DE102018009377A1

DE102018009377A1 - Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit sowie entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE102018009377A1
Application number: DE102018009377.9A
Authority: DE
Inventors: Johannes Laging; Daniel PLESS; Peter Wickelmaier
Original assignee: Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2020-06-04
Also published as: WO2020108908A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung (1) zum Erwärmen einer Flüssigkeit mit einem Flüssigkeitseingang (10), einem Flüssigkeitsausgang (11), einer Heizvorrichtung (2) und einer Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3). Über den Flüssigkeitseingang (10) strömt Flüssigkeit in die Vorrichtung (1) ein und über den Flüssigkeitsausgang (11) aus. Die Flüssigkeit strömt von dem Flüssigkeitseingang (10) zu dem Flüssigkeitsausgang (11) in einer Fließrichtung (F). Die Heizvorrichtung (2) überträgt thermische Energie auf die Flüssigkeit. Die Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) nimmt eine vorgebbare Menge der Flüssigkeit auf und ist entlang der Fließrichtung (F) der Heizvorrichtung (2) vorgelagert. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Erwärmen einer Flüssigkeit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit. Die Vorrichtung ist beispielsweise als Durchlauferhitzer, Boiler, Kombitherme oder allgemein als Heizgerät ausgelegt. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Erwärmen einer Flüssigkeit.
Aus dem Stand der Technik bekannte Gas-Durchlauferhitzer bestehen im einfachsten Fall aus einem Brenner mit Gebläse und Gasventil sowie aus einem Rauchgas-Wasser-Wärmetauscher. Im Durchlauferhitzer befindet sich ein Volumenstromsensor, durch den erkannt wird, wann eine Verbrauchsstelle, z. B. ein Warmwasserhahn geöffnet und Warmwasser benötigt wird. Das Volumenstromsignal löst den Brennerstart aus. Die Verwendung von entsprechenden Sensoren offenbart beispielsweise die DE 20 2008 005 015 U1 .
Gasbetriebene Durchlauferhitzer werden überwiegend bei der dezentralen Bereitstellung von Warmwasser (Brauchwasser) in Wohngebäuden eingesetzt. Die Vorteile sind die sofortige und quasi unbegrenzte Verfügbarkeit von Warmwasser und der geringe Bauraum gegenüber einem Wasserboiler.
Beim Einbau in Wohngebäuden erfolgt der Abgasanschluss direkt an den hauseigenen Schornstein. In diesem Fall kann der Brenner sofort oder nach einer sehr kurzer Vorspülzeit starten. Als Vorspülzeit wird die Zeit bezeichnet, in der das Verbrennungsluftgebläse aktiv ist, um die Brennkammer mit Frischluft zu spülen. Durch das Spülen kann vermieden werden, dass es zu ungewollten Verpuffungen beim Brennerstart kommt. Durch die kurze Verzögerungszeit zwischen Warmwasseranforderung und Brennerstart vergehen in der Regel nur wenige Sekunden (sog. Totzeit), bis das Warmwasser z. B. dem Wasserhahn als Verbrauchsstelle zur Verfügung steht.
Um beispielsweise bei längeren Wasserleitungen zwischen dem Brenner und den einzelnen Verbrauchsstellen, wie sie in Wohngebäuden durchaus auftreten können, eine kurze Totzeit zu bewirken, sind im Stand der Technik Zirkulationsleitungen bekannt. Dabei sind möglichst nahe an der Verbrauchsstelle Wasserspeicher vorgesehen, die teilweise auch als Wärmetauscher fungieren, siehe z. B. DE 28 51 169 C2 , DE 10 2004 018 034 B4 , DE 10 2012 024 578 A1 , DE 10 2014 108 147 A1 , EP 2 503 252 A2 oder EP 2 762 789 A1 .
Dabei ist es beispielsweise auch bekannt, zusätzlich zu einer Wasserverbrauchsstelle eine Raumheizung in ein System einzubinden, siehe z. B. US 5,076,494 . Dies ist eine sog. Kombitherme.
Die vorgenannten Rahmenbedingungen und Möglichkeiten ändern sich für den Fall, dass beispielsweise ein Durchlauferhitzer oder eine Kombitherme in einem Reisemobil oder Wohnwagen integriert werden soll. Durch unterschiedliche Normen und durch die deutlich unterschiedlichen Einbaugegebenheiten sind teilweise deutlich längere Vorspülzeiten (z. B. 15 Sekunden) erforderlich. Eine solche Vorspülzeit bedeutet, dass ab dem Öffnen des Warmwasserhahns (als dem Einschaltsignal) für die vorgenannten 15 Sekunden kein Warmwasser zur Verfügung steht, aber systembedingt für 15 Sekunden das Wasser läuft. Die Wasserverschwendung ist aufgrund des begrenzten Frischwasservorrates in einem Wohnmobil oder einem Wohnwagen und auch im Hinblick auf Ökologie und Ökonomie nicht akzeptabel.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit vorzugschlagen, die unter Einhaltung der jeweils vorgeschriebenen Vorspülzeit oder einer anderen systembedingten Verzögerung bis zum Brennerstart möglichst schnell warmes Wasser bereitstellen kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit, mit einem Flüssigkeitseingang, einem Flüssigkeitsausgang, einer Heizvorrichtung und einer Flüssigkeitsspeichervorrichtung, wobei die Vorrichtung in einem Wohnwagen, einem Wohnmobil, einem Fahrzeug oder einem Boot verwendbar ist, wobei über den Flüssigkeitseingang Flüssigkeit in die Vorrichtung einströmt, wobei über den Flüssigkeitsausgang Flüssigkeit aus der Vorrichtung ausströmt, wobei die Flüssigkeit von dem Flüssigkeitseingang zu dem Flüssigkeitsausgang in einer Fließrichtung strömt, wobei die Heizvorrichtung thermische Energie auf die Flüssigkeit überträgt, wobei die Flüssigkeitsspeichervorrichtung eine vorgebbare Menge der Flüssigkeit aufnimmt, und wobei die Flüssigkeitsspeichervorrichtung entlang der Fließrichtung der Heizvorrichtung vorgelagert ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient dem Erwärmen einer Flüssigkeit, wobei es sich beispielsweise um Brauchwasser handelt. Das Erwärmen kann dabei auch als Erhitzen bezeichnet werden.
Die Vorrichtung ist insbesondere so ausgeführt, dass sie die Anwendung in einem Wohnwagen, einem Wohnmobil, einem Fahrzeug oder in einem Boot erlaubt. Bei der Vorrichtung handelt es sich somit insbesondere nicht um eine Vorrichtung, wie sie in einem Haus zur Bereitstellung von warmem Wasser verwendet wird.
Die Vorrichtung verfügt über einen Flüssigkeitseingang, über den zu erwärmende - alternative Bezeichnung: kalte - Flüssigkeit der Vorrichtung zugeführt wird, und über einen Flüssigkeitsausgang, der z. B. mit einer Verbrauchsstelle wie einem Wasserhahn oder einer Dusche usw. verbunden wird und über den die erwärmte Flüssigkeit die Vorrichtung verlässt.
Die Flüssigkeit strömt vor allem in einer Fließrichtung vom Flüssigkeitseingang zum Flüssigkeitsausgang. Im Folgenden werden Ausgestaltungen besprochen, bei denen die Flüssigkeit teilweise in die entgegengesetzte Richtung als Teil einer Zirkulation strömt. Die Hauptrichtung verläuft jedoch in der Fließrichtung.
Der eigentlichen Erwärmung dient eine Heizvorrichtung, die entsprechend thermische Energie erzeugt, die auf die Flüssigkeit übertragen wird.
Eine Überbrückung der Vorspülzeit ist gegeben durch die Flüssigkeitsspeichervorrichtung, in welcher eine vorgegebene Menge der Flüssigkeit und vorzugsweise mit einer entsprechend hohen Temperatur gespeichert wird. Wird somit Flüssigkeit angefordert, d. h. wird Flüssigkeit über den Flüssigkeitsausgang entnommen, so gelangt die Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsspeichervorrichtung an den Flüssigkeitsausgang. Ist insbesondere der Fall gegeben, dass die Heizvorrichtung noch nicht die Flüssigkeit erwärmt, so erlaubt die Flüssigkeitsspeichervorrichtung bereits die Entnahme von erwärmten - z. B. auf einer Haltetemperatur oder Betriebstemperatur gehaltenen - Flüssigkeit. Die Flüssigkeitsspeichervorrichtung ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass die Flüssigkeit nicht in ihr vermischt wird, sondern dass die nachströmende Flüssigkeit die bereits in der Flüssigkeitsspeichervorrichtung befindliche Flüssigkeit „herausschiebt“.
Dabei ist in Fließrichtung die Flüssigkeitsspeichervorrichtung der Heizvorrichtung vorgelagert. Somit gelangt Flüssigkeit, die über den Flüssigkeitseingang in die Vorrichtung strömt, zunächst in die Flüssigkeitsspeichervorrichtung und durchströmt dann erst die Heizvorrichtung. Die Anordnung von Heizvorrichtung und Flüssigkeitsspeichervorrichtung nimmt z. B. Rücksicht auf die teilweise längere Vorspülzeit der Heizvorrichtung oder allgemein die Totzeit, die sich für die Heizvorrichtung ergibt bzw. ggf. vorgegeben ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere auch als Durchlauferhitzer oder in einer Ausgestaltung mit Wasser als Flüssigkeit auch als Warmwassergerät bezeichnet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, aus einem Standby-Betrieb heraus im Wesentlichen sofort erwärmte Flüssigkeit abzugeben. Dies erfolgt insbesondere unabhängig von einer Totzeit der Heizvorrichtung, die erforderlich ist, bis der Heizprozess beginnt. Insbesondere kann vermieden werden, dass bedingt durch die Totzeit nach der anfänglichen Entnahme der warmen Flüssigkeit die kalte und nachgeflossene Flüssigkeit an den Flüssigkeitsausgang gelangt. Es tritt somit vor allem kein Temperatureinbruch auf.
Durch den erfindungsgemäßen Durchlauferhitzer bzw. das Warmwassergerät wird es möglich, einen im Vergleich zu einem Boiler sehr kleinen und leichten Warmwasserbereiter zu erhalten. Dies ist besonders in beengten Einbauräumen, wie sie in Caravans oder Reisemobilen häufig anzutreffen sind, von erheblichem Vorteil.
Durch den erfindungsgemäßen Durchlauferhitzer ist es überdies möglich, Wasser zu sparen, da zwischen dem Aufdrehen des Warmwasserhahns und dem Austreten von warmem Wasser nahezu keine Wartezeit entsteht. Das Verhindern des Temperatureinbruchs ist überdies für einen Verbraucher deutlich angenehmer, z. B. bei einem Duschvorgang.
Dabei sind in einer Ausgestaltung vorzugsweise das Speichervolumen der Flüssigkeitsspeichervorrichtung und eine Länge sowie ein Volumen einer die Flüssigkeit führenden Leitung einerseits und die Totzeit bis zum Starten der Heizvorrichtung (also beispielsweise die Vorspülzeit) andererseits so miteinander abgeglichen, dass spätestens dann, wenn die in der Flüssigkeitsspeichervorrichtung gespeicherte und mindestens über eine Haltetemperatur verfügende Flüssigkeit vollständig durch die nachströmende und daher zu erwärmende Flüssigkeit ersetzt worden ist, die Heizvorrichtung den Vorgang des Erwärmens der Flüssigkeit begonnen hat. Somit kann keine kalte Flüssigkeit zum Flüssigkeitsausgang gelangen und ein Temperatureinbruch an der Entnahmestelle wird verhindert. Zu beachten sind dabei die Ausführung der Flüssigkeitsspeichervorrichtung sowie die Dimensionierung einer Flüssigkeitsleitung, in der die Flüssigkeit von der Flüssigkeitsspeichervorrichtung z. B. zu der Entnahmestelle oder auch zu der Heizvorrichtung transportiert wird.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass ein Ausströmen von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsausgang ein Einströmen von Flüssigkeit über den Flüssigkeitseingang bewirkt. Dabei sind in einer Ausgestaltung die Menge der entnommenen Flüssigkeit und die Menge der nachströmenden Flüssigkeit miteinander gekoppelt. In einer damit einhergehenden Ausgestaltung wird die Flüssigkeitsmenge in der Vorrichtung insgesamt konstant gehalten. Wird Flüssigkeit entnommen, so wird automatisch Flüssigkeit von außen nachgefüllt. In einer Ausgestaltung besteht beispielsweise am Flüssigkeitseingang ein Überdruck, durch den die Flüssigkeit nachgefüllt wird. Der Überdruck ist beispielsweise durch den Leitungsdruck des City-Anschlusses oder durch eine Tauch- oder Druckpumpe gegeben.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Flüssigkeitsspeichervorrichtung thermisch isoliert ist. Die Flüssigkeitsspeichervorrichtung speichert somit nur die Flüssigkeit und ein Temperaturverlust, aber auch eine Aufnahme von Wärme wird durch die thermische Isolation verhindert.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Heizvorrichtung einen Brenner zum Verbrennen eines Luft-Brennstoff-Gemischs und einen Wärmetauscher aufweist, und dass der Brenner vor einem Brennvorgang für eine vorgebbare Vorspülzeit einen Vorspülvorgang mit Luft erfährt. Der Brennstoff ist beispielsweise ein brennbares Gas (z. B. Propan oder Butan oder eine Mischung davon) oder ist ein in den gasförmigen Zustand umgewandelter Brennstoff wie z. B. Diesel. Alternativ oder ergänzend verfügt die Heizvorrichtung über eine elektrische Wärmequelle. Bei einer elektrischen Wärmequelle können andere Effekte dazu führen, dass eine Totzeit auftritt. Die Flüssigkeitsspeichervorrichtung ist bei dieser Ausgestaltung vorzugsweise dem Wärmetauscher der Heizvorrichtung vorgelagert.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung ferner eine Rückführleitung aufweist, dass die Rückführleitung einen Teil eines Zirkulationskreises bildet, in dem die Flüssigkeit zirkuliert, dass ein Eingang zu der Rückführleitung in Fließrichtung der Heizvorrichtung nachgelagert ist, und dass eine Mündung der Rückführleitung in Fließrichtung der Flüssigkeitsspeichervorrichtung und/oder der Heizvorrichtung vorgelagert ist. In dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Flüssigkeit zirkulieren kann, um dabei vorzugsweise durch die Heizvorrichtung thermische Energie zu erhalten. Je nach Ausgestaltung verläuft der Zirkulationskreis durch die Heizvorrichtung hindurch oder auch durch die Flüssigkeitsspeichervorrichtung. Entsprechend mündet jeweils die Rückführleitung in Fließrichtung vor der Heizvorrichtung oder vor der Flüssigkeitsspeichervorrichtung. Die Rückführleitung führt insgesamt in einer Ausgestaltung die Flüssigkeit stromab von der Heizvorrichtung zurück vor die Flüssigkeitsspeichervorrichtung.
In einer Ausgestaltung befindet sich der Zirkulationskreis vollständig in der Vorrichtung bzw. in einem Gehäuse, das die Vorrichtung nach außen abschließt.
In einer alternativen Ausgestaltung befindet sich der Zirkulationskreis teilweise außerhalb eines Gehäuses der Vorrichtung und wird in einer Ausgestaltung teilweise durch ein Rohr- oder Leitungssystem gebildet, das mit der Vorrichtung bzw. mit dem Gehäuse verbunden ist. Ein Teil des Zirkulationskreises wird somit in einer Ausgestaltung teilweise nach außen und in die Umgebung der Vorrichtung hineinverlagert.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung ferner eine Pumpe aufweist, dass die Pumpe die Flüssigkeit in der Rückführleitung bewegt, dass die Vorrichtung ferner mindestens einen Temperatursensor zur Messung einer Temperatur einer Flüssigkeit und/oder mindestens einen Durchflusssensor zur Messung eines Durchflusses einer Flüssigkeit aufweist, dass die Vorrichtung ferner eine Steuervorrichtung aufweist, und dass die Steuervorrichtung in Abhängigkeit von mindestens einer gemessenen Temperatur und/oder von mindestens einem gemessenen Durchfluss die Pumpe steuert. In dieser Ausgestaltung bewirkt eine Pumpe die Zirkulation, die in Abhängigkeit von gemessenen Größen der Flüssigkeit (Temperatur und/oder Durchfluss) gesteuert wird.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Vorrichtung ferner ein Rückschlagventil aufweist, und dass das Rückschlagventil dafür sorgt, dass die Flüssigkeit in der Rückführleitung nur in eine Richtung strömt. In dieser Ausgestaltung wird sichergestellt, dass über ein Rückschlagventil die Flüssigkeit nur in einer Richtung in der Rückführleitung fließen kann. Diese Richtung in der Rückführleitung ist in einer Ausgestaltung insbesondere entgegengesetzt zur Fließrichtung der Flüssigkeit vom Flüssigkeitseingang zum Flüssigkeitsausgang.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung ferner mindestens einen Temperatursensor zur Messung einer Temperatur einer Flüssigkeit und/oder mindestens einen Durchflusssensor zur Messung eines Durchflusses einer Flüssigkeit aufweist, dass die Vorrichtung ferner eine Steuervorrichtung aufweist, und dass die Steuervorrichtung in Abhängigkeit von mindestens einer gemessenen Temperatur und/oder von mindestens einem gemessenen Durchfluss die Heizvorrichtung steuert. In dieser Ausgestaltung wird die Heizvorrichtung in Abhängigkeit von gemessenen Größen der Flüssigkeit (Temperatur und/oder Durchfluss) gesteuert. Die Steuerung bezieht sich dabei auf das Starten oder Beenden eines Vorgangs zur Erzeugung von thermischer Energie oder beispielsweise auch auf die Leistung der Heizvorrichtung, mit der jeweils unterschiedliche Mengen an thermischer Energie erzeugt und/oder auf die Flüssigkeit übertragen werden.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Vorrichtung ferner eine Bypass-Leitung und ein Mischventil aufweist, dass die Bypass-Leitung für die Flüssigkeit den Flüssigkeitseingang unter Auslassung der Heizvorrichtung und/oder der Flüssigkeitsspeichervorrichtung mit dem Mischventil verbindet, und dass das Mischventil in Fließrichtung der Heizvorrichtung nachgelagert ist. In dieser Ausgestaltung ist eine Bypass-Leitung vorgesehen, die die über den Flüssigkeitseingang zugeführte und daher in den meisten Fällen der Anwendung auch kalte Flüssigkeit einem Mischventil zuführt. Dabei verläuft die Bypass-Leitung an der Heizvorrichtung und/oder der Flüssigkeitsspeichervorrichtung vorbei. Es wird somit vorzugsweise keine thermische Energie aufgenommen und die in der Bypass-Leitung geführte Flüssigkeit behält ihre Eingangstemperatur bei. Dem Mischventil wird weiterhin vorzugsweise Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsspeichervorrichtung und/oder Flüssigkeit, die die Heizvorrichtung passiert hat, zugeführt. Somit ist es in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass das Mischventil es erlaubt, die durch die Heizvorrichtung erwärmte Flüssigkeit durch die Flüssigkeit des Flüssigkeitseingangs bzw. der Bypass-Leitung auf eine geringere Temperatur herabzumischen und über den Flüssigkeitsausgang abzugeben. In einer Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass eine Schnittstelle vorhanden ist, über die eine Soll-Temperatur der auszugebenden Flüssigkeit der Vorrichtung vorgebbar ist, sodass das Mischventil passend gesteuert werden kann.
Die folgenden Ausgestaltungen beziehen sich auf die Flüssigkeitsspeichervorrichtung. Dabei soll jeweils sichergestellt werden, dass sich die in die Flüssigkeitsspeichervorrichtung einströmende Flüssigkeit nicht mit der in der Flüssigkeitsspeichervorrichtung befindlichen Flüssigkeit vermischt, sondern dass die einströmende Flüssigkeit die in der Flüssigkeitsspeichervorrichtung befindliche Flüssigkeit voranschiebt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Flüssigkeitsspeichervorrichtung als konzentrisch verlaufende Rohrschlange ausgestaltet ist. Die Flüssigkeitsspeichervorrichtung besteht in dieser Ausgestaltung aus einem Rohr mit einem beispielsweise kreisförmigen Durchmesser. Der Durchmesser ist dabei vorzugsweise kleiner als die Länge, die die Flüssigkeitsspeichervorrichtung aufweist. Der Verlauf der Rohrschlange erinnert dabei an einen konzentrisch aufgewickelten Gartenschlauch. Daher gibt es durch den Durchmesser nur eine geringe Wechselwirkungsfläche der Flüssigkeit selbst. Durch das Aufwickeln kann ein entsprechend großes Speichervolumen erzeugt werden, wobei jedoch der äußere Platzbedarf gering bleibt. In einer Ausgestaltung erfolgt die Wicklung um eine Achse, die entlang der Erdanziehung verläuft. Vorzugsweise ist weiterhin der Zufluss zu der Flüssigkeitsspeichervorrichtung entlang dieser Achse an einem unteren Punkt. Somit wirkt die einströmende Flüssigkeit entgegen der Erdanziehung.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Flüssigkeitsspeichervorrichtung mindestens zwei Flüssigkeitsanschlüsse aufweist, dass die Flüssigkeitsspeichervorrichtung zwei flüssigkeitsführende Bereiche zwischen den zwei Flüssigkeitsanschlüssen aufweist, dass die zwei flüssigkeitsführenden Bereiche unterschiedlichen Höhen entlang einer Längsachse der Flüssigkeitsspeichervorrichtung zugeordnet sind, dass die Flüssigkeitsspeichervorrichtung einen flüssigkeitsführenden Steigbereich und einen flüssigkeitsführenden Fallbereich zwischen den zwei Flüssigkeitsanschlüssen aufweist, dass der flüssigkeitsführende Steigbereich und der flüssigkeitsführende Fallbereich sich jeweils entlang der Längsachse erstrecken, und dass die Flüssigkeitsspeichervorrichtung die Flüssigkeit in dem flüssigkeitsführenden Steigbereich und in dem flüssigkeitsführenden Fallbereich in unterschiedliche Richtungen strömen lässt. In einer Ausgestaltung hat die vorgenannte Flüssigkeitsspeichervorrichtung die Form des Großbuchstabens „L“. Der Fallbereich und der Steigbereich sind dabei vorzugweise relativ zur Erdanziehung ausgerichtet. In den beiden flüssigkeitsführenden Bereichen strömt die Flüssigkeit jeweils vorzugsweise in einer Ebene. In dem Steigbereich wird die Flüssigkeit vorzugsweise entgegen der Erdanziehung nach oben bewegt. In einer Ausgestaltung schließt sich der Fallbereich - außer einem gewissen Umlenkbereich - im Wesentlichen unmittelbar an den Steigbereich an.
In einer Ausgestaltung strömt die Flüssigkeit über einen als Eingang dienenden Flüssigkeitsanschluss in die Flüssigkeitsspeichervorrichtung und passiert einen flüssigkeitsführenden Bereich, der im Wesentlichen auf einer Höhe einer Längsachse der Flüssigkeitsspeichervorrichtung verläuft. Von dort passiert die Flüssigkeit den Steigbereich, der sich entlang der Längsachse erstreckt. Danach folgt der Fallbereich, der sich ebenfalls längs der Längsachse erstreckt, in dem jedoch die Flüssigkeit in anderer Richtung als im Steigbereich fließt. Anschließend passiert die Flüssigkeit einen weiteren flüssigkeitsführenden Bereich, der sich auf einer anderen Höhe entlang der Längsachse als der erstgenannte flüssigkeitsführende Bereich befindet. Von dort gelangt die Flüssigkeit zu dem als Ausgang dienenden Flüssigkeitsanschluss.
Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Erwärmen einer Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit durch eine Flüssigkeitsspeichervorrichtung hindurchgeführt wird, und wobei in einer der Flüssigkeitsspeichervorrichtung in einer Fließrichtung der Flüssigkeit nachgelagerten Heizvorrichtung thermische Energie auf die Flüssigkeit übertragen wird.
Das Verfahren dient teilweise der Umsetzung des Betriebs der zuvor beschriebenen Vorrichtung. Daher gelten die Ausgestaltungen und Erläuterungen entsprechend auch für das Verfahren, sodass auf eine Wiederholung verzichtet wird. Umgekehrt stellen das Verfahren oder Ausgestaltungen des Verfahrens Realisierungsmöglichkeiten der Vorrichtung da, sodass die Erläuterungen zum Verfahren passend auch für die Vorrichtung gelten.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass zwischen einem Anfordern eines Heizvorgangs der Heizvorrichtung und einem Beginn des Heizvorgangs mindestens ein sich über eine Totzeit erstreckender Vorbereitungsschritt ausgeführt wird. Die Totzeit ergibt sich beispielsweise durch das Durchspülen eines Brenners.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Flüssigkeit mehrfach durch die Flüssigkeitsspeichervorrichtung und/oder durch die Heizvorrichtung hindurchgeführt wird. In dieser Ausgestaltung des Verfahrens ist somit ein Zirkulieren der Flüssigkeit vorgesehen.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass solange thermische Energie auf die Flüssigkeit übertragen wird, bis eine Temperatur der Flüssigkeit - vorzugsweise in der Flüssigkeitsspeichervorrichtung - eine vorgebbare untere Schaltschwelle überschritten hat. Die Flüssigkeit wird somit solange erhitzt, bis sie eine gewisse Mindesttemperatur aufweist. Dies wird in einer Ausgestaltung dadurch realisiert, dass die Flüssigkeit mehrfach durch die Heizvorrichtung hindurchgeführt wird.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine Temperatur der Flüssigkeit in einem vorgebbaren Temperaturbereich gehalten wird. Die Übertragung wird beispielsweise so gesteuert, dass eine untere Schaltschwelle, aber nicht eine obere Schaltschwelle überschritten wird.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass - vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Nutzersteuerung - die erwärmte Flüssigkeit ausgegeben wird, und dass in dem Fall, dass für die ausgegebene Flüssigkeit eine erforderliche Heizleistung unterhalb einer durch die Heizvorrichtung gegebenen Heizleistung liegt, ein durch die Heizvorrichtung gegebener Überschuss an Heizleistung auf mehrfach durch die Flüssigkeitsspeichervorrichtung und/oder durch die Heizvorrichtung hindurchgeführte Flüssigkeit übertragen wird. In dieser Ausgestaltung stellt die Heizvorrichtung mehr Leistung zur Verfügung als für die ausgegebene Flüssigkeit erforderlich ist. Der sich dadurch ergebende Überschuss an Heizleistung wird auf einen zirkulierenden Anteil der Flüssigkeit übertragen. Es wird also nicht die von der Heizvorrichtung zur Verfügung gestellte Heizleistung reduziert, sondern es wird damit ein Vorerwärmen der Flüssigkeit bewirkt.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Variante der Vorrichtung mit einer Verbrauchsstelle,
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante der Vorrichtung mit einer Verbrauchsstelle,
3 eine schematische Darstellung eines Teils einer dritten Variante der Vorrichtung mit einer Verbrauchsstelle,
4 einen Schnitt durch eine schematische Darstellung einer ersten Variante einer Flüssigkeitsspeichervorrichtung,
5 eine räumliche und angeschnittene Darstellung einer zweiten Variante einer Flüssigkeitsspeichervorrichtung und
6 eine räumliche Darstellung einer dritten Variante einer Flüssigkeitsspeichervorrichtung.

In der 1 ist eine erste Variante der Vorrichtung 1 zum Erwärmen einer Flüssigkeit dargestellt. Bei der Flüssigkeit handelt es sich hier beispielhaft um Brauchwasser. Daher ist hier auch beispielhaft die Vorrichtung 1 über ein Leitungssystem 7 mit einem Wasserhahn als Verbrauchsstelle verbunden.
Die Vorrichtung 1 verfügt über eine Heizvorrichtung 2 zum eigentlichen Erwärmen der Flüssigkeit und über eine Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 zum Speichern einer von der Ausformung der Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 abhängigen Menge an Flüssigkeit. Die Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 kann dabei insbesondere auch als Pufferspeicher bezeichnet werden.
Die Flüssigkeit strömt von einem Flüssigkeitseingang 10 zu einem Flüssigkeitsausgang 11 hauptsächlich in einer hier mit einem Pfeil angedeuteten Fließrichtung F und zunächst durch die Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 und dann durch die Heizvorrichtung 2. Entlang dieses ersten Pfades oder Hauptpfades befinden sich ein erster T1, ein vierter T4 und ein dritter Temperatursensor T3 sowie ein erster Durchflusssensor V1.
Der erste Temperatursensor T1 und der erste Durchflusssensor V1 erfassen die Temperatur T1 bzw. den Durchfluss V1 der über den Flüssigkeitseingang 10 einströmenden Flüssigkeit. Der Wert für den Durchfluss V1 wird hier dafür verwendet, um die über den Flüssigkeitsausgang 11 abfließende Flüssigkeitsmenge zu quantifizieren. Dies basiert darauf, dass z. B. über einen Überdruck am Flüssigkeitseingang 10 ein Verlust an Flüssigkeit in der Vorrichtung 1 durch das Abfließen am Flüssigkeitsausgang 11 automatisch zu einem Nachfließen der Flüssigkeit über den Flüssigkeitseingang 10 führt. Der vom ersten Temperatursensor T1 erfasste Temperaturwert T1 der frischen Flüssigkeit oder hier speziell des Frischwassers erlaubt es zu ermitteln, welche Heizleistung der Heizvorrichtung 2 erforderlich ist, um die Flüssigkeit auf einen vorgegebenen Wert zu erwärmen.
Der vierte Temperatursensor T4 zwischen der Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 und der Heizvorrichtung 2 erfasst die Temperatur T4 der Flüssigkeit, die aus der Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 fließt und die ggf. von der Heizvorrichtung 2 zu erwärmen ist. Diese Temperatur T4 wird vorzugsweise ebenfalls für die Steuerung des Heizvorgangs durch die Heizvorrichtung 2 verwendet.
Der dritte Temperatursensor T3 ist dem Flüssigkeitsausgang 11 vorgelagert und misst daher den Temperaturwert T3 der erwärmten und die Vorrichtung 1 über den Flüssigkeitsausgang 11 verlassenden Flüssigkeit. Dieser Wert T3 dient in einer Ausgestaltung der Regelung des Verhaltens der Heizvorrichtung 2 sowie der im Folgenden beschriebenen Zirkulation der Flüssigkeit in der Vorrichtung 1.
Die Heizvorrichtung 2 selbst verfügt hier über einen Brenner 20, der ein Luft-BrennstoffGemisch verbrennt und dadurch thermische Energie z. B. über das Rauchgas abgibt, und einen Wärmetauscher 21, der die von dem Brenner 20 erzeugte thermische Energie auf die Flüssigkeit überträgt.
Parallel zu diesem beschriebenen Hauptstrang der Führung der Flüssigkeit in der Vorrichtung 1 verläuft eine Rückführleitung 4, in der die Flüssigkeit entgegen der Fließrichtung F zurückgeführt wird. Insgesamt wird damit ein Zirkulationskreis gebildet. Hier verläuft der Zirkulationskreis insbesondere vollständig innerhalb des Gehäuses 6 der Vorrichtung 1. Daher lässt sich der hier in der 1 dargestellte Zirkulationskreis auch als „kleiner Kreis“ bezeichnen.
Der Eingang 40 der Rückführleitung 4 befindet sich stromabwärts zur Heizvorrichtung 2 und vor dem Flüssigkeitsausgang 11, sodass also erwärmte Flüssigkeit zurückströmt. Die Mündung 41 der Rückführleitung 4 befindet sich stromaufwärts zu der Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3.
Der Rückführleitung 4 sind ein zweiter Durchflusssensor V2, ein zweiter Temperatursensor T2, eine Pumpe 42 sowie ein Rückschlagventil 43 zugeordnet. Die vom zweiten Temperatursensor T2 ermittelte Temperatur T2 ist die Temperatur der rückgeführten Flüssigkeit. Der zweite Durchflusssensor V2 ermittelt den zugehörigen Durchflusswert V2. Somit lässt sich also mit den Messwerten der beiden Sensoren T2, V2 beschreiben, welche Eigenschaften die in der Rückführleitung 4 rückgeführte Flüssigkeit aufweist. Dies wiederum dient der Steuerung der Heizvorrichtung 2 sowie der Pumpe 42. Durch die Pumpe 42 wird die Flüssigkeit durch die Rückführleitung 4 bewegt und zudem lässt sich vorgeben, wieviel Flüssigkeit rückgeführt wird. Das Rückschlagventil 43 sorgt dafür, dass nur Flüssigkeit zurückgeführt wird und dass nicht umgekehrt Flüssigkeit von dem Flüssigkeitseingang 10 unter Umgehung der Heizvorrichtung 2 bzw. der Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 zum Flüssigkeitsausgang 11 gelangt.
Der erste T1, der zweite T2, der dritte T3 und der vierte Temperatursensor T2 sowie der erste V1 und der zweite Durchflusssensor V2 sind mit einer Steuervorrichtung 5 - in der hier dargestellten Variante kabellos - verbunden, um ihre jeweiligen Messwerte T1, T2, T3, T4, V1, V2 zu übermitteln. Basierend auf den Messwerten steuert die Steuervorrichtung 5 die Heizvorrichtung 2 und die Pumpe 42.
Betrachtet seien im Folgenden mehrere beispielhafte Betriebsphasen der gezeigten Ausgestaltung der Vorrichtung 1 der 1.
Erstaufheizung und Übergang in einen Standby-Betrieb.
Dies geht quasi mit einem „Laden“ oder „Auffüllen“ der Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 einher, die hier insbesondere als Pufferschleife bezeichnet werden kann.
Zunächst ist kein Verbraucher, der mit der Vorrichtung 1 verbunden ist, aktiv. So ist z. B. der hier beispielhaft dargestellte Warmwasserhahn geschlossen. Die Vorrichtung 1 wird beispielsweise über einen - hier nicht dargestellten - Hauptschalter eingeschaltet, sodass die Vorbereitung auf den Standby-Betrieb stattfinden kann.
Die Vorrichtung 1 sei dabei schon mit der Flüssigkeit gefüllt, die durch die Pumpe 42 - beispielsweise in Form einer Umwälzpumpe - durch den kleinen Kreis des Zirkulationskreises geführt wird. Dies erlaubt es, die Flüssigkeit - z. B. durch das mehrfache Durchlaufen des Zirkulationskreises - zu erwärmen.
Der zweite Temperatursensor T2 misst die Temperatur T2 der zirkulierenden Flüssigkeit, die üblicherweise bei dem hier beschriebenen Einschalten der Vorrichtung 1 unterhalb einer unteren Schaltschwelle der Heizvorrichtung 2 (z. B. 45°C) liegt. Der Brenner 20 der Heizvorrichtung 2 wird entsprechend von der Steuervorrichtung 5 eingeschaltet, wodurch die im Kreislauf zirkulierende Flüssigkeit erwärmt wird. Erreicht der zweite Temperaturwert T2 eine obere Schaltschwelle (z. B. 55°C), so wird der Brenner 20 wieder abgeschaltet. Ist durch die Geometrie nur eine geringe zirkulierende Flüssigkeitsmenge vorhanden, so reduziert sich bei einer hohen Leistung der Heizvorrichtung 2, die als Durchlauferhitzer (z. B. 16 kW) ausgestaltet ist, die Erwärmung auf eine kurze Zeitdauer.
In einer Ausgestaltung bewegt die Pumpe 42 auch nach dem Ausschalten der Heizvorrichtung 2 noch eine gewisse Zeit die Flüssigkeit, um die Temperatur im Kreislauf anzugleichen.
Die Flüssigkeit in der Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 hat eine vorgegebene Betriebstemperaturbereich und die Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 selbst ist sozusagen „aufgeladen“. Die Vorrichtung 1 geht dabei in einer Ausgestaltung in einen Standby-Betrieb über.
Im Standby-Betrieb wird die Temperatur vorzugsweise in einem Betriebstemperaturbereich gehalten. Fällt beispielsweise die Flüssigkeitstemperatur unter die untere Schaltschwelle, so wird der Brenner 20 gestartet. Überschreitet umgekehrt die Flüssigkeitstemperatur die obere Schaltschwelle, so wird der Brenner 20 ausgeschaltet. Dabei sei hier beispielshaft nur eine sehr einfache Zweipunktregelung beschrieben.
Zapfbetrieb und dabei Entladen der Pufferschleife.
Im Zapfbetrieb wird eine Verbrauchsstelle, hier der Warmwasserhahn, von einem Nutzer geöffnet und Flüssigkeit strömt aus dem Flüssigkeitsausgang 11 aus. Bedingt durch einen hier beispielsweise vorgegebenen Überdruck am Geräteeingang, der hier durch den Flüssigkeitseingang 11 gegeben ist, strömt kalte Flüssigkeit, also hier in dem Beispiel Wasser, in die Vorrichtung 1. Der Überdruck kann z. B. durch eine Tauchpumpe oder eine Druckpumpe (beide sind in Caravans oder Reisemobilen bekannt) oder durch den Anschluss an das Wasser-Festnetz erzeugt werden.
Ausgehend von dem Messsignal des Durchflusssensors V1, der z. B. als Volumenstromsensor ausgestaltet ist, wird erkannt, dass Wasser entnommen wird bzw. nachströmt. Zudem wird die Menge der nachgefüllten Flüssigkeit quantitativ erfasst. Der erste Temperatursensor T1 misst die Temperatur des Frischwassers und der zweite Temperatursensor T2 die Temperatur in der Rückführleitung 4 bzw. in dem damit gebildeten kleinen Kreis. Der dritte Temperatursensor T3 misst die Temperatur der Flüssigkeit am Geräteausgang bzw. vor dem Flüssigkeitsausgang 11. Die Steuervorrichtung 5 ermittelt aus den jeweiligen Messdaten einen Wärmebedarf und leitet einen Brennerstart des Brenners 20 ein. Dabei tritt ggf. zwischen dem Einschaltsignal und dem Brennbetrieb eine Verzögerung als Totzeit auf, die je nach relevanter Norm einige Sekunden betragen kann.
Bedingt durch das Rückschlagventil 43 in der Rückführleitung 4 gelangt das Frischwasser im Wesentlichen ausschließlich nur durch die Pufferschleife 3 und durch den Wärmetauscher 21. Bildlich ausgedrückt schiebt das Frischwasser quasi das in der Pufferschleife (als alternative Bezeichnung für die Flüssigkeitsspeichervorrichtung) 3 gespeicherte Warmwasser vor sich her und durch die Vorrichtung zum Flüssigkeitsausgang 11.
Durch die Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 liegt am Flüssigkeitsausgang 11 sofort warmes Wasser an und zwar solange, bis das in der Pufferschleife 3 gespeicherte Wasser komplett ausgetreten ist und das kalte Frischwasser nachströmt. Vorzugsweise sind das Volumen und die Länge der Pufferschleife 3 bzw. der sich an die Pufferschleife 3 anschließende Rohrleitung so dimensioniert, dass die gespeicherte Wassermenge ausreicht, um die Startzeit des Brenners 20 (Totzeit hier z. B. 15 Sekunden) vollständig zu überbrücken.
Besonders wird ein solcher Abgleich vorgenommen, dass am Ende der Totzeit noch kein Kaltwasser in den Wärmetauscher 21 gelangt ist. So kann ein fließender Übergang ermöglicht werden zwischen der Wärmeversorgung aus der Pufferschleife 3 und der Wärmeversorgung über den Brenner 20 mit Wärmetauscher 21.
Nach Ablauf des Brennerstarts erwärmt der Brenner 20 das nachströmende Wasser auf eine vorgegebene Regeltemperatur (z. B. 50°C).
Zapfende und Übergang in den Standby-Betrieb. Dies geht zunächst mit einem Wiederaufladen der Pufferschleife 3 einher.
Das Zapfende wird durch einen Nutzer oder Verbraucher hervorgerufen, indem der Warmwasserhahn geschlossen wird. Der erste Volumenstromsensor V1 in der Vorrichtung 1 erkennt nun, dass kein Wasser mehr strömt und kein aktueller Bedarf an Warmwasser vorliegt. Daraufhin startet die Steuervorrichtung 5 die Umwälzpumpe 42, um eine Zirkulation in dem hier dargestellten kleinen Kreis zu ermöglichen. Da sich vom vorangegangenen Zapfbetrieb noch Kaltwasser in der Pufferschleife 3 befinden dürfte, wird die vom zweiten Temperatursensor T2 gemessene Temperatur T2 im kleinen Kreis in der Regel unterhalb der unteren Temperaturgrenze für das Starten des Brenners 20 liegen.
Der Brenner 20, der vom vorangehenden Zapfbetrieb noch aktiv ist, wird noch nicht ausgeschaltet, sondern erwärmt den kleinen Kreis wieder bis zur Solltemperatur bzw. Abschaltgrenze. Erst danach wird der Brenner 20 abgeschaltet. Dabei bleibt die Umwälzpumpe 42 noch eine Weile aktiv, um die Temperatur im Kreislauf anzugleichen. Insgesamt ist die Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 wieder aufgeladen und die Vorrichtung 1 im Standby-Betrieb.
Dabei ist die Regeltemperatur beispielsweise die Temperatur der Flüssigkeit am Flüssigkeitsausgang 11, auf die im Zapfbetrieb geregelt wird. Die Totzeit ist die Zeit zwischen dem Einschaltsignal der Heizvorrichtung 2 und der tatsächlichen Wärmeabgabe an die Flüssigkeit, hier über den Wärmetauscher 21. Die Totzeit ist begründet durch z. B. Vorspülen des Verbrennungsweges, Systemchecks der Steuerung, Schaltzeiten der Gasventile, Zündzeiten, Prüfung von elektronischen Komponenten usw.
Bei der oben beschriebenen Ausführung ist die Pufferschleife 3 nach dem Zapfbetrieb kalt und muss erst wieder komplett „aufgeladen“ werden. Bei einer Ausgestaltung wird die Umwälzpumpe 42 nicht erst nach dem Zapfbetrieb zugeschaltet, sondern bereits nach dem Brennerstart.
Die maximale Umwälzmenge (m₂ ) richtet sich danach, ob der Brenner 20 genug Leistungsreserven hat, um das kältere Wasser im Kreislauf der Vorrichtung 1 zusätzlich bereitzustellen, und - wie im Folgenden ausgeführt - insbesondere nach der maximalen Brennerleistung Q_B . Diese Leistungsreserven sind zusätzlich zu der Brennerleistung, die benötigt wird, um Warmwasser an dem Flüssigkeitsausgang 11 bereitzustellen.
Der Zusammenhang sei detailliert beschrieben:

Um die Ausgangstemperatur T3 konstant zu halten, muss die Brennerleistung immer größer oder gleich der Summe der abgeführten Wärmeströme sein.

Die Wärmeströme sind:

Q̇_W = Wärmeström Warmwasser
Q̇_R = Wärmestrom Brenner
Q̇_S = Wärmestrom durch Wärmesenken

Die Wärmesenken sind dabei das kalte Frischwasser, die beteiligen Bauteile im Kreislauf der Vorrichtung 1 sowie der Pufferschleife 3.
Damit ergibt sich für den vorgenannten Zusammenhang: Q̇_B ≥ Q̇_W + Q̇̇_S
Mit den folgenden Größen:

c_WT = Wärmekapazität Wärmeträger
ṁ₁ = Massestrom Kaltwasser
ṁ₂ = Massestrom kleiner Kreis

Errechnet sich die maximale Umwälzmenge m₂ wie folgt:
Für den Wärmestrom gilt: $W \ddot{a} r m e s t r o m {\dot{Q}}_{B} \geq c_{W T} * \dot{m} * (T_{3} - T_{4})$
Für die Masseströme gilt: $\dot{m} = {\dot{m}}_{1} + {\dot{m}}_{2}$
Daraus ergibt sich: $\Rightarrow {\dot{Q}}_{R} \geq c_{W T} * (T_{3} - T_{4}) * ({\dot{m}}_{1} + {\dot{m}}_{2})$
$\Rightarrow \frac{{\dot{Q}}_{B}}{c_{W T} * (T_{3} - T_{4})} \geq {\dot{m}}_{1} + {\dot{m}}_{2}$
$\Rightarrow \frac{{\dot{Q}}_{B}}{c_{W T} * (T_{3} - T_{4})} - {\dot{m}}_{1} \geq {\dot{m}}_{2}$
Beispiel: Ein fiktives Gerät habe eine Heizleistung von 16 kW. Ein Warmwasserverbraucher (z. B. Dusche) fordert aber nur eine Leistung von z. B. 12 kW ab. Dies bedeutet, dass 4 kW „übrig“ sind, um den Kreis parallel aufzuheizen und damit die Pufferschleife 3 zumindest teilweise wieder aufzuladen.
Bei einer weiteren Betriebsweise wird die Pufferschleife 3 zur Glättung von Temperaturschwankungen am Flüssigkeitsausgang 11 genutzt. Das in der Pufferschleife 3 gespeicherte Wasser fungiert hier als Wärmekapazität. Um eine Temperaturglättung zu erreichen wird die Umwälzpumpe 42 im Zapfbetrieb zugeschaltet.
Bei einer weiteren Betriebsweise wird die Umwälzpumpe 42 im Standby-Betrieb in gewissen Abständen (Intervallen) kurz angeschaltet um eine verbesserte Temperaturmessung des Wasser im System zu ermöglichen.
Die Ausgestaltung der Vorrichtung 1 der 2 unterscheidet sich von der Ausgestaltung der 1 in der Art des Zirkulationskreises. Da alle anderen Komponenten gleich bleiben, wird hier auf eine erneute Beschreibung verzichtet.
Der Zirkulationskreis ist hier teilweise außerhalb des Gehäuses 6 befindlich und wird insbesondere auch durch das externe Leitungssystem 7 gebildet, mit dem die Leitungen der Vorrichtung 1 verbunden sind.
In der dargestellten Ausgestaltung fallen insbesondere der Eingang 40 der Rückführleitung 4 und der Flüssigkeitsausgang 11 zusammen. Die Rückführleitung 4 verläuft in dieser Ausgestaltung außerhalb des Gehäuses 6. Der Zirkulationskreis kann daher in der dargestellten Ausführung wegen seiner Erstreckung auch als „großer Kreis“ bezeichnet werden. Die obigen Ausgestaltungen im Zusammenhang mit dem kleinen Kreis der Variante der 1 lassen sich entsprechend auch auf die Vorrichtung 1 mit einem großen Kreis übertragen.
Die 3 zeigt für die Übersichtlichkeit nur einen Ausschnitt der Vorrichtung 1 und wird hier im Vergleich mit der Ausgestaltung der 1 - also mit dem kleinen Kreis - beschrieben. Dabei seien nur die Unterschiede zwischen den Ausgestaltungen erläutert.
Hier befindet sich ein Mischventil 80 stromabwärts der Heizvorrichtung 2 und hier auch stromabwärts des kleinen Zirkulationskreises (somit stromabwärts zum Eingang 40 der Rückführleitung 4). Eine Bypass-Leitung 8 beginnt stromaufwärts zur Mündung 41 der Rückführleitung 4 und führt die vom Flüssigkeitseingang 10 stammende Flüssigkeit an der Heizvorrichtung 2 und der Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 vorbei zum Mischventil 80, sodass an dem Mischventil 80 kalte Flüssigkeit zum Mischen zur Verfügung steht.
Das Mischventil 80 wird beispielsweise auf 50 °C eingestellt. Durch das Mischventil 80 könnte die Temperatur im kleinen Kreis etwas höher eingestellt werden, oder es können größere Temperatur-Überschwinger zugelassen werden (z. B. 60 °C). Durch Beimischen der kalten Flüssigkeit erlaubt das Mischventil 80 die Begrenzung der Austrittstemperatur auf die beispielsweise vorgenannten 50 °C.
Der dritte Temperatursensor T3 ist hier dem Mischventil 80 stromabwärts nachgeordnet und kann somit auch zur Kontrolle des Mischvorgangs verwendet werden.
In den Abbildungen 4 bis 6 werden unterschiedliche Varianten der Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 dargestellt. Dabei können diese Varianten auch unabhängig von der beschriebenen Vorrichtung 1 und somit als separate Erfindungen verwendet werden.
Für die Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 sind viele Geometrien denkbar. Geeignet sind solche, die eine möglichst gute Trennung zwischen dem gespeicherten warmen Wasser und dem nachströmenden kalten Wasser ermöglichen.
Im Fall der Variante der 4 handelt es sich quasi um eine Art (aufgewickelter) Schlauch. Durch die große Länge im Verhältnis zur Querschnittsfläche findet hier nur eine sehr geringe Durchmischung statt.
Ein solches konzentrisch aufgewickeltes Rohr zeigt die 4. Wie zu erkennen, ist der Durchmesser klein gegenüber der Längserstreckung der Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3.
Mit einer größer werdenden Querschnittsfläche im Verhältnis zur Länge nimmt die Durchmischung in der Regel zu.
In der Ausgestaltung der Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 der 5 strömt die Flüssigkeit über den hier als Eingang dienenden unteren Flüssigkeitsanschluss 31 hinein. Von dort strömt die Flüssigkeit in dem unteren flüssigkeitsführenden Bereich 33, der sich hier über einen Höhenbereich entlang der Längsachse 30 erstreckt. Dem flüssigkeitsführenden Bereich 33 kann somit im Wesentlichen eine Höhe zugeordnet werden. Dabei entspricht - wie hier dargestellt - die Längsachse 30 der Richtung der Erdanziehung. Gegen die Erdanziehung bewegt sich die Flüssigkeit in dem Steigbereich 35, um an der oberen Spitze hinab in den Fallbereich 36 zu fließen. Von dort bewegt sich die Flüssigkeit in dem oberen flüssigkeitsführenden Bereich 34 zu dem Flüssigkeitsanschluss 32, der hier als Ausgang fungiert.
Der Pfad der Flüssigkeit soll verhindern, dass sich die kalte nachströmende Flüssigkeit mit der warmen, bereits in der Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 befindlichen Flüssigkeit vermischt. Dabei ergibt sich in der dargestellten Ausführung der Strömungskanäle insgesamt eine Form in der Art des Großbuchstabens „L“.
In der Flüssigkeitsspeichervorrichtung 3 der 6 befinden sich zwischen den Flüssigkeitsanschlüssen 31, 32, die hier - wie durch die Pfeile angedeutet - als Ein- bzw. Ausgang für die Flüssigkeit dienen, hier beispielshaft vier Lagen, die jeweils einer Höhe entlang der Längsachse 30 zugeordnet sind. Die Flüssigkeit passiert dabei die mäanderförmigen Schichten, die jeweils übereinander angeordnet und jeweils durch Trennwände voneinander getrennt sind. Die Trennwände sind dabei ausreichend von jeweils einer Seitenwand entfernt, sodass sich jeweils ein Spalt für den Aufstieg der Flüssigkeit in die nächst höhere Schicht ergibt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Heizvorrichtung
3: Flüssigkeitsspeichervorrichtung
4: Rückführleitung
5: Steuervorrichtung
6: Gehäuse
7: Leitungssystem
8: Bypass-Leitung
10: Flüssigkeitseingang
11: Flüssigkeitsausgang
20: Brenner
21: Wärmetauscher
30: Längsachse der Flüssigkeitsspeichervorrichtung
31: Flüssigkeitsanschluss der Flüssigkeitsspeichervorrichtung
32: Flüssigkeitsanschluss der Flüssigkeitsspeichervorrichtung
33: flüssigkeitsführender Bereich der Flüssigkeitsspeichervorrichtung
34: flüssigkeitsführender Bereich der Flüssigkeitsspeichervorrichtung
35: flüssigkeitsführender Steigbereich der Flüssigkeitsspeichervorrichtung
36: flüssigkeitsführender Fallbereich der Flüssigkeitsspeichervorrichtung
40: Eingang der Rückführleitung
41: Mündung der Rückführleitung
42: Pumpe
43: Rückschlagventil
80: Mischventil
F: Fließrichtung
T1: Temperatursensor
T2: Temperatursensor
T3: Temperatursensor
V1: Durchflusssensor
V2: Durchflusssensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202008005015 U1 [0002]
DE 2851169 C2 [0005]
DE 102004018034 B4 [0005]
DE 102012024578 A1 [0005]
DE 102014108147 A1 [0005]
EP 2503252 A2 [0005]
EP 2762789 A1 [0005]
US 5076494 [0006]

Claims

Vorrichtung (1) zum Erwärmen einer Flüssigkeit, mit einem Flüssigkeitseingang (10), einem Flüssigkeitsausgang (11), einer Heizvorrichtung (2) und einer Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3), wobei die Vorrichtung (1) in einem Wohnwagen, einem Wohnmobil, einem Fahrzeug oder einem Boot verwendbar ist, wobei über den Flüssigkeitseingang (10) Flüssigkeit in die Vorrichtung (1) einströmt, wobei über den Flüssigkeitsausgang (11) Flüssigkeit aus der Vorrichtung (1) ausströmt, wobei die Flüssigkeit von dem Flüssigkeitseingang (10) zu dem Flüssigkeitsausgang (11) in einer Fließrichtung (F) strömt, wobei die Heizvorrichtung (2) thermische Energie auf die Flüssigkeit überträgt, wobei die Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) eine vorgebbare Menge der Flüssigkeit aufnimmt, und wobei die Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) entlang der Fließrichtung (F) der Heizvorrichtung (2) vorgelagert ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei ein Ausströmen von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsausgang (11) ein Einströmen von Flüssigkeit über den Flüssigkeitseingang (10) bewirkt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) thermisch isoliert ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Heizvorrichtung (2) einen Brenner (20) zum Verbrennen eines Luft-Brennstoff-Gemischs und einen Wärmetauscher (21) aufweist, und wobei der Brenner (20) vor einem Brennvorgang für eine vorgebbare Vorspülzeit einen Vorspülvorgang mit Luft erfährt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorrichtung (1) ferner eine Rückführleitung (4) aufweist, wobei die Rückführleitung (4) einen Teil eines Zirkulationskreises bildet, in dem die Flüssigkeit zirkuliert, wobei ein Eingang (40) zu der Rückführleitung (4) in Fließrichtung (F) der Heizvorrichtung (2) nachgelagert ist, und wobei eine Mündung (41) der Rückführleitung (4) in Fließrichtung (F) der Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) und/oder der Heizvorrichtung (2) vorgelagert ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei die Vorrichtung (1) ferner ein Gehäuse (6) aufweist, und wobei die Rückführleitung (4) zumindest teilweise zu einem außerhalb des Gehäuses (6) befindlichen Leitungssystem (7) zur Führung von Flüssigkeit gehört.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Vorrichtung (1) ferner eine Pumpe (42) aufweist, wobei die Pumpe (42) die Flüssigkeit in der Rückführleitung (4) bewegt, wobei die Vorrichtung (1) ferner mindestens einen Temperatursensor (T1, T2, T3, T4) zur Messung einer Temperatur einer Flüssigkeit und/oder mindestens einen Durchflusssensor (V1, V2) zur Messung eines Durchflusses einer Flüssigkeit aufweist, wobei die Vorrichtung (1) ferner eine Steuervorrichtung (5) aufweist, und wobei die Steuervorrichtung (5) in Abhängigkeit von mindestens einer gemessenen Temperatur und/oder von mindestens einem gemessenen Durchfluss die Pumpe (42) steuert.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Vorrichtung (1) ferner ein Rückschlagventil (43) aufweist, und wobei das Rückschlagventil (43) dafür sorgt, dass die Flüssigkeit in der Rückführleitung (4) nur in eine Richtung strömt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorrichtung (1) ferner mindestens einen Temperatursensor (T1, T2, T3, T4) zur Messung einer Temperatur einer Flüssigkeit und/oder mindestens einen Durchflusssensor (V1, V2) zur Messung eines Durchflusses einer Flüssigkeit aufweist, wobei die Vorrichtung (1) ferner eine Steuervorrichtung (5) aufweist, und wobei die Steuervorrichtung (5) in Abhängigkeit von mindestens einer gemessenen Temperatur und/oder von mindestens einem gemessenen Durchfluss die Heizvorrichtung (2) steuert.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vorrichtung (1) ferner eine Bypass-Leitung (8) und ein Mischventil (80) aufweist, wobei die Bypass-Leitung (8) für die Flüssigkeit den Flüssigkeitseingang (10) unter Auslassung der Heizvorrichtung (2) und/oder der Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) mit dem Mischventil (80) verbindet, und wobei das Mischventil (80) in Fließrichtung (F) der Heizvorrichtung (2) nachgelagert ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) als konzentrisch verlaufende Rohrschlange ausgestaltet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) mindestens zwei Flüssigkeitsanschlüsse (31, 32) aufweist, wobei die Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) zwei flüssigkeitsführende Bereiche (33, 34) zwischen den zwei Flüssigkeitsanschlüssen (31, 32) aufweist, wobei die zwei flüssigkeitsführenden Bereiche (33, 34) unterschiedlichen Höhen entlang einer Längsachse (30) der Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) zugeordnet sind, wobei die Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) einen flüssigkeitsführenden Steigbereich (35) und einen flüssigkeitsführenden Fallbereich (36) zwischen den zwei Flüssigkeitsanschlüssen (31, 32) aufweist, wobei der flüssigkeitsführende Steigbereich (35) und der flüssigkeitsführende Fallbereich (36) sich jeweils entlang der Längsachse (30) erstrecken, und wobei die Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) die Flüssigkeit in dem flüssigkeitsführenden Steigbereich (35) und in dem flüssigkeitsführenden Fallbereich (36) in unterschiedliche Richtungen strömen lässt.
Verfahren zum Erwärmen einer Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit durch eine Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) hindurchgeführt wird, und wobei in einer der Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) in einer Fließrichtung (F) der Flüssigkeit nachgelagerten Heizvorrichtung (2) thermische Energie auf die Flüssigkeit übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei zwischen einem Anfordern eines Heizvorgangs der Heizvorrichtung (2) und einem Beginn des Heizvorgangs mindestens ein sich über eine Totzeit erstreckender Vorbereitungsschritt ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Flüssigkeit mehrfach durch die Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) und/oder durch die Heizvorrichtung (2) hindurchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei solange thermische Energie auf die Flüssigkeit übertragen wird, bis eine Temperatur der Flüssigkeit - vorzugsweise in der Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) - eine vorgebbare untere Schaltschwelle überschritten hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei eine Temperatur der Flüssigkeit in einem vorgebbaren Temperaturbereich gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei - vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Nutzersteuerung - die erwärmte Flüssigkeit ausgegeben wird, und wobei in dem Fall, dass für die ausgegebene Flüssigkeit eine erforderliche Heizleistung unterhalb einer durch die Heizvorrichtung (2) gegebenen Heizleistung liegt, ein durch die Heizvorrichtung (2) gegebener Überschuss an Heizleistung auf mehrfach durch die Flüssigkeitsspeichervorrichtung (3) und/oder durch die Heizvorrichtung (2) hindurchgeführte Flüssigkeit übertragen wird.