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Vorrichtung zur Erwärmung von Wasser mit Hilfe eines Dampfwassermischers
Bei Heißwasseranlagen, bei denen an den Verbrauchsstellen mehr oder weniger viel
warmes Wasser entnommen wird, ist immer die Gefahr vorhanden"daß bei einer geringen
Wasserentnahme, besonders wenn sie plötzlich erfolgt, ein Verbrühen durch zu hocherhitztes
Wasser eintritt.
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Die-Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erwärmung von
Wasser mit Hilfe eines dem Wasserdurchfluß einen durch Füllkörper, Wirbelbildung
o. dgl. erzeugten zusätzlichen Widerstand entgegensetzenden D.ampfwassermischers,
bei welchem das erhitzte Wasser mit wechselnder Durchflußmenge, die durch den jeweiligen
Verbrauch an den verschiedenen absperrbaren Verwendungsstellen bestimmt ist, der
Verbrauchsleitung zugeführt wind.
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Gemäß der Erfindung wird nur ein Teil des der Verbrauchsleitung zuzuführenden
Wassers durch den Erhitzer geleitet und der andere Teil des Verbrauchswassers als
Kaltwasser dem den Erhitzer verlassenden Heißwasserstrom zugesetzt, so daß bei einer
Drosselung oder Verminderung der Verbrauchsstellen der in der Verbrauchsleitung
dadurch eintretende Widerstand zum größeren Teil auf den Heißwasserstrom und zum
geringeren Teil auf den Kaltwasserstrom sich auswirkt, wodurch die Erhöhung,derTemperatur
des schwächeren Heißwasserstromes durch stärkeren Kaltwasserzusatz ausgeglichen
wird.
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Die Erfindung bringt vor allem den Vorteil mit sich, .daß ohne besondere
Regelungsmaßnahmen eine praktisch gleichbleibende Temperatur des Verbrauchswassers
auch bei Veränderungen der entnommenen Wassermenge erzielt wird. Diese eigenartige
Wirkung beruht auf dem Grundsatz, daß das zur Verbrauchsstelle fließende Wasser
auf .,dem Wege, auf,dem es den geringsten Widerstand findet, am stärksten fließt.
Das durch den Erhitzer strömende Wasser findet an den Mischdüsen, Füllkörpern oder
sonstigen Einsätzen und Einlagen des Erhitzers großen
Widerstand.
Hingegen weist die Kaltwasserzuführung, die nicht durch den Erhitzer geht, einen
erheblich geringeren Widerstand für das Durchfließen des Wassers auf. Das hat zur
Folge, daß bei einer Verminderung der Verbrauchsstellen oder des Wasserverbrauches
sich die 'Mischungsanteile des Kalt-Wassers und des Heißwassers zuungunsten der
'Menge des Heißwassers verschieben. Es wird hierbei der schwächere, durch den Erhitzer
fließende Wasserstrom durch die deichbleibende Dampfzufuhr zwar stärker erhitzt,
aber dafür auch durch die größere Menge des Kaltwasserstromes wieder abgekühlt,
so daß die Temperatur des an den Verbrauchsstellen austretenden Wassers praktisch
gleichbleibt. Diese Wirkung wird noch dadurch begünstigt, daß wegen des Zusatzes
des Kaltwassers bei dem Verfahren nach der Erfindung der Erhitzer in einem höheren
Temperaturbereich arbeiten muß. Je höher der Temperaturbereich liegt, desto geringer
wird auch die Temperaturdifferenz zwischen dein Heißdampf und dein durch ihn zu
erhitzenden Wasser und damit auch die in das Wasser übergeführte Wärmemenge. Die
Erhitzung des Verbrauchswassers über eine bestimmte Temperatur hinaus ist gänzlich
unmöglich, weil eine Wärmeübertragung auf das Wasser innerhalb des Erhitzers nicht
mehr eintreten kann, wenn dieses Wasser die Siedetemperatur erreicht hat. Es kann
z. B. bei halber Verbrauchsmenge nicht etwa die gleiche Warmeinenge an das Wasser
im Erhitzer übertragen werden wie bisher, sondern nur «eng mehr als die halbe Wärmemenge.
Andererseits wird diesem hocherli-itzten Wasser eine verhältnismäßig größere 'Menge
kalten Wasser: hinter dem Erhitzer wieder zugeführt. Ebenso kann es nicht zu dem
Durchschlagen des Dampfes durch den Erhitzer kommen, das bei den bekannten Mischapparaten
"besonders gefürchtet war. Beim Erfindungsgegenstand wirkt der Füllkörperraum des
Erhitzers als Labyrinthkondenstopf und läßt entsprechend dem Volumen nur wenig Dampfgewicht
durch. Dieser Dampf wird aber hinter dein Erhitzer durch das zuströmende Kaltwasser
sofort und sicher kondensiert und kann nicht bis zu den Verbrauchsstellen gelangen.
Der Erfindungsgegenstand ergibt somit eine vollkommene Sicherheit gegen eine Überhitzung
des Wassers in praktisch ausreichenden Grenzen und vor allein eine unbedingte Gewähr
für die Vermeidung von Verbrühungen an .den Verbrauchsstellen. Ein weiterer Vorteil
liegt darin, daß der Dampfwassermischer erheblich kleiner gewählt werden kann, da
er in seiner Größe durch die stündliche Durchflußmenge bestimmt wird und im vorliegenden
Falle nur einen Teil der Verbrauchsmenge zu erhitzen hat, also nur etwa die halbe
Leistung aufzuweisen braucht. Das hat gleichzeitig noch die Folge, d.aß der in üblicher
Weise an derartigen D.ampfwassermischern zur Konstanthaltung der Temperatur vorgesehene
Temperaturfühler eines Reglers schneller anspricht. da die Temperaturänderungen
im Erhitzer bei Änderung der Verbrauchsmenge schneller eintreten und auch größer
sind.
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Das dein Heißwasser zuzusetzende Kaltwasser kann der gleichen Leitung
entnommen werden, aus welcher das zu erhitzende Wasser in den Mischapparat gelangt,
oder von einer beliebigen anderen Leitung aus zuströmen. Vorteilhaft ist es, die
Kaltwasserleitung vor dem Erhitzer abzuzweigen und im Umlauf um den Erhitzer in
die Verbrauchsleitung münden zu lassen. Dabei kann die Umlaufleitung z. D. als Zentralrohr
durch den Füllkörperrauni selbst hindurchgeführt werden, dessen Füllkörperraum dann
also die Kaltwasseruinleitung umgibt. Der Kaltwasserweg wird dann besonders kurz
und hat besonders wenig Widerstand. Die Umlaufleitung kann einen Querschnitt aufweisen,
der für die Höchstmenge an Kaltwasserzusatz etwa den gleichen Durchflußwiderstand
ergibt wie der Dampfwassermischraum. In die Umlaufleitung für das kalte Wasser kann
ein Einstellorgan eingebaut sein.
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Die Anpassung der Kaltwassermenge an die Heißwassermenge kann durch
entsprechende Wahl der Leitungsquerschnitte erfolgen. Statt dessen könnte aber auch
eine der Leitungen, und zwar vorteilhaft die Uniführun:gsleitung, mit einem von
Hand aus einstellbaren Regelventil ausgestattet werden. Dieses Regelventil wird
zweckmäßig so eingestellt, daß bei dem höchstmöglichen Wasseraustritt an den Entnahmestellen
die gewünschte Wassertemperatur durch 'Mischung des Kaltwassers und Heißwassers
in der Verbrauchsleitung erreicht wird. Für jede andere Verbrauchsmenge, d. h. also
auch bei Abschaltung mehr oder weniger vieler Entnahmestellen oder Drosselung der
Austrittsstellen ändert sieh in der eben beschriebenen Weise selbsttätig das 'Mischungsverhältnis
zwischen dein Heißwasser und der durch die Umleitung oder von anderer Stelle aus
zuströmenden Kaltwassermenge, so daß die Temperatur in ausreichenden Grenzen konstant
bleibt.
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Natürlich kann man auch das in die Umführungsleitung eingebaute Abschlußorgan
noch automatisch steuern, um die Wassertemperatur noch genauer einzuhalten. Das
kann z. B. mit Hilfe einer Membran erfolgen, die durch den bei Abschaltung einzelner
Verbrauchsstellen steigenden Wasserdruck gesteuert
wird und dadurch
das Ventil dem Druck entsprechend öffnet und schließt. Ebenso könnte auch ein Temperaturfühler
zur Beeinflussung des Abschlußorgans Verwendung finden. Das an und für sich langsame
Ansprechen von Temperaturfühlern ist in diesem Falle ohne wesentliche Bedeutung,
da beim Erfindungsgegenstand die bei den sonstigen Mischapparaten eintretende plötzliche
Erhitzung des Wassers nicht erfolgt, sondern durch den Zusatz von kaltem Wasser
sofort wieder ausgeglichen wird.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in zwei Ausführungsformen
beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen Querschnitt durch einen
D.ampfwassermischer, Fig. 2 eine Ansicht einer anderen Ausführung sform.
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Nach der Zeichnung sollen zur Erwärmung des Wassers an sich bekannte
Durchflußerhitzer 5. Verwendung finden, bei welchen das zu erwärmende Wasser in
einem mit Kugeln gefüllten Raum mit Dampf gemischt i wird.
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Nach Fig. i ist durch den Füllkörperraum ein Rohr 4 hindurchgeführt.
Der Dampf tritt durch den Stutzen z ein und dringt durch die Öffnungen i i in .den
Füllkörperraum. Das Kaltwasser gelangt aus dem Stutzen i zum Teil in das Rohr 4
und zum Teil.durch düsenförmige Öffnungen in den Füllkörperraum. Es mischt sich
im Bereich 6 des Dampfeintritts und in dem eigentlichen Mischraum 7 > mit dem Dampf
und tritt dann in den oberen Teil 8 des Erhitzers ein. In diesen Raum tritt auch
das durch die Leitung 4 fließende, an der Mündung 1a austretende Kaltwasser. Die
aus Kaltwasser und erwärmtem Wasser im Raum 8 sich bildende Mischung wird durch
den Stutzen 9 der Verbrauchsleitung zugeführt. Die im oberen Ende der Leitung 1a
vorgesehenen Öffnungen io dienen dazu, dem Kaltwasser auch Zutritt zu dem Kugelraum
zu geben.
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Zum Gebrauch des Erhitzers wird das Rohr für den Teilstrom 4 so bemessen
oder das Regelventil 3 so eingestellt, daß bei größter Öffnung der in der nichtgezeichneten
Entnahmeleitung vorgesehenen Ventile das im Kugelraum erhitzte Wasser durch die
durch das Rohr 4 strömende Wassermenge auf eine bestimmte Temperatur, z. B. 4o°,
abgekühlt wird. Die Bedienung des Ventils 3 erfolgt nur zu diesem Zweck. Sie wird
nur verändert, wenn die Höchsttemperatur des Wassers bei größter Öffnung des Entnahmeventils
geändert werden soll.
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Das dem Erhitzer 5 aus dem Stutzen i zuströmende Wasser findet auf
dem Wege durch den Erhitzer in der Leitung 4 einen anderen Widerstand als in dem
Füllkörperraum. Solange eine bestimmte Höchstwassermenge nicht überschritten wird,
bietet das Rohr 4 dem Wasserstrom praktisch keinen Widerstand. Dagegen verursacht
der Füllkörperraum durch die vor ihm liegenden Düsen, die Füllkörper und die infolgedessen
entstehenden Wirbelungen einen verhältnismäßig großen Widerstand, der bei normalen
Durchflußmengen erfahrungsgemäß etwa 0,3 bis i atü beträgt. Der Druckverlust,
der hierdurch verursacht wird, ist bei Durchflußerhitzern ohne Bedeutung, weil diese
Erhitzer für solche Anlagen Verwendung finden, bei denen das Wasser frei ausfließt,
wie es bei Anlagen für Wasch-, Bade- oder Spülzwecke der Fall ist.
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Wie bereits erwähnt, ist das Rohr 4. für den Teilstrom so bemessen
oder das Ventil 3 so eingestellt worden, daß bei größter Entnahme aus der Verbrauchsleitung
eine ganz bestimmte Wassertemperatur gegeben -ist. Vermindert man die Menge des
entnommenen Wassers durch entsprechende Einstellung oder Abstellung der in der nicht
gezeichneten Verbrauchsleitung vorgesehenen Ventile, so wird auch der Widerstand
in der Leitung .4 und im Kugelraum eine entsprechende Herabsetzung erfahren. Diese
Herabsetzung erfolgt aber in der Umführungsleitung sehr viel schneller und stärker
als im Kugelraum, in welchem der Widerstand auch bei äußerst geringen Durchflußmengen
nicht unter einen gewissen Wert sinken kann. Da sich aber das Wasser stets den Wegdes
geringsten Widerstandes sucht, wird es demnach zum größeren Teil durch die Leitung
4 und zum geringeren Teil durch den Kugelraum strömen. Infolgedessen ergibt sich
zwar eine stärkere Erwärmung des durch den Kugelraum hindurchgehenden Anteils. Dafür
ist aber die Menge des durch die Leitung 4 strömenden Wassers anteilig größer geworden.
Die höhere Erwärmung des Wassers im Kugelraum wird deshalb selbsttätig durch stärkeren
Zusatz von Kaltwasser wieder ausgeglichen, so daß praktisch die vorhergewählte und
eingestellte Höchsttemperatur des Wassers beim Austritt aus der Verbrauchsleitung
nicht überschritten werden kann.
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Die gleiche Wirkungsweise stellt sich auch bei der Vorrichtung nach
Fig. z ein, bei welcher die Kaltwasserumleitung 4 nicht durch den Kugelraum hindurchgeführt
ist, sondern außerhalb des Erhitzers 5 liegt. Diese Figur zeigt auch den im letzten
Absatz der eingereichten Beschreibung erwähnten Ternperaturfühler 1,4, welcher das
Dampfventil 13 steuert.
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Die Wirkungsweise ist wie folgt: Es sei beispielsweise angenommen,
daß mit Hilfe der Vorrichtung der Erfindung zu Waschzwecken
Kaltwasser
von etwa 2o° auf eine Temperatur von d.o° erwärmt und hinter dem Erhitzer 5 aus
der Verbrauchsleitung an mehreren Entnahmestellen (Zapfhähnen. Brausen o. dgl.)
oder durch ein einstellbares Entnahmeventil austreten soll. Die Leistung des Dampfwassermischers
5 wird hierfür so eingestellt, daß das Wasser beim Austritt aus dem Dampfwassermischraum
eine Temperatur von 6o° aufweist. Diese Temperatur des erwärmten Wassers wird durch
die Kaltwassermenge, welche durch die Umgehungsleitung -. hindurchströmt, so weit
herabgesetzt, daß sie in der Verbrauchsleitung die gewünschte Höhe von .Io° aufweist.
Das erfolgt durch entsprechende Betätigung des Regelventils 3 der Umlaufleitung
an Hand von Thermometern, von denen eins vor und -eins hinter der Einmündung der
Umgehungsleitung in die Verbrauchsleitung angebracht wird.
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Der Dampfwassermischer setzt dem Durchfluß des Wassers z. B. durch
die in ihm angeordneten Füllkörper, die Wassereintritts-und Austrittsöffnungen,
durch Wirbelungen und durch Verlängerung des M'asserweges einen bestimmten zusätzlichen
Widerstand entgegen. Die Widerstandskennlinie des Erhitzers verläuft zunächst steil
ansteigend und n iihert sich dann nur allmählich einem Höchstwert für die maximale
Durchflußinenge. Im Gegensatz hierzu verläuft die Widerstandskennlinie für die durch
das Ventil 3 gedrosselte Umgehungsleitung :4 zunächst sehr flach und gleicht sich
-dann steil ansteigend dem Höchst-,vert des Widerstandes des Dampfwassermischers
an. Wenn also bei dem gewählten Ausführungsbeispiel, nach welchem das Wasser irn
Erhitzer auf 6o° erwärmt und durch den Zusatz des Kaltwassers aus der Umlaufleitung
4 auf 40° abgekühlt wird. die stündliche Durchflußmenge io cbin beträgt. so werden
bei der hierfür vorgenommenen Einstellung des Regelventils 3- während der Entnahme
der Höchstmenge von 1o cbm 5 cbin unter Erhitzung auf 6o° durch den Mischraum des
Erhitzers und 5 cbm kalt durch die Umgehungsleitung 4 hindurchfließen. Eine Verminderung
der Verbrauchsmenge z. B. durch Absperrung einer Anzahl der Zapfhähne oder Brausen
oder durch Drosselung des O_uerschnittes der Verbrauchsstelle hat dann die Folge,
daß entsprechend der nunmehr verminderten Durchflußmenge der Widerstandswert des
Dampfwassermischers nur eine geringe Verminderung erfährt, da ja die Kennlinie dieses
Widerstandes , im Bereich des Höchstwertes der Durchflußmenge verhältnismäßig flach
verläuft. Umgekehrt fällt aber der entsprechende Teil der Kennlinie für die Umgehungsleitung
sehr steil ab, so dar., einer nur geringen Verminderung des Durcliflußwiderstandes
des Erhitzers eine erheblich stärkere Verminderung des Widerstandes der Umgehungsleitung
4 gegenübersteht. Infolgedessen fließt das Wasser bei einer Herabsetzung der entnommenen
Menge nunmehr zum größeren Teil durch die Umgehungsleitung 4 mit dem jetzt geringeren
Widerstand nur zum kleineren Teil durch den Dampfwassermischraum hindurch, dessen
Widerstand erheblich weniger vermindert ist. Der Erhitzer erwärmt also bei gleichbleibender,
z. B. durch einen Temperaturregler ge steuerter Dampfzufuhr eine geringere Wassermenge
als bisher auf mehr als 6o°. Dafür wird dieser höher erhitzten Wassermenge durch
die Leitung 4 aber sofort eine größere Menge kalten Wassers zugeführt werden, so
daß sich die Temperatur in der Entnahmeleitung praktisch auf der gleichen Höhe,
nämlich auf 40° hält. Durch die Erfindung wird somit erreicht, daß ohne besondere
Regelungsmaßnahmen auch bei Veränderungen der entnommenen Wassermenge eine praktisch
gleichbleibende Temperatur des Verbrauchswassers gegeben ist. Es wird besonders
darauf hingewiesen, daß das Ventil 3 nach einmaliger Einstellung nicht mehr betätigt
zu werden braucht, sofern man nicht die Temperatur des Wassers verändern will. Ist
das Ventil 3 einmal so eingestellt, daß bei der Höchstmenge des Wasserdurchflusses
durch den Erhitzer das an der Entnahmestelle austretende Wasser die gewünschte Temperatur
aufweist. so bleibt bei der einmalig vorgenommenen Einstellung des Ventils 3 diese
Wassertemperatur ohne Rücksicht auf die Menge des entnommenen Wassers unverändert.