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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, in
einem Behälter
mit elektrischer Energie, wobei die elektrische Energie über Anschlussleitungen
dem Behälter
zugeführt
wird.
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Eine
solche Einrichtung ist beispielsweise aus der DE-4403215 bekannt.
Dort wird ein elektrisches Heizelement in Form eines Heizstabes
oder einer Heizschlange beschrieben. Dieses ist insbesondere für die Warmwasserbereitung
vorgesehen. Das Element besteht aus einem Mantelrohr, das jeweils endseitig
mit wasserdicht angeschlossenen Befestigungslaschen zum dichten
Ein- oder Anbau in oder an Wärmegeräten versehen
ist. Im Inneren des Mantelrohres verläuft eine, diesem gegenüber elektrisch isoliert
angeordnete Heizwendel, deren elektrische Anschlüsse auf der dem Mantelrohr
abgewandten Seite der Befestigungsflansche münden. Das Mantelrohr trägt mehrere
im wesentlichen senkrecht zu seiner Längsachse ausgerichtete Wärmeleitbleche. Ein
Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass zwischen Mantelrohr
und Heizwendel eine zuverlässige
Isolierung erforderlich ist. Diese muss temperatur- und alterungsbeständig sein
und eine gute Wärmeübertragung
gewährleisten.
Damit wird der Aufbau des elektrischen Heizelementes aufwendig und teuer.
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Aus
der
DE 7240308 U ist
eine Elektrodengruppe in einem elektrischen Heißwasserbereitungsgerät zu entnehmen.
Es handelt sich dabei um eine Dreiergruppe, die mittels Drehstrom
beaufschlagt wird.
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Aus
der
DE 458334 C ist
eine Elektrokessel für
verhältnismäßig niedrige
Spannungen bekannt. Auch hier werden ansich bekannte winkelförmige Elektrodenplatten
benutzt. Diese werden im Grundriss sternförmig zu einem entsprechenden
Gebilde zusammengestellt.
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Die
CH 671313 A5 beschreibt
eine Elektrodendreiphasenheizvorrichtung mit Stufenregelung der
Leistung. Diese besteht aus 7 Elektroden die hexagonal mit einer
zentrischen Elektrode in der Achse eines Metallmantels angeordnet
sind der mit elektrisch leitfähiger
Flüssigkeit
gefüllt
ist.
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Die
CH 242 118 beschreibt einen
elektrischen Durchlauferhitzer mit Elektroden für Kaffeemaschinen, wobei die
Elektroden im Bezug aufeinander einstellbar sind um über den
Abstand die Leistung und damit die Erwärmung des Wassers anpassen
zu können.
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Aus
der
DE 75 35 134 U ist
ein Elektrodenkessel zu entnehmen mit in Abständen nebeneinander angeordneten
Phasenelektroden und mit Nullelektroden. Auch hier besteht die Möglichkeit,
durch Ein- und Ausschwenken die elektrische Leistung zu steuern.
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Die
DE 356 288 C beschreibt
eine Einrichtung zum Erwärmen
von fließenden
Flüssigkeiten. Der
elektrische Strom wird 3-leitrig zugeführt. Die Elektroden weisen
jeweils einen sektorförmigen Querschnitt
auf und sind um einen zentralen, isolierenden Körper angeordnet.
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Die
DE 404 542 C beschreibt
einen regelbaren Flüssigkeitswiderstand
mit einer Mehrzahl axial in eine verschiebbare Gegenelektrode eingreifende Elektrode.
Auch hier besteht die Möglichkeit,
die Leistung zu regeln.
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Aus
der
DE 4238825 ist ein
Flachheizkörper und
ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Dieser Flachheizkörper weist
im Inneren mäanderförmig angeordnete
flexible elektrische Heizleiter auf. Der Flachheizkörper ist
sandwichartig aufgebaut, wobei auf eine Natursteinplatte eine Kunststeinschicht geformt
wird, die die elektrischen Heizleiter vollständig umschließt. Die
Formgebung der Kunststeinschicht des Flachheizkörpers erfolgt in einem Arbeitgang,
der gleichzeitig die Integration der elektrischen Heizleiter und
gegebenenfalls die Aufnahme von Befestigungselementen umfasst. Auch
bei diesem Flachheizkörper
ist eine zuverlässige
Isolierung des elektrischen Heizleiters erforderlich.
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Es
ist ferner aus der
DE 19531133 ein
elektrischer Durchlauferhitzer bekannt. Dieser ist in bekannter
Weise aufgebaut und mit mehreren einstellbaren Heizleistungsstufen
und einer Einrichtung zur Einstellung der Heizleistungsstufen versehen.
Zur Steuerung bzw. der Regelung der Heizleistungsstufen ist ein
Fuzzy-Logic vorgesehen, welche eine oder mehrere der Eingangsgrößen Sollwertabweichung für die aktuelle Flüssigkeitstemperatur,
zeitliche Temperaturänderung
und deren Ableitung, Flüssigkeitseintrittstemperatur,
Flüssigkeitsstromrate
und deren Ableitung bewertet. Die elektronische Regelung ist sehr
aufwendig und störanfällig, sie
lässt sich insbesondere
bei einfachen Systemen aufgrund der hohen Kosten nicht anwenden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Erwärmen von
Flüssigkeiten, insbesondere
von Wasser, zu schaffen, welche kostengünstig herstellbar ist und einen
hohen Wirkungsgrad aufweist, sowie einfach steuerbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein
Vorteil der Erfindung liegt darin, dass eine Isolierung der flächigen Elemente
nicht erforderlich ist. Durch den elektrischen Widerstand der Flüssigkeit
entsteht über
die Flüssigkeitsstrecke
ein Spannungsabfall, der Elektronenfluss bewirkt eine rasche und
verlustfreie Erwärmung
dieser Flüssigkeit.
Aufgrund des Potentialausgleichs der die Elemente umgebenden Flüssigkeit,
befindet sich diese im spannungslosen Zustand und ist daher frei
von gesundheitsgefährdenden
Spannungspotentialen.
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Gemäß der Erfindung
sind die elektrisch leidenden Elemente V-förmige Platten, die in sternförmiger Anordnung
im Behälter
angeordnet sind. Die Platten weisen einen Abstand voneinander auf,
der annähernd
konstant ist.
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In
Ergänzung
hierzu ist zwischen zwei benachbart liegenden Schenkeln der v-förmigen Platten eine weitere
Platte vorzusehen, die mit dem Spannungspotential der gegenüberliegenden
V-förmigen Platte
versehen ist, d. h. mit diesem Element elektrisch leitend verbunden
ist.
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Ferner
kann vorgesehen sein, in den V- Ausschnitt jedes V-förmigen Elementes
eine weitere elektrische Platte anzuordnen, Diese kann mit einem Null-
Leiter verbunden sein oder mit der Anschlussleitung eines benachbarten
Elements.
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Eine
erste Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Einrichtung mit
Drehstrom zu betreiben, an diesem Fall sind drei elektrisch leitende
Elemente vorgesehen, welche jeweils mit einer Phase des Drehstromanschlusses
verbunden sind. Dieses System bewährt sich vor allem bei zylinderförmigen Flüssigkeitsbehältern.
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Eine
weitere vorteilhaft Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, den Behälter über den
Null- Leiter elektrisch zu isolieren, damit wird in einer weiteren Sicherheitsstufe
für potentialfreie
erwärmte
Flüssigkeit
gesorgt.
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Alternativ
zu der konstanten Anordnung der Platten besteht die Möglichkeit,
den Abstand zwischen den elektrisch leitenden Elementen variabel
zu gestalten, dadurch lässt
sich der Widerstand zwischen den Platten steuern.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung beschreibt die vorteilhafte
Anwendung von Endscheiben, welche die Platten begrenzen und Öffnungen zum
Erzielen einer gerichteten Flüssigkeitsströmung aufweisen.
Diese Endscheiben sind beispielsweise gelochte Scheiben, wobei die
offene wirksame Fläche
die Strömungsgeschwindigkeit
definiert.
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Eine
konstruktiv besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Einrichtung
sieht vor, die elektrisch leitenden Elemente in einem im wesentlichen
geschlossenen System anzuordnen, wobei dieses geschlossene System
in dem Behälter
angeordnet ist und einen Einlass für die zu erwärmende Flüssigkeit
aufweist, sowie mehrere Auslässe
für die
erwärmte
Flüssigkeit.
Die Flüssigkeit
strömt
aufgrund der Erwärmung
nach oben und wird um annäherungsweise 180 ° umgelenkt.
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Die
Ausströmung
erfolgt bevorzugt an radial angeordneten Öffnungen des Systemmantels.
Der Behälter,
welcher als Brauchwasserbehälter
oder Heizwasserbehälter
ausgestaltet ist, weist gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung am unteren Ende einen Flüssigkeitseinlauf
auf und im oberen Bereich einen Flüssigkeitsauslauf.
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Die
Erwärmung
der Flüssigkeit
erfolgt im wesentlichen im Bereich des Flüssigkeitseinlaufs.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird durch einen Behälter aus Flussstahlrohr definiert,
der mit einem Durchmesser von 150 bis 400 mm hergestellt ist und
eine 50mm starke Isolierung aufweist. Die elektrisch leitenden Platten
sind korrosionsfrei aus V2A- Stahl hergestellt.
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Weiterbildungsgemäß ist der
Behälter
mit einer Gewindemuffe für
den Anschluss eines Sicherheitsventils und einer Vor- und Rücklaufmuffe
für Zentralheizungsanschlüsse oder
für Brauchwasseranschlüsse vorgesehen.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Endscheiben der Heizeinrichtung
hinsichtlich der Werkstoffauswahl ist die Verwendung von Kunststoff.
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Diese
und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung
sind nicht nur in den Unteransprüchen
sondern auch in der Beschreibung enthalten und/oder in den Zeichnungen
dargestellt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend mit mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Es
zeigt
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1 einen
Heizkessel in einer Schnittdarstellung,
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2 in
einer Detaildarstellung eine Draufsicht auf die Frequenz-Elektrodenheizkammersterne nach
dem Stand der Technik,
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3a–d in verschiedenen Darstellungen drei Frequenz-Elektrodenheizkammersterne
nach dem Stand der Technik,
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4a–d in verschiedenen Darstellungen Frequenz-Elektrodenheizkammersterne
mit zusätzlichen
Elementen nach dem Stand der Technik,
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5 den
Elektronenfluss zwischen den einzelnen Elementen von 4a–d,
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6 das
Anschlussschema der in 5 dargestellten Platten,
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7a–b eine perspektivische Darstellung einer
weiteren Ausführung,
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8 den
Elektronenfluss zwischen den einzelnen Platten gemäß 7,
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9 die
Verdrahtung des gesamten Systems gemäß 7,
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10 ein
Kesselsystem ohne verengten Zylinder.
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Der
Heizkessel gemäß 1 besteht
aus einem thermisch isolierten Gehäuse 10, das im geodätisch unteren
Bereich einen Flüssigkeitszulauf 11, und
im oberen Bereich einen Flüssigkeitsauslauf 12 aufweist.
Im Bereich des Flüssigkeitszulaufes
sind drei Frequenz-Elektrodenheizkammersterne 13, 14, 15 in
Form von elektrisch leitenden Platten angeordnet. Diese sind mit
Anschlussleitungen 16, 17, 18 verbunden.
Außerdem
ist ein Null- Leiter 19 vorgesehen. Die Anschlussleitungen
führen
im oberen Bereich des Behälters
durch geeignete Öffnungen
und eine Abdeckung 20 zu der hier nicht dargestellten Spannungsversorgung.
Der Heizkessel besteht bevorzugt aus Flussstahlrohr von einem Durchmesser von
etwa 300 mm und weist am Gehäuse 10 eine
ca. 50mm starke Isolierung auf. Die Frequenz-Elektrodenheizkammerersterne
sind aus V2A- Edelstahl hergestellt. Die Frequenz-Elektrodenheizkammersterne 13, 14, 15 befinden
sich in einem etwas kleineren Zylinder, der an das Gehäuse 10 angeschweißt ist.
In diesem Zylinder ist ein unterer Strömungsgleichrichter 21 und
ein oberer Strömungsgleichrichter 22 vorgesehen.
Die Flüssigkeit
strömt über den
Flüssigkeitszulauf 11 gemäß den Pfeilen
in den kleineren Zylinder verteilt sich über Bohrungen des Strömungsgleichrichters
und strömt
an den Frequenz-Elektrodenheizkammersterne
vorbei nach oben und tritt über
den Strömungsgleichrichter 22 aus.
Während
des Durchströmens
durch die Frequenz-Elektrodenheizkammersterne
wird die Flüssigkeit
sehr rasch erwärmt
und auf die erforderliche Kesseltemperatur gebracht.
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2 zeigt
in einer Detaildarstellung eine Draufsicht auf die Frequenz-Elektrodenheizkammersterne 13, 14, 15.
Diese bestehen wie dargestellt aus V-förmigen
Platten, die sternförmig
angeordnet sind und einen Abstand voneinander aufweisen. An dem Verbindungspunkt
der beiden Schenkel befindet sich jeweils die entsprechende Anschlussleitung.
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In
der 2 deuten die Pfeile den Elektronenfluss an, der
sich zwischen den einzelnen Platten ausbildet und zu einer Erwärmung der
darin befindlichen Flüssigkeit
führt.
Der Heizstern ist so ausgeführt,
dass die Anschlussphasen der Heizsterne gleichmäßig Strom aufnehmen.
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3a zeigt
in einer perspektivischen Darstellung die drei Frequenz-Elektrodenheizkammersterne 13, 14, 15 mit
den entsprechenden Anschlussleitun gen. Diese sind, wie in 3b gezeigt
zwischen zwei Kunststoffplatten 23, 24 fixiert.
Die Kunststoffplatten weisen wie in 3c und 3d dargestellt, Öffnungen 25, 26, 27 für die Anschlussleitungen
sowie Öffnungen 28, 29, 30 zum
Fixieren der Frequenz-Elektrodenheizkammersterne 13, 14, 15 auf.
Ferner befinden sich in den Kunststoffplatten eine Vielzahl von Öffnungen,
durch welche die Flüssigkeit
strömt.
Durch die Befestigung der Elektrodensternbleche an den Kunststoffplatten
wird ein Sicherheitsabstand zur Kesselaußenwand eingehalten. Außerdem ist
der Abstand der Elektrodenbleche zueinander gewährleistet. Die Frequenz-Elektrodenheizkammersterne 13, 14, 15,
sind im Durchmesser und in der Höhe
dem verengten Zylinder des Heizkessels in 1 genau
angepasst, sodass das Heizrücklaufwasser
durch die Öffnungen
der gelochten Kunststoffplatten durch die Elektrodensterne fließen muss,
d. h. dass die Frequenz-Elektrodenheizkammersterne im Durchmesser
und in der Höhe
gleiche Baumaße
haben.
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Das
Heizsystem kann eine normierte Bauweise aufweisen, dadurch werden
die Anschaffungskosten des Heizkessels zum kostengünstigen
Heizen von Etagenwohnungen, Ein- und Mehrfamilienhäusern erzielt.
Die Öffnungen 25 bis 30 in
den Kunststoffplatten sind dem Heizungsvorlaufdurchmesser (Durchflussmenge),
sowie dem Heizungsrücklaufdurchmesser
angepasst.
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Das
Aufheizen des Heizungswasser im Frequenz-Elektrodenheizkammersterne-Bereich erfolgt durch
den Anschluss an das Stromnetz mit 380 Volt, sowie der entsprechenden
Anwendung der Erdelektrode im Sternmittelpunkt und an der Kesselaussenwandung.
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4a beschreibt
in perspektivischer Darstellung Frequenz-Elektrodenheizkammersterne 13, 14, 15,
bei denen zusätzliche
Elemente 31, 32, 33, eingefügt sind.
Diese Elemente befinden sich ebenfalls zwischen den Kunststoffplatten 23, 24,
die wie in 4b, sowie in 4c und 4 d gezeigt, Öffnungen 34 bis 44 aufweisen,
wobei die Fixieröffnungen 41, 42 und 44 für die Durchleitung
der Anschlüsse 16, 17, 18 vorgesehen
sind.
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Der
Elektronenfluss zwischen den einzelnen Elementen ist in 5 dargestellt.
Aufgrund der engeren Bauweise wird der Widerstand zwischen den einzelnen
Plat ten geringer, dadurch erhöht
sich der Stromfluss und damit auch die Wärmeerzeugung. Aufgrund dieser
hohen Energiedichte, die flächendeckend
auf das gesamte durchströmende
Heizungswasser wirkt, wird dieses in Sekunden auf hohe Temperaturen
aufgeheizt. Beim schnellen Aufheizen bis zur eingestellten Heizungswassertemperatur
wird durch thermostatische Abschattung der Heizeinrichtung bei dem
hoch erhitzten Speicherwasser ein langes Nachheizen ohne Strom,
des im Umlauf zirkulierenden Heizungswassers der Heizungsanlage
erreicht.
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6 zeigt
das Anschlussschema der in 5 dargestellten
Platten bzw. Frequenzelektrodenheizkörpersterne. Das Anschlussschema
lässt erkennen,
dass eine sehr einfache elektrische Verdrahtung benötigt wird,
die damit auch störungsunanfällig ist.
Die Elemente 31, 32, 33 sind lediglich
jeweils mit einem elektrischen Leiter 45, 46, 47 mit
den Frequenz-Elektrodenheizkammersterne 13, 14,
und 15 verbunden.
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In 7a ist
eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführung dieses
erfindungsgemäßen Heizsystems
gezeigt. Zusätzlich
zu den Frequenz-Elektrodenheizkammersterne 13, 14, 15,
und den Elemente 31, 32, 33 sind Zwischenplatten 48, 49, 50 vorgesehen.
Diese befinden sich wie in 7b deutlich
gezeigt, zwischen benachbarten Schenkeln der V-förmig Frequenz-Elektrodenheizkammersterne
und verringern in diesem Bereich den Abstand zwischen diesen beiden
Schenkeln.
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Die 8 zeigt
den Elektronenfluss zwischen den einzelnen Platten bzw. Elementen 13, 14, 15,
sowie 31, 32, 33 und 48, 49, 50.
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9 zeigt
die Verdrahtung des gesamten Systems mit den Anschlussleitungen 51, 52, 53, 54, 55, 56.
Die Anschlussleitungen 53, 54 sind mit dem Leiter
L2, die Anschlussleitung von 51, 52 mit dem Leiter
L1 und die Anschlussleitungen 55, 56 mit dem Anschluss
L3 verbunden. Am Gehäuse 10,
sowie im Mittelpunkt des Gehäuses
befindet sich jeweils der Null-Leiter 19.
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10 zeigt
ein Kesselsystem ohne verengten Zylinder, wobei das Heizsystem mit
einem besonders gelochten Zylindermantel 57 umhüllt. wird.
Dieser kann aus Kunststoff oder aus Edelstahl hergestellt sein und
ist ein Sog. Wasserumkehrmantel.
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Über den
Flüssigkeitszulauf 11 eingeleitete Kaltwasser
strömt
von unten über
das Heizsystem über
die Öffnungen 59, 60 des
ersten Bodens und über
den Zwischenboden 61 in das Heizsystem ein, dort wird das
Wasser sehr rasch erwärmt,
steigt nach oben und wird, da der Kunststoffdeckel 62 lediglich mit
klein dimensionierten Öffnungen
für die
Entlüftung
versehen ist, zu 99 % nach unten umgekehrt und kann über den
gelochten Außenmantel 57 mit Druck
ins Speicherwasser des Kessels entweichen. Durch den hohen thermischen
Druck, der im Heizstern entsteht, wird das Kesselheizspeicherwasser
im Kessel stark umgewälzt
und schnell aufgeheizt. Da im Heizkammerstern durch den gelochten
Umkehrmantel hohe Überschussenergie
erzeugt wird, wird das gesamte Heizkesselwasser schnell auf eine hohe Überschusstemperatur
aufgeheizt, die das im Umlauf zirkulierende Heizungswasser ohne
Strom lange nachheizen kann. Beim Anheizen von ca. 15°kaltem Heizwasser
nimmt der Frequenz-Elektrodenheizkammerstern naturgemäß nur ca.
40 % seiner Anschlussleistung auf. Wäre der Frequenz-Elektrodenheizkammerstern
nicht mit einer gelochten Wasserumkehrwandung umhüllt, so
würde die
volle Anschlussleistung des Heizsternes nur mit dem gesamten Speichervolumen
des Heizkessels kontinuierlich in Verbindung mit der Heizwassertemperatur steigen
und würde
erst bei Erreichen von 80 ° Heizwasserspeichertemperatur
die volle Anschlussleistung von 100 % erreichen. Durch die gelochte
Wasserumkehrwandung des Außenmantels 57 in
Verbindung mit dem Frequenz-Elektrodenheizkammerstern im Heizungskessel
ist in einigen Sekunden die volle Anschlussleistung erreicht, weil
im Frequenz-Elektrodenheizkammerstern
sofort hohe Wassertemperaturen von ca. 95 °C entstehen. Mit der Ausführung des Heizkammersterns
mit der Wasserumkehrmantelung können
große
Nachtspeicherwarmwasserheizungen mit großvolumigen Speicherkesseln
kostengünstig aufgeheizt
werden, sowie auch Niedertemperaturheizungen mit einer Direktkesselheizung
wie in 10 gezeigt. Bei Direktheizungen
von Niedertemperatur und Etagenwohnungen wird der Wasserumkehrmantel
des Heizsterns mit einer Lochreihe versehen. Für Ein- und Mehrfamilienhäuser kann
dieser mit Zweilochreihen oder für
Nachtspeicheranlagen mit Dreilochreihen versehen werden. Selbstverständlich besteht
auch bei dem in 10 gezeigten System die Möglichkeit,
die Elektrodenplatten wie in 3 oder 4 oder 7 anzuordnen.
Grundsätzlich
lässt sich
mit dem beschriebenen System jede beliebige Heizleistung verwirklichen
ohne aufwendige konstruktive unterschiedliche Gestaltung der benötigten Elemente.