DE2827181C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Fluiderhitzer, bestehend aus einem Erhitzerkörper, der an seiner Außenseite einen mit einem Einlaß und einem Auslaß verbundenen spiralförmigen Fluidkanal aufweist, der von einer spiralförmigen Nut am Außenmantel des Erhitzerkörpers gemeinsam mit einer Abdeckung gebildet wird, einem Heizelement, einem die Temperatur des Erhitzerkörpers und damit des Fluids abfühlenden Sensor, der mit einer Regeleinheit für das Heizelement gekoppelt und in einem Hohlraum zwischen dem axial im Erhitzerkör­ per angeordneten Heizelement und dem Fluidkanal ange­ ordnet ist.

Fluiderhitzer werden in vielen Anwendungsgebieten und für viele verschiedene Fluidarten eingesetzt. So gibt es z. B. Erhitzer für Wasser, thermoplastische Mate­ rialien, Farben etc. Im Rahmen der Sprühbeschich­ tungsindustrie werden Farben oder Beschichtungsmate­ rialien erwähnt, um die Viskosität der Farbe zu ver­ ringern, so daß Farben mit hoher Viskosität gesprüht werden können, die normalerweise mit Sprühbeschich­ tungseinrichtungen nicht verarbeitet werden können. Der Fluid-Durchlauferhitzer, der in der vorliegenden Erfindung als bevorzugte Ausführungsform offenbart ist, wurde insbesondere zur Erwärmung von Farben ent­ wickelt. Die Prinzipien der Erfindung lassen sich je­ doch gleichermaßen ganz allgemein auf Fluiderhitzer anwenden.

Aus der US-PS 38 35 294 ist ein Fluiderhitzer der eingangs genannten Art bekannt. Bei diesem erstreckt sich das Heizelement in den Erhitzerkörper über die gesamte Länge des Fluidkanals.

Solche Fluiderhitzer zeigen selbst bei konstanter Durchflußrate und bei konstanten thermischen Eigen­ schaften des Fluids im stationären Zustand zyklische Temperatur-Überschwingungen und -Unterschwingungen. Diese werden durch den Ein/Aus-Zyklus des Heizele­ ments, die Ein/Aus-Differenz des Temperatursensors usw. erzeugt. Der zyklische Verlauf der Temperatur wird zudem mindestens teilweise durch einen Effekt bewirkt, der als thermische Trägheit des Fluider­ hitzers bezeichnet werden kann. Diese Trägheit ent­ steht dadurch, daß ein jeder Körper zur Änderung seiner Temperatur und damit zum Reagieren auf eine Temperaturänderung eine endliche Zeit benötigt. Wenn das Heizelement eingeschaltet ist, nimmt die Tempera­ tur des Fluids zu; ist die gewünschte Temperatur er­ reicht, benötigt der Sensor jedoch eine endliche Zeit, um auf diese Temperatur anzusprechen. Das Heiz­ element benötigt weiterhin eine endliche Zeit um ab­ zukühlen. Während dieser Zeit wird weiterhin dem Fluid Energie zugeführt. Dies bewirkt, daß die Fluid­ temperatur über den gewünschten Wert ansteigt. Wenn umgekehrt das Heizelement ausgeschaltet ist und die Fluidtemperatur unter die gewünschte Temperatur fällt, benötigt der Sensor eine endliche Zeit, um auf diese Situation anzusprechen und das Heizelement mit Energie zu versorgen. Die Temperatur des Fluids fällt weiterhin ab, bis das Heizelement anspricht und die Temperatur des Fluids erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Fluiderhitzer der eingangs genannten Art zu schaffen, der in einfacher und unaufwendiger Weise ein gleichmäßigeres Heizen mit verringerten Über- und Unterschwingungen gestat­ tet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Fluiderhitzer der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 ausgestattet. Das Heizelement wirkt nur auf den eingangsseitigen, d. h. stromauf­ seitigen Bereich des Fluidkanals unmittelbar. Der auslaßseitige, d. h. stromabseitige Teil des Fluid­ kanals und des Erhitzerkörpers werden nicht unmittel­ bar beheizt und daher nicht oder mindestens wesent­ lich weniger stark erwärmt als der stromaufseitige Teil. Der Erhitzerkörper speichert die vom Heizele­ ment und vom Fluid durch Wärmeleitung übertragene Wärmeenergie in seinem unbeheizten Abschnitt und wirkt dadurch als "thermischer Akkumulator", der den zyklischen Verlauf, nämlich das Über- und Unter­ schwingen der Temperatur dämpft. Dieser stromabseiti­ ge "Akkumulator"-Bereich des Erhitzerkörpers kann eine relativ große thermische Masse (spezifische Wär­ me multipliziert mit der Masse) und Fluidkanal-Ober­ fläche aufweisen. Der Erhitzerkörper ist gegen die Umgebung wärmeisoliert, so daß er das hindurchlaufen­ de Fluid nicht nur abkühlt. Vielmehr wird vom unbe­ heizten Abschnitt des Erhitzerkörpers ("Akkumulator"- Bereich) Wärme aufgenommen, wenn er kälter als das Fluid ist; hingegen wird vom unbeheizten Abschnitt des Erhitzerkörpers Wärme auf das Fluid übertragen, wenn der Abschnitt heißer als das Fluid ist. Auf die­ se Weise dämpft der unbeheizte Abschnitt das Zyklus­ verhalten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung anhand der Zeichnung näher erläutert, die einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Fluid- Durchlauferhitzer zeigt.

Der Fluiderhitzer umfaßt u. a. einen Erhitzerkörper 1 und eine Abdeckung 2, ein Heizelement 7, einen Tempe­ ratursensor 10 und ein Regelgehäuse 16.

Der Erhitzerkörper 1 besteht aus einem länglichen, zylinderförmigen Aluminiumstück mit im wesentlichen gleichförmiger Gestalt und Querschnittabmessungen längs seiner Längenausdehnung. Der Körper besitzt in Längsrichtung eine Länge von etwa 340 mm, einen Zylinderradius von 38 mm und enthält drei Hohlräume 4, 5 und 6, die von einem Ende her offen sind. Der Körper besitzt in seiner äußeren Zylinderoberfläche eine Nut, die schraubenförmig um den Umfang des Er­ hitzerkörpers 1 verläuft. Die Nut hat einen rechteck­ förmigen Querschnitt, eine Tiefe von 11 mm und eine Breite von 6,35 mm. Die Wanddicke zwischen aufeinan­ derfolgenden benachbarten Bereichen der Nut beträgt z. B. 4,94 mm. Aufgrund der Abmessungen und des Mate­ rials des Körpers 1 besitzt dieser eine relativ große thermische Masse.

Der Körper 1 ist mittels einer Schraubverbindung mit dem Regelgehäuse 16 an seinem oberen (in der Figur) oder Auslaßende verbunden.

Eine zylindrische Abdeckung 2 aus plattiertem Stahl mit einem Innendurchmesser, der etwa 0,08 bis 0,20 mm größer als der Außendurchmesser des Erhitzerkörpers 1 ist, umgibt diesen mindestens über den mit der schraubenförmigen Nut versehenen Bereich. Die Nut auf dem Erhitzerkörper 1 bildet zusammen mit der Abdec­ kung 2 einen schrauben- oder spiralförmigen Fluid­ kanal 3, dessen Oberfläche sich mit dem Fluid in Wärmeaustauschbeziehung befindet. Da die Abdeckung 2 einen größeren Durchmesser als der Körper 1 besitzt, ist ein Spalt 15 zwischen der Abdeckung 2 und dem Körper 1 vorhanden. Der Spalt 15 zwischen der Innen­ seite der Abdeckung 2 und der Außenseite des Er­ hitzerkörpes 1 wird geringer als 0,20 mm gehalten, so daß das zu erwärmende Fluid spiralförmig um den Kör­ per 1 herum und nicht direkt durch den Spalt 15 läuft. Die Abdeckung 2 ist durch O-Ringe 12, 13, die hinter dem Ende des spiralförmigen Fluidkanals 3 an­ geordnet sind, dicht mit dem Körper 1 verbunden. Die Abdeckung 2 wird am unteren Ende durch einen Halte­ ring 14 aus Stahl und am oberen Ende durch einen Schlauchanschlußstutzen 20 gehalten. Ein Fluideinlaß 18 und ein Fluidauslaß 19, die beide im Innern des Erhitzerkörpers 1 angeordnet sind verbinden je ein Ende des Fluidkanals 3 mit dem Äußeren des Körpers 1. Einlaß und Auslaß 18, 19 münden in einen Schlauchan­ schlußstutzen.

Die drei Hohlräume 4, 5 und 6 im Erhitzerkörper 1 be­ sitzen eine zylindrische Form; die Zylinderachsen verlaufen parallel zur Zylinderachse des Erhitzerkör­ pers 1. Jeder der Hohlräume 4, 5 und 6 öffnet sich zum Äußeren des Erhitzerkörpers 1 hin an dem Ende des Körpers 1, welches dem Fluidauslaß 19 benachbart ist. Der Hohlraum 4 ist zentral im Erhitzerkörper 1 angeordnet und nimmt ein zylindrisch geformtes Heiz­ element 7 auf. Dieser zentrale Hohlraum 4 hat einen Zylinderdurchmesser von 12,7 mm und erstreckt sich derart in den Körper 1, daß das untere Ende des Hohl­ raums 4 radial dem am weitesten stromaufwärts liegen­ den Teil des spiralförmigen Fluidkanals 3 gegenüber­ liegt. Die beiden anderen Hohlräume 5 und 6 sind radial zwischen dem zentralen Hohlraum 4 und der äußeren Oberfläche des Erhitzerkörpers 1 angeordnet. Der eine Hohlraum 5 nimmt den Temperatursensor 10 auf, und der zweite Hohlraum 6 nimmt einen Sicher­ heits-Temperaturbegrenzer 9 auf.

In eine Kammer im Regelgehäuse 16 treten Versorgungs­ leitungen 21 für das Heizelement 7, und Regelleitun­ gen 22 vom Temperatursensor 10 ein und sind mit einer Regeleinrichtung verbunden (nicht dargestellt).

Das Heizelement 7 ist vom sogenannten "Patronentyp" und im Handel erhältlich. Es ist im zentralen Hohl­ raum 4 angeordnet und ist kürzer als der mit dem Fluidkanal versehene Teil des Erhitzerkörpers 1. Das Heizelement 7 besitzt im zentralen Hohlraum 4 eine Passung mit kleiner Toleranz, so daß die Wärme vom Heizelement 7 gut radial in denjenigen Teil des Er­ hitzerkörpers 1 übertritt, der dem Heizelement 7 radial benachbart liegt. Der Erhitzerkörper wärmt seinerseits dann das Fluid im Kanal.

Wenn der Erhitzerkörper 1 auf das Regelgehäuse 16 aufgeschraubt wird, wird ein Aluminiumrohr 23, durch das die Versorgungsleitungen 21 des Heizelements 7 hindurchlaufen, von einem Regeleinrichtungsgehäuse 8 innerhalb des Regelgehäuses 16 gegen das Ende des Heizelements 7 gedrückt und drückt das Heizelement auf den Boden oder den unteren Teil des zentralen Hohlraums 4. Die Abmessungen des Rohrs 23 sind der­ art, daß das Ende des Rohrs gegen die Oberkante des Heizelements 7 anstößt, und daß die Versorgungslei­ tungen 21 zum Heizelement 7 durch das Rohr hindurch­ laufen können. Das Heizelement 7 liegt auf diese Wei­ se dem stromaufseitigen Bereich des spiralförmigen Fluidkanals 3 (in der Figur der untere Teil) gegen­ über und heizt wirksam nur diesen Bereich. Der Fluid­ kanal 3 läuft stromabseitig über diejenige Stelle hinaus, an der das Heizelement 7 dem spiralförmigen Kanal 3 radial benachbart ist. In der dargestellten Ausführungsform verläuft das Heizelement 7 über eine Länge von etwa 165 mm dem Fluidkanal 3 benachbart, und der Fluidkanal 3 läuft anschließend über eine Länge von ungefähr 41 mm der Länge des Erhitzerkör­ pers weiter. Die stromabseitige Teillänge von etwa 1/5 des Fluidkanals 3 wird im wesentlichen nicht durch direkte radiale Wirkung des Heizelements 7 geheizt.

Der Temperatursensor 10 ist im Sensorhohlraum 5 ange­ ordnet, der radial zwischen dem zentralen Hohlraum 4 für das Heizelement und der zylindrischen äußeren Oberfläche des Erhitzerkörpers 1 liegt. Als Sensor kann z. B. das Modell 102 der Essex International Co., Controls Division verwendet werden. Der Sensor 10 ist ein mittelwertbildender Niederdrucksensor mit länglicher zylinderförmiger Gestalt. Der Sensor hat eine Ein/Aus-Differenz von etwa 2,2°C (4°F), d. h. der Sensor schaltet das Heizelement 7 bei einer 2,2°C (4°F) unter der Ausschaltschwelle des Heizelements 7 liegenden Temperatur ein. Der Sensor 10 nimmt die Temperatur im wesentlichen längs seiner gesamten Län­ ge wahr, und sein Ausgangssignal entspricht dem Mit­ telwert der wahrgenommenen Temperaturen.

Der Temperatursensor 10 spricht an sich auf die Tem­ peratur des Erhitzerkörpers 1 an. Die Temperatur, auf die der Sensor anspricht, wird primär jedoch von der Temperatur des Fluids bestimmt, welches in demjeni­ gen Teil des Kanals 3 fließt, der dem Sensor 10 ra­ dial benachbart ist. Da der Sensor 10 ein Nieder­ drucksensor ist und das Fluid unter einem höheren Druck steht als der Sensor 10 aushalten kann, tastet der Sensor nicht die tatsächliche Temperatur des Fluids in dem spiralförmigen Fluidkanal 3 ab. Der Sensorhohlraum 5 ist jedoch derart angeordnet, daß der Sensor 10 so eng wie möglich am spiralförmigen Fluidkanal 3 liegt und dennoch genügend Wanddicke zwischen dem spiralförmigen Kanal 3 und dem Sensor­ hohlraum 5 verbleibt, daß der Sensor den Drucken standhalten kann, welchen das Fluid ausgesetzt sein kann. Diese Wanddicke hängt von den Fluiddrucken und dem Material des Erhitzerkerns ab.

Das mittelnde Zentrum 11 des Temperatursensors 10 ist dem stromabseitigen Ende 24 des Heizelements 7 radial gegenüberliegend angeordnet (d. h. in der Figur: der Oberkante des Heizelements 7). Diese Lage entspricht im allgemeinen demjenigen Punkt längs des spiralför­ migen Fluidkanals 3, der die stärksten zyklischen Temperaturabweichungen (Überschwingen und Unter­ schwingen) erfährt. Das Abgreifen der Temperatur an dieser Stelle liefert eine optimale Rückkopplungs­ regelung.

Aus Wirtschaftlichkeitsgründen ist ein mittelnder Sensor 10 eingesetzt. Ein Punktsensor, der auf die Temperatur an einem speziellen Punkt oder Stelle an­ spricht, läßt sich jedoch ebenso verwenden. Wenn ein Punktsensor verwendet wird, braucht sich der Sensor­ hohlraum 5 nur bis zu einem Punkt innerhalb des Er­ hitzerkörpers 1 erstrecken, der der Oberkante des Heizelements 7 radial banachbart liegt, und der Sen­ sor wird dann die Temperatur des Körpers 1 auf dem Boden dieses verkürzten Hohlraums 5 überwachen.

Das Ausgangssignal des Temperatursensors 10 wird der Regeleinrichtung 8 zugeführt, die auf das Sensoraus­ gangssignal anspricht und das Heizelement 7 speist bzw. abschaltet, um die gewünschte Fluidtemperatur aufrechtzuerhalten.

Da Temperaturregeleinrichtungen relativ gut bekannt sind, braucht die Regeleinrichtung hier nicht in Ein­ zelheiten erörtert werden. Im allgemeinen spricht die Regeleinrichtung auf den Temperatursensor 10 an und speist das Heizelement 7, wenn die vom Sensor 10 wahrgenommene Temperatur unterhalb eines bestimmten Sollwerts liegt, und trennt das Heizelement 7 von der Speisequelle, wenn die abgetastete oder abgefühlte Temperatur größer als ein gewünschter Sollwert ist.

Es sei bemerkt, daß das Maß an Verringerung beim sta­ tionären zyklischen Überschwingen und Unterschwingen der Temperatur nicht bei allen Durchflußraten gleich ist. Die Verringerung oder Dämpfung ist bei größeren Durchflußraten stärker ausgeprägt. Es sei zusätzlich darauf hingewieseh, daß das Überschwingen und das Un­ terschwingen nicht notwendigerweise um denselben Wert gedämpft oder verringert werden.

Claims (5)

1. Fluiderhitzer, bestehend aus einem Erhitzerkör­ per, der an seiner Außenseite einen mit einem Einlaß und einem Auslaß verbundenen spiralförmigen Fluidka­ nal aufweist, der von einer spiralförmigen Nut am Außenmantel des Erhitzerkörpers gemeinsam mit einer Abdeckung gebildet wird, einem Heizelement, einem die Temperatur des Erhitzerkörpers und damit des Fluids abfühlenden Sensor, der mit einer Regeleinheit für das Heizelement gekoppelt und in einem Hohlraum zwischen dem axial im Erhitzerkörper angeordneten Heizelement und dem Fluidkanal angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Heizelement (7) in dem Erhitzerkörper (1) in der Weise angeordnet ist, daß es nur den eingangs­ seitigen Bereich des Fluidkanals (3) über den Er­ hitzerkörper unmittelbar beheizt,
• b) der Erhitzerkörper (1) die vom Heizelement (7) und vom Fluid durch Wärmeleitung übertragene Wärme­ energie in seinem unbeheiztem Abschnitt speichert und
• c) der Erhitzerkörper (1) gegen die Umgebung wärme­ isoliert ist.

2. Fluiderhitzer nach Anspruch 1, bei dem der Sensor in einem Hohlraum zwischen dem Heizelement und dem Fluidkanal angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Hohlraum (6) zur Aufnahme eines Sicherheits-Temperaturbegrenzers (9) vorgesehen ist.

3. Fluiderhitzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Heizelement (7) stromaufseitig bis über etwa 4/5 der Länge des Fluid­ kanals (3) im Erhitzerkörper (1) erstreckt.

4. Fluiderhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) ein mit­ telwertbildender Sensor ist, dessen mittelndes Zen­ trum (11) dem stromabseitigen Ende (24) des Heizele­ ments (7) gegenüberliegt.

5. Fluiderhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) ein Punktsensor ist, der dem stromabseitigen Ende (24) des Heizelements (7) gegenüberliegt.