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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bereitstellung von warmer
Trinkwassermit einem Primärkreislauf mit einem Fluid, einer
warmes oder heißes Fluid bereitstellenden Einrichtung,
die einem Pufferspeicher mit temperaturabhängig geschichteten
Bereichen des Primärfluids aufweist, und einer Fördereinrichtung
für das Fluid, mit einem Sekundärkreislauf für
das zu erwärmende Trinkwasser, mit einem Wärmeübertrager
zur Übertragung von Wärme vom Fluid des Primärkreislaufs
auf das Trinkwasserim Sekundärkreislauf, mit einer Leitung
im Primärkreislauf, die Fluid vom Wärmeübertrager
zur Einrichtung zurückführt, mit einer Regelungseinrichtung
für die Fördereinrichtung, und mit mindestens
einem Temperaturfühler im Primärkreislauf oder
Sekundärkreislauf, dessen Messwerte der Regelungseinrichtung
zugeführt werden.
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Die
Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Bereitstellung
von warmem Trinkwasser in derartigen Anlagen.
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Zur
Bereitstellung von warmen Trinkwasser gibt es im Stand der Technik
verschiedene grundsätzlich voneinander unterschiedliche
Konzepte.
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Konventionell
wird Trinkwasser im so genannten Direktdurchlauf erwärmt.
Kaltes Trinkwasser wird in dem Moment des Bedarfs einer Heizeinrichtung
zugeführt, dort direkt erhitzt und dann anschließend
an den Verbraucher abgegeben. Der Inhalt eines derartigen Systems
an Trinkwasser ist gering, wodurch auch die hygienischen Risiken
minimiert werden können. Allerdings muss die Wärmeerzeugungskapazität
der Heizeinrichtung auf den nur sehr selten auftretenden Spitzenbedarf
ausgelegt werden. Derartige Systeme besitzen daher im Regelfall
stark überdimensionierte Heizeinrichtungen, was rasch zu unwirtschaftlichen
Lösungen führt. Darüber hinaus ist eine
Kombination mit umweltfreundlichen Heizeinrichtungen wie etwa Solaranlagen,
Blockheizkraftwerken, Festbrennstoffkesseln und dergleichen nicht möglich,
da diese die benötigte Wärmeenergie nicht rasch
genug bereitstellen können. In der Praxis werden derartige
Systeme beispielsweise in Gasthermen für Etagenwohnungen
oder als elektrische Durchlauferhitzer eingesetzt.
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Eine
wirtschaftlich wesentlich sinnvollere und zugleich umweltfreundlichere
Lösung findet sich bei Systemen, die mit einem Trinkwasserspeicher
arbeiten. Es wird also ein zusätzlicher Speicherbehälter
vorgesehen, in dem Warmwasser bevorratet werden kann. Der Trinkwasserspeicher
wird so bemessen, dass er zur Abdeckung von Spitzenlasten ohne Weiteres
in der Lage ist. Die Wärmeerzeugung kann hier deutlich
kleiner dimensioniert werden, um das spontan mit Spitzenlast verbrauchte
heiße Trinkwasser über einen längeren
Zeitraum wieder zu ersetzen. Dafür ist die Nutzung alternativer
Energieträger möglich und in vielen Fällen
kann auch ein hoher Warmwasserkomfort bereitgestellt werden.
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Solche
Systeme haben allerdings den Nachteil, in hygienischer Sicht recht
kritisch zu sein. Die zur Abdeckung der Spitzenlasten erforderlichen
relativ großen Mengen an Trinkwasser müssen häufig über
mehrere Stunden oder gar Tage bei moderaten Temperaturen um 45°C
bis 50°C in dem Trinkwasserspeicherbehälter verharren.
Der Zeitraum ist darüber hinaus nicht planbar, da er von
den spontanen Verbrauchsbedürfnissen abhängt.
Das führt dazu, dass diese Systeme optimale Bedingungen
zur Vermehrung von Bakterien wie beispielsweise Legionellen bieten.
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Da
darüber hinaus die an sich vorgeschriebenen Wartungsintervalle
solcher Systeme häufig vernachlässigt werden,
muss im Gegenzug der Speicherinhalt zur Vermeidung der hygienischen
Risiken ständig bei mindestens 60°C gehalten werden.
Derart hohe Temperaturen sind jedoch wiederum wirtschaftlich nicht
mehr sinnvoll, zumal sie sich dann nicht mehr mit Solaranlagen,
Brennwertkesseln und dergleichen kombinieren lassen. Die Trinkwasserspeicher
müssen darüber hinaus korrosionsbeständig
ausgeführt werden, etwa aus emailliertem Stahl oder aus
Edelstahl, was zu weiter verteuerten Systemen führt und
darüber hinaus auch einen erheblichen Platzbedarf erfordert.
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Um
die Probleme sowohl der im Direktdurchlauf erwärmenden
Systeme als auch derjenigen mit einem Trinkwasserspeicher zu lösen,
wird vielfach mit einem System gearbeitet, bei dem ein Primärfluid in
einem beispielsweise heizungsseitigen Pufferspeicher vorgesehen
wird, wobei dieser Pufferspeicher etwa als aus der
EP 0 384 423 B1 bekannter
geschichteter Speicher aufgebaut sein kann. Die Wärmeerzeugung
in diesem Primärfluid kann in beliebiger Form mittels Solarheizungen,
Erdwärme, Blockheizkraftwerken, Festbrennstoffkesseln etc.
erfolgen. Hygienisch sind diese Primärfluidkreise nicht
kritisch, da das Primärfluid nicht als Trinkwasser eingesetzt wird
und außerdem beliebige Zusätze enthalten kann.
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An
den Pufferspeicher ist als Verbraucher eine Warmwasserstation anschließbar,
die einen Wärmeübertrager besitzt, beispielsweise
einen Plattenwärmeübertrager. Das Primärfluid
durchströmt bei Bedarf diesen Wärmeübertrager
und gibt in ihm die benötigte Wärme an das zu
erwärmende Trinkwasser ab.
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Derartige
Systeme sind sehr hygienisch, weisen einen vergleichsweise geringeren
Platzbedarf auf, da der Pufferspeicher für die Heizungsanlage
ohnehin benötigt wird, und sind in der Regel relativ preisgünstig
herzustellen.
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Allerdings
sind sie in regelungstechnischer Hinsicht recht anspruchsvoll. Aus
der
DE 196 19 566 C1 oder
auch der
EP 1 170 554
A2 sind Anordnungen bekannt, mit denen entsprechend dem
Durchlaufprinzip Warmwasser zubereitet wird. Ein Ziel derartiger
Anlagen ist das rasche Bereitstellen von Warmwasser bei Anforderung.
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Problematisch
ist dabei auch, dass bei einer Kombination mit Zirkulationsnetzen
im Trinkwasserbereich diese Zirkulationsnetze eine ständig
zu deckende Last verursachen, die gegenüber der Auslegungsleistung
oder Spitzenlast relativ gering ist, jedoch aufgrund der hohen Laufzeiten
von mehr als 16 Stunden pro Tag durchaus erhebliche Energiemengen
verbraucht.
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Dabei
ist ein weiteres Problem dadurch gegeben, dass diese Zirkulationsnetze
dazu führen, dass die Rücklauftemperatur des Primärfluids
mehr als 55°C betragen kann.
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Wünschenswert
wäre es, eine Anordnung und ein Verfahren zur Bereitstellung
von warmer Trinkwasser mit einem Wärmeübertrager
zu haben, die noch weitere Möglichkeiten schaffen, energetisch sinnvolle
Maßnahmen zu treffen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige
Anordnung und ein derartiges Verfahren vorzuschlagen.
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Diese
Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
die Leitung des Primärkreislaufs in dem Bereich zwischen
dem Wärmeübertrager und der Einrichtung mehrere
parallele Stränge aufweist, dass in jedem der parallelen
Stränge je mindestens eine Fördereinrichtung angeordnet
ist, dass die mehreren parallelen Stränge der Leitung das
Fluid jeweils in Bereiche des Pufferspeichers der Einrichtung einschichten,
die eine unterschiedliche Temperatur aufweisen, und dass die Ansteuerung
der Fördereinrichtungen in den parallelen Strängen
durch die Regelungseinrichtung abhängig von der ermittelten
Temperatur des Fluids in der Leitung für jede Fördereinrichtung
unterschiedlich möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
das Fluid des Primärkreislaufs in dem Bereich zwischen
dem Wärmeübertrager und der Einrichtung in mehreren
parallelen Strängen geführt wird, dass jeder dieser
parallelen Stränge eine separate Förderung des
Fluides vornimmt, dass die Fluide aus den parallelen Strängen
in Bereiche des Pufferspeichers der Einrichtung mit unterschiedlicher
Temperatur eingeschichtet werden, und dass die Ansteuerung der Fördereinrichtungen
in den parallelen Strängen durch die Regelungseinrichtung
abhängig von der ermittelten Temperatur des Fluids in der
Leitung für jede Fördereinrichtung unterschiedlich
angesteuert werden.
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Mit
einer derartigen Konzeption wird es möglich, die in bestimmten
Fällen auftretenden relativ hohen Rücklauftemperaturen
im Primärfluid sinnvoll zu berücksichtigen, ohne
dass ein hoher apparativer Aufwand erfolgen muss.
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Hier
erfolgt nun nämlich eine Aufteilung des Rücklaufes
des Primärfluids aus dem Wärmeübertragerauf
zumindest zwei verschiedene Strömungswege. Jeder dieser
beiden Strömungswege enthält eine Fördereinrichtung,
insbesondere eine Umwälzpumpe, die insbesondere drehzahlgeregelt
ist. Diese beiden (oder mehr) Umwälzpumpen laufen unabhängig voneinander.
In jedem der beiden Teilstränge sitzt nun bevorzugt eine
Pumpe.
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Diese
Pumpen können mit einer nachgeschalteten Rückschlagarmatur
versehen sein, um eine Fehlzirkulation zu verhindern.
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Diese
Pumpen können von unterschiedlichem Typ sein. Beide Stränge
der Leitung führen jedoch von dem Wärmeübertrager
wieder zurück zu der Einrichtung, aus der dann im Folgenden
wiederum ein warmes oder heißes Primärfluid entnommen werden
kann.
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Der
Begriff „parallele Stränge” ist selbstverständlich
nicht im strengen geometrischen Sinne zu verstehen, sondern strömungstechnisch
so, dass diese beiden Stränge Teile der Leitung vom Wärmeübertrager
zur Einrichtung bilden und Alternativen für den Weg bilden,
den ein Molekül des Primärfluids nehmen kann.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die das warme oder heiße fluidbereitstellende
Einrichtung einen Pufferspeicher mit temperaturabhängig
geschichteten Bereichen des Primärfluids aufweist und wenn
die mehreren parallelen Stränge der Leitung das Fluid jeweils
in Bereiche des Pufferspeichers der Einrichtung einschichten, die
eine unterschiedliche Temperatur aufweisen.
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In
dem Fall, dass in dem Wärmeübertrager gerade eine
Erwärmung des Sekundärfluids, also des Trinkwassers
für eine Zapfung erfolgt, wird in dem Wärmeübertrager
dem Primärfluid ein sehr großer Teil seiner Wärmeenergie
entnommen. Das Primärfluid verlässt demzufolge
den Wärmeübertrager in relativ kaltem Zustand.
Es wird dann durch einen der beiden Teilstränge, nämlich
durch den für kaltes Primärfluid vorgesehenen
Teilstrang wieder in den Speicher geführt und dort direkt
in den unteren Bereich eingeschichtet. In dem Pufferspeicher befindet sich
das Primärfluid normalerweise in einer geschichteten Form,
wobei die kälteren Bereiche des Primärfluids unten
und die wärmeren Bereiche des Primärfluids sich
oben im Pufferspeicher befinden, entsprechend den Dichteverteilungen
des Primärfluids. Eine Zuführung des kalten Primärfluids
in den unteren Bereich stört also diese Schichtung nicht.
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Im
Pufferspeicher bildet sich daher abhängig von der Momentanzapfung
ein mehr oder weniger großes kaltes Reservoir in dem Temperaturbereich von
etwa 15°C bis 25°C aus.
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Die
Umwälzpumpe in diesem kalten Teilstrang wird entsprechend
der Spitzenleistung im Zapfbetrieb dimensioniert, die in der Regel
deutlich größer als die Zirkulationsleistung ist.
Diese Spitzenleistung wird allerdings deutlich weniger häufig
als die Zirkulationsleistung abgerufen.
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Außerhalb
der Zeiten, in denen Trinkwasser zur Entnahme erwärmt wird,
wird im Wärmeübertrager Sekundärfluid
(also Trinkwasser) lediglich im Rahmen der Zirkulationslast erwärmt.
Der Wärmebedarf ist hier deutlich geringer, so dass das
Primärfluid den Wärmeübertrager mit einer
wesentlich höheren Temperatur verlässt, dafür
allerdings in wesentlich geringerem Volumenstrom.
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Der
in diesem Fall auftretende Primärfluidstrom wird nun durch
den zweiten Teilstrang geführt. Die Pumpe dieses Teilstranges
kann in der Regel deutlich kleiner als die erstgenannte Pumpe ausgelegt
werden. Die Auslegung entspricht einer üblichen Zirkulationslast.
Aufgrund der zu erwartenden langen Pumpenlaufzeiten sollten hier
vor allem drehzahlregelbare Hocheffizienzpumpen mit EC-Motoren zum Einsatz
kommen.
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Dieser
zweite Teilstrang wird in den Speicherbereich etwa gleicher Temperatur
geführt. Das deutlich wärmere Primärfluid
passt von seiner Temperatur her genau in diesen Bereich der geschichteten
Primärfluidmengen. Diese temperaturabhängige Schichtung
kann etwa durch aus der
EP
0 384 423 B1 bekannte Schichten oder Elemente erzeugt sein.
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Bei
sehr großen Systemen ist es auch denkbar, eine Aufteilung
auf drei oder mehr Rücklaufstränge für
das Primärfluid mit je einer Pumpe vorzusehen. Es kann
dann entsprechend der jeweiligen Rücklauftemperatur eine
Einschichtung in entsprechend drei oder mehr definierte Speicherzonen
vorgenommen werden.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn für den Sekundärkreislauf
ein Zirkulationskreislauf vorgesehen ist, der eine Fördereinrichtung
aufweist, wenn die Fördereinrichtung zur Förderung
eines variablen Volumenstroms ausgerüstet ist, und wenn
der Zirkulationskreislauf so ausgelegt ist, dass er ständig
bereits erwärmtes Trinkwasser an einem Warmwasserausgang
des Sekundärkreislaufs bereitstellt.
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Dabei
ist es weiter bevorzugt, wenn die Fördereinrichtung mit
der Regeleinrichtung verbunden ist und wenn die Regeleinrichtung
eine Förderung des Volumenstroms im Zirkulationskreislauf
aktiv zur Erzielung einer hohen Regelgüte an Warmwasserausgang
und/oder zur Vermeidung einer Stagnation im Sekundärkreislauf
zur Verkaltungsprävention beeinflusst.
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Durch
das variable Einstellen der Volumenströme wird es möglich,
Auslauftemperaturen an einem Warmwasserauslauf gezielt zu erreichen.
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Gerade
das Zusammenwirken der aktiven Einbindung einer Zirkulationslast
ermöglicht es, die im Primärkreislauf zur Verfügung
stehenden, bei bestimmten Lastsituationen hohen Temperaturen durch die
Verzweigung in mehrere Förderstränge optimal auszunutzen.
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Die
konkrete Rücklauftemperatur sowie auch die Volumenströme
des Trinkwassers und des Zirkulationswassers können über
entsprechende Sensoren erfasst werden. Dies ermöglicht
es, die beiden (oder mehr) Fördereinrichtungen in den verschiedenen
Strängen bedarfsgerecht anzusteuern.
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Auch
auf der Seite des Primärkreislaufs können Sensoren
vorgesehen werden, die die Temperatur und/oder den Volumenstrom
erfassen.
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Durch
diese Maßnahmen reduziert sich die notwendige elektrische
Hilfsenergie sehr deutlich, zumal die Dimensionierung der Fördereinrichtungen optimiert
werden kann.
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Eine
effiziente Ansteuerung der zwei oder mehr Fördereinrichtungen
in den verschiedenen Teilsträngen wird möglich,
so dass durch eine auf eine sehr geringe Leistung, dafür
auf Dauerbetrieb ausgelegte Pumpe ein regelmäßiger,
kleiner Volumenstrom aus nur wenig abgekühltem Primärfluid
gefördert werden kann, während eine für
wesentlich niedrigere Gesamtlaufzeiten ausgelegte, dafür
aber für größere Volumenströme
geeignete Pumpe in dem anderen Teilstrang tätig wird, um
kurzzeitig größere Mengen von stark abgekühltem
Primärfluid zu fördern. Die Auswahl und Ansteuerung
der Fördereinrichtungen, insbesondere von Pumpen, erfolgt
völlig automatisch dadurch, dass ein oder mehrere Temperaturfühler
erkennen, welcher dieser beiden alternativen Fälle gerade
vorliegt.
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Dazu
kann ein Temperaturfühler in der Rücklaufleitung
von dem Wärmeübertrager zur Einrichtung eingesetzt
werden, der unmittelbar misst, ob jetzt gerade stark oder weniger
stark abgekühltes Primärfluid in der Leitung strömt.
Erkennt dieser Temperaturfühler oder konkret ausgedrückt
die mit ihm verbundene Regeleinrichtung eine Temperaturänderung,
so schaltet sie jeweils auf die andere Pumpe um.
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Zusätzlich
zu Temperaturfühlern können auch Volumenstrommesseinrichtungen
eingesetzt werden. Es ist zwar möglich, eine Regelung auch ohne
Volumenstrommesseinrichtungen zu schaffen, diese verbessert jedoch
die Möglichkeiten, etwa einen Energiebedarf aufzuzeigen.
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In
einer Ausführungsform wird auf einen separaten Temperaturfühler
in der Rücklaufleitung verzichtet, und es werden stattdessen
Messwerte verwendet, die ein Temperaturfühler im Sekundärkreislauf
erkennt. Dieser stellt fest, ob jetzt gerade heißes Wasser
gezapft wird oder nicht. Eine solche Ausführungsform wird
aber nur in Sonderfällen eingesetzt.
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In
allen Fällen gilt, dass eine Regeleinrichtung erkennt,
ob und welche Temperatur und welche Volumenströme sich
in der Rücklaufleitung des Primärfluids konsequent
aus dieser Erkenntnis ermitteln lassen, so dass sie ebenfalls entscheiden
kann, welche der beiden Pumpen in den Teilsträngen gerade laufen
sollen.
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Die
Erfindung stützt sich jedoch insbesondere auf eine Kombination
aus einem Pufferspeicher einerseits und einer bestimmten Form des
Direktdurchlaufs andererseits. Die Erwärmung des Trinkwassers ebenso
wie des Zirkulationsvolumenstroms auf die gewünschte Warmwassertemperatur
erfolgt jeweils über einen Wärmetauscher, etwa
einen Plattenwärmeübertrager, im Durchlaufverfahren.
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Ein
gesonderter Trinkwasserspeicher ist erfindungsgemäß nicht
erforderlich. Dadurch lassen sich als Vorteile unter anderem eine
bestmögliche Hygiene, eine Effizienzsteigerung bei einer
Nachheizung und bei einer solaren Beladung, eine Kostenersparnis
und schließlich auch eine Platzersparnis erzielen.
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Die
verschiedenen Bauteile können sehr praktisch in standardisierter
Form vorgehalten werden, etwa in vorgefertigten Stationen in Verbindung mit
einer entsprechenden Systemregelung. Mit einem identischen Systemaufbau
können verschiedene Stationen aus unterschiedlichen gewünschten Leistungsklassen
bis hin in den Megawattbereich hinein bereitgestellt werden.
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Der
Pufferspeicher mit seinen temperaturabhängigen Schichten
kann seine Vorteile vollständig nutzen und als Energiespeicher
mit schwankenden Lasten für Trinkwasser und Heizung und
ebenso mit schwankenden Gewinnen wie etwa aus einer Solaranlage
arbeiten.
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Durch
eine geschickte Regelungsstrategie und die erfindungsgemäße
Anordnung verschiedener Bauteile in einer vorgefertigten Station
wird eine hygienisch einwandfreie Trinkwassererwärmung
in Trinkwassernetzen auch mit Warmwasserzirkulationsleitungen möglich.
Das Prinzip ist universell bis hin zu sehr großen und größten
Anlagen einsetzbar, da es praktisch keine obere Systemleistungsgrenze kennt.
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Besonders
zweckmäßig lässt sich das System mit
einem Pufferspeicher einsetzen, bei dem das Primärfluid
zugleich Heizungswasser ist, also bei einem mit Heizungswasser gefüllten
Pufferspeicher beziehungsweise Puffer-Schichtenspeicher.
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Das
wertvolle und stets gut zu überwachende Lebensmittel Trinkwasser
wird genau im Moment seiner Nutzung erwärmt, was zu hervorragenden
hygienischen Eigenschaften führt. Der Inhalt des Trinkwassererwärmers
ist dabei auf ein Minium reduziert.
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Die
primärseitigen Rücklaufvolumenströme werden
sauber temperaturorientiert getrennt, was sich sehr schnell durch
eine entsprechende Sensorik realisieren lässt. Dies führt
zu einer schnellen und lang anhaltenden Auskühlung des
unteren Pufferbereichs bei der Zapfung von Trinkwasser. Dies ist
effektiv und dieses kalte Volumen lässt sich für
einen zeitversetzten Nachheizvorgang auch zu einer aktiven Regelung
der Rücklauftemperatur nutzen. Gewünschte Zieltemperaturen
lassen sich sehr präzise ansteuern und das kalte Volumen
steht gleichzeitig zur Steigerung des Systemwirkungsgrades bei einer solaren
Erwärmung zur Verfügung.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn eine Fühleranordnung im
Wärmeübertrager eingesetzt wird, wie dies aus
der
DE 10 2004
038 546 A1 bekannt ist.
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Mit
einer solchen Konzeption lässt sich die Temperatur direkt
innerhalb des Wärmeübertragers erfassen. Diese
direktere Information hilft dabei, schwankende Warmwassertemperaturen,
insbesondere bei Lastwechseln zu vermeiden und eine präzise
Steuerung und Regelung zu erzielen. Auf diese Weise kann auch gemessen
werden, ob bei Zapfstopps im Wärmeübertrager eine
für eine Verkalkung kritische Temperatur durch die Übertragung
von Restwärme auf der Primärfluidseite erreicht
werden kann.
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Es
lässt sich also ein sehr guter Trinkwarmwasserkomfort mit
konstanten Auslauftemperaturen bei unterschiedlichen Betriebszuständen
erreichen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Zirkulationspumpe
eingesetzt, die zugleich Bestandteil der Station ist. Sie kann bevorzugt
direkt von der Regelung drehzahlgesteuert werden. Durch diese aktive
Betriebsweise der Zirkulationspumpe auf der Sekundär- beziehungsweise
Trinkwasserseite wird eine gleichmäßige Warmwassertemperatur erreicht.
Der Wärmeübertrager, insbesondere ein Plattenwärmeübertrager,
wird stetig durchströmt. Mit einer entsprechenden Pumpenregelung
lassen sich Temperaturen auf der Trinkwasserseite von mehr als 60° vermeiden.
Damit ist auch eine aktive Verkalkungsprävention gegeben.
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Die
Erfindung lässt sich allerdings auch in Trinkwassersystemen
ohne ein Zirkulationsnetz einsetzen. Dort kann ein Abgang in der
Warmwasserleitung mit Rückführung über
den Zirkulationsanschluss der Station vorgesehen werden.
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In
der besonders bevorzugten Ausführungsform wird auch eine
lastabhängige Durchströmung des Wärmeübertragers,
insbesondere also eines Plattenwärmeübertragers,
ermöglicht. Dadurch kann eine angepasste Nutzung der zur
Verfügung stehenden Platten und damit ein optimaler Wärmeübergang mit
einer Minimierung der Rücklauftemperatur erfolgen.
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Dabei
ist zu berücksichtigen, dass Plattenwärmeübertrager
häufig in einem sehr großen Leistungsbereich betrieben
werden. Sie müssen dann auf den Spitzenlastfall ausgelegt
werden. Für einen Schwachlastfall ist ein solcher Plattenwärmeübertrager
allerdings dann überdimensioniert. Der aus einer Vielzahl
parallel geschalteter Platten bestehende Plattenwärmeübertrager
wird dann jeweils mit einer relativ geringen Strömungsgeschwindigkeit
durch die Fluide durchströmt. Dadurch verschlechtert sich
der Wärmeübergang und somit auch die Effektivität
der Wärmeübertragung. Die Rücklauftemperatur
steigt an.
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Betrachtet
man dies relativ zu einem Wärmeübertrager, der
für einen schwacheren Fall optimiert wäre, erhöht
sich die Rücklauftemperatur mit höheren Primärvolumenströmen.
Dadurch wird auch die Effizienz des Gesamtsystems herabgesetzt.
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Hierzu
wird in der bevorzugten Ausführungsform die Beschaltung
der Platten in Inneren des Plattenwärmeübertragers
lastabhängig vorgenommen.
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Dies
erfolgt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
mit Klappen, die so in einem Plattenwärmeübertrager
eingebracht werden, dass sowohl auf der primären wie auch
auf der sekundären Seite bei einer geschlossenen Klappe
nur ein bestimmter Anteil aller Platten, beispielsweise 1/3 aller Platten,
angeströmt werden. Der Plattenwärmeübertrager
entspricht dann in seiner Leistungscharakteristik einem eigentlich
sehr viel kleineren, für den Schwachlastfall optimierten
Plattenwärmeübertrager mit einem guten Auskühlverhalten.
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Nimmt
dagegen die Last zu und nähert sich dem Spitzenlastfall,
so kann die Klappe – bevorzugt eine federbelastete Klappe – bei
einem definierten Differenzdruck öffnen und die weiteren
Platten insgesamt oder teilweise freigeben.
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Durch
die aufgrund der beschriebenen Klappenfunktion im Schwachlastfall
hydraulisch benachteiligte Plattenreserve wird dabei aber jeweils
ein definierter Leckstrom geführt. Dieser Leckstrom gewährleistet
einen relativ homogenen Temperaturverlauf im Plattenwärmeübertrager.
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Im
Folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Anordnung;
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2 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Wärmeübertragers
für eine Version der erfindungsgemäßen
Anordnung; und
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3 einen
Ausschnitt aus 2.
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Die
rein schematische, nur die wesentlichsten Teile der gesamten Anordnung
wiedergebende Darstellung in 1 zeigt
in der linken Hälfte einen Primärkreislauf 10,
in der rechten Hälfte einen Sekundärkreislauf 20.
Ein bestimmter Bereich der dargestellten Anordnung ist mit gestrichelten
Linien als Wärmestation 1 zusammengefasst. Diese
kann zur Vereinfachung der Montage vorgefertigt werden.
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Der
Primärkreislauf 10 beginnt links mit einer Einrichtung,
die warmes oder heißes Fluid bereitstellt, hier ein Pufferspeicher 11.
Von diesem Pufferspeicher 11 führt eine Leitung 12 zu
einem Wärmeübertrager 50. Nach dem Durchlaufen
des Wärmeübertragers 50 und der Abgabe
der Wärmeenergie in dem selben läuft das Fluid
in den Primärkreislauf 10 zurück über
eine ausgangsseitige Leitung 13 zur Einrichtung 11,
also dem Pufferspeicher.
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In
der ausgangsseitigen Leitung 13 ist eine Fördereinrichtung 14,
insbesondere eine Pumpe vorgesehen.
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Im
Primärkreislauf 10 gelangt das Fluid aus dem oberen
Bereich des Pufferspeichers 11 zum Wärmeübertrager 50,
von dort durch die Leitung 13 dann wieder in den unteren
Bereich des Pufferspeichers 11, wo sie eingeschichtet oder
sonst geeignet zurückgegeben wird.
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Der
Sekundärkreislauf 20 auf der rechten Seite der
Darstellung der 1 beginnt mit einer Kaltwasserzuleitung 22,
mit der kaltes Trinkwasser(Trinkwasser, Waschwasser, etc.) dem Wärmeübertrager 50 zugeführt
wird. In dem Wärmeübertrager 50 wird
die Wärmeenergie des im Gegenstrom laufenden Primärkreislaufs 10 aufgenommen.
Nach Durchlaufen des Wärmeübertragers 50 verlässt
das Trinkwasserdiesen wiederum und strömt durch eine ausgangsseitige
Leitung 23 zum Warmwasserentnahmepunkt, der Zapfstelle.
Die Förderung im Sekundärkreislauf kann grundsätzlich
dadurch erfolgen, dass die Kaltwasserzufuhr unter Druck erfolgt
und der Warmwasserentnahmepunkt durch einen Hahn diesen Druck ggf.
sperrt.
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Zusätzlich
ist im Sekundärkreislauf 20 noch eine Zirkulationsleitung 40 vorgesehen.
Die Zirkulationsleitung 40 zweigt benachbart zur Zapfstelle
(nicht dargestellt, rechts außerhalb der Wärmestation 1)
ab und führt zurück zur Kaltwasserzugangsleitung 22 unmittelbar
vor dem Wärmeübertrager 50. In der Zirkulationsleitung 40 ist
eine Zirkulationsfördereinrichtung 44 in Form
einer Zirkulationspumpe vorgesehen. Angedeutet ist ferner ein Temperaturfühler 47, der
die Temperatur in der Zirkulationsleitung 40 misst.
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Zusätzlich
zum Temperaturfühler 47 können auch weitere
Sensorelemente vorgesehen werden (nicht dargestellt), so beispielsweise
eine Volumenstrommesseinrichtung, um die Zirkulationslast besser
erfassen zu können.
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Wird
nun an der Zapfstelle, also dem Warmwasserentnahmepunkt, der Hahn
aufgedreht, so gibt entweder dieser Vorgang, die Volumensstromeinrichtung
oder bevorzugt das Ausgangssignal eines Temperaturfühlers 57 im
Wärmeübertrager 50 ein Signal für
die Zirkulationspumpe 44, das sich in der Leitung 23 befindende
Trinkwasser aus dem Bereich vor der Zapfstelle abzuziehen und durch
die Zirkulationsleitung 40 wieder vor den Wärmeübertrager 50 zu
fördern.
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Mittels
der Sensoren, also mittels des Temperaturfühlers 47,
der Volumenstrommesseinrichtung und gegebenenfalls weiterer Messelemente, wird
es einer noch im Folgenden erörterten Regelungseinrichtung 30 ermöglicht,
die Zapftemperatur konstant einzuregeln und gegebenenfalls auch
die geförderte Wärmemenge zu erfassen.
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Sinn
des Zirkulationskreislaufs 40 ist es, das nach gewisser
Standzeit abgekühlte Wasser in der Leitung 23 nicht
aus der Zapfstelle strömen zu lassen, da der Verbraucher
dort warmes Wasser wünscht und nicht abgekühltes
Trinkwasser. Er würde dieses von ihm nicht gewünschte
abgekühlte Trinkwasser nicht nutzen und möglicherweise
einfach nur aus der Leitung laufen lassen. Das nun aktuell aus dem
Wärmeübertrager 50 strömende
Wasser dagegen ist warm, denn es hat Wärmeenergie aus dem
Primärkreislauf 10 aufgenommen. Die Länge
der Leitung 23 und das Strömungsverhalten sind bekannt,
so dass sehr präzise die Zirkulationspumpe 44 so
gesteuert werden kann, dass genau beim Erreichen wunschgemäß erwärmten
Trinkwassers an der Zapfstelle dieses dort auch ausströmen
kann.
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Für
eine Steuerung (oder genauer betrachtet Regelung oder Ansteuerung)
der Fördereinrichtungen 14a, 14b, 14c können
also Temperaturmesswerte von den Temperaturfühlern 47 oder 57 oder 27 herangezogen
werden, ebenso auch Messwerte von Volumenstrommessungen oder andere
Messwerte, die es erlauben, Rückschlüsse auf die
aktuell gerade vorliegende Bedarfssituation beziehungsweise das aktuelle
Lastverhalten zu ziehen.
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Eine
Regelungseinrichtung 30 ist lediglich schematisch angedeutet.
Diese Regelungseinrichtung 30 ist nun mit zur Verdeutlichung
nicht dargestellten Datenübertragungsleitungen mit den
Fördereinrichtungen 14a, 14b, 14c und
den Temperaturfühler 27, 47, 57 verbunden,
um einerseits Messwerte zu empfangen und andererseits entsprechende
Steuer- oder Regelungssignale zu übermitteln. Hier kann auch
eine Energieversorgung für die Fördereinrichtungen 14a, 14b, 14c vorgesehen
sein.
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Betrachtet
man nun wiederum den Primärkreislauf 10 und dort
die Leitung 13, durch die das Primärfluid nach
dem Durchströmen des Wärmeübertragers 50 diesen
wieder verlässt, so zweigt sich die Leitung 13 in
der Darstellung in drei Zweigleitungen 13a, 13b, 13c auf.
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In
jeder dieser drei Zweigleitungen 13a, 13b, 13c befindet
sich je eine Fördereinrichtung 14a, 14b, 14c.
Diese drei Fördereinrichtungen sind bevorzugt Pumpen und
sind unabhängig voneinander und können von unterschiedlichem
Typ und insbesondere von variabel veränderbarer Förderleistung
sein.
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Die
drei Zweigleitungen 13a, 13b, 13c führen in
unterschiedliche Bereiche des Pufferspeichers 11 zurück.
Dieser Pufferspeicher 11 ist als geschichteter Speicher
aufgebaut, so dass sich wie bereits oben erwähnt die wärmeren
Bereiche des Primärfluids weiter oben und die kälteren
weiter unten befinden.
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Abhängig
von der Temperatur des Primärfluids nach dem Verlassen
des Wärmeübertragers 50 in der noch gemeinsamen
Leitung 13 wird jeweils eine der Fördereinrichtungen 14 eingeschaltet
und die beiden anderen Zweigleitungen dementsprechend gesperrt.
Durch diese fließt dann also kein Fluid beziehungsweise
das Fluid in ihnen steht.
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Wird
also festgestellt, dass aus dem Wärmeübertrager 50 nur
relativ kaltes Primärfluid in die Leitung 13 abgegeben
wird, so wird nur die unterste Fördereinrichtung 14a eingeschaltet
und fördert dieses strömende Primärfluid
in den untersten Bereich des Pufferspeichers 11.
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Relativ
warmes Primärfluid in der Leitung 13 wird durch
Einschalten der obersten Fördereinrichtung 14c auch
in einen weiter oben liegenden Bereich des Pufferspeichers 11 gefördert.
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Primärfluid
mittlerer Temperatur wird dann durch die Leitung 13b durch
die Fördereinrichtung 14b in einen mittleren Bereich
des Pufferspeichers 11 gefördert.
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Die
Temperatur des Primärfluids nach dem Verlassen des Wärmeübertragers 50 hängt
davon ab, ob das Primärfluid im Wärmeübertrager 50 viel oder
wenig Wärmeenergie an das Sekundärfluid im Sekundärkreislauf 20 abgegeben
hat. Viel Wärmeenergie wird abgegeben, wenn an der Zapfstelle
am Ende der Leitung 23 viel heißes Wasser abgezapft wird.
Verhältnismäßig wenig Wärmeenergie
wird im Wärmeübertrager 50 übertragen,
wenn lediglich Sekundärfluid (also Trinkwasser) in der
Zirkulationsleitung 40 auf einer vorgegebenen Temperatur
gehalten wird, also mit einer relativ hohen Temperatur schon in den
Wärmeübertrager 50 eintritt.
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Eine
entsprechende Ansteuerung der Fördereinrichtungen 14a, 14b und 14c kann
also auf der Grundlage einer Vielzahl unterschiedlicher Messwerte
und Erkenntnisse erfolgen. Diese Steuerung kann auch anhand des
Lastverhaltens auf dem Sekundärkreislauf 20 erkennen,
ob und welche Menge der Volumenstrom im Primärkreislauf 10 aufnehmen
sollte. Dabei gibt es zwischen diesen Temperatur- und Volumenerkenntnissen
Zusammenhänge.
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So
muss bei einem hohen Bedarf an Warmwasser entsprechend einem hohen
Wärmebedarf auch relativ viel Primärfluid im Primärkreislauf 10 durch
den Wärmeübertrager 50 gefördert
werden. Dieses Ereignis tritt nur wenige Male am Tag auf, zeitlich
betrachtet also nur selten. Das bedeutet, dass die Fördereinrichtung 14a zwar
nur relativ selten läuft, dafür hier jedoch eine
Drehzahl geregelte Pumpe eingesetzt werden sollte, die auch einen
größeren Volumenstrom fördern kann.
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Bei
einem geringen Wärmebedarf, wie er beispielsweise bei einer
reinen Erwärmung des Trinkwassers in der Zirkulationsleitung 40 vorliegt,
ist auch die Menge an zu förderndem Primärfluid
im Primärkreislauf 10 relativ gering, dafür.
aber andauernd, sodass die Fördereinrichtung 14c in
der Zweigleitung 13c eine Fördereinrichtung mit
relativ geringem Volumenstrom sein kann, die aber für einen
Dauerbetrieb ausgelegt sein sollte.
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Nicht
dargestellt, aber selbstverständlich möglich ist
es, jede der erwähnten drei Einschichtungen im Pufferspeicher
11 ihrerseits
mit Einschichtungselementen zusätzlich fein abzustimmen,
wie sie beispielsweise auch schon aus der
EP 0 384 423 B1 und weiteren
Schichtenladesystemen bekannt sind.
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Diese
Systeme werden jedoch dadurch entlastet, dass hier schon eine direkte
Zuordnung der ungefähr zu treffenden Schicht beim Einströmen
berücksichtigt wird.
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Die
Details einer bevorzugten Ausführungsform des Wärmeübertragers 50 aus
der 1 sind in den 2 und 3 dargestellt.
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In
der 2 ist der Wärmeübertrager 50 in Form
eines Plattenwärmeübertragers schematisch vergrößert
herausgezeichnet. Er ist in seiner Einbausituation dargestellt.
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Der
Wärmeübertrager 50 besitzt also einen Eintritt 51 für
das Primärfluid im Primärkreislauf 10 und
einen Austritt 52 für das Primärfluid
im Primärkreislauf 10 nach dem Durchlaufen des
Wärmeübertragers. Am Eintritt 51 tritt
also heißes Primärfluid ein, während
am Austritt 52 abgekühltes oder kälteres Primärfluid
austritt und dann in der Leitung 13 weiterströmt
(vergleiche 1).
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Ferner
tritt Sekundärfluid im Sekundärkreislauf 20 über
die Leitung 22 in den Eintritt 53 des Wärmeübertragers 50 ein.
Die Temperatur des Sekundärfluids ist dabei kalt beziehungsweise
abgekühlt, soweit es sich um Sekundärfluid aus
dem Zirkulationskreislauf 40 handelt.
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Das
innerhalb des Wärmeübertragers 50 dann
wieder erwärmte Sekundärfluid im Sekundärkreislauf 20 tritt
am Austritt 54 wieder aus dem Wärmeübertrager
aus.
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Innerhalb
des Wärmeübertragers 50 läuft
in der dargestellten Einbausituation also das Primärfluid
von unten nach oben, das Sekundärfluid dagegen von oben
nach unten. Zwischen dem Primärfluid und dem Sekundärfluid
gibt es entsprechende Kontaktflächen (nicht dargestellt)
zum Übertragen der Wärmeenergie.
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Das
Primärfluid strömt innerhalb des Wärmeübertragers 50 zwischen
einer Vielzahl von Platten oder Lamellen, die zwischen sich Kanäle
bilden. Die Einströmung erfolgt über die gesamte
in der 2 dargestellte Länge des Primäreintritts
von der rechten bis zu linken Kante des Wärmetauschers.
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In ähnlicher
Form strömt das Sekundärfluid von oben nach unten
durch andere, vergleichbare Kanäle zwischen entsprechenden
Platten und Lamellen hindurch.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist nun
vorgesehen, dass der Bereich, in dem das Primärfluid von
unten nach oben und das Sekundärfluid von oben nach unten
strömen, innerhalb des Wärmeübertragers 50 dadurch
beschränkt wird, dass die Einströmtiefe in horizontaler
Richtung des Primärfluids am Eintritt 51 und des
Sekundärfluids am Eintritt 53 jeweils beschränkt
ist.
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Um
eine solche Beschränkung vornehmen zu können,
ist ein in der 3 dargestelltes Element 60 vorgesehen.
Das Element 60 besitzt einen Ring 61, der auf
der rechten Seite in der 3 dargestellt ist und zur Aufnahme
am Stutzen der Eintrittsöffnungen 51 beziehungsweise 53 des
Wärmeübertragers 50 vorgesehen ist.
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Von
diesem Ring 61 führen zwei oder mehr Führungsstreben 62 in
diese Eintrittsöffnungen des Wärmeübertragers 50 hinein,
wobei die Länge der Führungsstreben 62 dem
angestrebten Leistungsverhältnis angepasst ist, das im
Wärmeübertrager 50 gewünscht
wird. Die Länge der Führungsstreben 62 kann
etwa ein Drittel der Gesamtlänge des Wärmeübertragers 50 betragen.
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Die
Führungsstreben 62 enden an einer Rückschlagklappe 63,
die als Schmetterlings-Rückschlagklappe ausgebildet ist
und um eine Drehachse 64 mit einer Rückstellfeder
drehbar angeordnet ist.
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Diese
Schmetterlings-Rückschlagklappe 63 kann also bei
entsprechender Stellung innerhalb des Eintrittes 51 oder 53 dazu
dienen, das weitere Strömen des Primärfluids oder
des Sekundärfluids in Richtung des Eintrittes stark zu
reduzieren. Dann strömt das Primärfluid beziehungsweise
das Sekundärfluid hauptsächlich in diesem ersten
Drittel des Wärmeübertragers 50, während
der gesamte hintere Bereich mit weiteren zwei Dritteln der Platten
und Kanäle nur mit einem Leckstrom durchstörmt
wird, und kaum Energie überträgt. Dafür
ist im vorderen Drittel die Strömungsgeschwindigkeit und
damit die Effizienz der Wärmeübertragung verbessert.
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Der
hintere Teil des Wärmeübertrages 50 wird
für eine gesteigerte Regelgüte auf der Primärseite
und für die Gewährleistung der Hygiene auf der Sekundärseite
im Schwachlastfall nur gering durchströmt.
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- 1
- Trinkwasserstation
- 10
- Primärkreislauf
- 11
- Pufferspeicher
- 12
- Leitung
- 13
- Leitung
- 13a
- Leitung
- 13b
- Leitung
- 13c
- Leitung
- 14a
- Fördereinrichtung
- 14b
- Fördereinrichtung
- 14c
- Fördereinrichtung
- 20
- Sekundärkreislauf
- 22
- Kaltwasserzuleitung
- 23
- Leitung
mit warmer Trinkwasser
- 27
- Temperaturfühler
in Kaltwasserzulauf
- 40
- Zirkulationskreislauf
- 44
- Fördereinrichtung
in Zirkulationskreislauf
- 47
- Temperaturfühler
in Zirkulationskreislauf
- 50
- Wärmeübertrager
- 51
- Eintritt
für das Primärfluid im Wärmeübertrager
- 52
- Austritt
für das Primärfluid aus dem Wärmeübertrager
- 53
- Eintritt
für das Sekundärfluid im Wärmeübertrager
- 54
- Austritt
für das Sekundärfluid aus dem Wärmeübertrager
- 57
- Temperaturfühler
im Wärmeübertrager
- 60
- Element
- 61
- Ring
- 62
- Führungsstreben
- 63
- Rückschlagklappe
- 64
- Drehachse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0384423
B1 [0008, 0029, 0090]
- - DE 19619566 C1 [0011]
- - EP 1170554 A2 [0011]
- - DE 102004038546 A1 [0051]