NO841666L

NO841666L - PROCEDURE AND DEVICE FOR HEATING A FLUID

Info

Publication number: NO841666L
Application number: NO841666A
Authority: NO
Inventors: Albert G Lemmons; William Thomas Jones
Original assignee: Albert G Lemmons; Jones William T
Priority date: 1983-05-04
Filing date: 1984-04-26
Publication date: 1984-11-05
Also published as: JPS6023748A; EP0127344A2; IL71697A0; EP0127344A3; ES8602235A1; ZA843094B; BR8402076A; AU2746684A; ES531991A0

Description

Bakgrunn for oppfinnelsenBackground for the invention

Oppfinnelsen angår generelt fagområdet væske-varmere og er særlig rettet mot en ny fremgangsmåte og innretning for tilveiebringelse av en momentan og kontinuerlig til-førsel av oppvarmet væske etter behov. The invention generally relates to the field of liquid heaters and is particularly aimed at a new method and device for providing an instantaneous and continuous supply of heated liquid as needed.

Ved bruk av oppfinnelsens fremgangsmåte og innretning kan væsker som f.eks. vann oppvarmes effektivt og økonomisk i hovedsaken etter behov ved leveringspunktet. When using the method and device of the invention, liquids such as e.g. water is heated efficiently and economically mainly as needed at the point of delivery.

Fremgangsmåten og systemer av tidligere kjent teknikk for oppvarming av væsker forbruker store mengder energi bortkastet og ineffektivt. I de konvensjonelle vannoppvarmere er f.eks. et stort reservoar av vann lagret på et kjent sted og oppvarmet til en forutbestemt temperatur. Vannoppvarmere av denne type er utilstrekkelige på mange måter. For det første forbruker slike varmelegemer energi både i den perio-den de brukes og ikke brukes. For det andre krever fjernt plasserte vannoppvarmere installasjon av to separate rør-systemer, ett system for kaldtvann og et annet system for varmtvann. Konvensjonelle varmtvannsvarmere er videre utilstrekkelige på grunn av den såkalte "kaldtvannsforsinkelsen". Kaldtvannsforsinkelsen oppstår som et resultat av at resterende vann som forblir i rørsystemet avkjøles etter at kranen eller pluggen er skrudd igjen. Når varmtvann igjen kreves, strømmer kaldt vann fra den åpne kranen inntil det resterende vann har strømmet ut av systemet. Dessuten vil det under denne forsinkelsesperioden strømme kaldt vann i lagrings-reservoaret som ytterligere senker det oppvarmede vanns temperatur og krever tilleggsenergi for å kompensere for den plutselige senkede temperatur. Konvensjonelle vannoppvarmere er videre utilstrekkelige på grunn av den store vannmengde som går tapt ved bevegelsen av det oppvarmede vannet gjennom rørsystemet og de spesielle romhensyn som kreves av slike vannoppvarmere. The prior art methods and systems for heating liquids consume large amounts of energy wastefully and inefficiently. In the conventional water heaters, e.g. a large reservoir of water stored in a known location and heated to a predetermined temperature. Water heaters of this type are inadequate in many ways. Firstly, such heaters consume energy both during the period in which they are used and when they are not. Secondly, remotely located water heaters require the installation of two separate pipe systems, one system for cold water and another system for hot water. Conventional hot water heaters are also inadequate due to the so-called "cold water lag". The cold water delay occurs as a result of residual water remaining in the pipe system cooling after the faucet or plug is turned back on. When hot water is again required, cold water flows from the open tap until the remaining water has flowed out of the system. Moreover, during this delay period cold water will flow into the storage reservoir which further lowers the heated water's temperature and requires additional energy to compensate for the sudden lowered temperature. Conventional water heaters are further inadequate due to the large amount of water lost by the movement of the heated water through the pipe system and the special space considerations required by such water heaters.

Det finnes hurtige reaksjonsvæskeoppvarmereRapid reaction fluid heaters are available

av tidligere kjent teknikk som forsøker å overvinne det utilstrekkelige med vannoppvarmere av reservoartypen. F.eks. of prior art which attempts to overcome the inadequacy of reservoir type water heaters. E.g.

i US patent 3 9 52 182 og 3 673 38 5 bringes for dagen væskeoppvarmere innrettet for en momentan oppvarming av relativt små deler eller strømmer for forøkning av væsken til en forut- in US patent 3 9 52 182 and 3 673 38 5 liquid heaters designed for momentary heating of relatively small parts or streams for increasing the liquid to a pre-

bestemt temperatur. Disse væskeoppvarmere er likeledes utilstrekkelige fordi de er mottagelig for å utvikle såkalt "lokal varmeutvikling" som kan føre til overoppheting av væsken og dampdannelse. Slike varmelegemer er derfor spesi-elt uegnet til bruk i hjemmet. specific temperature. These liquid heaters are also inadequate because they are susceptible to developing so-called "local heat generation" which can lead to overheating of the liquid and vapor formation. Such heaters are therefore particularly unsuitable for use in the home.

Sammenfatning av oppfinnelsenSummary of the Invention

Et formål med oppfinnelsen er å overvinne den kjente teknikks mangel ved å kunne tilveiebringe en rekke-innretning for oppvarming av en væske som er effektiv og rime-lig å produsere og drive. One purpose of the invention is to overcome the shortcomings of the known technique by being able to provide a series device for heating a liquid which is efficient and reasonable to produce and operate.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en rekke-innretning for oppvarming av en væske som i hovedsaken og jevnt oppvarmer væsken som strømmer gjennom den uten dannelse av potensielt farlige dampbobler. Another object of the invention is to provide a series device for heating a liquid which essentially and evenly heats the liquid flowing through it without the formation of potentially dangerous vapor bubbles.

Rekke-innretningen for oppvarming av en væske ifølge oppfinnelsen overvinner mange av de mangler som er uløselig forbundet med innretninger for oppvarming av væske av kjent teknikk og omfatter et langstrakt oppvarmingskammer med et innløp ved underlagsdelen for å motta væske som skal oppvarmes og et utløp ved toppen for å avgi oppvarmet væske. Varmeelementer med elektrisk motstand og høy effekt er anbragt inne i oppvarmingskammeret for oppvarming av en kontinuerlig væskestrøm som strømmer gjennom kammeret. Elektrisk kraft til varmeelementene er tilveiebrakt ved et sett med relékontaktorer som kontrolleres av en strømningsfølsom bryter, en termostat og en høytemperaturkopler. Den strøm-ningsfølsomme bryter forhindrer at elektrisk kraft påføres varmeelementene inntil en væskestrøm gjennom innretningen er avfølt, f.eks. når en varmtvannskran skrus opp. Termostaten kontrollerer temperaturen av væsken som avgis fra oppvarmingskammeret og er tilkoplet slik at varmeelementene deaktiveres når et forutbestemt temperaturnivå er nådd. Høy-temperaturkopleren er en sikkerhetsinnretning bestemt for å deaktivere varmeelementene dersom termostaten skulle svikte , eller temperaturen inne i oppvarmingskammeret av en annen grunn når et farlig nivå. Rekke-innretningen for oppvarming av en væske ifølge oppfinnelsen omfatter også en trykkutløs-ningsventil for å forhindre at et usedvanlig stort trykk brygger seg opp inne i oppvarmingskammeret. The array device for heating a liquid according to the invention overcomes many of the shortcomings which are inextricably linked with devices for heating liquids of the prior art and comprises an elongated heating chamber with an inlet at the base part to receive liquid to be heated and an outlet at the top to emit heated liquid. Heating elements with electrical resistance and high power are placed inside the heating chamber for heating a continuous stream of liquid flowing through the chamber. Electrical power to the heating elements is provided by a set of relay contactors controlled by a flow sensitive switch, a thermostat and a high temperature contactor. The flow-sensitive switch prevents electrical power from being applied to the heating elements until a liquid flow through the device is sensed, e.g. when a hot water tap is turned on. The thermostat controls the temperature of the liquid emitted from the heating chamber and is connected so that the heating elements are deactivated when a predetermined temperature level is reached. The high-temperature switch is a safety device designed to disable the heating elements should the thermostat fail, or the temperature inside the heating chamber for any other reason reaches a dangerous level. The row device for heating a liquid according to the invention also comprises a pressure release valve to prevent an unusually large pressure from building up inside the heating chamber.

Overraskende er det oppdaget at konfigura-sjonen av rekke-innretningen for oppvarming av en væske ifølge oppfinnelsen gir ekstra gode og uventede resultater ved at hurtig og effektiv oppvarming skjer uten at det dannes dampbobler som er meget fremherskende i systemer fra tidligere kjent teknikk. Dette resultat oppnås ved tilstedeværelsen av en avbøyningsleder ved oppvarmingskammerets innløp for å spre strømmen av innkommende væske betydelig og jevnt over hele oppvarmingskammerets tverrsnitt. Som nevnt ovenfor er hurtig-oppvarmere av væske fra tidligere kjent teknikk utilfreds-stillende av flere grunner, medregnet den ukontrollerte dannelse av steder med stor varmeutvikling. Varmeutviklingen bidrar til å forårsake skåldhete og overoppheting og dannelse av dampbobler. Med avbøyningslederen ved innløpet til opp-varimgskammeret forhindres vesentlig dannelsen av steder med stor varmeutviklingdg deres medfølgende problemer i oppvarmingskammeret som forklart nedenfor. Surprisingly, it has been discovered that the configuration of the series device for heating a liquid according to the invention gives extra good and unexpected results in that rapid and efficient heating takes place without the formation of steam bubbles which are very prevalent in systems from prior art. This result is achieved by the presence of a deflection conductor at the inlet of the heating chamber to spread the flow of incoming liquid significantly and uniformly over the entire cross-section of the heating chamber. As mentioned above, rapid heaters of liquid from prior art are unsatisfactory for several reasons, including the uncontrolled formation of places with large heat development. The heat generation helps to cause scalding and overheating and the formation of steam bubbles. With the deflection conductor at the inlet to the heating chamber, the formation of places with large heat development and their attendant problems in the heating chamber is substantially prevented as explained below.

Optimal utførelse av en innretning for oppvarming av væske er realisert når innkommende kald væske blir effektivt oppvarmet til en forutbestemt temperatur uten damp-utvikling (lokal koking). Da varmeutvikling i alt vesentlig skjer jevnt over varmeelementenes overflate, burde elementholderne bli så jevnt avkjølt som mulig av væskestrømmen. Dette maksimerer den termiske overføringseffektivitet og eliminerer dannelsen steder med stor varmeutvikling som forårsakes av stillestående strømnin gstilstander. Selv om turbulente strømningstilstander fremkalt gjennom et oppvarmingskammer (som ved bruk av den kjente teknikks varmevekslerelementer Optimal execution of a device for heating liquid is realized when incoming cold liquid is effectively heated to a predetermined temperature without steam generation (local boiling). As heat generation essentially occurs evenly over the surface of the heating elements, the element holders should be cooled as evenly as possible by the liquid flow. This maximizes thermal transfer efficiency and eliminates the formation of hot spots caused by stagnant flow conditions. Although turbulent flow conditions induced through a heating chamber (as when using the prior art heat exchanger elements

med ribber eller vindinger) cjør den lokale varmeoverføringen maksimal (dvs. lokal turbulens) ved å redusere tykkelsen av grenselaget langs elementholderne, kan det skje på bekostning av redusert strømning et annet sted og dens medvirkende ugunstige varmeoverføring dersom det ikke gis oppmerksomhet for å forhindre det. with fins or windings) maximize local heat transfer (i.e. local turbulence) by reducing the thickness of the boundary layer along the element supports, it may come at the expense of reduced flow elsewhere and its attendant adverse heat transfer if attention is not paid to prevent it .

Avbøyningslederen ved innløpet til oppvarmingskammeret fremkaller et kontrollert omfang og jevn fordeling av turbulens i nærheten av kammerets innløpensende eller fundamentdel, som resulterer i optimalisert strømning og varmeoverføringsforhold langs oppvarmingskammerets lengde. Dette karakteristiske trekk tillater rekke-innretningen for oppvarming av en væske ifølge oppfinnelsen å utnytte den til-førte høye elektriske effekt og varmeoverføring (uten dampdannelse) som er nødvendig for en virkelig egnet væske-oppvarmer av kategorien med momentant behov. The deflector at the inlet to the heating chamber induces a controlled volume and uniform distribution of turbulence near the inlet end or foundation portion of the chamber, resulting in optimized flow and heat transfer conditions along the length of the heating chamber. This characteristic feature allows the series device for heating a liquid according to the invention to utilize the supplied high electrical power and heat transfer (without vapor formation) which is necessary for a truly suitable liquid heater of the instantaneous demand category.

På rekke-innretningen for oppvarming av en væske ifølge oppfinnelsen er innløpet til oppvarmingskammeret anbrakt nær varmeelementets fundamentdel. Dette sikrer tilstrekkelig væskestrømning over fundamentdelen. Utløpet fra oppvarmingskammeret er anbrakt på den andre siden av varmeelementets nedstrømsende for å tilveiebringe tilstrekkelig fri høyde for å unngå et område med stillestående væske ved oppvarmingskammerets ende som ellers ville komme i kontakt med varmeelementet. Oppvarmingskammeret er også av en tilstrekkelig størrelse slik at nok vann forblir i kammeret for å absorbere resterende varme fra varmeelementene uten koking når væskestrømmen stoppes. On the in-line device for heating a liquid according to the invention, the inlet to the heating chamber is placed close to the base part of the heating element. This ensures sufficient liquid flow over the foundation part. The outlet from the heating chamber is located on the other side of the downstream end of the heating element to provide sufficient headroom to avoid an area of stagnant liquid at the end of the heating chamber which would otherwise contact the heating element. The heating chamber is also of a sufficient size so that enough water remains in the chamber to absorb residual heat from the heating elements without boiling when the liquid flow is stopped.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et sideriss av rekke-innretningen for oppvarming av en væske med oppvarmingskammeret og tilkoplede kontrollanordninger, fi c. 2 viser et koplingsskjerna som skjematisk viser forbin-delsen mellom varmeelementene, kontrollrelékontaktorer, strømningsfølsom bryter, termostat og høytemperaturbryter, fig. 3 viser et sideriss av oppvarmingskammeret med vann-innløpet, fig. 4 viser et perspektivriss av væskeavbøynings-lederen som brukes ved oppvarmin cskammerets innløp, fig. 5 og 6 viser bevegelsen av innkommende vann inn i oppvarmingskammeret fra tidligere kjent teknikk, uten væskeavbøynin gslede-ren ifølge oppfinnelsen, fig. 7 og 8 viser bevegelsen av innkommende vann inn i oppvarmingskammeret med væskeavbøy-ningslederen ifølge oppfinnelsen. The invention will be described in more detail below with reference to the drawings, where fig. 1 shows a side view of the series device for heating a liquid with the heating chamber and connected control devices, fi c. 2 shows a connection core which schematically shows the connection between the heating elements, control relay contactors, flow-sensitive switch, thermostat and high temperature switch, fig. 3 shows a side view of the heating chamber with the water inlet, fig. 4 shows a perspective view of the liquid deflection conductor used at the inlet of the heating chamber, fig. 5 and 6 show the movement of incoming water into the heating chamber from prior art, without the liquid deflection guide according to the invention, fig. 7 and 8 show the movement of incoming water into the heating chamber with the liquid deflection conductor according to the invention.

Beskrivelse av den foretrukne utførelseDescription of the preferred embodiment

Rekke-oppvarmeren for væske som er gjenstand for oppfinnelsen består av flere innbyrdes forbundne elementer, som alle er vist i det minste i litt enkelhet på The liquid array heater which is the subject of the invention consists of several interconnected elements, all of which are shown at least in some simplicity in

fig. 1. Hver komponent skal beskrives nærmere i det følgende. fig. 1. Each component shall be described in more detail below.

Innerst omfatter rekke-oppvarmeren for væske et oppvarmingskammer 1 med et innløp 2 for å motta væsken som skal oppvarmes og et utløp 3 for å avgi oppvarmet væske. Elektrisk varmeelement 4 er anbragt inne i oppvarmingskammeret 1 for oppvarming av væsken når den strømmer med strøm-men fra innløpet 2 til utløpet 3. Varmeelement 4 strekker seg inn i oppvarmingskammeret 1 fra kammerets fundamentende 20 ved en gjenget forbindelse. Elektrisk kraft til varmeelement 4 er tilveiebrakt ved relékontaktorer 6-8. Relékontaktorer 6-8 kontrolleres av en strømningsfølsom bryter 11, termostaten 10 og dens tilknyttede termoelement 12, og en høytemperaturutkopler 9 og dens tilknyttede termoelement 13. Rekke-oppvarmeren for væske ifølge oppfinnelsen omfatter også en trykkutløsningsventil 14 som forhindrer trykk fra å bygges opp inne i oppvarmingskammeret 1. Et viktig trekk ved denne oppfinnelsen er tilstedeværelsen av av-bøyningslederen 18, vist på fig. 4, i innløpet 2 til oppvarmingskammeret 1. Avbøyningsleden 14 styrer og sprer strømmen av innkommende væske for å tilveiebringe en jevn væskestrøm gjennom i hovedsaken hele oppvarmingskammerets 1 strømningstverrsnitt, som skal forklares nedenfor. En slik væskestrøm gjennom oppvarmingskammeret er nødvendig for å forhindre dannelse av steder med stor varmeutvikling og forbedrer varmeoverføringen totalt. Inside, the in-line heater for liquid comprises a heating chamber 1 with an inlet 2 to receive the liquid to be heated and an outlet 3 to emit heated liquid. Electric heating element 4 is placed inside the heating chamber 1 for heating the liquid when it flows with current from the inlet 2 to the outlet 3. Heating element 4 extends into the heating chamber 1 from the foundation end 20 of the chamber by a threaded connection. Electrical power to heating element 4 is provided by relay contactors 6-8. Relay contactors 6-8 are controlled by a flow-sensitive switch 11, the thermostat 10 and its associated thermocouple 12, and a high-temperature cut-out 9 and its associated thermocouple 13. The line heater for liquid according to the invention also includes a pressure release valve 14 which prevents pressure from building up inside the heating chamber 1. An important feature of this invention is the presence of the deflection conductor 18, shown in fig. 4, in the inlet 2 of the heating chamber 1. The deflection joint 14 controls and spreads the flow of incoming liquid to provide a uniform liquid flow through essentially the entire flow cross-section of the heating chamber 1, which will be explained below. Such a flow of liquid through the heating chamber is necessary to prevent the formation of places of great heat development and improves the heat transfer overall.

Under henvisning til fig. 1, kan oppvarmingskammeret 1 lages av ethvert materiale som kan formes uelastisk og har stor styrke og er istand til å motstå temperaturer godt over driftsgrensene for rekke-oppvarmeren. Slike materialer omfatter kobber og aluminium, og sikre materialer frembrakt av mennesker, som glassfiber. Som vist på fig. 1, kommer varmeelement 4 inn i fundamentdelen eller oppvarmingskammerets 1 oppstrømsende. Varmeelement 4 kan omfatte et stort antall enkelte elementer som vist, eller omfatte et enkelt element. Varmeelement 4 kan også lages i forskjel-lige geometriske former. Imidlertid har man innsett at varmeelementer med jevn sliretopografi er bedre enn bruk av elementoverflater med ribber eller vindinger på grunn av deres lavere kostnad, frihet fra stagnerende væskestrøm (som ville oppstå bak ribbene), og frihet fra korrosjon og skall- With reference to fig. 1, the heating chamber 1 can be made of any material which can be formed inelastically and has great strength and is able to withstand temperatures well above the operating limits of the row heater. Such materials include copper and aluminium, and safe man-made materials such as fiberglass. As shown in fig. 1, heating element 4 enters the foundation part or the upstream end of the heating chamber 1. Heating element 4 can comprise a large number of individual elements as shown, or comprise a single element. Heating element 4 can also be made in different geometric shapes. However, it has been realized that heating elements with uniform sheath topography are superior to the use of element surfaces with fins or windings due to their lower cost, freedom from stagnant fluid flow (which would occur behind the fins), and freedom from corrosion and shell-

oppbygging.build-up.

Sikringselement 5 og relékontaktorer 6-8 kan utvelges fra en mengde handelstilgjengelige sikrings-elementer og relékontaktorer og utvelges på grunnlag av varmeelementets 4 wattforbruk. Totrinns termostaten 10 og høytemperaturutkopleren 9 og deres tilknyttede termoelemen-ter 12 og 13 kan også utvelges fra en mengde handelstilgjengelige anordninger. I den foretrukne utførelse av oppfinnelsen er termostaten 10 en totrinns termostat og anvendes for å regulere temperaturen av væsken som avgis ved kammerets 1 utløp 3 innenfor et forutbestemt temperaturområde. En konvensjonell høytemperaturutkopler 9 anvendes for å av-bryte elektrisk kraft til varmeelement 4 dersom temperaturen inne i oppvarmingskammeret 1 skulle stige til et forutbestemt farlig nivå. En konvensjonell strømningsfølsom bryter 11 tilveiebringer et utgangssignal når en væskestrøm registreres ved oppvarmingskammerets 1 innløp 2. Den strømningsføl-somme bryter 11 kan f.eks. være en serie F60 anordning pro-dusert av Johnson Controls, Inc. Den strømningsfølsomme bryter 11, sammen med termostaten 10, høytemperaturutkopleren 9 og relékontaktorer 6-8 regulerer anvendelsen av elektrisk kraft til varmeelement 4 som skal beskrives i det følgende i forbindelse med fig. 2. En konvensjonell utløsningsventil 14 er tilveiebrakt for å minske usedvanlig store trykk som kan bygge seg opp inne i oppvarmingskammeret 1. Fuse element 5 and relay contactors 6-8 can be selected from a number of commercially available fuse elements and relay contactors and are selected on the basis of the heating element's 4 watt consumption. The two-stage thermostat 10 and the high-temperature disconnector 9 and their associated thermoelements 12 and 13 can also be selected from a number of commercially available devices. In the preferred embodiment of the invention, the thermostat 10 is a two-stage thermostat and is used to regulate the temperature of the liquid which is emitted at the outlet 3 of the chamber 1 within a predetermined temperature range. A conventional high-temperature disconnector 9 is used to interrupt electrical power to the heating element 4 should the temperature inside the heating chamber 1 rise to a predetermined dangerous level. A conventional flow-sensitive switch 11 provides an output signal when a liquid flow is detected at the heating chamber 1 inlet 2. The flow-sensitive switch 11 can e.g. be a series F60 device produced by Johnson Controls, Inc. The flow-sensitive switch 11, together with the thermostat 10, the high temperature disconnector 9 and relay contactors 6-8 regulate the application of electric power to the heating element 4 which will be described below in connection with fig. 2. A conventional release valve 14 is provided to reduce unusually large pressures that can build up inside the heating chamber 1.

Under henvisning til fig. 2, viser et skjematisk koplingsskjerna den elektriske forbindelse mellom varmeelement 4 (vist med enkelte elementer 15 - 17), relékontaktor 6-7, termostat 10, høygrensebryteren 9, strømningsføl-somme bryter 11 og sikringselement 5 i hvilken de inneslut-tede elementer 15 - 17 hvert er koplet til en trefase kraft-kilde 5. Det er påtenkt at elementene også kan koples til en énfasekilde. Det er også påtenkt at varmeelement 4 kan være med et watt forbruk utvalgt til å tilveiebringe en ønsket temperaturøkning av væsken som kommer inn i kammeret 1 for å oppnå en væskeutløpstemperatur med et ønsket nivå og med en ønsket strømningsmengde. F.eks. har man funnet ut at med den foreliggende oppfinnelse kan et varmeelement på 13500 watt frembringe en temperaturstigning på 38,9°C (70°F) ved en strømningsmengde på 5,69 liter (1,5 gallons) pr. minutt og et varmeelement på 15000 watt kan frembringe en temperaturstigning på 38,9°C (70°F) ved en strømningsmengde på 18,93 liter (5 gallons) pr. minutt. Slike temperaturstig-ninger og strømningsmengder ble oppnådd ved bruk av et oppvarmingskammer med en lengde på omtrent 4 0 cm og diameter på 5 cm. With reference to fig. 2, a schematic connection core shows the electrical connection between heating element 4 (shown with individual elements 15 - 17), relay contactor 6-7, thermostat 10, high limit switch 9, flow-sensitive switch 11 and fuse element 5 in which the enclosed elements 15 - 17 each is connected to a three-phase power source 5. It is intended that the elements can also be connected to a single-phase source. It is also intended that heating element 4 can be with a watt consumption selected to provide a desired temperature increase of the liquid entering the chamber 1 in order to achieve a liquid outlet temperature with a desired level and with a desired flow rate. E.g. it has been found that with the present invention a 13500 watt heating element can produce a temperature rise of 38.9°C (70°F) at a flow rate of 5.69 liters (1.5 gallons) per minute and a 15,000 watt heating element can produce a temperature rise of 38.9°C (70°F) at a flow rate of 18.93 liters (5 gallons) per minute. Such temperature increases and flow rates were achieved using a heating chamber with a length of approximately 40 cm and a diameter of 5 cm.

I den foretrukne utførelse av oppfinnelsen blir elektrisk kraft til en av de enkelte varmeelementer, In the preferred embodiment of the invention, electrical power becomes one of the individual heating elements,

som f.eks. 17, regulert av strømningsbryteren 11 og høy-temperaturutkopleren 9. De enkelte elementer 15 og 16 blir videre regulert av totrinns termostaten 10. Under drift er de enkelte elementer 15 - 17 uten energiforsyning inntil en væskestrøm registreres av strømningsbryteren 11. Når en væske-strøm registreres blir de enkelte elementer 15 - 17 forsynt med energi inntil temperaturen i den avgitte væske når en forutbestemt øvre temperatur, f.eks. 54,4°C (130°F). Når den forutbestemte øvre temperatur er nådd, blir de enkelte elementer 16 og 17 uten energiforsyning en viss tid inntil temperaturen i den avgitte væske når en forutbestemt nedre temperatur, f.eks. 52,2°C (126°F), og de enkelte elementer blir igjen forsynt med energi. like for example. 17, regulated by the flow switch 11 and the high-temperature disconnector 9. The individual elements 15 and 16 are further regulated by the two-stage thermostat 10. During operation, the individual elements 15 - 17 are without energy supply until a liquid flow is registered by the flow switch 11. When a liquid flow is registered, the individual elements 15 - 17 are supplied with energy until the temperature in the emitted liquid reaches a predetermined upper temperature, e.g. 54.4°C (130°F). When the predetermined upper temperature is reached, the individual elements 16 and 17 are without energy supply for a certain time until the temperature of the discharged liquid reaches a predetermined lower temperature, e.g. 52.2°C (126°F), and the individual elements are again supplied with energy.

Fig. 3 viser anbringelsen av avbøyningslede-ren 18 i fig. 4, ved kammerets 1 innløp 2. Som vist på fig. 4 kan avbøyningslederen 18 lages av et stort utvalg av materialer som kan formes uelastisk og kan motstå temperaturer godt over den normale driftsgrense for rekke-oppvarmeren. Avbøyningslederen 18 har en formet del eller kant 19 som styrer den innkommende væskestrøm for å danne en kontrollert mengde og fordeling av turbulens som vist på fig. 7 og 8. Dette resulterer i optimalt utnyttet strømning og varme-overføringsforhold gjennom hele oppvarmingskammerets 1 lengde. Avbøyningslederens 18 formede del 19 tjener til både å styre den innkommende væskestrøm nedover mot fundamentdelen 20 og å spre (vifte ut) strømmen over en betydelig del av oppvarmingskammerets 1 tverrsnitt. Dette resulterer i en turbulent blanding av den innkommende væskestrøm nedover mot varmeelementets 4 fundamentdel med væske som allerede er i oppvarmingskammeret 1. Strømmen spres tilstrekkelig for å dekke jevnt hele elementknippet. Det viktige resultat av turbulensen i oppvarmingskammerets 1 nedre ende er at blandingen som finner sted resulterer i en mer jevn strøm opp langs elementknippet som vist. Dette reduserer sannsynligheten for dannelse av steder med stor varmeutvikling langs elementholderne. Sidene av elementknippet blir derfor mer jevnt avkjølt. Fig. 3 shows the placement of the deflection conductor 18 in Fig. 4, at the inlet 2 of the chamber 1. As shown in fig. 4, the deflection conductor 18 can be made from a large variety of materials that can be formed inelastically and can withstand temperatures well above the normal operating limit for the in-line heater. The deflector 18 has a shaped portion or edge 19 which directs the incoming fluid flow to produce a controlled amount and distribution of turbulence as shown in fig. 7 and 8. This results in optimally utilized flow and heat transfer conditions throughout the entire length of the heating chamber 1. The shaped part 19 of the deflection conductor 18 serves both to direct the incoming liquid flow downwards towards the foundation part 20 and to spread (fan out) the flow over a significant part of the heating chamber 1 cross-section. This results in a turbulent mixing of the incoming liquid flow downwards towards the foundation part of the heating element 4 with liquid that is already in the heating chamber 1. The flow is spread sufficiently to evenly cover the entire element bundle. The important result of the turbulence in the lower end of the heating chamber 1 is that the mixing that takes place results in a more uniform flow up along the element bundle as shown. This reduces the probability of the formation of places with large heat development along the element holders. The sides of the element bundle are therefore more evenly cooled.

Avbøyningslederen 18 skaper det optimale væskestrømningsforløp ved å spre strømningen av innkommende væske til oppvarmingskammeret 1 ved innløpet 2 betydelig og jevnt over oppvarmingskammerets 1 underlagsdel. Man antar at dette frembringer en jevn laminær væskestrøm langs oppvarmingskammeret i hovedsaken over hele varmeelementets 4 overflateområde. Videre gjør avbøyningslederen 18 uønsket rotasjonsstrømning av væsken minimal gjennom oppvarmingskammeret 1. Rotasjonsstrømning av væsken kan resultere i lokalisert turbulens som ikke ville tillate effektiv og maksimal varmeoverføring mellom varmeelement 4 og væsken. Dette forhold frembringes fordi væsken ikke ville strømme jevnt i hovedsaken over hele varmeelementets 4 overflateområde, slik at det ville resultere i dannelse av steder med stor varmeutvikling i oppvarmingskammeret 1. The deflection conductor 18 creates the optimal liquid flow course by spreading the flow of incoming liquid to the heating chamber 1 at the inlet 2 significantly and evenly over the heating chamber 1's base part. It is assumed that this produces a uniform laminar fluid flow along the heating chamber essentially over the entire surface area of the heating element 4. Furthermore, the deflection guide 18 minimizes unwanted rotational flow of the liquid through the heating chamber 1. Rotational flow of the liquid can result in localized turbulence which would not allow efficient and maximum heat transfer between heating element 4 and the liquid. This condition is produced because the liquid would not flow evenly mainly over the entire surface area of the heating element 4, so that it would result in the formation of places with large heat development in the heating chamber 1.

Ved drift av et varmeelement med høy effekttetthet (uttrykt ved watt pr. m<2>av holderområde), er det avgjørende at tilstrekkelig væskestrøm blir opprettholdt over hele elementets lengde. Dette er virkningen som av-bøyningslederen 18 besørger. Fig. 5 viser utførelsen av rett innløp som er kjent fra tidligere teknikk. Væske kommer inn i oppvarmingskammeret som en ensrettet strøm. Noe spredning av strømmen skjer når den innkommende væske treffer varmeelementene som vist på fig. 6. Hoveddelen av strømmen vil imidlertid bare strømme mellom elementene og spres langs oppvarmingskammerets motsatte vegg. Dette resulterer i en bestemt strøm oppover langs den motsatte veggen på bekostning av strømmen langs elementene nærmest innløpet. Dette ubalanserte strømningsforløp kan stillés opp mot det som er vist på fig. 7 som er et resultat av oppfinnelsens avbøyde innløp. Den bøyde rørende tjener til både å styre den innkommende væskestrøm nedover mot fundamentdelen og å spre When operating a heating element with a high power density (expressed in watts per m<2> of holder area), it is crucial that sufficient fluid flow is maintained over the entire length of the element. This is the effect that the deflection conductor 18 provides. Fig. 5 shows the execution of a straight inlet which is known from prior art. Liquid enters the heating chamber as a unidirectional flow. Some spreading of the current occurs when the incoming liquid hits the heating elements as shown in fig. 6. However, the main part of the current will only flow between the elements and spread along the opposite wall of the heating chamber. This results in a definite upward flow along the opposite wall at the expense of the flow along the elements closest to the inlet. This unbalanced flow sequence can be contrasted with that shown in fig. 7 which is a result of the deflected inlet of the invention. The bent stirrer serves both to direct the incoming liquid flow downwards towards the foundation part and to disperse it

(vifte ut) strømmen (fig. 8). Dette resulterer i en turbulent blanding av den innkommende væskestrøm nedover mot varmeelementets fundamentdel med væske som allerede er i oppvarmingskammeret. Strømmen spres tilstrekkelig og jevnt over kammerets tverrsnitt for å dekke hele elementknippet. Det viktige resultat av turbulensen i oppvarmingskammerets nedre ende er at blandingen som finner sted åpenbart resulterer i en mer jevn strøm opp langs elementknippet som vist på fig. 7. Dette reduserer sannsynligheten for dannelse av steder med stor varmeutvikling langs elementholderne. De to sidene av elementknippet blir derfor mer jevnt avkjølt. (fan out) the flow (fig. 8). This results in a turbulent mixing of the incoming liquid flow downwards towards the heating element's foundation part with liquid that is already in the heating chamber. The current is spread sufficiently and evenly over the cross-section of the chamber to cover the entire element bundle. The important result of the turbulence at the lower end of the heating chamber is that the mixing that takes place obviously results in a more uniform flow up the element bundle as shown in fig. 7. This reduces the probability of the formation of places with large heat development along the element holders. The two sides of the element bundle are therefore more evenly cooled.

I sammendrag optimaliserer det karakteristiske avbøyningsinnløp i rekke-innretningen for oppvarming av en væske ifølge oppfinnelsen strømningsforløpet innenfor oppvarmingskammeret, og tillater den høye effekttetthet som trengs for et ønsket strømningsvolum og tilstrekkelig temperaturstigning uten problemer med dampdannelse. Denne metode er bedre enn bruk av elementoverflater med ribber eller vindinger på grunn av følgende: (1) bruk av lavere kostnad, jevnt slireformede varmeelementer kan tillates, (2) mulig-heten for områder med stagnerende væskestrøm bak ribbene er fjernet, og (3) problemer med korrosjon og skalloppbygging vil bli mindre på grunn av den jevne sliretopografi og redusert overflateområde. In summary, the characteristic deflection inlet in the in-line device for heating a liquid according to the invention optimizes the flow sequence within the heating chamber, and allows the high power density needed for a desired flow volume and sufficient temperature rise without vapor formation problems. This method is superior to the use of finned or coiled element surfaces because of the following: (1) use of lower cost, uniformly sheathed heating elements may be permitted, (2) the possibility of areas of stagnant fluid flow behind the fins is eliminated, and (3) ) problems with corrosion and scale build-up will be reduced due to the even sheath topography and reduced surface area.

Man vil forstå at mange forbedringer og varia-sjoner av den ovenfor beskrevne foretrukne utførelse vil være åpenbare for fagfolk på området etter å ha lest om denne teknikk. Det vil være klart at oppfinnelsen ikke er begren-set til den spesielle innretning som her er fremlagt, men dens rekkevidde er ment å bli dekket bare av rekkevidden av de etterfølgende krav. It will be understood that many improvements and variations of the preferred embodiment described above will be apparent to those skilled in the art after reading this technique. It will be clear that the invention is not limited to the particular device presented here, but its scope is intended to be covered only by the scope of the following claims.

Claims

1. Array device for heating a liquid for providing an instantaneous supply of heated liquid as needed, characterized in that it comprises a heating chamber (1) for liquid with an inlet (2) for receiving liquid to be heated and an outlet (3) to deliver heated liquid, a heating device (4) placed in the heating chamber (1) for heating the liquid, and a spreading device (18) for spreading the flow of liquid entering the heating chamber (1) over a significant portion of the flow cross-section of the heating chamber (1) to substantially prevent the formation of regions of stagnant liquid in the heating chamber (1) while liquid is discharged through the outlet (3) .

2. Device according to claim 1, characterized in that the heating chamber (1) for liquid comprises an upstream end and a downstream end, the inlet (2) being located near the upstream end of the chamber (1) and the outlet (3) being located near the downstream end of the chamber (1), and that the heating device comprises a base part (20) which is connected to the chamber (1) and has at least one heating element (4) which extends into the liquid heating chamber (1) from the upstream end.

3. Device according to claim 2, characterized in that the spreading device (18) spreads the liquid flow that enters the heating chamber (1) at the inlet, essentially and evenly over the base part (20), so that liquid movement through the chamber (1) from the upstream end and to the downstream end is produced in a smooth, laminar flow along the heating device (4).

4. Device according to claim 2, characterized in that the spreading device (18) essentially minimizes rotational flow of the liquid when it moves from the upstream end to the downstream end.

5. Device according to claim 2, characterized in that the spreading device (18) essentially eliminates localized turbulence in the liquid when it moves from the upstream end to the downstream end.

6. Device according to claim 2, characterized in that the heat transfer between the heating device (4) and the liquid is essentially uniform over the entire surface area of the heating element.

7. Device according to claim 2, characterized in that the heating element (4) is an electric resistance heating element.

8. Device according to claim 1, characterized in that it further comprises a current sensing device which is operatively connected to the inlet (2) to sense the flow of liquid entering the heating chamber (1), and a sensor device which is connected to the heating device ( 4) to activate this to heat the liquid when a liquid flow is sensed.

9. Device according to claim 8, characterized in that the current-sensing device is an electrical flow-sensitive switch.

10. Device according to claim 1, characterized in that it further comprises a temperature control device (10, 12) which is operatively connected to the chamber (1) and the heating device to keep the liquid released from the outlet (3) within a predetermined temperature range.

11. Device according to claim 10, characterized in that the temperature control device (10, 12) is a two-stage thermostat.

12. Device according to claim 1, characterized in that it further comprises a high-temperature safety disconnection device (9, 13) to deactivate the heating device (4) when the temperature of the heating chamber (1) exceeds the predetermined temperature.

13. Device according to claim 12, characterized in that the high-temperature safety cut-out device (9, 13) is a high-temperature limit switch.

14. Device according to claim 1, characterized in that it further comprises a high-pressure safety relief device (14) which is operatively connected to the chamber (1) to relieve the pressure in the chamber (1) when a predetermined, high pressure is exceeded.

15. Device according to claim 14, characterized in that the high pressure safety relief device (14) is a pressure relief valve.

16. Array device for heating a liquid for providing an instantaneous supply of heated liquid as needed, and of the type having a base part, a fluid heating chamber (1) which is connected to the substrate part and has an inlet (2) at an upstream end of the chamber (1) near the substrate part and an outlet (3) near a downstream end of the chamber (1), and a heating device in the chamber extending from the substrate part to heat the liquid, characterized in that it comprises a spreading device (18) to spread the flow of liquid entering the heating chamber (1) at the inlet (2) substantially and uniformly over the substrate part so that the transfer of heat between the heating device (4) and the liquid is uniform over essentially the entire surface area of the heating device.

17. Method for providing an instantaneous supply of uniformly heated liquid on demand from a series heating device comprising a substrate part, a liquid heating chamber (1) which is connected to the substrate part and has an inlet (2) at an upstream end of the chamber near the substrate part and a outlet (3) near a downstream end of the chamber, and a heating device in the chamber extending from the substrate portion to heat the liquid, characterized in that it comprises the steps of supplying unheated liquid to the chamber through the inlet (2), spreading liquid - the flow entering the chamber, essentially and uniformly over the substrate part so that the heat transfer between the heating device (4) and the liquid is essentially uniform over the entire surface area of the heating device, and to remove heated liquid to the outlet (3).