EP0156221B1 - Wassererhitzer - Google Patents

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EP0156221B1
EP0156221B1 EP85102625A EP85102625A EP0156221B1 EP 0156221 B1 EP0156221 B1 EP 0156221B1 EP 85102625 A EP85102625 A EP 85102625A EP 85102625 A EP85102625 A EP 85102625A EP 0156221 B1 EP0156221 B1 EP 0156221B1
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EP
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precious metal
electric heating
coated
heating element
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EP0156221A3 (en
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Erwin Dipl.-Ing. Gross
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C and F Czepek und Fentross GmbH
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C and F Czepek und Fentross GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/48—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
    • C23F13/00—Inhibiting corrosion of metals by anodic or cathodic protection
    • C23F13/005—Anodic protection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/18—Water-storage heaters
    • F24H1/20—Water-storage heaters with immersed heating elements, e.g. electric elements or furnace tubes
    • F24H1/201—Water-storage heaters with immersed heating elements, e.g. electric elements or furnace tubes using electric energy supply
    • F24H1/202—Water-storage heaters with immersed heating elements, e.g. electric elements or furnace tubes using electric energy supply with resistances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/0005—Details for water heaters
    • F24H9/001—Guiding means
    • F24H9/0015—Guiding means in water channels
    • F24H9/0021—Sleeves surrounding heating elements or heating pipes, e.g. pipes filled with heat transfer fluid, for guiding heated liquid

Definitions

  • the invention relates to a water heater, in particular a hot water tank, instantaneous water heater, boiling water device, with an electric heating insert connected to alternating current, which has a cladding tube made of an anodically passivatable material with a coating of a noble metal from the platinum series, the electric heating insert being electrically insulated in the container wall is installed and the electric heating insert is anodically and the container wall is connected cathodically to a direct current source.
  • Water heaters such as B. hot water storage tank, instantaneous water heater, household appliances, chemical-technical apparatus and the like. a., which are heated with electric heating inserts, are at risk from limescale deposits on the heating elements due to overheating, depending on the water hardness.
  • the cladding tube of the electric heating insert must consist of an anodically passivatable material, such as, for. B. titanium, tantalum or niobium.
  • the cladding tube must be coated on the outer surface with a thin layer of precious metal from the platinum series in addition to ensure sufficient current transfer (DE-A-31 05 922).
  • An object of the present invention is to develop a water heater of the type described in the introduction in such a way that effective protection against limescale deposits on the electric heating insert is achieved with as little expenditure of precious metal as possible.
  • the object is achieved in that surfaces coated with precious metals and not coated with precious metals are arranged in a uniform pattern on the cladding tube of the electric heating insert according to a geometric pattern.
  • the surfaces coated with precious metal form a regularly recurring geometric pattern.
  • the electro-chemical effect described below can be used for the limescale protection of the surfaces not coated with the precious metal.
  • H. Carbonic acid is formed on the electric heating rod from the hydrogen carbonate ions that are separated here. The latter immediately dissolves a calcium or magnesium carbonate layer that forms on the platinum-free areas. This effect is particularly effective with an area ratio of titanium area to platinum area of 1: 1 to 2: where the distance between the platinized areas can be approximately 1-2 cm.
  • the areas free of the precious metal layer can be obtained by winding covering tapes in a spiral or ring shape when the platinum layer is applied, as well as by applying synthetic resin or covering masks.
  • the electric heating insert can be wholly or partially surrounded by a separate cathode surface within the water container.
  • a sheet metal z. B. the surface can be closed or segmented. But it can also consist of a metal wire mesh, metal rods, or a perforated expanded metal grid.
  • the cathode surface can preferably consist of a bimetal.
  • An electric heating insert 2 is arranged within a water heater 1 and is mounted in an electrically insulated manner in the container wall or in a lid or in a screwing head (reference number 3).
  • the electrical energy for heating preferably alternating current, is fed to the connections 4.
  • Limescale deposits on the electric heating insert 2 are now prevented in the known manner by a DC voltage as follows.
  • a direct current source 5 is connected at location 6 with the positive pole to the cladding tube of the electric heating insert 2 and at location 7 with the negative pole to the container wall.
  • This anodic circuit of the heating element 2 prevents the ions of the hardness formers from being deposited on the heating element 2 and thus prevents the formation of limescale.
  • an additional cathode surface 8 is shown opposite the container wall, on which lime is deposited in a targeted manner. It is particularly necessary for storage with internal enamelling or plastic coating.
  • the cathode surface completely or partially envelops the electric heating element 2 and is connected in an electrically conductive manner to the container wall via the line 9.
  • This additional cathode surface can, regardless of the geometric shape and surface coating of the container wall the limescale deposit.
  • the cathode surface 8 consists of a metal part. As a material for this z. B. normal or galvanized iron can be used. The embodiment has already been described above. These additional cathode surfaces can also consist of bi-metal sheet pieces. In the case of bi-metal sheets, 2 metal sheets with different coefficients of thermal expansion are rolled together. Due to the bending effect under temperature changes, adhering layers of limescale easily crack.
  • Fig. Shows an enlarged portion of the hairpin-shaped electric heating insert 2, for example.
  • the double-hatched areas 10, 11 and 12 represent z.
  • B. is platinized patches.
  • B. a spiral 10 or an annular surface arrangement possible.
  • a grid-like embodiment is to be indicated by reference number 12.
  • the areas of the heating element lying between the hatched areas have no noble metal layer, so they consist of an anodically passivatable material such as, for. B. Titan.
  • an external current anode 14 with its part 15 platinum-plated for the protective current outlet is arranged in one of the hot water storage tanks 13 to be removed for corrosion protection.
  • the anode is passed through the container wall in an electrically insulated manner.
  • the protective current is supplied by a direct current source 17 which is connected to the external current anode (reference number 18) with the positive pole and to the container wall (reference number 19) with the negative pole.
  • the water can be heated via heating coils or a double jacket (not shown in the drawing), the heating medium being removed, for example, from boilers or heat pumps. Additionally or alternatively, the hot water is heated by an electric heating element 20, the electrically insulated installation of which in the hot water tank 13 takes place in the area of the reference numeral 21.
  • the electrical energy for heating the hot water is supplied as an alternating or three-phase current to the radiator 20 at the connections 22.
  • the tubular casing of the electric heating element 20 which is made of titanium, for example, the tubular casing is connected to the positive pole of the direct current source 17 parallel to the external current anode 14 (connection 23).

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Wassererhitzer, insbesondere Warmwasserspeicher, Durchlauferhitzer, Kochendwassergerät, mit einem an Wechselstrom angeschlossenen Elektroheizeinsatz, der ein Hüllrohr aus einem, anodisch passivierbaren Material mit einer Beschichtung aus einem Edelmetall aus der Platinreihe aufweist, wobei der Elektroheizeinsatz elektrisch isoliert in der Behälterwand eingebaut ist und wobei der Elektroheizeinsatz anodisch und die Behälterwandung kathodisch an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist.
  • Wassererhitzer, wie z. B. Warmwasserspeicher, Durchlauferhitzer, Haushaltsgeräte, chemischtechnische Apparate u. a., die mit Elektroheizeinsätzen beheizt werden, sind je nach Wasserhärte durch Kalkablagerungen auf den Heizstäben infolge Überhitzung gefährdet.
  • Es sind Vorschläge bekannt, durch Ausnutzung des elektrolytischen Dissoziationseffektes die Ablagerung der Härtebildner am Elektroheizstab zu verhindern: Durch Anlegung einer Gleichspannung zwischen Heizstab und Behälterwandung - wobei das Hüllrohr des Heizstabes als Anode und die Behälterwandung als Kathode geschaltet ist - werden die Ionen der Härtebildner bevorzugt an der Behälterwand abgelagert. Zur Verhinderung von Abtragsverlusten muß das Hüllrohr des Elektroheizeinsatzes dabei aus einem anodisch passivierbarem Material bestehen, wie z. B. Titan, Tantal oder Niob. Das Hüllrohr muß auf der Außenfläche zusätzlich zur Gewährleistung eines ausreichenden Stromüberganges mit einer dünnen Edelmetallschicht aus der Platinreihe überzogen sein (DE-A-31 05 922).
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wassererhitzer der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß ein wirksamer Schutz gegen Kalkablagerungen auf dem Elektroheizeinsatz mit möglichst wenig Aufwand an Edelmetall erreicht wird.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit Edelmetallbeschichtete und nicht mit Edelmetall beschichtete Flächen nach einem geometrischen Muster gleichmäßig auf dem Hüllrohr des Elektroheizeinsatzes verteilt angeordnet sind. Insbesondere ist vorgesehen, daß die mit Edelmetall beschichteten Flächen ein regelmäßig wiederkehrendes geometrisches Muster bilden.
  • Dadurch kann sich der nachstehend beschriebene elektro-chemische Effekt für den Kalkschutz der nicht mit dem Edelmetall beschichteten Flächen ausgenutzt werden. An der Anode d. h. am Elektroheizstab entsteht aus den hier abgeschiedenen Hydrogenkarbonat-Ionen Kohlensäure. Letztere löst eine an den platinfreien Stellen sich bildende Calzium- bzw. Magnesiumkarbonat-Schicht sofort wieder auf. Insbesondere bei einem Flächenverhältnis von Titanfläche zu Platinfläche von 1 : 1 bis 2: ist dieser Effekt voll wirksam, wobei der Abstand der platinierten Flächen ca. 1-2 cm betragen kann.
  • Bei dieser Gestaltung der Heizstab-Oberfläche wird durch Einsparung von z. B. Platinmetall oder einem anderen Edelmetall eine im Vergleich zum Stand der Tecknik erheblich kostengünstigere Herstellung der kalkgeschützten Elektroheizeinsätze erreicht.
  • Die edelmetallschichtfreien Bereiche können durch Aufwickeln von Abdeckbändern spiralförmig oder ringförmig beim Aufbringen der Platinschicht erhalten werden, ebenso durch Kunstharzauftrag oder Abdeckmasken.
  • Es kann sich ferner als zweckmäßig erweisen, daß der Elektroheizeinsatz innerhalb des Wasserbehälters von einer gesonderten Kathodenfläche ganz oder teilweise umgeben ist. Als Blechmantel z. B. kann die Fläche geschlossen oder segmentförmig ausgeführt sein. Sie kann aber auch aus einem Metalldrahtnetz, aus Metallstäben, oder aus einem gelochten Streckmetallgitter bestehen. Vorzugsweise kann die Kathodenfläche aus einem Bi-Metall bestehen.
  • Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der beigefügten Zeichnung zu entnehmen, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
  • Es zeigen :
    • Fig. 1 einen Wassererhitzer im Längsschnitt,
    • Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Wassererhitzers nach Fig. 1 entlang der Linie 11-11,
    • Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Elektroheizeinsatzes und
    • Fig. 4 einen Warmwasserspeicher mif' kathodischem Korrosionsschutz im Längsschnitt.
  • Innerhalb eines Wassererhitzers 1 ist ein Elektroheizeinsatz 2 angeordnet, der in der Behälterwandung bzw. in einem Deckel oder in einem Verschraubungskopf elektrisch isoliert gelagert ist (Bezugszeichen 3). Die elektrische Energie zur Beheizung, vorzugsweise Wechselstrom, wird den Anschlüssen 4 zugeführt.
  • Eine Kalkablagerung an dem Elektroheizeinsatz 2 wird nun wie folgt in bekannter Weise durch eine Gleichstromspannung verhindert. So ist eine Gleichstromquelle 5 am Ort 6 mit dem Pluspol an das Hüllrohr des Elektroheizeinsatzes 2 und am Ort 7 mit dem Minuspol an die Behälterwand angeschlossen. Durch diese anodische Schaltung des Heizstabes 2 wird die Ablagerung der Ionen der Härtebildner am Heizstab 2 und damit die Kalkschichtbildung verhindert.
  • In den Fig. 1 und 2 ist eine gegenüber der Behälterwand zusätzliche Kathodenfläche 8 dargestellt, an der gezielt Kalk abgelagert wird. Sie ist besonders bei Speichern mit Innenemaillierung oder Kunststoffbeschichtung erforderlich.
  • Die Kathodenfläche umhüllt je nach Behälterausführung den Elektroheizstab 2 ganz oder teilweise und ist über die Leitung 9 mit der Behälterwandung elektrisch leitend verbunden. An dieser zusätzlichen Kathodenfläche kann sich, unabhängig von der geometrischen Form und Oberflächenbeschichtung der Behälterwandung der Kalkbildner absetzen.
  • Die Kathodenfläche 8 besteht aus einem Metallteil. Als Material hierfür kann z. B. normales oder verzinktes Eisen verwendet werden. Die Ausführungsform wurde vorstehend bereits beschrieben. Diese zusätzlichen Kathodenflächen können ferner aus Bi-Metall-Blechstücken bestehen. Bei Bi-Metallblechen sind 2 Metallbleche von verschiedenem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zusammengewalzt. Durch den Biegungseffekt unter Temperaturwechsel platzen anhaftende Kalkschichten leicht ab.
  • Fig. zeigt ein vergrößertes Teilstück des beispielsweise haarnadelförmigen Elektroheizeinsatzes 2. Die doppelschraffierten Flächen 10, 11 und 12 stellen aus Edelmetall bestehende z. B. platinierte Flächenstücke dar. So ist z. B. eine spiralförmige 10 oder eine ringförmige Flächenanordnung möglich. Durch das Bezugszeichen 12 soll eine rasterförmige Ausführungsart angedeutet sein. Die zwischen den schraffierten Stellen liegenden Flächenteile des Heizstabes weisen keine Edelmetallschicht auf, bestehen also aus einen anodisch passivierbaren Material wie z. B. Titan.
  • In einem der Fig. 4 zu entnehmenden Warmwasserspeicher 13 ist zum Korrosionsschutz beispielsweise eine Fremdstromanode 14 mit ihrem für den Schutzstromaustritt platinierten Teil 15 angeordnet. Die Anode ist am Ort 16 elektrisch isoliert durch die 8ehälterwandung geführt. Die Versorgung mit Schutzstrom erfolgt durch eine Gleichstromquelle 17, die mit dem Pluspol an die Fremdstromanode (Bezugszeichen 18) und mit dem Minuspol an die Behälterwandung (Bezugszeichen 19) angeschlossen ist. Ein zur Regelung des Korrosionsschutzes im allgemeinen erforderlicher Potentiostat einschließlich einer Bezugselektrode ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
  • Bei dem Warmwasserspeicher 13 kann die Aufheizung des Wassers über Heizschlangen oder Doppelmantel (in der Zeichnung nicht dargestellt) erfolgen, wobei das Heizmedium beispielsweise aus Heizkesseln oder Wärmepumpen entnommen wird. Zusätzlich oder auch alternativ erfolgt die Aufheizung des Warmwassers durch einen Elektroheizkörper 20, dessen elektrisch isolierter Einbau in den Warmwasserspeicher 13 im Bereich des Bezugszeichens 21 erfolgt.
  • Die elektrische Energie zur Aufheizung des Warmwassers wird als Wechsel- oder Drehstrom dem Heizkörper 20 den Anschlüssen 22 zugeführt. Zur anodischen Passivierung des beispielsweise aus Titan bestehenden Rohrmantels des Elektroheizkörpers 20 wird der Rohrmantel parallel zur Fremdstromanode 14 mit dem Pluspol der Gleichstromquelle 17 verbunden (Anschluß 23).

Claims (6)

1. Wassererhitzer, insbesondere Warmwasserspeicher, Durchlauferhitzer, Kochendwassergerät, mit einem an Wechselstrom angeschlossenen Elektroheizeinsatz, der ein Hüllrohr aus einem anodisch passivierbaren Material mit einer Beschichtung aus einem Edelmetall aus der Platinreihe aufweist, wobei der Elektroheizeinsatz elektrisch isoliert in der Behälterwand eingebaut ist und wobei der Elektroheizeinsatz anodisch und die Behälterwandung kathodisch an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit Edelmetall beschichtete und nicht mit Edelmetall beschichtete Flächen nach einem geometrischen Muster (10, 11, 12) gleichmäßig auf dem Hüllrohr (2) des Elektroheizeinsatzes verteilt angeordnet sind.
2. Wassererhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Edelmetall beschichteten Flächen ein regelmäßig wiederkehrendes geometrisches Muster bilden.
3. Wassererhitzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der nicht mit Edelmetall beschichteten Flächen und der mit Edelmetall beschichteten Flächen 1 : bis 1 : 2 beträgt.
4. Wassererhitzer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Edelmetall beschichteten Flächen und die nicht mit Edelmetall beschichteten Flächen in Abständen von etwa 1 bis 2 cm voneinander angeordnet sind.
5. Wassererhitzer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektroheizeinsatz (2) innerhalb des Wasserbehälters (1) von einer gesonderten Kathodenfläche (8) ganz oder teilweise umgeben ist.
6. Wassererhitzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenfläche (8) aus einem Bimetall besteht. "
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DE19848407212 DE8407212U1 (de) 1984-03-09 1984-03-09 Wassererhitzer mit elektroheizeinsatz
DE8407212U 1984-03-09
DE8408655U 1984-03-21
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EP0156221A2 EP0156221A2 (de) 1985-10-02
EP0156221A3 EP0156221A3 (en) 1987-05-27
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