DE1679721A1

DE1679721A1 - Vorrichtung zur Erwaermung und Speicherung von Wasser

Info

Publication number: DE1679721A1
Application number: DE19661679721
Authority: DE
Inventors: Ramey Robert Madison
Original assignee: MILLER AVY LEWIS
Current assignee: MILLER AVY LEWIS
Priority date: 1965-06-01
Filing date: 1966-05-16
Publication date: 1971-06-09
Also published as: NL6607440A; US3316894A; GB1110899A

Description

Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf Vorrichtungen zur Erwärmung und Speicherung von Wasser und betrifft insbesondere solche Vorrichtungen, die von Zeit zu Zeit große, relativ heiße Wassermengen liefern sollen.

Ein solcher Bedarf an heißem Wasser ist beispielsweise dort vorhanden, wo automatische GeschirrspUlanlagen und andere Einrichtungen verwendet werden, die in zeitlichen Abständen große Mengen heißes Wasser benötigen, das beispielsweise eine Temperatur von 82⁰C oder darüber besitzt. Dabei muß während der ganzen Zeitspanne, in der Wasser entnommen wird, Wasser dieser Temperatur geliefert werden, so daß das Wasser nicht

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-WirtJch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann 8 MÖNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 · Telefon ι 292102 · Telegramm-Adrenei Lipatli/München

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OppenauerBOro: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

nur bei der hohen gewünschten Temperatur gespeichert werden muß, sondern der Speicher auch die ganze gewünschte Menge im wesentlichen bei dieser hohen Temperatur liefern muß.

Jede Entnahme von heißem Wasser aus dem Heißwasserspeicher hat zur Folge, daß relativ kaltes Wasser in den Speicher einströmt, wo es bei den meisten Einrichtungen dieser Art sich mit dem im Speicher befindlichen heißen Wasser mischt und auf diese Weise die Temperatur im Wasserbehälter senkt. Obgleich das durch die Vermischung abgekühlte Wasser beim Hindurchströmen durch die Heizvorrichtung des Systems eventuell auf die gewünschte Speichertemperatur erwärmt wird, ist es doch in der Zwischenzeit unmöglich, von dem Speicherbehälter Wasser mit der verlangten hohen Temperatur zu erhalten.

Bei der im U.S.-Patent 2 833 273 vom 6.Mai 1958 beschriebenen Vorrichtung zur Speicherung und Erwärmung von Wasser wird das Problem der niedrigen Wassertemperatur im Speicherbehälter nach der Wasserentnahme dadurch gelöst, daß zwischen dem Wasser hoher Temperatur im oberen Teil des Behälters und demjenigen niedriger Temperatur, das in den Behälter eingespeist wird, eine Grenzfläche errichtet wird, wodurch das gespeicherte warme Wasser und das einströmende kalte Wasser im wesentlichen voneinander getrennt gehalten wird, und sich nicht mischt. Auf diese Weise kann eine wesentliche Menge des ursprünglichen Wassers hoherTemperatür dem Speicher entnommen

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werden, während die Temperatur des heißen Wassers im wesentlichen konstant bleibt. Dies wird bei der in der oben genannten Patentschrift beschriebenen Vorrichtung dadurch erreicht, daß die Turbulenz innerhalb des Speicherbehälters auf eine Mischungskammer beschränkt wird, die über ein Zirkulationssystem mit einer Heizung in Verbindung steht, in der die Wassertemperatur erhöht wird. Das Ausströmen des heißen Wassers aus der Mischungskammer und das Hineinströmen von kaltem Wasser geht relativ langsam vor sich, so daß in dem Hauptteil des Speicherbehälters keine turbulente Strömung entsteht und die Grenzschicht nicht serstört wird, sondern sich bei der Entnahme von heißem Wasser unversehrt aufwärts und bei der Einspeisung von heißem Wasser aus der Mischungskammer in den Behälter langsam äjwärts bewegt. Obgleich die bekannte Vorrichtung bei niedrigen Umlaufgeschwindigkeiten des Wassers durch die Heizvorrichtung zufriedenstellend arbeitet, hat sich herausgestellt, daß bei einer Vergrößerung der Umlaufgeschwindigkeit zwischen dem heißen und dem kalten Wasser doch eine Vermischung auftritt, die eine Entnahme der gewünschten Wassermenge mit im wesentlichen derselben hohen Temperatur nicht länger gestattet. Solche größeren Wasserumlauf/geschwindigkeiten durch die Heizvorrichtung sind in vielen Fällen vom Standpunkt des Wärmeverbrauches und der Aufheizgeschwindigkeit des Systems erwünscht, sind jedoch zur Erreichung turbulenter Strömungsverhältnisse in den Wärmeaustauscherrohren der Heizvorrichtung noch wichtiger,

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um dadurch Verzunderung zu verhindern und die inneren Rohroberflachen sauber zu halten.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Wassererwärmungs- und Speicherungsvorrichtung zu schaffen, in der unabhängig von einer hohen Wasserumlauf/geschwindigkeit durch den Heizkörper der Vorrichtung zwischen d?m im Behälter gespeicherten wärmeren Wasser und dem am Boden dem Behälter zugeführten kälteren Wasser eine Grenzschicht aufrechterhalten wird.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll eine intermittierende Abgabe relativ großer Mengen an heißem Wasser von im wesentlichen konstanter Temperatur aus einem relativ kleinen Speicherbehälter möglich sein, Das in den Speicherbehälter einströmende, das entnommene warme Wasser ersetzende kalte Wasser soll dabei grundsätzlich daran gehindert werden, sich mit dem im Speicherbehälter verbleibenden Wasser hoher Temperatur zu vermischen, während das Wasser zwischen dem Speicherbehälter und dem Heizkörper der Vorrichtung mit einer relativ hohen Geschwindigkeit umströmt.

Des weiteren hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, die Trennung zwischen dem in dem Speicherbehälter verbleibenden heißen Wasser und dem einströmenden, die entnommene Menge ersetzenden Kaltwasser aufrecht zu erhalten, während das Wasser durch eine außerhalb des Behälters angeordnete Heizschleife schnell zirkuliert, um dadurch in der Heizschleife eine

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turbulente Strömung zu erzeugen und die Wärmeaustauscherrohre der Schleife zu reinigen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, in der ein AusführungsbeispieL schematisch dargestellt ist. In der Zeichnung sind:

Fig.l eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Wassererwärmungs- und Speichervorrichtung,

Fig.2 eine waagerechte Schnittansicht des Speicherbehälters, längs der abgesetzten Linie 2-2 in Fig.l und

Fig.3 eine senkrechte Schnittansicht der Mischungskammer des Speicherbehälters, längs der Linie 3-3 in Fig.2.

Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung ist mit einem allgemein mit 11 bezeichneten Speicherbehälter und einem Wassererwärraer 12 versehen, der ein gewöhnlicher gasbeheizter Apparat sein kann. Der Speicherbehälter 11 besitzt einen im allgemeinen zylindrischen Hauptkörperteil Vj und diesen absohl ieliende Dach- bzw. liodenkappen 14 und 15. Der Behälter steht auf Beinen Ib, die an seinem Boden angeschweißt oder in anderer Weis« befestigt sind und FUlJe besitzen, die auf dem tragenden Boden ruhen und den Behälter in senkrechter Lage halten. Der Speicherbehälter 11 isL mit einer HelDwasseraiislaii leitung 17 versehen, die an seiner Dachkappe 1-Ί auge-

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schlossen ist. Außerdem besitzt er eine zweite Heiüwasserauslaßleitung 18, die zu einem über einen Thermostaten gesteuerten Mischventil 19 führt, in das auch eine Leitung 21 führt, die von der Kaltwasserhauptlieferieitunz 22 abzweigt und eine Leitung 23 speist, aus der vermischtes Wasser niedriger Temperatur, beispielsweise 60 C für den persönlichen Gebrauch entnommen werden kann. Der Wassererwärmer 12 wird von einer Gasquelle 2k gespeist, wobei das Gas durch ein Elektromagnetventil 25 in bekannt Brenner strömt, die am Boden des Wassererhitzers angeordnet sind und in denen das Gas als Brennstoff verbrannt wird. Die Verbrennungsprodukte des Gases werden an den Wärmeaustauscherrohren (nicht gezeigt) vorbei zum rlauchabzug 2u geleitet. Die Wärmeaustauscherrohre im Wassererhitzer besitzen eine Einlaßöffnung 27 und eine Auslaßöffnung 28.

Die Einlaßöffnung 27 ist durch eine Leitung 29 an die Druckseite einer Pumpe 31 angeschlossen, deren saugseitige Öffnung über eine Leitung 32 mit einer Ausströmöffnung 33 des Speicherbehälters 11 in Verbindung steht. Die Pumpe 31 wird von einem Elektromotor 5'* angetrieben, der zusammen mit dem Elektromagnetventil 25 von einem elektrischen Heiais 35 gesteuert wird, das seinerseits von einem Thermostaten 36 gesteuert wird, der sich im Speicherbehälter 11, in der Nähe seines Bodens befindet. Die Außlaßöffnung 2« der Wärmeaustauschorrohre im Wassererhitzer 12 ist über eine Lei tun:; 37 an dem Speicherbehäl tf»roin laß 38 angeschlossen. Die Hauptleitung 22 für die Zuführung von kaltem Wasser kann durch eine Leitung ><) mit der Lei tun¹·; 5 7 in Verbindung

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stehen, die Kaltwasserzuführung kann aber auch am Boden des Speicherbehälters angeschlossen sein, und zwar entweder unterhalb einer Diffusorplatte oder unter dem Boden der im folgenden beschriebenen Mischungskammer.

Innerhalb des Behälters ist vor der Einlaßöffnung 38 für

die UmlaufschleifG und der Aüslaßöffnung 33 ein rechteckiger

angeordnet
umschlossener Kasten 4J/T der eine Mischungskammer 42 bildet, die in der Tat ein Teil der Umlaufheizungsschleife ist. Der Kasten 41 ist an allen Seiten geschlossen, mit Ausnahme derjenigen, die an der Einlaß- und Auslaßöffnung für die Heizschleife liegen. Die Seite, die im folgenden als die Kastenvorderseite bezeichnet wird, wird an der oberen Wand 45 und der Bodenwand 46 des Kastens 41 gehalten und ist gegen die Rückwand 47 geneigt. Der Kasten 41 wird durch seine Seitenwände innerhalb des Behälters getragen, die an senkrechten Platten 48 angeschweißt sind, welche ihrerseits mit der Innenwand des Speicherbehälters il auf den der Einlaßöffnung 38 und der Auslaßöffnung 33 für die Umlaufheizungsschleife gegenüberliegenden Seiten verschweißt sind.

Aufgrund der gebogenen inneren Oberfläche des Behälters und der geraden Vorderkanten der oberen Wand 45 und der Bodenwand 46 des Kastens 41 verbleiben oben und unten am Kasten Flächensegmente 51 und 52, durch die zwischen dem Inneren des Behälters 11 und der Misehungskammer 42 eine Verbindung besteht.

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Auf diese Weise kann das erwärmte Wasser von der Mischungskammer 42 durch das Flächensegment 51 aufsteigen und kaltes Wasser durch das Flächensegment 52 in die Mischungskammer 42 eintreten, um das aufgestiegene warme Wasser zu ersetzen.

Bein Betrieb der neuartigen Vorrichtung zur Wassererwärmung und Speicherung speist das Relais 35, sobald der Thermostat 36 mit kaltem Wasser in Berührung kommt, sowohl den Elektromotor 34, als auch das Elektromagnetventil 25, wodurch sowohl das Wasser in der Erwärmungsvorrichtung 12 in Umlauf versetzt wird, als auch der Erwärmungsvorrichtung Brennstoff zugeführt wird, der dort verbrannt werden soll, um dadurch die Temperatur des umlaufenden Wassers zu erhöhen. Der Wasserumlauf durch'die Heizrohre und die Verbrennung und damit die Wärmezufuhr zum umlaufenden Wasser halten solange an, bis der ganze Behälter mit heißem Wasser gefüllt ist, wonach sich der Thermostat 36 umschaltet und sowohl die Zufuhr von Brennstoff als auch die Zirkulation des Wassers durch die Erwärmungsvorrichtung unterbricht.

Das heiße Wasser kann dem Behälter 11 entweder durch die Qeißwasserentnahmeleitung 17 oder die Warmwasserentnahmeleitung 23 entnommen werden. In beiden Fällen wird das aus dem Behälter gelieferte Wasser durch kaltes Wasser ersetzt, das von der SpeisehauptMtung entweder durch die Leitung 39 in den Heizkreislauf oder direkt am Boden des Behälters eingespeist wird, wie dies im obigen beschrieben wurde. Aufgrund seiner höheren Dichte wird das einströmende kalte Wasser im Bodenteil 53

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des Behälters ii verharren und, wenn keine turbulente Strömung vorhanden ist, sieh nicht mit dem im Behälter verbliebenen Heißwasser vermischen, sondern wie bei 54 mit dem restlichen Heißwasser im oberen Teil 55 des Behälters eine Grenzschicht bilden.

Die Temperatur des kalten Wassers im unteren Teil 53 des Behälters eoil durch die Umströmung des Wassers durch die Erwärmungsvorrichtung 12 erhöht werden, wobei jedoch die im Inneren des Behälters 11 entstehende Turbulenz nicht so groß werden darf, daß die Grenzfläche 54 zerstört wird und dadurch eine Vermischung des heißen und des kalten Wassers im Behälter erfolgt. Dies hätte zur Folge, daß die Temperatur des vermischten Wassers unter den Wert sinkt, der für die Heißwasserentnahme gewünscht wird. Es ist leicht einzusehen, daß bei Aufrechterhaltung der Grenzfläche 54 der größte Teil der oberhalb der Grenzfläche befindlichen Heißwassermenge bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur dem Behälter entnommen werden kann, wodurch eine große Wassermenge konstanter Temperatur von einem relativ kleinen Speicherbehälter geliefert werden kann. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers durch die Umlauf erwärmungssehleife soll, wie schon erwähnt wurde, sowohl vom Standpunkt der Wärmezufuhr und der Erwärmungsgeschwindigkeit der Vorrichtung als auch zur Sichereteilung einer turbulenten Strömung durch die Vänaeaustauseherrohre der Erwärmungsvorrichtung zur Verhinderung von Verzunderungen und zur Reinhaltung der

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Rohrinnenflächen relativ groß sein.

Wenn diese Zirkulationsströmung innerhalb des Behälters nicht verhindert wird, so entsteht eine Turbulenz, die die Grenzschicht 5^ zerstört. Die von dem Kasten 41 vor der Einlaß- und Auslaßöffnung der Umlauferwärmungsschleife und den Prallplatten 43, 44 gebildete Kammer 42 dient dazu, die turbulente Strömung zwischen der Einlaßöffnung 38 und der Auslaßöffnung für die Schleife innerhalb der Mischungskammer 42 zu halten, so daß das in dem Hauptkörper des Behälters 11 befindliche Wasser relativ unbewegt bleibt und die Grenzfläche 54 nicht zerstört wird. Das in der Kammer 42 sich bildende heiße Wasser strömt aufgrund seiner geringeren Dichte nach oben, um sich mit der Wassermenge im oberen Teil 55 des Behälters 11 zu verbinden. Die somit von der Kammer 42 ausgehende Konvektionsströmung bewegt sich jedoch relativ langsam durch den Raumabschnitt 5i> so daß das aufwärtsströmende Wasser keine Turbulenz verursacht und mit dem heißen Wasser im oberen Teil 55 des Behälters in Verbindung kommt, ohne daß dadurch die Grenzfläche 5^ zerstört wird, die sich allmählich abwärts bewegt, wenn der Wasserinhalt des unteren Teils 53 des Behälters erwärmt wird.

Aus Figur 3 ist zu entnehmen, daß die Kammer 42 tatsächlich einen Teil der Umlaufheizungsschleife bildet und daß die Turbulenz des bei 38 eintretenden und bei 33 austretenden Wassers im wesentlichen nicht über die Kameer 42 hinausgeht, insbesondere

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aufgrund der Wirkung der tafelförmigen Prallplatten 43 und 44. Diese Platten sind so unterhalb und oberhalb der Schleifenöffnungen angeordnet, daß sie, indem sie mit der Oberseite 45 und der Bodenseite 46 des Kastens 4i eine Einheit bilden, die direkte Bewegung der turbulenten Wasserströmung aus der Kammer 42 in den Hauptteil des Behälters ii verhindern. Der oben beschriebene Umlaufheizbetrieb setzt sich so lange fort, bis die Grenzfläche 54 den Thermostaten 36 erreicht, der das Relais 35 schaltet, wodurch die Brennstoffzufuhr zur Erwärmungsvorrichtung und die Wasserströmung durch die Heizschleife unterbrochen werden.

Der Winkel, den die geneigten Prallplatten 43, 44 mit ihren zugehörigen Decken - und Bodenplatten 45 und 46 bilden, läßt sich weitgehend zwischen etwa 25° und 90⁰ variieren, wobei im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Winkel von 60° vorhanden ist. In gleicher Weise können auch die Größe des Kastens 4i und die Länge der Prallpla'tten 43, 44 in weiten Grenzen geändert und insbesondere der Größe des Behälters ii und der Strömungsgeschwindigkeit durch die Umlaufheizungsschleife angepaßt werden. Beispielsweise können bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit der Kasten 41 etwa 43 cm hoch, etwa 25 cm breit und etwa 20 cm tief sein, und die Prallplatten43, 44 etwa 6,3 cm von ihren freien Kanten zu der Vorderkante des Kastens entfernt sein.

Obgleich die UmlaufSchleifenverbindungen bei 33 und 38 in senkrechter Anordnung gezeigt worden sind, arbeitet die Mischungskameer 42 in gleicher Weise wirkungsvoll, wenn die Schleifen-

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öffnungen mit Abstand waagrecht nebeneinander liegen. Die oben beschriebene Ausführungsforn des Erfindungsgegenstandes ist nur als Beispiel zu verstehen, das den Schutzumfang keinesfalls einschränken soll.

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Claims

Patentanmeldung: Vorrichtung zur Erwärmung und Speicherung von Wasser. Pa t_e_n_jt_a_n_s_p_r_ü_c_h_e

1. Vorrichtung zur Erwärmung und Speicherung von Wasser mit einem Ileißwasserspexcherbehälter, einem Wassererhitzer, einer den Behälter und Erhitzer verbindenden Wasserumlaufschleife, die mit mit Abstand nebeneinander angeordneten Einlaß- und Ausiaßverbindungen zum unteren Teil des Behälters versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhall) des Behälters (ll) vor den Einlaß- und Ausiaßverbindungen (3β,33) ein eine Mischungskammer (42) biLdender Kasten (41) angeordnet ist, der im wesentlicher ein Teil der Unilaufschlei fe ist und mit Bodenwänden (45,46) versehen ist, deren Vorderkanten von der benachbarten Wandung des Speicherbehälters (11) einen Abstand aufweisen, durch den die einzigen beiden Verbindungen zwischen der MLsehungskammer (42)

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann 8 MÖNCHEN 2, THERESI ENSTRASSE 33 · Telefon. 292102 · Telegramm Adresiei LipaHi/Manchen

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und dem Hauptkörper des Behälters (ll) gegeben sind, wobei Einrichtungen (^lk3,^lih) zur Umschließung der trubulenten Strömung des in der Mischungskammer (42) zirkulierenden Wassers vorhanden sind und zur Bildung einer langsamen Konvektionsströmung des heißen Wassers aus der Mischungskammer (42) in den Behälter (ll) durch den Strömungsweg (51) die-ien, der sich zwischen der oberen Wand (45) des Kastens (41) und der benachbarten Behälterwand befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Umschließung der turbulenten Strömung mit Prallplatten (43,4²O versehen ist, die sieh an den Vorderkanten der oberen Wand (kj) und der Bodenwand (46) des Kastens (41) befinden und sieh in die Mischlings kammer (42) erstrecken.

j. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innenwand des Behälters (li) neben dem Kasten (41) in waagerechter Richtung gekrümmt ist und daß dia oberen und unteren Vorderkanten des Kastens (41) im wesentlichen gerade sind und zwischen den oberen und unteren Wänden (45,4ö) des Kastens (41) und der benachbarten gekrümmten Behälterwand ein Raumsegment bilden, das die einzige Verbindung zwischen der Mi sealings kammer (42) und dem Hauptteil des Behälters (ll) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatten (43,44) zur Rückwand (47) des Kastens (41) gegen die Senkrechte geneigt sind.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatten (43,44) im wesentlichen über und unter den Einlaß- und Auslaßverbindungen (38,33) für die Umlaufschleife angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kasten (41) nicht unterbrochen ist und seine vorderen senkrechten Kanten die Wandung des Behälters (il) berühren, so daß die einzige Verbindung zwischen der Mischungskammer (42) und dem Hauptkörper des Behälters (il) durch den Spalt zwischen den oberen und unteren Wänden (45,46) des Kastens (41) und der benachbarten Behälterwand gegeben ist.

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