DE3033948C2 - Vorrichtung zur Bereitung warmen Wassers - Google Patents

Vorrichtung zur Bereitung warmen Wassers

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitung warmen Wassers für eine Heizungsanlage oder zur Warmwasserversorgung, mit einem Wärmetauscher oder einem Speicherbehälter und mit einem metallischen Heizeinsatz zur Erwärmung des Wassers, insbesondere einem Kondensator einer Wärmepumpe, sowie mit einer über Zuführleitungen mit dem Heizeinsatz verbundenen Wärmequelle, wobei der Heizeinsatz sowie dessen Zuführleitungen mittels isolierender Dichtungen aus Kunststoff gegen den Tauscherkörper oder den Behälter isoliert sind.
Mit Wärmetauscher oder Speicherbehälter sind also zum einen Warmwasserspeicher oder Boiler im klassischen Sinne, zum andern aber auch Durchlauferhitzer gemeint.
ίο Bei derartigen Vorrichtungen zur Bereitung von Warmwasser besteht die Gefahr der Korrosion durch die metallischen Heizeinsätze. Diese elektrochemische Korrosion entsteht durch ein Lokalelement, d. h. zwei räumlich getrennte Stellen mit verschiedenem Potential, die miteinander einerseits leitend verbunden sind. Darüber hinaus ist ein Elektrolyt, also im allgemeinen Wasser mit Ionen, vorhanden, der mit dem Metall unter Ionenbildung in chemische Reaktion treten kann. Das Lokalelement entsteht durch die elektrisch leitende Verbindung verschiedener Metalle (in Einzelfällen kann durch verschiedene Krümmungsradien etc. dies auch bei gleichen Metallen geschehen), also hier durch den Behälter bzw. die Tauscheraußenwand einerseits und den Heizeinsatz andererseits.
Die Behälterinnenwände sind zunächst emailliert oder mit Kunststoff beschichtet. Allerdings lassen sich in diesen Beschichtungen Fehlstellen nicht grundsätzlich vermeiden. Zum kathodischen Schute gegen elektrochemische Korrosion werden Schutzanoden vorgesehen, die Korrosionsschäden an Email- oder Kunststoffehlstellen vermeiden. Als Schutzanoden kommen zum einen Elektroden aus einem unedleren Metall in Frage, die mit dem zu schützenden Metall verbunden sind und bei diesem als Anode zum Korrosionsschutz wirken und sich allmählich auflösen. Sie müssen deshalb von Zeit zu Zeit ersetzt werden. Solche Schutzanoden werden als Opfer- oder Aktivanoden bezeichnet. Ein herkömmlicher Werkstoff für solche Opferanoden ist Magnesium. Es können aber auch Fremdstromanoden vorgesehen sein, bei denen aktiv ein Fremdstrom zur Erzeugung des gewünschten Potentialuntorschicdos verwendet wird.
Üblicherweise ist kein allzu großer Stromfluß notwendig, da die zulässige Flächensumme aller Fehlstellen auf 7 cmVm2 emaillierter oder sonstiger beschichteter Behälterfläche limitiert ist. Die Fehlstellenfläche darf also grundsätzlich nur maximal 0,07% betragen. Wird nun aber in einen solchen Behälter ein üblicher Heizeinsatz, beispielsweise in Form eines Rohrbündeltauschers von 2 m2 Oberfläche eingesetzt, so führt diese um mehrere Stellen größere Oberfläche zu einer drastischen Erhöhung des erforderlichen Schutzstromes. Hieraus ergibt sich in nachteiliger Weise bei Magnesiumopferanoden ein wesentlich schnellerer Verbrauch desselben. Bei Fremdstromanoden ist eine höhere Leistung erforderlich. Weit problematischer aber als diese höhere Leistung ist, daß sich Fehlstellen in der Schutzschicht der Behälterwand im Stromschatten des Heizeinsatzes befinden können. Dies bedingt, daß der Strom überwiegend auf die Heizflächen des Heizeinsatzes fließt, der Anteil des Stromes, der aber auf eine dahinter liegende Fehlstelle gelangt. v:el zu klein ist, um eine ausreichende kathodische Polarisation zu bewirken.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist vorgeschlagen worden, zum einen die Zuleitungen der Heizeinsätze bei der Durchführung durch die Behälterwand mittels Kunststoffbuchsen oder Kunststoffhülsen isoliert durch die Behälterwand hindurchzuführen und zum anderen
die Zuleitungen über Kunststoffisolierverschraubungen weiter gegen die Wärmequelle zu isolieren. Eine solche Verringerung des problematischen Massenschlusses bei herkömmlichen Wärmetauschern wurde beispielsweise in einem Sonderdruck der Zeitschrift IKZ, Heft 10,1980, vorgeschlagen.
Bei herkömmlichen Anordnungen, bei Tauschern in emaillierten Speichern, in denen die Wärmetauschung beispielsweise durch zugeführtes heißes Wasser oder dgl. erfolgt, ist diese Lösung der Problematik des zu hohen Mass?vischlusses durchaus zufriedenstellend.
Nicht eingesetzt werden können die bekannten Kunststoffisolierelemente, zumindest bei der Verbindung der Zuleitungen des Heizeinsatzes mit der Wärmequelle, wenn es sich beim Heinzeinsatz um einen Kondensator einer Wärmepumpe handelt, die mit einem Kältemittel, wie Frigen, arbeitet Denn bei der Verwendung von bekannten Kunststoffzwischenstükken würden sich für das Kältemittel eine hohe Undichtigkeit ergeben und daher große Diffusionsverluste des Kältemittels auftreten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Trennung des Heizeinsatzes, insbesondere eines Kondensators einer Wärmepumpe, in einem Wärmetauscher oder Behälter zur Erwärmung des Wassers gegen die Wärmequelle, also insbesondere die weiteren Elemente einer Wärmepumpe, zu erreichen, die dennoch eine hohe Dichtigkeit für Kältemittel, Wärmetauschergase, wie Helium, aber auch Dampf usw. gewährleistet und Diffusionsverluste vermeidet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung zur Bereitung warmen Wassers für eine Heizungsanlage zur Warmwasserversorgung od. dgl. der eingangs benannten Art dadurch gelöst, daß in den Zuleitungen zwischen dem Heizeinsatz und der Wärmequelle Zwischenstücke aus metallischem Werkstoff mit relativ hohem spezifischen Widerstand vorgesehen sind.
Da sich im Behälter oder im Außenraum des Wärmetauschers weiterhin Wasser befindet, können die Zuleitungen zum Heizeinsatz gegen den Behälter durchaus weiterhin mittels Kunststoffbuchsen isoliert werden. In den Zuleitungen selbst, in denen das Kältemittel fließt, kann eine solche Isolierung nicht erfolgen. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß ein metallischer Werkstoff verwendet wird, der einen relativ hohen spezifischen Widerstand aufweist.
Gemäß bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Zwischenstücke einen spezifischen Widerstand von größer als l.OOhmmmVm2 aufweisen. Beispielsweise wurde bei dem letztgenannten Wert erreicht, daß sich gegenüber einer völligen Isolierung die zusätzlich erforderliche Leistung nur um 120 mW erhöht, während bei Verzicht auf jede elektrische Trennung, der bisher bei Verwendung von Kältemitteln notwendig war, da Kunststofftrennungen nicht eingesetzt werden konnten, ein erhöhter Leistungsbedarf von 920 mW gegeben war. Als Material für die Zwischenstücke eignen sich insbesondere Chrom-Nickel- und Chrom-Aluminium-Legierungen, die einen ausreichend hohen spezifischen Widerstand aufweisen.
Da es bei der Vorrichtung zur Erzielung einer guten elektrischen Trennung im wesentlichen auf die Größe des Gesamtwiderstandes zwischen dem Heizeinsatz im Behälter oder Wärmetauscher einerseits und den weiteren Teilen der Heizungsanlage, beispielsweise einer Wärmepumpe, ankommt, ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, daß die Zwischenstücke vollständig die Zuleitung bilden. Weiterhin wird die elektrische Trennung dadurch verbessert, soweit die Zwischenstücke eine Wanddicke von weniger als 1 mm aufweisen, wobei vorzugsweise die Zwischenstücke gewendelt sind, um auf kleinem Raum eine möglichst große Länge der elektrisch trennenden Zwischenstücke zu erreichen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung weist auch gegenüber den bekannten Einsätzen von Isolierverschraubungen
ίο den fertigungstechnischen Vorteil auf, daß vorgesehen sein kann, daß die Zwischenstücke zwischen Heizeinsatz und Wärmequelle durch Hartlöten verbunden sind. Solche Verbindungen durch Hartlöten sind preiswert und einfach herzustellen.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung das Potential der metallischen Heizfläche wesentlich vermindert, ohne daß, wie bei anderen Isoliermöglichkeiten, drohende Undichtigkeiten und Diffusionsverluste auftreten. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung ist also voll auf den Erfordernissen des Arbeitens mit Kältemitteln in der Kältetechnik angepaßt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Die Erfindung wird anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert Dabei zeigt die einzige Figur
eine Vorrichtung mit Zwischenstücken, teilweise im Schnitt
Die Vorrichtung 1 zur Bereitung warmen Wassers weist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Behälter für den Wärmetauscher einen Warmwasserspeicher oder Boiler 3 auf. In dem Warmwasserspeicher 3 ist ein Verflüssiger oder Kondensator 5 einer Wärmepumpe 7 untergebracht. Der Kondensator 5 der Wärmepumpe 7 ist über Zuleitungen 9,11 mit den restlichen Elementen der Wärmepumpe verbunden. Der Kondensator 5 besteht beim dargestellten Ausführungsbeispiel vorteilhafterweise aus Kupfer, welches gegebenenfalls verzinkt ist, oder aus Edelstahl.
Die weiteren Elemente der Wärmepumpe 7, mit denen der Kondensator 5 über die Zuleitungen 9 und i 1 verbunden ist, sind eine Drossel oder ein Drosselventil 13, ein Verdampfer 15 als Wärmequelle für die Bereitung warmen Wassers und ein Verdichter oder Kompressor 17. Wird die zur Bereitung warmen Wassers mittels der Wärmepumpe 7 bereitgestellte Wärme der Luft entzogen, so ist üblicherweise, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, zur Erhöhung der Luftzufuhr ein Ventilator 19 vorgesehen.
Die Zuleitungen 9 und 11 sind bei der Durchführung durch die Wand 21 des Warmwasserspeichers 3 mittels Kunststoffhülsen 23, 25 gegen den Wasserspeicher 3 isoliert. Derart wird zunächst eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Warmwasserspeicher 3 und d^m Kondensator 5 verhindert, die zur Bildung eines Lokalelementes und damit zu elektrochemischer Korrosion beitragen könnte.
Die Zuleitungen 9 und 11 zum Kondensator 5 bestehen aus mehreren Abschnitten. Zunächst ist direkt mit dem Kondensator 5 in jeder Zuleitung 9 bzw. 11 ein Abschnitt 27 Lzw. 29 verbunden, der aus einem Material mit herkömmlichem Widerstand, beispielsweise aus dem gleichen Material wie der Kondensator, also Kupfer, gegebenenfalls verzinkt, o(Jer aus Edelstahl bestehen. An jedem dieser Abschnitte 27, 29 schließt sich über eine Hartlötstelle 31 bzw. 33 jeweils ein Zwischenstück J5,37 aus einem metallischen Werkstoff, wie einer Chrom-Nickel-Legierung an, der einen hohen
spezifischen Widerstand, im dargestellten Ausfiihrungsbeispiel von 1,44 Ohm mm'/ni bei 20' C aufweist. Die Länge der Zwischenstücke betrag! bei einer konkreten Ausgestaltung 1,5 m und die Wanddicke 0,4 mm. Diese Zwischenstücke sind dann mit dem Anschlußstutzen 39 bzw. 41 des Drosselventils 13 einerseits und des Verdichters 17 andererseits verbunden, die wieder aus herkömmlichen Werkstoffen mit üblichen spezifischen Widerständen bestehen können. Durch die Zwischenstücke 35, 37 mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand wird der Kondensator 5 gegenüber den anderen Elementen 13, 15 und 17 der Wärincpumpe 7 und damit indirekt auch gegenüber dem Warmwasserspeicher 3 elektrisch isoliert, da im allgemeinen sowohl der Warmwasserspeicher 3. als auch die übrigen is Elemente der Wärmepumpe, insbesondere der Verdampfer geerdet sind bzw. über die F.rde miteinander verbunden sind. Hierdurch wird auch die indirekte Bildung ?>nc^ Krinialiiplpmcnles. das zu elektrochemischen Korrosionsprozessen beitragen könnte, zwischen Kondensator 5 und Warmwasserspeicher 3 vermieden.
Im übrigen ist in üblicher herkömmlicher Weise im Warmwasserspeicher 1 eine .Schutzanode 43 vorgesehen, die in bekannter Weise eine Fremdstromanode "der aber eine Opfer- oder Aktivanode, beispielsweise ,1 is Magnesium, sein kann.
Mil der Vorrichtung I zur Bereitung wannen Wassers w.ird durch die zusätzliche Isolierung des Kondensators 5 gegenüber dem Warmwasserspeicher 3 eine wesentliche Verringerung des Massenanschlusses erreicht. Bei einem Versuch wurde der Leistungsbedarf einer herkömmlichen Vorrichtung zur Warmwasserbereitung ohne die erfindungsgemäßen Zwischenstücke einerseits und andererseits einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessen. Hierzu wurde der in der Zeichnung !.irsestellte 300 1 Warmwasserspeicher verwendet. In Jiesem Warmwasserspeicher war ein Kondensator in neriiommlicher Weise durch Kunststoffhülsen isoliert cmt'cbdut. Die Verbindung vom Kondensator zu den anderen Elementen der Wärmepumpe 7 bestand bei jiner Versuchsdurchführuriä: .11IS Kupferleitungen, während bei einer anderen Versuchsdurchführung erfindungsgemäß ein Werkstoff mil hohem spezifischen elektrischen Widerstand von 1.44 Ohm mm?/m verwendet wurde. Zur Kontrolle wurde darüber hinaus eine weitere Messung durchgeführt, bei der die Verbindungsrohre zwischen dem Kondensator der Wärmepumpe vollständig getrennt waren.
Bei einer herkömmlichen Vorrichtung zur Bereitung warmen Wassers mit einer Wärmepumpe und den Verbindungsleitungen aus Kupfer ergab sich eine Spannung von 12 Volt und ein Strom von 95 niA, also L'm f remdleisluiH'sbedarf von IMOmW. Demgegenüber ergab sich bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung eine Spannung von 17 Volt, dafür aber nur ein Strom von 20 mA. also eine Leistung von 34OmVV. Bei der völligen Trennung /wischen Kondensator und sonstigen Teilen der Wärmepumpe ergab sich eine Spannung von 20 Volt und ein Strom von 12 111Λ. also eine Leistungsaufnahme von 220 mW.
Aufgrund dieser Versuche ergibt sich, daß die Kondensatorfläche bei eine erfindungsgemäüen Vorrichtung ein Fremdstrom-L.eistungsbedarf von lediglich 120mW gegenüber einem Boiler ohne Kondensator aufweist, während dieser Fremdstrombedarf bei her kömmlich ausgebildeten Vorrichtungen mit Kiipferleitungsverbindungen 920 mW beträgt.
Fs zeigt sich also, daß durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung zur Bereitung warmen Wassers zum einen die besonderen Probleme der Kältetechnik, nämlich die Vermeidung von Undichtigkeiten und Diffusionsverlusten vollauf gemeistert werden können und zum anderen die Probleme elektrochemischer Korrosion dadurch wesentlich verringert werden können, indem das Potential der metallischen Heizfläche wesentlich vermindert wird. Die Vorrichtung wird insbesondere als Kleinanlage ausgestaltet, wobei die Zwischenstücke aus metallischem Werkstoff mit hohem spezifischem Widerstand, gegebenenfalls nicht gestreckt, sondern vielmehr mäanderförmig ausgebildet sein können.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Bereitung warmen Wassers für eine Heizungsanlage oder zur Warmwasserversorgung mit einem Wärmetauscher oder einem Speicherbehälter und mit einem metallischen Heizeinsatz zur Erwärmung des Wassers, insbesondere einem Kondensator einer Wärmepumpe, sowie mit einer über Zuführleitungen mit dem Heizeinsatz verbundenen Wärmequelle, wobei der Heizeinsatz sowie dessen Zuführleitungen mittels isolierender Dichtungen aus Kunststoff gegen den Tauscherkörper oder den Behälter isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zuleitungen (9, 11) zwischen dem Heizeinsatz (5) und der Wärmequelle (13, 15, 17) Zwischenstücke (35, 37) aus metallischem Werkstoff mit relativ hohem spezifischen Widerstand vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstücke (35,37) gewendelt sind und daß die einzelnen Wendelabschnitte der Zwischenstücke (35,37) gegeneinander isoliert sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstücke (35, 37) einen wesentlichen Teil der Zuleitungen (9, 11) ausmachen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstücke (35,37) vollständig die Zuleitung (9,11) bilden.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstücke (35, 37) einen spezifischen Widerstand von größei als 1,0 Ohm mm2/m aufweisen.
6. Vorrichtung Räch eit.-m der vorangehenden Ansprüche, dadurch jekennzeichnet, daß die Zwischenstücke (35, 37) aus eine Chrom-Nickel-Legierung bestehen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstücke (35, 37) aus einer Chrom-Aluminium-Legierung bestehen.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstücke (35,37) eine Länge von mindestens 1 m aufweisen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstücke eine Wanddicke von weniger als 1 mm aufweisen.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstücke (35, 37) zwischen Heizeinsatz (5) und Wärmequelle (13, 15, 17) durch Hartlöten gasdicht verbunden sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstücke (35, 37) mit dem Heizeinsatz (5) und/oder Anschlußteilen der Wärmequelle (13, 15, 17) durch Plasmaschweißen gasdicht verbunden sind.
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