DE19743450A1 - Elektrischer Rohrheizkörper - Google Patents

Description

Zur Erwärmung von Wasser, anderen flüssigen Medien haben sich heute neben anderen Methoden u. a. elektrische Rohrheizkörper durchgesetzt.

Dabei kann die Ummantelung dieser Rohrheizkörper aus den verschiedensten metallischen Werkstoffen bestehen, wie z. B. aus Aluminium, nichtrostenden Stählen, Kohlenstoffstählen aber auch aus Kupferwerkstoffen wie z. B. CuNi-Legierungen oder mit Phosphor desoxidiertem Kupfer.

Rohrheizkörper mit einer Ummantelung aus Kupfer werden z. B. zur Erwärmung von Wasser in elektrischen Boilern, Durchlauferhitzern und Waschmaschinen verwendet.

Neben herausragenden physikalischen Eigenschaften besitzt Kupfer auch noch weitere ausgezeichnete Eigenschaften was die Verarbeitbarkeit und die Korrosionsbeständigkeit betrifft. Ein Vorteil besteht darin, daß Kupfer im Unterschied zu Edelstählen nicht so empfindlich gegenüber höheren Halogenkonzentrationen ist, wie z. B. Chloridionen im Wasser.

Bei elektrischen Rohrheizkörper aus bestimmten Edelstählen müssen so Chloridkonzentrationen < 200 mg/l unter allen Umständen vermieden werden.

Es ist aber auch bekannt, daß bei der Erwärmung von Wasser auf Temperaturen < 60°C, Rohrheizkörper aus Edelstahlmänteln diese bereits bei wesentlich geringeren Chloridkonzentrationen von teilweise nur 50 mg/l durch Lochfraß zerstört worden.

Ursache war, daß es in dem bereits genannten Temperaturbereich zu Aufsalzungen auf den Schutzmänteln dieser Edelstahl-Rohrheizkörper kam sowie der Sauerstoff der zur Ausbildung der Passivschutzschicht notwendig ist, während des Erwärmungsvorganges aus dem Wasser ausgetrieben wurde.

Durch bestimmte Legierungsbestandteile wie z. B. Molybdän versucht man die Lochfraßempfindlichkeit dieser Werkstoffe zu verringern. Trotz solcher sehr teueren Edelstähle wie z. B. dem Werkstoff 1.4571 beträgt die geschätzte Schadensquote in Deutschland immer noch ca. 1% bei Warmwasserbereitern.

Trotz der anerkannten guten Korrosionsbeständigkeit von Kupfer kommt es auch immer wieder bei Rohrheizkörper mit Kupferrohrmantel zu Zerstörungen.

Diese Schäden die in Deutschland und anderen Ländern in unregelmäßigen Abständen auftreten und herstellerunabhängig sind, waren schon öfters Gegenstand von Untersuchungen renommierter Herstellerfirmen.

Bei diesen Untersuchungen stellte es sich heraus, daß das bekannte Schadensbild durch eine primäre Schädigung (Lochfraß) am Mantelwerkstoff des Rohrheizkörper verursacht wird, in deren Folge Wasser in den Rohrheizkörper eindringt und dabei das Isolierpulver (= MgO, stark hygroskopisch) so stark aufquillt, daß der Metallmantel des Rohrheizkörper längs aufreißt.

Als Ursache dieser primären Schädigung wurden stets mehrere Ursachen vermutet. So z. B. daß örtlich auf der Oberfläche des Rohrheizkörper bedingte Überhitzungen (Hot Spots) oder Oberflächenfehler in Form von Kerben und Riefen den Lochfraß auslösten.

Zur Lösung des ersten Problems begann man die Oberflächen des Rohrheizkörper zu beschichten. Hier haben sich heute weitestgehend kostengünstige galvanische Nickelüberzüge durchgesetzt, mitunter werden auch noch Nickelüberzüge mit einer Verzinnung bzw. Teflonbeschichtungen verwendet. Da alle diese Schichten nie ganz dicht sind (porös), ist es fraglich ob sie zur Lösung des Korrosionsproblems beitragen und die Korrosionsbeständigkeit des Rohrheizkörper verbessern.

Ein weiteres Problem hierbei ist, daß die metallischen Schutzschichten sich im Laufe der Zeit selbst auflösen.

Das Problem der auf der Oberfläche des Rohrheizkörper bedingte Überschreitung der Oberflächenbelastung oder der Überhitzungen (Hot Spots) wird dadurch verursacht, daß es zu einer nichtgleichmäßigen Verdichtung beim Biegen der elektrischen Rohrheizkörper kommt. Diesen Mangel kann man durch Nachpressen etwas ausgleichen aber nie ganz beseitigen.

Weiterhin gibt es einige Rohrheizkörperhersteller die an Stelle der bewährten Kupferrohre mit Zugfestigkeiten F25 bzw. F29 sehr harte Rohre F37 verarbeiten.

Wenn man die deutschen Normen wie die DIN 40 500 T2, DIN 1786, DIN 8905 T1 Tabelle 4 vergleicht, sind dort minimale Werte für die Bruchdehnung A₅ um 3% für den Werkstoff SF-Cu mit der Werkstoffnummer 2.0090.32 aufgeführt. Im Widerspruch zu diesen Normen befindet sich in der deutschen Norm DIN 17 671 T1 ein Abschnitt über die mechanischen Eigenschaften in welchem geschrieben steht, daß Werte zur Bruchdehnung A₅ < 5% nicht mit aufgeführt werden, da diese fraglich weil unzuverlässig sind.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde daß mit gelieferten SF-Cu Rohren der Werkstoffnummer 2.0090.32 und mit einer Zugfestigkeit < F37 sowie einer solchen zweifelhaften min. Bruchdehnung A₅ sich nicht elektrische Rohrheizkörper herstellen lassen, die noch zusätzlich um 15% verformt werden, bei denen der metallische Schutzmantel ohne Oberflächenfehler ist.

Hierbei liegt der gegenwärtige Fehler nicht bei den Kupfer-Rohrherstellern, denn diese könnten Rohre mit einer höheren min. Bruchdehnung A₅ liefern, sondern bei den Rohrheizkörperherstellern, die nicht erkannt haben, daß eine problemlose Produktion von elektrischen Rohrheizkörpern hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit eine andere Rohrqualität erfordert.

Auf Grund der Materialverfestigung beim Verdichtungsvorgang (Walzen, Ziehen, Hämmern) und der weiteren Abnahme der bei kaltverfestigten harten Werkstoffen schon geringen Dehnungswerte kommt es zu einer Überdehnung des Werkstoffes und zur Ausbildung von Oberflächenfehlern (Dehnungsriefen), die durch ihre Kerbwirkung das Material schwächen und korrosionsbegünstigend wirken. Durch eigene Untersuchungen bei denen Wässer aus verschiedenen geographischen Gebieten analysiert wurden, konnte festgestellt werden, daß auch Rohrheizkörper zerstört wurden in denen das Wasser keinerlei korrosionsfördernde Eigenschaften aufwies. Ebenso wurden Rohrheizkörper zerstört, die aus CuNi-Legierungen hergestellt waren, die an für sich als sehr korrosionsfest gelten.

Ein weiterer Punkt dieser Untersuchung zeigte ganz deutlich, daß Rohrheizkörper die in elektrischen Boilern eingebaut waren Zunderschichten in Form von schwarzen CuO-Filmen aufwiesen. Trotz Temperaturregelung- bzw. Begrenzung auf ca. 110°C in diesen Boilern überrascht dieses Ergebnis doch, da sich CuO normalerweise erst bei Temperaturen < 250° bildet (darunter Cu₂O).

Auf Grund der örtlich scharf begrenzten Geometrie dieser schwarzen fest haftenden CuO-Filme lag die Vermutung nahe, daß die Temperaturfühler die die Rohrheizkörper-Temperatur auf ein bestimmtes Maß im Trockenlauf begrenzen sollen, nur auf die Durchschnittstemperatur, aber nicht die örtlich herrschende Spitzentemperatur von Hotspots reagieren.

Eine weitere Analyse mittels Infrarotaufnahme einer Rohrheizkörper-Oberfläche bestätigte, daß die Temperaturen bereits bei sehr niedrigen elektrischen Anschlußleistungen zwischen Hotspots und normalen Rohrheizkörper-Oberflächen stark differierten.

Nicht bestätigt werden konnte, daß das alleinige Auftreten von schwarzen CuO- Filmen mit darunter liegenden Hotspots zu der lochfraßähnlichen Korrosion führte. Obwohl mit dem Auftreten dieser schwarzen CuO-Filme Potentialunterschiede zwischen diesen und dem blanken Kupferrohr entstehen, konnte jedoch kein defekter Rohrheizkörper gefunden werden der beim Übergang zwischen beiden Gebieten Korrosionsangriffe in Folge von Lochfraß aufwies.

Ebenfalls nicht nachweisbar waren, daß das alleinige Auftreten von blanken Kerben, Ziehriefen und ähnlichen den Korrosionsvorgang auslöste.

Vielmehr ergab diese Untersuchung, daß immer das gemeinsame Auftreten der beiden Fehler zur Zerstörung des Rohrheizkörper führte. Die CuO-Filme selber waren auf Grund ihrer geringen Schichtstärke äußerst duktil, so daß sie sich den Längenänderungen des Rohrheizkörper während des Betriebes anpassen konnten.

Kam es nun aber zu einer Verzunderung des Rohrheizkörper mit einer darunter befindlichen Ziehriefe, Kerbe oder einer ähnlichen mechanischen Verletzung der Oberfläche, riß der CuO-Film auf Grund der Kerbwirkung dieser Riefe und den daraus resultierenden mechanischen sowie während des Betriebes entstehenden thermischen Spannungen auf.

Dieses Problem wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen durch einen elektrischen Rohrheizkörper gelöst, welcher aus einer Widerstandsheizspirale besteht die in einem Schutzmantel der mit einer Isoliermasse gefüllt wurde untergebracht ist, so daß der Metallschutzmantel vor seiner Verformung, bestehend aus einem Kupferrohr mit einer Zugfestigkeit < F39 und einer Bruchdehnung A₅ < 6% zum Zweck der Verdichtung der Isoliermasse und der Fixierung des Widerstandsdrahtes maximal um 15% verformt wird, wobei der innere Durchmesser (D) des Metallschutzmantels nach seiner Verformung 1,85 bis 3,8 mal größer ist als der Durchmesser des Widerstandsdrahtes (S) in Form einer Heizspirale.

Für die richtige Funktion ist es vorteilhaft, daß der Metallschutzmantel aus geschweißten Bändern hergestellt wird sowie der Metallschutzmantel mit einem keramischem Überzug der Dicke < 25 µm versehen wird.

Für eine andere Nutzung des elektrischen Rohrheizkörpers ist es vorteilhaft, daß der Metallschutzmantel mit einem Metallüberzug einer chemisch abgeschiedenen Ni-P- Legierung die eine röntgenamorphe Struktur hat und deren Phosphorgehalt < 3% aber kleiner 15% ist, beschichtet wird.

Eines der Hauptvorteile wird in der höheren Minimalbruchdehnung A₅ < 6% gesehen, wobei sich die Gefahr eines Korrosionsangriffes am Metallschutzmantel durch die Flüssigkeit verringert und zwar deshalb weil eine der Ursachen beseitigt wurden, welche zusammen mit den Hot Spots den Lochfraß hervorriefen.

Gleichzeitig sind sehr harte Rohre auch billiger als die bisher überwiegend verwendeten halbharten Rohre.

Ein weiterer Vorteil des elektrischen Rohrheizkörpers besteht erfindungsgemäß darin, daß während der Verdichtung der Isoliermasse, des Fixierens des Widerstandsheizdrahtes durch die 15%ige Verformung des Metallschutzmantels eine geringere Anzahl von Körnern der Isoliermasse zerdrückt wird, was sich sehr positiv auf die Wärmeleitfähigkeit solch eines hergestellten elektrischen Rohrheizkörpers auswirkt. Dies bedeutet, daß bei solch einem erfindungsgemäß hergestellten elektrischen Rohrheizkörper sich Wärmeleitfähigkeiten < 5,25 W/m K erzielen lassen.

Die nun erzielbare größere Wärmeleitfähigkeit gestattet es nun den Abstand zwischen dem Widerstandsheizdraht und der Oberfläche des Metallschutzmantels zu vergrößern, was zu einer stärkeren Isolierschicht und damit auch zu einer größeren elektrischen Durchschlagsfestigkeit führt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei gleicher Temperaturdifferenz welcher nach folgender Formel berechnet wird,

Δt = Temperaturdifferenz zwischen Heizleiter und Rohrheizkörperoberfläche (°C)
k = geometrischer Faktor
p = Oberflächenbelastung des Rohrheizkörpers (W/cm²)
D = Durchmesser der Heizspirale (cm)
D₁ = Innendurchmesser des Rohrmantels des elektrischen Rohrheizkörpers (cm)
D₂= Außendurchmesser des Rohrmantels des elektrischen Rohrheizkörpers (cm)
λ = Wärmeleitfähigkeit des elektrischen Rohrheizkörpers (W/m k)

sich die Oberflächenbelastung eines erfindungsgemäß hergestellten elektrischen Rohrheizkörper verringern läßt.

Falls keinerlei elektrische Gründe dagegen sprechen, kann die Entfernung (K) jetzt aus Gründen der erhöhten Wärmeleitfähigkeit der Isoliermasse noch mehr verringert werden, was dazu führt, daß die Temperaturdifferenz fällt und die Lebensdauer des elektrischen Rohrheizkörper steigt.

Eine weitere Senkung der Herstellungskosten für elektrische Rohrheizkörper ist nach Anspruch 2 möglich, nämlich dann wenn der Mantel des elektrischen Rohrheizkörper aus Kupferbändern geschweißt wird.

Korrosionsangriffe können verhindert werden nach Anspruch 3, wenn der elektrische Rohrheizkörper mit einer elektrisch nichtleitenden keramischen Beschichtung versehen wird, die sich der Wärmeausdehnung anpaßt.

Eine ähnliche Wirkung läßt sich nach Anspruch 4 erzielen, wobei die Metallbeschichtung aus einer chemisch abgeschiedenen Ni-P-Legierung gebildet wird, welche nicht porös ist wie normale galvanische Überzüge und welche gleichmäßig auf der Oberfläche des elektrischen Rohrheizkörper abgeschieden wurde.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur erläutert, in welcher der elektrische Rohrheizkörper im Schnitt dargestellt ist.

Zur Herstellung des elektrischen Rohrheizkörpers nach Bild 1 benutzt man Kupferrohre welche einen Metallschutzmantel 1 bilden.

Dieses Kupfermaterial hat in Deutschland die Bezeichnung SF-Cu mit der Werkstoffnummer 2.0090.32.

Rohre dieses Materials zur Herstellung des Metallschutzmantels 1 haben eine Zugfestigkeit Rm = 450 N/mm², eine Bruchdehnung A₅ = 6,7%, einen äußeren Rohrdurchmesser von 10 mm, eine Wanddicke von 0,65 mm und einen Innendurchmesser (D) des Schutzmantels von 8,7 mm.

Die Oberfläche der Kupferrohre dieser Qualität muß frei sein von Riefen und anderen Oberflächenfehlern.

In der Fülleinrichtung wird die Heizspirale 2 in das vorbereitete Kupferrohr eingehängt. Der Widerstandsdraht welcher die Heizspirale 2 bildet ist aus einer AlFeCr-Legierung.

Die Heizspirale 2 wurde zuvor durch Schweißen mit Stahlstiften versehen, welche als elektrische Kontakte dienen.

Nach dem Füllen des Kupferrohres mit der Isoliermasse 3 wird das Rohr von oben her mit Hilfe eines Polyurethanstopfens verschlossen. Danach wird ein solch vorbereiteter elektrischer Rohrheizkörper in einem Walzwerk verformt, wobei der ursprüngliche äußere Durchmesser von 10 mm auf 8,5 mm reduziert wird.

Damit ein Durchmesser (S) der Heizspirale 2 erzielt wird der 2,88 mal kleiner ist als der Innendurchmesser (D) des Schutzmantels 1 muß die Heizspirale 2 vor der Verformung einen größeren Durchmesser haben, denn dieser wird bei der Verformung reduziert.

Optimale Ergebnisse lassen sich nur durch Versuche erzielen.

Nach der Reduzierung des Durchmessers des Schutzmantels 1 und der Fixierung der Heizspirale 2 sowie der Verdichtung der Isoliermasse 3 aus MgO wird der "rohe" Rohrheizkörper quer auf das Transportband eines Durchlaufglühofens gelegt. In diesem Ofen mit einer 75%igen Wasserstoff- und 25%igen Stickstoffatmosphäre verbrennt gleich am Ofeneingang noch in Anwesenheit von Sauerstoff bei ca. 600°C die Polyurethanstopfen. Auf dem weiteren Weg in die heiße Zone des Durchlaufglühofens wird der Kupferschutzmantel des elektrischen Rohrheizkörpers bei einer Temperatur von ca. 800°C und 6 Minuten weich geglüht. Die eingestellten Temperaturen und die Aufenthaltszeit in der Glühzone sind für jeden elektrischen Rohrheizkörper mit anderen geometrischen Parametern anders In der sich anschließenden Kühlzone kühlt der elektrische Rohrheizkörper auf ca. 100°C unter Schutzatmosphäre aus. Die Gesamtzeit im Durchlaufglühofen beträgt ca. 45 Minuten.

Bei der Ausgangskontrolle muß der Kupferschutzmantel 1 des elektrischen Rohrheizkörpers maximal 70 HV (Härte nach Vickers) haben.

Die weiteren Produktionsschritte des neuen elektrischen Rohrheizkörpers unterscheiden sich nicht in der Herstellung heute üblicher elektrischer Rohrheizkörper mit Kupfermantel.

Grundlage der Herstellung elektrischer Rohrheizkörper nach Anspruch 1 ist jedoch die Garantie des Kupferohrherstellers über die Einhaltung der mechanischen Parameter.

Andererseits ist als Eingangskontrolle beim Rohrheizkörperhersteller sehr zweckmäßig die Härteprüfung nach Vickers aber nicht nach Brinell. Die Härte nach Vickers muß minimal 115 HV betragen.

Eine weitere Kontrolle ist die visuelle Überprüfung auf Oberflächenfehler.

Nach der Überprüfung auf Oberflächenfehler werden die Rohre auf die benötigte Länge geschnitten und der Grat entfernt.

In der Fülleinrichtung wird die Heizspirale 2 in das vorbereitete Kupferrohr eingehängt. Nach dem Füllen des Kupferrohres mit der Isoliermasse 3 wird das Rohr von oben her mit Hilfe eines Polyurethanstopfens verschlossen. Danach wird ein solch vorbereiteter elektrischer Rohrheizkörper in einem Walzwerk verformt, wobei der ursprüngliche äußere Durchmesser von 10 mm auf 8,5 mm reduziert wird.

Im Unterschied zur Herstellung üblicher elektrischer Rohrheizkörper mit Kupfermantel mit Zugfestigkeiten F29 oder F32 muß der elektrische Rohrheizkörper nach Anspruch 1 mit einer größeren Walzkraft reduziert werden, d. h. daß das Walzwerk so eingestellt werden muß, daß die Reduktion von 15% erreicht wird.

Der "rohe" elektrischer Rohrheizkörper aus der Fülleinrichtung wird so in das Walzwerk eingeführt indem das Ende welches beim Füllen in der Fülleinrichtung unten war, zuerst in das Walzwerk gesteckt wird.

Nach der Reduzierung des Durchmessers des Schutzmantels 1 und der Fixierung der Heizspirale 2 sowie der Verdichtung der Isoliermasse 3 aus MgO wird der "rohe" Rohrheizkörper auf das Transportband eines Durchlaufglühofens gelegt.

In diesem Ofen mit einer Wasserstoff- und Stickstoffatmosphäre verbrennt gleich am Ofeneingang die Polyurethanstopfen die ihren Zweck erfüllt haben. Auf dem weiteren Weg in die heiße Zone des Durchlaufglühofens wird der Metallschutzmantel 1 des elektrischen Rohrheizkörpers weich geglüht.

Hinsichtlich der erhöhten Zugfestigkeit und der Härte des Schutzmantels 1 des elektrischen Rohrheizkörpers nach Anspruch 1 ist jetzt eine höhere Glühtemperatur oder eine längere Aufenthaltszeit in der heißen Zone vonnöten. Ebenfalls muß jetzt die Tatsache in Erwägung gezogen werden, daß ein elektrischer Rohrheizkörper hergestellt nach Anspruch 1 jetzt eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt und die Glühwärme schneller in das Innere des elektrischen Rohrheizkörpers abgeführt wird, was bedeutet, daß im Unterschied zu den heute üblich hergestellten elektrischen Rohrheizkörper eine größere Glühtemperatur bzw. eine längere Aufenthaltszeit eingestellt werden muß.

Eine erfolgreiche Methode zur Einstellung des richtigen Geschwindigkeit des Transportbandes des Durchlaufglühofens und damit der richtigen Einstellung der Glühtemperatur auch für kleine Hersteller von elektrischen Rohrheizkörpern ist die Härtemessung nach Vickers. Der gemessene Wert sollte maximal 70 HV betragen.

Die weiteren Produktionsschritte des neuen elektrischen Rohrheizkörpers unterscheiden sich nicht von der Herstellung heute hergestellter üblicher elektrischer Rohrheizkörper mit Kupfermantel.

Claims (4)

1. Elektrischer Rohrheizkörper, gebildet aus einer Widerstandsheizspirale die in einem Schutzmantel untergebracht ist, wobei der Raum zwischen der Heizspirale und dem Schutzmantel mit einer Isoliermasse ausgefüllt wurde, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschutzmantel (1) vor seiner Verformung, bestehend aus einem Kupferrohr mit einer Zugfestigkeit < F39 und einer Bruchdehnung A₅ < 6% zum Zweck der Verdichtung der Isoliermasse und der Fixierung des Widerstandsdrahtes maximal um 15% verformt wird, wobei der innere Durchmesser (D) des Metallschutzmantels (1) nach seiner Verformung 1,85 bis 3,8 mal größer ist als der Durchmesser des Widerstandsdrahtes (S) in Form einer Heizspirale (2).

2. Elektrischer Rohrheizkörper, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschutzmantel (1) aus geschweißten Bändern hergestellt wird.

3. Elektrischer Rohrheizkörper, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschutzmantel (1) mit einer Keramikbeschichtung in einer Stärke von 25 µm versehen wurde.

4. Elektrischer Rohrheizkörper, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, laß der Metallschutzmantel (1) mit einem Metallüberzug versehen wurde, der aus einer chemisch abgeschiedenen Ni-P-Legierung mit einer röntgenamorphen Struktur besteht, wobei der Phosphorgehalt < 3% aber kleiner als 15% ist.