DE102018127305A1 - Electric heater element with an electrically operated heating element and an anode for cathodic corrosion protection - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Elektroheizerelement (10) zur Verwendung in einem Wasserspeicher, umfassend ein metallisches Befestigungselement (20) zur Befestigung des Elektroheizerelements (10) am Wasserspeicher, ein elektrisch betriebenes Heizelement (26), eine Anode (12) für kathodischen Korrosionsschutz und ein Abgleichwiderstandselement (46), wobei das Heizelement (26) über das Abgleichwiderstandselement (46) mit dem Befestigungselement (20) und/oder dem Wasserspeicher elektrisch kontaktiert ist, und das Heizelement (26) und die Anode (12) in räumlicher Nähe zueinander am Befestigungselement (20) angeordnet sind.The invention relates to an electric heater element (10) for use in a water reservoir, comprising a metallic fastening element (20) for attaching the electric heater element (10) to the water reservoir, an electrically operated heating element (26), an anode (12) for cathodic corrosion protection and a trimming resistance element (46), the heating element (26) being electrically contacted with the fastening element (20) and / or the water reservoir via the trimming resistance element (46), and the heating element (26) and the anode (12) in spatial proximity to one another on the fastening element ( 20) are arranged.
Description
Die Erfindung betrifft ein Elektroheizerelement mit einem elektrisch betriebenen Heizelement und einer Anode für den kathodischen Korrosionsschutz zur Verwendung in einem Wasserspeicher, insbesondere in einem Wasserspeicher für Warmwasser.The invention relates to an electric heater element with an electrically operated heating element and an anode for cathodic corrosion protection for use in a water tank, in particular in a water tank for hot water.
Ein solches Elektroheizerelement wird in der Praxis zum Beispiel für Wasserspeicher, wie Speicherwassererwärmer verwendet. Speicherwassererwärmer dienen der Erwärmung von Wasser für private oder industrielle Zwecke. Die technischen Anforderungen an solche Speicherwassererwärmer sind hoch. Die Anlagen sollen ihre Funktionstüchtigkeit über eine möglichst lange Betriebsdauer hinweg erfüllen, ohne die Qualität des Wassers nachhaltig zu beeinflussen. Sie sollen korrosionsresistent sein und dementsprechend natürlich auch nach langjähriger Betriebsdauer keine Leckage zeigen. Diese Anforderungen sind zu erfüllen bei Wassertemperaturen bis zu 100 °C, wobei die Wasserqualität hinsichtlich verschiedener Parameter, wie der Wasserhärte, der elektrischen Leitfähigkeit und des Salzgehaltes, ein breites Spektrum umfassen kann.Such an electric heater element is used in practice, for example, for water storage tanks, such as storage water heaters. Storage water heaters are used to heat water for private or industrial purposes. The technical requirements for such storage water heaters are high. The systems should function properly over the longest possible service life without permanently influencing the quality of the water. They should be corrosion-resistant and, accordingly, should of course not show any leakage even after many years of operation. These requirements must be met at water temperatures up to 100 ° C, whereby the water quality can cover a wide range with regard to various parameters, such as water hardness, electrical conductivity and salinity.
Als Konstruktionswerkstoffe für Wasserspeicher und im Speziellen Speicherwassererwärmer werden in der Regel unlegierte oder niedriglegierte Stähle eingesetzt. In Kontakt mit Wasser käme es deshalb bei kontinuierlicher Zufuhr von sauerstoffhaltigem Frischwasser zum Ablauf von Korrosionsprozessen am Speicherwassererwärmer. Um solche Korrosionsschäden zu verhindern bzw. zu verringern, wird häufig eine Emaillierung der Innenseite des Speicherwassererwärmers vorgesehen. Bei sachgemäßer Ausführung einer solchen Emaillebeschichtung sind Bedeckungsgrade von 99,9% und mehr möglich. Es treten jedoch immer zumindest kleinste Fehler in der Emaillierung auf, so dass auch eine Emaillebeschichtung keinen hundertprozentigen Schutz vor Korrosionsprozessen darstellen kann. Als zusätzliche Korrosionsschutzmaßnahme werden emaillierte Speicherwassererwärmer daher im Allgemeinen zusätzlich mit einer galvanischen Anode (Opferanode) oder einer Fremdstromanode versehen. Derartige Anoden werden in der Regel durch eine Öffnung in der Wandung des Warmwasserspeichers geführt und in der Wandung befestigt. Der Einsatz dieser Anoden dient dem kathodischen Korrosionsschutz des stählernen Konstruktionswerkstoffs im Bereich von Emaillierfehlern mit Elektrolytkontakt. Unalloyed or low-alloy steels are generally used as construction materials for water storage tanks and in particular storage water heaters. Contact with water would therefore result in the continuous supply of oxygen-containing fresh water to the corrosion processes on the DHW cylinder. To prevent or reduce such corrosion damage, enamelling of the inside of the DHW cylinder is often provided. With the proper execution of such an enamel coating, degrees of coverage of 99.9% and more are possible. However, there are always at least the slightest defects in the enamelling, so that even an enamel coating cannot provide 100 percent protection against corrosion processes. As an additional corrosion protection measure, enamelled storage water heaters are therefore generally additionally provided with a galvanic anode (sacrificial anode) or an external current anode. Such anodes are usually passed through an opening in the wall of the hot water tank and fixed in the wall. The use of these anodes serves to protect the steel construction material from cathodic corrosion in the area of enamelling defects with electrolyte contact.
Durch Einsatz der Anode fließt ein Schutzstrom von der Anode zu den Emaillierfehlern (Kathode), der eine Korrosion verhindert. Durch konstruktive Gestaltung des Speicherwassererwärmers sowie durch Anordnung und Anzahl der Anoden ist eine ausreichende, möglichst gleichmäßige Stromverteilung des Schutzstroms zu gewährleisten. Die Anode wird in der Regel zentrisch, also in der Mitte des üblicherweise runden zu schützenden Speicherwassererwärmers angebracht, damit das Potential an allen Oberflächen des Behälters etwa denselben Wert annimmt, um eine günstige Schutzstromverteilung über den Speicherwassererwärmer zu ermöglichen.By using the anode, a protective current flows from the anode to the enamelling defects (cathode), which prevents corrosion. The structural design of the storage water heater and the arrangement and number of anodes ensure that the protective current is sufficiently and as evenly distributed as possible. The anode is usually attached centrally, i.e. in the middle of the round storage water heater that is usually to be protected, so that the potential on all surfaces of the container takes on approximately the same value in order to enable a favorable protective current distribution over the storage water heater.
Bedingt durch die zum Teil stark schwankenden Wassertemperaturen mit hohen relativen Temperaturänderungen innerhalb des Speicherwassererwärmers, die variierenden Druckunterschiede infolge unterschiedlicher Wasserstände innerhalb des Speicherbehälters, die elektrochemischen Vorgänge durch den kathodischen Korrosionsschutz und auch die extrem hohen Anforderungen an die Trinkwasserhygiene des Wassers von Warmwasserspeichern, werden sehr hohe, multiple Anforderungen an die Materialen des Heizelementes, der Anode und der Verbindung/Abdichtung der beiden Elemente gegenüber dem Speicherwassererwärmer gestellt.Due to the sometimes strongly fluctuating water temperatures with high relative temperature changes within the storage water heater, the varying pressure differences due to different water levels within the storage tank, the electrochemical processes due to cathodic corrosion protection and also the extremely high demands on the drinking water hygiene of the water from hot water storage tanks are very high , multiple requirements are placed on the materials of the heating element, the anode and the connection / sealing of the two elements with respect to the DHW cylinder.
Als Konstruktionswerkstoffe für die Heizelemente des Elektroheizerelements werden im Allgemeinen Kupfer oder Kupferlegierungen, wie Messing eingesetzt. Ebenso findet nichtrostender Stahl Einsatz Durch Verwendung von metallleitenden Heizelementen wird allerdings die Verteilung des Schutzstroms über den Wasserspeicher ungünstig beeinflusst, da es in der Regel konstruktionsbedingt über die Wandung des Wasserspeichers zu einem elektrischen Kontakt zwischen der Anode und dem Heizelement kommt. Befindet sich die Anode in räumlicher Nähe zum Heizelement schützt die Anode in erster Linie das Heizelement anstatt die Fehlstellen in der Emaille, da das Heizelement als Fremdkathode auftritt. Um dies zu verhindern und eine vorteilhafte Schutzstromverteilung zu gewährleisten wird die Anode in der Regel weit entfernt von dem Heizelement angebracht, beispielsweise in einem Abstand von etwa 30 bis 50 cm zum Heizelement. Nachteilig daran ist, dass dafür im Allgemeinen zwei separate, voneinander beabstandete Öffnungen im Wasserspeicher vorhanden sein müssen. Dies bedeutet zusätzlichen konstruktiven Aufwand und erhöht die Herstellungskosten.Copper or copper alloys, such as brass, are generally used as construction materials for the heating elements of the electric heater element. Stainless steel is also used. However, the use of metal-conducting heating elements has an unfavorable influence on the distribution of the protective current over the water storage tank, since the construction of the water tank usually results in electrical contact between the anode and the heating element. If the anode is in close proximity to the heating element, the anode primarily protects the heating element instead of the imperfections in the enamel, since the heating element acts as a foreign cathode. In order to prevent this and to ensure an advantageous protective current distribution, the anode is generally mounted far away from the heating element, for example at a distance of approximately 30 to 50 cm from the heating element. The disadvantage of this is that generally two separate, spaced-apart openings must be present in the water reservoir. This means additional design effort and increases the manufacturing costs.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Elektroheizerelement mit Anode bereitzustellen, das besonders kompakt ist und das einen wirksamen Korrosionsschutz des Wasserspeichers ermöglicht.Based on this, it is the object of the invention to provide an electric heater element with an anode which is particularly compact and which enables effective corrosion protection of the water reservoir.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.This object is achieved by the subject matter of patent claim 1. Preferred further developments can be found in the subclaims.
Erfindungsgemäß ist also ein Elektroheizerelement zur Verwendung in einem Wasserspeicher vorgesehen, umfassend ein metallisches Befestigungselement zur Befestigung des Elektroheizerelements am Wasserspeicher, ein elektrisch betriebenes Heizelement, eine Anode für kathodischen Korrosionsschutz und ein Abgleichwiderstandselement. Es ist dabei vorgesehen, dass das Heizelement über das Abgleichwiderstandselement mit dem Befestigungselement und/oder dem Wasserspeicher elektrisch kontaktiert ist und dass das Heizelement und die Anode in räumlicher Nähe zueinander am Befestigungselement angeordnet sind.According to the invention, an electric heater element is therefore provided for use in a water reservoir, comprising a metallic one Fastening element for fastening the electric heater element to the water reservoir, an electrically operated heating element, an anode for cathodic corrosion protection and a balancing resistance element. It is provided that the heating element is electrically contacted with the fastening element and / or the water reservoir via the balancing resistance element and that the heating element and the anode are arranged in spatial proximity to one another on the fastening element.
Es ist somit ein wesentlicher Aspekt der Erfindung, dass die Anode und das Heizelement gemeinsam und in räumlicher Nähe zueinander am Befestigungselement angeordnet sind. Überraschenderweise führt die räumliche Nähe der Anode zum Heizelement nicht zu einem geringeren Korrosionsschutz. Das Befestigungselement ermöglicht die Befestigung des Elektroheizerelements am Wasserspeicher, insbesondere in einer Wandung des Wasserspeichers. Die ins Speicherinnere hineinreichenden Rohre des Elektroheizers sind gegenüber dem Befestigungselement über einen Potenzialabgleichwiderstand teilweise insoliert, die Opferanode ist elektrisch isoliert durch das Befestigungselement hindurch nach außen hindurchgeführt. Durch die räumliche Nähe zwischen der Anode und dem Heizelement ist die Ausdehnung des Befestigungselements gering. Somit ist durch die geringe Ausdehnung des Befestigungselementes auch nur eine kleine Montageöffnung im Wasserspeicher erforderlich. Auf eine große Öffnung, die dann beispielsweise mit einer teuren und konstruktiv aufwendigen Flanschverbindung geschlossen werden müsste, kann somit erfindungsgemäß verzichtet werden. Weiterhin ist es auch nicht notwendig, dass für die Anode und das Heizelement jeweils zwei eigene Öffnungen in der Wandung des Wasserspeichers vorhanden sein müssen. Die Ausdehnung des Befestigungselementes beträgt bevorzugt zwischen 3 und 20 cm.It is therefore an essential aspect of the invention that the anode and the heating element are arranged together and in spatial proximity to one another on the fastening element. Surprisingly, the spatial proximity of the anode to the heating element does not result in less corrosion protection. The fastening element enables the electric heater element to be fastened to the water reservoir, in particular in a wall of the water reservoir. The tubes of the electric heater that extend into the interior of the memory are partially insulated from the fastening element via a potential equalization resistor, and the sacrificial anode is passed through the fastening element to the outside in an electrically insulated manner. Due to the spatial proximity between the anode and the heating element, the expansion of the fastening element is small. Thus, due to the small extent of the fastening element, only a small installation opening in the water reservoir is required. A large opening, which would then have to be closed, for example, with an expensive and structurally complex flange connection, can thus be dispensed with according to the invention. Furthermore, it is also not necessary for the anode and the heating element to have two separate openings in the wall of the water reservoir. The extension of the fastening element is preferably between 3 and 20 cm.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, dass das Heizelement über das Abgleichwiderstandselement mit dem Befestigungselement und/oder dem Wasserspeicher elektrisch leitend verbunden ist. Ein Verzicht auf das Abgleichwiderstandselement würde zu einem Kurzschluss zwischen Heizelement und Wasserspeicher bzw. Befestigungselement führen. Als Folge davon wäre die kathodische Schutzwirkung der Anode für den emaillierten Wasserspeicher stark verringert. Bei richtig bemessenem Widerstand im Abgleichwiderstandselement wird hingegen das Heizelement teilweise in den kathodischen Schutz des Wasserspeichers mit einbezogen, wodurch einmal sogenannte Stromaustrittkorrosion am beispielsweise kupfernen Elektroheizerelement unterbunden, andererseits die kathodischen Schutzpotenziale am emaillierten Behälter verbessert - weil kathodischer - werden. Durch ein verbessertes Wandpotential des Wasserspeichers wird ein vorteilhafter Korrosionsschutz, insbesondere für Wasser mit geringer Leitfähigkeit, gewährleistet. Des Weiteren wird durch den Aufbau des Elektroheizerelements der Schutzstrom verringert, was bei einer Opferanode zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Anode führt. Damit der Korrosionsschutz für den Wasserspeicher auch bei einer elektrischen Kontaktierung des Heizelements über das Abgleichwiderstandselement mit dem Befestigungselement ermöglicht wird, handelt es sich um ein metallisches Befestigungselement. Das Befestigungselement besteht bevorzugt aus einer Kupferlegierung, wie Messing. Grundsätzlich ist auch nichtrostender Stahl möglich.Another essential aspect of the invention is that the heating element is electrically conductively connected to the fastening element and / or the water reservoir via the balancing resistance element. Dispensing with the balancing resistance element would lead to a short circuit between the heating element and the water reservoir or fastening element. As a result, the cathode protective effect of the anode for the enamelled water reservoir would be greatly reduced. If the resistance in the balancing resistance element is correctly dimensioned, on the other hand, the heating element is partially included in the cathodic protection of the water storage tank, which prevents so-called current leakage corrosion on the copper electric heater element, for example, and on the other hand improves the cathodic protection potential on the enamelled container - because it is more cathodic. An improved wall potential of the water reservoir ensures advantageous corrosion protection, especially for water with low conductivity. Furthermore, the structure of the electric heater element reduces the protective current, which leads to an increase in the life of the anode in the case of a sacrificial anode. So that the corrosion protection for the water reservoir is also possible when the heating element is electrically contacted via the balancing resistance element with the fastening element, it is a metallic fastening element. The fastening element preferably consists of a copper alloy, such as brass. In principle, stainless steel is also possible.
Ein derart aufgebautes Elektroheizerelement eignet sich dann insbesondere für den Einsatz in Wasserspeichern, beispielsweise in einem Speicherwassererwärmer. Durch den Aufbau des Elektroheizerelements wird der kathodische Schutz des Wasserspeichers verbessert und der Schutzstrom verringert. Das erfindungsgemäße Elektroheizerelement ist in seinem Aufbau besonders kompakt und es bedarf zur Montage am Wasserspeicher nur einer Öffnung in der Wandung des Wasserspeichers, vorzugsweise Muffe oder Flansch.An electric heater element constructed in this way is then particularly suitable for use in water storage tanks, for example in a storage water heater. The construction of the electric heater element improves the cathodic protection of the water reservoir and reduces the protective current. The construction of the electric heater element according to the invention is particularly compact and only one opening in the wall of the water reservoir, preferably a sleeve or flange, is required for mounting on the water reservoir.
Unter räumlicher Nähe der Anode zum Heizelement wird ein Abstand zwischen der Anode und dem Heizelement verstanden, der im Bereich von wenigen Millimetern bis wenigen Zentimetern liegt. Insbesondere wird darunter ein Abstand zwischen 1 mm bis 50 mm verstanden.The spatial proximity of the anode to the heating element is understood to mean a distance between the anode and the heating element which is in the range from a few millimeters to a few centimeters. In particular, this means a distance between 1 mm to 50 mm.
Eine Anode im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst jegliche Korrosionsschutz-Anoden, wie Opferanoden aus Magnesium-Legierungen oder Aluminium-Legierungen, oder Fremdstromanoden, die für den kathodischen Korrosionsschutz von flüssigkeitsbeinhaltenden Behältern bzw. Wasserspeichern Anwendung finden, insbesondere von Wasserspeichern für erwärmtes Trinkwasser.An anode in the sense of the present invention comprises any corrosion protection anodes, such as sacrificial anodes made of magnesium alloys or aluminum alloys, or extraneous current anodes, which are used for the cathodic corrosion protection of liquid-containing containers or water reservoirs, in particular of water reservoirs for heated drinking water.
Ein elektrisch betriebenes Heizelement im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst jegliche Art von Heizelementen, wie beispielsweise Heizstäbe, Heizrohre oder Heizschlangen, die zur Erwärmung des Wassers im Wasserspeicher mit elektrischer Energie versorgt werden. Des Weiteren werden auch Einbauteile erfasst, die zur Temperaturregelung und -kontrolle dienen, wie eine Temperatursonde.An electrically operated heating element in the sense of the present invention comprises any type of heating elements, such as heating rods, heating pipes or heating coils, which are supplied with electrical energy for heating the water in the water reservoir. In addition, built-in parts that serve to regulate and control the temperature, such as a temperature probe, are also recorded.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Befestigungselement ein Gewinde auf und ist direkt in den Wasserspeicher einschraubbar. Damit ist eine einfache Montage des Elektroheizerelements in einer Wandung des Wasserspeichers möglich. Das Befestigungselement weist bevorzugt ein standardisiertes Außengewinde auf, das für die Verschraubung in der Sanitär- Heizungs- und Klimatechnik geeignet ist, wie ein Whitworth-Rohrgewinde. Beispielsweise weist das Befestigungselement ein zylindrisches Gewinde in den Größen
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Anode einen Anodenkörper und ein mit dem Anodenkörper elektrisch leitend verbundenes Kontaktelement, wobei das Kontaktelement durch eine Isolierdurchführung elektrisch isoliert durch das Befestigungselement hindurchführt. Je nach Art der Anode - Fremdstromanode oder Opferanode - kann der Anodenkörper aus unterschiedlichem Material bestehen. Beispielsweise kann der Anodenkörper für eine Opferanode aus Magnesium oder Aluminium hergestellt sein oder für eine Fremdstromanode aus Titan mit einer Mischoxidbeschichtung. Das Kontaktelement kann grundsätzlich auf verschiedene Weise mit dem Anodenkörper verbunden sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Kontaktelement mit einer durch den Anodenkörper hindurch verlaufenden Seele verbunden ist, zum Beispiel mittels Verschweißen, Verlöten und/oder Verpressen, oder dass das Kontaktelement in den Anodenkörper eingegossen ist.According to a preferred development of the invention, the anode comprises an anode body and a contact element which is electrically conductively connected to the anode body, the contact element passing through the fastening element in an electrically insulated manner through an insulating bushing. Depending on the type of anode - external current anode or sacrificial anode - the anode body can consist of different materials. For example, the anode body for a sacrificial anode can be made of magnesium or aluminum or for an external current anode made of titanium with a mixed oxide coating. The contact element can in principle be connected to the anode body in various ways. For example, it can be provided that the contact element is connected to a core running through the anode body, for example by means of welding, soldering and / or pressing, or that the contact element is cast into the anode body.
Das Kontaktelement kann als Metallstift ausgestaltet sein, der beispielsweise ein Gewinde aufweist. Eine derartige Ausgestaltung des Kontaktelements als Metallstift ist besonders einfach herstellbar und hat sich auch im Betrieb der Opferanode als einfach handhabbar herausgestellt. Um eine vorteilhafte Schutzstromverteilung am Wasserspeicher zu gewährleisten wird das Kontaktelement elektrisch isoliert durch das Befestigungselement hindurchgeführt. Hierfür ist die Isolierdurchführung vorgesehen. Die Isolierdurchführung kann beispielsweise als ein Spritzgussteil realisiert sein, wobei die Abdichtung vorzugsweise durch Pressanpassung erfolgt. Des Weiteren kann die Isolierdurchführung als Drehteil mit einem Außen- und Innengewinde ausgeführt sein. Das Außengewinde des Drehteils kann beispielsweise ein M8-Gewinde und das Innengewinde ein M4-Gewinde sein.The contact element can be designed as a metal pin, which has a thread, for example. Such a configuration of the contact element as a metal pin is particularly simple to produce and has also proven to be easy to handle during operation of the sacrificial anode. In order to ensure an advantageous distribution of protective current at the water reservoir, the contact element is passed through the fastening element in an electrically insulated manner. The insulation feedthrough is provided for this. The insulation feedthrough can be realized, for example, as an injection molded part, the sealing preferably being carried out by press fitting. Furthermore, the insulating bushing can be designed as a turned part with an external and internal thread. The external thread of the turned part can for example be an M8 thread and the internal thread an M4 thread.
Grundsätzlich kann als Anode eine Fremdstromanode oder Opferanode eingesetzt werden. Beim Einsatz einer Opferanode ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Opferanode für den kathodischen Korrosionsschutz elektrisch leitend mit dem Befestigungselement und/oder dem Wasserspeicher verbunden ist. So wird ein elektrischer Kontakt zwischen Opferanode und der zu schützenden Einrichtung hergestellt. Die elektrische Verbindung kann beispielsweise über eine Mutter mit dem Befestigungselement erfolgen. Alternativ kann auch über eine elektrisch leitende Verbindung ein elektrischer Kontakt zur Wand des Wasserspeichers hergestellt werden. Damit wird eine Möglichkeit bereitgestellt, von außerhalb des Wasserspeichers das elektrische Potential des Anodenkörpers festzustellen, so dass über eine Spannungsmessung zwischen dem Potential des Anodenkörpers einerseits und dem Potential des Wasserspeichers auf den abgegebenen Schutzstrom geschlossen werden kann. Sollte dieser unter einen vorbestimmten Wert fallen, so muss davon ausgegangen werden, dass sich die Opferanode „verbraucht“ hat und erneuert werden muss. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass der Verbrauch der Opferanode verlangsamt werden kann, indem ein ohmscher Widerstand zwischen das Kontaktelement und das Befestigungselement bzw. den Wasserspeicher geschaltet wird. Ganz entsprechend der vorgestellten Methodik der Spannungsmessung ermöglicht auch die Messung des absoluten Schutzstroms zwischen Anode und Behälterkonstruktion, auf den Zustand der Opferanode zu schließen.Basically, an external current anode or sacrificial anode can be used as the anode. When using a sacrificial anode, it is provided according to a further development of the invention that the sacrificial anode is connected to the fastening element and / or the water reservoir in an electrically conductive manner for cathodic corrosion protection. This creates an electrical contact between the sacrificial anode and the device to be protected. The electrical connection can be made, for example, via a nut with the fastening element. Alternatively, an electrical contact to the wall of the water reservoir can also be established via an electrically conductive connection. This provides a possibility of determining the electrical potential of the anode body from outside the water reservoir, so that a conclusion can be drawn about the emitted protective current via a voltage measurement between the potential of the anode body and the potential of the water reservoir. If this falls below a predetermined value, it must be assumed that the sacrificial anode has “worn out” and must be replaced. There is also the possibility that the consumption of the sacrificial anode can be slowed down by connecting an ohmic resistor between the contact element and the fastening element or the water reservoir. Completely in accordance with the presented method of voltage measurement, the measurement of the absolute protective current between the anode and the container construction enables conclusions to be drawn about the condition of the sacrificial anode.
Alternativ zum Einsatz einer Opferanode kann eine Fremdstromanode eingesetzt werden. Beim Einsatz einer Fremdstromanode ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Kontaktelement für kathodischen Korrosionsschutz (Titananode mit MMO-Beschichtung) elektrisch leitend mit einer externen Spannungsquelle verbunden ist. Fremdstromanoden liefern dadurch dauerhaft Schutzstrom. Zur Regelung und Kontrolle des Schutzstromes können Fremdstromanoden mit einem Potentiostaten ausgestattet sein, der einerseits mit dem Wasserspeicher und/oder dem Befestigungselement und andererseits mit dem Kontaktelement (insbesondere Ti-Anode) verbunden ist.As an alternative to using a sacrificial anode, an external current anode can be used. When using an external current anode, it is provided according to a preferred development of the invention that the contact element for cathodic corrosion protection (titanium anode with MMO coating) is electrically conductively connected to an external voltage source. External current anodes thus permanently supply protective current. To regulate and control the protective current, external current anodes can be equipped with a potentiostat which is connected on the one hand to the water reservoir and / or the fastening element and on the other hand to the contact element (in particular Ti anode).
Zwecks Isolierung des Kontaktelements der Anode vom Befestigungselement ist die Isolierdurchführung vorgesehen. Grundsätzlich kann die Isolierdurchführung aus jedem isolierenden polymeren Werkstoff hergestellt sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Isolierdurchführung zumindest zu Teilen aus vernetztem Polyethylen hergestellt ist. Weiterhin kann die Isolierdurchführung auch ausschließlich aus vernetztem Polyethylen hergestellt sein. Die Verwendung von vernetztem Polyethylen (PE-X) weist mehrere Vorteile auf. Durch PE-X kann sowohl eine isolierende Wirkung zwischen dem Kontaktelement und dem Wasserspeicher als auch eine abdichtende Wirkung zwischen dem Ringspalt der Durchstecköffnung für das Kontaktelement im Befestigungselement bewirkt werden. Material aus PE-X zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Material im Wesentlichen, gemäß den allgemein anerkannten Regeln der Technik, wie z.B. der Zulassungs-Richtlinien, hygienisch unbedenklich ist und somit zur Anwendung im Bereich von Wasserspeichern, insbesondere von Wasserspeichern für erwärmtes Trinkwasser, geeignet ist.The insulation bushing is provided for the purpose of isolating the contact element of the anode from the fastening element. Basically, the insulation bushing can be made from any insulating polymeric material. According to a preferred development of the invention it is provided that the insulating bushing is made at least in part from cross-linked polyethylene. Furthermore, the insulation bushing can also be made exclusively from cross-linked polyethylene. The use of cross-linked polyethylene (PE-X) has several advantages. PE-X can provide both an insulating effect between the contact element and the water reservoir and a sealing effect between the annular gap of the push-through opening for the contact element in the fastening element. Material made of PE-X is characterized in particular by the fact that the material is essentially hygienically harmless in accordance with the generally recognized rules of technology, such as the approval guidelines, and is therefore Application in the field of water storage, in particular water storage for heated drinking water, is suitable.
Weiterhin weist PE-X sowohl eine hohe chemische Beständigkeit gegen Basen und Säuren als auch eine hohe elektrochemische Beständigkeit gegen Stromeinflüsse auf. Die thermische Materialbeständigkeit bei Temperaturen bis 95 °C sowie kurzzeitig auch bis 110 °C und die thermische Langzeitbeständigkeit von bis zu ca. 20 Jahren unter den einschlägigen Betriebsbedingungen von Wasserspeichern, vor allem von Wasserspeichern für erwärmtes Trinkwasser, ist eine weitere vorteilhafte Eigenschaft von PE-X. Weiterhin kann PE-X so hergestellt werden, dass keine vollständige elektrische Isolierung vorhanden ist, sondern dass PE-X eine einstellbare elektrische Leitfähigkeit aufweist. Damit wird eine Möglichkeit bereitgestellt, dass die Isolierdurchführung gleichzeitig als ohmscher Widerstand zwischen dem Kontaktelement der Anode und dem Befestigungselement verwendet wird. Dadurch wird der abgegebene Schutzstrom der Opferanode verringert, wodurch sich die Lebensdauer der Opferanode verlängert.Furthermore, PE-X has a high chemical resistance to bases and acids as well as a high electrochemical resistance to current influences. The thermal material resistance at temperatures up to 95 ° C and briefly up to 110 ° C and the thermal long-term resistance of up to approx. 20 years under the relevant operating conditions of water storage tanks, especially water storage tanks for heated drinking water, is another advantageous property of PE- X. Furthermore, PE-X can be manufactured in such a way that there is no complete electrical insulation, but that PE-X has an adjustable electrical conductivity. This provides a possibility for the insulating bushing to be used simultaneously as an ohmic resistance between the contact element of the anode and the fastening element. This reduces the protective current delivered to the sacrificial anode, thereby extending the life of the sacrificial anode.
Grundsätzlich kann das Heizelement nur ein Heizrohr umfassen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Heizelement aber einen Temperatursensor, mindestens ein Heizrohr, ein Zwischenstück und ein mit dem Zwischenstück elektrisch leitend verbundenes Verbindungselement, wobei das Verbindungselement durch einen Dichtkörper elektrisch isoliert durch das Befestigungselement hindurchführt. Mittels des Heizrohrs lässt sich das Wasser im Wasserspeicher erwärmen. Zur Regelung und/oder Kontrolle der Temperatur ist der Temperatursensor vorgesehen. Das Heizrohr und der Temperatursensor bestehen bevorzugt zu Teilen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wie Messing, oder aus einer Nickel-Basis-Legierung. Weiter bevorzugt bestehen sie zu Teilen aus nichtrostendem Stahl oder aus emailliertem nicht legiertem Stahl. Das Heizrohr kann U-förmig ausgestaltet sein oder eine andere Form aufweisen. Bevorzugt beträgt der Durchmesser des Heizrohrs zwischen 5 und 15 mm und die Länge zwischen 200 und 500 mm; Längen darüber hinaus sind jedoch auch möglich. Der Durchmesser des Temperatursensors liegt bevorzugt zwischen 5 und 15 mm und die Länge zwischen 150 und 350 mm.In principle, the heating element can only comprise one heating tube. According to a preferred development of the invention, however, the heating element comprises a temperature sensor, at least one heating tube, an intermediate piece and a connecting element which is electrically conductively connected to the intermediate piece, the connecting element passing through the fastening element in an electrically insulated manner through a sealing body. The water in the water tank can be heated using the heating pipe. The temperature sensor is provided for regulating and / or checking the temperature. The heating tube and the temperature sensor preferably consist partly of copper or a copper alloy, such as brass, or of a nickel-based alloy. More preferably, they consist in part of stainless steel or enamelled non-alloy steel. The heating tube can be U-shaped or have another shape. The diameter of the heating tube is preferably between 5 and 15 mm and the length between 200 and 500 mm; However, lengths beyond this are also possible. The diameter of the temperature sensor is preferably between 5 and 15 mm and the length between 150 and 350 mm.
Das Heizrohr und der Temperatursensor sind zwecks Montage mit dem Zwischenstück verbunden. Über das Verbindungselement kann das Zwischenstück am Befestigungselement montiert werden. Das Verbindungselement kann ein Stift, eine Schraube oder ähnliches sein. Es kann zur einfachen Befestigung ein Außengewinde aufweisen. Das Verbindungselement kann grundsätzlich auf verschiedene Weisen mit dem Zwischenstück verbunden sein. Eine Möglichkeit besteht darin, dass das Zwischenstück beispielsweise eine Sacklochbohrung mit geschnittenem Gewinde aufweist, in welches das Verbindungselement eingreifen kann. Um eine vorteilhafte Schutzstromverteilung am Wasserspeicher zu gewährleisten wird das Verbindungselement elektrisch isoliert durch das Befestigungselement hindurchgeführt. Hierzu isoliert der Dichtkörper das Verbindungselement vom Befestigungselement und dichtet den Ringspalt zwischen dem Verbindungselement und dem Befestigungselement ab. Des Weiteren kann der Dichtkörper auch das Zwischenstück vom Befestigungselement isolieren und abdichten. Der Dichtkörper besteht bevorzugt aus einem polymeren Werkstoff.The heating pipe and the temperature sensor are connected to the adapter for assembly. The intermediate piece can be mounted on the fastening element via the connecting element. The connecting element can be a pin, a screw or the like. It can have an external thread for easy attachment. The connecting element can in principle be connected to the intermediate piece in various ways. One possibility is that the intermediate piece has, for example, a blind hole with a cut thread, in which the connecting element can engage. In order to ensure an advantageous protective current distribution on the water reservoir, the connecting element is passed through the fastening element in an electrically insulated manner. For this purpose, the sealing body isolates the connecting element from the fastening element and seals the annular gap between the connecting element and the fastening element. Furthermore, the sealing body can also isolate and seal the intermediate piece from the fastening element. The sealing body preferably consists of a polymeric material.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung führt das Verbindungselement durch das Abgleichwiderstandselement hindurch und ist über das Abgleichwiderstandselement mit dem Befestigungselement und/oder dem Wasserspeicher elektrisch kontaktiert. Das Heizelement ist für verbesserten kathodischen Korrosionsschutz über das Abgleichwiderstandselement mit dem Befestigungselement und/oder dem Wasserspeicher elektrisch leitend verbunden. Dies kann realisiert werden indem das Verbindungselement durch das Abgleichwiderstandselement hindurchführt und über das Abgleichwiderstandselement mit dem Befestigungselement und/oder dem Wasserspeicher elektrisch kontaktiert ist.According to a preferred development of the invention, the connecting element passes through the adjustment resistance element and is electrically contacted with the fastening element and / or the water reservoir via the adjustment resistance element. The heating element is electrically conductively connected to the fastening element and / or the water reservoir for improved cathodic corrosion protection via the balancing resistance element. This can be realized in that the connecting element passes through the trimming resistance element and is electrically contacted with the fastening element and / or the water reservoir via the trimming resistance element.
In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Abgleichwiderstandselement ringförmig ist, auf einer Ober- und Unterseite jeweils eine Kontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung aufweist und zwischen den Kontaktflächen ein ohmscher Widerstand zwischengeschaltet ist. Durch die ringförmige Ausgestaltung kann das Verbindungselement durch das Abgleichwiderstandselement hindurchführen. Durch die Kontaktflächen kann der elektrische Kontakt zwischen dem Verbindungselement und dem Befestigungselement hergestellt werden. Ferner ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Abgleichwiderstandselement als miniaturisierte Platine in SMD-Bauweise ausgestaltet ist. Dies ermöglicht eine sichere und fertigungsfreundliche Serienmontage. Der ohmsche Widerstand im Abgleichwiderstandselement liegt bevorzugt zwischen 500 und 1000 Ohm, so dass das Heizelement in den kathodischen Korrosionsschutz miteinbezogen wird. Diese Einbindung des (kupfernen) Rohrelements in den kathodischen Schutzkreis dient der Unterbindung von Stromaustrittkorrosion an selbigem. Weiter bevorzugt liegt der Widerstand bei 620 Ohm.In this context, it is provided according to a preferred development of the invention that the trimming resistance element is ring-shaped, has a contact surface on each of the top and bottom sides for electrical contacting, and an ohmic resistor is interposed between the contact surfaces. Due to the annular configuration, the connecting element can pass through the trimming resistance element. The electrical contact between the connecting element and the fastening element can be established through the contact surfaces. Furthermore, according to a further preferred development of the invention, it is provided that the trimming resistance element is designed as a miniaturized circuit board in SMD construction. This enables safe and production-friendly series assembly. The ohmic resistance in the balancing resistance element is preferably between 500 and 1000 ohms, so that the heating element is included in the cathodic corrosion protection. This integration of the (copper) tubular element in the cathodic protective circuit serves to prevent current leakage corrosion on the same. The resistance is more preferably 620 ohms.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines bevorzugen Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert. In the following, the invention is explained by way of example with reference to the drawings using a preferred exemplary embodiment.
In der Zeichnung zeigen
-
1 eine schematische Darstellung eines Elektroheizerelements, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, -
2 eine weitere schematische Darstellung des Elektroheizerelements aus1 , gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, -
3 eine schematische Darstellung eines Elektroheizerelements, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und -
4 eine schematische Darstellung eines Elektroheizerelements, gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung.
-
1 1 shows a schematic illustration of an electric heater element according to a preferred embodiment of the invention, -
2nd a further schematic representation of the electric heater element1 , according to a preferred embodiment of the invention, -
3rd is a schematic representation of an electric heater element, according to a further preferred embodiment of the invention and -
4th is a schematic representation of an electric heater element, according to a further alternative embodiment of the invention.
Die
Am Befestigungselement
Das Zwischenstück
Für den kathodischen Korrosionsschutz ist das Kontaktelement
In
BezugszeichenlisteReference list
- 1010th
- ElektroheizerelementElectric heater element
- 1212th
- Anodeanode
- 1414
- AnodenkörperAnode body
- 1616
- KontaktelementContact element
- 1818th
- GewindestiftGrub screw
- 2020th
- BefestigungselementFastener
- 2222
- IsolierdurchführungInsulation bushing
- 2424th
- Gewindethread
- 2626
- HeizelementHeating element
- 2828
- HeizrohrHeating pipe
- 3030th
- TemperatursensorTemperature sensor
- 3232
- ZwischenstückSpacer
- 3434
- DichtkörperSealing body
- 3636
- VerbindungselementFastener
- 3838
- Schraubescrew
- 4040
- Crimp-AnschlussCrimp connection
- 4242
- Muttermother
- 4444
- elektrisch leitende Verbindungelectrically conductive connection
- 4646
- AbgleichwiderstandselementTrimming resistance element
- 4848
- Widerstandresistance
- 5050
- metallischer Stiftmetallic pin
- 5252
- FortsatzContinuation
- 5454
- DichtungsringSealing ring
Claims (10)
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2019
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