DE19906180C2 - Plattenwärmeübertrager für Warmwasserbereitung und -speicherung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeübertrager für Warmwasserbereitung und -speicherung mittels Heizwasser, der aus rechteckigen Wärmeübertra­ gungsplatten besteht, die zwischen zwei Endplatten gestapelt sind, jeweils einen schüsselförmig hochgestellten Rand haben, in die wellenförmige Profilierungen eingeprägt sind, wobei sich die Profilierungen bei benachbarten Wärmeübertragungsplatten kreuzen, die in den Ecken zur einen oder anderen Seite der Wärmeübertragungsplatten eingeprägte Kegelstümpfe aufweisen mit Durchbrüchen auf gemeinsamen Achsen und die an den Berührungsstellen der Platten verlötet oder verschweißt sind. Derartige Plattenwärmeübertrager werden vorzugsweise im Gegenstrom vom Heiz- und Brauchwasser durchflossen.

Bekannte Warmwasserbereitungsanlagen bestehen grundsätzlich aus Wärme­ übertrager und Speicher.

In der DE 26 05 994 A1 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. Es ist bekannt, 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 36 22 139 A1 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 40 35 115 A1 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 43 00 292 A1 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 A1 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 197 21 745 C1 vorgesehen, das Brauchwasser des Innenraumes in einer Wendel im Gegenstrom durch das Heizwasser zu führen.

Mit dem EP 0 819 892 A2 wird ein in EP 0 178 351 A1 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 A2 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 verhindern soll. Derartige Temperaturmeßfühler gehören bei neuen Warmwasserbereitern zum Stand der Technik. Sie werden in Verbindung mit einem Regler zur Verhinderung einer Überhitzung des Brauchwassers und damit zur Verringe­ rung 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 ihren Ebenen aufgestellt und in den Ecken sind auf einge­ prägten Kegelstümpfen Durchbrüche eingeformt wie in EP 0 742 418 A1 dar­ gestellt. Sie haben Lamellen oder andere Einsätze oder ihre Wärmetauscher­ flächen sind profiliert, um die Turbulenz der zwischen den Platten fließenden Wärmetauschermedien zu erhöhen und die Wärmetauscherflächen zu ver­ größern.

Benachbarte Platten im Stapel sind zueinander um 180° in ihren Ebenen gedreht, so daß sich ihre im spitzen Winkel zu den Achsen der Platten einge­ prägten Profilierungen kreuzen. Dadurch werden die Platten auf Abstand gehalten und Fließspalte gebildet für die Wärmetauschermedien.

An den Berührungsstellen sind die gestapelten Platten verlötet bzw. ver­ schweißt oder die Platten werden durch Schraubverbindungen zusammen­ gehalten und an den Rändern mit Dichtungen versehen.

In Plattenwärmeübertragern zur Warmwasserbereitung werden die Fließspalte abwechselnd von Brauchwasser oder Heizwasser durchströmt. Dabei wird Gegenstrom bevorzugt, 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 ein­ strömenden Heizwasser.

In der DE 22 14 711 A1 ist ein solcher Plattenwärmeübertrager ohne Profilierung der Platten dargestellt, an den ein Boiler zur Warmwasser­ speicherung angeschlossen ist.

Das EP 0 837 287 A1 hat einen Plattenwärmeübertrager zum Gegenstand, 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 auszugestal­ ten, daß er nicht nur Warmwasser bereitet, sondern bei Einhaltung eines Soll­ temperaturbereieches auch speichert, auch wenn kurzzeitig ausgekühltes Heiz­ wasser zufließt, so daß beim Zapfen stets sofort Warmwasser 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 verstärkten Endplatten ein weiterer Plattenstapel nachgeordnet wird, dessen Wärmeübertragungsplatten sich von denen des ersten Stapels dadurch unterscheiden, daß in die Brauch­ wasserseite breitere wellenförmige Profilierungen eingeprägt sind als in die Heizwasserseite, wodurch für das Brauchwasser in den Fließspalten ein größeres Volumen zur Verfügung steht als für das Heizwasser.

Auf der diesen Stapel begrenzenden Endplatte sind ein oder mehrere Tempe­ raturmeßfühler angeordnet, die über eine Reglereinheit ein Stellventil für den Einlaß von Heizwasser öffnen, wenn das Brauchwasser eine Sollwerttempe­ ratur unterschreitet, und es schließen, wenn die Temperatur einen weiteren ren 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 Plattenwärmeübertra­ ger und erwärmt das in ihm gespeicherte Brauchwasser bis die obere Solltem­ peratur 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 Zuführung 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 aus­ gekühltes Heizwasser mit dem gespeicherten warmen Heizwasser mischen und es abkühlen. Dazu trägt auch bei, daß dieser Stapel vorrangig als Speicher für warmes Brauchwasser dient. Sein Volumen ist so bemessen, daß das in ihm gespeicherte warme Brauchwasser bis zum Nachströmen von heißem Heizwasser ausreicht.

Der höhere Aufwand für einen zweiten Stapel Wärmeübertragungsplatten 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 Plattenwärmeüber­ tragers 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 und bilden Kanäle für Heizwasser und Brauchwasser. Sie verlaufen im Inneren des Plattenwärmeübertragers und sind so vor Beschädigungen und Mißbrauch geschützt.

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. Sie hat nur zwei Durch­ brüche und nur eine Profilierung, die parallel zum Plattenrand verläuft und die Kanäle für Heizwasservor- und -rücklauf verbindet. Mit der benachbarten Endplatte schließt sie einen großen Fließspalt ein, der mehr Brauchwasser speichern kann als andere Fließspalte in diesem Stapel. Der Plattenrand dieser Wärmeübertragungs­ platte 13 ist im Gegensatz zu den anderen Wärmeübertragungsplatten nicht schüsselförmig aufgestellt, sondern schließt im Stapel 4 am Rand der Wärmeübertragungsplatte 12 ab.

Fig. 6 zeigt in einem Schnitt durch den Stapel 4 die unterschiedlich großen Fließspalte für Brauchwasser und Heizwasser bei gleicher Dicke der Fließspalte zwischen den Wärmeübertragungsplatten 5 und 6.

Claims (5)

1. Plattenwärmeübertrager für Warmwasserbereitung und -speicherung mittels Heizwasser, mit rechteckigen zwischen zwei Endplatten gestapelten Wärmeübertragungsplatten, die jeweils einen schüsselförmig hochgestell­ en Rand haben und in die wellenförmige Profilierungen eingeprägt sind, wobei sich die Profilierungen bei benachbarten Wärmeübertragungsplatten kreuzen, die in den Ecken zur einen oder anderen Seite der Wärmeübertra­ gungsplatten eingeprägte Kegelstümpfe aufweisen mit Durchbrüchen auf gemeinsamen Achsen und die an den Berührungsstellen der Platten verlötet oder verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den End­ platten (2, 3) zwei unterschiedlich ausgebildete Plattenstapel angeordnet sind, wobei die Wärmeübertragungsplatten des einen Plattenstapels (4) auf der Brauchwasserseite breitere Profilierungen und damit die Fließspalte einen größeren Querschnitt aufweisen als auf der Heizwasserseite, wogegen die Profilierungen und Fließspalte der Wärmeübertragungsplatten des zweiten Plattenstapels (1) auf der Brauchwasserseite und auf der Heizwasserseite gleich groß sind.

2. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsplatten in den Stapeln (1) und (4) deckungsgleich sechs Durchbrüche (9) haben mit Ausnahme der letzten Platte (10) des Stapels (1) und der ersten Platte (11) des Stapels (4) die fünf Durchbrüche haben, sowie der vorletzten Platte (12) des Stapels (4) mit vier Durch­ brüchen und der letzten Platte (13) des Stapels (4) mit zwei Durchbrüchen.

3. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die letzte Platte (13) des Stapels (4) nur eine Profilierung eingeprägt ist, die parallel zur Längsseite der Platte (13) verläuft und die Kanäle für Heizwasservor- und -rücklauf verbindet, die durch die mit Durchbrüchen versehenen Kegelstümpfe der Wärmeübertragungsplatten (5) und (6) gebildet werden.

4. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierungen einen sinus-, halbkreis- oder trapezförmigen Quer­ schnitt haben und mit Ausnahme der Profilierung in der letzten Platte (13) des Stapels (4) wellenförmig in die Wärmeübertragungsflächen eingeprägt sind.

5. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Endplatte (3) ein oder mehrere Temperaturmeßfühler (14) angeordnet sind.