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Die Erfindung betrifft einen Brauchwasserbereiter, bei welchem Warmwasser nach dem Durchlaufprinzip erwärmt wird.
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Aus dem Stand der Technik sind Brauchwasserbereiter nach dem Durchlaufprinzip bekannt. Insbesondere ist ein Brennwert-Heizschrank „SuperMario” der Firma Olymp-GmbH aus dem Jahr 2001 bekannt. Dieser Brennwertkessel mit Pufferspeicher weist für die Warmwasserversorgung einen Primärkreis auf, in welchem ein Heizmedium zwei in Reihe geschaltene Plattenwärmetauscher durchströmt. Die beiden Plattenwärmetauscher weisen eine Sekundärseite auf, welche von Brauchwasser zur Erwärmung im Gegenstrom zur Primärseite durchströmt wird. Zwischen Pufferspeicher und dem ersten Plattenwärmetauscher ist im Primärkreis ein Thermoventil geschalten. Über dieses Thermoventil wird Wasser, welches aus dem Primärkreis zwischen dem ersten Plattenwärmetauscher und dem zweiten Plattenwärmetauscher abgezweigt wird, in die Vorlaufleitung beigemischt. Dieser Brennwert-Heizschrank weist im Vergleich zu anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Brauchwasserbereitern, bei welchen das rückgeführte Heizmedium aus der Rücklaufleitung zum Pufferspeicher abgezweigt wird, eine verbesserte Regelung der Ladetemperatur im Primärkreis und somit der Brauchwassertemperatur, insbesondere bei variablen Wassermengen, auf.
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Darüber hinaus ist aus
DE 10 2009 046 707 A1 ein Brauchwasserbereiter nach dem Durchlaufprinzip bekannt, bei welchem ein Brauchwasserwärmetauscher in einem mit Speicherwasser gefüllten Speicherbehälter angeordnet ist. Zur Aufheizung des Speicherwassers sind im Speicherbehälter ein Ladewärmetauscher und ein Zusatzwärmetauscher eines Heizkreislaufs angeordnet. Im Heizkreislauf ist zudem eine Umwälzpumpe und im Vorlauf des Zusatzwärmetauschers ein Mischventil angeordnet, welches mit dem Rücklauf des Zusatzwärmetauschers in Fluidverbindung steht.
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Alle aus dem Stand der Technik bekannten Brauchwasserbereiter weisen jedoch Nachteile durch ein verzögertes Ansprechverhalten des Mischventils und/oder Überschwingungen auf der Primär- und somit auch auf der Sekundärseite auf. Dies hat Nachteile für den Nutzungskomfort aufgrund schwankender Brauchwassertemperaturen und ferner besteht die Gefahr der Verkalkung aufgrund zu hoher Temperaturen.
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Somit besteht die Aufgabe, einen Brauchwasserbereiter mit einer optimierten Ladetemperaturregelung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch einen Brauchwasserbereiter gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Der erfindungsgemäße Brauchwasserbereiter weist einen Primärkreis auf, in welchem ein Ladewärmetauscher mit einem Nachschaltwärmetauscher in Reihe geschaltet ist. Der Primärkreis wird von einem Heizmedium durchströmt. Der Primärkreis weist einen Vorlauf, über welche das Heizmedium aus einer Energiequelle strömt, und einen Rücklauf auf, über welche das Heizmedium zurück in die Energiequelle strömt. Jeder der beiden Wärmetauscher weist sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite einen Vorlauf und einen Rücklauf auf. Im Primärkreis ist eine Umwälzpumpe angeordnet, welche das Heizmedium fördert. Im Vorlauf des Primärkreises ist ferner ein Mischventil mit einem Thermoelement angeordnet. Das Mischventil steht über eine Rückführleitung mit einem Rückführanschluss eines Rücklaufs des Ladewärmetauschers in Fluidverbindung. Ferner weist der Primärkreis eine Rezirkulationsleitung auf. Die Rezirkulationsleitung wird über die Umwälzpumpe, den Ladewärmetauscher und über den Rückführanschluss geführt. Dies bedeutet, dass die Rezirkulationsleitung in Strömungsrichtung nach der Umwälzpumpe, dem Ladewärmetauscher und dem Rückführanschluss aus dem Primärkreis abzweigt und vor diesen drei genannten Elementen des Primärkreises in diesen zurückgeführt werden. Somit wird ein Rezirkulationskreis in Primärkreis ausgebildet. Vorzugsweise ist zwischen dem Rückführanschluss und der Abzweigung der Rezirkulationsleitung zumindest ein Teil einer der beiden Wärmetauscher angeordnet, so dass das Heizmedium, welches über die Rezirkulationsleitung zurückgeführt wird, kühler ist als das Heizmedium, welches durch die Beimischleitung fließt. Die Sekundärseite der Wärmetauscher wird im Gegenstrom in Bezug auf die Durchströmrichtung auf der Primärseite mit Brauchwasser durchströmt.
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Das Thermoelement des Mischventils ist als beliebige Art von Regeleinrichtung ausbildbar, welche das Mischverhältnis in Abhängigkeit von einer Temperatur regelt. Vorzugsweise regelt das Thermoelement das Mischverhältnis im Mischventil abhängig von der Temperatur in der Primärkreis- bzw. Ladewärmetauschervorlaufleitung. Weiter vorzugsweise ist das Thermoelement als Dehnstoffelement oder Bimetallelement ausgebildet, welches im Mischventil angeordnet ist. Als Thermoelement ist dabei ein Bauteil zu verstehen, welches sich aufgrund seiner Temperaturänderung in seinen Abmessungen verändert und somit beispielsweise über die Verschiebung eines Regelelements wie eines Regelkolbens zu einer Veränderung des Mischverhältnisses führt. Daraus ergeben sich insbesondere im Teillastbetrieb und nach längeren Zapfpausen in der Startphase Vorteile, da das Thermoelement auf die Temperatur des heißen Heizmediums aus der Energiequelle reagiert.
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Durch die Rezirkulationsleitung wird Heizwasser, welches zumindest den Ladewärmetauscher teilweise, vorzugsweise jedoch komplett durchströmt und somit Wärme abgibt, in die Vorlaufleitung des Ladewärmetauschers zurückgeführt und beigemischt. Die Beimischrate des abgekühlten Heizmediums ist dabei vorzugsweise konstant, so dass die absolute Menge an beigemischtem Heizmedium vom Volumenstrom, welcher von der Umwälzpumpe gefördert wird, abhängig ist. Die Beimischrate ist in der Regel gering, so dass die beigemischte Menge an Heizmedium aus der Rezirkulationsleitung im Vergleich zum Gesamtvolumenstrom im Primärkreis ebenfalls gering ist. Demzufolge ist der Wärmeenergiestrom über die Rezirkulationsleitung vorzugsweise gering, sodass er im Volllastbetrieb vernachlässigbar ist im Vergleich zum gesamten Wärmestrom im Ladewärmetauschervorlauf. Vorzugsweise weist die Beimischrate einen Wert von 5 bis 20 Prozent, weiter vorzugsweise 10 Prozent auf. Die Umwälzpumpe im Primärkreis wird in der Regel nur während des Zapfens von Warmwasser über einen entsprechenden Schalter aktiviert. Bei längeren Zapfpausen kühlt das Heizwasser im Primärkreis ab. Wird nun Brauchwasser gezapft, fördert die Umwälzpumpe heißes Heizmedium, worauf das Thermoelement mit einer zeitlichen Verzögerung reagiert. Zunächst findet also keine Beimischung statt, und es besteht die Gefahr, dass das Brauchwasser zu stark erwärmt wird. Über die Rezirkulationsleitung wird jedoch unabhängig von der Temperatur am Thermoelement abgekühltes Heizmedium beigemischt. Durch das Beimischen von Heizmedium über die Rezirkulationsleitung werden durch das geregelte Mischventil verursachte Überschwingungen bei Laständerungen gedämpft beziehungsweise verringert. Somit wird die Regelung der Ladetemperatur, das heißt die Temperatur im Ladewärmetauschervorlauf, optimiert. Aufgrund der Reduzierung der Überschwingung im Primärkreis wird auch das Überschwingverhalten im Sekundärkreis positiv beeinflusst, was zu einer konstanteren Warmwassertemperatur und einer Verringerung der Verkalkung führt.
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Die Beimischrate durch die Rezirkulationsleitung ist beispielsweise durch die vorliegenden Rohrquerschnitte im Primärkreis sowie der Rezirkulationsleitung definiert. Vorzugsweise ist die Durchflussmenge und somit die Beimischrate in den Vorlauf des Ladewärmetauschers über ein Steuerorgan in Art einer Blende, einer Verjüngung, eines Ventils, eines Drehschiebers oder dergleichen steuerbar. Somit ist beispielsweise durch Veränderung des Durchströmquerschnitts in der Rezirkulationsleitung die Beimischrate veränderbar. Ein Steuern der Durchflussmenge in der Rezirkulationsleitung kann beispielsweise manuell oder automatisch erfolgen. Vorzugsweise wird das Steuerorgan bei Wartung oder bei Installation oder Wartung des Systems angepasst, um die Beimischrate auf die Randbedingungen im Gesamtsystem einzustellen. Alternativ ist das Steuerorgan auch anhand des Betriebszustandes, insbesondere des Lastbereichs wie Volllast oder Teillast, steuerbar. Die Steuerung ist beispielsweise abhängig von der von der Umwälzpumpe pro Zeiteinheit geförderten Heizmediumsmenge oder von der Zapfmenge. Eine derartige Verstellung ist auch in Form einer Regelung ausführbar.
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In einer weiter bevorzugten Ausführung weist das Dehnstoffelement im Mischventil zwei Schaltstellungen auf. Zwischen den beiden Schaltstellungen wird das Dehnstoffelement über einen Aktuator umgeschaltet. Der Aktuator kann dabei manuell oder automatisch betätigt werden. In einer ersten, eingeschalteten Schaltstelle regelt das Mischventil die Beimischrate im Mischventil. In einer zweiten, um- und vorzugsweise ausgeschalteten Stellung ist die Rückführleitung verschlossen, so dass keine Beimischung stattfindet. Eine solche Stellung wird vorzugsweise für einen Desinfektion auf der Sekundärseite verwendet. Dabei wird heißes Heizmedium aus der Energiequelle, beispielsweise dem Pufferspeicher, durch den Primärkreis geleitet. Ein Beimischen und somit Abkühlen der Vorlauftemperatur im Ladewärmetauschervorlauf verringert dabei die Effizienz der Desinfektion, da das Heizwasser abgekühlt wird.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Umwälzpumpe in der Vorlaufleitung des Ladewärmetauschers angeordnet. Weiter vorzugsweise ist bei dieser Ausführungsform die Rezirkulationsleitung zwischen dem Mischventil mit Thermoelement und der Umwälzpumpe mit der Vorlaufleitung des Ladewärmetauschers verbunden.
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Vorzugsweise sind der Ladewärmetauscher und der Nachschaltwärmetauscher als eine Einheit ausgebildet. Somit sind die beiden Wärmetauscher kompakt ausbildbar. Vorzugsweise wird auf eine Verrohrung zwischen den beiden Wärmetauschern verzichtet, und beide Wärmetauscher werden miteinander direkt verbunden, beispielsweise durch Löten oder Schweißen.
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Die beiden Wärmetauscher sind auch einstückig ausbildbar. In einer solchen einstückigen Ausführung der Wärmetauschereinheit besteht weiterhin eine funktionale Abgrenzung zwischen dem Ladewärmetauscher und dem Nachschaltwärmetauscher. Eine solche Abgrenzung ist beispielsweise über die Anordnung der Vor- bzw. Rücklaufanschlüsse für die erfindungsgemäße Schaltung verwirklicht. Eine solche einstückige Einheit ist weiter vorzugsweise als umgelenkter Wärmetauscher ausgebildet. Ein solcher umgelenkter Wärmetauscher bietet dabei eine große Wärmeübertragungsfläche bei geringem Volumen.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, welche in den Figuren dargestellt sind, näher erläutert. Dabei zeigen:
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1: eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brauchwasserbereiters,
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2: eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brauchwasserbereiters und
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3: eine alternative Anschlussgestaltung der zweiten Ausführungsform.
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Erfindungsgemäß weist der Brauchwasserbereiter 1 zwei in Reihe geschaltene Wärmetauscher, einen Ladewärmtauscher 14 und einen Nachschaltwärmetauscher 15, auf. Die beiden Wärmetauscher können dabei als Wärmetauscherpaket 13 angesehen werden. Der Brauchwasserbereiter 1 weist einen Primärkreis auf. Im Primärkreis ist ein Pufferspeicher 21 als Energiequelle angeordnet. Aus diesem strömt ein Heizmedium durch den Primärkreisvorlauf 9, in welchem ein Mischventil 2 mit einem Thermoelement 3 angeordnet ist, weiter über den Vorlauf des Ladewärmetauschers 14a in den Ladewärmetauscher 14. Ein Rücklauf des Ladewärmetauschers 14b ist über eine Primärkreisverbindung 11 mit einem Vorlauf des Nachschaltwärmetauschers 15a verbunden. In der Primärkreisverbindungsleitung ist eine Umwälzpumpe 8 angeordnet, welche das Heizmedium im Primärkreis fördert. Aus dem Nachschaltwärmetauscher 15 strömt das Heizmedium über den Rücklauf des Nachschaltwärmetauschers 15b bzw. den Rücklauf 12 zum Pufferspeicher 21.
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Ferner weist der erfindungsgemäße Brauchwasserbereiter 1 eine Rückflussleitung 4 auf. Die Rückflussleitung 4 zweigt in einem Rückführanschluss 5 aus der Verbindungsleitung 11 ab. Die Rückflussleitung wird zum Mischventil 2 zurückgeführt. Das Dehnstoffelement 3 ist dabei in Durchflussrichtung nach dem Regelelement des Mischvenils 2, beispielsweise einem Regelkoben oder einem Schieber, über welchen die Beimischrate verändert wird, im Mischventil 2 angeordnet. Somit findet über die Rückflussleitung 4 eine Beimischung von Heizmedium, welches den Ladewärmetauscher 14 durchströmt und Energie abgegeben hat, in die Vorlaufleitung des Ladewärmetauschers 14a statt. Die Beimischung von Heizmedium aus der Rückflussleitung 4 erfolgt aufgrund des Dehnstoffelements 3 temperaturabhängig.
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Die Primärkreisverbindung 11 weist einen Mittenrücklauf 10 auf, über welchen Heizmedium entsprechend einer manuell oder automatisch getätigten Voreinstellung in den Pufferspeicher rückführbar ist.
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Ferner weist der erfindungsgemäße Brauchwasserbereiter 1 eine Rezirkulationsleitung 6 auf. Über die Rezirkulationsleitung 6 wird das Heizmedium über einen Rücklauf des Nachschaltwärmetauschers 15b aus dem Nachschaltwärmetauscher 15 abgezweigt und über den Rückführanschluss 5, die Umwälzpumpe 8 und über den Ladewärmetauscher 14 geführt. Das Heizmedium aus der Rezirkulationsleitung 6 wird zwischen dem Mischventil 2 und dem Ladewärmetauscher 14 in den Ladewärmetauschervorlauf 14a eingespeist. Der Rezirkulationsleitung 6 weist einen Drehschieber 7 auf, über welchen die Durchflussmenge durch die Rezirkulationsleitung 6 einstellbar ist. Der Drehschieber 7 wird dabei in der Regel lediglich bei der Inbetriebnahme sowie bei Wartungsarbeiten eingestellt, um so eine konstante Beimischung einzustellen.
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Das Wärmetauscherpaket 13 wird sekundärseitig im Gegenstrom zur Primärseite mit Brauchwasser durchströmt. Das Brauchwasser gelangt dabei über einen Sekundärvorlauf 16 bzw. einen Vorlauf des Nachschaltwärmetauschers 15a' in den Nachschaltwärmetauscher 15, in welchem es vorgewärmt wird. Das Brauchwasser strömt über einen Rücklauf des Nachschaltwärmetauschers 15b' und einen Vorlauf des Ladewärmetauschers 14a' in den Ladewärmetauscher 14. Nach Durchströmen des Ladewärmetauschers 14 wird das Brauchwasser über den Rücklauf des Ladewärmetauschers 14b' bzw. den Sekundärrücklauf 17 zur Entnahmestelle (nicht gezeigt) geführt. Der erfindungsgemäße Brauchwasserbereiter weist am sekundärseitigen Rücklauf des Nachschaltwärmetauschers 15b' eine weitere Entnahmestelle 20 auf, an welcher Brauchwasser mit einer Temperatur, welche unterhalb der am Sekundärrücklauf 17 liegt, gezapft werden kann. Das Temperaturniveau an dieser Zapfstelle ist jedoch unbestimmt. Das hier gezapfte Brauchwasser kann beispielsweise für einen Waschmaschinenanschluss oder ein Handwaschbecken verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass das primärseitige Heizmedium im Nachschaltwärmetauscher 14 weiter abgekühlt wird und somit die Effizienz des Brauchwasserbereiters erhöht wird. Ferner weist der Brauchwasserbereiter 1 eine Zirkulationsleitung 18 auf, durch welche Brauchwasser aus der Zapfleitung in den sekundärseitigen Vorlauf des Ladewärmetauschers 14a eingespeist wird.
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Der Durchfluss durch die Rezirkulationsleitung 6 ist im Unterschied zur Durchflussmenge durch die Rückführleitung 4 unabhängig von der Heizmedium-Temperatur im Primärkreisvorlauf 9, in der Rückführleitung 4 und im Ladewärmetauschervorlauf 14a. Aufgrund der Einleitung des Heizmediums aus der Rezirkulationsleitung 6 nach dem Dehnstoffelement 3 in den Ladewärmetauschervorlauf 14a beeinflusst die Heizmediums-Temperatur in der Rezirkulationsleitung 6 die Regelung des Mischventils 2 nicht. Durch die konstante Beimischung aus der Rezirkulationsleitung 6 wird, dadurch, dass im Teillastbetrieb ein Überschwingen der Heizmediums-Temperatur im Ladewärmetauschervorlauf 14a gedämpft bzw. unterdrückt wird, somit eine starke Schwankung der Brauchwassertemperatur am Ladewärmetauscherrücklauf 14b vermieden.
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Das Mischventil 2 weist zusätzlich zu dem Thermoelement 3 als Regler einen Schaltaktor 19 auf. Der Schaltaktor 19 ist dabei derart ausgebildet, dass durch seine Aktivierung das Dehnstoffelement 3 in eine zweite, insbesondere deaktivierte Position verschiebbar ist, in welcher die Beimischung im Mischventil 2 nicht geregelt wird. Ferner wird durch das Verschieben die Rückführleitung 4 verschlossen. Diese Schaltfunktion wird beispielsweise zur Desinfektion des Sekundärkreises verwendet, bei welcher heißes Heizmedium im Primärkreis zirkuliert. Das Heizmedium wird über den Primärkreisvorlauf 9 dem Pufferspeicher 21 entnommen und über den Mittelrücklauf 10 und/oder den Primärkreisrücklauf 12 in verschiedenen Positionen dem Pufferspeicher 21 zugeführt.
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Die zweite Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform im Wesentlichen durch die Art des Wärmetauscherpakets 13. Gemäß 2 sind der Ladewärmetauscher 14 und der Nachschaltwärmetauscher 15 einstückig als umgelenkte Wärmetauschereinheit ausgebildet. Somit ist die Primärkreisverbindung 11 nicht mehr als Leitung ausgebildet, sondern ist Teil des Wärmetauschers. Eine klare funktionale Trennung zwischen dem Ladewärmetauscher 14 und dem Nachschaltwärmetauscher 15 besteht auch in der einstückigen Ausbildung.
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Darüber hinaus ist die Umwälzpumpe 8 nicht im Rücklauf des Ladewärmetauschers 14b, d. h. in der Primärkreisverbindung 11 angeordnet, sondern im Vorlauf des Ladewärmetauschers 14a.
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3 zeigt eine zu der Ausgestaltung in 2 alternative Gestaltung von Ladewärmetauscher- und Nachschaltwärmetauscherrückläufen 14b, 15b. Die beiden Rückläufe 14b, 15b sind als Koaxialrohr aus der umgelenkten Wärmetauschereinheit 14, 15 geführt, an welchem die Anschlüsse für die Rückführleitung 4 und die Rezirkulationsleitung 6 angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brauchwasserbereiter
- 2
- Mischventil
- 3
- Thermoelement
- 4
- Rückführleitung
- 5
- Rückführanschluss
- 6
- Rezirkulationsleitung
- 7
- Steuerorgan
- 8
- Umwälzpumpe
- 9
- Primärkreisvorlauf
- 10
- Mittenrücklauf
- 11
- Primärkreisverbindung
- 12
- Primärkreisrücklauf
- 13
- Wärmetauscherpaket
- 14
- Ladewärmetauscher
- 14a, 14a'
- Vorlauf Ladewärmetauscher
- 14b, 14b'
- Rücklauf Ladewärmetauscher
- 15
- Nachschaltwärmetauscher
- 15a, 15a'
- Vorlauf Nachschaltwärmetauscher
- 15b, 15b'
- Rücklauf Nachschaltwärmetauscher
- 16
- Sekundärvorlauf
- 17
- Sekundärrücklauf
- 18
- Zirkulationsleitung
- 19
- Schaltaktor
- 20
- weitere Brauchwasserentnahmestelle
- 21
- Energiequelle
