ES2261423T3 - Elemento calefactor de forma tubular. - Google Patents
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Abstract
Un elemento calefactor (1) de forma tubular, en particular para aparatos calefactores para el agua que va a ser utilizada con fines sanitarios en un calentador para almacenamiento térmico, del tipo en el que se utiliza la tecnología en la cual es aplicada una resistencia eléctrica impresa a una superficie de metal, la dicha resistencia eléctrica impresa provista de una o más capas adicionales de material dieléctrico aplicado a la dicha superficie de metal, sobre la cual, utilizando por ejemplo una técnica de un proceso de impresión, hay impreso uno o más circuitos eléctricos resistivos, a los cuales está aplicada a su vez, una o más capas de material dieléctrico, dicho elemento calefactor (1) estando provisto de al menos una resistencia eléctrica impresa (4, 4 .1) la cual está aplicada lo mismo a toda que a una parte de la superficie interna o externa de una tubería (3), la dicha tubería estando provista de una sección que es conformada de cualquier forma para permitir que el agua que va aser utilizada con fines sanitarios por lo menos circule, caracterizado por el hecho que la dicha al menos una resistencia eléctrica impresa está conectada a un termostato durante la fase de almacenamiento del agua en el depósito (2, 2 .1) y a un dispositivo sensor de la temperatura tales como un interruptor automático por caída de presión o un conmutador de flujo durante la fase de extracción del agua.
Description
Elemento calefactor de forma tubular.
La invención se refiere a un elemento
calefactor de forma tubular, en general con calderas con fines
sanitarios.
Los dispositivos calefactores utilizados en la
actualidad en las calderas antes mencionadas son generalmente las
supuestas "resistencias eléctricas blindadas". Éstas están
constituidas de un filamento eléctrico sumergido en un polvo
aislante eléctricamente, inerte químicamente, el cual, está a su vez
prensado dentro de un tubo de metal sellado herméticamente.
La energía térmica óptima prescindible por
unidad de superficie (por lo general llamada "descarga
térmica") es por lo general aproximadamente de 8.5 W/cm^{2}
para resistencias eléctricas de calderas.
Es prácticamente imposible variar la descarga
térmica a lo largo de la resistencia eléctrica. Es necesario
desviar en sí la resistencia eléctrica lo mismo en lazo que en
espiral para la energía que va a ser repartida principalmente en las
zonas requeridas.
Con respecto al dispositivo de almacenamiento en
el cual son utilizadas estas resistencias eléctricas, es importante
hacer una distinción entre los diferentes tipos de aparatos, es
decir, los calentadores para almacenamiento térmico, los también
llamados "under the sink" calentadores para almacenamiento
térmico, y las calderas eléctricas de almacenamiento de acción
rápida. Los calentadores para almacenamiento térmico están
caracterizados por lo general por un saliente sobre el cual está
montado una o más resistencias eléctricas, un revestimiento
termostático que contiene uno o más sensores de temperatura y
posiblemente un dispositivo anticorrosión constituido por un ánodo
de magnesio o un electrodo del dispositivo de protección catódica.
El tubo de entrada, el cual es muy corto, apenas penetra el depósito
y el dicho tubo suministra el agua fría en el fondo de dicho
depósito. El tubo de salida va a través de todo el depósito para
extraer el agua caliente de la parte más elevada.
La potencia instalada mínima en este tipo de
caldera es aproximadamente 1,200/1,500 W.
Los llamados "under the sink" calentadores
para almacenamiento térmico son calderas pequeñas que van colocadas
en el interior del elemento sumidero. Para hacer la sujeción del
elemento grifo más fácil, estas calderas van montadas al revés y por
ello, de manera que el agua fría es insertada en la parte más baja y
el agua calientes es extraída de la parte más alta, el tubo que
actúa normalmente como el tubo de entrada es por lo tanto acoplado a
la salida y viceversa.
Las calderas eléctricas de almacenamiento de
acción rápida son similares en su construcción a los calentadores
para almacenamiento térmico, con la excepción de que deben tener un
depósito más pequeño que vaya bien con la función que tienen que
llevar a cabo, éstas tienen un mayor nivel de potencia nominal y,
por razones de seguridad, éstas son a menudo llamadas de tipo
"libre descarga" (free - discharge), es decir, el agua
contenida en el depósito está a presión ambiente.
Las resistencias eléctricas blindadas antes
mencionadas tienen algunas desventajas, la primera de ellas está
representada por el complejo proceso de producción.
Otra desventaja adicional de este tipo de
resistencia eléctrica comúnmente conocida está constituida por la
distribución de la energía térmica llevada a cabo con una
resistencia eléctrica en espiral o en lazo: todas las formas
requieren equipamiento específico costoso.
Otras desventajas adicionales están constituidas
por la existencia de un área neutra al extremo de la resistencia
eléctrica del cual no puede emitirse calor por la tendencia del
depósito calcáreo, dando como resultado un sobrecalentamiento, por
el agua en el área de ebullición (ruidosamente) y por rotura, así
como la necesidad de largas aberturas para la inserción de las
formas difíciles de manejar de las resistencias eléctricas en lazo o
en espiral en el interior de la caldera.
Las desventajas de los actuales calentadores
para almacenamiento térmico están constituidas, sobre todo por la
necesidad de un saliente, como un elemento sellador, y un soporte
para al menos una o más resistencias eléctricas, un recubrimiento
para uno o más medidores termostáticos, y posiblemente un ánodo de
magnesio o un electrodo de sistema de protección catódico.
Una desventaja adicional de este tipo de caldera
es que el agua debe ser almacenada a al menos la temperatura de
utilización, pero de forma usual a unas temperaturas mucho más altas
que las calderas de acción rápida o incluso más altas que las
calderas instantáneas, con un nivel menor de potencia nominal pero
con mayor pérdida de calor y la formación más acelerada de depósito
calcáreo, estos últimos teniendo un efecto en la corrosión.
Otra desventaja adicional es que es imposible
sin la utilización de una resistencia eléctrica de forma complicada,
concentrar una cantidad significativa de energía térmica en la parte
inferior del depósito de manera de garantizar unas temperaturas más
uniformes con menos pérdida de calor manteniendo la temperatura
promedio inalterable.
Otra desventaja adicional está constituida
porque con las resistencias eléctricas blindadas es imposible
calentar el agua a tiempo final cuando ésta es extraída desde el
dispositivo.
Con respecto a las calderas eléctricas de acción
rápida o las actuales calderas instantáneas, sus más importantes
desventajas estás constituidas por la necesidad de adoptar grandes
resistencias eléctricas que aquellas que son utilizadas en los
calentadores de almacenamiento lo cual por consiguiente requiere de
unos salientes mayores.
Antes de exponer los objetivos de esta invención
y de describir las formas de realización preferidas y algunas
posibles variantes, cabe mencionar las características esenciales de
la técnica de construcción de una resistencia eléctrica, lo cual
aunque es una tecnología conocida, es aún rara vez utilizada.
Las dichas resistencias eléctricas están
constituidas de una base de soporte de metal, en general de acero
AISI 430, con capacidad de difusión de la energía térmica emitida y
con la garantía de adhesión de las capas de recubrimiento incluso si
ocurre expansión de calor.
Lo siguiente es aplicado de forma gradual a esta
base de soporte de metal:
- -
- una o más capas de material dieléctrico;
- -
- un circuito impreso eléctrico producido a través de la aplicación de una pasta de resistencia especial a través de una tecnología de impresión adecuada, tal como por ejemplo, un proceso de impresión;
- -
- una capa o capas adicionales de material dieléctrico.
De aquí en adelante el término "resistencia
eléctrica impresa" será utilizado para indicar toda la unidad
constituida del circuito impreso y de las capas de material
dieléctrico por encima y por debajo de éste, lo mismo si el circuito
fue realizado utilizando una tecnología de un proceso de impresión o
cualquier otra tecnología de impresión de circuito.
Las descargas térmicas obtenidas con las
resistencias eléctricas impresas dependen obviamente de la capacidad
para la eliminación de calor, pero mientras no existan incrementos
particulares en el coste de producir descargas térmicas
relativamente bajas en relación a aquellas utilizadas generalmente
en el sector, éstas pueden ser aún extremadamente altas (al menos 18
- 20 W/cm^{2}). Así como para el líquido de calentamiento, las
resistencias eléctricas impresas pueden también funcionar en seco ya
que pueden resistir hasta 700ºC en el aire (250ºC en los puntos de
soldaduras de las terminales eléctricas).
Las capas posteriores pueden también ser
colocadas en superficies curvas.
Los cables de alimentación están conectados
eléctricamente al circuito de resistencia impreso al extremo del
circuito impreso, mediante el soldado de dos puntos que están de
forma intencionada no cubiertos por el segundo grupo de capas de
material dieléctrico.
El documento GB - 2324014 describe un
intercambiador de calor que está provisto de un tubo de metal de
forma cilíndrica y una inserción para definir un canal de agua
helicoidal y el dicho tubo tiene un elemento calefactor en la forma
de un carril conductor y resistivo.
Un primer objetivo de la presente invención, en
un dispositivo para el calentamiento del agua tal como una caldera
eléctrica en la cual es necesario proporcionar medios de resistencia
eléctricos de calentamiento del agua y, posiblemente, medios de
control de la temperatura del agua y/o, posiblemente, medios
electroquímicos de prevención de la corrosión, consiste en la
reducción de los componentes que son requeridos para la realización
de los medios antes mencionados.
Un segundo objetivo consiste en la
simplificación de la construcción de uno o más de los medios antes
mencionados de prevención de la corrosión, de control de la
temperatura y de calentamiento.
Un tercer objetivo de la presente invención
consiste en la simplificación del montaje de uno o más de los medios
antes mencionados en un dispositivo para el calentamiento del
agua.
Un cuarto objetivo de la presente invención
limitar el depósito calcáreo que se forma en los medios de
calentamiento antes mencionados.
Un quinto objetivo consiste en la posibilidad de
eliminar el saliente de soporte de uno o más de los medios de
calentamiento antes mencionados.
Un objetivo adicional consiste en la posibilidad
de distribuir de mejor forma la energía térmica a ser emitida por
los medios de calentamiento antes mencionados.
Un objetivo adicional para un calentador para
almacenamiento térmico, consiste en hacer posible que el agua sea
calentada en su totalidad en el momento que ésta está siendo
extraída, utilizando los mismos medios de calentamiento que
calientan el agua almacenada.
Un objetivo adicional y último consiste en
reducir los costes de fabricación.
Consiguiendo estos y otros objetivos es
posible, gracias a una utilización original de la técnica comúnmente
conocida para la aplicación de resistencias eléctricas impresas a un
soporte de metal.
De hecho, el objetivo de la presente invención,
en particular para dispositivos de calentamiento del agua con fines
sanitarios, un elemento calefactor constituido por un elemento
tubular diseñado para un conducto de agua (con fines sanitarios como
mínimo) y a cuyas superficies externas y/o internas están aplicadas
una o más resistencias eléctricas impresas de la forma determinada
arriba.
- La Figura 1 es una vista parcial de
un elemento calefactor de acuerdo a una forma de realización
preferida de la presente invención aplicado al interior de un
depósito de almacenamiento de agua caliente;
- La Figura 2 es una vista total de un
elemento calefactor de acuerdo a la forma de realización de la
figura anterior;
- La Figura 3 es una vista parcial, a
lo largo de los ejes principales, de los mismos elementos mostrados
en la figura anterior con una variante posible de la invención;
- La Figura 4 es una vista parcial
ampliada, en ángulo recto a los ejes principales, de un elemento
calefactor general;
- La Figura 5 es un diagrama
esquemático de una posible variante de la presente invención
mostrada en las figuras 2 y 3, que muestra el caudal de agua en el
interior del elemento calefactor durante la fase de calentamiento de
dicha agua y durante la fase de extracción;
- La Figura 6 es un diagrama
esquemático de una posible variante adicional de lo que es mostrado
en la figura 2;
- En la Figura 7 se muestra de forma
sumamente esquemática una caldera de almacenamiento de acción rápida
utilizando elementos de calefacción de acuerdo a una variante de
esta invención.
A continuación se presenta la descripción de una
forma de realización preferida de un elemento calefactor de acuerdo
a la presente invención el cual puede ser utilizado de una forma
extremadamente ventajosa en un calentador de almacenamiento
térmico.
Haciendo referencia a la Figura 1, un elemento
calefactor 1 de acuerdo a la presente invención se muestra en el
interior del depósito 2 de un calentador de almacenamiento térmico.
En el caso expuesto como un ejemplo, el elemento calefactor 1 es el
tubo de salida de agua caliente del depósito 2. Como se muestra en
las Figuras de la 1 a la 3, el elemento calefactor 1 está
constituido de: una pieza de tubería 3 hecha de cualquier material
compatible con la tecnología de impresión de la resistencia
eléctrica y con los esfuerzos mecánicos, físicos y químicos a las
que dicha tubería 3 estará sujeta, por ejemplo acero AISI 430; una
resistencia eléctrica de impresión 4 y, por último, un acoplamiento
para tuberías 5. Para una mayor claridad, solamente el circuito
impreso concreto parte de la resistencia eléctrica impresa 4 es
mostrado, aunque de hecho éste es ocultado por las capas de material
dieléctrico por encima y por debajo de éste, que junto con el
circuito impreso antes mencionado componen las resistencias
eléctricas impresas, tal como fue descrito con anterioridad. Las
aberturas 10 y 11 en la parte inferior y en la parte superior de la
tubería 3 también son mostradas.
El acoplamiento para tubería 5 es encajado con
medios de acoplamiento 6 y 7 adecuados, por ejemplo, casquillos
roscados, para fijar respectivamente, el dicho acoplamiento para
tubería 5 a lo mismo el depósito 2, por medio de una tuerca anillo 8
soldada al propio depósito 2, y también al sistema de distribución
de agua caliente (no mostrado). El acoplamiento para tubería 5 está
también fijado con acoplamientos 9 apropiados para el suministro de
electricidad a las resistencias eléctricas impresas 4, los dichos
acoplamientos 9 están conectados eléctricamente a las resistencias
eléctricas impresas 4 y aislados eléctricamente de los elementos que
quedan de una forma comúnmente conocida no mostrada en las
figuras.
En la Figura 3, además de los elementos ya
identificados, hay una abertura 11.b con un dispositivo desviador 12
indicado en la parte superior de la tubería 3 cerca de su entrada
3.a.
En la Figura 4 hay (desde el interior al
exterior del elemento calefactor 1): una posible capa de material 14
sobre la cual es difícil que se forme una superficie calcárea en el
depósito, tal como polipropileno; la tubería 3 sobre la cual será
aplicada la posterior resistencia eléctrica impresa 4, la dicha
resistencia eléctrica impresa 4 estando constituida por una o más
capas de un material dieléctrico sujeto a la base del soporte
constituido por la tubería 3; el circuito impreso resistivo y una o
más capas externas de un material dieléctrico. Por último es
mostrado un revestimiento 15 previsto para proteger la resistencia
eléctrica impresa 4 contra la abrasión.
En la Figura 5 la cual constituye una posible
variante de la invención como se indica en la Figura 3, se muestra
con flechas, la dirección de circulación que el agua tomará durante
los dos modos de funcionamiento de un calentador para almacenamiento
térmico. De forma más precisa, en la izquierda está la circulación
activada por movimientos convectivos durante la fase de
calentamiento utilizando el elemento calefactor 1 y en la derecha
está la dirección durante la fase en la cual el agua caliente está
siendo extraída. Las aberturas 10.a adaptadas con los deflectores
12 posicionadas con respecto a la entrada, constituye una variante
de las aberturas 10.
En la Figura 6 se muestra una posible variante
de la Figura 5, en donde las aberturas 10.b están hechas de la
tubería 3 en una posición con las ampliaciones del perfil 13.
En la Figura 7 se muestra, montado sobre un
depósito pequeño 2.1, los elementos ya conocidos en las figuras
anteriores: las flechas indican la entrada y la salida de las
direcciones del caudal del agua; aunque no se muestra en la figura,
también el depósito 2.1 en el mismo modo que para la tubería 3 en
las figuras previas, y al menos para toda su parte cilíndrica, puede
constituir la base de soporte para una resistencia eléctrica impresa
4.1 completamente idéntica a la resistencia eléctrica impresa 4.
Los otros elementos indicados son idénticos o equivalentes a
aquellos conocidos en las figuras anteriores. Por esto, el tipo de
caldera de acción rápida mostrada en la figura es acoplada con al
menos dos resistencias eléctricas impresas: la resistencia eléctrica
impresa 4.1 antes mencionada y la resistencia eléctrica impresa 4,
cuyo elemento base está constituido de una pieza de tubería 3 del
tipo de salida de agua caliente.
A continuación se expondrá una descripción
detallada de las características del elemento calefactor 1 de
acuerdo a la presente invención.
Ante todo, es obvio que el suministro eléctrico
de la resistencia eléctrica 4 avanza al calentamiento del agua
almacenada en el depósito de almacenamiento 2 de un modo similar al
de las resistencias eléctricas blindadas actualmente en uso pero
existen características especiales y ventajas que serán ahora
señaladas.
La resistencia eléctrica impresa 4 ha sido
dibujada en la figura con indiferencia si ésta está constituida de
calado o en espiral enrollado alrededor de la tubería 3. De hecho
ésta podría tener cualquier ruta que no se cruce a sí misma, la ruta
puede incluso ser irregular para variar la carga térmica a lo largo
de la longitud del elemento calefactor en el modo más adecuado.
También puede existir, por ejemplo, una ruta en espiral doble con un
paso constante que comience y termine en el par de conectores 9, o
un espiral doble con un paso variable.
Pueden existir varias resistencias eléctricas
impresas 4 en la misma capa aislante, cada dicha resistencia
terminando en un respectivo par de conectores 9 con el objetivo de
hacer posible variar la energía térmica emitida mediante la
inserción de una o más de dichas resistencias eléctricas impresas 4.
También pueden haber varias resistencias eléctricas impresas
revestidas aisladas como muchas capas aislantes, cada dicha
resistencia eléctrica terminando en un respectivo par de conectores
9.
Estas características hacen posible concentrar
la distribución de la energía térmica generada por las resistencias
eléctricas impresas 4 en las zonas donde es más útil: para
calentadores para almacenamiento térmico, esto es por lo general la
parte inferior. También, si varias resistencias eléctricas impresas
4 son necesarias esto no aumentará las dimensiones totales de manera
significativa debido a la posibilidad antes mencionada de la
creación de rutas adyacentes para las dichas resistencias eléctricas
impresas 4, o por la sobre imposición de éstas, así como una capa de
material de aislamiento es colocada entre cada dicha ruta.
Un aspecto importante de esta invención es el
hecho de que utilizando la misma tecnología, y al mismo tiempo que
las resistencias eléctricas impresas 4 son impresas, los circuitos
eléctricos pueden ser impresos para conectar varios componentes
electrónicos o eléctricos al exterior del depósito eléctricamente.
Estos dichos componentes podrían ser útiles si se montan por el
elemento calefactor, el dicho elemento calefactor actuando como un
soporte para los dichos componentes. Los dichos componentes son
soldados de un modo comúnmente conocido a un extremo de los
circuitos eléctricos impresos, en la posición más adecuada por el
elemento calefactor, y eléctricamente aislado del entorno
circundante; el otro extremo de dichos circuitos termina con
conectores eléctricos adecuados, en posición con el acoplamiento de
tubos. Los dichos componentes pueden ser, por ejemplo, sensores de
temperatura (por ejemplo NTCs) para ser conectados a
correspondientes termostatos electrónicos; termostatos de seguridad
unipolar de tipo laminar bimetálico o aquellos con un fusible o de
otro tipo (que sean muy pequeños de tamaño) y en este caso éstos
pueden ser soldados de forma directa en serie con la resistencia
eléctrica a ser controlada. Por último, estos componentes pueden
ser dispositivos de protección de anticorrosión catódica. Los
sensores de temperatura pueden también estar constituidos por una
guía de resistencia impresa con un nivel de resistencia que depende
lo suficiente de la temperatura que va a ser medida. Con este
objetivo, la ruta de los sensores impresos puede estar constituida
por una guía la cual es lo suficientemente larga como para
incrementar la resistencia total, facilitando así la medición de la
resistencia eléctrica como una función de cambio de temperatura.
A continuación se expondrá una descripción de
algunos detalles o variantes de construcción del elemento calefactor
1 de acuerdo con la presente invención.
Durante la fase de calentamiento del agua en el
depósito 2 de un calentador para almacenamiento térmico puede ser
necesario simular la circulación del agua en el interior de la
tubería 3 para prevenir que el agua que se encuentra en el interior
de este último se estanque y el incremento de temperatura,
provocando que se forme de manera extremadamente rápida el depósito
calcáreo y que también hierva el agua que se encuentra en esa zona.
Si el usuario extrae el agua en ese momento, éste último fenómeno
puede provocar que el usuario se queme. Es posible, entonces, según
como se muestra en las Figuras 1 y 3, crear aberturas 10 en la parte
inferior y la tubería 3. Como se muestra en las Figuras 5 y 6, esto
permite una circulación natural de forma continua en el interior de
la tubería 3 durante la fase de calentamiento. Cuando el agua
caliente es extraída, también podría ser loable prevenir que el agua
fría de la parte inferior de la caldera se arremoline a través de
dichas aberturas. Aunque ha sido demostrado, en las más comunes
utilizaciones de la invención, que una o más aberturas 10
constituidas de aberturas de 4 mm, son suficientes para garantizar
la recirculación sin que el agua fría se arremoline cuando el agua
está siendo extraída del depósito, es aún posible prever otras
adaptaciones apropiadas: por ejemplo, en la Figura 5 las aberturas
10a. están conectadas con deflectores 12 adecuados y en la Figura 6
las aberturas 10b. están en posición con las ampliaciones 13
adecuadas del perfil que, debido al efecto Venturi, provoca un
aumento de la presión local y evita que entre el agua fría. En
algunas formas de realización, sin embargo, el diámetro del elemento
calefactor 1 puede estar hecho lo suficientemente ancho para
permitir una circulación natural activa suficientemente en el
interior, sin que ningunas aberturas 10 sean necesarias. En otras
formas de realización, por el contrario, la velocidad del agua
cuando está siendo extraída del depósito es suficiente alta o
suficientemente frecuente como para asegurar un constante lavado y
prevenir de este modo o eliminar el depósito calcáreo. Con este
objetivo, puede ser ventajoso, como se muestra en la Figura 4,
proveer de una capa 14 de material no adherente para el depósito
calcáreo en el interior de la tubería 3, tal como polipropileno.
Aún durante la fase de calentamiento del agua
que se encuentra en el interior del depósito 2, puede ser adecuado
asegurar que el agua que asciende a través de la circulación natural
en el interior de la tubería 3 no se descargue completamente en el
extremo 3.a, en donde, es conocido existe a menudo una burbuja de
aire que puede obstruir la circulación. Por esta razón, el agua
puede aún pasar a través de las aberturas 11 en la Figura 1 o 11.b
en la Figura 3.
En algunas aplicaciones, puede merecer la pena
proveer un revestimiento antiabrasivo externo para la capa que se
encuentra más al exterior de material de aislamiento que constituye
la resistencia eléctrica impresa 4. Esto puede ser creado, como en
la Figura 4, con un revestimiento de protección 15 hecho de un
material adecuado, pero puede también ser útil tener el dicho
revestimiento de protección 15 hecho de un material diseñado para
actuar como un electrodo para la protección catódica, como se
describe en su totalidad en otra patente presentada al mismo tiempo,
por el mismo solicitante. De forma alternativa, el dicho
revestimiento de protección 15 puede estar constituido de un
elemento tubular de metal de sacrificio para proteger el aparato
contra la corrosión (en general un ánodo de magnesio). Con
cualquier medio comúnmente conocido o cualquiera de los medios
descritos con anterioridad, el dicho electrodo o el dicho ánodo
están conectados eléctricamente de forma adecuada al depósito de
metal a ser protegido.
Haciendo referencia a la Figura 1, el elemento
calefactor 1 permite que el funcionamiento sea flexible, lo cual es
imposible con las resistencias eléctricas blindadas comúnmente
conocidas. Para tener una reserva alta, una caldera por lo general
mantiene el agua a 70 - 75ºC, mientras que la temperatura de
utilización está por lo general a 40ºC. Si se necesita poca agua y
el usuario desea limitar la pérdida de calor, la temperatura de
depósito puede ser bajada a la temperatura de utilización, pero
nunca por debajo. Con el elemento calefactor 1, el agua puede
mantenerse a una temperatura ligeramente menor que la de la
temperatura de utilización y ésta puede ser recalentada durante la
fase de extracción, activando las resistencias eléctricas impresas
4. Con este objetivo es necesario para dichas resistencias
eléctricas 4 ser operadas por un termostato durante la fase de
almacenamiento y por un equipo sensor del caudal, como un
interruptor automático por caída de presión o un conmutador de
flujo, durante la pase de extracción del agua.
En la Figura 1 el elemento calefactor 1 de
acuerdo a la presente invención es representado como un tubo para
extraer el agua caliente del calentador para almacenamiento térmico,
pero, de forma alternativa, éste puede tomar la forma de un tubo de
entrada, como en el caso de una caldera "under the sink" o a la
vez el tubo de entrada que se extiende de forma adecuada al interior
del depósito y el tubo de salida para una mejor distribución de la
energía térmica en las zonas más adecuadas.
En la Figura 7, en cambio, se muestra una
caldera de acción rápida equipada con al menos dos resistencias
eléctricas impresas las cuales están separadas una de otra
físicamente. La primera dicha resistencia eléctrica, que se indica
con el número 4.1 y soportada por el depósito 2.1, puede mantener el
agua almacenada a una temperatura determinada, regulada por un
termostato adecuado. La segunda, indicada con el número 4 y
soportada por el tubo de salida 3 puede también calentar el agua
durante la fase de extracción, regulada por un sensor de flujo, tal
como un interruptor automático por caída de presión o un conmutador
de flujo.
Como es natural, aún haciendo referencia a la
Figura 7, un único elemento calefactor 1 constituido por el tubo de
salida, podría llevar a cabo lo mismo la función de precalentamiento
durante la fase de almacenaje que la función de calentamiento final
durante la fase de extracción así como el dicho elemento calefactor
1 tiene las aberturas 11 como se muestra en la figura.
Si fuera necesario, las resistencias eléctricas
impresas 4 o 4.1 pueden ser aplicadas a la superficie interna del
elemento calefactor 1 o pueden tener diferentes secciones
configuradas (es decir, no circular) o ser curvada o convexa,
lógicamente dentro de los límites de las formas permitidas por la
tecnología de impresión de resistencias eléctricas comúnmente
conocida.
Una primera ventaja del elemento calefactor 1 es
que, en un calentador para almacenamiento térmico, el saliente puede
ser eliminado por medio de simplemente proporcionar lo siguiente: un
aro o tuerca roscada para fijar el elemento calefactor, un
revestimiento soldado o roscado para la inserción de los sensores
termostáticos y/o el electrodo de protección anticorrosión catódica
y/o una tuerca roscada para la inserción de un ánodo de magnesio o
un electrodo. Esto ha sido también mostrado, aunque el elemento
calefactor 1 puede también soportar, todo junto, los sensores, los
termostatos de seguridad y los electrodos de protección
anticorrosión o los ánodos de sacrifico. Por ello, es posible en
algunas variantes, eliminar no solamente el saliente, sino también
la otra abertura en el depósito 2, a excepción de la abertura
necesaria para el elemento calefactor de acuerdo a la presente
invención.
En los calentadores para almacenamiento térmico,
la presente invención puede también permitir una reducción de la
pérdida de calor de forma significativa y disminución de la
formación en el depósito 2 de depósito calcáreo.
A modo de ejemplo, se prevé un calentador para
almacenamiento térmico con una potencia de 1500 W.
Es necesario un caudal de 0.07 litro/segundo
para una ducha. A esta frecuencia, si la resistencia eléctrica es
activada durante la fase de extracción, en la práctica, la dicha
resistencia eléctrica solamente produce calor para el agua que
circula a través del elemento, ya que el intercambio térmico es
mucho más activo que en el exterior donde el agua no fluye. El
resultado es que la temperatura del agua extraída aumenta por
aproximadamente 5ºC, permitiendo que el agua sea mantenida a 35ºC si
la temperatura de utilización requerida es de 40ºC.
Si la temperatura ambiente es 20ºC, da como
resultado una pérdida térmica del 25 (carga térmica: 35 - 20 = 15ºC,
en lugar de 40 - 20 = 20ºC)
Cuando el agua es mantenida a una temperatura
más baja, se forma menos depósito calcáreo.
Esta ventaja va en aumento por la caldera de
acción rápida, es decir, aquellas con un alto nivel de potencia,
como se muestra en la Figura 7.
En general, el elemento calefactor de acuerdo a
la presente invención hace posible la fabricación de un calentador
para almacenamiento térmico de acción rápida en donde el mismo
elemento calefactor puede precalentar el agua que está almacenada a
las temperaturas de almacenamiento inferiores a aquellas requeridas
y entonces completar la fase de calentamiento en el momento de la
utilización.
Una resistencia eléctrica de tipo blindada para
calderas tiene por lo general una descarga térmica, como se mencionó
anteriormente de 8.5 W/cm^{2} y está sujeta a una formación rápida
en los depósitos de depósito calcáreo, lo que se incrementa en
proporción directa a la descarga térmica. Un tubo de salida de una
caldera tiene por lo general de ½'' de diámetro (es decir, 21 mm):
suponiendo que la longitud sea de 600 mm y que la potencia nominal
sea de 1500 W, el elemento calefactor 1 tiene una carga térmica de
menos de 4 W/cm^{2}, menos que la mitad de la resistencia
eléctrica blindada, y es posible además reducir la carga térmica por
medio del aumento el diámetro del tubo y su superficie mientras se
mantiene la superficie de la ruta de la resistencia eléctrica igual
sin que exista ningún incremento significativo en el coste.
Claims (9)
1. Un elemento calefactor (1) de forma
tubular, en particular para aparatos calefactores para el agua que
va a ser utilizada con fines sanitarios en un calentador para
almacenamiento térmico, del tipo en el que se utiliza la tecnología
en la cual es aplicada una resistencia eléctrica impresa a una
superficie de metal, la dicha resistencia eléctrica impresa provista
de una o más capas adicionales de material dieléctrico aplicado a la
dicha superficie de metal, sobre la cual, utilizando por ejemplo una
técnica de un proceso de impresión, hay impreso uno o más circuitos
eléctricos resistivos, a los cuales está aplicada a su vez, una o
más capas de material dieléctrico, dicho elemento calefactor (1)
estando provisto de al menos una resistencia eléctrica impresa (4,
4.1) la cual está aplicada lo mismo a toda que a una parte de la
superficie interna o externa de una tubería (3), la dicha tubería
estando provista de una sección que es conformada de cualquier forma
para permitir que el agua que va a ser utilizada con fines
sanitarios por lo menos circule, caracterizado por el hecho
que la dicha al menos una resistencia eléctrica impresa está
conectada a un termostato durante la fase de almacenamiento del agua
en el depósito (2, 2.1) y a un dispositivo sensor de la temperatura
tales como un interruptor automático por caída de presión o un
conmutador de flujo durante la fase de extracción del agua.
2. Un elemento calefactor (1) de
acuerdo a las reivindicaciones 1 y 2 caracterizado por el
hecho que en el caso en el cual más circuitos eléctricos resistivos
independientes están en el dicho elemento calefactor, dichos
circuitos eléctricos resistivos pueden estar colocados sobre varias
capas, estando cada capa separada de las otras por una o más capas
de material dieléctrico.
3. Un elemento calefactor (1) de
acuerdo a las reivindicación 1, caracterizado por el hecho
que está conectado al depósito (2, 2.1) a través de medios de
acoplamiento (9) y está conectado al suministro del agua a través de
medios de acoplamiento (7), dichos medios de acoplamiento pertenecen
a al menos un acoplamiento de tubos (5, 5.1), dicho acoplamiento de
tubos puede tener acoplamientos (9) para el suministro de energía
eléctrica de al menos una resistencia eléctrica impresa (4,
4.1).
4. Un elemento calefactor (1) de
acuerdo a las reivindicaciones 1 y 3 caracterizado por el
hecho que las rutas de los circuitos eléctricos resistivos de las
resistencias eléctricas impresas (4, 4.1) pueden tener cualquier
forma, lo mismo regular que irregular, dicha cualquier forma siendo
adecuada para distribuir la descarga térmica, según se requiera, lo
mismo de forma uniforme o de manera diferente por la
tubería (3).
tubería (3).
5. Un elemento calefactor (1) de
acuerdo a las reivindicaciones anteriores, caracterizado por
el hecho que puede ser loable proporcionar un revestimiento externo
de protección (15) contra la abrasión para la capa más externa de
material de aislamiento constituyendo la resistencia eléctrica 4,
dicho revestimiento de protección puede estar diseñado para proteger
el depósito (2, 2.1) contra el fenómeno de la corrosión;
revestimiento de protección (15) puede consistir de manera ventajosa
en un electrodo en la forma de un dispositivo de protección
catódica por corriente impresa hecho de por ejemplo, una aleación de
titanio o en un ánodo de sacrificio, por ejemplo, de una aleación de
magnesio; las conexiones eléctricas de dicho dispositivo diseñado
para proteger el depósito contra la corrosión puede estar hecho en
parte o en conjunto utilizando la tecnología de impresión para
resistencias eléctricas.
6. Un elemento calefactor (1) de
acuerdo a las reivindicaciones anteriores, caracterizado por
el hecho que una o más aberturas (10, 10.a, 10.b), situados en la
parte inferior de la tubería (3), conectan la superficie externa y
la superficie interna de dicha tubería; dichas aberturas son
adecuadas para proveer una circulación natural del agua en el
interior de la tubería (3) durante las fases de calentamiento.
7. Un elemento calefactor (1) de
acuerdo a las reivindicaciones 1 y 6, caracterizado por el
hecho que una o más aberturas (10.a) están acopladas con deflectores
(12); dichos deflectores siendo capaces de evitar que el agua fría
entre en la tubería (3).
8. Un elemento calefactor (1) de
acuerdo a las reivindicaciones anteriores, caracterizado por
el hecho que una o más aberturas (11, 11.b) están situadas en la
parte superior de la tubería (3) para facilitar, a través de una
circulación natural, el desagüe del agua desde dicha tubería, dicho
desagüe del agua siendo adecuado para evitar cualquier burbuja de
aire que pueda ocasionarse en una entrada (3.a) convirtiéndose en
una obstrucción.
9. Procedimiento para la utilización
del elemento calefactor de forma tubular de acuerdo a la
reivindicación 1, caracterizado por el hecho que dicho
termostato acciona la resistencia eléctrica (4, 4.1) durante la fase
de almacenamiento de agua en un depósito (2, 2.1) para mantener el
agua a una temperatura ligeramente más baja que la temperatura de
utilización y dicho dispositivo sensor del caudal acciona la dicha
resistencia eléctrica impresa durante la fase de extracción del agua
para completar el calentamiento del agua, dicho elemento calefactor
siendo adecuado para ser utilizado lo mismo para mantener la
temperatura del agua a un primer valor de ajuste previo de
almacenamiento y luego para recalentarla a un segundo valor de
temperatura de extracción.
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