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Elektro-Heißwassergerät Die Erfindung bezieht sich auf Temperaturfühleranordnungen
und Maßnahmen zur Verbesserung des Wärmeüberganges vom temperaturmäß ig zu erfassenden
Gegenstand oder Medium eines Elektro-Heißwassergerätes zum Temperaturfühler.
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Bei elektrischen Heißwassergeräten wird die Energiezufuhr durch Temperaturregler
bzw. -begrenzer als Wassertemperaturschalter oder Trockengehschutz in Abhängigkeit
von der Wasser- und/oder Heizkörpertemperatur kontrolliert und der Temperaturftihler
der Temperaturschaltvorrichtung dementsprechend im Wasserraum oder -weg bzw. in
demselben mit dem vom aufzuheizenden Wasser umgebenden Heizkörper iiber eine mehr
oder weniger gut ausgebildete künstliche Wärmebrücke verbunden.
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Mitunter werden die Temperaturfühler bei Heißwasserspeichern auch
außen auf dem Behälter oder Heizfiansch angeordnet. In diesen Fällen wird jedoch
nur die Temperatur des direkt erwärmten Wassers, dazu mittelbar über die Behälterwandung,
abgegriffen und sind Wassertemperaturregler bzw. -abschalter zugeordnet. Derartige
Temperaturfühler können jedoch nicht in direkter Abhängigkeit von der Heizkörpertemperatur
arbeiten und damit den Heizkörper im eingeschalteten Zustand vor dem gefahrvollen
Trockengehen bewahren, es sei denn, daß eine Wärmebrücke zum Heizkörper vorhanden
ist, da ein für eine Abschaltung hinreichender Wärmeübergang in Form von Wärmestrahlung
vom Heizkörper zur Behälter wand Heizkörpertemperaturen voraussetzt, die ein Vielfaches
der normalen Heizkörperbetriebstemperatur betragen. Diese Übertemperaturen lösen,
zumindest vorübergehend, Ableitströme im Heizkörper aus, die den amtlich zulässigen
Wert übersteigen, insbesondere wenn es sich bei der elektrischen Beheizung um mehrere
Heizkörper handelt, deren Ableitströme sich addieren. Auch kann es dabei passieren,
daß die aus Lot bestehende Behälternaht bzw. das Lot, mit welchem der Heizkörper
im Behälter befestigt ist, oder der Heizkörper selbst schmilzt, ehe der Temperaturfühler
die für eine Abschaltung notwendige Temperatur angenommen hat.
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Desgleichen kann eine Wärmebrücke bekannter Art keinen großen Wirkungsgrad
haben, da zuviel Wärme in die normalerweise gut wärmeleitende und um ein Vielfaches
größere Behälterwandung vor Erreichen des Temperaturfühlers abwandern würde, so
daß ein unerwünscht großer Schaltverzug die Folge wäre; oder aber man muß die Wärmebrücke
isoliert durch die Behälterwandung hindurchführen, wie das in einem Fall, nämlich
für elektrisch beheizte Haushaltwasserkessel, bereits vorgeschlagen wurde.
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Die Anordnung der Wärmebrücke wird noch komplizierter, wenn eine
solche zu mehreren Heizkörpern gleichzeitig hergestellt werden soll, beispielsweise
bei Stern- bzw. Dreieck- oder Parallelschaltung der Heizkörper. Bei Ausfall einer
oder mehrerer Heizkörper entstehen dann ebenfalls zu große Wärmeverluste bei Ableitung
der Wärme von den restlichen in Betrieb befindlichen Heizkörpern, da dieselbe dann
zum Teil in die thermisch toten Teile der verzweigten Wärmebrücke wandert.
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Man kann sich jedoch dieser Anordnungen nicht bei behälterlosen Heißwassergeräten
bedienen, insbesondere nicht bei sogenannten Röhrendurchlauferhitzern, bei denen
ein Mantelrohrheizkörper koaxial von einem Rohr umgeben ist, in welchem das aufzuheizende
Wasser, vorzugsweise beim Durchfließen desselben, vom Heizkörper direkt erwärmt
wird. Vergegenwärtigt man sich, daß beispielsweise der Außendurchmesser des Mantelrohrheizkörpers
etwa 8 mm und der Innendurchmesser des Wasserleitrohres etwa 16 mm beträgt, so wird
offenbar, daß es nur mit allergrößten Schwierigkeiten und erheblichem Aufwand möglich
ist, metallische Wärmebrücken vom Heizkörper über den Ringspalt zur Rohrwand zu
schaffen und gegebenenfalls durch diese wasserdicht hindurchzuführen, sei es durch
Lötung, sei es durch Einsetzen eines wärmeleitenden Formteiles, von dem man nicht
mit Sicherheit voraussagen kann, daß es eine wärmeleitende Verbindung herstellt.
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Im übrigen würde durch eine derartige Wärmebrücke der Durchflußquerschnitt
an dieser Stelle erheblich verringert werden, so daß mit unerwünschten Drosseleffekten
gerechnet werden muß. Auch müßten bei mehreren parallelen oder verketteten Heizkörpern
eine entsprechende Anzahl derartiger Wärmebrücken vorgesehen werden.
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Fernerhin scheidet eine Anordnung des Temperaturfühlers am Heizkörper,
d. h. innerhalb des vom Wasser
durchflossenen Ringspaltes, - aus,
da der Temperaturfühler, beispielsweise ein mit Ausdehnungs- oder Verdampfungsffüssigkeit
gefülltes Kapillarrohr, bei den angegebenen Rohrabmessungen dicker sein dürfte,
als dem Ringspalt entspricht. Zudem müßte ein und dasselbe Temperaturfühlrohr nacheinander
auf dieselbe Weise in die einzelnen Wasserrohre wasserdicht hinein- und hinausgeführt
werden, wenn man nicht eine der Wasserrohr- bzw. Heizkörperzahl entsprechende Anzahl
von Temperaturfühlern vorsehen wollte.
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Die aufgezählten Schwierigkeiten und Nachteile dürften ausschlaggebend
dafür gewesen sein, daß man von einer Temperaturregelung undfoder -begrenzung bei
Röhrendurchlauferhitzern Abstand nahm und die Energiezufuhr zu derartigen Geräten
allein durch hydraulische Schaltvorrichtungen, wie Differenzdruck-und Strömungsschalter,
steuerte.
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Röhrendurchlauferhitzer der genannten Art können jedoch auf einfachste
Weise mit thermischen Trockengehschutz-, Regel- und Abschaltvorrichtungen versehen
werden, wenn die Mantelrohrheizkörper in gewissen Längenbereichen in Berührung mit
den dieselben umgebenden Wasserrohren gebracht werden und ein Temperaturfühler auf
der äußeren Oberfläche des Wasserrohres ebenfalls in wärmeleitender Verbindung,
vorzugsweise längs der Berührungslinie oder -fläche in Wandstärkenabstand, verläuft.
Bei der wärmeleitenden Verbindung kann es sich dabei um die bekannten Mittel, wie
metallische Berührung durch Anklemmen, Lötung usw., handeln.
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Das neue Elektro-Heißwassergerät ist daher erfindungsgemäß so gebaut,
daß der Temperaturfühler einer an sich bekannten Temperaturschaltvorrichtung an
der äußeren Oberfläche des Wasserrohres wärmeleitend durch Anklemmen, Löten usw.
befestigt ist und weiterhin das Wasserrohr mit dem Mantelrohrheizkörper in bestimmten
gemeins amenLängenbereichen durchB iegen in Berührung gebracht wird.
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Die Berührung kann man durch verschiedene Maßnahmen herbeiführen,
so beispielsweise durch exzentrische Anordnung des Mantelrohrheizkörpers oder eines
Teiles desselben. Dies kann durch entsprechende Änderung des Formverlaufes des Heizkörpers
vor dem Einbringen desselben in das zugehörige Wasserrohr oder durch exzentrisches
Einsetzen des Heizkörpers in das Wasserrohr erreicht werden.
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Eine bevorzugte Maßnahme dürfte jedoch darin bestehen, den Mantelrohrheizkörper
zentrisch in das Wasserrohr einzusetzen und das Ganze nachträglich zu Kreisen, Spiralen,
Wendeln, U-förmig usw. zu biegen, wobei sich die linien- oder flächenförmige Berührung,
vorzugsweise auf der konvexen Seite, von selbst ergibt, und zwar um so mehr und
inniger, je biegsamer und länger das eine Rohr gegenüber dem anderen im gemeinsamen
Formverlauf ist.
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Da die die Heizkörper umhüllenden Wasserrohre, deren Länge sich nach
den ersteren richtet, aus Raumersparnisgründen sowieso in eine der vorgenannten
Formen gebracht werden, ergibt sich somit weder ein Arbeits- noch Materialaufwand
für die Herstellung der wärmeleitenden Verbindung zwischen Heiz- und Wasserrohr.
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Eine innige Berührung der beiden ineinanderliegenden Rohre ergibt
sich mit großer Sicherheit dann, wenn in einem bestimmten gemeinsamen Längenbereich
der Rohre in letzteren gemeinsamen Querschnittsebenen eine lichte Weite des Wasserrohres
ebenso toß ist wie der Außendurchmesser des Mantelrohrheizkörpers in gleicher Richtung
der lichten Weite. So erhalt man beispielsweise eine ununterbrochene, zwei-
fache
Berührungslinie zwischen den beiden Rohren, wenn der Mantel des Heizrohres die Form
einer Ellipse hat und das Wasserrohr im Querschnitt kreisförmig beschaffen ist und
weiterhin die große Ellipsenhalbachse größenmäßig dem lichten Durchmesser des Wasserrohres
entspricht.
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Dieselbe Wirkung läßt sich auch dann erzielen, wenn ein kreisrunder
Mantelrohrheizkörper zusammen mit einem denselben umgebenden, leicht verformbaren
Wasserrohr kongruenter Querschnittsform stärker krümmt. Beim Biegen bleibt dann
der kreisringförmige Querschnitt des mit verdichteter, pulverförmiger Isolationsmasse
- wenn man von der Heizwendel absieht - angefüllter Mantelrohrheizkörper praktisch
aufrechterhalten, wie das beim Biegen von sandgefüllten Rohren bekannt ist. Das
Material des hohlen, kreisringförmigen Wasserrohres kann und wird hingegen in Richtung
der festigkeitsmäßig neutralen Ebene ausweichen, d. h. querschnittmäßig die Form
einer Ellipse mit großer Halbachse senkrecht zur Krümmungsebene annehmen. Die Berührung
zwischen den beiden Rohren wird in diesem Fall um so eher in Richtung der kleinen
Halbachse zustande kommen, je biegsamer bzw. weicher und dünner das Material des
Wasserrohres und je kleiner der Ringspalt zwischen den Rohren vor Beginn des Biegevorganges
ist. Gute Ergebnisse lassen sich bezüglich der sicheren, materialfreien Wärmebrückenbildung
zwischen Heiz- und Wasserrohr durch Biegen derselben erzielen, wenn sowohl das Mantelrohr
des Heizkörpers als auch das Wasserrohr aus leicht biegbarem Kupferrohr bestehen,
der infolge seiner Füllung steifere Mantelrohrheizkörper darüber hinaus einen Außendurchmesser
von etwa 5,4 mm und das zugehörige Wasserrohr vor dem Biegen eine lichte Weite von
etwa 8 mm bei einer Wandstärke von etwa 0,75 mm besitzt.
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Noch wirkungsvoller gestaltet sich der Temperaturabgriff, wenn der
Temperaturfühler in der beschriebenen Weise an den Rohrstellen angeordnet wird,
die am schnellsten beim Aufheizvorgang oder Trockengehen Übertemperaturen annehmen.
Je nachdem, ob der Temperaturfühler einem Trockengehschutzschalter oder Wassertemperaturschalter
zugeordnet ist, wird man den Temperaturfühler an den zuerst trockengehenden, normalerweise
den am höchsten gelegenen Rohrstellen oder am Heißwasseraustrittsende anordnen oder
sich bis dorthin erstrecken lassen. Soll ein und derselbe Temperaturfühler sowohl
im Trockengehfall als auch bei Übertemperaturen des Wassers Abschaltimpulse auslösen,
so ist derselbe an beide genannten Stellen heranzuführen.
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Schließlich ist die Anordnung nicht auf Temperaturfühler beschränkt,
welche thermischen Trockengehschutzeinrichtungen zugeordnet sind, sondern trifft
in gleichem Maße auch für Temperaturfühler zu, welche auch sonst in direkter Abhängigkeit
von der Heizkörpertemperatur arbeiten, beispielsweise wenn die Heizkörper mit Ausnahme
der erwähnten Berührungsstellen vom Wasser und im Verlaufe der Zeit je nach Wasserbeschaffenheit
und Aufheiztemperatur mehr oder weniger stark von wärmeisolierendem Kesselstein
umgeben sind. Bei diesen normalen Betriebszuständen bleibt die wärmeleitende Verbindung
zwischen den Rohren nach wie vor bestehen und trägt wesentlich zur Verringerung
von Schaltverzögerungen bzw. Aufrechterhaltung eines hinreichenden Wärmeüberganges
zum Temperaturfühler bei, selbst wenn der Temperaturfühler um das Wasserrohr wendelförmig
oder an der der Berührungslinie abgewandten Seite der äußeren Wasserrohroberfläche
angeordnet ist.
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Ein derartiger direkter Temperaturabgriff vom Heizkörper verbürgt
eine präzisere Schaltweise, zudem wird nicht nur der Heizkörper, sondern auch das
Wasser vor Übertemperaturen geschützt, während ein lediglich von der Wassertemperatur
direkt oder über die Behälterwand indirekt von dieser gesteuerter Thermoschalter
primär das Wasser, nicht jedoch den Heizkörper, insbesondere nicht beim Kesselsteinansatz,
vor Übertemperaturen schützt.
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Im folgenden wird an Hand einiger Ausführungsbeispiele der Erfindungsgegenstand
näher erläutert.
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Es stellt dar: Fig. 1 ein ein Rohrpaar bildendes Heiz- und Wasserführungsrohr
eines Röhrendurchlauferhitzers in gestrecktem Zustand, d. h. vor der gemeinsamen
Verformung derselben, Fig. 2 einen Röhrendurchlauferhitzer mit drei Rohrpaaren gemäß
Fig. 1, letztere jedoch in fertig gebogenem und eingebautem Zustand nebst Temperaturfühleranordnung,
Fig. 3 den Röhrendurchlauferhitzer gemäß Fig. 2 in Draufsicht, Fig. 4 den Röhrendurchlauferhitzer
gemäß Schnitt 4-4 aus Fig. 3, Fig. 5 bis 8 Alternativausführungen zum Rohrpaar gemäß
Fig. 1, Fig. 9 und 9 a eine weitere Alternativausführung zum Rohrpaar gemäß Fig.
1.
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Hauptbestandteile des Röhrendurchlauferhitzers gemäß Fig. 2 sind
drei einander gleiche Bauelemente, sogenannte Rohrpaare 1, 2 gemäß Fig. i, bestehend
aus jeweils einem geraden Mantelrohrheizkörper 1 - enthaltend Heizwendel 3, verdichtete
Isolationsmasse 4 und Mantelrohr 5 -, welcher in geringem radialem Abstand von einem
beiderseits offenen Wasserführungsrohr 2 umgeben ist.
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Die Rohrpaare 1, 2 werden einzeln oder gemeinsam zu einer Form gemäß
Fig. 2 gebogen und die Wasserführungsrohre 2 mit ihren einseitigen Enden 2 a in
einen gemeinsamen Kaltwasserverteiler 6 bzw. anderseitigen Enden2b in einen gemeinsamen
Heißwassersammler 7 wasserdicht eingesetzt, während die Enden 1 a, 1 b der Mantelrohrheizkörper
1 wasserdicht durch dieselben hindurchgeführt werden.
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Die Kaltwasserzufuhr zum Kaltwasserverteiler 6 erfolgt über eine
Zuleitung 8, in welche ein bei Wasserfluß den elektrischen Strom einschaltender
Differenzdruckschalter 9 eingebaut ist. Da der Aufbau und die Funktion des letzteren
einerseits bekannt und andererseits mit der Erfindung in keinem unmittelbaren Zusammenhang
stehen, erübrigen sich weitergehende Erläuterungen desselben.
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Die Heißwasserentnahme erfolgt über eine vom Heißwassersammler 7
abgehende Zapfleitung 10 mit Zapfventil 11.
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Beim Biegen der Rohrpaare 1, 2 wandert der steifere Mantelrohrheizkörper
1 im gekrümmten Bereich des Rohrpaares 1, 2 aus seiner zentrischen Lage und lehnt
sich gegen die konvexe Wandung 12 des Wasserführungsrohres 2, letzteres um so mehr,
je länger der Mantelrohrheizkörper 1 innerhalb des Rohrpaares 1, 2 länger bemessen
ist als das zugehörige Wasserführungsrohr. Die Berührung erfolgt, je nach plastischer
Verformbarkeit der Rohrmaterialien, längs einer Linie oder eines Flächenstreifens
13. Durch diese Maßnahme wird eine wärmeleitende Verbindung, d. h. eine Wärmebrücke,
vom Mantelrohrheizkörper 1 zum Wasserführungsrohr 2 geschaffen.
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Längs gegeneinander versetzter Abschnitte der sich so ergebenden
Berührungslinien bzw. Flächenstreifen
13 innerhalb der drei Rohrpaare 1, 2 werden
auf den zugehörigen Außenseiten 12 a, 12 b, 12 c der konvexen Wasserführungsrohrwandungen
sowie an der Außenwand 7 a des Heißwassersammlers 7 entsprechende Abschnitte 14
a, 14 b, 14 c, 14 d eines Temperaturfühlers 14 durch Anlöten befestigt und damit
eine Wärmebrücke auf kürzestem Wege vom Mantelrohrheizkörper 1 zum Temperaturfühler
14 geschaffen.
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Der Temperaturfühler 14 besteht aus einem Kapillarrohr 15 (Fig. 2),
welches mit einer bei Erreichen der Schalttemperatur unter Druckbildung verdampfenden
Flüssigkeit 16 gefüllt ist, welche über eine Membran 17 ein elektrisches Schaltwerk
18 betätigt, welches über elektrische Leitungen 1 mit dem Differenzdruckschalter
9, Heizwendel 3 und dem Netz, wie aus Fig. 2 für eines der drei parallelen Rohrpaare
ersichtlich, verbunden ist. Die Mäntel 5 der Heizkörper 1, die Wasserführungsrohre
2 und das Kapillarrohr 15 sind - wie das auch sonst bei Heißwassergeräten üblich
ist - aus Kupfer, nicht zuletzt wegen seiner guten Wärmeleiteigenschaften in bezug
auf die Wärmebrücke.
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Bei dem Röhrendurchlauferhitzer gemäß Fig. 2 bis 4 kann die Temperaturschaltvorrichtung
gleichzeitig als Wassertemperaturschalter und Trockengehschutzvorrichtung arbeiten,
ersteres durch Wärmeübertragung vom Heißwasser im Heißwassersammler 7 über dessen
Wandung 7 a und die wärmeleitende Verbindung (Lot) zum Temperaturfühlerabschnitt
14 d.
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Im Fall, daß einer oder mehrere Mantelrohrheizkörper 1 ganz oder
im oberen Bereich trockengehen, nimmt der trockengehende Teil derselben schnell
hohe Temperaturen an, die sich über die in den betreffen-Rohrpaaren 1, 2 erfindungsgemäß
natürlich geschaffenen wärmeleitenden Verbindungen 13 dem Temperaturfühler 14 mitteilen
und somit die elektrische Abschaltung der Mantelrohrheizkörper 1 auslösen.
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Vielfach verzichtet man bei Röhrendurchlauferhitzern angesichts der
hydraulischen Steuerung (Differenzdruckschalter 9 usw.) auf die Temperaturregelung
des Wassers und begnügt sich mit der Anordnung des Temperaturfühlers 14 zur alleinigen
Vermeidung von Trockengehfällen.
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Andererseits können zur Bewältigung der Wassertemperatur getrennte
Temperaturfühleranordnungen getroffen werden, sei es speziell am Heißwassersammler
7, sei es außen am Wasserführungsrohr 2 in Höhe der wärmeleitenden Verbindung 13
zwischen Mantelrohrheizkörper 1 und Wasserführungsrohr 2, wo praktisch Heizkörpertemperatur
herrscht.
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In Fig. 5 hat der Mantelrohrheizkörper 1 eine längliche Querschnittform
und steht in doppelter Berührung 13au, 13a2, d. h. über eine zweifache und damit
sichere Wärmebrücke mit dem kreisrunden Wasserführungsrohr 2 in Richtung der Längsachse
19 des Rohrpaares 1, 2. Diese Anordnung ist besonders geeignet für gestreckte Rohrpaare,
die nachträglich nicht durch Biegen verformt werden.
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Soll ein Rohrpaar 1, 2 gemäß Fig. 5 jedoch aus Raumersparnisgründen
gebogen werden und die sichere, d. h. zweifache Wärmebrücke dabei aufrechterhalten
bleiben, empfiehlt es sich, den Mantelrohrheizkörper 1 im Wasserführungsrohr 2 gemäß
Fig. 6, d. h. so anzuordnen, daß in der durch die beiden Rohrberührungslinien 13a,,
13 a2 gehenden Ebene 20 auch der Krümmungsmittelpunkt 21 liegt.
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In Fig. 7 wird die wärmeleitende Verbindung durch exzentrisches Einsetzen
eines runden Mantelrohrheizkörpers 1 in das gestreckte Wasserführungsrohr 2 erreicht.
Soll
das Rohrpaar 1, 2 anschließend gebogen werden, empfiehlt sich eine Exzentrizität»e«
in Richtung vom Krümmungsmittelpunkt weg.
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Gemäß Fig. 8 wird eine Berührung zwischen Mantelrohrheizkörper 1
und Wasserführungsrohr 2 durch Verformen des Mantelrohrheizkörpers 1 vor dem Einsetzen
in das Wasserführungsrohr 2 mit Sicherheit erreicht. Der zunächst gerade Mantelrohrheizkörper
1 wird an ein oder mehreren Stellen, vorzugsweise an der nach einem eventuellen
Verformen des Rohrpaares 1, 2 durch Biegen im Röhrendurchlauferhitzer am höchsten
gelegenen Stelle, wo das Trockengehen seinen Anfang zu nehmen pflegt, in diametralen
Richtungen senkrecht zur Längsachse 19 so weit ausgelenkt, daß Berührungen 13au,
13 a2 mit dem Wasserführungsrohr 2 in diesen Richtungen erfolgen.
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Der Temperaturfühler 14 verläuft wendelförmig auf dem Außenrohr über
die Berührungsstellen 13ast, 13 a2 hinweg und vermag somit die Heizkörpertemperatur
in hinreichendem Maße zu erfassen.
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In Fig. 9 ist ein Rohrpaar mit runden Querschnitten dargestellt.
Die Mäntel 2, 5 sollen gleiche Festigkeit aufweisen. Trotz dieses Umstandes ist
der Mantelrohrheizkörper 1 infolge der verdichteten Isolationsmasse 4 in seinem
Inneren beim Biegen in seiner Querschnittform beständiger als das Wasserführungsrohr
2. Der anfänglich runde Querschnitt des leichter verformbaren Wasserführungsrohres
2 gemäß Fig. 9 wird bei fortschreitendem Biegevorgang mehr und mehr elliptisch (Fig.
9a), bis sich die Mantellinien 13ast, 13 a2 in Richtung der sich verkürzenden Halbachse
22 an den Mantelrohrheizkörper 1 legen und damit die wärmeleitende Verbindung zwischen
Mantelrohrheizkörper 1 und Wasserführungsrohr 2 herstellen.
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PATENTANSPROCHE 1. Elektro-Heißwassergeräte, enthaltend Mantelrohrheizkörper
mit in geringem radialem Abstand den- oder dieselben umgebenden und je nach normaIen
oder anomalen Betriebszuständen wasserführenden, -speichernden oder trockengehenden
Wasserrohren, gegebenenfalls mit zugeordneter hydraulischer Schaltvorrichtung, wie
Strömungs-oder Differenzdruckschalter usw., dadurch gekennzeihnet, daß der Temperaturfühler
einer an sich bekannten Temperaturschaltvorrichtung an der äußeren Oberfläche des
Wasserrohres wärmeleitend durch Anklemmen, Löten usw. befestigt ist und weiterhin
das Wasserrohr mit dem Mantelrohrheizkörper in bestimmten, gemeinsamen Längenbereichen
durch Biegen in Berührung gebracht wird.