DE10253457B3

DE10253457B3 - Wärmeübertragungswandung

Info

Publication number: DE10253457B3
Application number: DE2002153457
Authority: DE
Inventors: Frank Finis
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2002-11-16
Filing date: 2002-11-16
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-11-17

Abstract

Eine Wärmeübertragungswandung, insbesondere eines elektrischen Heizkörpers, soll durch eine strukturierte Schicht 13 zu einer geringen Geräuschentwicklung bei der Aufheizung einer zu erwärmenden Flüssigkeit führen und die Wärmeübertragung verbessern. Hierfür hat die strukturierte Schicht 13 etwa 30 bis 100 Täler 14 und etwa 30 bis 100 Gipfel 15 pro 1 mm·2·. Die maximale Rautiefe Rmax beträgt 15 bis 60 mum. Der Mittenrauwert Ra beträgt 2 bis 8 mum.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungswandung, insbesondere eines elektrischen Heizkörpers für einen Warmwasserbereiter oder eines Wärmetauschers, mit einer strukturierten Schicht an der einer zu erwärmenden Flüssigkeit zugewandten Oberfläche der Wandung.
Bei derartigen Wandungen besteht das Problem von Geräuschemissionen durch an der Oberfläche der Wandung zunächst entstehende und dann zusammenbrechende Dampfblasen. Weiterhin besteht das Problem von Ablagerungen, beispielsweise Kalkablagerungen, an der Wandung, die die Wärmeübertragung von der beheizten Wandung auf die zu beheizende Flüssigkeit beeinträchtigen.

In der DE 198 25 835 A1 ist beschrieben, dass bei einem Warmwasserbereiter die Geräuschentwicklung durch eine verkalkungsähnliche Schicht reduziert werden kann. Eine solche Schicht beeinträchtigt die Wärmeübertragung von der Wandung auf die zu beheizende Flüssigkeit. Außerdem ist beschrieben, dass Ablagerungen durch eine Schicht mit niedriger Oberflächenenergie reduziert werden können, die die Benetzbarkeit der Oberfläche verringern.

In der älteren Patentanmeldung DE 101 44 865 A1 ist ein Verfahren zur Verkalkungsanfälligkeit eines Heizkörpers ohne zusätzliche Beschichtung beschrieben. Es wird hierfür die Oberfläche des Heizkörpers in einem ersten Verfahrensschritt mit einem abrasiv wirkenden Strahlmaterial und in einem zweiten Verfahrensschritt mit perlenförmigen Partikeln bestrahlt, die zu einer gewissen Einebnung der Oberfläche führen.

Aus der US 4,715,436 ist ein Wärmeübertragungsrohr mit einer leicht gewellten Oberfläche bekannt. Die Höhe der projektierten Bereiche beträgt 0,45 – 0,6 mm. Die Dichte entlang einer Spiralkurve beträgt 3,5 – 5 mm und die Dichte in axialer Richtung 5 – 9 mm.

Eine Wärmeübertragungs-Oberfläche mit einer Mikro-Textur ist aus der EP 1 202 018 A2 bekannt. Der Wärmetauscher enthält Metallröhren, auf deren einen Seite Flossen angebracht sind, und auf der anderen Seite, an der sich das Kühlmittel befindet, ist auf die Oberfläche eine Mikro-Textur aufgebracht. Hiermit soll die Wärmeübertragung verbessert sein.

Eine Wärmeübertragungsröhre mit Rauhigkeitselementen ist aus der DE 42 05 080 C2 bekannt. Jedes Rauhigkeitselement weist im wesentlichen die Form einer am Kopf ebenen Pyramide auf. Diese Form wird deshalb bevorzugt, weil sie leicht in einem Arbeitsgang mit einem Rändel-Werkzeug gebildet wird.

Aus der DE 197 51 405 A1 ist ein Verfahren zur Verbesserung des Wärmeübergangs und eine Vorrichtung zum Wärmetausch ist bekannt, bei der an der Wärmetauscherfläche eine die thermische Grenzschicht aufreißende Verteilung des strömenden Mediums erzeugt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass auf die Innenwandung des Rohres zonenweise ein Material mit niedriger Benetzungsfähigkeit und infolgedessen verringerter Haftspannung aufgebracht wird. Denkbar ist dabei der Einsatz eines entsprechenden Kunststoffes oder von Graphit. Die Zonen mit erhöhter Oberflächenrauhigkeit können in vorteilhafter Weise auch dadurch gebildet werden, dass auf einzelne Bereiche der Wärmetauscherfläche Feststoffpartikel aufgebracht werden. Die Feststoffpartikel werden dabei mittels eines Haftmittels partiell auf die Oberfläche einer Wärmetauscherfläche aufgetragen.

Aufgabe der Erfindung ist es, beim Wärmeübergang (Energieübertragung) an einer Oberfläche die Gasblasenbildung mittels Gestaltung der Oberflächenstruktur derart zu gestalten, dass ein optimierter Wärmeübergang an der Grenzschicht erreicht wird und beim Aufheizen einer Flüssigkeit die Geräuschentstehung weitgehend reduziert ist.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Die so gestaltete Oberfläche ist derart rau, dass sie in ihren Tälern nur im Volumen vergleichsweise kleine Gasblasen bilden, welche zu den Gipfeln hochsteigen und in die Flüssigkeit eintreten, ohne an der Oberfläche zusammenzubrechen (Champagnereffekt). Dieses Ablösen der Gasblasen verringert die Geräuschentwicklung beträchtlich. Außerdem ist durch das Ablösen der Gasblasen von der Oberfläche gleichzeitig eine Verbesserung der Wärmeübertragung von der Wandung auf die zu beheizende Flüssigkeit und damit eine Steigerung des Wirkungsgrades erreicht, weil die sich zwangsläufig bildenden Gasblasen die Oberflächenstruktur schnell verlassen, also dort nicht wärmeisolierend wirken, so dass zu beheizende Flüssigkeit schnell wieder in Kontakt mit der strukturierten Oberfläche kommt. Zudem wird durch das Ablösen der Gasblasen eine Driftströmung erzeugt, so dass Flüssigkeit schnell an der Oberfläche vorbeigeführt wird.

Oberflächen-Rauheitsgrößen sind in DIN definiert. Die maximale Rautiefe Rmax ergibt sich aus DIN 4768 (1974). Sie ist die größte auf der Gesamtmessstrecke vorkommende Einzelrautiefe. Der Mittenrauwert Ra ist in DIN 4768 (1974) bzw. in DIN 4762 (E 1978) definiert als arithmetischer Mittelwert der absoluten Beträge der Abstände des Istprofils (bzw. Rauheitsprofils) von der mittleren Linie. Die "10-Punkte-Höhe" Rz ist nach DIN 4762 (1978) definiert als die Summe der Mittelwerte der Höhen der fünf größten Profilerhebungen und der Tiefen der fünf größten Profilvertiefungen innerhalb der Bezugsstrecke.

Als besonders günstig hat sich eine maximale Rautiefe Rmax von etwa 30 bis 40 μm und ein Mittenrauwert Ra von etwa 4 bis 5 μm erwiesen.

Die 10-Punkte-Höhe Rz beträgt bevorzugt 15 bis 60 μm, insbesondere 25 bis 35 μm.

Die strukturierte Schicht besteht vorzugsweise aus einem Hartmetall, beispielsweise Chromcarbid mit oder ohne einer Beigabe von Chrom-Nickel und mit oder ohne einer Beigabe von Polytetrafluorethylen (PTFE) mit beispielsweise 10 Vol.-%.

Die strukturierte Schicht ist bevorzugt in einem thermischen Spritzverfahren, insbesondere in einem Hochgeschwindigkeits-Flammverfahren, aufgebracht.

Die strukturierte Schicht kann aus einem Material aus Partikeln mit einer Größe im nm-Bereich bestehen. Dies sind sogenannte Nanocomposites, die in einem Sol-Gel-Prozess durch gängige Aplikationsverfahren wie Spritzen, Tauchen, Schleudern usw., aufgebracht werden können, was an sich bekannt ist.

Die strukturierte Schicht kann auch aus einem diamantartigen Kohlenstoff-Material, d.h. DLC (Diamant like Carbon) bestehen. Dieses Material lässt sich in einem an sich bekannten PVD-Beschichtungsverfahren (physical vapor deposition), einem CVD-Beschichtungsverfahren (chemical vapor deposition) oder einem Plasma-CVD-Verfahren (plasmaaktiviertes CVD) aufbringen.

Um Ablagerungen, beispielsweise Kalkablagerungen, an der strukturierten Schicht weiter zu unterdrücken, sind die Spitzen bzw.

Gipfel der strukturierten Schicht geglättet. Dies kann durch Bürsten, Schleifen oder Strahlen erfolgen.

Die Dicke der in "Orangenhautstruktur" strukturierten Schicht soll möglichst klein sein, um die genannten Eigenschaften zu gewährleisten. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke 5 bis 24 μm, insbesondere etwa 10 μm.

Die gewünschten Effekte lassen sich dadurch unterstützen, dass die Oberfläche der Wandung, auf die die strukturierte Schicht aufgebracht ist, schon vor dem Aufbringen strukturiert ist. Eine solche Strukturierung lässt sich nach der DE 101 44 865 durch einen abrasiven ersten Verfahrensschritt und einen folgenden glättenden Verfahrensschritt durch Bestrahlung mit perlenförmigen Partikeln erreichen. Vorzugsweise wird dadurch eine Oberfläche erzeugt, die in einem Strahlverfahren mittels Glasperlen oder Korund strukturiert ist und einen Mittelrauwert Ra von 0,3 bis 2,0 μm und/oder eine maximale Rautiefe Rmax von etwa 2,0 bis 10 μm hat.

Die beschriebene Wärmeübertragungswandung kann eine Wandung von Rohrheizkörpern, Flachheizkörpern (verdeckte Heizkörper mit Edelstahlplatte, Aluminiumheizkörper, Dickschichtheizkörper) oder Wärmetauschern sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Unteransprüchen. In der Zeichnung zeigen:
1 einen einen elektrischen Dickschichtheizkörper tragenden Heizkörper am Boden eines elektrischen Warmwasserbereiters,
2 einen Schnitt des Heizkörpers,
3 eine Aufnahme der strukturierten Schicht an der Oberfläche des Heizkörpers,
4 eine Messlinie der Rauigkeit (Täler und Gipfel) der strukturierten Schicht,
5 eine vergrößerte Ansicht der 4 schematisch,
6 eine 5 entsprechende Ansicht mit geglätteten Gipfeln,
7 eine Abbott'sche Kurve der Verteilung der Rauigkeit und
8 verschiedene Nanostrukturen der strukturierten Schicht.
Ein Kochendwasserbereiter weist einen Wasserbehälter 1 auf, dessen Boden ein elektrischer Heizkörper 2 bildet. Der Heizkörper 2 trägt ein Ein- und Auslaufrohr 3 und ein Überlaufrohr 4 sowie Bolzen 5 zur Verbindung mit einem nicht näher dargestellten Träger für den Wasserbehälter 1 und den Heizkörper 2. Der Heizkörper 2 besteht aus einer Edelstahlplatte 6. Auf deren dem Wasserraum 7 abgewandten Unterseite 8 ist eine elektrisch isolierende Schicht 9 aufgebracht, auf die ein elektrisches Dickschichtheizelement in Form von Leiterbahnen 10 aufgedruckt ist. Die Leiterbahnen 10 sind mit einer Schutzschicht 11 bedeckt.
Der Heizkörper 2 weist eine dem Wasserraum 7 zugewandte Oberfläche 12 auf. Die Oberfläche 12 wird bei der Herstellung des Heizkörpers 2 durch abrasive Bestrahlung mit Aluminiumoxidpartikeln gereinigt (vgl. DE 101 44 865 ). Dadurch entsteht eine gewisse Rauheit, welche durch eine Bestrahlung mit perlenförmigen Partikeln ausgeglichen wird, ohne dass die Oberfläche 12 ideal plan wird.
Auf die Oberfläche 12 ist eine sehr raue strukturierte Schicht 13 aufgebracht. Deren Rauigkeit ist größer als die durch die genannten Bestrahlungsverfahren erzeugte Rauigkeit der Oberfläche 12.
Die strukturierte Schicht 13 besteht aus einer Hartmetallbeschichtung, insbesondere aus Chromcarbid mit oder ohne Nickel-Chrom-Beigabe und mit oder ohne einer Beigabe von Polytetrafluorethylen-Partikeln, beispielsweise Cr3C2 Ni-CR 75/25 mit 10 Vol.-% PTFE. Diese Schicht wird durch thermisches Spritzen, vorzugsweise in einem Hochgeschwindigkeits-Flamm-Spritzverfahren, aufgebracht. Die Schichtdicke soll möglichst klein sein. Sie beträgt beispielsweise 5 bis 24 μm, insbesondere etwa 10 μm. Die PTFE-Partikel dienen der Verminderung von Ablagerungen.
Die 3 zeigt 1 mm² der strukturierten Schicht 13 mit ihren Tälern 14 und Gipfeln 15 in perspektivischer Ansicht.
4 zeigt beispielshaft den gemessenen Verlauf der Täler 14 und Gipfel 15 längs einer Linie von 10 mm. Je 1 mm treten längs der Messlinie etwa acht Täler 14 und acht Gipfel 15 auf, so dass auf 1 mm² der strukturierten Schicht 13 im Durchschnitt etwa 64 Täler 14 und 64 Gipfel 15 liegen.
Im Heizbetrieb bestimmen die Täler 14 die Keimbildung für Dampfblasen. Es entstehen in den Tälern 14, insbesondere in den kritischen Temperaturbereichen, nur solche Gasblasen (kleine Gasblasen), die sich leicht ablösen und im Wasser hochperlen. Dadurch ist die Geräuschentwicklung im Betrieb gegenüber dem Stand der Technik beträchtlich reduziert. Durch die schnelle Ablösung der Gasblasen bzw. Dampfblasen ist auch eine gute Wärmeübertragung auf das Wasser gewährleistet. Darüber hinaus ist die strukturierte Schicht 13 korrosionsbeständig und physiologisch unbedenklich.
Es wurde ermittelt, dass die genannten Effekte erreicht werden, wenn die strukturierte Schicht pro 1 mm² etwa wenigstens 10, insbesondere 30 bis 100 Täler 14 und entsprechend etwa wenigstens 10, insbesondere 30 bis 100 Gipfel 15 hat. Weniger Täler und Gipfel pro 1 mm² führen zu einer Erhöhung der Geräuschentwicklung. Mehr Täler bzw. Gipfel vorzusehen, ist für den genannten Effekt zwar unkritisch, jedoch technologisch nur schwer erreichbar.
Die Beurteilung der strukturierten Schicht 13 nach DIN ergibt, dass sie eine maximale Rautiefe Rmax von 15 bis 60 μm, insbesondere 25 bis 40 μm hat. Der Mittelrauwert Ra liegt oberhalb 1 μm, insbesondere zwischen 4 bis 5 μm. Die 10-Punkte-Höhe Rz nach DIN 4768 beträgt 15 bis 60 μm, insbesondere 25 bis 35 μm.
Dauerhafte Ablagerungen an der strukturierten Schicht 13, beispielsweise eine Verkalkung, lässt sich dadurch unterdrücken, dass die Gipfel 15 geglättet sind. Dieses Glätten kann durch Bürsten, Schleifen oder Strahlen erfolgen. 5 zeigt einen Teilausschnitt der 4. 6 zeigt die Gipfel 15 in diesem Teilausschnitt durch Schleifen geglättet. Die Schleifebene ist mit S bezeichnet.
Um die genannte Wirkung an der gesamten Oberfläche gleichmäßig zu erreichen, sollen die Täler 14 und die Gipfel 15 möglichst gleich verteilt sein. Eine weitgehende Gleichverteilung entsprechend 4 zeigt die Abbott'sche Kurve (vgl. DIN 4762) der 7.
Auf die strukturierte Schicht 13 kann zur Verringerung von Ablagerungen eine zweite Schicht aufgebracht werden. Diese Schicht ist so dünn, dass sich die Täler 14 und Gipfel 15 abbilden. Diese Schicht kann beispielsweise im PVD-, CVD- oder Plasma-CVD-Verfahren aufgebracht werden, oder es können Materialien im Sol-Gel-Verfahren durch Spritzen, Tauchen, Schleudern oder ähnliche bekannte Verfahren appliziert werden.
Die beschriebene strukturierte Schicht 13 kann insbesondere bei nanoskalierenden Werkstoffen (Nanocomposites) durch Mikrostrukturierung der Oberfläche erreicht werden. Dabei werden die Mikrostrukturen durch eine Maske oder Form in die noch nicht ausgehärtete Oberfläche einer Nanobeschichtung eingebracht.
Anschließend wird die Struktur ausgehärtet. Es lassen sich damit die zu Gasblasenbildung notwendigen Mikrostrukturen, die als Siedekeime wirken und die Gasblasen modellieren, gestalten. Der Mittenrauwert Ra ist etwa 1 μm. Abwechselnd zu diesen Mikrostrukturen, die im Bereich B Täler 14 und Gipfel 15 bilden, lassen sich in Zwischenbereichen A Plateaus 16 gestalten. Diese sind glatt und vermeiden anorganische Ablagerungen, beispielsweise Kalkablagerungen. Der Niveau der Plateaus 16 kann höher liegen als die Gipfel 15 (vgl. 8a). Das Plateau 16 kann auch auf etwa gleicher Höhe wie die Gipfel 15 liegen (vgl. 8b) oder darunter.
Die positionierten Flächen der Zwischenbereiche A und der Bereiche B stehen etwa im Verhältnis von 1/2.
Die Kantenlänge 1a des Plateaus 16 kann 0,1 bis 0,3 mm betragen.
8c zeigt die Gestaltung der 8a bzw. 8b perspektivisch. d zeigt eine Aufsicht. Die 8e und 8f zeigen Alternativen zu 8d, wobei die Plateaus 16 nach 8d etwa rechteckig und nach den 8e und 8f etwa kreisrund sind.

Claims

Wärmeübertragungswandung, insbesondere eines elektrischen Heizkörpers für einen Warmwasserbereiter oder eines Wärmetauschers, mit einer strukturierten Schicht an der einer zu erwärmenden Flüssigkeit zugewandten Oberfläche der Wandung, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (12) der Wandung, auf die die Schicht aufgebracht ist, schon vor dem Aufbringen der strukturierten Schicht leicht strukturiert ist, dass die aufgebrachte Schicht (13) wenigstens etwa 10 Täler (14) und wenigstens etwa 10 Gipfel (15) pro 1 mm² aufweist, dass die strukturierte Schicht (13) einen Mittenrauwert Ra von wenigstens 1 μm hat und dass das zusätzlich auf die Wärmeübertragungswandung aufgebrachte Material der strukturierten Schicht (13) eine Dicke von max. 24 μm aufweist.
Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Rautiefe Rmax etwa 15 bis 60 μm, insbesondere 25 bis 40 μm beträgt.
Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht (13) einen Mittenrauwert Ra von 2 bis 8 μm hat.
Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittenrauwert Ra etwa 4 bis 5 μm beträgt.
Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die 10-Punkte-Höhe Rz nach DIN 4768 15 bis 60 μm, insbesondere 25 bis 35 μm, beträgt.
Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht (13) aus einem Hartmetall besteht.
Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht (13) im wesentlichen aus Chromcarbid mit oder ohne Chrom-Nickel-Beigabe und mit oder ohne Polytetrafluorethylen (PTFE)-Beigabe besteht.
Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht (13) in einem thermischen Spritzverfahren, insbesondere im Hochgeschwindigkeits-Flammverfahren, aufgebracht ist.
Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht (13) aus Partikeln mit einer Größe im nm-Bereich besteht (Nanocomposites).
Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht (13) in einem Sol-Gel-Prozess aufgebracht ist.
Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht (13) aus diamantartigem Kohlenstoff (DLC) besteht.
Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht (13) in einem PVD- oder CVD- oder einem plasmagestützten CVD-Verfahren aufgebracht ist.
Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gipfel (15) der strukturierten Schicht (13) geglättet sind.
Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gipfel (15) durch Bürsten, Schleifen oder Strahlen geglättet sind.
Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der strukturierten Schicht (13) etwa 10 μm beträgt.
Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Anspruche dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche (12) in einem Strahlverfahren mittels Glasperlen oder Korund strukturiert ist und einen Mittenrauwert Ra von 0,3 bis 2,0 μm hat.
Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche (12) der Wandung eine maximale Rautiefe Rmax von etwa 2,0 bis 10 μm hat.
Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht (13) zwischen Täler (14) und Gipfel (15) gestaltete Bereiche (B) Plateaus (16) bildende Zwischenbereiche (A) aufweist.
Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die strukturierte Schicht (13) eine weitere Schicht aufgebracht ist, die der Struktur der strukturierten Schicht (13) folgt, so dass die Täler (14) und Gipfel (15) erhalten bleiben.