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Die
Erfindung betrifft einen Wassererwärmer mit einem als Flüssigkeitsspeicher
ausgebildeten Behälter,
mit einer Zufuhreinrichtung für
kalte oder abgekühlte
Flüssigkeit,
mit einer Abzapfeinrichtung für heiße oder
erwärmte
Flüssigkeit,
wobei die Flüssigkeit
in dem Behälter
geschichtet vorliegt, mit einer Einrichtung zur Wärmezufuhr
in dem Behälter.
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Wassererwärmer werden
heutzutage beispielsweise im Zusammenhang mit Trinkwasserspeichern
oder Heizungspufferspeichern eingesetzt. Mit verschiedenen Maßnahmen
wird eine Erwärmung der
im Wasserspeicher enthaltenen Flüssigkeit
vorgenommen, beispielsweise durch integrierte Heizkesseleinsätze, durch
die Zufuhr von Wärmeenergie aus
Solaranlagen und aus anderen Quellen.
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Dabei
ist schon vorgeschlagen worden, Wärmepumpen zur Beheizung dieser
Wasserspeicher einzusetzen. Als Wärmetauscher kommen einteilige Rohrbündelwärmetauscher
oder auch Plattenwärmetauscher
in Betracht, die als Kondensator ausgebildet sind und so die Wärme in die
Flüssigkeit
im Speicher abgeben.
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Die
Wassererwärmer
sind zunehmend mit sogenannten Schichtenladern ausgestattet und
weisen in ihrem Inneren entsprechend geschichtete Flüssigkeit
auf, wie dies beispielsweise in der
EP 0 384 423 B1 und der
EP 0 795 109 B1 vorgeschlagen sind.
Dies bedeutet, dass aufgrund der physikalischen Eigenschaften der
Flüssigkeit
im Wasserspeicher (im Wesentlichen Wasser) die wärmsten Schichten oben und die
kältesten
Schichten unten angeordnet sind, und jede Vermischung möglichst
vermieden wird. Dies ist energetisch sehr günstig und führt dazu, dass gezielt heißes Wasser
jederzeit oben abgezapft werden kann, wenn dies gewünscht wird.
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Sinnvoll
ist es nun natürlich,
dass dabei die entsprechende Wärme
auch jeweils in die Schicht eingegeben wird, die der Temperatur
entspricht, um eine weitere thermische Vermischung zu vermeiden. Aus
diesem Grunde sind etwa Heizkesseleinsätze im obersten Bereich eines
solchen Wasserspeichers angeordnet und Solaranlagen führen ihre
Wärmeenergie über die
sogenannten Schichtenlader im unteren Bereich zu, bei denen die
Energie in Solarkollektoren in Form von erwärmten Wasser an der zweckmäßigsten
und temperaturmüßig passende
Stelle aus dem Schichtenlader austritt.
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Vorstehend
wie im Folgenden ist noch zu beachten, dass der Begriff „Wassererwärmer" ebenso wie „Wasserspeicher" nicht zu eng betrachtet
werden sollte. In den betreffenden Speichern befindet sich eine
Flüssigkeit,
die meistens überwiegend
aus Wasser besteht, aber durchaus mit anderen Flüssigkeiten gemischt sein kann
oder Zusätze
enthält,
beispielsweise Frostschutzmittel, Entkalkungsmittel oder dergleichen.
Die in dem Wassererwärmer
erwärmte Flüssigkeit
stellt in vielen Fällen
nicht das Trinkwasser selbst dar sondern wird außerhalb des Wassererwärmers dann
beispielsweise in Wärmetauschern zur
Erhitzung von Trinkwasser genutzt.
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Hier
interessiert jedoch die Aufheizung bzw. Erwärmung der Flüssigkeit
in dem Wasserspeicher bzw. dem Behälter, der den Wasserspeicher
bildet. Heizkesseleinsätze
im obersten Bereich des Speichers erwärmen die sie umgebende Flüssigkeit,
in dem sie über
ihre Außenhaut
die im Inneren erzeugte Wärme
an die Flüssigkeit
abgeben. Man kann dies physikalisch auch noch als Wärmetausch
ansehen. Solaranlagen führen
die Wärmeenergie
anders als diese Heizkesselansätze
wie erwähnt
dadurch zu, dass ein Materialaustausch stattfindet, dass nämlich kalte
Flüssigkeit
aus dem Speicher abgesaugt und durch den Solarkollektoren erwärmte ersetzt
wird.
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Eine
weitere Wärmezufuhr
ist aber denkbar, beispielsweise könnte die Wärme mit einer Wärmepumpe
von so genannten Erdabsorbern zugeführt werden oder auch die aus
so genannten Abluftwärmetauschern.
Entsprechend sollte auch für
diese zusätzliche
Wärmeeinkopplung
eine optimale Position gefunden werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Wassererwärmer vorzuschlagen,
der für
die Einspeicherung der zusätzlichen
Wärme eine brauchbare
Möglichkeit
bietet.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Einrichtung zur Wärmezufuhr
zwei von einem Primärfluid
durchströmte
Wärmetauscher
aufweist, dass die beiden Wärmetauscher
in unterschiedlichen Höhen im
Behälter
angeordnet sind, also in verschiedenen Schichten der zu erwärmenden
Flüssigkeit
liegen, dass die beiden Wärmetauscher
in Reihe geschaltet sind und das gleiche Primärfluid sequenziell die beiden
Wärmetauscher
durchströmt,
und dass das Primärfluid
den höher
im Behälter
angeordneten Wärmetauscher
zuerst durchströmt.
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Durch
die Aufteilung der Wärmeübergabe
in zwei unterschiedliche Wärmetauscher
wird es möglich,
noch gezielter eine Art Gegenstrom-Wärmeaustausch zu erreichen,
die besonders effektiv für
die Wärmeeinkopplung
in dem Speicher ist. Das im Wärmetauscher
strömende
Primärfluid
ist beispielsweise komprimiertes Gas aus einem Abluftwärmetauscher. Dieses
Primärfluid
tauscht jetzt seine Wärme
mit dem Sekundärfluid,
das in diesem Falle von der Flüssigkeit
im Wasserspeicher gebildet wird, das aus den beiden Wärmetauschern
bestehende Wärmepumpenmodul
umgibt.
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Das
Heizgas (Primärfluid)
ist bei seinem Eintritt, also wo es durch den ersten Wärmetauscher strömt, besonders
heiß.
Dies gilt ganz besonders dann, wenn die Kondensation noch nicht
stattgefunden hat. Dieser Wärmetauscher
kann also zweckmäßig im oberen
Bereich mit bereits heißeren
Flüssigkeitsschichten
im Speicher angeordnet werden.
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Nachdem
das Primärfluid
einen Teil seiner Wärme
bereits abgegeben hat und teilweise abgekühlt und möglicherweise auch kondensiert
ist, strömt
es durch den zweiten Wärmetauscher.
Dieser wird weiter unten im Wasserspeicher angeordnet. Für diesen
Bereich kann das Primärfluid
nach wie vor effektiv Wärme
beisteuern und dort an die nur mäßig warmen
umgebenden Schichten abgeben.
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Durch
diese Zweiteilung wird also eine zweistufige, mehrfache Wärmeübertragung
mit jeweils relativ großer
Effektivität
möglich.
Bekanntlich ist die Effektivität
eines Wärmetauschers
dann besonders groß,
wenn die Temperaturunterschiede von Primärfluid und Sekundärfluid gering
sind. Genau dies wird hier gleich in allen Stufen erreicht.
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Denkbar,
allerdings konstruktiv natürlich
aufwendig ist auch eine Anordnung, bei der ein dritter und möglicherweise
weitere Wärmetauscher
ebenfalls noch in Reihe geschaltet innerhalb des Speichers in verschiedenen
Höhenstufen
angeordnet sind. Eine Aufteilung in zwei Wärmetauscher hat sich in Versuchen
aber als günstigste
Lösung
im Hinblick auf konstruktiven Aufwand einerseits und Effektivität der Wärmeübertragung
andererseits herausgestellt.
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Bei
dieser zweistufigen Trennung ist es dann besonders bevorzugt, wenn
der erste obere der beiden Wärmetauscher
als Heizgasenthitzer ausgebildet ist. Dies gilt insbesondere dann,
wenn der zweite untere der beiden in Reihe geschalteten Wärmetauscher
so aufgebaut ist, dass er von dem als Primärfluid strömenden Heizgas nach dessen
Kondensation durchströmt
wird.
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Auf
diese Weise wird es möglich,
die höhere Heizgastemperatur
im Wärmetauscher
vor der Kondensationsphase im Kondensator getrennt auszukoppeln
und für
die Aufheizung des oberen Speichersegments zu nutzen. Vor der Kondensation
ist die gewinnbare Temperatur besonders hoch, so dass hier eine
Anordnung im obersten Bereich beziehungsweise im obersten Segment
des Speichers sinnvoll und möglich
ist.
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Nachdem
diese Wärme
ausgekoppelt ist, kann das Heizgas als Primärmedium des Wärmetauschers über den
unteren Teil des Wärmetauschers erneut
zum Auskoppeln genutzt werden. Hier kann die Wärme des Hauptkondensators je
nach Bedarf ohne Vermischungsverluste mit einem Schichtenlader in
den unteren Heizungspufferbereich mit mittleren Temperaturen von
beispielsweise 30 °C
bis 50 °C eingekoppelt
werden, die je nach der enthaltenen Wärmemenge und auch nach der
Wärmeverteilung innerhalb
des Speichers aber auch in den höheren Bereich
ragen kann.
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Dadurch
wird es auch möglich, über unterschiedliche
Ansaughöhen
aus dem Speicher unterschiedliche Beladegrade des gesamten Speichers
zu steuern.
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So
kann bei kälterer
Witterung, etwa im Winter, der mittlere Heizungspufferbereich bis
zum Speicherboden gewählt
werden. In der Übergangszeit
bei einem verringerten Heizwärmebedarf
kann dieser Pufferbereich beispielsweise nur 10 % des gesamten Speichervolumens
betragen.
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Entsprechend
kann auch der Speicherbedarf für
zusätzliche
Wärmequellen
wie beispielsweise eine Solaranlage oder ein Holzheizkessel witterungsabhängig optimiert
werden.
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Im
Folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
im Einzelnen erläutert.
Es zeigen:
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1 einen schematischen Schnitt
durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Wasserspeichers.
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Der
in der 1 dargestellte
Wassererwärmer
besitzt einen Speicher bzw. Behälter 10 mit
einer im Wesentlichen zylindrischen Wandung 11. Die Höhe der Wandung 11 ist
größer als
der Zylinderdurchmesser. Die zylindrische Wandung 11 ist
unten mit einem Boden 12 und oben mit einer Abdeckung 13 abgeschlossen.
Die Wandung 11 ist im Betrieb zusätzlich mit einer Isolierung 14 vollständig umgeben, deren
Wärmedämmung so
ausgelegt ist, dass die Wärmeverluste
des Speichers bzw. Behälters 10 möglichst
gering sind.
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In
dem Behälter 10 befindet
sich Flüssigkeit 15.
Diese Flüssigkeit
ist im Regelfall Wasser, gegebenenfalls mit Zusätzen, wie beispielsweise Frostschutzmitteln
oder Entkalkungsmitteln. Auch andere Flüssigkeitszusätze und
-Bestandteile sind möglich. Die
Flüssigkeit
liegt in dem Behälter
bzw. Speicher 10 geschichtet vor. Das bedeutet, die Temperatur
steigt von unten nach oben an, Verwirbelungen und Konvektionsströmungen sollten
minimal sein. Kalte Flüssigkeit
wird schon aus diesem Grunde unten zugeführt und heiße oben abgezapft. Die entsprechenden Einrichtungen
hierfür
sind nicht dargestellt.
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Um
eine Erwärmung
vorzunehmen, ist ein Heizkesseleinsatz 31 (nicht dargestellt)
mit etwa einem Brenner vorgesehen, die beiden an einem Heizkesselflansch 30 angeordnet
sind. Dieser Heizkesselflansch 30 ermöglicht ein leichteres Montieren
und Demontieren für
Wartungs- und Reparaturzwecke für den
Heizkesseleinsatz 31.
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Alternativ
zu einem Heizkesseleinsatz 31, insbesondere aber zusätzlich zu
einem solchen ist nun ein Wärmepumpenmodul 50 vorgesehen.
Das Wärmepumpenmodul 50 führt aus
einer externen Quelle Wärmeenergie
zu, und zwar in Form eines Primärfluides 55,
das durch eine Leitung 54 strömt. Dieses Primärfluid 55 kann
beispielsweise von einem Erdwärmeabsorber
oder einem Abluftwärmetauscher kommen,
der in der 1 symbolisch
als externe Wärmequelle 53 eingezeichnet
ist.
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Das
Primärfluid 55 durchläuft also
das Wärmepumpenmodul,
gibt in noch unten näher
beschriebener Form seine Wärmeenergie
an die umgebende Flüssigkeit 15 im
Speicher 10 ab und kehrt dann abgekühlt zu der externen Wärmequelle 53 zurück.
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Das
Wärmepumpenmodul 50 ist
hier in einen ersten Wärmetauscher 51 und
einen zweiten Wärmetauscher 52 untergliedert.
Die beiden Wärmetauscher 51, 52 sind
sequenziell hintereinander geschaltet, werden also nacheinander
vom Primärfluid 55 durchlaufen.
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Dabei
ist besonders auffallend, dass die beiden Wärmetauscher 51, 52 in
unterschiedlicher Höhe in
der Flüssigkeit 15 im
Behälter 10 angeordnet
sind. Diese Anordnung ist so, dass der zuerst vom Primärfluid 55 durchlaufene
erste Wärmetauscher 51 sehr weit
oben im Behälter 10 angeordnet
ist, während
der erst anschließend
durchlaufene zweite Wärmetauscher 52 mit
Abstand zum ersten Wärmetauscher 51 weiter
unten im Speicher 10 in einer tieferen Schicht der Flüssigkeit 15 angeordnet
ist.
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Dies
führt nun
dazu, dass das zunächst
mit seiner vollen Wärmeenergie
beladenen Primärfluid 55 in
den ersten Wärmetauscher 51 eintritt,
der sich in einer bereits relativ heißen Flüssigkeitsumgebung im Speicher 10 befindet.
Das gleichwohl aber noch heißere
Primärfluid 55 gibt
nun hier seine Wärmeenergie
ab, kühlt
dabei etwas aus und verlässt
wieder den Speicher 10.
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In
diesem Bereich kann in einer bevorzugten Ausführungsform nun die Kondensation
auf Grund der Abkühlung
erfolgen.
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Anschließend betritt
das Primärfluid 55 den zweiten
Wärmetauscher 52 im
Speicher 10 und durchläuft
diesen. Zwar ist das Primärfluid 55 jetzt deutlich
ab gekühlt
und führt
wesentlich weniger Wärmeenergie
mit sich, ist aber hier wiederum wärmer als die umgebende Flüssigkeit 15 in
dieser tieferliegenden Schicht im Speicher 10.
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Auch
hier erfolgt nun also ein Wärmeübergang
der noch vorhandenen Wärmeenergie
in die umgebende Flüssigkeit 15,
die auf diese Weise aufgewärmt
wird.
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Danach
verlässt
das Primärfluid 55 wieder den
Wärmetauscher 52 und
kehrt wie erwähnt
zurück zur
externen Wärmequelle 53.
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Insgesamt
ergibt sich so zweimal eine effektive Übergabe von Wärmeenergie
aus dem Primärfluid 55 in
die Flüssigkeit 15 im
Speicher 10.
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In
der Darstellung in 1 ist
noch zusätzlich
ein Hüllrohr 58 zu
erkennen. Dieses liegt geringfügig
gegenüber
der Horizontalen geneigt im Speicher 10 und umgibt den
zweiten Wärmetauscher 52. Dabei
befindet sich Flüssigkeit 15 im
Hüllrohr 58.
Der Darstellung ist zu entnehmen, dass die Flüssigkeit im Hüllrohr 58 von
außen über eine
zusätzliche
Leitung 60 mit einem Ventil 61 zugeführt werden
kann.
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Der
Grund für
diese Abschirmung besteht darin, dass auf Grund der möglicherweise
nicht exakt vorherzusehenden zuzuführenden Wärmeenergie über das Primärfluid
55 nicht
exakt vorhergesehen werden kann, wie groß die Wärme ist, die im zweiten Wärmetauscher
52 tatsächlich an
die umgebende Flüssigkeit
15 abgegeben
werden kann. Hier sollte nochmals berücksichtigt werden, dass nach
Möglichkeit
jede Form einer Vermischung oder Konvektionsanregung im Speicher
10 vermieden
werden sollte. Durch die so gesteuerte Erwärmung der Flüssigkeit
15 in
einem abgegrenzten Raum innerhalb des Hüllrohrs
58 kann nun
an dessen Ende ein Schichtenlader
59 angeordnet werden. Über diesen
Schichtenlader
59 kann die durch den zweiten Wärmetauscher
52 erwärmte Flüssigkeit
15 nun
aufsteigen und diesen Schichtenlader
59 in derjenigen Höhenlage
verlassen, die der erreichten Temperatur der Flüssigkeit
15 innerhalb
des Schichtenladers
59 entspricht. Hierfür können Konzeptionen
wie beispielsweise in der
EP
0 384 423 B1 mit Nutzen eingesetzt werden. Der Schichtenlader
59 in
der
1 zeigt hier beispielhaft eine
mögliche
Klappe, durch die die erwärmte
Flüssigkeit
15 dann
in die Umgebung im Speicher
10 austreten kann.
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Dies
fördert
zugleich natürlich
die optimale Einkopplung der Wärmeenergie
aus der externen Wärmequelle 53 in
die Flüssigkeit 15 im
Speicher 10 des Wassererwärmers.
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- 10
- Speicher
bzw. Behälter
- 11
- zylindrische
Wandung des Speicher
- 12
- Boden
- 13
- Abdeckung
- 14
- Isolierung
- 15
- Flüssigkeit
im Speicher
- 30
- Heizkesselflansch
- 31
- Heizkesseleinsatz
- 50
- Wärmepumpenmodul
- 51
- erster
Wärmetauscher
- 52
- zweiter
Wärmetauscher
- 53
- externe
Wärmequelle
- 54
- Leitung
- 55
- Primärfluid in
den Wärmetauschern
- 58
- Hüllrohr
- 59
- Schichtenlader
- 60
- Leitung
- 61
- Ventil