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Die
Erfindung betrifft eine Mehrstufen-Wärmetauscheranordnung mit einer
Primärseite
und einer Sekundärseite,
die in wärmeübertragender
Verbindung stehen und in entgegengesetzte Richtungen durchströmbar sind,
wobei die Primärseite
mindestens zwei in Strömungsrichtung
versetzte Einspeisepunkte aufweist und eine Ventilanordnung vorgesehen
ist, die mit einer Temperaturfühleranordnung
zusammenwirkt und einen Strom eines Wärmeträgerfluids durch die Primärseite steuert.
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Eine
derartige Mehrstufen-Wärmetauscheranordnung
ist beispielsweise aus
DE
197 02 897 C2 bekannt. Hier wird beim Zapfen von Brauchwasser auf
der Sekundärseite
der Rücklauf
einer Wärmequelle über ein
Ventil geöffnet,
so daß die
Primärseite des
Wärmetauschers
von heißem
Wasser aus der Wärmequelle
durchströmt
wird. In Abhängigkeit
von der Vorlauftemperatur des primärseitigen Wärmeträgermediums wird ein Drei-Wege-Ventil
von einem Temperaturfühler
gesteuert. Mit Hilfe dieses Ventils wird das Wärmeträgermedium, in der Regel heißes Wasser,
durch einen oder durch mehrere Rohrabschnitte im Wärmetauscher
geleitet. Dadurch wird die wirksame wärmeübertragende Fläche zwischen der
Primärseite
und der Sekundärseite
vergrößert oder
verkleinert. Es ist also möglich,
die Kapazität des
Wärmetauschers
in Abhängigkeit
von der Temperatur auf der Primärseite
einzustellen, was wiederum eine Temperaturvorregelung des Brauchwassersystems
auf der Sekundärseite
ergibt und zwar durch eine Verkürzung
oder Verlängerung
der thermischen Länge
des Wärmetauschers
in Abhängigkeit
von der Vorlauftemperatur der Wärmequelle.
Dadurch wird eine Anpassung der Wärmetauscherkapazität an den aktuellen
Bedarf und eine Verbesserung der Stabilität bei der Brauchwassertemperatur
erzielt.
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Allerdings
hat sich gezeigt, daß ein
derartiges System relativ träge
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine stabile Einstellung der
Temperatur am Ausgang der Sekundärseite
zu erzielen.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Mehrstufen-Wärmetauscheranordnung der eingangs
genannten Art dadurch gelöst,
daß die
Ventilanordnung für
jeden Einspeisepunkt ein eigenes Ventil aufweist.
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Die
Verwendung von mehreren Ventilen, die entsprechend kleiner ausgebildet
sein können,
erlaubt eine schnellere Einstellung und eine verbesserte Stabilität. Darüber hinaus
ist die Ausbildung mit mehreren Ventilen, die im Prinzip als einfache
Drosselventile ausgebildet sein können, kostengünstiger als
die Verwendung von Drei-Wege-Ventilen,
die einen komplizierteren Aufbau haben. Mit der neuen Ausgestaltung
kann man auch dafür
sorgen, daß ein Strom
des Wärmeträgermediums
nicht einfach nur nach Art eines Drei-Wege-Ventils auf die Primärseite der
Wärmetauscheranordnung
verteilt wird. Man kann vielmehr auch alle Einspeisepunkte mit Wärmeträgerflüssigkeit
versorgen. So ist es beispielsweise möglich, bei einem niedrigen
Wärmeverbrauch
auf der Sekundärseite
nur einen Einspeisepunkt mit Wärmeträgerflüssigkeit
zu versorgen, der stromab des ersten Einspeisepunktes auf der Primärseite liegt.
Da das entsprechende Ventil nur kleine Durchflußmengen regeln soll, wird eine
bessere Stabilität erreicht,
weil sich ein kleines Ventil einfacher und schneller regeln läßt. Man
hat auch einen kleineren "wirksamen" Wärmetauscher
und damit eine kleinere Verstärkung.
Die Regelung wird damit schneller und stabiler. Bei einem größeren Wärmeverbrauch
am Ausgang der Sekundärseite
kann man dann den Strom der Wärmeträgerflüssigkeit
durch die gesamte Primärseite
leiten. Schließlich
ist es auch möglich, alle
Einspeisepunkte gleichzeitig mit Wärmeträgerflüssigkeit zu versorgen, so daß eine zusätzliche thermische
Beaufschlagung der Sekundärseite
ermöglicht
wird. Diese gestufte Vergrößerung der
Energiezufuhr ergibt wieder eine stabilere Regelung, indem Unter-
und Überschwingen
bei den beschriebenen Kombinationen vermindert wird.
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Vorzugsweise
weist die Temperaturfühleranordnung
mindestens einen Temperatursensor auf, der die Temperatur des Fluids
auf der Sekundärseite ermittelt.
Damit läßt sich
der Zufluß von
Wärmeträgerflüssigkeit
auf der Primärseite
in Abhängigkeit
von der Temperatur des Fluids auf der Sekundärseite steuern.
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Vorzugsweise
weist die Temperaturfühleranordnung
eine der Anzahl der Einspeisepunkte entsprechende Anzahl von Temperatursensoren
auf, die auf der Sekundärseite
angeordnet sind. Damit läßt sich
die Temperaturbeeinflussung der Sekundärseite durch die Primärseite noch
besser erfassen.
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Dies
gilt insbesondere dann, wenn die Temperaturfühler die Temperatur auf der
Sekundärseite im
Bereich eines Einspeisepunktes auf der Primärseite ermitteln. Damit läßt sich
die Wirkung der über einzelne
Einspeisepunkte auf der Primärseite
zugeführten
Wärmeträgerflüssigkeit
noch besser erfassen. Es ergibt sich eine weitaus genauere Regelung.
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Hierbei
ist besonders bevorzugt, daß jeder Temperatursensor
einem Ventil zugeordnet ist. Es gibt also eine Anzahl von Temperatursensoren,
die der Anzahl der Ventile entspricht. Man kann beispielsweise jedes
Ventil durch seinen zugeordneten Temperatursensor steuern lassen.
Gegebenenfalls ist es hierbei von Vorteil, wenn man gewisse Hierarchien
einhält.
Eine mögliche
Vorgehensweise besteht dann darin, daß man zunächst nur das Ventil betätigt, das
den am weitesten stromabwärts
gelegenen Einspeisepunkt auf der Primärseite versorgt. Erst wenn
dieses Ventil vollständig
geöffnet
ist, und die Temperatur noch nicht ausreicht, wird ein Ventil geöffnet, das
einen weiter stromaufwärts
gelegenen Einspeisepunkt versorgt. Auf diese Weise bekommt man eine gestufte
Vorgehensweise, die relativ schnell die gewünschte Temperatur auf der Sekundärseite erzeugen
kann.
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In
einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß die Temperatursensoren
mit einer gemeinsamen Steuereinrichtung verbunden sind, die die
Ventile steuert. Die Steuereinrichtung kann dann aus der Gesamtheit
der Temperaturinformationen den Wärmebedarf ermitteln und dann
möglicherweise
eine andere Verteilung der Wärmeträgerflüssigkeit auf
die Primärseite
verursachen, um die gewünschte Brauchwassertemperatur
am Ausgang der Sekundärseite
zu erhalten.
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Vorzugsweise
ist mindestens ein Ventil, das mit einem in Strömungsrichtung stromab des ersten Einspeisepunktes
angeordneten Einspeisepunkt verbunden ist, mit einem Differenzdruckregler
kombiniert, der den Druck über
das Ventil konstant hält.
Mit einer derartigen Ausgestaltung ist die Zufuhr der Wärmeträgerflüssigkeit
durch dieses Ventil und damit prinzipiell auch die Zufuhr der Wärme durch
dieses Ventil nur vom Öffnungsgrad
dieses Ventils abhängig.
Dies erleichtert die Regelung ganz erheblich.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
erste Ausgestaltung einer Mehrstufen-Wärmetauscheranordnung,
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2 eine
zweite Ausgestaltung einer Wärmetauscheranordnung
und
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3 eine
dritte Ausgestaltung einer Wärmetauscheranordnung.
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1 zeigt
eine Wärmetauscheranordnung 1 mit
einem Wärmetauscher 2,
der eine Primärseite 3 und
eine Sekundärseite 4 aufweist.
Die Primärseite 3 und
die Sekundärseite 4 sind
hier lediglich schematisch dargestellt. Sie stehen in einer wärmeübertragenden
Verbindung zueinander, so daß Wärme, die von
einem Wärmeträgerfluid
auf der Primärseite 3 zugefördert wird,
an ein anderes Fluid, beispielsweise Brauchwasser, an der Sekundärseite 4 übertragen werden
kann. Wie dies durch Pfeile dargestellt ist, wird die Primärseite in
einer ersten Richtung durchströmt
(bezogen auf die Darstellung der 1: von rechts
nach links) und die Sekundärseite 4 in
entgegengesetzter Richtung. Brauchwasser wird der Sekundärseite 4 über einen
Eingang 5 zugeführt
und an einem Ausgang 6 abgenommen. Der Primärseite wird
ein Wärmeträgerfluid,
beispielsweise heißes Wasser
aus einer Fernheizungsanlage, über
einen Vorlauf 7 zugeführt
und über
einen Rücklauf 8 abgenommen.
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Der
Vorlauf 7 spaltet sich in zwei Zweigleitungen 9, 10,
von denen die erste Zweigleitung 9 mit einem ersten Einspeisepunkt 11 der
Primärseite 3 und die
zweite Zweigleitung 10 mit einem zweiten Einspeisepunkt 12 der
Primärseite 3 verbunden
ist. Der zweite Einspeisepunkt 12 liegt bezogen auf die Durchströmung der
Primärseite 3 stromab
des ersten Einspeisepunkts 11. Wärmeträgerfluid, das dem ersten Einspeisepunkt 11 zugeführt wird, durchströmt also
die gesamte Primärseite 3 des
Wärmetauschers 2.
Wärmeträgerfluid,
das am zweiten Einspeisepunkt 12 in die Primärseite 3 eingespeist
wird, durchströmt nur
einen Teil der Primärseite 3 des
Wärmetauschers,
d.h. ein erster Abschnitt 13 der Primärseite 3 wird von
dem Wärmeträgerfluid,
das am zweiten Einspeisepunkt 12 zugeführt wird, nicht zur Wärmeübertragung
genutzt.
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Dementsprechend
hat auch die Sekundärseite 4 zwei
Abschnitte 14, 15, von denen der Abschnitt 14 immer
zur Wärmeübertragung
von der Primärseite 3 auf
die Sekundärseite 4 (oder
umgekehrt) genutzt wird, während
der Abschnitt 15 nur dann verwendet wird, wenn das Wärmeträgerfluid über die Zweigleitung 9 dem
ersten Einspeisepunkt 11 zugeführt wird.
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In
der ersten Zweigleitung 9 ist ein erstes Ventil 16 und
in der zweiten Zweigleitung 10 ist ein zweites Ventil 17 angeordnet.
Beide Ventile steuern den Zufluß von
Wärmeträgerfluid
zur Primärseite 3 in den
jeweils angeschlossenen Einspeisepunkt 11, 12. Wenn
das erste Ventil 16 geöffnet
wird, dann wird der erste Einspeisepunkt 11 mit Wärmeträgerfluid
versorgt, das dann die gesamte Primärseite 3 durchströmt. Wenn
das zweite Ventil 17 geöffnet
wird, dann wird Wärmeträgerfluid
am zweiten Einspeisepunkt 12 zugeführt, so daß eine Wärmeübertragung nur am zweiten Abschnitt 14 auf
die Sekundärseite 4 erfolgt. Selbstverständlich ist
es auch möglich,
beide Ventile 16, 17 zu öffnen, so daß nur ein
Teil des Wärmeträgerfluids
durch den Abschnitt 13 fließt, während der Rest der Primärseite 3 mit
einer größeren Menge
an Wärmeträgerfluid
versorgt wird.
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Zur
Steuerung der Ventile 16, 17 ist ein erster Temperaturfühler 18 vorgesehen,
der im Bereich des ersten Einspeisepunkts 11 angeordnet
ist, und ein zweiter Temperaturfühler 19,
der im Bereich des zweiten Einspeisepunkts 12 angeordnet
ist. Beide Temperaturfühler 18, 19 erfassen
die Temperatur auf der Sekundärseite 4.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Temperaturfühler 18 dem
Ventil 16 und der Temperaturfühler 19 dem Ventil 17 zugeordnet, so
daß man
die Zufuhr von Wärmeträgerfluid
unmittelbar in Abhängigkeit
von der Temperatur auf der Sekundärseite 4 steuern kann.
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Wenn
am Ausgang 6 Brauchwasser mit einer gewünschten Temperatur entnommen
werden soll, wird dort ein nicht näher dargestelltes Ventil geöffnet. Das
durch die Sekundärseite 4 strömende Brauchwasser
hat eine zu niedrige Temperatur, deren absoluter Wert allerdings
nicht konstant ist, sondern von Umgebungseinflüssen beaufschlagt ist. Solange
die auf der Sekundärseite
herrschende Temperatur noch nicht der vorgegebenen Solltemperatur
entspricht, wird dies vom zweiten Temperaturfühler 19 erfaßt, der
das zweite Ventil 17 aufsteuert, so daß das Brauchwasser auf der
Sekundärseite 4 erwärmt wird. Wenn
die Wärmeübertragung
in der Stufe des Wärmetauschers 2,
die den Abschnitt 14 der Sekundärseite 4 aufweist,
ausreicht, um das Brauchwasser auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen, sind
keine weiteren Maßnahmen
erforderlich. In diesem Fall stellt nämlich auch der erste Temperaturfühler 18 fest,
daß die
Solltemperatur erreicht ist. Die Regelung der Wassertemperatur erfolgt
bis dahin also ausschließlich über das Zusammenwirken
zwischen dem zweiten Temperaturfühler 19 und
dem zweiten Ventil 17. Diese Regelung kann relativ schnell
erfolgen, so daß auch
die Gefahr eines Aufschwingens klein bleibt.
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Wenn
auch der erste Temperaturfühler 18 feststellt,
daß die
Solltemperatur noch nicht erreicht ist, dann steuert der erste Temperaturfühler 18 das erste
Ventil 16 auf, so daß eine
zusätzliche Übertragung
von Wärme
von der Primärseite 3 auf
den Abschnitt 15 der Sekundärseite 4 möglich ist.
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Das Öffnen und
Schließen
der beiden Ventile 16, 17 wird also von den beiden
Temperaturfühlern 18, 19 gesteuert.
Der Einstellpunkt der Ventile 16, 17 kann über die
Ventilsteuerung gesteuert werden. Die Ventilsteuerung kann in mehreren
verschiedenen Arten ausgeführt
werden. Man kann beispielsweise das Ventil 16 schließen und
das Ventil 17 öffnen,
so daß eine
Wärmeübertragung
nur im Abschnitt 14 der Sekundärseite 4 erfolgt.
Man kann die Ventile 16, 17 so betreiben, daß das Ventil 16 geöffnet und
das Ventil 17 geschlossen wird. In diesem Fall erfolgt
eine Wärmeübertragung
in den Abschnitten 14 und 15 auf die Sekundärseite 4.
Man kann auch beide Ventile 16, 17 öffnen. In
diesem Fall erfolgt eine Wärmeübertragung auf
den Abschnitt 15 der Sekundärseite 4 und eine vergrößerte Wärmeübertragung
auf den Abschnitt 14 der Sekundärseite 4.
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Die
Ventile 16, 17 können, wie dargestellt, von
den Temperaturfühlern 18, 19 direkt
betrieben werden, beispielsweise durch eine elektrische, magnetische
oder mechanische Ansteuerung. Es ist auch möglich, daß man manuell betätigbare
Ventile 16, 17 verwendet, die dann von Hand in
Abhängigkeit
von einer gefühlten
oder gemessenen Temperatur angesteuert werden müssen.
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2 zeigt
eine alternative Ausgestaltung einer Wärmetauscheranordnung, bei der
gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Geändert hat
sich nun, daß die
Temperaturfühler 18, 19 nicht
mehr direkt mit den Ventilen 16, 17 gekoppelt
sind, sondern mit einer Steuereinrichtung 20, die wiederum
die Ventile 16, 17 ansteuert. Mit einer derartigen
Steuereinrichtung 20 kann man die Temperatureinflüsse der
Primärseite 3 auf
die Sekundärseite 4 noch
etwas besser berücksichtigen.
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Die
Temperaturfühler 18, 19 sind
in beiden Fällen
in der Nähe
der Einspeisepunkte 11, 12 angeordnet, so daß sie im
Prinzip die gesamte thermische Auswirkung der über die einzelnen Stufen der
Primärseite
zugeführten
Wärme erfassen.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer Mehrstufen-Wärmetauscheranordnung,
bei der gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen
sind, wie in den 1 und 2.
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Jedes
Ventil 16, 17 weist einen Antrieb 21, 22 auf,
wobei die Antriebe 21, 22 über die Temperaturfühler 18, 19 gesteuert
werden.
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In
Reihe mit dem zweiten Ventil 17 ist ein druckgesteuertes
Ventil 23 angeordnet, das über eine Membran 24 und
ein Kapillarrohr 25 vom Versorgungsdruck vor dem Ventil 17 und
einer nur schematisch dargestellten Membranfeder 26 gesteuert
wird. Das Ventil 23 sorgt also dafür, daß der Druckabfall über das
Ventil 17 konstant bleibt.
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Das
erste Ventil 16 wird ausschließlich von der Temperatur am
Temperatursensor 18 beeinflußt. Der Öffnungsgrad dieses Ventils 16 wird
sich also in Abhängigkeit
von der Temperatur am Ausgang der Sekundärseite 4 einstellen.
Das zweite Ventil 17 wird in Abhängigkeit vom Druck am Vorlauf 7 eingestellt, weil
die Druckdifferenz über
das zweite Ventil 17 mit Hilfe des Differenzdruckreglers,
der das druckgesteuerte Ventil 23 aufweist, konstant gehalten
wird.