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Elektrisch beheizter Wärmespeicher mit Wärmeabgabe vorwiegend durch
Konvektion Die Erfindung betrifft einen elektrisch beheizten Wärmespeicher, für
Raumheizzwecke oder auch für die Anwendung in gewerblichen Ofenanlagen.
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Es ist bereits ein elektrisch beheizter Wärmespeicher mit Wärmeabgabe
vorwiegend durch Konvektion bekannt, bei dem der Speicherkern aus einzelnen mit
Abstand angeordneten, gleichartig ausgeführten Platten aus keramischem Material
gebildet ist. Auf der Oberfläche der Speicherkernplatten des bekannten Wärmespeichers
sind elektrische Heizleiter gleichmäßig verteilt angeordnet. Die Wärmeabgabe wird
bei dem Speicher der bekannten Gattung durch Konvektion und Strahlung, jedoch vorwiegend
durch Konvektion, bewirkt, und der Speicher weist zu diesem Zweck kaminartige, senkrecht
durch den Speicherkern verlaufende Öffnungen auf, durch die das zur Wärmeübertragung
dienende Medium, meistens Luft, hindurchströmt, dabei Wärme von den Speicherkernplatten
aufnimmt, diese in den zu beheizenden Raum führt und an die kälteren Luftschichten
abgibt. Der Speicherkern selbst besteht aus keramischen Speicherstoffen, meistens
aus gebrannten feuerfesten Steinen, beispielsweise aus Magnesit hoher spezifischer
Wärme und hohem Raumgewicht. Die auf den Kernplatten angeordneten elektrischen Heizwendeln
befinden sich in einem gewissen Abstand von der Oberfläche der Platten, wodurch
der Wärmeübergang von den Wendeln auf das Plattenmaterial nur sehr mangelhaft erfolgt.
Die Ursache dafür liegt darin, daß die Wärme von den Heizdrähten auf den keramischen
Stoff praktisch nicht durch Leitung, sondern beinahe ausschließlich durch Strahlung
übergehen inuß. Hierdurch ergibt sich eine starke Überhöhung der Heizleitertemperaturen.
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Es ist auch noch ein anderer Wärmespeicherofen bekanntgeworden, bei
dem die durch den Speicherkern senkrecht verlaufenden Kanäle zur Ermöglichung der
Luftzirkulation und somit Konvektion mit schlauchartigen Heizwiderständen ausgekleidet
sind. Diese Ausbildungsweise ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß die Wärme
nicht direkt von dem Speichermaterial an das durchziehende Medium abgegeben werden
kann, weil die Oberfläche der Kanäle nahezu lückenlos von den Heizschläuchen bedeckt
ist.
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Schließlich ist ein Wärmespeicherofen bekannt, der in seinem Inneren
einen blockartigen Speicherkörper aus keramischem Stoff aufweist, in welchem Reihen
von Kanälen mit quadratischem Querschnitt zum Durchlassen der zu erwärmenden Luft
angeordnet sind. Zwischen den Reihen, in gleichem Abstand zu diesen, befinden sich
in entsprechenden Bohrungen allseitig von Speicherstoff umgebene elektrische Heizwiderstände.
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Nachteilig sind dabei die großen Abstände der Widerstände von den
mit der strömenden Luft in Verbindung stehenden Flächen und die schwierige Herstellbarkeit
des vielfach durchbrochenen Speicherblockes.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einfacher Bauweise des
Ofens den Wärmeübergang von den elektrischen Heizleitern auf das Speicherkernmaterial
besonders schnell und wirtschaftlich bewerkstelligen zu können. Dies ist deshalb
von besonderer Wichtigkeit, weil die stromliefernden Unternehmungen vielfach nur
einen gewissen, durch die Belastungsmöglichkeiten von Kraftwerk oder Netz bedingten
elektrischen Anschlußwert zur Verfügung zu stellen in der Lage sind. Dieser muß
so wirtschaftlich wie möglich ausgenutzt werden, und die Aufgabe lautet- deshalb
insbesondere, einen möglichst verlustlosen Wärmeübergang innerhalb des Speicherofens
zustande zu bringen.
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Die Lösung der Aufgabe besteht nach der Erfindung darin, daß die Platten
des Speicherkerns aus kalt abgebundenen keramischen Massen bestehen, die mit Beimengungen
von gut wärmeleitenden Teilchen in die Isoliereigenschaften der Masse nicht beeinträchtigender
Weise versehen sind, und daß die Heizleiter an die die Wärme abgebende und somit
vom Konvektionsstrom bestrichene Oberfläche der Platten angrenzend in diese eingebettet
sind. Der besondere Vorteil der erwähnten Platten einerseits liegt darin, daß zu
ihrer Herstellung einmal kein Sinterungsprozeß notwendig ist und daß zum anderen
weitestgehende Freiheit in der Auswahl der zur Verwendung gelangenden Materialien
und der verwendeten Materialmischungen
besteht. Über eine keramische
Bindefähigkeit brauchen die Stoffe für die Speicherplatten nicht zu verfügen. Es
können deshalb Stoffe mit besonders günstigen Werten für die spezifische Wärme bzw.
für die Wärmeleitfähigkeit und für das spezifische Gewicht verwendet oder beigemischt
werden, und zwar können dies Stoffe sein, die bei den üblichen keramischen Brennverfahren
nicht verwendbar sind. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Speicherkernplatten
können auch preiswerte Abfallstoffe, beispielsweise der beim Abdrehen von Schleifscheiben
anfallende Korundstaub, sofern diese Stoffe nur ähnliche Eigenschaften wie die üblichen
Speichermassen aufweisen, verwendet oder durch Mischung beigefügt werden. Auf diese
Weise läßt sich eine erhebliche Verbilligung des Fertigerzeugnisses unter Erhaltung
einer hohen Qualität ermöglichen. Als Bindemittel für die kalt abbindende Plattenmasse
gelangt z. B. Wasserglas zum Einsatz, dessen Benutzung bei der Herstellung von feuerfesten
elektrischen Isoliermassen auf kaltem Wege an sich bekannt ist. Weitere Vorteile
der erfindungsgemäßen Maßnahme sind darin zu erblicken, daß die Speicherplatten
über ein hohes Raumgewicht (Dichte) verfügen, wodurch kleine Abmessungen (Inhalte)
bewirkt werden. Außerdem erzielt man die erforderliche mechanische Festigkeit lediglich
durch Trocknung ohne zusätzlichen verteuernden Brennvorgang. Auch ist die Herstellung
von komplizierteren und größeren Formstücken möglich.
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Die Maßnahme andererseits, daß die Heizleiter gleichmäßig verteilt
angeordnet sind, ergibt als besondere Vorteile, daß sowohl der Wärmeübergang vom
Heizleiter auf den Speicherstoff ausschließlich durch Leitung erfolgt als auch daß
eine gute, unbehinderte Konvektionsströmung und Wärmeabfuhr möglich ist, weil die
Heizwiderstände nicht über die Oberfläche der Platten ragen. Insbesondere bilden
auch die Heizwiderstände kein Hindernis hinsichtlich der unmittelbaren Wärmeübertragung
zwischen keramischem Material und strömendem Medium. Somit können die Heizleitertemperaturen
niedriger liegen, und die spezifische Belastung kann wesentlich erhöht und trotzdem
Heizleitermaterial eingespart werden. Dadurch, daß die Heizwiderstände in der Nähe
der Plattenoberfläche im Innern der Platten angeordnet sind, müssen die Platten
allerdings aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit bestehen, um beim Speichervorgang
einen unbehinderten Wärmetransport ins Innere der Platten sicherzustellen, weshalb
die aus kalt abgebundenen keramischen Massen bestehenden Platten mit Beimengungen
von wärmeleitenden Teilchen versehen sind.
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Daß bei der Erfindung kalt abgebundene und nicht solche keramische
Speichermassen verwendet _werden, die einem Sinterungsprozeß unterworfen werden
müssen, hat seinen Grund darin, daß die eingebetteten metallischen Heizleiter während
des Sinterungsprozesses wegen der hohen Temperaturen wegschmelzen würden.
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Ein besonderer Vorteil ist bei der Erfindung noch dadurch erzielt,
daß die Herstellung der mit Heizwendeln versehenen Speicherkernplatten nicht mehr
wie bisher mehrere Arbeitsgänge erfordert, nämlich zunächst das Herstellen und Brennen
der Platten und dann das Anbringen der Heizleiter auf diesen, sondern daß jetzt
Plattenformung und Einbettung der Heizdrähte in einem Arbeitsgang durchgeführt werden
können.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß dem Speichermaterial
Eisenteilchen beigemengt sind. Die Körnungen dieser Teilchenkönnen dabei einem normalen
Schleifscheibenabrieb entsprechen, oder es können auch alle andere Arten von geeigneten
Abfällen, beispielsweise Späne, verwendet werden.
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Ein besonders geeignetes Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen
_ Speicherkernplatten besteht darin, daß vor dem Formen der Platten Bindemittel,
die bis zu Temperaturen von 1000° C beim fertigen Erzeugnis beständig sind, wie
Wasserglas oder Tonerdeschmelzzement, zu der kalt abbindenden keramischen Masse
hinzugefügt werden, die eine Gleitfähigkeit der zu bindenden Speichermaterialteilchen
bewirken oder sie verbessern.
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In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Wärmespeicherofen an Hand
eines Ausführungsbeispiels dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen aus Platten
aufgebauten Wärmespeicherkern, Fig. 2 einen lotrechten Schnitt durch einen Wärmesp.eicherofen
mit eingebautem Lüfter zur Erzeugung der Konv ektionswirkung und Fig.3 eine Speicherkernplatte,
die aus verschiedenen Schichten zusammengesetzt ist.
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Zur eigentlichen Wärmespeicherung dienen die Speicherkernplatten 1,
die auf ihrer einen großen Seite mit dicht unter der Oberfläche in das Plattenmaterial
eingebetteten Heizleiterdrähten 2 versehen sind. Die Einbettung der Drähte 2 ist
dabei so vorgenommen, daß ein linienförmiger Oberflächenabschnitt jedes Drahtes
gerade noch außen auf der Platte zu sehen ist. Die einzelnen Platten 1 sind derart
gemäß Fig. 1 zusammengesetzt, daß zwei Platten mit ihren Rücken aneinandergrenzen,
während beiderseits dieses Paketes andere Platten angeordnet sind, die zwischen
sich und den nach außen zeigenden Oberflächen der zusammengesetzten Mittelplatten
Konvektionskanäle 3 frei lassen. Dabei erfolgt der Aufbau bezüglich der Heizleiterdrähte
2 derart, daß diese dicht unter den Begrenzungsflächen der Konvektionskanäle liegen.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Wärmespeicherofen sind die an ihrer
einen Breitseite mit eingebetteten Heizleitern 2 versehenen Speicherkernplatten
1 innerhalb der von einer Außenhülle 4 umgebenen Wärmeisolationsschicht 5 so angeordnet,
daß ein Konvektionskanal 3 in der Form eines umgekehrten U gebildet wird. Unmittelbar
hinter der Lufteintrittsöffnung 8 ist ein durch Elektromotor 6 betriebener Lüfter
angeordnet, der die Außenluft ansaugt und durch den Konvektionskanal 3 zur Luftaustrittsöffnung
7 drückt.
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_In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch eine Speicherkernplatte veranschaulicht,
die aus zwei Schichten 9 und 10 zusammengesetzt ist, wobei die Schicht 9 aus kalt
abgebundenen keramischen Stoffen ohne Beimischungen zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit
(Eisen) besteht, während die Schicht 10 aus solchen Stoffen hergestellt ist, denen
Eisenfeilspäne hinzugefügt wurden. Eine derartige Ausbildungsweise muß vorgesehen
werden, um die Heizleiter 2 unter einwandfreier Isolierung zu halten und ein Ausglühen
der Eisenspänchen zu verhindern.
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Die weitgehende Verwendung untereinander größengleicher, also nicht
nur in ihrer elektrischen Heizdrahtausrüstung, sondern auch in ihren Abmessungen
miteinander übereinstimmender Platten trägt nicht nur zu einer Vereinfachung und
Verbilligung der Fabrikation, sondern auch zu einer Erleichterung bei der Lagerhaltung
und Auswechselung der Platten bei.