FI90724B - Sähkökiuas - Google Patents

Description

90724

SÄHKÖKIUAS

Keksinnön kohteena on sähkökiuas, joka käsittää lämpöeristetyn ulkovaipan, joka ympäröi lämpöä varaavaa massaa sisältävää 5 kivitilaa ja yhden tai useampia sähkövastuksia sovitettuina kivitilaan lämpöä varaavan massan kuumentamiseksi ja johon sähkökiukaaseen kuuluu välineet ilmavirtausyhteyden aikaansaamiseksi kivitilan ja kiukaan sijoitustilan välille lämmön siirtämiseksi kivitilasta kiukaan sijoitustilaan tai vaihtoehtoisesti 10 eristämään nämä toisistaan varaavan massan kuumentamiseksi.

Usein sähkökiukailla on huonot löylyominaisuudet. Sauna joudutaan lämmittämään liian kuumaksi, koska alemmassa lämpötilassa ei löylynantokyky riitä. Toisaalta taas lämpenemisaika saattaa 15 olla liian pitkä.

Suomalaisessa patenttihakemuksessa 875786 on esitetty eräs varaavalla massalla ja lämpöeristetyllä ulkovaipalla varustettu sähkökiuas, joka on ns. "hetivalmis"-kiuas. Tällaisessa kiukaas-20 sa pienitehoinen vastus pystyy kuumentamaan kivitilan niin kuumaksi, että avattaessa kiukaaseen kuuluva kansi, jolloin syntyy ilmavirtausyhteys kivitilan ja saunatilan välillä, saunatila saadaan lämmitettyä nopeasti saunoroislämpötilaan ja saunominen voi alkaa lähes välittömästi.

25

Huolimatta 100 kg kivimassastaan tällainen kiuas on varustettu suuritehoisilla vastuksilla, koska saunomisen yhteydessä mainittu pienitehoinen vastus ei riitä pitämään kivien lämpötilaa riittävän korkeana eikä kivimassaa voida enää suurentaa.

30 Kiuas on jo nyt varsin suurikokoinen. Kivitilan lämmittämiseen tarkoitettu vastus ns. "rouhimisvastus" voi olla ainoastaan esim. 300 W, kun kiukaan normaalit termostaattiohjatut vastukset ovat yhteensä 6 kW.

35 Nämä-kiukaan normaali vastukset vaativat kolmivaiheisen sähkön-syötön vähintään 10 ampeerin sulakkeilla ja usein 16 ampeerin sulakkeilla. Mikäli kiukaasta haluttaisiin tehdä perinteinen, puulämmitteistä, varaavaa kiuasta vastaava kiuas, kivitilaa jouduttaisiin kasvattamaan huomattavasti nykyisestään. On 40 selvää, että 200 - 500 kg:n kivimäärä pystyisi varaamaan 2 normaalissa saunomisessa tarvittavan energian, mutta tällainen kivimäärä ei ole enää käytännöllinen nykyisissä sähkökiukaissa.

Kaikki tunnetut sähkökiuastyypit vaativat edellä mainitun useam-5 man kilowatin tehon. Koko talon sähkönsyöttö täytyy suunnitella sähkökiukaan suuren hetkellisen tehontarpeen mukaan. Pääsulak-keet, talojen syöttöjohdot ja muuntajat joudutaan mitoittamaan tämän lyhytaikaisen huippukuorman kestäviksi. Usein sähkökeskuk-siin joudutaan asentamaan sähkölämmityksen vuorottelujärjestel-10 mä, joka katkaisee jotain muuta kuormaa pois päältä, kun kiuas kytketään päälle.

Sähkökiukaalla kylpeminen ajoittuu useimmilla käyttäjillä samaan vuorokauden aikaan. Suomessa on yli 500.000 sähkösaunaa. Joka 15 ilta on yhtä aikaa päällä noin 100.000 saunaa. Energian tarve yhdelle saunomiselle on noin 8 kWh. Kahden tunnin ajalla valtakunnanverkosta otetaan siten noin 800.000 kWh. Sähkökiukaiden kuormituksesta johtuva tehontarve nostaa voimakkaasti ilta-ajan tehontuotantoa epäedullisen suureksi.

20

Edellä olevista tunnettujen sähkökiukaiden puutteista voidaan johtaa uuden hyvän kiukaan ominaisuudet, joita ovat: - heti kylpykunnossa 25 - pieni tehontarve hyvät löylyominaisuudet alhaisissa lämpötiloissa yksinkertainen kytkentä sähköverkkoon - tehonoton tapahduttava pääosin yöllä

- kohtuullisen kokoinen SO

Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada uudenlainen varaava sähkökiuas, jossa edellä mainitut tavoitteet saavutetaan. Keksinnön mukaisen sähkökiukaan tunnusmerkilliset piirteet on esitetty patenttivaatimuksessa 1. Tyypillisesti faasinsa muutta-35 va massa on jotain sulavaa massaa, edullisesti alumiinia, joka varastoi sulamislämpöönsä saunomisessa tarvittavaa lämpöenergiaa. Kyseeseen saattaa tulla myös erilaisiin kiderakenteiden muutoksiin tai palautuvaan kemialliseen reaktioon liittyvä faasimuutoslämpöenergia. Keksinnön avulla pienikokoiseen kiukaa- 90724 3 seen voidaan mahduttaa aikaisempiin varaaviin kiukaisiin verrattuna valtava lämpöenergiavarasto. Varaavan massan lämpösisältö saadaan käytännöllisillä mitoilla niin suureksi, että suuritehoisesta vastuksesta voidaan luopua kokonaan ja jättää ainoas-5 taan pieni jatkuvasti päällä oleva vastus. Tunnetusta tekniikasta poiketen tällaiselle kiukaalle riittää yksivaiheisena liitetty pienitehoinen vastus. Edullisesti sulavana massana käytetty alumiini sijoitetaan teräsastiaan, jonka sisäpinta vuorataan liukenemisen estävällä materiaalilla. Tällaisia ovat korkeaa 10 lämpötilaa kestävä kuitusukka, lasiputkilo tai keraaminen vuoraus. Käytännössä saunomisen tapahduttua ilta-aikaan varaavan massan lataaminen tapahtuu suurilta osin yöaikaan.

Muut keksinnön edut ja sovellutusmuodot käyvät ilmi jäljempänä.

15

Seuraavassa keksintöä kuvataan viittaamalla oheisiin kuviin, jotka esittävät keksinnön eräitä sovellutusmuotoja.

Kuva 1 esittää sulavaan massaan lämpöä varastoivaa sähkö-20 kiuasta.

Kuva 2 on poikkileikkaus kuvan 1 kohdasta II-II.

Kuva 3 esittää erästä toista sulavan massan sijoitusjärjes-telyä kiukaassa.

25 Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukaisen kiukaan poikkileikkaus kansi avattuna. Se käsittää ulkovaipan 1, joka on oleellisesti kauttaaltaan lämpöeristetty. Tähän ulkovaippaan kuuluu osana avattava kansi 2. Lämpöeristetty ulkovaippa 1 ympäröi oleellisen tiiviisti kivitilaa 3 myös sivuilta ja osittain pohjasta. Kivi-30 tilan 3 keskelle pystyasentoon on sijoitettu lieriömäinen astia 5, jonka sisälle kuuluu sisempi lieriömäinen kanava 10 sähkövas-tuksineen 4. Astia 5 muodostuu lieriöiden välisestä tilasta, joka on täytetty alumiinilla 6. Astian 5 ympärillä oleva kivi-tila 3 on täytetty tavallisella varaavalla massalla, kuten 35 esimerkiksi kiuaskivillä 8. Tässä voidaan käyttää myös synteettisiä, esimerkiksi keraamisia kiuaskiviä.

Ilmakanavan 10 alapäähän kuuluu venttiili 9, jolla voidaan säätää ilman läpivirtausta ja joka voidaan yhdistää termostaat- 4 tivälineisiin. Ilmavirtauskanavan yläpuolelle välin päähän sen yläpäästä kuuluu suojalevy 13, joka estää heitetyn löylyveden joutumasta tähän kanavaan. Kiukaan alaosaan kuuluu kytkinkotelo, sähköliitäntöjä ja termostaattikytkimiä varten.

5

Kuvan 2 poikkileikkauksessa nähdään sisäkkäisistä lieriöistä muodostuva kiukaan rakenne, jossa sisimpänä ilroavirtauskanava 10 ja sen sisältämä vastus 4.

10 Edellä mainittu alumiini tai sen seos on varsin ihanteellinen aine lämmön varastointiin. Alumiinin sulamislämpö on suuri (Qs * 400 kJ/kg). Lisäksi alumiinin ominaislämpökapasiteetti on varsin korkea (Cp = 900 J/kgC). Myös alumiinin sulamispiste on erittäin edullinen. Seoksesta riippuen 550 - 660* C. Alumiinin 15 ominaispaino on 2,7 kg/1. Nämä hyvät ominaisuudet hyödynnetään edellä kuvatunkaltaisessa kiukaassa. Alumiini sulatetaan pienitehoisella vastuksella ja pidetään sulana vakiolämpötilassa. Saunaa lämmitettäessä ja kylvettäessä sula alumiini luovuttaa energiaa jähmettyessään ja edelleen jäähtyessään.

20

Alumiinisäiliön sisältämästä lämpöenergiasta osa käytetään saunan peruslämpötilan nostamiseksi halutulle tasolle. Säiliöön jäljelle jäänyt energiamäärä käytetään kiuaskivien lämpötilan ylläpitämiseksi, jotta voidaan heittää haluttu määrä löylyä. 25 Tämän tehokkaan lämmön varastointitavan johdosta on mahdollista rakentaa pienikokoinen ja yhtä saunomiskertaa ajatellen riittävän suuren lämpöenergiamäärän varastoiva kiuas (10 kWh »36 MJ) . Kiukaan varaavien massojen yhteinen tilavuus voi olla 30 esimerkiksi: alumiinilla täytetty säiliö 10 1 = 27 kg alumiinia kivitila 23 1 * 30 kg kiuaskiviä.

Yhteinen tilavuus on siten 33 1, kun se edellä mainitussa tunnetussa "hetivalmis"-kiukaassa on noin 70 1.

35

Kuvassa 3 on esitetty eräs muunnos kuvien 1 ja 2 sovellutus-muotoon nähden. Näiden tapaan vastaavat osat on merkitty samoilla viitenumeroilla, kuten ulkovaippa 1, kivitila 3, sähkövastus 4 ja alumiiniroassa 6. Ilmakanavaa 14 merkitään tässä 90724 5 viitenumerolla 14. Tässä käytetään useita kehälle asetettuja astioita 12, jo tka muodostavat sisällensä sanotun ilmavirtaus-kanavan 10. Vastus 4 on tässäkin asetettu tähän kanavaan. Astiat 12 muodostetaan täysin tiiviiksi ja niihin jätetään pieni 5 paisuntatila, vaikka kokeiden mukaan mahdolliset lämpölaajenemi-serot eivät aiheuta ongelmia. Sen sijaan on tärkeätä vuorata teräsastian sisäpinta sopivalla tavalla, jotta sula alumiini ei pääse liuottamaan teräksistä astiaa.

10 Esimerkkikiukaan kokonaisvarauskapasiteetti saadaan seuraavasti. Lämpöeristetyn ulkovaipan sisälle on edellä olevan mukaisesti asetettu 10 l:n eli 27 kg:n alumiinisäiliö 30 kg:n kivimassan sekaan. Tällöin alumiinin sulamislämpöenergia on 3 kWh ja tämän jäähtymislämpöenergia 700*:sta 200*:een on noin 3,4 kWh. Kivi-15 massan jäähtyminen 600*:sta 200*:een (keskimäärin) antaa lämpö-energiaa noin 2,7 kWh ja rakenteet 1 kWh, jolloin kiukaan koko varauslämpö on yhteensä noin 10 kWh. Tämän lisäksi kiuas on varustettu edullisesti 1000 W:n vastuksella, joka lämpöteho saadaan myös saunomisen ajan. Käytettävissä on siten kahden 20 tunnin aikana noin 12 kWh lämpöenergiaa, mikä riittää reilusti tavallisen perheen saunomiseen. Tarvittaessa vastus varustetaan ylikuumenemissuojalla. Tällaisena toimii myös termostaattiväli-neet, joilla astia 5 tai kivitila 3 pyritään pitämään vakioläm-pötilassa.

25

Tavallisessa 7 m3:n saunassa käytetään normaalisti 6 kW:n kiuasta. Tällaisessa tilassa keksinnön mukainen varaava kiuas pystyy pitämään normaaleja saunomisolosuhteita edellä olevan mukaisesti kahden tunnin ajan, vaikka kiuasta kuormitetaan 30 jatkuvalla löylyn heitolla. Tavallisesti kiuasta ei kuitenkaan kuormiteta näin paljon, jolloin kiuas pystyy antamaan normaalit saunomisolosuhteet useiden tuntien ajan.

Saunomisen jälkeen 1000 w vastus kiukaan yhteydessä alkaa 3.5 lämmittää uudelleen varaavaa massaa ja sulattaa jähmettyneen alumiinimassan. Tällaisen kiukaan varautuminen täyteen kestää täysin tyhjästä tilasta 11 - 12 tuntia. Vastuksen tehoa voidaan edelleen pienentää. 500 W lämmitysteho sallisi edelleen päivittäisen saunomisen.

6

Julkaisussa Journal of Engineering for Industry, 8/1975 ss. 893-896, "Thermal Energy Storage and Control";Schröder esitellään erilaisia suoloja ja niiden seoksia. Esimerkiksi LiF/MgF2-seokset tarjoavat eräitä vaihtoehtoja alumiinille. Näillä on 5 mahdollista saavuttaa parempi lämmön varastointikapasiteetti kuin alumiinilla.

Claims (10)

90724 7

1. Sähkökiuas, joka käsittää lämpöeristetyn ulkovaipan (1), joka ympäröi lämpöä varaavaa massaa sisältävää kivitilaa 5 (3) ja yhden tai useampia sähkövastuksia sovitettuina kivitilaan lämpöä varaavan massan (6,8) kuumentamiseksi ja johon sähkö-kiukaaseen kuuluu (2,9) välineet ilmavirtausyhteyden aikaansaamiseksi kivitilan ja kiukaan sijoitustilan välille lämmön siirtämiseksi kivitilasta (3) kiukaan sijoitustilaan tai 10 vaihtoehtoisesti eristämään nämä toisistaan varaavan massan (6,8) kuumentamiseksi, tunnettu siitä, että osa varaavasta massasta (6) on sanotun kuumennuksen vaikutuksesta faasinsa muuttavaa massaa sitoen ja luovuttaen saunomiseen käytettävää energiaa faasimuutoslämpöä hyväksikäyttäen. 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sähkökiuas, tunnettu siitä, että faasinsa muuttava massa (6) on sijoitettu yhteen tai useampaan astiaan (5,12).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen sähkökiuas, tunnettu siitä, että ainakin yksi astia (12) muodostuu kahden sisäkkäisen putken välisestä tilasta ja sähkövastus (4) on sijoitettu sisemmän putken sisälle.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen sähkökiuas, tunnettu siitä, että kiukaaseen kuuluu useita lieriömäisiä astioita (12), jotka on asetettu kehälle ja näiden keskelle on sijoitettu sähkövastus (4).

5. Patenttivaatimuksen 1-4 mukainen sähkökiuas, tunnettu siitä, että vastustila on muodostettu osaksi ilmavirtauskanavaa (10) ja se on asetettu pystysuuntaan.

6. Patenttivaatimuksen 2-4 mukainen sähkökiuas, tunnettu 35 siitä, että astia (5,12) on täysin suljettu ja siihen on jätetty pieni paisuntatila. 8

7. Patenttivaatimuksen 2-4 mukainen sähkökiuas, tunnettu siitä, että astiaan (5,12) kuuluu sisävuoraus (11) astian materiaalin liukenemisen estämiseksi sulavaan massaan.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen sähkökiuas, tunnettu siitä, että astian sisävuoraus (11) käsittää jonkin seuraavista: kuitusukka, lasiputkilo, keraaminen vuoraus.

9. Patenttivaatimuksen 1-8 mukainen sähkökiuas, tunnettu 10 siitä, että varaavaan massaan (6) kuuluu yksi tai useampi seuraavista materiaaleista: puhdas alumiini, alumiiniseos, suolaseos.

10. Patenttivaatimuksen 1-9 mukainen sähkökiuas, 15 tunnettu siitä, että lämpöeristettyyn ulkovaippaan (1) kuuluu avattava kansi (2) , joka aukaistuna luo sanotun ilmavirtausyh-teyden kivitilasta (3) sijoitustilaan. Il 90724 9