PT86429B - Dispositivo para controlo do sobreaquecimento e da formacao de incrustacoes calcarias num aparelho de aquecimento dum fluido e o dito aparelho que inclui o dito dispositivo - Google Patents

Description

DISPOSITIVO

CIMENTO E DA FORMAÇÃO DE INCRUSTAÇQES CAL

CARIAS NUM APARELHO DE AQUECIMENTO DUM

FLUIDO E 0 DITO APARELHO QUE INCLUI 0 DITO DISPOSITIVO

Fernand Lauro, Christophe Marvillet, Patrick Mayoussier, Michel Amandjules e Jean-Michel Porcher.

Reivindicação do direito de prioridade ao abrigo do artigo 4.° da Convenção de Paris de 20 de Março de 1883. França em 24 de Dezembro de 1986 sob o n° . 18169.

INP1. MOO. 113 RF 16732

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PATENTE Ν°. 86 429

Dispositivo para o controlo do sobreaquecimento e da formação de incrusta^ ç3es calcárias num. aparelho de aquec_i mento dum fluido e o dito aparelho que inclui o dito dispositivo para que

COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE e CHAFFOTEAUX ET MAURY, pretendem obter privilégio de invenção em Portugal.

RESUMO presente invento refere-se a um dispositivo para o co_n trolo do sobreaquecimento e da formação de incrustações calcárias num aparelho de aquecimento de um fluido, no qual um pistão (46) móvel no interior de uma caixa (2θ) divide a mesma em dois compartimentos (32, 36) ligados respectivamente à conduta de chegada de água fria (16) e à conduta de partida de água quente (22). Em funcionamento, a pressão na conduta (16) é sij perior à pressão na conduta (22) e o pistão (46) é empurrado para a esquerda. Na paragem as pressões são iguais nas duas ^J condutas e a mola (40) empurra o pistão (46) para a direita; a água fria é enviada para o tubo permutador (20) impelindo a água quente contida neste para a conduta (3Θ) e compartimento (36).

presente invento é aplicável, por exemplo, aos esquentadores domésticos.

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-2MEMORIA DESCRITIVA presente invento tem por objecto um dispositivo para o controlo do sobreaquecimento e da formação de incrustações ca_l cáreas num aparelho de aquecimento dum fluido, servindo essencialmente para reduzir o sobreaquecimento e a formação de incrustações calcáreas. 0 invento tem aplicação de especial interesse no caso desse aparelho de aquecimento ser um esquentador doméstico ou uma caldeira a gás.

A figura 1 aqui junta apresenta, em perspectiva, um esquentador doméstico dum género utilizado actualmente e chamado esquentador de câmara húmida. Esse esquentador, com a referência geral 10, compõe-se essencialmente duma cuba 12 metálica, por exemplo de cobre, disposta verticalmente e aberta nas suas extremidades inferior e superior, definindo assim uma câmara de combustão. Um conjunto de queimadores a gás 14 está debaixo da cuba e os gases queimados circulam de baixo para c_i ma no interior desta. A água fria chega por uma conduta de transporte 16 e circula seguidamente ao longo duma serpentina 18 situada encostada à parede da cuba 12, mas no exterior da mesma. A água começa então a aquecer circulando na serpentina 18, depois chega ao tubo permutador 20 situado na parte super_i or da cuba, na zona por onde saem os gases queimados. A água que foi previamente aquecida na serpentina 18 é aquecida para a temperatura requerida no permutador 20. A água quente parte outra vez na direcção dos dispositivos de utilização por uma conduta 22.

Recentemente apareceu um novo tipo de esquentador, como o esquentador 11 mostrado na figura 2 e denominado de câmara seca. Ele tem, como no caso da figura 1, uma cuba metálica 12 colocada verticalmente e aberta nas suas extremidades inferior e superior, assim como um conjunto de queimadores de gás 14 na parte inferior da cuba. Existe sempre a conduta 16 de transporte de água fria e a conduta 22 de partida de água que_n te, mas não tem já a serpentina situada encostada à parede da cuba. Esta contém uma massa de um isolador 24 colocada de en-

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-3contro à sua face interna e a conduta 16 desemboca directamente no tubo permutador 20 situado no cimo da cuba, no sítio por onde saem os gases queimados. Em relação ao dispositivo da fi gura 1, o dispositivo mostrado na figura 2 tem a vantagem de ser duma concepção mais simples e, portanto com um preço de montagem menor e permitindo ainda economia de material visto suprimir-se a serpentina 18.

No entanto, num e noutro caso, estes aparelhos têm um i_n conveniente que é o sobreaquecimento da água quando se acciona o aparelho. Lembremos que é o débito de água no permutador 20, quer dizer a abertura e o fecho da válvula de paragem (não representada nas figuras 1 e 2) que comanda o accionamento ou a paragem do esquentador. Durante o funcionamento, a água cont_i da no permutador 20 está a uma temperatura média superior em 25SC à temperatura da água fria. Quando se fecha a válvula de paragem, a água que resta no interior do permutador armazena o calor irradiado pelas paredes quentes da câmara de combustão e o restituído pela massa quente do permutador. Por este motivo, após algumas dezenas de segundos de paragem, a água pode atingir uma temperatura máxima próxima de 1009C.

Compreende-se portanto que, se o aparelho for novamente accionado pouco tempo após a paragem anterior, a temperatura da água quente na saída atinge valores muito elevados e corre o risco de ultrapassar os valores fixados pelas normas em vigor. Por exemplo, em França, a norma NF D 35-322 aplicável aos esquentadores, caldeiras de banhos, etc., estipula que, es; tando o aparelho regulado para o seu débito calorífico nominal e para um débito de água correspondente a um aumento de temperatura de 5QSC, o aumento de temperatura no início de cada tiragem não deve exceder em mais de 209C esse valor de regime. Com os aparelhos actuais, e especialmente com os esquentadores de câmara seca, como o que se mostra na figura 2, esse valor é por vezes ultrapassado e pode atingir alguns graus próximos da temperatura de ebulição da água, o que, entenda-se, não é admis^ sível.

presente invento tem por fim remediar tais inconveniejn tes propondo um dispositivo de controlo do sobreaquecimento e

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-4da formação de incrustações calcáreas num aparelho de aquecimento dum fluido como sejam esquentadores, caldeiras de gás, etc. .

Um tal aparelho inclui da maneira conhecida:

uma conduta de chegada do fluido frio, uma conduta de partida ou distribuição do fluido quente, um permutador que comunica por um lado com a dita conduta de chegada do fluido frio e, por outro lado, com a dita cojn duta de partida ou distribuição do fluido quente, circulando o fluido, quando o aparelho funciona, da conduta de chegada para a conduta de partida através do permutador e, meios para aquecer o fluido que se acha no permutador.

De acordo com a principal característica do dispositivo de controlo do sobreaquecimento e da formação de incrustações calcáreas objecto do invento, este inclui um recinto de volume variável comunicando com a conduta de chegada do fluido frio, estando esse recinto limitado, pelo menos, parcialmente por um elemento deslocável que tem um primeiro lado submetido à pressão existente na conduta de chegada do fluido frio, e um segujn do lado submetido a uma pressão de referência, sendo o dito elemento deslocável sob o efeito da diferença de pressão entre os seus dois lados.

□ elemento deslocável pode ser constituído quer por uma membrana susceptível de se deformar quer por um pistão móvel no interior duma caixa. No primeiro caso pode fabricar-se uma parte da conduta de chegada do fluido frio num material flexível, constituindo esse material a dita membrana deformável: nesta circunstância, a parte considerada da conduta de chegada do fluido frio constitui o recinto de volume variável.

Num primeiro modo de realização do invento, o segundo l_a do do elemento deslocável é submetido à pressão existente na conduta de partida do fluido quente. Num outro modo de realização, no caso em que a conduta de partida do fluido quente ejs tá em comunicação directa com a atmosfera, o segundo lado do

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-5elemento deslocável é submetido à pressão atmosférica.

Nos casos diferentes daquele em que uma parte da conduta de chegada da fluido frio é feito num material flexível, são necessários meios para deslocar o elemento susceptível de ser deslocado de maneira a impelir o líquido contido no dito recin to de volume variável para o permutador de modo a evitar o sobreaquecimento do líquido e as incrustaçóes calcáreas do permuj tador. Utilizar-se-á de preferência uma mola como irá ser des_ crito abaixo.

Por fim, o invento tem também por objecto um aparelho de aquecimento dum fluido, possuidor dum dispositivo para o controlo do sobreaquecimento e da formação de incrustaçbes calcáreas como se mencionou acima.

invento será melhor compreendido pela leitura da descrição seguinte, dada a título simplesmente demonstrativo e nun ca limitativo, com referência aos desenhos juntos em que:

- a figura 1 é uma vista esquemática em perspectiva dum primeiro tipo de esquentador de acordo com a arte anterior,

- a figura 2 é uma vista semelhante à da figura 1 mostran do um segundo tipo de esquentador da arte anterior,

- as figuras 3a e 3b são esquemas simplificados mostrando o funcionamento dum dispositivo de acordo com o invento, no ca so em que o elemento deslocável é uma membrana deformável e em que o segundo lado desta é submetido à pressão existente na conduta de partida do fluido quente,

- a figura 4 é uma vista esquemática semelhante à da figjj ra 3a no caso em que o segundo lado da membrana deformável é submetido à pressão atmosférica,

- a figura 5 é uma vista esquemática mostrando o dispos_i tivo do invento no caso em que uma parte da conduta de chegada do fluido frio é constituída por um material flexível, e

- a figura 6 é uma vista semelhante à da figura 5 mostrando o caso em que o elemento deslocável é um pistão móvel no interior duma caixa.

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-6Se considerarmos as figuras 3a e 3b, vemos a conduta 16 de chegada de água fria, o permutador 20, e a conduta 22 de partida ou distribuição de água quente tendo nela uma válvula 26. Para maior clareza a câmara de combustão e os queimadores não foram representados nas figuras 3a e 3b.

dispositivo de controlo do sobreaquecimento e da forma ção de incrustações de acordo com o invento inclui uma caixa 28 no interior da qual se acha uma membrana deformável 30 fixa de maneira estanque às paredes dessa caixa. A dita membrana separa a caixa num primeiro compartimento 32 que comunica com a conduta 16 por um tubo 34, e um segundo compartimento 36 que comunica com a conduta de partida de água quente 22 por uma conduta 38. Esta desemboca na conduta 22 a montante da válvula 26 em relação ao sentido de escoamento da água durante o funcionamento do aparelho.

dispositivo mostrado nas figuras 3a e 3b funciona da seguinte maneira:

a figura 3a corresponde ao caso em que a válvula 26 está aberta e a água circula da conduta 16 para a conduta 22 através do permutador 20. Devido ao facto da água estar em movimento, há uma perda de pressão entre o ponto em que o tubo 36 desemboca na conduta 16 e o ponto onde o tubo 38 desemboca na conduta 22. A pressão é, portanto, maior na conduta 16 que na conduta 22. Daí que a pressão é maior no compartimento 32 da caixa que no compartimento 36 e, consequentemente, a membrana 30 é deslocada para a direita quando se olha para a figura 3a;

a figura 3b corresponde à representação em que a válvula 26 está fechada. Como a água já não está em movimento a pressão é a mesma nas condutas 16 e 22, assim como no permutador 20. Daí resulta que as pressões de um lado e doutro da membrana 30 são iguais. Como foi dito, no compartimento 36 há uma mola 40 montada de modo a impelir a membrana 30 para a esquerda em relação às figuras 3a e 3b, quer dizer ao encontro da pressão existente no compartimento 32, quando a válvula 26 está fechada, a mola 40 distende-se e impele a membrana 30 para a esquerda em relação às figuras. Assim, a água contida no

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-7compartimento 32, que é água fria, é impelida para o permutador 20 e a água quente contida neste é repelida através da con duta 22 e do tubo 3B até ao compartimento 36. Este aumentou de volume por deformação da membrana 30 e pode portanto acolher essa massa de água.

Assim, quando o aparelho pára, substitui-se a água quente contida no tubo permutador 20 por água fria. Portanto, mes mo que as paredes da câmara de combustão ainda estejam quentes, o aumento de temperatura do fluido contido no permutador 20 é limitado e, no próximo accionamento do aparelho de aquecimento, não há o risco de se dar um aumento excessivo de temperatura. No modo de realização preferido, as dimensões da caixa 2Θ, assim como a forma e as caracteristicas de deformação da membrana 30 e a força da mola 40 são determinadas de modo que o volume de água contido no compartimento 32 na situação da figura 3a seja sensivelmente igual ao volume de água contido no permutador 20.

A figura 4 é uma vista semelhante à figura 3a mas, nesta variante, a conduta 22 de partida ou distribuição de água queri te não está equipada com uma válvula como a válvula 26: ela está em comunicação directa com a atmosfera. Nesse caso, é a conduta 16 que tem uma válvula 42 a montante do ponto onde desemboca o tubo 34. A caixa 2Θ da figura 4 é semelhante à da figura 3a. No entanto, a conduta 38 é suprimida e o compartimento 36 está em comunicação directa com a atmosfera, por exem pio por intermédio duma perfuração 43. A figura 4 corresponde àquela representação em que o aparelho está em funcionamento, quer dizer, a válvula 42 está aberta e a água circula da condjj ta 16 para a conduta 22. Devido às perdas de carga, a pressão de água na conduta 16 e, portanto, no compartimento 32, é sup_e rior à pressão da água no orifício de saída 23 da conduta 22, que é igual à pressão atmosférica. A membrana 30 é portanto impelida para a direita, olhando para a figura. Quando a válvula 42 está fechada a pressão é a mesma na conduta 16 a jusari te da válvula 42, assim como no permutador 20 e na conduta 22 e é igual à pressão atmosférica. A mola 40 impele portanto a

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-8membrana 30 para a esquerda, em relação à figura 4, o que vai repelir a água fria contida no compartimento 32 para o permutador 20, enquanto que a água quente contida neste é impelida para o exterior.

Na figura 5 representou-se esquematicamente a traços mis tos e em perspectiva um esquentador semelhante ao da figura 2, com a cuba 12 e os queimadores 14 alimentados por um tubo 15. Encontra-se igualmente a conduta 16 de chegada de água fria, o permutador 20 na parte superior da cuba 12 e a conduta 22 de partida ou distribuição de água quente tendo a válvula 26. Nes^ ta variante uma parte 44 da conduta 16 á feita de um material flexíúel e constitui uma membrana deformável que se pode defo_r mar sob o efeito das diferenças de pressão entre o seu primeiro lado ou lado interno, que está em contacto com a água fria, e o seu segundo lado ou lado externo. A caixa 2Θ rodeia a pa_r te 44 da conduta 16 e é fixa de modo estanque a esta. Portanto, é o interior da parte 44 que constitui o primeiro comparti, mento 32 e o volume situado entre a membrana 44 e a caixa 28 que constitui o segundo compartimento 36. Este está em comuni caçáo com a conduta 22 de partida de água quente por um tubo 38: o dito tubo desemboca na conduta 22 num ponto situado a montante da válvula 26 e que se pode achar, por exemplo, próx_i mo da saída do permutador 20 na parte superior da cuba 12.

funcionamento do dispositivo mostrado na figura 5 é praticamente o mesmo dos dispositivos mostrados nas figuras 3a, 3b e 4.

Quando a válvula 26 é aberta e a água circula da conduta 16 para a conduta 22 através do permutador 20, há uma perda de pressão entre a parte 44 da conduta 16 e a conduta 22. A pres. são de água é, portanto, maior na parte 44 da conduta 16 do que na conduta 22. A membrana 44 dilata e, assim, ocupa a posição 44a representada a traços cheios na figura 5. Quando se fecha a válvula 26, a água já não circula e a pressão é a mesma na conduta 16, permutador 20 e conduta 22. A membrana 44 volta então à sua posição normal 44b, representada esquematicame_n te a tracejado no desenho. Isto faz com que seja impelida pa67 079

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-9ra o permutador 20 a água Fria contida no compartimento 32, e para a parte da conduta 16 situada entre aquele e o permutador, enquanto a água quente contida no permutador é afastada através da conduta 38 até ao compartimento 36.

Igualmente neste caso, pode adoptar-se uma disposição se melhante à da figura 4, suprimindo-se o tubo 38 e a válvula 26 e pondo-se o compartimento 36 em comunicação directa com a atmos fera.

A figura 6 é uma vista semelhante à da figura 5, mas nes ta variante o elemento deslocável é constituído por um pistão 46, móvel no interior da caixa 28. Como na Figura 5, represeri taram-se a traços mistos a cuba 12, os queimadores 14 e o tubo de chegada de gás 15. Acha-se igualmente a conduta 16 de chegada de água fria, o tubo permutador 20 e a conduta 22 de partida de água quente tendo uma válvula 26. Encontra-se ainda a caixa 28 mas a membrana deformável é substituída por um pistão 46 móvel no interior dessa caixa. Vemos o primeiro compartimen to 32 comunicando com a conduta 16 por um tubo 34 e o segundo compartimento 36 comunicando com a conduta 22 por um tubo 38 que desemboca naquela num ponto situado a montante da válvula 26. Vê-se ainda a mola 40, situada no compartimento 36 e disposta de maneira a impelir o pistão para a direita quando se olha para a figura 6.

Esta figura corresponde à representação em que a válvula 26 está aberta e, portanto, a água circula da conduta 16 para a conduta 22 através do permutador 20. Neste caso, a pressão na conduta 16 e, portanto, no compartimento 32 é superior à existente na conduta 22 e, portanto, no compartimento 36. Devido a essa diferença de pressão, estando a mola 40 com tara conveniente, o pistão 46 desloca-se para a esquerda em relação à figura 6. Quando a válvula 26 está fechada a pressão é a mesma na conduta 16, permutador 20 e conduta 22 e, consequente mente, será a mesma nos compartimentos 32 e 36. Sob a acção da mola 40 o pistão 46 desloca-se para a direita em referência à figura, e a água fria á impelida para o tubo 34 e conduta 16: este facto faz com que a água quente contida no permutador 20

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-10seja repelida para o tubo 3Θ e, de lá, para o compartimento 36.

Representou-se ainda na figura 6 um diafragma 48 colocado no tubo 34, sendo esse diafragma destinado a controlar o es coamento da água fria.

A título de experiência fez-se um dispositivo de acordo com o da figura 6, montado num esquentador com a potência ηοπύ nal 8,7 kW. 0 diafragma 48, colocado no tubo 34 entre a condii ta 16 e a caixa 28, tinha um diâmetro de 4 mm. A caixa 28 era cilíndrica, com □ comprimento de 150 mm e de diâmetro 25 mm, tendo o pistão um comprimento de 15 mm. A mola utilizada tinha uma força de 15 Newtons por metro (N/m). 0 sobreaquecimento medido no aparelho com o dispositivo de redução do calor de acordo com o invento era de 31,59C enquanto que com o dispositivo do invento o sobreaquecimento máximo era apenas de 139C.

Vê-se, pois, que o dispositivo objecto do invento tem vantagens com muito interesse, cuja principal é diminuir o aumento da temperatura observada, quando se acciona o aparelho de aquecimento. Por outro lado, como a temperatura da água contida no permutador é menor, isso leva a uma redução das incrustações calcáreas no permutador e, daí, segurança e duração do aparelho melhoradas.

Por fim, entenda-se que o invento não se limita aos únicos modos de realização que acabam de ser descritos, pois podem conceber-se variantes sem se sair do âmbito do invento. Desta maneira qualquer aparelho de aquecimento dum fluido (esquentadores, caldeira de gás, etc.) pode ser equipado com um dispositivo de controlo do sobreaquecimento e da formação de incrustações calcáreas de acordo com o invento.

Além disso, pode utilizar-se ou não um diafragma, como seja o diafragma 48 da figura 6 montado no tubo 34. Esse mesmo tubo 34 pode desembocar na conduta 16, em qualquer sítio da mesma a montante do permutador 20, contudo na condição de desembocar a jusante da válvula 42, nos casos semelhantes ao da figura 4, em que a conduta 22 comunica directamente com a atmosfera. Quanto ao tubo 38, ele pode desembocar na conduta

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-1122 em qualquer ponto a jusante do permutador 20, contanto que esse ponto se ache a montante da válvula 26 no caso em que a conduta de partida ou distribuição de água quente esteja equipada com a dita válvula.

Por outro lado lembramos que na maior parte dos casos a conduta de chegada 16 da água fria tem nela um dispositivo de variação de pressão (não indicado nos desenhos) que serve para controlar a alimentação de gás combustível. 0 tubo 34 pode de. sembocar na conduta 16, tanto a montante como a jusante desse dispositivo de variação de pressão.

Nos exemplos descritos acima, o recinto de volume variável é constituído pelo primeiro compartimento duma caixa que contém ou uma membrana deformável ou um pistão móvel. Num e noutro caso, o segundo compartimento pode ser posto em comunicação quer com a conduta de partida do fluído quente, quer com a atmosfera. Sem se sair do âmbito do invento poder-se-ía even tualmente suprimir o segundo compartimento da caixa e limitar a mesma ao primeiro compartimento no caso em que o segundo lado da membrana ou do pistão é submetido à pressão atmosférica.

Claims (9)

1. REIVINDICAÇÕES

   1 - Dispositivo para o controlo do sobreaquecimento e da

   formação de incrustaçães calcáreas, destinado a um aparelho de aquecimento de um fluido que inclui: - uma conduta de chegada (16) do fluido frio, - uma conduta (22) de partida do fluido quente,

   - um permutador (20) que comunica por um lado com a dita conduta (16) de chegada do fluido frio e, por outro lado, com a dita conduta (22) de partida do fluido quente, circulando o fluido quando o aparelho funciona, da conduta de chegada (16) para a conduta de partida (22) através do permutador (20), e

   - meios (14) para aquecer o fluido que se encontra no permutador (20), caracterizado por incluir um recinto (32) de volume variável que comunica com a conduta (16) de chegada do fluido frio, sen do esse recinto (32) limitado pelo menos parcialmente por um elemento deslocável (30) que tem um primeiro lado submetido à pressão existente na conduta (16) de chegada do fluido frio e um segundo lado submetido a uma pressão de referência, sendo o dito elemento (30) deslocável sob o efeito da diferença de pres. são entre os seus dois lados.
2. 2 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracte rizado por o dito elemento deslocável ser uma membrana deforrná vel (30).
3. 3 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracte rizado por uma parte (44) da conduta (16) de chegada do fluido frio ser feita de um material flexível e constituir assim a membrana deformável, formando a dita parte (44) da conduta de chegada o recinto (32) de volume variável.
4. 4 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito elemento deslocável ser um pistão (46) móvel no interior duma caixa (28).

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5. 5 - Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações de 1 a 4, caracterizado por o segundo lado do elemento deslocá. vel ser submetido a pressão existente na conduta (22) de part_i da do fluido quente.
6. 6 - Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações de 1 a 4, caracterizado por, estando a conduta de partida do fluido quente (22) em comunicação directa com a atmosfera, o segundo lado do elemento deslocável (30) ser submetido à pressão atmosférica.
7. 7 - Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações de 1 a 6, caracterizado por incluir ainda meios para deslocar o elemento deslocável (30) de modo a diminuir o volume do dito recinto de volume variável (32).
8. 8 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 7, caracte rizado por os ditos meios de deslocação incluirem uma mola (40) tendo uma primeira extremidade fixa ao elemento deslocável (30) e uma segunda extremidade fixa a um elemento que por sua vez está fixo em relação ao resto do aparelho.
9. 9 - Aparelho para o aquecimento dum fluido que inclui:

   - uma conduta (16) de chegada do fluido frio,

   - uma conduta (22) de partida do fluido quente,

   - um permutador (20) que comunica por um lado com a dita conduta (16) de chegada do fluido frio e, por outro lado, com a dita conduta (22) de partida do fluido quente, circulando o fluido quando o aparelho funciona, da conduta de chegada (16) para a conduta de partida (22) através do permutador (20), e

   - meios (14) para o aquecimento do fluido que se encontra no permutador (20), caracterizado por ter um dispositivo de controlo do sobreaquecimento e da formação de incrustações calcáreas de acordo com qualquer das reivindicações de 1 a 8.