DE4403215A1 - Elektrisches Heizelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement in Form eines Heizstabes oder einer Heizschlange, insbes. für Warmwasserbereiter, mit einem Mantelrohr, das jeweils endseitig mit wasserdicht angeschlossenen Befestigungsflanschen zum dichten Ein- oder Anbau in oder an Wärmegeräten vorgesehen ist, sowie mit einer im Inneren des Mantelrohrs verlaufenden und diesem gegenüber elektrisch isoliert angeordneten Heizwendel, deren elektrische Anschlüsse auf der dem Mantelrohr abgewandten Seite der Befestigungsflansche münden. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Heizelements.

Derartige Heizelemente sind in vielfältigen Ausführungsformen insbes. in Elektroboilern, Standspeichern, elektrischen Zentralheizungskesseln, aber auch als Zusatzerwärmer in solar- bzw. kombiniert­ betriebenen Warmwasserzubereitern eingebaut.

Nachteilig bei den gängigen Heizelementen ist, daß von der Außenmantelfläche des Heizelementes ein zu langsamer Wärmeübergang an das umgebende Medium, also das Wasser erfolgt. Dadurch verschlechtert sich nicht nur der Wirkungsgrad, sondern es besteht darüber hinaus die Gefahr, daß es zu Überhitzungen und damit zu einer Zerstörung der Heizwendel kommen kann. Dieser geringe Wärmeübergang bedeutet darüber hinaus, daß die Aufheizung mit relativ niedriger Leistung über einen längeren Zeitraum erfolgen muß, so daß insbes. eine schnelle Erwärmung beispielsweise während der Zeit verbilligter Stromkosten nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Heizelement der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein wesentlich schnellerer Wärmeübergang von dem Mantelrohr auf die es umgebende Flüssigkeit gewährleistet ist, so daß einerseits eine schnellere Aufheizung der Flüssigkeit möglich ist, andererseits Überlastungen der Heizwendel vermieden werden, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Heizelements bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird in vorrichtungsmäßiger Hinsicht nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Mantelrohr mehrere im wesentlichen senkrecht zu seiner Längsachse ausgerichtete Wärmeleitbleche trägt.

Der durch die Erfindung erreichte Fortschritt besteht im wesentlichen darin, daß die am Mantelrohr anstehende Wärme über die gute metallische Leitfähigkeit der Wärmeleitbleche abfließt, wodurch eine wesentlich größere aktive Oberfläche zur Verfügung steht, über die der Wärmeübergang zur Flüssigkeit hin sich vollziehen kann.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist das Mantelrohr innerhalb eines wärmeleitfähigen Rippenrohres angeordnet, dessen Rippen die Wärmeleitbleche bilden. Damit ist der Vorteil verbunden, daß kommerziell erhältliche, mit der Heizwendel bestückte, fertig konfektionierte Heizkörper an ihrem Mantelrohr in einfacher Weise nachträglich mit den Wärmeübergang verbessernden Wärmeleitblechen versehen werden können, wobei dies natürlich auch schon im Rahmen des Herstellungsprozesses der Heizelemente geschehen kann.

Zweckmäßigerweise ist dazu das Mantelrohr in axialer Richtung in das Rippenrohr eingeschoben. Dabei ist nur zu beachten, daß das Mantelrohr und das Rippenrohr im Querschnitt eine einander angepaßte Form aufweisen, wobei der Innenumfang des Rippenrohres den Außenumfang des Mantelrohres nur geringfügig um einen eine gute Paßform sicherstellenden Betrag übersteigt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Rippenrohr fest an dem Mantelrohr angeschlossen ist, da so eine den Wärmeübergang verschlechternde Zwischenschicht zwischen Mantelrohr und Rippenrohr vermieden wird. Dies wird in einfacher Weise dadurch erreicht, daß das Rippenrohr in den zwischen den Rippen gelegenen Abschnitten auf das Mantelrohr aufgewalzt ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitbleche kreisförmige oder quadratische Gestalt besitzen und eine zentrale Ausnehmung für das Mantelrohr aufweisen, wobei der Ausnehmungsrand einen axial vorstehenden Kragen trägt. Der Kragen gewährleistet dabei im wesentlichen die senkrechte Ausrichtung der Wärmeleitbleche zum Mantelrohr.

Vorteilhaft ist dabei, wenn die Wärmeleitbleche eine radial verlaufende Freischneidung aufweisen, durch welche sie lösbar auf das Mantelrohr aufschiebbar sind. Auch hierdurch besteht insbes. die Möglichkeit, ein schon vorhandenes Mantelrohr nachträglich mit Wärmeleitblechen nachzurüsten. Die Anordnung der Wärmeleitbleche wird hierbei zweckmäßigerweise so gewählt, daß die Freischneidungen aufeinanderfolgender Wärmeleitbleche eine Schraubenlinie um das Mantelrohr bilden. Hierdurch ist sicher gestellt, daß der durch die Freischneidungen gebildete Bereich geringeren Wärmeübergangs nicht in einem axial geradlinigen Bereich liegt, wodurch der an sich etwas ungünstigere Wärmeübergang durch die Freischneidungen zumindest teilweise kompensiert wird.

Schließlich können die Wärmeleitbleche so ausgebildet sein, daß sie sich in radialer Richtung zu ihrem freien Rand hin verjüngen.

Das zwischen dem Mantelrohr und der Heizwendel angeordnete Isoliermaterial besteht hierbei bevorzugt aus Keramikgranulat.

Das Mantelrohr besteht vorteilhafterweise aus SF-Cu oder CuNi oder CuMn. Die Wärmeleitbleche können zweckmäßigerweise ebenfalls aus diesen Materialien bestehen.

In verfahrensmäßiger Hinsicht wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein fertig konfektioniertes Mantelrohr in gestreckter Ausrichtung in ein mit wärmeleitfähigen Rippen versehenes Rippenrohr eingeschoben wird, und daß anschließend eine feste, formschlüssige Verbindung zwischen beiden durch Aufwalzen des Rippenrohres auf das Mantelrohr hergestellt wird. Vorteilhafterweise wird dann eine endgültige Formgebung, z. B. durch Biegen, an dem in das Rippenrohr eingeschobenen Mantelrohr und dem Rippenrohr vorgenommen.

Im folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Heizelements in Form eines Heizstabes, und

Fig. 2 ein teilweise in ein Rippenrohr eingeschobenes Mantelrohr.

Dieses elektrische Heizelement, das anstatt der Ausgestaltung in Form eines Heizstabes auch als Heizschlange, also beispielsweise in schrauben- oder spiralförmiger Form gestaltet sein kann, ist insbes. für Warmwasserbereiter vorgesehen. Das Heizelement besteht zunächst aus einem Mantelrohr 1, das jeweils endseitig mit wasserdicht angeschlossenen Befestigungsflanschen 2 versehen ist. Hierdurch ist ein flüssigkeitsdichter Ein- oder Anbau in oder an Wärmegeräten möglich. Im Inneren des Mantelrohrs 1 verläuft eine Heizwendel 3, die gegenüber dem Mantelrohr 1 elektrisch isoliert ist. Hierfür eignet sich als Isoliermaterial insbes. ein Keramikgranulat 4.

Die elektrischen Anschlüsse 5 der Heizwendel 3 münden auf der dem Mantelrohr abgewandten Seite der Befestigungsflansche 2.

Zur Verbesserung des Wärmeübergangs trägt das Mantelrohr 1 mehrere im wesentlichen senkrecht zu seiner Längsachse ausgerichtete Wärmeleitbleche 6. Diese Wärmeleitbleche 6 sind durch die Rippen 7 eines das Mantelrohr 1 aufnehmenden Rippenrohres 8 gebildet, wozu das Mantelrohr 1 in axialer Richtung in das Rippenrohr 8 eingeschoben ist.

Es besteht die Möglichkeit, daß das Rippenrohr 8 fest an dem Mantelrohr 1 angeschlossen ist. Dies wird erreicht, indem das Rippenrohr 8 in den zwischen den Rippen 7 gelegenen Abschnitten 9 auf das Mantelrohr 1 aufgewalzt ist.

Es besteht jedoch auch die in der Zeichnung nicht dargestellte Möglichkeit, daß die Wärmeleitbleche 6 kreisförmige oder quadratische Gestalt besitzen und eine zentrale Ausnehmung für das Mantelrohr 1 aufweisen, wobei der Ausnehmungsrand einen axial vorstehenden Kragen trägt, der eine zur Achse des Mantelrohres 1 senkrechte Ausrichtung der Wärmeleitbleche 6 gewährleistet. Weiterhin können die Wärmeleitbleche 6 radial verlaufende Freischneidungen aufweisen, durch welche sie lösbar auf das Mantelrohr 1 aufschiebbar sind. Hierdurch können wiederum insbes. schon vorhandene Heizstäbe nachträglich mit derartigen Wärmeleitblechen 6 versehen werden. Die Ausrichtung der Wärmeleitbleche 6 kann weiterhin so erfolgen, daß die Freischneidungen aufeinander folgender Wärmeleitbleche 6 eine Schraubenlinie um das Mantelrohr 1 bilden. Auf diese Weise wird eine weiträumigere Verteilung des einen geringeren Wärmeübergang aufweisenden Bereichs der Freischneidungen sichergestellt.

In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist weiter vorgesehen, daß die Wärmeleitbleche 6 sich in radialer Richtung zu ihrem freien Rand hin verjüngen.

Das Mantelrohr 1 besteht vorteilhafterweise aus SF-Cu oder CuNi oder CuMn. Da es sich hierbei um gut wärmeleitende Materialien handelt, bestehen auch die Wärmeleitbleche zweckmäßigerweise aus diesen Materialien.

Claims (13)

1. Elektrisches Heizelement in Form eines Heizstabes oder einer Heizschlange, insbesondere für Warmwasserbereiter, mit einem Mantelrohr (1), das jeweils endseitig mit wasserdicht angeschlossenen Befestigungsflanschen (2) zum dichten Ein- oder Anbau in oder an Wärmegeräten versehen ist, sowie mit einer im Inneren des Mantelrohrs (1) verlaufenden und diesem gegenüber elektrisch isoliert angeordneten Heizwendel (3), deren elektrische Anschlüsse (5) auf der dem Mantelrohr (1) abgewandten Seite der Befestigungsflansche (2) münden, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (1) mehrere im wesentlichen senkrecht zu seiner Längsachse ausgerichtete Wärmeleitbleche (6) trägt.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (1) innerhalb eines wärmeleitfähigen Rippenrohres (8) angeordnet ist, dessen Rippen (7) die Wärmeleitbleche (6) bilden.

3. Heizelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (1) in axialer Richtung in das Rippenrohr (8) eingeschoben ist.

4. Heizelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rippenrohr (8) fest an dem Mantelrohr (1) angeschlossen ist.

5. Heizelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rippenrohr (8) in den zwischen den Rippen (7) gelegenen Abschnitten (9) auf das Mantelrohr (1) aufgewalzt ist.

6. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitbleche (6) kreisförmige oder quadratische Gestalt besitzen und eine zentrale Ausnehmung für das Mantelrohr (1) aufweisen, wobei der Ausnehmungsrand einen axial vorstehenden Kragen trägt.

7. Heizelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitbleche (6) eine radial verlaufende Freischneidung aufweisen, durch welche sie lösbar auf das Mantelrohr (1) aufschiebbar sind.

8. Heizelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Freischneidungen aufeinanderfolgender Wärmeleitbleche (6) eine Schraubenlinie um das Mantelrohr (1) bilden.

9. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitbleche (6) sich in radialer Richtung zu ihrem freien Rand hin verjüngen.

10. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen dem Mantelrohr (1) und der Heizwendel (3) angeordnete Isoliermaterial aus Keramikgranulat (4) besteht.

11. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (1) aus SF-Cu oder CuNi oder CuMn besteht.

12. Verfahren zur Herstellung eines Heizelements nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein fertig konfektioniertes Mantelrohr (1) in gestreckter Ausrichtung in ein mit wärmeleitfähigen Rippen (7) versehenes Rippenrohr (8) eingeschoben wird, und daß anschließend eine feste, formschlüssige Verbindung zwischen beiden durch Aufwalzen des Rippenrohrs (7) auf das Mantelrohr (1) hergestellt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine endgültige Formgebung an dem in das Rippenrohr (8) eingeschobenen Mantelrohr (1) und dem Rippenrohr (8) vorgenommen wird.