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Die Erfindung betrifft einen Warmwasserbereiter, insbesondere einen Warmwasserbereiter für eine mobile Wohneinrichtung, mit einem Wasserbehälter, einem Wärmetauscher und einer Rohrleitung, die derart mit einer Pumpeinrichtung und dem Wasserbehälter verbunden ist, dass mittels des Wärmetauschers erwärmtes Wasser in den Wasserbehälter leitbar ist, wobei der Warmwasserbereiter als Kombinationsheizgerät ausgebildet ist, mit dem ein Warmwasserheizbetrieb und ein Raumluftheizbetrieb kombinierbar ist.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln eines Entleerungszustands einer Rohrleitung eines solchen Warmwasserbereiters in einem Abschnitt zwischen einem oberen Anschluss des Wasserbehälters und der Pumpeinrichtung.
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Warmwasserbereiter der hier angesprochenen Art werden insbesondere in mobilen Wohneinrichtungen, wie beispielsweise in Wohnmobilen oder in Wohnwagen zum Vorhalten von erwärmtem Wasser und zum Erwärmen der Luft innerhalb der Wohneinrichtung eingesetzt. Beispielsweise offenbart
DE 10 2021 005 383 A1 eine gattungsgemäße Vorrichtung.
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Die Rohrleitung eines solchen Warmwasserbereiters ist üblicherweise entlang eines Abschnitts unmittelbar mit dem Wärmetauscher verbunden, sodass die dort erzeugte Wärme an das zirkulierende Wasser abgegeben wird. Sofern das Wasser für einen längeren Zeitraum innerhalb der Rohrleitung ruht, beispielsweise wenn keine momentane Wasserentnahme erfolgt, nimmt das Wasser insbesondere im Raumluftheizbetrieb übermäßig viel Wärme auf, sodass ein Übermaß an Kalk abgeschieden wird, der sich an den Wänden der Rohrleitung, innerhalb der Pumpe und innerhalb des Wasserbehälters sammelt. Der abgeschiedene Kalk verringert aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit den Wirkungsgrad des Wärmetauschers und wirkt sich mit der Zeit auch negativ auf die Funktionsfähigkeit der Pumpe aus. Der abgeschiedene Kalk muss daher vom Benutzer in regelmäßigen und engen Abständen durch aufwendiges Entkalken beseitigt werden. Ferner entsteht durch verdampfendes Wasser ein Überdruck innerhalb des Systems, der ebenfalls aufwendig zu regulieren ist.
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Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Warmwasserbereiter und ein Verfahren vorzuschlagen, womit die Nachteile des Standes der Technik behoben werden können. Insbesondere soll es in einfacher Weise möglich sein, die Kalkentstehung zu reduzieren und Überdruckphasen im System zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch den Warmwasserbereiter nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist zunächst vorgesehen, dass der Wasserbehälter bis zu einer maximalen Füllhöhe mit Wasser befüllbar ist, sodass im befüllten Zustand oberhalb der maximalen Füllhöhe eine Luftblase entsteht, die Pumprichtung der Pumpeinrichtung umkehrbar ist und die Rohrleitung oberhalb der maximalen Füllhöhe über einen oberen Anschluss und unterhalb der maximalen Füllhöhe über einen unteren Anschluss in den Wasserbehälter mündet, sodass beim Pumpen in eine erste Pumprichtung Wasser zum oberen Anschluss gepumpt wird und beim Pumpen in eine zweite Pumprichtung die Rohrleitung zwischen dem oberen Anschluss und der Pumpeinrichtung entleert wird. Hierdurch kann Wasser, das innerhalb der Rohrleitung ruht, in den Wasserbehälter geleitet und durch Luft aus der Luftblase ersetzt werden. Damit wird verhindert, dass Wasser innerhalb der Rohrleitung während des ausschließlichen Raumluftheizbetriebs erwärmt/erhitzt wird, wodurch weniger Kalk abgeschieden wird und keine verdampfungsbedingte Druckerhöhung entsteht. Damit muss der Benutzer auch nur in vergleichsweise längeren Abständen eine aufwendige Entkalkung des Systems durchführen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Warmwasserbereiters werden nachfolgend und in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorzugsweise ist ein Heizer vorgesehen, der den Wärmetauscher mittels eines Ventilators/Gebläses und eines Brenners mit Heißluft beaufschlagt. Der Wärmetauscher bildet dabei einen Teil des Heizers. Ein solcher Brenner kann beispielsweise als Gasbrenner ausgebildet sein, der Gase, wie beispielsweise Propan, Butan oder gasförmigen Diesel- oder Benzinkraftstoff verbrennt. Der Heizer kann zusätzliche elektrische Heizelemente aufweisen, welche insbesondere in den Wärmetauscher integriert sein können. Alternativ zu einem Brenner kann auch eine elektrische Heizvorrichtung vorgesehen sein.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Pumpeinrichtung zum Umkehren der Pumprichtung eine Pumpe umfasst, die eingerichtet ist, um bei einer Drehrichtungsumkehr die Pumprichtung umzukehren, wobei die Pumpe vorzugsweise als Peripheralradpumpe, Seitenkanalpumpe oder Zahnradpumpe ausgebildet ist. Eine solche Ausführungsform ist besonders platzsparend und daher Vorteil behaftet, weil zusätzliche Rohrleitungen und/oder Pumpen eingespart werden können.
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Unabhängig hiervon ist im Rahmen einer ersten alternativen Ausführungsformen vorzugsweise vorgesehen, dass die Pumpeinrichtung zum Umkehren der Pumprichtung zwei Pumpen besitzt, deren Pumprichtung antiparallel zueinander ausgerichtet sind.
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Alternativ ist im Rahmen einer zweiten Ausführungsform vorzugsweise vorgesehen, dass die Pumpeinrichtung zum Umkehren der Pumprichtung eine einzige Pumpe mit einer ventilgesteuerten Bypassleitungsschaltung aufweist. Die ventilgesteuerte Bypassleitung besitzt vorzugsweise ein 3/2-Wegeventil, zwei Absperrventile und zwei Bypassleitungen, die derart angeordnet sind, dass die Pumprichtung des Wassers innerhalb der Rohrleitung bei konstanter Durchflussrichtung der Pumpe umkehrbar ist.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wasserbehälter unterhalb der maximalen Füllhöhe einen Wasserentnahmeanschluss besitzt. Vorzugsweise befindet sich der Wasserentnahmeanschluss in der oberen Hälfte, insbesondere im oberen Drittel des Wasserbehälters, sodass warmes Wasser entnommen werden kann, ohne dass der vollständige Wasserbehälter erwärmt werden muss.
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Vorzugsweise ist die Rohrleitung in einem Abschnitt zwischen der Pumpeinrichtung und dem unteren Anschluss mit einer Wasserzuleitung verbunden.
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Die Rohrleitung besitzt zwischen dem Wärmetauscher und der Pumpe vorzugsweise ein Absperrventil, das als „normally open“ - Ventil (stromlos offen) oder als „normally closed“ - Ventil ausgebildet ist. Soweit die Rohrleitung im Abschnitt zwischen dem oberen Anschluss und der Pumpeinrichtung entleert ist, wird das Absperrventil geschlossen, sodass Wasser nicht unerwünscht zurück in den Abschnitt der Rohrleitung zwischen der Pumpeinrichtung und dem oberen Anschluss gelangt.
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Der Wärmetauscher ist vorteilhafterweise als Lamellenwärmetauscher ausgebildet, wobei der Lamellenwärmetauscher einen Körper aufweist, der die Rohrleitung abschnittsweise aufnimmt und mit Lamellen verbunden ist, wobei der Körper vorzugsweise aus Aluminium besteht und insbesondere als Aluminiumdruckguss ausgebildet ist.
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Zur Steuerung des Warmwasserbereiters ist eine Steuer- und Auswerteeinheit vorgesehen, mit der die Betriebsparameter der Pumpeinrichtung und die Schaltstellungen etwaiger Ventile bedarfsabhängig eingestellt werden. D.h. die Steuer- und Auswerteeinheit ist ausgestaltet, die Pumpeinrichtung und vorzugsweise etwaige Ventile zu steuern.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Entleerungszustands des Abschnitts der Rohrleitung des Warmwasserbereiters im Abschnitt zwischen dem Wasserbehälter und der Pumpeinrichtung mit den folgenden Schritten: Betreiben der Pumpeinrichtung in einer Pumprichtung zum Entleeren der Rohrleitung, Messen des Pumpenstroms in Abhängigkeit von der Zeit, Vergleichen des gemessenen Pumpenstroms oder einer aus dem Pumpenstrom gebildeten Größe mit einem vorgegebenen Entleerungsgrenzwert und Feststellen einer ausreichenden Entleerung, wenn der gemessene Pumpenstrom oder die aus dem Pumpenstrom gebildete Größe den vorgegebenen Entleerungsgrenzwert unterschreitet. Wenn der gemessene Pumpenstrom oder die aus dem Pumpenstrom ermittelte Größe gleich dem Entleerungsgrenzwert ist oder den Entleerungsgrenzwert überschreitet, wird eine unzureichende Entleerung festgestellt.
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Zum Messen des Pumpenstroms kann der Pumpeinrichtung ein Stromsensor zugeordnet sein. Vorzugsweise wird zum Messen des Pumpenstroms der Pumpenstrom während des Betreibens der Pumpeinrichtung zum Entleeren zu diskreten, äquidistanten Zeitpunkten abgetastet. Der Abstand zwischen diesen Abtastzeitpunkten wird auch Abtastintervall genannt.
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Die Verfahrensschritte, in welchen der gemessene Pumpenstrom mit dem Entleerungsgrenzwert verglichen wird und eine ausreichende Entleerung oder unzureichende Entleerung festgestellt - und somit eine Entleerungszustand (auch Entleerungsgüte genannt) ermittelt - wird, können von der Steuer- und Auswerteeinheit ausgeführt werden. Der Entleerungsgrenzwert ist insbesondere systemabhängig und in der Steuer- und Auswerteeinheit hinterlegt.
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Wird eine unzureichende Entleerung und somit eine unzureichende Entleerungsgüte festgestellt, so wird vorzugsweise ein Anforderungssignal an einen Benutzer/Bediener bereitgestellt, die Luftblase durch manuelles Ablassen von Wasser aus dem Behälter (wieder) herzustellen oder eine vorhandene, aber zu kleine Luftblase zu vergrößern. Alternativ oder zusätzlich erfolgt ein automatisches Ablassen am Wasserentnahmeanschluss mittels der Steuer- und Auswerteeinheit.
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Gemäß bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem während des Betreibens der Pumpeinrichtung gemessenen Pumpenstrom ein Mittelwert, beispielsweise der arithmetische Mittelwert, gebildet. Besonders bevorzugt wird ein gleitender Mittelwert gebildet, so dass vorteilhafterweise eine Glättung des gemessenen Stromwerts erfolgt und der Einfluss von Ausreißern minimiert werden kann. Der Mittelwert des Pumpenstroms stellt die eingangs genannte auch dem gemessenen Pumpenstrom gebildete Größe dar. Die Mittelwertbildung kann durch die Steuer- und Auswerteeinheit erfolgen.
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Konkrete Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1a ein Blockschaltbild eines Warmwasserbereiters;
- 1b eine Detailansicht einer ersten alternativen Pumpeinrichtung;
- 1c eine Detailansicht einer zweiten alternativen Pumpeinrichtung;
- 2a ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens;
- 2bein Diagramm.
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1a zeigt als Blockschaltbild einen Warmwasserbereiter 100 einer mobilen Wohneinrichtung mit einem Wasserbehälter 10, einem Wärmetauscher 11 und einer Rohrleitung 12. Der Warmwasserbereiter 100 wird im Folgenden auch als „System“ bezeichnet.
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Die Rohrleitung 12 ist derart mit einer Pumpeinrichtung 13 und dem Wasserbehälter 10 verbunden ist, dass mittels des Wärmetauschers 11 erwärmtes Wasser in den Wasserbehälter 10 leitbar ist. Dabei ist der Warmwasserbereiter 100 als Kombinationsheizgerät ausgebildet, mit dem ein Warmwasserheizbetrieb und ein Raumluftheizbetrieb kombinierbar ist. Der Wasserbehälter 10 ist bis zu einer maximalen Füllhöhe H mit Wasser 14 befüllbar, sodass im befüllten Zustand des Wasserbehälters 10 oberhalb der maximalen Füllhöhe H eine Luftblase 15 entsteht. Der Wasserbehälter 10 besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Fassungsvermögen von 5 l Wasser und 0,8 l Luft. Die Pumprichtung der Pumpeinrichtung 13 ist umkehrbar und die Rohrleitung 12 mündet oberhalb der maximalen Füllhöhe H über einen oberen Anschluss 16 und unterhalb der maximalen Füllhöhe H über einen unteren Anschluss 17 in den Wasserbehälter 10, sodass beim Pumpen in einer ersten Pumprichtung Wasser 14 zum oberen Anschluss 16 gepumpt wird und beim Pumpen in einer zweiten Pumprichtung die Rohrleitung 12 zwischen dem oberen Anschluss 16 und der Pumpeinrichtung 13 entleert wird. Dabei besitzt die Rohrleitung 12 im Abschnitt zwischen dem oberen Anschluss 16 und dem unteren Anschluss 17 beispielhaft ein Fassungsvermögen von 90 ml. Der Warmwasserbereiter 100 weist einen Heizer 18 auf, der den Wärmetauscher 11 mittels eines Ventilators/Gebläses 19 und eines Brenners 20 mit Heißluft beaufschlagt.
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In der dargestellten Ausführungsform besitzt der Wasserbehälter 10 unterhalb der maximalen Füllhöhe H einen Wasserentnahmeanschluss 21. Ferner ist die Rohrleitung 12 in einem Abschnitt zwischen der Pumpeinrichtung 13 und dem unteren Anschluss 17 mit einer Wasserzuleitung 22 verbunden, so dass entnommenes Wasser nachfüllbar ist. Der dargestellte Wärmetauscher ist 11 als Lamellenwärmetauscher 111 ausgebildet ist, wobei der Lamellenwärmetauscher 111 einen Körper 23 aufweist, der die Rohrleitung 12 abschnittsweise aufnimmt und mit Lamellen 24 verbunden ist. Der Körper 23 ist dabei aus Aluminium in Form eines Aluminiumdruckgusses gefertigt, in dem die Rohrleitungen 12 insbesondere als Edelstahlrohre eingelassen sind.
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Für das Umkehren der Pumprichtung sind unterschiedliche konkrete Ausführungsformen vorgesehen. 1a zeigt eine Ausführungsform wonach die Pumpeinrichtung 13 zum Umkehren der Pumprichtung eine einzige Pumpe 25 umfasst, die eingerichtet ist, um bei einer Drehrichtungsumkehr die Pumprichtung umzukehren. Hierzu ist die dargestellte Pumpe 25 als Peripheralradpumpe 251 ausgebildet. Die Rohrleitung 12 besitzt zwischen dem Wärmetauscher 11 und der Pumpe 25 ein Absperrventil 26, das als „normally open“ - Ventil ausgebildet ist. Sobald die Rohrleitung 12 im Abschnitt zwischen dem oberen Anschluss 16 und der Pumpeinrichtung 13 entleert ist, wird das Absperrventil 26 geschlossen, sodass Wasser nicht unerwünscht zurück in den Abschnitt der Rohrleitung 12 zwischen der Pumpeinrichtung 13 und dem oberen Anschluss 16 gelangt.
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1b zeigt eine erste alternative Ausführungsform, wonach die Pumpeinrichtung 13 zum Umkehren der Pumprichtung zwei Pumpen 25 besitzt, deren Pumprichtung antiparallel zueinander ausgerichtet sind.
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1c zeigt in zwei unterschiedlichen Einstellungen eine zweite alternative Ausführungsform der Pumpeinrichtung 13, bei der die Pumpeinrichtung 13 zum Umkehren der Pumprichtung eine einzige Pumpe 25 mit einer ventilgesteuerten Bypassleitungsschaltung 27 aufweist. Die ventilgesteuerte Bypassleitungsschaltung 27 umfasst ein 3/2-Wegeventil 28. Hiervon zweigt ein Rohrleitungsabschnitt 29 mit der Pumpe 25 ab. Der Rohrleitungsabschnitt 29 ist über ein Absperrventil 30 mit dem unteren Auslass 17 des Wasserbehälters 10 verbunden. Ferner zweigt von dem 3/2-Wegeventil 28 eine erste Bypassleitung 31 ab, die zwischen der Pumpe 25 und dem ersten Absperrventil 30 in den Rohrleitungsabschnitt 29 mündet. Eine zweite Bypassleitung 32 mit einem zweiten Absperrventil 33 zweigt von dem Rohrleitungsabschnitt 29 zwischen dem 3/2-Wegeventil 28 und der Pumpe 25 ab und mündet in den Rohrleitungsabschnitt 29 zwischen dem ersten Absperrventil 30 und dem unteren Auslass 17 des Wasserbehälters 10. Hierdurch ist die Pumprichtung des Wassers innerhalb der Rohrleitung 12 bei konstanter Durchflussrichtung der Pumpe 25 in Abhängigkeit der Ventileinstellungen umkehrbar, wie es durch die unbezifferten Pfeile symbolisiert ist. Die Bypassleitungsschaltung 27 umfasst dabei insbesondere die erste Bypassleitung 31, die zweite Bypassleitung 32, das 3/2-Wegeventil 28 und das zweite Absperrventil 33.
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2a zeigt in schematischer Weise ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Ermitteln eines Entleerungszustands des Abschnitts der Rohrleitung 12 des Warmwasserbereiters 100 zwischen dem oberen Anschluss 16 des Wasserbehälters 10 und der Pumpeinrichtung 13. Zunächst wird die Pumpeinrichtung 13 in einer Pumprichtung zum Entleeren der Rohrleitung 12 betrieben (Schritt 50). Die Pumprichtung zum Entleeren entspricht derjenigen Pumprichtung, bei der das Wasser vom oberen Anschluss 16 in Richtung auf die Pumpeinrichtung 13 strömt. Dabei wird der Pumpenstrom I in Abhängigkeit von der Zeit t gemessen (Schritt 51). Der Pumpenstrom I wird insbesondere mittels eines der Pumpeinrichtung 13 zugeordneten Stromsensors (nicht gezeigt) gemessen. In einem darauffolgenden Schritt 52 wird der gemessenen Pumpenstrom I mit einem in der Steuer- und Auswerteeinheit 34 hinterlegten Entleerungsgrenzwert verglichen. Vorzugsweise wird in Schritt 52 aus dem während des Pumpenbetriebs zum Entleeren gemessenen Pumpenstrom I ein Mittelwert, insbesondere ein gleitender Mittelwert, gebildet, und dieser Mittelwert mit dem Entleerungsgrenzwert verglichen.
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Wird im darauffolgenden Schritt 53 festgestellt, dass der Mittelwert des Pumpenstrom I den Entleerungsgrenzwert unterschreitet, so wird als Entleerungszustand eine ausreichende Entleerung/ausreichende Entleerungsgüte festgestellt und das Verfahren endet in Schritt 54. Wird dagegen in Schritt 53 festgestellt, dass der Mittelwert des Pumpenstroms I den Entleerungsgrenzwert überschreitet oder gleich dem Entleerungsgrenzwert ist, so wird als Entleerungszustand eine unzureichende Entleerung/unzureichende Entleerungsgüte festgestellt und im darauffolgenden Schritt 55 ein Anforderungssignal an den Bediener/Benutzer gesendet, die Luftblase 15 durch manuelles Ablassen von Wasser aus dem Wasserentnahmeanschluss 21 wieder herzustellen oder zu vergrößern. Alternativ initiiert die Steuer- und Auswerteeinheit 34 ein automatisches Ablassen von Wasser aus dem Wasserentnahmeanschluss 21 durch entsprechende Ansteuerung des Wasserentnahmeanschlusses 21.
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2b verdeutlicht beispielhaft die Auswertung des Pumpenstroms I bei zwei unterschiedlichen Fällen. Nach dem Beginn des Entleerungsvorganges startet vorzugsweise zunächst ein Wartezeitintervall dto., in welchem wegen systeminhärenter Verzögerungszeit noch keine Pumpenstrommesswerte genommen werden brauchen, was Speicherkapazität spart. Danach wird während der Restdauer des Entleerungsvorgangs dt in bestimmten Messintervallen/Abtastintervallen der Pumpenstrom I erfasst/gemessen (Schritt 50). In Abhängigkeit der Größe der vorhandenen Luftblase 15 ergeben sich die Messkurven K11 oder K21. Anschließend wird der gleitende Mittelwert als aus dem Pumpenstrom I gebildete Größe bestimmt, woraus sich die Mittelwertkurven K12 und K22 ergeben. Anhand der Mittelwertkurven K12 und K22 erfolgt die Bewertung der Entleerung bzw. der Entleerungsgüte am Ende des Zeitraums dt, indem überprüft wird, ob der vorgegebene Entleerungsgrenzwert W unterschritten wurde. Der Entleerungsgrenzwert W kann beispielweise in der Steuer- und Auswerteeinheit 34 hinterlegt sein. Liegt der Mittelwert unterhalb des Entleerungsgrenzwertes W (Mittelwertkurve K12), ist die Entleerung/Entleerungsgüte ausreichend, d.h. die Rohrleitung 12 ist im Abschnitt zwischen dem oberen Anschluss 16 und der Pumpeinrichtung 13 ausreichend von Wasser entleert. Liegt demgegenüber der Mittelwert oberhalb des Entleerungsgrenzwertes W (Mittelwertkurve K22), ist die Entleerung/Entleerungsgüte unzureichend und der Benutzer wird aufgefordert, die Luftblase 15 wieder herzustellen. Insbesondere bei unvollständiger und somit unzureichender Entleerung aufgrund einer schwallenden Wasseroberfläche im Wasserbehälter, z.B. bedingt durch die Entleerung während der Fahrt, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine zuverlässige Ermittlung inklusive Bewertung des Entleerungszustands erfolgen.
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Bezugszeichen
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- 100
- Warmwasserbereiter
- 200
- Verfahren
- 10
- Wasserbehälter
- 11
- Wärmetauscher
- 111
- Lamellenwärmetauscher
- 12
- Rohrleitung
- 13
- Pumpeinrichtung
- 14
- Wasser
- 15
- Luftblase
- 16
- obere Anschluss
- 17
- untere Anschluss
- 18
- Heizer
- 19
- Ventilator
- 20
- Brenner
- 21
- Wasserentnahmeanschluss
- 22
- Wasserzuleitung
- 23
- Körper
- 24
- Lamellen
- 25
- Pumpe
- 251
- Peripheralradpumpe
- 26
- Absperrventil
- 27
- ventilgesteuerte Bypassleitungsschaltung
- 28
- 3/2-Wegeventil
- 29
- Rohrleitungsabschnitt
- 30
- Absperrventil
- 31
- Bypassleitung
- 32
- Bypassleitung
- 33
- Absperrventil
- 34
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 50 - 55
- Verfahrensschritte
- 200
- Verfahren-
- H
- Füllhöhe
- I
- Pumpenstrom
- t
- Zeit
- K
- Kurven
- W
- Entleerungsgrenzwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 2021 005 383 A1 [0003]