WO2000063624A1 - Warmwasserspeicher und verfahren zum bereitstellen von warmwasser - Google Patents

Warmwasserspeicher und verfahren zum bereitstellen von warmwasser Download PDF

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WO2000063624A1
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water
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Werner HÖSEL
Stefan GÜRKE
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Winkelmann + Pannhoff Gmbh
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • Hot water storage tank and method for providing hot water are Hot water storage tank and method for providing hot water
  • the invention relates to a hot water tank and a method for providing hot water.
  • FIG. 1 A hot water storage tank 1 according to the prior art, which is currently frequently used, is shown in FIG.
  • the storage heater not shown, i.e. e.g. a boiler or an electric heater
  • the amount of heat supplied is 18 kW, partly above the boundary layer 15 at 45 ° C, which is present between the hot water volume 16 and the cold water volume 17 due to the temperature stratification in the water reservoir 1, and partly below the boundary layer 15 delivered to the memory l.
  • Only the first part of the amount of heat that is released to the reservoir 1 above the boundary layer 15 is available at a tap 6 with a temperature above 45 ° C. and thus useful heat.
  • the other part of the heating output is given off to the water below the boundary layer 15 and is therefore not useful heat. Due
  • the minimum draw-off quantity (for the tub filling process) is thus calculated approximately from the heat stored above the temperature sensor 14, plus a maximum of 14 1 for an 18 kW heating system. After the bath filling process, hot water cannot be drawn off for a period of approx. 15 minutes.
  • the temperature sensor 14 can also be arranged at the bottom in the store. According to the calculation given above for the minimum dispensing quantity, this does indeed increase that above the
  • Temperature sensor 14 stored heat, but the heat supplied by the heater is supplied exclusively below the boundary layer 15 and is accordingly 100% no useful heat. Here too, hot water cannot be drawn off for approx. 15 minutes after the bath filling process.
  • the invention provides a method for providing hot water in a hot water tank in which cold water is preferably heated from a heat source to comfort temperature in accordance with DIN 4708, the water being fed into the lower part of the hot water tank and the hot water being removed from the upper part of the hot water tank and depending on the amount of hot water discharged, a stratification of a lower volume of cold water and an upper volume of hot water occurs.
  • a part of the cold water from the heat source for example outside by means of a
  • a hot water tank is also provided for providing hot water, with a hot water tank, the lower part of which is heated outside, for example, by means of a solar heat exchanger
  • Water or cold water can be supplied and from the upper part of which the hot water can be removed, with - when supplying cold water - a heat source, which is arranged in the lower part of the hot water tank, and with a hood surrounding the heat source with a lower one
  • Inlet opening through which surrounding cold water can enter the interior of the hood, and an overhead outlet opening to which - or the inlet opening for the hot water - a line is connected, the outlet end of which is above or at the level of the respective boundary layer, which is located in the
  • the hot water tank between the top hot water volume and the bottom cold water volume is set, arranged and can be moved with this boundary layer, so that the cold water heated inside the hood rises in the line through the surrounding cold water and can be supplied at or above the boundary layer.
  • the proportion of heat source power that is available as useful heat can be significantly improved.
  • the proportion of the heating power available as useful heat can be improved to over 90% to approximately 100%, depending on the optimization of the geometry of the heat exchanger.
  • water with the predetermined required water temperature is always and immediately available, at least in the upper part of the hot water tank, since a mixing of this warm water with the colder water underneath due to its upward transport separated from the remaining water and its lower density is avoided.
  • the hot water can be discharged from the tank by means of a discharge connection arranged accordingly on the upper section of the hot water tank.
  • the cold water supply connection must be arranged in the lower section of the tank.
  • the boundary layer can be quickly moved downward with the part of the water which has been separated from the rest of the water, so that a sufficient amount of warm water with the required temperature is quickly available.
  • a temperature sensor can also be arranged at the bottom of the store, which is connected to the heat source, such as the heater, so that the temperature in the store can be set. In addition, even if the memory is completely empty, that is also immediately after one
  • the heating output can still be taken as useful heat at the taps. There is practically no waiting time for tapping hot water.
  • the flexible pipe ensures that there is neither suction nor back pressure at the outlet opening in the hood, which could interfere with the warm water transport.
  • the continuous output is only a function of the heat transfer surface, but not the size of the storage. With the concept according to the invention, it is possible to provide a small hot water tank of approximately 5 liters, which has a continuous output of 18 kW.
  • the above-mentioned small hot water tank of 5 liters in the large hot water tank is a heat exchanger with 18 kW, which heats it from 10 ° C to 45 ° C when it flows through approx. 7 liters of tap water.
  • the outer wall of the small hot water tank which is a partition between water of approximately the same pressure, hardly has to absorb any forces.
  • it can advantageously be made from a thin film, preferably approximately 0.02 mm thick, which in one embodiment is formed into a hood over the heat exchanger. In this way, a reduction in weight can be achieved compared to conceivable solid designs of the hood, for example in the form of metal or solid plastic parts.
  • the hood has a control or outlet opening, the cross-sectional area of which can be calculated depending on the heat flow to be produced.
  • the hot water escaping at the outlet opening which, when the heat is continuously supplied, has a temperature of approx. 35K above the cold water inlet temperature in the hood, must now be transported upwards in the temperature-layered large hot water tank.
  • a flexible tube which is preferably made of a thin film of a
  • Material with a preferably approximately the density of water the same density as polyethylene can be made.
  • flexible means the mobility of the hose in the axial or radial direction, that is to say also an extensibility in the axial or radial direction.
  • the hose is attached to the outlet opening of the hood or the inflow opening all around, and when it flows through, the water heated by the heat exchanger is lifted upward in the manner of a "captive balloon", so that the part of the water rising within the flexible hose is separated from the rest Water is transported towards the top of the water tank.
  • the hot water now always emerges from that layer of water in the outer temperature-stratified storage tank which is the same
  • a line could also be provided which has such a density that its exit end comes to lie at the level of the predetermined boundary layer.
  • a telescopic line with e.g. one on
  • Output end provided buoyancy body or made of a material adapted density.
  • the flexible hose can be made of such a buoyant material that it is buoyant in cold water, but is not buoyant in hot water. This can be done by adapting the hose material density to the density of the cold or hot water. As a result, the hose can be provided, for example, in such a way that it floats in water at 45 ° C., so that its buoyancy at the boundary layer there becomes zero.
  • the hose can, for example, be made of a light rubber material.
  • it is advantageously made of a thin, preferably about 0.02 mm thick, film.
  • the thin and therefore light film material has the advantage that it only opposes the slightest resistance forces to the opening movement of the hose.
  • a flexible hose which can also be at least partially flexible, otherwise can be more rigid, it is also possible to use a more rigid line system in which, for example, two or more pipe elements are connected via a flexible hose section.
  • the maximum hot water temperature in the storage tank must be limited to a maximum of 70 ° C due to the risk of calcification.
  • the water temperature should be at least
  • the cold water entering at approx. 10 ° C (corresponds to the usual tap water temperature) would be heated to 45 ° C without interruption in the first embodiment with 18 kW heating and a hood with a volume of, for example, 5 l in a first pass.
  • the temperature of the 45-degree water entering the hood would then be gradually raised by 20 K to 65 ° C in about 5 liter batches.
  • the temperature sensor then releases the heat supply for the heating, while the 5 liters of water gradually pass through the hose into the hot water tank surrounding the hood.
  • the 45-degree water entering the hood would then also be heated to 65 ° C.
  • the time in which the heating system is decoupled from the heat supply through the boiler by the hot water priority circuit is considerably reduced.
  • the empty weight of the hot water tank is significantly reduced, so that transportation, assembly and installation of the system are simplified.
  • the system known from the prior art takes about 15 minutes before it can provide hot water for full convenience.
  • the system according to the invention requires only 5 minutes for this. Due to the smaller surface area and the lower heat losses, the hot water tank according to the invention is also more energy-saving than the system known from the prior art.
  • FIG. 1 schematically shows a longitudinal section of a hot water tank according to the prior art
  • FIG. 2 shows schematically a hot water tank according to the invention in longitudinal section
  • Figure 3 shows schematically a hot water tank according to the invention in longitudinal section with temperature sensors and arranged therein
  • Hot water storage tanks are shown for different operating states.
  • the hot water tank 1 has a water tank 2 which has a supply connection 4 for supplying cold water on its base 3 and a discharge connection 6 (tap) for discharging hot water on its upper side 5.
  • the water tank 2 is cylindrical; however, other forms such as a spherical shape into consideration.
  • a heat source in the form of a heat exchanger 7 is arranged, which is connected to a heat storage heater, not shown.
  • the heat exchanger 7 can be, for example, one through which heating water passes
  • Be a heating coil Be a heating coil.
  • other heat sources e.g. an electric heating coil, possible.
  • a sheath or hood 8 is arranged around the heat exchanger 7, from which a partial volume of the container volume enclosing the heat exchanger 7 is formed. Since the hood 8 is not exposed to any major external forces, it can be made of very thin material, e.g. be made of a film. Heat-insulating material, such as e.g. Plastic. The hood 8 has on her
  • the hood 8 Underside of an inlet opening 9, via which the interior of the hood 8 communicates with the surrounding water, so that the water can get into the interior of the hood 8 and thus come into contact with the heat exchanger 7.
  • the hood 8 also has an outlet opening 10 on its upper side, to which a flexible hose 11 is connected with its inlet end 12.
  • the necessary cross-sectional area of the outlet opening 10 is determined depending on the amount of heat supplied, the hood height and the known material data of the water so that the desired comfort temperature is obtained. The calculation can be carried out in accordance with the known methods for calculating the buoyancy of chimneys or cooling towers. For this purpose, reference is also made to the calculation attached to the description.
  • the flexible hose 11 has a length such that it extends at least approximately to the top 5 of the water tank 2.
  • the hose 11 preferably has a cover 22 and lateral outflow openings 23 at the outlet end 13 to achieve an outflow resistance in order to transfer the buoyancy of the heated water to the hose, and preferably consists of a possibly heat-insulating material, such as e.g.
  • a temperature sensor 14 is also arranged in the outlet opening 10 of the hood 8, by means of which the water outlet temperature from the hood 8 can be detected.
  • the temperature sensor 14 is connected to a control, not shown, which in turn is connected to a heat storage heater, not shown.
  • the heat source outside the hot water tank for example as
  • Heat exchanger with solar heat feed may be arranged. From this heat exchanger, the water already heated by solar energy can be supplied to the hot water tank, so that the arrangement of a hood 8 is superfluous and the line 11 directly supplies the hot water to the
  • Hot water tank 1 can be supplied to the water tank 2 of the hot water tank 1 via the supply connection 4
  • Hot water tank 1 is heated to warm water and is also to be made available for further use.
  • a part of the cold water supplied reaches the hood 8 through the inlet opening 9 in the water tank 2 and is thus separated from the remaining water surrounding the hood 8 in contact with the heat exchanger 7.
  • the partial amount of water present in the hood 8 is brought to a predetermined level Temperature warmed, which is preferably 45 ° C.
  • the heated to 45 ° C part of the water within the hood 8 has compared to the surrounding remaining water, which one
  • the outlet end 13 is automatically positioned by the buoyancy forces at the level of a boundary layer 15 determined by the hood outlet temperature, preferably 45 ° C.
  • the heat given off by the heat exchanger 7 is mainly the upper partial volume 16 of the water (hot water volume) in the water tank which can be used immediately as warm water 2 supplied, while at the lower partial volume 17 of the water (cold water volume) separated from the upper partial volume 16 by the boundary layer 15, only the heat losses through the hood 8 and the hose 11 and the heat of transmission at the boundary layer 15 are supplied.
  • Heat exchanger 7 is heated and transported via the hose 11 directly upwards in the direction of the upper side 5, on which the discharge connection 6 for the hot water is arranged.
  • the hot water tank 1 is used with the water tank 2 in the upright position. However, it is also easily possible to use the hot water tank 1 in a lying position.
  • the discharge connection 6 is again to be arranged on the then upper container section and the supply connection 4 on the then lower container section.
  • FIG. 3 schematically shows the hot water tank 1 according to the invention, in which a temperature measuring arrangement 18 with an upper, a middle and a lower one
  • Temperature sensor 19, 20 and 21 is arranged, which are arranged on the top 5, slightly above the longitudinal center or slightly below the longitudinal center of the water tank 2. For reasons of clarity, the heat exchanger, the hood and the flexible hose are not shown in this figure.
  • This temperature measuring arrangement 18 was used to determine the function of the hot water tank 1 according to the invention to determine temperature profiles for different operating states of the tank 1, which are shown in FIGS. 4 to 6 in the form of diagrams.
  • Figure 4 shows that even when completely empty Hot water storage tank 1, the heating output is immediately available, as with a continuous-flow water heater, to around 90% as useful heat in the form of 45-degree hot water at the tap, ie at the discharge connection 6.
  • FIG. 5 shows the heating process when the storage tank 1 is completely empty.
  • the steep rise in temperature shows how the boundary layer 15 is pushed from top to bottom over the respective temperature sensors 19, 20, 21.
  • the heating process was stopped at an average storage temperature of approx. 60 ° C.
  • Figure 6 shows a tap operation in the left part
  • Memory 1 reloaded (see right part of Figure 6). Here again the boundary layer is pushed from top to bottom and the charging process is stopped at an average storage temperature of approx. 60 ° C.
  • Cold water with a given temperature is heated in one step in a hood with a specified height, which is integrated in a storage tank (see Figure A3-1 for the system), to a hot water temperature that meets the comfort requirements of the users.
  • a K ⁇ »(6) 2 • pww • ⁇ PKW ⁇ Pww) • g * h • cwm ww - ⁇ KW)
  • the goal of the first step formulated above is achieved if the size of the inspection opening is approximately Eq. 6 corresponds.
  • the Bemoulli equation with loss element applies to the flow in the flexible hose.
  • P3 -P4 PSP g * ( z 4 ⁇ z 3) ( 8 )
  • Equation 9 says that the cross section of the flexible hose is reduced by the external pressure until the existing buoyancy is used to cover the possible acceleration losses and the friction losses.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Warmwasserspeicher und Verfahren zum Bereitstellen von Warmwasser. Der erfindungsgemässe Warmwasserspeicher (1) ist mit einem Warmwasserbehälter (2), der mit einem Wasserzufluss versehen ist und aus dessen oberem Teil das Warmwasser abführbar ist, einer Wärmequelle (7) und mit einer am unteren Ende im unteren Bereich des Warmwasserspeichers festgelegten Leitung (11), deren Austrittsende (13) über oder in Höhe der jeweiligen Grenzschicht (15), die sich im Warmwasserbehälter (2) zwischen dem obenliegenden Warmwasservolumen (16) und dem untenliegenden Kaltwasservolumen (17) einstellt, angeordnet ist und mit dieser Grenzschicht (15) mitbewegbar ist, so dass das erwärmte Wasser in der Leitung (11) durch das umgebende Kaltwasser hindurch aufsteigt und an oder oberhalb der Grenzschicht (15) zuführbar ist, versehen.

Description

Warmwasserspeicher und Verfahren zum Bereitstellen von Warmwasser
Die Erfindung betrifft einen Warmwasserspeicher und ein Verfahren zum Bereitstellen von Warmwasser.
In Einfamilienhäusern wird typischerweise ein Ölkessel mit einer Wärmeleistung von 18 kW installiert, dessen Leistung ausreichen würde, um mittels eines Durchlaufwassererwärmers ca. 7 1/Minute Wasser von 10°C (= typische Temperatur des Kaltwassers) auf 45°C (= üblicherweise erforderliche Warmwassertemperatur) zu erwärmen. Um einen Mindestwarmwasser- Versorgungskomfort (=Wannenfüllvorgang) zu gewährleisten fordert DIN 4708 eine indestzapfmenge von 14,3 1/Minute Warmwasser mit 45°C in 10 Minuten. Man könnte nun annehmen, dass zur Sicherstellung des Mindestwarmwasser- Versorgungskomforts lediglich ca. 70 1 Warmwasser von 45°C in einem Warmwasserspeicher gespeichert werden müssen, um insgesamt 140 1 Warmwasser in 10 Minuten abzugeben.
In Figur 1 ist ein derzeit häufig verwendeter Warmwasserspeicher l gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Bei diesem Stand der Technik wird die von der nicht dargestellten Speicherheizung, d.h. z.B. einem Heizkessel oder einer Elektroheizung, gelieferte Wärmemenge von 18 kW zu einem Teil oberhalb der bei 45°C liegenden Grenzschicht 15, die aufgrund der Temperaturschichtung im Wasserspeicher l zwischen dem Warmwasservolumen 16 und dem Kaltwasservolumen 17 vorliegt, und zu einem anderen Teil unterhalb der Grenzschicht 15 an den Speicher l abgegeben. Nur der erste Teil der Wärmemenge, die oberhalb der Grenzschicht 15 an den Speicher 1 abgegeben wird, ist an einer Zapfstelle 6 mit einer Temperatur über 45°C verfügbar und damit Nutzwärme. Der andere Teil der Heizungsleistung wird an das Wasser unterhalb der Grenzschicht 15 abgegeben und ist somit keine Nutzwärme. Bedingt durch
Flächenverhältnisse, Temperaturverhältnisse und die Gefahr der Kaikabscheidung kann der Nutzwärmeanteil bei diesem Prinzip nicht über 20% angehoben werden. Weiterhin kann das Speichervolumen unterhalb des Temperaturfühlers 14 bei Beginn des Wannenfüllvorganges kalt sein. Die Mindestzapfmenge (für den WannenfüllVorgang) berechnet sich somit näherungsweise aus der Wärme, die oberhalb des Temperaturfühlers 14 gespeichert ist, plus maximal 14 1 bei einer 18kW-Heizung. Nach dem WannenfüllVorgang kann dann während einer Zeit von ca. 15 Minuten kein Warmwasser gezapft werden.
Bei einer nach diesem Stand der Technik bekannten Rohrschlange 7 als in Form eines Wärmetauschers ausgebildeten Wärmequelle, die unten im Speicher l angeordnet ist, kann der Temperaturfühler 14 ebenfalls unten im Speicher angeordnet werden. Damit erhöht sich nach der oben angegebenen Berechnung für die Mindestzapfmenge zwar die oberhalb des
Temperaturfühlers 14 gespeicherte Wärme, aber die von der Heizung gelieferte Wärme wird ausschliesslich unterhalb der Grenzschicht 15 zugeführt und ist dementsprechend zu 100% keine Nutzwärme. Auch hier kann nach dem WannenfüllVorgang ca. 15 Minuten kein Warmwasser gezapft werden.
Ein Ziel der hier diskutierten Entwicklungen besteht nun darin, die Wärmequellenleistung besser, insbesondere bis annähernd zu 100% als Nutzwärme auszunutzen.
Demnach ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Bereitstellen von Warmwasser in einem Warmwasserbehälter, in dem Kaltwasser von einer Wärmequelle bevorzugt auf Komforttemperatur gemäß DIN 4708 erwärmt wird, vorgesehen, wobei das Wasser in den unteren Teil des Warmwasserbehälters zugeführt und das Warmwasser aus dem oberen Teil des Warmwasserbehälters abgeführt wird und je nach abgeführter Warmwassermenge sich eine Schichtung aus einem unteren Kaltwasservolumen und einem oberen Warmwasservolumen einstellt . Hierbei werden von der Wärmequelle eine Teilmenge des Kaltwassers, außerhalb beispielsweise mittels eines
Solarwärmetauschers und/oder mittels einer im unteren Teil des Warmwasserbehälters angeordneten Wärmequelle, erwärmt und nach oben konvektiv durch das umgebende Kaltwasser hindurch und von diesem abgetrennt bis zu der jeweiligen Grenzschicht zwischen dem Kaltwasservolumen und dem Warmwasservolumen geführt und über oder im Bereich der Grenzschicht in den Warmwasserbehälter hinein abgegeben.
Erfindungsgemäß ist ferner ein Warmwasserspeicher zum Bereitstellen von Warmwasser vorgesehen, mit einem Warmwasserbehälter, dessen unteren Teil außerhalb beispielsweise mittels eines Solarwärmetauschers erwärmtes
Wassers oder Kaltwasser zuführbar und aus dessen oberem Teil das Warmwasser abführbar ist, mit - bei der Zuführung von Kaltwasser - einer Wärmequelle, die im unteren Teil des Warmwasserbehälters angeordnet ist, und mit einer die Wärmequelle umgebenden Haube mit einer unten liegenden
Eintrittsδffnung, durch welche umliegendes Kaltwasser in das Innere der Haube eintreten kann, und einer oben liegenden Austrittsδffnung, an welcher - oder der Zutrittsδffnung für das Warmwasser- eine Leitung angeschlossen ist, deren Austrittsende über oder in Höhe der jeweiligen Grenzschicht, die sich im
Warmwasserbehälter zwischen dem obenliegenden Warmwasservolumen und dem untenliegenden Kaltwasservolumen einstellt, angeordnet ist und mit dieser Grenzschicht mitbewegbar ist, so dass das innerhalb der Haube erwärmte Kaltwasser in der Leitung durch das umgebende Kaltwasser hindurch aufsteigt und an oder oberhalb der Grenzschicht zuführbar ist.
Bevorzugt werden die Strόmungswiderstände zwischen Kaltwassereintritt in die interne, bzw. externe Wärmequelle/Wärmeaustauscher und Austritt in den flexiblen
Schlauch so eingestellt, dass sich die gewünschte Temperatur des erwärmten Wassers ergibt.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Durch die Zufuhr des erwärmten Wassers an oder oberhalb der Grenzschicht kann der Anteil der Wärmequellenleistung, die als Nutzwärme verfügbar ist, wesentlich verbessert werden. Im Falle der Verwendung einer wie oben im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erwähnten Heizung mit Wärmetauscher als Wärmequelle im Speicher, kann der als Nutzwärme verfügbare Anteil der Heizungsleistung je nach Optimierung der Geometrie des Wärmeaustauschers auf über 90% bis annähernd 100% verbessert werden. Ferner steht ausgehend vom oberen Teil des Warmwasserspeichers stets und sofort Wasser mit der vorbestimmten erforderlichen Wassertemperatur wenigstens im oberen Teil des Warmwasserspeichers zur Verfügung, da eine Durchmischung dieses warmen Wassers mit dem darunterliegenden kälteren Wasser aufgrund seines vom restlichen Wasser abgetrennten Transports nach oben und seiner geringeren Dichte vermieden ist. Das warme Wasser kann mittels eines dementsprechend am oberen Abschnitt des Warmwasserspeichers angeordneten Abführanschlusses aus dem Speicher abgeführt werden. Um eine Durchmischung des oberen, warmen Wassers mit zugeführtem Kaltwasser zu verhindern, ist der Zuführanschluss für Kaltwasser im unteren Behälterabschnitt anzuordnen. Beim Aufheizen des Wassers kann mit der abgetrennt vom restlichen Wasser erwärmten Teilmenge des Wassers die Grenzschicht schnell nach unten verschoben werden, so dass schnell eine ausreichende Menge an warmem Wasser mit erforderlicher Temperatur bereitsteht. Auch ein Temperaturfühler kann, wie bei der aus dem Stand der Technik bekannten Rohrschlange, unten im Speicher angeordnet werden, der mit der Wärmequelle, wie bspw. der Heizung, rege1verbunden ist, so dass die Temperatur im Speicher einstellbar ist. Ausserdem kann hier auch bei vollständig entleertem Speicher, also auch unmittelbar nach einem
WannenfüllVorgang, noch die Heizungsleistung als Nutzwärme an den Zapfstellen entnommen werden. Eine Wartezeit für das Zapfen von Warmwasser gibt es damit praktisch nicht . Die flexible Leitung bewirkt, dass an der Austrittsδffnung in der Haube weder ein Sog noch ein Gegendruck auftritt, der den Warmwassertransport stören könnte. Beim jetzt häufigsten Stand der Warmwasserspeichertechnik, der in Figur 1 dargestellt ist, ist die Dauerleistung nur eine Funktion der Wärmeübertragungsfläche, aber nicht der Speichergrösse . Mit dem erfindungsgemäßen Konzept ist es möglich, einen kleinen Warmwasserspeicher von ca. 5 Litern vorzusehen, der eine Dauerleistung von 18 kW hat. Integriert in einen großen Warmwasserspeicher ohne sonstige Wärmeübertragungsflächen stellt der oben genannte kleine Warmwasserspeicher von 5 Litern im großen Warmwasserspeicher einen Wärmeaustauscher mit 18 kW dar, der beim Durchströmen von ca. 7 Liter Leitungswasser dieses von 10°C auf 45°C aufheizt. Dabei muss die Aussenwand des kleinen Warmwasserspeichers, die ja eine Trennwand zwischen Wasser von ungefähr gleichem Druck ist, kaum Kräfte aufnehmen. Sie kann insofern vorteilhafterweise aus einer dünnen Folie, bevorzugt ca. 0,02 mm dick, gefertigt werden, die in einer Ausführungsform zu einer Haube über dem Wärmeaustauscher geformt wird. Hierdurch kann gegenüber denkbaren massiveren Ausgestaltungen der Haube, z.B. in Form von Metall- oder soliden Kunststoffteilen eine Gewichtsreduzierung erreicht werden. Obenseitig weist die Haube eine Kontroll- oder Austrittsöffnung auf, deren Querschnittsfläche in Abhängigkeit von dem zu erbringenden Wärmestrom berechnet werden kann.
Mit der vorliegenden Austrittsöffnung in der Haube, bzw an der Zuflussδffnung in den Behälter (bei der Ausführungsform ohne Haube) ist die Austrittstemperatur nur eine Funktion der Temperaturdifferenz innen/aussen (=Aufheizspanne) , die so auf 35K eingestellt werden kann. Das an der Austrittsδffnung austretende Warmwasser, das, bei ungebremster Wärmezufuhr, eine Temperatur von ca. 35K über der Eintrittstemperatur des Kaltwassers in die Haube hat, muss nun in dem temperaturgeschichteten großen Warmwasserspeicher nach oben transportiert werden. Dies wird bevorzugt durch einen flexiblen Schlauch, der bevorzugt aus einer dünnen Folie aus einem
Material mit einer bevorzugt annähernd der Dichte von Wasser gleichen Dichte wie Polyethylen gefertigt sein kann, erreicht. Unter flexibel ist hier im Sinne der Erfindung die Beweglichkeit des Schlauches in axialer oder radialer Richtung, d.h. auch eine Dehnbarkeit in axialer oder radialer Richtung zu verstehen.
Der Schlauch ist an der obenseitig angeordneten Austrittsδffnung der Haube oder der Zuflussδffnung ringsum festgelegt und richtet sich bei Durchstrδmung mit dem vom Wärmetauscher erwärmten Wasser per Auftriebskraft nach Art eines "Fesselballons" auf, so dass der innerhalb des flexiblen Schlauchs aufsteigende Teil des Wassers abgetrennt vom restlichen Wasser in Richtung zu der Oberseite des Wasserbehälters transportiert wird. Das Warmwasser tritt nun stets an jener Wasserschicht des äusseren temperaturgeschichteten Speichers aus, die die gleiche
Temperatur aufweist. Abgesehen von dem flexiblen Schlauch könnte auch eine Leitung vorgesehen sein, die eine derartige Dichte aufweist, dass ihr Austrittsende in Höhe der vorbestimmten Grenzschicht zu liegen kommt. Hierzu könnte auch bspw. eine teleskopartige Leitung mit z.B. einem am
Austrittsende vorgesehenen Auftriebskδrper oder aus einem Material angepasster Dichte vorgesehen sein.
Der flexible Schlauch kann aus derart schwimmfähigem Material sein, dass er im Kaltwasser schwimmfähig, im Warmwasser aber schwimmunfähig ist. Dies kann durch entsprechende Anpassung der Schlauchmaterialdichte an die Dichte des Kalt- bzw. Warmwassers erfolgen. Hierdurch kann der Schlauch bspw. derart vorgesehen sein, dass er in 45°C warmem Wasser schwimmt, so dass sein Auftrieb an der dortigen Grenzschicht Null wird. Der Schlauch kann z.B. aus einem leichten Gummimaterial gefertigt sein. Aus Gewichtsgründen ist er vorteilhafterweise aus einer dünnen, bevorzugt ca. 0,02mm starken, Folie. Das dünne und damit leichte Folienmaterial hat den Vorteil, dass es der AufStellbewegung des Schlauchs nur geringste Widerstandskräfte entgegensetzt . Anstelle eines flexiblen Schlauches, der auch zumindest nur teilweise flexible Bereiche aufweisen, ansonsten starrer sein kann, ist es auch möglich, ein starreres Leitungssystem zu verwenden, bei dem beispielsweise zwei oder mehr Rohrelemente über einen flexiblen Schlauchabschnitt verbunden sind.
Es bleibt das Problem, dass die maximale Warmwassertemperatur im Speicher aus Gründen der Verkalkungsgefahr auf maximal 70°C begrenzt werden muss . Andererseits sollte aus Gründen des Schutzes vor Legionellen die Wassertemperatur auf mindestens
60°C angehoben werden. Da nun ein Thermostat immer eine gewisse Unsicherheit von ca. 2°C aufweist, wird eine Thermostateinstellung von 65°C bevorzugt werden.
Das mit ca. 10°C eintretende Kaltwasser (entspricht der üblichen Leitungswassertemperatur) würde bei der oben erwähnten Ausgestaltung mit 18kW-Heizung und einer Haube mit einem Volumen von beispielsweise 5 1 in einem ersten Durchgang ohne Unterbrechung auf 45°C erwärmt. Im zweiten Durchgang würde dann in jeweils etwa 5 Liter Chargen nach und nach die Temperatur des in die Haube eintretenden 45-grädigen Wassers um 20 K auf 65°C angehoben. Der Temperaturfühler gibt dann die Wärmezufuhr für die Heizung frei, während die 5 Liter Waπnwasser nach und nach durch den Schlauch in den die Haube umgebenden Warmwasserbehälter übertreten. Das in die Haube eintretende 45- grädige Wasser würde dann ebenfalls auf 65°C erwärmt. Als Konsequenz wird die Zeit, in der die Heizungsanlage durch die Warmwasservorrangschaltung von der Wärmeversorgung durch den Kessel abgekoppelt ist, erheblich reduziert.
Werden nun Teilmengen gezapft, so wird bei dem konventionellen Speicher durch die entstehende Wasserwalze die vorhandene Schichtung des Wassers teilweise zerstört. Bei dem erfindungsgemäßen Warmwasserspeicher bleibt die Schichtung erhalten.
Im folgenden werden die Vorteile der Erfindung anhand eines Vergleichs mit dem aus dem Stand der Technik bekannten System verdeutlicht. Hierzu werden jeweils als Speicherheizung ein 18 kW Heizkessel herangezogen und die Mindestzapfmenge auf ca. 14 1/Minute Warmwasser mit 45°C in 10 Minuten festgelegt. Bei beiden Systemen sind die Grosse der Heizfläche, die Dicke der Dämmung und die Dimension der Anschlüsse gleich. Hierzu ist, wie oben angegeben, ein herkömmlicher Warmwasserspeicher mit 150 1 Fassungsvermögen erforderlich. Der erfindungsgemäße Warmwasserspeicher braucht hierfür dagegen nur ein Fassungsvermögen von ca. 80 1. Obwohl bei dem erfindungsgemäßen System zusätzliche Bauteile, nämlich die Haube und die Leitung, sowie eine gegebenenfalls in der Geometrie geänderte Heizschlange und eine andere Lage der Anschlüsse vorzusehen sind, fallen die Herstellungskosten aufgrund der kleineren Abmessungen geringer aus .
Ferner wird bei der Erfindung auch das Leergewicht des Warmwasserspeichers erheblich verringert, so dass sich Transport, Montage und Aufstellung des Systems vereinfachen. Nach einer vollständigen Entleerung benötigt das aus dem Stand der Technik bekannte System ca. 15 Minuten, bis es für den vollen Komfort Warmwasser bereitstellen kann. Das genannte erfindungsgemäße System benötigt hierfür lediglich 5 Minuten. Bedingt durch die kleinere Oberfläche und die damit geringeren Wärmeverluste ist der erfindungsgemäße Warmwasserspeicher auch gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten System energiesparender.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 schematisch einen Warmwasserspeicher gemäß dem Stand der Technik im Längsschnitt,
Figur 2 schematisch einen erfindungsgemäßen Warmwasserspeicher im Längsschnitt, Figur 3 schematisch einen erfindungsgemäßen Warmwasserspeicher im Längsschnitt mit darin angeordneten Temperaturfühlern und
Figuren 4 bis 6 Diagramme, in denen mit den Temperaturfühlern erfasste Temperaturverläufe im erfindungsgemäßen
Warmwasserspeicher für verschiedene Betriebszustände dargestellt sind.
Nach der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Warmwasserspeicher 1 einen Wasserbehälter 2 auf, der an seinem Boden 3 einen Zufuhranschluss 4 zum Zuführen von Kaltwasser und an seiner Oberseite 5 einen Abführanschluss 6 (Zapfstelle) zum Abführen von Warmwasser aufweist. Im vorliegenden Falle ist der Wasserbehälter 2 zylinderfδrmig ausgebildet; es kommen jedoch auch andere Formen wie z.B. eine Kugelform in Betracht. Am Boden 3, d.h. im unteren Teil des Wasserbehälters, ist eine Wärmequelle in Form eines Wärmetauschers 7 angeordnet, der an eine nicht dargestellte Wärmespeicherheizung angeschlossen ist. Der Wärmetauscher 7 kann beispielsweise eine von Heizwasser durchlaufene
Heizschlange sein. Es sind jedoch auch andere Wärmequellen, wie z.B. eine Elektroheizschlange, möglich.
Um den Wärmetauscher 7 ist eine Hülle oder Haube 8 angeordnet, von der ein den Wärmetauscher 7 einschliessendes Teilvolumen des Behältervolumens ausgebildet wird. Da die Haube 8 keinen grδsseren äusseren Kräften ausgesetzt ist, kann sie aus sehr dünnem Material, z.B. aus einer Folie, hergestellt sein. Als Material eignet sich ferner insbesondere wärmeisolierendes Material, wie z.B. Kunststoff. Die Haube 8 hat an ihrer
Unterseite eine Eintrittsδffnung 9, über welche das Innere der Haube 8 mit dem umliegenden Wasser in Verbindung steht, so dass das Wasser in das Innere der Haube 8 und damit in Kontakt mit dem Wärmetauscher 7 gelangen kann. Die Haube 8 hat ferner an ihrer Oberseite eine Austrittsδffnung 10, an welche ein flexibler Schlauch 11 mit seinem Eintrittsende 12 angeschlossen ist. Die notwendige Querschnittsfläche der Austrittsδffnung 10 wird in Abhängigkeit von der zugeführten Wärmemenge, der Haubenhδhe und der bekannten Stoffdaten des Wassers so festgelegt, dass sich die gewünschte Komforttemperatur ergibt. Die Berechnung kann entsprechend den bekannten Verfahren zur Auftriebsberechnung bei Schornsteinen oder Kühltürmen durchgeführt werden. Es wird hierzu auch auf die als Anlage zur Beschreibung beigefügte Berechnung verwiesen.
Der flexible Schlauch 11 hat eine derartige Länge, dass er wenigstens annähernd bis zur Oberseite 5 des Wasserbehälters 2 reicht. Der Schlauch 11 weist bevorzugt an dem Austrittsende 13 zur Erzielung eines Ausströmwiderstandes, um den Auftrieb des erwärmten Wassers auf den Schlauch zu übertragen, einen Deckel 22 und seitliche Ausströmöffnungen 23 auf und besteht bevorzugt aus einem ggfs. wärmeisolierenden Material, wie z.B.
Kunststoff, das weiter bevorzugt sehr dünn, insbesondere als Folie, ausgebildet ist. In der Austrittsδffnung 10 der Haube 8 ist ferner ein Temperaturfühler 14 angeordnet, mittels dessen die Wasseraustrittstemperatur aus der Haube 8 erfassbar ist . Der Temperaturfühler 14 ist mit einer nicht dargestellten Regelung verbunden, die ihrerseits mit einer nicht dargestellten Wärmespeicherheizung verbunden ist.
In einer anderen Ausführungsform kann die Wärmequelle ausserhalb des Warmwasserbehälters, beispielsweise als
Wärmetauscher mit Solarwärmeeinspeisung, angeordnet sein. Aus diesem Wärmeaustauscher kann das durch Solarenergie bereits erwärmte Wasser dem Warmwasserbehälter zugeführt werden, so dass die Anordnung einer Haube 8 überflüssig ist und die Leitung 11 das zugeführte Warmwasser direkt an der
-Anschlussstelle am Warmwasserbehälter angeschlossen aufnehmen und nach oben führen kann.
Im Folgenden wird die Funktionsweise einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Warmwasserspeichers 1 erläutert. Über den Zufuhranschluss 4 ist dem Wasserbehälter 2 des Warmwasserspeichers 1 Kaltwasser zuführbar, welches im Warmwasserspeicher 1 zu warmem Wasser erwärmt und ferner zur weiteren Verwendung bereitgestellt werden soll . Ein Teil des zugeführten Kaltwassers gelangt im Wasserbehälter 2 durch die Eintrittsöffnung 9 in die Haube 8 und damit abgetrennt von dem die Haube 8 umgebenden restlichen Wasser in Kontakt mit dem Wärmetauscher 7. Über diesen wird die in der Haube 8 vorliegende Teilmenge des Wassers auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, die bevorzugt bei 45°C liegt. Die auf 45°C erwärmte Teilmenge des Wassers innerhalb der Haube 8 hat gegenüber dem umliegenden restlichen Wasser, welches eine
Temperatur von 10°C hat, eine kleinere Dichte, so dass es durch die Austrittsδffnung 10 in den flexiblen Schlauch 11 eindringend konvektiv in diesem aufsteigt. Der Schlauch 11 richtet sich nach Art eines Fesselballons auf, so dass die innerhalb des flexiblen Schlauchs 11 aufsteigende Teilmenge des Wassers abgetrennt vom restlichen Wasser per Auftriebskraft in Richtung zu der Oberseite 5 des Wasserbehälters 2 transportiert wird. Indem sich nun unter der Oberseite 5 des Wasserbehälters 2 mehr und mehr Wasser mit der Temperatur von 45 °C ansammelt, senkt sich der flexible Schlauch 11 mit seinem Austrittsende 13 mehr und mehr ab, da der Auftrieb des im Schlauch 11 aufsteigenden Wassers nur bis zum Erreichen einer Wasserschicht gleicher Temperatur reicht. Somit wird das Austrittsende 13 automatisch durch die Auftriebskräfte in Höhe einer durch die Haubenaustrittstemperatur, bevorzugt 45 °C, festgelegten Grenzschicht 15 positioniert. Dadurch, dass die von dem Wärmetauscher 7 erwärmte Teilmenge des Wassers stets an oder oberhalb der Grenzschicht 15 dem restlichen Wasser zugeführt wird, wird die von dem Wärmetauscher 7 abgegebene Wärme hauptsächlich dem sofort als warmes Wasser nutzbaren oberen Teilvolumen 16 des Wassers (Warmwasservolumen) im Wasserbehälter 2 zugeführt, während an dem durch die Grenzschicht 15 vom oberen Teilvolumen 16 getrennten unteren Teilvolumen 17 des Wassers (Kaltwasservolumen) nur die Wärmeverluste durch die Haube 8 und den Schlauch 11 sowie die Übertragungswärme an der Grenzschicht 15 zugeführt werden. Durch Wahl eines Wärmeisolationsmaterials für die Haube 8 und den Schlauch 11 können diese Verluste derart reduziert werden, dass annähernd 100% der zugeführten Wärme an das über der Grenzschicht 15 liegende Teilvolumen 16 des Wassers (Warmwasservolumen) im Wasserbehälter 2 zugeführt wird. Damit kann die Grenzschicht 15 beim Aufheizen des im Behälter 2 befindlichen Wassers auch sehr schnell abgesenkt werden, so dass auch schnell eine ausreichende Menge an warmem Wasser vorliegt. Wenn ferner der Wasserbehälter 2 ganz entleert ist, kann zudem stets jener Teil an Warmwasser aus dem Wasserbehälter 2 herausgeführt werden, welcher von dem
Wärmetauscher 7 erwärmt und über den Schlauch 11 direkt nach oben in Richtung zu der Oberseite 5 transportiert wird, an der der Abführanschluss 6 für das Warmwasser angeordnet ist.
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, wird der Warmwasserspeicher 1 mit dem Wasserbehälter 2 in Hochkantposition verwendet. Es ist jedoch auch problemlos möglich, den Warmwasserspeicher 1 in liegender Position zu verwenden. Hierzu ist, wie oben erläutert, der Abführanschluss 6 wiederum am dann vorliegenden oberen Behälterabschnitt und der Zufuhranschluss 4 am dann vorliegenden unteren Behälterabschnitt anzuordnen.
Figur 3 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Warmwasserspeicher 1, in welchem eine Temperaturmessanordnung 18 mit einem oberen, einem mittleren und einem unteren
Temperaturmessfühler 19, 20 bzw. 21 angeordnet ist, die an der Oberseite 5, leicht oberhalb der Längsmitte bzw. leicht unterhalb der Längsmitte des Wasserbehälters 2 angeordnet sind. Aus Gründen der Übersicht sind in dieser Figur der Wärmetauscher, die Haube und der flexible Schlauch nicht dargestellt. Mit dieser Temperaturmessanordnung 18 wurden zur Verdeutlichung der Funktion des erfindungsgemäßen Warmwasserspeichers 1 Temperaturverläufe für unterschiedliche Betriebszustände des Speichers 1 ermittelt, die in den Figuren 4 bis 6 in Form von Diagrammen dargestellt sind.
Figur 4 zeigt, dass auch bei völlig entleertem Warmwasserspeicher 1 die Heizungsleistung sofort, wie bei einem Durchlaufwassererwärmer, zu ca. 90% als Nutzwärme in Form von 45-grädigem Warmwasser an der Zapfstelle, d.h. am Abführanschluss 6, verfügbar ist.
Figur 5 zeigt den Aufheizvorgang bei vollständig entleertem Speicher 1. Der steile Anstieg der Temperatur zeigt jeweils wie die Grenzschicht 15 von oben nach unten über die jeweiligen Temperaturfühler 19, 20, 21 geschoben wird. Bei einer mittleren Speichertemperatur von ca. 60°C wurde der Aufheizvorgang abgebrochen.
Figur 6 zeigt im linken Teil einen Zapfvorgang
(=WannenfüllVorgang) bei dem der Speicher l weitgehend geleert wird. Man erkennt, dass sich dabei die Grenzschicht von unten nach oben über die beiden tiefliegenden Temperaturfühler 20 und 21 schiebt. Die Grenzschicht 15 befindet sich bei Beendigung des Zapfvorganges (=tiefster Punkt der Kurven) zwischen dem mittleren und dem oberen Temperaturfühler 20 bzw. 19. Nach Beendigung des Zapfvorganges wird der teilweise entladene
Speicher 1 erneut geladen (siehe rechter Teil von Figur 6) . Hierbei wird wiederum die Grenzschicht von oben nach unten geschoben und der Ladevorgang bei ca. 60°C mittlere Speichertemperatur abgebrochen.
Anlage
Modellvorstellung zur Berechnung des erfindungsgemäßen Warmwasserspeichers
1. Methodisches Vorgehen bei der Berechnung
Kaltwasser mit gegebener Temperatur wird in einem Schritt in einer Haube mit einer festgelegten Bauhöhe, die in einem Speicher integriert ist, (s. Figur A3-1 zur Anlage) auf eine Warmwassertemperatur erwärmt, die den Komfortwünschen der Nutzer entspricht.
Dieses Warmwasser wird dann in einem zweiten Schritt in den Speicher übergeben, der in der Regel, mit nach oben ansteigender Temperatur, geschichtetes Wasser enthält. Diese Übergabe erfolgt so, dass zum einen das Warmwasser im Speicher in der Temperaturschicht austritt, die die gleiche Temperatur aufweist wie das Warmwasser, und dass sich zum zweiten das Warmwasser nicht mit dem Speicherwasser mischt.
Die oben genannten beiden Schritte laufen solange stationär ab, wie im Speicher unterhalb der Ebene „0" im Bild A3-1 Kaltwassertemperatur herrscht. In dieser Zeit hat die Wassererwärmung absoluten Vorrang vor der Wärmeversorgung der Heizung. Nach dem oben beschriebenen Füllen des Speichers mit Warmwasser, das der Komforttemperatur entspricht, erfolgt dann eine weitere Erwärmung bis zur gewünschten Abschaltetemperatur. In dieser Zeit hat die Wassererwärmung eingeschränkten Vorrang vor der Wärmeversorgung der Heizung. Dies bedeutet, dass dann jeweils nach ca. 6 Minuten Dauer, für etwa 2 -Minuten die Wärmezufuhr zur Heizung freigegeben wird. Dies verhindert in der Regel ein merkbares Absinken der Raumtemperaturen.
Bei der rechnerischen Überprüfung der oben genannten Zielvorgaben wird unten der Weg des zu erwärmenden Wassers (s. Bild A3-1) vom Ort „0" im Speicher bis zu Austritt aus dem flexiblen Schlauch am Ort „4" verfolgt. 2. Erwärmung des Kaltwassers auf Komforttemperatur für Warmwasser
Weg vom Ort ..0" zum Ort ..1"
Da das Wasser im Speicher bezüglich der wirkenden Kräfte als ruhend betrachtet werden kann, gilt die hydrostatische Giundgleichung.
P\-Pθ = PκW*S*h (1)
Da alle Größen auf der rechten Seite der Gl.1 bekannt sind, kann der Diferenzdruck an der Außenseite der Haube berechnet werden.
Weg vom Ort ..1" zum Ort ..2"
Messungen haben gezeigt, dass innerhalb der Haube annähernd Warmwassertemperatur herrscht. Somit wird hierbei gleichbleibendem Druck durch Mischung das Kaltwasser angenähert auf Warmwassertemperatur angehoben.
Weg vom Ort ..2" zum Ort ..3"
Da die Kontrollöffiiung sehr klein im Vergleich zum Haubenquerschnitt ist, gilt hier näherungsweise die Bernoulligleichung ohne Verlustglied.
P2 +- PwZJw.C2 i +p^.g.Z2 =P3 +- Pjwπw> C32* +Pww.g.Z3 (2)
Da nun c2 sehr klein ist, kann C2 »0 gesetzt und Gl.2 zweckentsprechend umgestellt werden.
Figure imgf000017_0001
In Gl.3 ist nun aus geometrischen Gründen z3 — Z —h. und aus hydrostatischen Gründen
Figure imgf000017_0002
Zusammen mit Gl.1 ergibt sich dann aus G1.3 die Gl.4.
Figure imgf000017_0003
Die einzige verbliebene Unbekannte in Gl.4 ist C3 , die man somit bestimmen kann.
Der Haube wird nun die Kesselleistung zugeführt. Durch Messungen wurde weiterhin nachgewiesen, dass der Wärmedurchgang durch die Haube vernachlässigt werden kann. Aus Gründen der Energieerhaltung muss dann im stationären Betrieb Gl.5 gelten.
QN=Aκ»c3»pww»cw»(δww-δκw) (5) Setzt man schließlich G1.4 in G1.5 ein so erhält man Gl. 6.
AK = Ö» (6) 2 • pww • {PKW ~ Pww) • g* h • cwm ww -δ KW)
In Gl. 6 sind nun alle Größen auf der rechten Seite der Gleichung bekannt.
Das oben formulierte Ziel des ersten Schrittes wird erreicht, wenn die Größe der Kontrollöffnung etwa Gl. 6 entspricht.
3. Transport des Warmwassers zu der Schicht gleicher Temperatur im Speicher
Weg vom Ort .3" zum Ort ..4"
Durch die Auswahl des Materials und der Wandstärke ist das Nettogewicht des flexiblen Schlauches im Vergleich zum Auftrieb des Wa mwassers im Schlauch vemachlässigbar. Weiterhin wird durch einen entsprechenden Strömungswiderstand am Auslass des flexiblen Schlauches dafür gesorgt, dass die Austrittsöffiiung des flexiblen Schlauches sich in der Schicht gleicher Temperatur wie das Warmwasser befindet.
Für die Stömung im flexiblen Schlauch gilt die Bemoulligleichung mit Verlustglied.
P WW 1 P WW 2 .
P3 + IL c3 + PmVgm Z3 =P4 +-J -c + PWW m g* z4 + PV (?)
Wenn nun der Querschnitt des flexiblen Schlauches ausreichend groß ist, dann ist der Außendruck gleich dem Innendruck.
P3 -P4 = PSP g * (z4 ~ z3) (8)
Kombiniert man G1.7 mit Gl. 8 und löst nach Δpy auf, so erhält man G1.9.
φv + (psp - P ww) * g» (z3 - z4) (9)
Figure imgf000018_0001
Gleichung 9 sagt, dass der Querschnitt des flexiblen Schlauches vom Außendruck soweit reduziert wird, bis der vorhandene Auftrieb verwendet wird, um die eventuellen Beschleunigungsverluste und die Reibungsverluste zu decken.
Das oben formulierte Ziel des zweiten Schrittes wird erreicht, wenn ein flexibler Schlauch ausreichender Größe eingesetzt wird. Verzeichnis der Symbole
Aκ Kontrollquerschnitt zwischen Haube und flexiblem Schlauch
Co... Geschwindigkeiten an den Orten „0" bis „4" cw spezifische Wärme des Wassers g Erdbeschleunigung
h Haubenhöhe p0...4 Druck an den Orten „0" bis „4"
QN Kesselleistung
ZQ goedätische Höhe an den Orten „0" bis „4" δ Temperatur p Dichte

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bereitstellen von Warmwasser in einem Warmwasserbehälter (2) , wobei das einströmende Wasser in den unteren Teil des Warmwasserbehälters (2) zugeführt und das Warmwasser aus dem oberen Teil des Warmwasserbehälters (2) abgeführt wird und je nach abgeführter Warmwassermenge sich eine Schichtung aus einem unteren Kaltwasservolumen (17) und einem oberen Warmwasservolumen (16) einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der von einer Wärmequelle (7) erwärmte
Zufluss oder eine Teilmenge davon nach oben konvektiv durch das umgebende Kaltwasser hindurch und von diesem durch eine zumindest bereichsweise flexible Trennwand abgetrennt bis zu der jeweiligen Grenzschicht (15) zwischen dem Kaltwasservolumen (17) und dem Warmwasservolumen (16) geführt wird und über oder im Bereich der Grenzschicht (15) in den Warmwasserbehälter (2) hinein abgegeben wird.
2. Verfahren zum Bereitstellen von Warmwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das einströmende Wasser von einer im unteren Bereich des Warmwasserbehälters (2) angeordneten Wärmequelle (7) , bevorzugt auf mindestens menschliche Körpertemperatur, erwärmt wird.
3. Verfahren zum Bereitstellen von Warmwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das einströmende Wasser oder eine Teilmenge davon von einer ausserhalb des Warmwasserbehälters (2) angeordneten Wärmequelle (7) , bevorzugt auf mindestens menschliche Körpertemperatur, erwärmt wird.
4. Verfahren zum Bereitstellen von Warmwasser nach einem der Ansprüche l bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nach oben konvektiv durch das umgebende Kaltwasser hindurch geführte erwärmte Teilmenge durch einen flexiblen Schlauch 11 von dem Kaltwasser abgetrennt wird.
5. Verfahren zum Bereitstellen von Warmwasser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zufluss oder eine Teilmenge davon von der Wärmequelle (7) in einer die Wärmequelle umgebenden Haube 8 mit einer unten liegenden Eintrittsöffnung (9) , durch welche umliegendes Kaltwasser in das Innere der Haube (8) eintreten kann, und einer oben liegenden
Austrittsδffnung (10) , an welche der flexible Schlauch (11) angeschlossen ist, erwärmt wird.
6. Warmwasserspeicher (1) zum Bereitstellen von Warmwasser mit einem Warmwasserbehälter (2) , der mit einem Wasserzufluss versehen ist und aus dessen oberem Teil das Warmwasser abführbar ist, mit einer Wärmequelle (7) und mit einer am unteren Ende im unteren Bereich des Warmwasserspeichers festgelegten zumindest bereichsweise flexiblen Leitung (11) , deren Austrittsende (13) über oder in Höhe der jeweiligen
Grenzschicht (15) , die sich im Warmwasserbehälter (2) zwischen dem obenliegenden Warmwasservolumen (16) und dem untenliegenden Kaltwasservolumen (17) einstellt, angeordnet ist und mit dieser Grenzschicht (15) mitbewegbar ist, so dass das erwärmte Wasser in der Leitung (11) durch das umgebende Kaltwasser hindurch aufsteigt und an oder oberhalb der Grenzschicht (15) zuführbar ist .
7. Warmwasserspeicher (1) nach Anspruch 6, mit einer Wärmequelle (7) , die im unteren Teil des Warmwasserbehälters (2) angeordnet ist, und einer die Wärmequelle (7) umgebenden Haube (8) mit einer unten liegenden Eintrittsöffnung (9) , durch welche umliegendes Kaltwasser in das Innere der Haube (8) eintreten kann, und einer oben liegenden Austrittsδffnung (10) , an welche die Leitung (11) angeschlossen ist.
8. Warmwasserspeicher (1) nach Anspruch 6, mit einer ausserhalb des Warmwasserbehälters (2) angeordneten Wärmequelle (7) und mit einer Zuflussδffnung zur Zuführung des durch die Wärmequelle erwärmten Wassers, an der die Leitung (11) angeschlossen ist.
9. Warmwasserspeicher (1) nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die Leitung (11) ein flexibler Schlauch ist.
10. Warmwasserspeicher (11) nach Anspruch 9, wobei die Leitung (11) aus einer dünnen flexiblen Folie gebildet ist.
11. Warmwasserspeicher (11) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Leitung (11) an der Austrittsöffnung (13) mit Mitteln zur Erhöhung des Austrittswiderstandes versehen ist .
12. Warmwasserspeicher (1) zum Bereitstellen von Warmwasser nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Grδsse der Querschnittsfläche der Austrittsδffnung (10) in Abhängigkeit von der zugeführten Wärmemenge, der Haubenhδhe und der bekannten Stoffdaten des Wassers so festgelegt ist, dass das durch die Austrittsδffnung nach oben austretende Wasser mindestens die Komforttemperatur gemäß DIN 4708 hat.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013048617A1 (en) * 2011-09-28 2013-04-04 Battelle Memorial Institute Thermal energy storage devices, systems, and thermal energy storage device monitoring methods
EP2752635A1 (de) * 2013-01-04 2014-07-09 Danmarks Tekniske Universitet - DTU Einlassschichtungsvorrichtung
GB2511590A (en) * 2013-09-06 2014-09-10 Gannet Ltd Thermal storage
WO2016146724A1 (fr) * 2015-03-18 2016-09-22 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Système télescopique et flottant de distribution de fluide caloporteur pour un dispositif de stockage d'énergie thermique
WO2022161581A1 (de) * 2021-01-26 2022-08-04 Az Vermögensverwaltung Gmbh & Co. Kg Behälter für einen wärmespeicher und wärmespeicher
US11662157B1 (en) * 2020-08-29 2023-05-30 Joseph R. Kucic Thermal energy storage tank diaphragm system
WO2023099021A1 (de) * 2021-11-30 2023-06-08 Truma Gerätetechnik GmbH & Co. KG Vorrichtung zum erwärmen einer flüssigkeit

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10316363A1 (de) * 2003-04-10 2004-10-28 Walter Feilhauer Druckloser Wärmespeicher

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4420032A (en) * 1980-02-19 1983-12-13 Eurometaal N.V. Method of controlling the energy management of an energy system and energy system based on said method
DE4135453A1 (de) * 1991-10-24 1993-04-29 Rene Legere Waermespeicherbehaelter fuer fluessige waermetraegermedien
DE19542076A1 (de) * 1995-11-11 1997-05-15 Solar Diamant Systemtechnik Un Warmwasserspeicher, insbesondere für Brauchwasser
DE19754586A1 (de) * 1997-12-09 1998-07-09 Harald Trillitzsch Rücklaufanhebungsautomat für Heizkesselrückläufe vom Pufferspeicher zum Heizkessel
DE19825045A1 (de) * 1997-06-07 1998-12-10 Rapido Waermetechnik Gmbh Schichtenspeicher

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4301723C2 (de) * 1992-01-24 1995-03-16 Solar Diamant Syst Warmwasserspeicher
DE19510293A1 (de) * 1995-03-22 1996-09-26 Robionek Hans Joachim Speicherwassererwärmer

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4420032A (en) * 1980-02-19 1983-12-13 Eurometaal N.V. Method of controlling the energy management of an energy system and energy system based on said method
DE4135453A1 (de) * 1991-10-24 1993-04-29 Rene Legere Waermespeicherbehaelter fuer fluessige waermetraegermedien
DE19542076A1 (de) * 1995-11-11 1997-05-15 Solar Diamant Systemtechnik Un Warmwasserspeicher, insbesondere für Brauchwasser
DE19825045A1 (de) * 1997-06-07 1998-12-10 Rapido Waermetechnik Gmbh Schichtenspeicher
DE19754586A1 (de) * 1997-12-09 1998-07-09 Harald Trillitzsch Rücklaufanhebungsautomat für Heizkesselrückläufe vom Pufferspeicher zum Heizkessel

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013048617A1 (en) * 2011-09-28 2013-04-04 Battelle Memorial Institute Thermal energy storage devices, systems, and thermal energy storage device monitoring methods
US9441889B2 (en) 2011-09-28 2016-09-13 Battelle Memorial Institute Thermal energy storage devices, systems, and thermal energy storage device monitoring methods
EP2752635A1 (de) * 2013-01-04 2014-07-09 Danmarks Tekniske Universitet - DTU Einlassschichtungsvorrichtung
WO2014106643A3 (en) * 2013-01-04 2014-08-28 Danmarks Tekniske Universitet - Dtu Inlet stratification device
GB2511590A (en) * 2013-09-06 2014-09-10 Gannet Ltd Thermal storage
WO2015032933A1 (en) * 2013-09-06 2015-03-12 Gannet Limited An inlet system for a thermal storage vessel
GB2511590B (en) * 2013-09-06 2015-11-11 Gannet Ltd An inlet system for a thermal storage vessel
WO2016146724A1 (fr) * 2015-03-18 2016-09-22 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Système télescopique et flottant de distribution de fluide caloporteur pour un dispositif de stockage d'énergie thermique
FR3033877A1 (fr) * 2015-03-18 2016-09-23 Commissariat Energie Atomique Systeme telescopique et flottant de distribution de fluide caloporteur pour un dispositif de stockage d'energie thermique
US11662157B1 (en) * 2020-08-29 2023-05-30 Joseph R. Kucic Thermal energy storage tank diaphragm system
WO2022161581A1 (de) * 2021-01-26 2022-08-04 Az Vermögensverwaltung Gmbh & Co. Kg Behälter für einen wärmespeicher und wärmespeicher
WO2023099021A1 (de) * 2021-11-30 2023-06-08 Truma Gerätetechnik GmbH & Co. KG Vorrichtung zum erwärmen einer flüssigkeit

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