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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heizblock für einen elektrischen Durchlauferhitzer, der an ein Stromnetz angeschlossen ist, und einen Kanäle in Form von Heizkanälen a, einer Vorschaltstrecke b und einer Nachschaltstrecke c aufweisenden Körper aus einem elektrischen Isolator sowie in den Heizkanälen a unmittelbar vom Nasser umspült angeordnete Heizkörper umfasst.
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Ein Körper aus einem elektrischen Isolatormaterial, der mit elektrischen Heizkörpern in unmittelbaren Kontakt mit durch die Strömungswege fließendem Wasser bestückt ist, wird als Heizblock bezeichnet. Bei den elektrischen Heizkörpern kann es sich um Dickschicht, PTC- oder Keramikelemente handeln, aber in an sich bekannter Weise auch um blanke Drähte, die unisoliert in direktem Kontakt mit dem zu erwärmenden Wasser stehen. Letzte werden auch als Blankdraht-Heizkörper bezeichnet.
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Ein Heizblock stellt das Herzstück eines jeden elektrischen Durchlauferhitzers dar, wie er in bekannter Weise an einem Stromnetz betrieben wird, das ein Einphasennetz sein kann, vorzugsweise aber ein Dreiphasensystem ist. In den Heizblock wird an einem Wassereinlauf Kaltwasser aus dem öffentlichen Netz zugeführt und an einem Wasserauslauf Warmwasser in gewünschter Menge bei einer einstellbaren Wassertemperatur entnommen. Zur Schaffung eines Gesamt-Wasserpfades einer für eine elektrische Erwärmung des Wassers ausreichenden Länge ist dabei bekannt, im Heizblock Durchflussstrecken bzw. Strömungswege als Teilstrecken oder Kanäle auszubilden, die miteinander durch Umlenkungen derart verbunden sind, dass sie vom aufzuheizenden Wasser mäandernd durchflossen werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Heizblock selber auch bei einer langen Gesamt-Durchflussstrecke für das zu erwärmende Wasser insgesamt räumlich nicht zu groß baut.
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In einem jeweiligen Netz von Teildurchflussstrecken bzw. Strömungswegen eines isolierenden Heizblocks werden dann i. d. R. mindestens drei Heizkörper angeordnet, die als Blankdraht-Heizkörper ausgeführt und mit dem versorgenden Dreiphasensystem verbunden sind. Eine jeweilige Verschaltung ist in dem Heizblock so gewählt, dass ein so ausgebildetes elektrisches Heizsystem auch im direkten Kontakt mit dem leitfähigen Wasser mindestens zu den üblicherweise metallischen Anschlüssen für Wassereinlauf und Wasserauslauf hin im Wesentlichen geringe Ausgleichsströme aufweist. An den Außenanschlüssen des Heizblocks anliegendes Potential birgt zusammen mit fließenden Ausgleichsströmen ein erhebliches Gefährdungsrisiko, da eine solche Anordnung unter Umständen für Anwender eine Berührungsgefährdung darstellen kann. In jedem Fall rufen fließende Ausgleichsströme Korrosion an metallischen Körpern hervor. Hierdurch können verfrühte Ausfälle von Heizkörpern, aber auch Undichtigkeiten am Heizblock des Durchlauferhitzers selber, oder am zuführenden Wasserleitungssystem und mithin Wasserschäden hervorgerufen werden.
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Aus
DE 100 03 042 A1 ist ein elektrischer Durchlauferhitzer bekannt, bei dem das in der nachgeschalteten Verrohrung anstehende Wasser in den Vorwärmbetrieb mit einbezogen ist. Vor und hinter einem Heizkörper sind unbeheizte Kanäle angeordnet, die als Vorschalt-Widerstandsstrecken dienen, das heißt der elektrische Widerstand ist so hoch, dass elektrische Spannungen, die zwangsläufig an den Heizkörpern anstehen, soweit abgebaut werden, dass ein gefährlicher Strom nicht mehr entsteht.
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Aus
DE 296 11 315 U1 ist ein Durchlauferhitzer bekannt, bei dem unmittelbar im Wasser Heizwendeln liegen, die mittels Anschlussbolzen an ein Drehstromnetz angeschlossen sind. Elektrische Wasserstrecken bilden Widerstandskanäle die den Heizwendeln vor- und nachgeschaltet sind.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen zur elektrischen Warmwassererzeugung werden den vorstehend genannten Anforderungen nur bedingt gerecht. So stellen Ausgleichsströme insbesondere bei Störungen in einem Durchlauferhitzer immer noch ein erhebliches Problem dar. Derartige Störungen treten insbesondere bei Ausfall eines Heizstabes infolge von Korrosion und/oder Verkalkung auf, können sich jedoch auch bei Abschaltung mindestens eines Heizkörpers als Maßnahme zur Regulierung der elektrischen Heizleistung ergeben.
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Neben den vorstehend angedeuteten Sicherheitsaspekten weisen bekannte Vorrichtungen einen relativ hohen Fliessdruckverlust auf, der sich insbesondere schon aufgrund einer großen internen Länge der in dem betreffenden Heizblock insgesamt zu durchlaufenden Durchflussstrecke. Je nach Einsatzort, Einbausituation und Nutzungszeit können bei bekannten elektrischen Warmwasserbereitern damit Beeinträchtigungen ihrer Gebrauchstauglichkeit dahingehend auftreten, dass ein zur Verfügung stehender Wasserdruck am Wassereinlauf aufgrund der geräteinternen Fliessdruckverluste nicht mehr ausreicht, um am Warmwasserauslauf einen von einem Anwender gewünschten Warmwasser-Volumenstrom bereitstellen zu können. So kann beispielsweise in einem oberen Stockwerk eines Hochhauses in einer Phase regen Wasserverbrauches im gesamten Haus der Fall eintreten, dass eine zeitlich zur Verfügung stehende Menge an elektrisch erheiztem Wasser zum Duschen nicht mehr ausreicht.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Heizblock für elektrische Durchlauferhitzer zu schaffen, der einen vergleichsweise geringeren Fliessdruckverlust bei akzeptabeler Betriebszuverlässigkeit und Gebrauchstauglichkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Demnach zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Heizblock dadurch aus, dass zwischen einzelnen Kanälen des Heizblocks zusätzliche Potentialausgleichsstrecken vorgesehen sind.
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Zur Lösung der Aufgabe der Schaffung einer erhöhten Betriebszuverlässigkeit bei Verminderung eines Fließdruckverlustes durch einen elektrisch betriebenen Heizblock hindurch werden also im Heizblock intern konstruktive Maßnahmen ergriffen. Alternativ wären zu den Anschlüssen am Wassereinlauf und Warmwasserauslauf hin zusätzliche Vor- und Nachschaltstrecken vorzusehen, die durch ihre Wassersäulen zusätzliche ohmsche Widerstände gebildet hätten. Diese Maßnahme hätte jedoch eine Gesamtdurchflussstrecke in dem Heizblock ohne Verbesserung eines Wärmeabtransports erhöht, so dass in nachteiliger Weise ebenfalls der Fließdruckverlust noch erhöht worden wäre.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die zusätzlichen Potentialausgleichsstrecken als Wasserstrecken, metallische Brücken oder Widerstandselemente jeweils mit ohmschem Widerstand ausgebildet, die zwischen einzelnen Kanälen des Heizblocks angeordnet sind. Damit werden durch eine Potentialausgleichsstrecke jeweils zwei Kanäle miteinander leitend verbunden, um ein internes Fließen von Ausgleichsströmen zu ermöglichen. So wird durch eine interne Lösung der Anteil von Ausgleichsströmen, die über die Anschlüsse am Wassereinlauf und Warmwasserauslauf abfließen, ganz wesentlich gesenkt.
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Vorteilhafterweise sind die Potentialausgleichsstrecken als Anzapfungen der Heizkanäle zum Wasserzulauf und/oder Wasserablauf hin ausgebildet. Es sind damit also vorzugsweise nicht die Heizkanäle selber untereinander durch Potentialausgleichsstrecken verbunden, was u. a. das Fließen sehr hoher Ausgleichsströme hervorrufen könnte.
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Sind die Potentialausgleichsstrecken gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung so angeordnet, dass sie einen jeweiligen Heizkanal zu einer jeweils nächstgelegenen Vorschalt- oder Nachschaltstrecke verbinden, dann ergibt sich entsprechend der Zuordnung der Heizkörper in den Heizkanälen zu den entsprechenden Phasen des Dreiphasensystems vorteilhafterweise eine durch die Potentialausgleichsstrecken gebildete interne Sternschaltung. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Heizkörper in den Heizkanälen an den Phasen des Dreiphasensystems elektrisch in einer Dreiecksschaltung miteinander verschaltet, so dass durch die nun durch die Potentialausgleichsstrecken in dem Heizbock intern gebildete Sternschaltung eine wesentliche Verbesserung der elektrischen Eigenschaften an den Außenanschlüssen erzielt wird.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Potentialausgleichsstrecken in einer Mittelebene des Heizblocks angeordnet. Diese Mittelebene steht senkrecht zu den Kanälen innerhalb des Heizblocks. Diese Ausführungsform birgt fertigungstechnische Vorteile in sich, da ein Heizkörper als Kunststoffelement aus zwei Hälften aufgebaut ist, die in einer Mittelebene abdichtend miteinander verbunden sind. Durch entsprechende Aussparungen in der Abdichtung zwischen den beiden Hälften des Heizblocks werden in sehr einfacher Art und Weise Kanäle für die Potentialausgleichsstrecken in der Mittelebene des Heizblocks geschaffen.
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Auf der Basis einer vier Heizkörper umfassenden Vorrichtung für ein Dreiphasensystem sind in einer Ausführungsform der Erfindung in dem Heizblock Blankdraht-Heizkörper vorgesehen, bei denen aufgrund des direkten Wasserkontaktes ein besonders starker Ausgleichsstromfluss anzunehmen ist. In dieser Form neigt eine derartige Vorrichtung auch zu starken Korrosionserscheinungen an den Heizkörpern. Aufgrund dieser Effekte wäre ohne Potential-ausgleichende Maßnahmen gemäß vorliegender Erfindung bei starker Ungleichgewicht der Belastung der einzelnen Heizkörper bereits nach kurzer Betriebsdauer mit einem Ausfall von mindestens einem Heizkörper zu rechnen, i. d. R. des am stärksten belasteten Heizkörpers. Also würde ein derartiges Gerät ohne erfindungsgemäße konstruktive Maßnahmen auch nur eine geringe Gebrauchstauglichkeit und mangelhafte Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zwei Heizkörper an einer Phase des Dreiphasensystems elektrisch in Reihe geschaltet. Zur Erhöhung der elektrischen Heizleistung bei Volllast wird einer der Heizwiderstände kurzgeschlossen. Hierzu kann ein externer Schalter vorgesehen sein.
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Eine sehr feine Abstufung in der elektrischen Heizleistung ist insbesondere bei einer Regelung der elektrischen Leistung in Form einer netzrückwirkungs- bzw. Flicker-armen elektronischen Pulspaket-Steuerung vorteilhaft umsetzbar. Als Referenz für bekannte Steuerungen wird an dieser Stelle vollumfänglich auf die Offenbarung der
DE 36 01 555 A1 und der
DE 197 28 333 A1 verwiesen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Potentialausgleichsstrecken einen Durchmesser von ca. 7–8 mm auf. Dahingegen werden die Heizkanäle mit einem Durchmesser von ca. 14 mm gefertigt, um in jedem Betriebsfall eine zum Abtransport der Heizleistung stets ausreichenden Volumenstrom zu garantieren. Im Falle von Dickschichtheizkörpern, die die Heizkanäle bilden und deren Rohr vom Wasser durchströmt ist, kann der Durchmesser in den Heizkanälen ähnlich oder gleich wie in den Vor- und Nachschaltstrecken bleiben, da sich kein Strömungwiderstand im Kanal befindet. Bei einem Ausführungsbeispiel in Anlehnung an das beschriebene Beispiel wäre der Innendurchmesser eines Dickschichtheizkörpers ca. 7–8 mm. Um die Ausgleichsstrecken bei der Verwendung von Dickschichtheizelementen aus einem außen mit einem Heizleitermaterial beschichtetem Rohr zu ermöglichen ist der Dickschichtheizkörper in einer Länge zweiteilig und im Bereich der Ausgleichsstrecken unterbrochen ausgeführt.
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Zur weiteren Begrenzung von Ableitströmen sind im Heizblock vor dem Wassereinlauf und dem Warmwasserauslauf jeweils drei Vorlaufstrecken und Nachlaufstrecken vorgesehen. Diese Wasserstrecken bilden Vorlauf- und Nachlaufwiderstände, die elektrische Ableitströme über die Wasserein- und -auslaufstücke insbesondere in das metallisch leitende Rohrleitungsnetz eines öffentlichen Wasserversorgungssystems hinein auch im Störungsfall auf Werte unter 5 mA beschränken. Diese Bedingung ist also auch bei ungleichmäßiger Belastung der Phasen und insbesondere im Störungsfall einzuhalten, also insbesondere beim Ausfall eines oder mehrerer der Heizkörper. In diesem Fall kann sich elektrisch in einem jeweils verbliebenden Teil der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung keine Addition der Phasen mehr ergeben, die als Ergebnis nahezu einen Null-Wert hervorbringt. Gerade im Störungsfall ist es damit wichtig, derartige nach außen hin strombegrenzende Ableitstrecke vorzusehen.
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Vorzugsweise sind diese ohmschen Vorlauf- und Nachlaufwiderstände durch weitgehend identische Ausbildung der Vorlauf- und Nachlaufstrecken mit nahezu 100 kΩ im Wesentlichen gleich groß. In einer Ausführungsform der Erfindung weisen auch diese Vorlauf- und Nachlaufstrecken jeweils einen Durchmesser von ca 7–8 mm auf.
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Nachfolgend werden weitere Vorteile und Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
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1: einen schematischen Schnitt in vertikaler Richtung durch eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Heizblocks;
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2: eine Schnittdarstellung einer horizontalen Ebene A-A der Anordnung von 1;
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3: eine skizzierte Zuordnung elektrischer Widerstände entsprechend der Darstellung von 1;
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4: ein elektrisches Ersatzschaltbild zur Darstellung der elektrischen Gegebenheiten zwischen Einlauf und Auslauf eines erfindungsgemäßen Heizblocks und
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5: eine zeichnerische Zuordnung der ohmschen Widerstände der jeweiligen Heizkörper in einem Zeigerdiagramm eines Dreiphasensystems.
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Nachfolgend werden in den Figuren gleiche Elemente über verschiedene Ausführungsbeispiele hinweg einheitlich mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt einen schematisierten Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizblocks 1. Der Heizblock 1 ist über Außenanschlüsse 2 zur Verwendung in einem elektrisch an einem beliebigen Stromnetz betriebenen Warmwasserbereiter bzw. Durchlauferhitzer ausgelegt. Neben einem Einphasensystem wird ein Dreiphasensystem bevorzugt eingesetzt, auf das sich ohne Beschränkung der Erfindung die nachfolgenden Ausführungen beziehen werden.
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Es kann sich bei einem derartigen Warmwasserbereiter um jede bekannte Bauart handeln, so dass ein dargestellter Heizblock
1 auch in einem vergleichsweise einfach aufgebauten Warmwasserbereiter eingesetzt werden kann. Unter einem Durchlauferhitzer wird insbesondere ein elektronisch leistungsgesteuertes Gerät mit Temperaturfühler am Frischwasser-Einlauf und einem Durchflusssensor verstanden. Der Temperaturfühler bestimmt die Einlauftemperatur, der Durchflusssensor misst die Durchflussmenge bzw. den Volumenstrom. Ohne exakte Kenntnis einer erreichten Auslauftemperatur wird auf diesen Größen basierend eine Leistungssteuerung in dem Heizblock
1 vorgenommen. Aufgrund der minimalen Netzrückwirkungen bzw. einer weitgehenden Flickerfreiheit wird eine Leistungssteuerung gemäß der Lehre der
DE 36 01 555 A1 eingesetzt. Auf eine detaillierte zeichnerische Darstellung eines derartigen Durchlauferhitzers wird an dieser Stelle verzichtet.
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Der Heizblock 1 besteht aus einem elektrisch isolierenden und dauerhaft wasser- und mindestens im Bereich bis ca. 100°C temperaturfesten Kunststoffmaterial, in dem diverse Kanäle 3 mit vorzugsweise gleicher Länge vorgesehen sind. Die parallel angeordneten Kanäle 3 stehen mit mindestens einem jeweilig benachbarten Kanal 3 endseitig jeweils über eine Umlenkung u in Verbindung. So bildet sich durch den Heizblock 1 hindurch ein gesamter Strömungsweg von einem Wassereinlauf ZU bis zu einem Warmwasserauslauf AB mit den Kanälen 3 als Teilstrecken aus, der mäandernd durchflossen wird.
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In das im Wesentlichen Mäander-förmig ausgebildete System aus Kanälen 3 und Umlenkungen u hinein sind vier elektrische Heizkörper HK1 bis HK4 angeordnet. Jede Bauform der Heizkörper HK1 bis HK4 ist prinzipiell jede bekannte Bauform einsetzbar. Nach dem Stand der Technik sind dies PTC- oder Keramik-Heizkörper sowie Heizkörper in Form blanker metallischer Drähte, die unisoliert und unmittelbar vom Wasser umspült angeordnet sind. Im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels wird die letztgenannte Bauform von Heizkörpern betrachtet. Jeder der Heizkörper HK1 bis HK4 ist dabei als Spiralkörper mit einem blanken Metalldraht aus einem Chrom-Nickel-Stahl mit ca. 0,8 mm Durchmesser ausgebildet, der in direktem Kontakt mit dem durch einen jeweiligen Kanal 3 fließenden Wasser steht. Aus diesem Grund wird ein derartiges Heizsystem zur Warmwassererzeugung auch als Blankdrahtsystem bezeichnet.
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Die Heizkörper HK1 bis HK4 sind in besonderen Kanälen 3, den sogenannten Heizkanälen a angeordnet. In Durchflussrichtung des strömenden Wassers gesehen ist der Heizkanal a von Heizkörper HK1 an den Heizkörpern HK2, HK3, HK4 vorbei zum Wasserauslauf AB hin. Auf der Frischwasser-Zulaufseite ist die vorstehend beschriebene Anordnung über drei Kanäle 3 mit dem Wassereinlauf ZU verbunden, die als drei Vorschaltstrecken b ausgebildet sind. In analoger Weise ist auch der Heizkanal a von Heizkörper HK4 mit dem Wasserauslauf AB über drei Kanäle 3 verbunden, die als Nachschaltstrecken c ausgebildet sind.
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Die vorstehend genannten unterschiedlichen Typen von Kanälen 3 unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Kanallängen nur unwesentlich, jedoch hinsichtlich ihres jeweiligen Durchmessers voneinander deutlich. Die Heizkanäle a weisen Durchmesser dh von ca. 14 mm auf, während die Vorlaufstrecken b und die Nachlaufstrecken c jeweils nur Durchmesser dv von 7 bis 8 mm aufweisen. Diese Unterschiede in den Durchmessern der einzelnen Kanäle 3 ist gewählt worden, um in allen Kanälen 3 des Heizblocks 1 hinsichtlich eines möglichst kleinen Fließdruckverlustes des Gesamtsystems von weniger als 2,2 bar bei einem Volumenstrom unter 15 l/min optimal zusammen zu wirken.
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Die Heizkanäle a sind zudem zur Aufnahme der spiralförmigen Heizkörper HK1 bis HK4 entsprechend zu dimensionieren, die im Gegensatz zu der schematischen Darstellung von 1 die wesentliche Länge L von ca. 250 mm eines jeweiligen Heizkanals nahezu vollständig überspannen. Ferner ist bei der Dimensionierung der Durchmesser der Heizkanäle a zu berücksichtigen, dass eine für die Wärmeabnahme ausreichende minimale Strömungsgeschwindigkeit in allen Betriebszuständen des Heizblocks 1 erreicht wird, also auch bei auf Dauer minimalen Durchflussvolumina. Bezüglich der Außendurchmesser der Heizkörper HK1 bis HK4 ist besonders darauf zu achten, dass es zu keinem Oberflächenkontakt der Windungen der Heizkörper HK1 bis HK4 mit den isolierenden Kunststoff-Wandungen der jeweiligen Heizkanäle a kommt.
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Ungleichbelastung der Phasen innerhalb des Heizblocks 1 verursachen durch Potentialdifferenzen nach außen hin den Fluss von Ausgleichsströmen. Zur Steigerung der Zuverlässigkeit des Heizblocks 1 und mithin eines Durchlauferhitzers sind erfindungsgemäß in dem Heizblock 1 gemäß 1 interne konstruktive Maßnahmen zum Potentialausgleich ergriffen worden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwischen einzelnen Kanälen a, b, c des Heizblocks 1 zusätzliche Potentialausgleichsstrecken d vorgesehen. Diese Potentialausgleichsstrecken d sind in einer Mittelebene M des Heizblocks 1 angeordnet, die im Wesentlichen senkrecht zu den Kanälen 2 steht, so dass die Potentialausgleichsstrecken d hier als Mittelanzapfungen auftreten. Jeder der Potentialausgleichsstrecken d ist seinem Durchmesser dz und seiner wassergefüllten Länge entsprechend ein elektrischer Widerstand R1, R2, R3 mit ca. 50 kQ zugeordnet.
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Als weitere für eine Modellierung der elektrischen Eigenschaften des dargestellten Heizblocks 1 relevante Größen sind die Widerstände Rke und Rka der Korrosionsstrecke im Einlauf- bzw. im Auslaufbereich zu nennen. Unter einer Korrosionsstrecke wird dabei eine wassergefüllte Strecke von einer Mittelanzapfung zur Phase am Ein- bzw. Auslauf des Heizblocks 1 verstanden.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung einer horizontalen Ebene A-A der Anordnung von 1. Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass die Potentialausgleichsstrecken d nicht die Heizkanäle a untereinander verbinden. Sie verbinden vielmehr jeweils einen Heizkanal a mit je einem der Kanäle b der Vorschaltstrecke oder einem der Kanäle c der Nachschaltstrecke. So bilden die Potentialausgleichsstrecken d als zusätzliche wassergefüllte Kanäle innerhalb des Isolierstoffkörpers des Heizblocks 1 elektrische Widerstände R1, R2, R3. Die Widerstände R1, R2, R3 erstrecken sich von dem Heizkanal a des Heizkörpers HK4 zu dem ersten Kanal c der Nachschaltstrecke und von den Heizkanälen a der Heizkörper HK1 und HK2 zu dem zweiten Kanal b der Vorschaltstrecke. Dabei werden auch der erste Kanal c der Nachschaltstrecke und der zweite Kanal b der Vorschaltstrecke durch eine Potentialausgleichsstrecke d miteinander verbunden, wobei für den elektrischen Widerstand REA dieser besonderen Potentialausgleichsstrecke d ein Wert von näherungsweise Null angestrebt wird. Hierzu kann diese besondere Potentialausgleichsstrecke d statt durch eine Mittenanzapfung durch einen metallischen Leiter realisiert werden.
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Weiter sind in der Darstellung der 2 die jeweiligen elektrischen Widerstände und Durchmesser angegeben. Die eingezeichneten Potentialausgleichsstrecken d sind fertigungstechnisch einfach und sehr genau realisierbar, da es sich bei der Mittelebene M des Heizblocks 1 um eine Nahtstelle zweier zueinander im Wesentlichen symmetrischer Hälften des Isolierstoffkörpers des Heizblocks 1 in punktsymmetrischer Anordnung handeln kann. Diese Nahtstelle der beiden Hälften wird durch eine nicht weiter dargestellte Dichtung dauerhaft geschlossen. Somit können die Potentialausgleichsstrecken d durch Aussparungen in dieser Dichtung gebildet werden.
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3 zeigt eine skizzierte Zuordnung elektrischer Widerstände entsprechend der Darstellung des Heizblocks 1 von 1 mit einem Teil der externen Beschaltung der Heizkörper HK1 bis HK4 sowie einer Zuordnung zu den Phasen L1, L2, L3 des Dreiphasensystems. In dieser Darstellung sind elektrische Ersatzwiderstände der wassergefüllten Kanäle 3 eingezeichnet: R für die drei Vorlaufstrecken b, RN für die drei Nachlaufstrecken c, Widerstände Rka, Rke der Korrosionsstrecken sowie die Ersatzwiderstände R1, R2, R3 für die Potentialausgleichstrecken d. Zur Verdeutlichung der Lage der Potentialausgleichstrecken d sind geschnittene Wandungen des Isolierstoffkörpers mit eingezeichnet worden. Da der Widerstand R2 und auch die mit REA als widerstandslos angenommene Verbindung zwischen Vor- und Nachlaufstrecke nicht in der Zeichenebene liegen, sind diese elektrischen Leitungsabschnitte gestrichelt mit eingezeichnet worden.
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Aus der angegebenen Beschaltung an den Außenanschlüssen 2 des Heizblocks 1 lässt sich die Dreiecksschaltung der Heizkörper HK1 bis HK4 an den Phasen L1, L2, L3 des Dreiphasensystems ablesen. Die Heizkörper HK3 und HK4 bilden hierbei eine Serienschaltung, die zwischen den Phasen L1 und L3 liegt. So kann der Heizkörper HK3 bei Volllast abgeschaltet werden, indem er an seinen beiden Außenanschlüssen 2 jeweils an L3 angelegt wird. Bei gleicher anliegender Spannung sinkt hierdurch der ohmsche widerstand ab, und durch den entsprechend ansteigenden Stromfluss durch den verbleibenden Heizkörper HK4 wird die elektrische Heizleistung gesteigert. Für diese Umschaltung sind hier zeichnerisch nicht weiter dargestellte externe Schaltmittel S vorgesehen.
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4 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild zur Darstellung der rein elektrischen Gegebenheiten zwischen Einlauf ZU und Auslauf AB eines erfindungsgemäßen Heizblocks 1 gemäß der 1 bis 3. Mit REA ≈ 0 bilden die Widerstände R1, R2, R3 der Potentialausgleichstrecken d in den gepunktet eingezeichneten Oval einen Sternpunkt SP. So ergibt sich durch die Anzapfungen der Heizkanäle b zu den Vor- und Nachschaltstrecken b, c hin eine Sternschaltung, die der Dreiecksschaltung der Heizkörper HK1 bis HK4 überlagert ist. Damit liegt quasi ein Sternpunkt und nie dieselbe Phase an Ein- und Auslauf. Dadurch wird der Ableitstrom in jedem Zustand des Betriebs des Heizblocks 1 minimiert.
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5 schließlich zeigt, den vorstehend zu den Abbildungen der 1 bis 4 entsprechend, ein Zeigerdiagramm des aus den Phasen L1, L2 und L3 bestehenden Dreiphasensystems in einer komplexes Ebene mit einer Zuordnung der Heizkörper HK1 bis HK4 zu den jeweiligen Phasen in einer elektrischen Dreiecksschaltung der Blankdrahtleiter des Heizblocks 1.
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Der skizzierte Zustand stellt den Idealfall für den Betrieb einer elektrischen Schaltung an einem Dreiphasensystem. Dieser Idealfall ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sternpunkt SP der elektrischen Schaltung im Schwerpunkt des dargestellten gleichseitigen Dreiecks in der komplexen Ebene liegt. Damit addieren sich die jeweils um 120° verschobenen Phasenzeiger der Phasen L1, L2 und L3 im Sternpunkt SP zu Null, so dass ohne Abweichung des Sternpunktpotentials vom Null-Potential schon innerhalb des Heizblocks 1 keinerlei Ausgleichsströme fließen können.
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In dem vorliegenden Beispielfall sind jedoch für die Heizkörper HK1 bis HK4 die folgenden elektrischen Leistungen und damit unterschiedliche ohmsche Widerstandswerte gewählt worden:
HK 1 = 6,6 kW, 19,6 Ω
HK 2 = 6,6 kW, 7,9 Ω
HK 3 = 5,1 kW, 10,2 Ω
HK 4 = 2,7 kW, 7,9 Ω
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Zudem bewirken auch die Ersatzwiderstände RN, RV, RKa und RKe eine Potentialverschiebung. Damit liegen mindestens zwischen den Phasen L1, L2 und L1, L3 andere Lasten als zwischen den Phasen L2, L3 mit der Konsequenz an, dass Ausgleichsströme auch nach außen hin abfließen müssen. Zur Begrenzung eines auch zu den metallisch leitenden Außenanschlüssen, dem Wassereinlauf ZU und dem Wasserauslauf AB, hin auftretenden Ausgleichstromflusses sind zur Minderung von Fließdruckverlusten innerhalb des Heizblocks 1 nur relativ kurze Vorschaltstrecken b und die Nachschaltstrecken c vorgesehen. Den wesentlichen Beitrag zur Begrenzung des Ausgleichstromflusses leisten die Potentialausgleichsstrecken d mit den Widerständen R1, R2, R3. Sie bilden von den Mittenanzapfungen der Heizkanäle a her einen Sternpunkt SP, durch den sich die Phasen L1, L2, L3 nun wieder zu Null addieren.
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Die Widerstände RN, RV, der Vor- und Nachschaltstrecken sowie R1, R2, R3 der Potentialausgleichsstrecken d sind auf der Basis eines spezifischen Widerstandes ρ15 des Wassers von 900 Ω·cm bei 15°C Wassertemperatur über die jeweiligen Kanallängen und sich aus den jeweiligen Durchmessern dv, dz ergebenden Querschnittsflächen so ausgelegt, dass sich jeweils über alle genannten Maßnahmen in Summe ein entsprechendes ohmsches Netzwerk aus Begrenzungswiderständen ergibt, das einen maximal zulässigen und über die jeweilige Wassersäule außerhalb des Heizblocks 1 abfließenden Ausgleichstrom von unter 5 mA sicherstellt.
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Der vorstehend beschriebene Heizblock
1 ist zwar universell einsetzbar, wird aber vorliegend ohne Beschränkung seines Einsatzbereiches für einen Einsatz in einem vergleichsweise einfach aufgebauten Durchlauferhitzer beschrieben, wie bereits Eingangs der Beschreibung der Ausführungsbeispiele angedeutet. Ein elektronisch leistungsgesteuerter Durchlauferhitzer ist am Frischwasser-Einlauf ZU mit nicht weiter dargestellten Temperaturfühler und einem Durchflusssensor versehen. Der Temperaturfühler bestimmt die Einlauftemperatur, der Durchflusssensor misst die Durchflussmenge bzw. den Volumenstrom. Bei einem einfachen Durchlauferhitzer wird ohne exakte Kenntnis einer erreichten Auslauftemperatur auf diesen Messgrößen basierend eine Leistungssteuerung in dem Heizblock
1 vorgenommen. Aufgrund der minimalen Netzrückwirkungen bzw. einer weitgehenden Flickerfreiheit wird eine Leistungssteuerung gemäß der Lehre der
DE 36 01 555 A1 in dem Block des Netzanschlusses
4 eingesetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizblock
- 2
- Außenanschluss des Heizblocks 1
- 3
- Kanal
- M
- Mittelebene des Heizblocks 1
- ZU
- Wassereinlauf
- AB
- Warmwasserauslauf
- HK1
- elektrischer Heizkörper
- HK2
- elektrischer Heizkörper
- HK3
- elektrischer Heizkörper
- HK4
- elektrischer Heizkörper
- a
- Heizkanal
- b
- Vorschaltstrecke
- c
- Nachschaltstrecke
- d
- Potentialausgleichsstrecke
- u
- Umlenkung
- dh
- Durchmesser des Heizkanals a
- dv
- Durchmesser der Vorschalt- und Nachschaltstrecken b, c
- dz
- Durchmesser der Potentialausgleichsstrecke d
- L1
- Phase eines Dreiphasensystems
- L2
- Phase eines Dreiphasensystems
- L3
- Phase eines Dreiphasensystems
- SP
- Sternpunkt
- RV
- ohmscher Begrenzungswiderstand der Vorschaltstrecken b
- RN
- ohmscher Begrenzungswiderstand der Nachschaltstrecken c
- R
- ohmscher widerstand der Korrosionsstrecke im Einlauf
- R
- ohmscher Widerstand der Korrosionsstrecke im Auslauf
- R1
- ohmscher Widerstand der Potentialausgleichsstrecke d
- R2
- ohmscher Widerstand der Potentialausgleichsstrecke d
- R3
- ohmscher Widerstand der Potentialausgleichsstrecke d
- RAE
- ohmscher Widerstand zwischen Einlauf und Auslauf