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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit
einem primärseitigen
Strömungspfad,
der zwischen einem Einlaßanschluß und einem
Auslaßanschluß angeordnet
ist, einem sekundärseitigen
Strömungspfad,
der zwischen einem Zulaufanschluß und einem Rücklaufanschluß angeordnet
ist, einer Wärmeübergangsflächenanordnung
zwischen dem primärseitigen
Strömungspfad
und dem sekundärseitigen
Strömungspfad
und einem Temperatursensor.
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Ein
derartiger Wärmetauscher
wird beispielsweise in einem Fernheizungssystem verwendet, um Brauchwasser,
das durch den sekundärseitigen
Strömungspfad
fließt,
zu erwärmen.
Die für
die Erwärmung
notwendige Wärmemenge
wird über
die Wärmeträgerflüssigkeit
des Fernheiznetzes antransportiert. Diese Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt den primärseitigen
Strömungspfad.
Der primärseitige Strömungspfad
und der sekundärseitige
Strömungs pfad
liegen in einem Gehäuse
des Wärmeträgers in wärmeleitender
Verbindung aneinander an, so daß eine
Wärmeübertragung über die
Wärmeübergangsflächenanordnung
erfolgen kann. In ähnlicher
Weise kann mit einem derartigen Wärmetauscher Brauchwasser erhitzt
werden, das zur Beheizung eines Gebäudes verwendet wird, wobei
auch hier die Wärme aus
einem Fernheizungsnetz stammt.
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Um
eine möglichst
genaue Temperatureinstellung am Ausgang zu erhalten, steuert man
den Strom der Wärmeträgerflüssigkeit
auf der Primärseite
in Abhängigkeit
von der Wärme,
die auf der Sekundärseite
abgenommen wird. Dies soll im folgenden am Beispiel von Brauchwasser
erläutert
werden, das in dem Wärmetauscher
erwärmt
wird. Sobald Brauchwasser am Rücklaufanschluß der Sekundärseite entnommen
wird, strömt
kaltes Brauchwasser in den Zulaufanschluß nach. Dementsprechend muß praktisch
gleichzeitig Wärmeträgerflüssigkeit
durch den primärseitigen
Strömungspfad
strömen
können, damit
genügend
Wärme an
die Sekundärseite übertragen
werden kann.
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Um
ein Ventil zu steuern oder sogar zu regeln, das auf der Primärseite den
Flüssigkeitsstrom steuert,
ist vielfach ein Temperatursensor erforderlich, mit dessen Hilfe
man eine derartige Regelung durchführen kann.
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So
zeigt WO 02/070976 A1 einen Wärmetauscher
der eingangs genannten Art, bei dem der Temperatursensor einen gekapselten
Raum aufweist, in dem sich eine ausdehnbare Flüssigkeit oder ein ausdehnbares
Gas befindet. Dieser gekapselte Raum steht in temperaturleitender
Verbindung mit dem Wärmetauscher.
Er kann entweder auf der Außenseite
angeordnet sein oder auch inmitten des Wärmetau schers, wo er dann von
der Temperatur auf der Primärseite
und der Temperatur auf der Sekundärseite beaufschlagt wird. Die
aus dem gekapselten Raum verdrängte
Flüssigkeit
bzw. das verdrängte
Gas wirkt unmittelbar auf ein Ventil ein, um es zu öffnen oder
zu schließen.
Der Temperatursensor hat flächenmäßig eine
Erstreckung, die an die größte Fläche des
Wärmetauschers
angepaßt
ist. Er benötigt
also relativ viel Bauraum und ist nicht ohne weiteres in der Lage,
die für
die Steuerung des Stroms der Wärmeträgerflüssigkeit
durch den primärseitigen
Strömungspfad
notwendigen Informationen zu liefern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine platzsparende Möglichkeit
der Temperaturermittlung anzugeben, die dennoch zufriedenstellende Ergebnisse
liefert.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Temperatursensor am Rücklaufanschluß innerhalb
des sekundärseitigen
Strömungspfades
in Kontakt mit oder mit einem kleinen Abstand zu der Wärmeübergangsflächenanordnung
angeordnet ist.
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Mit
dieser Ausgestaltung wird zum einen die Temperatur unmittelbar im
Rücklaufanschluß des sekundärseitigen
Strömungspfades
erfaßt.
Der Sensor ist also in der Lage, die Temperatur des Brauchwassers,
das durch den Strömungspfad
fließt,
dort zu ermitteln, wo der Wärmeübergang
von der Primärseite auf
die Sekundärseite
abgeschlossen ist. Man kann mit einem derartigen Temperatursensor
also eine relativ schnelle und genaue Regelung der Wärmezufuhr
auf das durch den sekundärseitigen Strömungspfad
fließende
Fluid vornehmen. Der Temperatursensor nimmt auch relativ schnell Änderungen
auf, die sich nicht unmittelbar in dem durch den sekundärseitigen
Strömungspfad
fließenden
Fluid ergeben, sondern auch in der Umgebung, insbesondere auf der Primärseite.
Diese Einflüsse
wirken über
die Wärmeübergangsflächenanordnung
entweder direkt auf den Temperatursensor, wenn er in Kontakt mit
dieser Wärmeübergangsflächenanordnung
steht, oder mit einer kleinen Verzögerung, wenn er einen Abstand dazu
aufweist. In jedem Fall läßt sich
eine sehr schnelle Antwort auf einen Temperaturwechsel erreichen.
Eine unmittelbare Beeinflussung des Temperatursensors durch große Metallmassen,
die im Bereich der Fittings am Rücklaufanschluß vorliegen, wird
vermieden. Diese großen
Metallmassen reagieren wesentlich träger auf Temperaturänderungen. Dementsprechend
benötigt
man auch keine Primärflüssigkeit,
um diese Fittings zu erwärmen.
Wenn beispielsweise die Entnahme von Brauchwasser aus dem sekundärseitigen
Strömungspfad
beendet wird, dann kann sich der Temperatursensor schneller aufheizen,
weil er von der Primärseite
besser beeinflußt ist.
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Vorzugsweise
bilden der Einlaßanschluß, der Auslaßanschluß, der Zulaufanschluß und der Rücklaufanschluß Eckpunkte
eines Vierecks und der Temperatursensor ist innerhalb des Vierecks
angeordnet. Damit stellt man auf einfache Weise sicher, daß die Temperatureinflüsse von
der Primärseite
auf den Temperatursensor wirken können. Der Temperatursensor
ist also nicht durch den Rücklaufanschluß "abgeschattet". Wenn die Temperaturanschlüsse auch
von der Primärseite
auf den Temperatursensor wirken können, ist eine schnellere Regelung
und vor allem ein schnelles Schließen des Ventils auf der Primärseite möglich.
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Vorzugsweise
weisen der primärseitige
Strömungspfad
und der sekundärseitige
Strömungspfad entgegengesetzte
Durchflußrichtungen
auf. Da der Temperatursensor dem Rücklaufanschluß des sekundärseitigen
Strömungspfades
benachbart ist, ist er aufgrund der entgegengesetzten Strömungsrichtungen
durch die beiden Strömungspfade
auch der Temperatur am Einlaßanschluß des primärseitigen Strömungspfades
ausgesetzt. Damit kann man bei der Regelung der Strömung durch
die Primärseite hindurch
auch Temperatureinflüsse
von der Primärseite
berücksichtigen,
ohne daß man
den Temperatursensor vollständig
in die Primärseite
einbauen müßte.
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Vorzugsweise
weist das Viereck vom Rücklaufanschluß ausgehend
eine längere
Seite und eine kürzere
Seite auf, wobei der Einlaßanschluß die kürzere Seite
begrenzt und der Temperatursensor näher an der kürzeren Seite
als an der längeren
Seite angeordnet ist. Damit stellt man sicher, daß die primärseitige
Temperaturbeeinflussung von einem Teil des durch die Primärseite strömenden Wärmeträgermediums
hervorgerufen wird, die in den Wärmetauscher hineinfließt. Durch
die Anordnung des Temperatursensors in Beziehung zu dem Einlaßanschluß läßt sich
die Beeinflussung des Temperatursensors durch die Temperatur auf
der Primärseite
wichten.
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Bevorzugterweise
steht der Temperatursensor mit der Wand des Rücklaufanschlusses nicht wärmeleitend
in Verbindung. Die Wand des Rücklaufanschlusses
ist normalerweise aus einem Metall gebildet, beispielsweise Mes sing.
Wenn der Temperatursensor hier nicht wärmeleitend verbunden ist, beispielsweise
dadurch, daß er
von dieser Wand einen kleinen Abstand aufweist, dann kann man eine
unmittelbare und relativ schnelle Beeinflussung des Temperatursensors
durch die Flüssigkeit
am Ausgang des sekundärseitigen
Strömungspfades
erreichen. Der Einfluß der
größeren Metallmassen
mit der entsprechend großen
thermischen Trägheit
kann hingegen verkleinert werden.
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Bevorzugterweise
ist der Temperatursensor als elektronischer Sensor ausgebildet.
Der elektronische Sensor erzeugt also elektrische Signale, die von seiner
Temperatur abhängen.
Derartige Signale lassen sich dann leicht elektrisch weiterverarbeiten,
so daß man
eine Regelung der Durchströmung
auf elektrische Weise erreichen kann. Andere Arten von Temperaturfühlern sind
möglich.
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Vorzugsweise
ist der Temperatursensor in einer Bohrung im Gehäuse des Wärmetauschers angeordnet. Dies
ist eine relativ einfache Möglichkeit, den
Temperatursensor zu plazieren und zu montieren.
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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
schematische Darstellung eines Wärmetauschers,
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines Wärmetauschers
in schematischer Darstellung,
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3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung
der thermischen Reaktion und
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4 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
der Position des Temperatursensors im Wärmetauscher.
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Ein
in 1 nur schematisch dargestellter Wärmetauscher 1 weist
ein Gehäuse 2 auf,
das einen Einlaßanschluß 3 und
einen Auslaßanschluß 4 eines mit
durchgezogenen Linien dargestellten primärseitigen Strömungspfades 5 sowie
einen Zulaufanschluß 6 und
einen Rücklaufanschluß 7 eines
strichpunktiert dargestellten sekundärseitigen Strömungspfades 8 aufweist.
Die Strömungspfade 5, 6 liegen über eine Wärmeübergangsflächenanordnung 9 aneinander an.
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Die
Darstellung der 1 ist lediglich schematisch.
Bei realen Wärmetauschern
wird man den primärseitigen
Strömungspfad 5 und
den sekundärseitigen
Strömungspfad 8 beispielsweise
dadurch realisieren, daß man
gewellte oder gebogene Bleche aufeinander legt, so daß im Querschnitt
eine Wabenstruktur entsteht. Einige dieser "Waben" gehören dann
zum primärseitigen
Strömungspfad 5,
während die übrigen "Waben" zum sekundärseitigen
Strömungspfad 8 gehören. Die
Wärmeübergangsflächenanordnung
ist dann durch die Wände
der Waben gebildet.
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Der
Rücklaufanschluß 7 steht
mit einer Brauchwasserzapfstelle 10 in Verbindung, die
hier durch ein Ventil 11 dargestellt ist. Wenn das Ventil 11 geöffnet wird,
dann strömt
Wasser durch den sekundärseitigen
Strömungspfad 8.
Dieses Wasser hat am Zulaufanschluß 6 eine niedrige
Temperatur von beispielsweise 10 bis 15°C und soll an der Zapfstelle eine
Temperatur von beispielsweise 50°C
aufweisen. Dementsprechend muß man
gleichlaufend mit der Entnahme von Brauchwasser aus der Zapfstelle 10 dafür sorgen,
daß genügend Wärme durch
den primärseitigen
Strömungspfad 5 zugeführt wird.
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Zur
Steuerung des Stromes durch den primärseitigen Strömungspfad 5 ist
ein Ventil 12 vorgesehen, das durch eine Steuereinrichtung 13 gesteuert
ist. Die Steuereinrichtung 13 wiederum bekommt eine Temperaturinformation
von einem Temperatursensor 14, der am Rücklaufanschluß 7 angeordnet ist.
Der Temperatursensor 14 ist dabei in eine Bohrung 15 des
Gehäuses 2 eingesetzt
und zwar dergestalt, daß sich
der Temperatursensor 14 im sekundärseitigen Strömungspfad 8 befindet.
Dieser Strömungspfad
ist in 4 durch die Buchstaben "K" gekennzeichnet,
während
der primärseitige
Strömungspfad 5 in 4 durch
die Buchstaben "W" dargestellt ist.
Aus 4 geht auch die Wärmeübergangsflächenanordnung 9 hervor.
In 4 sind zwei Möglichkeiten
der Anordnung des Temperatursensors 14 dargestellt, die
durch eine gestrichelte Linie voneinander getrennt sind. Auf der
linken Seite hat der Temperatursensor 14 einen gewissen,
kleinen Abstand von der Wärmeübergangsflächenanordnung 9,
auf der rechten Seite berührt
er sie. Beide Ausführungsformen
ermöglichen
es, daß der
Temperatursensor auch von der Temperatur auf der Primärseite beeinflußt wird.
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Wie
aus 1 zu erkennen ist, bilden der Einlaufanschluß 3,
der Rücklaufanschluß 7,
der Auslaßanschluß 4 und
der Zulaufanschluß 6 vier
Eckpunkte eines Recht ecks. Der Temperatursensor 14 ist
nun innerhalb dieses Rechtecks angeordnet. Es ist auch zu erkennen,
daß dieses
Rechteck eine kurze Seite und eine lange Seite hat. Die kurze Seite
ist dabei beispielsweise vom Rücklaufanschluß 7 und vom
Einlaßanschluß 3 begrenzt.
Der Temperatursensor 14 ist näher an dieser kurzen Seite
zwischen dem Rücklaufanschluß 7 und
dem Einlaßanschluß 3 angeordnet
als an der langen Seite zwischen dem Rücklaufanschluß 7 und
dem Auslaßanschluß 4. Dementsprechend
wird der Temperatursensor 14 zwar hauptsächlich von
der Temperatur im Rücklaufanschluß 7 beaufschlagt.
Er wird aber auch von der Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit beaufschlagt, die
in den Einlaßanschluß 3 hineinströmt. Ein
Teil 5a des primärseitigen
Strömungspfades 5 ist so
dargestellt, daß er
dicht am Temperatursensor 14 vorbeiläuft. Dementsprechend wird der
Temperatursensor 14 in einem gewissen Maße durch
Wärmeleitung
auch von der Temperatur des Fluids auf der Primärseite beaufschlagt. Die Wärmestrahlung
hat hier nur eine untergeordnete Bedeutung.
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Der
Temperatursensor 14 ist als elektronischer Sensor ausgebildet.
Im einfachsten Fall handelt es sich um einen PTC-Widerstand, dessen
Widerstandswert sich in Abhängigkeit
von der Temperatur ändert.
Natürlich
sind auch Halbleiter-Sensoren möglich,
deren Strom/Spannungs-Verhalten sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert.
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Die
vom Temperatursensor 14 ermittelte Temperatur wird über die
Steuereinrichtung 13 ausgewertet, die in Abhängigkeit
von dieser Temperatur das Ventil 12 am Auslaßanschluß 4 steuert.
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Der
Temperatursensor 14 benötigt
nicht viel Platz, so daß auch
bei der Verwendung eines derartigen Temperatursensors 14 die
Baugröße des Wärmetauschers 1 nicht
nennenswert erhöht
werden muß.
Der Temperatursensor 14 wird durch den Rücklaufanschluß 7 nicht
abgeschattet. Man wird ihn vorzugsweise unter einem Winkel von 45° bis 90° zu einer
Verbindungslinie zwischen dem Rücklaufanschluß 7 und
dem Auslaßanschluß 4 bzw.
unter einem Winkel im Bereich von 0 bis 45° zu einer Linie zwischen dem
Einlaßanschluß 3 und
dem Rücklaufanschluß 7 anordnen.
Die Wahl des Winkels bestimmt mit, wie groß der Einfluß der Temperatur
von der Primärseite
auf die Steuerung des Ventils 12 ist.
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2 zeigt
eine abgewandelte Ausführungsform
eines Wärmetauschers 1.
Gleiche und einander entsprechende Elemente sind mit den gleichen
Bezugszeichen wie in 1 versehen.
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Im
Gegensatz zu der Ausgestaltung nach 1 ist der
Temperatursensor 14 nun nicht mehr als elektronischer Sensor
ausgebildet, sondern als Temperaturweggeber. Er enthält also
eine Füllung,
deren Volumen sich in Abhängigkeit
von der Temperatur ändert.
Der Temperatursensor 14 ist über eine Kapillarleitung 16 mit
dem Ventil 12 verbunden.
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Im übrigen ist
die Anordnung des Temperatursensors 14 aber genau so, wie
dies im Zusammenhang mit 1 dargestellt ist.
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Als
weiterer Unterschied kommt hinzu, daß der Einlaßanschluß 3 und der Auslaßanschluß 4 auf der
gleichen Sei te des Gehäuses 2 angeordnet
sind. Auf der gegenüberliegenden
Seite sind der Zulaufanschluß 6 und
der Rücklaufanschluß 7 des
sekundärseitigen
Strömungspfades 8 angeordnet.
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Aus
der Gegenüberstellung
der 3a und 3b ist
zu erkennen, daß die
normale Totzeit Td in 3a, die bis zum Beginn einer
Reaktion auf Temperaturänderungen
verstreicht, auf fast Null (3b) reduziert
ist. Der Grund hierfür
ist, daß der
Temperaturfühler 14 direkt
im Flüssigkeitsstrom
auf der Sekundärseite
sitzt, ohne daß er
Kontakt zu größeren Massen
aufweist. Bei einer Anordnung des Temperaturfühlers 14 (natürlich können auch
mehrere Temperaturfühler
verwendet werden), wird die Antwort auf eine Temperaturänderung
sehr viel schneller und je nach dem Abstand zur Primärseite kann
man die Primärseite
in die Regelung mit einbeziehen.
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Im
Anschlußbereich
wird man eine größere Masse
an Metall und an Flüssigkeit
haben. Hier wird sich die Temperatur nur langsam ausgleichen. Wenn aber
der Temperatursensor 14 einen Abstand zu dem Fitting-Bereich
hat, dann benötigt
man keine Temperatur von der Primärseite, um diesen Puffer zu
erwärmen.