DE4344244C2

DE4344244C2 - Elektrischer Durchlauferhitzer

Info

Publication number: DE4344244C2
Application number: DE4344244A
Authority: DE
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 1993-12-23
Filing date: 1993-12-23
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2013-12-24
Also published as: DE4344244A1

Description

Die folgende Erfindung betrifft einen elektrischen Durchlau ferhitzer mit einer Steuervorrichtung zur Steuerung einer Heizleistung mindestens eines damit verbundenen Heizele ments, das seine Wärme an das einen Strömungsweg des Durch lauferhitzers durchfließende Wasser abgibt, wobei mit der Steuervorrichtung zudem verbunden sind Meßgrößenaufnehmer zum Erfassen der Werte einer ersten Temperatur am Einlauf, einer zweiten Temperatur stromabwärts des Einlaufs und einer Durchflußmenge, eine Vorgabeeinrichtung zum Vorgeben einer Solltemperatur des auslaufenden Wassers, wobei die Steuer vorrichtung aus der Einlauftemperatur, der Solltemperatur und der Durchflußmenge fortlaufend eine Sollheizleistung für das mindestens eine Heizelement ermittelt.

Vor allem bei elektrischen Durchlauferhitzern mit Blank drahtheizelementen bemüht sich die Fachwelt in letzter Zeit u. a. darum, die Steuerung bzw. Regelung des Durchlauferhit zers derart zu gestalten, daß die Temperatur des aus dem Durchlauferhitzer auslaufenden Wassers möglichst schnell die vom Anwender gewünschte Temperatur erreicht bzw. konstant ist.

In der DE 34 15 542 C2 ist eine Steuerung eines elektrischen Durchlauferhitzers mit mehreren schaltbaren Heizleistungs stufen offenbart, mit der sich auch für unterschiedliche Durchflußmengen eine gewünschte Solltemperatur des auslau fenden Wassers einstellt. In der dabei verwendeten zweistu figen Steuerung wird die Heizleistung möglichst rasch an ei ne ermittelte Sollheizleistung herangeschaltet und anschlie ßend durch eine regelbare Heizleistungsstufe die Auslauftem peratur der gewünschten Solltemperatur nachgeführt. Dazu wird u. a. die Auslauftemperatur des Durchlauferhitzers mit einem Temperaturaufnehmer gemessen, der entsprechend seinem dynamischen Meßverhalten bei veränderlichen Temperaturen ei nen dynamischen Meßfehler aufweist.

Die DE 35 46 214 A1 offenbart einen Durchlauferhitzer, der den obigen Durchlauferhitzer derart weiterbildet, daß auch bei Änderungen der Betriebsparameter, wie der Durchflußge schwindigkeit und der momentanen Netzspannung, eine genaue Einhaltung der Solltemperatur im Auslauf gewährleistet ist. Der Nachteil des obigen Durchlauferhitzers, daß das Wasser erst nach dem Durchlaufen des Heizblocks den Temperaturfüh ler am Auslauf erreicht, wird durch eine Verkürzung der Re gelstrecke verringert. Dazu ist der Abstand des Temperatur aufnehmers, der bisher am Auslauf des Durchlauferhitzers an geordnet war, zum Einlauf des Durchlauferhitzers verkürzt. In einem Ausführungsbeispiel ist dieser Temperaturaufnehmer unmittelbar hinter dem strömungstechnisch am Anfang des Durchlauferhitzers liegenden Heizelement angeordnet. Das dy namische Meßverhalten des Temperaturaufnehmers selbst bleibt unverändert. Zudem ist der Unterschied zwischen den beiden gemessenen Temperaturen gering, wodurch der Einfluß von Meß fehlern nachteiligerweise zunimmt. Weiterhin ist nachteili gerweise die Temperatur des Wassers im Bereich des Auslaufs unbekannt.

In der DE 40 20 502 A1 ist ein Verfahren zur Extrapolation einer sich zeitlich ändernden Meßgröße an einer Regelstrecke mit Ausgleich offenbart. Dadurch sind frühzeitig und unabhängig von der Zeitkonstante des Temperaturfühlers verwertbare Aussagen über den Beharrungszustand, den der Temperaturaufnehmer aufgrund seines dynamischen Verhaltens erst später erreicht, möglich. Der Anfahrvorgang eines Regel- oder Steuerprozesses, beispielsweise bei einem Durchlauferhitzer, wird dadurch verbessert. Ein sehr vorsichtiges und langsames Annähern der Regelgröße an den Sollwert oder aber ein starkes Überschwingen aufgrund der Trägheit des Temperaturfühlers kann vermieden werden. Eine Totzeit, die das einströmende Wasser bis zum Erreichen des Temperaturfühlers benötigt, bleibt durch dieses Verfahren unverändert. Zusätzlich verzögert das in bestimmten Zeitabständen erfolgende Abfühlen der zur Extrapolation erforderlichen zwei Werte der Wassertemperatur die Extrapolation bzw. Prädiktion.

Aus der DE 42 30 208 A1 ist ein Verfahren zum Steuern der Auslauftemperatur eines elektrisch beheizten Durchlauferhitzers bekannt, der in seinem Durchlaufkanal einen Ultraschall-Durchsatzgeber aufweist, der fehlerbehaftet ist. Um den Fehler des Durchsatzgebers zu eliminieren, wird die Auslauftemperatur des erwärmten Wassers über einen Temperaturfühler ermittelt und mit der an einem Sollwertgeber vorgegebenen Auslauftemperatur verglichen.

Aus der DE 38 42 644 A1 ist ein Verfahren zum Steuern der Leistung eines elektrisch beheizten Durchlauferhitzers bekannt, bei dem der Durchsatz bei bekannter Kanalquerschnittsfläche über die Temperaturerhöhung an wenigstens zwei Widerständen gemessen wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Durchlauferhitzer bereitzustellen, der das schnelle Steuern bzw. Regeln der Auslauftemperatur auf die gewünschte Solltemperatur bei Änderungen der Durchflussgeschwindigkeit oder der Solltemperatur verbessert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Trennvorrichtung zwischen der Steuervorrichtung und einem die zweite Temperatur messenden zweiten Temperaturaufnehmer angeordnet ist, dass die Steuervorrichtung mit einer Vergleichs einrichtung zum Überwachen des Überschreitens eines ersten Schaltgrenzwertes in Verbindung steht, dass die Vergleichseinrichtung mit der Trennvorrichtung zur von dem Überschreiten abhängigen Betätigung der Trennvorrichtung in Verbindung steht, und dass durch die Steuervorrichtung, wäh rend einer Trenndauer fortlaufend Schätzwerte der zweiten Temperatur aus der ersten Temperatur, der Durchflußmenge und der geschalteten Heizleistung ermittelbar sind. Ein Überwa chen des Verlaufs der erforderlichen Sollheizleistung auf das Überschreiten eines ersten Grenzwertes ist besonders einfach zu realisieren, ein besonders allgemeines Kriterium und deshalb vorteilhaft. Es könnte auch ständig der Verlauf der Schätzwerte ermittelt werden und ein Betätigen der Trennvorrichtung direkt von großen zu erwartenden Änderungen der zweiten Temperatur abhängig gemacht werden. Dies ist je doch aufwendiger. Für die Zeit, in der die vom zweiten Tem peraturaufnehmer aufgrund des dynamischen Meßverhaltens ge lieferte zweite Temperatur, als Grundlage für die Steuerung, fehlerhaft ist, ermittelt die Steuervorrichtung vorteilhaf terweise einen Schätzwert für die entsprechende Wassertempe ratur.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Trenndauer konstant und beträgt den zweifachen Wert der Zeitkonstante des zweiten Temperaturaufnehmers. Dann weist der Temperatur aufnehmer einen Ausgangswert auf, der nur mehr ungefähr 10% vom Beharrungswert abweicht.

Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Trenndauer va riabel und von dem zeitlichen Verlauf der Schätzwerte der zweiten Temperatur abhängig. Die Trenndauer ist dadurch vor teilhafterweise von einem absoluten Temperaturkriterium über einen zweiten Schaltgrenzwert abhängig. Dies ist insbesonde re bei großen Temperaturschwankungen günstig.

In einer weiteren Weiterbildung dienen vorteilhafterweise zur Ermittlung der Trenndauer über ein absolutes Temperatur kriterium Meßwerte der zweiten Temperatur. Dadurch ist bei fehlerhaften Schätzwerten eine sichere Beendigung der Trenn dauer gewährleistet.

Der erste Schaltgrenzwert beträgt in einer bevorzugten Aus führungsform mehr als 5% einer auvor ermittelten Bezugs- Sollheizleistung. Denn geringe Leistungsänderungen haben ge ringe Temperaturänderungen zur Folge und so bleibt das Betä tigen der Trennvorrichtung auf notwendige Fälle beschränkt. Wird ein besonders "träger" zweiter Temperaturaufnehmer ver wendet, so ist es vorteilhaft, schon bei geringen Sollheiz leistungsänderungen bzw. -differenzen und damit gegebenen falls verbundenen Temperaturänderungen am zweiten Tempera turaufnehmer die Verbindung zwischen der Steuervorrichtung und dem zweiten Temperaturaufnehmer zu trennen.

Zur Begrenzung der Trenndauer beträgt der zweite Schalt grenzwert vorzugsweise mehr als 0,5 K. Gemäß dieser Ausfüh rungsform ist ein auf das Messen der zweiten Temperatur gestütztes Steuern der Wasserauslauftemperatur bereits vor Erreichen des Beharrungszustandes wieder möglich.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die zwei te Temperatur am Auslauf sowohl gemessen als auch gegebenen falls ermittelt. Dadurch steht bei einer evtl. notwendigen Feinregulierung der Auslauftemperatur ein diese messender Aufnehmer zur Verfügung.

Gemäß der Ausführungsform mit der Anordnung des zweiten Tem peraturaufnehmers am Auslauf ist es vorteilhaft, daß der zweite Schaltgrenzwert vorzugsweise mehr als 1,0 K beträgt. Denn die Temperaturänderungen sind am Auslauf des Durchlauf erhitzers am größten.

Um ein gutes Regelverhalten zu erreichen, ruft die Steuer vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform die erste Tem peratur, die zweite Temperatur und die Durchflußmenge zy klisch in Zykluszeitabständen, die klein gegenüber der Zeit sind, innerhalb derer die Solltemperatur erreichbar ist, ab und ermittelt damit die Sollheizleistung.

Das Heranschalten der Heizleistung an die Sollheizleistung kann entsprechend DE 34 15 542 C2 oder entsprechend bei spielsweise einem PI-Regel- oder einem PID-Regel-Verhalten erfolgen. Um das Erreichen der Solltemperatur zu beschleuni gen, schaltet die Steuervorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform bei einer Änderung der ermittelten Sollheiz leistung entsprechend einem "Übersteuern" zunächst eine be stimmte Startheizleistung auf die Heizelemente, die einer größeren Leistungsänderung als der eigentlich ermittelten entspricht.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dienen Zusatzschätz werte, die an verschiedenen Stellen entlang des Strömungswe ges des Durchlauferhitzers ermittelbar sind, zur beschleu nigten Steuerung der Heizleistung. Zudem kann in Kenntnis des Wasser-Temperaturprofils entlang des mindestens einen Heizelementes auf Schwankungen der Durchflußmenge besser re agiert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind aus Gründen der Wirtschaftlichkeit die Steuervorrichtung, die Speichereinrichtung, die Vergleichseinrichtung und die Trennvorrichtung durch einen Mikroprozessor realisiert.

Der elektrische Durchlauferhitzer kann ein Durchlauferhitzer jeder Art sein. Besonders vorteilhaft und wirksam ist die Erfindung jedoch, wenn der Durchlauferhitzer ein Blankdraht- Durchlauferhitzer ist. Denn bei diesem Typ ist der Übergang der Wärme vom Heizelement zum Wasser besonders rasch mög lich, so daß das dynamische Meßverhalten der verwendeten Temperaturaufnehmer zu beachten ist.

Zur Ermittlung der Sollheizleistung kann auf eine direkte Messung der Durchflußmenge über einen Durchflußmengenaufneh mer verzichtet werden und in bekannter Weise eine indirekte Durchflußmengenmessung über die beiden Temperaturaufnehmer durchgeführt werden. Weiterhin ist es möglich, die Durch flußmenge auch mit Hilfe des zweiten Temperaturaufnehmers alleine in bekannter Weise (DE 34 15 542 C2) durchzuführen. Um eine durch die dynamischen Meßfehler der Temperaturauf nehmer verursachte fehlerhafte Bestimmung der Durchflußmenge zu vermeiden, ist in einer bevorzugten Weiterbildung ein Durchflußmengenaufnehmer zur direkten Messung der Durchfluß menge im Strömungsweg des Durchlauferhitzers angeordnet.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ermittelt die Steuer vorrichtung eine für 60 ms auf das strömungstechnisch letzte Heizelement zu schaltende Zielheizleistung aus der Differenz der Solltemperatur und der am Einlauf dieses Heizelements vorliegenden, geschätzten Wassertemperatur. Durch das Erwär men des Wassers auf annähernd die Solltemperatur in kurzer Zeit und einem nachfolgenden Ausschalten der Heizleistung für das Heizelement wird das Auftreten von Übertemperaturen aufgrund Durchflußmengenschwankungen verhindert.

Nachfolgend sind anhand der Figur zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Durchlauferhitzers und besonders vor teilhafte Weiterbildungen beschrieben.

Die Figur zeigt ein Blockdiagramm der wesentlichen Komponen ten eines erfindungsgemäßen elektrischen Durchlauferhitzers. Eine Steuervorrichtung 1 steht mit vier Heizelementen 2, 3, 4, 5 in Verbindung und schaltet auf diese eine bestimmte Heizleistung P, um ein an den Heizelementen im Wasserkanal bzw. Strömungsweg 14 des Durchlauferhitzers vorbeifließendes Wasser zu beheizen. Die Heizelemente 2, 3, 4 sind bezüglich der Leistung in vier Leistungsstufen grobgestuft, wohingegen das Heizelement 5 am Auslauf feinstufig bezüglich der Heiz leistung regelbar ist. Die Nennheizleistung des Heizelemen tes 2 im Einlauf des Durchlauferhitzers beträgt beispiels weise 8 kW und es stehen vier Leistungsstufen also 0 kW, 1/3.8 kW, 2/3.8 kW und 8 kW zur Verfügung. Die über eine Pulsweitenmodulation regelbare Heizleistungsstufe 5 ist bei einer Nennheizleistung von 4 kw in Leistungsstufen von 200 W gestuft. Zur Ermittlung einer zu schaltenden Sollheizlei stung Ps steht die Steuervorrichtung 1 weiterhin mit einem ersten Temperaturaufnehmer 6 am Einlauf und einem zweiten Temperaturaufnehmer 7 am Auslauf des Durchlauferhitzers und einem Durchflußmengenaufnehmer 8 am Einlauf des Durchlaufer hitzers in Verbindung. Diese Aufnehmer 6, 7, 8 liefern ihre Meßsignale ebenso wie eine Vorgabeeinrichtung 9 an die Steu ervorrichtung 1. Über die Vorgabeeinrichtung 9 ist eine Solltemperatur Ts des aus dem Durchlauferhitzer auslaufenden Wassers von einem Benutzer vorgebbar. Mit Hilfe dieser Werte ermittelt die Steuervorrichtung 1 über die folgende bekannte Gleichung die zur Beheizung des Wassers erforderliche Soll heizleistung Ps.

Ps = mf.Cp.ρ.(T_s - T_e) mit (1)

mf: Durchflußmenge,
C_p: spezifische Wärmekapazität des Wassers,
Te: erste Temperatur am Einlauf,
ρ: Dichte des Wassers.

Ein Eingang einer Vergleichseinrichtung 10 ist mit der Steu ervorrichtung 1 verbunden. Der andere Eingang der Ver gleichseinrichtung 10 steht mit einer Speichereinrichtung 11 in Verbindung, die ebenfalls an die Steuervorrichtung 1 an geschlossen ist. Der Ausgang der Vergleichseinrichtung 10 betätigt eine zwischen der Steuervorrichtung 1 und dem eine zweite Temperatur Tw messenden zweiten Temperaturaufnehmer 7 angeordnete Trennvorrichtung 12 und startet eine in der Steuervorrichtung 1 realisierte Schätzwert-Berechnungsvor richtung 15, deren Arbeitsweise später erläutert wird. Zu sätzlich steht eine Synchronisationssignal-Vorrichtung 13 mit der Steuervorrichtung 1 in Verbindung.

Die Steuervorrichtung 1 ermittelt zyklisch die Sollheizlei stung Ps und sendet jeden ermittelten Sollheizleistungswert Ps an die Vergleichseinrichtung 10 und an die Speicherein richtung 11. Die Vergleichseinrichtung 10 vergleicht den ak tuell über die obige Gleichung ermittelten Sollheizlei stungswert Psi mit einem Bezugs-Sollheizleistungswert Ps_b. Dieser ist zum einen der zeitlich unmittelbar zuvor über die obige Gleichung ermittelte Sollheizleistungswert Ps_i-1, der in der Speichereinrichtung 11 gespeichert ist, und zum ande ren ein Sollheizleistungswert Ps_v, der über die obige Glei chung 600 ms vor dem Sollheizleistungswert Ps_i-1 ermittelt worden ist. So kann zum einen auf sehr plötzliche Änderungen bezüglich des Leistungsbedarfs sofort reagiert werden und zum anderen ist es möglich, auch auf langsamere Änderungen des Leistungsbedarfs, die jedoch bereits das dynamische Meß verhalten des zweiten Temperaturaufnehmers 7 überfordern, zu reagieren. Der Vergleich mit beiden Werten Ps_i-1, Ps_v ge währleistet ein sicheres Betätigen der Trennvorrichtung 12. Denn wenn die Sollheizleistung Ps_i von der Bezugs-Sollheiz leistung Ps_b aufgrund einer Durchflußmengen- oder Solltempe raturänderung um mehr als ein erster Schaltgrenzwert PG von 10% der Bezugs-Sollheizleistung Ps_b abweicht, liefert die Vergleichseinrichtung 10 an die Trennvorrichtung 12 ein ent sprechendes Signal. Die Trennvorrichtung 12, beispielsweise ein Halbleiterschalter, trennt daraufhin die Verbindung der Steuervorrichtung 1 zum zweiten Temperaturaufnehmer 7.

Die Steuervorrichtung 1 bzw. die Schätzwert-Berechnungsvor richtung 15 ermittelt ab diesem Zeitpunkt aus den vorhande nen werten (erste Temperatur Te, Durchflußmenge mf) und der bekannten verwendeten Heizleistung P für eine Trenndauer TT ständig Schätzwerte Twb der Temperatur, die das Wasser am Ort des zweiten Temperaturaufnehmers 7 aufweist. Die Schätz werte Twb werden selbstverständlich während der gesamten Le bensdauer fortlaufend ermittelt, um ständig aktualisiert zu sein, sie werden jedoch nur während der Trenndauer TT zum Steuern bzw. Regeln der Heizleistung P verwendet. Während der Dauer TT schaltet die Steuervorrichtung 1 die Heizlei stung P an die Sollheizleistung Ps in Abhängigkeit vom zeit lichen Verlauf der Schätzwerte Twb_i, Twb_i-1 der zweiten Tem peratur Tw heran und regelt anschließend die Auslauftempera tur des Durchlauferhitzers über das bezüglich der Heizlei stung fein gestufte Heizelemente 5. Zunächst wird eine Startheizleistung Pstart auf die Heizelemente 2, 3, 4, 5 ge schaltet, die einer größeren Leistungsänderung entspricht als der sich aus einer Sollheizleistungsdifferenz DPs (= |Ps_i - Ps_i-1|) ergebenden. Dies beschleunigt das Heran schalten an die Sollheizleistung Ps. Dabei gewährleistet die Synchronisationssignal-Vorrichtung 13, die mit der Steuer vorrichtung 1 in Verbindung steht, daß die ermittelten Tem peraturwerte bzw. Schätzwerte Twb mit dem tatsächlichen zeitlichen Verlauf der zweiten Temperatur Tw des Wassers am Ort des zweiten Temperaturaufnehmer 7 über die Kenntnis der Geometrie des Wasserkanals synchronisiert sind, wie später erläutert wird.

Nach der Ermittlung des ersten Schätzwertes Twb nach dem Auftrennen der Verbindung der Steuervorrichtung 1 zu dem Temperaturaufnehmer 7 speichert die Steuervorrichtung 1 den Schätzwert Twb in die Speichereinrichtung 11. Bei der weite ren Ermittlung von Schätzwerten Twb liefert die Steuervor richtung 1 jeweils den aktuellen Schätzwert Twb_i auch an die Vergleichseinrichtung 10. Die Vergleichseinrichtung 10 ver gleicht den aktuellen Schätzwert Twb_i mit dem zeitlich un mittelbar davor ermittelten Schätzwert Twb_i-1, der in der Speichereinrichtung 11 gespeichert ist. Ist der Betrag einer ersten Differenz DTwb zeitlich unmittelbar aufeinanderfol gend ermittelter Schätzwerte Twb_i, Twb_i-1 der zweiten Tempe ratur Tw kleiner als ein zweiter Schaltgrenzwert TG von 1,0 K, sendet die Vergleichseinrichtung 10 an die Trennvorrich tung 12 ein entsprechendes Signal. Auf den Empfang dieses Signals beendet die Trennvorrichtung 12 die Trenndauer TT und stellt die Verbindung zwischen der Steuervorrichtung 1 und dem Temperaturaufnehmer 7 wieder her und stoppt die Schätzwert-Berechnungsvorrichtung 15. Die zweite Temperatur Tw am Ort des zweiten Temperaturaufnehmers 7 wird im An schluß an die Trenndauer TT wieder von dem zweiten Tempera turaufnehmer 7 direkt gemessen. Die Steuerung bzw. Regelung der Wassertemperatur erfolgt also wieder auf der Grundlage der durch den zweiten Temperaturaufnehmer 7 gemessenen zwei ten Temperatur Tw am Auslauf. Die Temperaturänderungen sind nun wieder geringer und somit ist das dynamische Meßverhal ten des zweiten Temperaturaufnehmers 7 von geringerer Bedeu tung.

Eine Verkürzung der Trenndauer TT ist über die Erhöhung des zweiten Schaltgrenzwertes TG möglich. Eine verkürzte Trenn dauer TT bewirkt zum einen, daß die Regelung normalerweise verlangsamt wird, und zum anderen, daß die Zeitdauer, in der eine fehlerhafte Ermittlung der Schätzwerte Twb möglich ist, verkürzt ist.

Die Beendigung der Trenndauer TT kann alternativ durch einen Vergleich einer zweiten Differenz DTw zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend gemessener Werte der zweiten Temperatur Tw_i, Tw_i-1 mit einem zweiten Schaltgrenzwert TG bewirkt wer den. Auch eine über ein bekanntes Verzögerungsglied (nicht gezeigt) bestimmte Beendigung der Trenndauer TT ist möglich. Im ersten Fall sind während der Trenndauer TT die Signale des zweiten Temperaturaufnehmers 7 der Vergleichseinrichtung 10 direkt zuzuführen (nicht gezeigt), im zweiten Fall ist der Ausgang der Vergleichseinrichtung 10 zusätzlich über das Verzögerungsglied mit der Abschaltvorrichtung 12 zu verbin den (nicht gezeigt). Nach Ablauf von beispielsweise dem zweifachen Wert der Zeitkonstante tt des zweiten Temperatur aufnehmers 7 stellt das Verzögerungsglied die Verbindung der Steuervorrichtung 1 mit dem zweiten Temperaturaufnehmer 7 wieder her.

Die Vorteile der Anordnung des zweiten Temperaturaufnehmers 7 in der Nähe des ersten Temperaturaufnehmers 6 am Einlauf des Durchlauferhitzers gemäß dem Stand der Technik spielen eine untergeordnete Rolle, da die zweite Temperatur Tw bzw. deren Schätzwert Twb bereits nach einem Ermittlungsschritt bekannt ist.

Eine zur Ermittlung des zeitlichen Verlaufs des Schätzwertes Twb geeignete Funktion, die das Erwärmen des den elektri schen Durchlauferhitzer durchströmenden Wassers beschreibt, lautet:

V: betrachtetes, beheiztes Wasserteilvolumen, wobei der gesamte beheizte Wasserkanal in eine Anzahl gleich großer hintereinanderge schalteter Teilvolumina aufgeteilt ist,
f: Durchflußvolumen pro Simulationsschritt mit f = mf.t0/60,
t0: Simulationsschritt mit Zykluszeitabstand t0 = 30 ms,
P_n: Heizleistung bezogen auf das betrachtete Wasserteilvolumen n,
n, n-1: Index der Teilvolumina mit n stromabwärts von n-1
i, i-1: Zeitindex mit i zeitlich unmittelbar auf i-1 folgend.

Dieses Modell ergibt sich aus einer dynamischen Betrach tungsweise der Beheizung strömenden Wassers über die Zeit. Dazu ist die beheizte Wasserstrecke bzw. der Wasserkanal 14 entsprechend einer Finiten Elemente Methode in aufeinander folgende Teilwasserstrecken aufgeteilt. Diesen Teilstrecken entsprechen über die röhrenförmige Ausgestaltung des Wasser kanals 14 Teilvolumina, die entsprechend dem Anteil am Volu men mit einer Teilheizleistung beheizt werden. Ist das dem Heizelement 4 zuordenbare Volumen in beispielsweise 7 Teil volumen aufgeteilt, so wird jedem dieser Teilvolumen 1/7 der diesem Heizelement 4 zugeführten Heizleistung zugeführt. Das den Durchlauferhitzer durchströmende Wasser strömt abhängig von der Durchflußmenge mf von einem Teilvolumen zum nächsten und wird dabei beheizt.

f/V stellt den Volumenanteil des Wassers dar, der während eines Simulationsschrittes von einem Teilvolumenelement (n-1) zum nächsten (n) strömt. (V-f)/V stellt den Volumenan teil des Wassers dar, der während eines Simulationsschrittes in dem betrachteten Volumenelement (n) verbleibt. Das ein strömende Wasser besitzt die Anfangstemperatur Twb_{i-1, n-1} und wird für die Dauer eines Simulationsschrittes (Zyklus zeitabstand t0) je zur Hälfte mit der Heizleistung P_n-1 bzw. P_n beheizt. Das im betrachteten Teilvolumen (n) verbleibende Wasser wird entsprechend mit der Leistung P_n beheizt. Gemäß der obigen Gleichung werden in einem Simulationsschritt alle aktuellen Teilvolumentemperaturen bzw. Schätzwerte Twb_{i, 1...m} vom Einlauf anfangend zum Auslauf hin ermittelt. Dabei stellt m das strömungstechnisch letzte beheizte Teil volumen im beheizten Wasserkanal 14 dar.

Für den Schätzwert Twb der Wassertemperatur am Auslauf er gibt sich entsprechend folgende Funktion:

wobei gilt:
Twb_i,a: Schätzwert der zweiten Temperatur Tw am Auslauf des Durchlauferhitzers,
m: Strömungstechnisch letztes beheiztes Teilvolumen im beheizten Wasserkanal.

Gemäß obigem Modell ermittelt die Steuervorrichtung 1 den Schätzwert Twb für die zweite Temperatur Tw alle 30 ms. Die ser Zykluszeitabstand t0 ist klein im Vergleich zu der Zeit, innerhalb der die Solltemperatur Ts üblicherweise erreichbar ist.

Das obige Modell wird während der Trenndauer TT auch dazu verwendet, Zusatzschätzwerte Tzb an beliebigen Stellen ent lang des Strömungsweges 14 des Durchlauferhitzers durch die Steuervorrichtung 1 zu ermitteln und für die Steuerung zu verwenden. Das Heranschalten der Heizleistung P an die Soll heizleistung Ps wird infolge einer dadurch möglichen Teilung der Regelstrecke in Teilregelstrecken zusätzlich beschleu nigt. Weiterhin ist dadurch ein besonders schwankungsfreier Verlauf der Auslauftemperatur des Wassers bei sprunghaften Änderungen der Durchflußmenge mf oder der Solltemperatur Ts erreichbar, weil die Steuerung der Heizleistung P zeitlich zumindest auf die geometrische Anordnung der Heizelemente 2, 3, 4, 5 abstimmbar ist. Zudem ist durch die Kenntnis des Wasser- Temperaturprofils entlang der Heizelemente 2, 3, 4, 5, welches infolge in der Vergangenheit erfolgter Änderungen der Durchflußmenge mf und von Heizleistungen P der einzelnen Heizelemente 2, 3, 4, 5 große Temperaturschwankungen bzw. einen zackigen Verlauf aufweisen kann, ein schnelles Ausre geln der Temperaturspitzen und insgesamt ein schnelles Er reichen einer stabilen Auslauftemperatur möglich.

Im zweiten verbesserten Ausführungsbeispiel nach der Figur ermittelt deshalb die Steuervorrichtung 1 mit Hilfe der obi gen Funktionen ((2), (3)) die Zusatzschätzwerte Tzb. Diese sind die Einlauftemperaturen für das strömungstechnisch zweite, dritte und vierte Heizelement 3, 4, 5 (Te2, Te3, Te4) und die Mitten-Temperaturwerte für das strömungstech nisch erste, zweite und dritte Heizelement 2, 3, 4. Dabei wird ein Mitten-Temperaturwert Tm jeweils geometrisch in der Mitte eines sich entlang des Strömungsweges 14 erstreckenden Heizelementes 2, 3, 4 genommen.

Entsprechend der vorliegenden Solltemperatur Ts oder der Durchflußmenge mf ermittelt die Steuervorrichtung 1 zudem gemäß der bekannten Gleichung Ps = mf.Cp.ρ.(Ts - Te), den Wert der zur Erwärmung des durchströmenden Wassers erforder lichen Sollheizleistung Ps. Aus der so ermittelten Sollheiz leistung Ps ergeben sich entsprechend den jeweils vorliegen den Gegebenheiten Teilsollheizleistungen Pst1, . . ., Pst4 für jedes einzelne Heizelement 2, 3, 4, 5. Es ist bekannt, daß bezüglich eines jeden Heizelementes 2, 3, 4, 5 im einge schwungenen Zustand eine bestimmte Heizelement-Einlaufsoll temperatur Tes1, . . ., Tes4 und eine bestimmte Mitten-Soll temperatur Tms1, . . ., Tms3 existieren. Diese werden entspre chend der obigen Gleichung (1) von der Steuervorrichtung 1 entsprechend der nachfolgenden Gleichung ermittelt:

Tes1 = Te,
Tes2 = Tes1 + Pst1/(mf.ρ.Cp),
Tes3 = Tes2 + Pst2/(mf.ρ.Cp), (4)
Tes4 = Tes3 + Pst3/(mf.ρ.Cp),
Tms_j = (Tes_j+1 + Tes_j)/2,
j: Heizelementindex.

Die so ermittelten und in der Speichereinrichtung 11 gespei cherten Heizelement-Einlaufsolltemperaturen Tes1, . . ., Tes3 und Heizelement-Mittensolltemperaturen Tmsl, . . ., Tms3 ver wendet die Steuervorrichtung 1, um möglichst rasch die Soll temperatur Ts für das auslaufende Wasser zu erreichen.

Durch die obige Berechnung (Gleichung 2) sind für alle Hei zelemente 2, 3, 4, 5 zusätzlich die Heizelement-Einlauftem peraturen Te1, . . ., Te4 und die Heizelement-Mittentemperatur Tm bekannt. Außerdem sind die zur gewünschten Erwärmung des den Durchlauferhitzer durchströmenden Wassers erforderliche Sollheizleistung Ps und die erforderlichen Teilsollheizlei stungen Pst1, . . ., Pst4 bekannt. Das schnelle Erreichen der gewünschten Auslauftemperatur Ts = Ta bzw. das Ausgleichen von Temperaturspitzen infolge Durchflußmengenschwankungen wird dadurch erreicht, daß das Heranschalten der strömungs technisch ersten drei Heizelemente 2, 3, 4 an die Sollheiz leistung Ps bzw. die Teilsollheizleistungen Pst1, . . ., Pst3 und das Regeln der Teilsollheizleistung Pst4 des Heizelemen tes 5 am Auslauf wie folgt erfolgt:

Die Steuervorrichtung 1 schaltet bei einer Änderung der er mittelten Sollheizleistung Ps bzw. der Teilsollheizleistun gen Pst1, . . ., Pst4, die in der Summe die Sollheizleistung Ps ergeben, zunächst für jedes Heizelement 2, 3, 4, 5 eine Teilheizleistung Pt1, . . ., Pt4, die jeweils einer größeren Leistungsänderung als der entsprechend der ermittelten Teil sollheizleistungen Pst1, . . ., Pst4 ermittelten entspricht. Im weiteren Verlauf schaltet die Steuervorrichtung 1 in Zy kluszeitabständen t0 die Teilheizleistungen Pt1, . . ., Pt3 der strömungstechnisch ersten drei Heizelemente 2, 3, 4 an die Teilsollheizleistung Pst2, . . ., Pst3 unabhängig vonein ander heran und die Teilsollheizleistung Pst4 des Heizele ments 5 am Auslauf wird gesteuert, wie später beschrieben ist. Es gilt also, wenn die Heizleistung P beispielsweise zu erhöhen ist für jedes Heizelement 2, 3, 4:
wenn Tmj ≦ Tms_j
dann Heizelement j eine Leistungsstufe zu Pst_j
wenn Te_j weniger als 1 K über Tes_j
dann Heizelement j auf Pst_j einstellen.

Durch das Schalten der Teilsollheizleistungen Pst1, . . ., Pst3 kann es insbesondere bei plötzlichen Durchflußmengenän derungen zu einem zackigen Wassertemperaturprofil bzw. Tem peraturspitzen im Bereich der strömungstechnisch ersten drei Heizelemente 2, 3, 4 kommen. Während dem Heranschalten an die Sollheizleistung Ps ermittelt deshalb, wie oben be schrieben, die Steuervorrichtung 1 fortlaufend einen Zusatz schätzwert Tzb4 der Wassertemperatur Te4 am Einlauf des strömungstechnisch letzten Heizelements 5. Die Steuervor richtung 1 vergleicht nun den Zusatzschätzwert Tzb4 mit der vorgegebenen Solltemperatur Ts für das auslaufende Wasser. Aus der Temperaturdifferenz DT = Ts - Tzb4 und aus dem über die Gleichung (2) ermittelten Anstieg der Temperatur dT des sich mit der Durchflußmenge mf vom Einlauf des Heizelements 5 wegbewegenden Wassers aufgrund einer für die Dauer von 60 ms zugeführten Leistung von 1 W ergibt sich eine Zielheizlei stung Px.

Px = 1 W.DT/dT.

Durch das Zuführen der Zielheizleistung Px für 60 ms zu dem strömungstechnisch letzten Heizelement 5 würde das betrach tete Wasserteilvolumen exakt auf die Solltemperatur Ts er wärmt. Da die Heizleistung P des vierten Heizelementes 5 aber bezüglich der Zeitspanne von 60 ms ebenfalls nur in vier Leistungsstufen grobgestuft ist, wählt die Steuervor richtung 1 diejenige Heizleistung P aus, die gerade noch kleiner als die Zielheizleistung Px ist. Beispielsweise wird für Px = 2000 W die Heizleistung P zu 1/3.4 kW ausgewählt und für 60 ms auf das Heizelement 5 geschaltet. Eine Zeitspanne tr, die das betrachtete Wasserteilvolumen danach benötigt, um durch das Heizelement 5 zu fließen und dieses zu verlassen beträgt

tr = VolH4/mf - 60 ms,

wobei VolH4 das Volumenstück des Wasserkanals 14 ist, ent lang dem sich das strömungstechnisch letzte Heizelement 5 erstreckt. Für die Zeitspanne tr schaltet die Steuervorrich tung 1 keine Heizleistung (P = 0) auf das Heizelement 5. Erst nach Ablauf der Zeitspanne tr ermittelt die Steuervor richtung 1 wieder den Zusatzschätzwert Tzb4 und die nächste Zielheizleistung Px.

Nach Erreichen der Teilsollheizleistungen Pst1, . . ., Pst3 erfolgt die Regelung der Auslauftemperatur Tw über die Rege lung der Teilheizleistung Pt4, wobei die Auslauftemperatur bzw. zweite Temperatur Tw bis zum Ablauf der Trenndauer TT von der Steuervorrichtung 1 geschätzt wird. Nach Beendigung der Trenndauer TT wird die Auslauftemperatur Tw über die Teilheizleistung Pt4 auf der Grundlage der durch den zweiten Temperaturaufnehmer 7 gemessenen zweiten Temperatur am Aus lauf des Strömungsweges 14 geregelt.

Claims

1. Elektrischer Durchlauferhitzer mit einer Steuervorrichtung (1) zur Steuerung einer Heizleistung mindestens eines damit verbundenen Heizelements (2, 3, 4, 5), das seine Wärme an das einen Strömungsweg (14) des Durchlauferhitzers durchfließende Wasser abgibt, wobei mit der Steuervorrichtung (1) zudem verbunden sind Meßgrößenaufnehmer (6, 7, 8) zum Erfassen der Werte einer ersten Temperatur am Einlauf (Te), einer zweiten Temperatur stromabwärts des Einlaufs (Tw) und einer Durchflussmenge (mf), eine Vorgabeeinrichtung (9) zum Vorgeben einer Solltemperatur (Ts) des auslaufenden Wassers, wobei die Steuervorrichtung (1) aus der Einlauftemperatur (Te), der Solltemperatur (Ts) und der Durchflussmenge (mf) fortlaufend eine Sollheizleistung (Ps) für das mindestens eine Heizelement (2, 3, 4, 5) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennvorrichtung (12) zwischen der Steuervorrichtung (1) und einem die zweite Temperatur messenden zweiten Temperaturaufnehmer (7) angeordnet ist, dass die Steuervorrichtung (1) mit einer Vergleichseinrichtung (10) zum Überwachen des Überschreitens eines ersten Schaltgrenzwertes (PG) in Verbindung steht, dass die Vergleichseinrichtung (10) mit der Trennvorrichtung (12) zur von dem Überschreiten abhängigen Betätigung der Trennvorrichtung (12) in Verbindung steht, und dass durch die Steuervorrichtung (1) während einer Trenndauer (TT) fortlaufend Schätzwerte (Twb_i, Twb_i-1, . . .) der zweiten Temperatur (Tw) aus der ersten Temperatur (Te), der Durchflussmenge (mf) und der geschalteten Heizleistung (P) ermittelbar sind.

2. Elektrischer Durchlauferhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Trennvorrichtung (12) bewirkte Trenndauer (TT) mindestens den zweifachen Wert der Zeitkonstante (tt) des zweiten Temperaturaufnehmers (7) beträgt.

3. Elektrischer Durchlauferhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Vergleichseinrichtung (10) ein die Trenndauer (TT) bestimmendes Unterschreiten ei nes zweiten Schaltgrenzwertes (TG) durch den Betrag ei ner ersten Differenz (DTwb) zeitlich unmittelbar aufein anderfolgend ermittelter Schätzwerte (Twb_i, Twb_i-1) der zweiten Temperatur (Tw) ermittelbar ist.

4. Elektrischer Durchlauferhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Vergleichseinrichtung (10) ein die Trenndauer (TT) bestimmendes Unterschreiten ei nes zweiten Schaltgrenzwertes (TG) durch den Betrag ei ner zweiten Differenz (DTw) zeitlich unmittelbar aufein anderfolgend gemessener Werte der zweiten Temperatur (Tw_i, Tw_i-1) ermittelbar ist.

5. Elektrischer Durchlauferhitzer nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schaltgrenzwert (PG) vorzugsweise mehr als 5% einer zu vor ermittelten Bezugs-Sollheizleistung (Ps_b) beträgt.

6. Elektrischer Durchlauferhitzer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schaltgrenzwert (TG) vorzugsweise mehr als 0,5 K beträgt.

7. Elektrischer Durchlauferhitzer nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Temperaturaufnehmer (7) am Auslauf angeordnet ist, und daß die Steuervorrichtung (1) den Schätzwert (Twb) für den Auslauf ermittelt.

8. Elektrischer Durchlauferhitzer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schaltgrenzwert (TG) mehr als 1,0 K beträgt.

9. Elektrischer Durchlauferhitzer nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steu ervorrichtung (1) die erste Temperatur (Te), die zweite Temperatur (Tw) und die Durchflußmenge (mf) zyklisch mit einem Zykluszeitabstand (t0), der klein gegenüber der Zeit ist, innerhalb derer die Solltemperatur (Ts) er reichbar ist, abruft, und daß die Steuervorrichtung (1) den Schätzwert (Twb) jeweils in dem Zykluszeitabstand (t0) ermittelt.

10. Elektrischer Durchlauferhitzer nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz leistung (P) durch die Steuervorrichtung (1) über eine Startheizleistung (Pstart), die einer größeren Lei stungsänderung entspricht als einer sich aus einer Soll heizleistungsdifferenz (DPS) ergebenden, an die Soll heizleistung (Ps) heranschaltbar ist.

11. Elektrischer Durchlauferhitzer nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichhet, daß durch die Steuervorrichtung (1) während der Trenndauer (TT) fort laufend Zusatzschätzwerte (Tzb1, Tzb2, . . .) von Tempera turen an verschiedenen Stellen entlang des Strömungswe ges (14) des Durchlauferhitzers ermittelbar sind.

12. Elektrischer Durchlauferhitzer nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steu ervorrichtung (1), die Vergleichseinrichtung (10), die Speichereinrichtung (11) und die Trennvorrichtung (12) durch einen Mikroprozessor realisiert sind.

13. Elektrischer Durchlauferhitzer nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durch lauferhitzer ein Blankdraht-Durchlauferhitzer ist.

14. Elektrischer Durchlauferhitzer nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dag zur Mes sung der Durchflußmenge (mf) ein Durchflußmengenaufneh mer (8) im Strömungsweg (14) angeordnet ist.

15. Elektrischer Durchlauferhitzer nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Steuervorrichtung (1) in Abhängigkeit von einer Tempera turdifferenz (DT) aus einem am Einlauf eines strömungs technisch am Ende des Durchlauferhitzers angeordneten Heizelementes (5) ermittelten Schätzwert (Twb) und dem Temperatursollwert (Ts) am Auslauf des Durchlauferhit zers eine kurzzeitig zu schaltende Zielheizleistung (Px) für dieses Heizelement (5) ermittelbar ist.