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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erwärmen von Wasser
sowie auf einen elektrisch arbeitenden Warmwasserbereiter zur Durchführung des Verfahrens
mit einem Wasserzulauf für aus dem Versorgungsnetz zufließendes Kaltwasser und einem
Wasserablauf für das erhitzte Wasser.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren
anzugeben sowie einen zu dessen Durchführung geeigneten Warmwasserbereiter zu schaffen,
der die Nachteile der bisher bekannten derartigen Verfahren und Geräte vermeidet
und insbesondere einen sparsamen Energieverbrauch ergibt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verfahren gelöst, bei
dem das aus dem Versorgungsnetz zufließende Kaltwasser in einem ersten Behälter
eine erste Temperaturerhöhung er fährt und in einem zweiten kleineren Behälter bis
zur gewünschten Temperatur erhitzt wird.
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Die Erfindung sieht zur Durchführung dieses Verfahrens einen Warmwasserbereiter
vor, der sich dadurch auszeichnet, daß er zwei gegeneinander isolierte Behälter
mit ungleichem Fassungsvermogen aufweist, von denen der größere unten mit dem Wasserzulauf
verbunden ist, während der kleinere mit dem Wasserablauf versehen ist; daß eine
Verbindungsleitung zwischen den beiden Behalten vorgesehen ist; und daß in beiden
Behnltern je ein elektrischer Heizwiderstand und ein Steuerthermostat angebracht
ist.
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In der Tat erhält man mit dem erfindungggemäß ausgebildeten Warmwasserbereiter,
der speziell für den Hausgebrauch konzipiert ist, obwohl eine industrielle Verwendung
keineswegs ausgeschlossen ist, beinahe plötzlich die gewünschte Erwärmung,
indem
man eine elektrische Spitzenleistung verwendet, die auf den höchstmöglichen Wert
reduziert ist. Die erwähnte Erwärmung baut sich in zwei Phasen oder Stufen auf,
die desto enger in der Zeit beieinander liegen, je höher die Temperatur des aus
dem Wasserversorgungsnetz einfließenden Wassers ist, das zur Benutzung oder für
den Betrieb mit einer vorfixierten höheren Temperatur wieder abfließt.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprchen.
Diese Merkmale ergeben sich aus dem nachfolgenden Teil der Beschreibung, in dem
eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes anhand von Zeichnungen beschrieben
wird. Es zeigt: Fig. 1: eine Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Warmwasserbereiters
und Fig. 2: einen der möglichen Stromversorgungskreise, die für einen automatisierten
Betrieb verwendet werden können.
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Im wesentlichen besteht das erwähnte Gerat, also der Warmwasserbereiter,
aus einem Behälter 1, dessen Werkstoff, Form und Abmessungen in weiten Grenzen wählbar
sind und der mit einem unteren Wasserzulauf 2 zum Einlaß des Wassers aus dem Wasserversorgungsnetz
sowie im Innern mit einem elektrischen Heizwiderstand 3 und einem Thermostat 4 ausgestattet
ist. Während sich der Widerstand 3 auf dem Boden des genannten Behälters 1 anbringen
läßt, kann der Themostat 4 an einer oben liegenden Halterung 5 befestigt werden,
die in einem Abstand zur Decke des Behälters 1 angebracht ist, um die erforderlichen
elektrischen Verbindungen ohne Beruhrung mit dem Wasser zu ermöglichen. Diese Anordnung
soll lediglich der Orientierung dienen.
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Im Innern des Behälters 1 befindet sich ein zweiter Behälter
6,
der aus einer rehrenförmigen oder langlichen Form Sn einen Wasserablauf 7 übergeht,
der dem Ablauf des heißen Wassers dient. Der im Innern angebrachte röhrenförmige
Behalter 6 ist außerdem mit einem obenliegenden Mundstück 8 ausgestattet, um den
direkten Zulauf des im Behalter 1 befindlichen Wassers zu ermöglichen.
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Der röhrenförmige innere Behälter 6 ist mit einer wärmeisolierenden
Wand 9, die den Wärmeaustausch zwischen den Behältern verhindert, sowie im Innern
mit einem Heizwiderstand 10 und einem Thermostat 11 ausgestattetj die beide an der
gleichen Halterung 5 befestigt sind, welche gleichzeitig der Festlegung des Behälters
6 dient.
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Der in Fig. 2 dargestellte Schaltkreis besteht aus den zuvor beschriebenen
Elementen (Widerstände 3 und 10 sowie Thermostate 4 und 11) und den im folgenden
aufgezählten: einem Eingang 12 mit Erdung gefolgt von Sicherungen 13 und einem Differentialrelais
14. Es folgen weiterhin zwei Leistungsrelais 15 und 16, eine Kontrollampe 17, ein
Steuerrelais 18, eine Ausschalttaste 19 und eine weitere Taste 20 zum Einschalten
des gesamten Heizprogramms.
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Um die Übersichtlichkeit der Abbildung nicht zu beeinträchtigen, wurde
auf die Darstellung einer Anode, eines Wasserriickschlagventils, eines ijberdruckventils
und weiterer Elemente von konventioneller Beschaffenheit und Wirkungsweise verzichtet.
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Die Betriebsweise des beschriebenen Warmwasserbehälters ist im wesentlichen
folgende: Durch die Wasserzulaufleitung 2 gelangt das Wasser aus dem Versorgungsnetz
ins Innere des Behälters 1 und wird durch den Widerstand 3 erwärmt, bis dieser sich
bei Erreichen der am
ersten Thermostat 4 vorgegebenen Temperatur
ausschaltet.
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Nachdem das Wasser das Mundstück 8 erreicht hat, gelangt es ins Innere
des Behälters 6, wo es von dem Widerstand 10 eine weitere Erwärmung erfährt, deren
Temperatur von dem zweiten Thermostat 11 geregelt wird. Durch den Wasserablauf 7
fließt das Warmwasser zum Verbraucher.
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Die Leistung des ersten Widerstands 3 ist so bemessen, daß im Winter
die Temperatur des zufließenden Wassers zunächst auf etwa 20° Celsius erhöht wird.
Ist das Wasser zuvor durch einen anderen natürlichen oder künstlichen Vorgang erwärmt
worden, wird die eingestellte Temperatur schneller erreicht und das im Innern des
Behälters 6 befindliche Wasser unter diesen Bedingungen schneller erwärmt.
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Als Beispiel sei aufgeführt, daß die Anfangstemperatur von 200 auf
800 Celsius mit Hilfe des Widerstands 10 erhöht werden kann, der nicht nur eine
höhere Leistung als in diesem Fall der Widerstand 3, sondern auch vor allem eine
größere Länge aufweist, um die vom Wasser benetzte Fläche zu vergrdßern.
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Die Werte von 20° und 800 Celsius sind verständlicherweise willkürlich
gewählt und vom Standort oder der geografischen Lage, in der der Warmwasserbereiter
aufgestellt ist, abhängig. In jedem Fall ist die Arbeitsweise des Gerätes zweistufig:
In der ersten oder Vorstufe wird die Flüssigkeit auf eine zuvor eingestellte Temperatur
gebracht, gleichgültig mit welcher Temperatur das Wasser in das Gerät einläuft,
und in der zweiten Stufe, der sogenannten Nutzungsstufe, wird die Temperatur stets
über der Anfangstemperatur liegen. Die zwischen diesen beiden Stufen liegende Zeit
verhält sich direkt proportional zur Einlauftemperatur des Wassers in dem beschriebenen
Warmwasserbereiter.
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Der Vorteil dieser Zweistufigkeit liegt darin, daß die zur Erwärmung
der im Behälter 1 befindlichen Wassermenge benötigte Zeit reduziert wird, bei Verwendung
einer maximalen Leistung bei relativ niedrigem Wert.
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Vorausgesetzt, daß der Behälter 1 silber ein Fassungsvermögen von
25 1 verfügt, ergibt sich rein rechnerisch, daß der Widerstand 3 der ersten Stufe
3.500 W aufweisen sollte, um die Flüssigkeit von 0° auf 20° C während der Dauer
von 10 Minuten zu erwärmen, das wäre z. B. die maximale Zeitspanne, die der Verbraucher
warten müßte, um sich duschen zu können. Trotzdem sei erwähnt, daß diese Zeitspanne
in Wirklichkeit sicherlich geringer sein wird, da die Wassertemperatur in der Regel
keine 0° C beträgt.
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Wenn das Wasser mit Hilfe des automatischen Systems, das nachfolgend
beschrieben wird, die 20° C erreicht hat, beginnt die Phase der Schnellerwarmung,
indem der erste Widerstand 3 ausgeschaltet und der Widerstand 10 eingeschaltet wird.
Unter der Voraussetzung, daß die von einer Person zum Duschen benötigte Zeitspanne
20 Minuten beträgt, ergibt sich für den Widerstand 10 rechnerisch eine Leistung
von 5.500 W. Wird eine Verlängerung dieser Zeitspanne gewünscht, genügt ein Regulieren
der Thermostate 4 und 11, was einen Anstieg der Endtemperatur dadurch zur Folge
hat, daß die Vorerwärmungszeit verlängert wird, ohne die Notwendigkeit, die Leistung
der beiden Widerstände erhöhen zu müssen.
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Aus dem vorher Gesagten ist zu ersehen, daß die gesamte Erwärmung
fast augenblicklich vonstatten geht. Wünscht man trotzdem, daß die Temperatur nicht
zu hoch liegt, kann man die erste Stufe ausschließen, indem man den Widerstand 3
der Vorstufe ausschaltet.
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Im Folgenden wird ein Schaltkreis von vielen möglichen, der an die
Arbeitsweise des Warmwasserbereiters angepaßt werden kann, im einzelnen erläutert.
In Fig. 2 sind Schutzmittel des Schaltkreises duch unabhängige Sicherungen 13 und
Erdung der Massen vorgesehen, weiterhin ein Differentialrelais 14 mit gleicher Funktion.
Dieses Relais wird nur dann eingebaut, wenn in der elektrischen Anlage des Benutzungsortes
ein solches nicht vorhanden ist, d.h. daß der Warmwasserbereiter mit bzw.
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ohne genanntes Relais 14 geliefert werden kann. In jedem Fall wird
mittels genanntem Relais bei irgendeiner auftretenden Störung in der Isolierung
die Speisung ausgeschaltet. Abgesehen davon übernimmt das Relais die Unterbrecherfunktion
des Warmwasserbereiters.
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Weiterhin sind Leistungsrelais 15 und 16 angeordnet, die die Aufgabe
haben, jeweils die Heizwiderst.inde 3 und 10 ein- bzw.
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auszuschalten. Wie aus der Skizze zu ersehen ist, können diese Relais
zwecks Verringerung der Spitzenleistungsaufnahme des Netzes nicht gleichzeitig eingeschaltet
sein.
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Eine Kontrollampe 17 zeigt an, daß die Wassertemperatur im Außenbehälter
1 200 C erreicht hat und daß er Warmwasserbereiter zur Benutzung (z.B. Duschen)
bereit ist.
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Ein Stuerrelais 18 schaltet über den Thermostat 4 den Widerstand 3
aus und den Widerstand 10 ein. Duch den Verriegelungskontakt des genannten Relais
18 bleibt dieses erregt, wodurch der Widerstand 10 über den Thermostat 11 geregelt
wird.
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Wird eine Unterbrechung der Vorerwärmung (1. Phase oder Sturz
fe)
gewünscht, drückt man die fUr diese Stufe vorgesehene Ausschalttaste 19, wodurch
das Relais 18 in dieser Stellung verriegelt bleibt, es sei denn, man drückt die
für das Ingangsetzen des Programmablaufs vorgesehene Taste 20, welche die Gesamterwärmung,
d.h. die zwei Betriebsstufen zugleich, auslöst.
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Der beschriebene Schaltkreis kann weitgehend verändert werden, stellt
aber in der dargestellten Weise ein Höchstmaß an konstruktiver und funktioneller
Vereinfachung dar, wird demzufolge für Anlagen sowohl im Haushalt als auch im industriellen
Bereich als geeignet angesehen.
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Beriicksichtigt man, daß das Wesentliche dieses Warmwasserbereiters
die zwei Stufen sind, wodurch ein schnelles Erwärmen des Wassers gewährleistet wird
mit dem Vorteil, daß lediglich die zum Verbrauch bestimmte Flüssigkeitsmenge erwärmt
wird, was demzufolge eine Energieeinsparung mit sich bringt, ist es gleichgültig,
ob die beiden Behälter 1 und 6 in einem einzigen Körper angeordnet sind, d.h. ob
der zweite Behälter sich isoliert im Innern des ersten befindet und beide Behälter
durch das Verbindungsstück 8 miteinander verbunden sind. Die Form des Behälters
6 kann, sowohl wenn dieser sich im Innern des Behälters befindet als auch wenn er
getrennt angebracht ist, verändert werden.
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Von den bereits genannten Vorteilen abgesehen, ist noch auf die Energieeinsparung
während der Vorerwärmungsphase hinzuweisen, insbesondere wenn das Wasser zuvor durch
eine der blichen alternativen Energiequellen, wie es heutzutage die vielbesprochene
Sonnenenergie ist, erwärmt wurde.
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Im Anschluß werden lediglich zur Illustration die erforderlichen Rechenschritte
ftir die Leistungsermittlung der Widerstände 3 und 10 in einem zweistufig arbeitenden
Warmwasserbereiter mit einem Inhalt von 25 1 aufgeführt: Widerstand 4 (Vorerwärmungsphase)
Q = m Ce (tl - t0) = erforderliche Wärmemenge Für eine Erwärmung von 25 1 von 00
auf 20° C sind in diese Formel folgende Werte einzusetzen: m = 25 x 1.000 = 25.000
g Ce = 1 t1 - t0 = 20° - 0° = 20° Demzufolge sind 25.000 x 1 x 20° = 500.000 Kalorien
in 10 Minuten zuzuführen.
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Da 1 Joule = 0,24 cal ist, folgt 500.000 : 0,24 = 2.083.333 Joule
in 10 x 60 Sek.
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Demzufolge beträgt der Widerstand 4: 2.083.333 : 600 - 3.472 W entspricht
etwa 3.500 Watt Widerstand 10 (Schnellerwarmungsphase): Wenn man die für das Duschen
benötigte Zeit auf 20 Min. festlegt., dann gilt Q - m Ce (t1 - t0) = 25.000 x 1
x (800 - 20°) = 1.500kcal 1.500.000 : 0,24 = 6.250.000 Joule in 20 x 60 = 1.200
sec Demzufolge beträgt der Widerstand 10:
6.250.000 : 1.200 = 5.208
W entsprlcht etwa 5.500 Watt.
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Werkstoffe, Formen und Abmessungen der verschiedenen Elemente, aus
denen sich das beschriebene Gerät zusammensetzt, weiterhin die elektrischen Werte
der Bestandteile, Bestimmungort desselben, Betriebtemperaturen sowie nebensächliche
DetnSls, die keinen Einfluß auf das Wesentliche des Gerätes haben, verändern den
Gegenstand der Erfindung nicht.