DE4208602A1 - Schaltung und betriebsverfahren zur elektronischen leistungssteuerung eines haushalt-durchlauferhitzers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Betriebsverfahren zur elektronischen Leistungssteuerung eines Haushalt-Durchlauferhitzers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft im einzelnen behälterlose, sogenannte Direktdurchlauferhitzer.

Direktdurchlauferhitzer sind sehr kleinvolumige Heißwassergeräte, welche Brauchwasser im Durchlauf, d. h. ausschließlich während eines Zapfvorganges erwärmen. Sie besitzen mit Kanälen versehene Kunststoff- oder Keramik-Heizkörper in welchen Heizwiderstände in Form von Blankdrahtwendeln unisoliert direkt im Wasserweg liegen.

Hierzu ist aus der deutschen Patentschrift DE 37 12 648 C2 "Ein Betriebsverfahren für einen elektrischen Durchlauferhitzer" bekannt. Genannter Stand der Technik verwendet vier Stück beheizbare Widerstände in Form von Blankdrahtwicklungen, die im Wasserkanal eines Kunststoffblocks hydraulisch in Serie liegen. Elektrisch sind besagte Heizwendeln im Dreieck an die Versorgungsspannung eines Drehstromnetzes anschließbar. Eine Steuervorrichtung schaltet Triacs ein bzw. aus und beaufschlagt die Heizwendeln mit einer Schwingungspaketsteuerung bei variablem Taktverhältnis. Die strömungsmäßig erste Heizwendel liegt während des Zapfvorgangs permanent an Spannung und wird nicht geregelt, die beiden nachfolgenden Heizwendeln sind grob gestuft regelbar, d. h. nur fest zu- bzw. abschaltbar. Lediglich die strömungsmäßig letzte Heizwendel gestattet eine gestufte Leistungsstellung und regelt die Wasserauslauftemperatur.

Beim genannten Stand der Technik erfährt nun diese letzte Heizwendel zwangsläufig, da sie am Ende der heißesten Stelle des Wasserwegs liegt und mit ihrer vollen Leistung getaktet wird, die größte Temperaturerhöhung und verkalkt dementsprechend. Mit zur erhöhten Verkalkungsneigung trägt die den geometrischen Wendelabmessungen gemäße Oberflächenbelastung in Watt pro cm² bei, die unter Nennbelastung ihren vollen Wert aufweist. Hohe Oberflächenbelastungen bedingen unter anderem hohe Ableitströme, die in Form einer sogenannten Stromaustrittskorrossion die Heizwendeln zerstören können. Unter dem Ableitstrom versteht man denjenigen Strom, welcher von der Phase (hier: vom im Wasserkanal liegenden Heizwendel-Anschlußbolzenkopf) über den isolierenden Wasserweg zur Masse bzw. zu den der Berührung zugänglichen Teilen fließt (hier: zur Armatur bzw. über den ausfließenden Wasserstrahl).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anpassung der elektrischen Leistung an die wassermäßigen- und hydraulischen Betriebsparameter, wie Zulauftemperatur, wählbare Auslauftemperatur und Volumendurchsatz zu optimieren und gleichzeitig die durch Leistungstakten auftretenden Netzrückwirkungen einzuschränken. Die Erfindung hat außerdem die Aufgabe, die Oberflächenbelastung der strömungsmäßig letzten Heizwendel und deren Ableitströme zu minimieren.

Diese Aufgabe gemäß der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile ergeben sich bereits aus Art und Weise der Aufgabenstellung, als da sind: optimale bzw. nahezu kontinuierliche Anpassung der Heizleistung an die vom Benutzer vorgewählten Wassertemperaturen. Die an das Zulauf (Kalt)-Wasser abgegebene Energiemenge ist strikt auf den Wärmeenergiebedarf zugeschnitten. Die vorgewählte Auslauftemperatur wird mit einer Genauigkeit von ± 2 K konstant gehalten. Die Lebensdauer der wassermäßig letzten Heizwendel wird erhöht und damit die Störanfälligkeit des Gerätes minimiert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand von Schaltbildern und einer Tabelle dargestellt und wird im nachfolgenden näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1, Fig. 2 das Schaltbild einer gestuften Leistungstaktung,

Fig. 3 die prinzipielle Schaltungsanordnung der Heizwendeln eines Direktdurchlauferhitzers,

Fig. 4, 4a die strömungsmäßige Heizwendelanordnung und deren Stromlaufplan,

Fig. 5 bis Fig. 10 die einzelnen Leistungsstufen des Direktdurchlauferhitzers gemäß Schaltungsanordnung nach Fig. 3,

Fig. 11 eine Tabelle.

Nach Fig. 1 und Fig. 2 liegen zwei gleiche Heizwiderstände R1, R2 in Serie an den Drehstromaußenleitern L1, L2 (respektive zwischen dem Mittelpunktsleiter N und dem Außenleiter L2) und sind über einen Leistungsschalter 54, beispielsweise einem Impulsbreiten getakteten Triac, ein- und ausschaltbar. Vom symmetrischen Spannungsteilpunkt B aus ist der Heizwiderstand R1 mittels eines weiteren Leistungsschalters S5, welcher gleichfalls einen Impulsbreiten getakteten Triac darstellt intermittierend oder dauernd überbrückbar.

Gemäß Fig. 1 ist der Leistungsschalter S5 permanent geöffnet und der Leistungsschalter S4 taktet beide in Reihe liegenden Heizwiderstände R1, R2 jeweils nach dem Verhältnis von Ein- und Auszeit auf eine entsprechende Leistungsstufe; in diesem Fall exakt bis zur Hälfte einer maximal möglichen Leistung Pmax, d. h. von nahezu "0" bis .

Beide Heizwiderstände R1, R2 sind für 400 Volt Leitungsspannung (respektive für Phasenspannung) ausgelegt und werden, da sie in Reihe liegen nur mit halber Netzspannung, bzw. mit dem vierten Teil ihrer Nennleistung beaufschlagt und sind dementsprechend niedrig belastet. Wird die Leistungsschwelle überschritten, so bleibt wie in Fig. 2 veranschaulicht der Leistungsschalter S4 dauernd geschlossen während jetzt der Leistungsschalter S5 so lange sein Taktverhältnis ändert bis der Heizwiderstand R2 bei Nennspannung seine maximal mögliche Nennleistung Pmax erreicht. Während des Leistungstaktens von S5 liegen die Heizwiderstände R1, R2 entweder in Serie und werden lediglich wie in Fig. 1 mit dem vierten Teil ihrer Nennlast betrieben (S5 geöffnet) oder R2 liegt intermittierend an Nennspannung während R1 innerhalb dieser Zeitspanne unbelastet bleibt. (S5 geschlossen, R1 überbrückt). Eine analoge Laststeuerung ist möglich, falls die Heizwiderstände R1, R2 verschiedene Werte besitzen und die Lastaufteilung bei Reihenschaltung unsymmetrisch wird und sich gemäß den jeweiligen Spannungsabfällen aufteilt. Eine derartige Schaltungsanordnung ermöglicht im Dreiphasennetz die kontinuierliche Leistungssteuerung eines Direktdurchlauferhitzers von nahezu "0" bis zu seiner vorgegebenen maximalen Nennleistung.

Fig. 3 veranschaulicht die prinzipielle Schaltungsanordnung eines mit vier Heizwiderständen R1, R2, R3, R4 bestückten Direktdurchlauferhitzers. Besagte Heizwiderstände R1, R2, R3, R4 liegen im Dreieck an den Außenleitern L1, L2, L3 eines 400-Volt-Drehstromnetzes und sind allpolig abschaltbar.

Der Heizwiderstand R4 bzw. dessen Last P4 liegt zwischen L2 und L3 und ist über Leistungsschalter S2, S3 zuschaltbar.

Der Heizwiderstand R3 bzw. dessen Last P3 liegt zwischen L1 und L3 und ist mittels der Leistungsschalter S1, S3 zuschaltbar.

Die Heizwiderstände R2, R1 bzw. deren Lasten P1, P2 sind wie unter Fig. 1 und Fig. 2 in Reihe geschaltet und werden an ihrem Verbindungs- bzw. Spannungsteilpunkt B angezapft. Sie liegen zwischen L1 und L2, sind mittels des Leistungsschalters S1 zuschaltbar und werden von Leistungstaktern S4, S5 geregelt.

Die Leistungsschalter S1, S2, S3 sind nicht taktende Ein-Ausschalter und werden von einer Steuerelektronik aktiviert.

Aus Fig. 4 und Fig. 4a ist die strömungsmäßige Kaskadenanordnung der Heizwiderstände R4, R3, R2, R1 in den Wasserkanälen des Heizblocks ersichtlich. Dabei liegt der Heizwiderstand R4 im kältesten und der Heizwiderstand R1 im heißesten Teil des Wasserweges.

Fig. 4a veranschaulicht gegenüber Fig. 4 eine Schaltungsanordnung bei welcher verhindert wird, daß zwischen zwei benachbarten Heizwendeln bzw. deren Anschlußbolzen in keiner Betriebsphase unterschiedliche Potentiale auftreten.

Anhand eines Zahlenbeispiels werde die sechsfach gestufte und netzrückwirkungsarme Leistungssteuerung eines 21 kW Durchlauferhitzers gemäß Fig. 5 bis Fig. 10 erläutert, wobei stromführende Pfade jeweils stark ausgezogen gezeichnet sind. Nach Fig. 3 besitzen die Heizwiderstände R3, R4 je eine Nennlast von P3 = P4 = 7 kW bei 400 Volt Nennspannung. Die zwischen den Außenleitern L1, L2 befindliche Taktstufe mit den in Reihe geschalteten Heizwiderständen R1, R2 bzw. den Lasten P1, P2 werden gegenüber den Heizwiderständen R3, R4 etwas überdimensioniert um eine Überschneidung der Leistungsstufung und damit eine Lasthysterese zu erzeugen deren Bedeutung später erläutert wird. Aufgrund durchgeführter Versuche hat es sich als zweckmäßig erwiesen die Leistung der beiden getakteten Heizwiderstände R1, R2 um 15% über diejenige der Heizwiderstände R3, R4 zu legen. Somit ergibt sich P1 = P2 = 1,15 × P3, 4 = 8 kW wiederum bei 400 Volt Nennspannung.

Fig. 5 zeigt die Schaltstufe I. Die Heizwiderstände R1, R2 sind bei geöffnetem Leistungstakter S4 spannungslos, so daß P = 0. Bei geschlossenem Leistungstakter S4 liegen beide Heizwiderstände R1, R2 in Reihe an Nennspannung, da R1 = R2 werden beide lediglich mit halber Nennspannung und dadurch nur mit dem vierten Teil ihrer Nennlast betrieben, so daß P1′ = P2′ = 2 kW; und P1′ + P2′ = 4 kW. Diese trägheitslos schaltbare Minimalleistung wird im nachfolgenden als Grundlast P₀ = 4 kW bezeichnet.

Schaltstufe I taktet von 0 auf 4 kW.

Fig. 6 zeigt die Schaltstufe II. Die Heizwiderstände R1, R2 liegen über den in dieser Stufe permanent geschlossenen Leistungstakter S4 und geöffnetem Leistungstakter S5 reihenmäßig an Nennspannung, so daß P₀ = 4 kW. Bei geschlossenem Leistungstakter S5 ist der Heizwiderstand R1 überbrückt. Der Heizwiderstand R2 liegt dadurch an Netzspannung und erbringt P2 = 8 kW.

Die Schaltstufe II taktet zwischen 4 und 8 kW.

Fig. 7 zeigt die Schaltstufe III. Ist die Leistungsgrenze der Schaltstufe II erreicht und eine höhere Last erforderlich, wird S3 geschlossen und der Heizwiderstand R3 mit seiner vollen Nennleistung von P3 = 7 kW eingeschaltet. Befindet sich der Leistungstakter S4 in Schließstellung, wird die Grundlast P₀ = 4 kW intermittierend zugeschaltet.

Die Schaltstufe III taktet zwischen 7 und 11 kW.

Hier kommt die vorerwähnte Überschneidung zweier Leistungsstufen zum Tragen. Das heißt, es wird nicht gemäß Schaltstufe II von P2 = 8 kW aus hochgetaktet, sondern zurückgestuft von P3 = 7 kW aus. Diese Hysterese von 1 kW verhindert ein zu schnelles Umspringen zu hoher Außenleiterströme und vermindert bzw. dämpft Netzrückwirkungen.

Fig. 8 zeigt die Schaltstufe IV. R3 mit P3 = 7 kW liegt dauernd an Netzspannung. Da sich S4 wiederum permanent in Schließstellung befindet, kommt bei geöffnetem Leistungstakter S5 die Grundlast P₀ = 4 kW hinzu, so daß jetzt Pmin = P3 + P₀ = 11 kW beträgt. Schließt hingegen S5 ändert sich die Lastobergrenze zu Pmax = P3 + P2 = 7 + 8 = 15 kW.

Die Schaltstufe IV taktet zwischen 11 und 15 kW.

Fig. 9 zeigt die Schaltstufe V. Ist jetzt die Leistungsgrenze der Schaltstufe IV erreicht und eine noch höhere Last erforderlich, wird S2 geschlossen und der Heizwiderstand R4 mit seiner vollen Nennlast von P4 = 7 kW zugeschaltet. Somit liegen bei geöffnetem Leistungstakter S4 die Lasten P3 + P4 = 7 + 7 = 14 kW an Netzspannung. Geht der Leistungstakter S4 hingen in Schließlage wird zusätzlich P₀ = 4 kW intermittierend aufgeschaltet.

Die Schaltstufe V taktet zwischen 14 und 18 kW.

Auch hier kommt wiederum infolge der Zuschaltung eines weiteren Heizwiderstandes R4 die netzrückwirkungsarme hysteresebehaftete Leistungsüberschneidung zum Tragen. Es wird nicht gemäß der Schaltstufe IV von 15 kW aus, sondern um 1 kW zurückgestuft von 14 kW aus hochgetaktet.

Fig. 10 zeigt die Schaltstufe VI. Als Lastuntergrenze kommen hier bei geöffnetem Leistungstakter S5 Pmin = P3 + P4 + P₀ = 7 + 7 + 4 = 18 kW zum Einsatz. Würde S5 jetzt mit demselben Einschaltfaktor von e = 1 wie bei den vorhergehenden Schaltstufen takten, ergäbe dies eine Lastobergrenze von Pmax = 22 kW, welche über der zulässigen Gerätenennleistung von 21 kW liegt. In der Schaltstufe 6 wird deshalb der Einschaltfaktor e des Leistungstakters S5 um 25% auf e = 0,75 reduziert und dadurch die Grundlast von P₀ = 4 kW auf P₀′ = 3 kW zurückgenommen, so daß in der Schaltstufe VI zwischen 18 und 21 kW getaktet wird.

In jeder Betriebsphase des neuen Durchlauferhitzerssystems wird der letzte, am Strömungsauslauf liegende Heizwiderstand R1 lediglich mit einem Bruchteil seiner Nennlast von P1max = 8 kW betrieben; und zwar intermittierend zwischen 0 und 2 kW. Die sich hierbei ergebende niedrige Oberflächenbelastung in Watt pro cm² wirkt sich positiv durch geringe Kalkablagerungen aus.

Die erforderlichen, bereitzustellenden elektrischen Leistungen bzw. Lastobergrenzen Pmax für die vom Benutzer einstellbaren Auslauftemperaturen und Warmwassermengen werden von einem Mikroprozessor ermittelt; sie ergeben sich aufgrund des zweiten thermodynamischen Hauptsatzes zu:

Wobei:
LD = Wasservolumendurchsatz in Litern pro Minute
Δt = Temperaturhub in K
Δt = t_Auslauf-t_Zulauf (K).

D. h. Temperaturhub = wählbare Wasserauslauftemperatur (°C) - gegebene Wasserzulauftemperatur (°C). 14,3 = Umrechnungsfaktor (Wärmeinhalt/elektrische Arbeit).

Aus den Leistungsstufen nach Fig. 5 bis Fig. 10 leitet sich der sogenannte Stufenfaktor k als dimensionslose Zahl ab. Der Stufenfaktor k steht mit der Grundlast P0 in Verbindung und bestimmt die Lastuntergrenze.
Pmin = k × P₀ (kW).

In Abhängigkeit vom Stufenfaktor k, der bereitzustellenden Leistung Pmax und der Grundlast P₀ ergibt sich der Einschaltfaktor e für die jeweiligen Leistungstakter S4, S5 zu:

Hieraus abgeleitet Pmax = (e + k) × P₀; (kW) P0 ist wie angegeben die kleinste momentan getaktete Grundlast in kW.

Fig. 11 zeigt eine Tabelle in welcher alle erwähnten Faktoren, Leistungsstufen und schaltungsmäßigen Zusammenhänge aufgelistet sind.

Die beiden getakteten Heizwiderstände R1, R2 sind im betrachteten Beispiel gleich groß dimensioniert. Sie können gegebenfalls wie bereits erwähnt in ihrer Leistung auch unterschiedliche Werte besitzen.

Claims (6)

1. Schaltung zur elektronischen Leistungssteuerung eines Haushalt-Durchlauferhitzers mit vier Stück direkt in den Wasserkanälen eines Heizblocks und strömungsmäßig hintereinander liegenden Heizwiderständen, die als Blankdrahtwendeln ausgebildet sind und im Dreieck an Außenleitern eines Drehstromnetzes zu- und abschaltbar sind, mit von einem Mikroprozessor ansteuerbaren elektronischen Ein-Ausschaltern und mit taktbaren Leistungsschaltern, dadurch gekennzeichnet, daß der im Wasserkanal strömungsmäßig letzte Heizwiderstand (R1) mit dem strömungsmäßig vorletzten Heizwiderstand (R2) über einen Spannungsteiler, dem Knotenpunkt (B) elektrisch in Reihe geschaltet ist und vorgenannte Reihenschaltung (R1, R2) mittels eines getakteten Leistungsschalters (S4) intermittierend an die Außenleiter (L1, L2) an- und abschaltbar ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom Knotenpunkt (B) aus der Heizwiderstand (R1) mittels eines hierzu parallel liegenden, getakteten Leistungsschalters (S5) intermittierend überbrückbar ist.

3. Betriebsverfahren zur elektronischen Leistungssteuerung eines Haushalt-Durchlauferhitzers, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der Heizwiderstände (R1 + R2) bei permanent geöffnetem Leistungsschalter (S5) vom zweiten Leistungsschalter (S4) solange intermittierend an die Außenleiter (L1, L2) gelegt wird bis je nach dem Verhältnis der Ein-Auszeit des besagten Leistungsschalters (S4) die Hälfte der maximal möglichen Leistung bzw. eine Leistungsschwelle erreicht wird.

4. Betriebsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erreichen der Leistungsschwelle der Leistungsschalter (S4) permanent geschlossen wird, während der Heizwiderstand (R1) bis zum Erreichen der vollen Maximalleistung (Pmax) vom Leistungsschalter (S5) intermittierend überbrückt wird.

5. Betriebsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwiderstände (R1, R2) für eine um 15% höhere Leistungsaufnahme als der strömungsmäßig erste Heizwiderstand (R4) bzw. der strömungsmäßig zweite Heizwiderstand (R3) ausgelegt werden.

6. Betriebsverfahren nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Taktverhältnis der Ein-Auszeit des Leistungsschalters (S5) bei Erreichen der Durchlauferhitzer-Nennleistung reduziert wird.