DE10341523A1 - Warm water provider, in particular, for aircraft comprises a water pipe passing through an insulated tank with a heat storage medium, an electric heater, and a temperature sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Warmwasserbereiter für Fahrzeuge, insbesondere für Luftfahrzeuge, unter Verwendung eines elektrischen Heizelements und eines thermischen Isolationsbehälters, insbesondere für Anwendungen, bei denen der Warmwasserbereitung enge Grenzen bezüglich Energieaufnahme und Wasserbevorratung gesetzt sind.The The invention relates to a water heater for vehicles, in particular for aircraft, under Use of an electric heating element and a thermal Insulation container, especially for Applications in which the hot water preparation narrow limits on energy consumption and water storage are set.
Zur Warmwasserbereitung werden herkömmlich im stationären Betrieb Boiler bzw. Durchlauferhitzer verwendet, die für ihren hohen Energie- und Platzbedarf oder – bei geringem Volumen- und Energieaufwand – für unzureichend konstante Warmwassertemperaturen bekannt sind. Solche Arten von Warmwasserheizern sind für mobile Anwendungen (z.B. für Kraftfahrzeugtechnik oder Luftfahrt) schon deshalb ungeeignet, da dort nur geringe elektrische Leistungen (wenige hundert Watt) zur Verfügung stehen und die Warmwasserbereiter kompakt und frostsicher sein sollen sowie hohen Sicherheitsstandards entsprechen müssen.to Water heating become conventional in the stationary Operation boilers or water heaters used for their high energy and space requirements or - with low volume and energy consumption - insufficient constant hot water temperatures are known. Such types of hot water heaters are for mobile applications (e.g. Automotive technology or aviation) already therefore unsuitable because there only low electrical power (a few hundred watts) to disposal stand and the water heaters should be compact and frost-proof and high safety standards.
In den Flugzeugen sind beispielsweise Heißwasserboiler der Firma Goodrich im Einsatz, die als Durchlauferhitzer beschrieben werden. Soweit man der Goodrich-Internetseite entnehmen kann, hat der Boiler ein Fassungsvermögen von lediglich 1,5 l, so dass der Warmwasservorrat sehr schnell erschöpft sein dürfte bzw. durch nachströmendes Kaltwasser schon vor Entnahme der angegebenen Nennwassermenge die Temperatur erheblich absinkt.In The aircraft are, for example, hot water boiler Goodrich in use, which are described as a water heater. So far one of the Goodrich website can take, the boiler has a capacity of only 1.5 l, so that the hot water supply should be exhausted very quickly or by inflowing cold water already before removing the specified nominal amount of water, the temperature considerably decreases.
In der Patentanmeldung US 2003/0021597 A1 ist ein Wasserheizer für Luftfahrtanwendungen beschrieben, der drei dicht nebeneinander angeordnete parallele Heizröhren mit Widerstandheizelementen enthält, wobei die Heizröhren separat an eine 3-Phasen-Energieversorgung angeschlossen und bezüglich des Wasserdurchflusses in Reihe miteinander verbunden sind. Der Wasserheizer verfügt in jeder Heizröhre über einen Temperatursensor, der bei Erreichen einer Grenztemperatur den Strom abschaltet. In einer Vorzugsvariante ist für die Energiezuschaltung ein Strömungssensor vorgesehen, so dass die Heizung in den Röhren bei Wasserentnahme bereits dann wieder eingeschaltet wird, wenn die Temperatursensoren noch keinen Bedarf anzeigen. Nachteilig ist der doch immense Aufwand für die Energieversorgung (Dreiphasenstromkreis), die nicht erkennbar konstant gehaltene Wassertemperatur für den Fall, dass die entnommene Wassermenge das Röhrenvolumen übersteigt, sowie die Energiespitzenbelastung im Entnahmezeitraum.In Patent application US 2003/0021597 A1 describes a water heater for aviation applications, the three closely spaced parallel heating tubes with Contains resistance heating elements, the heating tubes separately connected to a 3-phase power supply and with respect to the Water flow are connected in series. The water heater has in each heating tube over one Temperature sensor, the current when reaching a limit temperature off. In a preferred variant is for the energy flow sensor provided so that the heater in the tubes at water extraction already then turn on again when the temperature sensors are still on show no need. The disadvantage is the immense effort for the Power supply (three-phase circuit), which is not recognizable constant kept water temperature for the Case that the amount of water removed exceeds the tube volume, as well as the energy peak load in the withdrawal period.
Die Patentanmeldung US 2003/0012564 A1 offenbart einen Wasserheizer für Flugzeuge, der einen eingebauten Schwimmerschalter zur Verhinderung der Stromzuschaltung, falls kein Wasser im Tank ist, sowie einen zwischen 41°C und 85°C einstellbaren Thermostat aufweist. Mit einem Tank aus Polypropylen wird dessen Frostbeständigkeit erreicht. Der Wasserheizer basiert auf dem Boilerprinzip, indem ein druckfreier Tank auf der mit dem Thermostat vorgewählten Temperatur gehalten und bei Wasserentnahme das Kaltwasser mittels Steuerung über den Schwimmerschalter nachgefüllt wird.The Patent Application US 2003/0012564 A1 discloses a water heater for aircraft, a built-in float switch to prevent power on, if there is no water in the tank and a temperature adjustable between 41 ° C and 85 ° C Thermostat has. With a tank made of polypropylene is the Frost resistance reached. The water heater is based on the boiler principle by a pressure-free tank at the temperature preselected by the thermostat held and the cold water by means of control over the Float switch refilled becomes.
Nachteilig ist hierbei, dass das bereitgehaltene Wasservolumen im Tank begrenzt ist und durch das nachströmende kalte Wasser die vorgewählte Temperatur nicht gehalten werden kann oder bei größerem Volumen des Tanks die Leistungsaufnahme entsprechend höher sein muss, um das größere Volumen auf dem vorgewählten Temperaturniveau zu halten.adversely Here is that the kept water volume in the tank limited is and by the inflowing cold water the selected temperature can not be held or with larger volume of the tank Power consumption correspondingly higher must be to the larger volume on the selected one Keep temperature level.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Warmwasserbereitung in Fahrzeugen, insbesondere in Flugzeugen, zu finden, die bei geringem Raumbedarf eine Wassererwärmung mit geringer Leistungsaufnahme gestattet, ohne dass die entnehmbare Wassermenge auf ein gespeichertes Tankvolumen beschränkt ist.Of the Invention is based on the object, a new way for water heating in vehicles, in particular in aircraft, to find that in a small space with a water heating low power consumption without allowing the removable Amount of water is limited to a stored tank volume.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Warmwasserbereiter für Fahrzeuge, insbesondere für Luftfahrzeuge, bei dem ein elektrisches Heizelement in einem thermischen Isolationsbehälter angeordnet ist und in den Isolationsbehälter ein erstes Rohrende für die Kaltwasserzufuhr und ein zweites Rohrende für den Warmwasseraustritt eingeleitet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsbehälter mit einem flüssigen Wärmespeichermedium gefüllt ist, dass zwischen dem ersten Rohrende und dem zweiten Rohrende ein wasserdichtes Rohr zum Durchfluss des zu erwärmenden Wassers durch das flüssige Wärmespeichermedium vorhanden ist, wobei das Rohr eine große relative Oberfläche innerhalb des Wärmespeichermediums zur Erreichung schneller Enthalpieübergänge aufweist, und dass das elektrische Heizelement sowohl mit dem wasserführenden Rohr als auch mit dem Wärmespeichermedium in thermischem Kontakt steht, wobei eine Steuereinheit zur Regelung des Leistung des Heizelements in Abhängigkeit von mindestens einem Temperatursensor, der die Temperatur des Wärmespeichermediums erfasst, vorhanden ist.According to the invention Task with a water heater for vehicles, in particular for aircraft, in which an electric heating element is arranged in a thermal insulation container is and in the isolation tank a first pipe end for the cold water supply and a second pipe end for the hot water outlet are initiated, characterized in that the insulation container is filled with a liquid heat storage medium, that between the first pipe end and the second pipe end a waterproof Pipe to the flow of the heated Water through the liquid Heat storage medium is present, the tube has a large relative surface inside the heat storage medium to achieve faster enthalpy transitions, and that the electric heating element with both the water-carrying pipe and with the Heat storage medium is in thermal contact with a control unit for regulation the power of the heating element as a function of at least one Temperature sensor that detects the temperature of the heat storage medium, is available.
Vorteilhaft wird als Wärmespeichermedium ein synthetisches Öl, vorzugsweise ein synthetisches Mineralöl oder Silikonöl verwendet.Advantageous is used as a heat storage medium synthetic oil, preferably a synthetic mineral oil or silicone oil is used.
Wegen der meist geforderten physiologischen Unbedenklichkeit für das zu erwärmende Nutzwasser (häufig Trinkwasser) besteht das Rohr zweckmäßig aus Edelstahl.Because of the most required physiological safety for the to be heated Useful water (often drinking water) is the pipe expediently made of stainless steel.
Das Rohr ist vorteilhaft in einer solchen Geometrie durch den Isolationsbehälter geführt, dass das erste Rohrende für die Kaltwasserzufuhr unterhalb und das zweite Rohrende für den Warmwasseraustritt oberhalb jedes den Isolationsbehälter durchquerenden Abschnitts oder Teils des Rohres angeordnet ist, so dass bei Be- bzw. Entlüftung des Rohres an den beiden Rohrenden das im Rohr befindliche Wasser selbständig (bis auf geringe Reste) ablaufen kann. Diese Restmenge darf nur so groß sein, dass bei mehrfachem Einfrieren und Auftauen des Wasserrestes keine mechanische Beschädigung des Rohres auftritt (Frostsicherheit des Warmwasserbereiters).The Pipe is advantageously performed in such a geometry through the insulation container, that the first pipe end for the cold water supply below and the second pipe end for the hot water outlet above each the isolation tank transverse section or part of the tube is arranged, so that when loading or vent of the pipe at the two pipe ends the water in the pipe independent (except for small residues) can proceed. This residual quantity may only be that big that with multiple freezing and thawing of the water residue no mechanical damage of the pipe occurs (frost protection of the water heater).
Es erweist sich insbesondere für den Betriebszustand des wasserdurchströmten Rohres (d.h. der Warmwasserentnahme) als günstig, dass zwischen mindestens einem im Wärmespeichermedium befindlichen linearen Abschnitt des Rohres und dem Heizelement eine massive Wärmebrücke hoher thermischer Leitfähigkeit zur Erhöhung des direkten Enthalpieübergangs vom Heizelement auf das im Rohr befindliche Wasser angeordnet ist. Das Material der Wärmebrücke sollte dabei eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 100 Watt pro Meter und Kelvin aufweisen. Deshalb kommen als Wärmebrücke zweckmäßig Materialien, wie Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen zum Einsatz.It proves especially for the operating condition of the water-flow pipe (i.e. as cheap, that between at least one located in the heat storage medium linear section of the tube and the heating element a massive thermal bridge high thermal conductivity to increase of the direct enthalpy transition is arranged by the heating element on the water in the pipe. The material of the thermal bridge should while a thermal conductivity of at least 100 watts per meter and Kelvin. That's why come as thermal bridge appropriate materials, such as copper, aluminum or their alloys used.
Die Wärmebrücke ist vorzugsweise als eine massive Lochplatte ausgebildet, wobei die Lochplatte mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme des Heizelements und mindestens eines linearen Abschnitts des Rohres aufweist. Dazu wird die Lochplatte zweckmäßig aus einem dicht gepressten Aluminiumprofil gefertigt.The Thermal bridge is preferably formed as a solid perforated plate, wherein the Perforated plate a plurality of recesses for receiving the heating element and has at least one linear portion of the tube. This will be the perforated plate appropriate made of a densely pressed aluminum profile.
Es erweist sich als eine vorteilhafte Gestaltung, wenn das Rohr als mehrfach u-förmig gebogenes Rohr ausgebildet ist, wobei wenigstens ein vertikaler U-Bogen, bestehend aus zwei linearen Abschnitten und einem gekrümmten Teil, im Wärmespeichermedium eingetaucht ist und ein weiterer gekrümmter Teil des Rohres über den Rand des topfförmigen Isolierbehälters geführt und mit dem ersten Rohrende unterhalb des Bodens des Isolierbehälters verbunden ist.It proves to be an advantageous design when the pipe as multiple U-shaped bent tube is formed, wherein at least one vertical U-bend, consisting of two linear sections and a curved section, in the heat storage medium is immersed and another curved part of the tube over the Edge of the cup-shaped thermos guided and connected to the first pipe end below the bottom of the insulating container is.
In einer weiteren zweckmäßigen Gestaltung weist das Rohr innerhalb des Wärmespeichermediums eine Oberflächenerweiterung zur Vergrößerung der zum Enthalpieübergang vorhandenen Oberfläche auf. Dazu kann die Oberflächenerweiterung vorteilhaft als eine Rohrwendel in der Art eines Wärmetauschers oder als eine abschnittsweise Rohrerweiterung zur Aufnahme eines beschränkten Wasservorrats innerhalb des Wärmespeichermediums ausgeführt sein. Dabei soll das Volumen innerhalb der Rohrerweiterung weniger als ein Liter, vorzugsweise weniger als ein Dreiviertelliter Wasservorrat enthalten. Die Rohrerweiterung kann zur Vergrößerung der Oberfläche im Wärmespeichermedium als n-eckige prismenförmige oder als zylindrische Erweiterung des Rohrquerschnitts ausgeführt ist.In another expedient design the tube inside the heat storage medium a surface extension to enlarge the to the enthalpy transition existing surface on. This can be the surface extension advantageous as a coiled tubing in the manner of a heat exchanger or as a section-wise pipe extension for receiving a limited Water supply within the heat storage medium accomplished be. The volume within the pipe extension should be less as a liter, preferably less than three quarters of a liter of water contain. The tube extension can be used to increase the surface area in the heat storage medium as an n-shaped prism-shaped or is designed as a cylindrical extension of the pipe cross-section.
In einer vorteilhaften Variante des Warmwasserbereiters ist entlang der Rohrwendel ein Widerstandsheizelement so angebracht, dass ein direkter thermischer Kontakt des Heizelements zum Rohr und zum Wärmespeichermedium besteht.In an advantageous variant of the water heater is along the coiled tubing a resistance heating element mounted so that a direct thermal contact of the heating element to the tube and to the heat storage medium consists.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht als Oberflächenerweiterung zweckmäßig eine Schlauchwendel mit integrierter Widerstandsheizung vor, so dass ein direkter thermischer Kontakt des Heizelements zu dem im Rohr geführten Nutzwasser und zum Wärmespeichermedium besteht.A Further embodiment of the invention provides as a surface extension expedient a hose coil with integrated resistance heating in front, allowing a more direct thermal Contact of the heating element to the water fed in the pipe and to the heat storage medium consists.
Zur Verbesserung des direkten Enthalpieübergangs sind Heizelement und Oberflächenerweiterung des Rohres in einer massiven Wärmebrücke angeordnet sind, wobei die Wärmebrücke als eine Lochplatte ausgebildet ist und Heizelement und Oberflächenerweiterung in unterschiedliche zylindrische Ausnehmungen der Lochplatte eingepasst sind.to Improvement of the direct enthalpy transition are heating element and surface extension of the tube arranged in a massive thermal bridge are, with the thermal bridge as a perforated plate is formed and heating element and surface extension fitted in different cylindrical recesses of the perforated plate are.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsvariante kann die Oberflächenerweiterung des Rohres aus einer Kombination von innerhalb des Wärmespeichermediums aufeinanderfolgend angeordneter Rohrwendel und zylindrischer Rohrerweiterung bestehen. Dabei ist es wiederum von Vorteil, wenn mindestens die zylindrische Rohrerweiterung zusammen mit der Heizelement in einer massiven Wärmebrücke angeordnet ist, wobei Heizelement und Rohrerweiterung in unterschiedliche zylindrische Ausnehmungen der Wärmebrücke eingepasst sind.In a further advantageous embodiment can the surface extension of the tube from a combination of within the heat storage medium successively arranged coiled tube and cylindrical tube extension consist. It is again advantageous if at least the cylindrical pipe extension together with the heating element in one massive thermal bridge arranged is, wherein heating element and tube extension into different cylindrical recesses the thermal bridge fitted are.
Die zur Heizelementsteuerung vorgesehene Steuereinheit steht zusätzlich zu dem im Wärmespeichermedium angeordneten Temperatursensor zweckmäßig mit weiteren Temperatur- und/oder Sicherheitsschaltern in Verbindung und weist einen Mikrocontroller zur optimalen Steuerung und Regelung des abgegebenen Warmwassers auf. Dabei sind zusätzliche Sicherheitsschalter, die als Grenzwertschalter ausgelegt sind, vorteilhaft in der Steuereinheit direkt mit Mitteln zur Unterbrechung der Stromversorgung des Heizelements verbunden oder dienen vor allem der Redundanz der Temperaturüberwachung im Wärmspeichermedium und am Warmwasseraustritt (zweites Rohrende) und der Übertemperaturabschaltung sowie einer Füllstandsüberwachung des Wärmespeichermediums.The provided for heating element control unit is in addition to in the heat storage medium arranged temperature sensor expediently with further temperature and / or safety switches in conjunction and has a microcontroller for optimum control and regulation of the discharged hot water on. There are additional Safety switch, which are designed as a limit switch advantageous in the control unit directly with means for interrupting the power supply connected to the heating element or serve mainly the redundancy of temperature monitoring in the heat storage medium and at the hot water outlet (second pipe end) and the overtemperature shutdown as well as a fill level monitoring the heat storage medium.
Die Steuereinheit kann vorteilhaft auch mit einer für das Nutzwasserentnahme vorhandenen Entnahmeeinheit ein Verbindung stehen, wobei der Mikrocontroller über eine Schnittstelle mit der Entnahmeeinheit zur Übernahme der Kontroll- und Masterfunktion für alle in der Entnahmeeinheit enthaltenen elektronisch gesteuerten Komponenten verbunden ist.The control unit can also be advantageous with an extraction unit for the extraction of useful water is a connection, wherein the microcontroller is connected via an interface with the extraction unit to take over the control and master function for all contained in the extraction unit electronically controlled components.
Mit der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, eine Warmwasserbereitung in Fahrzeugen, insbesondere Luftfahrzeugen, zu realisieren, die bei geringem Raumbedarf eine zuverlässige Wassererwärmung mit geringer Leistungsaufnahme gestattet, ohne dass die entnehmbare Wassermenge auf ein gespeichertes Tankvolumen beschränkt ist.With the above-described solution according to the invention, it is possible a Water heating in vehicles, in particular aircraft, to realize that with low space requirement with a reliable water heating low power consumption without allowing the removable Amount of water is limited to a stored tank volume.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:The Invention will be explained below with reference to exemplary embodiments. The drawings show:
In
einer Grundversion des Warmwasserbereiters gemäß
Das
Rohr
Der
Isolationsbehälter
Das
Rohr
Die
Wärmebrücke
Das
Heizelement
Die
Temperatur des abzugebenden warmen Wassers wird im Wesentlichen
durch die Temperatur des flüssigen
Wärmespeichermediums
Mit
Hilfe des Steuereinheit
Gemäß
Die
Wärmebrücke
Die
Lochplatte
Das
flüssige
Wärmespeichermedium
Zusätzlich können Anforderungssignale
für Warmwasser
einer Entnahmeeinheit
Falls
die Zufuhr des Kaltwassers vom ersten Rohrende
In
Die
enge Kopplung der Enthalpien des Heizelements
Den
in der Luftfahrt üblichen
Sicherheitsanforderungen folgend, sind im flüssigen Wärmespeichermedium
Spricht
einer dieser Sicherheitsschalter S1, S2 oder S3 an, wird die Stromzufuhr
zum Heizelement
Der
in der Steuereinheit
Der
eingesetzte Mikrocontroller
Eine
Modifikation der als Oberflächenerweiterung
Alle übrigen Elemente
und Funktionen des Warmwasserbereiters nach
In
Die
Erwärmung
des Wasservorrats (zweckmäßig nicht
mehr als ein Dreiviertelliter) in der zylinderförmigen Rohrerweiterung
Für große Mengen
abgerufenen Warmwassers wird der Warmwasserbereiter noch effektiver
gestaltet, indem für
den Enthalpieübergang
auf das gesamte Rohr
Ebenso
kann bei Kombination von zylindrischer Rohrerweiterung
Diese Bauform hat besonders dann Vorteile, wenn Warmwasser in großen Schüben mit größeren Pausen abgefragt wird.These Design has particular advantages when hot water in large batches with longer breaks is queried.
Alle
anderen Details des Warmwasserbereiters sind in analoger Weise,
wie zu
Aufgrund
der Aufbauten in
- 11
- Rohrpipe
- 1111
- erstes Rohrendefirst pipe end
- 1212
- zweites Rohrendesecond pipe end
- 1313
- Rohrabschnittpipe section
- 1414
- gekrümmter Teilcurved part
- 1515
- Oberflächenerweiterungsurface extension
- 1616
- Rohrwendelcoiled tubing
- 1717
- Schlauchwendelhose spiral
- 1818
- Rohrerweiterungpipe extension
- 22
- WärmespeichermediumHeat storage medium
- 33
- Wärmebrückethermal bridge
- 3131
- Lochplatteperforated plate
- 3232
- Ausnehmungrecess
- 44
- Isolationsbehälterinsulation container
- 55
- Heizelementheating element
- 66
- Steuereinheitcontrol unit
- 6161
- Mikrocontrollermicrocontroller
- 6262
- Temperatursensortemperature sensor
- 6363
- Schnittstelle (zur Entnahmeeinheit)interface (to the withdrawal unit)
- 77
- Entnahmeeinheitwithdrawal unit
- S1, ...S3S1, ... S3
- Sicherheitsschaltersafety switch
- S4S4
- SicherheitstemperatursensorSafety temperature sensor
Claims (28)
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DE2003141523 DE10341523A1 (en) | 2003-09-04 | 2003-09-04 | Warm water provider, in particular, for aircraft comprises a water pipe passing through an insulated tank with a heat storage medium, an electric heater, and a temperature sensor |
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