DE3331268A1

DE3331268A1 - Rohrheizkoerper

Info

Publication number: DE3331268A1
Application number: DE3331268A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Osaka Kitagawa; Koichiro Ibaraki Osaka Oki; Toshio Moriguchi Osaka Sarada
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1983-08-10
Filing date: 1983-08-30
Publication date: 1985-03-14
Also published as: CA1217477A; SE457378B; DE3331268C2; GB2144844A; US4567351A; SE8304378D0; GB8321522D0; GB2144844B; SE8304378L

Description

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Rohrheizkörper

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Rohrheizkörper für Heizungszwecke, insbesondere auf einen Rohrheizkörper, der als mit natürlicher Konvektion arbeitendes Heizgerät (Konvektor) ausgebildet ist. .

Mit natürlicher Konvektion arbeitende Heizkörper sind bereits bekannt; sie haben etwa die in Fig. 1 gezeichnete Form und enthalten eine langgestreckte, stabförmige elektrische Wärmequelle 6, beispielsweise einen gekapselten Heizer mit einer Heizwendel und einer isolierenden Ummantelung, und sind im übrigen mit in Abstand voneinander stehenden Rippen 7 versehen, die an der Außenseite der Ummantelung befestigt sind. Um den Wirkungsgrad des Wärmeübergangs zu verbessern, sollte unbedingt ein unmittelbarer Kontakt zwischen der Außenseite der Wärmequelle 6 und den Rippen 7 bestehen, jedoch muß die Wärmequelle 6 durch eine öffnung in jeder Rippe 7 leicht hindurchführbar sein; der Durchmesser der öffnung muß dazu geringfügig größer sein als der Außendurchmesser der Wärmequelle, so daß nur ein unvollkommener Kontakt zwischen der Wärmequelle - 6 und den Rippen 7 entsteht oder sogar ein spaltartiger Zwischenraum verbleibt. Wenn man den Zwischenraum nach dem Einführen der Wärmequelle 6 ausfüllen will, könnte man daran denken, den Durchmesser der Wärmequelle 6 zu vergrößern, um engen Kontakt zu erhalten, es ist aber nicht möglich, für diesen Anwendungsfall eine Wärmequelle zu entwickeln, die eine derartige Selbstverformung zuläßt.

Die obengenannten Heizelemente sind daher ohne einen Zwischenraum zwischen Wärmequelle und Rippen nicht herzustellen, und deshalb besteht nur ein schlechter Wärmeübergang zwischen

der Wärmequelle und der Umgebungsluft. Außerdem stellt sich bei fast allen üblichen Wärmequellen ein erheblicher Temperaturgradient in Längsrichtung der Wärmequelle ein, so daß es leicht passieren kann, daß die Rippen in Abhängigkeit von ihrer Lage in Längsrichtung der Wärmequelle unterschiedlich stark erwärmt werden, und daher nimmt die Gesamtleistung des Heizkörpers ab, während doch ein Arbeiten mit bestem Wirkungsgrad anzustreben ist. Ein weiterer durch den Aufbau des angegebenen Heizelements begründeter Nachteil ist, daß die Rippen zeitweise in solchem Maße überhitzt sein können, daß ein Heizen mit mäßig hoher Heizkörpertemperatur nicht möglich ist.

Heizelemente der angegebenen Art werden im allgemeinen in ein Gehäuse 1 eingesetzt; Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Heizkörper in einem derartigen Gehäuse 1. Heute wird, je nach dem Raum, in dem die Heizelemente verwendet werden, vielfach eine Verbesserung der Warmeübertragungseigenschaften gefordert. Um die abgegebene Wärmemenge zu erhöhen, kann in erster Linie die Zahl der Rippen vergrößert werden, aber eine bloße Erhöhung der Rippenzahl an einer Wärmequelle unveränderlicher. Länge hat sich als weniger wirksam erwiesen, weil zu dicht nebeneinander stehende Rippen offensichtlich die durch die Rippen aufwärts gerichtete Luftströmung behindert, sodaß letztlich ein geringerer Wärmeübergang von den Rippen art die Luft erfolgt. Man muß daher die Wärmequelle verlängern, damit die Zahl der darauf anbringbaren Rippen erhöht, aber gleichzeitig der- gegenseitige Abstand auf einem optimalen Wert gehalten werden kann, oder man muß ein weiteres Heizelement mit gleicher Wärmequelle hinzufügen und damit die Zahl der Heizelemente erhöhen. Die erstgenannte Maßnahme hat aber den Nachteil, daß das durch ein neues Heizelement mit größerer Wärmeübertragung ersetzte alte Heizelement weggeworden werden muß, und. bei dem zweiten Verfahren macht das Ansetzen eines weiteren Heizers eine größere Zahl von verhältnismäßig teuren Wärmequellen erforderlich, so daß die Heizanlage mit höherer Wärmeübertragung

höhere Kosten verursacht.

Mit der Erfindung werden die erwähnten Nachteile beseitigt; danach ist ein einheitlicher Aufbau mit einem seiner Wirkung nach an sich bekannten sogenannten Wärmeübertragungsrohr vorgesehen, um eine bessere Wärmeübertragung von einer Wärmequelle auf die umgebende Luft zu erzielen. Der erfindungsgemäße Rohrheizkörper besteht aus einem Hauptrohr und einem Nebenrohr, die durch eine Verbindungsrohranordnung miteinander verbunden sind, so daß ein abgeschlossener Raum definiert ist, in welchem ein -Wärmeübertragungs- oder Arbeitsfluid einen Kreislauf von Verdampfung und Kondensation durchläuft. Haupt- und Nebenrohr sind parallel zueinander angeordnet und liegen praktisch waagerecht, wobei die Verbindungsrohranordnung von dem Hauptrohr nach oben zu dem Nebenrohr verläuft. Durch das Hauptrohr zieht eine langgestreckte Wärmequelle, die in Wärmekontakt mit dem Arbeitsfluid steht, das in flüssiger Form eingefüllt ist; die Wärmequelle dient zum Verdampfen des Arbeitsfluids. Das verdampfte Fluid breitet sich in alle Teile des abgeschlossenen Raums aus und kondensiert dann an der Innenseite der verschiedenen Rohre, wobei die gebundene Verdampfungswärme an die Umgebungsluft abgegeben wird. Das kondensierte Fluid fließt dann wegen seines Eigengewichts durch die Verbindungsrohranordnung zum Hauptrohr zurück, so daß>sich in dem abgeschlossenen Raum ein ständiger Kreislauf ausbildet. Haupt- und Nebenrohr sind jeweils mit einer Gruppe von vertikal stehenden Abstrahlungsrippen versehen, die mit Abstand voneinander über die Rohrlänge verteilt sind, damit die wärmeabgebende Oberfläche vergrößert und eine wirkungsvolle Wärmeabführung herbeigeführt wird. Bei einem derartigen Aufbau, bei dem also die Wärmequelle Abstand von den Rippen hat, kann jedes Rohr nach dem Ansetzen der Rippen, aber vor der Einführung der Wärmequelle und des Arbeitsfluids, in beliebiger Weise weiterbearbeitet werden, z.B. kann jedes Rohr einer Behandlung zur Vergrößerung des Rohrdurchmessers unterworfen werden, so daß das Rohr genau an den Durch-

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messer der in die Rippen geschnittenen Öffnung angepaßt ist;

beispielsweise kann man eine Kugel mit etwas größerem Durchmesser durch jedes einzelne Rohr treiben, wodurch eine Rohrkonstruktion entsteht, bei der kein Spaltraum zwischen dem Rohr und den Rippen mehr verbleibt. Damit wird ein maximaler Wärmeübergang durch Wärmeleitung von dem Rohr in die Rippen erzielt, die die Wärme an die Umgebungsluft weiterleiten.

Der Erfindung liegt in erster Linie die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Rohrheizkörper zu entwickeln, der die Wärme mit gutem Wirkungsgrad von der Wärmequelle in die Umgebungsluft übertragen kann, ohne daß ein Verlust auf dem Wege von der Wärmequelle zu den Rippen entsteht, und der zur Anwendung in Heizungskonvektoren besonders geeignet ist.

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Die in der Zeiteinheit übertragene Wärmemenge, d.h. der Warmeübertragungskoeffiziient, hängt allgemein von der Temperaturdifferenz zwischen den Grenzen eines Heizsystems ab, so daß es eine optimal erhöhte Temperatur an der Wärmequelle in Bezug auf die eine deutlich niedrigere, gleichbleibende Temperatur aufweisende einströmende. Luft gibt, wenn in der Zeiteinheit eine möglichst blohe Wärmeabgabe erzielt werden soll. Infolgedessen müssen alle Rippen praktisch die gleiche erhöhte Temperatur haben, wenn ein maximaler Wirkungsgrad der Wärmeübertragung erzielt werden soll. Mit anderen Worten: Jede vom Anbringungsort der Rippen abhängige Änderung der Temperatur setzt mit Sicherheit den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung des Gesamtrohrs herab. Dazu gibt die Erfindung die Lehre, das Arbeitsfluid zum Erwärmen aller über die Gesamtlänge des Rohres verteilt angeordneten Rippen auf die gleiche Temperatur auszunützen.

Mit der Erfindung soll demnach weiterhin ein Rohrheizkörper angegeben werden, der in der Lage ist, den dem größten Teil der Wärmequelle zugeordneten Temperaturgradienten zu mitteln, um auf diese Weise die von der Wärmequelle herrührende Wärme

wirkungsvoll abzugeben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben die Rippen auf dem obenliegenden Nebenrohr einen größeren gegenseitigen Abstand in Längsrichtung, d.h. zwischen ihnen ist ein größerer Zwischenraum als zwischen den Rippen auf dem untenliegenden Hauptrohr, wodurch die gesamte von allen Rohren an die Luft abgegebene Wärmemenge/ durch die die Luft sich erwärmen soll, erhöht wird. Es hat sich gezeigt, daß der obengenannte Wärmeübergangskoeffizient mit der Verkleinerung des Temperaturunterschieds zwischen den Rippen und der umgebenden Luft abnimmt, weshalb es sehr zweckmäßig ist, wenn bei Heizeinrichtungen mit einer Gruppe von Rippen, insbesondere bei einem Heizer vom Konvektortyp, die Luft schnell an den Rippen entlangstreicht, damit diese ständig der heranströmenden Luft mit niedrigerer Temperatur ausgesetzt sind und die Luft nicht stillsteht und längere Zeit in Kontakt mit den Rippen bleibt, die nur zögernd weitere Wärme an von ihnen bereits erwärmte und auf erhöhter Temperatur befindliche Luft abgeben. Das ist zu beachten, wenn mindestens zwei berippte Rohre in einem Heizkonvektor vertikal übereinander angeordnet sind, weil das obere berippte Rohr unter bestimmten Umständen zu einer Behinderung der aufwärts gerichteten Strömung der an den Rippen des unteren Rohres vorbeistreichenden Luft führen kann, so daß die von dem unteren Rohr abgegebene Wärme so sehr vermindert werden kann, daß die von dem oberen Rohr abgegebene Wärmemenge die Verringerung an dem unteren Rohr nicht auszugleichen vermag. Die obenerwähnte bevorzugte Ausführungsform stellt eine Lösung für das beschriebene Problem dar; dazu werden die Rippen an dem oberen Rohr in größerem gegenseitigen Abstand angeordnet als an dem unteren Rohr, so daß die von dem unteren Rohr abgegebene Wärmemenge nicht wesentlich verringert wird, während sich gleichzeitig die Wärmemenge von dem oberen Rohr addiert, was zu einer Erhöhung der von der gesamten Rohranordnung abgegebenen Wärmemenge führt.

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Mit der Erfindung soll also außerdem ein Rohrheizkörper angegeben werden, der mitdem ihm möglichen maximalen Wirkungsgrad argeitet und aus dem Gesamtgerät eine maximal große Wärmemenge abgibt, wobei die Rohre mit den zugeordneten Rippen übereinander angeordnet sind.

In Verbindung mit den genannten vorteilhaften Merkmalen stellt es sich als besonders vorteilhaft heraus, daß das Zuschalten eines Nebenrohres ohne eigene Wärmequelle zu einer erhöhten Wärmeübertragungsleistung der Gesamtanordnung führt, ohne daß eine verhältnismäßig teuere zusätzliche Wärmequelle verwendet, wird; es läßt sich also eine zusätzliche Wärmeübertragungsleistung mit geringem Kostenaufwand erzielen, was im Gegensatz zu den obengenannten bekannten Heizgeräten steht, bei denen eine weitere Wärmequelle mit gleichartigen Rippen zusätzlich verwendet werden sollte, wenn die Wärmeübertragungsleistung erhöht werden sollte.

Die Erfindung löst demnach auch die Aufgabe, einen preiswerten Rohrheizkörper mit erhöhter Wärmeübertragungsleistung zu entwickeln.

Im Rahmen der Erfindung können vorteilhafterweise zwei Arten Thermostate eingesetzt werden, um eine ungewöhnliche oder übermäßige Wärmeentwicklung an dem Gerät zu vermeiden, indem die Wärmequelle abgeschaltet wird, wenn das Gerät eine derart überhöhte Temperatur erreicht; bei einem dieser Thermostaten erfolgt die Rückstellung automatisch, wenn die Temperatur gegenüber der Arbeitstemperatur wieder abgesunken ist, der andere Thermostat gehört zum Typ der Thermostaten, die nur durch einen handbetätigten Schalter zurückgestellt werden können. Der erstgenannte Thermostat wird zum Abtasten der durch einen Unfall bedingten Temperaturerhöhung benutzt, die auf äußere Einflüsse zurückzuführen ist und nicht von dem Gerät selbst herrührt, während der letztgenannte Thermostat die Temperaturerhöhung

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abtasten soll,- die ihre Ursache im Gerät selbst hat, wodurch ein ausreichender, von den Ursachen abhängiger Schutz erreicht ist, um eine sichere Arbeitsweise des Geräts zu erzielen.

Diese und noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich deutlicher anhand der ausführlichen Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen erläutern:

Fig. 1 ist eine perspektivische, teilweise schematisch gehaltene Darstellung eines typischen Heizelements nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ist eine perspektivische, teilweise schemati'sch gehaltene Darstellung eines erfindungsgemäßen Rohrheizkörpers;

Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch den in Fig. 2 gezeichneten Rohrheizkörper;

Fig. 4 zeigt in perspektivischer Ansicht unterFortlassung eines Teils des Gehäuses einen Rohrheizkörper nach Fig. 2 in eingebautem Zustand;

Fig. 5 ist ein Aufriß einer abgeänderten Form eines Rohrheizkörpers;

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung von der Seite;

Fig. 7 ist eine teilweise schematisch gehaltene perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der drei Nebenrohre mit einem Hauptrohr zusammengesetzt sind;

Pig. 8 ist ein Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit des Wärmeübertragungskoeffzienten je Rippe des unteren (Haupt-)Rohres und des oberen (Neben-)Rohres von dem Betrag des Abstands zwischen längs der Rohre angeordneten negeneinanderstehenden Rippen;

Fig. 9 ist ein Diagramm des Verlaufs der Wärmeabgabe von der Gesamtheit der Rippen eines Rohres begrenzter Länge in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen benachbarten, glei.chabs tändig über die Rohr länge verteilten Rippen;

Fig. 10 ist ein Aufriß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Teil des Heizkörpers weggebrochen ist;

Fig. 11 zeigt eine nochmals veränderte Ausführungsform der ' Erfindung;

Fig. 12 stellt den Rohrheizkörper nach Fig. 11 im Aufriß dar;

Fig. 13 zeigt in größerem Maßstab die Enden des Heizkörpers nach Fig. 11;

Fig. 14 zeigt schematisch die elektrische Schaltung mit einem ummantelten Heizstab als Wärmequelle für die Vorrichtung sowie die zwischengeschalteten Thermostate/ die eine überhitzung der Vorrichtung verhindern sollen.

In den Fig. 2 bis 4 wird eine bevorzugte Ausführungsform eines durch natürliche Konvektion heizenden .Rohrheizkörpers dargestellt. Der Heizkörper besteht aus einem Hauptrohr 8/ das bei dem Einbau im wesentlichen waagerecht liegt/ einem oberhalb des Hauptrohres angeordneten Nebenrohr 9, zwei vertikal aufsteigenden Verbindungsrohren 10, die Hauptrohr und Nebenrohr

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an den beiden Längsenden miteinander verbinden, so daß in dem Rohrheizkörper zusammen mit dem Hauptrohr 8 und dem Nebenrohr 9 ein abgeschlossener Raum gebildet wird, einer durch das Hauptrohr 8 sich erstreckenden, längsausgedehnten Wärmequelle 14 und einem Wärmeübertragungs- oder Arbeitsfluid 15, das bei Betriebstemperatur des Geräts in flüssigem Zustand in das Hauptrohr 8 eingefüllt ist. Hauptrohr und Nebenrohr haben einheitlichen Durchmesser und tragen jeweils eine Gruppe von Abstrahlungsrippen 16, die in gleichmäßigem Abstand über die Rohrlänge verteilt angeordnet sind. Die beiden Längsenden jedes Rohres, sind geschlossen, so daß durch die •Teile 8, 9 und 10 der erwähnte abgeschlossene Raum gebildet wird, aus dem die Luft vorzugsweise entfernt ist und der mit einer kapillaren Auskleidung auf der Innenseite versehen ist. Koaxial durch das Hauptrohr 8 verläuft ein Schutzrohr 11, dessen Endstücke dichtend verbunden sind mit den zugeordneten Abschlußwänden 12 und 13 des Hauptrohres 8. Bei der Wärmequelle 14 handelt es sich um ein sogenanntes ummanteltes Heizelement, bestehend aus einer Heizwicklung und einer die Wicklung umgebenden Keramikisolierung; die Heizwicklung reicht durch die gesamte Länge des Schutzrohres 11, und die Anschlußenden ragen aus dem Rohr heraus und werden an eine (nicht gezeichnete) Stromquelle angeschlossen. Das Arbeitsfluid 15 ist ein Fluid, das eine große Wärmemenge mitführt, indem es dem Wechsel von Verdampfung und Kondensation unterworfen wird; es ist so gewählt, daß es bei normaler Betriebstemperatur flüssig ist und einen niedrigen Siedepunkt hat, der unter der Temperatur liegt, die die Wärmequelle erreichen soll. Für die Wohnraumbeheizung können Ammoniak, Wasser oder Freon als Arbeitsfluid 15 verwendet werden. Von dem Arbeitsfluid 15 wird in das Hauptrohr 8 soviel eingefüllt, daß das Schutzrohr 11 vollständig bedeckt ist, so daß die von der Wärmequelle 14 ausgehende Wärme ohne Verlust in das Arbeitsfluid 15 übergehen kann.

Nachdem die Wärmequelle 14 eingeschaltet ist, erwärmt sie das

Schutzrohr 11, das das an ihm unmittelbar anliegende Arbeitsfluid 15 verdampft. Der dadurch entstandene Dampf dehnt sich aus und verteilt sich in das gesamte Innere des abgeschlossenen Raums als der eine Bestandteil/ der durch die Verbindungsleitungen 10 in das obere Nebenrohr 9 fließt; dann kondensiert der Dampf an allen anderen Flächen, einschließlich Verbindungsrohre 10, Hauptrohr 8 und Nebenrohr 9 und gibt dadurch die in ihm gebundene Verdampfungswärme an die umgebende Luft ab, hauptsächlich über die mit Abstand voneinander angeordneten Rippen am Hauptrohr 8 und Nebenrohr 9. Das in dem obenliegenden Nebenrohr 9 verflüssigte Arbeitsfluid 15 fließt durch die Verbindungsleitungen 10 zurück in das untere Hauptrohr 8 und wird wiederum erhitzt und zum Verdampfen gebracht, während das in dem Hauptrohr 8 verbleibende Arbeitsfluid seine Wärme sowohl durch Wärmeleitung in flüssiger Form als auch dadurch abgibt, daß es verdampft wird. Indem das Arbeitsfluid 15 seinen Wechsel zwischen Verdampfung und Kondensation wiederholt, kann die Wärme von der Wärmequelle schnell auf den gesamten Heizkörper übertragen werden, so daß Hauptrohr 8 und Nebenrohr 9 gleichmäßig erwärmt werden. Die Verbindungsrohre 10 verlaufen vorzugsweise vertikal, um das Abwärtsfließen des verflüssigten Arbeitsfluids in das Hauptrohr 8 zu erleichtern, aber die Verbindungsrohre können auch geneigt stehen, sofern vorausgesetzt werden kann, daß das verflüssigte Arbeitsfluid unter seinem Eigengewicht aus dem Nebenrohr 9 in das Hauptrohr zu fließen vermag. Bei der obenbeschriebenen Ausführungsform hat der abgeschlossene Raum die Gestalt einer geschlossenen Schleife, so daß das verdampfte Fluid in der Schleife in einer bestimmten Richtung zirkulieren wird, wenn es in diesem Kreislauf kondensiert, wodurch die Gefahr geringer wird, daß das verdampfte Fluid . bei seinem Kreislauf mit verflüssigtem oder kondensiertem Fluid zusammenstößt; der Kreislauf des Arbeitsfluids 15 erfaßt also das vollständige Gerät. Bei dieser Anordnung mit durch die beiden an entgegengesetzten Enden angeordneten Verbindungsrohre 10 geschlossener Schleife ergibt sich eine bes-

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sere Wirkung, wenn man das obere Ende des einen Verbindungsrohres 10 in das Nebenrohr 9 hineinragen läßt, während das untere Ende des anderen Verbindungsrohres 10 nach unten in das Arbeitsfluid 15 hineinragt, das sich in flüssiger Form in dem Hauptrohr 8 befindet. Außerdem kann das eine Verbindungsrohr 10 durch Umbiegen als Fortsatz 19 des Nebenrohres 9 ausgeführt sein (vgl. Fig. 5). In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt; danach ist mehr als nur eine aus Wärmequelle 14 und Schutzrohr 11 gebildete Anordnung durch das Hauptrohr 8 gezogen, um die Heizleistung des Geräts zu erhöhen.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit mehr als einem Nebenrohr 9, das die gleiche Anordnung von Rippen 16 trägt wie das Hauptrohr; damit soll eine erhöhte Heizleistung der Vorrichtung erzielt werden. Bei dieser Ausführung befindet sich ein Nebenrohr 18 seitlich neben dem Hauptrohr 8, und die verbleibenden beiden Nebenrohre 9 sind über dem Hauptrohr 8 bzw. über dem Nebenrohr 18 angeordnet. Die seitlich nebeneinander liegenden Nebenrohre 9 in der oberen Reihe werden durch zwei waagerecht verlaufende Verbindungsrohre 17 miteinander ebenso verbunden wie das Hauptrohr 8 und das seitlich danebenliegende Nebenrohr 18 durch zwei waagerecht verlaufende Verbindungsrohre o7 miteinander verbunden sind, während die vertikal übereinanderliegenden Rohre jeweils durch vertikale Fortsatzrohre 19 miteinander verbunden sind. Außerdem kann über dem Nebenrohr 9 ein weiteres, mit diesem zusammenwirkendes Nebenrohr 9 angeordnet werden.

Bei diesem räumlichen Aufbau des Rohrheizkörpers läßt sich ein zusätzliches Nebenrohr unter Anwendung der üblichen Rohrverbindungstechnik anschließen, um die Zahl der Nebenrohre im Verhältnis zu dem einzigen Hauptrohr 8 leicht durch mindestens ein Verbindungsrohr zu vergrößern. Damit soll die ganze Anordnung ohne Einsatz einer zusätzlichen Wärmequelle oder

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ohne Ersatz der alten Wärmequelle durch eine neue, leistungsfähigere Wärmequelle auf höhere Leistung gebracht werden. Da Haupt- und Nebenrohr einfache Hohlkörper sind/ können die Außendurchmesser der Rohre mit den daran befestigten Rippen . leicht vergrößert werden, etwa indem eine Kugel größeren Durchmessers durch die Rohre getrieben wird, so daß die Rippen 16 einen engen Kontakt mit den Rohren erhalten und kein Zwischenraum zwischen den Rohren und den Rippen verbleibt; dadurch ergibt sich eine einwandfreie Wärmeleitung von den erwärmten Rohren auf die Rippen. Die erwähnten Zwischenräume lassen sich bei den bekannten Heizelementen nicht vermeiden, weil die Rippen unmittelbar auf der Wärmequelle angebracht sind, die ihrerseits keiner Behandlung zur Vergrößerung ihres Durchmessers unterworfen werden kann.

Der erfindungsgemäße Rohrheizkörper wird in den meisten Fällen für die Raumheizung verwendet und wird dazu, wie in Eig. 4 gezeigt, in ein Gehäuse 1 mit einer unteren öffnung 4 gesetzt, durch die die Luft einströmt, um Wärme von der Vorrichtung aufzunehmen. Die erwärmte Luft strömt dann nach oben durch eine obere öffnung 5 des Gehäuses 1 ab und setzt damit ihren Weg durch das Gerät in Form von natürlicher Konvektion fott. Das Arbeitsfluid leitet die Wärme in dem Gerät von der Wärmequelle 14 zu den Rippen 16 des Hauptrohres 8 und des Nebenrohres in Gestalt von Dampf und/oder Flüssigkeit, so daß eine übermäßige Erwärmung vermieden und eine milde und behagliche Heizung erreicht wird. Hierzu sei angemerkt, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als besonderes Merkmal die in das Hauptrohr 8 eingesetzte Wärmequelle 14 vorgesehen ist, womit ein deutlicher Vorteil gegenüber dem üblichen Heizrohraufbau erzielt wird, bei dem eine Wärmequelle an der Außenseite angebracht ist, insofern als die Wärme von der Wärmequelle 14 verlustlos an das Arbeitsfluid abgegeben werden kann. Das erfindungsgemäße Gerät zeigt somit ein gutes Wärmeaustauschverhalten.

Wenn auch das Schutzrohr 11, das die Wärmequelle aufnimmt, im Rahmen der Erfindung keine besondere Bedeutung hat, verhilft es doch zu vorteilhaften Eigenschaften:

I) Die Wärmequelle 14 kann im Schadensfalle leicht ausgewechselt werden;

II) die Wärmequelle 14 braucht nicht unmittelbar an dem Hauptrohr 8 befestigt zu werden und ist nicht extrem hohen Temperaturen ausgesetzt, die sonst angewendet werden müßten, wenn eine Hartlötung oder dergleichen zum dichten Einsetzen der Wärmequelle in das Rohr erforderlich wäre, sobald die Wärmequelle unmittelbar mit dem Rohr fest verbunden werden müßte; es besteht also keine Gefahr, daß die elektrische Isolierung der Wärmequelle beschädigt oder zerstört wird, denn derart starke Erhitzung während des dichten Einsetzens ist mit Sicherheit die Ursache für eine Beschädigung der Wärmequelle selbst;

III) es können sehr unterschiedliche Wärmequellen benutzt werden, weil dieseKonstruktion ein unmittelbares Eintauchen der Wärmequelle in das Arbeitsfluid entbehrlich macht;

IV) das Schutzrohr 11 gestattet eine ziemlich lockere Befestitung der Wärmequelle 14 an dem Schutzrohr, so daß dieses sich im Erwärmungszyklus der Wärmequelle 14 verhältnismäßig ungehindert ausdehnen und zusammenziehen kann, so daß keine übermäßig starke Beanspruchung im Verbindungsteil zwischen der Wärmequelle 14 und dem Rohr 11 auftritt und in diesem Zusammenhang nur sehr kleine Verformungen zu erwarten sind. Unter Bezugnahme auf den Punkt III) kann auch Heißwasser als Wärmequelle angewandt und durch das Schutzrohr 11 geleitet werden.

Um die Leistung der Vorrichtung zu prüfen, sind Tests angestellt worden; dabei wurde vorausgesetzt, daß die zwischen den Rippen 16 an dem untenliegenden Hauptrohr 8 eintretende Luft (Fig. 2) eine niedrige Eintrittstemperatur T hat, daß die Luft infolge der natürlichen Konvektion aufwärts zwischen den Rippen 16 an diesem Rohr 8 hindurch strömt und dabei auf

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eine höhere Temperatur T, erwärmt wird; die auf die erhöhte Temperatur T₁ gebrachte Luft gelangt anschließend zwischen die Rippen 16 an dem obenliegenden Nebenrohr 9, von dem es eine weitere Erwärmung erfährt und auf eine noch weiter erhöhte Temperatur T~ erwärmt wird. Die Tests wurden durchgeführt, um Wärmeübertragungskennwerte für die Rippen in Abhängigkeit von dem gegenseitigen Abstand zwischen den in Längsrichtung nebeneinander aufgereihten Rippen 16 zu erhalten; die Kennwerte sind die Wärmeübertragungskoeffizienten je Rippe am unteren und am oberen Rohr. Zur Durchführung dieser Untersuchungen wurden eine Anzahl Apparate übereinstimmender Bauweise benutzt, bei denen eine Gruppe von rechtwinkligen Rippen übereinstimmender Abmessungen gleichabständig in Richtung der LängserStreckung jedes Rohres angeordnet waren, wobei der gegenseitige Abstand der vertikal übereinanderliegenden Rohre einheitlich war, jedoch war der gegenseitige Abstand der Rippen 16 oder der Zwischenraum zwischen benachbarten Rippen unterschiedlich groß. Fig. 8 zeigt in einem Diagramm die genannten Wärmeübertragungskoeffizienten in einer mit ausgezogener Linie gezeichneten Kurve für das untenliegende Hauptrohr 8 und in einer gestrichelten Kurve für das obenliegende Nebenrohr 9. Aus Fig. 8 ist zu entnehmen, daß der Wärmeübertragungskoeffzient für das Hauptrohr wie für das Nebenrohr eine übereinstimmende Tendenz zur allmählichen Zunahme mit zunehmendem gegenseitigen Abstand der Rippen zeigt, daß der Koeffizient jenseits eines bestimmten Abstandswertes aber nicht weiter zunimmt. Nach der gleichen Figur liegt der Koeffizient aber an dem Hauptrohr 8 über den gesamten Bereich der unterschiedlich großen Zwischenräume über demjenigen, der für den gesamten Bereich der unterschiedlichen Zwischenräume an dem obenliegenden Nebenrohr 9 gemessen wurde; beispielsweise'ist der Koeffizient für die Rippe an dem Nebenrohr 9 bei einem Zwischenraum von 5 mm etwa halb so groß wie derjenige am untenliegenden Hauptrohr 8 für den gleichen Zwischenraum, was,

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wenn man berücksichtigt, daß die zwischen die Rippen an dem oberen Rohr eintretende Luft von Haus aus eine höhere Temperatur hat als die an den Rippen des unteren Rohrs eintre-.tende Luft, gut mit der allgemeinen Erkenntnis übereinstimmt, daß die von jeder Rippe in der Zeiteinheit abgegebene Wärmemenge mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen den Rippen und der heranströmenden Frischluft wächst. Aus dem Obengesagten erklärt sich, daß die unter natürlicher Konvektion strömende Luft mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit fließt, wenn der Zwischenraum zwischen den in Längsrichtung nebeneinander angeordneten Rippen größer wird, so daß jede Rippe einer großen Menge einströmender Luft von niedriger Temperatur ausgesetzt werden kann, um wirksam Wärme an die Luft übertreten zu lassen, und daß es einen bestimmten Wert gibt, jenseits dessen die Luft ihre Strömungsgeschwindigkeit nicht weiter erhöht, um noch mehr Wärme von jeder Rippe in der vorüberstreichenden Luft mitzunehmen. Vorteilhafterweise wird zur Erhöhung der Heizleistung also eine große Menge kühler Frischluft durch den Bereich der Rippen geleitet, aber nicht die bereits erwärmte Luft im Bereich der Rippen festgehalten, die daran gehindert sind, weitere Wärme an Luft von erhöhter Temperatur abzugeben. Andererseits ist es natürlich zweckmäßig, die Zahl der Rippen auf jedem Rohr zur Erhöhung der Heizleistung zu vergrößern, aber zu ,viele oder zu engstehende Rippen auf dem Rohr behindern mit Sicherheit die natürliche Konvektion der durch die Rippen nach oben strömenden Luft, so daß der Wärmeübertr.agungskoeffizient erniedrigt wird, wie sich das an.den Abfällen der beiden Kurven in Fig. 8 erkennen läßt. Hieraus kann der Schluß gezogen werden, daß die von der Gesamtheit der Rippen auf dem Rohr abzuziehende Wärmemenge einen in Beziehung zu der unterschiedlichen Zahl von Rippen stehenden Maximalwert hat; Fig. 9 ist gezeichnet, um in einfacher Weise den Zusammenhang zwischen der allgemeinen Änderung der von der Gesamtheit der Rippen des Rohrs von begrenzter Länge

abgezogenen Wärmemenge in Abhängigkeit von der Zahl der Rippen darzustellen. Daraus ist zu schließen, daß die Rippen auf dem Rohr einen Minimalabstand haben sollten, durch den der Wärmeübertragungskoeffizient noch nicht wesentlich herabgedrückt wird, so daß an jedem Rohr auf einer begrenzten Länge so viele Rippen angebracht werden können, daß die Wärme noch wirksam abgeführt werden kann.

Es ist noch einmal auf die Erörterung über die Wirksamkeit der Wärmewegführung von den tandemartig vertikal übereinander angeordneten Rohren zurückzukommen. Zunächst muß darauf hingewiesen werden, daß eine Anordnung von Rohren vertikal übereinander Vorteile hinsichtlich der Raumersparnis für die Installation der Vorrichtung erbringt gegenüber einer möglichen Anordnung mit Rohren gleicher Länge und mit einer gleichen Zahl von Rippen, wenn diese Rohre in Längsrichtung hintereinander oder quer nebeneinander angeordnet sind, weil diese Anordnungen einen weit längeren oder tieferen Raum in der Nähe der Zimmerwand, an der der Heizkörper angebracht ist, erfordern, und ein solcher Raumbedarf läßt sich unter normalen Verhältnissen nicht erfüllen. Die nachstehenden Überlegungen betreffen daher eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung des unteren Rohres, verglichen mit derjenigen des oberen Rohres und umgekehrt, um damit die gesamte Wärmemenge zu vergrößern, die von der Gesamtvorrichtung abgegeben werden kann. Wie oben begründet, sollte die Luft schnell an den Rippen vorbeiströmen und nicht dazwischen stehen bleiben, damit die Rippen fortlaufend frische Luft, niedrigerer Temperatur empfangen, so daß die an die Luft abgegebene Wärmemenge für den konvektorartigen Rohrheizkörper erhöht werden kann. Jedes Rohr kann daher für sich so entworfen werden, daß so viele Rippen mit einem kleinstmöglichen Zwischenraum angeordnet werden, daß die Menge der von jedem Rohr abgegebenen Menge groß wird. Bei diesem Versuch ergibt sich aber das

schwerwiegende Problem, daß die Rippen an danach entworfenen oberen Rohren in Wirklichkeit den zwischen den Rippen hindurchziehenden Luftstrom, der von den Rippen an dem unteren Rohr unter der Wirkμng natürlicher Konvektion aufsteigt, behindern können, so daß die von dem unteren Rohr abgegebene Wärmemenge erheblich herabgesetzt wird; daraus folgt, daß die für das obere Rohr vorgesehene Konstruktion offensichtlich nicht dazu geeignet ist, die Gesamtheizleistung zu erhöhen. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, sieht die Erfindung vor, mit einer Konstruktion zu arbeiten, wie sie in Fig. 10 gezeichnet ist; danach sind die Rippen an dem obenliegenden Nebenrohr 9 mit größeren Zwischenräumen angebracht als ie Rippen an dem untenliegenden Hauptrohr 8. Zwar mag es für den vorgesehenen Zweck geboten erscheinen, bessere Abflußmöglichkeiten für die durch die Rippen beider Rohre streichende Luft dadurch zu schaffen, daß die Zahl der Rippen auf dem oberen wie dem unteren Rohr um unterschiedliche oder gleiche Beträge verringert wird, eine bessere Wirkung wird aber erzielt, wenn das untere Rohr 8 eine größere Anzahl Rippen 16 erhält als das obere Rohr 9, wobei die oben gewonnene Erfahrung genutzt wird, daß die Rippen auf dem unteren Rohr 8 der Luft mit niedrigerer Temperatur ausgesetzt sind, so daß von ihnen mehr Wärme abgegeben wird als von den Rippen des zweiten Rohres. Aus diesem Grunde sieht die Ausführung nach Fig. 10 vor, die Rippen 16 auf dem obenliegenden Nebenrohr 9 in Längsrichtung mit größeren Abständen (B) anzuordnen als die Rippen 16 an dem untenliegenden Hauptrohr 8, bei dem der Abstand (A) kleiner ist; daraus folgt, daß an dem obenliegenden Rohr 9 eine kleinere Zahl von Rippen angebracht iSb als an dem untenliegenden Rohr 8. Die speziellen Werte für die unterschiedlichen Abstände der Rippen auf dem oberen und dem unteren Rohr richten sich nach der Leistung der benutzten Wärmequelle, dem Material und den Abmessungen der Rohre, der Rippen und ähnlichem.

Die Figuren 11 bis 14 zeigen weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, durch die eine unnütze oder übermäßige Erwärmung des Heizkörpers verhindert wird. Diese Einrichtung weist mindestens einen ersten Thermostaten 21 auf, der an einer der Abschlußkappen 20 angebracht ist, die die Enden des Hauptrohres 8 verschließen, sowie mindestens einen zweiten Thermostaten 23, der an einer der Abschlußkappen 22 angebracht ist, die in entsprechender Weise die Enden des Nebenrohres 9 verschließen. Fig. 14 zeigt, daß diese Thermostaten und die Wärmequelle 14 in Reihe mit einer Wechselstromquelle 24 geschaltet sind. Der erste Thermostat 21 kann nur mit einem mit dem Thermostaten verbundenen handbetätigten Schalter zurückgestellt werden; er tastet die Wandtemperatur des Hauptrohres 8 ab und schaltet die Wärmequelle 14 ab, wenn deren Temperatur einen bestimmten Wert erreicht, während der zweite Thermostat 23 automatisch zurückgestellt wird und die Wandtemperatur des Nebenrohres 9 abtastet, die für die Gesamtvorrichtung kennzeichnend ist; der Thermostat 23 schaltet die Wärmequelle 14 ab, wenn jene Temperatur einen anderen vorbestimmten Wert erreicht, und schaltet die Wärmequelle automatisch wieder ein, wenn die Temperatur auf einen unteren Wert gefallen ist; dabei schaltet der erste Thermostat 21 die Wärmequelle 14 bei einer Temperatur ab, die höher als diejenige liegt, bei der der Thermostat 23 eine entsprechende Abschaltung vornimmt.

Die genannten Thermostäte 12 und 23 arbeiten folgendermaßen: Wenn der das Gerät durch natürliche Konvektion durchfliessende Luftstrom etwa durch einen zufälligen Verschluß der oberen und/oder der unteren Öffnung des Gehäuses 1 unterbrochen ist, so daß der Heizkörper eine außergewöhnlich hohe Temperatur erreicht, und zwar unmittelbar nachdem der Heizkörper diese höhere Temperatur erreicht hat, greift der Thermostat 21 ein und läßt die Wärmequelle 14 abschalten, damit keine weitere

Erwärmung eintritt. Wenn andererseits infolge eines Lecks das Arbeitsfiuid aus dem Hauptrohr ausgeflossen ist, oder wenn das Hauptrohr eine Schräglage gegenüber seiner üblichen waagerechten Position erhalten hat und zwar soweit, daß die Wärmequelle 14 oder das Schutzrohr 11 aus dem in flüssiger Form vorliegenden Arbeitsfiuid heraustritt, erfolgt eine partielle und übermäßige Erhitzung der Wärmequelle 14, wodurch vor allem das Hauptrohr 8 eine übermäßig hohe Temperatur annimmt; in diesem Falle spricht der zweite Thermostat 23.an und veranlaßt die Abschaltung der Wärmequelle 14. Die Abschaltung des Thermostaten 23 wird nach Beseitigung der Störung erst wieder durch einen handbetätigten Schalter aufgehoben. Nachdem der erste Thermostat 12 sich automatisch wie· der einschaltet, dagegen der zweite Thermostat erst wieder nach Betätigen eines Handschalters zurückgestellt werden kann und bei einer höheren Temperatur anspricht als der erste Ther mostat 21, kann der Rohrheizkörper seinen Betrieb automatisch wieder aufnehmen, wenn die Gerätetemperatur von einem abnorm hohen Wert abgesunken ist, sofern das Gerät selbst keinen Fehler aufweist; dagegen nimmt das Gerät den Betrieb auch dan nicht wieder auf, wenn die Gerätetemperatur bis auf die normale Betriebstemperatur abgesunken ist, sofern das Gerät beschädigt oder fehlerhaft bedient worden ist; letzteres ist besonders wichtig, weil das Gerät auf diese Weise nicht mehrfach übermäßig hoch erhitzt werden kann, wie es sonst nach Absinken der Temperatur möglich wäre, wenn auch der zweite Thermostat automatisch zurückgestellt werden könnte; bei derartigem wiederholten Hochheizen würde der Rohrheizkörper höchstwahrscheinlich Schaden nehmen, was des sicheren Betriebes des Gerätes wegen vermieden werden muß. Im übrigen brauchen der erste'und der zweite Thermostat nicht unbedingt an den jeweiligen Abschlußkappen angebracht zu werden, sie lassen sich vielmehr an beliebiger Stelle anordnen, sofern d Thermostaten dort die Temperatur des zugehörigen Rohrs ab-

tasten können. Außerdem können'zusätzliche erste und zweite Thermostaten eingesetzt werden. Natürlich können anstelle der obengenannten Thermostaten auch übliche Schmelzsicherungen zum Abschalten der Wärmequelle 14 verwendet werden. ^]

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Claims

Patentanwälte Dietrich Lewinsky Reiner Prietsch -_ : : : :*..- -"-"": «* ν I *=■ v * Gotthardstr. 81 , ..- - : - :: : - :"·_ '· München 21 30.08.1983 Aktenzeichen: 14864 Matsushita Electric Works, Ltd. Patentansprüche :

1. Rohrheizkörper für Heizzwecke/ gekennzeichne durch ein im wesentlichen waagerecht anzuordnendes Hauptrohr,

mindestens ein oberhalb und im wesentlichen parallel zu dem Hauptrohr verlaufendes Nebenrohr, wobei Verbindungsrohre von dem Hauptrohr aus aufwärts zu dem Nebenrohr führen und die Rohre miteinander zu einem die beiden Rohre mitumfassenden abgeschlossenen Raum verbinden, eine langgestreckte Wärmequelle, die axial durch das Hauptrohr verläuft,

ein verdampfbares Arbeitsfluid_, das in das Hauptrohr gefüllt ist und sich bei Betriebstemperatur des Geräts in flüssigem Zustand befindet, so daß die Wärmequelle in das Fluid eingetaucht ist, wobei Hauptrohr und Nebenrohr Abstrahlungsrippen über ihre Länge verteilt aufweisen, und wobei das Arbeitsfluid in dem Hauptrohr die Wärme von der Wärmequelle aufnimmt, verdampft und alle Bereiche des abgeschlossenen Raums erfüllt und an der den abgeschlossenen Raum umschließenden Innenseite kondensiert, so daß die gebundene Verdampfungswärme an die Umgebungsluft abgegeben wird, während das kondensierte Fluid gleichzeitig durch die Verbindungsrohre zurück in das Hauptrohr fließt.

■-Γ..2..-

2. Rohrheizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptrohr so viel Arbeitsfluid enthält, daß die Wärmequelle von der flüssigen Phase des Fluids völlig bedeckt ist.

3. Rohrheizkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein durch das Hauptrohr sich erstreckendes Schutzrohr, das die Wärmequelle umschließt und es verhindert, daß die Wärmequelle das Arbeitsfluid unmittelbar berührt.

4. Rohrheizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptrohr.einen ersten Thermostaten aufweist, der die Wärmequelle abschaltet, wenn die Temperatur in dem Hauptrohr einen bestimmten Wert erreicht, und der nur durch einen daran befindlichen handbetätigten Schalter zurückgestellt werden kann, und daß das Nebenrohr einen zweiten Thermostaten aufweist, der die Wärmequelle abschaltet, wenn die Temperatur in dem Nebenrohr einen anderen vorbestimmten Wert erreicht, und der die Wärmequelle automatisch wieder einschaltet, wenn die Temperatur auf einen niedrigeren Wert fällt, und daß die Temperatur, bei der der erste Thermostat die Abschaltung der Wärmequelle veranlaßt, höher ist als die entsprechende Temperatur für den zweiten Thermostaten.

5. Rohrheizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,. daß Rippen auf dem Hauptrohr und auf dem Nebenrohr jeweils in gleichen gegenseitigen Abständen über die Rohrlänge verteilt angeordnet sind, und daß der Abstand zwischen den Rippen auf dem Nebenrohr größer ist als derjenige der Rippen auf dem Hauptrohr.