DE19825835A1

DE19825835A1 - Heizkörper für einen Warmwasserbereiter

Info

Publication number: DE19825835A1
Application number: DE1998125835
Authority: DE
Inventors: Frank Finis; Fred Hoffmann; Michael Karthaus
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 1998-06-10
Filing date: 1998-06-10
Publication date: 1999-12-23
Anticipated expiration: 2018-06-11
Also published as: DE19825835C2

Abstract

Bei einem Heizkörper für einen Warmwasserbereiter, insbesondere Kochendwasserbereiter, mit einer Stahlplatte, die auf der wasserabgewandten Seite 8 ein Dickschichtheizelement 10 trägt, soll die Geräuschentstehung beim Aufheizvorgang von Wasser reduziert werden. Hierfür ist auf die dem Wasser zugewandte Seite 12 der Stahlplatte 6 eine hinsichtlich der Oberflächenstruktur und dem Wärmeleitwert verkalkungsähnliche Schicht 13 und/oder eine Metallage 14 mit höherem Wärmeleitwert als Stahl aufgebracht. Statt der verkalkungsähnlichen Schicht kann entsprechend einer anderen Variante auch eine Schicht mit niedriger Oberflächenenergie, also eine extrem glatte, porenfreie Schicht, aufgebracht sein.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizkörper für einen Warmwasserbereiter, insbesondere Kochendwasserbereiter, mit einer Stahlplatte, die auf der wasserabgewandten Seite ein Dickschichtheizelement trägt.

Ein Heißwassergerät mit einem derartigen Heizkörper ist in der DE 195 47 705 A1 beschrieben. Der Heizkörper besteht aus einer beidseitig emaillierten Flanschplatte aus Stahlblech, auf deren einen Seite ein Heizleiter in Dickschicht-Technik aufgedruckt ist. Die Emaillierung dient als Korossionsschutz.

In der EP 0 585 015 B1 ist ein Heizkörper der genannten Art für einen Wasserkochtopf beschrieben.

Beim Betrieb von Kochendwasserbereitern mit einem solchen Heizkörper wurde eine beträchtliche Geräuschentwicklung festgestellt. Diese Geräusche sind lästig, weil Kochendwasserbereiter benutzernah installiert oder aufgestellt sind. Die Geräusche lassen sich darauf zurückführen, daß das Dickschichtheizelement an der Stahlplatte zu überhitzten Zonen führt, in denen das Wasser schnell siedet. Es entstehen also schon Siedegeräusche, bevor das Wasser im Wasserbehälter kocht, wobei die Stahlplatte, die gewöhnlich den Boden des Kochendwasserbereiters bildet, geräuschverstärkend wirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Heizkörper der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei dem die Geräuschentwicklung reduziert ist.

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

Eine verkalkungsähnliche Schicht mindert die Geräuschentwicklung deutlich. Versuche haben gezeigt, daß ein an sich unerwünscht verkalkter Kochendwasserbereiter leiser arbeitet als ein ungebrauchter Kochendwasserbereiter.

Das in Windungen elektrisch isoliert auf die Stahlplatte aufgebrachte elektrische Dickschichtheizelement hat neben seinen sonstigen Vorteilen gegenüber einem Rohrheizkörper auch den Vorteil, daß es die Stahlplatte sehr schnell aufheizt. Allerdings erfolgt diese Aufheizung nicht über die gesamte Fläche der Stahlplatte gleichmäßig, sondern entsprechend des Verlaufs des Dickschichtheizelements in bestimmten Zonen voreilend. Es entstehen dabei an der Stahlplatte überhitzte Zonen (hot spots), die wesentlich heißer sind als benachbarte Zonen, weil die Wärmeleitung der Stahlplatte in ihrer Fläche weniger gut ist als quer dazu, nämlich in Richtung vom Dickschichtheizelement in das Wasser. Zonal besteht also schnell eine hohe thermische Oberflächenbelastung, die zu Siedegeräuschen führt.

Durch die Schicht wird der Wärmeübergang von der Stahlplatte auf das Wasser beeinflußt, insbesondere verzögert. Die Schicht führt zu einem gezielten Wärmestau in der Stahlplatte, was eine Vergleichmäßigung der Temperatur über die Fläche der Stahlplatte beim Aufheizvorgang zur Folge hat. Dadurch werden zonale Überhitzungen und daraus resultierende Siedegeräusche vor dem Kochzustand des Wassers reduziert.

Die Schicht ist so gestaltet, daß sie das Regelverhalten von an der Stahlplatte vorgesehenen Temperaturfühlern nicht wesentlich beeinträchtigt.

Die Schicht führt außerdem aufgrund ihrer strukturierten Oberfläche gegenüber einer glatten Oberfläche zu einer Vergrößerung der mit dem Wasser in Kontakt kommenden Oberfläche, was dem Entstehen von geräuschentwickelnden Siedeblasen entgegenwirkt. Die Schicht bildet dem Wasser gegenüber eine Grenzschicht, die geräuschentwickelnde Siedeblasen unterdrückt. Die Oberflächenstrukturierung kann durch an der Oberfläche offene Poren gebildet sein.

Durch die gegebenenfalls vorgesehene Metallage, die einen höheren Wärmeleitwert hat als Stahl, wird die Temperatur der an das Wasser grenzenden Oberfläche vergleichmäßigt. Die infolge des Dickschichtheizelements sich in der Stahlplatte ergebenden heißen Zonen (hot spots) werden ausgeglichen, was das Entstehen von geräuschentwickelnden Siedeblasen unterdrückt.

Die Metallage, insbesondere Kupferlage, kann direkt die wasserseitige Oberfläche bilden oder sandwichartig zwischen der Stahlplatte und einer weiteren korrosionsbeständigen Stahlplatte liegen, die die wasserseitige Oberfläche bildet.

Bei einer weiteren Lösungsvariante wird eine vergleichsweise dünne Schicht von 1-10 µm (Dünnschichttechnik) aufgebracht, die die Oberflächenenergie extrem verringert. Durch diese Beschichtung wird kein gezielter Wärmestau in der Stahlplatte bewirkt, sondern die Benetzbarkeit der Oberfläche reduziert. Stahl hat eine relativ hohe Oberflächenenergie von < 1000 mN/m. Spezielle Beschichtungsmaterialien, vorzugsweise Hartstoffschichten, Kohlenstoffschichten oder Plasmapolymerschichten, haben deutlich geringere Oberflächenenergie und verringern dabei die Benetzbarkeit durch Flüssigkeiten. Hierdurch entstehen bei geeigneter Materialauswahl beim Aufheizvorgang Gasblasen, die für die Geräuschentwicklung weniger schädlich sind.

Die nicht adhäsiven Schichtsysteme weisen aufgrund ihrer niedrigen Oberflächenenergie Antihafteigenschaften auf, so daß neben einer Geräuschminimierung auch Kalk- und Schmutzablagerungen reduziert werden. Das Beschichtungsmaterial ist bekannt unter der Bezeichnung "Easy-to-clean" bzw. "Antigraffiti Coating" des Instituts für Neue Materialien, Saarbrücken.

Der Heizkörper kann beispielsweise bei wandmontierbaren Kochendwasserbereitern, mobilen Kochendwassertöpfen, Kleinspeichern und Durchlauferhitzern verwendet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Heizkörper eines Kochendwasserbereiters,

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 vergrößerte Querschnitts-Teilansicht,

Fig. 3 eine Alternative zu Fig. 2,

Fig. 4 eine weitere Alternative zu Fig. 2 und

Fig. 5 eine Kombination der Ausführungen nach den Fig. 2 und 4.

Ein wandmontierbarer Kochendwasserbereiter, wie er beispielsweise in der DE 195 47 705 A1 beschrieben ist, weist einen Wasserbehälter 1 auf, dessen Boden ein Heizkörper 2 bildet. Der Heizkörper 2 trägt ein Ein-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, vorzugsweise nicht emaillierten Edelstahlplatte 6. Auf deren dem Wasserraum 7 abgewandten Unterseite 8 ist eine elektrisch isolierende Isolierschicht 9 (Dielektrikum) aufgebracht, auf die ein elektrisches Dickschichtheizelement in Leiterbahnen 10 aufgedruckt ist. Als Schutzschicht 11 für die Leiterbahnen 10 ist eine Glaspassivierung vorgesehen. An der Unterseite 8 der Edelstahlplatte 6 ist wenigstens ein die Temperatur erfassendes, nicht dargestelltes Element angeordnet.

Auf die dem Wasserraum 7 zugewandte Oberseite 12 der Edelstahlplatte 6 ist eine Schicht 13 aufgebracht. Die Schicht 13 hat hinsichtlich der Oberflächenstruktur und der Wärmeleitung ähnliche Eigenschaften wie eine im Betrieb eines Kochendwasserbereiters aus dem Wasser entstehende Kalkschicht. Die Schicht 13 hat beispielsweise an der Oberfläche offene Poren.

Anstelle dieser Schicht kann aber nach einem weiteren Vorschlag auch eine solche aufgebracht werden, die die Benetzbarkeit mit Wasser reduziert.

Die Schicht 13 hat eine Dicke von etwa 0,05 mm bis 0,3 mm. Die Schicht 13 hat eine im Vergleich zur Edelstahlplatte 6 schlechte Wärmeleitung. Der Wärmeleitwert der Schicht 13 liegt beispielsweise zwischen 0,2 und 1,8 W/Km, wogegen der Wärmeleitwert der Edelstahlplatte 6 etwa zwischen 20 und 50 W/Km, also deutlich höher liegt.

Die Schicht 13 ist vorzugsweise eine keramische Schicht, überwiegend aus Aluminiumoxid, Aluminiumtitanoxid, Zirkonoxid oder einer Mischung hieraus.

Die Wirkungsweise der Schicht 13 ist im Heizbetrieb des Heizkörpers im wesentlichen folgende:
Aufgrund der wasserseitig strukturierten Oberfläche der Schicht 13 besteht eine Grenzschicht zum Wasser hin, die ein Entstehen von Siedegeräusche entwickelnden Dampfbläschen reduziert.

Durch die im Vergleich zur Edelstahlplatte 6 schlechte Wärmeleitfähigkeit der Schicht 13 entsteht in der Edelstahlplatte 6 ein gewisser Wärmestau. Dieser führt dazu, daß die Edelstahlplatte 6 schon beim Aufheizvorgang eine ziemlich gleichmäßige Temperatur annimmt, obwohl sie an sich von dem Dickschichtheizelement zwar schnell, entsprechend des Verlaufs der Leiterbahnen 10, jedoch zonal unterschiedlich beheizt wird. Dadurch wird der Entstehung von solchen Dampfblasen entgegengewirkt, die sich ungünstig auf die Geräuschentstehung auswirken.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist auf der dem Wasserraum 7 zugewandten Oberseite 12 der Stahlplatte 6 eine Metallage 14 mit höherem Wärmeleitwert als Stahl angeordnet. Die Metallage 14 ist beispielsweise eine Kupferlage, die beschichtet sein und eine strukturierte Oberfläche aufweisen kann.

Die Wirkungsweise der Metailage ist im Heizbetrieb des Heizkörpers im wesentlichen folgende:
In der Stahlplatte 6 auftretende überhitzte Zonen (hot spots) wirken zwar auf die Metallage 14, werden in dieser aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit in der Plattenebene jedoch ausgeglichen, so daß an der Grenzschicht zum Wasser eine vergleichmäßigte Temperatur auftritt. Dadurch ist der Entstehung von solchen Dampfblasen entgegengewirkt, die sich ungünstig auf die Geräuschentwicklung auswirken.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 liegt die Metallage 14, insbesondere Kupferlage, zwischen der Stahlplatte 6 und einer weiteren Stahlplatte 15. Die Stahlplatte 15 besteht vorzugsweise aus dem korrosionsbeständigen Edelstahl 1.4521. Die Stahlplatte 6 besteht vorzugsweise aus dem kostengünstigeren Edelstahl 1.4016. In der Stahlplatte 6 entstehende überhitzte Zonen pflanzen sich nicht direkt in die Stahlplatte 15 fort, weil die Metallage 14 zu einem Temperaturausgleich in der Fläche führt. Dadurch ist der Entstehung von solchen Dampfblasen entgegengewirkt, die sich ungünstig auf die Geräuschentstehung auswirken.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist eine Kombination der Ausführungsbeispiele der Fig. 2 und 4. Auf der Stahlplatte 15 ist die Schicht 13 angeordnet. Dabei sind alle genannten Effekte zur Gasblasenunterdrückung und damit Geräuschminderung eingesetzt.

Als weitere Ausführung ist auch eine Kombination der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2 und 3 möglich. Die Schicht 13 ist dann wasserseitig auf die Metallage 14 aufgebracht.

Claims

1. Heizkörper für einen Warmwasserbereiter, insbesondere Kochendwasserbereiter, mit einer Stahlplatte, die auf der wasserabgewandten Seite ein Dickschichtheizelement trägt, dadurch gekennzeichnet, daß auf die dem Wasser zugewandte Seite (12) der Stahlplatte (6) eine hinsichtlich der Strukturierung der Oberfläche und dem Wärmeleitwert verkalkungsähnliche Schicht (13) aufgebracht ist und/oder an der dem Wasser zugewandten Seite (12) der Stahlplatte (6) eine Metallage (14) mit einem höheren Wärmeleitwert als Stahl angeordnet ist.

2. Heizkörper für einen Warmwasserbereiter, insbesondere Kochendwasserbereiter, mit einer Stahlplatte, die auf der wasserabgewandten Seite ein Dickschichtheizelement trägt, dadurch gekennzeichnet, daß auf die dem Wasser zugewandte Seite (12) der Stahlplatte (6) eine die Oberflächenenergie herabsetzende Schicht aufgebracht ist.

3. Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung der Oberfläche durch an ihr offene Poren gebildet ist.

4. Heizkörper nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (13) eine keramische Schicht ist.

5. Heizkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht (13) überwiegend aus Aluminiumoxid, Aluminiumtitanoxid, Zirkonoxid oder einer Mischung hieraus besteht.

6. Heizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitwert der Schicht (13) kleiner ist als der Wärmeleitwert der Stahlplatte (6).

7. Heizkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitwert der Schicht (13) etwa 0,2 bis 1,8 W/Km beträgt.

8. Heizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht (13) etwa 0,05 mm bis 0,3 mm beträgt.

9. Heizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlplatte (6) eine, vorzugsweise nichtemaillierte, Edelstahlplatte ist.

10. Heizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallage (14) eine Kupferlage ist.

11. Heizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallage (14) die wasserseitige Oberfläche bildet oder auf sie die Schicht (13) aufgebracht ist.

12. Heizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallage (14) zwischen der Stahlplatte (6) und einer weiteren Stahlplatte (15) liegt, die die wasserseitige Oberfläche bildet oder die die Schicht (13) trägt.