DE102020118440A1 - Durchlauferhitzersystem - Google Patents

Abstract

Ein Durchlauferhitzersystem (100) mit einer Wärmeaustauschervorrichtung (20), umfassend mindestens eine Hohlkammer (21, 22, 23, 24) und mindestens ein elektrisches Heizelement (52, 53, 54) und:- ein Regelgerät (30) mit einer Temperaturregeleinheit (35), einer Entnahmevorgang-Zählereinheit (32), einer Stillstand-Zählereinheit (33) und einer Zeitverzögerungseinheit (34);- ein elektrisches Schaltelement (41, 42, 43) zum Anschließen beziehungsweise Abtrennen eines oder mehrerer Heizelemente (52, 53, 54) von der / an die Stromversorgung;- einen mit der Temperaturregeleinheit (35) verbundenen Ausgangstemperatursensor (27);- einen Durchflusssensor (29);wobei:- die Entnahme-Zählereinheit (32) mit dem Durchflusssensor (29) verbunden ist und ausgelöst wird, wenn der Wasserdurchsatz einen Entnahme-Schwellenwert V̇0überschreitet;- die Stillstand-Zählereinheit (33) von der Entnahme-Zählereinheit (32) ausgelöst und nachgetriggert wird, und beide nach einer Inaktivitätszeit ohne Wasserfluss ein Stillstandereignis-Signal liefern und die Inaktivitätsdauer erfassen;- die Zeitverzögerungseinheit (34) an die Entnahme-Zählereinheit (32) angeschlossen ist und von dieser ausgelöst wird und eine Verzögerungszeit ΔtoFFstartet, deren Dauer durch das von der Stillstand-Zählereinheit (33) bereitgestellte Stillstandsignal von einer kurzen Standard-Verzögerungszeit auf eine lange Verzögerungszeit geschaltet wird; und- die Schaltelemente (41, 42, 53) von der Zeitverzögerungseinheit (34) erst nach Ablauf der Verzögerungszeit ausgelöst werden.

Description

• GEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Durchlauferhitzersystem, insbesondere ein Durchlauferhitzersystem für eine Körper-Notdusche.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Durchlauferhitzer liefern auf Anforderung umgehend warmes oder sogar heißes Wasser. Nach dem Öffnen eines Ventils oder Hahns wird das Wasser erwärmt, während es durch das Wassererhitzungssystem fließt. Die Erwärmung erfolgt mithilfe von einem oder mehreren elektrischen Heizelement(en), die in den Weg des Wassers hineinragen. Die Temperaturerhöhung, die der Erhitzer bei einem bestimmten Wasserdurchsatz erzeugen kann, wird durch die definierte Wärmekapazität des Wassererhitzers begrenzt. Da für diese Zwecke nur ein elektrisches Heizelement oder eine geringe Anzahl an elektrischen Heizelementen erforderlich ist, ist die so genannte Speichermasse, d.h. das Wärme-Speichervermögen, in diesen Systemen gering.
• Es gibt jedoch spezielle Anwendungen, bei denen ein großer Warmwasser-Durchsatz schnell bereitgestellt werden muss, z.B. bei Notfall-Körperduschen. Notfall-Körperduschen mit großen Durchflusssätzen und mehreren Duschköpfen, die einen Wasserschwall auslösen, dienen zur schnellen Reinigung von mit gefährlichen Stoffen, wie in der Chemieindustrie verwendeten Säuren oder Laugen, kontaminierten Personen. Um umgehend einen so großen Durchsatz an Warmwasser zum Spülen mit einem angemessenen Temperaturanstieg bereitzustellen, wird ausreichend elektrische Leistung benötigt, um eine Reihe oder ein Paar von elektrischen Heizelementen gleichzeitig zu betreiben. Solange das Wasser fließt, sind der Heizprozess und der Temperaturregelungsprozess einfach zu handhaben, wenn genügend elektrische Leistung installiert ist. Die erforderliche elektrische Leistung kann automatisch an den Wasserdurchsatz und/oder den erforderlichen Temperaturanstieg angepasst werden und wird auch von einem Austrittstemperatursensor konstant überwacht.
• Für eine Reihe von aufeinanderfolgenden Entnahmevorgängen kann ein unerwünschter Temperaturanstieg auftreten, was die Verbrühungsgefahr erhöht. Diese Probleme verschärfen sich, wenn dies häufig auftritt und die Inaktivitätsdauer kürzer als die Entnahmedauer ist. Während der Stillstandzeit erhitzt sich das stagnierende Restwasser durch die in der großen Speichermasse der Heizelemente und der Edelstahl-Kammern, in denen sie angebracht sind, gespeicherte latente Wärme weiter, auch wenn die Stromversorgung unterbrochen ist. Wenn wieder Wasser entnommen wird, fließt das heiße Restwasser aus der Vorrichtung und kann für den Nutzer ein enormes Verbrühungsrisiko darstellen. Der durch die latente Wärmeenergie verursachte Temperaturanstieg kann von der Temperaturregeleinheit des Wassererhitzungssystems in keiner Weise kontrolliert werden. Das Problem der latenten Wärme verschärft sich weiter, wenn zum Erwärmen des Wassers Elemente aus beschichtetem Kupfer oder Edelstahl verwendet werden.
• KURZBESCHREIBUNG UND ZIELE DER ERFINDUNG
• Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Durchlauferhitzersystem mit Wärmeaustauschervorrichtung bereitgestellt, das mindestens eine Hohlkammer und mindestens ein Heizelement umfasst, ferner mindestens umfassend:
• - ein Regelgerät mit einer Temperaturregeleinheit, einer Entnahmevorgang-Zählereinheit, einer Stillstand-Zählereinheit und einer Zeitverzögerungseinheit;
• - ein elektrisches Schaltelement zum Anschließen beziehungsweise Abtrennen eines oder mehrerer Heizelemente von der / an die Stromversorgung;
• - einen mit der Temperaturregeleinheit verbundenen Ausgangstemperatursensor; und
• - einen Durchflusssensor.
• Ein Hauptziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Durchlauferhitzersystems, die jegliche Verbrühungsrisiken verhindert und zum Einsatz für spezielle Anwendungen, wie Notfall-Duschen oder Not-Körperduschen, die die umgehende und wiederholte Bereitstellung eines großen Warmwasserdurchsatzes erfordern, geeignet ist.
• Dieses Ziel wird erreicht durch ein verbessertes Regelgerät mit einer Temperaturregeleinheit, einer Entnahmevorgang-Zählereinheit, einer Stillstand-Zählereinheit und einer Zeitverzögerungseinheit, wobei:
• - die Entnahmevorgang-Zählereinheit mit dem Durchflusssensor verbunden ist und ausgelöst wird, sobald der Wasserdurchsatz einen Entnahme-Schwellenwert überschreitet;
• - die Stillstand-Zählereinheit von der Entnahme-Zählereinheit nachgetriggert wird, und beide nach einer Inaktivitätszeit ohne Wasserfluss ein Stillstandereignis-Signal liefern und die Inaktivitätsdauer erfassen;
• - die Zeitverzögerungseinheit an die Entnahmevorgang-Zählereinheit angeschlossen ist und von dieser ausgelöst wird und eine Verzögerungszeit startet, deren Dauer entsprechend der Festlegung durch das von der Stillstand-Zählereinheit bereitgestellte Stillstandsignal zwischen einer kurzen Standard-Verzögerungszeit und einer langen Verzögerungszeit variiert;
• - der Beginn des Heizvorgangs von der Zeitverzögerungseinheit erst nach Ablauf der Verzögerungszeit ausgelöst wird.
• Der Haupteffekt der Erfindung beruht auf einer präventiven Temperaturregelung, die durch Berücksichtigung der Menge der in der Speichermasse der Heizelemente und/oder der Kammerwände der Wärmeaustauschervorrichtung gespeicherten potenziellen latenten Wärme sowie des Zeitraums, in dem die latente Wärmeenergie vor dem Neustart des Heizprozesses durch Aktivierung der Heizelemente in einem neuen Entnahmezyklus auf das Restwasser in der Vorrichtung übertragen werden kann, eine zu hohe Wassertemperatur am Wasseraustritt verhindert. Aus diesem Grund ist eine Zeitverzögerungseinheit in das Regelgerät integriert, um die Heizelemente erst nach Ablauf einer gewissen Verzögerungszeit einzuschalten. Die Verzögerungszeit gilt als eine Art Sicherheitszeitraum, der mit Beginn des Entnahmezyklus beginnt, um Verbrühungen zu verhindern.
• Um das Nutzerverhalten in Bezug auf die Zahl und Dauer der Entnahmen beziehungsweise die Dauer der Unterbrechungen zwischen den Entnahmen zu berücksichtigen, ist auch eine Entnahmevorgang-Zählereinheit in das Regelgerät integriert. Die Entnahmevorgang-Zählereinheit erfasst die Dauer der Inaktivität ab dem vorherigen Stopp der Entnahme und/oder die Zahl der Unterbrechungen in einem voreingestellten Überwachungszeitraum. Wenn einer dieser Werte einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird ein Stillstandsignal an die Zeitverzögerungseinheit gesendet, um den Zeitverzögerungszeitraum zu verlängern oder zu verkürzen. So wird im Durchlauferhitzersystem der Erfindung eine variable Zeitfunktion implementiert.
• In einer anderen Ausführungsform ist in der Nähe der Wassereintrittsöffnung ein zusätzlicher Wassereintrittstemperatursensor vorgeschaltet und das Regelgerät umfasst ferner eine Wärmeberechnungseinheit. Die Wärmeberechnungseinheit hat vier Haupteingangswerte:
• - die Eintrittswassertemperatur,
• - die Austrittswassertemperatur,
• - den Durchsatz und
• - die Dauert des Entnahmeintervalls.
• Anhand der Temperaturdifferenz zwischen der Eintritts- und Austrittstemperatur und dem Durchsatzsignal lässt sich die zur Erwärmung des Wasserstroms in einem bestimmten Zeitintervall auf eine gewünschte eingestellte Austrittstemperatur benötigte Wärme/Energie berechnen. Das entsprechende Zeitintervall wird durch den Anfang und das Ende des Entnahmeprozesses definiert. Außerdem gibt es eine Verbindung von der Wärmeberechnungseinheit zur Temperaturregeleinheit, um die im gleichen Zeitintervall auf die Heizelemente einwirkende elektrische Energie zu summieren. Wenn
1. a) die zur Erwärmung des Wassers tatsächlich verbrauchte Menge an Energie berechnet ist und
2. b) die auf die Heizelemente zusammen einwirkende Menge an elektrischer Energie bekannt ist,
kann die latente Wärmeenergie, d.h. die Menge der in der Speichermasse des Systems gespeicherten Energie, berechnet werden. Anhand der Wassertemperatur des Restwassers am Ende des Aufheizvorgangs und der Restwassermenge in der Wärmeaustauschervorrichtung kann eine Prognose für die Entwicklung der Austrittswassertemperatur zu Beginn des nächsten Entnahmezyklus errechnet werden.
• Um ein noch genaueres Ergebnis des Temperaturanstiegs aufgrund der berechneten latenten Wärme zu erreichen, kann eine Wärmeverlustrate experimentell ermittelt und in einer weiteren verbesserten Ausführungsform der Erfindung bei den Berechnungen berücksichtigt werden.
• In einer weiteren Ausführungsform des Durchlauferhitzersystems aus der Erfindung sind ein Sicherheitsventil und ein Bypass an den Austritt angeschlossen. Nur wenn die Temperatur am Austritt unterhalb eines Sicherheitsschwellenwerts Tmax liegt, wird das Ventil geöffnet, um Wasser in die nachfolgenden Vorrichtungen mit Nutzerkontakt, wie Duschköpfe, zu lassen. Ansonsten wird das Wasser über einen Bypass zu einem Speicherbehälter oder einem Abfluss geleitet.
• Ein weiteres Ziel ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Betrieb eines Durchlauferhitzersystems, mindestens umfassend
• - eine Wärmeaustauschervorrichtung mit einer Hohlkammer und mindestens einem elektrischen Heizelement, einen Ausgangstemperatursensor und einen Durchflusssensor;
• - ein Regelgerät und
• - ein elektrisches Schaltelement zum Anschließen beziehungsweise Abtrennen des Heizelements von der / an die Stromversorgung;
• Das Ziel der Erfindung wird durch ein Verfahren, das folgende Schritte umfasst, erreicht:
• - Überprüfung des Nutzerverhaltens durch Überwachung des Durchsatzes V̇₀ mit einem Durchflusssensor und Überprüfung der Wassertemperatur T durch Überwachung des Austrittswassertemperatursensors, um zu sehen, ob der Wasserdurchsatz einen Entnahmeschwellenwert übersteigt und die Wassertemperatur unter einer Solltemperatur T₁ liegt;
• - Prüfen der Wärmeaustauschertemperatur mittels Nutzung der Angaben des Austrittstemperatursensors zur Einstellung einer Verzögerungszeit auf eine kurze Standardverzögerungszeit, wenn eine kalte Wärmeaustauschertemperatur festgestellt wird;
• - wenn der Wärmetauscher kalt ist, dann Prüfen des Systems auf einen vorherigen Inaktivitätszeitraum Δt_OFF, in dem der Strom unterbrochen ist und kein keine Aufheizung erfolgt; Rücksetzen der Verzögerungszeit auf die kurze Standardverzögerungszeit Δt, wenn Inaktivitätszeitraum Δt_OFF länger als ein voreingestellter Stillstandszeitwert ist oder Verlängern der langen Verzögerungszeit Δt für jeden Fall von Inaktivität;
• - Erwärmung des Wassers in der Wärmeaustauschervorrichtung durch Einschalten des Heizelements nach Ablauf der Verzögerungszeit Δt und
• - Durchführen der Wassererwärmung mit fortlaufender Temperaturregelung bis zur Unterbrechung des Stroms.
• Figurenliste
• Diese und andere Ziele der Erfindung sind für Fachleute anhand der ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindungen und den folgenden Zeichnungen ersichtlich und verständlich, wobei:
• 1 eine schematische Darstellung eines Durchlauferhitzersystems ist;
• 2 eine schematische Darstellung eines Regelgeräts ist;
• 3 ein Flussdiagramm der im Regelgerät laufenden Software und
• 4 mehrere Diagramme von Parametern über eine gemeinsame Zeitleiste.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
• Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei in allen verschiedenen Ansichten gleiche Zahlen gleiche oder entsprechende Elemente bezeichnen, werden wir sehen, dass die Erfindung sich auf ein Durchlauferhitzersystem 100 entsprechend der schematischen Darstellung in 1 bezieht.
• Die Grundkomponenten des Durchlauferhitzersystems 100 sind eine Wärmeaustauschervorrichtung 20 und ein Regelgerät 30. Diese Komponenten können sich physisch in einem gemeinsamen Gehäuse befinden, aber die Wärmeaustauschervorrichtung 20 kann auch von einem an einem entfernten Ort angebrachten Regelgerät 30 betrieben werden, wobei die Wärmeaustauschervorrichtung 20 und das Regelgerät 30 über Kabel und/oder drahtlose Verbindungen verbunden sind.
• In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung besteht die Wärmeaustauschervorrichtung 20 aus einer Reihe von miteinander verschweißten Edelstahl-Heizrohren 21, 22, 23, 24, wobei das Wasser durch Öffnungen am Anfang und am Ende eines jeden Rohres fließt und so ein gewundener Wasserfließweg zwischen einer Eintrittsöffnung unten an Rohr 21 und einer Austrittsöffnung oben an Rohr 24 entsteht. Zur Klarstellung: In 1 sind zur Erläuterung der Erfindung nur vier Rohre 21, 22, 23, 24 dargestellt, wohingegen eine echte Ausführungsform eines Wärmetauschers ein Stack aus mehr als einem Dutzend Kammern, in denen jeweils ein elektrisches Heizelement angeordnet ist, umfasst.
• Die Wärmeaustauschervorrichtung 20 verfügt über ein Anschlussfeld 26, das an eine Mehrphasenstromversorgung anzuschließen ist. In der Eintrittsöffnung sind ein Eintrittstemperatursensor 28 und ein Durchflusssensor 29 angeordnet, und an einer Austrittsöffnung der Wärmeaustauschervorrichtung 20 ist ein Austrittstemperatursensor 27 angeordnet. Jedes Stahl-Heizrohr 21, 22, 23, 24 verfügt über mindestens ein elektrisches Heizelement 52, 53, 54. Jedes Heizelement 52, 53, 54 ist mit dem Anschlussfeld 26 und einem Schaltelement 41, 42, 43 verbunden. Bei den Schaltelementen 41, 42, 43 handelt es sich um Triacs, die alle im untersten Stahlrohr 21 angeordnet sind, so dass sie durch das dort in den Fließweg einströmende Kaltwasser gekühlt werden können.
• Das elektronische Regelgerät 30 mit einem Mikroprozessor regelt die Impulsfrequenz der Triac-Anordnung zur Regelung der Wärmeabgabe eines jeden Heizelements 52, 53, 54. Außerdem erhält das Regelgerät 30 Daten und/oder andere Signale vom Austrittstemperatursensor 27, vom Eintrittstemperatursensor 28 und vom Durchflusssensor 29. Es verfügt auch über eine Benutzeroberfläche 36.
• Der innere Aufbau des Regelgeräts 30 ist in der schematischen Darstellung in 2 ausführlicher dargestellt. Es wird von einem Mikroprozessor 31 gesteuert und verfügt über ein Softwareprogramm zur Steuerung der Aktivierung und Deaktivierung der Heizelemente 52, 53, 54 und der Austrittstemperatur auf eine Temperatur nahe dem gewünschten Sollwert. Die Sollwertangaben erhält das Regelgerät 30 über die Benutzeroberfläche 36 mit einem Display und Tasten und/oder Knöpfen für Einstellarbeiten, wie die Auswahl des gewünschten Temperatur-Sollwerts.
• Das Regelgerät 30 umfasst mehrere Einheiten:
• - eine Temperaturregeleinheit 35,
• - eine Entnahme-Zählereinheit 32,
• - eine Stillstand-Zählereinheit 33 und
• - eine Zeitverzögerungseinheit 34.
• In Bezug auf ein Softwareprogramm sind sie als Module, Routinen und/oder Subroutinen integriert. In Bezug auf die Hardware sind sie integrierte Baugruppen oder Einheiten, die z.B. durch einen Datenbus miteinander verbunden sind.
• Die Entnahmeereignis-Zählereinheit 32 ist mit dem Durchflusssensor 29 und dem Austrittstemperatursensor 27 verbunden. Sie wird ausgelöst, wenn der Wasserdurchsatz V einen Entnahmeschwellenwert V₁ übersteigt und die Austrittswassertemperatur unter einem Temperatursollwert T₁ liegt.
• Die Stillstand-Zählereinheit 33 wird von der Entnahme-Zählereinheit 32 bei jeder Unterbrechung der Entnahme nachgetriggert und liefert ein Stillstandsignal nach einem Inaktivitätszeitraum ohne Wasserstrom.
• Die Zeitverzögerungseinheit 34 ist an die Entnahme-Zählereinheit 32 angeschlossen, wird von dieser ausgelöst und startet eine Verzögerungszeit t₁, deren Dauer durch das von der Stillstand-Zählereinheit 33 bereitgestellte Stillstandsignal von einer kurzen Standard-Verzögerungszeit auf eine lange Verzögerungszeit geschaltet wird.
• Die Schaltelemente 41, 42, 43 sind ebenfalls an das Regelgerät 30 angeschlossen. Abhängig von der Austrittswassertemperatur am Sensor 27 werden ein oder mehrere Schaltelemente 41, 42, 43 ausgelöst, um die zur Erwärmung des Wassers auf die gewünschte Austrittstemperatur erforderliche Anzahl an elektrischen Heizelementen 52, 53, 54 einzuschalten. Die Schaltelemente 41, 42, 43 können erst nach Ablauf der Verzögerungszeit aktiviert werden. Die Verzögerungszeit wird von der Zeitverzögerungseinheit 34 eingestellt.
• Die Software im Regelgerät 30 umfasst ein Verfahren der Erfindung zum Betrieb eines Durchlauferhitzersystems ohne Gefahr einer Verbrühung durch latente Aufheizeffekte der thermischen Massen.
• Das Verfahren wird unter Bezug auf das Flussdiagramm in 3 ausführlich beschrieben:
• Ein Startblock 201 des Regelprozesses 200 läuft im Regelgerät 30. Er ist auch ein Endpunkt in einer Endlosschleife oder einem rollierenden Regelprozess.
• Das Signal oder die Daten, die vom Durchflusssensor 29 bereitgestellt werden, werden überwacht und in Entscheidungsblock 202 mit einem als Entnahme-Schwellenwert V₁ voreingestellten Mindestdurchsatz abgeglichen, wodurch der Regelprozess bei Block 201 wieder anfängt. Der gemessene Durchsatzwert V liegt unterhalb des Entnahme-Schwellenwerts V₁, wenn keinerlei Wasser fließt oder nur Wasser tropft.
• Sobald der Durchsatz V über dem in Entscheidungsblock 202 erkannten Schwellenwert V₁ liegt, wird eine Temperaturvergleichsroutine 203 ausgeführt. Es wird ein Vergleich mit dem vom Nutzer ausgewählten Temperatursollwert T₁ durchgeführt. Wenn die gemessene aktuelle Wassertemperatur T über dem ausgewählten T₁ liegt, dann ist keinerlei Aufheizen erforderlich, und der Regelprozess beginnt wieder bei Block 201. Wenn die aktuelle Temperatur T unter der Solltemperatur T₁ liegt, dann erfolgt der nächste Temperaturvergleich in Block 204, wo die Wärmetauschertemperatur mit der Temperaturangabe vom Austrittstemperatursensor bewertet wird. Die Temperaturangabe T wird in Entscheidungsblock 204 eingegeben.
• Wenn der Wärmetauscher 20 kalt ist, wird in Entscheidungsblock 204 in der Zeitverzögerungseinheit 34 eine kurze Verzögerungszeit ausgewählt. Ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung besteht darin, dass immer eine kurze Verzögerungszeit von mindestens 1 Sekunde festgelegt ist. Diese kurze Verzögerung ist zur Entlüftung des Systems sinnvoll. Jedwede Luftschicht, sei sie auch noch so dünn, würde die Metalloberfläche der Heizelemente von dem Fluid isolieren, wodurch die Gefahr einer Überhitzung der Heizelemente entstehen würde, weil die Wärmeübertragung ins Wasser durch die Luftschicht zumindest teilweise verhindert würde.
• Nach Ablauf der Verzögerungszeit kann der Aufheizprozess bei Block 208, der von der Temperaturregeleinheit 35 gesteuert wird, starten, um die Austrittswassertemperatur nahe an den Sollwert T₀ zu bringen. Das Aufheizen erfolgt entweder konstant durch Anpassung der elektrischen Ausgangsleistung für alle Heizelemente zusammen oder durch Aufheizen in mehreren kurzen Zeitintervallen mit konstanter Leistung. Es kann eine dritte Anpassungsmöglichkeit gewählt werden, bei der selektiv nur ein Teil der mehreren in dem Gerät vorgesehenen Heizelemente eingeschaltet wird.
• Der Aufheizprozess wird beendet, wenn der Wasserfluss unterbrochen wird oder wenn die Wassertemperatur T nahe am voreingestellten Temperaturwert T₀ ist. Wenn eine dieser Bedingungen erfüllt ist, wird der Aufheizprozess in Block 208 unterbrochen, und der Überwachungsprozess wird bei Block 201 neu gestartet.
• Wird hingegen in Entscheidungsblock 204 festgestellt, dass die Wärmeaustauschervorrichtung 20 noch heiß ist, dann wird die nächste Bedingung in Entscheidungsblock 205 bewertet. Erkennt die Stillstand-Zählereinheit 33 ein Stillstandsereignis, so wird die Verzögerungszeit auf eine lange Verzögerungszeit, die anfänglich beispielsweise 5 Sekunden dauern kann, erheblich verlängert. Der genaue Wert hängt von der Bauform der Wärmeaustauschervorrichtung 20, der Anzahl der Heizelemente 52, 53, 54, den Isolierungseigenschaften usw. ab. Er ist immer voreingestellt, um sicherzustellen, dass sich die Wassertemperatur durch die latente Wärmeenergie nicht über einen Sicherheitstemperaturschwellenwert hinaus erhöhen kann.
• Die Verbindung der Temperaturregeleinheit 35, der Stillstand-Zählereinheit 33 und der Zeitverzögerungseinheit 34 ist ein wichtiges Merkmal, da alle Elemente interaktiv entscheiden, ob die Aufheizung durch Einschalten von mindestens einem Heizelement gestartet wird oder nicht. Die Stillstand-Zählereinheit 33 wird zur Regelung eines Temperaturanstiegs durch eine regelbare Timer-Funktion genutzt, wobei die Stillstandzeit von der Anzahl der aufeinanderfolgenden Entnahmevorgänge, auf die jeweils ein inaktiver Zeitraum folgt, abhängt.
• In dem im Flussdiagramm in 3 dargestellten Prozessbeispiel ist der Temperatursollwert T₁ auf 100° F eingestellt. Eine Heizstillstandzeit ist als t_OFF = 5 Min. definiert.
• - Wenn der Wert des Austritttemperatursensors 27 mehr als 100 °F beträgt, gilt der Status der Wärmeaustauschervorrichtung 20 in Block 204 als „heiß“, ansonsten ist er „kalt“.
• - Wenn der Status „kalt“ ist, wird die Verzögerungszeit unabhängig davon, ob aufeinanderfolgende kurze Entnahmevorgänge oder Aktivierungsvorgänge vorliegen, auf die kurze Zeit, wie 1 Sekunde, eingestellt.
• - Wenn der Status „heiß“ ist, beginnt die von der Zeitverzögerungseinheit 34 berechnete Verzögerungszeit für jede aufeinanderfolgende Aktivierung nach einem Aufheizstillstand von weniger als t_OFF = 5 Min. länger zu werden. Der Stillstand to_FF wird von der Stillstand-Zählereinheit 33 erfasst. Nur bei einer Stillstandszeit von mehr als to_FF wird die Verzögerungszeit auf 1 Sekunde zurückgesetzt.
• - Wenn erstmals ein Stillstand eintritt, wird die Verzögerungszeit auf 5 Sekunden eingestellt. Beim zweiten Eintritt sind es 10 Sekunden und beim dritten 15 Sekunden. Die Verzögerungszeit wird in Block 206 eingestellt.
• - Bei einem jedweden weiteren Eintritt bleibt die Verzögerungszeit bei 15 Sekunden, bis eine Dauer vollständiger Inaktivität von mindestens 5 Minuten erreicht ist. Nach diesem Inaktivitätszeitraum wird die Verzögerungszeit auf 5 Sekunden zurückgesetzt.
• Die Funktion des Durchlauferhitzersystems 100 der Erfindung und das Betriebsverfahren werden unter Bezug auf 4 ausführlich beschrieben. 4 zeigt fünf Diagramme über eine gemeinsame Zeitleiste t für:
• - Durchsatz V, gemessen von Durchflusssensor 29,
• - Wasseraustrittstemperatur T, gemessen von Austrittstemperatursensor 27,
• - auf die Heizelemente 52, 53, 54 einwirkende elektrische Leistung P,
• - Zeitverzögerung Δt und
• - Stillstandereigniszähler no_FF.
• Wenn der Betrieb des Durchlauferhitzersystems 100 bei t = 0 startet, wird kein Fluss angezeigt, so dass V = 0. Bei Beginn eines Entnahmevorgangs kann die Wassertemperatur T₀ der Umgebungstemperatur entsprechen oder darunter liegen, wenn das System eingeschaltet wird, oder sie entspricht der Temperatur des vorherigen Aufheizvorgangs. In 4 entspricht die Wassertemperatur T der Kaltwassertemperatur, die etwa To = 50° ... 60 °F beträgt. Da kein Durchsatz angezeigt wird, ist keines der Heizelemente 52, 53, 54 aktiv, daher ist die elektrische Leistung P = 0. Die Zeitverzögerung Δt ist auf einen Standardwert für eine kurze Verzögerungszeit, die Δt = 1 s beträgt, eingestellt. Es ist noch kein Stillstandsereignis eingetreten, so dass der Stillstandszähler no_FF = 0 ist.
• Bei ti öffnet der Nutzer das Ventil oder den Hahn, aber nur leicht. Es wird ein Durchsatz erfasst, aber V liegt noch unter einem Entnahme-Schwellenwert Vo. Deshalb geht die Überwachungsroutine in der Software des Regelgeräts von Entscheidungsblock 202 zurück, um bei Block 201 anzufangen (siehe 3). Wassertemperatur T, elektrische Leistung P, Verzögerungszeit Δt und Stillstandsereignis no_FF bleiben alle unverändert.
• Bei t₂ liegt der Durchsatz V über dem Entnahme-Schwellenwert Vo. Außerdem liegt die Wassertemperatur T deutlich unter der vom Nutzer voreingestellten Temperatur T₁, weshalb die elektrische Leistung P mit Maximalleistung eingeschaltet wird, d.h. alle verfügbaren Heizelemente 52, 53, 54 werden nach einer sehr kurzen Verzögerungszeit Δt von 1 s, die zur Beseitigung von Luftverunreinigungen von der Oberfläche der Heizelemente festgelegt ist, eingeschaltet. Folglich steigt die Wassertemperatur T. Vor dem Erreichen des Sollwerts T₁ wird die elektrische Leistung P durch Abschalten eines einzigen Heizelements bei weiterem Aufheizen mit der verbleibenden Anzahl an Heizelementen verringert. Wenn die Temperatur sich dem Sollwert T₁ nähert, werden weitere Heizelemente abgeschaltet.
• Bei t₃ wird der Fluss vom Nutzer unterbrochen, was Folgendes bewirkt:
• - Die Wassertemperatur T steigt aufgrund der latenten Wärmeenergie im System weiter an, aber da die elektrische Leistung P bereits vor der Unterbrechung verringert wurde, ist die latente Wärmeenergie begrenzt. Somit bleibt die Wassertemperatur T weiterhin unter einem Sicherheitsschwellenwert Tmax.
• - Ein erstes Stillstandsereignis wird in der Entnahme-Zählereinheit 32 erfasst, daher no_FF = 1.
• - Mit no_FF = 1 wird die Zeitverzögerungseinheit 34 ausgelöst, wodurch die Verzögerungszeit auf den Standardwert für eine lange Verzögerungszeit, nämlich Δt = 5 s, eingestellt wird.
• Bei t₄, nur eine sehr kurze Zeit nach der mit t₃ beginnenden Unterbrechung, beginnt der Nutzer wieder mit der Entnahme, so dass V wieder über dem Entnahme-Schwellenwert V̇₀ liegt. Durch das einströmende Frischwasser kühlt sich die Wärmeaustauschervorrichtung 20 ab, so dass die Austrittstemperatur T abnimmt, aber aufgrund der bei t₃ auf 5 s eingestellten Verzögerungszeit At wird die volle elektrische Leistung für alle Heizelemente nach Ablauf der Stillstandzeit t₅ von 5 s eingeschaltet. Der linke schraffierte Bereich im Diagramm für die Leistung P zeigt die Menge an Energie, die aufgrund der Verzögerungszeit noch nicht zum Aufheizen des Systems verfügbar gemacht wurde. Ansonsten steigt die Wassertemperatur über den Sicherheitsschwellenwert Tmax, was eine Verbrühungsgefahr darstellt. Aufgrund der angewandten Verzögerungszeit Δt wird das gesamte System vor der erneuten Durchführung der Temperaturregelung erst mit kaltem Wasser gespült.
• Bei t₆ unterbricht der Nutzer den Fluss erneut für eine sehr kurze Zeit bis t₇. Aufgrund der Unterbrechung wird der Stillstandszähler auf no_FF = 2 gesetzt, und die Verzögerungszeit wird um weitere 5 s auf insgesamt Δt = 10 s verlängert. Die Verzögerungszeit Δt beginnt bei t₇, wenn die Entnahme wieder aufgenommen wird. Die Flussunterbrechung zwischen t₆ und t₇ war jedoch sogar kürzer als die Verzögerungszeit Δt = 10 s, so dass während dieser Zeit gar keine elektrische Leistung P bereitgestellt wurde. Der schraffierte Bereich entspricht wiederum der Menge an elektrischer Energie, die dem System bereitgestellt worden wäre, wenn die Wasserentnahme und das Einschalten der Heizelemente wie nach Stand der Technik gleichzeitig erfolgt wären. Die gestrichelte Linie im Temperaturdiagramm zeigt, wie die Wassertemperatur T möglicherweise ansteigt, wenn der Strom mit der Wiederaufnahme des Entnahmeprozesses sofort eingeschaltet wird. Die durchgehende Temperaturlinie zeigt hingegen, dass die Temperatur im Wärmeaustauschersystem der Erfindung abnimmt.
• Bei t₈ dauerte die Verzögerungszeit Δt bei der erneuten Unterbrechung des Flusses noch an, somit wird in der Entnahme-Zählereinheit 32 ein weiteres Stillstandsereignis erfasst und no_FF auf 3 gesetzt, was dem maximalen Wert im hier betrachteten Beispielprozess entspricht. Die Verzögerungszeit wird um weitere 5 s auf Δt = 15 s verlängert, was ebenfalls dem Maximum für diesen Wert entspricht.
• Immer wenn eine Unterbrechung des Wasserflusses erfasst wird, wird der Stillstandszähler für Stillstandsereignisse auf einen neuen Wert gesetzt und die Erfassung der Stillstandszeit to_FF wird neu gestartet. Im vorherigen Zeitraum zwischen dem Startpunkt des Prozesses bei t=0 und t₃ wurde die vollständige Stillstandzeit von 5 Minuten nie erreicht. Jedoch endet ein 5-Minuten-Zeitraum, der bei t₃ begonnen hat, bei t₉. Bei t₉ wird der Stillstandszähler auf null zurückgesetzt, und die Verzögerungszeit wird auf den Standardwert von 1 s zurückgesetzt.
• Bei t₉ wird also das System in den Zustand, in dem es sich ganz zu Beginn des beschriebenen Prozesses befand, zurückgesetzt. Es sind keine Vorkehrungen erforderlich, da in diesem Zustand keine Probleme durch latente Wärme auftreten können. Sobald ein Entnahmevorgang beginnt, beispielsweise bei t₁₀, startet das Aufheizen beinahe sofort nach der Mindestverzögerungszeit von Δt = 1 Sekunde, die zur Beseitigung von eingeschlossener Luft aus dem System vor Beginn der Aufheizung dient.

Claims (13)

1. Ein Durchlauferhitzersystem (100) mit einer Wärmeaustauschervorrichtung (20), umfassend mindestens eine Hohlkammer (21, 22, 23, 24) und mindestens ein elektrisches Heizelement (52, 53, 54), ferner mindestens umfassend: - ein Regelgerät (30) mit einer Temperaturregeleinheit (35), einer Entnahmevorgang-Zählereinheit (32), einer Stillstand-Zählereinheit (33) und einer Zeitverzögerungseinheit (34); - ein elektrisches Schaltelement (41, 42, 43) zum Anschließen beziehungsweise Abtrennen eines oder mehrerer Heizelemente (52, 53, 54) von der / an die Stromversorgung; - einen mit der Temperaturregeleinheit (35) verbundenen Ausgangstemperatursensor (27); - einen Durchflusssensor (29); wobei: - die Entnahme-Zählereinheit (32) mit dem Durchflusssensor (29) verbunden ist und ausgelöst wird, wenn der Wasserdurchsatz einen Entnahme-Schwellenwert V̇₀ überschreitet; - die Stillstand-Zählereinheit (33) von der Entnahme-Zählereinheit (32) ausgelöst und nachgetriggert wird, und beide nach einer Inaktivitätszeit ohne Wasserfluss ein Stillstandereignis-Signal liefern und die Inaktivitätsdauer erfassen; - die Zeitverzögerungseinheit (34) an die Entnahme-Zählereinheit (32) angeschlossen ist und von dieser ausgelöst wird und eine Verzögerungszeit Δto_FF startet, deren Dauer durch das von der Stillstand-Zählereinheit (33) bereitgestellte Stillstandsignal von einer kurzen Standard-Verzögerungszeit auf eine lange Verzögerungszeit geschaltet wird; und - die Schaltelemente (41, 42, 53) von der Zeitverzögerungseinheit (34) erst nach Ablauf der Verzögerungszeit ausgelöst werden.
2. Das Durchlauferhitzersystem aus Anspruch 1, wobei die lange Verzögerungszeit durch jedes von der Stillstand-Zählereinheit (33) bereitgestellte Stillstandsignal erhöht wird, bis eine maximale Verzögerungszeit erreicht ist.
3. Das Durchlauferhitzersystem (100) aus Anspruch 2, wobei der Regler (30) einen Microcontroller (31) und einen Speicher umfasst und wobei alle Einheiten (32, 33, 34, 35) in ein in dem Regelgerät (30) laufendes Softwareprogramm implementiert sind.
4. Das Durchlauferhitzersystem (100) aus Anspruch 3, wobei ein Eintrittstemperatursensor (28) in der Nähe der Wassereintrittsöffnung angeordnet ist, und das Regelgerät (30) ferner eine Wärmeberechnungseinheit umfasst.
5. Das Durchlauferhitzersystem (100) aus Anspruch 1, wobei es sich bei den Schaltelementen (41, 42, 43) um in einer oder mehreren vorgeschalteten Kammern (21) der Wärmeaustauschervorrichtung (20) angeordnete Triacs handelt.
6. Das Durchlauferhitzersystem (100) aus Anspruch 5, wobei mehrere Kammern (21, 22, 23, 24) untereinander verbunden sind, um einen Fluidfließweg von einer Eintrittsöffnung (24) durch die Kammern (21, 22, 23, 24) zu einer Austrittsöffnung (25) zu bilden.
7. Das Durchlauferhitzersystem (100) aus Anspruch 6, wobei in jeder Kammer (22, 23, 24), mit Ausnahme der untersten Kammer (21), in der sich die Triacs befinden, ein Heizelement (52, 53, 54) angeordnet ist.
8. Das Durchlauferhitzersystem (100) aus Anspruch 7, wobei es sich bei den Kammern (21, 22, 23, 24) um in einer einzigen Reihe oder mehreren Reihen übereinander angeordnete rechteckige Stahlrohre handelt, wobei die Eintrittsöffnung unten am Stack und die Austrittsöffnung oben am Stack angeordnet ist.
9. Verfahren zum Betrieb eines Durchlauferhitzersystems (100), mindestens umfassend - eine Wärmeaustauschervorrichtung (20) mit einer Hohlkammer (21, 22, 23, 24) und mindestens einem elektrischen Heizelement (52, 53, 54), ein Ausgangstemperatursensor (27) und ein Durchflusssensor (29); - ein Regelgerät (30) und - ein elektrisches Schaltelement (41, 42, 43) zum Anschließen beziehungsweise Abtrennen des Heizelements (52, 53, 54) von der / an die Stromversorgung; wobei das Verfahren Folgendes umfasst: - Überprüfung, ob Wasser fließt, durch Überwachung des Durchsatzes V mit dem Durchflusssensor (29) und Überprüfung der Wassertemperatur T durch Überwachung des Austrittstemperatursensors (27), um zu sehen, ob der Wasserdurchsatz V über einem Entnahmeschwellenwert Vo und die Wassertemperatur T unter einer Solltemperatur Tiliegt; - Prüfen der Temperatur der Wärmeaustauschervorrichtung (20) mittels Nutzung der Temperaturangabe vom Austrittswassertemperatursensor (27) mit Einstellung einer Verzögerungszeit Δt auf eine kurze Standardverzögerungszeit, wenn der Wärmetauscher kalt ist; - wenn die Wärmeaustauschervorrichtung (20) kalt ist, dann Prüfen des Systems auf einen vorherigen Inaktivitätszeitraum Ato_FF, in dem der Strom unterbrochen ist und keine Aufheizung erfolgt; Rücksetzen der Verzögerungszeit Δt auf die kurze Standardverzögerungszeit Δt, wenn Inaktivitätszeitraum Δt_OFF länger als ein voreingestellter Stillstandszeitwert gedauert hat oder Einstellung einer langen Verzögerungszeit Δt, die für jeden Fall von Inaktivität verlängert wird; - Erwärmung des Wassers in der Wärmeaustauschervorrichtung (20) durch Aktivierung von mindestens einem der Heizelemente (52, 53, 54) nach Ablauf der Verzögerungszeit Δt und - Durchführen der Wassererwärmung mit fortlaufender Temperaturregelung bis zur Unterbrechung des Stroms.
10. Das Verfahren aus Anspruch 9, wobei die kurze Standard-Verzögerungszeit mindestens Δt = 1 s beträgt.
11. Das Verfahren aus Anspruch 10, wobei die lange Verzögerungszeit auf mindestens Δt = 5 s eingestellt ist.
12. Das Verfahren aus Anspruch 11, wobei die lange Verzögerungszeit Δt für jeden Fall von Inaktivität um 5 s erhöht wird.
13. Das Verfahren aus Anspruch 12, wobei die Inaktivitätszeit Δt_OFF auf mindestens 5 Minuten eingestellt ist.

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