DE19854774C2 - Prüfstand für Warmwasserbereiter, insbesondere für gasbetriebene Durchlauferhitzer - Google Patents
Prüfstand für Warmwasserbereiter, insbesondere für gasbetriebene DurchlauferhitzerInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Prüfstand für Warmwasserbereiter (10), insbesondere für gasbetriebene Durchlauferhitzer, bei dem die Warmwasseranforderung simuliert wird und virtuelle Zustandsgrößen, wie z. B. die Temperatur des zu erhitzenden Wassers über mindestens eine Hardware-Schnittstelle (11C) in physikalische Zustandsgrößen umgewandelt und an den Warmwasserbereiter (10) herangeführt werden. Es wird vorgeschlagen, daß als Hardware-Schnittstelle (11C) in einer zum Warmwasserbereiter (10) führenden Zulaufleitung (20) ein Erhitzer-Kreislauf (EKL) und ein Kälte-Kreislauf (KKL) eingebunden sind. Damit können Temperaturen des dem Warmwasserbereiter (10) zugeführten Leitungswassers nachgestellt werden, wie sie in der Realität in Extremfällen auftreten können. Mit Hilfe des Prüfstandes können Probleme bei der Warmwasserbereitung frühzeitig erkannt und beseitigt werden.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Prüfstand für
Warmwasserbereiter, insbesondere für gasbetriebene
Durchlauferhitzer nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Heutige Prüfstände für Warmwasserbereiter bzw.
Wärmeerzeuger sind dafür ausgelegt, die Qualität und das
Betriebsverhalten der Geräte im stationären Betrieb zu
ermitteln. Da sie in der Praxis allerdings im dynamischen
Betrieb eingesetzt werden, können sie somit im Labor für
den eigentlichen Einsatzzweck nicht getestet werden. Erst
wenn der Warmwasserbereiter als Produkt fertiggestellt ist,
kann ihre Eignung bzw. Betriebstauglichkeit in Form von
Feldtests überprüft werden.
Es ist weiterhin bekannt, auf verschiedenen technischen
Gebieten sogenannte Emulatoren bzw. Emulator-Prüfstände
einzusetzen, bei denen im Gegensatz zu reinen
Simulationsvorgängen das in einem Rechner hinterlegte
numerische Model mit realen Komponenten, die technische
Systeme beschreiben, kommuniziert bzw. zusammenwirkt.
Die erfindungsgemäße Anordnung mit den Merkmalen nach dem
Hauptanspruch hat den Vorteil, daß mit dem
erfindungsgemäßen Prüfstand die realen Vorgänge bei einer
Warmwasser-Zapfung genau wiedergegeben werden können. Dabei
ist es möglich, unterschiedliche Temperaturen des zum
Warmwasserbereiter führenden Leitungswassers
bereitzustellen, wobei in der Praxis ebenfalls auftretende
Temperatursprünge schnell nachgebildet werden können.
Durch die Merkmale der Unteransprüche sind vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Anordnung nach dem
Hauptanspruch möglich.
In vorteilhafter Weise steht der Erhitzerkreislauf und der
Kältekreislauf über ein Drei-Wege-Ventil mit der
Zulaufleitung in Verbindung, wobei wahlweise zwischen dem
Erhitzer-Kreislauf und dem Kälte-Kreislauf umgeschaltet
werden kann.
Die Menge des der Zulaufleitung über den Kälte- oder
Erhitzerkreislaufs zugeführten Wassers wird mit Hilfe eines
in der Zulaufleitung angeordneten Drei-Wege-Ventils, das
als Mischventil funktioniert, geregelt.
Der Erhitzer-Kreislauf besteht in vorteilhafter Weise aus
einem Durchlauf-Erhitzer und einem Warmwasser-Speicher mit
kleinem Speichervolumen. Damit ist erreicht, daß bei
langsamen bzw. stetigen Änderungen der Temperatur des zu
konditionierenden Wassers das über den Erhitzer-Kreislauf
zugeführte warme Wasser im Durchlauf-Erhitzerprinzip
erwärmt werden kann, wobei bei der Simulation von
Temperatursprüngen des Leitungswassers auf das
Wärmereservoir des im Speicher befindlichen Warmwassers
zurückgegriffen werden kann. Das gleiche trifft auf den
Kältekreislauf zu, bei dem kaltes Wasser im Durchlauf-
Verdampferprinzip erzeugt wird und bei einem zu
simulierenden Temperaturabfall des Leitungswassers auf das
Kaltwasser-Reservoir im Speicher zurückgegriffen werden
kann.
Der vom Warmwasserbereiter erzeugte Warmwasser-Volumenstrom
kann in vorteilhafter Weise durch ein in einer Warmwasser-
Auslaufleitung angeordnetes Stellventil geregelt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Fig. 1 zeigt die schematische Ausführung eines
Emulator-Test- bzw. Prüfstandes und Fig. 2 den Aufbau
eines Warmwasser-Emulators.
Fig. 1 zeigt den generellen Aufbau eines Emulator-
Prüfstandes für einen Wärmeerzeuger 10, der in diesem Fall
als ein gasbetriebener Durchlauferhitzer ausgebildet ist.
Der Wärmeerzeuger bzw. Warmwasserbereiter 10 ist über
verschiedene Hardware-Schnittstellen 11A bis 11G mit einer
Signalverarbeitungs-Einheit 12 und über eine Meßstand-
Kontrolleinheit 14 mit einem Simulationsrechner 16
verbunden. Mit Hilfe der Hardware-Schnittstellen 11A bis 6
lassen sich verschiedene Emulationsformen realisieren, wie
z. B. 11A - das Reglersignal für die Bestimmung der
Brennerleistung des Wärmeerzeugers, 11B - die
Rücklauftemperatur eines Heizwasser-Kreislaufes, falls der
Wärmeerzeuger auch der Erwärmung von Heizungswasser dient,
11C - die Warmwassertemperatur für die Brauchwassernutzung,
11D - die Verbrennungslufttemperatur, 11E - die Temperatur
im Kamin bzw. die Abgastemperatur, 11F - Zustandsparameter
des für die Verbrennung zugeführten Gases und 11G -
Parameter, die den Aufstellungsort des Wärmeerzeugers 10
definieren. Während die Daten aus der Meßstand-
Kontrolleinheit 14 den Hardware-Schnittstellen 11A bis 6
über ein Digital/Analog-Wandler 12A der
Signalverarbeitungs-Einheit 12 zugeführt werden, werden die
vom Wärmeerzeuger 10 über eine Meßwert-Aufnahme-Sensorik 18
ausgelesenen Zustandsparameter des Gerätes über einen
Analog/Digital-Wandler 12B der Signalverarbeitungseinheit
12 und über die Meßstand-Kontrolleinheit 14 dem
Simulationsrechner 16 zugeführt. Die Simulation läuft für
einen Zeitschritt, wobei die am Prüfstand einzustellenden
physikalischen Größen vom Simulationsprogramm in einer
Kommunikationsdatei (outfile.dat) abgelegt werden. Die
Meßstand-Kontrolleinheit 14 liest die Datei aus und regelt
mittels entsprechender Regel- und Meßtechnik die Sollgrößen
(z. B. Wasserdruck, Wassertemperatur, Volumenströme,
Reglersignale) am zu überprüfenden Wärmeerzeuger 10 ein.
Die Reaktion des Wärmeerzeugers 10 wird von der Meßwert-
Aufnahme-Sensorik 18 aufgenommen, verarbeitet und als
Zahlenwerte in einer zweiten Kommunikations-Datei
(infile.dat) abgespeichert. Diese Datei wird von der
Simulation geöffnet und weiterverwertet, sobald die
Wartezeit bis zum nächsten Simulationszeitschritt
abgelaufen ist.
Der Datenaustausch zwischen dem Simulationsrechner 16 und
der Meßstand-Kontrolleinheit 14 erfolgt über ein ASCII-
file, welches jederzeit einsichtig ist. Die Schnittstelle
ist somit klar definiert und kontrollierbar; das
realisierte Konzept nicht an vorgegebene Soft- oder
Hardware gebunden. Die Simulation des Zeitsystems erfolgt
mit Hilfe des Simulationsprogramms TRNSYS.
Im folgenden wird die für die Warmwasser-Emulation
notwendige Hardware-Schnittstelle 11C anhand der Fig. 2
näher beschrieben, wobei der Wärmeerzeuger, da er in diesem
Fall der Warmwasserbereitung dient, im folgenden als
Warmwasserbereiter 10 bezeichnet wird. Der
Warmwasserbereiter 10 ist an eine Zulaufleitung 20
angeschlossen, die Wasser aus dem öffentlichen Leitungsnetz
bezieht. Das aufzuheizende Wasser wird auf bekannte Art und
Weise über einen von einem Brenner beaufschlagten
Wärmetauscher (beide Bauteile sind nicht dargestellt)
erwärmt und über eine Warmwasser-Auslaufleitung 22
abgeführt, d. h. in der Praxis dem Verbraucher zugeführt. An
der Zulaufleitung 20 sind ein Erhitzer-Kreislauf EKL und
ein Kälte-Kreislauf KKL angeschlossen. Der Erhitzer-
Kreislauf EKL besteht aus einem Durchlauferhitzer 24 und
einem Warmwasser-Speicher 26. Der Kälte-Kreislauf KKL weist
einen Verdampfer 28 und einen Kaltwasser-Speicher 30 auf.
Sowohl der Erhitzer-Kreislauf EKL als auch der Kälte-
Kreislauf KKL werden über eine Bypassleitung 32 mit aus der
Zulaufleitung 20 kommenden Leitungswasser versorgt.
Ausgangsseitig sind beide Kreisläufe mit einem Drei-Wege-
Ventil 34 verbunden, das über die Bypaßleitung 32 zu einem
in der Zulaufleitung 20 angeordneten zweiten Drei-Wege-
Ventil 36 führt. Mit Hilfe des Drei-Wege-Ventils 34 kann
wahlweise zwischen dem Erhitzer-Kreislauf EKL und dem
Kälte-Kreislauf KKL umgeschaltet werden; das in der
Zulaufleitung 20 angeordnete zweite Drei-Wege-Ventil 36
dient als Mischventil für das zu konditionierende Wasser in
der Zulaufleitung 20. Zur Erfassung des durch den
gasbetriebenen Durchlauferhitzer verursachten
Druckverlustes ist zwischen der Zulaufleitung 20 und der
Warmwasser-Auslaufleitung 22 ein Differenzdruckmesser 38
angeordnet, darüberhinaus kann mit Hilfe eines hinter dem
Mischventil 36 in der Zulaufleitung 20 angeordneten Sensors
40 die Temperatur des dem Warmwasserbereiter 10 zugeführten
Wassers erfaßt bzw. überprüft werden. In der Warmwasser-
Auslaufleitung 22 ist ein zweiter Temperatursensor 42,
sowie ein Drucksensor 44, ein Volumenstrommesser 46 und ein
die Auslaufmenge des Warmwassers bestimmendes Stellventil
48 angeordnet. Die Brenngasversorgung für den
gasbetriebenen Warmwasserbereiter 10 erfolgt über eine
Gasleitung 50, in der ein Volumenstrommesser 52, ein
Drucksensor 54 und ein Temperatursensor 56 angeordnet sind.
Prinzipiell sollen mit dem Prüfstand die realen Vorgänge
bei einer Warmwasser-Zapfung so genau wie möglich
wiedergegeben werden. Bei einer solchen "realen" Zapfung
öffnet ein Nutzer den Wasserhahn, wartet (bei konstantem
Volumenstrom), bis die Solltemperatur erreicht ist, und
nutzt dann das bereitgestellte warme Wasser. Mit Hilfe des
Erhitzer-Kreislaufs EKL bzw. des Kälte-Kreislaufs KKL kann
die Temperatur des aus der Zulaufleitung 20 kommenden
Leitungswassers auf solche Werte erhöht bzw. gesenkt
werden, wie sie auch in der Realität in Extremfällen
auftreten können. Die Temperaturen des aus dem öffentlichen
Netz kommenden Kaltwassers können sich in unseren
Breitengraden über das Jahr um nahezu 10K von 6°C bis 15°C
ändern. Darüberhinaus kann das Wasser, bevor es in den
Warmwasserbereiter eintritt, auch höhere Temperaturen
annehmen und zudem sprunghaft zwischen den
Temperaturniveaus wechseln, wie z. B.
- - verlaufen die Leitungen im Haus, nimmt das Wasser die Umgebungstemperatur des Hausinneren an,
- - soll ein ausgekühlter Trinkwasserspeicher bzw. halbvoller Solarspeicher z. B. von 50°C auf 60°C hochgeheizt werden, ist die Temperatur des Wassers entsprechend hoch,
- - wird das Wasser in einem Speicherkollektor vorgewärmt, können Temperaturen von 80°C bis 100°C erreicht werden oder
- - wird ein Speicher bzw. ein Kollektor entleert und statt dessen durch das Erdreich herangeführtes Wasser verwendet, kann es zu sehr schnellen Temperatursprüngen kommen.
Wie in den Beispielen dargestellt, ändert sich die
Temperatur des dem Warmwasserbereiter zuströmenden
Leitungswassers nicht langsam und stetig, sondern kann
sprunghaft ansteigen bzw. abfallen. Mit Hilfe des im
Erhitzer-Kreislaufs EKL angeordneten Warmwasser-Speichers
26 bzw. des im Kälte-Kreislaufs KKL angeordneten
Kaltwasser-Speichers 30 stehen Wärme- bzw. Kältereservoirs
zur Verfügung, um diese Temperatursprünge schnell ausführen
bzw. nachbilden zu können.
Mit Hilfe des Prüfstandes können daher frühzeitig Probleme
erkannt und beseitigt werden, bevor diese Geräte
letztendlich zum Verkauf auf den Markt gebracht werden. Zum
Beispiel kann festgestellt werden, daß bei sich ändernden
Volumenströmen und sich ändernden Temperaturen des
Leitungswassers die geforderte konstante Auslauftemperatur
des Warmwassers nur unzureichend eingehalten werden kann;
durch entsprechende Regleranpassungen können dann diese
Probleme frühzeitig behoben werden.
Claims (6)
1. Prüfstand für Warmwasserbereiter, insbesondere für
gasbetriebene Durchlauferhitzer, bei dem für den
Warmwasserbereiter betriebsrelevante Zustandsgrößen, wie die
Temperatur des zu erhitzenden Wassers, simuliert werden, indem
Vorgabewerte der Zustandsgrößen über mindestens eine
Umsetzungseinheit physiaklisch realisiert und zur Wirkung auf
den Warmwasserbereiter gebracht werden, wobei als
Umsetzungseinheit in einer zum Warmwasserbereiter führenden
Zulaufleitung (20) ein Erhitzer-Kreislauf (EKL) und ein Kälte-
Kreislauf (KKL) eingebunden sind.
2. Prüfstand für Warmwasserbereiter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Erhitzer-Kreislauf (EKL) und der
Kälte-Kreislauf (KKL) über ein Drei-Wege-Ventil (34) mit der
Zulaufleitung (20) in Verbindung stehen.
3. Prüfstand für Warmwasserbereiter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Zulaufleitung (20) ein
Drei-Wege-Ventil (36) angeordnet ist, das mit dem Drei-Wege-
Ventil (34) des Erhitzer- und Kältekreislaufs verbunden ist.
4. Prüfstand für Warmwasserbereiter nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Erhitzer-Kreislauf (EKL) einen Durchlauf-Erhitzer (24) und
einen Warmwasser-Speicher (26) aufweist.
5. Prüfstand für Warmwasserbereiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kälte-Kreislauf
(KKL) einen Verdampfer (28) und einen Kaltwasser-Speicher
(30) aufweist.
6. Prüfstand für Warmwasserbereiter nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vom
Warmwasserbereiter (10) eine Warmwasser-Auslaufleitung (22)
wegführt, in der ein Auslauf-Stellventil (48) angeordnet
ist.
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