DE2225770A1

DE2225770A1 - Elektronische Steuer und Regelvor richtung mit Proportionalbetatigung fur Gerate zur sofortigen Erzeugung von Warm wasser mit variabler Leistung

Info

Publication number: DE2225770A1
Application number: DE19722225770
Authority: DE
Inventors: Jean Claude Saint Maur Charron (Frankreich)
Original assignee: Saunier Duval SA
Current assignee: Saunier Duval SA
Priority date: 1971-05-26
Filing date: 1972-05-26
Publication date: 1972-12-07
Also published as: US3815813A; NL7205860A; DE2225770C2; FR2138436B1; FR2138436A1; GB1379500A; IT955742B; ES402199A1

Description

SAUITIER DUVAL, 17, rue Guillaume Teil, Paris 17e

Frankreich

Elektronische Steuer- und Regelvorrichtung mit Proportionalbetätigung für Geräte zur sofortigen. Erzeugung von Warmwasser mit variabler !leistung

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur sofortigen Erzeugung von Warmwasser mit variabler Leistung wie gas- oder elektrisch beheizte Warmwasserbereiter, Kessel, Durchlauferhitzer mit gemischtem Betrieb und ist insbesondere auf eine neue elektronische Steuer- und Regelvorrichtung mit progressiven oder modulierender Betätigung bzw. Wirkung v/ocPurch ermöglicht wird

- in Punktion eines Produktes aus zwei Parametern, von denen der eii^e die Temperatur des erzeugten Warmwassers ist, die von Hand auf einen festen, vorher gewählten Viert eingestellt ist, und von denen der andere der Momentanwert der Leistung

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bzw. der Durchlaufmenge ist, die sich in Punktion von den je- ■ weiligen Bedarf ändern kann,

- im Falle von Gasgeräten mit variabler Leistung den Gasdurchsatz zum Brenner zu steuern, wobei dessen Leistung bzw. die von ihm gelieferte. Wärmemenge in kontinuierlicher und in Momentanwerten Rechnung tragender Weise geregelt wird,

- und im Falle von elektrischen Geräten die Stromzufuhr zu dem elektrischen Heizelement zu steuern.

Man weiß, daß bei gasbetriebenen Geräten zur sofortigen Erzeugung von Warmwasser mit varia.bler Leistung, wenn man ein System der Regulierung des Gasdurchsatzes, zum Zwecke der Konstanthaltung der Temperatur des für Haushaltsbedarf bestimmten Wassers auf einen konstanten, vorbestimmten Wert durchführen will, wenn die Entnahmemenge in einem ziemlich großen Verhältnis schwankt, im allgemeinen mehr oder minder erhebliche Temperaturabweichungen nicht"zu vermeiden sind bei jeder Übergangsperiode, die sich bei einer plötzlichen oder raschen Änderung der Entnahmemenge ergibt. Dies liegt am Vorhandensein einer thermischen Trägheit, die relativ erhöht ist auf das ITiveau der Heiz- oder Wärmeaustauscherkörper, und an der Ansprechzeit der Temperaturfühl- oder Messvorrichtungen. Diese beiden Faktoren, nämlich die thermische Trägheit und die Ansprechzeit, führen zu einer Verzögerung oder einer erheblichen Verschiebung zwischen der Wirkung und der Ursache bzw» der Veranlassung, das heißt zwischen dem Befehl, der durch die Regelung im Hinblick auf die Gasdurchsatzmenge des Brenners gegeben wird, und dem Ergebnis, das hinsichtlich der Temperatur erzielt wird bei einer erheblichen Punpleistung der Regelung.

Im übrigen ist bei allen bekannten Geräten nach Art von gasbetriebenen 'Jarmwasserbereitern oder Durchlauferhitzern mit

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gemischtem Betrieb die Punktion, die die Gaszufuhr zum Brenner allein veranlasst, wenn die Entnahme einer bestimmten Wassermenge erfolgt, immer gewährleistet durch eine hydromechanisch^ Vorrichtung von der Art einer Differentialmembran, die Glieder aufweist, die sich gegenüber !Dichtungsvorrichtungen verschieben, ,deren Betriebssicherheit mittelmäßig ist wegen Problemen des Verschleißes und der Abnutzung, die diese Vorrichtungen aufwerfen.

Außerdem verursacht insbesondere in den Durchlauferhitzern mit gemischtem Betrieb und mit eingebautem Austauscher für Sanitärwasser die Änderung der Durchflußmenge im "Wärmeaustauscher eine Änderung der Temperatur des Sanitär- bzw. des Verbrauchswassers, selbst wenn die Temperatur des Wassers des Heizkreises äußerst konstant ist.

Ebenso ist bei den Geräten von der Art elektrischer Durchlauferhitzer die Punktion, die die Stromzufuhr zum Heizelement veranlaßt, im allgemeinen durch eine thermostatische Vorrichtung gewährleistet, die recht und schlecht funktioniert und eine sehr erhebliche Ternperaturdifferenz hervorruft.

Die obigen !Tachteiüe der bekannten Steuer- und Regelvorrichtungen für Geräte zur augenblicklichen Erzeugung von Warmwasser mit konstanter Leistung bilden eine Störung bei ihrer Entwicklungj und "man wird folglich den Wert einer neuen industriellen Errungenschaft _ besonders gut beurteilen können, die auf der vor-Ii" og end en Erf ir dung beruht, da bei Anwendung der Erfindung diese beiden Sachteile vollständig ausgeschaltet .werden.

!lach einem ersten Merkmal der vorliegenden Erfindung - ordnet man zunächst am Eingang des zu Haushaltszwecken be-

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stimmten Kaltwassers des Warmwasserbereiters oder Durchlauferhitzers mit gemischtem Betrieb ein LIessorgan für die Durchlaufmenge an, 'dessen Besonderheit darin besteht, den Parameter "Entnahmemenge" in Form von Impulsen darzustellen, deren Wiederkehrfrequenz oder Wiederholungsfrequenz proportional zur Entnahmemenge ist, wobei dieses Organ durch ein Flügelrad oder durch eine Turbine gebildet sein kann, die durch den Durchgang des Wassers in Drehung versetzt wird gemäß dem Gesetz des proportionalen Zusammenhangs zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und der Durchlaufmenge und in der eine oder mehrere kleine Magneten angeordnet sind, deren Rolle darin besteht, aus der Entfernung, das heißt durch die Wandung des des Schsufelrad umgebenden Gehäuses hindurch, das Aulösen oder Funktionieren eines magnetischen Steuerkontaktes vom Typ ".Reed" gemäß einer zur Drehgeschwindigkeit des Rades proportionalen Frequenz zu verursachen.

- Man ordnet dann an einer passenden Stelle des Kreises des Warmwasserausgangs des Gerätes oder des Kreises des das Warmwasser erzeugenden Wärmeaustauschers einen Temperaturfühler von der Art eines an sich bekannten Thermistors an, indem man in an sich bekannter Weise die Spannungsänderung, die hervorgerufen wird durch die Änderung des Widerstandswertes des Thermistors mit der Temperatur, dazu benutzt, durch Vergleich mit einer vr^n Hand einstellbaren und durch Potentiometer gelieferten Bezugs spannung eine variable Spannungsdifferenz zu erhalten, deren Wert eine Funktion der Abweichung zwischen der Wassertemperatur an der Stelle des Messfühlers und dem Wert darstellt, den man durch die Temperaturregulierung gewählt hat.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung wandelt man die obire variable Spannungsdifferenz in Spannungs- oder Stromimpulse von der Form von •Sägezähnen oder Rechteckimpulsen um, deren Dauer

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mm, J —

oder deren Breite proportional dem Momentanwert der Spannungsdifferenz ist, die durch den Temperaturfühler geliefert wird, und man richtet dies so ein, daß die Auslösung jedes Impulses in Sägezahn- oder Rechtecksignalform, dessen Länge proportional zu dem Spannungsunterschied ist, der durch den Temperaturfühler geliefert wird, hervorgerufen wird durch den Durchgang jedes der Impulse, die geliefert werden durch die Durchgangsmengenmeßvorrichtung und deren Durchgangsfrequenz proportional zur Durchlaufmenge ist.

Diese Vorrichtung ermöglicht die Gewinnung elektrischer Signale in der Form einer Folge von Rechteckimpulsen, deren Wiederholungsoder Wiederkehrfrequenz proportional ist "'zur Wasser entnahmemenge und deren relative Breite, das heiSt die Dauer jedes Rechteckimpulses im Hinblick auf die Dauer des Taktes, der zwei aufeinanderfolgende Impulse trennt, proportional zu dem Produkt q χ &Θ ist, wobei q die Wasserdurchlaufmenge unc¹ Δ O die Temperaturabweichung im Hinblick auf die eingestellte Temperatur ist.

Andere Merkmale der Erfindung ergeben sich im Laufe der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert wird. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teils eines Durchlauferhitzers zur Veranschaulichung der Verbindung zwisehen zwei Signalen, die von einem Durchflußmengenmesser bzw. von einem Temperaturfühler ausgehen;

Fig. 2 verschiedene grafische Darstellungen der Form der von den Meß-,bzw. Fühlvorrichtungen gelieferten Signale.

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Von dem als Beispiel in Fig. 1 abgebildeten Gerät von der Art eines gasbetriebenen Durchlauferhitzers mit gemischtem Betrieb sind ein Heizkörper 1, ein Brenner 2 und zwei Kreise dargestellt, nämlich ein Kreis A, d£r den Heizkreis bildet, und ein Kreis B, der den Entnahmekreis für zum Verbrauch bestimmtes Warmwasser bildet.

Ein Durchflußmengenmesser 3 wird durch ein Flügelrad oder durch eine Turbine gebildet, die in dem Kreis E auf der Seite der Kaltwasserzufuhr angebracht ist und die in Umlauf versetzt wird durch den Durchgang von Wasser, sobald eine Wasserentnahme stattfindet, und deren Ausbildung derart getroffen ist, daß sie Impulse erzeugt, deren Wiederholungs- oder Wiederkehrfrequenz proportional zu der Entnahmemenge ist. Kleine Magnete, die in der Turbine eingesetzt sind, können in diesem Sinne das Auslösen und die Betätigung eines magnetischen Steuerkontaktes vom Typ "Heed" gemäß einer zur Drehgeschwindigkeit des Rades proportionalen Frequenz veranlassen. Der Mengenmesser 3 kann auch aus jeder anderen Vorrichtung bestehen, die eine elektromotorische Kraft aufgrund einer Bewegung eines strömungsfähigen Mediums hervorruft.

Der Temperaturfühler oder die Temperaturmeßvorrichtung 4, die aus einem Thermistor oder einer analogen Vorrichtung besteht, ist an der Leitung des Warmwasserausgangs des Kreises A an passender Stelle angebracht, wo vorzugsweise die Temperatur des austretenden Warmwassers gemessen wird.

Die Meßvorrichtungen bzw. Fühler 3» 4 sind elektrisch an einen 'Multiplikator 5 angeschlossen, auf den wiederum ein Integrator folgt.

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Es sei darauf hingewiesen, daß einer Anzeige der Durchflußinenge die Frequenz eines Signals von rechteckiger Form entspricht und daß der Temperaturabweichung die' Ereite des Rechtecksignals entspricht. Wenn mit T die Temperatur des kalten Wassers bezeichnet ist, das in den Entnahmekreis des sanitären Wassers ein tritt, mit T die Ausgangstemperatur des Warmwassers und mit T eine Solltemperatur bezeichnet wird, die einer von Hand eingestellten Bezufsterippr;?tur entspricht, so läßt sich die Beziehung feststellen, öaZ Δ Θ = T - T , wodurch die Temperaturerhöhung zwischen dem Kaltwasser und dem Warmwasser bezeichnet wird.

Die Differenz T - T stellt die Abweichung oder den Irrtum C-zwischen der Solltemperatur und der Ausgangstemperatur dar.

Für die dem Durchlauferhitzer zugeführte Leistung zum Anheben der Wassertemperatur T auf den Wert T_ läßt sich die Formel

ο s

angeben: P= (T - T) χ q, und bei Berücksichtigung der Ab-

SO"

weichung oder des Irrtums erhält man: P= (Δ Θ ⁺ /S/) x p.

Wenn der Wert von£ gegen Null geht, ist die Regulierung erreicht, und es ist T₀ = T. Die Leistung des Brenners entspricht dann gerade der Leistung, die notwendig ist, um die Wassertemperatur auf die Solltemperatur anzuheben.

Ein Kreis 7, der an den Multiplikator angeschlossen ist, wie man Fig. 1 entnehmen k?nn, liefert die Summed +AQ . Die Keßvorrichtung 3 liefert den V/ert der Was serdur chgang smenge q; der Fühler A liefert die Temperaturabweichung: £-+ Δ θ ; der Multiplikator 5 liefert den v/irksamen Wert des Produktes P = q χ (4 0 +£ ), und der Integrator 6 errechnet und liefert ein zu dem Produkt proportionales Signal.

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Fig. 2 veranschaulicht die allgemeine Form der Signale.

Das Schaubild a zeigt die Art der Anzeige des Ilengenmessers 3, das heißt regelnlässige Impulse, die von der Typing für eine bestimmte Wasserdurchsatzmenge geliefert wird. Das Schaubild b zeigt die Form von Rechtecksignalen, die ausgehen von dem Multiplikator für eine Durchsatzmenge wie diejenige, die bei a gezeigt ist, das heißt im Falle der gezeigten Figur, daß^Q eine Halblange der Periode9" darstellt. Es wird darauf hingewiesen, daß die Darstellung in Form von-Rechtecksignalen lediglich als Beispiel zu werten ist, und es ist leicht einzusehen, daß die Impulse in gewissen Fällen in anderer Form dargestellt sein können.

Wenn der Unterschied bzw. die Abweichung zwischen der Temperatur T₀ und T zunimmt, ergeben sich zwei Fälle:

S C

T / T : Das Rechtecksignal verengt sich

T "> T : Das Rechtecksignal verbreitert sich

Man befindet sich folglich im Falle der Figur des Schaubildes c, das heißt, daß sich bei konstanter Wasserdurchsatzraenge die Wiederholungsfrequenz der Impulse nicht geändert hat und allein die Breite der Rechtecksignale durch die Änderung der Temperatur beeinflußt ist.

Das Schaubild d zeigt die Impulse des I-Iengenmessers 3, wenn der Wasserdurchsatz verdoppelt ist im Vergleich zu den Fällen der vorhergehenden Figuren (Periode^T/2).

Das Schaubild e zeigt nun die Form eines Rechteckimpulses entsprechend einem Wert ^ 0 , der identisch ist mit dem Wert Λ Θ

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des Schaubildes b. Es besteht Proportionalität zwischen der Breite dieses. Reclitecksignals und der Periode j /2, wie ..im Palle der Schaubilder a und b.

Die Kodulierung der Breite der. elektrischen Signale, die so in Abhängigkeit von dem Produkt der beiden Parameter erhalten werden., die, wie man sich erinnert, einerseits die Temperatur des erzeugten Warmwassers und andererseits den Komentanwert der Entnahmemenge darstellen, wird direkt dazu verwendet, - sei es in Gasgeräten - um eine Änderung der den Brenner zugeführten Gasdurchsatzmenge zu veranlassen mittels eines derartigen Gassteuer-Elektroventils wie dasjenige, das in der Patentanmeldung P 22 05 291.1 der Anmelderin vom 4. 2. 1972 beschrieben ist, sei es in elektrischen G-eräten - um die. Stromversorgung des Heizelementes zu modulieren durch Triac -, Thyristor- oder Transistorsteuerung oder unter Benutzung eines anderen geeigneten Halbleiters.

Außerdem kann man, wenn man den Gewinn jeder der beiden Regelschleifen sich unabhängig ändern läßt, die die Durchsatzmengen- und Temperaturparameter bilden, so die Temperaturänderung des sanitären oder abgeleiteten Wassers kompensieren, die sich ergeben kann, wenn eine Änderung der Durchsatzmenge im Wärmeaustauscher erfolgt, sogar wenn die Temperatur des Heizwasserkreises äußerst konstant ist.

j - Patentansprüche -

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Claims

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Patentansprüche

YJ Elektronische Steuer- und Regelvorrichtung mit progressiver und modulierender Wirkung für Geräte zur sofortigen. Erzeugung von Warmwasser mit variabler Leistung, deren Zufuhr an Wärmeenergie für das Heizelement an.die Erzeugung elektrischer Signal in der Form einer Folge von Rechteckimpulsen gebunden ist, dadurch -gekennzeichnet , da3 einerseits die Frequenz der Signale von einem ersten Parameter und deren Breite von einen zweiten Parameter abhängt, wobei der erste Parameter zur Warmwasser entnahme proportional ist sowie durch einen Mengenmesser (3) geliefert wird und v/ob ei der .zweite Parameter zu einer durch einen Temperaturfühler (4) gelieferten Temperaturabweichung proportional ist, wobei diese beiden Parameter jeweils eine Regelschleife bilden, und daß andererseits die Auslösung jedes Signals, dessen Breite A Q proportional zu der durch den Temperaturfühler gelieferten Spannungsdifferenz ist, durch den Durchgang jedes der Impulse verursacht wird, die von dem Mengenmesser geliefert werden.
2. Steuer- und Segelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g. e ~ kennzeichnet , daß der Mengenmesser (3), der am Eingang (B) des sanitären Kaltwassers des Gerätes angeordnet ist, den Entnahinemengenparameter in Gestalt von Impulsen stellt, deren Wiederholungsfrequenz der Entnahmemenge infolge der Tatsache proportional ist, daß ein Flügelrad oder eine Turbine durch den Durchgang des Wassers gemäß einer proportionalen Beziehung zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und der Durchflußmenge in Drehung versetzt wird, aufgrund kleiner im Inneren angeordneter Ksgnete, deren Aufgabe darin besteht, im Abstand eine Auslösung eines magnetischen Steuerkontaktes gemäß einer zur Drehgeschwindigkeit des Rades proportionalen Frequenz hervorzurufen.

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3. Steuer- und Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Temperaturfühler (4) nach Art eines Thermistors, der an einer passenden Stelle des Kreises (A) des WariTivrasserausgangs des Gerätes angeordnet ist, die Spannungsänderung benutzt, die hervorgerufen wird durch die Änderung des Widerstandswertes des Thermistors mit der Temperatur, um durch Vergleich mit einer mittels eines Potentiometers lieferbaren, von Hand einzvistellenden Bezugsspannung eine variable Spannungsdifferenz zu erhalten, deren Wert eiiie !Funktion der Abweichung zwischen der Wassertemperatur an der Stelle des Meßfühlers und dein Wert ist, den man für die Tenperaturregulierung gewählt hat.
4. Steuer- und Hegelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man den Gewinn jeder der beiden Regelschleifen sich unabhängig ändern lassen kann, wodurch ermöglicht wird, die Ableitung des Austauschers auszugleichen.

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