DE202008005887U1 - Behälter zum Aufnehmen und Erwärmen von Fluiden - Google Patents

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Abstract

Behälter zum Aufnehmen und Erwärmen von Fluiden , wobei der Behälter eine Außengesamtfläche und eine Innengesamtfläche umfasst und so ausgestaltet ist, dass wenigstens in einen Bereich der Außengesamtfläche mittels einer Wärmequelle Wärmeenergie zur Erwärmung eines im Behälter aufnehmbaren Fluids eintragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bereich der Innengesamtfläche (3) eine Mikrostruktur (4) zur relativen Vergrößerung der Oberfläche dieses Bereiches aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Behälter zum Aufnehmen und Erwärmen von Fluiden, wobei der Behälter eine Außengesamtfläche und eine Innengesamtfläche umfasst und derart ausgestaltet ist, dass wenigstens in einen Bereich der Außengesamtfläche mit einer Wärmequelle Wärmeenergie zum Erwärmen eines im Behälter aufgenommenen Fluids eintragbar ist.
  • Behälter zum Aufnehmen und Erwärmen von Flüssigkeiten sind hinlänglich bekannt, wobei insbesondere Kochtöpfe typische Beispiele für solche Verwendungszwecke sind. Derartige Behälter sind dafür ausgelegt, Fluide aufzunehmen und das darin befindliche Fluid durch ein Erwärmen zu beeinflussen. Zu diesem Zweck wird zumindest eine Fläche oder ein Flächenbereich des Behälters einer Wärmequelle ausgesetzt, wobei die von der Wärmequelle erzeugte Wärme über Konvektion in der Behälterwand an das im Behälter befindliche Medium abgegeben wird.
  • Um den von der Wärmequelle aufgebrachten Energieaufwand je Zeiteinheit zu minimieren, muss die Wärmeenergie möglichst verlustfrei in das Fluid transportiert werden. Dabei ist ein optimaler Wärmetransport durchführbar, wenn die in Kontakt mit dem Fluid stehende erwärmte Oberfläche möglichst groß ist.
  • Eine bekannte Maßnahme zur Vergrößerung der Oberfläche ist zum Beispiel die Anordnung einer Heizspirale direkt im zu erwärmenden Fluid.
  • Des Weiteren offenbart die DE 197 57 526C1 Oberflächenbehandlungen zur Herstellung von Grundflächen mit einer vergrößerten Gesamt-Oberfläche zur verbesserten Wärmeübertragung, wobei mit den Oberflächenbearbeitungen eine sehr rauhe Oberfläche hergestellt wird. Die Dicke der mechanisch erzeugten Vorsprünge bzw. Rippen ist dabei etwa 0,1 mm.
  • Das Maß der Vergrößerung der Oberfläche durch die Aufrauhung bewirkt bereits eine Effizienzsteigerung bei der Erwärmung eines Fluides, jedoch ist ein noch weiter verbesserter Wärmetransport wünschenswert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Behälter zum Aufnehmen und Erwärmen von Fluiden zur Verfügung zu stellen, mit den eine effiziente Erwärmung eines darin eingebrachten Fluids realisierbar ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Anspruch 1 bezeichneten Behälter zur Aufnahme und Erwärmung von Fluiden gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den sich anschließenden Unteransprüchen angegeben.
  • Es wird ein Behälter zum Aufnehmen und Erwärmen von Fluiden zur Verfügung gestellt, der eine Außengesamtfläche und eine Innengesamtfläche aufweist mit dem wenigstens in einem Bereich der Außengesamtfläche mit einer Wärmequelle Wärmeenergie zur Erwärmung eines im Behälter aufnehmbaren Fluids eingetragen wird. Erfindungsgemäß weist mindesten ein Bereich der Innengesamtfläche eine Mikrostruktur zur relativen Vergrößerung der Oberfläche dieses Bereiches auf.
  • Die Vergrößerung der Oberfläche dient der Erhöhung der Effizienz des Wärmeübergangs in das im Behälter befindliche Fluid. Die Wärmequelle kann dabei ein erhitztes Medium sein, das mit dem der Behälter unmittelbar in Berührung gebracht wird, oder auch die Flamme eines Brenners. Ebenfalls kann die Temperatur im Behälter beziehungsweise in einer seiner Wände oder Abschnitte davon auch mittels induktiver Erwärmung, Widerstandserwärmung oder mittels Strahlung aus einer Heizeinrichtung erzeugt werden.
  • Die Mikrostruktur besteht im Wesentlichen aus einer Vielzahl von Vorsprüngen, die auf einer Grundfläche der Behälterinnenwand angeordnet sind.
  • Die Vorsprünge sollten eine Mindesthöhe von 8 μm haben, mit der bereits eine effiziente Wärmeübertragung erzeugt werden kann. Ab 10 μm lassen sich die Vorsprünge wirtschaftlich fertigen und sichern einen bemerkenswerten, thermischen Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung. Die maximale Höhe der Vorsprünge von 195 μm soll insbesondere aus fertigungstechnischer Sicht nicht überschritten werden.
  • Neben der effizienten Energieübertragung ist auch eine erhebliche Blasenbildung (zum Zweck des Wärmetransportes in der erwärmten Flüssigkeit) zu verzeichnen.
  • Optimale Ergebnisse eines Wärmetransportes lassen sich z. B. ab einer Anzahl von wenigstens 100 Vorsprüngen je Quadratzentimeter erreichen.
  • Die Mikrostrukturen sind vorteilhaft geordnet auf der Grundfläche vorhanden, damit der Wärmeeintrag über die gesamte mit Mikrostruktur ausgerüstete Fläche gezielt steuer- und regelbar ist.
  • Die Vorsprünge der Mikrostruktur weisen im Wesentlichen eine Stiftform auf und erstrecken sich senkrecht zur Grundfläche oder auch in einem Winkel von 30 bis 90 Grad zur Grundfläche.
  • Die Stiftform kann insbesondere auf dem der Grundfläche gegenüberliegenden Ende in der Form variabel ausgestaltet sein. So können die Vorsprünge an den oberen Enden Kegel- oder Kugelsegmente aufweisen.
  • Die erfindungsgemäße vorgeshene Anordnung der Mikrostruktur sollte derart erfolgen, dass zwischen den Vorsprüngen Abstände bestehen, das heißt, dass jeder Vorsprung mit einem benachbarten Vorsprung lediglich über die Grundfläche verbunden ist.
  • Dabei soll nicht ausgeschlossen sein, dass sich einige wenige Vorsprünge auf Grund von Fertigungstoleranzen bedingten unterschiedlichen Neigungen an ihren Enden berühren.
  • Die Abstände zwischen den Vorsprüngen sollten zwischen 0,6 μm und 1000 μm liegen. Dabei ist der Bereich von 0,6 μm bis 10 um insbesondere bei Fluiden mit geringer Viskosität vorteilhaft. Die Wahl des Abstandes zwischen den Vorsprüngen hängt neben der Wärmeleitfähigkeit und der Oberflächenspannung des zu erwärmenden Fluids außerdem vom beabsichtigen technischen Aufwand für das Fertigungsverfahren ab.
  • Ebenfalls ist es aus den selben Gründen günstig, wenn die Vorsprünge auf wenigstens einem Grundflächenbereich eine gleiche Länge aufweisen.
  • Mit der Mikrostruktur wird durch eine relative Vergrößerung der Gesamt-Oberfläche ein verbesserter, thermischer Wirkungsgrad bei der Einbringung von Wärmeenergie in das zu erwärmende Medium realisiert.
  • Es ist erfindungsgemäß weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass der mit der Mikrostruktur versehene Bereich der Innengesamtfläche sich zumindest teilweise mit dem Bereich des Behälters überdeckt, in den mittels der Wärmequelle Wärme in den Behälter eingetragen wird und der mit dem Fluid bedeckt ist.
  • Zur Realisierung eines verbesserten Energietransportes sollte dabei der mit der Mikrostruktur versehene Bereich größer sein als der Bereich des Wärmeeintrages.
  • Zur weiteren Verbesserung des Wärmetransports sollte der Behälter wenigstens im Bereich des Wärmeeintrages ein Material mit einem Wärmeleitwert von wenigstens 15 W/(mK) aufweisen. Die Mikrostruktur auf der Oberfläche des wärmeleitfähigen Materials sollte dabei ebenfalls aus dem gleichen oder zumindest einem ähnlich wärmeleitfähigen Material sein Derartige Materialien sind beschichtete Stähle, Kupfer und die meisten Kupferlegierungen.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung mit verringertem Fertigungsaufwand in Bezug zum energetischen Effekt ist ein Behälter, dessen Innenfläche vollständig mit der Mikrostruktur versehen ist. Dabei ist die gesamte innere Fläche des Behälters mit Mikrostrukturen ausgerüstet, dadurch steht somit das gesamte zu erwärmenden Fluid in Kontakt mit der inneren Oberfläche des Behälters.
  • In einer weiteren und alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärmequelle in einer Wand des Behälters integriert angeordnet. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die Wärmequelle ein integraler Bestandteil des Behälters. Das bedeutet, dass Wärmeverluste weitestgehend ausgeschaltet werden.
  • Zur Verwendung eines allgemein verwendbaren Behälters ist vorgesehen, dass dieser Behälter im Wesentlichen die Form eines Topfes aufweist. Dabei hat der Behälter eine flache Grundfläche und eine zylinderische Außenwand.
  • In der Grundfläche kann erfindungsgemäß die Wärmequelle angeordnet sein Dabei kann die Mikrostruktur aber trotzdem auf der gesamten Innenwand des Behälters vorgesehen sein. Weiterhin kann der Boden des Behälters gesehen auf seinen Innenraum konkav ausgebildet werden, so dass sich seine konvexe Aussenfläche sehr wirkungsvoll für eine Wärmeübertrag einer Heizflamme entgegen richtet. In dem erfindungsgemäßen Behälter in dem mit hoher Energieausnutzung eine Erwärmung durchgeführt werden soll, ist die Mikrostruktur so ausgebildet, dass eine Blasenbildung an der mit der Mikrostruktur versehenen Oberfläche begünstigt wird. Die Höhe der Mikrostruktur und die Abstände der einzelnen Vorsprünge zueinander sollte unter Beachtung der Viskosität der zu erwärmenden Flüssigkeit ausgewählt werden, wobei grundsätzlich die Abstände zwischen den Vorsprüngen vermindert sein können, je geringer die Viskosität ist. Es lässt sich somit selbst bei relativ geringem Wärmenergieeintrag in das zu erwärmende Fluid eine ausreichende Blasenbildung erreichen. Die Blasen im zu erwärmenden Fluid haben eine an die Mirkrostruktur angepasste Abmessung. Sie werden in einer hohen Frequenz bei Erhitzung des Mediums und der darauf folgenden Mikrostruktur gebildet.
  • Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die dargestellte Zeichnung zeigt einen Behälter zur Aufnahme und Erwärmung von Flüssigkeiten.
  • Der Behälter 1 umfasst eine Außengesamtfläche 2 und eine Innengesamtfläche 3, eine Mikrostruktur 4 angeordnet ist. Die Mikrostruktur 4 muss dabei nicht zwingend die Innengesamtfläche 3 vollständig abdecken. Sie kann alternativ auch partiell an der Innenwand oder einer der Innenwände ausgebildet sein. Insbesondere sollte die Mikrostruktur 4 aber in dem Bereich des Behälters 1 angeordnet sein, der direkt dem Wärmeeintrag der Wärmequelle 5 ausgesetzt ist.
  • Die von der Wärmequelle 5 produzierte Wärme wird beispielhaft über Konvektion in die Wandung des Behälters 1 eingetragen und insbesondere über die in Kontakt mit dem Fluid 6 stehende Mikrostruktur 4 in das Fluid 6 transportiert.
  • Durch die mit der Mikrostruktur 4 bewirkte Vergrößerung der Innenfläche des Behälters 1 ist der Wärmetransport in das Fluid 6 wesentlich effizienter durchführbar als bei Verwendung glatter oder im Makro-Bereich profilierter Wände des Behälters 1.
  • Zusätzlich wird durch die Mikrostruktur 4 die Blasenbildung im Fluid 6 bei einer Erwärmung begünstigt. Dieser Vorgang erweist sich als äußerst zeit- und energiesparend.
  • 1
    Behälter
    2
    Außengesamtfläche
    3
    Innengesamtfläche
    4
    Mikrostruktur
    5
    Wärmequelle
    6
    Fluid
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19757526 C1 [0005]

Claims (8)

  1. Behälter zum Aufnehmen und Erwärmen von Fluiden , wobei der Behälter eine Außengesamtfläche und eine Innengesamtfläche umfasst und so ausgestaltet ist, dass wenigstens in einen Bereich der Außengesamtfläche mittels einer Wärmequelle Wärmeenergie zur Erwärmung eines im Behälter aufnehmbaren Fluids eintragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bereich der Innengesamtfläche (3) eine Mikrostruktur (4) zur relativen Vergrößerung der Oberfläche dieses Bereiches aufweist.
  2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Mikrostruktur (4) versehene Bereich der Innengesamtfläche (3) sich zumindest teilweise mit dem Bereich des Behälters überdeckt, in den mittels der Wärmequelle (4) Wärme in den Behälter eintragbar ist.
  3. Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) wenigstens im Bereich des Wärmeeintrages aus einem Material mit einem Wärmeleitwert von wenigstens 15 W/(mK) gebildet ist.
  4. Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innengesamtfläche (3) mit der Mikrostruktur (4) versehen ist.
  5. Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (5) in wenigstens einer der Behälterwände eingeordnet ist.
  6. Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (4) durch einen Galvanisierungsprozess auf eine Innenwand des Behälters (1) aufgebracht ist.
  7. Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) im Wesentlichen eine Topf-Form aufweist.
  8. Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (4) derart ausgelegt ist, dass eine Blasenbildung an der mit der Mikrostruktur (4) versehenen Oberfläche begünstigt wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19757526C1 (de) 1997-12-23 1999-04-29 Wieland Werke Ag Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschrohres, insbesondere zur Verdampfung von Flüssigkeiten aus Reinstoffen oder Gemischen auf der Rohraußenseite

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