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Die Erfindung betrifft eine elektrische
Heizeinrichtung zum Erhitzen von Fluiden, insbesondere gasförmigen Medien,
im Konvektions- oder Lüfterbetrieb
mit wenigstens einer Wendel oder einem Mäander aus einem elektrischen
Widerstandsheizdraht.
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Derartige Heizeinrichtungen sind
bekannt, wobei der Widerstandsheizdraht als Rund- oder Flachdraht
ausgebildet ist. Zusätzlich
kann der Heizdraht noch gewellt sein. So ist eine Heizeinrichtung bekannt,
bei der um einen ebenen, länglichen
Träger aus
Isoliermaterial ein gewellter Heizdraht wendelartig gewickelt ist
(
DE 26 61 101 ), wobei
der Heizdraht eigenstabil ist und den Träger lediglich im Bereich der Seitenkanten
berührt.
Trotz der aufgrund des gewellten Heizdrahtes vergrößerten Heizdrahtoberfläche und
der guten Wärmeabfuhr
durch die eigenstabile beabstandete Heizdrahtführung und bei Anordnung mehrerer
solcher Heizeinrichtungen in einem Heizkörper ist es aufgrund der Oberflächenbelastung
des Heizdrahtes nicht möglich,
diese Heizeinrichtung bei größerem Leistungsbedarf
und höheren
geforderten Austrittstemperaturen, wie dies beispielsweise bei Wäschetrocknern
gefordert ist, zu erreichen, ohne dass der Heizdraht zu glühen beginnt
und durchbrennt.
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Aus diesem Grund werden für diese
höheren Leistungsanforderungen
Heizdrähte
in Flachbandausführung
verwendet, die hochkant mit ihrer Schmalseite um einen ebenen länglichen
Träger wendelartig
gewickelt werden, wobei sie wiederum den Träger nur im Bereich der Seitenkanten
berühren.
Durch die sehr viel größere Drahtoberfläche eines
Flachdrahtes lässt
sich hierdurch die Oberflächenbelastung
des Heizdrahtes erheblich reduzieren.
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Nachteilig bei einer Lösung mit
einem hochkant gewickelten Flachband ist allerdings zum einen die
schwierige Hochkantverarbeitung eines Flachbandes und zum anderen
der größere Materialbedarf,
der die Materialkosten und das Gewicht erhöht. Darüber hinaus ist ein Flachbandheizdraht
auch teurer als ein Runddraht.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
eine Heizvorrichtung mit einem elektrischen Widerstandsheizdraht
zu schaffen, die eine Leistungsaufnahme von mehreren Kilowatt ermöglicht,
dabei kompakt und leicht im Aufbau ist, die kostengünstig und
einfach herstellbar ist, eine gute Wärmeabfuhr hat und eine eigenstabile
Heizdrahtanordnung ermöglicht.
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Die Aufgabe wird für eine elektrische
Heizeinrichtung zum Erhitzen von Fluiden, insbesondere gasförmigen Medien
im Konvektions- oder Lüfterbetrieb
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Widerstandsdraht
der Heizeinrichtung ein eigenstabiles Heizdrahtseil ist, wobei das
Heizdrahtseil aus mehreren einzelnen miteinander verdrillten Heizdrähten besteht
und das Heizdrahtseil überwiegend
beabstandet von dem oder den Träger(n)
oder ganz ohne Träger
geführt
ist.
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Die Verwendung eines Heizdrahtseiles
mit mehreren einzelnen miteinander verdrillten Heizdrähten hat
gleich mehrere Vorteile.
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Im Vergleich zu einem einfachen Runddraht hat
ein Heizdrahtseil bezogen auf die gleiche Querschnittsfläche eine
um ein vielfaches größere Heizdrahtoberfläche. Dadurch
reduziert sich erheblich die Oberflächenbelastung, wodurch der
Heizdraht bei gleicher Länge
mit wesentlich mehr Leistung beaufschlagt werden kann ohne durchzubrennen.
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Ein weiterer Vorteil gegenüber einem
einfachen Runddraht ist die bessere Stabilität. So ist es im Gegensatz zu
einer Wendel aus Runddraht bei einer Wendel aus einem Heizdrahtseil
eher möglich,
auf einen Träger
ganz zu verzichten und die Wendel lediglich an ihren Enden festzulegen,
ohne dass sich die Wendel bei Erwärmung zu stark durchbiegt.
Weiterhin vorteilhaft erzeugt ein Heizdrahtseil im Gegensatz zu
einem einfachen Runddraht bei einem durchströmenden Medium eine turbulente
Strömung.
Dadurch ist die Wärmeübertragung
zwischen Heizdrahtseil und Medium gegenüber einem einfachen runden Heizdraht
verbessert.
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Auch im Vergleich mit einer Wendel
aus Flachbanddraht ergeben sich mehrere Vorteile.
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Ein Vorteil ist dabei die einfache
Verarbeitung des Heizdrahtseiles gegenüber einem hochkant gewickelten
Flachbanddraht. Ein Heizdrahtseil kann hier ohne Probleme auf einer
herkömmlichen
Wickelmaschine wendelartig beabstandet um eine längliche Trägerplatte gewickelt werden.
Darüber
hinaus ist die Stabilität
des gewickelten Heizdrahtseiles besser als bei einem hochkant gewickelten
Flachbanddraht.
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Ein weiterer Vorteil ist die Gewichtseinsparung.
Durch die auch im Vergleich zu einem Flachbanddraht vergrößerte Oberfläche eines
Heizdrahtseiles kann bei etwa gleicher Oberflächenbelastung ein gegenüber dem
Flachbanddraht kürzeres
Heizdrahtseil verwendet werden bei gleichzeitig noch vermindertem
Heizleiterquerschnitt. Beides zusammen bewirkt eine Gewichtsersparnis.
Durch die verminderte Heizleiterlänge ist es darüber hinaus
auch möglich,
die Heizvorrichtung kompakter bei gleicher Heizleistung zu bauen.
Die Gewichtsersparnis führt
zusammen mit den geringeren Kosten für Runddraht gegenüber Flachbanddraht
zu einer wesentlichen Kostenersparnis, die je nach Heizvorrichtung
durchaus 50 % betragen kann.
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Weiterhin vorteilhaft ist die bessere
Wärmeübertragung
vom Heizdrahtseil an das zu erwärmende Fluid,
insbesondere Luft. Dies ist mit einer größeren Verwirbelung des Fluids
im Bereich der Heizvorrichtung zu erklären. Während bei einem Flachbanddraht das
mittig zwischen den Windungen durchströmende Fluid laminar ungehindert
hindurchströmt,
ohne wesentlich Wärme
aufzunehmen, und nur die Bereiche Wärme aufnehmen, die unmittelbar
am Flachbanddraht vorbeiströmen,
erzeugt das Heizdrahtseil eine turbulente Strömung, so dass das gesamte hindurchströmende Fluid
gleichmäßig Wärme aufnimmt.
Dadurch kann mit weniger Leistung und kompakterer Bauweise die gleiche
Menge Fluid auf eine bestimmte Austrittstemperatur erwärmt werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung
ist ein doppelt verdrilltes Heizdrahtseil. Hierbei sind mehrere
Heizdrahtseile wiederum zu einem Heizdrahtseil verdrillt. Dadurch
kann man die aufgeführten
Vorteile in Bezug auf Oberflächenvergrößerung,
Stabilität
und turbulente Strömung
nochmals verstärken.
Als besonders bevorzugte Ausführung
ist dabei die Variante zu nennen, bei der 3 Heizdrahtseile aus jeweils
7 Einzelheizdrähten
nochmals gegenseitig verdrillt werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale sind
den Unteransprüchen
und den beispielhaften Ausführungen entsprechend
den Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigt
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1 einen
beispielhaften Heizkörper
mit 4 Einzelheizvorrichtungen
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2 einen
Querschnitt des beispielhaften Heizkörpers aus 1
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3 einen
Heizkörper
mit frei tragenden Heizeinrichtungen
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4 eine
alternative Heizeinrichtung mit zusätzlich gewelltem Heizdrahtseil
und 2 Trägerplatten
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5 ein
Heizdrahtseil mit 7 verdrillten Heizdrähten gleichen Durchmessers
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6a–d verschiedene Heizdrahtquerschnitte
mit Strömungsverhalten
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1 und 2 zeigen einen querdurchströmten Heizkörper (1),
wie er beispielsweise in einem Wäschetrockner
zum Einsatz kommen kann. Hierzu sind zwischen 2 Seitenteilen (6)
parallel, aber räumlich
versetzt zueinander und darüber
hinaus auch parallel zur Strömungsrichtung 4 dünne, längliche
Trägerplatten
(3) aus Isoliermaterial festgelegt. Jede Trägerplatte
(3) ist wendelartig von einem Heizdrahtseil (2)
umwickelt, wobei das Heizdrahtseil von der Ober- und Unterseite
der Trägerplatte
(3) beabstandet geführt
ist und die Trägerplatte
(3) lediglich im Bereich ihrer Schmalseiten (4)
berührt,
was durch die Eigenstabilität
des Heizdrahtseiles ermöglicht
ist. Zur besseren Führung
des Heizdrahtseiles sind die Schmalseiten dabei mit Rillen (5)
versehen. Der Übersicht
halber ist in 1 und 2 das Heizdrahtseil vereinfacht
dargestellt.
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2 zeigt
den Querschnitt durch den Heizkörper
(1) nach 1 mit
den Trägerplatten
(3) und den wendelartig gewickelten Heizdrahtseilen (2).
Jedes Heizdrahtseil (2) ist nahezu kreisrund um eine Trägerplatte
(3) geführt
und berührt
die Trägerplatte lediglich
an ihren Schmalseiten (4). Diese runde Heizdrahtseilführung ist
durch ihre einfache Handhabbarkeit, gute Eigenstabilität und gleichmäßige Heizdrahtseilerwärmung besonders
bevorzugt. Denkbar wäre aber
auch jedes andere Führungsmuster
wie oval, eckig oder spitz, wobei das Heizdrahtseil (2)
selbst noch gewellt sein kann. Auch diese Führungsmuster weisen die notwendige
Eigenstabilität
ohne zusätzliche
Befestigungsvorrichtungen zwischen Heizdrahtseil und Trägerplatte
auf, die in den verdrillten Heizdrähten begründet ist und zu einer einfachen
und kostengünstigen
Fertigung führt.
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3 zeigt
frei tragende Heizvorrichtungen. Grundsätzlich ist der Aufbau des Heizkörpers der gleiche
wie in 1. Bei der Ausführung nach 3 wurde aber gänzlich auf
die Trägerplatten
verzichtet und die Heizdrahtseilwendeln (8) frei tragend
zwischen den Seitenteilen (6) angeordnet. Durch die große Eigenstabilität des Heizdrahtseiles
(2) biegt sich diese Anordnung bei Erwärmung kaum durch. In dieser
beispielhaften Ausführung
besteht das Heizdrahtseil (2) entsprechend 6d aus 3 verdrillten Heizdrähten. Denkbar
wäre aber
auch eine größere Anzahl
von Einzeldrähten,
wobei hier die Anzahl 7 besonders bevorzugt ist.
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4 zeigt
den Querschnitt durch eine weitere beispielhafte Heizvorrichtung.
In dieser Ausgestaltung ist das Heizdrahtseil (2) wendelartig
gleichzeitig um zwei parallele Trägerplatten (3) geführt. Das
Heizdrahtseil (2) selbst ist dabei noch unregelmäßig gewellt,
d.h. mit zahlreichen Abbiegungen versehen, wobei das Heizdrahtseil
(2) im Bereich einer konvexen Abbiegung (7) an
den Schmalseiten (4) der Trägerplatten (3) geführt ist.
Auch hier ist das Heizdrahtseil (2) vereinfacht dargestellt.
In diesem Ausgestaltungsbeispiel wird die Oberflächenbelastung durch das durch
Wellen verlängerte
Heizdrahtseil (2) noch weiter reduziert.
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5 zeigt
ein Heizdrahtseil (2) aus 7 runden, verdrillten Heizdrähten (9a – 9g).
Es hat sich gezeigt, dass das Heizdrahtseil besonders stabil und bezüglich der
angestrebten turbulenten Strömung günstige Werte
aufweist, wenn das Heizdrahtseil eng verdrillt ist. Dies ist besonders
auch dann erforderlich, wenn das Heizdrahtseil (2) nicht
lediglich rund geführt
ist, sondern mit Abbiegungen, wie beispielsweise in 4, versehen ist. Die Schlagzahl s bei
7 verdrillten Einzeldrähten
sollte daher kleiner als das 50-fache des Einzeldrahtdurchmessers
sein, bevorzugt kleiner als das 40-fache und besonders bevorzugt
kleiner als das 35-fache. Die Ausführung des Heizdrahtseiles (2)
mit 7 verdrillten Einzeldrähten
(9a – 9g)
hat sich aufgrund der lückenlosen
gegenseitigen Anordnung der Einzelheizdrähte als besonders stabil und
daher besonders bevorzugt erwiesen.
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Auch die Ausführung nach 6c mit 3 einzelnen Heizdrähten (12a – 12c)
ist sehr stabil durch die gegenseitige stabile Lage der Heizdrähte und
daher bevorzugt.
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Die 6a-d zeigen
den Unterschied im Strömungsverhalten
bei Flachdraht (10) (6a), Runddraht
(11) (6b) und
einem Heizdrahtseil mit 7 (9a – 9g)(6c) und 3 (12a – 12c)
(6d) verdrillten Einzeldrähten.
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Während
beim Vorbeiströmen
des Fluids gemäß 6a und 6b eine laminare Strömung erhalten bleibt, findet
gemäß 6c und 6d eine Verwirbelung statt. Die daraus
resultierende turbulente Strömung führt zu einer
besseren Wärmeübertragung
zwischen Heizdrahtseil und Fluid und damit zu einem besseren Wirkungsgrad.
Gerade beim Einsatz im Wäschetrockner
ergibt sich dadurch auch der Vorteil, dass die Windungsabstände bei
einem Heizdrahtseil größer gewählt werden
können,
war hier besonders vorteilhaft in Bezug auf die Verflusung ist.
In Bezug auf die Verflusung zeigt sich als weiterer Vorteil, dass
ein Heizdrahtseil nach 6c und 6d im Gegensatz zu einem
Flachbandheizdraht nach 6a keine
scharten Kanten hat, an denen die Flusen hängen bleiben können.