DE19625206A1 - Warmwasserspeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Warmwasserspeicher zur Einschaltung in Warmwasserheizungen und/oder zur Brauchwassererwärmung bestehend aus einem mit Wasser gefüllten Gefäß sowie einem in dem Gefäß angeordneten, an eine Heizquelle angeschlossenen ersten Wärmetauscher und mit zugeordneten Anschlüssen für die Warmwasserheizung und/oder die Kaltwasserzufuhr und Warmwasserentnahme.

Durch Benutzung ist ein Warmwasserspeicher mit den vorgenannten Merkmalen bekannt, bei welchem das in dem Gefäß befindliche Wasser jeweils über den in dem Gefäß befindlichen Wärmetauscher erwärmt wird und dann als Warmwasser für den Brauchwasserkreis oder für den Heizungskreis einer Warmwasserheizung zur Verfügung steht. Mit einer derartigen Ausbildung ist der Nachteil verbunden, daß jeweils das gesamte in dem Gefäß befindliche Wasservolumen auf die gewünschte Temperatur gebracht werden muß, so daß eine nach Verbrauchsgegebenheiten beziehungsweise Verbrauchsnotwendigkeiten differenzierte Steuerung der Aufheizung des Warmwasserspeichers nicht ohne weiteres durchzuführen ist; im übrigen ist der Warmwasserspeicher in seiner machbaren Steuerung seiner Aufheizung sehr träge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Warmwasserspeicher mit den gattungsgemäßen Merkmalen derart weiterzubilden, daß der Warmwasserspeicher in dem in Abhängigkeit von den Verbrauchsgegebenheiten erforderlichen Wärmeeintrag besser und schneller zu steuern ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich einschließlich vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung aus dem Inhalt der Patentansprüche, welche dieser Beschreibung nachgestellt sind.

Die Erfindung richtet sich in ihrem Grundgedanken darauf, daß der an eine Heizquelle angeschlossene Wärmetauscher zumindest teilweise von im Inneren des Gefäßes befindlichen, vertikal ausgerichteten und an ihren oberen, dem Wärmetauscher abgewandten Enden offenen Rohreinbauten umschlossen ist, wobei die Rohreinbauten aus einem Innenrohr und einem mit radialem Abstand dazu angeordneten Außenrohr mit zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr gebildeten und mit dem Innenraum des Innenrohres in Verbindung stehenden Strömungsweg bestehen und das Außenrohr doppelwandig mit einer in seinen Mantel eingebrachten Füllung aus einem bei vorgegebener Temperatur durch Phasenumschlag zwischen wärmeisolierenden und wärmeleitenden Eigenschaften jeweils wechselnden Material ausgeführt ist.

Mit der Erfindung ist der Vorteil verbunden, daß über den zwischen Außenrohr und Innenrohr bestehenden Strömungsweg sowie den im Innenraum des Innenrohres vorgesehenen Wärmetauscher eine Erwärmung des im Gefäß befindlichen Wassers vorzunehmen ist, wobei zunächst aufgrund des in einer festen Form und damit als Wärmeisolator wirkenden Materials im Mantel des Außenrohres das auf der Außenseite des Außenrohres anstehende Wasser nicht erwärmt wird. Mit zunehmender Aufheizung des in dem Ringraum zwischen Außenrohr und Innenrohr zirkulierenden Wassers wird das Mantelmaterial des Außenrohres aufgeheizt, und es kommt im Gefolge zu einem Phasenumschlag, bei welchem das Material in eine flüssige Form übergeht, in welcher es als Wärmeleiter wirkt. In denjenigen Bereichen des Außenrohres, in denen sich der Phasenwechsel bereits vollzogen hat, findet nun auch eine Wärmeübertragung von dem im Ringraum zwischen Außenrohr und Innenrohr strömenden aufgeheizten Wasser auf das das Außenrohr umgebende und im Gefäß anstehende Wasser statt, so daß grundsätzlich das gesamte im Gefäß befindliche Wasser erwärmt werden kann. In Abhängigkeit von dem gesteuert über den an eine Heizquelle angeschlossenen Wärmetauscher einzubringenden Wärmeeintrag ist jedoch eine schichtweise Erwärmung des in dem Gefäß insgesamt anstehenden Wassers möglich, wobei in Teilschichten der Gefäßfüllung hohe Temperaturen auch bei einem niedrigen Wärmeeintrag erreichbar sind. Damit ist nicht immer auch die gesamte, im Gefäß anstehende Wassermenge auf die gewünschte Temperatur zu bringen, und somit ist eine bedarfsgerechte und wesentlich flexiblere Steuerung der im Warmwasserspeicher vorzuhaltende Warmwassermenge bei gleichzeitig niedrigem notwendigen Wärmeeintrag gegeben.

Nach Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das bei Phasenumschlag seine Eigenschaften ändernde Material aus einem Paraffin oder aus einem niedrigschmelzenden Salz bestehen.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen Innenrohr und Außenrohr an ihrem oberen Ende jeweils einen sich zur Gefäßwandung erweiternden Trichter auf, so daß Wasseraustritt beziehungsweise Wassereintritt strömungstechnisch verbessert sind.

Nach einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß im oberen Endbereich des Innenrohres ein zweiter an den Brauchwasserkreis und/oder den Heizungskreis angeschlossener Wärmetauscher angeordnet ist. Mit dieser Anordnung wird beim Aufheizen des Wärmetauschers das im Innenraum des Innenrohres anstehende Wasser erwärmt, steigt nach oben und saugt über den zwischen Außenrohr und Innenrohr bestehenden Ringspalt kälteres Wasser aus den oberen Schichten des Gefäßes nach. Mit zunehmendem Umlauf dieser Teil-Wassermenge steigt die Temperatur insbesondere des den Ringraum zwischen Innenrohr und Außenrohr durchströmenden Wassers an, so daß der im oberen Endbereich des Innenrohres angeordnete Wärmetauscher mit "heißem" Wasser beaufschlagt und die Wärme auf den dem Brauchwasserkreis beziehungsweise dem Heizungskreis zugeordneten Wasserstrom übertragen wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß die von dessen oberem Ende ausgehende doppelwandige Ausbildung des Mantels des Außenrohres nur einen Teilbereich des ersten Wärmetauschers umschließend mit Abstand zum Gefäßboden endet und daß in dem verbleibenden Zwischenraum auf der Außenseite des Außenrohres ein dritter Wärmetauscher angeordnet ist, der einerseits an den Kaltwassereinlauf für die Brauchwasserversorgung angeschlossen und andererseits über eine außerhalb des Gefäßes verlaufende Rohrleitung in Reihe mit dem im Inneren des Gefäßes liegenden zweiten Wärmetauscher geschaltet ist. Hiermit wird erreicht, daß im unteren Teil des Gefäßes aufgrund des Kaltwassereintritts in den dritten Wärmetauscher eine vergleichsweise niedrige Temperatur erzeugt ist, die dazu führt, daß der im Innenraum des Innenrohres befindliche erste Wärmetauscher schon bei einem geringen Wärmeeintrag wirksam werden kann, so daß bei beispielsweise einem Anschluß dieses Wärmetauschers an eine Solaranlage die Solaranlage bereits bei einer Kollektortemperatur nahe der Brauchwassereintrittstemperatur arbeiten kann. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß das Kaltwasser für den Brauchwasserkreis einer gewissen Vorwärmung unterzogen wird, bevor es in dem nachgeschalteten zweiten Wärmetauscher auf die gewünschte Temperatur gebracht wird.

Die mit der erfindungsgemäßen Ausbildung des Warmwasser­ speichers gegebene schichtweise Erwärmung des Wasserinhalts des Gefäßes ist für die Steuerung des Wärmeeintrages ausnutzbar, und hierzu ist vorgesehen, daß parallel zur Rohranordnung in dem zwischen Außenrohr und Gefäßwandung gebildeten Ringraum eine Meßleiste mit in Abstand zueinander angeordneten Temperaturfühlern vorgesehen ist. Über die Temperaturfühler ist die Schichthöhe des aufzuheizenden Wassers festzulegen, so daß dementsprechend der Wärmeeintrag regelbar ist.

Während der vorgesehene erste Wärmetauscher insbesondere bei Anschluß an mit einem gesonderten Wärmeträgermedium, wie beispielsweise Öl, arbeitende Heizquellen vorzusehen ist, um einen Kontakt des Wärmeträgermediums mit dem im Warmwasserspeicher befindlichen Wasser zu vermeiden, kann alternativ nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung der an eine Heizquelle angeschlossene erste Wärmetauscher durch eine an einen Heizkesselvorlauf angeschlossene und im Innenraum des Innenrohres hochgeführte und dort einen Heißwasseraustritt aufweisende Rohrleitung gebildet sein, wobei eine an den Heizkesselrücklauf angeschlossene weitere Rohrleitung im Ringraum zwischen Innenrohr und Außenrohr mit einem Rücklaufwassereintritt endet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine direkte Erwärmung des im Gefäß befindlichen Wassers durch Austausch mit dem von der Heizquelle gelieferten Heißwasser gegeben.

Nach der Erfindung kann ebenfalls vorgesehen sein, daß für die Erwärmung des im Innenraum des Innenrohres aufsteigenden Wassers sowohl der Heizkesselvorlauf als auch ein in zweckmäßiger Weise an eine Solaranlage als Heizquelle angeschlossener Wärmetauscher herangezogen sind.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, welches nachstehend beschrieben ist. Die einzige Figur zeigt einen Warmwasserspeicher in einer schematischen Darstellung.

Der Warmwasserspeicher besteht aus einem vertikal stehenden Gefäß 10 mit einem Gefäßboden 11 und einem Gefäßdeckel 12. Im Inneren des vollständig mit Wasser gefüllten Gefäßes ist ein Außenrohr 13 auf dem Gefäßboden 11 auf stehend angeordnet, welches unter Ausbildung eines Ringraumes 15 ein Innenrohr 14 kleineren Durchmessers umschließt; das Innenrohr 14 endet mit einem größeren Abstand zu dem Gefäßboden 11, so daß aus dem Ringraum 15 eine Strömungsverbindung in den Innenraum 16 des Innenrohres 14 besteht.

In dem Innenraum 16 des Innenrohres 14 ist ein erster Wärmetauscher 17 angeordnet, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über Anschlüsse 18 an eine Solaranlage als Heizquelle angeschlossen ist. Zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse laufen Innenrohr 14 und Außenrohr 13 jeweils an ihrem oberen, dem Gefäßdeckel 12 zugewandten Ende in einem Trichter 19 beziehungsweise einem Trichter 20 aus, wobei der Trichter 19 des Innenrohres 14 in einem höheren Niveau endet als der darunterliegende und einen größeren Durchmesser aufweisende Trichter 20 des Außenrohres 13.

Der Mantel 21 des Außenrohres 13 ist an dem oberen Ende beginnend unter Ausbildung eines Abstandes zum Gefäßboden 11 doppelwandig ausgeführt, wobei in den Mantelzwischenraum eine Füllung 22 aus Paraffin eingebracht ist. Das eingesetzte Paraffin hat die Eigenschaft, daß es bei einer Temperatur unterhalb 55 Grad Celsius in fester Form vorliegt und damit als Wärmeisolator wirkt, während bei einer Temperatur oberhalb des vorgenannten Temperaturwertes ein Phasenumschlag erfolgt und das Paraffin in eine flüssige Phase übergeht, in welcher es als Wärmeleiter wirkt.

Zur Ergänzung des Wärmeeintrages ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich zu dem ersten Wärmetauscher 17 ein Rohr 23 in dem Innenraum 16 des Innenrohres 14 hochgeführt, wobei dieses Rohr 23 an einen Heizkesselvorlauf mit entsprechender Heißwasserzufuhr angeschlossen ist. Zur Ausbildung des damit erforderlichen Heizkesselrücklaufes ist eine entsprechende Rohrleitung 24 in den Ringraum 15 zwischen Innenrohr 14 und Außenrohr 13 geführt, so daß in dem Ringraum 15 abströmendes Wasser in den Heizkesselrücklauf 24 eintreten kann. Beide Rohrleitungen 23, 24 sind in Teilbereichen mit einer Isolierung 25 verkleidet.

Zur Steuerung des Warmwasserspeichers ist in dem Ringraum zwischen dem Außenrohr 13 und der Gefäßwand eine Meßleiste 26 angeordnet, an der in Abständen zueinander angebrachte Temperaturfühler 27 sitzen.

Im Bereich des Trichters 19 des Innenrohres 14 ist ein zweiter Wärmetauscher 28 angeordnet, der der Abgabe des Warmwassers für den Brauchwasserkreis oder aber des warmen Heizungswassers für den Heizungskreis über einen Abgang 29 dient. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist diesem zweiten Wärmetauscher 28 über eine an der Gefäßaußenseite verlegte Leitung 32 in Reihe ein dritter Wärmetauscher 30 vorgeschaltet, der im unteren Teil des Gefäßes in dem Zwischenraum zwischen der doppelwandigen Ausführung des Außenrohres 13 und dem Gefäßboden 11 angeordnet ist; dieser dritte Wärmetauscher 30 verfügt über einen Kaltwasserzutritt 31, wobei dieses Kaltwasser im dritten Wärmetauscher 30 vorgewärmt und dann über die Leitung 32 zu dem zweiten Wärmetauscher 28 geführt und hier weiter erhitzt wird.

Schließlich weist das Gefäß 10 zusätzlich zu dem Wärmetauscher 28 noch einen Abgang 33 für den Heizungsvorlauf und einen Eingang 34 für den Heizungsrücklauf auf, so daß bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Heizungskreis und Brauchwasserkreis getrennt voneinander betrieben werden können. Einlaß und Auslaß 33, 34 sind über Leitbleche 35 abgeschirmt.

Soll ausgehend von einem abgekühlten Zustand der Warmwasserspeicher in Betrieb genommen werden, so erfolgt beispielsweise über den ersten Wärmetauscher 17 ein Wärmeeintrag in das im Innenraum 16 des Innenrohres 14 anstehende Wasser; dieses Wasser erwärmt sich, und der temperaturbedingte Dichteunterschied führt zum Aufsteigen des erwärmten Wassers zum Trichter 19, wobei diese Erwärmung gegebenenfalls auch durch Einspeisung heißen Wassers aus dem Heizkesselvorlauf 23 unterstützt werden kann. Das im Innenraum 16 aufsteigende Wasser saugt aus dem Ringraum 15 zwischen Außenrohr 13 und Innenrohr 14 Wasser nach, wobei über den Trichter 20 noch kaltes beziehungsweise vorgewärmtes beziehungsweise gemischtes Wasser nachgeführt wird. In dieser Phase der Aufheizung liegt die in dem Mantel 21 des Außenrohres 13 befindliche Paraffinfüllung 22 in fester Form vor und wirkt somit wärmeisolierend, so daß das auf der Außenseite des Außenrohres 13 anstehende Wasser nicht erwärmt wird. Mit zunehmender Erwärmung des durch den Ringraum 15 geführten Wassers wird auch die Paraffinfüllung 22 erwärmt, bis es beginnend am oberen Ende des Außenrohres 13 und sich je nach Temperaturentwicklung nach unten fortsetzend zum phasenumschlag kommt, bei welchem das Paraffin in eine flüssige Form übergeht und nun als Wärmeleiter wirkt; aufgrund dieser Wärmeleitung wird das auf der Außenseite des Außenrohres 13 im Gefäß 10 anstehende Wasser erwärmt, während es in dem unteren Gefäßteil nach wie vor bei einem im wesentlichen kalten Temperaturbereich des Gefäßwassers bleibt. Durch diese Maßnahme ist es möglich, in Abhängigkeit von dem vorgenommenen Wärmeeintrag im Innenraum 16 des Innenrohres 14 nur einen Teil des im Gefäß 10 befindlichen Wassers schichtweise zu erwärmen, wobei die Höhe der zu erwärmenden Schicht über die Temperaturfühler 27 beziehungsweise eine darauf abgestimmte Regelung des Wärmeeintrags einstellbar ist.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Zuführung von Kaltwasser für den Brauchwasserkreis an dem Anschluß 31 des dritten Wärmetauschers 30, wobei das vorgewärmte Wasser über die Leitung 32 dem zweiten Wärmetauscher 28 zugeführt und hier weiter erhitzt wird, bevor es als Warmwasser über den Abgang 29 entnommen werden kann. Es versteht sich jedoch, daß diese Vorwärmung für die Verwirklichung der Erfindung nicht unbedingt notwendig ist, sondern eine zusätzliche Maßnahme darstellt, die den Vorteil bietet, daß eine Abkühlung des im unteren Bereiches des Gefäßes anstehenden Wassers gegeben ist, so daß auch schon ein geringer Wärmeeintrag im Wärmetauscher 17, wie er beispielsweise bei dem Anschluß einer Solaranlage gegeben ist, ausreicht, um die Aufheizung des Warmwasserspeichers in Gang zu bringen.

Es versteht sich, daß für den Wärmeeintrag wahlweise ein Wärmetauscher 17, ein Heißwassereintrag 22 oder aber eine Kombination beider Maßnahmen vorgesehen sein kann.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Patentansprüchen, der Zusammenfassung und der Zeichnung offenbarten Merkmale des Gegenstandes dieser Unterlagen können einzeln als auch in beliebigen Kombinationen untereinander für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (9)

1. Warmwasserspeicher zur Einschaltung in Warmwasserheizungen und/oder zur Brauchwassererwärmung bestehend aus einem mit Wasser gefüllten Gefäß sowie einem in dem Gefäß angeordneten, an eine Heizquelle angeschlossenen ersten Wärmetauscher und mit zugeordneten Anschlüssen für die Warmwasserheizung und/oder die Kaltwasserzufuhr und Warmwasserentnahme, dadurch gekennzeichnet, daß der an eine Heizquelle angeschlossene Wärmetauscher (17) zumindest teilweise von im Inneren des Gefäßes (10) befindlichen, vertikal ausgerichteten und an ihren oberen, dem Wärmetauscher (17) abgewandten Enden offenen Rohreinbauten (13, 14) umschlossen ist, wobei die Rohreinbauten aus einem Innenrohr (14) und einem mit radialem Abstand dazu angeordneten Außenrohr (13) mit zwischen dem Innenrohr (14) und dem Außenrohr (13) gebildeten und mit dem Innenraum (16) des Innenrohres (14) in Verbindung stehenden Strömungsweg (15) bestehen und das Außenrohr (13) doppelwandig mit einer in seine Wandung (21) eingebrachten Füllung (22) aus einem bei vorgegebener Temperatur durch Phasenumschlag zwischen wärmeisolierenden und wärmeleitenden Eigenschaften jeweils wechselnden Material ausgeführt ist.

2. Warmwasserspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Füllung (22) verwendete Material ein Paraffin ist.

3. Warmwasserspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Füllung (22) verwendete Material ein niedrigschmelzendes Salz ist.

4. Warmwasserspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Innenrohr (14) und Außenrohr (13) an ihrem oberen Ende einen sich jeweils zur Gefäßwandung erweiternden Trichter (19, 20) aufweisen.

5. Warmwasserspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Endbereich des Innenrohres (14) ein zweiter an den Brauchwasserkreis (29) und/oder den Heizungskreis angeschlossener Wärmetauscher (28) angeordnet ist.

6. Warmwasserspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von dessen oberem Ende ausgehende doppelwandige Ausbildung des Außenrohres (13) nur einen Teilbereich des ersten Wärmetauschers (17) umschließend mit Abstand zum Gefäßboden (11) endet und daß in dem verbleibenden Zwischenraum auf der Außenseite des Außenrohres (13) ein dritter Wärmetauscher (30) angeordnet ist, der einerseits an den Kaltwassereinlauf (31) für die Brauchwasserversorgung angeschlossen und andererseits über eine außerhalb des Gefäßes (10) verlaufende Rohrleitung (32) in Reihe mit dem im Inneren des Gefäßes (10) liegenden zweiten Wärmetauscher (28) geschaltet ist.

7. Warmwasserspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Rohranordnung (13, 14) in dem zwischen Außenrohr (13) und Gefäßwandung gebildeten Ringraum eine Meßleiste (26) mit in Abstand zueinander angeordneten Temperaturfühlern (27) vorgesehen ist.

8. Warmwasserspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der an eine Heizquelle angeschlossene erste Wärmetauscher (17) durch eine an einen Heizkesselvorlauf angeschlossene und im Innenraum (16) des Innenrohres (14) hochgeführte und dort einen Heißwasseraustritt aufweisende Rohrleitung (23) gebildet ist und daß eine an den Heizkesselrücklauf angeschlossene weitere Rohrleitung (24) im Ringraum (15) zwischen Innenrohr (14) und Außenrohr (13) mit einem Rücklaufwassereintritt endet.

9. Warmwasserspeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum (16) des Innenrohres (14) sowohl die Heizkesselvorlaufleitung (23) als auch der an eine Solaranlage als Heizquelle angeschlossene erste Wärmetauscher (17) angeordnet sind.