DE19542076A1 - Warmwasserspeicher, insbesondere für Brauchwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Warmwasserspeicher, insbe­ sondere für Brauchwasser, mit einem geschlossenen Spei­ cherbehälter mit einem Kaltwasserzulauf in seinem unte­ ren Bereich und einem Warmwasserablauf in seinem oberen Bereich, mit einem im Behälter aufrecht angeordneten Strömungsleitrohr und mit einem im unteren Teil des Strömungsleitrohres angeordneten Wärmetauscher, wobei kaltes Wasser aus dem radial äußeren, unteren Bereich des Behälters in den unteren Bereich des Strömungsleit­ rohres einführbar ist und wobei das Strömungsleitrohr zu­ mindest an seinem oberen Ende eine Austrittsöffnung für durch den Wärmetauscher erwärmtes Wasser aufweist.

Ein erster Warmwasserspeicher der genannten Art ist aus der CH-PS 524 115 bekannt. Bei diesem bekannten Warmwas­ serspeicher wird der Strömungsweg für die Einleitung des kalten Wassers aus dem radial äußeren, unteren Bereich des Behälters in den unteren Bereich des Strömungsleit­ rohres durch einen Ringspalt gebildet, der zwischen der Unterkante des Strömungsleitrohres und dem Boden des Speicherbehälters gebildet ist. Nachteilig besteht bei diesem Warmwasserspeicher keine Möglichkeit, mit einfa­ chen Mitteln den Strömungsquerschnitt des Strömungsweges des kalten Wassers aus dem radial äußeren, unteren Be­ reich des Behälters in den unteren Bereich des Strömungs­ leitrohres zu verändern. Zwar besteht theoretisch die Möglichkeit, den Strömungsquerschnitt durch Veränderung der Weite des Spaltes zwischen dem unteren Ende des Strömungsleitrohres und dem Boden des Speicherbehälters zu verändern, jedoch ist eine derartige Veränderung nach der Montage und Installation des Warmwasserspeichers nicht mehr möglich. Für den in der genannten Schrift vor­ gesehenen Betrieb des Warmwasserspeichers mit einem elek­ trischen Heizelement ist eine Veränderung des Strömungs­ querschnittes nicht erforderlich; bei Anwendungen des Warmwasserspeichers, bei denen die Wärmezufuhr zum Wärme­ tauscher jedoch schwankend ist, z. B. bei Versorgung durch Sonnenkollektoren, erreicht ein derartiger Warm­ wasserspeicher keinen optimalen Wirkungsgrad, weil eine Anpassung des Strömungsquerschnittes an die momentan an­ gebotene Wärmetauscherleistung nicht möglich ist.

Ein weiterer Warmwasserspeicher ist aus der DE 29 03 250 C3 bekannt. Dieser Warmwasserspeicher ist insbesondere für einen Betrieb gedacht, bei dem im Wärme­ tauscher ein Heizmedium mit nur relativ geringer Tempera­ tur und in relativ geringer Menge zur Verfügung gestellt werden kann, im vorliegenden Fall die Abwärme des Ver­ flüssigers eines Kälteaggregates. Um dennoch im oberen Teil des Warmwasserspeichers eine ausreichend hohe Was­ sertemperatur zu erreichen, ist eine Begrenzung der das Strömungsleitrohr durchströmenden Wassermenge erforder­ lich. Aus diesem Grund ist am unteren Ende des Strömungs­ leitrohres eine Öffnung für den Wassereintritt vorgese­ hen, die relativ klein bemessen ist, so daß ein genügend großer Strömungswiderstand entsteht und die Strömung ver­ langsamt ist. Außerdem soll hierdurch beim Austritt des erwärmten Wassers oben aus dem Strömungsleitrohr eine turbulenzfreie Verteilung des erwärmten Wassers erreicht werden. Auch bei diesem bekannten Warmwasserspeicher be­ steht der Nachteil, daß er nur für eine festgelegte Be­ triebsweise einen guten Wirkungsgrad erreicht. Bei Anwen­ dungen, in denen dem Wärmetauscher schwankende Wärmemen­ gen von der oder den zugehörigen Wärmequellen angeboten werden, verschlechtert sich der Wirkungsgrad wesentlich.

Es stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Warmwasser­ speicher der eingangs genannten Art zu schaffen, der die aufgeführten Nachteile vermeidet und bei dem auch bei schwankendem Wärmeangebot der Wärmequelle oder -quellen an den Wärmetauscher ein sehr hoher Wirkungsgrad er­ reicht wird, wobei gleichzeitig ein einfacher und war­ tungsfreundlicher Aufbau des Warmwasserspeichers ange­ strebt wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt erfindungsge­ mäß durch einen Warmwasserspeicher der oben genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Strömungs­ weg für die Einleitung von kaltem Wasser aus dem radial äußeren, unteren Bereich des Speicherbehälters in den unteren Bereich des Strömungsleitrohres durch eine zumin­ dest über einen Teil ihrer Länge außerhalb des Speicher­ behälters verlaufende Rohrleitung gebildet ist und daß der Strömungsquerschnitt des Strömungsweges durch ein in die Rohrleitung eingeschaltetes Regulierungselement ver­ änderbar ist.

Vorteilhaft besteht bei dem erfindungsgemäßen Warmwasser­ speicher die Möglichkeit, den Strömungsquerschnitt des Strömungsweges für die Einleitung von kaltem Wasser aus dem radial äußeren, unteren Bereich des Speicherbehäl­ ters in den unteren Bereich des Strömungsleitrohres in der gewünschten Weise zu verändern, insbesondere in Ab­ hängigkeit von dem jeweiligen Wärmeangebot, das an den Wärmetauscher von der Wärmequelle oder den Wärmequellen geliefert wird. Da das Regulierungselement außerhalb des Speicherbehälters liegt, muß es nicht für einen Betrieb unter Wasser ausgelegt sein; außerdem ist das Regulie­ rungselement auf diese Weise leicht zugänglich, z. B. für manuelle Verstellung, Wartung oder Reparatur. Da die Rohrleitung nur eine geringe Länge aufweisen muß, ist für den erfindungsgemäßen Warmwasserspeicher nur ein ge­ ringer zusätzlicher Materialaufwand und Montageaufwand nötig. Auch der Einbauraum wird durch diese zusätzliche Rohrleitung praktisch nicht vergrößert. Die Durchströ­ mung der Rohrleitung mit dem darin eingeschalteten Re­ gulierungselement stellt sich selbsttätig aufgrund des Thermosiphon-Prinzips ein, so daß hier besondere Förder­ mittel, z. B. eine Wasserpumpe, nicht nötig sind.

Der Warmwasserspeicher bietet damit bei einer einfachen Konstruktion aufgrund der Regelbarkeit der Menge des in das Strömungsleitrohr einströmenden Kaltwassers den Vor­ teil einer Anpassung der Kaltwassermenge an die momenta­ ne Leistung des Wärmetauschers, wodurch eine optimale Wärmeübertragung vom Wärmetauscher an das zu erwärmende Wasser und damit ein sehr hoher Wirkungsgrad auch bei schwankender Wärmetauscherleistung erreicht wird.

Um die Zahl der durch die Speicherbehälterwandung zu füh­ renden Rohrleitungen möglichst niedrig zu halten, ist be­ vorzugt vorgesehen, daß die zuvor beschriebene Rohrlei­ tung über einen Teil ihrer Länge mit dem Kaltwasserzu­ lauf zu einem gemeinsamen Rohrleitungsabschnitt zusammen­ gefaßt ist. Auf diese Weise kann eine Rohrdurchführung durch die Speicherbehälterwandung durch ein einfaches, außerhalb des Speicherbehälters liegendes Abzweigstück ersetzt werden.

In einer einfachen Ausgestaltung ist das Regulierungsele­ ment durch eine Blende gebildet. Mittels dieser Blende kann der Strömungsquerschnitt der Rohrleitung für die Zu­ führung des Kaltwassers in das Innere des Strömungsleit­ rohres auf einen bestimmten Wert vorab festgelegt wer­ den. Bei Bedarf kann die Blende auch ausgetauscht wer­ den, wenn ein anderer Strömungsquerschnitt erforderlich ist. Auf diese Weise ist zumindest eine Grundanpassung des Strömungsquerschnittes an die vom Wärmetauscher abge­ gebene Wärmemenge möglich.

Bevorzugt ist die Blende durch ein in einen Leitungs­ flansch eingefügtes, auswechselbares Einlegeteil gebil­ det. Diese Ausgestaltung der Blende stellt eine sehr ein­ fache und kostengünstige Konstruktion dar, bei der zudem eine Änderung des Strömungsquerschnittes sehr leicht mög­ lich ist.

Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, daß das Regu­ lierungselement des Warmwasserspeichers durch ein Ventil gebildet ist. Auf diese Weise ist eine differenziertere Anpassung des Strömungsquerschnittes möglich.

Eine einfache Ausgestaltung des zuvor erwähnten Ventils sieht vor, daß dieses manuell verstellbar ist. Diese Aus­ gestaltung ist immer dann zweckmäßig, wenn nur relativ selten eine Verstellung erforderlich ist, z. B. zwischen Winter- und Sommerbetrieb des Warmwasserspeichers.

Ergänzend oder alternativ kann das Ventil in Abhängig­ keit von der Wassertemperatur im Strömungsleitrohr selbsttätig verstellbar sein. Für den Fall, daß sowohl eine manuelle als auch eine selbsttätige, temperaturab­ hängige Verstellbarkeit vorgesehen ist, können hierfür auch zwei getrennte Ventile vorgesehen werden, wenn dies zu einer zuverlässigeren und/oder kostengünstigeren Lö­ sung führt.

Die bestmögliche Anpassung des Strömungsquerschnittes an die Wassertemperatur im Strömungsleitrohr kann dadurch erreicht werden, daß die Verstellung des Ventils linear zur Wassertemperatur erfolgt.

Um stets einen bestimmten Mindest-Strömungsquerschnitt aufrecht zu erhalten, ist vorgesehen, daß eine Verstel­ lung des Ventils erst nach dem Überschreiten einer vor­ gebbaren Mindesttemperatur des Wassers im Strömungsleit­ rohr erfolgt. Unterhalb dieser vorgebbaren Mindesttempe­ ratur bleibt dann der Strömungsquerschnitt auf einem vor­ gebbaren Mindestwert konstant; nach Überschreiten der vorgebbaren Mindesttemperatur erfolgt dann eine zunehmen­ de Öffnung des Ventils und damit eine stetige Vergröße­ rung des Strömungsquerschnitts.

Alternativ zu der temperaturabhängigen Verstellung des Ventils kann das Ventil auch in Abhängigkeit von dem im Strömungsleitrohr herrschenden Auftrieb selbsttätig ver­ stellbar sein. Auch auf diese Weise wird die gewünschte Anpassung des Strömungsquerschnitts und damit der das Strömungsleitrohr durchströmenden Wassermenge an die vom Wärmetauscher abgebbare Wärmemenge erreicht.

Das in Abhängigkeit von dem im Strömungsleitrohr herr­ schenden Auftrieb verstellbare Ventil ist bevorzugt ein Rückschlagventil, das durch eine einen maximalen Strö­ mungsquerschnitt festlegende Strömungsöffnung mit einer daran angeordneten, elastisch-flexibel auslenkbaren Ven­ tilklappe oder -zunge gebildet ist. Ein derartiges Ven­ til ist konstruktiv einfach und bietet eine zuverlässige Funktion ohne Verschleiß. Außerdem sind für die auf­ triebsabhängige Verstellung der Ventilklappe oder -zunge keine besonderen Hilfsmittel erforderlich, da sich diese Verstellung infolge der Temperaturdifferenzen und damit des Auftriebes im Wasser selbsttätig einstellt.

Schließlich ist für eine Ausführung des Warmwasserspei­ chers, dessen Wärmetauscher durch zwei oder mehr Wärme­ quellen beheizbar ist, vorgesehen, daß das Ventil zur Regulierung des Strömungsquerschnittes ein Zwei- oder Mehrwegeventil ist, dessen Wege unterschiedliche Strö­ mungsquerschnitte aufweisen und das in Abhängigkeit vom Wärmeangebot der jeweiligen Wärmequelle umschaltbar ist. Auf diese Art und Weise kann der Strömungsquerschnitt beispielsweise zwischen einem kleinen Wert, der für eine Beheizung des Wärmetauschers durch Sonnenkollektoren, und einem größeren Wert, der für eine Beheizung des Wär­ metauschers durch einen konventionellen Heizkessel geeig­ net ist, umgeschaltet werden, so daß der Wärmetausch mit dem jeweils optimalen Wirkungsgrad erfolgt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeich­ nung zeigt

Fig. 1 einen Warmwasserspeicher in einem schematischen Vertikal schnitt in einem ersten Betriebszustand und

Fig. 2 den Warmwasserspeicher aus Fig. 1 in einem zweiten Betriebszustand.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, besteht der Warm­ wasserspeicher 1 aus einem aufrecht stehenden, im wesent­ lichen zylindrischen Speicherbehälter 10, der oben und unten mit einem gewölbten Deckel bzw. Boden ausgebildet ist. Der Speicherbehälter 10 steht auf unterseitig ange­ brachten Füßen 11 und ist an seiner gesamten Außenfläche mit einer Wärmeisolierung 12 versehen, die aus Übersicht­ lichkeitsgründen nur teilweise am oberen Ende des Spei­ cherbehälters 10 zeichnerisch dargestellt ist.

Ein Kaltwasserzulauf 13 ist in Form einer Rohrleitung von außen in den unteren Bereich 10′ des Speicherbehäl­ ters 10 eingeführt; ein Warmwasserablauf 14 ist am obe­ ren Ende des Speicherbehälters 10 aus diesem heraus nach außen geführt, wobei auch der Warmwasserablauf 14 als Rohrleitung ausgeführt ist. Der Warmwasserablauf 14 führt beispielsweise zu Brauchwasser-Zapfstellen inner­ halb eines Gebäudes.

Im Inneren des Speicherbehälters 10 ist konzentrisch zu diesem ein Strömungsleitrohr 3 angeordnet, welches einen unteren Teil 30 mit einem größeren Durchmesser und einen oberen Teil 31 mit einem geringeren Durchmesser auf­ weist. Mit seinem unteren Ende steht das Strömungsleit­ rohr 3 dichtend auf einer Bodenplatte 15 auf, die lösbar am unteren Ende des Speicherbehälters 10 in dessen Boden angebracht ist.

Im unteren Teil 30 des Strömungsleitrohres 3 ist ein Wärmetauscher 2 in Form einer Rohrschlange angeordnet, der ebenfalls an der Bodenplatte 15 gehaltert ist. Ein Heizmediumvorlauf 21 sowie ein Heizmediumrücklauf 22 sind in Form von Rohrleitungen durch die Bodenplatte 15 geführt und mit dem Wärmetauscher 2 verbunden. Durch den Heizmediumvorlauf 21 und -rücklauf 22 zirkuliert ein flüssiges Heizmedium, z. B. Wasser, das durch eine Solar­ kollektoranlage und/oder einen konventionellen Heizkes­ sel beheizbar ist.

Für die Zuführung von Kaltwasser aus dem radial äußeren, unteren Bereich 10′ des Speicherbehälters 10 in den unte­ ren Bereich 30′ des Strömungsleitrohres 3 ist eine sepa­ rate Rohrleitung 4 vorgesehen, die über einen Abzweig 44 von dem Kaltwasserzulauf 13 abgezweigt ist und mit ihrem anderen Ende durch die Bodenplatte 15 geführt ist. Ober­ halb der Bodenplatte 15 endet die Rohrleitung 4 in einem Leitungsende 45, das zur Seite hin abgewinkelt ist, um eine möglichst turbulenzarme Zirkularströmung im Inneren des Strömungsleitrohres 3 zu erreichen.

In die Rohrleitung 4 ist ein Regulierungselement 40 ein­ geschaltet, hier ein manuell verstellbares Ventil. Mit­ tels des Regulierungselementes 40 kann der Strömungsquer­ schnitt der Rohrleitung 4 und damit die in das Strömungs­ leitrohr 30 eingeleitete Kaltwassermenge verändert wer­ den, insbesondere im Sinne einer Anpassung der Kaltwas­ sermenge an die vom Wärmetauscher 2 zur Verfügung ge­ stellte Wärmemenge.

Im unteren Teil 30 des Strömungsleitrohres 3 erwärmt sich das durch die Rohrleitung 4 eingeleitete Kaltwasser mittels Wärmeübergang aus dem Wärmetauscher 2 und steigt nach oben. Je nach der Temperatur des erwärmten Wassers tritt dieses durch einzelne oder mehrere der Ausström­ öffnungen 32 aus, die in unterschiedlichen Höhenlagen in dem Strömungsleitrohr 30 angebracht sind. Auf diese Wei­ se wird, wie an sich bekannt, das im Strömungsleitrohr 3 erwärmte Wasser in einer solchen Höhenlage in den Spei­ cherbehälter 10 eingeschichtet, in der schon die entspre­ chende Wassertemperatur vorliegt. Hierdurch werden Turbu­ lenzen und Durchmischungen von wärmerem und kälterem Wasser vermieden. Die höchste Wassertemperatur wird so stets im oberen Teil des Speicherbehälters 10 erreicht, von wo das Warmwasser durch den Warmwasserablauf 14 abge­ zogen werden kann.

In dem in Fig. 1 gezeigten Betriebszustand des Warmwas­ serspeichers 1 findet kein Warmwasserabzug statt. Infol­ ge des Thermosiphon-Prinzips strömt Kaltwasser aus dem unteren, radial äußeren Bereich 10′ des Speicherbehäl­ ters 10 durch die Rohrleitung 4 über das Regulierungsele­ ment 40 in den unteren Bereich 30′ des Strömungsleitroh­ res 3. Dabei wird für diese Wasserströmung der Rohrlei­ tungsabschnitt 43 des Kaltwasserzulaufs 13 mitbenutzt. Hierdurch wird eine zusätzliche Leitungsdurchführung durch die Wandung des Speicherbehälters 10 vermieden.

Fig. 2 zeigt den Warmwasserspeicher aus Fig. 1 nun in einem Betriebszustand, in welchem eine Warmwasserabnahme erfolgt. In diesem Zustand wird erwärmtes Wasser aus dem oberen Bereich des Speicherbehälters 10 durch den Warm­ wasserablauf 14 abgezogen. Das durch den Warmwasserab­ lauf 14 abgezogene Warmwasser wird durch eine gleiche Volumenmenge Kaltwasser ersetzt, das durch den Kaltwas­ serzulauf 13 in den Speicherbehälter 10 nachströmt. An dem Abzweig 44 verzweigt sich dabei das zuströmende Kalt­ wasser zum einen in den Rohrleitungsabschnitt 43, der in den radial äußeren, unteren Bereich 10′ des Speicherbe­ hälters 10 mündet, und zum anderen in die Rohrleitung 4, durch welche ein zweiter Teilstrom des Kaltwassers über das Regulierungselement 40 in den unteren Bereich 30′ des Strömungsleitrohres 3 einströmt. Auf diese Weise wird auch bei einem Abzapfen von Warmwasser aus dem Warm­ wasserspeicher 1 Kaltwasser in den unteren Bereich 30′ des Strömungsleitrohres 3 eingeleitet und dem Wärmetau­ scher 2 zugeführt, so daß auch in diesem Betriebszustand eine Wärmeabgabe aus dem Wärmetauscher 2 an zugeführtes Kaltwasser zu dessen Erwärmung erfolgt.

Claims (12)

1. Warmwasserspeicher, insbesondere für Brauchwasser, mit einem geschlossenen Speicherbehälter (10) mit einem Kaltwasserzulauf (13) in seinem unteren Be­ reich und einem Warmwasserablauf (14) in seinem obe­ ren Bereich, mit einem im Behälter (10) aufrecht an­ geordneten Strömungsleitrohr (3) und mit einem im unteren Teil (30) des Strömungsleitrohres (3) ange­ ordneten Wärmetauscher (2), wobei kaltes Wasser aus dem radial äußeren, unteren Bereich (10′) des Behäl­ ters (10) in den unteren Bereich (30′) des Strömungs­ leitrohres (3) einführbar ist und wobei das Strö­ mungsleitrohr (3) zumindest an seinem oberen Ende eine Austrittsöffnung (32) für durch den Wärmetau­ scher (2) erwärmtes Wasser aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß der Strömungsweg für die Einleitung von kaltem Wasser aus dem radial äußeren, unteren Bereich (10′) des Speicherbehälters (10) in den unteren Bereich (30′) des Strömungsleitrohres (3) durch eine zumin­ dest über einen Teil ihrer Länge außerhalb des Spei­ cherbehälters (10) verlaufende Rohrleitung (4) gebil­ det ist und daß der Strömungsquerschnitt des Strö­ mungsweges durch ein in die Rohrleitung (4) einge­ schaltetes Regulierungselement (40) veränderbar ist.

2. Warmwasserspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rohrleitung (4) über einen Teil ihrer Länge mit dem Kaltwasserzulauf (13) zu einem gemeinsamen Rohrleitungsabschnitt (43) zusammenge­ faßt ist.

3. Warmwasserspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Regulierungselement (40) durch eine Blende gebildet ist.

4. Warmwasserspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blende durch ein in einen Leitungs­ flansch eingefügtes, auswechselbares Einlegeteil ge­ bildet ist.

5. Warmwasserspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Regulierungselement (40) durch ein Ventil gebildet ist.

6. Warmwasserspeicher nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ventil manuell verstellbar ist.

7. Warmwasserspeicher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil in Abhängigkeit von der Wassertemperatur im Strömungsleitrohr (3) selbst­ tätig verstellbar ist.

8. Warmwasserspeicher nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verstellung des Ventils linear zur Wassertemperatur erfolgt.

9. Warmwasserspeicher nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstellung des Ventils erst nach dem Überschreiten einer vorgebbaren Min­ desttemperatur des Wassers im Strömungsleitrohr (3) erfolgt.

10. Warmwasserspeicher nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ventil in Abhängigkeit von dem im Strömungsleitrohr (3) herrschenden Auftrieb selbsttätig verstellbar ist.

11. Warmwasserspeicher nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ventil ein Rückschlagventil ist, das durch eine einen maximalen Strömungsquerschnitt festlegende Strömungsöffnung mit einer daran angeord­ neten, elastisch-flexibel auslenkbaren Ventilklappe oder -zunge gebildet ist.

12. Warmwasserspeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei der Wärmetauscher (2) durch zwei oder mehr Wärmequellen beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein Zwei- oder Mehrwegeventil ist, dessen Wege unterschiedliche Strömungsquerschnitte aufweisen und das in Abhängigkeit vom Wärmeangebot der jeweiligen Wärmequelle umschaltbar ist.