DE10033280A1 - Vorrichtung zur Aufnahme der Wasserausdehnung - Google Patents

Abstract

Bekannte Vorrichtungen der Heizungstechnik zur Aufnahme der durch Temperaturerhöhung entstandenen Wasserausdehnung sind separate Ausdehnungsgefäße. Sie entziehen dem Gesamtsystem durch Rückfluss des abgekühlten Wassers Energie und erfordern Platz. DOLLAR A Die Vorrichtung ist im Warmwasserspeicher bzw. -bereiter integriert, weist einen elastischen mit einem Gas oder Gasgemisch vorgespannten Hohlkörper (8) auf, der mit einem von außen zugänglichen Ventil (10) verbunden ist. DOLLAR A Die platzsparende und energetisch günstig wirkende Vorrichtung eignet sich zum Ausgleich großer Volumina in der Heizungstechnik und ist insbesondere in großvolumigen Pufferspeichern einsetzbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine in der Heizungstechnik vielseitig einsetzbare Vorrichtung zur Aufnahme der durch einen Wärmeerzeuger oder durch andere wärmetechnische Prozesse hervorgerufenen Wasserausdehnung.

Ein Anwendungsschwerpunkt der Erfindung ist der Pufferspeicher mit Anfallwärme. Die Beschreibung ist schwerpunktmäßig auf dieses Einsatzgebiet ausgerichtet.

Der Einsatz von großvolumigen Pufferspeichern hat durch die aus wirtschaftlichen oder ethischen Gründen einbezogene Nutzung regenerativer Energien in das Heizungs-Gesamt­ system große Bedeutung erlangt. Dabei werden bevorzugt thermische Solaranlagen und Wärmepumpen als Wärmeerzeuger verwendet, die je nach bereitgestellter Energie unter­ schiedlich große Pufferspeicher erfordern, da Energieangebot und Wärmenachfrage nur selten zeitlich übereinstimmen. Zum System gehört zwangsläufig ein Ausdehnungsgefäß, das die Aufgabe hat, das bei der Volumenvergrößerung infolge der Erwärmung sich ausdehnende Wasser aufzunehmen und beim Erkalten der Anlage wieder zuzuführen. In der häufig anzu­ treffenden Kombination von traditioneller Heizungsanlage, bestehend aus den Grundele­ menten Heizungskessel und Warmwasserspeicher, und nachgerüstetem Solarheizkreis mit Pufferspeicher nimmt das Ausdehnungsgefäß das durch Ausdehnung des Wassers im Heizungskessel, im Pufferspeicher, im Rohrleitungssystem und in den Heizflächen entstan­ dene Volumen auf. Solarkollektoranlagen von 20 m² erfordern bereits Pufferspeicher mit einem Speichervolumen von 1000 Litern und mehr, so daß die Ausdehnungsgefäße derartiger Anlagen 140 bis 200 Liter Wasser aufnehmen müssen.

Bekannte Ausdehnungsgefäße sind eigenständige, durch lösbare Verbindungselemente an das Heizungssystem angeschlossene, unisolierte Druckgefäße. Ihr damit verbundenes Raum­ erfordernis kann insbesondere bei Einfamilienhäusern ein Problem darstellen. Zusätzlich sinkt der Gesamtwirkungsgrad der Heizungsanlage, da das durch die Ausdehnung entstandene und in das Ausdehnungsgefäß fließende Wasser sich in ihm auf annähernd Umgebungs­ temperatur abkühlt und nach dem Zurückfließen in der Anlage erneut erwärmt werden muß bzw. die Schichtung des abgelagerten Pufferwassers stört.

Aus der DE-OS 30 40 450 ist ein Warmwasserbereiter mit einer Vorrichtung zum Volumen­ ausgleich für dessen zugeordneten Wasserbehälter bekannt, bei dem das zu erwärmende Wasser in diesem Wasserbehälter aufheizbar und speicherbar ist. Dem Wasserbehälter ist ein temperaturabhängiges Stellglied zugeordnet, durch das das Volumen des Behälters entspre­ chend der temperaturbedingten Volumenänderung des gespeicherten Wassers veränderbar ist. Das Stellglied ist dabei u. a. als temperaturabhängig auswölbbarer Bimetall-Dehnungsboden, als Dehnungszone in einem ringförmig umlaufenden Wandungsbereich des Behälters, deren axiale Ausdehnung temperaturabhängig veränderbar ist, ausgeführt oder es ist temperatur­ abhängig längsveränderlich zwischen zwei gegenüberliegenden, elastisch auslenkbaren Be­ hälterwänden, die vorzugsweise als elastische Membranwand ausgebildet sind, eingespannt. Die hier vorgeschlagenen Wasserbehälter erfordern einen hohen Fertigungsaufwand und Materialeinsatz. Das betrifft sowohl den für die Auswölbung erforderlichen Bimetall- Dehnungsboden als auch die membranartigen Seitenwände. Da der Wasserbehälter häufig wechselnden mechanischen Spannungszuständen unterworfen ist, kann durch Material­ ermüdung die Behälterwandung an den Dehnungsstellen aufreißen. Diese Gefahr besteht besonders dann, wenn größere Volumina auszugleichen sind.

Es ist nach der DE-OS 37 00 598 weiterhin bekannt, zum Zweck des Volumenausgleichs für einen Warmwasserbereiter, in dessen Wasserbehälter das Wasser aufheizbar und speicherbar ist, einen Faltenbalg strömungstechnisch mit dem Wasserbehälter in Verbindung zu bringen. Der Faltenbalg ist über eine druck- oder temperaturabhängig gesteuerte Hubeinrichtung entsprechend der temperaturbedingten Volumenänderung des aufgeheizten Behälterwassers ausziehbar. Für die aufgezeigten Ausführungen, einem Niederdruck-Heißwasserspeicher für Untertisch-Betrieb, wird die Einrichtung zur Vergrößerung des Wasserbehältervolumens im Wasserzulaufrohr angeordnet oder sie ist als eine in der Mitte des Behälterbodens angeordnete Bimetalleinrichtung ausgebildet oder sie ist am unteren Ende des Wasserzu­ laufrohres mit einem Hebelmechanismus installiert.

Ist die Einrichtung im Wasserzulaufrohr angeordnet, so sind ein Stößel mit Kolben und Druckfeder, eine wasserdichte Durchführung durch den Behälterboden und ein in den Boden einmündender Rohrbogen, sowie gegebenenfalls Begrenzungsnocken erforderlich. Beim Einleiten wird der Kolben mit seinem Stößel durch den Staudruck nach unten bewegt, der Faltenbalg zusammengedrückt und der Inhalt des Faltenbalges strömt in den Wasserbehälter. Diese Lösungen erfordern eine Vielzahl von Bauelementen. Bei der Änderung des Falten­ balgvolumens über eine mit einem Bimetallstreifen verbundene Zugstange ist zudem die zeit­ liche Ansprechbarkeit nicht befriedigend.

Der Faltenbalg ist in allen Fällen außerhalb des Speicherwassers unterhalb des Bodens im sogenannten Flanschraum angeordnet, so daß die Übernahme der Einrichtung für viele Anwendungsfälle der Heizungstechnik nicht möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Aufnahme der Wasserausdehnung, hervorgerufen durch einen Wärmeerzeuger oder durch einen anderen wärmetechnischen Prozeß, vorzugsweise für einen Pufferspeicher mit Anfallwärme, zu entwickeln, die platzsparend und vielseitig einsetzbar ist, die auch relativ große Volumenänderungen zuverlässig ausgleicht und die zu einer guten thermischen Gesamtbilanz der wärmetech­ nischen Anlage beiträgt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Vorrichtung im Warmwasserspei­ cher bzw. -bereiter integriert ist und einen elastischen mit einem Gas oder Gasgemisch vorgespannten Hohlkörper aufweist, der mit einem von außen zugänglichen Ventil verbunden ist.

Zur Einschränkung der Ausdehnung des Hohlkörpers kann er ganz oder teilweise von Begrenzungselementen umgeben sein, die aus der Gefäßwand, dem Gefäßboden oder fest mit beiden verbundenen mit Wasserdurchtrittsöffnungen versehenen käfigartigen Abdeckungen allein oder in Kombination bestehen.

Der Hohlkörper ist vorzugsweise als Matte oder als Blase ausgebildet.

Eine reversible Formänderung des Hohlkörpers wird insbesondere dann erreicht, wenn er vollständig oder überwiegend aus Kautschuk besteht.

Zur Vermeidung der Oxidation und damit zur Vorbeugung der Materialalterung ist es vorteil­ haft, den Hohlkörper mit einem sauerstofffreien Gas oder Gasgemisch, beispielsweise Stickstoff, vorzuspannen.

Das Einlegen des Hohlkörpers von außen und die nachträgliche Fixierung sind einfach möglich, wenn die Gefäßwandung einen Flansch aufweist.

Aufbau und Wirkungsweise der Vorrichtung werden im folgenden beispielhaft für den Einsatz in einem Pufferspeicher beschrieben, der mit einer Solaranlage als zusätzlichen Wärmeerzeuger beladen wird.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt des Pufferspeichers mit der Anordnung eines mattenförmigen Hohlkörpers im Bodenbereich

Fig. 2 eine schematische geschnittene Teildarstellung des Pufferspeichers mit der Anordnung eines blasenförmigen Hohlkörpers im Bodenbereich

Fig. 3 eine schematische geschnittene Teildarstellung des Pufferspeichers mit der Anordnung eines blasenförmigen Hohlkörpers im Wandbereich.

Der Pufferspeicher 1 mit den hier nur angedeuteten üblichen Anschlüssen für die Zu- und Ableitungen sowie mit der Wärmetauscherfläche 2 der hier als zusätzlichen Wärmeerzeuger dienenden thermischen Solaranlage 3 mit Vorlaufleitung 4, Rücklaufleitung 5 und Solar­ pumpe 6 enthält auf dem Boden 7 aufliegend einen mattenförmigen Hohlkörper 8 aus Kautschuk. Die Hohlkörper 8 ist über eine Zuleitung 9 mit einem von außen zugänglichen handelsüblichen Reifenfüllventil 10 verbunden. Zur Fixierung der Durchführung durch die Gefäßwand 11 dient ein Flansch 12.

In der Anordnung gemäß Fig. 2 ist der Hohlkörper 8 blasenförmig ausgebildet und wird, im Bodenbereich angeordnet, durch den Gefäßboden 7 und durch eine mit Löchern 13 versehene gewölbte metallische Abdeckung 14 begrenzt, um eine definierte Maximal­ ausdehnung des blasenförmigen Hohlkörpers 8 auch im wenig belasteten Zustand zu erhalten.

Die Abdeckung 14 ist mit der Gefäßwand 11 fest verbunde. Der Hohlkörper 8 wird im gefalteten Zustand durch den Flansch 12 eingeführt, im Bereich der Zuleitung 9 im Flansch 12 fixiert und über das Ventil 10 mit Stickstoff vorgespannt.

Der Hohlkörper kann auch im Bereich der Gefäßwand angeordnet sein. In Fig. 3 ist der als Blase ausgebildete Hohlkörper 8 von einer mit Wasserdurchtrittsöffnungen 13 versehenen Abdeckung 14 in Verbindung mit der Gefäßwand 11 vollständig umschlossen.

Die beschriebene Vorrichtung wirkt als im Pufferspeicher integriertes Ausdehnungsgefäß. Das durch die Erwärmung des Wassers entstandene Zusatzvolumen aus dem Pufferspeicher, dem Rohrleitungssystem, aus den Heizflächen und dem Heizkessel führt zu einem Druckanstieg, der ein Zusammendrücken des Hohlkörpers 8 je nach seinem Innendruck bewirkt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist geeignet, auch große Volumina aufzunehmen. Damit kann sie besonders vorteilhaft in Heizungssysteme integriert werden, die regenerative Wärmeerzeuger mit einbeziehen und die in der Regel großvolumige Pufferspeicher erfordern. Sie ist darüberhinaus in weiteren Anlagen der Wärmespeicherung oder in einem Kessel mit großem Wasserinhalt, z. B. Holzkessel, einsetzbar.

Mit der Einbeziehung des bisher separat angeordneten Ausdehnungsgefäßes in den Speicher ist eine platzsparende Lösung gefunden, die zudem durch ihre energetische Gesamtbilanz überzeugt:
Es ist nachgewiesen, daß ein Pufferspeicher mit der integrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung, die 20 Prozent des Nenninhaltes des Pufferspeichers an Volumen aufnehmen kann, bei üblichen Betriebsbedingungen praktisch die gleiche Speicherkapazität aufweist wie ein gleich großer Pufferspeicher mit außen liegendem Ausdehnungsgefäß.

Diese überraschende Bilanz ergibt sich vor allem, weil bei bekannten Lösungen das im separatem Ausdehnungsgefäß auf Raumtemperatur abgekühlte Wasser dem System wieder zufließt und dem Pufferspeicher Energie entzieht, bei Anwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung jedoch dem System keine Energie für das Erwärmen des Ausdehners entzogen wird, eine zusätzliche Wärmekapazität von Gasvolumen und Hohlkörper für das System nutzbar ist und eine Auskühlung des Pufferspeichers durch eine günstige Anordnung des Hohlkörpers und damit des Gaspolsters weitgehend verhindert wird.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Aufnahme der Wasserausdehnung, hervorgerufen durch einen Wärmeerzeuger oder durch andere wärmetechnische Prozesse, insbesondere für einen Pufferspeicher mit Anfallwärme, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Warmwasserspeicher bzw. -bereiter integriert ist und einen elastischen mit einem Gas oder Gasgemisch vorgespannten Hohlkörper (8) aufweist, der mit einem von außen zugänglichen Ventil (10) verbunden ist.

2. Vorrichtung zur Aufnahme der Wasserausdehnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (8) ganz oder teilweise von Begrenzungselementen umgeben ist.

3. Vorrichtung zur Aufnahme der Wasserausdehnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefäßwand (11), der Gefäßboden (7) oder fest mit beiden verbundene mit Wasser­ durchtrittsöffnungen (13) versehene Abdeckungen (14) allein oder in Kombination die Begrenzungselemente bilden.

4. Vorrichtung zur Aufnahme der Wasserausdehnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (8) als Blase oder als Matte ausgebildet ist.

5. Vorrichtung zur Aufnahme der Wasserausdehnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (8) vollständig oder überwiegend aus Kautschuk besteht.

6. Vorrichtung zur Aufnahme der Wasserausdehnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (8) mit einem sauerstofffreien Gas oder Gasgemisch, bevorzugt mit Stickstoff, vorgespannt ist.

7. Vorrichtung zur Aufnahme der Wasserausdehnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefäßwand (11) zur Durchführung des Ventils (10) einen Flansch (12) aufweist.