AT392854B - Verfahren zum steuern der leistung eines elektrisch beheizten durchlauferhitzers - Google Patents

Description

AT 392 854 B

Die vorliegende Erfindung beseht sich auf ein Verfahren zum Steuern der Leistung eines elektrisch beheizten Durchlauferhitzers, bei dem der Durchsatz bei bekannter Kanalquerschnittsfläche über die Temperaturerhöhung an wenigstens zwei Widerständen gemessen wird, wovon wenigstens einer in seiner an das Durchlaufmedium abgegebenen Leistung nicht variiert wird und bei dem wenigstens ein weiterer Widerstand verwendet wird, dessen S Leistung zum Steuern eines von einem Soll-Wert, dem aktuellen Durchsatz und der Einlauftemperatur diktierten Wertes der Auslauftemperatur geändert wird, wobei durch Änderung des Auslauftemperatur-Soll-Wertes oder des Ist-Wertes der Durchflußmedium-Einlauftemperatur die Durchsatzmessung für eine vorgebbare Zeit unterdrückt wird.

Bekannt ist eine in der US-PS 4346 838 beschriebene Vorrichtung zur Regelung von Vorgängen innerhalb 10 eines Systems, wobei während einer Zustandsänderung des Systems eine Unterbrechung der Regelstrecke so lange stattfindet, bis sich das System in dem neuen Zustand stabilisiert hat. Auch ein elektrischer Durchlauferhitzer bildet ein derartiges System.

Bei bekannten Durchlauferhitzern wird ein Kunststoffkanalkörper verwendet, der mehrere Kanalstrecken aufweist, die teilweise als Leerstrecken ausgebildet sein können, teilweise mit elektrisch beheizten Widerständen 15 versehen sind. Die Leerstrecken dienen dazu, die Ableitströme einlaß- und auslaßseitig des Kunststoffblocks auf vorgegebene Werte zu drücken, zum anderen dazu, innerhalb der Anschlüsse des Dreiphasennetzes ausreichende Isolationswiderstände sicherzustellen. Von den beheizten Kanälen sind einige Widerstände entweder an Spannung oder abgeschaltet, einige in ihrer Leistung, zum Beispiel über Triacs, variierbar, es können auch einige zum Ermitteln des Durchsatzes dienen. Bei diesen wird die Leistung konstant gehalten, und es wird bei bekanntem 20 Kanalquerschnitt in diesem Bereich der Durchsatz über die Temperaturerhöhung vor und hinter dem Widerstand gemessen. Probleme ergeben sich dann, wenn sich die Durchflußmeßstrecke aus mehreren Widerständen zusammensetzt, von denen einer oder mehrere in ihrer abgegebenen Leistung variiert werden. Probleme ergeben sich weiterhin für die angestrebte möglichst konstante Auslauftemperatur, wenn vom Benutzer der Auslaufitemperatur-Soll-Wert geändert wird oder wenn sich zum Beispiel die Einlauftemperatur des zu erhitzenden 25 Mediums (Gebrauchswasser) ändert.

In allen Fällen besteht die Aufgabe darin, die gesteuerte Auslauftemperatur möglichst konstant zu lassen, wobei auch die Meßwiderstände zur Wassererhitzung nutzbar sein sollen, und zwar unabhängig von den auf das System wirkenden Einflußgrößen. Im Fall des geänderten Auslauftemperatur-Soll-Wertes besteht die Aufgabe darin, den Übergang vom einen auf den anderen Wert möglichst schnell und ohne Überschwingen darstellen zu 30 können.

Zur Lösung der Aufgabe besteht die Erfindung darin, daß bei einer Änderung des Auslauftemperatur-Soll-Wertes und ein sich daraus resultierendes Zu- oder Äbschalten einer Heizwendel zwischen den beiden Temperatursensoien die Durchsatzmessung für eine vorgebbare Zeit derart unterdrückt wird, daß auch während dieser Unterdrückungszeit die der Temperaturerfassung dienenden Widerstände mit dem Stromnetz verbunden 35 bleiben und daß für diese Zeit das entstehende Fehlangebot an Leistung kompensiert wird. Sind nämlich die Meßwiderstände während der Änderung des Auslauftemperatur-Soll-Wertes zum Zwecke der Meßwertunterdriickung vom Stromnetz getrennt, so können diese nicht als Heizwiderstände genutzt werden.

Wird angenommen, daß bei einer hydraulischen Serienschaltung aller Widerstände im beheizten Kanalblock ein weitgehend am Anfang liegender Widerstand abgeschaltet wird und ein am Ende liegender Widerstand 40 zugeschaltet und eine Temperaturerhöhung angestrebt wird, so muß davon ausgegangen werden, daß der zugeschaltete Widerstand in seiner abgegebenen Leistung höher liegt Da das im ersten Moment des Umschaltens den stromaufliegenden Widerstand passierte Wasser von diesem bereits beheizt wurde, wird es vom hintenliegenden Widerstand noch einmal beheizt. Das führt zu einer Temperaturerhöhung, der neue Auslauftemperaturwert stellt sich dann erst nach der Zeit ein, die das Wasser zum Passieren des gesamten 45 Kanallochs benötigt. Liegen die Verhältnisse umgekehrt, also ein hintenliegender Widerstand abgeschaltet und ein vomeliegender Widerstand zugeschaltet, so findet eine Temperaturabsenkung statt, da das den Durchlauferhitzer dann passierende Wasser vom eingeschalteten stromaufliegenden Widerstand noch nicht beheizt wurde, vom hintenliegenden Widerstand aber nicht mehr beheizt wird.

Insofern führt eine Unterdrückung der Durchsatzmessung in diesem Fall zu einer besseren Einhaltung der 50 gewünschten Auslauftemperatur, da man voraussetzen kann, daß sich am Durchsatz durch das System nichts geändert haben kann, wenn der Benutzer lediglich den Auslauftemperatur-Soll-Wert verstellt Das bestehende Leistungsdefizit oder Leistungsüberangebot, was trotzdem eintritt, kann man in eine entsprechende Variation der gesamten Leistung des Durchlauferhitzers kompensieren, aber nur für die Zeit des Durchlaufs des Wassers durch das System. 55 Auch bei einer Änderung des Ist-Wertes durch Durchflußmedium-Einlauftemperatur und ein sich daraus resultierendes Zu- oder Abschalten einer Heizwendel zwischen den beiden Temperatursensoren wird die Durchsatzmessung für eine vorgebbare Zeit derart unterdrückt, dadurch gekennzeichnet, daß auch während dieser Unterdrückungszeit die der Temperaturerfassung dienenden Widerstände mit dem Stromnetz verbunden bleiben und für diese Zeit das entstehende Fehlangebot an Leistung kompensiert wird. Dieser erfinderischen Idee liegen die 60 gleichen Ansätze zugrunde, daß nämlich die Stromversorgung der Meßwiderstände auch während einer Meßwertunterdrückung nicht unterbrochen werden darf.

Die Unterdrückung der Durchsatzmessung für die Durchlaufzeit durch das System verhindert die Auswertung -2-

AT 392 854 B eines falschen Meßergebnisses. Ein Leistungsdefizit oder Leistungsüberangebot kann in der vorhin beschriebenen Weise kompensiert werden.

Gemäß der dritten "Störfallsituation" besteht die Erfindung darin, daß bei Vorliegen eines geänderten Durchsatzwertes und ein sich daraus resultierendes Zu- oder Abschalten einer Heizwendel zwischen den beiden Temperatursensoren dieser nach Verstreichen einer minimalen Wartezeit benutzt wird. Das Unterdrücken der Durchsatzmessung bringt in diesem Fall nur eine Vergrößerung des Fehlers, also wird gerade ein neuer Durchsatzwert gemessen und für die Temperatursteuerung benutzt. Die Wartezeit dient dazu sicherzustellen, daß der Durchflußmeßwiderstand auf seine Arbeitstemperatur kommt. Auch hierfür gilt, daß das Leistungsdefizit beziehungsweise -Überangebot durch eine Variation der Leistung der Widerstände für die Durchlaufzeit des Wassers durch das System kompensiert werden kann.

In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Unterdrückungszeit so lange gewählt wird, daß sie der Zeit entspricht, die das Durchflußmedium vom Passieren des zweiten Widerstandes der Durchsatzmessung bis zum Ende des letzten beheizten Widerstandes benötigt. Hierdurch ist sichergestellt, daß erst nach Ablauf dieser Zeit sich stationäre Verhältnisse wieder eingestellt haben, die eine sichere Messung des Durchsatzes wieder ermöglichen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Wartezeit durch die Zeit bemessen, die der Widerstand zu seiner Erwärmung benötigt. Dies dient dazu sicherzustellen, daß tatsächlich das Wasser soweit erwärmt ist, daß sich eine sichere Durchsatzmessung ermöglichen läßt

Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur der Zeichnung näher erläutert

Die Zeichnung zeigt einen elektrischen Durchlauferhitzer für sanitäres Brauchwasser in.einer Schemadarstellung. Der elektrische Durchlauferhitzer weist einen Kunststoffkanalkörper (2) auf, der in seinem Inneren eine Kanalstrecke (3) besitzt, die mit einer Vielzahl nicht bezeichneter Umlenkungen versehen ist Hierdurch entstehen Kanalstrecken (4), die beheizt oder unbeheizt sein können. Es sind, in Durchflußrichtung (5) des Wassers gesehen, zunächst nach einem Wasserschalter (6) zwei beheizte Kanalstrecken (7) und (8) vorgesehen, dann folgt eine weitere beheizte Kanalstrecke (9), an die sich eine unbeheizte Kanalstrecke (10) anschließt Dieser folgen zwei weitere beheizte Kanalstrecken (11) und (12). An den Kanalkörper (2) schließt sich ein Zapfventil (13) an, das zu einem Warmwasserauslauf (14) führt

Es ist eine Steuervorrichtung (15) vorgesehen, die mit einem Soll-Wert-Geber (16) zur Vorgabe einer veränderbaren Warmwasserauslauftemperatur versehen ist Der Wasserschalter (6) ist über eine Meßleitung (17) mit der Steuervorrichtung (15) verbunden. Die beheizten Kanalstrecken weisen Widerstände (RI, R2, R3, R4, R5) auf, die mit Zuleitungen (18), (19), (20), (21), (22), (23) und (24) versehen sind. Diese Zuleitungen führen zu Außenleitern (LI, L2 und L3) eines speisenden Drehstromnetzes. In allen Zuleitungen sind elektrische Schalter vorgesehen, die entweder als Kontakte oder als Triacs ausgebildet sind. In den Zuleitungen (18), (21), (22) und (24) finden Triacs (TI, T2, T3 und T4), in den Zuleitungen (19), (20) und (23) finden sich Schalter (Sl, S2 und S3). Alle Ansteuerleitungen der Triacs beziehungsweise Betätigungswirkvomchtungen der Schalter sind mit der Steuervorrichtung (15) verbunden. Die Widerstände sind so bemessen, daß an ihnen bei Spannungsdauereinschaltung unterschiedliche Leistungen an das durchfließende Wasser abgegeben werden. Die Leistungen der einzelnen Widerstände liegen zwischen 2 und 8 kW. Die Anbindung der einzelnen Widerstände an die Außenleiter hängt davon ab, daß bei Leistungsumschaltungen ein Minimum an Flickerrückwirkungen auf das speisende Netz erreicht wird. Weiterhin hängt die Art der Anbindung auch von der Veikalkungsgefahr ab und von der Durchbrenngefahr aufgrund sich bildender Luftblasen bei aufwärts oder abwärts duichströmten beheizten Strecken. Auch die Gefahr zu hoher Ableitströme an den Außenseiten des Kanalblocks muß berücksichtigt werden., Weiterhin gilt, daß bezüglich der elektrischen Anbindung sowohl die Sternschaltung als auch die Dreieckschaltung möglich ist

Stromauf des Widerstandes (RI) und stromab des Widerstandes (R2) befinden sich je ein Temperaturfühler (25) und (26), die über Meßleitungen (27) und (28) mit der Steuervorrichtung verbunden sind. Mit dem Temperaturfühler (25) kann die Wassereinlauftemperatur ermittelt werden, aufgrund der Differenzwerte dm' Temperaturfühler (25) und (26) dm Wasserdurchsatz, wenn eine Beheizung durch die Widmstände (RI) und/oder (R2) erfolgt und diese konstant gehalten wird, da der Kanalqumschnitt in der Durchlaufstrecke bekannt und konstant ist.

Das Verfahren arbeitet wie folgt*

Im Ruhezustand sind alle Schalter geöffnet beziehungsweise alle Triacs gesperrt Das Zapfventil (13) ist geschlossen, Wassmdurchsatz findet nicht statt Wird das Zapfventil (13) geöffnet erfolgt unmittelbar danach Wasserdurchsatz, was vom Wasserschalter (6) registriert wird. Dieser gibt über die Leitung (17) an die Steuervorrichtung (15) ein Signal des Inhalts, daß Wasser unbekannten Durchsatzes durch das System fließt Der Benutzer des Durchlauferhitzers hat am Soll-Wert-Geber (16) eine bestimmte Soll-Temperatur vorgegeben. Es wird nun angestrebt daß in der Zapfleitung (14) Wasser mit einer Temperatur dieses Soll-Wertes austritt. Für den Fall, daß sich die Wassereinlauftemperatur, der Durchsatz und der Soll-Wert nicht ändern, ist das gewährleistet da über die Widerstände (RI) bis (R5) eine Leistung auf das Wasser abgegeben werden kann, die dm gewünschten Temperaturerhöhung bei dem festliegenden Durchsatz entspricht. -3-

Claims (5)

1. AT 392 854 B Nunmehr gibt es im wesentlichen drei Störgrößen, die auf das System einwirken können: Zum einen ist es möglich, daß der Benutzer durch Verstellen des Soll-Wertes wärmeres oder kälteres Wasser wünscht. Wünscht er wärmeres Wasser, so muß die Beheizung des Durchlauferhitzers insgesamt erhöht weiden. Dies kann geschehen, indem ein bislang nicht an das Stromnetz angeschlossener Widerstand eingeschaltet wird oder daß ein Widerstand eingeschaltet, ein anderer hingegen abgeschaltet wird oder daß Leistungsbeaufschlagung eines Widerstandes durch Variation des Taktverhaltens des zugehörigen Triacs geändert wird. Im letzteren Fall ergibt sich keine Notwendigkeit, etwas weitergehendes zu tun. Das gleiche gilt, warn lediglich ein zusätzlicher Widerstand im System eingeschaltet wird. Wird aber ein Widerstand und ein anderer eingeschaltet, ergibt sich entweder ein Überangebot oder ein Defizit an Leistung für die Durchlaufzeit des Wassers durch den gesamten Kanalkörper (2). Dieses Über- oder Unterangebot an Leistung wird für die Durchlaufzeit des Wassers durch den Kanalkörper durch ein entsprechendes Unter- oder Überangebot an Leistung kompensiert Bezüglich der Duichsatzmessung ergibt sich aber dann ein Problem, wenn einer der in die Durchsatzmessung einbezogenen Widerstände zu denen gehört, die ab- oder zugeschaltet werden. In diesem Fall würde die fortlaufende Durchsatzmessung die Temperatursteuerung zusätzlich beeinträchtigen, daß sie einen geänderten Durchsatz vortäuschen würde, ein solcher aber gar nicht vorliegt Aus diesem Grunde wird die Durchsatzmessung für die Durchlaufzeit des Wassers durch das System unterdrückt Ändert sich die Wassereinlauftemperatur in den Kanalkörper (2), so wird dies über den Fühl» (25) erfaßt und über die Leitung (27) der Steuervorrichtung (15) mitgeteilt. Bei unverändertem Auslauftemperatur-Soll-Wert und unverändertem Durchsatz führt auch eine abgesenkte Wassereinlauftemperatur zu ein» Leistungserhöhung des Systems, eine sich anhebende Wassereinlauftempeiatur müßte zu ein» Leistungsverminderung führen. Auch in diesem Fall wird von der Steuervorrichtung Einfluß auf die Beheizung der Widerstände genommen, die abgegebene Leistung entweder erhöht oder erniedrigt. Dies kann im Einzelfall, wie eben geschehen, erfolgen. Auch hierdurch ergeben sich in zwei Fällen Leistungsüberangebote oder Leistungsdefizite, die in analoger Weise durch Leistungsunterangebote oder Überangebote für die Durchlaufzeit des Wassers durch das System kompensiert werden. Auch in diesem Falle würde eine Durchflußmessung dann zu falschen Durchsatzmessungen führen, wenn ein an der Durchsatzmessung beteiligter Widerstand in seiner Leistung an das Wasser variiert wird. Auch deswegen wird aus diesem Grunde die Durchsatzmessung für die Durchlaufzeit durch das System unterdrückt. Der dritte zu behandelnde Fall ist, daß tatsächlich der Durchfluß geändert wird. Dies kann vom Verbraucher herriihren, indem er das Zapfventil (13) in seinem Durchlaßquerschnitt vergrößert oder verkleinert, die Durchsatzänderung kann auch erfolgen, weil der Wasservordruck durch eine Druckspitze sich »höht oder durch Zuschaltung anderer Verbraucher erniedrigt wird. In beiden Fällen bleiben die beiden Größen, nämlich der Auslauftemperatur-Soll-Wert und die Einlauftemperatur, konstant. In diesem Falle antwortet das System dem veränderten Durchsatz auch durch eine Leistungsanpassung, und zwar entwed» einer Leistungserhöhung oder -emiedrigung. Auch hierfür gilt, daß in den geschilderten zwei Fällen für die Durchlaufzeit des Wassers durch das System ein Leistungsdefizit oder -Überangebot durch eine »ltgegengesetzte Komponente für die Durchlaufzeit kompensiert wird. Lediglich im Unterschied zu den eben behandelten Fällen muß die Durchsatzmessung weit» erfolgen und ausgewertet werden. Es ist hier ab» eine Wartezeit vonnöten, die die Durchsatzmessung »st dann in ihren Ergebnissen fieigibt, wenn sichergestellt ist, daß die für die Durchsatzmessung benötigten Widerstände od» der benötigte Widerstand aufgeheizt ist, da erst dann eine korrekte Durchsatzmessung möglich ist. Die eben geschilderten Verhältnisse setzen voraus, daß die Durchsatzmeßstrecke am stromaufseitigen Teil des Kanalkörpers (2) angeordnet ist. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Steuern der Leistung eines elektrisch beheizten Durchlauferhitz»s, bei dem d» Durchsatz bei bekannt» Kanalquerschnittsfläche üb» die Temperaturerhöhung an wenigstens zwei Widerständen gemessen wird, von denen wenigstens einer in seiner an das Durchflußmedium äbgegeb»ien Leistung nicht variiert wird und bei dem wenigstens ein weiter» Widerstand verwendet wird, dessen Leistung zum Steuern eines von einem Soll-Weit, dem aktuellen Durchsatz und der Einlauftemperatur diktierten Wertes der Auslauftemperatur geändert wird, wobei durch Änderung des Auslauftemperatur-Soll-Wertes die Durchsatzmessung für eine vorgebbare Zeit unterdrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auch während dieser Unterdrückungszeit die der Temperaturerfassung dienenden Widerstände mit dem Stromnetz v»bunden bleiben und daß für diese Zeit das entstehende Fehlangebot an Leistung kompensiert wird.
2. 2. Verfahren zum Steuern der Leistung eines elektrisch beheizten Durchlauferhitz»s, bei dem der Durchsatz bei bekannter Kanalquerschnittsfläche über die Temperaturerhöhung an wenigstens zwei Wid»ständen gemessen wird, -4- AT 392 854 B von denen wenigstens einer in seiner an das Durchflußmedium abgegebenen Leistung nicht variiert wird und bei dem wenigstens ein weiterer Widerstand verwendet wird, dessen Leistung zum Steuern eines von einem Soll-Wert, dem aktuellen Durchsatz und der Einlauftemperatur diktierten Wertes der Auslauftemperatur geändert wird, wobei durch Änderung des Ist-Wertes der Durchflußmedium-Einlauftemperatur die Durchsatzmessung für eine 5 vorgebbare Zeit unterdrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auch während dieser Unterdrückungszeit die der Temperaturerfassung dienenden Widerstände mit dem Stromnetz verbunden bleiben und für diese Zeit das entstehende Fehlangebot an Leistung kompensiert wird.
3. 3. Verfahren zum Steuern der Leistung eines elektrisch beheizten Durchlauferhitzers, bei dem der Durchsatz bei 10 bekannt»' Kanalquerschnittsfläche über die Temperaturerhöhung an wenigstens zwei Widerständen gemessen wird, von denen wenigstens einer in seiner an das Durchflußmedium abgegebenen Leistung nicht variiert wird und bei dem wenigstens ein weiter» Widerstand verwendet wird, dessen Leistung zum Steuern eines von einem Soll-Wert, dem aktuellen Durchsatz und der Einlauf temperatur diktierten Wertes d» Auslauftemperatur geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen eines geänderten Durchsatzwertes dieser nach Verstreichen ein» 15 Wartezeit benutzt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterdrückungszeit der Zeit entspricht, die das Durchflußmedium vom Passieren des zweiten Widerstandes der Durchsatzmessung bis zum Ende des letzten beheizten Widerstandes benötigt. 20
5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wartezeit durch die Zeit bemessen ist, die d» Widerstand zu seiner Erwärmung benötigt 25 Hiezu 1 Blatt Zeichnung -5-