DE3842644A1 - Verfahren zum steuern der leistung eines elektrisch beheizten durchlauferhitzers - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern der Leistung eines elektrisch beheizten Durchlauferhitzers, bei dem der Durchsatz bei bekannter Kanalquerschnittsfläche über die Temperaturerhöhung an wenigstens zwei Widerständen gemessen wird, wovon wenig­ stens einer in seiner an das Durchlaufmedium abgegebenen Leistung nicht variiert wird und bei dem wenigstens ein weiterer Widerstand verwendet wird, dessen Leistung zum Steuern eines von einem Soll-Wert, dem aktuellen Durch­ fluß und der Einlauftemperatur diktierten Wertes der Auslauftemperatur geändert wird.

Solche elektrisch beheizten, elektronisch gesteuerten Durchlauferhitzer sind mittlerweile Stand der Technik.

Bei diesen Durchlauferhitzern wird ein Kunststoffkanal­ körper verwendet, der mehrere Kanalstrecken aufweist, die teilweise als Leerstrecken ausgebildet sein können, teil­ weise mit elektrisch beheizten Widerständen versehen sind. Die Leerstrecken dienen dazu, die Ableitströme einlaß- und auslaßseitig des Kunststoffblocks auf vorge­ gebene Werte zu drücken, zum anderen dazu, innerhalb der Anschlüsse des Dreiphasennetzes ausreichende Isolations­ widerstände sicherzustellen. Von den beheizten Kanälen sind einige Widerstände entweder an Spannung oder abge­ schaltet, einige in ihrer Leistung, z. B. über Triacs, variierbar, es können auch einige zum Ermitteln des Durchsatzes dienen. Bei diesen wird die Leistung konstant gehalten, und es wird bei bekanntem Kanalquerschnitt in diesem Bereich der Durchsatz über die Temperaturerhöhung vor und hinter dem Widerstand gemessen. Probleme ergeben sich dann, wenn sich die Durchflußmeßstrecke aus mehreren Widerständen zusammensetzt, von denen einer oder mehrere in ihrer abgegebenen Leistung variiert werden. Probleme ergeben sich weiterhin für die angestrebte möglichst kon­ stante Auslauftemperatur, wenn vom Benutzer der Auslauf­ temperatur-Soll-Wert geändert wird oder wenn sich zum Beispiel die Einlauftemperatur des zu erhitzenden Mediums (Gebrauchswasser) ändert.

In allen Fällen besteht die Aufgabe darin, die gesteuerte Auslauftemperatur möglichst konstant zu lassen, und zwar unabhängig von den auf das System wirkenden Einflußgrößen. Im Fall des geänderten Auslauftemperatur-Soll-Wertes be­ steht die Aufgabe darin, den Obergang vom einen auf den anderen Wert möglichst schnell und ohne Oberschwingen darstellen zu können.

Zur Lösung der Aufgabe besteht die Erfindung in der einen Alternative darin, daß bei einer Änderung des Auslauftem­ peratur-Soll-Wertes und ein sich daraus resultierendes Zu- oder Abschalten einer Heizwendel zwischen den beiden Temperatursensoren die Durchsatzmessung für eine vorgeb­ bare Zeit unterdrückt wird und daß für diese Durchlauf­ zeit das entstehende Fehlangebot an Leistung kompensiert wird. Wird nämlich die Durchsatzmessung während der Än­ derung des Auslauftemperatur-Soll-Wertes beibehalten, so tritt entweder eine unerwünschte Temperaturerhöhung oder -erniedrigung ein. Wird angenommen, daß bei einer hydrau­ lischen Serienschaltung aller Widerstände im beheizten Kanalblock ein weitgehend am Anfang liegender Widerstand abgeschaltet wird und ein am Ende liegender Widerstand zugeschaltet und eine Temperaturerhöhung angestrebt wird, so muß davon ausgegangen werden, daß der zugeschaltete Widerstand in seiner abgegebenen Leistung höher liegt. Da das im ersten Moment des Umschaltens den stromaufliegen­ den Widerstand passierte Wasser von diesem bereits be­ heizt wurde, wird es vom hintenliegenden Widerstand noch einmal beheizt. Das führt zu einer Temperaturerhöhung, der neue Auslauftemperaturwert stellt sich dann erst nach der Zeit ein, die das Wasser zum Passieren des gesamten Kanallochs benötigt. Liegen die Verhältnisse umgekehrt, also ein hintenliegender Widerstand abgeschaltet und ein vorneliegender Widerstand zugeschaltet, so findet eine Temperaturabsenkung statt, da das den Durchlauferhitzer dann passierende Wasser vom eingeschalteten stromauflie­ genden Widerstand noch nicht beheizt wurde, vom hinten­ liegenden Widerstand aber nicht mehr beheizt wird.

Insofern führt eine Unterdrückung der Durchsatzmessung in diesem Fall zu einer besseren Einhaltung der gewünschten Auslauftemperatur, da man voraussetzen kann, daß sich am Durchsatz durch das System nichts geändert haben kann, wenn der Benutzer lediglich den Auslauftemperatur-Soll- Wert verstellt. Das bestehende Leistungsdefizit oder Lei­ stungsüberangebot, was trotzdem eintritt, kann man in eine entsprechende Variation der gesamten Leistung des Durchlauferhitzers kompensieren, aber nur für die Zeit des Durchlaufs des Wassers durch das System.

Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung besteht diese darin, daß bei einer Änderung des Ist-Wertes der Durch­ flußmedium-Einlauftemperatur und ein sich daraus resul­ tierendes Zu- oder Abschalten einer Heizwendel zwischen den beiden Temperatursensoren die Durchsatzmessung für eine vorgebbare Zeit unterdrückt wird und daß für diese Durchlaufzeit das entstehende Fehlangebot an Leistung kompensiert wird. Auch dieser erfinderischen Idee liegen die gleichen Ansätze zugrunde, daß nämlich der Durchsatz bei einer Variation, z. B. der Durchflußmedium-Einlauf­ temperatur, konstant bleiben muß. Die Unterdrückung der Durchsatzmessung für die Durchlaufzeit durch das System verhindert also hier die Auswertung eines falschen Meß­ ergebnisses. Ein Leistungsdefizit oder Leistungsüberange­ bot kann in der vorhin beschriebenen Weise kompensiert werden.

Gemäß der dritten Alternative besteht die Erfindung darin, daß bei Vorliegen eines geänderten Durchsatzwertes und ein sich daraus resultierendes Zu- oder Abschalten einer Heizwendel zwischen den beiden Temperatursensoren dieser nach Verstreichen einer minimalen Wartezeit benutzt wird. Das Unterdrücken der Durchsatzmessung bringt in diesem Fall nur eine Vergrößerung des Fehlers, also wird gerade ein neuer Durchsatzwert gemessen und für die Temperatur­ steuerung benutzt. Die Wartezeit dient dazu sicherzustel­ len, daß der Durchflußmeßwiderstand auf seine Arbeitstem­ peratur kommt. Auch hierfür gilt, daß das Leistungsdefi­ zit beziehungsweise -überangebot durch eine Variation der Leistung der Widerstände für die Durchlaufzeit des Wassers durch das System kompensiert werden kann.

In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Unterdrückungszeit solange gewählt wird, daß sie der Zeit entspricht, die das Durchflußmedium vom Passieren des zweiten Fühlers der Durchsatzmessung bis zum Ende des letzten beheizten Widerstands benötigt. Hierdurch ist si­ chergestellt, daß erst nach Ablauf dieser Zeit sich sta­ tionäre Verhältnisse wieder eingestellt haben, die eine sichere Messung des Durchsatzes wieder ermöglichen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Warte­ zeit durch die Zeit bemessen, die der Widerstand zu sei­ ner Erwärmung benötigt. Dies dient dazu sicherzustellen, daß tatsächlich das Wasser soweit erwärmt ist, daß sich eine sichere Durchsatzmessung ermöglichen läßt.

Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt einen elektrischen Durchlauferhitzer für sanitäres Brauchwasser in einer Schemadarstellung. Der elektrische Durchlauferhitzer weist einen Kunststoff­ kanalkörper 2 auf, der in seinem Inneren eine Kanalstrec­ ke 3 besitzt, die mit einer Vielzahl nicht bezeichneter Umlenkungen versehen ist. Hierdurch entstehen Kanalstrec­ ken 4, die beheizt oder unbeheizt sein können. Es sind, in Durchflußrichtung 5 des Wassers gesehen, zunächst nach einem Wasserschalter 6 zwei beheizte Kanalstrecken 7 und 8 vorgesehen, dann folgt eine weitere beheizte Kanal­ strecke 9, an die sich eine unbeheizte Kanalstrecke 10 anschließt. Dieser folgen zwei weitere beheizte Kanal­ strecken 11 und 12. An den Kanalkörper 2 schließt sich ein Zapfventil 13 an, das zu einem Warmwasserauslauf 14 führt.

Es ist eine Steuervorrichtung 15 vorgesehen, die mit ei­ nem Soll-Wert-Geber 16 zur Vorgabe einer veränderbaren Warmwasserauslauftemperatur versehen ist. Der Wasser­ schalter 6 ist über eine Meßleitung 17 mit der Steuervor­ richtung 15 verbunden. Die beheizten Kanalstrecken weisen Widerstände R 1, R 2, R 3, R 4, R 5 auf, die mit Zuleitungen 18, 19, 20, 21, 22, 23 und 24 versehen sind. Diese Zulei­ tungen führen zu Außenleitern L 1, L 2 und L 3 eines spei­ senden Drehstromnetzes. In allen Zuleitungen sind elektrische Schalter vorgesehen, die entweder als Kontak­ te oder als Triacs ausgebildet sind. In den Zuleitungen 18, 21, 22 und 24 finden Triacs T 1, T 2, T 3 und T 4, in den Zuleitungen 19, 20 und 23 finden sich Schalter S 1, S 2 und S 3. Alle Ansteuerleitungen der Triacs beziehungsweise Be­ tätigungswirkvorrichtungen der Schalter sind mit der Steuervorrichtung 15 verbunden. Die Widerstände sind so bemessen, daß an ihnen bei Spannungsdauereinschaltung unterschiedliche Leistungen an das durchfließende Wasser abgegeben werden. Die Leistungen der einzelnen Widerstän­ de liegen zwischen 2 und 8 kW. Die Anbindung der einzel­ nen Widerstände an die Außenleiter hängt davon ab, daß bei Leistungsumschaltungen ein Minimum an Flickerrück­ wirkungen auf das speisende Netz erreicht wird. Weiterhin hängt die Art der Anbindung auch von der Verkalkungsge­ fahr ab und von der Durchbrenngefahr aufgrund sich bil­ dender Luftblasen bei aufwärts oder abwärts durchströmten beheizten Strecken. Auch die Gefahr zu hoher Ableitströme an den Außenseiten des Kanalblocks muß berücksichtigt werden. Weiterhin gilt, daß bezüglich der elektrischen Anbindung sowohl die Sternschaltung als auch die Dreieck­ schaltung möglich ist.

Stromauf des Widerstandes R 1 und stromab des Widerstandes R 2 befinden sich je ein Temperaturfühler 25 und 26, die über Meßleitungen 27 und 28 mit der Steuervorrichtung verbunden sind. Mit dem Temperaturfühler 25 kann die Was­ sereinlauftemperatur ermittelt werden, aufgrund der Dif­ ferenzwerte der Temperaturfühler 25 und 26 der Wasser­ durchsatz, wenn eine Beheizung durch die Widerstände R 1 und/oder R 2 erfolgt und diese konstant gehalten wird, da der Kanalquerschnitt in der Durchlaufstrecke bekannt und konstant ist.

Das Verfahren arbeitet wie folgt:

Im Ruhezustand sind alle Schalter geöffnet beziehungswei­ se alle Triacs gesperrt. Das Zapfventil 13 ist geschlos­ sen, Wasserdurchsatz findet nicht statt. Wird das Zapfventil 13 geöffnet, erfolgt unmittelbar danach Was­ serdurchsatz, was vom Wasserschalter 6 registriert wird. Dieser gibt über die Leitung 17 an die Steuervorrichtung 15 ein Signal des Inhalts, daß Wasser unbekannten Durch­ satzes durch das System fließt. Der Benutzer des Durch­ lauferhitzers hat am Soll-Wert-Geber 16 eine bestimmte Soll-Temperatur vorgegeben. Es wird nun angestrebt, daß in der Zapfleitung 14 Wasser mit einer Temperatur dieses Soll-Wertes austritt. Für den Fall, daß sich die Wasser­ einlauftemperatur, der Durchsatz und der Soll-Wert nicht ändern, ist das gewährleistet, da über die Widerstände R 1 bis R 5 eine Leistung auf das Wasser abgegeben werden kann, die der gewünschten Temperaturerhöhung bei dem festliegenden Durchsatz entspricht.

Nunmehr gibt es im wesentlichen drei Störgrößen, die auf das System einwirken können: Zum einen ist es möglich, daß der Benutzer durch Verstellen des Soll-Wertes wärme­ res oder kälteres Wasser wünscht. Wünscht er wärmeres Wasser, so muß die Beheizung des Durchlauferhitzers ins­ gesamt erhöht werden. Dies kann geschehen, indem ein bis­ lang nicht an das Stromnetz angeschlossener Widerstand eingeschaltet wird oder daß ein Widerstand eingeschaltet, ein anderer hingegen abgeschaltet wird oder daß Lei­ stungsbeaufschlagung eines Widerstandes durch Variation des Taktverhaltens des zugehörigen Triacs geändert wird. Im letzteren Fall ergibt sich keine Notwendigkeit, etwas weitergehendes zu tun. Das gleiche gilt, wenn lediglich ein zusätzlicher Widerstand im System eingeschaltet wird. Wird aber ein Widerstand und ein anderer einge­ schaltet, ergibt sich entweder ein Überangebot oder ein Defizit an Leistung für die Durchlaufzeit des Wassers durch den gesamten Kanalkörper 2. Dieses Ober- oder Unterangebot an Leistung wird für die Durchlaufzeit des Wassers durch den Kanalkörper durch ein entsprechendes Unter- oder Oberangebot an Leistung kompensiert. Bezüglich der Durchsatzmessung ergibt sich aber dann ein Problem, wenn einer der in die Durchsatzmessung einbezo­ genen Widerstände zu denen gehört, die ab- oder zuge­ schaltet werden. In diesem Fall würde die fortlaufende Durchsatzmessung die Temperatursteuerung zusätzlich be­ einträchtigen, daß sie einen geänderten Durchsatz vor­ täuschen würde, ein solcher aber gar nicht vorliegt. Aus diesem Grunde wird die Durchsatzmessung für die Durch­ laufzeit des Wassers durch das System unterdrückt.

Ändert sich die Wassereinlauftemperatur in den Kanalkör­ per 2, so wird dies über den Fühler 25 erfaßt und über die Leitung 27 der Steuervorrichtung 15 mitgeteilt. Bei unverändertem Auslauftemperatur-Soll-Wert und unveränder­ tem Durchsatz führt auch eine abgesenkte Wassereinlauf­ temperatur zu einer Leistungserhöhung des Systems, eine sich anhebende Wassereinlauftemperatur müßte zu einer Leistungsverminderung führen. Auch in diesem Fall wird von der Steuervorrichtung Einfluß auf die Beheizung der Widerstände genommen, die abgegebene Leistung entweder erhöht oder erniedrigt. Dies kann im Einzelfall, wie eben geschehen, erfolgen. Auch hierdurch ergeben sich in zwei Fällen Leistungsüberangebote oder Leistungsdefizite, die in analoger Weise durch Leistungsunterangebote oder Ober­ angebote für die Durchlaufzeit des Wassers durch das System kompensiert werden. Auch in diesem Falle würde eine Durchflußmessung dann zu falschen Durchsatzmessungen führen, wenn ein an der Durchsatzmessung beteiligter Widerstand in seiner Leistung an das Wasser variiert wird. Auch deswegen wird aus diesem Grunde die Durchsatz­ messung für die Durchlaufzeit durch das System unter­ drückt.

Der dritte zu behandelnde Fall ist, daß tatsächlich der Durchfluß geändert wird. Dies kann vom Verbraucher herrühren, indem er das Zapfventil 13 in seinem Durch­ laßquerschnitt vergrößert oder verkleinert, die Durch­ satzänderung kann auch erfolgen, weil der Wasservordruck durch eine Druckspitze sich erhöht oder durch Zuschaltung anderer Verbraucher erniedrigt wird. In beiden Fällen bleiben die beiden Größen, nämlich der Auslauftemperatur- Soll-Wert und die Einlauftemperatur, konstant. In diesem Falle antwortet das System dem veränderten Durchsatz auch durch eine Leistungsanpassung, und zwar entweder einer Leistungserhöhung oder -erniedrigung. Auch hierfür gilt, daß in den geschilderten zwei Fällen für die Durch­ laufzeit des Wassers durch das System ein Leistungs­ defizit oder -überangebot durch eine entgegengesetzte Komponente für die Durchlaufzeit kompensiert wird. Ledig­ lich im Unterschied zu den eben behandelten Fällen muß die Durchsatzmessung weiter erfolgen und ausgewertet wer­ den. Es ist hier aber eine Wartezeit vonnöten, die die Durchsatzmessung erst dann in ihren Ergebnissen freigibt, wenn sichergestellt ist, daß die für die Durchsatzmessung benötigten Widerstände oder der benötigte Widerstand auf­ geheizt ist, da erst dann eine korrekte Durchsatzmessung möglich ist.

Die eben geschilderten Verhältnisse setzen voraus, daß die Durchsatzmeßstrecke am stromaufseitigen Teil des Ka­ nalkörpers 2 angeordnet ist.

Claims (5)

1. Verfahren zum Steuern der Leistung eines elek­ trisch beheizten Durchlauferhitzers, bei dem der Durchsatz bei bekannter Kanalquerschnittsfläche über die Temperaturerhöhung an wenigstens zwei Widerständen gemessen wird, von denen wenigstens einer in seiner an das Durchflußmedium abgegebe­ nen Leistung nicht variiert wird und bei dem wenigstens ein weiterer Widerstand verwendet wird, dessen Leistung zum Steuern eines von ei­ nem Soll-Wert, dem aktuellen Durchfluß und der Einlauftemperatur diktierten Wertes der Aus­ lauftemperatur geändert wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einer Änderung des Auslauftem­ peratur-Soll-Wertes die Durchsatzmessung für eine vorgebbare Zeit unterdrückt wird und daß für diese Durchlaufzeit das entstehende Fehlan­ gebot an Leistung kompensiert wird.

2. Verfahren zum Steuern der Leistung eines elek­ trisch beheizten Durchlauferhitzers, bei dem der Durchsatz bei bekannter Kanalquerschnittsfläche über die Temperaturerhöhung an wenigstens zwei Widerständen gemessen wird, von denen wenigstens einer in seiner an das Durchflußmedium abgegebe­ nen Leistung nicht variiert wird und bei dem wenigstens ein weiterer Widerstand verwendet wird, dessen Leistung zum Steuern eines von ei­ nem Soll-Wert, dem aktuellen Durchfluß und der Einlauftemperatur diktierten Wertes der Aus­ lauftemperatur geändert wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einer Änderung des Ist-Wertes der Durchflußmedium-Einlauftemperatur die Durch­ satzmessung für eine vorgebbare Zeit unterdrückt wird und für diese Zeit das entstehende Fehlan­ gebot an Leistung kompensiert wird.

3. Verfahren zum Steuern der Leistung eines elek­ trisch beheizten Durchlauferhitzers, bei dem der Durchsatz bei bekannter Kanalquerschnittsfläche über die Temperaturerhöhung an wenigstens zwei Widerständen gemessen wird, von denen wenigstens einer in seiner an das Durchflußmedium abgegebe­ nen Leistung nicht variiert wird und bei dem wenigstens ein weiterer Widerstand verwendet wird, dessen Leistung zum Steuern eines von ei­ nem Soll-Wert, dem aktuellen Durchfluß und der Einlauftemperatur diktierten Wertes der Auslauf­ temperatur geändert wird, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Vorliegen eines geänderten Durchsatzwertes dieser nach Verstreichen einer Wartezeit benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Unterdrückungszeit der Zeit entspricht, die das Durchflußmedium vom Passieren des zweiten Fühlers der Durchsatzmes­ sung bis zum Ende des letzten beheizten Wider­ standes benötigt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wartezeit durch die Zeit bemessen ist, die der Widerstand zu seiner Erwärmung be­ nötigt.