DE2851169A1

DE2851169A1 - Vorrichtung zur warmwasserbereitung

Info

Publication number: DE2851169A1
Application number: DE19782851169
Authority: DE
Inventors: Claude Morin
Original assignee: Pechiney Ugine Kuhlmann SA
Current assignee: Pechiney Ugine Kuhlmann SA
Priority date: 1977-11-29
Filing date: 1978-11-27
Publication date: 1979-05-31
Also published as: GR61553B; IL56051A; DE2851169C2; FR2402841B2; DE7835177U1; FR2402841A2; IT7830257A0; PT68835A; IT1160277B; IL56051A0; ES475536A2

Description

PATENTANWÄLTE

WUESTHOFF - ν. PECHMANN - SEHREN3 - GOET2

PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE MANOATAiREs agr££s pres l'office european des brevets

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D^-rNG. FRANZ TUESTHOFF Di. PHIL. FREDA WUESTHOFF (1527-1556) DI PL.-ING. GERHARD PULS (1952-1571) DrFL-CHEM. DR. E. FREIHERR VON PECHMANN DR.-ING. DIETER BEHRENS DIPL.-ING.; DrPL.-VIRTSCH.-ING. RUPERT GOETZ

D-8000 MÜNCHEN SCHWEIGERSTRASSE telefon: (089) 66 ίο telegramm: protectpatent telex: 524070

1A-51 511

PATENTANMELDUNG

Anmelder : PECIIINEY UGINE KUHLIiMN 23, rue Balzac 75 008 PARIS
FRAlNiKHEICH

Titel

: Vorrichtung zur Warmwasserbereitung

909822/0808

PATENTANWÄLTE

WUESTHOFF - ν. PECHMANN - BEHRENS - GOETZ

PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE

MANDATAiREs agrees PRES l'office european des brevets

D.l.-ING. FRANZ WUESTHOFF

Ό1, PHIL. FREDA TCUESTHOFF (1927-I9J6)

DIPL.-ING. GERHARD PULS (1952-I971) DIPL.-CHEM. DR. E. FREIHERR VON PECHMANN DR.-ING. DIETER BEHRENS DIPL.-ING.; DIPL^IRTSCH.-ING. RUPERT G0ET2

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j-^IRTSCH.-ING. RUI

D-8000 MÜNCHEN SCHWEIGERSTRASSE 2

telefon: (089)6620 ji telegramm! protectpatent telex: 524070

Anm: Pechiney Ugine Kuhlmann

Be Schreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bereitung von Warmwasser unter Ausnutzung der Sonnenenergie.

Bekannt ist ein Verfahren zur Warmwasserbereitung ausgehend von zwei Energiequellen, nämlich'Sonnenenergie und elektrische Energie, bei dem die Sonnenenergie sehr weitgehend ausgenutzt und der Verbrauch an elektrischer Energie auf ein Minimum zurückgedrängt wird. Zur Durchführung dieses Verfahrens dient eine Vorrichtung, die im wesentlichen aus zwei hintereinander geschalteten Wasserbehältern besteht; der erste Behälter wird über einen Wärmeaustauscher durch Sonnenenergie beheizt, der zweite Behälter wird elektrisch beheizt. Auf diese Weise wird das in den ersten Behälter eintretende kalte Wasser zunächst mit Sonnenenergie vorerwärmt und dann im zweiten Behälter mit Hilfe elektrischer Energie auf höhere Temperatur gebracht. Mit Hilfe einer Pumpe kann das Wasser in geschlossenem Kreislauf zwischen den beiden Behältern geführt werden, um in manchen Fällen die Wassertemperaturen in beiden Behältern auszugleichen.

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Der Warmwasserkreislauf kann dabei über eine thermostatisch gesteuerte Mischbatterie gleichzeitig mit beiden Behältern verbunden werden. Auf diese Weise kann das Wasser aus dem mit Sonnenenergie beheizten Behälter entweder unmittelbar mit der herrschenden Temperatur genutzt werden oder es wird mit heisserem V/asser aus dem elektrisch beheizen Behälter vermischt. Andererseits kann gegebenenfalls auch die Temperatur des Wassers aus dem mit Sonnenenergie beheizten Behälter durch Zufuhr von kaltem V/asser aus einer zweiten Mischbatterie,die mit der ersten Mischbatterie in Reihe geschaltet ist, herabgesetzt werden (FR-OS 75 35 749).

Die Praxis hat erwiesen, daß auf diese Weise erhebliche Energieeinsparungen möglich sind. Wird nämlich die thermisch gesteuerte Mischbatterie so eingestellt, daß sie das V/asser bei der für jeder Art von Gebrauch notwendigen Temperatur liefert, läßt sich ein erheblich größerer Anteil an Wärme, die von der Sonnenenergie beigesteuert wird, entnehmen, als wenn man sich damit begnügt, das Wasser bei der höchsten Temperatur aus dem am stärksten aufgeheizten Behälter zu entnehmen und mit Kaltwasser zu vermischen. Es kann auch in Kreislaufrichtung nach der ersten thermostatisch gesteuerten Mischbatterie eine zweite Mischbatterie angeordnet werden, mit deren Hilfe gegebenenfalls kaltes V/asser zugeführt wird, wenn die Gebrauchstemperatür niedriger ist als die Temperatur in dem mit Sonnenenergie beheizten Behälter.

Nachteilig an dieser bekannten Vorrichtung ist der relativ hohe Preis für die Gesamteinrichtung, bestehend aus zwei Warmwasserbehälter und die hierfür benötigten Leitungen und Armaturen. Der Literpreis für derartige Behälter ist nämlich umgekehrt proportional dem Volumen der Einheiten. Zwei Behälter sind somit wesentlich teurer als ein einziger Behälter mit dem doppelten Volumen; das gleiche gilt für die Installationskosten und den Raumbedarf.

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Erfindungsgemäss wurde nun festgestellt, dass sich dieses bekannte Verfahren mit nur einem Wasserbehälter anstelle von 2 Wasserbehältern durchführen lässt. Durch genaue Festlegung der Lage oder Standorte der Wärmequellen und der Wasserzu- und -ableitungen in Abhängigkeit von der Dimension des Behälters, in dem man in Zonen Wasser unterschiedlicher Temperatur erzeugen kann, deren Grenzen relativ gut definiert sind und die sich in vollkommen vorherbestimmbarer Weise nach den zeitlichen und örtlichen Bedingungen verschieben bzw. verändern lassen.

Es wurde insbesondere festgestellt, dass man -in gleicher Weise wie in einer Vorrichtung mit 2 Wasserbehältern- aus 2 verschiedenen Zonen des einzigen Behälters V/asser von unterschiedlicher Temperatur abziehen und mit Hilfe einer Mischbatterie Wasser der gewünschten Temperatur erhalten kann.

Es vmrde weiterhin festgestellt, dass man gegebenenfalls die elektrische Heizung durch eine andere Art der Wärmezufuhr ersetzen kann, beispielsweise durch einen zweiten Wärmeaustauscher, dessen Übertragungsmedium seinerseits von einer anderen Wärmequelle Sonnenenergie aufgeheizt wird, oder durch eine Gasheizung.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung und des Beispiels näher erläutert.

In der Zeichnung ist schematisch die erfindungsgemässe Vorrichtung dargestellt. Der Wasserbehälter 1 ist in diesem Falle ein Blechzylinder mit vertikaler Achse, dessen Höhe vorzugsweise mindestens das 2-fache des Durchmessers beträgt. Er ist zu beiden Seiten durch beliebig geformte Böden abgeschlossen. Im unteren Bereich ist ein Wärmeaustauscher -beispielsweise in Form eines Schlangenrohres 2- über Leitungen 3 mit einem oder mehreren (nicht gezeigten) Sonnenkollektoren verbunden,, Ein flüssiger Wärme~fcx-ager, _ der in den Leitungen im geschlossenen Kreislauf umläuft, stellt in bekannter V/eise den Transport der von den Sonnenkollektoren eingegangenen

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Wärmeenergie zu dem im Behälter befindlichen Wasser über das Schlangenrohr 2 sicher. Eine Widerstandsheizung 4 ist in der oberen Hälfte des Wasserbehälters vorgesehen und wird über einen Thermostat geregelt, dessen Thermofühler 5 auf einer Höhe angeordnet ist, die praktisch das elektrisch zu heizende Volumen bestimmt.

Das Kaltwasser wird über die Leitung 6 unten in den Behälter zugeführt, wobei durch ein Ablenkblech 7 sich das kalte Wasser in gleichmässiger Schicht im unteren Teil des Bodens verteilt und gleichmässig die darüberliegende Warmwasserschicht anhebt in der Art eines Kolbens, wobei ein Vermischen der beiden Schichten auf ein Minimum zurückgedrängt wird.

Es sind 2 Warinwasserleitungen 8 und 9 vorgesehen, nämlich Leitung 8 oben und Leitung 9 in der oberen Hälfte des Behälters jedoch etwas unter dem Thermostaten 5.

Die thermostatisch gesteuerte Mischbatterie 10 wird von beiden Warmwasserleitungen 8, 9 gespeist. Eine zweite thermostatisch gesteuerte Mischbatterie 11 wird aus der ersten Mischbatterie 10 gespeist und ist über die Leitung 12 mit der Kaltwasserzuleitung 6 verbunden. Das Wasser mit der gewünschten Temperatur wird aus der Mischbatterie über die Leitung 13 entnommen. Man kann auf diese Weise -wenn gewünscht- die Temperatur des Warmwassers aus 9 auf eine niedere Temperatur einstellen. Dies ist von besonderem Vorteil in Zeiten starker Sonnenstrahlung. Man kann auch eine kombinierte thermostatisch gesteuerte Mischbatterie 10+11 vorsehen, die die maximale Wasserentnahme über 9 sicherstellt.

Eine Rücklaufleitung 14 zwischen Kopf und Boden des Behälters enthält ein Rückschlagventil 15 und eine Umlaufpumpe 16, die das Wasser von oben nach unten fördert und damit ein Durchmischen des Wassers im Behälter bewirkt.

Die Leitung 14 kann im Isoliermantel des Behälters liegen oder auch im Innern des Behälters angeordnet sein_p wobei dann die Umwälzpumpe 16 beispielsweise auf einem im Inneren des Behälters

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fixierten Träger montiert ist. Es kann auch die Leitung 14 entfallen und der Wasserumlauf durch die Wärmeströmung im Inneren des Behälters mit Hilfe einer Wärmeübertragungs-Rohr. (Caloduc) erfolgen, die vertikal im Innern des Behälters angeordnet ist.

Diese Einrichtung wird in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines ausserhalb des Behälters angeordneten Regelorgans ein- und ausgeschaltet, das seinerseits wie die Umwälzpumpe 6 betätigt werden kann.

Ein Thermofühler 17 ist vorzugsweise etwas unter der Widerstandsheizung 4 vorgesehen.

"Ein elektrischer Stromkreis, der in allen Punkten dem der oben erwähnten bekannten Vorrichtung entspricht, ermöglicht die nachfolgend beschriebene Arbeitsweise.

Die Erfahrung hat vor allem gezeigt, dass -wenn der Thermofühler 17 auf eine Temperatur T^ eingestellt wird, die beispielsweise um 10 - 20 K unter der Temperatur Tp des Thermostaten 5 liegt und wenn die Gesamtanlage bei durchschnittlicher Sonneneinstrahlung arbeitet- sich im Behälter, sofern kein Wasser abgezogen wird, 2 Wasserschichten mit unterschiedlicher Temperatur ausbilden: eine obere Schicht mit der Temperatur T₂» die durch den Thermostaten 5 bedingt ist, und die untere Schicht sich bei einer Temperatur T^ befindet, wobei T^^T.,. Die vorgegebene Temperatur T ist ausreichend hoch eingestellt, dass sie nur

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bei starker Sonneneinstrahlung erreicht wird. Die Gremze zwischen den beiden Wasserschichten -wenn kein Wasser entnommen wird- liegt unmittelbar unter dem Thermostaten 5, d.h. auf etwa 3/4 der Höhe des in der Figur gezeigten Behälters.

Unter diesen Bedingungen findet eine besonders wirtschaftliche Nutzung im gesamten Temperaturbereich zwischen T, und T₂ statt. Beijeder Wasserentnahme wird, indem die Mischbatterie 10 auf eine Temperatur zwischen T-, und T₂ einreguliert wird, über die Leitungen 8 und 9 Wasser abgezogen, das aus den beiden vorhandenen Schichten stammt. Wenn man Wasser bei einer Temperatur ^ T,

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benötigt, wird es ausschliesslich aus der unteren Schicht über 9 entnommen»

Dieser Entnahmemechanismus ermöglicht eine maximale Ausnutzung der eingestrahlten Sonnenenergie.

Das entnommene Wasser wird automatisch durch eine gleiche Menge Kaltwasser mit Temperatur T_Q ersetzt, das allmählich die untere Zone des Behälters, beginnend bei 6, auffüllt. Nach Entnahme einer bestimmten Menge »Warmwasser entsteht somit eine Kaltwasserschicht mit Temperatur T_Q in der unteren Zone während sich gleichzeitig die Grenze zwischen den Wasserschichten mit den Temperaturen T^ und T₂ hebt, abhängig von der Menge des über B und 9 entnommenen Wassers. Die Versuche haben ergeben, dass in der Praxis der Wärmeaustausch zwischen den übereinanderliegenden Wasserschichten mit T_, T-, und Tp außerordentlich gering ist. Es lassen sich daher über die Leitungen 8 oder 9 etwa 80 - 90?j der Wassermenge abziehen, die entweder in der oberen oder unteren Zone enthalten ist, ohne dass die Temperatur des austretenden Wassers um mehr als nur einige Grad gegenüber der ursprünglichen Temperatur absinkt.

Die anderen Arbeitsbedingungen -wie bekannt- lassen sich mit dieser Vorrichtung in gleicher Weise einhalten.

Bei starker Sonneneinstrahlung kann daher T, die vorgegebene Temperatur T₂ erreichen; dadurch wird die elektrische Heizung abgeschaltet und durch Inbetriebnahme der Umwälzpumpe die Temperatur im gesamten Behälter auf einen.Wert voniwTp ausgeglichen. Bei geringer oder gar keiner Sonneneinstrahlung SLi-'fopSfcak die elektrische Heizung alleine; sie beheizt ausschliesslich die obere Zone oder mit Hilfe der Umwälzpumpe den Gesamtinhalt des Behälters.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung mit nur einem Behälter ist ausserordentlich anpassungsfähig und bietet alle Möglichkeiten wie die bekannte Vorrichtung mit 2 Behältern. Sie bietet gegenüber der bekannten Vorrichtung erhebliche wirtschaftliche Vorteile hinsichtlich der Konstruktion und der Installation. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass dank der kompakten Ausführungsform und den-kürzeren und wenigeren Leitungen die Wärmeverluste geringer sind als in der Vorrichtung mit.2 Behältern.

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Die Ausbildung der Wasserschiclrben mit unterschiedlichen Temperaturen ist umso besser und beständiger, je höher der Behälter im Verhältnis zu seinem Durchmesser ist. In diesem Falle können jedoch Verluste an Wärmeenergie eintreten. Bevorzugt wird deshalb ein Verhältnis von Höhe zu maximalem Durchmesser (Breite) von 2 bis 6 und meistens eine zylindrische Form des Behälters mit vertikaler Achse.

Die Ausbildung der Wasserschichten kann auch dadurch verstärkt werden, dass an entsprechenden Stellen im Behälter ein oder mehrere Leit- oder Lochblech(e) vorgesehen ist (sind), das (die) die ' Wärmekonvektion und.* damit die Durchmischung des Wassers einschränken soll.

Die Lage der elektrischen Heizung bestimmt die maximale Wassermenge, die auf die Temperatur T„ gebracht werden kann. Die Wahl dieser Lage hängt stark von den Gebrauchsbedingungen und den klimatischen Verhältnissen ab. Allgemein befindet sich die elektrische Heizung zwischen einem 1/4 oder 2/3 oder 3/4 der Höhe des Wasserbehälters. Es ist auch möglich, die elektrische Heizung höher oder tiefer anzuordnen, abhängig von den klimatischen Bedingungen, oder auf andere Weise das elektrisch beheizte Volumen den gerade vorherrschenden Bedürfnissen anzupassen.

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Leerseite

Claims

DR.-ING. FRANZ \7UESTH0FF

PATENTANWÄLTE _{nR- pHILi pREDA WUESTHOFF WW}

WUESTHOFF-v. PECHMANN - BEHRENS - GOETZ ,,„,»ο. gerhard puls (_mz-i₉₇i)

dipl₁-chem-dr-e-freihernvonpechmann professional representatives before the european patent office dr.-ing. dieter behrens

agreed pres l'office european des brevets dipl.-ing^dipi.-^irtsch.-ing.ruperTgoetz

D-8000 MÜNCHEN 90 SCHWEIGERSTRASSE 2

telepon: (089) 66 20 ji telegramm: protectpatent telex: j 24070

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Anm.: Pechiney Ugine Kuhlmann

PATENTANSPRÜCHE

H J Vorrichtung zur Warmwasserbereitung zumindest teilweise durch Sonnenenergie gekennzeichnet durch einen Behälter (1), dessen Höhe grosser ist als der breiteste Querschnitt, in dessem unteren Teil die mit Sonnenenergie betriebene Heizung angeordnet ist und sich eine nicht mit Sonnenenergie- betriebene Heizung ζ 1/A- der Behälterhöhe über dem Boden vorgesehen ist, in dem Bereich des Behälterbodens eine Zuleitung für Kaltwasser (6) einmündet, eine Warmwasserentnahmeleitung (8) in dem oberen Teil des Behälters und eine zweite (9) etwas unter der nicht mit Sonnenenergie betriebenen Heizung vorgesehen sind und beide iintnahmeleitungen in eine Mischbatterie (10) und zur Wasserentnahme führen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzei chn e t, dass der untere und der obere Teil des Behälters über eine Rücklaufleitung (14) mit Rückschlagventil (15) und Umwälzpumpe (1"6) zur Förderung des Wassers von oben nach unten versehen isto ■

3.■ Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch g e k e η nzeichnet, dass eine 2_O Mischbatterie (11) in Reihe mit der 1. Mischbatterie zur Zumischung von.Kaltwasser zu Warmwasser vorgesehen ist.

909 82 2/0808 ' ORfGfNAL INSPECTED