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"Heizvorrichtung mit einem ein aufzuheizendes Medium auf-
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nehmenden Heizkörper" Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung
mit einem ein aufzuheizendes Medium aufnehmenden Heizkörper, der gegebenenfalls
als Durchlaufrohr ausgebildet ist, insbesondere Durchlauferhitzer für Wasser zur
Warmwasserbereitung und/oder Heizung.
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Bei bekannten elektrischen Heizvorrichtungen wird üblicherweise eine
elektrische Widerstandsheizung benutzt, die jedoch relativ träge arbeitet. Hinzu
kommt, daß Wärmeverluste unvermeidbar sind, da ein Teil der erzeugten Wärme die
Umgebung und nicht das aufzuheizende Medium erwärmt. Da außerdem die Widerstandsheizelemente
im Regelfall eine wesentlich höhere Temperatur als das aufzuheizende Medium besitzen,
wird nur ein relativ schlechter Wirkungsgrad erreicht.
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Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine neue Heizvorrichtung zu
schaffen, die bei gutem Wirkungsgrad besonders trägheitsarm und damit gut regelbar
arbeitet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Heizvorrichtung der eingangs genannten
Art gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Heizkörper in einer Gasentladungskammer
mit zumindest einer als Kathode schaltbaren und einer als Anode schaltbaren Elektrode
angeordnet ist und durch die sich bei Gas entladungen erwärmende Kathode aufheizbar
ist.
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Die Erfindung nutzt also die Wärme aus, die beim Aufprall positiv
geladener Ione auf die Kathode entsteht. Zwar ist es aus Verfahren zum Bearbeiten
von Werkstücken mit Ionen bekannt, daß bei Gasentladungen Wärme entsteht. Darüber
hinaus kennt man gasgefüllte Röhren mit flüssigkeitsgekühlten Elektroden. Aufgrund
der Erfindung wird jedoch erstmals vorgeschlagen, Gasentladungen für Heizzwecke
heranzuziehen.
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Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung arbeitet außerordentlich wirtschaftlich
und führt aufgrund ihrer guten Wärmeausnutzung zu einer meßbaren Energieeinsparung.
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Durch entsprechende Ausformung der Elektroden kann eine lokal unterschiedliche
Stromdichte und damit eine unterschiedliche Erwärmung einzelner Elektrodenbereiche
erzielt werden. Wenn das aufzuheizende Medium zuerst den weniger erwärmten Bereichen
der Elektroden ausgesetzt wird und danach den stärker erwärmten, so ergibt sich
ein besonders guter Wirkungsgrad, da der Temperaturunterschied
zwischen
dem jeweiligen Elektrodenbereich und dem dort erwärmten aufzuheizenden Medium relativ
gering bleibt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor: So ist es zweckmäßig, wenn mindestens eine der Elektroden ein Hohlkörper
ist und den Heizkörper bildet. Damit wird ein besonders einfacher Aufbau ermöglicht,
wobei ein herkömmlicher aus Metall bestehender Heizkörper benutzt werden kann.
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Die Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft für Durchlauferhitzer.
Dementsprechend kann die den Heizkörper bildende Elektrode ein schraubenförmig od.dgl.
gewundenes Rohr sein.
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Damit hat der Heizkörper eine große Oberfläche, die sich unter der
Wirkung der Gas entladungen aufheizt und die Wärme mit gutem Wirkungsgrad auf das
aufzuheizende Medium überträgt.
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Besonders günstig ist es dabei, wenn die als Heizkörper ausgebildete
Elektrode von der vorzugsweise an der Wandung der Gasentladungskammer angeordneten
anderen Elektrode umschlossen ist.
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Damit ergeben sich zwischen den beiden Elektroden relativ homogene
Feldstärken, so daß die als Heizkörper ausgebildete Elektrode auf ihrer gesamten
Oberfläche besonders gleichmäßig aufgeheizt wird.
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Ein ähnlich günstiger Verlauf des elektrischen Feldes ergibt sich,
wenn die als Heizkörper ausgebildete Elektrode die
andere Elektrode,
welche stabförmig oder als zylinderförmiger Ring ausgebildet ist, ringförmig umschließt.
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Soll bei besonders hohen Heizleistungen ein kompakter Aufbau erreicht
werden, so ist es vorteilhaft, wenn die als Heizkörper ausgebildete Elektrode aus
konzentrischen Ringen besteht, die jeweils ein stab- oder ringzylinderförmiges Teil
der anderen Elektrode umschließen. Bei einer derartigen Anordnung brauchen im Teillastbetrieb
nur einzelne Ringe bzw. Elektrodenteile elektrisch angeschlossen sein, so daß sich
ohne komplizierte Steuerung eine verringerte Heizleistung ergibt.
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Da die bei den Gas entladungen entstehenden Ionen auf die Kathode
prallen und somit diese zuerst erwärmen, ist es für eine besonders trägheitslose
Heizung vorteilhaft, wenn die Kathode den Heizkörper bildet.
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Jedoch ist es auch möglich, daß die Anode den Heizkörper bildet, da
sie von der Wärmestrahlung aufgeheizt wird, die von der Kathode emittiert wird.
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Gegebenenfalls können sowohl die Anode als auch die Kathode als Heizkörper
ausgebildet sein. Dabei wird ein besonders guter Wirkungsgrad erreicht, wenn das
aufzuheizende Medium zuerst durch die weniger aufgeheizte Anode strömt, die Ja von
der
Kathode indirekt beheizt wird, und dann durch die heißere Kathode
läuft.
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Wenn hydrolisierende Flüssigkeiten aufgeheizt werden sollen, beispielsweise
Wasser, kann vorgesehen sein, die Kathode und die Anode innen gegenüber der Flüssigkeit
durch eine elektrisch nicht leitende Schicht zu isolieren. Besteht zumindest eine
der Elektroden aus einem Material, welches elektrisch isolierende Oxyde bildet,
so ist zur Ausbildung dieser Schichten kein zusätzlicher Bearbeitungsschritt erforderlich,
wenn die Schichten bereits unter dem Einfluß des Luftsauerstoffes bei der Herstellung
der Heizvorrichtung entstehen.
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Grundsätzlich ist es möglich, die natürliche Ionisation der Gasfüllung
beim Betrieb der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung auszunutzen. Jedoch müssen dann
im Regelfalle für eine ausreichende Wärmeerzeugung hohe Spannungen verwendet werden,
um eine Glimmentladung im sogenannten anomalen Bereich zu erzeugen. Deshalb ist
es zweckmäßig, Maßnahmen zur Erzeugung zusätzlicher Ionen vorzusehen, da dann Gas
entladungen mit hoher Stromstärke bei geringer Spannung möglich sind. Dabei ist
es vorteilhaft, daß bereits bei geringen Spannungen eine negative Strom-Spannungs-Kennlinie
auftreten kann, d.h. steigende Stromstärke bei sinkender Spannung. Werden in die
Gasfüllung zusätzlich erzeugte Ionen eingebracht, so lassen sich also
bereits
bei geringer Spannung, beispielsweise bei der Netzspannung, hohe Stromstärken und
damit hohe Heizleistungen erreichen.
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Die erwähnten Bereiche mit negativer Strom-Spannungs-Kennlinie sind
vorteilhafterweise offenbar begrenzt, so daß keinerlei besondere Maßnahmen zur Aufrechterhaltung
und Stabilisierung der Spannung zur Vermeidung eines Kurzschlusses notwendig sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann nun in der Entladungskammer
eine die Gasfüllung ionisierende Vorrichtung angeordnet sein, beispielsweise eine
Quelle für schwach radioaktive Strahlung.
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Vorzugsweise besitzen die als Anoden dienenden Elektroden mindestens
teilweise eine Oberfläche mit Nadelstruktur. An der Spitze der Nadeln herrschen
beim Betrieb hohe Feldstärken, die zur Ionisierung einzelner Atome führen. Zusätzlich
oder alternativ kann vorgesehen sein, daß die Anoden Erdalkali-Elemente enthalten,
die bekanntlich eine geringe Ionisierungsenergie haben und somit bereits bei geringen
Spannungen Ionen bilden.
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Die Gasentladungskammer kann Luft enthalten. Dabei ist der Sauerstoff
gegebenenfalls durch Beifügung eines Reduktionsmittels, z.B. Harnstoff, gebunden.
Diese Maßnahme ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Elektroden aus leicht
korrodierenden Materialien bestehen.
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Stattdessen kann die Gasentladungskammer ein Schutzgas enthalten,
z.B. Stickstoff. Dieser ist außerordentlich reaktionsträge und geht auch mit leicht
korrodierenden Materialien keine dauerhaften Verbindungen ein. Ein zusätzlicher
Korrosionsschutz ist also überflüssig.
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Vorteilhafterweise ist es für die erfindungsgemäße Heizvorrichtung
ausreichend, wenn die Gasentladungskammer auf einen Druck von 2mbar oder weniger
evakuiert ist. Ein derartiges Vakuum läßt sich bereits mit einfachen Pumpen erzeugen.
Andererseits trägt das Vakuum zu einer guten Wärmeisolierung des Heizkörpers gegenüber
der Umgebung bei.
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Insbesondere wenn die Anoden Erdalkali-Elemente enthalten und eine
nadelförmig strukturierte Oberfläche besitzen, kann in der Gasentladungskammer auch
Atmosphärendruck bestehen.
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Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung kann mit Gleich- oder Wechselstrom
betrieben werden. Bei extrem hohen Heizleistungen kann ein Wechselstrombetrieb vorteilhaft
sein, da die an der jeweils positiven Elektrode ionisierten und teilweise abgetragenen
Atome bei der nachfolgenden Spannungsumkehr wieder zurückgebracht werden. Bei üblichen
Heizleistungen hat dieser Materialabtrag auch bei Gleichstrombetrieb jedoch zu keinerlei
Schwierigkeiten geführt, da das von der Anode abgetragene
Material
sich auf der gegenüber der Anode heißeren Kathode nur teilweise niederschlägt und
zum größeren Teil auf der kühleren Anode "kondensiert". Dieser Effekt wird gegebenenfalls
noch begünstigt, wenn gemäß einer oben geschilderten Ausrührungsform die Anode als
Heizkörper ausgebildet ist und damit vom aufzuheizenden Medium gekühlt wird.
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Um insbesondere bei Betriebsbeginn eine erhöhte Zahl von Ionen zu
erzeugen, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß an die Elektroden
Spannungsimpulse anlegbar sind.
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Stattdessen ist es auch möglich, an den Elektroden eine Ionen erzeugende
Basisspannung anzulegen, so daß einerseits dauernd eine erhöhte Zahl von Ionen vorhanden
ist, andererseits noch praktisch keine Gasentladungen stattfinden. Diese Betriebsweise
kann vorteilhaft zum Frostschutz der errindungsgemäßen Heizvorrichtung dienen, wenn
diese über längere Zeiten unbenutzt bleibt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert.
Dabei zeigen die Fig. 1 bis 3 Schnittbilder verschiedener bevorzugter Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung.
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Bei der Ausfuhrungsform nach Fig. 1 ist innerhalb einer Gasentladungskammer
1 eine Kathode 2 angeordnet, die aus einem schraubenförmig gewundenen Rohr besteht,
welches als Heizkörper dient und einen Zufluß A und einen Abfluß B aufweist. Die
Kathode 2 ist mit ihren den Zufluß A uno den Abfluß B bildenden Rohrstücken an einem
Einsatz 4 gehaltert, der die Gasentladungskammer 1 verschließt. An der Wandung 1'
der Gasentladungskammer 1 ist eine Anode 3 angeordnet, die die Kathode 2 praktisch
allseitig umgibt.
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Die Kathode 2 und die Anode 3 sind über nicht dargestellte Zuführungsleitungen
mit einer Spannungsquelle verbunden, die ebenfalls nicht dargestellt ist. Falls
die Wandung 1' der Gasentladungskammer 1 gleichzeitig das Außengehäuse der Heizvorrichtung
bildet, muß sie von der Anode 3 elektrisch isoliert sein oder aus einem Isolatormaterial
bestehen. In entsprechender Weise müssen die den Zufluß A und den Abfluß B bildenden
Rohrstücke isoliert sein oder aus einem Isolatormaterial bestehen.
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Die Anode 5 ist von der Wandung 1' der Gasentladungskammer 1 gegen
Wärmeübertragung isoliert. Bei einer evakuierten Gasentladungskammer kann dafür
bereits ausreichend sein, wenn die Anode 3 von der Wandung 1' einen Abstand hat.
Gegebenenfalls können zwischen der Anode 3 und der Wandung 1' der Gasentladungskammer
1 Vliese aus Silikaten angeordnet sein, die eine Wärmedämmung bilden.
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Die Ausfüh.rungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der oben geschilderten
Ausführungsform dadurch, daß die Anode 5 aus einem schraubenförmig gewundenen Rohr
mit dem Zufluß A und dem Abfluß B besteht, und daß die Kathode 2 als ein zylinderförmiger
Ring ausgebildet ist, der innerhalb der Rohrwindungen der Anode 3 angeordnet ist.
Die Kathode 2 ist in einem Einsatz 4' gehaltert, die Anode in einem ringförmigen
Einsatz 4". Diese Einsätze können gegebenenfalls ein Teil bilden, in welchem die
Anode 3 und die Kathode 2 elektrisch gegeneinander isoliert sind.
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Die Wandung 1' der Gasentladungskammer 1 ist mit einem Reflektor 5
ausgekleidet, der Wärmestrahlen gut reflektiert und von der Wandung 1' der Gasentladungskammer
1 wärmeisoliert ist.
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Die Ausführungsform der Fig. 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform
nach Fig. 2 dadurch, daß sowohl die Kathode 2 als auch die Anode 3 mehrteilig sind.
So besteht die Kathode 2 aus zwei konzentrisch angeordneten Zylindern 2' und 2",
die miteinander über einen Boden am äußeren Zylinder 2" verbunden sind Die Anode
5 besitzt zwei schraubenförmige Rohrwicklungen 3' und )". Dabei umschließt die Rohrwicklung
)' den Zylinder 2', die Rohrwicklung 5" den Zylinder 2". Die beiden Rohrwicklungen
sind jeweils mit dem Zufluß A und dem Abfluß B verbunden. Im übrigen entspricht
diese Ausführungsform der in Fig. 2.
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Die Gasentladungskammer kann auch teilweise oder vollständig aus einem
hitzefesten Glas bestehen, so daß die bei den Gasentladungen erzeugten Wärmestrahlen
auch zur Heizung der Umgebung herangezogen werden können. Außerdem zeigen die bei
den Gasentladungen auftretenden Leuchterscheinungen den Betrieb der Heizvorrichtung
an und geben gegebenenfalls einen besonderen ästhetischen Reiz. Bei einer derartigen
Ausführungsform entfällt der gemäß den Fig. 2 und 5 vorgesehene Reflektor 5, und
bei einer Ausführungsform nach Fig. 1 könnte die Anode 3 gegebenenfalls netzförmig
ausgebildet sein.
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