Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Betriebsverfahren für einen elektrischen Durchlauferhitzer gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf eine Schaltanordnung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Solche elektrischen Durchlauferhitzer sind bekannt. Sie bestehen aus einem Kunststoffkanalblock, der einen durchgehenden Wasserkanal aufweist, in dem, hydraulisch in Serie liegend, wenigstens vier beheizte Widerstände vorgesehen sind, die alle über Schalter an ein Drehstromnetz an- beziehungsweise von ihm abgeschaltet werden können. Mitunter sind zwischen den beheizten Kanalstrecken auch unbeheizte Strecken vorgesehen. Somit wird die elektrische Leistung als Wärme nicht gleichmässig auf den Wasserstrom im Kanal übertragen, sondern schrittweise.
Muss eine elektrische Leistung angepasst werden, beispielsweise weil der Verbraucher kühleres oder wärmeres Wasser verlangt oder weil der Durchsatz vom Verbraucher durch Variation des \ffnungsgrades des Zapfventils geändert wird, so erfolgt diese Anpassung stufenweise, indem ein oder mehrere Widerstände vom Netz getrennt beziehungsweise an es angeschaltet werden beziehungsweise indem der Schaltzustand des den Widerstand beherrschenden Triacs geändert wird (zum Beispiel Schwingungspaketsteuerung). Bei solchen Leistungsanpassungen ergeben sich Temperaturschwankungen des auslaufenden Wassers.
Temperaturschwankungen ergeben sich weiterhin, wenn Leistungsanpassungen aufgrund äusserer Störgrössen auf das System einwirken, beispielsweise bei Änderung des Durchsatzes aufgrund von Schwankungen des Wasserdrucks oder bei Schwankungen der Einlauftemperatur oder von Schwankungen der Speisespannung des speisenden Drehspannungsnetzes.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gesteuerte Auslauftemperatur eines solchen Durchlauferhitzers möglichst konstant zu halten, obwohl derartige Störungen mit der Folge der Leistungsanpassung auf die Beheizung einwirken.Darüber hinaus ist eine diesbezügliche Schaltanordnung anzugeben.
Die Lösung der Aufgabe liegt in den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 5.
Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. In der nachfolgenden Beschreibung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur der Zeichnung näher erläutert.
Der Durchlauferhitzer besteht aus einem Kunststoffkanal, der einen Wasserkanal 1 aufweist. Dieser weist einen Anhang 2 und ein Ende 3 auf. An das Ende schliesst sich eine Zapfwasserleitung an, die von einem Zapfventil 4 beherrscht wird. Aufgrund der Querschnittsabmessungen des Kanals ergibt sich ein Durchsatz D in einer Richtung des Pfeils 5. Am Beginn 2 des Kanals ist ein Wasserschalter 6 angeordnet, der über einen Hebel 7 mit einem dreiphasigen Leistungsschalter 8 verbunden ist, der ein speisendes Drehspannungsnetz mit Aussenleitern L1, L2 und L3 an das System anschalten kann oder es von ihm trennt. In dem Wasserkanal 1 liegen hydraulisch in Serie beheizbare Widerstände in Form von Blankdrahtwicklungen R1 bis R4.
Von diesen ist der Widerstand R1 an seinem einen Ende 9 über eine Leitung 10 mit dem Aussenleiter L2 verbunden, sein anderes Ende 11 ist über einen Triac V1 und eine Leitung 12 mit dem Aussenleiter L3 verbunden. Die Steuerelektrode 13 des Triacs ist über eine Leitung 14 mit einer Steuereinrichtung 15 verbunden. Der Widerstand R1 ist der letzte beheizte Widerstand des Kanals. In einem Abstand 16 stromauf von ihm befindet sich der Widerstand R2, dessen eines Ende 17 über einen Triac V2 und eine Leitung 18 mit dem Aussenleiter L1 verbunden ist. Das stromaufseitige Ende 19 des Widerstandes R2 ist über eine Leitung 20 zu einem Verbindungspunkt 21 geführt, der die Leitung 20 mit der Leitung 12 verbindet.
In einem weiteren Abstand 22 stromauf vom Widerstand R2 ist der Widerstand R3 angeordnet, dessen stromabseitiges Ende 23 über einen Triac V3 und eine Leitung 24 mit einem Verbindungspunkt 25 verbunden ist, der die Leitung 24 mit der Leitung 18 verbindet. Das stromaufseitige Ende 26 des Widerstandes R3 ist über eine Leitung 27 mit einem Verzweigungspunkt 28 verbunden, der in der Leitung 12 liegt. In einem weiteren Abstand 29 stromauf des Widerstandes R3 ist der Widerstand R4 angeordnet, der über eine Leitung 30 mit einem Verbindungspunkt 31 in der Leitung 18 und über eine Leitung 32 mit einem Verbindungspunkt 33 in der Leitung 10 verbunden ist.
Dieser Widerstand R4 ist unmittelbar mit den Aussenleitern L1 und L2 verbunden, wenn man vom Schalter 8 absieht. Bei Einschaltung des Wasserschalters 6 ist dieser Widerstand stets mit derselben Spannung beheizt. Stromab des Widerstandes R4 ist ein Temperaturfühler 34 angeordnet, der über eine Leitung 35 mit der Steuervorrichtung 15 verbunden ist. Der Widerstand R1 weist eine Längenabmessung 40, der Widerstand R2 eine solche von 41, der Widerstand R3 eine solche von 42 und der Widerstand R4 eine solche von 43 auf.
Stromauf des Widerstandes R4 ist ein weiterer Temperaturfühler 36 angeordnet, der über eine Messleitung 37 mit der Steuervorrichtung 15 verbunden ist. Die Steuervorrichtung 15 ist mit einem Sollwertgeber 38 versehen, der über eine Leitung 39 auf sie geschaltet ist.
Die Steuervorrichtung 15 schaltet die Schaltzustände der Triacs V1 bis V3 derart, dass der Triac V1 eine sehr feinstufig variierbare Leistungsdarbietung am Widerstand R1 gestattet. Die Leistungsstufung an den Widerständen R2 und R3 ist im Gegensatz zur eben genannten sehr viel grober darstellbar. Insbesondere sind die Widerstände R2 und R3 nur fest zu- bzw. abschaltbar. Der Widerstand R1, der die feinstufig darstellbare Leistung gestattet, kann auch aus mehreren Teilwiderständen bestehen.
Die Schaltung bzw. das Betriebsverfahren für die Schaltung arbeitet nun wie folgt:
Wird durch \ffnen des Zapfventils 4 Wasser gezapft, so betätigt der Wasserschalter 6 den Leistungsschalter 8, so dass das speisende Drehspannungsnetz mit seinen Aussenleitern auf die Widerstände schaltbar ist. Die Leistung hängt jetzt von den Schaltzuständen der Triacs bzw. ihrer Betriebsweise ab. Die Steuervorrichtung 15 schaltet die Triacs ein bzw. aus bzw. beaufschlagt sie mit einer Schwingungspaketsteuerung mit variablem Tastverhältnis.
Mit dem Temperaturfühler 36 wird die Einlauftemperatur bzw. deren Schwankungen erfasst. Mit dem Messfühler 34 wird die Temperatur stromab des fest an Spannung liegenden Widerstandes R4 erfasst.
Aus der Differenz der beiden Temperaturwerte ist bei vorgegebener Spannung am Widerstand R4 und bei vorgegebenem Kanalquerschnitt der Durchsatz bzw. die Durchsatzgeschwindigkeit ermittelbar. Andererseits sind bei gegebenem Durchsatz aus der Differenz der beiden Temperaturwerte die Schwankungen der Versorgungsspannung erfassbar.
Genaugenommen wird nur eine Schwankung zwischen den Aussenleitern L1 und L2 erfasst. Will man die beiden anderen möglichen Spannungsänderungen auch erfassen, wäre der Festwertwiderstand 4 entsprechend zu unterteilen und zu beschalten.
Wird ein bestimmter Wasserdurchsatz durch den \ffnungsgrad des Ventils 4 eingestellt, und liegt die Einlauftemperatur fest, so muss abhängig davon eine bestimmte elektrische Leistung durch die Widerstände R1 bis R4 dargeboten werden, um zur gewünschten Auslauftemperatur zu kommen. Dies ist durch Einstellung unterschiedlicher Schaltzustände der Triacs V1 bis V3 abhängig von den gemessenen Temperaturwerten möglich.
Ändern sich jetzt bei fester vorgegebener Auslauftemperatur die Störgrössen, wie die Höhe der Einlauftemperatur, Grösse des Durchsatzes bzw. Höhe der speisenden Aussenleiterspannung, so folgt hieraus zunächst eine Änderung der Auslauftemperatur. Dies macht eine Änderung der durch die Widerstände R1 bis R3 erzeugten Leistung und damit der Schaltzustände der Triacs V1 bis V3 erforderlich, die sich wieder aus den Temperaturmesswerten ergibt, um die entstehende Änderung der Auslauftemperatur zu kompensieren. Wird diese Leistungsänderung oder Zusatzleistung, die positiv oder negativ sein kann, unmittelbar vorgenommen, so führt dies im allgemeinen zu nicht gewünschten temporären Schwankungen in Form von Erhöhungen bzw. Errniedrigungen der Auslauftemperatur.
Zur Vermeidung solcher Schwankungen wird erfindungsgemäss so vorgegangen, dass der Einfluss einzelner Störgrössen und die daraus resultierenden erforderlichen einzelnen Kompensationsleistungen ermittelt werden.
Diese Kompensationsleistungen werden dann abhängig vom Ort des Entstehens der entsprechenden Temperaturänderung und dem Ort der Widerstände, die die Kompensationsleistungen aufbringen, zeitverzögert eingestellt, wobei sich die Zeitverzögerung aus den geometrischen Abmessungen der unbeheizten Strecken zwischen den Widerständen und den Längenerstreckungen der Widerstände 40, 41, 42, 43 und dem Durchsatz, der aus den gemessenen Temperaturwerten ermittelt wird, ergibt.
Ändert sich beispielsweise die Einlauftemperatur am Anfang des Wasserkanals, so wird diese Änderung vom Temperaturfühler 36 unmittelbar erfasst. Soll diese Störgrössenänderung beispielsweise durch den Widerstand R1 kompensiert werden, so muss dies verzögert geschehen, da die Änderung der Einlauftemperatur aufgrund der endlichen Durchflussgeschwindigkeit des Wassers durch den Kanal 2 eine gewisse Zeit braucht, um an die Kompensationsstelle zu gelangen. Demgemäss verzögert setzt die Leistungskompensation ein. Da dies abhängig vom Durchsatz geschieht, ist die Durchsatzmessung wieder über das System, bestehend aus den Temperaturfühlern 36 und 34 in Verbindung mit dem Widerstand R4, möglich.
Die zu beachtenden Verzögerungszeiten sind in der Steuervorrichtung 15 gespeichert und sind natürlich unterschiedlich, je nachdem an welcher Stelle der Widerstände R1 bis R3 die Kompensation erfolgt, wobei auch eine Kompensation an mehreren Stellen möglich ist, wobei sich dann unterschiedliche Kompensationsteilzeiten ergeben.
Die Änderungen der Störgrössen Durchsatz- und Aussenleiterspannungsänderungen werden gemeinsam analog kompensiert. Wesentlich ist aber, dass der Einfluss einzelner oder zusammengefasster Störgrössen gesondert ermittelt und in jeweils eine Kompensationsleistung umgesetzt wird, wobei dann die Kompensationseinzelleistungen an einem Widerstand wieder zusammengesetzt umgesetzt werden können aber nicht müssen.
Im Zuge der Leistungsanpassung an die gewünschte Auslauftemperatur treten Schaltzustände ein, bei denen ein Widerstand, beispielsweise R2, abgeschaltet wird und statt dessen der Widerstand R3 eingeschaltet wird, um von einem Leistungsniveau auf ein anderes Leistungsniveau zu konmen. In diesem Fall wird hierbei bei feinstufiger Leistungsanpassung der Widerstand R1 i.a. auch in seinem Tastzustand geändert. Das führt aber dazu, dass bei solchen Umschaltungen ganz allgemein im Zuge des durchlaufenden Wassers Zonen mit Temperaturerniedrigung bzw. Temperaturerhöhung entstehen, die örtlich begrenzt durch den Kanal laufen.
Diese führen zu zeitlich begrenzten Schwankungen der Auslauftemperatur, die vom Benutzer des Gerätes unangenehm empfunden werden. Aus diesem Grunde werden erfindungsgemäss diese Schaltzustandsänderungen in der Steuervorrichtung 15 in Kompensationsmassnahmen umgesetzt, die ebenso temporär begrenzt sind.
Vorzugsweise wird am letzten beheizten Widerstand des Systems, hier R1, der eine feinstufige Leistungseinstellung gestattet, eine zeitlich begrenzte Kompensationsleistung zugegeben bzw. abgezogen, um im Zuge des Durchflusses entstehende Temperaturerhöhungen oder Erniedrigungen auszugleichen. So kann man auch aufgrund der Schaltzustandsänderungen auftretende Temperaturberge oder -täler am Ende des Durchflusskanals ausgleichen. Ist ein stationärer Zustand wieder erreicht, so ist ein solcher Ausgleich nicht mehr nötig. Er beschränkt sich also auf begrenzte Zeiten unmittelbar nach Schaltzustandsänderungen in den Widerständen.
The present invention relates to an operating method for an electrical instantaneous water heater according to the preamble of claim 1 and to a switching arrangement for carrying out this method.
Such electric instantaneous water heaters are known. They consist of a plastic channel block, which has a continuous water channel in which, hydraulically in series, at least four heated resistors are provided, all of which can be switched on or off by a three-phase network. Sometimes unheated sections are also provided between the heated sewer sections. Thus, the electrical power as heat is not transferred evenly to the water flow in the sewer, but gradually.
If electrical power has to be adjusted, for example because the consumer requires cooler or warmer water or because the throughput is changed by the consumer by varying the degree of opening of the nozzle, this adjustment is carried out in stages by disconnecting one or more resistors from the mains or switching them on or by changing the switching state of the triac dominating the resistance (for example, vibration packet control). With such performance adjustments, there are fluctuations in the temperature of the escaping water.
Temperature fluctuations continue to occur when power adjustments affect the system due to external disturbances, for example when the throughput changes due to fluctuations in water pressure or fluctuations in the inlet temperature or fluctuations in the supply voltage of the supplying three-phase network.
The object of the present invention is to keep the controlled outlet temperature of such a continuous-flow heater as constant as possible, although such disturbances, with the result of the output adjustment, act on the heating.
The solution to the problem lies in the characterizing features of the independent claims 1 and 5.
Further refinements and particularly advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims. In the following description, an embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the figure of the drawing.
The instantaneous water heater consists of a plastic channel which has a water channel 1. This has an attachment 2 and an end 3. At the end there is a tap water line which is controlled by a tap valve 4. Due to the cross-sectional dimensions of the channel, a throughput D results in a direction of arrow 5. At the beginning 2 of the channel, a water switch 6 is arranged, which is connected via a lever 7 to a three-phase circuit breaker 8, which supplies a three-phase supply network with outer conductors L1, L2 and L3 can turn on or disconnect the system. In the water channel 1 there are hydraulically heated resistors in the form of bare wire windings R1 to R4.
Of these, the resistor R1 is connected at one end 9 to the outer conductor L2 via a line 10, its other end 11 is connected to the outer conductor L3 via a triac V1 and a line 12. The control electrode 13 of the triac is connected to a control device 15 via a line 14. Resistor R1 is the last heated resistance of the channel. At a distance 16 upstream from it is the resistor R2, one end 17 of which is connected to the outer conductor L1 via a triac V2 and a line 18. The upstream end 19 of the resistor R2 is led via a line 20 to a connection point 21 which connects the line 20 to the line 12.
At a further distance 22 upstream from the resistor R2, the resistor R3 is arranged, the downstream end 23 of which is connected via a triac V3 and a line 24 to a connection point 25 which connects the line 24 to the line 18. The upstream end 26 of the resistor R3 is connected via a line 27 to a branch point 28 which is in the line 12. At a further distance 29 upstream of the resistor R3, the resistor R4 is arranged, which is connected via a line 30 to a connection point 31 in the line 18 and via a line 32 to a connection point 33 in the line 10.
This resistor R4 is directly connected to the outer conductors L1 and L2, except for the switch 8. When the water switch 6 is switched on, this resistor is always heated with the same voltage. A temperature sensor 34 is arranged downstream of the resistor R4 and is connected to the control device 15 via a line 35. Resistor R1 has a length dimension 40, resistor R2 has a length of 41, resistor R3 has a length of 42 and resistor R4 has a length of 43.
A further temperature sensor 36 is arranged upstream of the resistor R4 and is connected to the control device 15 via a measuring line 37. The control device 15 is provided with a setpoint generator 38, which is connected to it via a line 39.
The control device 15 switches the switching states of the triacs V1 to V3 in such a way that the triac V1 permits a very finely variable power presentation at the resistor R1. In contrast to the one just mentioned, the power rating at resistors R2 and R3 can be represented much more roughly. In particular, the resistors R2 and R3 can only be switched on or off permanently. The resistor R1, which allows the power to be displayed in fine stages, can also consist of several partial resistors.
The circuit or the operating method for the circuit now works as follows:
If water is tapped by opening the dispensing valve 4, the water switch 6 actuates the circuit breaker 8 so that the three-phase supply network with its outer conductors can be switched to the resistors. The performance now depends on the switching states of the triacs and their mode of operation. The control device 15 switches the triacs on or off or applies a vibration packet control with a variable pulse duty factor.
The inlet temperature and its fluctuations are recorded with the temperature sensor 36. The sensor 34 detects the temperature downstream of the fixed resistor R4.
The throughput or throughput speed can be determined from the difference between the two temperature values for a given voltage across resistor R4 and for a given channel cross section. On the other hand, for a given throughput, the fluctuations in the supply voltage can be determined from the difference between the two temperature values.
Strictly speaking, only a fluctuation between the outer conductors L1 and L2 is recorded. If one also wants to record the two other possible voltage changes, the fixed value resistor 4 would have to be subdivided and connected accordingly.
If a certain water flow rate is set by the degree of opening of the valve 4 and the inlet temperature is fixed, then depending on this a certain electrical power must be provided by the resistors R1 to R4 in order to reach the desired outlet temperature. This is possible by setting different switching states of the Triacs V1 to V3 depending on the measured temperature values.
If the disturbance variables change, such as the level of the inlet temperature, the size of the throughput or the level of the supplying line voltage, then a change in the outlet temperature follows first. This necessitates a change in the power generated by the resistors R1 to R3 and thus in the switching states of the triacs V1 to V3, which again results from the temperature measured values in order to compensate for the change in the outlet temperature which arises. If this change in performance or additional performance, which can be positive or negative, is carried out immediately, this generally leads to undesired temporary fluctuations in the form of increases or decreases in the outlet temperature.
To avoid such fluctuations, the procedure according to the invention is such that the influence of individual disturbance variables and the resultant required individual compensation powers are determined.
These compensation powers are then set with a time delay depending on the location of the corresponding temperature change and the location of the resistors that provide the compensation powers, the time delay resulting from the geometric dimensions of the unheated distances between the resistors and the length of the resistors 40, 41, 42 , 43 and the throughput, which is determined from the measured temperature values.
If, for example, the inlet temperature changes at the beginning of the water channel, this change is immediately detected by the temperature sensor 36. If this disturbance variable change is to be compensated for, for example, by the resistor R1, this must be delayed, since the change in the inlet temperature takes a certain amount of time due to the finite flow rate of the water through the channel 2 to reach the compensation point. Accordingly, the power compensation starts with a delay. Since this happens depending on the throughput, the throughput measurement is again possible via the system, consisting of the temperature sensors 36 and 34 in conjunction with the resistor R4.
The delay times to be observed are stored in the control device 15 and are of course different, depending on at which point of the resistors R1 to R3 the compensation takes place, wherein compensation is also possible at several points, which then result in different partial compensation times.
The changes in the disturbance variables throughput and outer conductor voltage changes are jointly compensated for in analog fashion. It is essential, however, that the influence of individual or summarized disturbance variables is determined separately and is converted into a compensation power, in which case the compensation single-cell power can then be reassembled on a resistor, but need not be.
In the course of the power adaptation to the desired outlet temperature, switching states occur in which a resistor, for example R2, is switched off and instead the resistor R3 is switched on in order to move from one power level to another power level. In this case, the resistor R1 i.a. also changed in its tactile state. However, this means that in the case of such switchovers, zones with temperature decrease or temperature increase occur in the course of the water flowing through, which run locally through the channel.
These lead to temporary fluctuations in the outlet temperature, which are perceived as unpleasant by the user of the device. For this reason, according to the invention, these switching state changes are implemented in the control device 15 in compensation measures, which are also temporarily limited.
A time-limited compensation power is preferably added or subtracted to the last heated resistor of the system, here R1, which permits a fine-tuned power setting, in order to compensate for temperature increases or decreases occurring in the course of the flow. In this way, temperature peaks or troughs occurring at the end of the flow channel due to the changes in the switching state can also be compensated for. If a steady state is reached again, such compensation is no longer necessary. It is therefore limited to limited times immediately after the switching state changes in the resistors.