EP2226584A2 - Flow heater and method for producing same - Google Patents
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- EP2226584A2 EP2226584A2 EP10155352A EP10155352A EP2226584A2 EP 2226584 A2 EP2226584 A2 EP 2226584A2 EP 10155352 A EP10155352 A EP 10155352A EP 10155352 A EP10155352 A EP 10155352A EP 2226584 A2 EP2226584 A2 EP 2226584A2
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- flow
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- flow channel
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
- F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
- F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
- F24H1/12—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium
- F24H1/14—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form
- F24H1/142—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form using electric energy supply
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- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
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- F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
- F24H1/12—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium
- F24H1/14—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form
- F24H1/16—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form helically or spirally coiled
- F24H1/162—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form helically or spirally coiled using electrical energy supply
Definitions
- the invention relates to a flow-through heating device and to a method for producing such a flow-through heating device.
- Flow heaters are known in many forms.
- a flow channel usually a tube, provided on its outer side with a heating element, either wound or firmly applied, for example, printed as a thick-film heating element.
- a heating element either wound or firmly applied, for example, printed as a thick-film heating element.
- a corresponding flow heater is for example from the EP 485 211 A1 known, which has a substantially box-like shape and by projections in the interior has a meandering flow channel. At least at the top of thick-film heating elements are applied, whose course follows or corresponds to the flow channel.
- the invention has for its object to provide an aforementioned flow heater and a method for their preparation, which can be eliminated with the problems of the prior art and in particular a low-calcification, low-noise, energy-efficient, pressure-resistant and space-saving flow heater for the heating of liquids, especially water, can be provided close to a cooking point.
- the heating device has a flow channel for the medium to be heated, ie in particular the water, and at least one heating element.
- the heating element has a large interface with the flow channel and is preferably applied to the outer wall.
- the flow channel is open at the beginning and at the end and closed in between, in particular tubular.
- the flow channel has a cross-sectional area which becomes smaller over its length, that is to say from the beginning to the end, wherein the flow channel has a substantially constant circumference.
- the flow cross-section in the flow direction ie along the longitudinal extension of the flow channel decreases continuously, while maintaining its outer circumference.
- the flow velocity of the medium or of the water increases and heat transfer between the wall of the flow channel and the medium flowing therein becomes better through the decrease in the flow cross section. It will also the radial temperature gradient within the flowing medium reduces for a better heating of the medium.
- the flow channel or its cross section in longitudinal extension ie from the beginning to the end of the flow channel, always or steadily flatter.
- This may advantageously be such that the cross-sectional area along the flow channel decreases from a maximum cross-sectional area to a minimum cross-sectional area.
- the minimum cross-sectional area may be about 20% of the maximum cross-sectional area, in particular at least 40%.
- this is not a change in the cross-sectional area in orders of magnitude, but clearly.
- the term "flat" does not necessarily have to be synonymous with "even", but it can be.
- a height of the flow channel may, in particular according to the width, change to a similar extent.
- a minimum channel height can amount to at least 20% of the maximum channel height, advantageously at least 40%.
- a channel width changes considerably less, but also significantly.
- a change in the cross-sectional area or the height of the flow channel, which, so to speak, takes place hand in hand takes place approximately uniformly.
- This can advantageously be a strictly monotonous change that can be achieved, for example, by a continuous printing or rolling process. So, for example a tube, from which the flow channel is substantially formed, is progressively flattened by flattening the gap between the lobes.
- the cross-sectional area or the height of the flow channel changes in steps or in jumps. Either these may be jumps directly adjacent to one another, which may be the case, for example, if the flow channel consists of a plurality of interconnected, previously separately produced sections. It is also possible to manufacture the flow channel from two half-shells, which are then connected to each other, for example by laser welding. As a result, it is above all very easy to subsequently produce meandering shapes which are mentioned below.
- individual sections each having the same cross-sectional area, can be connected by transition sections which convert the cross-sectional areas into one another.
- a gap between the rollers can be made narrower in Schrtten.
- the tube section running through the rollers during this adjustment then forms such a transition section.
- heating elements are provided only in sections with a constant cross-sectional area or constant height. In particular, they are not provided for in the abovementioned transitional periods.
- the application of heating elements would be very difficult.
- heating elements do not run continuously over the entire length of the flow cross-section, but are provided only in certain longitudinal areas of the flow channel, which are offset from each other or have a distance from each other.
- Heating elements may well be connected in series. Due to the distance from each other, however, it is easily possible to form each with different width and thus performance.
- the power generation is based on its area or on its length constant.
- a channel wall is at least partially flattened on its outer side or flat, even if the flow channel has been made of a round tube. This is particularly advantageous for opposite sides. In the flattened areas, the heating elements are then applied, possibly even on opposite sides.
- Heating elements can basically be applied in many ways.
- they are applied in thick film technology, which is a proven and reliable method.
- a thickness of a heating element can remain unchanged per section.
- all heating elements have the same thickness, so that they vary only in terms of width and / or length in order to adjust their area performance or heating power.
- a tube in particular a round tube, can be flattened on two opposite sides and thereby become ever flatter. This can be done for example by an initially described and per se known rollers, alternatively by pressing.
- a tube can be bent deviating from a straight extension, for example in loops or in so-called meandering form.
- a curved heater may extend in a plane, advantageously with an inlet and outlet at spaced ends.
- a flow-through heating device may be designed so that it is bent in the room, so to speak.
- the course also has loops or meander shape and at the same time this meandering forms a cylinder, in particular a round cylinder.
- the aforementioned flattened sides of the flow channel at least on one of the sides, ie inside or outside, are provided, in particular approximately following the lateral surface. It is possible, for example, first to deform a tube by flattening in its longitudinal course and bending in meandering and then bending into a cylindrical shape. Then, for example, on the outside, so the lateral surface, the heating elements applied, in particular by printing described above as a thick-film heating element.
- Such flow heaters have a very small size with high heating power.
- Another advantage of the invention is that by forming the flow channel in a curved shape, so for example, loop shape or meander, but especially in spiral or helical shape, with temperature changes, especially when switching on the heating elements, a certain length expansion and thus deformation takes place. This can serve to detach or break off accumulated lime or other contaminants in the interior of the flow channel and then to flush them out.
- the surface temperature at the heat exchanging water-side pipe surface increases in the longitudinal direction of the heater similar to the temperature of the medium.
- the ratio of heated pipe surface to cross-sectional area of the medium increases, advantageously continuously. As a result, the temperature gradient decreases continuously within the medium cross-sectional area.
- the length-specific heating power of the heating element (W / cm) can be structurally designed or changed.
- it is constant.
- the area performance of the heating conductor (W / cm 2 ) and likewise the heat exchanging water-side pipe surface can sink in the course of the heating element.
- the temperature difference in the interface area between the medium and the water-side pipe surface decreases. This reduces the tendency to vapor bubble formation.
- the length-specific heating element output (W / cm) is advantageously constant or may even decrease over the line length.
- the area performance (W / cm 2 ) of the heating elements and thus also the heat exchanging surface remains constant over the length of the heater.
- a cautious transfer of heat to the medium or water takes place due to the increased flow velocity and the reduced flow cross section.
- a vapor bubble formation and the resulting noise is low. This minimizes the formation of deposits in this potentially hazardous area. In the case of formation of deposits, these are largely removed by the high flow velocity in this zone.
- the surface temperature of the heating elements Due to the good heat transfer between heating element, pipe and water, especially in the hot water zone in conjunction with the reduced area performance of the heating conductor, the surface temperature of the heating elements is relatively low. As a result, the radiation of heat energy and the release of heat energy by convection is low.
- a flow heater 11 according to the invention is shown. It consists of an elongate tube 12 which is bent at two loops 18 and has an inlet 13 and an outlet 15.
- water flows through for heating in the flow passage 17 extending between the inlet 13 and the outlet 15.
- Section AA can be seen that at the inlet 13, as well as advantageous at the outlet 15, a cross section is circular.
- the flow channel 17 is formed from such a circular tube 12 by the flat rolling described above.
- Inlet 13 and outlet 15 can thereby be made by a one-piece tube 12, that they are not rolled flat or pressed flat. Alternatively, they may be welded or otherwise connected as separate parts. For this purpose, transition regions 14 can serve at the inlet 13 and 16 at the outlet 15.
- heating elements 20a, 20b and 20c can be provided on three straight heating sections 19a, 19b and 19c at least on one side, advantageously on both sides, ie opposite one another. They cover approximately the width of the planar top of the heating sections 19 and their straight length to the bends.
- the heating elements 20 can be applied to the usually made of metal pipe 12 of the flow channel 17 by conventional thick-film method. This is for example on the EP 933626 A1 , the EP 1152639 A1 or the DE 102007058833 A1 explicitly referenced.
- the temperature sensors are formed in a generally known manner, advantageously also printed.
- the three heating elements 20a, 20b and 20c are connected in series with electrical terminals 22, which, since they are known in the art, need not be explained in detail.
- connecting conductors 24 are provided along the loops 18, in which the heating elements just do not run. These overlap the heating elements 20a to c according to the electrical contacting, it does not matter which layer overlaps which.
- the connecting conductors 24 overlap on the heating elements 20, so that they can rest directly on the outside of the heating sections 19a to c for better heat input.
- heating elements may also be connected separately and routed to an interconnection device. This can interconnect them in any way, for example, in mixing circuits of serial and parallel interconnection. Likewise, they can also be controlled with different performance, for example, be individually controlled for each performance.
- FIG. 2 an alternatively formed flow heater 111 is shown with a tube 112 which is bent with five loops 118 and thus has six straight heating sections 119 a to f and also an inlet 113, an outlet 115 and corresponding transition regions 114 and 116th
- heating elements 120a to 120f are mounted on the straight heating sections 119a to f. According to the flatter and widening flow channel 117, the heating elements 120, as well as in Fig. 1 , towards the outlet 115 towards wider and wider. As a result, the surface temperature decreases and the ratio of heated surface to the cross-sectional area of the medium becomes ever larger, so that the temperature gradient decreases within the cross-sectional area.
- a length-specific heating power of the heating elements 120 is the same, although of course, in principle, they can also be set differently by changing the width of the heating elements or the thickness or the composition. However, this means that all the heating elements 120a to f generate the same power, only just along the direction of flow of the water to be heated to distribute over a larger area.
- FIG. 2 It is also easy to see how the connecting conductors 124 are applied along the loops 118, which interconnect all the heating elements 120 in series. Here, it is easy to imagine how at the ends of the heating elements contact fields are provided with welded leads, connected to an aforementioned interconnection device goes with adjustable power control for each heating element 120 and their arbitrary interconnection.
- a plurality of temperature sensors 126a to e are provided on the heater 111. Although these can also be provided on both sides, as advantageous the heating elements 120 itself, but it is also sufficient to one. With the temperature sensors 126, the temperature can be detected at their respective mounting locations. Thus, the temperature sensor 126a probably still detects the initial temperature of the introduced, usually cold water. A slight heating by the heating element 120a is already detected at the temperature sensor 126b. At the temperature sensors 126c and 126d, the absolute temperature can be measured directly on the heating element 120f. If the temperature in normal use exceeds a certain limit, this indicates a calcification of the heat-exchanging inner wall of the pipe. Then countermeasures can be taken automatically or this state is displayed to an operator.
- Exceeding a significantly higher limit value indicates an impermissible excess temperature of the heating element 120f.
- the temperature of the water exiting at the outlet 115 can be detected.
- the temperature sensors 126 can thus take place in addition to a known temperature measurement performance and thus temperature control.
- a modification of the flow heater 111 according to FIG Fig. 2 can still be done by the loops 118 occupy a slightly larger arc angle than 180 °, for example, 190 ° or so much that they rest against the respective adjacent loops. Inlet 113 and outlet 115 thus also move closer together, where they can continue to run either parallel or can also include an angle.
- the meander shape does not just make one achieved more compact training, but at the same time achieved a very good turbulence or flow through the water with optimal mixing, so that exits at the outlet 115 constantly heated water.
- a possible power density of the heating elements 120 according to Fig. 2 can go from 50 W / cm 2 at the heating element 120a up to 40 W / cm 2 at the heating element 120f, advantageously with steps in steps of 2W / cm 2 .
- a substantially circular tube 212 having inlet 213 and outlet 215 has been flattened except for the inlet and outlet of increasingly flatter cross-section and lesser height and greater width, respectively. Subsequently, it has been wound up substantially helically with directly adjacent turns, to form a total of a kind of cylindrical surface. Through the extension of the outlet 215 is then led out again so that it is parallel and adjacent to the inlet 213.
- the heating elements 220a to f are at least on the outside, so in this case only one side, applied and cover advantageously a large part of a Windungsumgangs, so for example by about 300 °. The remainder is then in turn bridged by the connecting conductors 224 accordingly Fig. 2 , here just in a circumferential arrangement.
- a single heating element may be provided which extends over the entire length of the tube 212 between the inlet 213 and the outlet 215 or, more precisely, between the first temperature sensor 226a and the last temperature sensor 226e.
- An application of the heating elements 220, similar to connecting conductors 224, can be done easily in the usual manner due to the round cylindrical, substantially flat outer surface.
- FIG. 4 Yet another embodiment of a flow heater 311 is off Fig. 4 to be seen in an oblique view.
- This shape of the tube 312 is essentially due to the fact that approximately a heating device according to Fig. 2 is rolled up to form a cylindrical cylindrical surface.
- Inlet 313 and outlet 315 are again, similar to FIG Fig. 3 , provided in the axial direction.
- On the outwardly facing sides of the tube 312 eight heating elements 320a to 320h are provided. These heating elements 320a to 320h are in turn electrically connected or connected in series via connecting conductors 324 on the loops 318.
- the meander shape accordingly Fig. 2 with very good mixing of the heated water with the compact, round cylindrical curved form of Fig. 3 be combined.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Durchfluss-Heizeinrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Durchfluss-Heizeinrichtung.The invention relates to a flow-through heating device and to a method for producing such a flow-through heating device.
Durchfluss-Heizeinrichtungen sind in vielfältiger Form bekannt. Üblicherweise wird ein Durchflusskanal, meistens ein Rohr, an seiner Außenseite mit einem Heizelement versehen, entweder aufgewickelt oder fest aufgebracht, beispielsweise als Dickschicht-Heizelement aufgedruckt. Hindurch fließendes Wasser oder andere flüssige Medien werden dabei aufgeheizt.Flow heaters are known in many forms. Usually, a flow channel, usually a tube, provided on its outer side with a heating element, either wound or firmly applied, for example, printed as a thick-film heating element. Through running water or other liquid media are heated.
Eine entsprechende Durchfluss-Heizeinrichtung ist beispielsweise aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Durchfluss-Heizeinrichtung sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik beseitigt werden können und insbesondere eine verkalkungsarme, geräuscharme, energieeffiziente, druckfeste und Bauraum sparende Durchfluss-Heizeinrichtung für die Erwärmung von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, bis nahe an einen Kochpunkt bereit gestellt werden kann.The invention has for its object to provide an aforementioned flow heater and a method for their preparation, which can be eliminated with the problems of the prior art and in particular a low-calcification, low-noise, energy-efficient, pressure-resistant and space-saving flow heater for the heating of liquids, especially water, can be provided close to a cooking point.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Durchfluss-Heizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur ihrer Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Manche der nachfolgend aufgezählten Merkmale werden nur für die Durchfluss-Heizeinrichtung oder nur für das Herstellungsverfahren erläutert. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für die Heizeinrichtung als auch für das Verfahren gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.This object is achieved by a flow heating device with the features of claim 1 and a method for their preparation with the features of
Es ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung einen Durchflusskanal für das aufzuheizende Medium, also insbesondere das Wasser, sowie mindestens ein Heizelement aufweist. Das Heizelement weist eine große Grenzfläche mit dem Durchflusskanal auf und ist vorzugsweise an dessen Außenwandung aufgebracht. Der Durchflusskanal ist am Anfang und am Ende offen und dazwischen geschlossen, insbesondere rohrartig ausgebildet. Erfindungsgemäß weist der Durchflusskanal eine Querschnittsfläche auf, die über seine Länge geringer wird, also vom Anfang zum Ende hin, wobei der Durchflusskanal dabei einen im Wesentlichen gleich bleibenden Umfang aufweist.It is provided that the heating device has a flow channel for the medium to be heated, ie in particular the water, and at least one heating element. The heating element has a large interface with the flow channel and is preferably applied to the outer wall. The flow channel is open at the beginning and at the end and closed in between, in particular tubular. According to the invention, the flow channel has a cross-sectional area which becomes smaller over its length, that is to say from the beginning to the end, wherein the flow channel has a substantially constant circumference.
Somit kann mit der Erfindung erreicht werden, dass der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung, also entlang der Längserstreckung des Durchflusskanals, kontinuierlich abnimmt und dabei aber seinen Mantelumfang beibehält. So steigt zum einen die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums bzw. des Wassers an und eine Wärmeübertragung zwischen Wandung des Durchflusskanals und darin strömendem Medium wird besser durch die Abnahme des Strömungsquerschnitts. Es wird auch der radiale Temperaturgradient innerhalb des strömenden Medums verringert für ein besseres Aufheizen des Mediums. Weitere vorteilhafte Möglichkeiten ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den im folgenden erläuterten Merkmalen.Thus, it can be achieved with the invention that the flow cross-section in the flow direction, ie along the longitudinal extension of the flow channel decreases continuously, while maintaining its outer circumference. Thus, on the one hand, the flow velocity of the medium or of the water increases and heat transfer between the wall of the flow channel and the medium flowing therein becomes better through the decrease in the flow cross section. It will also the radial temperature gradient within the flowing medium reduces for a better heating of the medium. Further advantageous possibilities emerge from the subclaims and the features explained below.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Durchflusskanal bzw. sein Querschnitt in Längserstreckung, also vom Anfang bis zum Ende des Durchflusskanals, immer bzw. stetig flacher wird. Dies kann vorteilhaft so sein, dass sich die Querschnittsfläche entlang des Durchflusskanals von einer maximalen Querschnittsfläche auf eine minimale Querschnittsfläche verringert. Dabei kann die minimale Querschnittsfläche etwa 20% der maximalen Querschnittsfläche betragen, insbesondere mindestens 40%. Dies ist zwar keine Änderung der Querschnittsfläche in Größenordnungen, aber doch deutlich. Schließlich soll immer noch eine ausreichende Menge an Medium ohne allzu großen Strömungswiderstand durch den Durchflusskanal gelangen können. Gleichzeitig wird eine derartige Verringerung der Querschnittsfläche als ausreichend angesehen, um doch eine deutliche Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen. Im Zusammenhang dieser Anmeldung muss dabei der Begriff "flach" nicht zwingend gleichbedeutend sein mit "eben", kann es aber sein.It is advantageously provided that the flow channel or its cross section in longitudinal extension, ie from the beginning to the end of the flow channel, always or steadily flatter. This may advantageously be such that the cross-sectional area along the flow channel decreases from a maximum cross-sectional area to a minimum cross-sectional area. In this case, the minimum cross-sectional area may be about 20% of the maximum cross-sectional area, in particular at least 40%. Although this is not a change in the cross-sectional area in orders of magnitude, but clearly. Finally, should still be able to pass through the flow channel a sufficient amount of medium without too much flow resistance. At the same time, such a reduction in the cross-sectional area is considered sufficient to achieve a significant increase in the flow rate. In the context of this application, the term "flat" does not necessarily have to be synonymous with "even", but it can be.
Eine Höhe des Durchflusskanals kann sich, insbesondere entsprechend der Breite, in ähnlichem Maß ändern. So kann eine minimale Kanalhöhe mindestens 20% der maximalen Kanalhöhe betragen, vorteilhaft mindestens 40%. Eine Kanalbreite ändert sich natürlich erheblich weniger stark, aber auch deutlich.A height of the flow channel may, in particular according to the width, change to a similar extent. Thus, a minimum channel height can amount to at least 20% of the maximum channel height, advantageously at least 40%. Of course, a channel width changes considerably less, but also significantly.
Gemäß einer ersten grundsätzlichen Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass eine Veränderung der Querschnittsfläche bzw. der Höhe des Durchflusskanals, was ja sozusagen Hand in Hand erfolgt, in etwa gleichmäßig erfolgt. Vorteilhaft kann es sich dabei um eine streng monotone Veränderung handeln, die beispielsweise durch einen kontinuierlichen Druck- bzw. Walzprozess erreicht werden kann. So kann beispielsweise ein Rohr, aus dem der Durchflusskanal im Wesentlichen gebildet wird, zunehmend flacher gewalzt werden durch kontinuierliche Veränderung bzw. Verengung des Spalts zwischen den Watzen.According to a first basic embodiment of the invention, it is possible that a change in the cross-sectional area or the height of the flow channel, which, so to speak, takes place hand in hand, takes place approximately uniformly. This can advantageously be a strictly monotonous change that can be achieved, for example, by a continuous printing or rolling process. So, for example a tube, from which the flow channel is substantially formed, is progressively flattened by flattening the gap between the lobes.
In einer anderen grundsätzlichen Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass sich die Querschnittsfläche bzw. die Höhe des Durchflusskanals stufenartig bzw. in Sprüngen ändert. Entweder können dies direkt aneinander angesetzte Sprünge sein, was sich beispielsweise anbietet, wenn der Durchflusskanal aus mehreren miteinander verbundenen, vorher separat hergestellten Abschnitten besteht. Ebenso ist es möglich, den Durchflusskanal aus zwei Halbschalen zu fertigen, die dann miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Laserschweißen. Dadurch können vor allem sehr leicht nachfolgend noch genannte Mäanderformen hergestellt werden.In another basic embodiment of the invention, it is possible that the cross-sectional area or the height of the flow channel changes in steps or in jumps. Either these may be jumps directly adjacent to one another, which may be the case, for example, if the flow channel consists of a plurality of interconnected, previously separately produced sections. It is also possible to manufacture the flow channel from two half-shells, which are then connected to each other, for example by laser welding. As a result, it is above all very easy to subsequently produce meandering shapes which are mentioned below.
In weiterer Ausgestaltung können einzelne Abschnitte mit jeweils gleicher Querschnittsfläche durch Übergangsabschnitte verbunden sein, die die Querschnittsflächen ineinander überführen. Beim vorbeschriebenen Flachwalzen eines Rohrs für den Durchflusskanal kann dabei in Schrtten ein Spalt zwischen den Walzen enger gestellt werden. Der während dieses Engerstellens durch die Walzen hindurch laufende Rohrabschnitt bildet dann einen solchen Übergangsabschnitt. In einem solchen Fall ist vorteilhaft vorgesehen, dass Heizelemente nur in Abschnitten mit gleich bleibender Querschnittsfläche bzw. gleich bleibender Höhe vorgesehen sind. Insbesondere sind sie also nicht in den vorgenannten Übergangsabschnitten vorgesehen. Hier wäre wegen der unebenen Oberfläche das Aufbringen von Heizelementen nur sehr schwer möglich.In a further embodiment, individual sections, each having the same cross-sectional area, can be connected by transition sections which convert the cross-sectional areas into one another. In the above-described flat rolling of a tube for the flow channel, a gap between the rollers can be made narrower in Schrtten. The tube section running through the rollers during this adjustment then forms such a transition section. In such a case, it is advantageously provided that heating elements are provided only in sections with a constant cross-sectional area or constant height. In particular, they are not provided for in the abovementioned transitional periods. Here, because of the uneven surface, the application of heating elements would be very difficult.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Heizelemente nicht kontinuierlich über die gesamte Länge des Durchflussquerschnitts verlaufen, sondern nur in bestimmten Längsbereichen des Durchflusskanals vorgesehen sind, die voneinander abgesetzt sind bzw. einen Abstand zueinander aufweisen. Dabei können derartige Heizelemente durchaus in Reihe geschaltet sein. Durch den Abstand zueinander ist es jedoch einfach möglich, sie mit jeweils unterschiedlicher Breite und somit Leistung auszubilden. Durch eine jeweils gleichbleibende Breite eines Heizelements ist die Leistungserzeugung auf seine Fläche bzw. auf seine Länge bezogen konstant.In a further embodiment of the invention can be provided that heating elements do not run continuously over the entire length of the flow cross-section, but are provided only in certain longitudinal areas of the flow channel, which are offset from each other or have a distance from each other. In this case, such Heating elements may well be connected in series. Due to the distance from each other, however, it is easily possible to form each with different width and thus performance. By a respective constant width of a heating element, the power generation is based on its area or on its length constant.
Es ist vorteilhaft vorgesehen, dass eine Kanalwand zumindest bereichsweise an ihrer Außenseite abgeflacht bzw. eben ausgebildet ist, selbst wenn der Durchflusskanal aus einem Rundrohr hergestellt worden ist. Besonders vorteilhaft gilt dies für gegenüberliegende Seiten. In den abgeflachten Bereichen sind dann die Heizelemente aufgebracht, möglicherweise sogar an gegenüberliegenden Seiten.It is advantageously provided that a channel wall is at least partially flattened on its outer side or flat, even if the flow channel has been made of a round tube. This is particularly advantageous for opposite sides. In the flattened areas, the heating elements are then applied, possibly even on opposite sides.
Heizelemente können grundsätzlich auf vielfache Art und Weise aufgebracht werden. Vorteilhaft werden sie in Dickschichttechnik aufgebracht, was ein erprobtes und zuverlässiges Verfahren ist.Heating elements can basically be applied in many ways. Advantageously, they are applied in thick film technology, which is a proven and reliable method.
Eine Dicke eines Heizelements kann pro Abschnitt unverändert bleiben. Vorteilhaft weisen alle Heizelemente die gleiche Dicke auf, so dass sie nur bezüglich Breite und/oder Länge variieren, um ihre Flächenleistung bzw. Heizleistung einzustellen. Es ist jedoch auch möglich, die Dicke eines Heizelements bzw. von dessen Leiterbahn zu variieren und damit die Flächenleistung bzw. Heizleistung einzustellen, insbesondere im Längsverlauf zu variieren.A thickness of a heating element can remain unchanged per section. Advantageously, all heating elements have the same thickness, so that they vary only in terms of width and / or length in order to adjust their area performance or heating power. However, it is also possible to vary the thickness of a heating element or its conductor track and thus adjust the area performance or heating power, in particular to vary in the longitudinal course.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Durchfluss-Heizeinrichtung kann also ein Rohr, insbesondere ein Rundrohr, an zwei gegenüberliegenden Seiten abgeflacht werden und dabei immer flacher werden. Dies kann beispielsweise durch ein eingangs beschriebenes und an sich bekanntes Walzen erfolgen, alternativ durch ein Verpressen.For producing a flow-through heating device according to the invention, therefore, a tube, in particular a round tube, can be flattened on two opposite sides and thereby become ever flatter. This can be done for example by an initially described and per se known rollers, alternatively by pressing.
Anschließend kann ein Rohr von einer geraden Erstreckung abweichend gebogen werden, beispielsweise in Schlaufen bzw. in sogenannter Mäanderform. Eine solche gebogene Heizeinrichtung kann in einer Ebene verlaufen, vorteilhaft mit einem Einlass und Auslass an beabstandeten Enden.Subsequently, a tube can be bent deviating from a straight extension, for example in loops or in so-called meandering form. Such a curved heater may extend in a plane, advantageously with an inlet and outlet at spaced ends.
In weiterer Ausgestaltung kann eine Durchfluss-Heizeinrichtung so ausgebildet sein, dass sie sozusagen im Raum verbogen ist. Hier ist es möglich, dass sie eine Art Zylinderform bildet durch hren Verlauf, wobei der Verlauf ebenfalls Schlaufen aufweist bzw. Mäanderform und gleichzeitig diese Mäanderform einen Zylinder bildet, insbesondere einen Rundzylinder. Dabei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die vorgenannten abgeflachten Seiten des Durchflusskanals zumindest an einer der Seiten, also Innenseite oder Außenseite, vorgesehen sind, insbesondere in etwa der Mantelfläche folgend. Dabei ist es beispielsweise möglich, zuerst ein Rohr durch Abflachen in seinem Längsverlauf und Biegen in Mäanderform sowie dann Biegen in eine Zylinderform zu verformen. Dann werden, beispielsweise auf die Außenseite, also die Mantelfläche, die Heizelemente aufgebracht, insbesondere durch vorstehend beschriebenes Aufdrucken als Dickschicht-Heizelement. Derartige Durchfluss-Heizeinrichtungen weisen eine sehr geringe Baugröße auf bei hoher Heizleistung.In a further embodiment, a flow-through heating device may be designed so that it is bent in the room, so to speak. Here it is possible that it forms a kind of cylindrical shape by hren course, the course also has loops or meander shape and at the same time this meandering forms a cylinder, in particular a round cylinder. It can be advantageously provided that the aforementioned flattened sides of the flow channel at least on one of the sides, ie inside or outside, are provided, in particular approximately following the lateral surface. It is possible, for example, first to deform a tube by flattening in its longitudinal course and bending in meandering and then bending into a cylindrical shape. Then, for example, on the outside, so the lateral surface, the heating elements applied, in particular by printing described above as a thick-film heating element. Such flow heaters have a very small size with high heating power.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch eine Ausbildung des Durchflusskanals in gebogener Form, also beispielsweise Schleifenform oder Mäanderform, vor allem aber in Spiralform bzw. Schraubenform, bei Temperaturwechseln, insbesondere bei Einschalten der Heizelemente, eine gewisse Längenausdehnung und somit Verformung erfolgt. Dies kann dazu dienen, dass im Inneren des Durchflusskanals angelagerter Kalk oder sonstige Verschmutzungen abgelöst bzw. abgesprengt werden und dann herausgespült werden können.Another advantage of the invention is that by forming the flow channel in a curved shape, so for example, loop shape or meander, but especially in spiral or helical shape, with temperature changes, especially when switching on the heating elements, a certain length expansion and thus deformation takes place. This can serve to detach or break off accumulated lime or other contaminants in the interior of the flow channel and then to flush them out.
Die Oberflächentemperatur an der wärmetauschenden wasserseitigen Rohroberfläche nimmt im Längsverlauf der Heizeinrichtung ähnlich wie die Temperatur des Mediums zu. Das Verhältnis von beheizter Rohrfläche zu Querschnittsfläche des Mediums nimmt zu, vorteilhaft kontinuierlich. Dadurch sinkt der Temperaturgradient innerhalb der Mediumquerschnittsfläche kontinuierlich.The surface temperature at the heat exchanging water-side pipe surface increases in the longitudinal direction of the heater similar to the temperature of the medium. The ratio of heated pipe surface to cross-sectional area of the medium increases, advantageously continuously. As a result, the temperature gradient decreases continuously within the medium cross-sectional area.
Im Falle einer Dickschichtbeheizung kann die längenspezifische Heizleistung des Heizelements (W/cm) konstruktiv gestaltet bzw. verändert werden. Vorteilhaft ist sie konstant. Die Flächenleistung der Heizleiterbahn (W/cm2) und gleichermaßen der wärmetauschenden wasserseitigen Rohroberfläche kann im Verlauf des Heizelementes sinken. Ferner verringert sich die Temperaturdifferenz im Grenzflächenbereich zwischen Medium und wasserseitiger Rohroberfläche. Dadurch wird die Neigung zur Dampfblasenbildung reduziert.In the case of thick-film heating, the length-specific heating power of the heating element (W / cm) can be structurally designed or changed. Advantageously, it is constant. The area performance of the heating conductor (W / cm 2 ) and likewise the heat exchanging water-side pipe surface can sink in the course of the heating element. Furthermore, the temperature difference in the interface area between the medium and the water-side pipe surface decreases. This reduces the tendency to vapor bubble formation.
Im Falle einer vollflächigen Dünnschicht- oder Dickschicht-Beheizung ist die längenspezifische Heizelementleistung (W/cm) vorteilhaft konstant bzw. kann sogar über die Leitungslänge sinken. Die Flächenleistung (W/cm2) der Heizelemente und somit auch der wärmetauschenden Fläche bleibt über die Länge der Heizeinrichtung konstant. In der Heißwasserzone findet aufgrund der angestiegenen Strömungsgeschwindigkeit und des verringerten Strömungsquerschnitts eine behutsame Wärmeübertragung zum Medium bzw. Wasser statt. Eine Dampfblasenbildung und die daraus entstehende Geräuschbildung ist gering. Dadurch wird auch die Bildung von Ablagerungen in diesem potentiell besonders gefährdeten Bereich minimiert. Im Falle einer Bildung von Ablagerungen werden diese durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit in dieser Zone weitgehend abgetragen.In the case of full-surface thin-film or thick-layer heating, the length-specific heating element output (W / cm) is advantageously constant or may even decrease over the line length. The area performance (W / cm 2 ) of the heating elements and thus also the heat exchanging surface remains constant over the length of the heater. In the hot water zone, a cautious transfer of heat to the medium or water takes place due to the increased flow velocity and the reduced flow cross section. A vapor bubble formation and the resulting noise is low. This minimizes the formation of deposits in this potentially hazardous area. In the case of formation of deposits, these are largely removed by the high flow velocity in this zone.
Bedingt durch die gute Wärmeübertragung zwischen Heizelement, Rohr und Wasser speziell in der Heißwasserzone in Verbindung mit der reduzierten Flächenleistung der Heizleiterbahn ist die Oberflächentemperatur der Heizelemente relativ gering. Dadurch ist die Abstrahlung von Wärmeenergie sowie die Abgabe von Wärmeenergie per Konvektion gering.Due to the good heat transfer between heating element, pipe and water, especially in the hot water zone in conjunction with the reduced area performance of the heating conductor, the surface temperature of the heating elements is relatively low. As a result, the radiation of heat energy and the release of heat energy by convection is low.
Die Verwendung eines abgeflachten Rohres mit kontinuierlich verringerter Querschnittsfläche bewirkt im Zulauf einen minimierten Strömungswiderstand, der erst mit dem Erfordernis der Querschnittsverengung langsam kontinuierlich zunimmt. Strömungsungünstige geräuschbildende Verwirbelungen werden vermieden. Damit wird ein hydraulisch energieeffizienter Strömungsverlauf ermöglicht.The use of a flattened tube with continuously reduced cross-sectional area causes in the inlet a minimized flow resistance, which slowly increases only slowly with the requirement of the cross-sectional constriction. Flow-favorable noise-generating turbulences are avoided. This enables a hydraulically energy-efficient flow pattern.
Die Wahl der Geometrie als abgeflachtes Rohr mit geringem Durch messer aus einem Stück und einem einzigen Material, vorteilhaft aus einem zylindrischen bzw. rundzylindrischen Rohr, ermöglicht allgemein eine minimierte Materialeinsatzmenge und Einsatzmasse. Folglich ist die zu erwärmende Heizelementmasse gering. Die Aufheizzeit ist demertsprechend kurz, das heiße Wasser wird binnen kürzester Zeit bereitgestellt. Wasserverluste werden durch die steile Temperaturanstiegskurve minimiert. Gerade bei häufigem Abnehmen kleiner Heißwassermengen je Vorgang kommt dieser Vorteil besonders zum Tragen.The choice of geometry as a flattened tube with a small diameter in one piece and a single material, advantageously from a cylindrical or round cylindrical tube, generally allows a minimized amount of material and insert mass. Consequently, the heating element mass to be heated is low. The heating time is accordingly short, the hot water is provided within a very short time. Water losses are minimized by the steep temperature rise curve. Especially with frequent removal of small amounts of hot water per process, this advantage comes especially to fruition.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.These and other features will become apparent from the claims but also from the description and drawings, wherein the individual features each alone or more in the form of sub-combination in one embodiment of the invention and in other areas be realized and advantageous and protectable Represent embodiments for which protection is claimed here. The subdivision of the application into individual sections as well as intermediate headings does not restrict the general validity of the statements made thereunder.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1
- eine Schrägansicht auf eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Durchfluss-Heizeinrichtung mit flacher werdendem Durchflusskanal und Querschnitten an drei Stellen,
- Fig. 2
- eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen Durchfluss-Heizeinrichtung mit noch mehr Windungen und aufgesetzten Temperatursensoren,
- Fig. 3
- eine weitere alternative Ausführung einer erfindungsgemäßen Durchfluss-Heizeinrichtung mit anderem Aufbau,
- Fig. 4
- eine vierte Ausführung einer erfindungsgemäßen Durchfluss-Heizeinrichtung mit wiederum anderem Aufbau und
- Fig. 5
- einen Schnitt durch die Durchfluss-Heizeinrichtung gemäß
Fig. 4 .
- Fig. 1
- 3 is an oblique view of a first embodiment of a flow heater according to the invention with a flattening flow channel and cross sections in three places,
- Fig. 2
- a second embodiment of a flow heater according to the invention with even more turns and mounted temperature sensors,
- Fig. 3
- a further alternative embodiment of a flow heater according to the invention with a different structure,
- Fig. 4
- a fourth embodiment of a flow heater according to the invention with in turn another structure and
- Fig. 5
- a section through the flow heater according to
Fig. 4 ,
In
Kurz hinter dem Einlass 13 wird der Durchflussquerschnitt flacher, siehe den Schnitt B-B. Hier beträgt die Höhe nur noch etwa die Hälfte der Breite. Anschließend wird der Querschnitt immer flacher, wie am Schnitt C-C zu erkennen ist, wo die Höhe nur noch etwa ein Fünftel der Breite beträgt. An diesen letzten, sehr flachen Abschnitt schließt sich dann wieder der runde Auslass 15 an. Einlass 13 und Auslass 15 können dabei ertweder dadurch bei einem einstückigen Rohr 12 hergestellt werden, dass sie eben nicht flach gewalzt oder flach gedrückt werden. Alternativ können sie als separate Teile angeschweißt oder sonst wie verbunden werden. Dazu können Übergangsbereiche 14 am Einlass 13 und 16 am Auslass 15 dienen.Shortly after the
Aus den Querschnitten ist zu erkennen, dass vom Bereich mit dem Schnitt B-B bis zum Bereich mit dem Schnitt C-C dieser Querschnitt nicht nur immer flacher wird, sondern auch an der Oberseite und Unterseite eben ist bzw. plan. Insofern können an drei geraden Heizabschnitten 19a, 19b, und 19c zumindest auf einer Seite, vorteilhaft an beiden Seiten, also gegenüberliegend, Heizelemente 20a, 20b und 20c vorgesehen werden. Sie bedecken in etwa die Breite der planen Oberseite der Heizabschnitte 19 und deren gerade Länge bis zu den Biegungen. Die Heizelemente 20 können mit üblichen Dickschichtverfahren auf das üblicherweise aus Metall bestehende Rohr 12 des Durchflusskanals 17 aufgebracht werden. Dazu wird beispielsweise auf die
Die drei Heizelemente 20a, 20b und 20c sind in Reihe geschaltet mit elektrischen Anschlüssen 22, welche, da sie dem Fachmann bekannt sind, nicht näher erläutert werden müssen. Zur Reihenschaltung sind entlang der Schleifen 18, in denen die Heizelemente eben nicht verlaufen, Verbindungsleiter 24 vorgesehen. Diese überlappen die Heizelementen 20a bis c entsprechend zur elektrischen Kontaktierung, wobei es keine Rolle spielt, welche Schicht auf welche überlappt. Vorteilhaft überlappen die Verbindungsleiter 24 auf die Heizelemente 20, so dass diese direkt auf der Außenseite der Heizabschnitte 19a bis c aufliegen können zur besseren Wärmeeinleitung. Bezüglich der Aufbringungsverfahren für die Heizelemente wird ebenfalls auf den vorstehend genannten Stand der Technik verwiesen.The three
Alternativ zu einer konstruktiv vorgegebenen Reihenschaltung können grundsätzlich auch einige oder alle Heizelemente separat angeschlossen sein und an eine Verschaltungseinrichtung geführt sein. Diese kann sie in beliebiger Art verschalten, beispielsweise in Mischschaltungen aus serieller und paralleler Verschaltung. Ebenso können sie so auch mit jeweils unterschiedlicher Leistung angesteuert werden, beispielsweise auch jedes für sich leistungsgeregelt sein.As an alternative to a structurally predetermined series connection, basically some or all of the heating elements may also be connected separately and routed to an interconnection device. This can interconnect them in any way, for example, in mixing circuits of serial and parallel interconnection. Likewise, they can also be controlled with different performance, for example, be individually controlled for each performance.
In
Auf den geraden Heizabschnitten 119a bis f sind Heizelemente 120a bis 120f angebracht. Entsprechend dem flacher und breiter werdenden Durchflusskanal 117 werden die Heizelemente 120, ebenso wie auch in
In
Ein Überschreiten eines deutlich höheren Grenzwerts zeigt eine unzulässige Übertemperatur des Heizelements 120f an. Am Temperatursensor 126e kann die Temperatur des am Auslass 115 austretenden Wassers erfasst werden. Mittels der Temperatursensoren 126 kann also neben einer bekannten Temperaturmessung eine Leistungs- und somit Temperaturregelung stattfinden.Exceeding a significantly higher limit value indicates an impermissible excess temperature of the
Eine Abwandlung der Durchfluss-Heizeinrichtung 111 gemäß
In einer weiteren Durchfluss-Heizeinrichtung 211 gemäß
Alternativ dazu kann auch sozusagen ein einziges Heizelement vorgesehen sein, welches sich über die gesamte Länge des Rohrs 212 zwischen Einlass 213 und Auslass 215 bzw., genauer gesagt, zwischen erstem Temperatursensor 226a und letztem Temperatursensor 226e erstreckt. Ein Aufbringen der Heizelemente 220, ähnlich wie von Verbindungsleitern 224, kann aufgrund der rundzylindrischen, im wesentlichen ebenen äußeren Mantelfläche leicht auf übliche Art und Weise erfolgen.Alternatively, as it were, a single heating element may be provided which extends over the entire length of the
Der Vorteil der Bauausführung gemäß
Eine nochmals weitere Ausgestaltung einer Durchfluss-Heizeinrichtung 311 ist aus
Aus
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