NL2026091B1 - Inrichting voor het verwarmen van een fluïdum - Google Patents

Abstract

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het verwarmen van een fluïdum, omvattende een transportleiding voor het doorvoeren van het fluïdum en een met de transportleiding in warmte—energie overdragende toestand staand verwarmingslichaam voor het verwarmen van de transportleiding, waarbij het verwarmingslichaam een stralingslichaam omvat.

Description

P615/NLpd

INRICHTING VOOR HET VERWARMEN VAN EEN FLUÏDUM De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het verwarmen van een fluidum volgens de aanhef van conclusie

1. Tevens heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze volgens conclusie 13, waarbij met de inrichting volgens de uitvinding een fluïdum wordt verwarmd.

Een dergelijke inrichting is in de techniek bekend. Een flu- idum, zoals een vloeistof, kan worden verwarmd door het fluïdum, in direct contact te brengen met een warmtebron. Een inrichting waarbij de warmteoverdracht plaatsvindt door direct contact tussen het fluïdum en de warmtebron is een boiler. Een andere veelge- bruikte inrichting om een fluïdum te verwarmen is een geiser waar- bij het fluïdum door een transportleiding is opgenomen en de lei- ding middels een warmtebron, zoals een vlam, wordt verwarmen, waardoor de warmte-energie naar het fluïdum wordt overgedragen.

Dergelijke bekende inrichtingen hebben nadelen. Een boiler vereist onderhoud doordat het verwarmingselement waarmee het flu- idum in direct contact staat een relatief klein oppervlak heeft waardoor de vorming van kalkaanslag een groot probleem vormt. Een geiser vereist regelmatig onderhoud om een veilige werking van de brander te garanderen. Een bijkomend nadeel van een geiser is de zeer slechte isolatie omdat de geproduceerde afvalgassen afgevoerd moeten worden, samen met een aanzienlijk deel van de gevormde warmte, wat een nadelig effect heeft op de efficiëntie.

In de techniek is derhalve behoefte aan een alternatieve me- thode om een fluïdum te verwarmen.

De uitvinding heeft tot doel een alternatieve inrichting en werkwijze van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen.

In het bijzonder heeft de uitvinding tot doel een inrichting te verschaffen van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen die op eenvoudige wijze een fluïdum kan verwarmen.

Tevens heeft de uitvinding tot doel een inrichting te ver- schaffen waarmee een fluïdum efficiënt zonder warmteverlies naar de omgeving kan worden verwarmd.

Ook heeft de uitvinding tot doel een inrichting te verschaf- fen waarmee een fluïdum snel kan worden verwarmd zonder plaatse- lijke uitstoot van voor de mens of de omgeving schadelijke stof- fen.

Ook heeft de uitvinding tot doel een inrichting te verschaf- fen die zowel voor een directe warmtevraag kan worden gebruikt als voor het op een gewenste temperatuur houden van een fluidumvoor- raad.

Ter verkrijging van ten minste een van de hiervoor genoemde doelen, verschaft de uitvinding volgens een eerste uitvoeringsvorm een inrichting die de maatregelen van conclusie 1 bevat. Deze in- richting levert een zeer efficiënte verwarming van een fluidum op. Er is geen direct contact met een hoge temperatuur- verwarmingselement waardoor de kans op vorming van kalkaanslag in de transportleiding bij verwarming van water, zoals drinkwater, nihil is. De warmteoverdracht blijft daardoor optimaal.

De uitvinding heeft derhalve betrekking op een inrichting voor het verwarmen van een fluïdum, omvattende een transportlei- ding voor het doorvoeren van het fluïdum en een met de transport- leiding in warmte-energie overdragende toestand staand verwar- mingslichaam voor het verwarmen van de transportleiding, waarbij het verwarmingslichaam een stralingslichaam omvat. Hiermede wordt de warmte middels de transportleiding overgedragen op het zich in de leiding bevindende fluïdum. Doordat de warmteoverdracht plaats- vindt over een groot deel van de leiding is de afzetting van kalk, zoals een variatie aan vaste stoffen op een verwarmingsoppervlak doorgaans wordt aangeduid en die een veelvoud aan chemische ver- bindingen omvat, nihil. De efficiëntie is daarmee gedurende een bijzonder lange tijdsperiode die vele malen langer is dan het ge- val is bij een geiser of een boiler, gegarandeerd.

Het heeft de voorkeur dat het stralingslichaam een oppervlak- temperatuur van ten minste 750 °C heeft, bij voorkeur ten minste 800 °C heeft en met meer voorkeur ten minste 850 °C heeft. De tem- peratuur kan zelfs tot 900 °C of nog hoger zijn. Dit levert een excellente warmteoverdracht naar het fluïdum, in het bijzonder wanneer het fluïdum water is dat dient te worden verwarmd naar een temperatuur in het traject van 20 tot 100 °C, met name tot een temperatuur van ten minste 40 °C, bijvoorbeeld ten minste 60 °C, of zelfs ten minste 80 °C, zoals bijvoorbeeld ten minste 90 °C.

Een bijzonder efficiënte overdracht van warmte-energie van het verwarmingslichaam naar de transportleiding, en derhalve naar het te verwarmen fluïdum dat door de transportleiding stroomt, wordt verkregen wanneer de transportleiding ten minste gedeelte- lijk als een spiraalvormige leiding is gevormd en het verwarmings- lichaam coaxiaal binnen het spiraalvormige deel van de transport- leiding is geplaatst. Hierdoor zal de warmte-energie die door het verwarmingslichaam wordt geëmitteerd rondom het verwarmingslichaam over een bijzonder grote lengte van de transportleiding worden op- genomen.

Met name heeft het de voorkeur dat de windingen van de trans- portleiding aansluitend tegen elkaar zijn gelegen. Daardoor zal in hoofdzaak geen warmtestraling langs de transportleiding stralen waardoor de opname door de transportleiding optimaal is.

Het is uiterst efficiënt gebleken om de inwendige diameter van de spiraalvormig gewonden transportleiding slechts minimaal groter te vormen dan de uitwendige diameter van het stralingsli- chaam. De afstand van de transportleiding tot het stralingslichaam is daarom bij voorkeur maximaal 20 mm, met meer voorkeur maximaal 15 mm, met nog meer voorkeur maximaal 10 mm, en met nog meer voor- keur maximaal 5 mm, bijvoorbeeld maximaal 2 mm.

Tevens is het gebleken dat de diameter van de transportlei- ding van invloed is op de warmteoverdracht. Ook kan het debiet aan fluïdum door de transportleiding invloed hebben op de warmteover- dracht naar het fluïdum, en daarmee op de temperatuurtoename van het fluïdum bij doorvoer door de transportleiding.

Een energetisch efficiënt verwarmingslichaam is een elek- trisch gevoed IR-stralingslichaam dat plaatselijk geen verbran- dingsgassen produceert en ten eerste een directe verwarming van de transportleiding middels warmtestraling levert en ten tweede door verwarming van rondom het verwarmingslichaam aanwezige gassen warmteoverdracht naar de transportleiding levert. De atmosfeer rondom het verwarmingslichaam zal een temperatuur van ongeveer de oppervlaktetemperatuur van het verwarmingslichaam aannemen, waar- door een aanvullende opwarming van de transportleiding wordt gege-

nereerd.

Het heeft om praktische redenen de voorkeur dat de inrichting volgens de uitvinding, inclusief in de inrichting toegepaste ver- warmingslichamen en noodzakelijke elektronica, een vermogensopname van maximaal 3680 Watt heeft. Hierdoor kan de inrichting op een standaard 16A zekering van een zekeringskast die is ingericht voor 230V worden aangesloten.

Een grote en snelle warmteoverdracht wordt verkregen wanneer de transportleiding is vervaardigd van koper. Bovendien is dit een veelvoorkomend materiaal dat eenvoudig kan worden gezwart om de warmteopname vanuit het verwarmingslichaam te optimaliseren.

De warmte-energie vanuit het verwarmingslichaam vindt bij voorkeur plaats via straling teneinde een directe en snelle opwar- ming te verzorgen, om reden waarvan de voorkeur uitgaat naar een verwarmingslichaam dat een IR lamp omvat.

Een verscheidenheid aan verwarmingslichamen kan worden toege- past in de inrichting volgens de uitvinding. Geschikte types wor- den gevormd door bijvoorbeeld stralingsbronnen op basis van wol- fraam of een woven carbon fiber. Deze laatste heeft het voordeel dat die een lange levensduur met een constante emissie combineert. De uitvinding is niet beperkt tot deze twee soorten verwarmingsli- chamen.

De transportleiding en het verwarmingslichaam zijn bij voor- keur in een geïsoleerde behuizing opgenomen. De toepassing van een stralingslichaam biedt de mogelijkheid om een gesloten behuizing toe te passen, waardoor in de behuizing opgewekte warmte niet kan ontsnappen behalve wanneer deze is overgedragen aan het fluïdum. Door het op te warmen fluïdum door de transportleiding door de be- huizing heen te transporteren zal in de behuizing opgewekte warmte slechts door het fluïdum kunnen worden opgenomen en wordt een op- timale opwarming van het fluïdum verkregen. De opgenomen warmte zal vervolgens slechts daar kunnen worden afgegeven waar de warmte vereist of gewenst is.

Om tijdens een enkele doorvoer van te verwarmen fluïdum door de transportleiding in de inrichting volgens de uitvinding een ge- wenste temperatuurverhoging van het fluïdum te verkrijgen, kan een aanzienlijke lengte aan transportleiding vereist zijn. Ook bij een spiraalvormige wikkeling van de transportleiding kan dit betekenen dat de lengte van de inrichting langer dan gewenst is. Om een lengteafmeting van de inrichting te beperken, heeft het de voor- keur dat de inrichting ten minste twee verwarmingslichamen omvat, 5 en dat elk verwarmingslichaam binnen een afzonderlijk spiraalvor- mig deel van de transportleiding is geplaatst. Hierdoor kan de transportleiding in meerdere spiraalvormige delen worden opge- splitst, die onderling in serie zijn geschakeld, waardoor de leng- te van de inrichting wordt verminderd. Dit verschaft een in- richting die te allen tijde compacte afmetingen heeft en makkelijk kan worden geïnstalleerd.

Een brede toepasbaarheid in veel gebieden wordt verkregen wanneer het fluïdum water is, bijvoorbeeld voor het verwarmen van drink- of waswater, voor verwarmingsdoeleinden zoals centrale ver- warming of vloerverwarming en dergelijke. Vanwege de uitstekende snelle opwarming van het fluïdum heeft het met name de voorkeur dat de inrichting en werkwijze volgens de uitvinding worden ge- bruikt voor het verwarmen van water ten behoeve van een centraal verwarmingssysteem.

Volgens een verder aspect heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het verwarmen van een fluïdum onder toepassing van de inrichting volgens de uitvinding zoals die in deze be- schrijving is beschreven, omvattende het door de transportleiding voeren van het te verwarmen fluldum en het doen verwarmen van het verwarmingslichaam voor het overdragen van warmte-energie van het verwarmingslichaam naar de transportleiding en het fluïdum. Dit levert de voordelen en de doelen zoals in de inleiding genoemd. De kenmerken zoals die zijn genoemd onder verwijzing naar de in- richting volgens de uitvinding zijn alle toepasbaar in de werkwij- ze volgens de uitvinding.

Met name heeft het de voorkeur in de werkwijze volgens de uitvinding dat het te verwarmen fluïdum herhalend vanuit een voor- raadhouder door de transportleiding en terug naar de voorraadhou- der wordt getransporteerd, voor het tijdens elke doorgang door de transportleiding toevoeren van warmte aan het fluïdum. Elke door- gang door de inrichting doet de temperatuur van het fluïdum iets toenemen totdat een gewenste waarde is verkregen.

Met name gaat de voorkeur uit naar een werkwijze waarbij het fluïdum water is, waardoor de werkwijze eenvoudig en efficiënt de verwarming van water voor verwarmingsdoeleinden mogelijk maakt.

De uitvinding zal hierna aan de hand van een tekening nader worden uitgelegd. De tekening toont hierbij in: Fig. 1 een explosieaanzicht van een inrichting volgens de uitvinding, en Fig. 2 een inrichting volgens de uitvinding met een gedeelte- lijke uitsnede.

In de figuren zijn dezelfde onderdelen middels dezelfde ver- wijzingscijfers aangeduid. Echter, de voor een praktische uitvoe- ring van de uitvinding noodzakelijke onderdelen zijn niet alle ge- toond, vanwege de eenvoud van de weergave.

Fig. 1 toont een explosieaanzicht van een inrichting 1 vol- gens de uitvinding, zoals die in Fig. 2 in gemonteerde toestand is getoond met een gedeeltelijke uitsnede om relevante onderdelen van de inrichting in gemonteerde toestand zichtbaar te maken.

De inrichting 1 omvat in de getoonde uitvoeringsvorm een transportleiding 2 voor te verwarmen fluïdum, met een toevoeraan- sluiting 3 en een afvoeraansluiting 4. De transportleiding is tus- sen de toevoeraansluiting 3 en de afvoeraansluiting 4 tot een spi- raalvormige leiding gevormd. Meer in het bijzonder is de trans- portleiding in drie spiraalvormige delen 5, 6, 7 gevormd. Het eer- ste deel 5 en het tweede deel 6 zijn onderling in serie verbonden middels een verbindingsleiding 8, terwijl het tweede deel 6 en het derde deel 7 onderling in serie zijn verbonden middels een verbin- dingsleiding 9. Voordeel hiervan is dat de lengte van de in- richting 1 ongeveer een derde van de totale lengte van de spiraal- vormige leiding is wat de installatie van de inrichting 1 zeer eenvoudig en breed mogelijk maakt.

De term toevoeraansluiting betreft de aansluiting via welke het fluïdum in de inrichting 1 volgens deze uitvinding wordt ge- bracht, terwijl de term afvoeraansluiting de aansluiting betreft via welke het fluïdum uit de inrichting 1 wordt verwijderd. Zowel op de toevoeraansluiting als de afvoeraansluiting is een leiding aangesloten welke een gesloten systeem kan vormen met de in- richting 1, zoals het geval is bij een cv systeem. In het geval van een cv systeem kan de afvoeraansluiting ook worden aangeduid als retouraansluiting waarop de cv leiding is aangesloten om het verwarmde fluïdum naar radiatoren of een vloerverwarmingssysteem te leiden. Het afgekoelde fluïdum wordt vervolgens teruggevoerd naar de toevoeraansluiting om het fluïdum wederom te verwarmen in de inrichting 1 volgens de uitvinding. In de getoonde uitvoeringsvorm is een verwarmingslichaam 10, 11, 12 coaxiaal in elk van de spiraalvormige delen 5, 6, 7 van de transportleiding 2 geplaatst. Hierdoor zal de transportleiding 2 over in hoofdzaak de gehele lengte ervan warmte-energie opnemen en overdragen aan het fluïdum. De transportleiding 2 is in deze uit- voeringsvorm vervaardigd van koper, wat een hoge levensduur in combinatie met een uitstekende warmteoverdracht levert.

De transportleiding is in de spriaalvormige delen strak tegen elkaar gewonden, waardoor in hoofdzaak geen warmtestraling tussen twee opvolgende windingen van de transportleiding kan ontsnappen. Hoewel de wanddelen 16, 17 van de inrichting 1 een optimale isola- tie verschaffen, heeft het de voorkeur dat in hoofdzaak alle warm- testraling de transportleiding doet verwarmen.

Testen zijn uitgevoerd met transportleidingen van verschil- lende diameters. In de handel verkrijgbare koperen buis met wand- diktes van 1 mm en uitwendige diameters van respectievelijk 12, 15 en 19 mm werden spiraalvormig gewonden.

Het fluïdum was water dat in een debiet van telkens 2,1 l/min door de leiding werd gevoerd. De transportleiding was onderver- deeld in drie secties, zoals in de figuren getoond, met telkens een stralingselement van 1150 W coaxiaal binnen elke spiraal opge- steld. Het geheel was opgenomen in telkens dezelfde geïsoleerde behuizing. De aanvangstemperatuur was in alle gevallen identiek.

De resultaten waren als volgt: Een 12 mm koperen transportleiding leverde een temperatuurs- verhoging van 44 °C.

Een 15 mm koperen transportleiding leverde een temperatuurs- verhoging van 33 °C.

Een 19 mm koperen transportleiding leverde een temperatuurs- verhoging van 22 °C.

Opvallend is de geringere temperatuursverhoging van de trans-

portleidingen met grotere diameters die ten slotte een langere verblijftijd van het fluidum in de transportleiding opleveren en daarmee in principe tot een hogere energieopname zouden moeten leiden.

Bij het herhaald doorvoeren van het fluïdum door de in- richting, voor elk van de testen met de verschillende diameters leidingen, bleek de temperatuur wederom met dezelfde waarde te worden verhoogd. Dit gold voor zowel de 12 mm, 15 mm als 19 mm leidingdiameters waarbij de temperatuur telkens werd verhoogd met 44 °C, 33 °C respectievelijk 22 °C.

De verwarmingslichamen 10, 11, 12 zijn elk op een elektrische voeding aangesloten middels voedingsleidingen 13, 137, 14, 147, 15, 157 .

De behuizing van de inrichting 1 is gevormd van twee de spi- raalvormige delen 5, 6, 7 van de transportleiding 1 in hoofdzaak geheel omhullende wanddelen 16, 17 en twee de wanddelen aan tegen- over elkaar liggende zijkanten ervan afdekkende zijplaten 18, 19. De wanddelen 16, 17 en de zijplaten 18, 19 hebben een zeer goed thermisch isolerende werking en kunnen van een enkel materiaal zijn vervaardigd of van een veelvoud aan verschillende materialen. Bij voorkeur is de wandtemperatuur tijdens continu gebruik van de inrichting maximaal 25 °C bij een omgevingstemperatuur van 21 °C.

Fig. 2 toont de inrichting volgens Fig. 1 in een gemonteerde toestand, waarbij een gedeeltelijke uitsnede is voorzien om de drie delen 5, 6, 7 van de spiraalvormige transportleiding, de ver- warmingslichamen 10, 11, 12 en de aansluitingen 13, 14, 15 te to- nen binnen de wanddelen 16, 17 en de zijplaten 18, 19.

De toevoeraansluiting 3 en de afvoeraansluiting 4 zijn elk voorzien van een aftakking 20, 21 voor het vullen en legen van de transportleiding 2 in de inrichting 1 of voor het van en naar meerdere afnemers transporteren van het fluïdum.

De uitvinding is niet beperkt tot de hiervoor beschreven en in de figuren getoonde uitvoeringsvormen. De uitvinding wordt slechts beperkt door de bijgevoegde conclusies.

De uitvinding strekt zich tevens uit over elke combinatie van maatregelen die hiervoor onafhankelijk van elkaar zijn beschreven.

Claims (16)

CONCLUSIES

1. Inrichting voor het verwarmen van een fluïdum, omvattende een transportleiding voor het doorvoeren van het fluïdum en een met de transportleiding in warmte-energie overdragende toestand staand verwarmingslichaam voor het verwarmen van de transportleiding, waarbij het verwarmingslichaam een stralingslichaam omvat.

2. Inrichting volgens conclusie 1, waarbij het stralingslichaam een oppervlaktemperatuur van ten minste 750 °C heeft, bij voorkeur ten minste 800 °C heeft en met meer voorkeur ten minste 850 °C heeft.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, waarbij de transportlei- ding ten minste gedeeltelijk als een spiraalvormige leiding is ge- vormd en het verwarmingslichaam coaxiaal in de spiraalvormige transportleiding is geplaatst.

4. Inrichting volgens conclusie 1, 2 of 3, waarbij het verwar- mingslichaam een elektrisch gevoed IR-stralingslichaam omvat.

5. Inrichting volgens conclusie 4, waarbij het verwarmingslichaam een vermogensopname van maximaal 3680 Watt heeft.

6. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de transportleiding is vervaardigd van koper.

7. Inrichting volgens conclusie 3, waarbij de windingen van de transportleiding aansluitend tegen elkaar zijn gelegen.

8. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de afstand van de transportleiding tot het stralingslichaam maximaal 20 mm, met voorkeur maximaal 15 mm, met meer voorkeur maximaal 10 mm, en met nog meer voorkeur maximaal 5 mm is, bijvoorbeeld maxi- maal 2 mm is.

9. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het verwarmingslichaam een IR lamp omvat.

10. Inrichting volgens conclusie 9, waarbij het verwarmingslichaam een woven carbon fiber lamp omvat.

11. Inrichting volgens conclusie 6, waarbij de transportleiding en het verwarmingslichaam in een geïsoleerde behuizing zijn opgeno- men.

12. Inrichting volgens conclusie 11, waarbij de inrichting ten minste twee verwarmingslichamen omvat, en elk verwarmingslichaam binnen een afzonderlijk spiraalvormig deel van de transportleiding is geplaatst.

13. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het fluïdum water is.

14. Werkwijze voor het verwarmen van een fluidum onder toepassing van de inrichting volgens een der voorgaande conclusies, omvatten- de het door de transportleiding voeren van het te verwarmen flu- idum en het doen verwarmen van het verwarmingslichaam voor het overdragen van warmte-energie van het verwarmingslichaam naar de transportleiding en het fluïdum.

15. Werkwijze volgens conclusie 14, omvattende het herhalend van- uit een voorraadhouder door de transportleiding en terug naar de voorraadhouder transporteren van een te verwarmen fluïdum, voor het tijdens elke doorgang door de transportleiding toevoeren van warmte aan het fluidunm.

16. Werkwijze volgens een conclusie 14 of 15, waarbij het fluïdum water is.