DE202006010956U1 - Electrical heater for fluid includes metal jacket pipe that is reduced in diameter in area of recesses relative to original diameter of laminar lower layer of external lateral surface of jacket pipe - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Heizkörper zur Beheizung von Fluiden, beispielsweise einen Rohrheizkörper, der mit einem elektrischen Heizleiter ausgerüstet ist, welcher in einen Isolator auf Basis einer Keramik eingebettet ist und ein metallisches Mantelrohr aufweist, welches den Isolator mit eingebettetem Heizleiter umgibt und mit dem zu beheizenden Fluid außenseitig umströmbar ist.The Invention relates to an electric heater for heating fluids, for example, a tubular heater, which is equipped with an electrical heating element, which in a Insulator is embedded on the basis of a ceramic and a metallic one Jacket tube having the insulator with embedded heating conductor surrounds and with the fluid to be heated flows around the outside.
Derartige
elektrische Heizkörper
sind z.B. aus der
Aus verfahrenstechnischen wie auch aus wirtschaftlichen Gründen muss der Oberflächentemperatur solcher Heizkörper große Aufmerksamkeit gewidmet werden. Unmittelbare Einflussgrößen auf die Temperatur, die so genannte Filmtemperatur bei Wärmeträgerölanlagen, sind die thermische Oberflächenbelastung, die Strömungsgeschwindigkeit, die Vorlauftemperatur und Stoffdaten des Fluids.Out procedural as well as for economic reasons the surface temperature such radiators size Be given attention. Immediate influencing factors on the Temperature, the so-called film temperature in thermal oil systems, are the thermal Surface load, the flow velocity, the flow temperature and material data of the fluid.
Maßgeblich für den Wirkungsgrad der bekannten elektrischen Heizkörper ist der konvektive Wärmeübergang, der an der Oberfläche des mit dem Fluid umströmten Mantelrohres stattfindet. Zu diesem Zweck wird üblicherweise die für den Isolator verwendete Keramik im Mantelrohr verdichtet, was auch die Isolationswirkung steigert.decisive for the Efficiency of the known electric radiators is the convective heat transfer, the on the surface of the fluid flowing around the fluid Jacket tube takes place. For this purpose, usually used for the insulator Ceramics in the jacket tube compacted, which also the insulation effect increases.
Aus
der
Bei
Wärmetauscherrohren,
die innenseitig von Fluiden durchströmt werden, ist es bekannt,
dass eine Verbesserung des Wärmeübergangs
durch oberflächlich
eingebrachte Profilierungen erreichbar ist, wozu beispielhaft auf
die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Heizkörper zur Beheizung von Fluiden der eingangs genannten Art vorzuschlagen, der einen deutlich besseren Wärmeübergang ermöglicht und sich gleichzeitig in großer Stückzahl wirtschaftlich herstellen lässt.task The present invention is an electric radiator for To propose heating of fluids of the type mentioned, the a significantly better heat transfer allows and at the same time in great quantity can be produced economically.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß das Mantelrohr auf seiner außenseitigen Oberfläche zumindest bereichsweise mit einer Profilierung versehen, die in Form von Vorsprüngen und Vertiefungen auf der außenseitigen Oberfläche des Mantelrohres gebildet ist, wobei der Durchmesser des Mantelrohres im Bereich der Vertiefungen gegenüber dem ursprünglichen Durchmesser verringert ist mittels derer die laminare Unterschicht an der Oberfläche des Mantelrohres zumindest teilweise in ihrer Kontinuität unterbrochen wird bzw. aufhebbar ist.to solution the task is according to the invention the jacket tube on his outboard surface at least partially provided with a profiling in Form of projections and Depressions on the outside Surface of the Jacket tube is formed, wherein the diameter of the jacket tube in the area of the recesses compared to the original one Diameter is reduced by means of which the laminar lower layer on the surface the casing pipe is at least partially interrupted in its continuity is or is repealed.
Der erfindungsgemäße elektrische Heizkörper bedient sich somit zur Verbesserung des Wärmeübergangs den auf die außenseitige Oberfläche des Mantelrohres aufgebrachten Profilierungen, die Turbulenzen in dem das Mantelrohr umströmenden zu beheizenden Fluid erzeugen und einer laminaren Schichtbildung an der außenseitigen Oberfläche des Mantelrohres entgegenwirken.Of the electrical according to the invention radiator thus uses to improve the heat transfer to the outside surface of the jacket tube applied profiling, the turbulence in the flow around the jacket pipe generate fluid to be heated and a laminar layer formation on the outside surface counteract the jacket tube.
Sofern zur Verbesserung des Wärmeübergangs und der Isolationswirkung die den Isolator bildende Keramik verdichtet ist, kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung durch Einbringen der Vertiefungen unter Durchmesserverringerung des Mantelrohres der Isolator auf Basis einer verdichteten Keramik nochmals weiter verdichtet werden, was den Wärmeübergang zwischen dem Isolator und dem metallischen Mantelrohr weiter verbessert.Provided to improve the heat transfer and the insulating effect compacts the insulator forming ceramic is, can according to one advantageous development of the invention by introducing the wells under diameter reduction of the jacket tube of the insulator Base of a compacted ceramic be further compressed, what the heat transfer further improved between the insulator and the metallic jacket tube.
Der erfindungsgemäße elektrische Heizkörper erreicht von daher eine Steigerung des konvektiven Wärmeübergangs im Vergleich zu den bekannten elektrischen Heizkörpern mit glatter außenseitiger Oberfläche des Mantelrohres, wobei die Verbesserung mit der Strömungsgrenzschicht eng verknüpft ist, die sich an der Oberfläche des von dem Fluid angeströmten oder umströmten Mantelrohres einstellt. Die Dicke dieser Grenzschicht hängt von den physikalischen Eigenschaften und der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ab.Of the electrical according to the invention radiator therefore achieves an increase in the convective heat transfer Compared to the known electric radiators with smoother on the outside surface of the jacket tube, the improvement with the flow boundary layer is closely linked, which are on the surface of the flowed by the fluid or flowed around Casing tube sets. The thickness of this boundary layer depends on the physical properties and flow rate of the fluid from.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Profilierung in Form von Vorsprüngen und Vertiefungen wird die Dicke dieser Grenzschicht verringert, indem die Vorsprünge die laminare Unterschicht an der wärmeübertragenden Oberfläche durchstoßen und den turbulenten Strömungsbereich erreichen. Die Vorsprünge und Vertiefungen wirken demgemäß wie Stolperelemente bezüglich der Grenzschichtströmung, wodurch der Wärmeübergang effektiv verbessert wird.By the invention provided profiling in the form of protrusions and depressions, the thickness of this boundary layer is reduced, by the projections piercing the laminar underlayer on the heat transfer surface and the turbulent flow area to reach. The projections and depressions accordingly act as tripping elements in terms of the boundary layer flow, whereby the heat transfer is effectively improved.
Gleichzeitig kommt es durch die starke Verdichtung im Bereich der Vertiefungen zu einer besonders intensiven Wärmeabgabe vom elektrischen Heizleiter über den Isolator auf das metallische Mantelrohr. Darüber hinaus wird durch die Profilierung auch die wärmeübertragende Oberfläche bei unveränderten makroskopischen Abmessungen des Heizelementes vergrößert.At the same time it comes through the strong compression in the wells to a special ders intensive heat transfer from the electric heating element via the insulator on the metallic casing tube. In addition, the profiling also increases the heat-transferring surface with unchanged macroscopic dimensions of the heating element.
Die Einbringung der Vertiefungen kann z.B. mittels Profilwalzmaschinen erfolgen, die hohen Verformungsdruck auf das Mantelrohr erzeugen.The Incorporation of the depressions may e.g. by means of profile rolling machines take place, which generate high deformation pressure on the jacket tube.
Nach einem Vorschlag der Erfindung kann vorgesehen sein, die Vorsprünge und Vertiefungen etwa rechtwinklig zur Längsachse des Mantelrohres verlaufen zu lassen.To a proposal of the invention may be provided, the projections and Recesses approximately at right angles to the longitudinal axis of the jacket tube allow.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind jedoch die Vorsprünge und Vertiefungen schraubenlinienförmig entlang der außenseitigen Oberfläche des Mantelrohres angeordnet und die Profilierung der Strömung eine Rotationsbewegung erteilt, wodurch neben der Funktion als Stolperelemente bezüglich der Grenzschichtströmung auch Sekundärströmungen entstehen und der Wärmeübergang weiter gesteigert wird. Die konkrete Ausgestaltung der vorgesehenen Profilierung wird in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und den Stoffwerten des Fluids gewählt.In a particularly preferred embodiment However, according to the invention, the projections and depressions are helical along the outside surface arranged the jacket tube and the profiling of the flow a Issued rotational movement, which in addition to the function as tripping elements in terms of the boundary layer flow secondary currents also arise and the heat transfer is further increased. The concrete design of the intended Profiling becomes dependent chosen from the speed and the physical properties of the fluid.
Neben schraubenlinienförmig umlaufenden Vorsprüngen und Vertiefungen in einer Umlaufrichtung kann auch vorgesehen sein, gegenläufige, d.h. sich kreuzende Vorsprünge und Vertiefungen schraubenlinienförmig entlang der außenseitigen Oberfläche des Mantelrohres umlaufend auszubilden.Next helically circumferential projections and recesses in a circumferential direction may also be provided opposite, i.e. intersecting tabs and depressions helically along the outside surface of the jacket tube circumferentially form.
Für übliche elektrische Heizkörper hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Vertiefungen eine Tiefe von mindestens 0,5 mm und eine Breite von mindestens 0,1 mm aufweisen, während die Vorsprünge vorzugsweise eine Breite von mindestens 0,1 mm aufweisen. Diese Abmessungen sind jedoch an die jeweilige Grenzschichtdicke gekoppelt und können vom Fachmann bedarfs- und situationsabhängig ausgewählt werden.For usual electrical radiator It has proved to be advantageous if the wells a Depth of at least 0.5 mm and a width of at least 0.1 mm exhibit while the projections preferably have a width of at least 0.1 mm. These However, dimensions are linked to the respective boundary layer thickness and can be selected by the expert according to need and situation.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die erfindungsgemäß vorgesehenen Profilierungen nur in einem Teilbereich des Mantelrohres ausgebildet werden, so dass das Mantelrohr insbesondere auch einen Montageabschnitt mit glatter Außenoberfläche aufweisen kann, um den erfindungsgemäßen elektrischen Heizkörper in diesem Bereich z.B. in Flanschplatten einzuschweißen.Farther It is preferred that the profiles provided according to the invention be formed only in a portion of the jacket tube, so that the jacket tube in particular with a mounting section have smooth outer surface can, to the inventive electrical radiator in this area e.g. to be welded in flange plates.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:Further Details and embodiments of the invention will become apparent below based on an embodiment explained in the drawing. Show it:
In
den
Der
elektrische Heizkörper
Wie
auch aus der vergrößerten Darstellung gemäß
Hierbei
werden die Vertiefungen
Darüber hinaus
wirken die Vertiefungen
Weiterhin
ist es bevorzugt, dass die Profilierungen in Gestalt von Vorsprüngen
Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
gemäß
Zwar
erfährt
das durch das Gehäuse
Die
Profilierungen können
vorzugsweise nur über
einen gewissen Längenabschnitt
des Heizkörpers
Es
versteht sich, dass die vorangehend beschriebene Erfindung nicht
auf die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform beschränkt ist,
sondern beispielsweise die Vorsprünge und Vertiefungen
Auch
ist es möglich,
mehrere elektrische Heizkörper
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