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Die
Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungswandung,
insbesondere bei einem elektrischen Heizkörper eines Warmwasserbereiters
oder bei einem Wärmetauscher,
mit einer Strukturierung der einer zu erwärmenden Flüssigkeit zugewandten Oberfläche.
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Bei
derartigen Wandungen besteht das Problem von Geräuschemissionen beim Aufheizen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass bei der Wärmeübertragung an der Oberfläche Gasblasen
gebildet werden, die sich von der Wärmeübertragungswandung ablösen und
in der näheren
Umgebung der Grenzschicht oder direkt auf der Wärmeübertragungswandung implodieren.
Hierdurch werden Kräfte
in die Wärmeübertragungswandung
eingeleitet, die die Wärmeübertragungswandung
zu Schwingungen anregt. Insbesondere flächige Heizkörper können vergleichsweise leicht
zum Schwingen angeregt werden. Liegt eine Resonanzfrequenz der Wärmeübertragungswandung
und der mit ihr verbundenen Bauteilstruktur im Bereich der Anregungsfrequenz, kann
es zum Schwingen der Wärmeübertragungswandung
und als Folge davon zu unerwünschten
Geräuschemissionen
kommen.
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Weiterhin
besteht das Problem von Ablagerungen, insbesondere Kalkablagerungen,
an der Wandung. Solche Ablagerungen beeinträchtigen die Wärmeübertragung
von der Wandung auf die zu beheizende Flüssigkeit. Versuche haben gezeigt,
dass sich an gleichmäßigen Strukturen
Kalkblättchen
anlagern, die beim Aufheizvorgang nicht abgelöst werden.
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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.
Außerdem
ist beschrieben, dass Ablagerungen durch eine Schicht mit niedriger
Oberflächenenergie
reduziert werden können.
Die dort beschriebene Schicht erstreckt sich gleichmäßig über die
Oberfläche.
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In
der
DE 101 44 865
A1 ist ein Verfahren zur Verminderung der Verkalkung 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. Auch in diesem Fall ist
die Oberfläche
gleichmäßig.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Wärmeübertragungswandung
der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei der Geräuschemissionen
vermindert und die Ablösung
von Kalkblättchen
unterstützt ist.
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Erfindungsgemäß ist obige
Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch
die ungleichmäßige Verteilung
der Zonen unterschiedlichen Materials und/oder unterschiedlicher
Struktur an der Oberfläche
sind gezielt "Störungen" eingebracht, so
dass die die Geräuschemissionen
und die Verkalkung hervorrufenden Prozesse zonal verschieden sind.
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Geräuschemissionen
werden vermindert, weil die Gasblasenbildung in den verschiedenen
Zonen unterschiedlich ist. Verschiedene Oberflächenmaterialien haben unterschiedliche
Oberflächenenergie.
Unterschiedliche Oberflächenstrukturen
bilden unterschiedliche Keimbildungsstrukturen für die Gasblasenentstehung und
unterschiedliche Radien bei der Entstehung und der Ablösung der
Gasblasen. Werden Gasblasen an einem anderen Oberflächenmaterial
und/oder an einer mikroskopisch betrachtet anderen Oberflächenstruktur
gebildet, dann übertragen
sie dementsprechend andere Anregungskräfte auf die Wandung. Damit
ergeben sich verschiedene Anregungsamplituden und Anregungsfrequenzen,
so dass in Verbindung mit der unterschiedlichen Verteilung der Zonen
an der Oberfläche
kein gleichmäßiges Schwingungsbild
auftreten kann, weil ein solches durch die genannten Effekte gestört ist.
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Die
Resonanzfrequenz der Wärmeübertragungswandung
wird nicht getroffen.
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Die
Verkalkung wird reduziert, weil bei den unterschiedlichen Materialien
und/oder Strukturen der Zonen der Oberfläche die Anhaftungseffekte und die
erforderlichen Ablösekräfte für Kalkblättchen lokal
unterschiedlich sind. Die Kalkblättchen
lösen sich infolge
der dadurch induzierten mechanischen und thermischen Spannungen
leichter von der Oberfläche.
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Vorzugsweise
weisen wenigstens die Mehrzahl der ersten Zonen unterschiedliche
Flächen und/oder
Formen und/oder wenigstens die Mehrzahl der zweiten Zonen unterschiedliche
Flächen und/oder
Formen auf. Bevorzugt sind die Flächen und/oder Formen der ersten
Zone von den Flächen und/oder
Formen der zweiten Zone unterschiedlich. Durch diese Maßnahmen
ist die gewünschte
Unsymmetrie der Oberfläche
gezielt unterstützt.
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Zusätzlich können auch
dritte oder weitere Zonen unterschiedlicher Materialien und/oder
Strukturen mit unterschiedlichen Flächen und Formen an der Oberfläche gestaltet
werden.
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Bevorzugt
verlaufen die ersten Zonen und die an sie angrenzenden zweiten Zonen
so, dass ihre Grenzlinien an der Unterseite der Wärmeübertragungswandung
angeordnete Heizleiterbahnen kreuzen.
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Damit
erstrecken sich erste Zonen und zweite Zonen über beheizten, Kalk bildenden
und unbeheizten, nicht direkt Kalk bildenden Bereichen, was beim
Aufheizen infolge thermischer Effekte zu Spreiz- und Hebelwirkungen
führt,
die das Ablösen von
Kalkblättchen
begünstigen.
Durch spitze Dreieck- oder Mehrkantformen kann dieser Effekt verstärkt werden.
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An
der Unterseite der Wärmeübertragungswandung
ist bei einem Warmwasserbereiter gewöhnlich ein temperaturempfindliches
Bauteil, insbesondere ein Temperatursensor, angeordnet. Dieser soll die
Temperatur der Flüssigkeit
möglichst
exakt erfassen. Eine dortige Verkalkung würde dies behindern. An der
Oberfläche
oberhalb des temperaturempfindlichen Bauteils sind, um dort eine
Verkalkung möglichst
zu vermeiden, bzw. eine Abreinigung einer etwaigen Verkalkung zu
erreichen, die genannten Maßnahmen
konzentriert, indem dort mehrere erste Zonen und mehrere zweite
Zone nahe beieinander liegen, d.h. möglichst viele Grenzlinien zwischen
den ersten und zweiten Zonen bestehen. Durch eine solche Konzentration
lassen sich besonders verkalkungsgefährdete Bereiche der Wärmeübertragungswandung
und Bereiche von thermisch angekoppelten Bauteilen, Sensoren, Temperaturschaltern
und/oder Sicherheitstemperaturbegrenzern weitgehend kalkfrei halten.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine einen elektrischen
Dickschichtheizkörper
tragende Wärmeübertragungswandung am
Boden eines elektrischen Warmwasserbereiters,
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2 eine Aufsicht auf die
Oberfläche
einer Wärmeübertragungswandung
mit ersten und zweiten Zonen unterschiedlichen Materials und/oder
unterschiedlicher Struktur,
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3 die Oberfläche mit
einer gegenüber 2 anderen Verteilung der
Zonen,
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4 die Oberfläche mit
einer weiteren anderen Verteilung der Zonen,
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5 eine Aufsicht auf die
Unterseite der Wärmeübertragungswandung
nach 4,
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6 die Oberfläche mit
einer weiteren anderen Verteilung der Zonen,
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7 eine Aufsicht auf die
Unterseite der Wärmeübertragungswandung
nach 6,
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8 die Oberfläche mit
einer weiteren anderen Verteilung der Zonen,
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9 eine Aufsicht auf die
Unterseite der Wärmeübertragungswandung
nach 8,
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10 eine vergrößerte Detailansicht,
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11a, 11b, 11c verschiedene
Anordnungen von Dreieckformen im Bereich über einer Heizleiterbahn und
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12 einen Teilschnitt der
Wärmeübertragungswandung.
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Ein
Kochendwasserbereiter weist einen Wasserbehälter 1 auf, dessen
Boden ein elektrischer Heizkörper 2 als
Wärmeübertragungswandung
bildet. Der Heizkörper 2 trägt ein Ein-
und Auslaufrohr 3 und ein Überlaufrohr 4 sowie
Bolzen 5, die der Verbindung mit einem nicht näher dargestellten
Träger des
Wasserbehälters 1 dienen.
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Der
Heizkörper 2 besteht
aus einer Platte 6, insbesondere aus Edelstahl. Auf deren
dem Wasserraum 7 abgewandten Unterseite 8 ist
eine nicht dargestellte elektrisch isolierende Schicht aufgebracht, auf
die ein elektrisches Dickschichtheizelement in Form von Heizleiterbahnen 9 aufgedruckt
ist. Die Heizleiterbahnen 9 sind mit einer nicht dargestellten Schutzschicht
bedeckt.
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Der
Heizkörper
2 weist
eine dem Wasserraum
7 zugewandte Oberfläche
10 auf. Diese
wird bei der Herstellung des Heizkörpers
2 durch abrasive Bestrahlung
mit Aluminiumoxidpartikeln gereinigt (vgl.
DE 101 44 865 A1 ). Dadurch
entsteht eine gewisse Rauheit, welche durch eine Bestrahlung mit perlenförmigen Partikeln
ausgeglichen wird, ohne dass die Oberfläche
10 ideal plan
wird.
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An
der Oberfläche 10 sind
erste Zonen 11 und zweite Zonen 12 gestaltet,
die an der Oberfläche 10 ungleichmäßig, nichtsymmetrisch
verteilt sind. Die Mehrzahl der ersten Zonen 11 und der
zweiten Zonen 12 weisen unterschiedliche Flächen und
Formen auf. Die Flächen
und Formen der ersten Zonen 11 und der zweiten Zonen 12 weichen
voneinander ab. Die zweiten Zonen 12 nehmen beispielsweise
5% bis 70%, vorzugsweise 10% bis 30%, der Oberfläche 10 ein.
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Die
zweiten Zonen 12 sind bei den Ausführungsbeispielen der 2 bis 9 von einem Streifenmuster gebildet,
wobei zwischen den Streifen die ersten Zonen 11 bestehen.
Die Streifen weisen bei den 2 bis 9 je gleiche Breite auf.
Die Breite der Streifen in jedem Ausführungsbeispiel kann jedoch
auch unterschiedlich sein. Die Streifenbreite kann auch über die
Länge jedes
Streifens gesehen variieren. Die Breite der Streifen beträgt etwa
1 mm bis 10 mm, vorzugsweise 3 mm bis 5 mm. Die Streifen erstrecken
sich von einem Außenrandbereich
der Platte 6 bis zu einem von diesem entfernten Außenrandbereich.
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Die
Streifen nach den 2 bis 7 verlaufen geradlinig; nach 8 kurvenförmig. Sie
verlaufen so, dass sie die an der Unterseite 8 spiralförmig verlaufende
Heizleiterbahn 9 kreuzen.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 2 sind drei Streifen
vorgesehen, die sich durchgehend über die Oberfläche 10 erstrecken
und unterschiedliche Abstände
haben. Sie können
parallel oder nicht parallel zueinander verlaufen. Dementsprechend
unterschiedlich groß sind
die die ersten Zonen 11 bildenden Teilflächen. Wegen
ihrer unterschiedlichen Länge
weisen auch die die zweiten Zonen 12 bildenden Streifen
unterschiedliche Flächen
auf.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 3 kreuzen sich
die die zweiten Zonen 12 bildenden Streifen, vorzugsweise
in unterschiedlichen Winkeln. Dementsprechend unterschiedlich sind
auch die die ersten Zonen 11 bildenden rautenförmigen Teilflächen. Die oben
zu 2 genannten Merkmale
liegen auch bei 3 vor.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 8 sind teils sich
kreuzende, teils aneinanderstoßende, überwiegend
kurvenförmige
Streifen vorgesehen, wodurch die die ersten Zonen 11 bildenden
Teilflächen stark
ungleichförmig
und ungleich groß sind.
An Streifen können
mehrere Dreieckformen 13 oder Mehrkantformen gestaltet
sein (vgl. 8), die auch bei
den anderen Ausführungsbeispielen
vorgesehen sein können.
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In
Bereichen 14, die bei den Ausführungsbeispielen nach den 4 bis 9 vorgesehen sind, wechseln die ersten
Zonen 11 und die zweiten Zonen 12 enger als auf
der übrigen
Oberfläche.
Im Bereich 14, der in 10 vergrößert dargestellt
ist, liegt ein Kreuzungspunkt von die zweiten Zonen 12 bildenden Streifen.
Um den Kreuzungspunkt erstrecken sich ein Oval bildende Streifenstege 15,
die mit den sich kreuzenden Streifen in Verbindung stehen (vgl. 4, 6, 8).
An den Streifenstegen 15 sind Dreieckformen 13 ausgebildet. Ähnliche
Bereiche 14',
die nicht in Kreuzungspunkten liegen, sind in 6 gezeigt.
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Gegenüber dem
Bereich 14 ist an der Unterseite 8 ein der Erfassung
der Wassertemperatur dienender Temperatursensor 16 angeordnet
(vgl. 5, 7, 9).
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Die
Mehrzahl der Dreieckformen 13 und der dichte Wechsel von
die zweiten Zonen 12 bildenden Streifen und der ersten
Zonen 11 im Bereich 14 verhindert Verkalken weitgehend
und unterstützt
das Abplatzen von Kalkblättchen
im Betrieb, was weiter unten näher
beschrieben ist.
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Der
Vergleich der 4 mit 5, der 6 mit 7 und
der 8 mit 9 zeigt den Verlauf der
Streifen bezogen auf die spiralförmige
Heizleiterbahn und die Lage des Bereichs 14 bezüglich des Temperatursensors 16.
Die Streifenmuster sind in den 5, 7 und 9 strichliert dargestellt. 7 zeigt auch, wie die Bereiche 14'' die Heizleiterbahn 9 schneiden. 9 zeigt auch die Lage der
Dreieckformen 13 über
der Heizleiterbahn 9. Die 5, 7 und 9 lassen weiterhin auch den zu den Bolzen 5 unsymmetrischen
Verlauf des Streifenmusters erkennen.
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Die
ersten Zonen 11 und die zweiten Zonen 12 unterscheiden
sich im Material und/oder in der Struktur ihrer Oberflächen, um
beim Aufheizen in den ersten Zonen 11 und in den zweiten
Zonen 12 eine unterschiedliche Gasblasenbildung zu erzeugen.
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In
den ersten Zonen
11 ist die Oberfläche beispielsweise von einer
sehr rauen strukturierten Schicht gebildet, die die Bildung von
vergleichsweise kleinen Gasblasen und deren Ablösung unterstützt. Eine
solche Struktur ist in der
DE
102 53 457.8 beschrieben. Die Rauheit der strukturierten
Schicht ist größer als
die durch die abrasive Bestrahlung mit Aluminiumoxidpartikeln und
die oben genannte Bestrahlung mit perlenförmigen Partikeln behandelten Oberfläche der
Platte
6.
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Die
raue strukturierte Schicht besteht aus einer Hartmetallbeschichtung,
insbesondere aus Chromcarbid mit oder ohne Nickel-Chrom-Beigabe und
mit oder ohne einer Beigabe von Polytetrafluorethylen-Partikeln,
beispielsweise Cr3C2Ni-CR 75/25 mit 10 Vol.-% PTFE. Diese Schicht
wird durch thermisches Spritzen, vorzugsweise in einem Hochgeschwindigkeits-Flamm-Spritzverfahren,
aufgebracht. Die Schichtdicke beträgt beispielsweise 5 bis 35 μm, insbesondere
etwa 10μm.
Die PTFE-Partikel dienen der Verminderung von Ablagerungen. Die
strukturierte Schicht weist beispielsweise wenigstens etwa 10 Täler und
wenigstens etwa 10 Gipfel pro 1 mm2 auf. Sie
hat beispielsweise einen Mittenrauwert Ra nach DIN von wenigstens
1 μm, insbesondere
2 μm bis
8 μm, vorzugsweise
4 μm bis
5 μm. Die
strukturierte Schicht kann aus Partikeln mit einer Größe im nm-Bereich
(Nanocomposites) bestehen. Sie kann auch aus diamantartigem Kohlenstoff
(DLC) bestehen.
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In
den zweiten Zonen 12 ist die Oberfläche gegenüber den ersten Zonen 11 glatter
gestaltet. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass
bei der Fertigung zunächst
die gesamte Oberfläche
mit der oben genannten strukturierten Schicht versehen wird und
anschließend
im Muster der zweiten Zonen 12 diese Beschichtung wieder
abgetragen wird, was mittels Laser erfolgen kann.
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An
den Oberflächen
der ersten Zonen 11 und der zweiten Zonen 12 bestehen
damit unterschiedliche Mikrostrukturen und Materialien, so dass
sich eine dementsprechend andere Gasblasenbildung ergibt. Da zusätzlich auch
die ersten Zonen 11 und die zweiten Zonen 12 ungleichmäßig verteilt
und unterschiedlich groß sind,
ist weitestgehend vermieden, dass es bei der Bildung von Gasblasen
und deren Zusammenbrechen zu einer mit einer Resonanzfrequenz der
Wärmeübertragungswandung,
d.h. dem Heizkörper 2, – verbunden
mit dem Bolzen 5 – zusammenfallenden
Anregungsfrequenz kommt. Die Geräuschentwicklung
ist dadurch insgesamt gegenüber
dem Stand der Technik wesentlich verringert.
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Auch
die Kalkablösung
von der Oberfläche ist
durch den Wechsel der ersten Zonen 11 und der zweiten Zonen 12,
insbesondere in verkalkungsempfindlichen Bereichen, oberhalb der
Heizleiterbahn 9 und oberhalb temperaturempfindlicher Bauteile,
unterstützt.
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Die 11a, 11b und 11c zeigen
die Zuordnung der oben genannten Dreieckform 13 zur Heizleiterbahn 9.
Bei 11a liegen Spitzen
und teilweise Kanten 17 zweier Dreieckformen 13 über der Heizleiterbahn 9.
Diese Dreieckformen 13 stehen mit Streifen der zweiten
Zonen 12 in Verbindung.
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Bei 11b liegt eine spitzenverbundene Doppel-Dreieckform 13 teils
mit ihren Kanten 17 über der
Heizleiterbahn 9 und teils über nicht beheizten Bereichen,
wobei diese Dreieckform 13 nicht an die Streifen angebunden
ist.
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Nach 11c liegen die Spitzen zweier
nicht an Streifen angebundener Dreieckformen 13 und teilweise
ihre Kanten 17 über
die Heizleiterbahnen 9.
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12 zeigt, wie über die
Heizleiterbahn 9 die Grenze zwischen ersten Zonen 11 und
zweiten Zonen 12, ggf. von Dreieckformen 13 gebildeten, Kanten 17 liegen.
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Dadurch,
dass sich die zwischen den ersten Zonen 11 und den zweiten
Zonen 12 bestehenden Kanten 17 über beheizte
Bereiche, Heizleiterbahn 9, und unbeheizte Bereiche erstrecken,
entstehen beim Aufheizen infolge thermischer Effekte, beispielsweise
unterschiedlicher Wärmedehnungen,
Spreiz- und Hebelwirkungen, die zum Ablösen von angelagerten Kalkblättchen führen.
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Da
sich Kalk an unterschiedlichen Materialien, die unterschiedliche
Oberflächenenergie
haben und damit zu unterschiedlichen Haftungsmechanismen und Haftungskräften führen, und
an unterschiedlichen Oberflächenstrukturen,
insbesondere unterschiedlichen Rauigkeiten, die zu unterschiedlichen
mechanischen Verkrallungen führen,
unterschiedlich ausbildet, unterstützt eine gezielte Gestaltung
solcher Unterschiede die Kalkvermeidung und die Kalkablösung.
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Auch
im oben beschriebenen Bereich 14 ist dies gegeben. Ähnliche
Bereiche können
auch in anderen besonders verkalkungsgefährdeten Bereichen oder in Bereichen
vorgesehen sein, in denen sich eine Verkalkung besonders stark auswirken
würde, insbesondere
bei thermisch anzukoppelnden Bauteilen, wie dem genannten Temperatursensor
und/oder Temperaturschalter und/oder Sicherheitstemperaturbegrenzer.
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Statt
der oben genannten Heizleiterbahn können an der Wärmeübertragungswand
auch andere Heizelemente, wie beispielsweise Heizrohre, angeordnet
sein.