DE4217072A1 - Elektrischer saunaofen - Google Patents

Description

Gegenstand dieser Erfindung ist ein elektrischer Saunaofen, der einen wärmeisolierten Außenmantel, welcher die wärmespeichernde Masse enthaltende Steinkammer umschließt, und einen oder mehrere in der Steinkammer angeordnete elektrische Heizwiderstände zum Aufheizen der wärmespeichernden Masse umfaßt, und zu dem Ein­ richtungen zur Herstellung einer Luftstromverbindung zwischen der Steinkammer und dem Aufstellungsraum des Saunaofens zwecks Abgabe von Wärme aus der Steinkammer in den Ofen-Aufstellungs­ raum oder alternativ zum Isolieren dieser beiden Räume voneinan­ der zwecks Aufheizens der wärmespeichernden Masse gehören.

Oft haben elektrische Saunaöfen schlechte Dampfeigenschaften. Die Sauna muß auf eine zu hohe Temperatur geheizt werden, da bei niedrigerer Temperatur das Dampfspendevermögen nicht ausreicht. Weiter kann auch die Aufheizungszeit zu lang sein.

In der finnischen Patentanmeldung 8 75 786 ist ein mit Speicher­ masse und wärmeisoliertem Außenmantel versehener elektrischer Saunaofen beschrieben, der einen sog. "Sofort-badefertig"-Ofen repräsentiert. Bei einem solchen Saunaofen vermag ein Heizwider­ stand kleiner Leistung die Steinkammer auf so hohe Temperatur aufzuheizen, daß beim Öffnen des zum Ofen gehörenden Deckels, das eine Luftstromverbindung zwischen Steinkammer und Saunaraum zur Folge hat, sich der Saunaraum rasch auf Badetemperatur er­ wärmt und man fast unverzüglich mit dem Saunabaden beginnen kann.

Trotz seiner 100-kg-Steinfüllung ist ein solcher Saunaofen mit Heizwiderständen hoher Leistung bestückt, da beim Baden der oben genannte Heizwiderstand kleiner Leistung die Steine nicht auf ausreichend hoher Temperatur zu halten vermag und die Steinmasse nicht weiter vergrößert werden kann, denn der Ofen hat schon jetzt sehr große Abmessungen. Der zum Aufheizen der Steinkammer dienende Heizwiderstand kann z. B. eine Leistung von nur 300 W haben, während die normalen thermostatgesteuerten Heizwiderstän­ de des Saunaofens zusammen 6 kW haben.

Diese Normalheizwiderstände des Saunaofens erfordern Dreiphasen­ stromversorgung mit wenigstens 10-Ampere-Sicherungen und oft so­ gar mit 16-Ampere-Sicherungen. Wollte man den Saunaofen so ge­ stalten, daß er dem traditionellen, mit Holz gefeuerten wärme­ speichernden Saunaofen entspricht, so müßte die Steinkammer be­ trächtlich vergrößert werden. Natürlich würde eine Steinfüllung von 200 bis 500 kg die für normales Saunabaden erforderliche Energie zu speichern vermögen, aber eine solche große Steinmenge ist in den heutigen elektrischen Saunaöfen unpraktisch.

Alle bekannten elektrischen Saunaofentypen erfordern die vorge­ nannte Leistung von mehreren Kilowatt. Dabei muß dann die Strom­ versorgung des gesamten Hauses dem kurzzeitigen hohen Leistungs­ bedarf des elektrischen Saunaofens entsprechend ausgelegt wer­ den. Die Hauptsicherungen, die Hausanschlußleitungen und die Transformatoren müssen so bemessen werden, daß sie dieser kurz­ zeitigen Spitzenbelastung standhalten. Oft muß in die Verteilung ein Alterniersystem eingebaut werden, das bei Einschalten des Saunaofens irgendeine andere Last abschaltet.

Das Baden in Saunas mit elektrischen Saunaöfen erfolgt bei den meisten Benutzern um die gleiche Tageszeit. In Finnland gibt es mehr als 500 000 elektrische Saunas. Abend für Abend sind rund 100 000 Saunas gleichzeitig eingeschaltet. Der Energiebedarf pro Saunabaden liegt bei etwa 8 kWh. Innerhalb von zwei Stunden wer­ den dem Landesstromnetz somit rund 800 000 kWh entnommen. Die durch den Betrieb der elektrischen Saunaöfen bedingte Leistungs­ aufnahme führt in den Abendstunden zu einer ungünstig hohen Spitze in der Stromproduktion.

Ausgehend von den oben aufgezählten Mängeln der bekannten elek­ trischen Saunaöfen lassen sich die Eigenschaften für einen neuen guten Saunaofen ableiten, nämlich:

• - sofort badebereit,
• - geringe Leistungsaufnahme,
• - gute Dampfeigenschaften bei niedrigen Temperaturen,
• - einfacher Anschluß ans Stromnetz,
• - Leistungsaufnahme erfolgt hauptsächlich nachts,
• - mäßige Größe.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen wärmespeichernden elektrischen Saunaofen zu schaffen, der die oben aufgezählten Zielsetzungen erfüllt. Die charakteri­ stischen Merkmale des erfindungsgemäßen elektrischen Saunaofens sind im Patentanspruch 1 niedergelegt. Im typischen Falle ist die ihre Phase ändernde Masse irgendeine schmelzende Masse, be­ vorzugt Aluminium, die über ihre Schmelzwärme für das Saunabaden erforderliche Energie speichert. In Frage kommen könnte auch mit verschiedenartigen Kristallstrukturveränderungen oder mit rever­ sibler chemischer Reaktion verbundene Phasenänderungs-Wärmeener­ gie. Mit Hilfe der Erfindung läßt sich in einem kleinen Sauna­ ofen eine im Vergleich zu den bisherigen speichernden Saunaöfen gewaltige Wärmeenergiemenge speichern. Der Wärmegehalt der Spei­ chermasse läßt sich durch zweckmäßige Bemessung auf einen so hohen Wert bringen, daß auf den Heizwiderstand hoher Leistung völlig verzichtet werden und man sich auf einen ständig einge­ schalteten Heizwiderstand kleiner Leistung beschränken kann. Abweichend von der bekannten Technik, reicht für einen solchen Saunaofen ein einphasig angeschlossener Heizwiderstand geringer Leistung aus. Das als schmelzende Masse bevorzugt eingesetzte Aluminium wird in einem Stahlbehälter angeordnet, dessen Innen­ fläche mit einem auflösungsverhindernden Material verkleidet wird, wie zum Beispiel hochtemperaturfestem Faserstrumpf, Glas­ röhre oder Keramikschicht. In der Praxis erfolgt das Saunabaden abends, das Aufheizen der Speichermasse hingegen zu einem Groß­ teil nachts.

Die übrigen Vorteile und Anwendungsformen der Erfindung gehen aus dem Text weiter unten hervor.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beige­ fügten Abbildungen beschrieben, in denen einige Anwendungsformen der Erfindung dargestellt sind. Es zeigt

Fig. 1 einen in schmelzender Masse Wärme speichernden elektrischen Saunaofen;

Fig. 2 einen Querschnitt an der Stelle II-II in Fig. 1;

Fig. 3 eine andere Anordnung der schmelzenden Masse im Sauna­ ofen.

Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Saunaofen im Schnitt bei ge­ öffnetem Deckel. Der Ofen umfaßt den Außenmantel 1, der im we­ sentlichen durchweg wärmeisoliert ist. Zu diesem Außenmantel ge­ hört als Bestandteil der Deckel 2, der geöffnet werden kann. Der wärmeisolierte Außenmantel 1 umgibt die Steinkammer 3 auch an den Seiten und zum Teil bodenseitig dicht. In der Mitte der Steinkammer 3 ist vertikal ein zylindrischer Behälter 5 angeord­ net, in dessen Innerem sich wiederum ein zylindrischer Kanal 10 mit dem elektrischen Heizwiderstand 4 befindet. Der Behälter 5 wird von dem von den Zylindern begrenzten Raum gebildet, der mit Aluminium 6 gefüllt ist. Die den Behälter 5 umgebende Steinkam­ mer 3 ist mit einer gewöhnlichen Speichermasse, wie zum Beispiel Saunaofensteinen 8, gefüllt. Verwendet werden können auch synthetische, zum Beispiel keramische Saunaofensteine.

Am unteren Ende des Luftkanals 10 ist ein Ventil 9 angeordnet, mit dem der Luftdurchsatz reguliert und das an eine Thermostat­ anlage angeschlossen werden kann. Oberhalb des Luftströmungs­ kanals ist in einem Abstand vom oberen Ende desselben eine Abschirmung 13 angeordnet, die verhindert, daß das zwecks Dampf­ bildung aufgegossene Wasser in diesen Kanal gelangt. Am Unter­ teil des Saunaofens ist ein Schaltkasten für die elektrischen Anschlüsse und die Thermostatschaltungen vorhanden.

Der Querschnitt in Fig. 2 zeigt die aus ineinander angeordneten Zylindern bestehende Konstruktion des Saunaofens mit dem zentra­ len Luftströmungskanal 10 und dem darin angeordneten Heizwider­ stand 4.

Das o.g. Aluminium beziehungsweise Aluminiumlegierung ist ein ideales Material zum Speichern von Wärme. Aluminium hat eine hohe Schmelzwärme (Q_s = 400 kJ/kg) und außerdem eine beachtlich hohe spezifische Wärmekapazität (C_p = 900 J/kgC). Auch der Schmelzpunkt des Aluminiums liegt äußerst günstig; er beträgt je nach Legierung 550 bis 660°C. Aluminium hat ein spezifisches Gewicht von 2,7 kg/l. Diese vorteilhaften Eigenschaften werden bei dem erfindungsgemäßen Saunaofen genutzt. Das Aluminium wird mit dem Heizwiderstand niedriger Leistung geschmolzen und bei konstanter Temperatur in schmelzflüssigem Zustand gehalten. Beim Heizen der Sauna und beim Baden gibt das schmelzflüssige Alumi­ nium beim Erstarren und weiteren Abkühlen Wärme ab.

Ein Teil der in der Aluminiummasse enthaltenen Wärmeenergie wird dazu verwendet, die Grundtemperatur der Sauna auf das gewünschte Niveau zu erhöhen. Die in der Aluminiummasse verbliebene Energie dient zur Aufrechterhaltung der Steintemperatur, damit dann die gewünschte Menge Dampf erzeugt werden kann.

Dank dieser intensiven Wärmespeicherung ist es möglich, einen Saunaofen zu konstruieren, der geringe Abmessungen hat und die für ein Saunabaden ausreichende Menge Wärmeenergie zu speichern vermag (10 kWh = 36 MJ). Das Gesamtvolumen der Speichermassen des Saunaofens kann zum Beispiel sein:

• - Behälter mit Aluminiumfüllung 10 l = 27 kg Aluminium,
• - Steinkammer 23 l = 30 kg Saunaofensteine.

Das Gesamtvolumen beträgt somit 33 l, während es bei dem ein­ gangs genannten bekannten "Sofortbereit"-Saunaofen rund 70 l beträgt.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung gegenüber der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform. Die nach deren Art einander entsprechenden Teile tragen gleiche Bezugszahlen, wie Außenman­ tel 1, Steinkammer 3, elektrischer Heizwiderstand 4 und Alu­ miniummasse 6 sowie Luftkanal 10. Hier werden mehrere ringförmig angeordnete Behälter 12 verwendet, die den besagten Luft­ strömungskanal 10 einschließen. Der Heizwiderstand 4 ist auch hier in diesem Kanal angeordnet. Die Behälter 12 werden völlig dicht gestaltet, und in ihnen wird ein kleiner Ausdehnungsraum belassen, wenngleich, wie Versuche ergeben haben, die eventuel­ len Wärmeausdehnungsdifferenzen keine Probleme verursachen. Wichtig hingegen ist, die Stahlbehälter-Innenfläche in passender Weise zu verkleiden, damit das schmelzflüssige Aluminium keine Auflösungserscheinungen am Stahlbehälter bewirken kann.

Bei dem Beispiel-Saunaofen erhält man eine Gesamtspeicherkapazi­ tät wie folgt: Innerhalb des wärmeisolierten Außenmantels ist, wie oben dargelegt, in eine Steinmasse von 30 kg ein Behälter mit 10 l, also 27 kg Aluminium eingebettet. Die Schmelzwärme­ energie des Aluminiums beträgt hierbei 3 kWh, und beim Abkühlen von 700°C auf 200°C wird eine Energiemenge von etwa 3,4 kWh freigesetzt. Das Abkühlen der Steinmasse von 600°C auf 200°C liefert (im Mittel) eine Wärmeenergiemenge von rund 2,7 kWh, und das Abkühlen der Ofenkonstruktionen 1 kWh, so daß also der Saunaofen insgesamt über eine Speicherwärme von rund 10 kWh ver­ fügt. Außerdem ist dieser Saunaofen bevorzugt mit einem 1000-W- Heizwiderstand ausgerüstet, dessen Wärmeleistung beim Baden gleichfalls zur Verfügung steht. Es stehen also dann während zwei Stunden rund 12 kWh Wärmeenergie zur Verfügung, was zum Saunabaden einer normalen Familie sattsam ausreicht. Bei Bedarf wird der Heizwiderstand mit einer Überhitzungsschutzvorrichtung ausgerüstet. Als solche funktioniert auch die Thermostatanlage, mit der der Behälter 5 oder die Steinkammer 3 auf konstanter Temperatur zu halten versucht wird.

In einer gewöhnlichen, 7 m³ großen Sauna wird normalerweise ein 6-kW-Saunaofen betrieben. In einem solchen Raum gewährleistet der erfindungsgemäße wärmespeichernde Saunaofen, wie oben darge­ legt, zwei Stunden lang normale Badeverhältnisse, selbst wenn er ständig durch Aufguß belastet wird. Normalerweise wird aber der Saunaofen nicht so intensiv belastet, so daß er dann über mehrere Stunden normale Saunabadeverhältnisse garantiert.

Nach dem Baden beginnt der in den Saunaofen eingebaute 1000-W- Heizwiderstand die Speichermasse erneut aufzuheizen und die er­ starrte Aluminiummasse zu schmelzen. Das volle "Aufladen" eines solchen Saunaofens aus kaltem Zustand beansprucht etwa 11 bis 12 Stunden. Die Leistung des Heizwiderstandes kann weiter reduziert werden; selbst ein Heizwiderstand von 500 W würde ein tägliches Saunabaden ermöglichen.

Im Journal of Engineering for Industry, 8/1975, Seiten 893-896, "Thermal Energy Storage and Control"; Schröder, werden verschiedenartige Salze und deren Gemische beschrieben. Zum Beispiel LiF/MgF₂-Mischungen bieten gewisse Alternativen zu Aluminium. Mit ihnen läßt sich eine bessere Wärmespeicher­ kapazität als mit Aluminium erreichen.

Claims (10)

1. Elektrischer Saunaofen, bestehend aus einem wärmeiso­ lierten Außenmantel (1), der die wärmespeichernde Masse enthal­ tende Steinkammer (3) umschließt, und aus einem oder mehreren, in der Steinkammer angeordneten elektrischen Heizwiderständen zum Aufheizen der wärmespeichernden Masse (6, 8), wobei zu dem elektrischen Saunaofen Vorrichtungen (2, 9) zur Herstellung einer Luftstromverbindung zwischen Steinkammer (3) und Ofen-Aufstel­ lungsraum zwecks Übertragung von Wärme aus der Steinkammer (3) in den Ofen-Aufstellungsraum oder alternativ zum Isolieren die­ ser beiden Räume voneinander zwecks Erhitzens der Speichermasse (6, 8) gehören, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Spei­ chermasse (6) von einer bei besagtem Erhitzen ihre Phase ändern­ den Masse gebildet wird, die unter Ausnutzung der Phasenände­ rungswärme für das Saunabaden dienende Energie bindet bezie­ hungsweise abgibt.

2. Elektrischer Saunaofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ihre Phase ändernde Masse (6) in einem oder mehreren Behältern (5, 12) untergebracht ist.

3. Elektrischer Saunaofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Behälter (12) aus einem zwischen zwei ineinander angeordneten Zylindern gebildeten Raum besteht, und der elektrische Heizwiderstand (4) in dem inneren Zylinder angeordnet ist.

4. Elektrischer Saunaofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Saunaofen mehrere zylindrische Behälter (12) umfaßt, die ringförmig angeordnet sind, wobei der elektrische Heizwiderstand (4) im Ringmittelpunkt angeordnet ist.

5. Elektrischer Saunaofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum für den Heizwiderstand einen Teil des Luftströmungskanals (10) bildet und vertikal ver­ läuft.

6. Elektrischer Saunaofen nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (5, 12) völlig geschlossen ist und in ihm ein kleiner Ausdehnungsraum belassen wurde.

7. Elektrischer Saunaofen nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (5, 12) eine Innenauskleidung (11) hat, die verhindert, daß sich Behälter­ werkstoff in der schmelzflüssigen Masse auflöst.

8. Elektrischer Saunaofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenauskleidung (11) des Behälters aus einem der folgenden Elemente besteht: Faserstrumpf, Glasröhre, Keramikauskleidung.

9. Elektrischer Saunaofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermasse (6) eines oder mehrere der folgenden Materialien umfaßt: Reines Aluminium, Alu­ miniumlegierung, Salzmischung.

10. Elektrischer Saunaofen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeisolierte Außenmantel (1) einen Deckel (2) hat, der geöffnet werden kann und in geöff­ netem Zustand die besagte Luftströmungsverbindung zwischen Steinkammer (3) und Ofen-Aufstellungsraum herstellt.