Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeübertrager, mit dem Warmwasser
bereitet und gespeichert werden kann, der aus rechteckigen Wärmeüber
tragungsplatten besteht, die zwischen zwei dickeren Endplatten gestapelt sind
und bei geöffneten Ventilen beidseitig von Heizwasser und Brauchwasser
umströmt werden, einen schüsselförmig hochgestellten Rand haben, deren
Wärmetauscherflächen mit Profilierungen versehen sind, die sich bei benach
barten Wärmeübertragungsplatten kreuzen, die in den Ecken Durchbrüche auf
Kegelstümpfen mit gemeinsamen Achsen haben, die zur einen oder anderen
Seite der Wärmeübertragungsplatten eingeprägt sind, und die an den Stellen,
an denen sie sich im Stapel berühren, verschweißt oder verlötet sind.
Bekannte Warmwasserbereitungsanlagen bestehen grundsätzlich aus Wärme
übertrager und Speicher.
In der DE-OS 26 05 994 ist eine Warmwasserbereitungsanlage beschrieben,
bei der ein Durchflußerhitzer einem unter Druck stehenden Warmwasser
speicher zugeordnet ist. Beide sind so groß, daß sie in einem gesonderten
Raum, vorzugsweise Keller, untergebracht werden müssen. Daraus
ergeben sich lange Rohrleitungen zwischen dem Warmwasserspeicher und
den Zapfstellen. Um dennoch sicherzustellen, daß beim Zapfen Warmwasser
und kein ausgekühltes Wasser zum Verbraucher gelangt, ist zwischen den
Zapfstellen und dem Speicher ein Zirkulationskreislauf vorgesehen, durch
den bei geschlossenen Zapfstellen das Warmwasser vom Speicher zu den
Zapfstellen und zurück zum Speicher gefördert wird. Das ist mit einem
hohen Investitionsaufwand und hohen Betriebskosten verbunden. Weitere
Nachteile sind, daß das Warmwasser in dem Speicher nicht gegen die
Vermehrung von Legionellen und in dem Durchlauferhitzer nicht vor
Überhitzung geschützt ist. Erst im Jahr der Anmeldung dieser Erfindung
war bekannt geworden, daß sich bei Temperaturen zwischen 32 und 42°C
besonders in stehendem Wasser Kleinstlebewesen, sogenannte Legionellen,
sehr stark vermehren und dann insbesondere für ältere und kranke Men
schen gesundheitsgefährlich und sogar tödlich sein können, wenn sie von
diesen eingeatmet werden. Das macht es erforderlich, die Temperatur von
Brauchwasser entweder stets über 42°C zu halten, oder das Wasser unmit
telbar vor Gebrauch kurzzeitig auf 70°C zu erhitzen. Bei dieser Temperatur
sterben die Legionellen binnen weniger Sekunden ab. Die Temperatur des
Brauchwassers darf aber auch nicht wesentlich über 70°C erhöht werden,
weil oberhalb dieser Temperatur die im Wasser gelösten Mineralien ver
stärkt ausgeschieden werden und sich als Kesselstein im Wärmeübertrager
niederschlagen, den Wärmeübergang verschlechtern und die Nutzungsdauer
des Wärmeübertragers verkürzen.
Mit der DE-OS 36 22 139 wird vorgeschlagen, in einer Warmwasserberei
tungsanlage mindestens eine Zapfstelle mit einem steuerbaren Wasserablaß
ventil zu versehen, das durch einen in der Nähe der Verbraucherstelle
angeordneten Temperatursensor bei Unterschreitung einer vorgegebenen
Grenztemperatur geöffnet wird. Damit kann gesichert werden, daß kein
Warmwasser mit einer Temperatur unter diesem Sollwert zum Verbraucher
gelangt. So wird der Legionellengefahr vorgebeugt.
Mit dieser Lösung ist jedoch keine kontinuierliche Bereitstellung mit Warm
wasser möglich, weil bei Unterschreitung der Solltemperatur erst das
unterkühlte Brauchwasser ablaufen muß, bevor wieder Warmwasser zur
Verfügung steht. Außerdem ist sie mit einem höheren Wasserverbrauch und
höheren Energiekosten verbunden.
Die DE-OS 40 35 115 beschreibt eine Anordnung zur Entnahme von warmem
oder heißem Brauchwasser von Trinkwasserqualität, die neben einem
Durchlauferhitzer und einem Speicher einen weiteren kleineren Speicher hat,
dessen Wassertemperatur vom Verbraucher eingestellt werden kann und die
mit Hilfe von Temperaturmeßfühlern und einem Steuergerät überwacht wird.
Auch diese Anlage erfordert durch die Größe der Speicher, die über zwei
Umwälzpumpen mit dem Wärmeübertrager verbunden sind, viel Platz und
große Investitionsaufwendungen.
Das gilt auch für die in der DE-OS 43 00 292 beschriebene Warmwasser
versorgungsanlage, die neben zwei Speichern mehrere Wärmeübertrager
vorsieht.
Eine Alternative zu diesen Anlagen sind kleine in der Nähe einer Zapfstelle
installierte Warmwasserbereiter. Ein solcher ist in EP 0 602 349 als
Doppelmantelspeicher ausgebildet, der in seinem Inneren Brauchwasser
speichert und dem zwischen Innen- und Außenwand Heizwasser zugeführt
wird.
Um eine gleichbleibende Zapftemperatur zu erreichen, ist in der DE-PS
19721745 vorgesehen, das Brauchwasser des Innenraumes in einer Wendel
im Gegenstrom durch das Heizwasser zu führen.
Mit dem EP 0 819 892 wird ein in EP 0 178 351 beschriebener Warmwasser
bereiter, der aus einem zylindrischen Behälter für das Heizwasser und einer in
einem Einsatz entlang der Wandung geführten Rohrwendel für das Brauch
wasser besteht, dahingehend weiterentwickelt, daß das Heizwasser den
Behälter nicht gleichlaufend mit dem Brauchwasser, sondern im Gegenstrom
zu ihm durchströmt. Dadurch wird die Wärmeübertragung wesentlich
verbessert.
Nach dem EP 0 825 386 soll das Brauchwasser in einem Behälter gespeichert
werden, dem durch Heizwasser in einer Rohrschlange, die am Boden des
Behälters eine Spirale bildet, Wärme zugeführt wird. Unmittelbar über der
Spirale ist an der Behälterwand ein Temperaturmeßfühler angeordnet,
der eine Überhitzung des Brauchwassers über den Sollwert vermeiden soll.
Derartige Temperaturmeßfühler gehören bei neuen Warmwasserbereitern
zum Stand der Technik. Sie werden in Verbindung mit einer Reglereinheit
und Stellventilen zur Verhinderung einer Überhitzung des Brauchwassers und
damit zur Verringerung der Kesselsteinbildung, aber auch zur Verhütung
einer Unterkühlung des Brauchwassers eingesetzt. Im erstgenannten Fall
wird die Zufuhr von Heizwasser durch Schließen eines Ventils unterbrochen,
im zweiten wird das Heizwassereinlaßventil geöffnet.
Im Vergleich zu den genannten Behältern haben Wärmeübertrager einen
größeren Wirkungsgrad, die aus gleichartigen Platten bestehen und zu Stapeln
zusammengefügt sind. Die Ränder der meist rechteckigen Platten sind
schüsselförmig über ihre Ebenen aufgestellt und in den Ecken sind auf einge
prägten Kegelstümpfen Durchbrüche eingeformt. Ihre Wärmetauscherflächen
sind profiliert, um die Turbulenz der zwischen den Platten fließenden Wärme
tauschermedien zu erhöhen und die Wärmetauscherflächen zu vergrößern.
Benachbarte Platten im Stapel sind zueinander um 180° in ihren Ebenen
gedreht, so daß sich ihre im spitzen Winkel zu en Achsen der Platten einge
prägten Profilierungen, deren Höhe der halben Dicke der Fließspalte zwischen
den Platten entspricht. Bei dieser Anordnung kreuzen sich die Profilierungen
benachbarter Platten, wodurch die Platten auf Abstand gehalten werden.
An den Berührungsstellen sind die gestapelten Platten verlötet oder ver
schweißt, oder die Platten werden durch Schraubverbindungen zusammenge
halten und an den Rändern mit Dichtungen versehen.
Die Fließspalte zwischen den Platten werden abwechselnd von Brauch
wasser oder Heizwasser durchströmt. Dabei wird der Gegenstrom bevor
zugt, weil dabei über die gesamte Länge der Fließspalte ein Wärmegefälle
besteht, bei Eintritt des Frischwassers zu dem weitgehend abgekühltem
Heizwasser und bei Austritt des Warmwassers zu dem einströmenden
Heizwasser.
In der DE-OS 22 14 711 ist ein solcher Plattenwärmeübertrager ohne
Profilierung der Platten dargestellt, an den ein Boiler zur Warmwasser
speicherung angeschlossen ist.
Das EP 0 837 287 hat einen solchen Plattenwärmeübertrager zum Gegen
stand, deren vier Anschlüsse für Heizwasservor- und -rücklauf sowie für
Frischwasserzu- und Warmwasserabführung auf einer Seite des Plattenstapels
angeordnet sind. Dadurch wird der Einbau in eine Therme erleichtert.
Koaxial zum Kaltwassereinlass ist ein temperaturabhängiger NTC- oder
PTC-Widerstand angeordnet, der beim Zapfen von Warmwasser auf das
einströmende Frischwasser reagiert und die Heizeinrichtung oder den
Heizwasserzufluß aktiviert.
Mit dieser Überwachungseinrichtung kann aber nicht gesichert werden, daß
dem Verbraucher beim Öffnen des Zapfhahnes sofort Warmwasser zur
Verfügung steht und nicht ausgekühltes Brauchwasser und daß das Brauch
wasser eine Solltemperatur nicht überschreitet. Das kann mit dem
bekannten Stand der Technik nur durch einen Speicherbehälter erreicht
werden, dessen Brauchwassertemperatur ständig durch Temperaturmeß
fühler überwacht und mittels einer Regeleinheit reguliert wird. Für einen
solchen Speicherbehälter ist in modernen Thermen aber nicht genügend
Platz vorhanden. Ein weiteres Problem besteht darin, daß das Heizwasser
zwischen einem Wassererhitzer und dem Warmwasserbereiter auskühlt
und dann zunächst ausgekühltes Heizwasser in den Speicher eintritt. Bei den
herkömmlichen Speichern vermischt sich dieses kalte Heizwasser mit dem
gespeicherten warmen Heizwasser und kühlt das gespeicherte warme Brauch
wasser unter die zulässige Solltemperatur ab.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Plattenwärmeübertrager so auszuge
stalten, daß er nicht nur Warmwasser bereitet, sondern bei Einhaltung
eines Solltemperaturbereiches auch speichert, auch wenn kurzzeitig
ausgekühltes Heizwasser zufließt, so daß beim Zapfen stets sofort
Warmwasser in der gewünschten Temperatur zur Verfügung steht, die
Legionellengefahr gebannt ist und Kesselsteinbildung vermieden wird.
Seine vier Anschlüsse für Heiz- und Brauchwasser sollen auf einer Seite des
Plattenwärmeübertragers angeordnet sein.
Diese Aufgabe wird erfinderisch dadurch gelöst, daß einem Plattenwärme
übertrager herkömmlicher Bauart zwischen seine verstärkten Endplatten ein
weiterer Plattenstapel nachgeordnet wird, dessen Wärmeübertragungsplatten
sich von dem ersten Stapel dadurch unterscheiden, daß sie auf der Brauch
wasserseite größere Profilierungen und damit Fließspalte aufweisen als auf
der Heizwasserseite. Auf der diesen Stapel begrenzenden Endplatte sind ein
oder mehrere Temperaturmeßfühler angeordnet, die über eine Reglereinheit
ein Stellventil für den Einlaß von Heizwasser öffnen, wenn das Brauchwasser
eine Sollwerttemperatur unterschreitet, und es schließen, wenn die Temperatur
einen weiteren Sollwert überschreitet. Als unterer Sollwert wird vorzugsweise
45°C und als oberer 60°C gewählt. Beim Öffnen des Stellventils strömt über
einen der Anschlüsse in der anderen Endplatte Heizwasser in den Plattenwär
meübertrager und erwärmt das in ihm gespeicherte Brauchwasser bis die
obere Solltemperatur erreicht ist und das Stellventil geschlossen wird.
Dadurch ist gesichert, daß das Brauchwasser stets eine Temperatur zwischen
den beiden Sollwerten hat, daß beim Zapfen keine Legionellengefahr besteht
und kein unterkühltes Brauchwasser austritt. Außerdem wird die Temperatur
nicht überschritten, bei der das Brauchwasser verstärkt Kesselstein bildet.
Ein weiterer Effekt besteht darin, daß kurzzeitige Störungen, die durch Zufüh
rung von ausgekühltem Heizwasser auftreten können, durch das im Platten
wärmeübertrager gespeicherte warme Brauchwasser überbrückt werden
können. Das gespeicherte Warmwasser wird nicht nur durch die den
Plattenwärmeübertrager umgebende Isolierung vor Auskühlung geschützt.
Die engen Fließspalte des Plattenwärmeübertragers verhindern, daß sich
ausgekühltes Heizwasser mit dem gespeicherten warmen Heizwasser mischen
und es abkühlen. Außerdem ist in dem vorrangig als Speicher dienenden
Stapel mehr warmes Brauchwasser gespeichert als Heizwasser. Sein
Speichervolumen ist so bemessen, daß das in ihm gespeicherte warme Brauch
wasser bis zum Nachströmen von heißem Heizwasser ausreicht.
Der zusätzliche Aufwand für einen zweiten Stapel Wärmeübertragungs
platten wird bei dem erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertrager teilweise
dadurch ausgeglichen, daß dem Heizwasser beim Zapfen von Warmwasser
kein kaltes Brauchwasser, sondern bereits erwärmtes Brauchwasser
entgegenströmt.
Dadurch ist es möglich, die Größe des ersten Stapels auf eine geringere Zahl
von Wärmeübertragungsplatten zu reduzieren. Aus dem gleichen Grunde
fallen bei Betrieb des vorgeschlagenen Plattenwärmeübertragers auch keine
wesentlich höheren Heizwasserkosten an.
Nach Durchlaufen des ersten Stapels wird das Heizwasser dem zweiten
Stapel an der an ihn grenzenden Endplatte zugeführt.
Das kalte Brauchwasser und der Heizwasserrücklauf werden an dem erstem
Stapel vorbeigeführt.
Um den Plattenwärmeübertrager ebenso kompakt zu machen wie andere
Plattenwärmeübertrager, bei denen alle Heizwasser und Brauchwasser
führenden Kanäle und Leitungen im Inneren verlaufen und so vor
Beschädigungen und Mißbrauch geschützt sind, werden die Wärmeüber
tragungsplatten mit sechs Durchbrüchen versehen, ausgenommen ist die letzte
Platte des ersten Stapels und die erste Platte des zweiten Stapels, die
fünf Durchbrüche erhalten, sowie die vorletzte Platte des zweiten Stapels
mit vier und die letzte Platte des zweiten Stapels mit zwei Durchbrüchen.
Die kreisförmigen Durchbrüche befinden sich auf Kegelstümpfen, die zur
einen oder anderen Seite einer Wärmetauscherplatte eingeprägt sind.
Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert:
Fig. 1 zeigt die Seitenansicht eines Plattenwärmeübertragers für Warmwas
serbereitung und -speicherung mit den Stapeln 1 und 4 und den End
platten 2 und 3. Auf der Endplatte 2 sind die Anschlüsse für Heiz
wasservor- und -rücklauf und auf der Endplatte 3 ist der
Temperaturmeßfühler 14 angeordnet.
Die unterschiedliche Breite der wellenförmigen Profilierungen auf der
Brauchwasserseite 7 und der Heizwasserseite 8 der Wärmeübertra
gungsplatten des Stapels 4 hat gegenüber dem Stapel 1 zu unterschied
lich großen Fließspalten geführt bei gleichbleibender Fließspaltdicke.
Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf eine Wärmeübertragungsplatte 5 des Stapels 4
sowie Schnitte durch die Durchbrüche 9. Drei Durchbrüche sind an
jeder Längsseite der Wärmeübertragungsplatte angeordnet. Sie sind
jeweils auf einem Kegelstumpf eingestanzt. Je drei Kegelstümpfe sind
in jede Seite der Platte eingeprägt. Die wellenförmigen Profilierungen
sind jeweils bis zur Hälfte der gewünschten Fließspaltdicke eingeprägt
Der schüsselförmig hochgestellte Rand überragt die auf der gleichen
Seite befindlichen Profilierungen und Kegelstümpfe. Die gleichen
Merkmale hat auch die in
Fig. 3 dargestellte Wärmeübertragungsplatte 6 mit dem Unterschied, daß die
Profilierungen und Kegelstümpfe in die jeweils andere Seite der Platte
eingeprägt sind und die wellenförmigen Profilierungen in eine andere
Richtung verlaufen, so daß sich die Profilierungen von benachbarten
Platten (5) und (6) im Stapel 4 kreuzen.
Fig. 4 gibt einen Überblick über die Anordnung der Endplatten 2 und 3 sowie
der Wärmeübertragungsplatten in den Stapeln 1 und 4, über die
wechselnden Richtungen der Profilierungen, über die Richtung der in
die Wärmeübertragungsplatten eingeprägten Kegelstümpfe, über die
Lage der eingestanzten und der weggelassenen Durchbrüche in den
Wärmeübertragungsplatten sowie über die Fließrichtung von Brauch
wasser und Heizwasser im Plattenwärmeübertrager. Im Unterschied
zu den anderen Wärmeübertragungsplatten 5 und 6 in den Stapeln 1
und 4, die grundsätzlich sechs Durchbrüche 9 aufweisen, haben die
Wärmeübertragungsplatten 10 und 11 fünf Durchbrüche 9, die
Wärmeübertragungsplatte 12 vier Durchbrüche 9 und die Wärmeüber
tragungsplatte 13 zwei Durchbrüche 9.
Fig. 5 stellt die Platte 13 in der Draufsicht dar, welche nur zwei Durch
brüche hat und eine Profilierung, die im Unterschied zu allen
anderen Wärmeübertragerplatten parallel zum Plattenrand verläuft
und die für Kanäle Heizwasservor- und -rücklauf verbindet. Auf der
Brauchwasserseite dieser Platte befindet sich ein breiterer Fließspalt
als bei anderen Platten. Der Plattenrand dieser Wärmeübertragungs
platte 13 ist im Gegensatz zu den anderen Wärmeübertragungsplatten
nicht schüsselförmig aufgestellt, sondern schließt im Stapel 4 am
Rand der Warmeübertragungsplatte 12 ab.
Fig. 6 zeigt in einen Schnitt durch den Stapel 4 die unterschiedlich großen
Fliefispalte für Brauchwasser und Heizwasser bei gleicher Dicke der
Fließspalte zwischen den Wärmeübertragungsplatten 5 und 6.