DE4431980A1

DE4431980A1 - Wassererhitzer

Info

Publication number: DE4431980A1
Application number: DE4431980A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Ing Ziegler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-09-10
Filing date: 1994-09-08
Publication date: 1995-03-23
Also published as: DE9313737U1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wassererhitzer gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1, wie er z. B. zur Brauchwassererwär mung oder bei Spül- und Waschmaschinen Verwendung findet.

Heizstäbe in Wassererhitzern, wozu neben einfachen Wasser erhitzern für den Haushalt insbesondere auch Brauchwasser erhitzer zu zählen sind, verkalken, d. h. der aus dem Wasser abgeschiedene Kalk lagert sich um die Heizstäbe an. Zur Vermeidung dieses Problems müssen daher entweder dem Brauch wasser eine Verkalkung verhindernde Chemikalie zugesetzt werden, oder die Heizstäbe müssen in regelmäßigen Abständen zum Beispiel durch Säurebehandlung entkalkt oder ausgewech selt werden. Insbesondere dann, wenn die Heizstäbe Teil einer größeren Maschine, zum Beispiel einer Waschmaschine o. ä. sind und schwer zugänglich sind, ist eine Entkalkung nicht ohne weiteres möglich und das Auswechseln der verkalkten Heizstäbe ist mit erheblichen Kosten verbunden.

Aus dem DE-GM 92 09 333.7 ist eine Vorrichtung zur automati schen Entfernung von Kalkrückständen an Heizstäben bekannt, bei der der Heizkörper mit einem Schlauch aus elastischem und wärmebeständigem Material ummantelt ist. Zwischen Heizstab und Schlauch befindet sich eine Pufferschicht aus wärmeleit fähiger Flüssigkeit, z. B. destilliertes Wasser, die sich bei Erwärmung zusammen mit dem Schlauch ausdehnt. Dadurch sollen die Kalkablagerungen an der Schlauchaußenwand abblättern. Bei dieser bekannten Vorrichtung findet jedoch eine nur relativ geringe Formveränderung statt, durch die nur geringe Wärme ausdehnung der Wasser-Pufferschicht, so daß ein ausreichend zuverlässiges Abplatzen der Kalkschicht nicht stattfinden kann.

Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Wassererhitzer oben genannter Gattung anzugeben, durch den Kalk- bzw. Wasserstein ablagerungen selbsttätig, optimal vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird durch einen gattungsgemäßen Wassererhitzer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Demgemäß ist die im wesentlichen hülsenförmige Ummantelung wesentlich länger ausgelegt als das Heizelement. Zudem ist die Ummantelung nur soweit mit wärmeübertragendem Puffermate rial (Wärmeübertragungsfluid) gefüllt, daß das Heizelement ausreichend mit diesem Material/Fluid bedeckt ist. Das rest liche, fluidlose Ummantelungsvolumen ist ein Expansionsvolu men, das mit einem Ausdehnungs-/Expansionsmaterial, das einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, gefüllt ist. Das Expansionsmaterial kann ein neutrales Gas, z. B. Luft sein, das sich bei Erwärmen relativ stark ausdehnt und dadurch die Ummantelung ausdehnend relativ stark mitverformt.

Bei Ausführung der Ummantelung als elastische Schlauch-Hülse, also einer relativ glattwandigen Ummantelung, wird sich dieser bei Erwärmung insbesondere des Expansionsmaterials, sowohl in radialer als auch in axialer Richtung hin entspre chend ausdehnen, wodurch die unelastische Wassersteinablage rung abplatzt.

Die Ummantelung der Heizelemente kann in weiterer Aus führungsform der Erfindung als Wellrohrhülle ausgestaltet werden, wobei sich ebenfalls im Innenraum der Wellrohrhülle neben dem Wärmeleitfluid auch das Expansionsgas befindet. Hier wird sich die Wellrohrhülle, kurz: das Wellrohr, bei der Erhitzung des zu erwärmenden Wassers von Raumtemperatur auf die gewünschte Endtemperatur kontrolliert strecken und beim Abkühlen kontrolliert wieder zusammenziehen. Ein Kalkansatz wird dadurch verhindert, daß die Wärmebewegung der Oberfläche des Wellrohrs die Ausbildung des Kalkbelages verhindert bzw. einen derartigen Belag kontrolliert absprengt, bevor er eine für die Verwendung bzw. für den Wirkungsgrad schädliche Dicke erreichen kann. Das Recken der Wellrohrhülle bewirkt somit eine optimale Formänderung an den "Wellenradien", wodurch das Abblättern der anhaftenden Kalkschicht gefördert wird.

Es ist zwar bereits bekannt, durch elastische Verformungen von den Wandungen wasserführender Systeme die Ablagerungen von Kesselstein zu vermeiden. So ist es aus der DE-PS 1 76 206 bekannt, wasserführende Rohre mit elastischen Wandungen, z. B. gewalzte Messing- und Bronzerohre, zu verwenden, auf die man einen äußeren radial wirkenden Druck ausüben kann, der ent sprechende Ablagerungen in den Rohren zerbrechen soll. Der Druck soll mechanisch, z. B. durch Walzenpaare, ausgeübt werden.

Aus der DE-PS 6 06 028 ist zudem der Vorschlag bekannt, einen Ansatz von Kalk in Wärmetauschapparaten und Rohrleitungen dadurch zu vermeiden, daß man durch einen Druckwechsel eine Formänderung hervorruft, die zu einem Zerbröckeln abgeschie dener Kalkkrusten führen soll. Es ist nicht vorgesehen, Formänderungen auszunutzen, die durch Temperaturunterschiede beim bestimmungsmäßigen Gebrauch der beschriebenen Vorrich tungen enthalten werden.

Auch ist aus dem DE-GM 92 01 768.1 ein Brauchwasserspeicher bekannt, bei dem ein gegen eine Druckfeder arbeitender Well rohr-Balg als Volumenausgleichselement vorgesehen ist.

Schließlich ist aus der DE-OS 33 24 423 ein Wasserspeiche rerhitzer bekannt, bei dem ein Tauchheizstab von einem hül senförmigen Behälter umgeben ist, der mit einer Heizflüssig keit/Puffermaterial gefüllt ist, um die Wärmetauschfläche mindestens auf das Dreifache zu vergrößern. Die Behälterober fläche kann noch weiter vergrößert werden, indem die Behäl terwandung wellenförmig ausgestaltet wird. Durch diese Ober flächenvergrößerung soll die Temperatur der Außenseite des Behälters und damit die Oberflächenbelastung verringert und infolgedessen eine Kesselsteinbildung an der Außenseite des Behälters verhindert oder möglichst klein gehalten werden. Ein selbständiges Abblättern von auf der Außenseite des Behälters abgelagerten Kesselsteins ist hier jedoch nicht möglich, da eine hierfür zu geringe Oberflächenbewegung stattfindet.

Wie bereits aufgezeigt, ist erfindungsgemäß zur erforderli chen Wärmeübertragung zwischen dem Heizelement und dem zu erhitzenden Wasser das Volumen zwischen dem Heizelement und der Ummantelung mit einem Wärmeübertragungsfluid gefüllt. Der Begriff Fluid bezeichnet dabei irgendein formanpassendes Material, insbesondere eine Flüssigkeit. Er umfaßt jedoch auch fließfähige Pulver, die nicht zum Sintern oder Verkleben neigen und eine gute Wärmeübertragung sicherstellen.

Wenn das Wärmeübertragungsfluid selbst so ausgewählt wird, daß es eine ausreichende thermische Expansion aufweist, kann die Ummantelung, die vorzugsweise ein Wellrohr ist, auch vollständig mit einem derartigen Wärmeübertragungsfluid gefüllt sein. Es ist beispielsweise eine vollständige Füllung des Wellrohrs im kalten Zustand mit leicht beweglichen Pul vern denkbar, die ein erhebliches Gasvolumen enthalten, das sich beim Erhitzen stärker ausdehnt als die eigentlichen Pulverteilchen. Somit ist dann auch hier ein zwar verstecktes Expansionsvolumen vorhanden.

Zur Vergrößerung der thermischen Streckung ist von Vorteil, in der Wellrohr-Ummantelung oder in Verbindung mit dieser, einen gas- oder dampfgefüllten Hohlraum vorzusehen, der mit dem zu erhitzenden Wasser in einem Wärmeaustausch steht und ein Expansionsgasvolumen darstellt. Anstelle eines gasgefüll ten Kopfraums der Wellrohr-Ummantelung kann z. B. die Wandung eines Wassererhitzers mit einem oder mehreren Hohlräumen versehen sein, die z. B. über Rohre mit dem Wellrohr in Verbindung stehen, so daß eine Druckerhöhung in den genannten Hohlräumen bei Erhitzung des Wassers auf das Wellrohr über tragen wird und zu dessen Streckung führt.

Das Expansionsgasmittel dehnt sich bei Erwärmung elastisch aus und zieht sich bei Abkühlung wieder zusammen. Diese Bewegung wird auf die Ummantelung (z. B. das Wellrohr) über tragen, die so ausgestaltet ist, daß sie sich ebenfalls bei jedem Aufheizen ausdehnt und beim Abkühlen, z. B. beim Nach laufen von kaltem Wasser, wieder zusammenzieht. Sie besteht insbesondere aus einem elastischen Material mit einer solchen Wanddicke, daß sie sich leicht strecken und zusammenziehen kann. Dadurch ändern sich z. B. die Radien in den Wellen des Ummantelungs-Wellrohres ständig, und anhaftender Kalk blät tert ab, da er sich als sprödes Mineral nicht elastisch verformen kann.

Das Expansionsgasvolumen kann auch erst während der Verwen dung des Heizelementes gebildet werden, indem aus dem Wärme übertragungsvolumen eine leicht flüchtige Substanz verdampft wird, die gegebenenfalls beim Abkühlen wieder kondensiert oder sich wieder in der Wärmeübertragungsflüssigkeit löst. Auch chemische und/oder physikalische Absorptionsphänomene sind nutzbar, bei denen es zur Gasfreisetzung beim Erwärmen und zur Gasbindung beim Abkühlen kommt.

Die Heizelemente sind vorzugsweise so anzuordnen, daß sie im Gebrauch stets vollständig vom Wärmeübertragungsfluid umgeben sind, was am einfachsten durch eine senkrechte Anordnung erreicht wird. Jedoch ist z. B. auch eine horizontale Anord nung möglich, sofern die gleichen Funktionsbedingungen, nämlich insbesondere eine ausreichende Bedeckung der Heizel emente durch das Wärmeübertragungsmaterial, erfüllt sind. Dabei dann die Ummantelung einen runden Radialquerschnitt aufweisen oder, z. B. bei der horizontalen Anordnung, einen ovalen oder eiförmigen Querschnitt besitzen.

Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die Ummante lung z. B. das Wellrohr zusätzlich mit einer elastischen Beschichtung, z. B. aus Teflon, zu versehen, die die Haftung von Kalkablagerungen herabsetzt und deren Absprengen weiter erleichtert.

Als Wärmeübertragungsfluid sind insbesondere Flüssigkeiten mit einem guten Wärmeübertragungskoeffizienten geeignet. Zu derartigen Flüssigkeiten sollen auch Metallschmelzen oder flüssige Metalle gezählt werden.

Die Streckung der Wellrohrhülle dann auch durch eine Bime tallfeder, eine Memorymetallfeder oder eine mechanische Stellvorrichtung ausgeführt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand zweier Ausführungebei spiele unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen axialen Schnitt, schematisch dargestellt, durch eine erste Ausführungsform der Erfindung, mit schlauch förmiger Ummantelung,

Fig. 2 einen Schnitt wie in Fig. 1, durch eine zweite Aus führungsform, mit einer Wellrohr-Ummantelung, in zusammengezogenem Zustand der Ummantelung (abgekühlt), und

Fig. 3 die Anordnung gemäß Fig. 2, in expandiertem Zustand der Ummantelung (erwärmt).

In der Ausführungsform gem. Fig. 1 ist ein vertikal angeord neter Heizstab 1 im wesentlichen konzentrisch von einer als hülsenförmiger Schlauch 2 ausgebildeten elastischen Hülle umgeben. Der Schlauch 2 ist mit einem Wärmeübertragungsfluid 3, z. B. Wasser, soweit gefüllt, daß die obere Stirnseite des Heizstabes 1 ordnungsgemäß bedeckt ist, daß also die Ober fläche 6 des Fluids 3 von der Stirnfläche des Heizstabes 1 ausreichend entfernt ist, um eine gute Wärmeabgabe zu gewähr leisten. Zwischen Fluidoberfläche 6 und oberem Stirnpunkt 7 des Schlauches 2 ist ein fluidfreies, z. B. gas- oder dampf gefülltes Expansionsvolumen 8 vorgesehen. Dieser Aufbau ist z. B. über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Flansch verbindung an der Bodenseite eines Heizkessels 9 angeordnet, in dem sich das zu erwärmende Wasser befindet.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte zweite Ausführungsform der Erfindung weist als elastische, hülsenförmige Ummantelung ein Wellrohr 11 auf. Dieses Wellrohr 11 wird sich beim Erhit zen und Expandieren insbesondere des im Expansionsvolumen 8 befindlichen Mediums relativ stark längs strecken, wie der Vergleich der Fig. 2 (Kaltzustand) und Fig. 3 (Warmzustand) erkennen läßt.

Bezugszeichenliste

1 Heizstab
2 Schlauch
3 Wärmeübertragungsfluid
4 -
5 Stirnseite Heizelement
6 Fluid-Oberfläche
7 Stirnpunkt, Schlauch
8 Expansionsvolumen
9 Heizkessel
10 Wasser
11 Wellrohr
12 Wellen

Claims

1. Wassererhitzer mit einem in einem Volumen (z. B. Heizkessel) für das zu erhitzende Wasser angeordneten elektrischen Heizelement, z. B. Tauchheizstab, das mit einer im wesentlichen hülsenformigen Ummantelung aus elastischem und wärmebeständigen Material so umgeben ist, daß ein Zwischenraum zwischen ihnen vorhanden ist, wobei sich im Zwischenraum zwischen Heizelement und Ummantelung eine Pufferschicht befindet, die aus einer Wärmeübertragungsfluid besteht, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Ummantelung (2, 11) wesentlich länger ausgebildet ist als das Heizelement (1),
- daß die Ummantelung (2, 11) nur soweit mit dem Wärmeübertragungsfluid (3) gefüllt ist, daß das Heizelement (1) ausreichend wärmeableitend bedeckt ist,
- und daß das Ummantelungsvolumen ein Expansionsvolumen (8) ist, das mit einem Expansionsmaterial mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten gefüllt ist.

2. Wassererhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ummantelung ein an sich bekannter Schlauch vorgesehen ist.

3. Wassererhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ummantelung ein Wellrohr (1) vorgesehen ist.

4. Wassererhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsmaterial ein Gas oder eine Gas-Dampf-Mischung ist.

5. Wassererhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (2, 11) senkrecht stehend oder waagerecht angeordnet ist.

6. Wassererhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsfluid (3) eine hochsiedende Flüssigkeit oder ein bei den üblichen Betriebstemperaturen schmelzender Feststoff ist.

7. Wassererhitzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (3) außerdem eine niedrig siedende, bei Raumtemperatur flüssige weitere Substanz enthält.

8. Wassererhitzer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Substanz mit dem Wärmeübertragungsfluid (3) mischbar oder in diesem bei Raumtemperatur löslich ist.

9. Wassererhitzer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Substanz mit dem Wärmeübertragungsfluid (3) mischbar oder in diesem bei Raumtemperatur löslich ist.

10. Wassererhitzer nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Ummantelung (2, 11) mit dem Kombinations-Fluid (3) gefüllt ist.

11. Wassererhitzer nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Ummantelung (2, 11) umgebene Heizelement (1) so im Wassererhitzer, z. B. im Heizkessel (8) angeordnet ist, daß sie sich im Zulaufstrom des zufließenden Kaltwassers befindet.

12. Wassererhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung aus elastischem Metall oder Gummi gefertigt ist.