DE3541091C2

DE3541091C2 -

Info

Publication number: DE3541091C2
Application number: DE3541091A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. 5000 Koeln De Schmidt
Original assignee: Joh Vaillant GmbH and Co
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 1984-11-16
Filing date: 1985-11-16
Publication date: 1989-06-29
Also published as: DE3541091A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern der Auslauftemperatur eines elektrischen Durchlauf erhitzers durch Leistungssteuerung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es ist bekannt, elektrische Durchlauferhitzer zur Beheizung von kaltem Brauchwasser einzusetzen, wobei diese Durchlauf erhitzer entweder einphasig oder dreiphasig betrieben werden können. Im einfachsten Fall ist bei einphasigem Betrieb ein einziger Widerstand vorhanden, der von einem Wasserschalter bei Wasserdurchsatz an die Spannung des speisenden Netzes ge legt wird. Die Maximalleistung des Durchlauferhitzers ist da mit durch den Widerstandswert des Widerstandes und die ange legte Spannung definiert. Bei einem an einem Dreiphasensystem liegenden Durchlauferhitzer sind in der Regel drei gleiche Widerstände an die Außenleiter des speisenden Netzes angeschlos sen, die Leistung des Durchlauferhitzers ergibt sich hier analog aufgrund der Widerstandswerte und der anliegenden Dreiphasen spannung.

Es hat sich gezeigt, daß die Leistung eines solchen Durchlauf erhitzers häufig zu klein oder auch bei geringem Zapfwasser durchsatz zu groß ist. Zur Anpassung der Leistung ist es auch bekannt, Widerstände mit Phasenanschnittsteuerung oder mit Schwingungspaketsteuerung zu betreiben. Die Phasenanschnitt steuerung ist bei Elektrowärmegeräten oberhalb einer bestimmten Leistung nicht zugelassen, die Schwingungspaketsteuerung führt bei der Anwendung auf große Leistungen generell zu einem unbe friedigenden Regelverhalten, wenn man die Bestimmungen über die Netzrückwirkungen einhalten will.

Aus der DE-OS 22 41 681 ist es bekannt, bei einem elektrischen Durchlauferhitzer für Wasser einen ersten in Abhängigkeit von der Wasserauslauftemperatur elektronisch geregelten Leistungs kreis vorzusehen, der eine solche getaktete Teilleistung er zeugt, daß noch keine störenden Rückwirkungen auf die Elektri zitätsversorgungsnetze hervorgerufen werden. Weiterhin soll die Taktfrequenz so gewählt werden, daß noch keine merkbaren Temperaturschwankungen des auslaufenden Wassers auftreten. Es ist weiterhin ein zweiter nicht getakteter Leistungskreis für den Wasserdurchlauf vorhanden, wobei diese Leistung klei ner als die erste Teilleistung ist. Die zweite Teilleistung wird zur ersten Teilleistung strömungsgeschwindigkeitsabhängig zu- oder abgeschaltet.

Aus der DE-OS 29 45 307 ist eine Einrichtung zur Folgesteuerung einer einem fließenden Medium zugeführten Heizleistung bekannt geworden, bei der in Abhängigkeit des jeweils vorgegebenen Wasserdurchsatzes Spannungssignale mit einer von dem Ist-Wert des Durchsatzes abhängigen Periodendauer erzeugt. Die Länge des Widerstandes geht hierin nicht ein.

Aus der EP-OS 1 38 171 ist ein Wasserheizer bekanntgeworden, bei dem in Abhängigkeit vom gemessenen Wasserdurchsatz eine unterschiedliche Kombination von Heizelementen an Spannung gelegt werden.

Aus der DE-AS 26 02 868 ist eine Einrichtung zum Regeln der Auslauftemperatur eines elektrisch beheizten Durchlauferhitzers bekanntgeworden, bei dem eine Leistungsstufe von einem Triac gesteuert ist, ohne daß es hier auf die Längserstreckung der Widerstände und auf die Periodendauer der Leistungssteuerung ankommt.

Aus der DE-OS 28 37 934 ist eine Vorrichtung zur Regelung der Auslauftemperatur bei einem elektrischen Durchlauferhitzer bekanntgeworden, bei der die Heizleistung von einem im Auslauf des Durchlauferhitzers angeordneten Temperaturfühler steuerbar ist. Hier wird also eine Leistungssteuerung vorgenommen, unab hängig von der Längserstreckung der Widerstände, wobei die Periodendauer nicht beeinflußt wird.

Schließlich ist aus der DE-OS 34 15 542 eine Steuerung eines elektrischen Durchlauferhitzers bekanntgeworden, wobei in einer Steuerphase die Heizleistung fast bis an eine durch Messungen der Einlauftemperatur und der Temperaturerhöhung der Auslauf temperatur pro Zeiteinheit ermittelte Soll-Heizleistung heran schaltet. In einer nachfolgenden Regelphase wird die Auslauf temperatur der Soll-Temperatur nachgeregelt. Auch hier kommt es auf die Längserstreckung der Widerstände und auf die Perio dendauer nicht an, da es sich um eine Leistungssteuerung han delt.

Schlußendlich ist aus der DE-OS 33 04 322 ein elektrischer Durchlauferhitzer bekanntgeworden, bei dem eine Steuervorrich tung in Abhängigkeit vom Durchsatz Heizkörperstufen feinstufig schaltet. Es findet also auch hier eine Leistungssteuerung und nicht eine Periodendaueranpassung an die Längserstreckung der Widerstände statt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Auslauftemperatur bei einem elektrischen Durchlauferhitzer auf zeitlich konstante, aber einstellbare Werte zu steuern. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die kenn zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs.

Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbil dungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Aus führungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Fig. 1 bis 6 nachstehend näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel anhand einer elektrischen Schaltung zur Erläuterung des ersten Prinzips,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel zur Erläuterung des zweiten Prinzips,

Fig. 3 Diagramme zur Erläuterung der Schaltung nach Fig. 1,

Fig. 4 Diagramme zur Erläuterung der Schaltung nach Fig. 2,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel in Form einer Schaltung für einen Durchlauferhitzer und

Fig. 6 Diagramme zur Erklärung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 5.

Die Fig. 1 zeigt einen elektrischen Durchlauferhitzer in einer Ein fachstausführung. Es ist ein Durchlaufkanal 3 vorgesehen, in den ein elektrischer Widerstand R₁ in Form einer Blankdrahtwendel mit einer Länge L₁ und einem bestimmten Widerstandswert so angeordnet ist, daß er vom durchfließenden Medium, insbesondere Wasser, umspült ist.

Der Querschnitt des Kanals ist mit A bezeichnet, er ist über die Durch flußlänge konstant. Aufgrund des treibenden Wassernetzdruckes entsteht in Richtung des Pfeiles 4 ein Durchsatz D, der einem bestimmten Volumen bezogen auf die Zeit t entspricht.

Bei vorgegebenem Kanalquerschnitt A und vorgegebenem Durchsatz D resul tiert nach der Beziehung

eine bestimmte Durchflußgeschwindigkeit V.

Wenn im folgenden auf die Durchflußgeschwindigkeit abgestellt ist, könnte nach Maßgabe der Gleichung 1 ebensogut durch Umstellung auf den Kanal querschnitt und auf den Durchsatz abgestellt werden.

Die beiden Enden des Widerstandes 5 und 6 sind über Zuleitungen 7 und 8 mit einer Speisespannungsquelle L₁ und N verbunden, wobei in der Zulei tung 8 ein Schalter, vorzugsweise ein Triac V₁ angeordnet ist, der eine Steuerelektrode 9 aufweist. Es besteht auch die Möglichkeit, die Zulei tungen 7 und 8 an zwei Außenleiter eines Drehspannungsnetzes oder an ein Gleichspannungsnetz anzulegen. Die Steuerelektrode 9 ist an eine Schwin gungspaketsteuerung 10 angeschlossen.

Die Fig. 2 zeigt ein weiter verfeinertes Ausführungsbeispiel basierend auf den Überlegungen zu Fig. 1. Der wesentliche Unterschied besteht da rin, daß ein weiterer Widerstand R₂ dem Widerstand R₁ im Kanal 3 vorge schaltet ist, so daß das zu erwärmende Wasser zunächst den Widerstand R₂ umspült und anschließend den Widerstand R₁. Der Widerstand R₂ ist glei chermaßen als Blankdrahtwiderstandswendel ausgebildet, er weist einen bestimmten Widerstandswert und eine Länge L₂ auf. Die beiden Widerstände sind durch den Abstand L _V voneinander getrennt. Der Kanalquerschnitt A, die Durchflußgeschwindigkeit und der Durchsatz ergeben sich gemäß den Beziehungen zu Fig. 1. Der Widerstand R₂ weist einen Anfang 11 und ein Ende 12 auf, wobei der Anfang 11 über eine Zuleitung mit der Leitung 7 und das Ende 12 über einen weiteren Triac V₂ mit der Zuleitung 8 ver bunden sind. Die beiden Steuerelektroden 9 bzw. 13 der Triacs sind mit der Schwingungspaketsteuerung 10 verbunden.

Für die Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 gilt noch folgendes:
Die Widerstände in beiden Figuren sind so ausgestaltet, daß die Wider standsverteilung linear über die Länge erfolgt. Die Schaltung nach Fig. 2 kann abweichend von den Leitern L₁ und N eines Wechselspan nungssystems auch an zwei oder drei Außenleitern eines Dreiphasen systems oder an einer Gleichspannungsquelle betrieben werden.

Wenn im folgenden von zeitlich konstanter Temperaturerhöhung gesprochen wird, so bedeutet dies, daß zeitliche Änderungen der Leistungen einge schalteter Widerstände, hervorgerufen durch die Netzfrequenz, unberück sichtigt bleiben.

Bei Dauereinschaltung des Widerstandes R₁ entsteht an R₁ die Leistung P₁. Die Temperaturerhöhung H₁ wird dann am Punkt 1 im stationären Zustand, bezogen auf den Einlaufpunkt 14

wobei C _W die spezifische Wärmekapazität des Wassers ist.

Entsprechendes gilt für die Dauereinschaltung des Widerstandes R₂, wo durch die Leistung P₂ am Punkt 2 die Temperaturerhöhung, bezogen auf den Einlaufpunkt 14,

bewirkt.

Bei Dauereinschaltung der Widerstände R₁ und R₂ entsteht im Punkt 1 im stationären Zustand die maximale Gesamttemperaturerhöhung

H _{ges max}=H₁+H₂ (4)

Bei ausgeschaltetem Widerstand R₂ entsteht beim Tasten des Widerstan des R₁ mit periodischer Schwingungspaketsteuerung ein zeitlicher Ver lauf p₁ der Leistung und am Punkt 1 ein zeitlicher Verlauf der Tempera turerhöhung h₁, bezogen auf die Temperatur des Einlaufpunktes 14.

Bei Tasten des Widerstandes R₂ und ausgeschaltetem Widerstand R₁ ent steht ein Leistungsverlauf p₂ und im Punkt 1 ein Temperaturerhöhungsver lauf h₂. Beim Tasten der Widerstände R₁ und R₂ findet im Punkt 1 eine Überlagerung der Verläufe h₁ und h₂ statt.

Für die weitere Betrachtung wird vorausgesetzt, daß sich die bei perio discher Tastung ergebenden Zeitverläufe von h₁ und h₂ nur durch die lineare Aufteilung der Widerstände R₁ und R₂ über die Längen L₁ und L₂ ergeben.

Alle weiteren Einflüsse, wie Speicherwirkung des Wassers und des Wider standsdrahtes sowie Wärmeübergang in Durchflußrichtung und weitere Ver mischungsvorgänge werden nicht betrachtet. Die Verläufe h₁ und h₂ der Temperaturerhöhung bestehen dann aus Stücken konstanter Temperaturerhöhung und/oder aus Stücken mit linearen Anstiegen bzw. Gefällen.

Entscheidend für die Zeitverläufe h₁ und h₂ im Punkt 1 sind die Perio dendauern t _p und die Tastverhältnisse

der angewandten Schwingungspaketsteuerungen sowie die Durchflußzeiten t _L über die Längen L₁ bzw. L₂ der entsprechenden Teilwiderstände, allge mein gemäß

und die Durchflußzeit t _V über die Länge L _V zwischen den Teilwiderständen gemäß

Die Steigungen S der linearen Anstiege und Gefälle in den Verläufen h₁ und h₂ ergeben sich allgemein zu

und sind unabhängig vom Durchsatz D.

Der Mittelwert der am Punkt 1 überlagerten Temperaturerhöhungs-Verläufe h₁ und h₂ ergibt sich allgemein zu H _ges mit

H _ges=H₁ · T₁+H₂ · T₂ (9)

wobei T₁ und T₂ die entsprechend angewandten Tastverhältnisse für die Schwingungspaketsteuerung der Widerstände R₁ und R₂ sind.

In den Diagrammen der Fig. 3, 4 und 6 sind Zeitverläufe der Leistun gen p dargestellt, die sich bei Anwendung von Wechselspannung als Lei stungsmittelwerte über die Zeiten t _ein bzw. t _aus ergeben.

Die dargestellten Temperaturerhöhungsverläufe h basieren auf diesen Mittelwerten der Leistung. Die Periodendauer t _p ergibt sich jeweils aus t _ein+t _aus.

Fig. 3 zeigt die Anwendung von Schwingungspaketsteuerung gemäß dem ersten Prinzip auf die Schaltung gemäß Fig. 1, wobei die Periodendauer t _p der Schwingungspaketsteuerung abhängig vom Durchsatz bzw. der Durchflußgeschwindigkeit gemäß Gleichung (10) gewählt wird,

wobei m eine beliebige ganze Zahl ist und in diesem Falle L identisch mit der Länge L₁ ist.

Im ersten Beispiel der Fig. 3 ist insbesondere t _p=t _L gewählt. Dabei entsteht bei einem Tastverhältnis von T=1/2 beim ersten Einschalten ein linearer Anstieg der Temperaturerhöhung h₁ bis zum Grenzwert 15 von h₁ · 1/2, wonach die Temperaturerhöhung konstant diesen Wert beibehält.

Im zweiten Beispiel ist ein verändertes Tastverhältnis angenommen (z. B. von 1/4), wobei sich nach einem ersten linearen Anstieg von h₁ ein kon stanter Wert 16 (z. B. von H₁ · 1/4) ergibt.

Im dritten Beispiel ist die Periodendauer t _P halb so groß wie die Zeit t _L gewählt (m=2). Dabei entstehen nach Beginn der Schwingungspaket steuerung während zweier Zeiten t _ein lineare Anstiege, wonach die Tempe raturerhöhung wieder einen zeitlich konstanten Verlauf mit dem Wert 17 entsprechend H₁ · 1/2 aufweist.

Aus Gleichung 10 läßt sich ableiten, daß bei vorgegebener Länge L bzw. L₁ des Widerstandes R bzw. R₁ die Periodendauer t _P der Schwingungspaket steuerung umgekehrt proportional zur Durchflußgeschwindigkeit V bzw. dem Durchsatz D des Mediums gesteuert wird.

Es zeigt sich, daß bei der Anwendung von Schwingungspaketsteuerung und Wahl der Periodendauer entsprechend der Beziehung (10) in einem Wider stand R bzw. R₁ im stationären Fall eine zeitlich konstante Temperatur erhöhung stattfindet. Das bedeutet auch, daß auf einen oder mehrere Widerstände, die gleiche oder unterschiedliche Widerstandswerte bzw. gleiche oder unterschiedliche Längen aufweisen können, bei Anwendung von gleichen oder unterschiedlichen Schwingungspaketsteuerungen, wobei die Periodendauer der angegebenen Beziehung (10) genügen, bei beliebigen Tastverhältnissen eine zeitlich konstante gesamte Temperaturerhöhung erreicht wird.

Bei Anwendung auf zwei oder mehr Widerstände sind die Abstände L _V zwischen den Widerständen ohne Bedeutung.

Diese Ausführungen gelten insbesondere auch für die Anwendung von Schwin gungspaketsteuerungen auf die Widerstände R₁ bzw. R₂ nach Fig. 2, wobei sich der konstante Wert der Temperaturerhöhung gemäß Gleichung (9) er gibt und, wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen, über die Tast verhältnisse einstellbar ist.

Aus vorstehendem ergibt sich, daß die Schaltung bzw. die Ausführung der Schwingungspaketsteuerung zunächst nur für einen bestimmten Kanalquer schnitt des Durchlauferhitzers Gültigkeit hat. Weicht die bauliche Kon struktion des Durchlauferhitzers ab oder wird die Steuerung für einen anderen Durchlauferhitzer angewandt, so ist die Periodendauer der Schwin gungspaketsteuerung dem jeweiligen aktuellen Kanalquerschnitt anzupassen. Das bedeutet auch, daß bei Anwendung der Steuerung auf variable Durch sätze, beispielsweise durch Androsseln des Zapfventils im Zuge des vari ierenden Öffnungsgrades des Zapfventils, die Periodendauer der Schwin gungspaketsteuerung fortlaufend zu ändern ist.

Die nun folgenden Ausführungen zu Fig. 4 beziehen sich auf die Anwen dung des zweiten Prinzips auf das Schaltbild gemäß Fig. 2, bei dem Voraussetzung ist, daß wenigstens ein oder mehrere Abstände L _V zwischen zwei oder mehreren Widerständen vorhanden sind. In jedem Fall gilt, daß zwei oder mehr Widerstände im Durchflußweg des Wassers oder sonstigen Mediums nacheinander liegen. Weiterhin müssen die Widerstände so ausgebildet sein, so daß an ihnen bei Dauereinschaltung die gleichen Leistungen entstehen (d. h. bei gleicher Versorgungsspannung müssen die Widerstandswerte gleich sein) und daß sie gleiche Längen aufweisen. Bevorzugt sind sie als identische Blankdrahtwiderstandswendel ausge bildet. Werden die Widerstände abweichend von Fig. 2 an Versorgungs spannungen unterschiedlicher Größe betrieben, so müssen die Widerstands werte so ausgebildet sein, daß in den Widerständen gleiche Leistungen bei Dauereinschaltung abfallen.

Bei einer solchen Anordnung wird die Periodendauer umgekehrt proportional zum Durchsatz gemäß Gleichung (11)

gewählt. Hierin bedeutet n die Anzahl der Widerstände. Auf alle Wider stände finden hierbei Schwingungspaketsteuerungen mit gleicher Perio dendauer t _P Anwendung. Weiterhin sind auch die Tastverhältnisse aller Schwingungspaketsteuerungen gleich.

Die auf zwei benachbarte Widerstände angewandten Schwingungspaketsteue rungen weisen eine Phasenverschiebung gegeneinander auf, die umgekehrt proportional zum Durchsatz identisch mit der Zeit t _V entsprechend dem Abstand L _V zwischen den Widerständen gemäß Gleichung (7) gewählt wird, wobei die Schwingungspaketsteuerung des in Strömungsrichtung nachfolgen den Widerstandes gegenüber der anderen um die Zeit t _V nacheilt.

Das erste Beispiel zeigt Kurvenzüge der zeitlichen Verläufe der Leistun gen p₁ und p₂ bei einem Tastverhältnis von T=1/2.

Aus p₁ resultiert am Punkt 1 ein Verlauf h₁, aus p₂ allein resultiert am Punkt 2 ein Verlauf h₂₂, der verzögert um die Zeit t _L+t _V den Ver lauf h₂ an Punkt 1 ergibt. h₁ und h₂ überlagern sich am Punkt 1 zu dem Verlauf h, der zeitlich konstant ist, wobei sich bei dem gewählten Tast verhältnis der Gesamtwert 18 von H _{ges max} · 1/2 ergibt.

Im zweiten Beispiel sind die Verhältnisse bei einem Tastverhältnis von T=1/8 angegeben. Es resultiert durch Überlagerung ein zeitlich kon stanter Verlauf von h, der bei dem angegebenen Tastverhältnis einen gegenüber dem ersten Beispiel kleineren Wert 19 von H _{ges max} · 1/8 auf weist.

Das dritte Beispiel zeigt eine Situation, in der angenommen ist, daß der Durchfluß gegenüber dem ersten und zweiten Beispiel halbiert ist, wodurch bedingt doppelt so große Zeiten t _L bzw. t _V vorliegen. Dies be dingt gegenüber dem ersten und zweiten Beispiel verdoppelte Perioden dauern t _P sowie eine doppelt so große Phasenverschiebung zwischen den Schwingungspaketsteuerungen für R₁ und R₂.

Bei dem gewählten Tastverhältnis von T=1/4 ergibt die Überlagerung der Verläufe h₁ und h₂ den Verlauf 20 von h mit einem zeitlich kon stanten Wert von H _{ges max} · 1/4. Da die maximal mögliche Temperatur erhöhung H _{ges max} vom Durchfluß D abhängig ist, ergibt sich ein Ge samtwert 20, der identisch mit dem Gesamtwert des ersten Beispieles (18) ist. Bei der Anwendung des Verfahrens muß der Durchsatz bzw. die Durchflußgeschwindigkeit erfaßt werden und die Periodendauer t _P der Schwingungspaketsteuerungen bzw. die Phasenverschiebung zwischen den Schwingungspaketsteuerungen entsprechend eingestellt werden. Durch gleiche Variation des Tastverhältnisses T bei allen Schwingungs paketsteuerungen wird die Gesamtleistung P _ges zwischen den Werten 0 und P _{ges max} feinstufig einstellbar, wobei in allen Fällen die Tempe raturerhöhung zeitlich konstant ist.

Bei Anschluß der Schaltungen gemäß Fig. 1 und 2 an eine Gleichspan nungsversorgung tritt anstelle der Schwingungspaketsteuerung eine Im pulsbreitensteuerung, wobei entsprechende Schalter eingesetzt werden. Bei Anwendung von Schwingungspaketsteuerung und Schalten im Nulldurch gang des Stromes sind nur diskrete Tastverhältnisse T möglich, so daß bei Vollwellensteuerung die minimale Einschaltzeit bzw. die minimale Ausschaltzeit eine Netzperiode, bei Halbwellensteuerung eine halbe Netzperiode beträgt.

Damit ist die Leistung nicht kontinuierlich sondern feinstufig ein stellbar, wobei sich die Stufenweite aus der minimalen Einschaltdauer t _ein bzw. der minimalen Ausschaltdauer t _aus ergibt, die beispielsweise bei Vollwellensteuerung der Zeit von einer Netzperiode (20 ms) ent sprechen.

Damit ist unter der Einschränkung des Schaltens im Strom-Nulldurchgang bei beiden betrachteten Prinzipien nach Fig. 3 bzw. Fig. 4 im all gemeinen keine exakte Anpassung der Periodendauern t _p entsprechend den Gleichungen 10 bzw. 11 sowie beim betrachteten Prinzip nach Fig. 4 im allgemeinen keine exakte Anpassung der Phasenverschiebung ent sprechend Gleichung 7 bei beliebigen angenommenen oder vorliegenden Durchsätzen D möglich. Unter der Wahl der Periodendauer umgekehrt pro portional zum Durchsatz bzw. gemäß Gleichung 10 bzw. 11 der Wahl der Phasenverschiebung umgekehrt proportional zum Durchsatz bzw. gemäß Gleichung 7 ist dann zu verstehen, daß die nächstliegende mögliche Periodendauer bzw. Phasenverschiebung gewählt wird.

Ergibt sich beispielsweise aus Gleichung 10 bzw. Gleichung 11 eine Periodendauer von t _P=132 ms, so wird bei Schalten im Strom-Nulldurch gang und bei Anwendung von Vollwellensteuerung bei der Netzfrequenz von 50 Hz die Periodendauer t _P=140 ms (7 Netzperioden) gewählt. Entsprechendes gilt für die Wahl der Phasenverschiebung. Infolge nicht exakt angepaßter Periodendauern bzw. Phasenverschiebungen entstehen geringfügige zeitliche Änderungen der Temperaturerhöhung.

Gegenüber der Anwendung der Schwingungspaketsteuerung auf einen einzel nen Widerstand entsprechend großer Leistung entstehen bei der Verwen dung mehrerer Widerstände kleinerer Leistung wesentlich geringere Netz rückwirkungen (Flicker), da unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen zu diskreten Zeiten immer nur ein kleinerer Widerstand ein- beziehungsweise ausgeschaltet wird. Es hat sich gezeigt, daß die Netzrückwirkungen (Flicker) besonders klein werden, wenn auf die Wider stände Schwingungspaketsteuerungen gleicher Periodendauer und gleichen Tastverhältnisses angewandt werden und die Phasenver schiebungen zwischen den Schwingungspaketsteuerungen identisch der Ein schaltzeit t _ein bzw. identisch der Ausschaltzeit t _aus gewählt werden.

Zur Auswahl eines der Prinzipien entsprechend Fig. 3 oder Fig. 4 für einen konkreten Anwendungsfall gilt folgendes:
Das Verfahren nach Fig. 3 läßt allgemeinere Realisierungen zu, da die Widerstände hinsichtlich ihrer Größe bzw. der geometrischen Ausführung unterschiedlich sein können und auf die Widerstände auch Schwingungs paketsteuerungen nicht identischer Periodendauern anwendbar sind.

Bedingt durch die relativ kurzen Periodendauern t _P entstehen anderer seits relativ große Netzrückwirkungen, wodurch sich die erzielbare maximale Leistung entsprechend begrenzt.

Bei dem Verfahren gemäß Fig. 4 bestehen Einschränkungen hinsichtlich der Ausführung der Widerstände, da alle Widerstände hinsichtlich der darstellbaren Leistungen und der Abmessungen gleich ausgeführt sein müssen. Weiterhin müssen die Schwingungspaketsteuerungen der Wider stände alle die gleiche Periodendauer t _P aufweisen. Da aber gegenüber dem Verfahren nach Fig. 3 die Periodendauern t _P größer sind, entstehen vergleichsweise kleinere Netzrückwirkungen, welches zu größeren erziel baren Gesamtleistungen führt.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist ein Durchlauferhitzer voraus gesetzt, der drei gleich große Widerstände R₁, R₂ und R₃ aufweist, die im Durchflußkanal 3 in Serie miteinander liegen.

Die Widerstände weisen wirksame Längen L₁, L₂ und L₃ auf, die, wie auch deren Abstände L _V, gleich sind. Es sei darauf hingewiesen, daß bei An wendung des ersten Prinzips nach Fig. 3 weder die Widerstände noch ihre Länge noch die Abstände zwischen ihnen gleich sein müssen.

Am Anfang 14 des Durchflußkanals ist ein Wasserschalter 21 angeordnet, der feststellt, ob Wasserdurchsatz im Kanal 3 stattfindet. Bei Wasser durchsatz betätigt er über eine Stange 22 einen dreiphasigen Schalter 23, der die Außenleiter L₁ bis L₃ eines speisenden Drehstromnetzes mit einer verketteten Spannung von 380 V auf die Heizwendel schaltet.

Es ist ein Durchsatzfühler 24 am Kanalanfang 14 angeordnet, der über eine Meßleitung 25 auf die Schwingungspaketsteuerung 10 geschaltet ist. Weiterhin ist ein Einlaßtemperaturfühler 26 vorgesehen, der über eine Meßleitung 27 gleichfalls mit der Steuerung 10 verbunden ist. An einen Sollwertgeber 28 kann eine gewünschte Auslauftemperatur in der Zapf leitung 4 vorgegeben werden, die sich stromab des Zapfventils 29 anschließt.

Der Widerstand R₃ ist über einen Triac V₃ mit einem Außenleiter L₁ und mit seiner anderen Stromzuführung mit einem anderen Außenleiter L₃ des Dreh stromnetzes verbunden. Analog sind die beiden anderen Widerstände R₁ bzw. R₂ über Triacs V₁ bzw. V₂ mit den Außenleitern L₃ und L₂ bzw. L₁ und L₂ verbunden, so daß eine Dreieckschaltung entsteht. Sämtliche Steuerelektro den der Triacs sind mit der Steuerung 10 verbunden.

Obwohl die Widerstände R₁ bis R₃ als gleich angenommen werden, besteht die Möglichkeit, sie in ihrer Leistungsabgabe unterschiedlich zu ge stalten, desgleichen können die wirksamen Längen und die Abstände L _V unterschiedlich gestaltet werden, wobei auch mehr als drei Widerstände vorgesehen sein können. Die Speisung der Widerstände muß nicht durch ein Drehstromnetz geschehen, es wäre auch ein einphasiger Anschluß möglich oder eine gemischte Schaltung, beispielsweise auch in Stern schaltung.

Weiterhin können zusätzlich zu den steuerbaren Widerständen R₁ bis gegebenenfalls R₃ auch weitere Festwertwiderstandsstufen zu- oder ab geschaltet vorhanden sein, mit denen eine Grundlast eingestellt werden kann.

In der dargestellten Ausführungsform können die Widerstände mit einer Schwingungspaketsteuerung gemäß den Ausführungen zu Fig. 3 betrieben werden, wobei die Widerstände in ihren Ausführungen und Längen sowie Abständen voneinander unterschiedlich sein können. Demgemäß sind dann auch die Periodendauern der Schwingungspaketsteuerungen unterschiedlich, wobei dann die Steuerung 10 entsprechend der Zahl der Widerstände auf zuteilen wäre.

Unter der Prämisse, daß die Widerstände gleich sind, gleiche Längen auf weisen und gleiche Abstände voneinander besitzen, sollen die nachfolgen den Erklärungen gemäß Fig. 6 gelten. Die Steuerung erfolgt dann unter Übernahme der Ausführung zu Fig. 4.

In Fig. 6 sind beispielhaft analog zu Fig. 4 drei Leistungsverläufe p₁, p₂ und p₃ entsprechend den getasteten Widerständen R₁, R₂ und R₃ dargestellt. Die Periodendauer der Schwingungspaketsteuerungen beträgt t _P=3 · t _L, wobei entsprechend der drei gesteuerten Widerstände die Zahl n in Gleichung (11) drei beträgt.

Die Phasenverschiebungen zwischen den drei Schwingungspaketsteuerungen betragen t _V, wobei angenommen wurde, daß die Abstände L _V zwischen den Widerständen gleich groß sind. Im Beispiel ist das Tastverhältnis zu T=1/2 angenommen. Der Leistungsverlauf p₁ führt zu einem Verlauf der Temperaturerhöhung h₁ in Punkt 1, bezogen auf die Einlauftemperatur im Punkt 14.

Entsprechend führen die Leistungsverläufe p₂ und p₃ zu den Verläufen h₂ und h₃ in diesem Punkt. Durch Überlagerung der Verläufe h₁, h₂ und h₃ ergibt sich in Punkt 1 der Verlauf h. Dieser weist nach einem line aren Anstieg zu Beginn der Schwingungspaketsteuerungen einen konstanten Wert 30 auf. Dieser konstante Wert H _ges ergibt sich zu

In dem betrachteten Beispiel wurde von gleichen Widerständen mit gleichen Längenabmessungen sowie von gleichen Abständen L _V zwischen den Widerstän den ausgegangen. Es wurde bereits gesagt, daß das Verfahren auch bei unterschiedlichen Widerstandsausführungen sowie unterschiedlichen Abstän den sinngemäß anwendbar ist. Sind beispielsweise die Abstände L _V zwischen den Widerständen unterschiedlich, so müssen daraus abgeleitete, entsprechend unterschiedliche Phasenverschiebungen t _V zwischen den Schwingungspaket steuerungen der Widerstände eingehalten werden, um verfahrensgemäß die Aus lauftemperatur konstant zu halten.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist es möglich, relativ hohe Leistungen darzustellen, ohne weiteres im Bereich von 20-30 kW. Zieht man allerdings die Netzrückwirkungen (Flicker) in Betracht, so wird das System bei etwa 7 kW seine Grenze finden. Diese Grenze kann jedoch nach oben herausgeschoben werden, indem man zusätzlich zu der betrachte ten gesteuerten Leistungsstufe Festleistungsstufen hinzuschaltet, die einphasig oder auch dreiphasig betrieben werden können.

Bei Einbau in handelsübliche Durchlauferhitzer und damit vorgegebenen Längen der Widerstände, die wiederum die Periodendauern der Schwingungs paketsteuerung bedingen, hat sich herausgestellt, daß Wasserdurchflüsse von 3-10 l · min^-1 zu Periodendauern führen, die unter Berücksichtigung der Netzrückwirkungen eine entsprechend steuerbare Leistungsstufe er möglichen.

Die Verfahren nach den Ansprüchen führen in äquivalenter Weise zu einem sehr guten Steuerverhalten für die Auslauftemperatur des Durch lauferhitzers, die überraschend in sehr engen Grenzen bei relativ klei nem baulichen Aufwand konstant gehalten werden kann. Innerhalb der allge meinen Arbeitsregel für die Ansprüche 1 und 2 führen die Bemessungsregeln zum Optimum der Bemessung der Periodendauer beim jeweiligen Verfahren.

Die Angabe des Anspruchs 3 bezieht vorteilhaft die Phasenverschiebung mit ein, so daß die Steuerung hierbei noch verbessert wird. Gleiches gilt für die Bemessungsregel der Phasenverschiebung nach Anspruch 4, die auch hier einen optimalen Wert angibt.

Das Verfahren gemäß Anspruch 5 ergibt eine besonders vorteilhafte allge meine Anweisung, wie die Phasenverschiebung in Relation zur Einschaltdauer zu wählen ist, um die Steuerung größerer Leistungen netzrückwirkungsarm zu ermöglichen.

Es ist auch möglich, beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 stromab des letzten beheizten Widerstandes einen Temperaturfühler als Istwert-Geber vorzusehen, damit kann aus der Steuerung eine Auslauftemperaturregelung gemacht werden.

Claims

1. Verfahren zum Steuern der Auslauftemperatur eines elektrischen Durchlauferhitzers, der wenigstens einen an Spannung über einen schwingungspaketgesteuerten Schalter liegenden Widerstand aufweist, der in einem Durchlaufkanal vom fluiden Medium umspült wird, da durch gekennzeichnet, daß bei gegebener Längenab messung des Widerstandes die Periodendauer der Schwingungspaketsteuerung umgekehrt proportional zur Durchflußgeschwindigkeit beziehungsweise zum Durchsatz des Mediums gewählt wird und daß für jeden Widerstand die Periodendauer nach folgender Beziehung gewählt wird: wobei m 1 oder ein ganzzahliges Vielfaches von 1, A der Kanalquerschnitt in mm², L die Länge des Wider standes in mm und D der Durchsatz in mm³ · sec^-1 sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorgegebenen gleichen Längenabmessungen (L₁, L₂ . . .) und gleichen darstellbaren Leistungen der Widerstände (R₁, R₂ . . .) sowie vorgegebenen Abstän den (L _V) zwischen ihnen die Periodendauer (t _p) und das Tastverhältnis T der Schwingungspaketsteuerungen für alle Widerstände gleich gewählt werden, wobei die Periodendauer umgekehrt proportional zur Durch flußgeschwindigkeit beziehungsweise zum Durchsatz des Mediums ist und daß die Periodendauer nach fol gender Beziehung gewählt wird: wobei n die Anzahl der Widerstände, A der Kanalquer schnitt in mm², L die Länge eines Widerstandes in mm und D der Durchsatz des fluiden Mediums in mm³ · sec^-1 sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schwingungspaketsteuerungen für die Widerstände (R₁, R₂ . . .) Phasenverschiebungen aufweisen, die umgekehrt proportional zur Durchfluß geschwindigkeit beziehungsweise zum Durchsatz des fluiden Mediums gewählt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebungen beziehungsweise Ver zögerungszeiten zwischen den Schwingungspaketsteue rungen für die einzelnen Widerstände (R₁, R₂ . . .) entsprechend folgender Beziehung gewählt werden: wobei t _V die Phasenverschiebung beziehungsweise Ver zögerungszeit zwischen zwei Schwingungspaketsteue rungen für zwei benachbarte Widerstände, L _V der Ab stand zwischen diesen Widerständen in mm, A der Kanal querschnitt in mm² und D der Durchsatz in mm³ · sec^-1 sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Widerstände mit Schwingungspaketsteuerungen gleicher Periodendauer und gleichen Tastverhältnis ses beaufschlagt werden und alle Schwingungspaket steuerungen Phasenverschiebungen gegeneinander auf weisen, die identisch der Ein- oder Ausschaltzeit der Schwingungspaketsteuerungen sind.