ES2886339T3 - Spiral heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para el calentamiento de un fluido por medio de energía eléctrica, donde está prevista una carcasa cilíndrica (2) con una entrada (3) y una salida (5) para el fluido, y la entrada (3) está conectada con la salida (5) a través de un canal de flujo (1) que discurre dentro de la carcasa (2) para el fluido, que presenta una sección de canal de flujo espiral que se enrolla hacia dentro (1b) alrededor del eje cilíndrico de la carcasa (2) con distancia decreciente respecto al eje de cilindro, que se forma por una pared dispuesta perpendicularmente entre una placa cobertora (2D) y una placa de fondo (2B) de la carcasa (2), que está provista con un elemento calefactor eléctrico (4) realizado como elemento calefactor (4) en forma de banda para el calentamiento del fluido que fluye, caracterizado porque la pared forma adicionalmente una sección de canal de flujo espiral que se enrolla hacia fuera (1a) alrededor del eje cilíndrico de la carcasa (2) con distancia creciente respecto al eje de cilindro, donde la pared delimita, en una zona central del interior de la carcasa, una zona final que termina la sección de canal de flujo que se enrolla hacia dentro (1b), zona final que desemboca en la salida (5), así como delimita una zona final que termina la sección de canal de flujo que se enrolla hacia fuera (1a), zona final en la que desemboca la entrada (3), y la sección de canal de flujo que se enrolla hacia fuera (1a) desemboca en una sección de canal de flujo que se enrolla hacia dentro (1b) en una sección de la pared más cercana a la pared interior de la carcasa a través de una zona de inversión formada por un extremo libre de la pared, donde la pared se forma por el elemento calefactor (4) realizado en forma de banda, que está provisto con elementos de resistencia PTC, y está realizada como superficie límite entre la sección de canal de flujo que se enrolla hacia fuera (1a) y la sección de canal de flujo que se enrolla hacia dentro (1b).Device for heating a fluid by means of electrical energy, where a cylindrical casing (2) is provided with an inlet (3) and an outlet (5) for the fluid, and the inlet (3) is connected to the outlet ( 5) through a flow channel (1) running inside the housing (2) for the fluid, which has an inwardly spiraling flow channel section (1b) around the cylindrical axis of the housing ( 2) with decreasing distance from the cylinder axis, which is formed by a wall arranged perpendicularly between a cover plate (2D) and a bottom plate (2B) of the housing (2), which is provided with an electric heating element ( 4) embodied as a strip-shaped heating element (4) for heating the flowing fluid, characterized in that the wall additionally forms an outwardly spiraling flow channel section (1a) around the cylindrical axis of the housing ( 2) with increasing distance from e cylindrical axis, where the wall delimits, in a central area of the interior of the casing, a final area that ends the section of the flow channel that rolls inwards (1b), final area that leads to the outlet (5), as well as delimiting a final zone that ends the flow channel section that rolls out (1a), final zone in which the inlet (3) ends, and the flow channel section that rolls out (1a) empties into an inwardly-rolling flow channel section (1b) in a section of the wall closest to the inner wall of the casing through an inversion zone formed by a free end of the wall, where the wall is formed by the strip-shaped heating element (4), which is provided with PTC resistance elements, and is embodied as a boundary surface between the outwardly wound flow channel section (1a) and the channel section inwardly coiled flux (1b).
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Intercambiador de calor espiralspiral heat exchanger
La invención se refiere a un dispositivo para el calentamiento de un fluido por medio de energía eléctrica, donde está prevista una carcasa cilíndrica con una entrada y una salida para el fluido, y la entrada está conectada con la salida a través de un canal de flujo que discurre dentro de la carcasa para el fluido, que presenta una sección de canal de flujo espiral que se enrolla hacia dentro alrededor del eje cilíndrico de la carcasa con distancia decreciente respecto al eje de cilindro, que se forma por una pared dispuesta perpendicularmente entre una placa cobertora y una placa de fondo de la carcasa, que está provista con un elemento calefactor eléctrico realizado como elemento calefactor en forma de banda para el calentamiento del fluido que fluye, según el preámbulo de la reivindicación 1.The invention relates to a device for heating a fluid by means of electrical energy, where a cylindrical casing with an inlet and an outlet for the fluid is provided, and the inlet is connected to the outlet through a flow channel which runs inside the housing for the fluid, which has a spiral flow channel section which winds inward around the cylindrical axis of the housing with decreasing distance to the cylinder axis, which is formed by a wall arranged perpendicularly between a cover plate and a bottom plate of the housing, which is provided with an electrical heating element designed as a strip-shaped heating element for heating the flowing fluid, according to the preamble of claim 1.
Dispositivos del tipo mencionado se conocen, por ejemplo, por el documento CH 101971 A. En este caso, el líquido que afluye a través de la entrada central se conduce a la periferia de un canal de flujo espiral que se enrolla hacia dentro, que suministra el líquido a calentar al interior del dispositivo, donde un elemento de resistencia en forma de banda está fijado en las secciones de espira más interiores del canal de flujo espiral y calienta el líquido. El canal de flujo espiral desemboca finalmente en una salida central, a través de la que el líquido calentado abandona el dispositivo. La desventaja de tales dispositivos consiste, por un lado, en el bajo rendimiento del dispositivo y, por otro lado, en la falta de seguridad de funcionamiento. Si la energía térmica formada por el elemento de resistencia no se evacúa suficientemente por el líquido que fluye, se produce un calentamiento del elemento de resistencia que puede conducir a la destrucción del elemento calefactor. Por ello, se debe garantizar, por ejemplo, que el elemento calefactor solo esté conectado cuando fluye el líquido, lo que es correspondientemente costoso en términos de tecnología de regulación.Devices of the mentioned type are known, for example, from CH 101971 A. In this case, the inflowing liquid through the central inlet is led to the periphery of an inwardly wound spiral flow channel, which supplies the liquid to be heated inside the device, where a band-shaped resistance element is fixed in the innermost turns sections of the spiral flow channel and heats the liquid. The spiral flow channel finally ends in a central outlet, through which the heated liquid leaves the device. The disadvantage of such devices consists, on the one hand, in the poor performance of the device and, on the other hand, in the lack of operational reliability. If the thermal energy formed by the resistance element is not sufficiently dissipated by the flowing liquid, heating of the resistance element occurs which can lead to destruction of the heating element. For this reason, it must be ensured, for example, that the heating element is only switched on when the liquid is flowing, which is correspondingly costly in terms of control technology.
Por el documento EP 104673 A2 se conoce un dispositivo calefactor para líquidos limpiaparabrisas, en el que el líquido limpiaparabrisas se conduce a un canal de flujo espiral que se enrolla hacia dentro. El canal de flujo está provisto de una placa cobertora y una placa de fondo, que presentan un elemento calefactor provisto de elementos de resistencia PTC, que se regula por un termostato. A este respecto, los elementos de resistencia representan una resistencia eléctrica, en la que una corriente se convierte en calor. Los elementos de resistencia PTC, que también se designan como conductor frío, disponen a este respecto de la propiedad de una resistencia eléctrica creciente con temperatura ascendente. En el documento EP 104673 A2 se usan los elementos de resistencia PTC para un calentamiento rápido en segundos del líquido limpiaparabrisas, donde se regulan a una temperatura más elevada que aquella del líquido limpiaparabrisas.From EP 104673 A2 a heating device for windshield washer fluid is known, in which the windshield washer fluid is led into an inwardly wound spiral flow channel. The flow channel is provided with a cover plate and a bottom plate, which have a heating element provided with PTC resistance elements, which is regulated by a thermostat. In this connection, the resistance elements represent an electrical resistance, in which a current is converted into heat. PTC resistor elements, which are also referred to as cold conductors, have the property of increasing electrical resistance with rising temperature. In EP 104673 A2 PTC resistor elements are used for rapid heating of the windshield wiper fluid within seconds, where they are set to a temperature higher than that of the windshield wiper fluid.
El documento DE 19837923 C1 describe un dispositivo para la esterilización de líquidos, en el que el líquido a esterilizar se conduce a un canal de flujo espiral que se enrolla hacia dentro, que suministra el líquido a esterilizar al interior del dispositivo, donde está dispuesto un elemento calefactor eléctrico que calienta el líquido. El líquido calentado y por tanto esterilizado se refrigera a continuación de nuevo a través de un canal de flujo que se enrolla hacia fuera y se entrega como líquido refrigerado, esterilizado.DE 19837923 C1 describes a device for the sterilization of liquids, in which the liquid to be sterilized is led into an inwardly spiraling flow channel, which supplies the liquid to be sterilized into the interior of the device, where a electric heating element that heats the liquid. The heated and thus sterilized liquid is then cooled again through an outwardly wound flow channel and delivered as cooled, sterilized liquid.
El documento DE 29618194 U1 describe un intercambiador de calor espiral, en el que un primer líquido se conduce a un canal de flujo espiral que se enrosca hacia dentro, que desemboca en una salida central a través de la que el primer líquido abandona el dispositivo. Además, un segundo líquido se conduce a un canal de flujo espiral que se enrolla hacia fuera, que desemboca en una salida a través de la que el segundo líquido abandona el dispositivo. A este respecto, la energía térmica del primer líquido se le puede transferir al segundo líquido. Por consiguiente, se trata de un intercambiador de calor para la transferencia de energía térmica. A este respecto no está previsto un elemento calefactor eléctrico para el calentamiento de un líquido.DE 29618194 U1 describes a spiral heat exchanger, in which a first liquid is led into an inwardly spiraling flow channel, which empties into a central outlet through which the first liquid leaves the device. Furthermore, a second liquid is led into an outwardly coiling spiral flow channel, which empties into an outlet through which the second liquid leaves the device. In this connection, the thermal energy of the first liquid can be transferred to the second liquid. Therefore, it is a heat exchanger for the transfer of thermal energy. In this connection, an electrical heating element for heating a liquid is not provided.
El documento KR 100762010 B1 muestra una estera calefactora con un líquido calentado de forma inductiva, que se conduce a un canal que discurre en forma espiral en la estera calefactora, cuya entrada y salida finalizan en el dispositivo calefactor inductivo.KR 100762010 B1 shows a heating mat with an inductively heated liquid, which is led into a channel running spirally in the heating mat, the inlet and outlet of which end in the inductive heating device.
Por consiguiente, el objetivo de la presente invención consiste en proporcionar un dispositivo para el calentamiento de un fluido por medio de energía eléctrica, que presenta un modo constructivo compacto y permite no solo un calentamiento rápido del fluido, sino que también se puede hacer funcionar con un rendimiento más alto en comparación a los dispositivos conocidos. Además, se debe garantizar una alta seguridad de funcionamiento.Therefore, the object of the present invention is to provide a device for heating a fluid by means of electrical energy, which has a compact construction and allows not only rapid heating of the fluid, but can also be operated with higher performance compared to known devices. In addition, high operational safety must be ensured.
Estos objetivos se logran con las características de la reivindicación 1. La reivindicación 1 se refiere a un dispositivo para el calentamiento de un fluido por medio de energía eléctrica, donde está prevista una carcasa cilíndrica con una entrada y una salida para el fluido, y la entrada está conectada con la salida a través de un canal de flujo que discurre dentro de la carcasa para el fluido, que presenta una sección de canal de flujo espiral que se enrolla hacia dentro alrededor del eje cilíndrico de la carcasa con distancia decreciente respecto al eje de cilindro, que se forma por una pared dispuesta perpendicularmente entre una placa cobertora y una placa de fondo de la carcasa, que está provista con un elemento calefactor eléctrico realizado como elemento calefactor en forma de banda para el calentamiento del fluido que fluye. En este caso, según la invención se propone que la pared forme adicionalmente una sección de canal de flujo espiral que se enrolla hacia fuera alrededor del eje cilíndrico de la carcasa con distancia creciente respecto al eje de cilindro, donde la pared delimita, en una zona central del interior de la carcasa, una zona final que termina la sección de canal de flujo que se enrolla hacia dentro, zona final que desemboca en la salida, así como delimita una zona final que termina la sección de canal de flujo que se enrolla hacia fuera, zona final en la que desemboca la entrada, y la sección de canal de flujo que se enrolla hacia fuera desemboca en una sección de canal de flujo que se enrolla hacia dentro en una sección de la pared más cercana a la pared interior de la carcasa a través de una zona de inversión formada por un extremo libre de la pared, donde la pared se forma por el elemento calefactor realizado en forma de banda, que está provisto con elementos de resistencia PTC, y está realizada como superficie límite entre la sección de canal de flujo que se enrolla hacia fuera y la sección de canal de flujo que se enrolla hacia dentro.These objectives are achieved with the characteristics of claim 1. Claim 1 refers to a device for heating a fluid by means of electrical energy, where a cylindrical casing is provided with an inlet and an outlet for the fluid, and the The inlet is connected to the outlet via a flow channel running inside the housing for the fluid, which has a spiral flow channel section that winds inward around the cylindrical axis of the housing with decreasing distance from the axis. cylinder, which is formed by a wall arranged perpendicularly between a cover plate and a bottom plate of the housing, which is provided with an electrical heating element designed as a strip-shaped heating element for heating the flowing fluid. In this case, according to the invention it is proposed that the wall additionally forms a spiral flow channel section which winds outwards around the cylindrical axis of the housing with increasing distance from the cylinder axis, where the wall delimits, in an area central part of the interior of the casing, an end zone that ends the flow channel section that rolls inwards, a final zone that leads to the outlet, as well as delimiting a final zone that ends the flow channel section that rolls inwards outside, end zone into which the inlet empties, and the outwardly coiling flow channel section empties into an inwardly coiling flow channel section at a section of the wall closest to the inside wall of the housing through an inversion zone formed by a free end of the wall, where the wall is formed by the heating element made in the form of a band, which is provided with PTC resistance elements, and is re alized as a boundary surface between the outwardly wound flow channel section and the inwardly wound flow channel section.
El líquido a calentar se le suministra al dispositivo según la invención a través de la entrada, que desemboca en la zona final de la sección de canal de flujo que se enrolla hacia fuera. El líquido fluye por tanto de la zona central de la carcasa a las zonas periféricas del interior de la carcasa, donde se calienta gracias a una superficie del elemento calefactor en forma de banda, que está dirigida hacia esta sección de canal de flujo que se enrolla hacia fuera y que forma la pared de esta sección de canal de flujo. La sección de canal de flujo que se enrolla hacia fuera desemboca en una sección de la pared más cercana a la pared interior de la carcasa a través de una zona de inversión formada por un extremo libre de la pared a la sección de canal de flujo que se enrolla hacia dentro. El líquido fluye por consiguiente de vuelta de las zonas periféricas del interior de la carcasa de nuevo a la zona central de la carcasa, donde se sigue calentando gracias a la superficie del mismo elemento calefactor en forma de banda que se dirige hacia la sección de canal de flujo que se enrolla hacia dentro. La sección de canal de flujo que se enrolla hacia dentro finaliza en la zona central de la carcasa finalmente en una zona final que desemboca en la salida. Dado que la pared formada por el elemento calefactor en forma de banda está realizada como superficie límite entre la sección de canal de flujo que se enrolla hacia dentro y la sección de canal de flujo que se enrolla hacia fuera, el líquido fluye alrededor de ambas superficies del mismo elemento calefactor. A este respecto es máxima la diferencia de temperatura del líquido introducido en la zona central a través de la entrada y del líquido derivado a través de la salida, que se sitúa igualmente en la zona central. Por consiguiente, también es máxima la diferencia de temperatura del líquido que fluye en ambos lados del elemento calefactor, y a saber en aquella sección del elemento calefactor que está dispuesto en la zona central de la carcasa. En las zonas periféricas de las secciones de canal que se enrollan hacia dentro y hacia fuera es mínima por el contrario la diferencia de temperatura del líquido que fluye en ambos lados del elemento calefactor. El valor medio de la temperatura presente en ambos lados del elemento calefactor es por el contrario aproximadamente constante a lo largo de todo el desarrollo del elemento calefactor. Así, a lo largo de toda la longitud del elemento calefactor en forma de banda se asegura que la temperatura sea aproximadamente constante dentro del elemento calefactor provisto con elementos de resistencia PTC y la resistencia óhmica interior de los elementos de resistencia PTC por unidad de longitud es aproximadamente constante a lo largo de la longitud, lo que asegura una entrega de potencia eléctrica uniforme en referencia a la característica de la resistencia PTC dependiente de la temperatura. En la zona de inversión en el extremo libre de la pared, la temperatura del fluido alcanza aproximadamente la mitad del aumento de temperatura deseado entre la temperatura de entrada y de salida. Además, para un rendimiento óptimo, la potencia calefactora entregada por el elemento calefactor a lo largo del recorrido de flujo de la entrada hasta la zona de inversión se corresponde con la mitad de la potencia calefactora prevista para todo el recorrido de flujo de la entrada hasta la salida. Dado que el valor medio de temperatura alcanzado por el fluido es constante en cada punto del elemento calefactor, se elimina el efecto indeseado de una reducción de la potencia calefactora gracias a la característica PTC, por lo que la posible potencia calorífica del dispositivo se puede elevar dramáticamente en un espacio constructivo dado y se optimiza el rendimiento. Además, el interior de la carcasa se aprovecha de manera ideal debido a la superficie calentada maximizada y se optimiza la transferencia de calor al fluido que fluye a través. De esta manera se posibilitan realizaciones constructivas compactas.The liquid to be heated is supplied to the device according to the invention via the inlet, which flows into the end region of the outwardly wound flow channel section. The liquid therefore flows from the central area of the housing to the peripheral areas of the interior of the housing, where it is heated by a band-shaped heating element surface, which is directed towards this section of the flow channel that is wound outward and forming the wall of this flow channel section. The outwardly coiled flow channel section empties into a wall section closest to the inner wall of the casing through a reversal zone formed by a free end of the wall to the flow channel section that it rolls inward. The liquid therefore flows back from the peripheral areas of the interior of the casing back to the central area of the casing, where it is further heated by the surface of the same band-shaped heating element directed towards the channel section flow that rolls inward. The inwardly wound flow channel section ends in the central region of the housing finally in an end region which opens into the outlet. Since the wall formed by the strip-shaped heating element is embodied as a boundary surface between the inwardly wound flow channel section and the outwardly wound flow channel section, the liquid flows around both surfaces of the same heating element. In this case, the difference in temperature of the liquid introduced into the central zone through the inlet and the liquid diverted through the outlet, which is also located in the central zone, is maximum. Consequently, the temperature difference of the flowing liquid on both sides of the heating element, namely in that section of the heating element which is arranged in the central region of the housing, is also greatest. In contrast, the temperature difference of the liquid flowing on both sides of the heating element is minimal in the peripheral regions of the inwardly and outwardly wound channel sections. The average value of the temperature present on both sides of the heating element is, on the other hand, approximately constant throughout the development of the heating element. Thus, along the entire length of the strip-shaped heating element it is ensured that the temperature is approximately constant within the heating element provided with PTC resistance elements and the internal ohmic resistance of the PTC resistance elements per unit length is approximately constant along the length, which ensures uniform electrical power delivery with reference to the temperature-dependent characteristic of the PTC resistor. In the inversion zone at the free end of the wall, the fluid temperature reaches approximately half of the desired temperature rise between the inlet and outlet temperatures. In addition, for optimal performance, the heating power delivered by the heating element along the flow path from the inlet to the inversion zone corresponds to half of the heating power provided for the entire flow path from the inlet to the inversion zone. the exit. Since the average temperature value reached by the fluid is constant at each point of the heating element, the undesirable effect of a reduction in heating power is eliminated thanks to the PTC characteristic, so that the possible heating power of the device can be increased dramatically in a given building space and performance is optimized. In addition, the interior of the shell is ideally utilized due to the maximized heated surface area and heat transfer to the fluid flowing through is optimized. In this way, compact constructive embodiments are made possible.
Una realización constructiva concreta prevé, por ejemplo, que elemento calefactor realizado en forma de banda en una primera sección final atraviese la envolvente de carcasa a través de una zona de fijación estanca a fluidos, en forma de hendidura y forme un primer extremo del elemento calefactor que presenta conexiones eléctricas y dispuesto fuera de la carcasa, y en una segunda sección final forme el extremo libre de la pared dispuesto dentro de la carcasa. La estanqueidad se puede asegurar, por ejemplo, mediante el vertido en la zona de fijación de una masa de relleno o adhesivo.A specific constructional embodiment provides, for example, that the heating element made in the form of a strip in a first end section passes through the housing shell through a fluid-tight fastening area, in the form of a slit, and forms a first end of the heating element. having electrical connections and arranged outside the casing, and in a second final section forms the free end of the wall arranged inside the casing. The tightness can be ensured, for example, by pouring a filler or adhesive into the fixing area.
El elemento calefactor realizado en forma de banda puede estar fijado además con sus lados longitudinales en las ranuras de la placa cobertora y la placa de fondo de la carcasa.The strip-shaped heating element can additionally be fixed with its longitudinal sides in the grooves of the cover plate and the bottom plate of the housing.
Para el aumento de la estabilidad estructural del dispositivo, en particular en la zona de inversión se propone en particular que el extremo libre, dispuesto dentro de la carcasa, del elemento calefactor realizado en forma de banda esté provisto con una barra de estabilización, que está fijada en la placa cobertora y la placa de fondo de la carcasa. In order to increase the structural stability of the device, in particular in the inversion region, it is proposed in particular that the free end of the band-shaped heating element arranged inside the housing is provided with a stabilizing bar, which is fixed on the cover plate and the bottom plate of the casing.
El elemento calefactor se compone de manera conocida en sí de un sustrato en forma de banda (preferentemente de plástico), una capa de distribución de calor de metal, electrodos y una capa calefactora de elementos de resistencia PTC, por ejemplo, pastas de carbono o capas de cerámica, que actúan como resistencia óhmica y se aplican en el procedimiento de serigrafía. El elemento calefactor puede estar aislado hacia fuera mediante una lámina cobertora dieléctrica. Según se ha expuesto ya, el material PTC de los elementos de resistencia PTC se destaca por una curva característica fuertemente no lineal, en tanto que la resistencia eléctrica del material aumenta con temperatura ascendente (provocado por el funcionamiento o calentamiento pasivo) y el material se vuelve finalmente de alta resistencia a la temperatura de regulación específica al material. De este modo, la potencia calorífica eléctrica disminuye y por consiguiente no se produce un calentamiento adicional. Esto es válido también para inhomogeneidades térmicas locales, como p. ej. inclusiones de aire en el fluido. De este modo, el elemento calefactor usado se autorregula y no se puede sobrecalentar. Simultáneamente, el material PCT de los elementos de resistencia PCT posibilita un calentamiento especialmente rápido en comparación a los materiales de resistencia convencionales. The heating element consists of a strip-shaped substrate (preferably plastic), a heat distribution layer of metal, electrodes and a heating layer of PTC resistance elements, for example carbon pastes or PTC, in a known manner. ceramic layers, which act as ohmic resistance and are applied in the screen printing process. The heating element may be insulated to the outside by a dielectric cover sheet. As already stated, the PTC material of the PTC resistor elements is distinguished by a strongly non-linear characteristic curve, whereas the electrical resistance of the material increases with rising temperature (caused by operation or passive heating) and the material Finally, it becomes highly resistant to the material-specific regulation temperature. In this way, the electrical heating power decreases and therefore no additional heating occurs. This is also valid for local thermal inhomogeneities, e.g. eg air inclusions in the fluid. In this way, the used heating element is self-regulating and cannot overheat. At the same time, the PCT material of the PCT resistance elements enables particularly rapid heating compared to conventional resistance materials.
Para formas de realización semejantes se propone que el elemento calefactor en forma de banda esté realizado como lámina calefactora que está plegada para la formación de la pared alrededor de su eje longitudinal, así como alrededor de su eje transversal. Mediante el pliegue alrededor del eje longitudinal se consigue que la capa de distribución de calor dispuesta en un lado se sitúe ahora exteriormente en ambos lados del elemento calefactor y esté dirigida hacia la respectiva sección de canal de flujo. Además, el sustrato de la lámina calefactora forma una capa separadora entre las capas eléctricamente conductoras en forma de electrodos y la capa calefactora y el fluido, por lo que se reduce el peligro de cortocircuitos. Mediante el pliegue en la dirección transversal, los lados frontales llegan a descansar a lo largo de los dos lados de anchura de la lámina calefactora en el mismo lado, que se puede disponer ahora fuerza de la carcasa. Por consiguiente, no hay aristas de corte de la lámina calefactora, que se expondrían al fluido, de modo que de nuevo se previene un cortocircuito.For similar embodiments, it is proposed that the strip-shaped heating element is designed as a heating foil, which is folded around its longitudinal axis as well as around its transverse axis to form the wall. By folding around the longitudinal axis, it is achieved that the heat distribution layer arranged on one side is now located externally on both sides of the heating element and is directed towards the respective flow channel section. In addition, the heating foil substrate forms a separating layer between the electrically conductive layers in the form of electrodes and the heating layer and the fluid, whereby the danger of short circuits is reduced. By folding in the transverse direction, the front sides come to rest along the two width sides of the heating foil on the same side, which can now be provided with strength of the housing. Consequently, there are no cutting edges of the heating foil, which would be exposed to the fluid, so that again a short circuit is prevented.
Finalmente, se propone que la entrada y la salida estén dispuestas en lados diferentes de la carcasa. Este dispositivo facilita acoplar varios dispositivos en serie, para obtener de esta manera en conjunto una mayor potencia calefactora. Para calentar un mayor volumen de fluido, también se pueden disponer varios dispositivos en paralelo.Finally, it is proposed that the inlet and outlet are arranged on different sides of the housing. This device makes it easy to couple several devices in series, in order to obtain greater heating power as a whole. To heat a larger volume of fluid, several devices can also be arranged in parallel.
A continuación, la invención se explicará en mayor detalle mediante ejemplos de realización con ayuda de los dibujos adjuntos. En este caso muestran laIn the following, the invention will be explained in greater detail by means of exemplary embodiments with the aid of the accompanying drawings. In this case they show the
Fig. 1 una vista en sección a través de una forma de realización de un dispositivo según la invención,Fig. 1 a sectional view through an embodiment of a device according to the invention,
Fig. 2 una vista en perspectiva de la forma de realización de un dispositivo según la invención según la fig. 1 con placa de fondo y elemento calefactor insertado, pero sin placa cobertora ni envolvente de carcasa,Fig. 2 a perspective view of the embodiment of a device according to the invention according to fig. 1 with bottom plate and inserted heating element, but without cover plate and housing shell,
Fig. 3 una vista en perspectiva de la forma de realización de un dispositivo según la invención según la fig. 1 con placa de fondo y elemento calefactor insertado y envolvente de carcasa, pero sin placa cobertora,Fig. 3 a perspective view of the embodiment of a device according to the invention according to fig. 1 with bottom plate and inserted heating element and housing shell, but without cover plate,
Fig. 4 una vista en perspectiva de la forma de realización de un dispositivo según la invención según la fig. 1 con placa de fondo, placa cobertora y envolvente de carcasa, así como con elemento calefactor insertado,Fig. 4 a perspective view of the embodiment of a device according to the invention according to fig. 1 with base plate, cover plate and housing casing as well as inserted heating element,
Fig. 5 una vista esquemática para una estructura posible del elemento calefactor en forma de banda, y la Fig. 6 una vista esquemática para la explicación del pliegue y el eje longitudinal, así como el eje transversal del elemento calefactor.Fig. 5 a schematic view for a possible construction of the strip-shaped heating element, and Fig. 6 a schematic view for the explanation of the fold and the longitudinal as well as the transverse axis of the heating element.
En primer lugar se hace referencia a la fig. 1, para explicar el desarrollo de las secciones de canal de flujo 1a, 1b dentro de una carcasa 2 del dispositivo. El líquido a calentar se suministra a través de una entrada 3 dispuesta en la zona central del interior de la carcasa, que desemboca en la zona final de una sección de canal de flujo que se enrolla hacia fuera 1a. El líquido fluye por tanto de la zona central de la carcasa 2 a las zonas periféricas del interior de la carcasa, donde se calienta gracias a una superficie del elemento calefactor 4 en forma de banda, que está dirigida hacia la sección de canal de flujo que se enrolla hacia fuera 1a y que forma la pared de esta sección de canal de flujo 1a. La sección de canal de flujo que se enrolla hacia fuera 1a desemboca en una sección de la pared más cercana a la pared interior de la carcasa a través de una zona de inversión formada por un extremo libre del elemento calefactor 4 en forma de banda en la sección de canal de flujo que se enrolla hacia dentro 1b. El líquido fluye por consiguiente de vuelta de las zonas periféricas del interior de la carcasa de nuevo a la zona central de la carcasa 2, donde se sigue calentando gracias a la superficie del mismo elemento calefactor 4 en forma de banda que se dirige hacia la sección de canal de flujo que se enrolla hacia dentro 1 b. La sección de canal de flujo que se enrolla hacia dentro 1 b finaliza en la zona central de la carcasa 2 finalmente en una zona final, que desemboca en la salida 5 (dibujada a trazos en la fig.First of all, reference is made to fig. 1, to explain the development of the flow channel sections 1a, 1b within a housing 2 of the device. The liquid to be heated is supplied through an inlet 3 arranged in the central area of the interior of the housing, which empties into the end area of an outwardly coiled flow channel section 1a. The liquid thus flows from the central zone of the casing 2 to the peripheral zones of the interior of the casing, where it is heated thanks to a surface of the heating element 4 in the form of a band, which is directed towards the flow channel section that is rolled out 1a and forms the wall of this flow channel section 1a. The outwardly coiling flow channel section 1a empties into a wall section closest to the inner wall of the housing through a reversal zone formed by a free end of the strip-shaped heating element 4 in the inwardly coiling flow channel section 1b. The liquid therefore flows back from the peripheral areas of the interior of the casing back to the central area of the casing 2, where it is further heated thanks to the surface of the same heating element 4 in the form of a band that is directed towards the section inwardly coiling flow channel 1 b. The inwardly coiling flow channel section 1 b ends in the central area of the housing 2 finally in an end area, which ends at the outlet 5 (dotted in Fig.
1 para la mejor comprensión). Dado que la pared formada por el elemento calefactor 4 en forma de banda está realizada como superficie límite entre la sección de canal de flujo que se enrolla hacia fuera 1a y la sección de canal de flujo que se enrolla hacia dentro 1b, el líquido fluye alrededor de ambas superficies del mismo elemento calefactor 4.1 for best understanding). Since the wall formed by the strip-shaped heating element 4 is embodied as a boundary surface between the outwardly coiling flow channel section 1a and the inwardly coiling flow channel section 1b, the liquid flows around of both surfaces of the same heating element 4.
Por consiguiente, el camino de flujo mostrado conduce hacia fuera el fluido frío que entra de forma central a través de la entrada 3 a lo largo de la primera sección de canal de flujo 1 a formada mediante el elemento calefactor 4 dispuesto en forma espiral y la formada por el elemento calefactor 4, donde se invierte y de nuevo fluye hacia dentro a lo largo de una segunda sección de canal de flujo 1 b que discurre entre las vías atravesadas en primer lugar y de nuevo sale de la carcasa 2 a través de la salida 5. Dado que la pared se forma por el elemento calefactor 4, a este respecto, el fluido se calienta cuando el elemento calefactor 4 está conectado y así entrega su calor al fluido. El efecto PTC de los elementos de resistencia PTC del elemento calefactor 4 provocaría en sí que en las zonas exteriores del elemento calefactor 4 dispuesto en forma espiral asciende la resistencia eléctrica del elemento calefactor 4 gracias a la temperatura más alta del fluido y disminuye la potencia calefactora, lo que está en oposición al objetivo del calentamiento más intenso posible del fluido que fluye a través de la carcasa 2 a lo largo de todo el camino de flujo. El canal de flujo 1 propuesto según la invención posibilita ahora de manera ventajosa que en ambos lados del elemento calefactor 4 dispuesto en forma espiral en cada punto se encuentren fluidos con temperaturas cuyo promedio es constante respectivamente. Así, en la zona del punto de afluencia se encuentra el fluido más frío, mientras que en el otro lado del elemento calefactor 4 se encuentra el fluido más caliente, ya que este ya ha atravesado todo el camino de flujo y por ello tiene la máxima potencia calefactora. El promedio de las dos temperaturas se corresponde ampliamente con la temperatura en la zona de inversión del camino de flujo, donde el fluido frío ha atravesado aproximadamente la mitad del camino de flujo y por consiguiente ha absorbido aproximadamente la mitad de la potencia calorífica. Dado que en cada punto del elemento calefactor 4 es constante la temperatura promedio originada por el fluido, el efecto indeseado de una reducción de la potencia calefactora se elimina por el efecto PTC, lo que eleva drásticamente la potencia calorífica posible del dispositivo en un espacio constructivo dado.Therefore, the flow path shown leads out the cold fluid entering centrally through the inlet 3 along the first flow channel section 1 formed by the spirally arranged heating element 4 and that formed by the heating element 4, where it reverses and again flows in along a second flow channel section 1 b which runs between the paths first traversed and again leaves the housing 2 via the outlet 5. Since the wall is formed by the heating element 4, in this respect the fluid is it heats up when the heating element 4 is connected and thus gives up its heat to the fluid. The PTC effect of the PTC resistance elements of the heating element 4 would in itself cause the electrical resistance of the heating element 4 to rise due to the higher temperature of the fluid and the heating power to decrease in the outer areas of the heating element 4 arranged in a spiral. , which is in opposition to the objective of the most intense possible heating of the fluid flowing through the casing 2 along the entire flow path. The flow channel 1 proposed according to the invention now advantageously makes it possible for fluids with constant average temperatures to be found on both sides of the spirally arranged heating element 4 at each point. Thus, the coldest fluid is located in the area of the inflow point, while the hottest fluid is located on the other side of the heating element 4, since it has already traversed the entire flow path and therefore has the maximum heating power. The average of the two temperatures roughly corresponds to the temperature in the flow path reversal zone, where the cold fluid has traversed about half the flow path and thus has absorbed about half the heat output. Since the average temperature originating from the fluid is constant at each point of the heating element 4, the undesirable effect of a reduction in heating power is eliminated by the PTC effect, which drastically increases the possible heating power of the device in a construction space dice.
Una realización constructiva concreta del dispositivo se explica mediante las figs. 2 a 4. La fig. 2 muestra en primer lugar una vista en perspectiva de una forma de realización del dispositivo según la fig. 1 con placa de fondo 2B y elemento calefactor insertado 4, pero sin placa cobertora 2D ni envolvente de carcasa 2M. El elemento calefactor 4 realizado en forma de banda está fijado con uno de sus dos lados longitudinales en una ranura de la placa de fondo 2B de la carcasa 2 que discurre en forma espiral. Una primera sección final 4.1 del elemento calefactor 4 en forma de banda está dispuesta fuera de la carcasa 2. En esta primera sección final 4.1 se sitúan las conexiones eléctricas del elemento calefactor 4. Además, es visible una abertura en la placa de fondo 2B para una entrada 3. no obstante, la designación de entrada 3 y salida 5 es arbitraria, dado que el dispositivo se puede hacer funcionar en ambas direcciones, de modo que la entrada 3 también puede estar en la placa cobertora 2D y la salida 5 en la placa de fondo 2B. Además, tanto la entrada 3 como también la salida 5 podrían estar dispuestas en la placa de fondo 2B, o tanto la entrada 3 como también la salida 5 en la placa cobertora 2D.A specific constructive embodiment of the device is explained by figs. 2 to 4. FIG. 2 first shows a perspective view of an embodiment of the device according to fig. 1 with bottom plate 2B and inserted heating element 4, but without cover plate 2D and housing shell 2M. The strip-shaped heating element 4 is fastened with one of its two longitudinal sides in a spirally running groove in the bottom plate 2B of the housing 2. A first end section 4.1 of the band-shaped heating element 4 is arranged outside the casing 2. In this first end section 4.1 the electrical connections of the heating element 4 are located. Furthermore, an opening is visible in the bottom plate 2B for an inlet 3. however, the designation of inlet 3 and outlet 5 is arbitrary, since the device can be operated in both directions, so inlet 3 can also be on cover plate 2D and outlet 5 on cover plate 2D. bottom plate 2B. Furthermore, both the inlet 3 and the outlet 5 could be arranged on the bottom plate 2B, or both the inlet 3 and the outlet 5 on the cover plate 2D.
En una segunda sección final 4.2, el elemento calefactor 4 realizado en forma de banda forma un extremo libre de la pared dispuesto dentro de la carcasa 2, que define la zona de inversión entre la sección de canal que se enrolla hacia fuera 1a y la sección de canal que se enrolla hacia dentro 1b. Para el aumento de la estabilidad estructural del dispositivo, en particular en la zona de inversión, el extremo libre, dispuesto dentro de la carcasa 2, del elemento calefactor 4 realizado en forma de banda puede estar provisto con una barra de estabilización, que está fijada en la placa cobertora 2D y la placa de fondo 2B de la carcasa 2.In a second end section 4.2, the band-shaped heating element 4 forms a free end of the wall arranged inside the casing 2, which defines the reversal zone between the outwardly wound channel section 1a and the channel section 1a. channel that rolls inward 1b. In order to increase the structural stability of the device, in particular in the inversion zone, the free end of the band-shaped heating element 4 arranged inside the housing 2 can be provided with a stabilizing bar, which is fixed on cover plate 2D and bottom plate 2B of casing 2.
La fig. 3 muestra una vista en perspectiva de la forma de realización de un dispositivo según la invención según la fig.the fig. 3 shows a perspective view of the embodiment of a device according to the invention according to fig.
1 con placa de fondo 2B, el elemento calefactor insertado 4 y una envolvente de carcasa 2M, pero sin placa cobertora 2D. Además, es visible que el elemento calefactor 4 realizado en forma de banda atraviesa la envolvente de carcasa 2M en su primera sección final 4.1 a través de una zona de fijación 6 estanca a fluidos, en forma de hendidura. La estanqueidad de la zona de fijación 6 se puede asegurar, por ejemplo, mediante el vertido en la zona de fijación 6 de una la masa de relleno o adhesivo.1 with bottom plate 2B, inserted heating element 4 and housing shell 2M, but without cover plate 2D. Furthermore, it is visible that the strip-shaped heating element 4 passes through the housing shell 2M in its first end section 4.1 through a fluid-tight fastening area 6 in the form of a slit. The tightness of the fixing zone 6 can be ensured, for example, by pouring a filler or adhesive into the fixing zone 6 .
La fig. 4 muestra una vista en perspectiva de todo el dispositivo según la fig. 1 con placa de fondo 2B, placa cobertora 2D y envolvente de carcasa 2M, así como con elemento calefactor insertado 4, del que en la fig. 4 solo es visible la primera sección final 4.1 dispuesta fuera de la carcasa 2. En la placa de fondo 2B de la carcasa 2 está dispuesta la entrada 3 formada con la ayuda de una admisión tubular. En la placa cobertora 2D de la carcasa 2 está dispuesta la salida 5 formada con la ayuda de una evacuación tubular. La placa de fondo 2B, la placa cobertora 2D, así como la envolvente de carcasa 2M se pueden fabricar respectivamente mediante procedimiento de moldeo por inyección, impresión 3D o mediante fresado. En la forma de realización mostrada de la fig. 4, la entrada 3 y la salida 5 están dispuestas en lados diferentes de la carcasa 2. Esta disposición facilita acoplar en serie varios dispositivos para obtener de esta manera en conjunto una mayor potencia calefactora, donde la salida 5 de un dispositivo está acoplada con la entrada 3 de un dispositivo siguiente. Para calentar un mayor volumen de fluido, además también se podrían disponer en paralelo varios dispositivos, donde las respectivas entradas 3 están conectadas entre sí a través de un suministro común, así como las respectivas salidas 5 a través de una línea de evacuación común.the fig. 4 shows a perspective view of the entire device according to fig. 1 with bottom plate 2B, cover plate 2D and housing shell 2M, as well as with inserted heating element 4, of which in FIG. 4 only the first end section 4.1 arranged outside the casing 2 is visible. In the bottom plate 2B of the casing 2 the inlet 3 formed with the help of a tubular intake is arranged. On the cover plate 2D of the casing 2, the outlet 5 formed with the aid of a tubular outlet is arranged. The bottom plate 2B, the cover plate 2D as well as the housing shell 2M can each be produced by injection molding, 3D printing or by milling. In the shown embodiment of fig. 4, the inlet 3 and the outlet 5 are arranged on different sides of the casing 2. This arrangement makes it easy to couple several devices in series to thus obtain a greater heating power as a whole, where the outlet 5 of one device is coupled with the input 3 of a following device. In order to heat a larger volume of fluid, moreover, several devices could also be arranged in parallel, where the respective inlets 3 are connected to each other through a common supply, as well as the respective outlets 5 through a common evacuation line.
En base a las figs. 5 y 6 se explica una forma de realización posible del elemento calefactor 4, así como su pliegue para la formación de la pared para las secciones de canal de flujo 1a, 1b. El elemento calefactor 4 se compone de manera conocida en sí de un sustrato 7 en forma de banda (preferentemente de plástico), una capa de distribución de calor 8 de un material metálico, electrodos 9 y una capa calefactora 10 a partir de elementos de resistencia PTC, por ejemplo, pastas de carbono o capas de cerámica, que actúan como resistencia óhmica. Los electrodos 9 pueden estar elaborados, por ejemplo, de una pasta endurecida, en base a plata, que se aplica en forma viscosa por medio de serigrafía con el desarrollo deseado sobre el sustrato 7 y se endurece térmicamente. Los elementos de resistencia PTC de la capa calefactora 10 pueden estar elaborados de una pasta endurecida, en base a carbono, que se designa también como pasta de carbono e igualmente se puede aplicar a temperatura ambiente en forma viscosa por medio de serigrafía en la disposición deseada sobre el sustrato 7 y endurecerse térmicamente. El elemento calefactor 4 puede estar aislado hacia fuera mediante una lámina cobertora dieléctrica 11.Based on Figs. 5 and 6 a possible embodiment of the heating element 4 is explained, as well as its folding for the formation of the wall for the flow channel sections 1a, 1b. The heating element 4 consists of a strip-shaped substrate 7 (preferably made of plastic), a distribution layer of heat 8 from a metallic material, electrodes 9 and a heating layer 10 from PTC resistance elements, for example, carbon pastes or ceramic layers, which act as ohmic resistance. The electrodes 9 can be made, for example, of a hardened, silver-based paste, which is applied in viscous form by means of screen printing with the desired pattern on the substrate 7 and is thermally hardened. The PTC resistance elements of the heating layer 10 can be made of a hardened, carbon-based paste, which is also referred to as carbon paste and can also be applied at room temperature in viscous form by screen printing in the desired arrangement. on the substrate 7 and thermally harden. The heating element 4 can be insulated to the outside by a dielectric cover sheet 11.
Si en los electrodos 9 se aplica una tensión continua o tensión alterna de, por ejemplo, 230 V a través de las conexiones eléctricas de la primera sección final 4.1, entonces a través de los electrodos fluye una corriente, que se convierte en calor en los elementos de resistencia PTC de la capa calefactora 10, que calienta en primer lugar la capa calefactora 10. De este modo se modifica también la resistencia eléctrica de los elementos de resistencia PTC mediante una curva característica, que muestra, por ejemplo, en el caso de una laca PTC a aproximadamente 130 °C un ascenso marcado. Este ascenso marcado de la curva característica provoca que ya no se produzca un calentamiento adicional por encima de 130 °C. De este modo, el elemento calefactor 4 usado se autorregula y no se puede sobrecalentar. Simultáneamente, los elementos de resistencia PCT posibilitan un calentamiento especialmente rápido en comparación a los materiales de resistencia convencionales. Después de una fase de calentamiento inicial, la potencia calefactora referida a la superficie, promediada sobre toda la superficie del elemento calefactor 4 es de aproximadamente 100 kW/m2. La temperatura de núcleo del elemento calefactor 4 que aparece en la capa cobertora 10 es a este respecto de como máximo 120 °C.If a DC or AC voltage of, for example, 230 V is applied to the electrodes 9 via the electrical connections of the first end section 4.1, then a current flows through the electrodes, which is converted into heat in the electrodes. PTC resistance elements of the heating layer 10, which first heats the heating layer 10. In this way, the electrical resistance of the PTC resistance elements is also changed by means of a characteristic curve, which shows, for example, in the case of a PTC lacquer at about 130 °C a marked rise. This marked rise in the characteristic curve results in no further heating above 130 °C. In this way, the used heating element 4 is self-regulating and cannot overheat. At the same time, PCT resistance elements enable particularly fast heating compared to conventional resistance materials. After an initial heating phase, the surface-related heating power, averaged over the entire surface of the heating element 4, is approximately 100 kW/m2. The core temperature of the heating element 4 appearing in the cover layer 10 is in this case at most 120°C.
Mediante la fig. 6 se explica como el elemento calefactor 4 en forma de banda, realizado como lámina calefactora se pliega alrededor de su eje longitudinal L, así como alrededor de su eje transversal Q para la formación de la pared. Mediante el pliegue alrededor del eje longitudinal L se consigue que la capa de distribución de calor 8 dispuesta en un lado se sitúa ahora exteriormente en ambos lados del elemento calefactor 4 y esté dirigida hacia la respectiva sección de canal de flujo 1a, 1b. A este respecto, la superficie de un primer lado del elemento calefactor 4 plegado, en forma de banda siempre está dirigida hacia la sección de canal que se enrolla hacia fuera 1a, y la superficie del segundo lado del elemento calefactor 4 plegado, en forma de banda siempre está dirigida hacia la sección de canal de flujo que se enrolla hacia dentro 1b. Además, el sustrato en forma de banda 7 forma una capa separadora entre las capas eléctricamente conductoras en forma de electrodos 9 y la capa calefactora 10 y el fluido, por lo que se reduce el peligro de cortocircuitos. Mediante el pliegue en la dirección transversal Q, los lados frontales llegan a descansar a lo largo de los dos lados de anchura de la lámina calefactora en el mismo lado, que se puede disponer ahora fuerza de la carcasa 2. Por consiguiente, no hay aristas de corte de la lámina calefactora, que se expondrían al fluido, de modo que de nuevo se previene un cortocircuito.Through fig. 6 shows how the strip-shaped heating element 4, designed as a heating foil, is folded around its longitudinal axis L as well as around its transverse axis Q to form the wall. By folding around the longitudinal axis L it is achieved that the heat distribution layer 8 arranged on one side is now located externally on both sides of the heating element 4 and is directed towards the respective flow channel section 1a, 1b. In this respect, the surface of a first side of the folded, band-shaped heating element 4 is always directed towards the outwardly wound channel section 1a, and the surface of the second side of the folded, band-shaped heating element 4 band is always directed towards the inwardly wound flow channel section 1b. In addition, the strip-shaped substrate 7 forms a separating layer between the electrically conductive electrode-shaped layers 9 and the heating layer 10 and the fluid, whereby the danger of short circuits is reduced. By folding in the transverse direction Q, the front sides come to rest along the two width sides of the heating foil on the same side, which can now be forcefully arranged from the casing 2. Consequently, there are no sharp edges. of the heating foil, which would be exposed to the fluid, so that again a short circuit is prevented.
Con la ayuda de la invención se materializa por consiguiente un dispositivo para el calentamiento de un fluido por medio de energía eléctrica, que presenta un modo constructivo compacto y permite no solo un calentamiento rápido del fluido, sino que también se puede hacer funcionar con un rendimiento más alto en comparación a los dispositivos conocidos. Además, se puede garantizar una alta seguridad de funcionamiento. With the aid of the invention, a device for heating a fluid by means of electrical energy is therefore materialized, which has a compact construction and allows not only rapid heating of the fluid, but can also be operated with high efficiency. higher compared to known devices. In addition, high operational safety can be guaranteed.
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