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Die
Erfindung betrifft einen Warmwasserschichtspeicher zur Speicherung
von Wärme
beziehungsweise Abwärme,
beispielsweise aus Sonnenkollektoren, aus Festbrennstoffkesseln,
Kühlanlagen, Klimaanlagen,
Blockheizkraftwerken, Produktionsprozessen, Biowärmeprozessen, Grund – oder Grubenwasser
und anderes mehr, sowie zur Entnahme von Wärme beispielsweise für die Erwärmung von Brauchwasser
und/oder für
Heizzwecke.
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Bei
derartigen Warmwasserschichtspeichern soll einerseits innerhalb
kürzester
Zeit nach der Inbetriebnahme heißes Brauchwasser aus dem Speicher abgezogen
werden können.
Andererseits sollen derartige Speicher aber auch große Energiemengen speichern
können.
Daher war es das Ziel einer Vielzahl von Erfindungen beim Beladen
des Speichers eine Durchmischung von heißen Anteilen mit den kälteren Anteilen
des gespeicherten Wassers zu verhindern. So wird bereits in der
DE 27 51 265 A1 ein Warmwasserschichtspeicher
mit einem Leitrohr beschrieben, welches von unten beschickt wird
und in verschiedenen Höhen
mit in den Tank führenden Öffnungen
versehen ist. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß sich das
aufsteigende heiße
Wasser mit kälterem
Wasser vermischt, welches wegen des Dichteunterschiedes durch die Öffnungen
des Leitrohres in dieses hineinfällt.
Um diesen Nachteil zu beseitigen hat man bereits in der
DE 39 05 874 C2 ein
von unten beschicktes Leitrohr vorgesehen, welches auf verschiedenen
Höhen mit
Auslässen
versehen ist, die mit Klappenventilen verschlossen sind. Diese Klappenventile
führen
auf Grund ihrer Beabstandung einerseits zu einer Durchmischung des Speicherwassers
in den einzelnen, durch die Kiappenabstände vorgegebenen, Speicherzonen
und sind andererseits wegen ihrer filigranen Bauart störanfällig, Darüber hinaus
kann ihre Funktionsicherheit bei geschlossenem Speicher nur schwer überprüft werden.
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In
der
DE 41 19 542
C1 wird nun zur Beschickung eines Warmwassersschichtspeichers
die Anordnung eines im Leitrohr befindlichen Einspeiserohres vorgeschlagen,
welches bis in die mittlere Höhe des
Leitrohres reicht, dabei sind die Öffnungen im Leitrohr nur unterhalb
der Einspeisestelle angeordnet. Dies hat insbesondere in der „Startphase" den Nachteil, daß das angewärmte Wasser
nicht nach oben austreten kann und durch die ersten Öffnungen in
das im Behälter
anstehende kalte Wasser austreten muß. Beim Aufsteigen dieses „ersten" Warmwassers entsteht
im Behälter
sehr viel Mischwasser. Daher kann erst relativ lange Zeit nach der
Inbetriebnahme heißes
Brauchwasser aus dem Speicher abgezogen werden.
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Im
DE 297 05 642 U1 wird ein
druckloser Wärmespeicher
mit zwei im Speicher angeordneten gelochten Rohren vorgestellt.
Eines dieser beiden gelochten Rohre, das Fallrohr, durchläuft den
Wärmespeicher
diagonal von oben nach unten, und das andere der beiden gelochten
Rohre ist waagrecht im unteren Teil des Wärmespeichers, in der „kältesten Schicht" angeordnet.
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Am
Fallrohr oben ist außerhalb
des Speichers die Wärmezufuhr
in den Speicher, bzw. der Wärmeentzug
aus dem Speicher vorgesehen.
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Ebenfalls
außerhalb
des Speichers ist unten, am unteren waagrecht angeordneten gelochten
Rohr der Abzug des zum Anreichern mit Wärmeenergie versehenen Speichermediums,
bzw. der Zulauf des an Wärmeenergie
verarmten Speichermediums vorgesehen.
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Im
Gegensatz zu den vorgenannten Wärmespeichern
erfolgt bei dieser Bauform nach dem
DE 297 05 642 U1 nicht nur die Wärmezufuhr
in den Speicher, sondern auch die Wärmeentnahme aus dem Speicher
direkt und nicht über
einen außerhalb des
Speichers angeordnete Wärmetauscher.
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Dieser
im
DE 297 05 642 U1 vorgestellte Speicher
benötigt
jedoch eine sehr lange Aufheizzeit, so daß erst wesentliche Zeit nach
der Inbetriebnahme heißes
Brauchwasser aus dem Speicher abgezogen werden kann.
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Dabei
führt die
in diesem Gebrauchsmuster vorgestellte Anordnung bei der Wärmeentnahme zwangsläufig zu
einer Schichtvermischung welche in der Injektorförderwirkung begründet ist
die durch den Sog der Pumpe am gelochten Rohr hervorgerufen wird.
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Zudem
wird bei der Wärmeentnahme zwangsläufig auch
stets kälteres
Wasser mit in das gelochte Fallrohr eingesaugt. Dies führt zu einer schlechten
Gesamtwärmebilanz
bei verhältnismäßig geringem
Wärmeangebot.
Darüber
hinaus hat die vg. Anlage neben einer kostenaufwändigen Beladetechnik den wesentlichen
Nachteil, daß in
den Wärmespeicher
nicht gleichzeitig Warmwasser eingelagert und Wärme entnommen werden kann.
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Darüber hinaus
bedingt der wärmeleitende Metallmantel
einem Wärmetransport,
dies wiederum führt
zu einer laminaren Strömung
und damit zu einer Durchmischung der Warmwasserschichten insbesondere
in den wandnahen Speicherbereichen.
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Aus
der
DE 295 06 172
U1 ist weiterhin ein Warmwasserschichtspeicher bekannt,
in dessen Außenspeicherbehälter ein
sich nach unten verjüngender
Innenbehälter
(Brauchwasserspeicher) angeordnet ist, der bis zum unteren Drittel
bzw. tiefer in den Pufferspeicher reicht, wobei dessen Kaltwasserzulauf
im unteren Bereich des Brauchwasserspeichers und dessen Warmwasserentnahme
im oberen Bereich des Brauchwasserspeichers jeweils parallel zur Wandung
des Innenbehälters
derart angeordnet ist, daß bei
der Wasserentnahme die Strömung
des Wassers an beiden (Öffnungen
die gleiche Drehrichtung aufweist.
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Die
Ein- bzw. Austrittsöffnungen
des Außenspeicherbehälters sind
nach der
DE 295 06
172 U1 im Speicherinnern mit Einströmtöpfen versehen, die nur nach einer
Seite waagerecht offen sind und nach oben, unten und zum Speicherinnern
hin geschlossen sind.
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Daher
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen drucklosen Warmwasserschichtspeicher
zu entwickeln, welcher sich durch einen einfachen mechanischen Aufbau,
eine hohe Zuverlässigkeit
sowie eine sicherere Schichtspeicherung sowohl beim Beladen mit
Warmwasser wie auch bei der Warmwasserentnahme auszeichnet und der
darüber hinaus
unmittelbar nach der Inbetriebnahme des Speichers parallel zum Beladevorgang
den Abzug von Wärmeenergie
aus dem Speicher ermöglicht. Dabei
sollen im Speicher vom Wärmeangebot
abhängig,
unterschiedliche exakt geschichtete Temperaturzonen aufgebaut und
optimal mit höchstem
Wirkungsgrad nutzbar gemacht werden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch einen Warmwasserschichtspeicher mit den Merkmalen
gemäß des Anspruches
1 gelöst.
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Erfindungswesentlich
ist dabei, daß in
einem drucklosen Speicherbehälter,
beispielsweise schwimmend, mindestens ein zweiter kleinerer Schnellaufheizbehälter angeordnet
ist durch dessen Behälterboden
ein am oberen Einlaß mit
einem Beruhigungsstück
versehenes gelochtes Leitrohr bis zum Behälterboden des großen Speicherbehälters ragt.
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Durch
die drucklose Speicherung können sehr
große
Speicherkapazitäten
geschaffen werden, die sowohl überirdisch
wie auch unterirdisch angeordnet werden können. Derartige große Speicher
haben nun den Nachteil, daß diese
eine sehr lange Zeit benötigen
um eine verwertbare Schichtung aufzubauen.
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Doch
auf Grund der erfindungsgemäßen Lösung wird
in Verbindung mit dem nachfolgend noch beschriebenen Beruhigungsstück gewährleistet,
daß das
in den Behälter
eingespeiste warme Wasser zunächst
ohne Strömungsbewegung
in das gelochte Leitrohr eintritt. Hier ist ausschließlich die reine
temperaturbedingte Dichte des Wassers dafür verantwortlich, wie weit
das Wasser auf Grund der bereits im Speicher vorhandenen Temperaturschichtung
im gelochten Leitrohr absinkt und auf dem zugehörigen Temperaturniveau durch
die Öffnungen
in der Wandung des Leitrohres in den Speicher eintritt.
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Da
das gelochte Leitrohr mit seinem oberen Bereich in einem kleineren
Behälter
dem Schnellaufheizbehälter
angeordnet ist, tritt das wärmste
Wasser nun zuerst in den „kleinen" Schnellaufheizbehälter ein.
Auf Grund des viel kleineren Volumens im Schnellaufheizbehälters steht
hier bereits nach sehr kurzer Zeit eine verwertbare Wärmeenergie
zur Verfügung.
Mittels diesem erfindungsgemäßen „Speicher
im Speicher System" wird
somit der Sättigungsgrad
bereits nach sehr kurzer Beladezeit erreicht.
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Kennzeichnend
ist auch, daß sich
am Boden des großen
Speicherbehälters
eine Ansaugglocke mit einem wärmeisolierten
Wasserentnahmerohr befindet.
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Diese
Ansaugglocke ermöglicht
einen wasserberuhigten Abzug des kältesten Speicherwassers.
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Da
sich beim Abzug des kalten Wassers zwangsläufig das Wasserentnahmerohr
abkühlt,
ist dieses erfindungsgemäß wärmeisoliert
um den Aufbau einer laminaren Strömung an dem durch warme Schichten
führenden
Wasserentnahmerohr zu vermeiden.
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Da
insbesondere ohne den Anschluß eines Verbrauchers
nach kurzer Zeit der Sättigungsgrad
im Schnellaufheizbehälter
erreicht ist, ist es erfindungswesentlich, daß in den Seitenwänden des
Schnellaufheizbehälters,
in unmittelbarer Nähe
des Behälterbodens
des Schnellaufheizbehälters,
ein oder mehrere gelochte Steigrohre angeordnet sind, die in den
den Schnellaufheizbehälter
umgebenden großen
Speicherbehälter
hineinragen.
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Bei
Einlagerung von immer wärmeren
beziehungsweise immer mehr warmen Wasser kann durch diese erfindungsgemäße Anordnung
die unterste Wasserschicht aus dem Schnellaufheizbehälter in den
großen
Speicherbehälter
aufsteigen und entsprechend seiner temperaturabhängigen Dichte aus dem gelochten
Steigrohr in die zugehörige
Wärmeschicht
des großen
Speicherbehälters
eintreten.
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Da
in der Regel bereits gleichzeitig mit der Wärmespeicherung auch eine Wärmeentnahme
erfolgen soll, beispielsweise Brauchwassererwärmung und/oder Heizung während gleichzeitig
Solarwärme gespeichert
wird, befinden sich im Schnellaufheizbehälter erfindungsgemäß ein oder
mehrere Wärmetauscherrohre
mit jeweils einem darin angeordnetem Wärmetauscher. Dabei kann ein
Wärmetauscher
beispielsweise für
Brauchwasser und ein anderer zu Heizzwecken, beispielsweise erfindungsgemäß auch über eine
Wärmepumpe,
genutzt werden.
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Kennzeichnend
ist dabei, daß das
Wärmetauscherrohr
am oberen Rand mit schwimmergeregelten Einströmschlitzen und am unteren Rand
mit Durchlaßöffnungen
versehen ist, wobei sich im Boden jedes dieser Wärmetauscherrohre ein gelochtes Fallrohr
befindet, welches durch den Behälterboden des
Schnellaufheizbehälters
bis zum Behälterboden des
großen
Speicherbehälters
ragt.
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Dadurch
wird erfindungsgemäß bewirkt,
daß die über die
schwimmergeregelten Einströmschlitze beruhigt
aus dem Schnellaufheizbehälter
in den Wärmetauscher
eingeleitete wärmste
Wasserschicht ihre Wärmeenergie über die
im erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohr
angeordneten Wärmetauscher
beispielsweise an das den Wärmetauscher
durchströmende
Brauchwasser abgibt.
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Wären die
Wärmetauscher
nicht erfindungsgemäß in Wärmetauscherrohren,
sondern beispielsweise frei im Speicher angeordnet, so würde die
erfindungsgemäß aufgebaute
Wärmeschichtung
bereits nach kürzester
Zeit durch die zwangsläufig
eintretende laminare Strömung
am Wärmetauscher
zerstört.
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Das
in dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohr
abgekühlte
Wasser kann nun entweder aus den Durchlassöffnungen des Wärmetauscherrohres
in den Schnellaufheizbehälter
eintreten, oder wird durch das erfindungsgemäß unterhalb des Schnellaufheizbehälters angeordnete
Fallrohr in die tiefer gelegenen Schichten des Speicherbehälters eingeleitet.
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Dadurch
wird gewährleistet,
daß bei
sehr stark im Wärmetauscher
abgekühlten
Wasser dieses den Wärmetauscher
nicht „verstopft", sondern sofort auf
sein temperaturbedingtes Wärmeniveau
im großen
Speicherbehälter
absinkt und dort durch die erfindungsgemäßen Bohrungen im Fallrohr in
die zugeordnete Schichtung im Speicher eintreten kann.
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Wesentlich
ist dabei weiterhin, daß sowohl im
Bereich der Wasseroberfläche
des großen Speicherbehälters wie
auch am Behälterboden
des Schnellaufheizbehälters
jeweils mindestens ein Thermosensor angeordnet ist.
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Somit
ist es möglich,
ständig
die Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Meßstellen
zu erfassen und im Bedarfsfall warmes Oberflächenwasser aus dem großen Speicherbehälter in
den Schnellaufheizbehälter
einzuschichten.
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Erfindungsgemäß ist dafür im Bereich
der Wasseroberfläche
ein (oder mehrere) schwimmergeregelter Ansaugbehälter mit jeweils vorzugsweise
einem Ansaugrohr angeordnet, der wie später noch beschrieben, ein wasserberuhigtes
Abziehen der wärmsten
Schicht des großen
Speicherbehälters
ermöglicht.
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Das
in diesem Ansaugbehälter
angeordnete Ansaugrohr ist erfindungsgemäß über eine Pumpe mit einem oder
mehreren im Schnellaufheizbehälter angeordneten,
wiederum am oberen Ende (dem Wassereintritt) mit einem Beruhigungsstück versehenen
und bis zum Behälterboden
des Schnellaufheizbehälters
reichenden, gelochten Sinkrohr verbunden. Dieses erfindungsgemäße Sinkrohr
gewährleistet eine
exakte Einleitung des wärmsten
Wassers aus dem großen
Speicherbehälter
auf Grund dessen temperaturbedingeten Dichte in die zugehörige „Wärmeschicht" des Schnellaufheizbehälters.
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Für das Funktionieren
des erfindungsgemäßen Warmwasserschichtspeichers
ist dabei die „beruhigte" Wassereinleitung
in den Speicherbehälter von
ausschlaggebender Bedeutung.
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Nachfolgend
wird daher das erfindungsgemäße Beruhigungsstück, welches
sowohl an der Eintrittsöffnung
des Leitrohres wie auch an der Eintrittsöffnung des Sinkrohres angeordnet
ist, näher
beschrieben werden.
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Dieses
erfindungsgemäße Beruhigungsstück besteht
aus einem unterhalb der Wasseroberfläche angeordnetem Mantelrohr
in dem ein, das Mantelrohr überragendes
und gleichzeitig zumindest teilweise in das Mantelrohr hineinragendes,
Auffangrohr mit einer gelochten Bodenplatte angeordnet ist, an dessen
oberen Ende sich ein Eintrittsrohr befindet, im Auffangrohr ist
ein von der gelochten Bodenplatte beabstandeter Auffangzylinder
angeordnet. Das aus einer beliebigen Wärmequelle kommende Warmwasser
fällt im
freien Einlauf über
das Eintrittsrohr in den teilweise oberhalb des Wasserspiegels angeordneten
Auffangzylinder. Aus diesem Auffangzylinder läuft nun das Wasser über einen
zwischen Auffangzylinder und Auffangrohr angeordneten Ringspalt
auf die mit Durchgangsbohrungen versehene Bodenplatte.
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Erfindungswesentlich
ist weiterhin, daß unterhalb
der gelochten Bodenplatte des Auffangrohres sich ein Kesselinnenrohr
befindet, welches in einen zentrisch im Mantelrohr angeordneten
Kessel mündet.
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Das
durch die Durchgangsbohrungen der Bodenplatte hindurch tretende
Wasser sinkt nun in den Kessel und muß im Ringspalt zwischen innerer Kesselwandung
und Kesselinnenrohr wieder fast bis auf das Niveau der Bodenplatte
aufsteigen, und über einen
dort angeordneten Überlauf
in den Ringspalt zwischen äußerer Kesselwandung
und Mantelrohr eintreten.
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Dabei
ist es erfindungswesentlich, daß unterhalb
des Kessels ein Anschlußrohr
angeordnet ist, welches den vom Kesselboden deutlich beabstandeten
unteren Abschlußring
des Mantelrohres überragt, wobei
in unmittelbarer Nähe
des Kesselbodens, im Anschlußrohr
Einlauföffnungen
angeordnet sind.
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Auf
Grund dieser erfindungsgemäßen Anordnung
kann nun das in den Behälter
einzuleitende Wasser auf den zwischen Anschlußrohr und Mantelrohr angeordneten
Abschlußring
absinken, wird dort umgelenkt und tritt über die nahe unterhalb des
Kesselbodens im Anschlußrohr
angeordneten Einlauföffnungen
in das Innere des Anschlußrohres
ein.
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Da
sich dieser beschriebene Weg des Wassers ab dem „Überlaufen" des Auffangzylinders unterhalb des
Wasserspiegels im Schnellheizzylinder vollzieht, handelt es sich
um einen Verdrängungsprozess
bei dem dem Wasser vollständig
die einleitungsbedingte Strömungsenergie
entzogen wird, so daß das
Wasser nun vollständig
beruhigt in das zugeordnete Leitrohr oder Sinkrohr eintritt und
nur noch auf Grund seiner temperaturbedingten Dichte auf das entsprechende
Temperaturniveau im Speicher absinkt.
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Wesentlich
ist weiterhin, daß das
Leitrohr, das Steigrohr, das Fallrohr und das Sinkrohr in radialer
Richtung mit jeweils vorzugsweise um 90° versetzt und zueinander um
etwa den Lochdurchmesser beabstandet angeordneten Wasseraustrittsbohrungen
versehen ist, an denen vom Rohr weggerichtet kurze dem jeweiligen
Bohrungsdurchmesser entsprechende, offene Rohransatzstücke angeordnet sind.
Diese erfindungsgemäße Anordnung
von kurzen in den jeweiligen Behälterraum
gerichteten, offenen Rohransatzstücken bewirkt das Entstehen
von scheibenförmigen „Wasserberuhigungszonen" unmittelbar in jeder
Lochöffnung.
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Diese „Wasserberuhigungszonen" dienen der Verhinderung
einer Injektorförderwirkung,
auf Grund der dichtebedingten Strömung im Rohr, wodurch beispielsweise
im Leit –,
Fall – oder
Sinkrohr heißes
Wasser aus dem oberen Speichervolumen mit in den unteren Speicherbereich
gerissen werden könnte,
oder im Steigrohr kälteres
Wasser aus dem unteren in den oberen Speicherbereich gefördert würde. Gleichzeitig
dienen diese offenen Rohransatzstücken in Verbindung mit der
sehr kurze Beabstandung der Austrittsöffnungen einem leichten und definierten
Wasseraustritt und somit einer sehr exakte Temperaturschichtung
des Speicherwassers.
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Gleichzeitig
gewährleisten
die erfindungsgemäßen Rohransatzstücke, selbst
bei der doch sehr kurzen Beabstandung der erfindungsgemäßen Austrittsöffnungen,
die mechanische Stabilität
der verwendeten Rohre.
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Ein
weiteres Merkmal der Erfindung ist es, daß die Behälterwandung und der Behälterboden des
Schnellaufheizbehälters
beidseitig wärmeisoliert sind.
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Diese
beidseitige Wärmeisolation
verhindert einerseits den Wärmeübergang
aus dem Schnellaufheizbehälter
in den großen
Speicherbehälter
und verhindert gleichzeitig den Aufbau einer laminare Strömungen entlang
der jeweiligen Behälterwand
auf Grund von Temperaturunterschieden längs der Behälterhöhe.
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Ebenso
ist kennzeichnend, daß die
Behälterwandung
des großen
Speicherbehälters
insbesondere nach innen wärmeisoliert
ist.
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Auch
dies dient ebenso der Vermeidung von Wärmeverlusten durch den Aufbau
einer temperaturdifferenzbedingten laminaren Strömungen entlang der Behälterwandung.
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Da
sich der Wasserspiegel in den Behältern beispielsweise auch temperaturbedingt
ständig
verändert,
ist es für
einen exaken „Abzug" der jeweils wärmstem Temperaturschicht
des zugeordneten Behälters
erfindungswesentlich, daß in
der Behälterwandung
der schwimmergeregelten Ansaugbehälter beziehungsweise in der
Behälterwandung
der Wärmetauscherrohre
Einströmschlitz/e
angeordnet sind, und sich an der jeweils zugeordneten Behälteraußenwand
diesem/n Einströmschlitz/en
zugeordnete Verschlußklappe/n
befinden, in/an denen jeweils ein geneigt in den zugeordneten Behälterinnenraum
hineinragendes Einströmrohr
angeordnet ist, wobei an der Verschlußklappe und/oder am Einströmrohr ein Schwimmer
angeordnet ist.
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Diese
erfindungsgemäße Anordnung
bewirkt, daß mittels
des Schwimmers stets die „Abzugshöhe" im Behälter dem
jeweiligen Wasserstand angepaßt
wird. Die außen
am Behälter
verschiebbar angeordneten Verschlußklappen verhindern ein „Abkippen" derselben von der
Behälterwandung
während
des „Warmwasserabzuges" und einen durch dieses „Abkippen" bedingten Zufluß von Speicherwasser
aus tiefer gelegenen Temperaturschichten.
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Ein
wesentliches Merkmal dieser schwimmergeregelten Absaugvorrichtung
ist dabei, daß die Eintrittsöffnung des
Einströmrohres
gegenüber
der Wasseroberfläche
geneigt ist, wobei der Schwimmer so bemessen ist, daß die behälternahe
höchste
Kante des Einströmrohres
gerade die Wasseroberfläche durchdringt.
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Somit
wird von der behälternahen,
höchsten Kante
des Einströmrohres
die Oberflächenspannung der
abzusaugenden Wasserfläche
gebrochen, so daß die
abzuziehende Wasserschicht in die nach unten gegenüber der
Wasseroberfläche
geneigt angeordnete Eintrittsöffnung
des Einströmrohres „wirbelfrei" einströmen kann.
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Darüber hinaus
zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung dadurch
aus, daß das
untere Ende des im Ansaugbehälter
angeordneten Saugrohres, gegenüber
dem Boden des Ansaugbehälters,
geneigt angeordnet ist.
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Dies
bewirkt nun ein definiertes Ansaugen des im Ansaugbehälter befindlichen
Wassers bei minimalem Strömungswiderstand.
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Mittels
der Gesamtheit der erfindungsgemäßen Lösung ist
es nun möglich,
in einem Speicher drei exakt definierte Temperaturzonen aufzubauen und
die in diesen Temperaturzonen gespeicherte Wärmeenergie optimal mit höchstem Wirkungsgrad zu
nutzen. Diese Temperaturzonen sind einerseits die Hochtemperaturzone
im Schnellaufheizbehälter, die
Niedertemperaturzone im Bereich des großen Speicherbehälters um
die Schnellaufheizzone herum und die Tieftemperaturzone im großen Speicherbehälter unterhalb
der Bodenebene des Schnellaufheizbehälters.
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Nachfolgend
soll nun die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung
mit vier Figuren näher
erläutert
werden.
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Dabei
zeigen:
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1:
eine Draufsicht auf eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Warmwasserschichtspeichers;
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2:
die Seitenansicht des erfindungsgemäßen Warmwasserschichtspeichers
gemäß 1 im
Schnitt bei A-A;
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3:
schematische Schnittdarstellung des im erfindungsgemäßen Warmwasserschichtspeicher eingesetzten
Beruhigungsrohres;
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4:
schematische Schnittdarstellung des im erfindungsgemäßen Warmwasserschichtspeicher eingesetzten
Absaugbehälters
in der Seitenansicht;
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Wie
in der 1 dargestellt befindet sich in einem mit Wasser
gefüllten
Speicherbehälter 1 ein schwimmend
angeordneter Schnellaufheizbehälter 2 aus
schlecht wärmeleitenden
Material, beispielsweise mit einer doppelwandigen, mit PUR ausgeschäumten PE – Hülle. Aus
Gründen
einer übersichtlichen
Darstellung wurden für
das vorliegende Ausführungsbeispiel
eine zylindrische Bauformen ausgewählt. Dabei könnte der
Speicherbehälter 1 welcher innen
wärmeisoliert
ist, beispielsweise einen Durchmesser von 2 m wie auch eine Höhe von 2
m haben. Im zugehörigen,
beispielsweise 75 cm hohen Schnellaufheizbehälter 2 mit einem Durchmesser
von beispielsweise ca. 75 cm ist mittig ein bis zum Behälterboden
des Speicherbehälter 1 reichendes
gelochtes Leitrohr 3 angeordnet. Die Wasserentnahme erfolgt aus
dem Bodenbereich des Speicherbehälters 1 über ein
teilweise in der Wärmeisolation
des Schnellaufheizbehälters
verlegtes Wasserentnahmerohr 4. Dabei dienen die angesprochenen
Maßnahmen
zur Wärmeisolationen
der Vermeidung von Wärmeverlusten,
und der Vermeidung des Aufbaues von laminaren Strömungen in
den Behältern.
Zur Wärmeentnahme
sind im Schnellaufheizbehälter 2 beispielsweise
zwei Wärmetauscherrohre 5 angeordnet,
wobei beispielsweise eines zur Erwärmung von Brauchwasser und
das andere für
Heizzwecke (beispielsweise auch über
eine Wärmepumpe)
genutzt werden kann.
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Wird
von der Solaranlage beispielsweise so viel Warmwasser angeboten,
daß das
Speichervolumen des Schnellaufheizbehälters nicht mehr ausreicht
um das angebotene Warmwasser aufzunehmen, kann dieses über die
gelochten Steigrohre 6 in den oberen Speicherbereich des
Speicherbehälters 1 eingelagert
werden.
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Ist
hingegen das im oberen Speicherbereich des Speicherbehälters 1 eingelagerte
Warmwasser wärmer
als die untere Schicht des im Schnellaufheizbehälters befindlichen Wassers,
so kann mittels einer Pumpe über
eine Ansaugbehälter 8 dieses
wärmere Wasser
mittels der gelochten Sinkrohre 7 in den Schnellaufheizbehälter eingeschichtet
werden.
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Die 2 zeigt
nun den erfindungsgemäßen Warmwasserschichtspeichers
gemäß 1 im Schnitt
bei A-A.
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In
einem drucklosen Speicherbehälter 1 ist schwimmend
der zweite kleinere Schnellaufheizbehälter 2 angeordnet,
durch dessen Behälterboden
ein am oberen Einlaß mit
einem Beruhigungsstück 14 versehenes
gelochtes Leitrohr 3 bis zum Behälterboden des großen Speicherbehälters 1 ragt.
Ein wesentliches Merkmal des gelochten Leitrohres 3, aber auch
des Steigrohres 6, des Fallrohres 9 und des Sinkrohr 7 mit
beispielsweise jeweils einem Innendurchmesser von ca. 50 mm ist,
daß diese
Rohre wie in der 2 dargestellt, in radialer Richtung
mit jeweils vorzugsweise um 90° versetzt
und zueinander um etwa den Lochdurchmesser von ca. 15 mm beabstandet,
angeordneten Wasseraustrittsbohrungen versehen sind. An diesen Wasseraustrittsbohrungen sind
erfindungsgemäß offene,
vom Rohr weggerichtete, kurze dem jeweiligen Bohrungsdurchmesser entsprechende
beispielsweise ca. 6 mm lange Rohransatzstücke angeordnet. Diese Anordnung
der kurzen in den jeweiligen Behälterraum
gerichteten Rohransatzstücke
bewirkt das Entstehen von scheibenförmigen „Wasserberuhigungszonen" unmittelbar in jeder
der Lochöffnungen.
Diese „Wasserberuhigungszonen" dienen erfindungsgemäß insbesondere der
Verhinderung einer Injektorförderwirkung,
wobei auf Grund der dichtebedingten Strömung im Rohr, beispielsweise
im Leitrohr 3, im Fallrohr 9 oder im Sinkrohr 7 heißes Wasser
aus dem oberen Speichervolumen mit in den unteren Speicherbereich
mit gerissen werden könnte,
oder im Steigrohr 6 kälteres Wasser
aus dem unteren in den oberen Speicherbereich gefördert würde.
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Darüber hinaus
dienen diese offenen Rohransatzstücke in Verbindung mit der sehr
kurzen Beabstandung der Austrittsöffnungen einem leichten und
definierten Wasseraustritt und somit gleichzeitig einer sehr exakten
Temperaturschichtung des Speicherwassers. Zudem gewährleisten
aber die erfindungsgemäßen Rohransatzstücke selbst
bei der sehr kurzen Beabstandung der Austrittsöffnungen gleichzeitig auch
die mechanische Stabilität
der verwendeten Rohre.
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Durch
das im Zusammenhang mit der 3 nachfolgend
noch näher
beschriebene Beruhigungsstück 14 wird
gewährleistet,
daß das
in den Behälter eingespeiste
warme Wasser zunächst
ohne Strömungsbewegung
in das erfindungsgemäß gelochte Leitrohr 3 eintritt.
In diesem Leitrohr 3 ist nun ausschließlich die reine temperaturbedingte
Dichte des Wassers dafür
verantwortlich, wie weit das Wasser auf Grund der bereits im Speicher
vorhandenen Temperaturschichtung im gelochten Leitrohr absinkt und auf
diesem zugehörigen
Temperaturniveau durch die mit Rohransatzstücken versehene Öffnungen
des Leitrohres 3 definiert geschichtet in den Speicher
eintritt.
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Da
das erfindungsgemäß gelochte
Leitrohr 3 mit seinem oberen Bereich im Schnellaufheizbehälter 2 angeordnet
ist, tritt das wärmste
Wasser nun zuerst in den „kleinen" Schnellaufheizbehälter 2 ein. Bereits
nach sehr kurzer Zeit steht daher in diesem Schnellaufheizbehälter 2 eine
verwertbare Wärmeenergie
zur Verfügung.
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Am
Boden des großen
Speicherbehälters 1 ist
eine Ansaugglocke 13 angeordnet, welche einen wasserberuhigten
Abzug des kältesten
Speicherwassers ermöglicht.
Das wärmeisoliert
Wasserentnahmerohr 4 kann, wie beispielsweise in der 2 dargestellt,
durch die Wandung des Schnellaufheizbehälters 2 hindurchgeführt werden.
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Da
bei sehr schneller Beladung bereits nach kurzer Zeit ein Sättigungszustand
im Schnellaufheizbehälter
erreicht ist, sind wie in der 2 dargestellt, in
den Seitenwänden
des Schnellaufheizbehälters 2, in
unmittelbarer Nähe
des Behälterbodens
des Schnellaufheizbehälters,
ein oder mehrere erfindungsgemäß gelochte
Steigrohre 6 angeordnet, die in den den Schnellaufheizbehälter 2 umgebenden großen Speicherbehälter 1 hineinragen.
Bei Einlagerung von immer wärmeren
beziehungsweise immer mehr warmen Wasser kann nun über diese
Steigrohre 6 stets die unterste Wasserschicht aus dem Schnellaufheizbehälter 2 in
den großen
Speicherbehälter 1 aufsteigen
und entsprechend ihrer temperaturabhängigen Dichte aus dem erfindungsgemäß gelochten
Steigrohr 6 in die zugehörige Wärmeschicht des großen Speicherbehälters 1 eintreten.
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Da
in der Regel bereits gleichzeitig mit der Wärmespeicherung auch eine Wärmeentnahme möglich sein
soll, beispielsweise für
Brauchwassererwärmung
und/oder Heizung auch mittels einer Wärmepumpe, befinden sich im
Schnellaufheizbehälter
zwei Wärmetauscherrohre 5 mit
jeweils einem darin angeordnetem Wärmetauscher 10. Dabei
kann der eine Wärmetauscher
für Brauchwassererwärmung und
der andere Wärmetauscher
zu Heizzwecken genutzt werden.
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Am
oberen Rand ist das erfindungsgemäße Wärmetauscherrohr 5 mit
schwimmergeregelten Einströmschlitzen 11 versehen.
Diese arbeiten analog dem in der 4 im Zusammenhang
mit dem Ansaugbehälter
beschriebenen Wirkprinzip. Am unteren Rand befinden sich im Wärmetauscherrohr 5 Durchlaßöffnungen 12 und
im Boden jedes dieser Wärmetauscherrohre 5 ist
ein Fallrohr 9 angeordnet, welches wiederum erfindungsgemäß gelocht
ist und durch den Behälterboden
des Schnellaufheizbehälters 2 bis
zum Behälterboden
des großen
Speicherbehälters 1 ragt.
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Über die
schwimmergeregelten Einstömschlitze 11 wird
erfindungsgemäß stets
die wärmste Wasserschicht
beruhigt aus dem Schnellaufheizbehälter 2 abgezogen und
in das Wärmetauscherrohr eingeleitet.
Dort übertragen
die im erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohr 5 angeordneten
Wärmetauscher 10 die
Wärmeenergie
beispielsweise an das den Wärmetauscher 10 durchströmende Brauchwasser.
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Diese
spezielle erfindungsgemäße Anordnung
des Wärmetauschers 10 in
einem Wärmetauscherrohr 5 bewirkt,
daß die
erfindungsgemäß im Schnellaufheizbehälter aufgebaute
Wärmeschichtung
nicht durch eine, ohne das erfindungsgemäße Wärmetauscherrohr zwangsläufig sonst
im Schnellaufheizbehälter 2 eintretende,
laminare Strömung zerstört wird.
Das im erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohr 5 abgekühlte Wasser
kann nun entweder aus den Durchlassöffnungen 12 des Wärmetauscherrohres
in den Schnellaufheizbehälter 2 eintreten,
oder kann durch die erfindungsgemäße Anordnung des Fallrohres 9 sofort
auf sein temperaturbedingtes Wärmeniveau
im großen
Speicherbehälter absinken.
Dadurch wird gewährleistet,
daß bei
sehr stark vom Wärmetauscher 10 abgekühlten Wasser (Einsatz
einer Wärmepumpe)
dieses den Wärmetauscher
nicht „verstopft", sondern durch die
erfindungsgemäßen mit
Rohransatzstücken
versehenen Bohrungen des Fallrohres 9 in die zugeordnete
Schichtung im Speicher 1 eintreten kann. Im Bereich der Wasseroberfläche des
großen
Speicherbehälters, wie
auch am Behälterboden
des Schnellaufheizbehälters
sind wie in der 2 dargestellt, jeweils ein Thermosensor 16 angeordnet.
Somit ist es möglich, ständig die
Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden vorgenannten Meßstellen
zu erfassen und im Bedarfsfall warmes Oberflächenwasser aus dem großen Speicherbehälter 1 in
den Schnellaufheizbehälter 2 mittels
einer Pumpe 17 einzuschichten.
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Dafür ist im
Bereich der Wasseroberfläche des
großen
Speicherbehälters 1 ein
schwimmergeregelter Ansaugbehälter 8 mit
einem Ansaugrohr 15 angeordnet. Dieser dient, wie im Zusammenhang
mit der Darstellung des Aufbaus des Ansaugbehälters in 4 beschrieben,
dem „wasserberuhigten" Abziehen der wärmsten Schicht
des großen
Speicherbehälters 1.
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Das
in diesem Ansaugbehälter 8 angeordnete
Ansaugrohr 15 ist erfindungsgemäß über eine Pumpe 17,
welche in Abhängigkeit
von der mittels der Thermosensoren 16 erfaßten Temperaturdifferenz
in Betrieb gesetzt wird, mit einem oder mehreren im Schnellaufheizbehälter 2 angeordneten,
wiederum am oberen Ende (dem Wassereintritt) mit einem Beruhigungsstück 14 versehenen
und bis zum Behälterboden
des Schnellaufheizbehälters 2 reichenden,
erfindungsgemäß gelochten
Sinkrohr 7 verbunden. Dieses Sinkrohr 7 gewährleistet
nun auf Grund der an den Bohrungen angeordneten erfindungsgemäßen Rohransatzstücke eine
exakte Einleitung des wärmsten
Wassers aus dem großen
Speicherbehälter 1 in
die diesem zugehörige „Wärmeschicht" des Schnellaufheizbehälters 2.
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Wie
bereits erwähnt,
ist die „beruhigte" Wassereinleitung
in den Speicherbehälter
von ausschlaggebender Bedeutung für das Funktionieren des erfindungsgemäßen Warmwasserschichtspeichers.
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Nun
soll an Hand von 3 der Aufbau eines solchen gemäß 2 am
Leitrohr 3 wie auch am Sinkrohr 7 angeordneten
erfindungsgemäßen Beruhigungsstückes 14 näher erläutert werden.
Das in der 3 mit dem umgebenden Speicherwasser
dargestellte Beruhigungsstück
besteht aus einem unterhalb der Wasseroberfläche angeordnetem Mantelrohr 22 in
dem ein, das Mantelrohr überragendes
und gleichzeitig zumindest teilweise in das Mantelrohr hineinragendes,
Auffangrohr 19 mit einer gelochten Bodenplatte 23 angeordnet
ist, in dem sich oben ein Eintrittsrohr 18 befindet. Im
Auffangrohr 19 ist ein von der gelochten Bodenplatte 23 beabstandeter
Auffangzylinder 20 angeordnet.
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Das
aus einer beliebigen Wärmequelle
kommende Warmwasser fällt
im freien Einlauf mit 0,1 l/min. bis 100 l./min. über das
Eintrittsrohr 18 in den teilweise oberhalb des Wasserspiegels
angeordneten Auffangzylinder 20. Aus diesem Auffangzylinder 20 läuft nun
das Wasser über
einen zwischen Auffangzylinder 20 und Auffangrohr 19 angeordneten Ringspalt 21 auf
die mit Durchgangsbohrungen versehene Bodenplatte 23. Unterhalb
der gelochten Bodenplatte 23 des Auffangrohres 19 befindet
sich ein Kesselinnenrohr 24, welches in einen zentrisch
im Mantelrohr angeordneten Kessel 25 mündet. Das durch die Durchgangsbohrungen
der Bodenplatte 23 hindurch tretende Wasser sinkt nun in
den Kessel 25 und muß im
Ringspalt zwischen innerer Kesselwandung und Kesselinnenrohr 24 wieder
fast bis auf das Niveau der Bodenplatte 23 aufsteigen,
bis es über
einen dort angeordneten Überlauf 26 in
den Ringspalt zwischen äußerer Kesselwandung
und Mantelrohr 22 eintreten kann.
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Unterhalb
des Kessels ist ein Anschlußrohr 29 angeordnet,
welches den vom Kesselboden deutlich beabstandeten unteren Abschlußring 28 des Mantelrohres 22 nach
unten überragt.
In unmittelbarer Nähe
des Kesselbodens sind im Anschlußrohr 29 Einlauföffnungen 27 angeordnet,
durch die das in den Behälter
einzuleitende Wasser in das Innere des Anschlußrohres 29 eindringt.
Da sich dieser beschriebene Weg des Wassers ab dem „Überlaufen" des Auffangzylinders 20 unterhalb
des Wasserspiegels im Schnellaufheizbehälter 2 vollzieht,
handelt es sich dabei um einen reinen Verdrängungsprozess bei dem dem Wasser
vollständig
die einleitungsbedingte Stömungsenergie
entzogen wird.
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Daher
tritt nun das Wasser vollständig
beruhigt in das zugeordnete Leitrohr 3 beziehungsweise Sinkrohr 7 ein
und sinkt ab hier ausschließlich
auf Grund seiner temperaturbedingten Dichte auf das entsprechende
Temperaturniveau im Speicher ab.
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Da
sich der Wasserspiegel in den Behältern nicht nur einleitungsbedingt
sondern auch temperaturbedingt ständig verändert, ist ein exakter „Einzug" der jeweils wärmstem Temperaturschicht
sowohl in den Ansaugbehälter 8 wie
auch in die Wärmetauscherrohre
für das
Funktionieren der erfindungsgemäßen Lösung von
wesentlicher Bedeutung.
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In
der 4 ist nun ein solcher schwimmergeregelter Ansaugbehälter 8 (diese
Schwimmerregelung betrifft in analoger Bauweise auch den Wassereintritt
in die Wärmetauscherrohre)
im Schnitt dargestellt.
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Dabei
ist in der Behälterwandung
des schwimmergeregelten Ansaugbehälter 8 ein Einströmschlitz
angeordnet, der durch eine zugeordnete in ihrer Wölbung der
Behälterwand
angepaßte,
zugeordnete Verschlußklappe 30 abgedeckt
wird, in der sich ein geneigt in den Innenraum des Ansaugbehälters 8 hineinragendes
Einströmrohr 31 befindet.
Der Schwimmer 32 ist sowohl mit der Verschlußklappe 30 wie
auch mit dem Einströmrohr 31 starr
verbunden.
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Diese
erfindungsgemäße Anordnung
bewirkt, daß sich
durch den Schwimmer 32 die „Abzugshöhe" im Behälter stets dem jeweiligen Wasserstand
anpaßt.
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Die
außen
am Behälter
verschiebbar angeordneten, auch den Einströmschlitzrand überdeckenden
Verschlußklappen 30 dichten
den Einströmschlitz
gegen die tiefer gelegenen Temperaturschichten ab.
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Dabei
ist es ein wesentliches Merkmal der schwimmergeregelten Absaugvorrichtung,
daß die Eintrittsöffnung des
Einströmrohres 31 gegenüber der
Wasseroberfläche
um ca. 30° geneigt
ist, wobei die Tragkraft des Schwimmers 32 so bemessen
ist, daß die
behälternahe
höchste
Kante des Einströmrohres 31,
wie in der 4 dargestellt, gerade die Wasseroberfläche durchdringt.
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Dadurch
wird von der behälternahen
höchsten
Kante des Einströmrohres 31 die
Oberflächenspannung
der abzusaugenden Wasserfläche
gebrochen, so daß die
abzuziehende Wasserschicht in die nach unten gegenüber der
Wasseroberfläche
um ca. 30° geneigt
angeordnete Eintrittsöffnung
des Einströmrohres „wirbelfrei" einströmen kann.
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Darüber hinaus
ist das untere Ende des im Ansaugbehälter 8 angeordneten
Saugrohres 15, gegenüber
dem Boden des Ansaugbehälters 8 um
ca. 30° geneigt.
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Dies
bewirkt ein definiertes Ansaugen des im Ansaugbehälter 8 befindlichen
Wassers bei minimalem Strömungswiderstand.
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Mittels
der Gesamtheit der vorgestellten erfindungsgemäßen Lösung ist es gelungen, einen drucklosen
Warmwasserschichtspeicher bereitzustellen, welcher sich durch einen
einfachen mechanischen Aufbau, eine hohe Zuverlässigkeit sowie eine sicherere
Schichtspeicherung sowohl beim Beladen mit Warmwasser wie auch bei
der Warmwasserentnahme auszeichnet, und welcher darüber hinaus
unmittelbar nach der Inbetriebnahme des Speichers parallel zum Beladevorgang
den Abzug von beispielsweise heißem Brauchwasser aus dem Speicher
ermöglicht,
wobei mittels der erfindungsgemäßen Lösung vom
Wärmeangebot
im Speicher abhängig,
unterschiedliche exakt geschichtete Temperaturzonen wie einerseits
eine Hochtemperaturzone im Schnellaufheizbehälter, eine Niedertemperaturzone
im Bereich des großen
Speicherbehälters
um die Schnellaufheizzone herum und eine Tieftemperaturzone im großen Speicherbehälter unterhalb
der Bodenebene des Schnellaufheizbehälters aufgebaut und optimal mit
höchstem
Wirkungsgrad nutzbar gemacht werden.