielsweise quer zu einer Strömungsrichtung des Wärmeübertragungsmediums durch den Fluidkanal ausgerichtet. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous implementation, that is provided as a coil laterally adjacent to a wall of the fluid channel coil, which may in particular be a flat coil, for example, when designing the fluid channel as a flat channel. The arrangement of the coil laterally adjacent to the fluid channel allows for easy scaling and assembly of the fluid heater. For example, an alternating magnetic field generated by the AC-energized coil is oriented transversely to a flow direction of the heat transfer medium through the fluid passage.
Von Vorteil ist es, wenn der Wärmeübertragungskörper, zumindest teilweise, aus einem porösen oder schaumartigen Material gefertigt ist, wobei die Durchgänge durch die poröse oder schaumartige Beschaffenheit des Wärmeübertragungskörpers ausgebildet sind. Das Einbringen von gesonderten Durchgängen in den Wärmeübertragungskörper ist nicht erforderlich. Wie bereits erwähnt besteht bei einer porösen Ausgestaltung des Wärmeübertragungskörpers die Möglichkeit, eine im Verhältnis zur äußeren Oberfläche und zum Volumen große bis sehr große innere Oberfläche bereitzustellen. Dies ermöglicht einen effizienten Wärmeübertrag vom Wärmeübertragungskörper auf das Wärmeträgermedium. Bei geringer zu erwärmender Masse besteht eine schnelle Ansprechzeit der Fluidheizvorrichtung. Entsprechendes gilt für eine schaumartige Ausgestaltung des Wärmeübertragungskörpers.It is advantageous if the heat transfer body, at least partially, is made of a porous or foam-like material, wherein the passages are formed by the porous or foam-like nature of the heat transfer body. The introduction of separate passages in the heat transfer body is not required. As already mentioned, in the case of a porous design of the heat transfer body, it is possible to provide a large to very large inner surface in relation to the outer surface and to the volume. This allows an efficient heat transfer from the heat transfer body to the heat transfer medium. With low mass to be heated, there is a fast response time of the fluid heater. The same applies to a foam-like design of the heat transfer body.
Bei einer andersartigen vorteilhaften Umsetzung der Fluidheizvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Durchgänge als Kanäle, beispielsweise als Bohrungen, im Wärmeübertragungskörper ausgeführt sind.In another advantageous implementation of the fluid heating device can be provided that the passages are designed as channels, for example as holes in the heat transfer body.
Als günstig erweist es sich, wenn der Wärmeübertragungskörper, ganz oder teilweise, zumindest eines der nachfolgend genannten Materialien umfasst oder aus zumindest einem der nachfolgend genannten Materialien besteht oder gefertigt ist, wobei natürlich auch Kombinationen möglich sind:
- - einem metallischen Material, das vorliegend insbesondere auch metallische Legierungen umfassen kann. Beispielsweise kommt ein Metallschaum oder ein poröses Sintermetall zum Einsatz;
- - einem keramischen Material, zum Beispiel einem faserkeramischen Material (CMC, Ceramic Matrix Composite), das eine mikroporöse Beschaffenheit zur Ausbildung der Durchgänge aufweist;
- - einem Verbundwerkstoff, insbesondere einem Faserverbundwerkstoff. Beispielsweise wird ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (KFK) oder eine Faserkeramik (CMC, Ceramic Matrix Composite) eingesetzt. Zum Beispiel wird ein sogenanntes CC (Carbon-Carbon)-Material für den Wärmeübertragungskörper oder als Ausgangsmaterial für denselben verwendet. Dieses CC-Material kann pyrolisierte Viskosefasern aufweisen, die in Phenolharz eingebettet sind, wobei das Gefüge zum Ausbilden des CC-Materials pyrolisiert ist. Eine weitere Infiltration mit Phenolharz und Aushärtung kann vorgesehen sein;
- - Kohlenstoff oder einem kohlenstoffhaltigen Material, beispielsweise Graphit, Kohlefilz, Kohleschaum, Aktivkohle; auch kohlenstoffhaltige Verbindungen sind denkbar, insbesondere Siliciumcarbid;
- - aus einem Sintermaterial, etwa einem Sintermetall.
- - A metallic material, which in the present case may include in particular metallic alloys. For example, a metal foam or a porous sintered metal is used;
- a ceramic material, for example a ceramic-ceramic material (CMC), which has a microporous nature to form the passages;
- - A composite material, in particular a fiber composite material. For example, a carbon fiber reinforced plastic (KFK) or a ceramic ceramic (CMC, Ceramic Matrix Composite) is used. For example, a so-called CC (carbon-carbon) material is used for the heat transfer body or as a raw material for the same. This CC material may comprise pyrolyzed viscose fibers embedded in phenolic resin, the structure for pyrolyzing the CC material being pyrolyzed. Further infiltration with phenolic resin and curing may be provided;
- Carbon or a carbonaceous material, for example graphite, carbon felt, carbon foam, activated carbon; also carbon-containing compounds are conceivable, in particular silicon carbide;
- - From a sintered material, such as a sintered metal.
Der Wärmeübertragungskörper kann aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt sein oder ein solches umfassen. Es kann vorgesehen sein, dass der Wärmeübertragungskörper erst in einem Betriebszustand elektrisch leitfähig ist und hierfür zunächst auf Betriebstemperatur zu bringen ist (beispielsweise bei Fertigung aus ZrO2). Dies könnte mit einem separaten Heizelement und/oder mittels des Wärmeträgermediums erfolgen.The heat transfer body may be made of or include an electrically conductive material. It may be provided that the heat transfer body is only electrically conductive in an operating state and for this purpose is initially to bring to operating temperature (for example, when manufactured from ZrO 2 ). This could be done with a separate heating element and / or by means of the heat transfer medium.
Wie bereits erwähnt kann vorgesehen sein, dass der Fluidkanal im Querschnitt rund ausgestaltet ist oder dass der Fluidkanal als Flachkanal ausgestaltet ist.As already mentioned, it may be provided that the fluid channel is designed to be round in cross-section or that the fluid channel is designed as a flat channel.
Bei einer vorteilhaften Umsetzung der Fluidheizvorrichtung ist es günstig, wenn der Wärmeübertragungskörper im Fluidkanal angeordnet ist, insbesondere quer zu einer Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums formschlüssig im Fluidkanal aufgenommen ist. Dies gibt die Möglichkeit, den beim Übertragungskörper über den gesamten Querschnitt des Fluidkanals mit dem Wärmeübertragungsmedium zu durchströmen. Der Wärmeübertragungskörper kann gewissermaßen einen „Kern“ der vorstehend genannten Spule ausbilden. In an advantageous implementation of the fluid heating, it is advantageous if the heat transfer body is arranged in the fluid channel, in particular transversely to a flow direction of the heat transfer medium is positively received in the fluid channel. This makes it possible to flow through the transmission body over the entire cross section of the fluid channel with the heat transfer medium. The heat transfer body can effectively form a "core" of the aforementioned coil.
Bei einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Durchgänge des Wärmeübertragungskörpers längs einer Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums durch den Wärmeübertragungskörper ausgerichtet sind.In one embodiment it can be provided that the passages of the heat transfer body are aligned along a flow direction of the heat transfer medium through the heat transfer body.
Bei einer vorteilhaften Umsetzung kann vorgesehen sein, dass der Wärmeübertragungskörper hülsenförmig ausgestaltet ist und ein Zwischenraum zwischen einer Wandung des Fluidkanals und dem Wärmeübertragungskörper vorgesehen ist, dass vorzugsweise die Durchgänge quer oder senkrecht zur Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums ausgerichtet sind und der Wärmeübertragungskörper aufstromseitig frei von Durchgängen ist, wobei der Wärmeübertragungskörper über den Zwischenraum mit dem Wärmeträgermedium beaufschlagbar ist. Aufströmseitig weist der Wärmeübertragungskörper keine Durchgänge auf. Das zuströmende Wärmeträgermedium kann in den Zwischenraum gelangen und von dort quer und insbesondere senkrecht zur Erstreckung des Fluidkanals durch den Wärmeübertragungskörper hindurchströmen.In an advantageous implementation can be provided that the heat transfer body is designed sleeve-shaped and a space between a wall of the fluid channel and the heat transfer body is provided, that preferably the passages are aligned transversely or perpendicular to the flow direction of the heat transfer medium and the heat transfer body is upstream of passages, the Heat transfer body can be acted upon via the intermediate space with the heat transfer medium. On the upstream side, the heat transfer body has no passages. The inflowing heat transfer medium can enter the intermediate space and from there flow transversely and in particular perpendicular to the extension of the fluid channel through the heat transfer body.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Erregereinrichtung, zumindest abschnittsweise, im Fluidkanal angeordnet ist. Beispielsweise weist die Erregereinrichtung mindestens eine im Fluidkanal angeordnet Spule auf, bei der es sich zum Beispiel um eine Zylinderspule handeln kann. Die Zylinderspule kann koaxial zum Fluidkanal ausgerichtet sein.In an advantageous embodiment of the fluid heating device according to the invention can be provided that the exciter device, at least in sections, is arranged in the fluid channel. For example, the exciter device has at least one coil arranged in the fluid channel, which may be, for example, a cylindrical coil. The solenoid can be aligned coaxially with the fluid channel.
Bei zumindest teilweise im Fluidkanal angeordneter Erregereinrichtung ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Wärmeübertragungskörper hülsenförmig ausgestaltet ist und ein Zwischenraum zwischen einer Wandung des Fluidkanals und dem Wärmeübertragungskörper vorgesehen ist, wobei der Wärmeübertragungskörper die Erregereinrichtung zumindest abschnittsweise einfasst. Insbesondere kann der Wärmeübertragungskörper eine Zylinderspule der Erregereinrichtung einfassen, koaxial zu welcher der Wärmeübertragungskörper ausgerichtet sein kann. Es können Durchgänge quer oder senkrecht zur Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums im Wärmeübertragungskörper gebildet sein, und an einer Abstromseite kann der Wärmeübertragungskörper frei von Durchgängen sein. Bei einer derartigen Ausführungsform könnte die Spule mit dem zuströmenden Wärmeträgermedium konvektiv gekühlt werden. Das Wärmeträgermedium kann von innen nach außen durch den Wärmeübertragungskörper strömen, in den Zwischenraum zwischen dem Wärmeübertragungskörper und der Wandung eintreten und seitlich am Wärmeübertragungskörper vorbeiströmen. Eine derartige Fluidheizvorrichtung weist eine sehr kompakte Bauform auf.In at least partially arranged in the fluid passage excitation means is advantageously provided that the heat transfer body is designed sleeve-shaped and an intermediate space between a wall of the fluid channel and the heat transfer body is provided, wherein the heat transfer body surrounds the exciter at least in sections. In particular, the heat transfer body can surround a cylindrical coil of the exciter device, coaxial with which the heat transfer body can be aligned. Passages may be formed transversely or perpendicular to the flow direction of the heat transfer medium in the heat transfer body, and on a downstream side, the heat transfer body may be free of passageways. In such an embodiment, the coil could be convectively cooled with the inflowing heat transfer medium. The heat transfer medium can flow from the inside to the outside through the heat transfer body, enter the space between the heat transfer body and the wall and laterally flow past the heat transfer body. Such a fluid heating device has a very compact design.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Wärmeübertragungskörper koaxial zum Fluidkanal ausgerichtet ist.In particular, it can be provided that the heat transfer body is aligned coaxially to the fluid channel.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Fluidheizvorrichtung ist günstigerweise vorgesehen, dass der Wärmeübertragungskörper eine Wandung des Fluidkanals ausbildet.In an advantageous embodiment of the fluid heating device is advantageously provided that the heat transfer body forms a wall of the fluid channel.
Bei einer andersartigen vorteilhaften Ausführungsform der Fluidheizvorrichtung kann vorgesehen sein, dass der Wärmeübertragungskörper einen Aufnahmeraum ausbildet und in diesem angeordnete schüttfähige Wärmeübertragungselemente aufweist, die induktiv mit der Erregereinrichtung gekoppelt sind und zwischen denen die Durchgänge ausbildende Lücken vorhanden sind. Die Wärmeübertragungselemente sind im Aufnahmeraum aufgenommen. Das Wärmeübertragungsmedium kann an den Wärmeübertragungselementen vorbeiströmen, durch die zwischen diesen vorhandenen Lücken. Für eine effiziente Wärmeübertragung ist es dabei sinnvoll, wenn die Wärmeübertragungselemente eine geringe Größe aufweisen, beispielsweise einen Durchmesser von 1 mm oder vorzugsweise weniger, etwa 0,1 mm. Die Wärmeübertragungselemente können ihrerseits bei einer bevorzugten Ausführungsform Durchgänge aufweisen, welche zum Beispiel durch eine poröse oder schaumartige Beschaffenheit der Wärmeübertragungselemente gebildet sind. Dies gibt die Möglichkeit, die vom Wärmeträgermedium kontaktierbare Oberfläche des Wärmeübertragungskörpers zu vergrößern.In another advantageous embodiment of the fluid heating device can be provided that the heat transfer body forms a receiving space and arranged in this flowable heat transfer elements, which are inductively coupled to the exciter device and between which the passages forming gaps are present. The heat transfer elements are accommodated in the receiving space. The heat transfer medium may flow past the heat transfer elements by the gaps between them. For efficient heat transfer, it makes sense if the heat transfer elements have a small size, for example, a diameter of 1 mm or preferably less, about 0.1 mm. In turn, in a preferred embodiment, the heat transfer elements may comprise passages formed, for example, by a porous or foamy nature of the heat transfer elements. This gives the possibility of enlarging the surface of the heat transfer body which can be contacted by the heat transfer medium.
Günstig ist es, wenn die Wärmeübertragungselemente einander berührend im Aufnahmeraum aufgenommen sind. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, darauf wird nachfolgend eingegangen, wenn die Wärmeübertragungselemente elektrisch leitend sind und als ohmsche Heizelemente zum Erwärmen des Wärmeträgermediums eingesetzt werden können.It is advantageous if the heat transfer elements are received touching each other in the receiving space. This is for example advantageous, it will be discussed below, if the heat transfer elements are electrically conductive and can be used as ohmic heating elements for heating the heat transfer medium.
Die Wärmeübertragungselemente können kugelförmig ausgestaltet sein, beispielsweise mit einem Durchmesser von 1 mm oder weniger.The heat transfer elements can be designed spherical, for example with a diameter of 1 mm or less.
Zur wirkungsvollen Einkopplung induktiver Energie in den Wärmeübertragungskörper ist es von Vorteil, wenn der Wärmeübertragungskörper oder die Wärmeübertragungselemente ferromagnetisch oder ferrimagnetisch ist/sind.For effective coupling of inductive energy in the heat transfer body, it is advantageous if the heat transfer body or the heat transfer elements is ferromagnetic or ferrimagnetic / are.
Auch eine paramagnetische Ausgestaltung des Wärmeübertragungskörpers oder der Wärmeübertragungselemente ist denkbar.Also, a paramagnetic design of the heat transfer body or the heat transfer elements is conceivable.
Günstig ist es, wenn der Wärmeübertragungskörper oder die Wärmeübertragungselemente aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt und mit einer Energieversorgungseinrichtung gekoppelt oder koppelbar sind zum Durchleiten eines elektrischen Stromes durch den Wärmeübertragungskörper oder die Wärmeübertragungselemente. Dies gibt die Möglichkeit, über die induktive Kopplung hinaus den Wärmeübertragungskörper oder die Wärmeübertragungselemente mit elektrischer Energie zu beaufschlagen (über Gleichstrom oder Wechselstrom). Der Wärmeübertragungskörper bildet dadurch ein ohmsches Heizelement zum ergänzenden Energieübertrag an das Wärmeträgermedium.It is advantageous if the heat transfer body or the heat transfer elements made of an electrically conductive material and coupled to a power supply device or can be coupled for passing an electric current through the heat transfer body or the heat transfer elements. This gives the possibility of applying electrical energy to the heat transfer body or elements via the inductive coupling (via DC or AC). The heat transfer body thereby forms an ohmic heating element for additional energy transfer to the heat transfer medium.
Der Wärmeübertragungskörper oder die Wärmeübertragungselemente (deren kombinierte spezifische Oberfläche bezogen auf das Volumen des Wärmeübertragungskörpers) weisen vorteilhafterweise eine spezifische Oberfläche von mindestens 1.000 m2/m3 auf, bevorzugt mindestens 100.000 m2/m3, noch bevorzugter mindestens 1.000.000 m2/m3. Beispielsweise kann bei kugelförmigen Wärmeübertragungselementen in dichter Schüttung mit einem Kugeldurchmesser von 1 mm eine volumenspezifische Oberfläche von ungefähr 1.000 bis 5.000 m2/m3 erzielt werden. Bei einer kompakten Kugelschüttung mit einem Durchmesser von 0,1 mm beträgt die volumenspezifische Oberfläche bereits ungefähr 10.000 bis 50.000 m2/m3. Das vorstehend erwähnte CC-Material mit poröser Beschaffenheit kann eine volumenspezifische Oberfläche von ungefähr 1.000.000 bis 5.000.000 m2/m3 aufweisen. Noch höhere Werte werden bei Aktivkohle mit ungefähr 100.000.000 m2/m3 und mehr erzielt.The heat transfer body or the heat transfer elements (their combined specific surface area in relation to the volume of the heat transfer body) advantageously have a specific surface area of at least 1,000 m 2 / m 3 , preferably at least 100,000 m 2 / m 3 , more preferably at least 1,000,000 m 2 / m 3 . For example, with spherical heat transfer elements in dense bed with a ball diameter of 1 mm, a volume-specific surface area of approximately 1,000 to 5,000 m 2 / m 3 can be achieved. For a compact ball bed with a diameter of 0.1 mm, the volume-specific surface is already approximately 10,000 to 50,000 m 2 / m 3 . The above-mentioned porous nature CC material may have a volume specific surface area of about 1,000,000 to 5,000,000 m 2 / m 3 . Even higher values are achieved with activated carbon with approximately 100,000,000 m 2 / m 3 and more.
Vorteilhafterweise ist ein elektrisches Isolationsmedium zwischen der Erregereinrichtung und dem Wärmeübertragungskörper vorgesehen, um die Betriebssicherheit der Fluidheizvorrichtung zu erhöhen, zum Beispiel für Anwendungen im Sanitärbereich. Das elektrische Isolationsmedium kann dabei vorzugsweise eine geringere magnetische Suszeptibilität aufweisen als der Wärmeübertragungskörper, damit das magnetische Wechselfeld der Erregereinrichtung im Wesentlichen nur den Wärmeübertragungskörper beaufschlagt, nicht jedoch das Isolationsmedium. Als Material für das Isolationsmedium kommt beispielsweise Kunststoff (z. B. für Niedertemperaturanwendungen) oder eine Aluminiumoxid-Faserkeramik (z. B. Whipox) zum Einsatz, letzteres auch zur thermischen Isolation.Advantageously, an electrical insulation medium is provided between the excitation means and the heat transfer body to increase the reliability of the fluid heating apparatus, for example for sanitary applications. The electrical insulation medium may preferably have a lower magnetic susceptibility than the heat transfer body, so that the alternating magnetic field of the exciter essentially acts only on the heat transfer body, but not the insulation medium. The material used for the insulating medium is, for example, plastic (for example for low-temperature applications) or an aluminum oxide fiber ceramic (eg Whipox), the latter also being used for thermal insulation.
Alternativ oder ergänzend ist es günstig, wenn ein thermisches Isolationsmedium zwischen der Erregereinrichtung und dem Wärmeübertragungskörper vorgesehen ist, um unerwünschte Abwärme des Wärmeübertragungskörpers zu vermeiden.Alternatively or additionally, it is favorable if a thermal insulation medium is provided between the exciter device and the heat transfer body in order to avoid unwanted waste heat of the heat transfer body.
Vorzugsweise sind das elektrische und das thermische Isolationsmedium identisch, d. h. es kann ein Isolationsmedium vorgesehen sein, das die Erregereinrichtung thermisch und elektrisch vom Wärmeübertragungskörper isoliert.Preferably, the electrical and thermal isolation media are identical, i. H. An insulation medium may be provided which thermally and electrically isolates the exciter device from the heat transfer body.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung mit mindestens einem Verbraucher, die mindestens eine Fluidheizvorrichtung der vorstehend genannten Art aufweist, wobei dem mindestens einen Verbraucher das von der mindestens einen Fluidheizvorrichtung aufgeheizte Wärmeträgermedium zuführbar ist.The present invention also relates to a device having at least one consumer, which has at least one fluid heating device of the aforementioned type, wherein the at least one consumer can be supplied with the heat transfer medium heated by the at least one fluid heating device.
Die Vorteile, die unter Einsatz der erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung erzielbar sind, können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls erzielt werden. Für vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung wird auf vorteilhafte Ausführungsformen der Fluidheizvorrichtung verwiesen.The advantages that can be achieved using the fluid heating device according to the invention can also be achieved in the device according to the invention. For advantageous embodiments of the device, reference is made to advantageous embodiments of the fluid heating device.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf unterschiedliche Weise ausgestaltet sein und bezieht sich auf Verwendungsmöglichkeiten der mindestens einen Fluidheizvorrichtung. Beispielsweise ist die Vorrichtung eine Sanitäranlage oder ein Teil davon, ein Getränkeautomat oder eine Heizanlage bzw. ein Teil davon. Die Vorrichtung kann, beispielsweise bei gasförmigem Wärmeträgermedium, ein elektrischer Heizlüfter sein, ein Trockengerät, ein Windkanal, ein Brenner oder ein thermo-elektrisches Triebwerk.The device according to the invention can be designed in different ways and relates to possible uses of the at least one fluid heating device. For example, the device is a sanitary unit or a part thereof, a vending machine or a heating system or a part thereof. The device may be, for example, in gaseous heat transfer medium, an electric fan heater, a drying device, a wind tunnel, a burner or a thermo-electric engine.
Dementsprechend kann der Verbraucher der Vorrichtung auf unterschiedliche Weise ausgestaltet sein. Bei dem Verbraucher handelt es sich zum Beispiel um eine Düse, ein Gebläse oder ein Pumpaggregat.Accordingly, the consumer of the device can be designed in different ways. The consumer is, for example, a nozzle, a blower or a pump unit.
Die Vorrichtung umfasst vorteilhafterweise eine Steuerungseinrichtung und ein mit dieser gekoppeltes Förderaggregat. Dies erlaubt es, den Volumenstrom des Wärmeträgermediums, mit dem der Wärmeübertragungskörper beaufschlagt wird, zu steuern und/oder zu regeln. Die Steuerungseinrichtung ist vorteilhafterweise mit der vorstehend erwähnten Energieversorgungseinrichtung gekoppelt, um das Aufheizen des Wärmeträgermediums zu steuern und/oder zu regeln.The device advantageously comprises a control device and a delivery unit coupled thereto. This makes it possible to control and / or regulate the volume flow of the heat transfer medium, with which the heat transfer body is acted upon. The control device is advantageously coupled to the aforementioned energy supply device in order to control and / or regulate the heating of the heat transfer medium.
Das Wärmeträgermedium kann, wie erwähnt, gasförmig sein. Beispielsweise kann ein inertes Gas (N2, Ar...) zum Einsatz kommen, wobei die Vorrichtung ein Brenner ist, zum Beispiel für Schneidvorgänge. Die Heißgaszone könnte dabei aus dem definierten inerten Gas bestehen. Dies gibt die Möglichkeit, auch kritische Materialien gezielt lokal zu erwärmen bzw. zu schneiden. Als Verbraucher der Vorrichtung kann eine Düse vorgesehen sein, die als Expansionsdüse oder koaxiale Düse ausgestaltet sein kann. Bei einer koaxial ausgestalteten Düse besteht die Möglichkeit, wie bei einem herkömmlichen Schneidbrenner einen weiteren Zuführkanal für ein andersartiges Fluid oder Gas (beispielsweise Sauerstoff) zuzuführen, um eine bestimmte Heißgaswirkung zu erzielen.The heat transfer medium may, as mentioned, be gaseous. For example, an inert gas (N 2 , Ar ...) can be used, the device being a burner, for example for cutting operations. The hot gas zone could consist of the defined inert gas. This makes it possible to locally heat or cut even critical materials. As a consumer of the device, a nozzle may be provided which may be configured as an expansion nozzle or coaxial nozzle. In the case of a coaxially configured nozzle, it is possible, as in the case of a conventional cutting torch, to supply a further feed channel for a different fluid or gas (for example oxygen) in order to achieve a specific hot gas effect.
Es kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung vorgesehen sein, dass diese selbst eine Düse umfasst. Günstig ist es, wenn die Düse, zumindest abschnittsweise, vom Wärmeübertragungskörper gebildet ist. Beispielsweise kann der vorstehend erwähnte hülsenförmige Wärmeübertragungskörper eine Querschnittsverengung aufweisen, die insbesondere ausgangsseitig angeordnet ist. Das nach Durchtritt durch den Wärmeübertragungskörper aufgeheizte Wärmeträgermedium kann die Querschnittsverengung zur Erzielung eines hohen spezifischen Impulses passieren. Beispielsweise ist die Düse eine Lavaldüse. Ausströmseitig an der Fluidheizvorrichtung kann, zum Beispiel bei einem thermo-elektrischen Triebwerk, vorteilhafterweise eine Expansionsdüse vorgesehen sein.It may be provided in an advantageous embodiment of the fluid heating device according to the invention that this itself comprises a nozzle. It is advantageous if the nozzle, at least in sections, is formed by the heat transfer body. For example, the above-mentioned sleeve-shaped heat transfer body may have a cross-sectional constriction, which is arranged in particular on the output side. The heated after passing through the heat transfer body heat transfer medium can the cross-sectional constriction to achieve a high specific Impulse happen. For example, the nozzle is a Laval nozzle. On the outflow side of the fluid heating device can be provided, for example, in a thermoelectric engine, advantageously an expansion nozzle.
Die eingangs genannte Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erwärmen eines fluidischen Wärmeträgermediums gelöst, bei welchem Verfahren das Wärmeträgermedium einen in einem Fluidkanal angeordneten oder von diesem gebildeten Wärmeübertragungskörper durchströmt und von diesem erwärmt wird, wobei der Wärmeübertragungskörper induktiv mit einer Erregereinrichtung gekoppelt ist.The above-mentioned object is achieved by a method according to the invention for heating a fluid heat transfer medium, in which method the heat transfer medium flows through a heat transfer body arranged in or formed by a fluid channel and is heated by the latter, the heat transfer body being inductively coupled to an exciter device.
Die Vorteile, die bereits bei der Erläuterung der erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung erwähnt wurden, können bei Einsatz des Verfahrens ebenfalls erzielt werden. Diesbezüglich kann auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden.The advantages already mentioned in the explanation of the fluid heating device according to the invention can also be achieved when using the method. In this regard, reference may be made to the above statements.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Verfahrens ergeben sich durch vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung. Auf obige Ausführungen wird verwiesen.Advantageous embodiments of the method result from advantageous embodiments of the fluid heating device according to the invention. Reference is made to the above statements.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung ermöglichen die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es zeigen:
-
1 : eine schematische Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
2 : eine schematische Schnittansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung; -
3 : eine schematische Schnittansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung; -
4 : eine Draufsicht auf die Fluidheizvorrichtung in Richtung des Pfeiles „4“ in3 ; -
5 : eine schematische Schnittansicht einer vierten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung; -
6 : eine schematische Schnittansicht einer fünften bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung; -
7 : eine schematische Schnittansicht einer sechsten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
8 : eine schematische Schnittansicht einer siebten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und -
9 : eine schematische Schnittansicht einer achten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung.
-
1 a schematic sectional view of a first preferred embodiment of a fluid heating device according to the invention and a device according to the invention; -
2 a schematic sectional view of a second preferred embodiment of a fluid heating device according to the invention; -
3 FIG. 2 is a schematic sectional view of a third preferred embodiment of a fluid heating device according to the invention; FIG. -
4 FIG. 2: a top view of the fluid heating device in the direction of the arrow "4" in FIG3 ; -
5 a schematic sectional view of a fourth preferred embodiment of a fluid heating device according to the invention; -
6 a schematic sectional view of a fifth preferred embodiment of a fluid heating device according to the invention; -
7 a schematic sectional view of a sixth preferred embodiment of a fluid heating device according to the invention and a device according to the invention; -
8th FIG. 2 is a schematic sectional view of a seventh preferred embodiment of a fluid heating device according to the invention and a device according to the invention; FIG. and -
9 FIG. 2: a schematic sectional view of an eighth preferred embodiment of a fluid heating device according to the invention. FIG.
Nachfolgend werden unterschiedliche vorteilhafte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Fluidheizvorrichtung beschrieben, mit denen jeweils vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführbar sind. Für gleiche oder gleichwirkende Merkmale und Bauteile der unterschiedlichen Ausführungsformen werden identische Bezugszeichen benutzt. Es wird lediglich auf die wesentlichen Unterschiede der Fluidheizvorrichtungen eingegangen.In the following, different advantageous embodiments of a fluid heating device according to the invention will be described, with which advantageous embodiments of the method according to the invention can be carried out in each case. For identical or equivalent features and components of the different embodiments, identical reference numerals are used. Only the essential differences of the fluid heaters will be discussed.
Der Fluidkanal
Vorliegend ist der Querschnitt des Fluidkanals
Bei einer andersartigen erfindungsgemäßen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Querschnitt des Fluidkanals
Die Fluidheizvorrichtung
Der Wärmeübertragungskörper
Aufgrund der porösen Beschaffenheit weist der Wärmeübertragungskörper
Die spezifische Oberfläche des Wärmeübertragungskörpers
Die Fluidheizvorrichtung
Wicklungen
Ein Isolationsmedium
Die Spule
Die induktive Einkopplung von Energie in den Wärmeübertragungskörper
Zudem besteht eine kompakte Bauweise bei zugleich konstruktiv einfacher Fertigung. Dies erlaubt es, die Fluidheizvorrichtung
Die Fluidheizvorrichtung
Die Vorrichtung
Die Vorrichtung
Die magnetische Suszeptibilität des Isolationsmediums
Der Wärmeübertragungskörper
Eine in
Bei der Fluidheizvorrichtung
An der Bodenwand
Der Wärmeübertragungskörper
Eine in den
Bei der Fluidheizvorrichtung
Der Wärmeübertragungskörper
Die Erregereinrichtung
Die Spule
Das von der Spule
Eine in
Bei der Fluidheizvorrichtung
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Wärmeübertragungskörper
Eine mit dem Bezugszeichen
Bei der Fluidheizvorrichtung
Ein gegenseitiger Kontakt der Wärmeübertragungselemente
Die Fluidheizvorrichtung
Als Verbraucher
Bei der Vorrichtung
Der Volumenstrom des Gases wird zum Beispiel mittels der Steuerungseinrichtung
Die Vorrichtung
Eine in konstruktiver Hinsicht zur Vorrichtung
Die Fluidheizvorrichtung
Als Wärmeträgermedium
Vorliegend umfasst die Vorrichtung
Bei einer in der
Die Spule
Das über den Zufuhrabschnitt
Die Fluidheizvorrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Fluidheizvorrichtungfluid heating device
- 1212
- Fluidkanalfluid channel
- 1414
- WärmeträgermediumHeat transfer medium
- 1616
- Strömungsrichtungflow direction
- 1818
- Wandungwall
- 2020
- Innenrauminner space
- 2222
- Zufuhrabschnittfeeding section
- 2424
- Abgabeabschnittdispensing portion
- 2626
- Verbreiterungsabschnittwidening section
- 2828
- WärmeübertragungskörperHeat transfer body
- 3030
- Erregereinrichtungexcitation device
- 3232
- SpuleKitchen sink
- 3434
- EnergieversorgungseinrichtungPower supply means
- 3636
- Wicklungwinding
- 3838
- Isolationsmediuminsulation medium
- 4040
- Fluidheizvorrichtungfluid heating device
- 4242
- Hülseshell
- 4444
- Bodenwandbottom wall
- 4646
- SeitenwandSide wall
- 4848
- Zwischenraumgap
- 5050
- Pfeilarrow
- 6060
- Fluidheizvorrichtungfluid heating device
- 6262
- mittlerer Abschnittmiddle section
- 6464
- SpuleKitchen sink
- 6666
- Gehäusecasing
- 6868
- Wicklungwinding
- 7070
- SpuleKitchen sink
- 8080
- Fluidheizvorrichtungfluid heating device
- 8282
- Durchgangpassage
- 8484
- Kanalchannel
- 9090
- Fluidheizvorrichtungfluid heating device
- 9292
- Aufnahmeraumaccommodation space
- 9494
- WärmeübertragungselementHeat transfer element
- 9696
- Durchgangpassage
- 100100
- Vorrichtungcontraption
- 102102
- Linieline
- 104104
- Verbraucherconsumer
- 106106
- Steuerungseinrichtungcontrol device
- 108108
- Förderaggregatdelivery unit
- 110110
- Vorrichtungcontraption
- 112112
- Fluidheizvorrichtungfluid heating device
- 114114
- QuerschnittsverengungCross-sectional narrowing
- 116116
- Düsejet
- 118118
- Expansionsdüseexpansion nozzle
- 120120
- Vorrichtungcontraption
- 122122
- Fluidheizvorrichtungfluid heating device
- 124124
- Düsejet
- 126126
- Zufuhreinrichtungfeeder
- 128128
- Zufuhrleitungsupply line
- 130130
- Fluidheizvorrichtungfluid heating device
- 132132
- Hülseshell
- 134134
- Bodenwandbottom wall
- 136136
- SeitenwandSide wall
- 138138
- Pfeilarrow
- 140140
- Zwischenraumgap
Claims (20)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017100564.1A DE102017100564A1 (en) | 2017-01-12 | 2017-01-12 | Fluid heating device and method for heating a fluidic heat transfer medium |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017100564.1A DE102017100564A1 (en) | 2017-01-12 | 2017-01-12 | Fluid heating device and method for heating a fluidic heat transfer medium |
Publications (1)
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---|---|
DE102017100564A1 true DE102017100564A1 (en) | 2018-07-12 |
Family
ID=62636415
Family Applications (1)
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DE102017100564.1A Pending DE102017100564A1 (en) | 2017-01-12 | 2017-01-12 | Fluid heating device and method for heating a fluidic heat transfer medium |
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DE (1) | DE102017100564A1 (en) |
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-
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- 2017-01-12 DE DE102017100564.1A patent/DE102017100564A1/en active Pending
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: DTS PATENT- UND RECHTSANWAELTE SCHNEKENBUEHL U, DE |