EP2199704A2 - Electric heating device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Heizvorrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Derartige Heizvorrichtungen sind beispielsweise aus der
Die aus der
Die aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie ein Fluidstrom mit einer Heizvorrichtung der eingangs genannten Art effizienter erwärmt werden kann.The object of the invention is to show a way how a fluid flow with a heater of the type mentioned can be heated more efficiently.
Diese Aufgabe wird durch eine Heizvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is achieved by a heating device with the features specified in
Damit ein Fluidstrom möglichst effizient und mit möglichst geringem Aufwand erwärmt werden kann, ist an sich ein möglichst kleiner Strömungswiderstand des Wärmeübertragers wünschenswert. Je größer nämlich der Strömungswiderstand ist, desto aufwendiger ist es, dafür zu sorgen, dass Fluid durch den Wärmeübertrager strömt. Beispielsweise können Heizvorrichtungen zum Erwärmen eines Luftstroms, die einen großen Strömungswiderstand haben, nur in Kombination mit einem leistungsstarken und damit aufwendigen Gebläse betrieben werden. Allgemeiner gesagt, muss bei einem größeren Strömungswiderstand ein größerer Druck aufgebracht werden, damit Fluid durch den Wärmeübertrager strömt.For a fluid flow to be heated as efficiently as possible and with the least possible effort, the smallest possible flow resistance of the heat exchanger is desirable. Namely, the larger the flow resistance, the more expensive it is to ensure that fluid flows through the heat exchanger. For example, heaters for heating an air flow, which have a large flow resistance, can only be operated in combination with a powerful and therefore expensive fan. More generally, with greater flow resistance, greater pressure must be applied to allow fluid to flow through the heat exchanger.
Ein kleinerer Strömungswiderstand lässt sich dadurch erreichen, dass die Öffnungen des Wärmeübertragers einen größeren Flächenanteil der Anströmseite ausmachen, so dass der Wärmeübertrager besser von einem zu erwärmenden Fluid durchströmt werden kann. Allerdings wird dadurch der Wärmeübergang erschwert.A smaller flow resistance can be achieved in that the openings of the heat exchanger make up a larger area proportion of the inflow side, so that the heat exchanger can be better flowed through by a fluid to be heated. However, this makes the heat transfer difficult.
Um nun einen möglichst guten Kompromiss zwischen einer guten Durchströmbarkeit und einer guten Wärmeabgabe zu erzielen, könnte man daran denken, den Flächenanteil der Öffnungen in der Nähe der Heizelemente zu erhöhen und in größerem Abstand von den Heizelementen zu reduzieren, damit der größte Teil des zu erwärmenden Fluidstroms möglichst nahe an den Heizelemente durch den Wärmeübertrager strömt, da dort die höchste Temperatur und somit die beste Wärmeübertragung zu erwarten ist.In order to achieve the best possible compromise between a good flowability and a good heat release, one could think of increasing the area fraction of the openings in the vicinity of the heating elements and reducing them at a greater distance from the heating elements, so that the majority of the to be heated Fluid flow as close to the heating elements through the heat exchanger flows, since there the highest temperature and thus the best heat transfer is expected.
Überraschenderweise ist jedoch das Gegenteil der Fall. Ein geringer Strömungswiderstand lässt sich mit einer guten Wärmeabgabe kombinieren, indem die Öffnungen des Wärmeübertragers einen umso größeren Flächenanteil der Anströmseite ausmachen, je weiter sie von dem nächstliegenden Heizelement entfernt sind.Surprisingly, however, the opposite is the case. A low flow resistance can be combined with a good heat output, in that the openings of the heat exchanger make up the larger the surface portion of the upstream side the farther they are from the nearest heating element.
Ein größerer Flächenanteil der Öffnungen lässt sich beispielsweise dadurch erzielen, dass die Anzahl bzw. Dichte der Öffnungen erhöht wird oder die Öffnungen vergrößert werden. Prinzipiell können diese Maßnahmen auch kombiniert werden, also die Anzahl der Öffnungen in einen Bereich erhöht und dort zusätzlich größere Öffnungen angeordnet werden.A larger area fraction of the openings can be achieved, for example, by increasing the number or density of the openings or by increasing the openings. In principle, these measures can also be combined, that is, the number of openings increased in one area and there additionally larger openings are arranged.
Bevorzugt sind zumindest die größten Öffnungen länglich geformt, insbesondere als Langlöcher. Längliche Öffnungen können insbesondere elliptisch oder als Schlitze geformt sein.Preferably, at least the largest openings are elongated, in particular as elongated holes. Elongated openings may in particular be elliptical or shaped as slots.
Bevorzugt hat eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung Wärmeabgaberippen, die bevorzugt von einer die Öffnungen aufweisenden Basisplatte des Wärmeübertragers ausgehen. Indem das zu erwärmende Fluid an Wärmeabgaberippen vorbeiströmt, kann die Wärmeabgabe verbessert werden. Besonders bevorzugt sind bei einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung in einer größeren Entfernung von dem nächstliegenden Heizelement benachbarte Wärmeabgaberippen in einem größeren Abstand von einander angeordnet als benachbarte Wärmeabgaberippen in einer kleineren Entfernung von dem nächstliegenden Heizelement.Preferably, a heater according to the invention has heat-emitting ribs, which preferably emanate from a base plate of the heat exchanger having the openings. By flowing the fluid to be heated past heat release fins, the heat output can be improved. Particularly preferably, in a heating device according to the invention at a greater distance from the nearest heating element adjacent heat-emitting fins are arranged at a greater distance from each other than adjacent heat-emitting fins at a smaller distance from the nearest heating element.
Dabei ist es möglich, dass der Abstand von einer Wärmeabgaberippe zur nächsten umso größer ist, je weiter die betreffende Wärmeabgaberippe von dem nächstliegenden Heizelement entfernt ist. Möglich ist es aber auch, dass der Abstand zwischen benachbarten Wärmeabgaberippen stufenweise zunimmt, also mindestens eine Wärmeabgaberippe vorhanden ist, die auf beiden Seiten zu der jeweils nächsten Wärmeabgaberippe denselben Abstand hat.In this case, it is possible for the distance from one heat release fin to the next to be the greater the further the relevant heat release fin is from the nearest heating element. But it is also possible that the distance between adjacent heat discharge ribs increases gradually, so at least one heat release rib is present, which has the same distance on both sides to the next heat release rib.
Bevorzugt ist, dass die Wärmeabgaberippen parallel zu dem nächstliegenden Heizelement verlaufen. Die Wärmeabgaberippen können aber auch anders angeordnet sein.It is preferred that the heat-emitting fins run parallel to the nearest heating element. The heat-emitting ribs can also be arranged differently.
Der Wärmeübertrager weist bevorzugt nur auf einer einzigen Seite Wärmeabgaberippen auf. Es ist aber auch möglich, sowohl Vorder- und Rückseite des Wärmeübertragers mit Wärmeabgaberippen auszustatten.The heat exchanger preferably has heat release ribs only on a single side. But it is also possible to provide both front and back of the heat exchanger with heat-emitting ribs.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft deshalb eine Heizvorrichtung mit mindestens einem elektrischen Heizelement und mindestens einem Wärmeübertrager, der Wärmeabgaberippen und eine von einem zu erwärmenden Fluid anzuströmende Anströmseite aufweist, in der von dem zu erwärmenden Fluid durchströmbare Öffnungen sind, wobei in einer größeren Entfernung von dem nächstliegenden Heizelement benachbarte Wärmeabgaberippen in einem größeren Abstand von einander angeordnet sind als benachbarte Wärmeabgaberippen in einer kleineren Entfernung von dem nächstliegenden Heizelement, und die Öffnungen zwischen benachbarten Wärmeabgaberippen einen umso größeren Flächenanteil der Anströmseite ausmachen, je größer der Abstand zwischen den Wärmeabgaberippen ist.A particularly advantageous embodiment of the invention therefore relates to a heating device with at least one electric heating element and at least one heat exchanger, the heat discharge ribs and an inflowing from a fluid to be heated upstream side are in the flowing fluid to be heated openings, wherein at a greater distance from The heat-radiating fins adjacent to the nearest heating element are arranged at a greater distance from one another than adjacent heat-releasing fins at a smaller distance from the nearest heating element, and the openings between adjacent heat-emitting fins make up the larger inflow-side area proportion the greater the distance between the heat-emitting fins.
Bevorzugt ist, dass die Anströmseite des Wärmeübertragers unterschiedlich große Öffnungen aufweist, wobei größere Öffnungen zwischen benachbarten Wärmeabgaberippen angeordnet sind, die voneinander einen vergrößerten Abstand haben. Größere Öffnungen sind dann also in einem größeren Abstand von dem nächstliegenden Heizelement als kleinere Öffnungen angeordnet. Dies bedeutet nicht, dass weit weg von den Heizelementen keine kleinen Öffnungen angeordnet sein können. Zusätzlich zu größeren Öffnungen, beispielsweise dazwischen, können durchaus auch kleine Öffnungen weit weg von den Heizelementen angeordnet sein. Bevorzugt ist aber insbesondere, dass die Größe der Öffnungen mit zunehmendem Abstand von dem am nächsten liegenden Heizelement zunimmt. Dabei ist es möglich, dass die Größe der Öffnungen umso größer ist, je weiter die betreffende Öffnung von dem nächstliegenden Heizelement entfernt ist; also von zwei Öffnungen, die unterschiedlich weit von dem ihnen jeweils nächstliegenden Heizelement entfernt sind, jeweils die weiter entfernt liegende Öffnung größer ist. Möglich ist es aber auch, dass die Größe der Öffnungen stufenweise zunimmt und benachbarte Öffnungen vorhanden sind, die unterschiedlich weit von dem ihnen jeweils nächstliegenden Heizelement entfernt sind und gleich groß sind. Bevorzugt haben die größten Öffnungen den größten Abstand zu dem jeweils nächstliegenden Heizelement.It is preferred that the upstream side of the heat exchanger having different sized openings, wherein larger openings are arranged between adjacent heat discharge ribs, which have an increased distance from each other. Larger openings are then arranged at a greater distance from the nearest heating element than smaller openings. This does not mean that no small openings can be arranged far away from the heating elements. In addition to larger openings, for example in between, even small openings can be arranged far away from the heating elements. However, it is particularly preferred that the size of the openings increases with increasing distance from the nearest heating element. In this case, it is possible for the size of the openings to be greater the further the respective opening is removed from the nearest heating element; that is to say of two openings which are at different distances from the respective nearest heating element, in each case the more distant opening is larger. But it is also possible that the size of the openings increases gradually and adjacent openings are present, which are different distances far away from the respective nearest heating element and are the same size. Preferably, the largest openings have the greatest distance to the respective nearest heating element.
Besonders bevorzugt ist dabei, dass bei den größten Öffnungen das Verhältnis aus ihrer Länge und ihrer Breite größer als bei den kleinsten Öffnungen der Anströmseite ist. Beispielsweise können die größten Öffnungen elliptisch geformt sein oder als Langlöcher ausgebildet sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Öffnungen zwischen Wärmeabgaberippen angeordnet sind, insbesondere mit ihrem Rand an Wärmeabgabegerippen anliegen.It is particularly preferred that at the largest openings, the ratio of its length and its width is greater than in the smallest openings of the inflow side is. For example, the largest openings may be elliptically shaped or formed as elongated holes. This is particularly advantageous if the openings are arranged between heat-emitting ribs, in particular abut with their edge on heat-emitting grating ribs.
Der Wärmeübertrager einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung kann beispielsweise als ein Lochblech ausgebildet sein. Bevorzugt ist der Wärmeübertrager jedoch aus einem Strangpressprofil gebildet. Besonders bevorzugt ist dabei, dass der Wärmeübertrager durch die Öffnungen von einem Fluid quer zur Strangpressrichtung durchströmbar ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Wärmeübertrager integral mit einem stabförmigen Gehäuse ausgebildet sein kann, in dem das oder die Heizelemente angeordnet sind. Beispielsweise kann der Wärmeübertrager aus einem Strangpressprofil gebildet sein, aus dem auch ein Heizstab gebildet ist, in dem ein oder mehrere Heizelemente angeordnet sind. Möglich ist es aber auch, als Wärmeübertrager ein Strangpressprofil zu verwenden, das in Strangpressrichtung von einem zu erwärmenden Fluid durchströmt wird.The heat exchanger of a heating device according to the invention may be formed, for example, as a perforated plate. However, the heat exchanger is preferably formed from an extruded profile. It is particularly preferred that the heat exchanger can be flowed through by the openings of a fluid transverse to the extrusion direction. This measure has the advantage that the heat exchanger can be formed integrally with a rod-shaped housing in which the heating element or elements are arranged. For example, the heat exchanger may be formed from an extruded profile, from which a heating element is formed, in which one or more heating elements are arranged. However, it is also possible to use an extruded profile as the heat exchanger, which is flowed through in the extrusion direction by a fluid to be heated.
Bevorzugt weiten sich die Öffnungen mit zunehmendem Abstand von dem ihnen nächstliegenden Heizelement jeweils auf. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Öffnungen eine näherungsweise dreieckige, trapezförmige oder halbelliptische Form haben. Eine dreieckige Öffnung, die mit einer Spitze dem nächstliegenden Heizelement zugewandt ist, weitet sich nämlich mit zunehmendem Abstand von dem nächstliegenden Heizelement auf. Gleiches gilt für eine trapezförmige Öffnung, die mit der längeren Basisseite des Trapezes von dem nächstliegenden Heizelement abgewandt ist.Preferably, the openings widen in each case with increasing distance from the nearest heating element. This can be achieved, for example, in that the openings have an approximately triangular, trapezoidal or semi-elliptical shape. A triangular opening, which faces the nearest heating element with a tip, namely widens with increasing distance from the nearest heating element. The same applies to a trapezoidal opening, which faces away from the nearest heating element with the longer base side of the trapezoid.
Die Wärmeabgaberippen können alle dieselbe Höhe haben. Möglich ist auch, dass mindestens eine Wärmabgaberippe vorhanden ist, die in Strömungsrichtung eine größere Höhe hat als eine benachbarte Wärmabgaberippe, die in einem größeren Abstand von dem nächstliegenden Heizelement angeordnet ist. Dabei ist es möglich, dass die Höhe der Wärmeabgaberippen umso kleiner ist, je weiter die betreffende Wärmeabgaberippe von dem nächstliegenden Heizelement entfernt ist; also von zwei Wärmeabgaberippen, die unterschiedlich weit von dem ihnen jeweils nächstliegenden Heizelement entfernt sind, jeweils die weiter entfernt liegende Wärmeabgaberippe eine kleiner Höhe hat. Möglich ist es aber auch, dass die Höhe der Wärmeabgaberippen stufenweise abnimmt, also benachbarte Wärmeabgaberippen vorhanden sind, die unterschiedlich weit von dem ihnen jeweils nächstliegenden Heizelement entfernt sind und gleich hoch sind.The heat release ribs can all have the same height. It is also possible that at least one heat-dispensing fin is present, which has a greater height in the flow direction than an adjacent heat-dispensing fin, which is arranged at a greater distance from the nearest heating element. In this case, it is possible for the height of the heat-releasing ribs to be smaller the farther the relevant heat-dissipating fin is removed from the nearest heating element; that is to say of two heat-releasing ribs which are at different distances from the respective nearest heating element, in each case the heat-removal rib located farther away has a small height. But it is also possible that the height of the heat-emitting fins gradually decreases, so adjacent heat-emitting fins are present, which are different distances far away from the respective nearest heating element and are the same.
Bevorzugt nimmt die Materialstärke des Wärmeübertragers, insbesondere der Basisplatte, mit zunehmendem Abstand von dem nächstliegenden Heizelement bzw. dem nächstliegenden Heizstab ab. Die Materialstärke kann dabei zwischen den Wärmeabgaberippen kontinuierlich oder stufenweise abnehmen. Ausgehend von einem Maximalwert bei einem Heizstab nimmt die Materialstärke bevorzugt um mindestens ein Drittel ab. Besonders vorteilhaft ist eine Abnahme um 40 % bis 60%.The material thickness of the heat exchanger, in particular the base plate, preferably decreases with increasing distance from the nearest heating element or the nearest heating element. The material thickness can decrease continuously or gradually between the heat release ribs. Starting from a maximum value for a heating rod, the material thickness preferably decreases by at least one third. Particularly advantageous is a decrease of 40% to 60%.
Bevorzugt ist der Wärmeübertrager mit mindestens einem Heizstab verbunden, in dem mindestens ein Heizelement angeordnet ist. Der Wärmeübertrager kann beispielsweise als Strangpressprofil einstückig mit dem Heizstab ausgebildet sein. Auf diese Weise ist der Wärmeübertrager also aus einem Strangpressprofil gebildet, aus dem auch der mindestens eine Heizstab gebildet ist.Preferably, the heat exchanger is connected to at least one heating element, in which at least one heating element is arranged. The heat exchanger can be formed integrally with the heating element, for example, as an extruded profile. In this way, the heat exchanger is thus formed of an extruded profile, from which also the at least one heating element is formed.
Bevorzugt ist, dass die Wärmeabgaberippen den Heizstab überragen, also von den Öffnungen aus gemessen eine größere Höhe haben. Auf diese Weise kann eine sehr effiziente Wärmeabgabe erreicht werden.It is preferred that the heat-emitting ribs project beyond the heating rod, that is measured from the openings have a greater height. In this way, a very efficient heat dissipation can be achieved.
Eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung ist besonders effizient, wenn der Wärmeübertrager auf seiner Wärmeabgaberippen aufweisenden Seite von dem zu erwärmenden Fluidstrom angeströmt wird. Überraschender Weise kann eine Fluidstrom so wesentlich besser erwärmt werden als bei Anströmen einer Wärmeabgaberippen freien Seite des Wärmeübertragers. Obwohl das Anströmen der Wärmeabgaberippen aufweisenden Seite an sich eine laminare Strömung begünstigt und somit an sich ein schlechterer Wärmeübertrag zu erwarten ist, zeigt sich bei Anströmen der Wärmeabgaberippen aufweisenden Seite eine bessere Wärmeabgabe.A heating device according to the invention is particularly efficient if the heat exchanger is flown by the fluid flow to be heated on its side which has heat-emitting fins. Surprisingly, a fluid flow can be heated much better than in the case of influxes of a heat release ribs on the free side of the heat exchanger. Although the influx of the heat-emitting ribs having side favors a laminar flow per se and thus a worse heat transfer is to be expected per se, shows at flow on the heat-emitting ribs having side better heat dissipation.
Bevorzugt sind die Öffnungen in dem Wärmeübertrager ausgestanzt. Die Öffnungen können aber auch auf andere Weise erzeugt werden, beispielsweise durch Laserstrahlschneiden.Preferably, the openings are punched out in the heat exchanger. The openings can also be produced in other ways, for example by laser beam cutting.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Elemente sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
Figur 1- ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung in einer Schnittansicht;
Figur 2- eine
Seitenansicht zu Figur 1 ; Figur 3- ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung in einer Schnittansicht;
Figur 4- eine
Seitenansicht zu Figur 3 ; Figur 5- ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung in einer Schnittansicht;
Figur 6- eine
Seitenansicht zu Figur 5 ; und Figur 7- ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung in einer Seitenansicht.
- FIG. 1
- an embodiment of a heating device according to the invention in a sectional view;
- FIG. 2
- a side view too
FIG. 1 ; - FIG. 3
- a further embodiment of a heating device according to the invention in a sectional view;
- FIG. 4
- a side view too
FIG. 3 ; - FIG. 5
- a further embodiment of a heating device according to the invention in a sectional view;
- FIG. 6
- a side view too
FIG. 5 ; and - FIG. 7
- a further embodiment of a heating device according to the invention in a side view.
Die in den
In den Vierkantrohren 3 ist jeweils eine Heizeinrichtung mit mehreren plattenförmigen Heizelementen 5 aus einer PTC-Keramik, beispielsweise auf Basis von Bariumtitanat, angeordnet und zwischen Innenseiten des Heizstabs 3 verpresst. Die PTC-Heizelemente 5 liegen an einer Heizstabinnenseite und an einem Kontaktblech 6 an, das beispielsweise als Kontaktzunge, aus dem Vierkantrohr herausragen kann und diesem gegenüber durch eine Isolierschicht 7, beispielsweise aus Aluminiumoxid, elektrisch 3 isoliert ist. Die Vierkantrohre 3 bilden zusammen mit der in ihnen angeordneten Heizeinrichtung somit Heizstäbe, die im Betrieb Wärme erzeugen, welche an einen durch die Öffnungen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e des Wärmeübertragers 1 strömenden Fluidstrom abgegeben wird. Die Heizstäbe 3 und der Wärmeübertrager 1 sind dabei integral ausgebildet.In the
Wie
Die Öffnungen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e sind zwischen den Wärmeabgaberippen 4 angeordnet. Der Abstand zwischen benachbarten Wärmeabgaberippen 4 ist zwischen den beiden benachbarten Wärmeabgaberippen 4 am Größten, die den größten Abstand zu dem nächstliegenden Heizelement 5 haben, also bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen sich die größten Öffnungen 2d, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Langlöcher ausgebildet sind, einschließen. Die Wärmeabgaberippen 4 begrenzen die Breite der Öffnungen.The
Die Wärmeabgabe ist besonders effizient, wenn der zu erwärmende Fluidstrom die Seite des Wärmeübertragers 1 anströmt, welche die Wärmeabgaberippen 4 aufweist. Zu Verbesserung der Wärmeankopplung können die PTC-Heizelemente 5 dabei, anders als in
In den
In
Darüber hinaus nimmt die Größe der Öffnungen 2a, 2b, 2c, 2d bei dem in
Die Dicke der Wärmeabgaberippen 4 liegt bei den dargestellten Beispielen bei 0,8 bis 1,3 mm.The thickness of the
- 11
- WärmeübertragerHeat exchanger
- 2a-e2a-e
- Öffnungenopenings
- 33
- Heizstabheater
- 44
- WärmeabgaberippeHeat dissipation rib
- 55
- Heizelementheating element
- 66
- Kontaktblechcontact sheet
- 77
- Isolierschichtinsulating
Claims (15)
mindestens einem elektrischen Heizelement (5) und
mindestens einem Wärmeübertrager (1), der eine von einem zu erwärmenden Fluid anzuströmende Anströmseite aufweist, in der von dem zu erwärmenden Fluid durchströmbare Öffnungen (2a, 2b, 2c, 2d, 2e) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (2a, 2b, 2c, 2d, 2e) einen umso größeren Flächenanteil der Anströmseite ausmachen, je weiter sie von dem nächstliegenden Heizelement (5) entfernt sind.Heating device with
at least one electrical heating element (5) and
at least one heat exchanger (1) having an inflow side to be flowed by a fluid to be heated, in which openings (2a, 2b, 2c, 2d, 2e) through which the fluid to be heated is, characterized in that the openings (2a, 2b , 2c, 2d, 2e) account for an even larger area fraction of the inflow side, the farther they are from the nearest heating element (5).
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