DE102013008040A1 - Device for heating water - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung von Wasser mit wenigstens einem Heizkessel. In dem Heizkessel sind drei Heizstäbe mit jeweils gleichem Abstand zueinander angeordnet, die mit einem freien Ende in den Heizkessel hineinragen. Dabei sind die Heizstäbe derart miteinander verschaltet, dass jedem Heizstab eine unterschiedliche Stromphase zugeordnet ist. In weiterer Ausgestaltung können die Heizstäbe parallel zueinander in einem vorbestimmten Abstand von 50 mm bis 60 mm angeordnet sein.The invention relates to a device for heating water with at least one heating boiler. In the boiler, three heating rods are arranged at the same distance from one another and protrude with one free end into the boiler. The heating rods are interconnected in such a way that each heating rod is assigned a different current phase. In a further embodiment, the heating rods can be arranged parallel to one another at a predetermined distance of 50 mm to 60 mm.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung von Wasser mit wenigstens einem Heizkessel.The invention relates to a device for heating water with at least one boiler.
Entsprechende Warmwasseraufbereitungsanlagen werden in vielen Haushalten, öffentlichen und anderen Gebäuden zur Aufbereitung und Bereitstellung von Warmwasser, besonders an abgelegenen Orten, die nicht mit vertretbarem Aufwand an ein zentrales Warmwassersystem angeschlossen werden können oder wo eine Umrüstung nicht lohnt, eingesetzt. Die Erwärmung des Wassers erfolgt bei entsprechenden Warmwasseraufbereitungsanlagen überwiegend elektrisch, so dass relativ geringen Investitionskosten häufig höhere Betriebskosten gegenüberstehen. Diese elektrischen Warmwasseraufbereitungsanlagen weisen weiterhin meistens einen elektrischen Heizdraht auf, der in einem schützenden Metallrohr durch einen Behälter mit zu beheizendem Wasser geführt ist. Um jetzt den Behälter bzw. das Wasser in dem Behälter aufzuheizen, wird jedoch relativ viel Energie benötigt. Andere Systeme zur Warmwasseraufbereitung werden daher bei der Planung von Gebäuden wenn möglich zumeist bevorzugt.Corresponding hot water treatment plants are used in many households, public and other buildings for the preparation and provision of hot water, especially in remote locations, which can not be connected with reasonable effort to a central hot water system or where retrofitting is not worthwhile. The heating of the water takes place at corresponding hot water treatment plants predominantly electrically, so that relatively low investment costs often face higher operating costs. These electric hot water treatment plants continue to have mostly an electric heating wire, which is guided in a protective metal tube through a container with water to be heated. However, now to heat the container or the water in the container, a relatively large amount of energy is needed. Other systems for hot water treatment are therefore preferred when planning buildings, if possible.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erwärmung von Wasser dahingehend weiterzuentwickeln, dass mit möglichst geringem Energieeinsatz innerhalb kürzester Zeit eine große Menge Warmwasser bereitgestellt werden kann.The object of the invention is to develop a device for heating water to the effect that with the least possible use of energy within a very short time a large amount of hot water can be provided.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.The solution of this object is achieved with a device having the features of
Die Vorrichtung zur Erwärmung von Wasser mit wenigstens einem Heizkessel, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass in dem Heizkessel drei Heizstäbe in paralleler Lage mit jeweils gleichem Abstand zueinander angeordnet sind, dass die Heizstäbe mit einem freien Ende in den Kessel hineinragen, und dass die Heizstäbe derart miteinander verschaltet sind, dass jedem Heizstab eine unterschiedliche Stromphase zugeordnet ist. Durch die in unterschiedliche Stromphasen aufgeteilte elektrische Energie kann in dem Heizkessel auf einfache Weise ein Magnetfeld zwischen den Heizstäben erzeugt werden, indem die elektrische Energie mit zeitlich aufeinanderfolgend unterschiedlichen Spannungen in die einzelnen Heizstäbe eingeleitet wird. Dabei wird elektrische Energie als Drehstrom mit hoher Spannung zeitlich versetzt immer nur in einen der Heizstäbe eingeleitet, insbesondere impulsartig eingeleitet. Die zeitgleich zu der hohen Spannung in die beiden anderen Heizstäbe eingeleitete elektrische Energie weist eine niedrigere Spannung auf. Unter einer Stromphase wird demnach die Zeit verstanden, über die in einen der Heizstäbe elektrische Energie mit hoher Spannung eingeleitet wird, wobei die Stromphasen zueinander um 120° versetzt sind. Der eingesetzte Drehstrom kann dabei sowohl dreiphasig als auch zweiphasig sein.The device for heating water with at least one boiler, according to the invention is characterized in that in the boiler three heating elements are arranged in a parallel position with the same distance from each other that the heating rods protrude with a free end in the boiler, and that the heating elements are interconnected such that each heater is assigned a different current phase. By divided into different current phases electrical energy, a magnetic field between the heating elements can be generated in the boiler in a simple manner by the electrical energy is introduced with temporally successive different voltages in the individual heating elements. In this case, electrical energy is introduced as a three-phase current with high voltage offset in time always only in one of the heating elements, in particular initiated in a pulsed manner. The simultaneously introduced to the high voltage in the two other heating elements electrical energy has a lower voltage. Accordingly, a current phase is understood to mean the time over which high-voltage electrical energy is introduced into one of the heating rods, with the current phases being offset from one another by 120 °. The three-phase current used can be both three-phase and two-phase.
Der Heizkessel ist dazu vor dem Inbetriebnehmen vollständig mit aufzuheizendem Wasser zu befüllen, so dass die Heizstäbe im Inneren des Heizkessels in, bevorzugt vollständig in das Wasser eintauchen. Sollte der Heizkessel nicht ausreichend mit Wasser befüllt sein, kann über einen Füllstandssensor des Heizkessels eine Wassermangel-Sicherung vorgesehen sein, wobei ein Inbetriebnehmen dann nur bei gefülltem Heizkessel möglich ist. Das zwischen den Heizstäben erzeugte Magnetfeld bedingt dann eine Anregung von Wassermolekülen, die in dem Heizkessel auf Temperaturen größer 70°C aufgeheizt werden können. Das direkt auf das Wasser einwirkende Magnetfeld stellt somit eine unmittelbare und daher besonders schnelle Aufheizung des Wassers sicher. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist dadurch einen gegenüber Boilern und anderen elektrisch betriebenen Warmwasseraufbereitungsanlagen vorteilhaft geringeren Energiebedarf auf, so dass niedrigere Betriebskosten anfallen. Zum Beispiel lässt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber einem Boiler mit Heizdraht bis zu der dreifachen Menge Warmwasser innerhalb eines bestimmten Zeitraums mit einer vorbestimmten Temperatur bereitstellen.Before starting up, the boiler must be completely filled with water to be heated, so that the heating elements in the interior of the boiler, preferably completely submerge in the water. If the boiler is not sufficiently filled with water, a water level fuse can be provided via a level sensor of the boiler, with a commissioning is then possible only when the boiler is full. The magnetic field generated between the heating rods then causes an excitation of water molecules, which can be heated in the boiler to temperatures greater than 70 ° C. The magnetic field acting directly on the water thus ensures an immediate and therefore particularly rapid heating of the water. As a result, the device according to the invention advantageously has a lower energy requirement compared with boilers and other electrically operated hot water treatment plants, so that lower operating costs are incurred. For example, with the device of the present invention, up to three times the amount of hot water can be provided to a hot wire boiler within a given period of time at a predetermined temperature.
Um das Magnetfeld zu erzeugen, sind die Heizstäbe parallel zueinander in einem vorbestimmten Abstand von 40 mm bis 70 mm, insbesondere 50 mm bis 60 mm anzuordnen. Größere und/oder kleinere Abstände zwischen den Heizstäben würden zu einem zu schwachen bzw. räumlich zu begrenzten Magnetfeld im Heizkessel führen. Zudem würde in dem Heizkessel befindliches Wasser dann nur unzureichend zirkulieren, so dass keine gleichmäßige oder nur eine stark verlangsamte Aufheizung auf eine vorbestimmte Temperatur möglich ist. Größere Warmwassermengen können insbesondere durch Parallelschaltung mehrerer Heizkessel bereitgestellt werden.To generate the magnetic field, the heating elements are to be arranged parallel to each other at a predetermined distance of 40 mm to 70 mm, in particular 50 mm to 60 mm. Larger and / or smaller distances between the heating rods would lead to a too weak or spatially limited magnetic field in the boiler. In addition, water in the boiler would then circulate only insufficient, so that no uniform or only a greatly slowed heating to a predetermined temperature is possible. Larger amounts of hot water can be provided in particular by connecting several boilers in parallel.
Eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit sowie eine hohe Temperaturbeständigkeit und Wärmekapazität der Heizstäbe kann dadurch erreicht werden, dass diese aus Kohle bzw. Graphit gefertigt sind. In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung wird synthetischer Graphit eingesetzt.A particularly high electrical conductivity and a high temperature resistance and heat capacity of the heating elements can be achieved that they are made of carbon or graphite. In a further preferred embodiment, synthetic graphite is used.
Die aus Graphit gefertigten Heizstäbe sind vorteilhafterweise mit einem Metall ummantelt, so dass eine lange Einsatzdauer und Korrosionsbeständigkeit gegeben ist. Insbesondere sind die Heizstäbe mit einer Kupferlegierung ummantelt, welche einen besonders guten Wärmeübergangskoeffizienten aufweist. Das elektrisch erzeugte Magnetfeld wird durch die Kupferlegierung nicht bzw. kaum beeinträchtigt.The heating rods made of graphite are advantageously coated with a metal, so that a long service life and corrosion resistance is given. In particular, the heating elements are coated with a copper alloy, which has a has particularly good heat transfer coefficient. The electrically generated magnetic field is not or hardly affected by the copper alloy.
Um die Vorrichtung zur Erwärmung von Wasser auf einfache Weise nach Bedarf zu steuern und immer Wasser mit einer vorbestimmten Temperatur bereitstellen zu können, ist weiter vorgesehen, dass die Heizstäbe des Heizkessels mit einer Steuereinheit anhand wenigstens eines Thermostats geregelt werden. Die Steuerung umfasst dabei vorteilhafterweise wenigstens einen Temperaturfühler direkt im Heizkessel, einen Temperaturfühler in einem Heizkesselrücklauf einer Warmwasserabgabeleitung des Heizkessels, einen Temperaturfühler in einem Kaltwasserzulauf des Heizkessels, einen Höchsttemperaturfühler mit einer Abschaltvorrichtung und eine Überdrucksicherung mit einer Abschaltvorrichtung.In order to control the device for heating water in a simple manner as needed and always to provide water at a predetermined temperature, it is further provided that the heating elements of the boiler are controlled by a control unit based on at least one thermostat. The control advantageously comprises at least one temperature sensor directly in the boiler, a temperature sensor in a boiler return of a hot water discharge pipe of the boiler, a temperature sensor in a cold water inlet of the boiler, a maximum temperature sensor with a shutdown and an overpressure protection with a shutdown device.
Die Erzeugung des elektrischen Magnetfelds wird dann in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Temperatur, die das Warmwasser im Heizkessel erreichen soll, geregelt. Bei Betrieb der Vorrichtung können so Heizphasen in denen elektrische Energie in die Heizstäbe eingeleitet wird und Warmphasen zwischen den Heizphasen unterschieden werden, wobei die Heizphasen und die Warmphasen über die Steuerung in Abhängigkeit von den gemessenen Temperaturen bevorzugt automatisch regelbar sind.The generation of the electric magnetic field is then controlled in response to a predetermined temperature, which is to reach the hot water in the boiler. During operation of the device so heating phases in which electrical energy is introduced into the heating elements and hot phases can be distinguished between the heating phases, wherein the heating phases and the hot phases are preferably automatically controlled via the controller in dependence on the measured temperatures.
Weiterhin wird eine Überdrucksicherung des Heizkessels benötigt, um vorbestimmte Betriebsdrücke von 0,2 Bar bis 5 Bar Überdruck nicht zu überschreiten und somit einen sicheren Dauerbetrieb der Vorrichtung zu gewährleisten.Furthermore, an overpressure protection of the boiler is required to not exceed predetermined operating pressures of 0.2 bar to 5 bar pressure and thus to ensure safe continuous operation of the device.
Die einzelnen Heizstäbe sind bevorzugt in einer Deckelwand des Heizkessels gehalten, die mit einem Heizkesselbodenteil zu dem Heizkessel zusammensetzbar ist. Dabei können Heizkesselbodenteil und Deckelwand eine vorzugsweise außenseitige Isolierung aufweisen, um den Energiebedarf zum Erwärmen des Wassers nochmals zu senken. Entsprechende Zu- und Abläufe des Heizkessels, Regelventile sowie Temperaturfühler können sowohl am Heizkesselbodenteil als auch an der Deckelwand und/oder den Zu- und Abläufen angeordnet sein. Für Wartungs- und Reparaturarbeiten kann die Deckelwand des Heizkessels, von dem Heizkesselbodenteil gelöst und abgenommen werden. Die Heizstäbe sind dann besonders gut zugänglich und des Weiteren vorteilhafterweise einzeln austauschbar. Beschädigte Heizstäbe können so besonders kostengünstig ersetzt werden.The individual heating rods are preferably held in a top wall of the boiler, which is composable with a boiler bottom part to the boiler. In this case, boiler bottom part and top wall may have a preferably outside insulation to reduce the energy required to heat the water again. Corresponding inlets and outlets of the boiler, control valves and temperature sensors can be arranged both on the boiler bottom part and on the top wall and / or the inlets and outlets. For maintenance and repair work, the top wall of the boiler can be detached from the boiler bottom and removed. The heating elements are then particularly well accessible and further advantageously individually exchangeable. Damaged heating elements can thus be replaced particularly cost-effectively.
Um umweltfreundlich und unabhängig von einer zentralen Energieversorgung zu sein, kann den Heizstäben eine Stromversorgung über eine regenerative Energiequelle zugeordnet sein, so dass die gesamte Vorrichtung weitestgehend autark betrieben werden kann. Mögliche regenerative Energiequellen können Windkraft und Sonne sein, die über eine Windenergieanlage bzw. ein Solarmodul für die erfindungsgemäße Vorrichtung Strom bereitstellen. In weiterer Ausgestaltung können auch verschiedene regenerative Energiequellen miteinander kombiniert und gekoppelt werden.To be environmentally friendly and independent of a central power supply, the heating elements can be assigned a power supply via a regenerative energy source, so that the entire device can be operated largely independently. Possible regenerative energy sources may be wind power and sun, which provide power via a wind turbine or a solar module for the device according to the invention. In a further embodiment, various regenerative energy sources can also be combined and coupled with one another.
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können. Es zeigen:The drawing shows an embodiment of the invention, from which further inventive features may result. Show it:
In
Die Deckelwand
Aus
Das Funktionsschema gemäß
Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.All the features mentioned in the preceding description and in the claims can be combined in any selection with the features of the independent claim. The disclosure of the invention is thus not limited to the described or claimed combinations of features, but all meaningful combinations of features within the scope of the invention are to be regarded as disclosed.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTANWAELTE JABBUSCH SIEKMANN & WASILJEFF, DE |
|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |