DE102017001169B4 - Heater for heating water and operating procedures - Google Patents
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Abstract
Heizgerät (2) zur Erwärmung von Wasser (4),
- mit einem Behälter (6) zur Befüllung mit Wasser (4), und
- mit einem Heizelement (12), das in einem Füllzustand (F) des Behälters (6) zumindest bereichsweise in direktem Kontakt mit dem Wasser (4) steht, und
- mit einem Wasser-Sensor (14) zur Ermittlung einer Wasser-Temperatur (TW) des Wassers (4) im Füllzustand (F), und
- mit einer Steuerung (16) zum Betreiben des Heizelements (12) im Füllzustand (F) in Abhängigkeit der vom Wasser-Sensor (14) ermittelten Wasser-Temperatur (TW), dadurch gekennzeichnet, dass
- das Heizgerät (2) einen Heiz-Sensor (18) zur Ermittlung einer Heiz-Temperatur (TH) des Heizelements (12) aufweist, und
- die Steuerung (16) zum Betreiben des Heizelements (12) im Füllzustand (F) auch in Abhängigkeit der vom Heiz-Sensor (18) ermittelten Heiz-Temperatur (TH) ausgebildet ist,
- die Steuerung (16) mindestens einen Zweipunkt-Regler (20,22) enthält,
- die Steuerung (16) einen zweiten Zweipunkt-Regler (22) zur Regelung eines Istwertes (THI) der Heiz-Temperatur (TH) auf einen Sollwert (THS) hin enthält, der nur für den Fall, dass ein Istwert (TWI) der Wasser-Temperatur (TW) größer einem Grenzwert (G) ist, dem ersten Zweipunkt-Regler (20) unterlagert ist und ansonsten inaktiv geschaltet ist, wobei der zweite Zweipunkt-Regler (22) als Stellgröße ein binäres Aktivierungssignal (A) für das Heizelement (12) aufweist.
Heater (2) for heating water (4),
- With a container (6) for filling with water (4), and
- With a heating element (12) in a filling state (F) of the container (6) at least partially in direct contact with the water (4), and
- With a water sensor (14) for determining a water temperature (TW) of the water (4) in the filling state (F), and
- With a controller (16) for operating the heating element (12) in the filling state (F) in dependence of the water sensor (14) determined water temperature (TW), characterized in that
- The heater (2) has a heating sensor (18) for determining a heating temperature (TH) of the heating element (12), and
- The controller (16) for operating the heating element (12) in the filling state (F) is also formed as a function of the heating sensor (18) determined heating temperature (TH),
the controller (16) contains at least one two-point controller (20, 22),
- The controller (16) includes a second two-step controller (22) for controlling an actual value (THI) of the heating temperature (TH) to a setpoint (THS) down, the only in the event that an actual value (TWI) of Water temperature (TW) is greater than a limit (G), the first two-step controller (20) is subordinate and otherwise inactive, wherein the second two-step controller (22) as a manipulated variable, a binary activation signal (A) for the heating element (12).
Description
Die Erfindung betrifft ein Heizgerät zur Erwärmung von Wasser und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Heizgerätes.The invention relates to a heater for heating water and a method for operating such a heater.
In verschiedensten Situationen ist es wünschenswert, Wasser zu erwärmen bzw. zu erhitzen. Ein derartiger Bedarf besteht insbesondere auch an Bord von Flugzeugen, zum Beispiel zur Zubereitung von Heißgetränken oder Speisen oder als Warmwasser z. B. an einem Handwasch- oder Spülbecken.In various situations, it is desirable to heat or heat water. Such a need exists in particular on board aircraft, for example for the preparation of hot drinks or food or hot water z. B. on a hand wash or sink.
Ein Heizgerät zur Erwärmung von Wasser ist beispielsweise aus der
Aus der
Aus der
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Erwärmung von Wasser zu verbessern.The object of the present invention is to improve the heating of water.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Heizgerät gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.The object is achieved by a heater according to claim 1. Preferred or advantageous embodiments of the invention and other categories of invention will become apparent from the other claims, the following description and the accompanying drawings.
Das Heizgerät dient zur Erwärmung von Wasser und enthält einen Behälter zur Befüllung mit Wasser. Das Heizgerät enthält ein Heizelement. In einem Füllzustand des Behälters steht das Heizelement zumindest bereichsweise in direktem Kontakt mit dem Wasser. Der Füllzustand ist derjenige Zustand, wenn der Behälter bis zu einer Mindestfüllhöhe oder höher mit Wasser befüllt ist. Das Heizelement steht dann mit dem sich innerhalb des Behälters befindenden Wassers in Kontakt bzw. ist von diesem umspült. The heater is used for heating water and contains a container for filling with water. The heater contains a heating element. In a filling state of the container, the heating element is at least partially in direct contact with the water. The fill state is that state when the container is filled to a minimum fill level or higher with water. The heating element is then in contact with the water located inside the container or is surrounded by it.
Das Heizgerät enthält einen Temperatursensor zur Ermittlung einer Temperatur („Wassertemperatur“ genannt) des Wassers im Behälter, wenn sich dieser im Füllzustand befindet. Der Sensor wird daher „Wasser-Sensor“ genannt. Das Heizgerät enthält eine Steuerung. Die Steuerung dient zum Betreiben des Heizelements in Abhängigkeit der vom Wasser-Sensor ermittelten Wassertemperatur im Füllzustand.The heater includes a temperature sensor for determining a temperature (called "water temperature") of the water in the container when it is in the fill state. The sensor is therefore called "water sensor". The heater contains a controller. The controller is used to operate the heating element as a function of the water temperature detected by the water sensor in the filling state.
Das Heizgerät enthält auch einen weiteren Temperatursensor zur Ermittlung einer Temperatur („Heiztemperatur“ genannt) des Heizelements. Dieser Sensor wird daher „Heiz-Sensor“ genannt. Die Steuerung ist zum Betreiben des Heizelements im Füllzustand auch in Abhängigkeit der vom Heizsensor ermittelten Heiztemperatur ausgebildet. Die Steuerung betreibt das Heizelement also in Abhängigkeit der von den jeweiligen Sensoren ermittelten Wassertemperatur und in Abhängigkeit der Heiztemperatur.The heater also includes another temperature sensor for detecting a temperature (called "heating temperature") of the heating element. This sensor is therefore called "heating sensor". The control is designed to operate the heating element in the filling state as a function of the heating temperature determined by the heating sensor. The controller thus operates the heating element as a function of the determined by the respective sensors Water temperature and depending on the heating temperature.
Die Steuerung ist insbesondere eine Regelung oder enthält eine solche. In diesem Fall erfolgt also eine Rückkopplung der Wassertemperatur und/oder der Heiztemperatur auf die Steuerung im Sinne eines Regelkreises. Der Heizsensor ist insbesondere in das Heizelement integriert, um dessen Temperatur (Heiztemperatur) zu erfassen. Der Temperatursensor ist insbesondere in Thermoelement.The controller is in particular a control or contains such. In this case, therefore, there is a feedback of the water temperature and / or the heating temperature to the controller in the sense of a control loop. The heating sensor is integrated in particular in the heating element to detect its temperature (heating temperature). The temperature sensor is especially in thermocouple.
Anstelle der jeweiligen Temperatur können auch mit der Temperatur korrelierte Kenngrößen, die auf die entsprechende Temperatur zurückschließen lassen, erfasst und ggf. weiterverarbeitet werden. Der Wassersensor ist insbesondere ein Tauchsensor, der im Füllzustand des Behälters zumindest bereichsweise in das im Behälter befindliche Wasser eintaucht.Instead of the respective temperature, parameters which are correlated with the temperature and which can be deduced to the corresponding temperature can also be detected and optionally further processed. The water sensor is in particular a submersible sensor, which dips at least partially into the water in the container in the filling state of the container.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass nicht nur die Wassertemperatur, sondern auch die Heiztemperatur des Heizelements erfasst wird und in die Steuerung des Heizelements eingeht, so kann das Heizelement auch so angesteuert werden, dass sich an diesem eine bestimmte bzw. gewünschte Heiztemperatur einstellt. Insbesondere kann im Bedarfsfall, zum Beispiel in einem Warmhaltebetrieb bzw. in einer letzten Phase der Aufheizung des Wassers vor Erreichen einer gewünschten Wassertemperatur, die Temperatur des Heizelements gegenüber einem hinsichtlich der Heiztemperatur „ungesteuerten“ Betrieb abgesenkt werden. Eine Absenkung der Heizelementtemperatur führt zu einer verringerten Kalkablagerung am Heizelement sowie zu einer verlängerten Lebensdauer des Heizelements.The invention has the advantage that not only the water temperature, but also the heating temperature of the heating element is detected and enters into the control of the heating element, the heating element can also be controlled so that adjusts to this a specific or desired heating temperature. In particular, if necessary, for example in a holding operation or in a final phase of the heating of the water before reaching a desired water temperature, the temperature of the heating element with respect to the heating temperature "uncontrolled" operation can be lowered. A lowering of the heating element temperature leads to a reduced calcification on the heating element and to an extended life of the heating element.
Die Steuerung enthält mindestens einen Zweipunktregler. Für derart einfache Steuerungs- bzw. Regelaufgaben, wie die Erwärmung von Brauchwasser, ist ein Zweipunktregler in der Regel ausreichend und außerdem einfach und kostengünstig realisierbar.The controller contains at least one two-position controller. For such simple control tasks, such as the heating of service water, a two-point controller is usually sufficient and also easy and inexpensive to implement.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform enthält die Steuerung einen Zweipunktregler, der zur Regelung eines Istwertes der Wassertemperatur auf einen Sollwert der Wassertemperatur hin dient. Der Zweipunktregler weist als Stellgröße ein binäres Aktivierungssignal für das Heizelement auf. Mit Hilfe des binären Aktivierungssignals wird das Heizelement entweder ausgeschaltet bzw. nicht aktiviert und führt somit keinerlei Erwärmung des Wassers durch oder es wird mit einheitlicher „voller Leistung“, zum Beispiel einer Nennleistung betrieben. Der entsprechende Betrieb erfolgt zum Beispiel durch Anlegen einer vollen Versorgungsspannung an ein elektrisches Widerstandsheizelement, es erfolgt also keine Drosselung, gezielte PWM-Ansteuerung (Puls-Weit-Modulation), Einschaltung eines Vorwiderstandes oder ähnliches. Gemäß dem binären Aktivierungssignal erfolgt also ein einfacher Wechsel zwischen Betrieb und Aus-Zustand (z.B. Einschalten und Ausschalten) des Heizelements. Die Versorgungsspannung ist beispielsweise die volle Bordnetzspannung eines Flugzeuges. Ein derartiger Zweipunktregler ist besonders einfach zu realisieren und führt insgesamt zu einem einfachen und kostengünstigen Heizgerät.In a preferred variant of this embodiment, the controller includes a two-position controller, which serves to regulate an actual value of the water temperature to a desired value of the water temperature. The two-position controller has as a manipulated variable a binary activation signal for the heating element. With the help of the binary activation signal, the heating element is either turned off or not activated and thus performs no heating of the water or it is operated with a uniform "full power", for example, a nominal power. The corresponding operation takes place, for example, by applying a full supply voltage to an electrical resistance heating element, so there is no throttling, targeted PWM control (pulse-wide modulation), switching on a series resistor or the like. Thus, according to the binary enable signal, there is a simple change between operation and off-state (e.g., turn-on and turn-off) of the heating element. The supply voltage is, for example, the full vehicle electrical system voltage of an aircraft. Such a two-point controller is particularly easy to implement and leads to a total of a simple and inexpensive heater.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist der Sollwert der Wassertemperatur vorgebbar. Am Heizgerät kann somit vorgegeben werden, auf welche Temperatur das Wasser zu erwärmen bzw. auf welcher Temperatur dieses im Betrieb zu halten ist. Üblich sind hier beispielsweise zwei oder mehr verschiedene vorgegebene Temperaturen, zwischen denen am Gerät gewählt werden kann. Beispielsweise sind drei verschiedene Wassertemperaturen von 43°C, 49°C und 54°C vorwählbar bzw. vorgebbar.In a preferred variant of this embodiment, the desired value of the water temperature can be predetermined. On the heater can thus be specified, to which temperature to heat the water or at what temperature this is to be kept in operation. Usual here are, for example, two or more different predetermined temperatures between which can be selected on the device. For example, three different water temperatures of 43 ° C, 49 ° C and 54 ° C can be preselected or specified.
Gemäß der Erfindung ist der oben genannte Zweipunktregler ein erster Regler. Die Steuerung enthält dann einen zweiten Zweipunktregler. Dieser dient zur Regelung eines Istwertes der Heiztemperatur auf einen Sollwert der Heiztemperatur hin. Dieser zweite Zweipunktregler ist nur für einen bestimmten Fall dem ersten Zweipunktregler unterlagert, ansonsten ist dieser inaktiv geschaltet, das heißt der erste Zweipunktregler übernimmt alleine die Regelaufgabe. Der zweite Zweipunktregler ist dem ersten dann unterlagert, wenn ein Istwert der Wassertemperatur größer einem Grenzwert ist. Der Grenzwert der Wassertemperatur ist hierbei kleiner dem Sollwert der Wassertemperatur. Der zweite Zweipunktregler weist als Stellgröße ebenfalls ein binäres Aktivierungssignal für das Heizelement auf. Im inaktiven Fall, wenn also die Wassertemperatur unterhalb des Grenzwertes liegt, trägt der zweite Zweipunktregler nicht zur Ansteuerung des Heizelementes bei, diese erfolgt alleine aus dem ersten Regler. Die beiden Aktivierungssignale werden zum Heizelement hin insbesondere im Sinne einer Und-Verknüpfung zusammengeführt.According to the invention, the above two-position controller is a first controller. The controller then contains a second two-position controller. This is used to control an actual value of the heating temperature to a setpoint of the heating temperature. This second two-position controller is subordinated to the first two-step controller only for a specific case, otherwise this is inactive, that is, the first two-step controller takes over the control task alone. The second two-step controller is then subordinated to the first, if an actual value of the water temperature is greater than a limit. The limit of the water temperature is less than the setpoint of the water temperature. The second two-position controller also has a binary activation signal for the heating element as the manipulated variable. In the inactive case, that is, when the water temperature is below the limit, the second two-position controller does not contribute to the control of the heating element, this is done solely from the first controller. The two activation signals are combined to form the heating element, in particular in the sense of an AND connection.
Der Bereich oberhalb dem Grenzwert stellt entweder einen Warmhaltebetrieb oder eine letzte Phase einer Aufheizung von Wasser aus dem Kaltzustand dar. In diesem Fall ist der zweite Zweipunktregler dem ersten Zweipunktregler unterlagert, weshalb in dieser Phase die Temperatur des Heizelements auf einen Sollwert eingeregelt wird. Der Sollwert der Heiztemperatur ist hierbei insbesondere kleiner als diejenige Temperatur des Heizelements, die dieses normalerweise ohne eine solche Regelung durch den zweiten Zweipunktregler erreicht würde. Oberhalb des Sollwertes der Wassertemperatur ist das Heizelement wieder deaktiviert. Dies wird insbesondere durch den überlagerten ersten Zweipunktregler sichergestellt. Gemäß dieser Erfindungsvariante erfolgt also zunächst eine leistungsstarke und schnelle Wassererwärmung bis zum Grenzwert durch ein vergleichsweise heißes Heizelement. In der letzten Aufwärmphase oder Warmhaltephase erfolgt eine Absenkung der Temperatur des Heizelements auf den Sollwert der Heiztemperatur, um das Heizelement zu schonen und die Verkalkung in dieser Phase zu verringern. Dies führt insgesamt zu einem wartungsfreieren Heizgerät.The area above the limit value represents either a holding operation or a last phase of heating water from the cold state. In this case, the second two-position controller is subordinate to the first two-position controller, which is why in this phase, the temperature of the heating element is adjusted to a desired value. The desired value of the heating temperature is in this case in particular smaller than that temperature of the heating element, which would normally be achieved by the second two-position controller without such a control. Above the setpoint of the water temperature, the heating element is deactivated again. This is in particular due to the superimposed first two-position controller ensured. According to this variant of the invention, therefore, first of all a powerful and rapid heating of water takes place up to the limit value by means of a comparatively hot heating element. In the last warm-up or warming phase, the temperature of the heating element is lowered to the setpoint of the heating temperature in order to protect the heating element and to reduce the calcification in this phase. Overall, this leads to a maintenance-free heater.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist der Grenzwert der Wassertemperatur vorgebbar. Hierdurch kann eine Anpassung erfolgen bzw. ein gewünschter Kompromiss eingestellt werden zwischen dem Effekt, das Wasser schneller aufzuheizen (höherer Grenzwert, spätere Reduzierung der Heiztemperatur, hohe Heizleistung im Wasser) oder das Heizelement mehr zu schonen (niedrigerer Grenzwert, frühere Reduzierung der Heiztemperatur, weniger Heizleistung im Wasser).In a preferred variant of this embodiment, the limit value of the water temperature can be predetermined. As a result, an adjustment can be made or a desired compromise can be set between the effect of heating the water faster (higher limit value, subsequent reduction of the heating temperature, high heating power in the water) or saving the heating element more (lower limit, earlier reduction of the heating temperature, less Heating power in the water).
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist der Grenzwert der Wassertemperatur abhängig vom Sollwert der Wassertemperatur gewählt. Somit ändert sich bei einer Änderung des Sollwertes der Wassertemperatur auch der Grenzwert, ohne dass dieser gesondert nachgeführt werden müsste. Beispielsweise wird der Grenzwert stets einige Kelvin kleiner als der Sollwert der Wassertemperatur gewählt, z.B. zwischen 3K und 20 K oder 5K bis 15K, insbesondere 10K kleiner gewählt. Beispielsweise kann der Grenzwert auch bei einem festen Prozentsatz des Sollwertes, zum Beispiel zwischen 50% und 95 %, zwischen 60% und 90 % oder zwischen 70% und 85 %, insbesondere 80 % gewählt werden.In a preferred variant of this embodiment, the limit value of the water temperature is selected as a function of the desired value of the water temperature. Thus, when the setpoint of the water temperature changes, the limit value also changes, without this having to be tracked separately. For example, the threshold is always selected a few Kelvin less than the set point of the water temperature, e.g. between 3K and 20K or 5K to 15K, in particular 10K smaller chosen. For example, the threshold may also be selected at a fixed percentage of the setpoint, for example between 50% and 95%, between 60% and 90%, or between 70% and 85%, especially 80%.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist der Sollwert der Heiztemperatur vorgebbar. So kann insbesondere eine Heiztemperatur gewählt werden, bei der im entsprechenden Betriebsfall noch eine ausreichende Wassererwärmung, jedoch auch eine gewünscht niedrige Verkalkung am Heizelement stattfindet. Auch hier kann so ein gewünschter Kompromiss gewählt werden.In a preferred variant of this embodiment, the desired value of the heating temperature can be predetermined. Thus, in particular, a heating temperature can be selected in which, in the corresponding operating case, there is still sufficient heating of the water, but also a desirably low calcification on the heating element. Here, too, a desired compromise can be chosen.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist der Sollwert der Heiztemperatur abhängig vom Sollwert der Wassertemperatur gewählt. Beispielsweise ist der Sollwert der Heiztemperatur um einige Kelvin größer als der Sollwert der Wassertemperatur gewählt, z.B. um 1K bis 20K oder 3K bis 10K oder 5K bis 7K, insbesondere 6 K. Hierdurch muss bei einer Veränderung des Sollwertes der Wassertemperatur der Sollwert der Heiztemperatur nicht händisch nachgeführt werden, sondern wird automatisch nachgeführt. Auch hier sind entsprechende Prozentverhältnisse ab 100% möglich, beispielsweise ist der Sollwert der Heiztemperatur auf 101% bis 130 %, 105% bis 120 %, insbesondere 110 % des Sollwertes der Wassertemperatur eingestellt.In a preferred variant of this embodiment, the desired value of the heating temperature is selected as a function of the desired value of the water temperature. For example, the set point of the heating temperature is selected to be a few Kelvin greater than the setpoint of the water temperature, e.g. by 1K to 20K or 3K to 10K or 5K to 7K, in particular 6 K. In this case, when a change in the setpoint of the water temperature, the setpoint of the heating temperature does not need to be tracked by hand, but is tracked automatically. Again, corresponding percentage ratios are possible from 100%, for example, the setpoint of the heating temperature is set to 101% to 130%, 105% to 120%, in particular 110% of the setpoint of the water temperature.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Heizgerät einen Füllstandsensor. Das Heizelement ist nur dann aktivierbar, wenn vom Füllstandsensor der Füllzustand sensiert ist. Dies ist ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor, der verhindern soll, dass bei nicht ausreichendem Füllzustand überhaupt das Heizgerät betrieben wird, was zu einer gefährlichen Überhitzung im Heizgerät führen könnte.In a preferred embodiment, the heater includes a level sensor. The heating element can only be activated if the fill level sensor senses the filling state. This is an additional safety factor designed to prevent the heater from operating in the event of insufficient filling, which could result in dangerous overheating in the heater.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Heizelement ein elektrisches Widerstands-heizelement. Dieses eignet sich besonders für die oben genannten Einsatzszenarien zum Beispiel in einem Flugzeug, ist einfach und leicht ansteuerbar, insbesondere durch einen Zweipunktregler mit binärem Aktivierungssignal - z.B. über einen Schalter - an einer Spannungsquelle oder Energiequelle anschließbar oder von dieser trennbar, zum Beispiel dem Bordnetz eines Flugzeuges.In a preferred embodiment, the heating element is an electrical resistance heating element. This is particularly suitable for the above-mentioned application scenarios, for example in an aircraft, is simple and easy to control, in particular by a two-position controller with a binary activation signal -. via a switch - connected to a voltage source or energy source or separable from this, for example, the electrical system of an aircraft.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Heizgerät ein Heizgerät für ein Flugzeug. Das erfindungsgemäße Heizgerät eignet sich besonders zum Einsatz in Flugzeugen, da dieses einfach und kostengünstig und in Bezug auf Wartungsanforderungen gegenüber herkömmlichen Heizgeräten mit nicht gesteuerter oder geregelter Heizelementtemperatur verbessert ist.In a preferred embodiment, the heater is a heater for an aircraft. The heater according to the invention is particularly suitable for use in aircraft, as this is simple and inexpensive and improved in terms of maintenance requirements compared to conventional heaters with non-controlled or controlled heating element temperature.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 11 zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Heizgerätes. Das Verfahren und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Heizgerät erläutert. Gemäß dem Verfahren betreibt die Steuerung das Heizelement in Abhängigkeit der Wassertemperatur und in Abhängigkeit der Heiztemperatur. Vor allem aufgrund der Berücksichtigung der Temperatur des Heizelements bei der Steuerung ergeben sich die oben genannten Vorteile.The object of the invention is also achieved by a method according to claim 11 for operating a heater according to the invention. The method and at least a part of its embodiments and the respective advantages have been explained analogously already in connection with the heater according to the invention. According to the method, the controller operates the heating element depending on the water temperature and the heating temperature. Mainly due to the consideration of the temperature of the heating element in the control, the above advantages arise.
Das Heizelement wird nur dann aktiviert, wenn der Istwert der Wassertemperatur kleiner einem Sollwert ist. Dabei wird zusätzlich für den Fall, dass der Istwert der Wassertemperatur größer einem Grenzwert ist, das Heizelement nur dann aktiviert, wenn ein Istwert der Heiztemperatur kleiner einem Sollwert ist. Das entsprechende Verfahren wurde bereits oben im Zusammenhang mit dem Zweipunktregler erläutert, ist jedoch auch für beliebige Regler in entsprechender Art durchführbar. Der Grenzwert für die Wassertemperatur ist kleiner deren Sollwert.The heating element is only activated if the actual value of the water temperature is lower than a setpoint. In this case, in addition, in the event that the actual value of the water temperature is greater than a limit value, the heating element is activated only if an actual value of the heating temperature is less than a desired value. The corresponding method has already been explained above in connection with the two-point controller, but is also feasible for any controller in a corresponding manner. The limit value for the water temperature is lower than the setpoint.
Als Folge ergibt sich eine Temperaturbegrenzung bzw. Absenkung der Temperatur des Heizelements im Warmhaltebetrieb oder der letzten Aufwärmphase, wie oben erläutert. Der Sollwert der Heiztemperatur ist hierbei wieder insbesondere kleiner als diejenige Temperatur, die das Heizelement normalerweise ohne eine solche unterlagerte Steuerung der Heiztemperatur erreichen würde. Unabhängig von der Steuerung der Heiztemperatur erfolgt stets eine Abschaltung bzw. Deaktivierung des Heizelements, wenn der Istwert der Wassertemperatur den Sollwert übersteigt. Für Wassertemperaturen zwischen Grenzwert und Sollwert erfolgt die unterlagerte Steuerung oder Regelung der Heiztemperatur auf deren Sollwert hin bei überlagerter Steuerung der Wassertemperatur auf deren Sollwert hin.As a result, there is a temperature limitation or lowering the temperature of the Heating element in the warming operation or the last warm-up phase, as explained above. The desired value of the heating temperature is in this case in particular smaller than the temperature which would normally reach the heating element without such subordinate control of the heating temperature. Regardless of the control of the heating temperature is always a shutdown or deactivation of the heating element when the actual value of the water temperature exceeds the setpoint. For water temperatures between the limit value and the setpoint value, the lower-level control or regulation of the heating temperature is set to its setpoint value when the water temperature is superimposed on the setpoint.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform wird das Heizelement dadurch aktiviert, dass es ungeregelt an eine Energiequelle angeschlossen wird. Durch Trennen von der Quelle wird es entsprechend deaktiviert. Wie oben erläutert, führt dies zu einem besonders einfachen Regelverfahren, welches auch durch Zweipunktregler realisierbar ist. Die Energiequelle wird binär an das Heizelement angeschlossen oder von diesem getrennt. Ansonsten wird das Heizelement in keinster Weise individuell oder geregelt betrieben, zum Beispiel durch PWM, Vorwiderstände, Stromsteuerung während der Aktivierung usw.In a preferred variant of this embodiment, the heating element is activated by being connected unregulated to a power source. Disconnecting from the source deactivates it accordingly. As explained above, this leads to a particularly simple control method, which can also be realized by two-point controller. The energy source is connected in binary to the heating element or separated from it. Otherwise, the heating element is in no way operated individually or regulated, for example by PWM, series resistors, current control during activation, etc.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das System besonders sicher betrieben, indem das Heizelement immer dann deaktiviert wird, wenn der Füllstandsensor den Füllzustand nicht sensiert oder der Heizsensor eine Temperatur oberhalb eines kritischen Wertes, der bei der bestimmungsgemäßen Wassererwärmung nie auftritt (z.B. 160°C), liefert oder der Wassersensor eine Temperatur liefert, die oberhalb eines kritischen Wertes, der bei der bestimmungsgemäßen Wassererwärmung nie auftritt (z.B. 100°C). So erfolgt eine dreifache Sicherheitsabschaltung des Heizgerätes.In a preferred embodiment of the invention, the system is operated particularly safely by the heating element is always deactivated when the level sensor does not sense the filling or the heating sensor is a temperature above a critical value that never occurs at the intended water heating (eg 160 ° C. ), or the water sensor supplies a temperature which is above a critical value which never occurs during the intended heating of the water (eg 100 ° C.). So there is a triple safety shutdown of the heater.
Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen, Beobachtungen bzw. Überlegungen und weist noch die nachfolgenden Ausführungsformen auf. Die Ausführungsformen werden dabei teils vereinfachend auch „die Erfindung“ genannt. Die Ausführungsformen können hierbei auch Teile oder Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen enthalten oder diesen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen einschließen.The invention is based on the following findings, observations or considerations and still has the following embodiments. The embodiments are also called simplifying the "invention". In this case, the embodiments may also contain or correspond to parts or combinations of the abovementioned embodiments and / or optionally also include previously not mentioned embodiments.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Hauptursache für den Ausfall von Wasserheizern die Überhitzung des Heizelements infolge Kalkablagerung ist.The invention is based on the recognition that the main cause of the failure of water heaters is the overheating of the heating element due to limescale.
Grundidee der Erfindung ist es, diese Kalkablagerungen möglichst zu verhindern oder zu vermindern. Dies soll durch eine Absenkung der Heiztemperatur im Haltebetrieb erfolgen, basierend auf einer Temperaturmessung im Heizelement.The basic idea of the invention is to prevent or reduce these calcium deposits as much as possible. This should be done by lowering the heating temperature in holding mode, based on a temperature measurement in the heating element.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die wesentliche Aufgabe eines Wasserheizers (Heizgerät) die Bereitstellung von warmem Wasser mit einer vorgegebenen Temperatur ist. Beispielhaft gilt folgendes: Die Stellgröße zur Temperaturregelung ist der Strom durch das Heizelement. Die Sollgröße, Wassertemperatur, wird durch einen Eintauchtemperatursensor gemessen. Zur Vermeidung von Überhitzung im Wasserheizer ist ein Füllstandsensor integriert, damit nur dann geheizt wird, wenn der Tank mit Wasser gefüllt ist. Die Vermeidung von Überhitzung des Heizelementes stellt eine sicherheitsrelevante Funktion dar. Deshalb wird aus Redundanzgründen, zusätzlich zum Füllstandsensor, ein Thermoelement (Temperatursensor für Temperatur des Heizelements) in das Heizelement integriert, um die Heizelementtemperatur zu überwachen. Im Fehlerfall (Temperatur > Grenzwert, z.B. 160°C) wird mit dieser zusätzlichen Temperaturinformation der Heizer (Heizelement) ausgeschaltet und ein Überhitzen des Heizelementes verhindert.The invention is based on the recognition that the essential task of a water heater (heater) is the provision of warm water at a predetermined temperature. By way of example, the following applies: The manipulated variable for temperature control is the current through the heating element. The setpoint, water temperature, is measured by an immersion temperature sensor. To prevent overheating in the water heater, a level sensor is integrated so that it is only heated when the tank is filled with water. The avoidance of overheating of the heating element is a safety-relevant function. Therefore, for redundancy reasons, in addition to the level sensor, a thermocouple (temperature sensor for temperature of the heating element) integrated into the heating element to monitor the heating element temperature. In the event of a fault (temperature> limit, for example 160 ° C), the heater (heating element) is switched off with this additional temperature information and overheating of the heating element is prevented.
Die daraus gewonnene Information über die Heizelementtemperatur wird ebenfalls genutzt, um die Wassertemperaturregelung derart zu optimieren, dass eine Reduktion der Verkalkung erzielt wird.The resulting information about the heating element temperature is also used to optimize the water temperature control so that a reduction of the calcification is achieved.
Die Wassertemperaturregelung ist eine Zwei-Punktregelung mit einem unterlagerten, zuschaltbaren Zwei-Punktregler für die Heizelementtemperatur. Die Heizelementtemperaturregelung wird aktiviert, sobald die Regelabweichung der Wassertemperaturregelung einen definierten Schwellwert (Differenz zwischen Grenzwert und Sollwert der Wassertemperatur) unterschreitet. Der Sollwert für die Heizelementtemperatur wird so gewählt, dass die Differenz zur Wassersolltemperatur möglichst klein ist, aber dennoch die gewünschte Heizleistung zur Wassererwärmung zur Verfügung steht.The water temperature control is a two-point control with a subordinate, switchable two-point controller for the heating element temperature. The heating element temperature control is activated as soon as the control deviation of the water temperature control falls below a defined threshold value (difference between limit value and setpoint of the water temperature). The setpoint for the heating element temperature is chosen so that the difference to the desired water temperature is as small as possible, but nevertheless the desired heating power is available for heating water.
Sobald die IST-Temperatur des Wassers den Grenzwert (z.B. mindestens 10° K unter der SOLL-Temperatur des Wassers) überschreitet, wird die Heizelement-temperaturregelung aktiviert und das Heizelement auf einen Temperatur-Sollwert (z.B. 60°C) geregelt. Diese Regelung ist aktiv, solange die Wassertemperatur den Sollwert nicht erreicht hat. Beim Überschreiten des Sollwertes greift der Zwei-Punktregler der in 3 Stufen einstellbaren Wassertemperaturregelung und schaltet ab.When the actual temperature of the water exceeds the threshold (e.g., at least 10 ° K below the SET temperature of the water), the heater temperature control is activated and the heater is controlled to a set temperature value (e.g., 60 ° C). This control is active as long as the water temperature has not reached the set point. When the setpoint is exceeded, the two-point controller uses the water temperature control, which can be set in 3 stages, and switches off.
Beispielweise würde die Heizelementtemperatur ohne die beschriebene Regelung regelmäßig auf über 80°C ansteigen. Durch die Heizelementtemperaturregelung wird die Temperatur des Heizelementes auf ca. 60 °C begrenzt, wodurch das Kalkwachstum im Wasserheizer minimiert wird.For example, without the control described, the heating element temperature would regularly rise above 80 ° C. The temperature of the heater is controlled by the heating element temperature control Heating element limited to about 60 ° C, whereby the lime growth in the water heater is minimized.
Würde ohne die Heizelementtemperaturregelung das Heizelement ca. 85°C heiß, würde es stärker verkalken.If the heating element were about 85 ° C hot without the heating element temperature control, it would become more calcified.
Neben der Minimierung der Verkalkung ist ein weiterer Vorteil eine erhöhte Lebensdauer, da der Regler weniger überschwingt und somit der dauerhafte Stress des Heizelements durch die Temperaturwechsel reduziert wird.In addition to minimizing calcification, a further advantage is an increased service life, since the controller is less overshoot and thus the permanent stress of the heating element is reduced by the temperature changes.
Gemäß der Erfindung ergibt sich damit auch eine Antikalkregelung. Es ergibt sich eine Wassererwärmung mit angepasster Heiztemperatur zur Verringerung von Kalkablagerungen.According to the invention, this also results in an anti-lime control. The result is a water heating with adapted heating temperature to reduce limescale.
Gemäß der Erfindung ergibt sich eine längere Lebensdauer bzw. längere Wartungsintervalle für z.B. eine Entkalkung mit Zitronensäure. Gemäß der Erfindung wird die Verkalkung durch eine Hardwarelösung vermindert.According to the invention, a longer service life or longer maintenance intervals for e.g. a decalcification with citric acid. According to the invention, the calcification is reduced by a hardware solution.
Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen in einer schematischen Prinzipskizze:
-
1 ein Heizgerät in einem Flugzeug, -
2 einen Regelkreis für das Heizgerät aus1 , -
3 einen Zeitverlauf verschiedener Größen a) in einem Heizgerät ohne zweiten Regler und b) gemäß der Erfindung, -
4 die Zeitverläufe der Heiztemperatur der3a und3b , -
5 die Zeitverläufe des Heizelementstromes der3a und3b .
-
1 a heater in an airplane, -
2 a control circuit for the heater off1 . -
3 a time course of different sizes a) in a heater without a second regulator and b) according to the invention, -
4 the time courses of the heating temperature of3a and3b . -
5 the time courses of the Heizelementstromes the3a and3b ,
Das Heizgerät
Das Heizgerät
Die Steuerung
Die Steuerung
Da der zweite Zweipunktregler
Der Grenzwert
Als Sicherheitskriterium enthält das Heizgerät
Das Heizgerät
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Heizgerätheater
- 44
- Wasserwater
- 66
- Behältercontainer
- 88th
- Eingangentrance
- 1010
- Ausgangoutput
- 1212
- Heizelementheating element
- 1414
- Wasser-SensorWater sensor
- 1616
- Steuerungcontrol
- 1818
- Heiz-SensorHeating sensor
- 2020
- Zweipunkt-Regler (erster)Two-position controller (first)
- 2222
- Zweipunkt-Regler (zweiter)Two-position controller (second)
- 2424
- Füllstandsensorlevel sensor
- 2626
- Schaltelementswitching element
- 2828
- Energiequelleenergy
- 3030
- Flugzeugplane
- 3232
- Verzweigung branch
- FF
- Füllzustandfilling state
- TWTW
- Wasser-TemperaturWater temperature
- THTH
- Heiz-TemperaturHeating temperature
- TWITWI
- Istwert (Wasser-Temperatur)Actual value (water temperature)
- TWSTWS
- Sollwert (Wasser-Temperatur)Setpoint (water temperature)
- THITHI
- Istwert (Heiz-Temperatur)Actual value (heating temperature)
- THSTHS
- Sollwert (Heiz-Temperatur)Setpoint (heating temperature)
- GG
- Grenzwertlimit
- AA
- Aktivierungssignalactivation signal
- tt
- ZeitTime
- II
- Stromelectricity
- ININ
- Nennstromcurrent
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017001169.9A DE102017001169B4 (en) | 2017-02-08 | 2017-02-08 | Heater for heating water and operating procedures |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017001169.9A DE102017001169B4 (en) | 2017-02-08 | 2017-02-08 | Heater for heating water and operating procedures |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102017001169A1 DE102017001169A1 (en) | 2018-08-09 |
DE102017001169B4 true DE102017001169B4 (en) | 2019-01-17 |
Family
ID=62910068
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE102017001169.9A Active DE102017001169B4 (en) | 2017-02-08 | 2017-02-08 | Heater for heating water and operating procedures |
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-
2017
- 2017-02-08 DE DE102017001169.9A patent/DE102017001169B4/en active Active
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DE102017001169A1 (en) | 2018-08-09 |
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R020 | Patent grant now final |