DE3047559T1 - - Google Patents

Description

Nach dem Thermosiphonprinzip arbeitender Warmwasserspeicher und -spender

Die Erfindung betrifft einen nach dem Thermosiphonprinzip arbeitenden Warmwasserspeicher und -spender.

Im folgenden ist zunächst anhand von Fig. 1 ein bisheriger, nach dem Thermosiphonprinzip arbeitender Warmwasserspeicher und -spender beschrieben. Gemäß Fig. 1 wird das in einem mit Warmwasser-Zufuhranschluß 1 und Warmwasser-Speiseanschluß 2 versehenen Warmwasser-Speicherbehälter 3 enthaltene Wasser über eine erste, an den Boden des Behälters 3 angeschlossene Umwälzleitung 4 zu einem Wärmetauscher 5 geleitet, um durch einen Brenner 6 erwärmt zu werden. Das so erwärmte Wasser wird dann über eine zweite Umwälzleitung 7 zum Oberteil des Behälters 3 gefördert.

Wenn hierbei vorausgesetzt wird, daß die mittlere Dichte des durch die erste Umwälzleitung 4 fließenden Wassers r-, die

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mittlere Dichte des über die zweite Umwälzleitung 7 strömenden Wassers r„ und die Höhe von einer mittleren Position des Wärmetauschers 5 zur Grenzfläche zwischen Warm- und Kaltwasser 3 H.. betragen, läßt sich die Eigenumwälz- bzw. Thermosiphonkraft (natural circulation force) F wie folgt ausdrücken:

F = (γ., - T₂) -H₁ ... (1)

Es ist außerdem bekannt, daß die Strömungsgeschwindigkeit w des einen Umwälzdurchgang A aus der ersten Umwälzleitung 4, dem Wärmetauscher 5 und der zweiten Umwälzleitung 7 durchströmenden Kalt- oder Warmwassers nach folgender Gleichung auf die Thermosiphonkraft F bezogen bzw. von dieser abhängig ist:

w <* Fⁿ (n > 1) ... (2)

Wenn weiterhin die im Wärmetauscher 5 durch die vom Brenner 6 gelieferte Wärme auf das Wasser übertragene Wärmemenge mit Q, die spezifische Wärme bei konstantem Druck mit C und die Temperaturen des Kalt- und Warmwassers an Einlaß bzw. Auslaß des Wärmetauschers 5 mit Tin bzw. Tout vorausgesetzt werden, ergibt sich folgende Gleichung:

W = Q/C (Tout - Tin) ... (3)

Anhand von Gleichungen (2) und (3) ergibt sich somit die folgende Beziehung:

J cc _F ⁿ ... (4)

(Tout - Tin)

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Es ist somit ersichtlich, daß der Temperaturunterschied (Tout - Tin) um so größer ist, je kleiner die Thermosiphonkraft F ist.

Kurz gesagt, wenn sich das Warmwasser gemäß Fig. 1 im Speicherbehälter 3 bis zu einer durch die gestrichelte Linie B- bezeichneten Höhe ansammelt, fällt die Höhe H bis zur Höhe H- ab, während sich (r- - r~) geringfügig vergrößert; da jedoch die Abnahme von H größer ist als die Zunahme von (r.. - r~) , nimmt die durch Gleichung (1) ausgedrückte Thermosiphonkraft ab, so daß der Temperaturunterschied (Tout - Tin) im Wasser vor und hinter dem Wärmetauscher groß wird. Dies bedeutet, daß der Temperaturunterschied (Tou't - Tin) um so größer wird, je größer die sich im Oberteil des Speicherbehälters 3 ansammelnde Warmwassermenge wird. Aus den genannten Gründen läßt sich die Temperaturverteilung des Warmwassers im Speicherbehälter 3 der bisherigen Vorrichtung zum Zeitpunkt des Siedens des Warmwassers durch die graphische Darstellung gemäß Fig. 2 veranschaulichen, die einen Temperaturgradienten zeigt, bei dem in der Anfangsphase der Warmwasserbereitung das kühlere Wasser am Boden des Behälters vorhanden ist, während die Wassertemperatur mit zunehmender Höhe vom Boden des Behälters 3 ansteigt. Dieser Warmwasserspeicher ist daher mit dem Nachteil behaftet, daß die für den praktischen Gebrauch zur Verfügung stehende Warmwassermenge, d.h. das effektive Warmwasservoluraen, kleiner ist als das tatsächliche Innenvolumen des Behälters.

Da sich bei der Warmwasserabgabe die Thermosiphonkraft F, d.h. das Austragvolumen aus der zweiten Umwälzleitung 7 ändert, variiert die Grenzfläche zwischen Warm- und Kaltwasser, so daß der Brenner 6 wiederholt ein- und abgeschaltet wird. Da hierbei beim Einschalten des Brenners die im Warmwasser-Speicherbehälter gesammelte Warmwassermenge klein ist, wird die Thermosiphonkraft F groß, und die Temperatur des aus

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der zweiten UmwäIzleitung 7 ausströmenden Warmwassers wird niedrig, so daß die Temperatur des abgegebenen Warmwassers insgesamt zu niedrig wird. Umgekehrt ist beim Abschalten des Brenners die im Speicherbehälter gesammelte Warmwassermenge groß, so daß demzufolge die Thermosiphonkraft F klein ist und daher Warmwasser hoher Temperatur abgegeben wird. Gemäß Fig. 3 sind somit die Temperaturschwankungen des Warmwassers bei seiner Abgabe groß. Der bisherige Warmwasserspeicher eignet sich daher nicht für die Verwendung bei z.B. einer Dusche o.dgl.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Ausschaltung der Mängel des Stands der Technik durch Schaffung eines Warmwasserspeichers und -spenders, bei dem an einer dem Wärmetauscher nachgeschalteten Stelle in eine Umwälzleitung ein Thermoventil (thermal valve) eingebaut ist, das bei einer Zunahme der Warmwassertemperatur seinen Öffnungsquerschnitt vergrößert und umgekehrt, so daß die Temperaturverteilung des siedenden Warmwassers über den gesamten Speicherbehälter hinweg nahezu konstant bleibt. Hierdurch werden die effektive, d.h. nutzbare Warmwassermenge vergrößert und die Temperaturschwankungen bei der Warmwasserabgabe ausgeschaltet.

Die Lösung der genannten Aufgabe ergibt sich speziell aus den in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmalen.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische lotrechte Schnittansicht eines bisherigen Warmwasserspeichers und -spenders,

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Fig. 2 eine graphische Darstellung der Temperaturverteilung im Speicherbehälter zum Zeitpunkt des Siedens des Warmwassers (bei der Vorrichtung nach Fig. 1),

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Schwankungen der Warmwassertemperatür bei der Warmwasserausgabe (bei der Vorrichtung nach Fig. 1) ,

Fig. 4 eine schematische lotrechte Schnittansicht eines Warmwasserspeichers und -spenders mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 5 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen lotrechten Teilschnitt durch ein Wärme- oder Thermoventil (thermal valve) in seinem Schließzustand,

Fig. 6 eine Fig. 5 ähnelnde Darstellung des Thermoventils in seinem Offenzustand,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Temperaturverteilung im Speicherbehälter beim Sieden des Warmwassers (bei der Vorrichtung nach Fig. 4),

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Temperaturänderuhg des Warmwassers bei seiner Abgabe und

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Temperaturänderung des Warmwassers bei seiner Abgabe für die bisherige Vorrichtung und den Warmwasserspeicher gemäß der Erfindung.

Die Figuren 1 bis 3 sind eingangs bereits erläutert worden.

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Der Warmwasserspeicher gemäß Figur 4 umfaßt einen Wassereinlaß 1, einen Warmwasser-Speiseanschluß 2, einen Warmwasser-Speicherbehälter 3, eine erste Umwälzleitung 4, einen Wärmetauscher 5, einen Brenner 6 und eine zweite Umwälzleitung 7. Die Erfindung kennzeichnet sich durch die Anordnung eines Thermoventils 8 in einem Umwälzdurchgang A an der zweiten Umwälzleitung 7 stromab des Wärmetauschers 5. Das Thermoventil 8 arbeitet in der Weise, daß sich bei Zunahme der Warmwassertemperatur sein Öffnungsquerschnitt vergrößert und umgekehrt.

Gemäß Figur 5 weist das Thermoventil 8 eine an der Innenwandfläche der zweiten Umwälzleitung 7 in der Nähe des Auslasses des Wärmetauschers 5 befestigte Lochplatte 9 mit hohler, kegelstumpfförmiger Gestalt, eine an der Lochplatte 9 befestigte Stift-Anschlagplatte 10, eine an der Lochplatte 9 befestigte Schraubenfeder-Sitzplatte 11, eine sich zentral auf letzterer abstützende Schraubenfeder 14, eine an deren Oberseite angebrachte, verschiebbare, kreisförmige Scheibe 13, einen an letzterer befestigten Temperaturfühler 12, der unter Abdichtung mit einem thermisch ausdehnbaren bzw. Thermowachs gefüllt ist, und einen zentral aus dem oberen Ende des Temperaturfühlers 12 herausragenden Stift 15 auf, der frei axial verschiebbar ist und sich mit seinem oberen Ende an die Anschlagplatte 10 anlegt.

Das in den Temperaturfühler 12 eingeschlossene Thermowachs (thermal wax) ändert in Abhängigkeit von der Warmwassertemperatur seinen Zustand von einer festen auf eine flüssige Phase und umgekehrt, so daß es sich ausdehnt oder zusammenzieht und dabei den Stift 15 aus dem Temperaturfühler 12 ausfährt oder in ihn einzieht, und zwar aufgrund des Gleichgewichtszustands der durch die Feder 14 einerseits und den Temperaturfühler 12 andererseits auf die Scheibe 13 ausgeübten Kraft. Wenn sich somit das Thermowachs bei niedriger Temperatur des umgebenden Warmwassers zusammenzieht, wird der Temperaturfühler 12 gemäß Fig. 5 relativ zur Sitzplatte

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hochgedrückt, so daß der Warmwasser-Durchlaßquerschnitt zwischen der öffnung der konischen Lochplatte 9 und der bewegbaren Scheibe 13 klein wird, wodurch die Umwälzströmungsmenge w verringert wird. Wenn sich dagegen die Warmwassertemperatur erhöht, dehnt sich das Thermowachs aus, so daß sich die Scheibe 1 3 auf die in Fig. 6 gezeigte Weise entgegengesetzt zur vorstehend beschriebenen Wirkung gegen die Kraft der Feder nach unten verlagert. Gemäß Fig. 6 wird dabei der Öffnungsquerschnitt des Durchgangs zwischen der öffnung der Lochplatte 9 und der Scheibe 13 groß, so daß sich auch die Umwälzströmungsmenge w vergrößert.

Im folgenden ist die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Warmwasserspeichers mit dem Thermoventil beschrieben.

Wenn die Vorrichtung gemäß den Fig. 4 bis 6 für die Warmwasserspeicherung im Speicherbehälter in Betrieb genommen werden soll, wird der Brenner 6 gezündet, so daß sich das aus dem Wärmetauscher 5 ausströmende Warmwasser über die zweite Umwälzleitung 7 im Oberteil des Speicherbehälters zu sammeln beginnt. Wenn sich hierbei beim bisherigen Warmwasserspeicher bereits eine kleine Warmwassermenge im Oberteil des Speicherbehälters 3 angesammelt hat, ist aufgrund der großen Thermosiphonkraft F die Umwälzströmungsmenge w groß, so daß die Temperatur des Warmwassers am Auslaß des Wärmetauschers 5 abfällt. Wenn dagegen beim erfindungsgemäßen Warmwasserspeicher die Warmwassertemperatur am Auslaß des Wärmetauschers 5 abzufallen bestrebt ist, wird dieser Zustand durch den Temperaturfühler 12 des Thermoventils 8 festgestellt, so daß letzteres im Sinne einer Verkleinerung des Durchlaßquerschnitts und damit einer Verringerung der Strömungsmenge betätigt wird. Wenn sich weiterhin beim bisherigen Warmwasserspeicher im Speicherbehälter 3 eine (bestimmte) Warmwassermenge angesammelt hat, ist aufgrund der geringen Thermosiphonkraft F die Strömungsmenge w niedrig,

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so daß die Warmwassertemperatur am Auslaß des Wärmetauschers 5 ansteigt. Wenn dagegen beim erfindungsgemäßen Warmwasserspeicher die Warmwassertemperatur am Auslaß des Wärmetauschers anzusteigen bestrebt ist, spricht das Thermoventil 8 auf diesen Zustand unter Betätigung (öffnung) an, so daß die Strömungsmenge des Warmwassers ansteigt. Beim erfindungsgemäßen Warmwasserspeicher wird somit die Strömungsmenge w, unabhängig von der im Speicherbehälter 3 angesammelten Warmwassermenge, jederzeit im wesentlichen konstant gehalten. Hierbei wird durch das Thermoventil 8 die Warmwassertemperatur Tout am Auslaß des Wärmetauschers 5 so geregelt, daß sie im wesentlichen konstant bleibt.

Gemäß Figur 7 ist infolgedessen die Temperaturverteilung des Warmwassers im Speicherbehälter zum Siedezeitpunkt über die gesamte Behälterhöhe hinweg im wesentlichen konstant. Hierdurch wird in bezug auf das Innenvolumen des Speicherbehälters eine optimale Warmwasserspeicherung in ihm gewährleistet.

Wenn bei der Warmwasserabgabe beim erfindungsgemäßen Warmwasserspeicher das Abgabevolumen an Warmwasser kleiner ist als die Umwälzströmungsmenge w, auch wenn der Brenner 6 wiederholt gezündet und gelöscht wird, kann deshalb, weil über die zweite Umwälzleitung 7 Warmwasser mit praktisch konstanter Temperatur zugeführt wird, kontinuierlich Warmwasser abgegeben werden, während das Warmwasser gemäß Fig. 8 auf gleichbleibender Temperatur gehalten wird, unabhängig davon, ob der Brenner gezündet ist oder nicht.

Für den Fall, daß die Warmwassermenge größer ist als die Umwälz strömungsmenge w, und unter der Voraussetzung, daß der Brenner 6 gezündet werden soll, wenn der Wasserfüllstand den Pegel B2 (Fig. 4) erreicht hat, die Warmwasser-Abgabemenge mit W bezeichnet ist, die Warmwasser-Speichermenge vom Pegel B2 bis zum Auslaß der zweiten Umwälzleitung 7 (Linie B3 in Fig. 4) mit Vo und die Thermosiphon-Strömungsmenge mit w bezeichnet sind, ist die Änderung der Warmwassertemperatur in Fig. 9 ver-

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anschaulicht. Wie durch die gestrichelte Linie χ angegeben, tritt beim bisherigen Warmwasserspeicher die Änderung der Warmwassertemperatur gleichzeitig mit dem Zündungsbeginn des Brenners auf (Punkt C). Da andererseits beim erfindungsgemäßen Warmwasserspeicher die Temperatur "Tout des mit Thermosiphonwirkung aus der zweiten Umwälzleitung 7 ausströmenden Warmwassers praktisch konstant gehalten wird, entspricht die Warmwasser-Abgabemenge im wesentlichen (W - w) . Wie durch die ausgezogene Linie Y in Fig.- 9 dargestellt, kann somit beim erfindungsgemäßen Warmwasserspeicher nach Zündungsbeginn (Punkt C) Warmwasser während einer längeren Zeitspanne abgegeben werden, wie sich dies durch folgende Gleichung ausdrücken läßt:

Vo / (W - w) - Vo / W ... (5)

Dies bedeutet, daß der erfindungsgemäße Warmwasserspeicher ein das Innenvolumen des Warmwasser-Speicherbehälters übersteigendes effektives Warmwasser-Speichervolumen besitzt.

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Claims (2)

Patentansprüche

1. Nach dem ThermoSiphonprinzip arbeitender Warmwasserspeicher und -spender, mit einem Warmwasser-Speicherbehälter und einer -Umwälzleitung, deren eines Ende mit dem Boden des Speicherbehälters verbunden ist und deren anderes Ende sich in einer oberen Position innerhalb des Speicherbehälters befindet, und mit einem zwischen die beiden Enden der Umwälzleitung eingeschalteten Wärmetauscher, wobei das durch den Wärmetauscher erwärmte bzw. bereitete Warmwasser im Speicherbehälter, von seinem oberen Abschnitt ausgehend, gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzleitung (4, 7) mit einem dem Wärmetauscher (5) nachgeschalteten Thermoventil (thermal valve) (8) versehen ist, welches bei ansteigender Warmwassertemperatur seinen Öffnungsquerschnitt vergrößert und umgekehrt, so daß die Temperatur des aus dem Wärmetauscher (5) ausströmenden Warmwassers im wesentlichen konstant bleibt.

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'4t-

2. Warmwasserspeicher und -spender nach Anspruch 1, padurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (5) durch einen Brenner (6) beheizbar ist.

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