DE3712648A1 - Betriebsverfahren fuer einen elektrischen durchlauferhitzer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Betriebsverfahren für einen elektrischen Durchlauferhitzer gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Solche elektrischen Durchlauferhitzer sind bekannt. Sie bestehen aus einem Kunststoffkanalblock, der einen durchgehenden Wasserkanal aufweist, in dem hydraulisch in Serie liegend wenigstens vier beheizte Widerstände vorgesehen sind, die alle über Schalter an ein Drehstromnetz an- bzw. von ihm abgeschal­ tet werden können. Mitunter sind zwischen den beheizten Kanalstrecken auch unbeheizte Strecken vorgesehen. Somit wird die elektrische Leistung als Wärme nicht gleichmäßig auf den Wasserstrom im Kanal übertragen sondern schritt­ weise. Muß eine elektrische Leistung angepaßt werden, beispielsweise weil der Verbraucher kühleres oder wärmeres Wasser verlangt oder weil der Durch­ satz vom Verbraucher durch Variation des Öffnungsgrades des Zapfventils ge­ ändert wird, so erfolgt diese Anpassung stufenweise, indem ein oder mehrere Widerstände vom Netz getrennt bzw. an es angeschaltet werden bzw. indem der Schaltzustand des den Widerstand beherrschenden Triacs geändert wird (z. B. Schwingungspaketsteuerung). Bei solchen Leistungsanpassungen ergeben sich Temperaturschwankungen des auslaufenden Wassers. Temperaturschwankungen er­ geben sich weiterhin, wenn Leistungsanpassungen aufgrund äußerer Störgrößen auf das System einwirken, beispielsweise bei Änderung des Durchsatzes auf­ grund von Schwankungen des Wasserdrucks oder bei Schwankungen der Einlauf­ temperatur oder von Schwankungen der Speisespannung des speisenden Dreh­ spannungsnetzes.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gesteuerte Aus­ lauftemperatur eines solchen Durchlauferhitzers möglichst konstant zu hal­ ten obwohl derartige Störgrößen mit der Folge der Leistungsanpassung auf die Beheizung einwirken.

Die Lösung der Aufgabe liegt in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptan­ spruches.

Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Er­ findung sind Gegenstand der Unteransprüche bzw. gehen aus der nachfolgen­ den Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur der Zeichnung näher erläutert.

Der Durchlauferhitzer besteht aus einem Kunststoffkanalblock, der einen Wasserkanal 1 aufweist. Dieser weist einen Anfang 2 und ein Ende 3 auf. An das Ende schließt sich eine Zapfwasserleitung an, die von einem Zapf­ ventil 4 beherrscht wird. Aufgrund der Querschnittsabmessungen des Kanals ergibt sich ein Durchsatz D in einer Richtung des Pfeils 5. Am Beginn 2 des Kanals ist ein Wasserschalter 6 angeordnet, der über einen Hebel 7 mit einem dreiphasigen Leistungsschalter 8 verbunden ist, der ein spei­ sendes Drehspannungsnetz mit Außenleitern L 1, L 2 und L 3 an das System an­ schalten kann oder es von ihm trennt. In dem Wasserkanal 1 liegen hydrau­ lisch in Serie beheizbare Widerstände in Form von Blankdrahtwicklungen R 1 bis R 4. Von diesen ist der Widerstand R 1 an seinem einen Ende 9 über eine Leitung 10 mit dem Außenleiter L 2 verbunden, sein anderes Ende 11 ist über einen Triac V 1 und einer Leitung 12 mit dem Außenleiter L 3 ver­ bunden. Die Steuerelektrode 13 des Triacs ist über eine Leitung 14 mit einer Steuereinrichtung 15 verbunden. Der Widerstand R 1 ist der letzte beheizte Widerstand des Kanals. In einem Abstand 16 stromauf von ihm be­ findet sich der Widerstand R 2, dessen eines Ende 17 über einen Triac V 2 und einer Leitung 18 mit dem Außenleiter L 1 verbunden ist. Das stromauf­ seitige Ende 19 des Widerstandes R 2 ist über eine Leitung 20 zu einem Verbindungspunkt 21 geführt, der die Leitung 20 mit der Leitung 12 ver­ bindet. In einem weiteren Abstand 22 stromauf vom Widerstand R 2 ist der Widerstand R 3 angeordnet, dessen stromabseitiges Ende 23 über einen Triac V 3 und eine Leitung 24 mit einem Verbindungspunkt 25 verbunden ist, der die Leitung 24 mit der Leitung 18 verbindet. Das stromaufsei­ tige Ende 26 des Widerstandes R 3 ist über eine Leitung 27 mit einem Verzweigungspunkt 28 verbunden, der in der Leitung 12 liegt. In einem weiteren Abstand 29 stromauf des Widerstandes R 3 ist der Widerstand R 4 angeordnet, der über eine Leitung 30 mit einem Verbindungspunkt 31 in der Leitung 18 und über eine Leitung 32 mit einem Verbindungspunkt 33 in der Leitung 10 verbunden ist.

Dieser Widerstand R 4 ist unmittelbar mit dem Außenleitern L 1 und L 2 ver­ bunden, wenn man vom Schalter 8 absieht. Bei Einschaltung des Wasserschal­ ters 6 ist dieser Widerstand stets mit derselben Spannung beheizt. Stromab des Widerstandes R 4 ist ein Temperaturfühler 34 angeordnet, der über eine Leitung 35 mit der Steuervorrichtung 15 verbunden ist.

Der Widerstand R 1 weist eine Längenabmessung 40, der Widerstand R 2 eine solche von 41, der Widerstand R 3 eine solche von 42 und der Widerstand R 4 eine solche von 43 auf.

Stromauf des Widerstandes R 4 ist ein weiterer Temperaturfühler 36 ange­ odnet, der über eine Meßleitung 37 mit der Steuervorrichtung 15 verbunden ist. Die Steuervorrichtung 15 ist mit einem Sollwertgeber 38 versehen, der über eine Leitung 39 auf sie geschaltet ist.

Die Steuervorrichtung 15 schaltet die Schaltzustände der Triacs V 1 bis V 3 derart, daß der Triac V 1 eine sehr feinstufig variierbare Leistungsdar­ bietung am Widerstand R 1 gestattet. Die Leistungsstufung an den Widerstän­ den R 2 und R 3 ist im Gegensatz zur eben genannten sehr viel grober dar­ stellbar. Insbesondere sind die Widerstände R 2 und R 3 nur fest zu- bzw. abschaltbar. Der Widerstand R 1, der die feinstufig darstellbare Leistung gestattet, kann auch aus mehreren Teilwiderständen bestehen.

Die Schaltung bzw. das Betriebsverfahren für die Schaltung arbeitet nun wie folgt:

Wird durch Öffnen des Zapfventils 4 Wasser gezapft, so betätigt der Wasser­ schalter 6 den Leistungsschalter 8, so daß das speisende Drehspannungsnetz mit seinen Außenleitern auf die Widerstände schaltbar ist. Die Leistung hängt jetzt von den Schaltzuständen der Triacs bzw. ihrer Betriebsweise ab. Die Steuervorrichtung 15 schaltet die Triacs ein bzw. aus bzw. beaufschlagt sie mit einer Schwingungspaketsteuerung mit variablem Tastverhältnis.

Mit dem Temperaturfühler 36 wird die Einlauftemperatur bzw. deren Schwankun­ gen erfaßt. Mit dem Meßfühler 34 wird die Temperatur stromab des fest an Span­ nung liegenden Widerstandes R 4 erfaßt.

Aus der Differenz der beiden Temperaturwerte ist bei vorgegebener Spannung am Widerstand R 4 und bei vorgegebenem Kanalquerschnitt der Durchsatz bzw. die Durchsatzgeschwindigkeit ermittelbar. Andererseits sind bei gegebenem Durchsatz aus der Differenz der beiden Temperaturwerte die Schwankungen der Versorgungsspannung erfaßbar.

Genaugenommen wird nur eine Schwankung zwischen den Außenleitern L 1 und L 2 erfaßt. Will man die beiden anderen möglichen Spannungsänderungen auch er­ fassen, wäre der Festwertwiderstand 4 entsprechend zu unterteilen und zu be­ schalten.

Wird ein bestimmter Wasserdurchsatz durch den Öffnungsgrad des Ventils 4 eingestellt, und liegt die Einlauftemperatur fest, so muß abhängig davon eine bestimmte elektrische Leistung durch die Widerstände R 1 bis R 4 darge­ boten werden, um zur gewünschten Auslauftemperatur zu kommen. Dies ist durch Einstellung unterschiedlicher Schaltzustände der Triacs V 1 bis V 3 abhängig von den gemessenen Temperaturwerten möglich.

Ändern sich jetzt bei fester vorgegebener Auslauftemperatur die Störgrößen, wie die Höhe der Einlauftemperatur, Größe des Durchsatzes bzw. Höhe der spei­ senden Außenleiterspannung, so folgt hieraus zunächst eine Änderung der Aus­ lauftemperatur. Dies macht eine Änderung der durch die Widerstände R 1 bis R 3 erzeugten Leistung und damit der Schaltzustände der Triacs V 1 bis V 3 erfor­ derlich, die sich wieder aus den Temperaturmeßwerten ergibt, um die entstehen­ de Änderung der Auslauftemperatur zu kompensieren. Wird diese Leistungsände­ rung oder Zusatzleistung, die positiv oder negativ sein kann, unmittelbar vor­ genommen, so führt dies im allgemeinen zu nicht gewünschten temporären Schwan­ kungen in Form von Erhöhungen bzw. Erniedrigungen der Auslauftemperatur.

Zur Vermeidung solcher Schwankungen wird erfindungsgemäß so vorgegangen, daß der Einfluß einzelner Störgrößen und die daraus resultierenden erforderlichen einzelnen Kompensationsleistungen ermittelt werden.

Diese Kompensationsleistungen werden dann abhängig vom Ort des Entstehens der entsprechenden Temperaturänderung und dem Ort der Widerstände, die die Kom­ pensationsleistungen aufbringen, zeitverzögert eingestellt, wobei sich die Zeitverzögerung aus den geometrischen Abmessungen der unbeheizten Strecken zwischen den Widerständen und den Längenerstreckungen der Widerstände 40, 41, 42, 43 und dem Durchsatz, der aus den gemessenen Temperaturwerten ermittelt wird, ergibt.

Ändert sich beispielsweise die Einlauftemperatur am Anfang des Wasserkanals, so wird diese Änderung vom Temperaturfühler 36 unmittelbar erfaßt. Soll die­ se Störgrößenänderung beispielsweise durch den Widerstand R 1 kompensiert wer­ den, so muß dies verzögert geschehen, da die Änderung der Einlauftemperatur aufgrund der endlichen Durchflußgeschwindigkeit des Wassers durch den Kanal 2 eine gewisse Zeit braucht, um an die Kompensationsstelle zu gelangen. Dem­ gemäß verzögert setzt die Leistungskompensation ein. Da dies abhängig vom Durchsatz geschieht, ist die Durchsatzmessung wieder über das System, beste­ hend aus den Temperaturfühlern 36 und 34 in Verbindung mit dem Widerstand R 4, möglich.

Die zu beachtenden Verzögerungszeiten sind in der Steuervorrichtung 15 ge­ speichert und sind natürlich unterschiedlich, jenachdem an welcher Stelle der Widerstände R 1 bis R 3 die Kompensation erfolgt, wobei auch eine Kompensa­ tion an mehreren Stellen möglich ist, wobei sich dann unterschiedliche Kom­ pensationsteilzeiten ergeben.

Die Änderungen der Störgrößen Durchsatz- und Außenleiterspannungsänderungen werden gemeinsam analog kompensiert. Wesentlich ist aber, daß der Einfluß einzelner oder zusammengefaßter Störgrößen gesondert ermittelt und in jeweils eine Kompensationsleistung umgesetzt wird, wobei dann die Kompensationseinzel­ leistungen an einem Widerstand wieder zusammengesetzt umgesetzt werden können aber nicht müssen.

Im Zuge der Leistungsanpassung an die gewünschte Auslauftemperatur treten Schaltzustände ein, bei denen ein Widerstand, beispielsweise R 2, abgeschaltet wird und statt dessen der Widerstand R 3 eingeschaltet wird, um von einem Lei­ stungsniveau auf ein anderes Leistungsniveau zu kommen. In diesem Fall wird hierbei bei feinstufiger Leistungsanpassung der Widerstand R 1 i. a. auch in seinem Tastzustand geändert. Das führt aber dazu, daß hei solchen Umschaltun­ gen ganz allgemein im Zuge des durchlaufenden Wassers Zonen mit Temperaturer­ niedrigung bzw. Temperaturerhöhung entstehen, die örtlich begrenzt durch den Kanal laufen.

Diese führen zu zeitlich begrenzten Schwankungen der Auslauftemperatur, die vom Benutzer des Gerätes unangenehm empfunden werden. Aus diesem Grunde wer­ den erfindungsgemäß diese Schaltzustandsänderungen in der Steuervorrichtung 15 in Kompensationsmaßnahmen umgesetzt, die ebenso temporär begrenzt sind.

Vorzugsweise wird am letzten beheizten Widerstand des Systems, hier R 1, der eine feinstufige Leistungseinstellung gestattet, eine zeitlich begrenzte Kom­ pensationsleistung zugegeben bzw. abgezogen, um im Zuge des Durchflusses ent­ stehende Temperaturerhöhungen oder Erniedrigungen auszugleichen. So kann man auch aufgrund der Schaltzustandsänderungen auftretende Temperaturberge oder -täler am Ende des Durchflußkanals ausgleichen. Ist ein stationärer Zustand wieder erreicht, so ist ein solcher Ausgleich nicht mehr nötig. Er beschränkt sich also auf begrenzte Zeiten unmittelbar nach Schaltzustandsänderungen in den Widerständen.

Claims (5)

1. Betriebsverfahren für einen elektrischen Durchlauferhitzer mit einem Wasserkanal, der mehrere durch elektrische Widerstände beheizte hydrau­ lisch in Serie liegende Strecken aufweist, wobei die Widerstände über Schalter an Außenleiter eines Dreiphasennetzes an- bzw. von ihm abschalt­ bar sind, von denen einer eine feinstufige Leistungsanpassung am Wider­ stand gestattet, dadurch gekennzeichnet, daß die Störgrößen Einlauftempe­ ratur-, Durchsatz- und Speisespannungsänderung erfaßt werden und daß aus diesen Größen jeweils deren Einfluß kompensierende Zusatzleistungen ge­ bildet werden, mit denen einer oder mehrere der in den letzten beheizten Strecken liegende Widerstände beaufschlagt werden.

2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kom­ pensationsleistungen verzögert als Funktion der Durchlaufzeit des Wassers im Kanal (2) zwischen dem Ort der Auswirkung der Störgröße und dem der Kompensation auf den oder die Widerstände gegeben werden.

3. Betriebsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Störgrößen mittels Temperaturänderungen vor und hinter einem konstant be­ heizten Widerstand (R 4) am Anfang (2) des Kanals (1) erfaßt werden.

4. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einflüsse von Durchsatz- und Speisespannungsänderungen gemeinsam kompensiert werden.

5. Betriebsverfahren für einen elektrischen Durchlauferhitzer mit einem Wasser­ kanal, der mehrere durch elektrische Widerstände beheizte hydraulisch in Serie liegende Strecken aufweist, wobei die Widerstände über Schalter an Außenleiter eines Dreiphasennetzes an- bzw. von ihm abschaltbar sind, von denen einer eine feinstufige Leistungsanpassung am Widerstand gestattet, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Widerstand (R 1) in einer der letzten Strecken angeordnet wird und daß sein Schalter (V 1) derart betätigt wird, daß aufgrund von Schaltzustandsänderungen an stromaufliegenden Widerstän­ den (R 2, R 3) entstehende Temperaturschwankungen des auslaufenden Wassers durch temporäre Leistungserhöhung und/oder -verminderung kompensiert wer­ den.