DE202006010956U1

DE202006010956U1 - Elektrischer Heizkörper zur Beheizung von Fluiden

Info

Publication number: DE202006010956U1
Application number: DE202006010956U
Authority: DE
Original assignee: Gc Heat Gebhard & Castiglia Gm; Gc-Heat Gebhard & Castiglia & Co KG GmbH
Current assignee: Gc Heat Gebhard & Castiglia Gm; Gc-Heat Gebhard & Castiglia & Co KG GmbH
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2016-07-15
Also published as: DE502007003274D1; EP1878981B1; EP1878981A1; ATE462938T1

Abstract

Elektrischer Heizkörper (1) zur Beheizung von Fluiden mit einem elektrischen Heizleiter (2) der in einen Isolator (3) auf Basis einer Keramik eingebettet ist und mit einem metallischen Mantelrohr (4), welches den Isolator (3) mit eingebettetem Heizleiter (2) umgibt und mit dem zu beheizenden Fluid außenseitig umströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (4) auf seiner außenseitigen Oberfläche (40) zumindest bereichsweise mit einer Profilierung in Form von Vorsprüngen (41) und Vertiefungen (42) auf der außenseitigen Oberfläche (40) des Mantelrohres (4) gebildet ist, wobei der Durchmesser des Mantelrohres (4) im Bereich der Vertiefungen (42) gegenüber dem ursprünglichen Durchmesser verringert ist mittels derer die laminare Unterschicht an der Oberfläche (40) des Mantelrohres (4) zumindest teilweise aufhebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Heizkörper zur Beheizung von Fluiden, beispielsweise einen Rohrheizkörper, der mit einem elektrischen Heizleiter ausgerüstet ist, welcher in einen Isolator auf Basis einer Keramik eingebettet ist und ein metallisches Mantelrohr aufweist, welches den Isolator mit eingebettetem Heizleiter umgibt und mit dem zu beheizenden Fluid außenseitig umströmbar ist.
Derartige elektrische Heizkörper sind z.B. aus der DE 201 19 349 U1 mit Glattrohren bekannt.
Aus verfahrenstechnischen wie auch aus wirtschaftlichen Gründen muss der Oberflächentemperatur solcher Heizkörper große Aufmerksamkeit gewidmet werden. Unmittelbare Einflussgrößen auf die Temperatur, die so genannte Filmtemperatur bei Wärmeträgerölanlagen, sind die thermische Oberflächenbelastung, die Strömungsgeschwindigkeit, die Vorlauftemperatur und Stoffdaten des Fluids.
Maßgeblich für den Wirkungsgrad der bekannten elektrischen Heizkörper ist der konvektive Wärmeübergang, der an der Oberfläche des mit dem Fluid umströmten Mantelrohres stattfindet. Zu diesem Zweck wird üblicherweise die für den Isolator verwendete Keramik im Mantelrohr verdichtet, was auch die Isolationswirkung steigert.
Aus der GB 1 095 018 A ist es bekannt, das Mantelrohr mit spiralförmigen Windungen zu umwickeln, um die Oberfläche desselben zu erhöhen. Eine wesentliche Verbesserung des Wärmeübergangs kann hierdurch jedoch nicht erzielt werden, überdies erfährt das Fluid bei Einsatz des elektrischen Heizkörpers in einem Rohrheizkörper einen erheblichen und aus vielfältigen Gründen unerwünschten Strömungswiderstand.
Bei Wärmetauscherrohren, die innenseitig von Fluiden durchströmt werden, ist es bekannt, dass eine Verbesserung des Wärmeübergangs durch oberflächlich eingebrachte Profilierungen erreichbar ist, wozu beispielhaft auf die AT 329 609 B sowie die DE 198 50 101 A1 verwiesen wird. Aufgrund des bei gattungsgemäßen Heizkörpern innerhalb des Mantelrohres befindlichen Isolators und der Heizleiter lassen sich jedoch die bekannten Profilierungen nicht erzeugen, da keine Bearbeitung der Innenwandung des Mantelrohres möglich ist und einer außenseitigen Verformung des Mantelrohres dessen Kern aus Isolator und Heizleitern entgegenwirkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Heizkörper zur Beheizung von Fluiden der eingangs genannten Art vorzuschlagen, der einen deutlich besseren Wärmeübergang ermöglicht und sich gleichzeitig in großer Stückzahl wirtschaftlich herstellen lässt.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß das Mantelrohr auf seiner außenseitigen Oberfläche zumindest bereichsweise mit einer Profilierung versehen, die in Form von Vorsprüngen und Vertiefungen auf der außenseitigen Oberfläche des Mantelrohres gebildet ist, wobei der Durchmesser des Mantelrohres im Bereich der Vertiefungen gegenüber dem ursprünglichen Durchmesser verringert ist mittels derer die laminare Unterschicht an der Oberfläche des Mantelrohres zumindest teilweise in ihrer Kontinuität unterbrochen wird bzw. aufhebbar ist.
Der erfindungsgemäße elektrische Heizkörper bedient sich somit zur Verbesserung des Wärmeübergangs den auf die außenseitige Oberfläche des Mantelrohres aufgebrachten Profilierungen, die Turbulenzen in dem das Mantelrohr umströmenden zu beheizenden Fluid erzeugen und einer laminaren Schichtbildung an der außenseitigen Oberfläche des Mantelrohres entgegenwirken.
Sofern zur Verbesserung des Wärmeübergangs und der Isolationswirkung die den Isolator bildende Keramik verdichtet ist, kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung durch Einbringen der Vertiefungen unter Durchmesserverringerung des Mantelrohres der Isolator auf Basis einer verdichteten Keramik nochmals weiter verdichtet werden, was den Wärmeübergang zwischen dem Isolator und dem metallischen Mantelrohr weiter verbessert.
Der erfindungsgemäße elektrische Heizkörper erreicht von daher eine Steigerung des konvektiven Wärmeübergangs im Vergleich zu den bekannten elektrischen Heizkörpern mit glatter außenseitiger Oberfläche des Mantelrohres, wobei die Verbesserung mit der Strömungsgrenzschicht eng verknüpft ist, die sich an der Oberfläche des von dem Fluid angeströmten oder umströmten Mantelrohres einstellt. Die Dicke dieser Grenzschicht hängt von den physikalischen Eigenschaften und der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ab.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Profilierung in Form von Vorsprüngen und Vertiefungen wird die Dicke dieser Grenzschicht verringert, indem die Vorsprünge die laminare Unterschicht an der wärmeübertragenden Oberfläche durchstoßen und den turbulenten Strömungsbereich erreichen. Die Vorsprünge und Vertiefungen wirken demgemäß wie Stolperelemente bezüglich der Grenzschichtströmung, wodurch der Wärmeübergang effektiv verbessert wird.
Gleichzeitig kommt es durch die starke Verdichtung im Bereich der Vertiefungen zu einer besonders intensiven Wärmeabgabe vom elektrischen Heizleiter über den Isolator auf das metallische Mantelrohr. Darüber hinaus wird durch die Profilierung auch die wärmeübertragende Oberfläche bei unveränderten makroskopischen Abmessungen des Heizelementes vergrößert.
Die Einbringung der Vertiefungen kann z.B. mittels Profilwalzmaschinen erfolgen, die hohen Verformungsdruck auf das Mantelrohr erzeugen.
Nach einem Vorschlag der Erfindung kann vorgesehen sein, die Vorsprünge und Vertiefungen etwa rechtwinklig zur Längsachse des Mantelrohres verlaufen zu lassen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind jedoch die Vorsprünge und Vertiefungen schraubenlinienförmig entlang der außenseitigen Oberfläche des Mantelrohres angeordnet und die Profilierung der Strömung eine Rotationsbewegung erteilt, wodurch neben der Funktion als Stolperelemente bezüglich der Grenzschichtströmung auch Sekundärströmungen entstehen und der Wärmeübergang weiter gesteigert wird. Die konkrete Ausgestaltung der vorgesehenen Profilierung wird in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und den Stoffwerten des Fluids gewählt.
Neben schraubenlinienförmig umlaufenden Vorsprüngen und Vertiefungen in einer Umlaufrichtung kann auch vorgesehen sein, gegenläufige, d.h. sich kreuzende Vorsprünge und Vertiefungen schraubenlinienförmig entlang der außenseitigen Oberfläche des Mantelrohres umlaufend auszubilden.
Für übliche elektrische Heizkörper hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Vertiefungen eine Tiefe von mindestens 0,5 mm und eine Breite von mindestens 0,1 mm aufweisen, während die Vorsprünge vorzugsweise eine Breite von mindestens 0,1 mm aufweisen. Diese Abmessungen sind jedoch an die jeweilige Grenzschichtdicke gekoppelt und können vom Fachmann bedarfs- und situationsabhängig ausgewählt werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die erfindungsgemäß vorgesehenen Profilierungen nur in einem Teilbereich des Mantelrohres ausgebildet werden, so dass das Mantelrohr insbesondere auch einen Montageabschnitt mit glatter Außenoberfläche aufweisen kann, um den erfindungsgemäßen elektrischen Heizkörper in diesem Bereich z.B. in Flanschplatten einzuschweißen.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 in schematisierter Darstellung einen elektrischen Heizkörper gemäß der Erfindung,
2 die Einzelheit X gemäß 1 in vergrößertem Maßstab,
3 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Heizkörpers.
In den 1 und 3 ist ein elektrischer Heizkörper 1 dargestellt, der einen elektrischen Heizleiter 2 mit elektrischen Anschlussmitteln 6 umfasst, wobei der Heizleiter 2 in einen Isolator 3 auf Basis einer verdichteten Keramik eingebettet ist und außenseitig von einem metallischen Mantelrohr 4 umgeben ist, welches mit einem zu beheizenden Fluid außenseitig umströmbar ist.
Der elektrische Heizkörper 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Rohrheizkörper ausgeführt, wobei ein rohrförmiges Gehäuse 5 vorgesehen ist, welches von dem zu beheizenden Fluid ausgehend von einer Zuleitung Z zu einem Ablauf A in einer Strömungsrichtung F durchströmbar ist und hierbei an der außenseitigen Oberfläche 40 des innerhalb des Gehäuses 5 aufgenommenen elektrischen Heizkörpers 1 vorbeiströmt.
Wie auch aus der vergrößerten Darstellung gemäß 2 ersichtlich, ist das Mantelrohr 4 im Bereich seiner vom Fluid umströmten außenseitigen Oberfläche 40 zumindest bereichsweise mit einer Profilierung versehen, die von regelmäßig aufeinander folgenden Vorsprüngen 41 und Vertiefungen 42 gebildet sind.
Hierbei werden die Vertiefungen 42 unter Verringerung des ursprünglichen Durchmessers des zylindrischen Mantelrohres 4 gebildet, so dass im Bereich der Vertiefungen 42 der sich innerhalb des Mantelrohres 4 befindende Isolator 3 auf Basis einer Keramik nochmals weiter verdichtet wird, was den Wärmeübergang erhöht.
Darüber hinaus wirken die Vertiefungen 42 und die zwischen benachbarten Vertiefungen 42 verbleibenden Vorsprünge 41 als Stolperelemente für eine sich entlang der aussenseitigen Oberfläche 40 des Mantelrohres 4 einstellende laminare Grenzschicht der Strömung des Fluids, so dass turbulente Grenzschichtströmungen gem. Pfeilen P1, P2 erzeugt werden, was wiederum den Wärmeübergang vom Mantelrohr 4 zum Fluid bedeutend verbessert.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Profilierungen in Gestalt von Vorsprüngen 41 und Vertiefungen 42 schraubenlinienförmig nach Art eines Gewindes um die Längsachse L des Mantelrohres 4 umlaufen, so dass sie dem vorbeiströmenden Fluid auch eine Rotationsbewegung erteilen, wodurch auch Sekundärströmungen entstehen, die den Wärmeübergang weiter verbessern.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 1 kann der Durchmesser D des Mantelrohres 4 im Bereich der Vertiefungen 42 etwa 16 mm betragen, wobei es sich als vorteilhaft herausgestellt hat, wenn in einem solchen Falle die Vertiefungen 42 eine Tiefe e von mindestens 0,5 mm und eine Breite p von mindestens 0,1 mm aufweisen, während die Vorsprünge 41 eine Breite a von mindestens 0,1 mm aufweisen, um die sich bildende laminare Grenzschichtströmung sicher zu durchstoßen.
Zwar erfährt das durch das Gehäuse 5 strömende Fluid infolge der Oberflächenprofilierung des Mantelrohres 4 einen höheren Druckverlust, jedoch kann durch den erzielten besseren Wärmeübergang die Oberflächenbelastung erhöht und die Heizstablänge verkürzt werden, was dem höheren Druckverlust entgegenwirkt.
Die Profilierungen können vorzugsweise nur über einen gewissen Längenabschnitt des Heizkörpers 1 in das metallische Mantelrohr 4 eingebracht werden, während z.B. ein Bereich 42 unprofiliert, d.h. mit glatter außenseitiger Oberfläche 40 verbleibt. In diesen glatten Bereich 42 kann der Heizkörper 1 problemlos in an sich bekannter Weise in einer Flanschhalterung 7 befestigt, z.B. eingeschweißt werden.
Es versteht sich, dass die vorangehend beschriebene Erfindung nicht auf die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform beschränkt ist, sondern beispielsweise die Vorsprünge und Vertiefungen 41, 42 auf der außenseitigen Oberfläche 40 des Mantelrohres 4 auch rechtwinklig zur Längsachse L des Mantelrohres 4 verlaufend angeordnet sein könnten oder auch sich kreuzende Gänge von Vorsprüngen 41 und Vertiefungen 42 vorgesehen sein können.
Auch ist es möglich, mehrere elektrische Heizkörper 1 in einem Bündel zusammenzufassen und innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 5 anzuordnen.

Claims

Elektrischer Heizkörper (1) zur Beheizung von Fluiden mit einem elektrischen Heizleiter (2) der in einen Isolator (3) auf Basis einer Keramik eingebettet ist und mit einem metallischen Mantelrohr (4), welches den Isolator (3) mit eingebettetem Heizleiter (2) umgibt und mit dem zu beheizenden Fluid außenseitig umströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (4) auf seiner außenseitigen Oberfläche (40) zumindest bereichsweise mit einer Profilierung in Form von Vorsprüngen (41) und Vertiefungen (42) auf der außenseitigen Oberfläche (40) des Mantelrohres (4) gebildet ist, wobei der Durchmesser des Mantelrohres (4) im Bereich der Vertiefungen (42) gegenüber dem ursprünglichen Durchmesser verringert ist mittels derer die laminare Unterschicht an der Oberfläche (40) des Mantelrohres (4) zumindest teilweise aufhebbar ist.
Elektrischer Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (3) verdichtet ist.
Elektrischer Heizkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (3) im Bereich der Vertiefungen (42) stärker verdichtet ist.
Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (41) und Vertiefungen (42) rechtwinklig zur Längsachse (L) des Mantelrohres (4) verlaufen.
Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (41) und Vertiefungen (42) schraubenlinienförmig entlang der außenseitigen Oberfläche (40) des Mantelrohres (4) verlaufen.
Elektrischer Heizkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich kreuzende Vorsprünge (41) und Vertiefungen (42) vorgesehen sind.
Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (42) eine Tiefe (e) von mindestens 0,5 mm und eine Breite (p) von mindestens 0,1 mm aufweisen.
Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (41) eine Breite (a) von mindestens 0,1 mm aufweisen.
Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (4) einen Montageabschnitt mit glatter außenseitiger Oberfläche (40) aufweist.
Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er als Rohrheizkörper mit einem das Mantelrohr (4) aufnehmenden und vom zu beheizenden Fluid durchströmbaren Gehäuse (5) ausgebildet ist.