DE102006050508B4

DE102006050508B4 - Heizkörper mit Wassertaschen

Info

Publication number: DE102006050508B4
Application number: DE102006050508A
Authority: DE
Inventors: Rainer Schmitt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2026-10-27
Also published as: WO2008049390A1; DE102006050508A1; EP2084482A1

Abstract

Heizkörper mit Wassertaschen (3), dadurch gekennzeichnet, dass den Wassertaschen (3) ein Wärmeübertrager (1) zugeordnet ist, der zumindest einseitig eine Oberflächenbeschichtung aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweist, aus einer Legierung oder Materialmischung mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen besteht oder mit Rippen (6) aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen versehen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizkörper mit Wassertaschen.
Die JP 2005 228 855 A zeigt einen Radiator mit einer Beschichtung, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst. Der Radiator wird in direkten Kontakt mit einer festen Wärmequelle gebracht und findet als Kühler im Bereich der Halbleitertechnik Anwendung. Die Wärme von Chips wird über die Rippen des Radiators abgeführt.
Des Weiteren offenbart die DE 10 2004 044 352 A1 einen Heizleiter für eine Heizeinrichtung eines Elektrowärmegerätes, vorzugsweise eines Elektrokochfeldes, der durch Stromfluss Wärme erzeugt. Das Material des Heizleiters weist Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf.
Im Weiteren zeigt die DE 20 2004 017 339 U1 eine Wärmeleitpaste, die zu 10 bis 80 Gew.-% aus einem Füllstoff auf Basis von Graphitpulver und zu 20 bis 90 Gew.-% aus einem Matrixmaterial auf Basis von Öl, Fett oder Wachs besteht, wobei dem Füllstoff Kohlenstoff-Nanoröhrchen zugesetzt sein können. Die Wärmeleitpaste wird zur Herstellung einer wärmeleitenden Verbindung zwischen einem elektronischen Bauteil, wie z. B. einem Computerchip, oder einem elektrischen Bauteil, wie z. B. einem Leistungshalbleiter, und einem Kühlsystem verwendet.
Heizkörper werden in der Regel aus Stahl hergestellt, der eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 50 W/(mK) aufweist, und Wandheizungen werden oftmals aus Kupferrohren mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 380 W/(mK) gefertigt. Heizkörper werden in der Regel von einem warmen Fluid, insbesondere von Wasser, durchströmt, wobei die Wärmeübertragungsflächen im Bereich von Wassertaschen des Heizkörpers in direktem Kontakt mit dem warmen Fluid und der zu erwärmenden Luft stehen. Als problematisch erweist sich die relativ geringe Wärmeleitfähigkeit von Stahl oder Kupfer, insbesondere im Zusammenhang mit Heizungssystemen, wie beispielsweise einer Wärmepumpe, die mit einer relativ niedrigen Vorlauftemperatur betrieben werden, da zur angenehmen Beheizung eines Wohnraumes die Heizfläche relativ groß dimensioniert sein muss. Bei einem konventionellen Heizkörper befinden sich in der Regel Lamellen auf der Außenseite der mit dem Warmwasser durchströmten Wassertaschen, um die Wärmeübertragung durch Konvektion zu steigern, deren Anordnung allerdings aufgrund einer relativ geringen Wärmeübertragungsfläche sowie einer geringen Kontaktfläche zu der Außenseite der Wassertaschen nur eine verhältnismäßig niedrige Leistungssteigerung zur Folge hat.
Darüber hinaus sind Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) bekannt, die bei Raumtemperatur eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 6000 W/(mK) besitzen und gegenüber Stahl bei einer wesentlich geringeren Dichte eine wesentlich höhere Zugfestigkeit aufweisen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Heizkörper der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine gute Effizienz aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass den Wassertaschen ein Wärmeübertrager zugeordnet ist, der zumindest einseitig eine Oberflächenbeschichtung aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweist, aus einer Legierung oder Materialmischung mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen besteht oder mit Rippen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen versehen ist Mit der Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Legierung oder Beschichtung der Wärmeübertragerflächen im Bereich der Wassertaschen geht aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine Steigerung der Wärmeübertragung und damit der Effizienz einher. Hierbei können für die Herstellung der Heizkörper im Wesentlichen vorhandene Maschinen verwendet werden und Design-Merkmale der unterschiedlichen Heizkörper sowie deren Befestigungseinrichtungen können unverändert übernommen werden.
Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen verbessern aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit die Effizienz gegenüber konventionellen Wärmeübertragern, wobei es keine Rolle spielt, ob die Wärmeübertrager zum Heizen oder Kühlen eingesetzt und mit welchen Medien sie betrieben werden. Daraus resultiert, dass bei einer gegebenen Wärmemenge, die zu übertragen ist, die Wärmeübertragerfläche relativ klein dimensioniert werden kann und aufgrund der mechanischen Festigkeitswerte sowie der Dichte der Kohlenstoff-Nanoröhrchen ggfls. auch dünnwandige Leichtbauteile zur Verfügung gestellt werden können. Selbstverständlich ist es denkbar, den gesamten Wärmeübertrager im Wesentlichen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen unter Verwendung eines geeigneten Bindemittels zu fertigen. Bereits mit der Oberflächenbeschichtung eines beispielsweise metallischen Wärmeübertragers geht eine effiziente Wärmeübertragung von der warmen Seite des Wärmeübertragers zu der kalten Seite einher. Die prozentualen Maximalanteile in denen Metalle mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen legiert oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen unterschiedlichsten Materialien beigemischt werden, sind für den Fachmann leicht zu ermitteln, da er sich beispielsweise an der Zusammensetzung bekannter Materialien, die insbesondere mit Kohlenstofffasern verstärkt sind, orientieren kann. Im Weiteren ist es möglich, die Oberflächen des Wärmeübertragers mit Rippen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu versehen, um eine relativ große wärmeleitende Fläche bereitzustellen.
Bei einem Wärmeübertrager im Sinne der Erfindung handelt es sich um eine Vorrichtung, über die ein Medium an ein anderes Medium Wärme überträgt, ohne dass die Medien in direkten Kontakt miteinander kommen. Wärmeübertrager sind sowohl Heizkörper als auch Rohre, beispielsweise für eine Fußbodenheizung, und Wandheizregister oder auch in einem haushaltsüblichen elektrisch beheizten Wasserkocher vorhanden. Aber auch ein Estrich, Putz bzw. Fußbodenbelag mit zugeordneter Fußboden- oder Wandheizung stellt einen Wärmeübertrager im Sinne der Erfindung dar.
Bevorzugt ist zumindest in einer Wassertasche ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfassender Steg angeordnet. Der Steg kann zur Wärmeleitung in entsprechende Aussparungen bzw. Schlitze in der Wassertasche eingegossen werden und wird unmittelbar von dem warmen Wasser umströmt.
Zweckmäßigerweise steht der Steg mit Wärmeübertragerflächen, insbesondere auf der Innen- bzw. Rückseite, des Heizkörpers in Verbindung. Ein Heizkörper aus Stahl wird zur Ausbildung von Wassertaschen aus gestanzten und umgeformten Halbschalen zusammengeschweißt. Der aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen bestehende oder damit legierte bzw. oberflächenbeschichtete Steg kann auf der wasserführenden Seite der Wassertasche des Heizkörpers, also dessen Wärmeübertragerfläche, angeordnet werden, wonach eine schnell leitende zusätzliche Wärmeübertragerfläche zur Verfügung steht. Um die Wärmeübertragerfläche weitergehend zu vergrößern, weist vorteilhafterweise der Steg einen verrippten Querschnitt auf. Der Steg kann demnach tannenbaumartig gestaltet sein.
Zur Realisierung einer leicht zu bewerkstelligenden und dennoch abgedichteten Befestigung des Steges in der Wassertasche, ist vorzugsweise der Steg in der Wassertasche durch Kleben befestigt. Für eine Wärmeübertragung am die Umgebungsluft ragt der Steg ins Freie. Selbstverständlich können neben den Stegen weitere Wärmeleitrippen aus Stahl vorgesehen sein.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kom binationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Teilschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Heizkörpers und
2 eine weitere schematische Teilschnittdarstellung des Heizkörpers nach 1.
Bei dem Heizkörper handelt es sich um einen Flachheizkörper aus Stahl mit zwei als Wärmeübertrager 1 dienenden Wandungen 2, die derart umgeformt sind, dass nach ihrem Verschweißen vertikale Wassertaschen 3 gebildet sind, die mit einem Vorlauf 4 und einem Rücklauf 5 strömungstechnisch verbunden sind. Auf der Außenseite der einen Wandung 2 sind Rippen 6 befestigt. Um eine effiziente Wärmeübertragung zu gewährleisten, sind in die Wassertaschen 3 Stege 7 eingeklebt, die zur Vergrößerung ihrer Oberfläche einen verrippten Querschnitt aufweisen. Die Stege 7 sind entweder mit einem Material beschichtet, das Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthält oder bestehen aus einer Legierung mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und weisen damit eine gute Wärmeleitfähigkeit auf.
Um die Wärmeleitfähigkeit des Heizkörpers weiter zu verbessern, sind zusätzlich oder alternativ die als Wärmeübertrager 1 dienenden Wandungen 2 entweder aus einer Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthaltenden Legierung gefertigt oder mit Koh lenstoff-Nanoröhrchen oberflächenbeschichtet.
Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweisenden Bauteile, wie die Wandungen 2 oder die Stege 7, stehen unmittelbar mit dem warmen Wasser in den Wassertaschen 3 in Verbindung und leiten aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit dessen Wärme schnell ab. Demnach erwärmt sich die an dem Heizkörper entlang strömende Luft sehr schnell durch Konvektion. Auch die im Bereich der Stege 7 auf der Außenseite der entsprechenden Wandung 2 vorhandenen Rippen 6, die ebenfalls Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweisen können, erwärmen sich durch die herrschenden Temperaturunterschiede verhältnismäßig schnell. Insgesamt kann der Heizkörper die in einem Raum benötigte Wärme aufgrund der Kohlenstoff-Nanoröhrchen relativ schnell an die Umgebung abgeben, weshalb die Warmwasserheizungsanlage mit einer vergleichsweise geringen Vorlauftemperatur betrieben werden kann.

Claims

Heizkörper mit Wassertaschen (3), dadurch gekennzeichnet, dass den Wassertaschen (3) ein Wärmeübertrager (1) zugeordnet ist, der zumindest einseitig eine Oberflächenbeschichtung aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweist, aus einer Legierung oder Materialmischung mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen besteht oder mit Rippen (6) aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen versehen ist.
Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einer Wassertasche (3) ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfassender Steg (7) angeordnet ist.
Heizkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7) mit Wärmeübertragerflächen, insbesondere auf der Innen- bzw. Rückseite, des Heizkörpers in Verbindung steht.
Heizkörper nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7) einen verrippten Querschnitt aufweist.
Heizkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7) in der Wassertasche (3) durch Kleben befestigt ist.
Heizkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7) ins Freie ragt.