CH652479A5

CH652479A5 - Warmwasserspeichersystem mit drucklosem speicherbehaelter und einer druckpumpe.

Info

Publication number: CH652479A5
Application number: CH1755/81A
Authority: CH
Inventors: Ludwig Dipl-Ing Ludin; Nikolaus Laing; Karsten Laing; Oliver Laing
Original assignee: Ludwig Ludin Dipl Ing
Priority date: 1981-03-16
Filing date: 1981-03-16
Publication date: 1985-11-15
Also published as: US4437484A; DE3227323A1; GB2124348B; GB2124348A

Description

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PATENTANSPRÜCHE

1. Warmwasserspeichersystem zur Versorgung eines Druckwassernetzes mit Warmwasser, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung drucklos in einem belüfteten Behälter (1) erfolgt und dass zwischen dem oberen Bereich des Behälters (1) und dem Warmwasserversorgungsnetz (7) eine Druckerhöhungspumpe (6") zwischengeschaltet ist.

2. Warmwasserspeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhungspumpe (6"; 17; 51) von einem Wassermotor (6'; 17'; 41), der zwischen der Kaltwasserleitung (5; 69) und dem unteren Bereich (3') des Behälters (1) zwischengeschaltet ist, angetrieben wird.

3. Warmwasserspeichersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Läufer (18,19) der Druckerhöhungspumpe (17) und des Wassermotors (17') in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.

4. Warm wasserspeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhungspumpe aus zwei Zylinderbereichen (26,75,85) besteht, in denen zwei Kolben (20,21; 41,51), die über eine gemeinsame Kolbenstange (28, 42) miteinander verbunden sind, eine hin- und hergehende Bewegung ausführen, wobei einer der Kolben (20; 41) von Kaltwasser und der andere Kolben (21; 51) von Warmwasser beaufschlagbar ist.

5. Warmwasserspeichersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch das hin- und hergehende Kolbenpaar (20,21; 41,51) eine Umsteuervorrichtung (24,33; 48,54) betätigt wird, die bewirkt, dass das durch die Kaltwasserleitung (5; 69) eintretende kalte Druckwasser alternativ auf die beiden Seiten des einen Kolbens (20; 41) wirkt.

6. Warmwasserspeichersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsteuervorrichtung einen Ventilkolben (24) aufweist, der mit einem Magneten (32) eine Einheit bildet, der im Zusammenwirken mit einem mit dem Gehäuse verbundenen Magneten (35) den Ventilkolben (24) in zwei bistabile Positionen verbringt.

Es ist bekannt, dass unter Netzdruck stehende Druckbehälter als Warmwasserspeicher für Brauchwasser vor allem in Verbindung mit Solarkollektoren eingesetzt werden. Da derartige Druckbehälter für die höchsten vorkommenden Systemdrücke des Wasserversorgungsnetzes ausgelegt sein müssen und deshalb verteuernden Prüfvorschriften unterfallen, entfällt auf die Speicherbehälter ein weitaus grösserer Kostenanteil als auf alle anderen Elemente von Solaranlagen zusammengenommen. Da aber die mit Solar-Heizsystemen innerhalb eines Jahres gewonnene verwertbare Wärmemenge entscheidend vom Volumen des Speichers abhängt und deshalb ein möglichst grosser Speicher wünschenswert ist, lassen sich Solaranlagen konventioneller Bauart mit Druckbehälter wegen der hohen Investition nicht ökonomisch herstellen.

Es sind auch sehr billige nicht druckbelastbare Behälter bekannt geworden, die als Blasbehälter aus Polyäthylen ausgebildet sind. Diese Behälter müssen aber oberhalb der Zapfstellen angeordnet sein und können, da sie Überdruck nicht ertragen, auch nicht in für Netzdruck ausgelegte Warmwassersysteme integriert werden.

Die Erfinâung hat sich zur Aufgabe gestellt, die Vorteile der Speicherung in Niederdruckbehälter zu nutzen, diese aber mit einer Einrichtung zu kombinieren, die dem Hausversorgungsnetz wieder Druck aufprägt. Dies erfolgt erfin-dungsgemäss nach den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Dies kann in einfacher Weise durch eine elektromotorisch betriebene Druckerhöhungspumpe in Verbindung mit einem im Verbraucherkreis eingesetzten Druckschalter erfolgen, so dass der jeweils tatsächlich benötigte Warmwasserdruck auch nur der auch tatsächlich benötigten Menge aufgeprägt wird. Wegen der verhältnismässig hohen Drücke bei kleinen Mengen haben sich Verdrängerpumpen, z.B. Zahnradpumpen, als besonders vorteilhaft erwiesen. Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass die Anlage eines elektrischen Anschlusses zum Antrieb des Pumpenmotors bedarf.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht deshalb einen Antrieb durch Kaltwasser vor, wobei ein vorgegebenes Volumen-Element kalten Wassers aus dem Netz seinen Druck auf ein gleich grosses Volumenelement warmen Wassers überträgt und in das Warmwassernetz fördert. Das Prinzip ist nicht auf Solaranlagen beschränkt, sondern kann auch bei Wärmepumpen, elektrischer Beheizung oder auch in Verbindung mit Heizkesseln eingesetzt werden.

Typische Ausführungsformen sollen anhand von Figuren beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild,

Fig. 2 zeigt eine Zahnrad-Motor-Pumpen-Einheit,

Fig. 3 zeigt einen Druckübertrager mit Kolben,

Fig. 4 bis 6 zeigen eine konstruktive Ausbildung eines Druckübertragers mit Kolben.

Figur 1 zeigt das Prinzipschaltbild mit dem von einer nicht-gezeigten Isolierschicht umgebenen Niederdruckbehälter 1, in dem sich der zur Wasseraufheizung dienende Wärmeübertrager 2 befindet. Im tiefsten Punkt ist der Kaltwasserzulauf 3 angeordnet. Am höchsten Punkt verlässt die Warmwasserleitung 4 den Behälter 1. Durch die Leitung 5 gelangt kaltes Druckwasser in den Wassermotor 6' ; durch die Leitung 7 gelangt heisses Druckwasser in das Warmwasser-Versor-gungssystem. Der Druckübertrager 6 besteht aus zwei Verdrängermaschinen 6' und 6", die mechanisch miteinander verbunden sind. Der Teil 6' wirkt als Wassermotor, angetrieben durch das kalte Wasser des Versorgungsnetzes. Den Teil 6" bildet eine Pumpe, die die gleiche Menge heissen Wassers in das Warmwasser-Versorgungssystem fördert.

Figur 2 zeigt einen Längs- und einen Querschnitt durch eine Vorrichtung, deren rechte Seite 17 eine Zahnradpumpe bildet, die die Zahnräder 18 und 19 enthält. Deren linker Bereich 17' wirkt als Wassermotor. Über die Wellen 21 und 22 wird das Drehmoment vom Motor auf die Zahnradpumpe 17 übertragen. Durch den Stutzen 23' im Bereich 17' tritt Kaltwasser ein und gelangt durch den Stutzen 24' drucklos in die Leitung 3 der Figur 1. Neben dem Stutzen 23' ist ein weiterer Stutzen im Pumpenbereich 17 angeordnet, der mit der Leitung 4, Fig. 1, kommuniziert, während neben dem Stutzen 24' im Bereich 17 ein Stutzen angeordnet ist, der mit der Leitung 7, Fig. 1, kommuniziert. Durch diesen Stutzen gelangt warmes Druckwasser in das Warmwassernetz. Die rechte Darstellung entspricht der Schnittlinie I—I, die linke Darstellung der Schnittlinie II-II. Als Werkstoff hat sich insbesondere Polytetrafluoräthylen als geeignet erwiesen, da sich an diesem Werkstoff keine Kalkablagerungen festsetzen.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform mit hin- und hergehenden Kolben 20/21. Das Druckwasser tritt durch die Leitung 5 in das Umschaltventil (33,24) ein und gelangt über die Rille 23 des Ventilkolbens 24 in die Leitung 25 und von dort in den Zylinder 26. Der Kolben 20 wird dadurch in Richtung des Pfeils 27 bewegt. Über die Kolbenstange 28 wird der Kolben 21 im Heisswasserbereich des Zylinders 26 ebenfalls in Richtung des Pfeils 27 bewegt. Dabei saugt der Kolben 21 durch die Leitung 34 Heisswasser aus der Leitung 4 und verdrängt gleichzeitig über die Leitung 29 das im vorangegangenen Hub angesaugte Heisswasser über die Leitung 7. Die Kaltwasserfüllung 30 gelangt durch die Leitung 31 in die Lei-

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tung 3 und von dort aus in den unteren Bereich 3' des Niederdruckbehälters 1. Der Ventilkolben 24, der vorteilhaft aus einem kalkabweisenden Werkstoff besteht, z.B. aus PTFE, bildet eine Einheit mit einem magnetischen Bereich, der aus einem oder mehreren permanentmagnetischen Ringen 32 besteht. Diese Ringe sind axial magnetisiert und so aneinander gefügt, dass jeweils gleiche Polaritäten aufeinander liegen. Das Ventilrohr 33 dient zur Führung des Ventilkolbens 24 und trägt eine zweite Gruppe von Magnetringen 35, die um das Ventilrohr 33 herum greifen und dieselbe axiale Schichthöhe besitzen wie die Magnetringe 32. Am Ende des Ventilkolbens 24/32 ist eine Schraubenfeder 36 angeordnet, deren letzter Gang 37 so eng gewickelt ist, dass die Anschlagstücke 38,38' die Schraubenfeder formschlüssig mitnehmen. Sobald sich die Kolben 20,21 dem ventilabgewandten Totpunkt nähern, spannt das Anschlagstück 38' die Feder 36 so weit vor, dass die magnetische Kraft der Magnete 32,35 überwunden wird, wodurch der Ventilkolben 24,32 in die zweite, bistabile Lage springt. Nunmehr kommuniziert die Leitung 31 mit der Druckwasserleitung 5, und die Kolben 20,21 bewegen sich in entgegengesetzter Richtung. Es vertauschen sich auch die Verbindungen der Leitungen 34 und 29, so dass nunmehr die Leitung 29 mit der Leitung 4 und die Leitung 34 mit der Leitung 7 kommuniziert. Nähern sich die Kolben 20, 21 der Ausgangslage, so wird die Feder 36 durch das Anschlagstück 38 zusammengedrückt, bis wiederum die Kraft der Magnete 32,35 überwunden wird und der Ventilkolben 24,32 in die ursprüngliche Lage zurückspringt. Nunmehr beginnt der Zyklus von neuem.

Figur 4 zeigt den wassermotorseitigen Bereich einer konstruktiv vorteilhaften Ausführungsform des Druckübertragers, wobei Figur 5 den mittleren Bereich und den pumpen-seitigen Teil und Figur 6 einen Querschnitt wiedergibt. Diese 3 Figuren sollen nachstehend gemeinsam beschrieben werden.

Die Kolben 41 und 51 sind durch die als Rohr ausgebildete Kolbenstange 42 miteinander verbunden. Die Kolbenstange durchsetzt die Trennwand 46, in der sich die Dichtelemente 47 befinden. Innerhalb der Kolbenstange ist längsver-schieblich die Umschaltstange 48 angeordnet. Diese Umschaltstange weist einen Mitnahmering 49 auf, der mit den Schraubenfedern 43 und 53 zusammenwirkt. Die Umschaltstange ist durch den Permanentmagneten 54 bistabil gelagert, denn dieser liegt entweder an der Eisenplatte 55 oder an der Eisenplatte 56 an. Über Ausleger 57,58 und 59 werden die Blattfederventile 60,61,62 und 63 betätigt. Die Ventilsitze werden durch die Platte 64,65,66,67 und 68 gebildet. Durch den Eintrittsstutzen 69 tritt Druckwasser in den Raum 70 ein und gelangt in der dargestellten Position des Ventils 60 in den Raum 71. Dieser Raum kommuniziert über die Umführungsleitung 72 und dem Durchbruch 73 mit dem inneren Trennwandbereich 74 des Motorzylinders 75 und

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verschiebt den Kolben 41 Richtung des Pfeils 76. Sobald die Feder 53 eine grössere Vorspannung erreicht hat, als die Haftkraft des Magneten 54, springt die Umschaltstange 48 in die entgegengesetzte Position. Nunmehr öffnet der Ausleger 58 das Ventil 61, das Druckwasser strömt durch den Raum 77 und das Rohr 78 in den ventilseitigen Bereich 79 des Motorzylinders 75. Nunmehr bewegen sich die Kolben 41 und 51 in entgegengesetzter Richtung. Während vorher die Füllung im Raum 79 durch das Ventil 63 in den Raum 80 gepresst wurde, der über das Rohr 81 mit dem kaltwasserseitigen Austrittsstutzen 82 kommuniziert, verbindet nunmehr das Ventil 62 den Raum 80 mit dem Raum 83, der über ein Rohr 84 mit dem Raum 71 und über diesen mit der Umführungsleitung 72 über die Bohrung 73 mit dem Zylinderbereich 74 kommuniziert. Die gleiche Grundanordnung findet sich im Pumpenbereich wieder, jedoch sind dort die Ventile nicht zwangsgesteuert. Der Pumpenzylinder 85 ist ebenfalls unterteilt in die Räume 86 und 87. Bewegt sich der Kolben 51 in Richtung des Pfeils 88, so strömt das im Raum 87 eingeschlossene Wasser durch das Rohr 89 in den Raum 90, öffnet das Ventil 91 und gelangt durch den Raum 92 und das Rohr 93 in den Austrittsstutzen 94. Der Eintrittsstutzen 95 kommuniziert mit dem Raum 96 während der Raum 97 über die Umgehungsleitung 98 mit dem Raum 86 kommuniziert. Durch den dort gebildeten Unterdruck öffnet sich das Ventil 99 und das angesaugte Wasser tritt über den Raum 97 in den Raum 86 ein. Sobald sich die Bewegungsrichtung des Kolbens 51 umkehrt, schliesst sich das Ventil 91, gleichzeitig öffnet sich das Ventil 100, so dass die Strömung vom Eintrittsstutzen 95 über das Rohr 101, den Raum 96, den Raum 90 und das Rohr 89 in den Zylinderraum 87 strömt. Bei dieser Bewegungsrichtung entsteht im Zylinderraum 86 Überdruck. Deshalb schliesst sich das Ventil 99 und über den Raum 97 strömt das Heisswasser durch das Ventil 102 in den Raum 103 und von diesem in den Austrittsstutzen 94.

Der motorseitige, wie der pumpseitige Ventilbereich besteht aus den Scheiben 110 mit drei Stutzen, III mit einem Ventilsitz und drei Rohrdurchtritten, 112 mit einem Ventilsitz und zwei Rohrdurchtritten, 113 mit einem Ventilsitz und einem Rohrdurchtritt, 114 mit einem Ventilsitz und zwei Rohrdurchtritten und 115 mit nur einem Rohrdurchtritt.

Diese Scheiben weisen Rillen 116 auf, in welche O-Ringe eingesetzt sind. Sie werden durch zylindrische Ringe 117 und die Zylinderbüchse 85 auf Distanz gehalten.

Zur Vermeidung pulsierender Strömung wird dem Druckstutzen 94 ein Membranbehälter nachgeschaltet, dessen Membran einseitig mit dem unter Druck stehenden Heisswasser in Verbindung steht und auf der anderen Seite zusammen mit einer Blechkappe einen gasgefüllten Raum einschliesst. Das gesamte Gerät wird vorzugsweise isoliert, damit keine Wärmeverluste auftreten und damit sich kein Schwitzwasser bildet.

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2 Blatt Zeichnungen