DE202014001515U1

DE202014001515U1 - Nachkühlschaltung eines Wärmetauschers in Trinkwassererwärmungsanlagen nach dem Durchflussprinzip

Info

Publication number: DE202014001515U1
Application number: DE201420001515
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2014-06-20
Anticipated expiration: 2024-02-21

Abstract

Nachkühlschaltung für ein Trinkwassererwärmungssystem nach dem Durchflussprinzip, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser eines mit Heizkühlrücklaufwassers beladenen Speichers (14) nach der Zapfung mit Hilfe einer Pumpe (11) durch die Heizmittelseite des Wärmetauschers gepumpt wird und diese herunterkühlt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung in Trinkwassererwärmungssystemen nach dem Durchflussprinzip, die den Wärmetauscher nach dem Zapfvorgang herunterkühlt. Das Herunterkühlen des Wärmetauschers dient zur deutlichen Reduzierung vor Zusetzen eines Wärmetauschers durch Verkalkung.
Hintergrund
Hintergrund ist die in der Praxis häufiger vorkommende Reduzierung der Leistung bzw. Betriebsdauer von Plattenwärmeübertragern durch Verkalkung der Geräte. Die Verkalkung der Plattenwärmeübertrager ist im Wesentlichen abhängig von der Beschaffenheit des Wassers, der Temperatur des Wassers sowie der Fließgeschwindigkeit. Aufgrund von hygienischen Anforderungen oder des Komforts wird das Kaltwasser in Trinkwassererwärmungssystemen nach dem Durchflussprinzip häufig so stark erwärmt, dass es zu Auskalkung kommt. Hier müssen zwei Zustände unterschieden werden, die Betriebsphase und die Stillstandsphase. Während der Betriebsphase, also während der Zapfung, können sich Kalkpartikel durch die Fließgeschwindigkeit des Wassers nicht so gut an den Oberflächen innerhalb des Wärmetauschers absetzen. Sie werden größtenteils mit dem Wasser aus dem Wärmetauscher herausgespült. Problematischer ist die Stillstandsphase, bei der das erwärmte Wasser im Wärmetauscher zum Stillstand kommt. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass der Auslauf des Trinkwassers schlagartig gestoppt wird, z. B. durch einen Einhebel-Auslaufhahn. Somit kommt auch der Wasserdurchfluss auf der Trinkwasserseite des Wärmtauschers schlagartig zum Stillstand, während der Zufluss von Warmwasser auf der Heizmittelseite erst langsam durch eine Regelung reduziert wird. Dies führt dazu, dass der Wärmetauscher bis zum Stillstand des Systems mit einer hohen Temperatur geladen wird und diese Temperatur auch auf das stillstehende Wasser auf der Trinkwasserseite abgibt. Diese Heizmitteltemperatur kann je nach Auslegung des Systems durchaus zwischen 67°C und 95°C liegen.
Erläuterung zum Grundaufbau von Trinkwassererwärmungssystemen im Durchfluss
Ein Trinkwassererwärmungssystem lässt sich in drei Segmente einteilen, erstens der Heizmittelkreis, zweitens der Wärmetauscher und drittens der Trinkwasserkreis. Der Wärmetauscher besteht aus zwei Kammern, eine Kammer für den Heizmittelkreis (im Folgenden als „Primärseite” bezeichnet) und eine Kammer für den Trinkwasserkreis (im Folgenden als „Sekundärseite” bezeichnet).
Bei Zapfung von Warmwasser an der Zapfstelle durchströmt das Kaltwasser die Sekundärseite des Wärmetauschers, nimmt Wärmeenergie aus der wärmeren Primärseite auf und wird als Warmwasser zur Zapfstelle gefördert. Die Temperatur des Warmwasseraustritts auf der Sekundärseite wird über einen Temperatursensor im Warmwasserkreis und ein Regelventil im Heizmittelkreis geregelt.
Hauptgrund für die Erfindung
Der Hauptgrund für die Erfindung ist durch zwei Effekte begründet, die sich vorwiegend zu Beginn und während der Stillstandsphase nach einem Warmwasserzapfvorgang ergeben. Zum einen gibt es auf der Sekundärseite eine kurzfristige weitere Erhöhung der Warmwassertemperatur. Grund dafür ist, dass der Wärmestrom auf der Primärseite langsam reduziert wird (typische Laufzeit bei elektrischen Stellantrieben z. B. 10–15 Sekunden), während der Sekundärvolumenstrom durch Absperren der Zapfhähne schlagartig zum Stehen kommt. Dadurch wird sekundärseitig keine Wärme mehr abgeführt und das im Tauscher stehende Wasser nimmt noch mehr Wärme vom Primärkreis an. Durch die kurzzeitige Erhöhung kann der Effekt der Auskalkung verstärkt werden. Diese Heizmitteltemperatur kann je nach Auslegung des Systems durchaus zwischen 67°C und 95°C liegen. Zum anderen können sich auf der Sekundärseite die Kalkpartikel und andere Schwebekörper während der Stillstandsphase besser an der Innenseite der Wärmetausscheroberfläche absetzen. Durch verklumpen und anhaften mit anderen Partikeln bzw. mit der Oberfläche kann dies auf Dauer dazu führen, dass diese Anhaftungen und Absetzungen nicht mehr während der Betriebsphase mit dem Wasser herausgespült werden, sondern dass diese Ablagerungen auf Dauer eher zunehmen, sich verfestigen und den Querschnitt verengen. Durch die Ablagerungsschicht und durch die Querschnittsverengung im Tauscher kommt es zu Leistungsreduzierungen und zu einer Reduzierung der Betriebsdauer des Wärmetauschers.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine technisch richtige, wirtschaftliche und praxisgerechte Schaltungslösung zu schaffen, einen verbesserten Schutz vor Verkalkung und somit eine längere Betriebsdauer für Trinkwassererwärmungssysteme im Durchfluss zu erzielen.
Beschreibung der Erfindung
Um den Kalkausfall und damit das Zusetzen des Wärmetauschers während der Stillstandsphase des Systems zu reduzieren, ist es erforderlich, dass die Temperatur im Wärmetauscher heruntergekühlt wird. Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der gattungsgemäßen Art nach der Erfindung gelöst durch eine Kühlpumpe und eine Kühlschaltung mit Kühlwasserspeicher.
Für die Erfindung ist wesentlich, dass es aus einer Kühlpumpe und einem vorgeschalteten Kühlwasserspeicher besteht, der den Wärmetauscher auf der Heizmittelseite herunterkühlt.
Der Kühlwasserspeicher wird bei Zapfung vom erkalteten Rücklauf des Heizmittelkreies durchströmt und enthält damit kühles Wasser.
Die Kühlpumpe wird bei Beenden der Zapfung eingeschaltet und baut einen Differenzdruck auf. Dieser Differenzdruck wirkt auf die Membrane im Volumenstromregler (Kombiregler) und schließt das Regelventil sehr schnell (ab ca. 0,2 bar Differenzdruck). Damit wird die Zufuhr des Tauschers aus dem Heizmittelkreisvorlauf ebenfalls sehr schnell gestoppt. Gleichzeitig entsteht durch den Differenzdruck eine Art Kühlwasserkreislauf über Pumpe, Wärmetauscher und Kühlwasserbehälter, so dass der Wärmetauscher mit Wasser aus dem Kühlwasserbehälter gespeist wird. Hierdurch wird der Wärmetauscher heruntergekühlt. Die Kühlpumpe stoppt nach einer kurzen Zeit, die abhängig vom Volumen des Wärmetauschers und von den Systemtemperaturen (SOLL/IST) festgelegt wird. Parallel dazu schließt der Antrieb das Ventil.
Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Einzelheiten ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Dabei zeigen
1 Heizmittelreglung nach bisherigem Stand der Technik
2 Prinziperläuterung der Heizmittelabsperrung durch Pumpe
3 Nachkühlschaltung mit Heizmittelspeicher, Heizmittelabsperrung durch Pumpe und Kühlkreislauf
1 zeigt an einem Beispiel die Heizmittelregelung bei einem Durchlusssystem nach dem Stand der Technik. Die Schaltung besteht im Wesentlichen aus einem Wärmetauscher (5) mit zwei Kammern, der Primärseite und der Sekundärseite. An der Primärseite sind der Heizmittel-Vorlauf (1) und der Heizmittel-Rücklauf (2) angeschlossen, an der Sekundundärseite sind die Anschlüsse für das eintretende Kaltwasser PWC (3) sowie das austretende Warmwasser PWH (4). Die Temperaturregelung des Warmwassers kann auf unterschiedliche Art und Weisen erfolgen. In dem Beispiel der möglichen Ausgestaltung aus 1 erfolgt die Temperaturregelung mit Hilfe eines Volumenstromreglers (7) mit elektrischem Antrieb (6), welches die Temperatur mit Hilfe der Sensorinformationen eines Wasserströmungssensors (17) und mit Hilfe eines Temperatursensors (18) auf der Warmwasserseite ausregelt. Nachteilig an dieser Schaltung ist die lang andauernde Stellzeit des Regelventils im Verhältnis zur kurzen schnellen Abschaltung der Trinkwasserzapfung. Wenn nach der Zapfung der Heizmittelvolumenstrom nicht ebenfalls schnell abgeschaltet wird, dann wird der Wärmetauscher noch voll beladen und durchgewärmt – mit dem Nachteil des Kalkausfalls und der verkürzten Nutzungsdauer des Tauschers. Bei Zapfung ist das Regelventil auf und regelt die Trinkwarmwassertemperatur über den Volumenstrom des Heizmittels. Wird am Ende der Zapfung der Trinkwasserauslauf schlagartig gestoppt, dann ist das Ventil evtl. noch weit geöffnet und muss über den Regelantrieb geschlossen werden. Wenn beispielsweise das Regelventil zum Zeitpunkt der Schließung noch zu ca. 70% geöffnet ist, dann kann die Stellzeit des elektrischen Stellantriebs noch ca. 10 Sekunden dauern. In dieser Zeit wird je nach Energieerzeugung zwischen ca. 67°C und ca. 95°C Heizmitteltemperatur im Tauscher eingespült. Dieses warme Heizmittelwasser erwärmt im Wärmetauscher auch die Trinkwasserseite auf annähernd dieses Temperaturniveau, weil auf der Trinkwasserseite durch fehlende Zapfung die Wärme nicht abtransportiert wird. Dies bedeutet wiederum, dass bei der nächsten Zapfung dieses sehr heiße Wasser zur Zapfstelle gelangen kann und unter ungünstigen Umständen auch zu Verbrühung führen kann. Darüber hinaus begünstigt diese hohe Temperatur den Kalkausfall im stehenden Wasser innerhalb des Wärmetauschers.
2 zeigt an einem Beispiel den ersten Teil der Realisierung der technischen Erfindung. Es zeigt eine mögliche Ausgestaltung der schnellen Heizmittelabsperrung am Ende der Zapfung mit Hilfe einer Pumpe. Dies geschieht wie folgt: Der Wasserströmungssensor (17) erkennt den Schließvorgang der Warmwasserzapfung. Diese Information wird dazu verwendet, die Umwälzpumpe (11) zu starten. Durch die Umwälzpumpe wird ein Differenzdruck aufgebaut. Hierdurch wird die Membran (7) des Volumenstromreglers geschlossen und der Heizmittelvolumenstrom (1) gestoppt, auch wenn der Antrieb (6) noch länger für die Schließung benötigt. Um dies zu ermöglichen, ist eine Rohrverbindung (8) zwischen dem Impulsanschluss des Volumenstromreglers und der Druckseite der Pumpe verbaut. Über ein T-Stück (10) und eine Verbindung (8 u. 9) zur Heizmittelleitung wird ein Kreislauf für die Pumpe geschaffen.
3 zeigt an einem Beispiel die Realisierung der technischen Erfindung. Zusätzlich zum Schließvorgang soll die Umwälzpumpe (11) dazu genutzt werden, dass der Wärmetauscher (5) sich abkühlt, um so das Verkalkungsrisiko des Wärmetauschers (5) zu reduzieren und gleichzeitig einen besseren Verbrühungsschutz zu gewährleisten. Hierzu wird ein mit Heizmittelrücklaufwasser (2) beladener Speicher (14) verwendet. Der Speicher wird wegen des zusätzlichen Leitungswiderstands (12) während der Zapfung mit Heizmittelrücklaufwasser durchflutet. Der Wasserströmungssensor (17) erkennt den Schließvorgang der Warmwasserzapfung. Die Umwälzpumpe (11) wird gestartet und schließt wie in 2 beschrieben die Membran (7) des Durchgangsventils und fördert gleichzeitig über eine Leitung (15) das gekühlte Heizmittelwasser aus dem Speicher (14) nochmals durch den Wärmetauscher und kühlt diesen damit herunter. Das Volumen des Speichers (14), die Förderleistung der Pumpe (11) und das Volumen des Tauschers (5) sind aufeinander abgestimmt. Die Pumpe schaltet aus, sobald der Wärmetauscher genügend heruntergekühlt wurde und wenn der Regelantrieb des Volumenstromreglers komplett geschlossen ist.

Claims

Nachkühlschaltung für ein Trinkwassererwärmungssystem nach dem Durchflussprinzip, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser eines mit Heizkühlrücklaufwassers beladenen Speichers (14) nach der Zapfung mit Hilfe einer Pumpe (11) durch die Heizmittelseite des Wärmetauschers gepumpt wird und diese herunterkühlt.
Nachkühlschaltung für ein Trinkwassererwärmungssystem nach dem Durchflussprinzip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizmittelvolumenstrom mit Hilfe des Differenzdrucks der Pumpe durch Wirkung auf die Membrane (7) eines Regelventils geschlossen wird, damit sich hydraulisch ein Kühlkreislauf einstellen kann.
Nachkühlschaltung für ein Trinkwassererwärmungssystem nach dem Durchflussprinzip nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher (14) zusammen mit einem Leitungswiderstand (12) in der Art hydraulisch in den Heizmittelkreislauf eingebunden ist, so dass dieser Speicher (14) von Heizkühlrücklaufwasser durchströmt wird.