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Die Erfindung betrifft einen Fluiderwärmer sowie eine Druckausgleichs- und Mischvorrichtung dafür.
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Fluiderwärmer sind zum Beispiel als Durchlauferhitzer bekannt und dienen zum Erwärmen von Wasser, das für sanitäre Zwecke (z. B. Dusche, Badewanne, Spül- oder Handwaschbecken) genutzt wird. Üblicherweise weist ein Fluiderwärmer eine Wärmequelle, zum Beispiel einen Gasbrenner oder eine Elektroheizung, und einen Wärmetauscher auf. Der Wärmetauscher wird von einem Fluid, z. B. Wasser aus einem Wasserversorgungsnetz oder aus einem Vorratsbehälter durchströmt, wobei das Wasser dabei erwärmt wird.
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Abhängig vom Wasser- und Wärmebedarf wird der Fluiderwärmer bzw. die Wärmequelle im Fluiderwärmer kontinuierlich oder – bei kleinem Wärmebedarf – im Zyklusbetrieb betrieben. Die Elektroheizung bzw. der Brenner wird immer nur dann eingeschaltet, wenn ein Wärmebedarf aufgrund einer Anforderung durch einen Benutzer gegeben ist. Der Wärmebedarf (Warmwasserbedarf) wird üblicherweise durch einen Durchflussschalter gesteuert.
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Während des Betriebs eines Fluiderwärmers kann es zu Schwankungen der Auslauftemperatur an den Zapfstellen kommen. Diese ergeben sich über die Entnahmedauer in Form von mehr oder weniger starken Abweichungen von einer am Gerät voreingestellten Soll-Temperatur. Für den Benutzer sind dabei insbesondere Auslauftemperaturspitzen unangenehm, weil ein Kontakt mit dem zu heißen Wasser zu Verbrühungen führen kann. Auch kurzfristig zu niedrige Temperaturen sind für den Benutzer zumindest unkomfortabel.
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Schwankungen der Auslauftemperatur können zum einen durch den Nutzer des Fluiderwärmers selbst hervorgerufen sein, zum Beispiel durch ein Ändern der Wasserdurchflussmenge während des Duschens, oder zum anderen durch die vom Nutzer nicht beeinflussbaren Geräte- und Systemrandbedingungen, wie zum Beispiel ein schwankender Gasdruck am Gasbrenner.
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Wird während eines Duschvorgangs das Wasser kurzzeitig abgestellt oder der Durchfluss stark reduziert, wird die im Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager überschüssig zwischengespeicherte Wärmemenge in das Wasser eingetragen. Die durch den Gasbrenner oder die Elektroheizung in den Wärmetauscher eingebrachte Wärmemenge wird also auch dann noch auf das Wasser übertragen, wenn kein Wasserdurchfluss mehr stattfindet. Dies führt zu einem schnellen und kurzzeitigen Überschwingen der Warmwassertemperatur oberhalb der eingestellten Solltemperatur, also zu unerwünschten Temperaturspitzen.
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Wird nach einer Duschpause der Wasserhahn wieder geöffnet, ergibt sich ein gewisser Zeitversatz, bis der Gasbrenner die erforderliche Wärmemenge an den Wärmetauscher und damit ins Wasser abgibt. Der Zeitversatz ergibt sich durch die Zeit, die zum Zünden und Starten des Brenners erforderlich ist, sowie durch die Aufheizung der Bauteile. Hierbei kommt es je nach Durchflussmenge und Zeitversatz zu einem Unterschwingen der Wassertemperatur von der Solltemperatur. Das dadurch überraschend kalte Wasser wird vom Nutzer ebenfalls als unkomfortabel wahrgenommen.
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Fluiderwärmer werden in stationären Einrichtungen (zum Beispiel Badezimmern) vielfältig eingesetzt. Sie können aber auch in mobilen Bereichen, wie zum Beispiel Caravans, Reisemobilen oder Booten, verwendet werden. Der Betrieb von Fluiderwärmersystemen in mobilen Anwendungen erfordert eine besondere Berücksichtigung der schwankenden Stoff- und/oder Betriebsströme, da in einer mobilen Anwendung in der Regel eine zentrale Versorgung (zum Beispiel Gasversorgung, Stromversorgung, Wasserversorgung) mehrere Verbraucher bedienen muss. Dadurch können zusätzliche Schwankungen der Warmwassertemperatur an der Zapfstelle verursacht werden, die vom Nutzer nicht erwartet und daher als unkomfortabel wahrgenommen werden.
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Aus der
US 8,276,548 B2 ist ein Durchlauferhitzersystem für mobile Anwendungen bekannt.
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In der
DE-G-91 01 643 wird eine Wasserheizeinrichtung beschrieben mit einem Pufferspeicher, der zur Vergleichmäßigung der Wassertemperatur am Auslass dient.
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Bei mobilen Anwendungen besteht das zusätzliche Problem, dass der zur Verfügung stehende Bauraum meist sehr begrenzt ist. Etwaige Puffer- oder Ausgleichsbehälter zur Vergleichmäßigung der Temperatur können daher nicht ohne weiteres in dem knappen Bauraum untergebracht werden.
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Zudem kann vor allem bei kleineren Systemen beim Aufheizen das Problem auftreten, dass der Wasserdruck bei zunehmender Erwärmung derart steigt, dass Wasser über ein Überdruckventil entweicht. Gerade bei begrenzten Wasservorräten in mobilen Anwendungen ist dieser Wasserverlust besonders nachteilig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fluiderwärmer anzugeben, der ressourcenschonend arbeitet und dem Wasser mit möglichst gleichmäßiger Temperatur und gleichmäßigem Druck entnommen werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Druckausgleichs- und Mischvorrichtung für einen Fluiderwärmer sowie durch einen Fluiderwärmer mit selbiger Druckausgleichs- und Mischvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Eine Druckausgleichs- und Mischvorrichtung für einen Fluiderwärmer weist eine Mischeinrichtung und eine Druckausgleichseinrichtung auf, wobei die Mischeinrichtung zum Durchmischen eines in der Mischeinrichtung geführten Fluids dient, die Druckausgleichseinrichtung zum Begrenzen des Druckanstiegs in dem Fluid dient und wobei die Mischeinrichtung und die Druckausgleichseinrichtung in einer Behältereinheit integriert sind.
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Mit Hilfe der Mischeinrichtung ist es möglich, das von dem Fluiderwärmer zu erwärmende Fluid, also insbesondere Wasser, zu durchmischen. Auf diese Weise kann es erreicht werden, dass heißeres Fluid mit kühlerem Fluid vermischt wird, so dass sich insgesamt die Temperatur vergleichmäßigt.
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Dieser Aspekt ist insbesondere für das oben geschilderte Problem hilfreich, wenn beim Abschalten des Fluiderwärmers noch Wärme über den Wärmetauscher in das im Wärmetauscher verbliebene Wasser eingebracht wird, so dass unerwünschte Temperaturspitzen entstehen. Bei nachfolgendem Vermischen des überhitzten Wassers mit kühlerem, noch im System befindlichen Wasser mit Hilfe der Mischeinrichtung können die Temperaturspitzen abgebaut werden, was zumindest den Komfort verbessert.
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Die Druckausgleichseinrichtung kann den Druck in dem Fluid begrenzen, um eine Beschädigung der Komponenten des Fluiderwärmers bzw. der gesamten Wasserversorgungsanlage zu vermeiden. Eine Druckbegrenzung kann sowohl bei einer starken Erwärmung des Wassers als auch beim Einfrieren der Anlage notwendig sein.
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Durch das Integrieren der Mischeinrichtung und der Druckausgleichseinrichtung in einer gemeinsamen Behältereinheit wird ein besonders kompakter Aufbau erreicht, der insbesondere für den Einsatz in mobilen Einrichtungen, wie zum Beispiel Reisemobilen, hilfreich ist. Üblicherweise wird eine Druckausgleichseinrichtung räumlich getrennt von einem Fluiderwärmer vorgesehen. Durch die Integration mit der Mischeinrichtung des Fluiderwärmers kann der Bauraum optimal ausgenutzt werden.
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Dazu können die Mischeinrichtung und die Druckausgleichseinrichtung ein gemeinsames, das Fluid aufnehmendes führendes Gehäuse aufweisen. Die Mischeinrichtung und die Druckausgleichseinrichtung sind dann in einem Gehäuse untergebracht, das gleichzeitig auch das Fluid bzw. Wasser führt.
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Die Mischeinrichtung kann ein Fluid aufnehmendes Mischvolumen aufweisen, während die Druckausgleichseinrichtung ein Luft aufnehmendes Druckausgleichsvolumen aufweist. Dabei können das Mischvolumen und das Druckausgleichsvolumen direkt aneinander angrenzen, wobei sie wenigstens teilweise durch eine gemeinsame Trennwand voneinander getrennt sind. Das Mischvolumen und das Druckausgleichsvolumen sind dann direkt nebeneinander angeordnet und damit zumindest teilweise nur noch durch die Trennwand voneinander getrennt. Dadurch lässt sich ein besonders kompakter Aufbau erreichen.
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Die Druckausgleichseinrichtung kann von der Mischeinrichtung wenigstens teilweise umschlossen sein. Bei einer umgekehrten Variante kann die Mischeinrichtung von der Druckausgleichseinrichtung wenigstens teilweise umschlossen sein. Somit kann die eine Einrichtung die jeweils andere Einrichtung wenigstens teilweise umschließen, um den kompakten Aufbau zu erreichen.
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Insbesondere können dabei das Mischvolumen und das Druckausgleichsvolumen horizontal nebeneinander angeordnet sein.
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Die Druckausgleichseinrichtung kann wenigstens teilweise im Inneren der Mischeinrichtung angeordnet sein. Ebenso ist es bei einer anderen Variante möglich, dass die Mischeinrichtung wenigstens teilweise im Inneren der Druckausgleichseinrichtung angeordnet ist.
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Die Mischeinrichtung weist das Mischvolumen mit wenigstens einem Einlass und wenigstens einem Auslass auf. Dabei kann die Mischeinrichtung einen Mischbehälter zum Aufnehmen des Mischvolumens aufweisen, wobei der Mischbehälter den Einlass und den Auslass aufweist. In dem Mischvolumen bzw. dem Mischbehälter erfolgt der eigentliche Mischvorgang, wobei das Fluid durch den Einlass eingebracht und durch den Auslass abgeführt wird. Wie später noch erläutert wird, kann durch entsprechende Gestaltung des Mischvolumen bzw. Mischbehälters eine besonders effiziente Strömung erreicht werden, die den Mischvorgang im Inneren des Mischvolumens fördert.
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Bei Varianten ist es möglich, dass an dem Mischvolumen mehrere Einlässe und/oder mehrere Auslässe vorgesehen sind. Die Auswahl hängt von den jeweiligen Gegebenheiten und Anforderungen sowie Dimensionierungen ab.
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Das Mischvolumen bzw. der das Mischvolumen umgebende Mischbehälter können einen im Wesentlichen(teil-)rotationssymmetrischen, zum Beispiel zylindrischen oder elliptischen Grundaufbau aufweisen, wobei es dabei in erster Linie auf die Gestaltung der Innenkontur des Mischvolumens ankommt. Die Innenkontur des Mischvolumens sollte daher möglichst gleichmäßig gestaltet sein bzw. gleichmäßige Krümmungen mit stetigen Übergängen aufweisen, um – wie später noch erläutert wird – eine ungehinderte Strömung zu ermöglichen.
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Die Haupt- bzw. Zentral- oder Rotationsachse des Mischbehälters kann vertikal, aber auch horizontal ausgerichtet sein.
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Die Mischeinrichtung kann eine Drallmischeinrichtung sein und eine Drallerzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer Drallströmung des Fluids in dem Mischvolumen aufweisen. Mithilfe der Drallerzeugungseinrichtung wird somit erreicht, dass das in dem Mischvolumen strömende Fluid eine Drallströmung vollzieht, die eine besonders effektive Vermischung des Fluids bewirkt.
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Die Drallerzeugungseinrichtung kann in verschiedener Weise ausgebildet sein. Z. B. kann die Drallerzeugungseinrichtung ein in dem Mischvolumen angeordnetes Flügelrad aufweisen. Ebenso kann die Drallerzeugungseinrichtung Mittel aufweisen, mit denen die Fluidströmung beim Ein- und Auslass derart gelenkt bzw. umgelenkt wird, dass sich die Drallströmung ausbildet.
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Bei einer Ausführungsform kann die Drallerzeugungseinrichtung dadurch gebildet sein, dass der Einlass derart tangential an dem Mischvolumen bzw. Mischbehälter angeordnet sein, dass das durch den Einlass zugeführte Fluid tangential in das Mischvolumen einströmt. Der Auslass hingegen kann derart axial an dem Mischvolumen angeordnet sein, dass das durch den Auslass abgeführte Fluid axial aus dem Mischvolumen ausströmt. Dabei kann der Auslass auf der Mittel-, Haupt- oder Rotationsachse der Innenkontur des Mischvolumens, aber auch versetzt zu dieser Achse angeordnet sein. Bei einem im Wesentlichen zylindrischen Mischvolumen kann der Auslass somit auf der Rotationsachse des Zylinders oder auch versetzt dazu angeordnet sein. Die Auslassachse verläuft dann parallel oder koaxial zu der Rotationsachse
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Insbesondere kann der Auslass an einer Oberseite des Mischvolumens vorgesehen sein und das Fluid vertikal nach oben aus dem Mischvolumen abführen, während der Einlass in einem oberen Bereich des Mischvolumens tangential an einer Mantelfläche des z. B. rotationssymmetrischen Grundaufbaus vorgesehen ist.
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Bei einer Variante kann der Auslass an einer Unterseite des Mischvolumens vorgesehen sein und das Fluid nach unten aus dem Mischvolumen abführen, während der Einlass in einem unteren Bereich des Mischvolumens an einer an der Mantelfläche eines das Mischvolumen umgebenden Mischbehälters vorgesehen ist. Diese Variante hat den Vorteil, dass das Fluid bei Nichtgebrauch des Systems über den Einlass oder den Auslass einfach abgelassen werden kann. Ein zusätzlicher Fluidablass ist nicht erforderlich. Zudem ist der Auslass im Betrieb stets gespült und kann daher nicht verstopfen.
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Der Auslass kann sich über eine Entnahmeleitung auch weiter in das Innere des Mischvolumens erstrecken, so dass die eigentliche Entnahmestelle, an der das Fluid aus dem Mischvolumen in den Auslass übergeht, in einem anderen Bereich liegen kann, als die Stelle, an der der Auslass den Mischbehälter durch dessen Wandung verlässt. Daher kann z. B. auch dann, wenn der Auslass an der Unterseite des Mischvolumens angeordnet ist, die Entnahmestelle eher in dem oberen Bereich des Mischvolumens liegen, wenn die Entnahmeleitung entsprechend im Inneren des Mischvolumens hochgezogen ist.
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Durch diese Anordnung von Einlass und Auslass an dem Mischvolumen ist es möglich, im Inneren des Mischvolumens eine bestimmte Fluidströmung zu erreichen, die eine vorteilhafte Durchmischung des Fluids im Mischvolumen ermöglicht. So hat sich herausgestellt, dass das durch den tangentialen Einlass einströmende Fluid eine schrauben- oder zyklon- bzw. drallförmige Strömung im Inneren des Mischvolumens vollzieht, wodurch eine effektive Durchmischung erreicht wird. Das im oberen Teil des Mischvolumens durch den Einlass einströmende Fluid vollzieht zunächst eine außenliegende schraubenförmige Strömung entlang der Innenkontur des Mischvolumens vom oberen Bereich in den unteren Bereich (Umkehrbereich) des Mischvolumens. Dort, im Umkehrbereich, verringert sich der Durchmesser der Strömung von einer außenliegenden zu einer innenliegenden Strömung, die daraufhin im inneren Bereich des Mischvolumens ebenfalls schraubenförmig nach oben zum Auslass strömt.
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Bei anderen Ausführungsformen, z. B. mit mehreren Ein- und/oder Auslässen bzw. mit horizontal ausgerichteter Hauptachse des Mischvolumens kann sich ebenfalls eine schrauben- oder zyklon- bzw. drallförmige Strömung ausbilden, die dann ihrerseits entsprechend ausgerichtet ist, also z. B. entlang einer horizontalen Drallachse.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Mischeinrichtung eine Strahlmischeinrichtung, wobei der Einlass an einer Seite des Mischvolumens angeordnet ist und der Auslass an der gleichen Seite des Mischvolumens angeordnet ist. Dabei können der Einlass und der Auslass koaxial zueinander angeordnet sein, derart, dass entweder der Einlass den Auslass oder der Auslass den Einlass ringförmig umschließt. Mithilfe der Strahlmischeinrichtung kann ebenfalls eine effektive Durchmischung des Fluids in dem Mischvolumen erreicht werden.
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Bei einer Weiterentwicklung können bei der Strahlmischeinrichtung der Einlass und der Auslass gemeinsam an der Oberseite oder der Unterseite des Mischvolumens angeordnet sein.
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Die Druckausgleichseinrichtung kann eine Kammer mit wenigstens einer Öffnung aufweisen, zum Aufnehmen des Druckausgleichsvolumens. Dabei kann die Öffnung im unteren Bereich der Kammer vorgesehen sein, derart, dass im oberen Bereich der Kammer oberhalb von der Öffnung das Druckausgleichsvolumen als Luftvolumen einschließbar ist, wobei die Kammer über die Öffnung mit dem Mischvolumen in direkter Verbindung steht. Das Mischvolumen bzw. der Mischbehälter und das Druckausgleichsvolumen stehen somit miteinander in Verbindung, so dass eine Änderung des Fluiddrucks im Mischvolumen über das Druckausgleichsvolumen in der Kammer ausgeglichen werden kann. Das in der Kammer befindliche Druckausgleichsvolumen bzw. das darin enthaltene Luftvolumen wird bei einem Anstieg des Fluiddrucks zusammengedrückt, wodurch sich Druckspitzen begrenzen lassen. Bei Ausdehnung des Luftvolumens kann sich der Druck im Fluid wieder erhöhen.
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Die das Druckausgleichvolumen aufnehmende Kammer kann einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen, zum Beispiel zylindrischen oder domförmigen Grundaufbau aufweisen, wobei die Kammer im Inneren des Mischvolumens angeordnet sein kann. Alternativ kann die Kammer auch einen ringförmigen Aufbau aufweisen, der das Mischvolumen umgibt.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Kammer und das Mischvolumen konzentrisch zueinander angeordnet sind, also quasi ineinanderstecken, um den gewünschten kompakten Aufbau zu erreichen.
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Die Druckausgleichseinrichtung kann bei einer Variante zwei Kammern aufweisen, wobei eine innere Kammer im Inneren des Mischvolumens angeordnet ist und eine äußere Kammer das Mischvolumen wenigstens teilweise außen umschließt. Durch das Vorsehen von zwei Kammern und dementsprechend auch zwei Druckausgleichsvolumen kann ein ausreichend großes Volumen erreicht werden, um einen wirkungsvollen Druckausgleich zu erzielen.
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Der Mischbehälter mit dem Mischvolumen einerseits sowie die Kammer mit dem Luft- bzw. Druckausgleichsvolumen andererseits können einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Grundaufbau aufweisen. Der Grundaufbau kann z. B. einem Zylinder mit kreisförmigem Grundriss entsprechen. Ebenso ist es aber auch möglich, einen elliptischen, quadratischen, rechteckigen oder auch anderweitig eckigen Grundriss zu wählen. Eckenlose Grundrisse (Kreis oder Ellipse für Zylinder) haben den Vorteil, dass eine relativ kontinuierliche Innenform insbesondere des Mischbehälters erreicht werden kann, so dass sich die gewünschte Drall- bzw. Zyklonströmung ausbilden kann.
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Je nach Ausführungsform können auch verschiedene Grundformen für den Mischbehälter und die Kammer miteinander kombiniert werden, z. B. ein Kreiszylinder für den Mischbehälter mit einem elliptischen Zylinder für die Kammer oder quaderförmige Behälter.
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Ein Fluiderwärmer kann die oben beschriebene Druckausgleichs- und Mischvorrichtung nutzen, wobei der Fluiderwärmer aufweist eine Wärmequelle zum Erzeugen von Wärme, einen Wärmetauscher zum Übertragen der Wärme auf ein den Wärmetauscher durchströmendes Fluid und eine Leitungseinrichtung zum Führen des Fluids von dem Wärmetauscher zu der Druckausgleichs- und Mischvorrichtung.
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Die Druckausgleichs- und Mischvorrichtung kann in den Fluiderwärmer integriert sein und möglicht nah an dem Wärmetauscher angeordnet werden, um Bauraum zu sparen.
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Dabei kann die Leitungseinrichtung zum Führen des Fluids von dem Wärmetauscher zu dem Einlass an dem Mischvolumen ausgebildet sein.
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Der Fluiderwärmer kann z. B. als Durchlauferhitzer Wasser erwärmen, das von einem Wasservorrat (Wassertank, öffentliches Wassernetz etc.) zugeführt wird und das z. B. für sanitäre Zwecke genutzt werden soll. Ebenso kann der Fluiderwärmer auch dazu dienen, zirkulierendes Fluid regelmäßig zu erwärmen, ohne dass Fluid entnommen wird, z. B. in einem Heizkreislauf.
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Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Beispiel für eine Druckausgleichs- und Mischvorrichtung in Schnittansicht;
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2 die Druckausgleichs- und Mischvorrichtung von 1 in Seitenansicht,
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3a und b Beispiele für den Aufbau eines Fluiderwärmers in schematischer Darstellung;
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4 den schematischen Aufbau der Druckausgleichs- und Mischvorrichtung von 1 und 2;
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5 eine andere Ausführungsform für eine Druckausgleichs- und Mischvorrichtung in schematischer Darstellung;
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6 ein Beispiel für den Aufbau von 4 in Seitenansicht und Draufsicht;
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7 eine andere Ausführungsform in schematischer Seitenansicht und Draufsicht;
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8 eine Variante zu der Ausführungsform von 7;
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9 eine weitere Ausführungsform in schematischer Darstellung;
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10 das Zyklon-Strömungsprinzip im Mischvolumen der Druckausgleichs- und Mischvorrichtung von 1 und 2;
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11a und b weitere Beispiele für Zyklon-Strömungen im Mischvolumen; und
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12 ein anderes Beispiel für ein Strömungs- und Durchmischungsprinzip im Mischvolumen in einer Druckausgleichs- und Mischvorrichtung.
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Die erfindungsgemäße Druckausgleichs- und Mischvorrichtung lässt sich auf verschiedene Art und Weise realisieren. Eine konkrete Ausführungsform ist in den 1 und 2 in Schnitt- und Seitenansicht gezeigt. Diese Ausführungsform eignet sich besonders für mobile Anwendungen z. B. in Caravans, Reisemobilen oder Booten.
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Die Druckausgleichs- und Mischvorrichtung weist eine Behältereinheit 1 auf, in der die Komponenten für die Mischeinrichtung und Druckausgleichseinrichtung angeordnet ist. Die Behältereinheit 1 besteht in dem gezeigten Beispiel im Wesentlichen aus drei Komponenten, nämlich einem Oberteil 2, einem Unterteil 3 und einem Bodenteil 4. Die Teile 2, 3, 4 sind miteinander verschraubt, verklemmt, verklebt o. ä., so dass jeweils an den Verbindungsflächen ein abgedichteter Verbund erreicht werden kann.
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Die Innenkontur von Oberteil 2 und Unterteil 3 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch und nähert sich über große Bereiche einem Zylinder an. Die Stirnseiten am oberen Ende des Oberteils 2 und am unteren Ende des Unterteils 3 sind ebenfalls im Prinzip rotationssymmetrisch – von geringen Abweichungen abgesehen – und nähern sich jeweils einer Innenkontur einer Halbkugel an.
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Das Oberteil 2 und das Unterteil 3 bilden einen Mischbehälter 5, der ein Mischvolumen 5a bildet bzw. umschreibt, in dem ein Fluid, nämlich insbesondere Wasser, vermischt werden kann, wie später noch erläutert wird.
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Im Inneren des Mischbehälters 5 ist eine domförmige Wandung 6 eingesetzt, die eine zu der Druckausgleichseinrichtung gehörende Kammer 7 bildet. Aus 1 ist ersichtlich, dass sich die domförmige Wandung 6 von dem unteren Ende des Unterteils 3 nach oben erstreckt und die an der Oberseite abgeschlossene Kammer 7 bildet.
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Am unteren Ende der Kammer 7 bzw. am unteren Ende des Unterteils 3 sind mehrere Öffnungen 8 vorgesehen, über die der Mischbehälter 5 mit der Kammer 7 in direkter Verbindung steht. Das Wasser kann somit ungehindert durch die Öffnungen 8 zwischen dem Mischbehälter 5 und der Kammer 7 hin und her strömen.
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Bei Befüllen des Mischbehälters 5 mit Wasser dringt das Wasser folglich über die Öffnungen 8 auch in die Kammer 7 ein und steigt dort auf. Oberhalb von dem Wasser in der Kammer 7 bildet sich jedoch ein abgeschlossenes Luftvolumen 7a aus, dessen Druck sich mit dem aufsteigenden Wasser (vgl. Wasserpegel 7b) so lange erhöht, bis die Druckverhältnisse im Gleichgewicht sind.
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Bei einem weiteren Druckanstieg im System kann das Wasser in der Kammer 7 weiter aufsteigen und das dort eingeschlossene Luftvolumen weiter verkleinern. Sinkt hingegen der Druck im System, sinkt auch der Wasserstand in der Kammer 7, und das Luftvolumen vergrößert sich. 1 zeigt den Wasserpegel 7b in einen Zustand mit hohem Wasserdruck und damit kleinem Luftvolumen 7a.
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Auf diese Weise kann ein Druckausgleich in dem gesamten System durchgeführt werden. Insbesondere ist es möglich, Druckspitzen, die aufgrund äußerer Einflüsse wie schwankendem Wasserversorgungsdruck (starke Erwärmung des Wassers und damit Volumenausdehnung im geschlossenen System) entstehen, begrenzt, ausgeglichen und vergleichmäßigt werden.
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Ein in der Regel im System vorhandenes Überdruckventil muss nur noch dann aktiviert werden, wenn ein für das System bedrohlicher Grenzdruck erreicht wird. Normale Druckschwankungen, die im Betrieb durch das Zuführen des Wassers, Erwärmen des Wassers und Abführen des Wassers entstehen, können durch die Druckausgleichseinrichtung in der Kammer 7 kompensiert werden.
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Zwischen dem in der Kammer 7 befindlichen Wasser und dem darüber eingeschlossenen Luftvolumen kann eine Membran angeordnet werden, wie zum Beispiel aus dem Stand der Technik bekannt. In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass eine derartige Membran nicht erforderlich ist.
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Die Zuführung des z. B. in einem Wärmetauscher (Wärmetauscher 14b in 3) erwärmten Wassers in den Mischbehälter 5 erfolgt über eine Leitung 15 und einen Einlass 9, der im oberen Bereich des Mischbehälters 5 an dem Oberteil 2 angeordnet ist.
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Das Abführen des Wassers erfolgt über einen Auslass 10, der an der Oberseite des Mischbehälters 5 und damit des Oberteils 2 ausgebildet ist. Der Auslass 10 ermöglicht ein Abführen des Wassers in axialer Richtung, also entlang bzw. parallel zu einer Hauptachse des Mischbehälters 5, hier vertikal nach oben.
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Bei einer nicht gezeigten Variante erstreckt sich der Auslass 10 über eine Entnahmeleitung weiter in das Innere des Mischbehälters 5, so dass die eigentliche Entnahmestelle, an der das Wasser aus dem Mischbehälter 5 in den Auslass 10 übergeht, weiter unten, von der Wandung des Mischbehälters 5 getrennt liegt.
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Direkt anschließend an den Auslass 10 ist ein T-Stück 11 vorgesehen, über das das aus dem Mischbehälter 5 abgeführte Wasser in horizontaler Richtung weitergeleitet werden kann. An denn T-Stück 11 kann auch ein Überdruck- bzw. Sicherheitsventil angesetzt werden (in 2 auf der rechten Seite), um einen gefährlichen Überdruck im System abzubauen.
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Die Anordnung des Einlasses 9 und des Auslasses 10 ermöglicht eine besondere Strömungsform, die eine sehr effektive Durchmischung des Wassers im Mischbehälter 5 und damit zum Beispiel eine Vergleichmäßigung der Temperatur des aus dem Auslass 10 abgeführten Wassers ermöglicht.
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Wie in den 1 und 2 erkennbar, ist der Einlass 9 derart tangential an der Wandung des Oberteils 2 angeordnet, dass das Wasser tangential in den Mischbehälter 5 einströmt. Aufgrund der Krümmung an der Innenseite des im Wesentlichen rotationssymmetrischen Mischbehälters 5 erzeugt das Wasser eine spiral- bzw. schraubenförmige Strömung, die – sich um die Mittel- bzw. Hauptachse des Mischbehälters 5 rotierend, schraubenförmig nach unten in das Unterteil 3 bewegt. Die Strömung strömt dabei entlang der Innenseite bzw. Innenwand von Oberteil 2 und Unterteil 3.
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Am unteren Ende des Unterteils 3 behält die Strömung zwar ihren Drall und damit die kreisförmige Strömungsrichtung bei, jedoch kehrt sich die Vertikalrichtung um, so dass eine schraubenförmige Strömung an der Außenseite der domförmigen Wandung 6 im Inneren des Mischbehälters 5 nach oben ausbildet, bis die Wasserströmung schließlich über den Auslass 10 den Mischbehälter 5 wieder verlässt.
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Der Strömungsverlauf, der sich in dem Mischvolumen 5a bzw. dem Mischbehälter 5 ausbildet, wird später noch anhand von 10 gezeigt.
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Die gleiche Strömung, das heißt zunächst schraubenförmiges Strömen des Wassers nach unten und danach im Inneren des Mischbehälters 5 wieder schraubenförmig nach oben, würde sich auch dann ausbilden, wenn keine domförmige Wandung 6 bzw. Kammer 7 vorgesehen wäre. Die Strömung wird somit allein durch das Anordnen des Einlasses 9 und des Auslasses 10 in Verbindung mit der gleichmäßigen Innenkontur des Mischbehälters 5 erreicht.
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In diesem Zusammenhang ist es nicht erforderlich, dass der Mischbehälter 5 eine exakt rotationssymmetrisch, also z. B. zylindrische bzw. kugelförmige Innenkontur aufweist, wie in den 1 und 2 gezeigt. Ebenso ist es zum Beispiel möglich, dass die Innenkontur einem elliptischen Grundriss ähnelt. Es ist lediglich erforderlich, dass eine um die Mittelachse rotierende Strömung erreicht werden kann.
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Die sich auf diese Weise ausbildende Strömung kann auch als ”zyklonförmig” beschrieben werden. Anders jedoch als zyklonförmige (Luft-)Strömungen zum Beispiel in Staubsaugerfiltern dient die Strömung im vorliegenden Fall dazu, eine besonders effektive Durchmischung des über den Einlass einströmenden Wassers mit dem bereits im Mischbehälter 5 befindlichen Wasser zu bewirken.
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Die Unterseite des Unterteils 3 ist durch das Bodenteil 4 abgeschlossen, an dem sich Anschlüsse 12, 13 befinden, über die bei Bedarf das Wasser aus dem Mischbehälter 5 z. B. in eine Entwässerungskammer oder in die Umgebung abgelassen werden kann. Diese Maßnahme dient zum Beispiel zum Frostschutz, um ein Einfrieren des Wassers in dem Mischbehälter 5 zu vermeiden.
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Das Wasser fließt durch sein Eigengewicht an den tiefsten Punkt im Bodenteil 4 und kann von dort über die Anschlüsse 12. 13 zu einem Abfluss abgeführt werden.
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Die Anschlüsse 12 bzw. 13 können zu einem Sicherheitsablassventil führen, über das im Frostfall automatisch Wasser abgelassen werden kann.
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3 zeigt zwei Varianten mit dem prinzipiellen Aufbau eines Fluiderwärmers 14, der z. B. als Durchlauferhitzer für sanitäre Systeme dienen kann.
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In 3a) weist der Fluiderwärmer 14 eine Wärmequelle 14a, z. B. einen Gasbrenner zum Erzeugen von Wärme auf, die mittels eines Wärmetauschers 14b auf ein den Fluiderwärmer 14 durchströmendes Fluid, nämlich insbesondere Wasser, übertragen wird. Das Wasser wird direkt über eine Leitung 15 in die Behältereinheit 1 geführt, die die Druckausgleichs- und Mischvorrichtung enthält bzw. bildet.
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Bei der Ausführungsform von 3b) ist die Behältereinheit 1 von dem eigentlichen Fluiderwärmer 14 mit dem Wärmetauscher 14b und der Wärmequelle 14a getrennt angeordnet. Hierbei können im Verlauf der Leitung 15 noch weitere, in der Figur nicht dargestellte Komponenten vorgesehen sein.
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Der Fluiderwärmer 14 eignet sich insbesondere als Durchlauferhitzer für mobile Anwendungen, also zum Beispiel für Reisemobile, Caravans oder Boote. Dabei kann das Wasser aus dem öffentlichen Netz oder einem Vorratsbehälter zugeführt, mit Hilfe der Wärmequelle 14a und denn Wärmetauscher 14b erwärmt sowie mit Hilfe der Behältereinheit 1 mit der Druckausgleichs- und Mischvorrichtung sowohl hinsichtlich der Temperatur als auch des Drucks vergleichmäßigt werden.
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4 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung von 1 in schematischer Darstellung, wobei in der Behältereinheit 1 das Mischvolumen 5a bzw. der Mischbehälter 5 und die den Druckausgleich übernehmende Kammer 7 angeordnet sind.
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Eine Variante dazu ist in 5 dargestellt, nach der die Kammer 7 mit dem Druckausgleichsvolumen nicht innerhalb des Mischvolumens 5a (Mischbehälter 5) angeordnet ist (wie zum Beispiel in 1 und 4 gezeigt), sondern daneben. Auch hier ist es möglich und zweckmäßig, wenn die Volumina im Mischvolumen 5a bzw. Mischbehälter 5 und in der Kammer 7 in direkter Verbindung miteinander stehen, so dass das Wasser zwischen den Volumina hin und her strömen kann.
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Der prinzipielle Aufbau der Vorrichtung von 1 wird auch anhand der 6 verdeutlicht, wobei im oberen Bildteil von 6 die Vorrichtung in schematischer Seitenschnittdarstellung und im unteren Bildteil in geschnittener Draufsicht gezeigt ist. Die Pfeile verdeutlichen die Strömungsmöglichkeit des Wassers zum Ausgleich zwischen dem Mischbehälter 5 und der Kammer 7.
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7 zeigt eine Variante zu der Ausführungsform von 6, bei der die Platzierung des Mischvolumens 5a mit dem Mischbehälter 5 und der Kammer 7 vertauscht sind. Dementsprechend ist der Mischbehälter 5 im Inneren der Kammer 7 angeordnet, die den Mischbehälter 5 umgibt. Auch hier zeigen die Pfeile die mögliche Ausgleichsströmung zwischen dem Mischbehälter 5 und der Kammer 7.
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Die Kammer 7 ist – da nach oben vollständig abgeschlossen – im Wesentlichen nur durch Luft gefüllt (Luftvolumen 7a). Lediglich im unteren Teil, in dem Wasser aus dem Mischbehälter 5 bzw. dem Mischvolumen 5a einströmt, befindet sich Wasser, das nur geringfügig in der ringförmigen Kammer 7 nach oben aufsteigt (Wasserpegel 7b).
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Dadurch wird erreicht, dass das in der Kammer 7 befindliche Luftvolumen 7a eine gewisse Isolierwirkung für den Wasser enthaltenden Mischbehälter 5 ausübt. Das ist zum einen vorteilhaft, um die Temperatur des aufgeheizten, im Mischbehälter 5 befindlichen Wassers zu erhalten. Zum anderen kann das Luftvolumen 7a in der Kammer 7 durch die Isolationswirkung auch den Frostschutz verbessern.
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8 zeigt eine Variante der Ausführungsform von 7.
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In einem abgeschlossenen Behälter (Mischbehälter 5) ist das Mischvolumen 5a ausgebildet. Im oberen Bereich ist ein rohrförmiger Einsatz vorgesehen, der die Wandung 6 bildet. Der Einlass 9 zum Mischvolumen 5a ist etwa auf Höhe des unteren Randes der Wandung 6 angeordnet, während der Auslass 10 – wie bei einigen der oben beschriebenen Ausführungsformen auch – am stirnseitigen oberen Ende des Mischbehälters 5 ausgebildet ist.
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Dadurch, dass der Mischbehälter 5 bis auf den Einlass 9 und den Auslass 10 allseitig geschlossen ist, bildet sich außen um die Wandung 6 herum die nach unten offene Kammer 7, in der sich das Luftvolumen 7a ausbilden kann. Beim erstmaligen Befüllen des Mischbehälters 5 mit Wasser nämlich wird die sich in diesem befindende Luft zunächst verdrängt und insbesondere durch den Auslass 10 ausgetrieben. Ein Teil der Luft verbleibt jedoch in der ringförmigen Kammer 7, da sie – gehindert durch die rohrförmige Wandung 6 – nicht zum Auslass 10 strömen kann. Dieses Luftpolster dient als Luftvolumen 7a zum späteren Druckausgleich im Fluid. Der Wasserpegel 7b kennzeichnet die Grenzfläche zwischen dem verbliebenen Luftvolumen 7a und denn Wasser im restlichen Mischbehälter 5.
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9 zeigt eine Ausführungsform, die einer Kombination der Ausführungsformen der 6 und 8 entspricht. Dabei ist im Inneren des Mischbehälters 5 bzw. des Mischvolumens 5a eine Kammer 7/1 angeordnet. Der Mischbehälter 5 selbst ist durch eine zweite, äußere Kammer 7/2 umgeben.
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Auf diese Weise können die positiven Wirkungen der Ausführungsformen der 6 und 7 miteinander verknüpft werden. Zum einen wird die Isolationswirkung des Luftpolsters in der äußeren Kammer 7/2 genutzt, um die Wassertemperatur im Mischbehälter 5 weitgehend zu erhalten. Zum anderen kann die Anordnung der inneren Kammer 7/1 die vorteilhafte Zyklonströmung im Inneren des Mischbehälters 5, also im Mischvolumen 5a fördern.
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Bei den in den 4 sowie 6, 8 und 9 gezeigten Varianten sind der Mischbehälter 5 und der oder die Kammern 7 jeweils konzentrisch zueinander angeordnet. Als ”konzentrisch” wird eine Anordnung auch dann verstanden, wenn die Grundform des Mischbehälters 5 und der Kammer 7 nicht zylindrisch, sondern zum Beispiel elliptisch ist, was im obigen Sinne ebenfalls einer rotationssymmetrischen Innenkontur entsprechen soll.
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Bei allen hier gezeigten Varianten kann die Anordnung des tangentialen Einlasses 9 und des axialen Auslasses 10 am Mischbehälter 5 und dem Mischvolumen 5a beibehalten werden, um die schraubenförmige Zyklonströmung zu erreichen.
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Das Durchmischen des Wassers in dem Mischbehälter 5 bzw. dem Mischvolumen 5a stromabwärts von dem Wärmetauscher 14b hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen. Wie oben bereits erläutert, besteht das Problem, dass bei einer Beheizung des Wärmetauschers 14b mit Hilfe eines Gasbrenners oder einer Elektroheizung auch dann noch Wärme über den Wärmetauscher 14b in das im Wärmetauscher 14b befindliche Wasser eingebracht wird, wenn die Wasserströmung bereits zum Erliegen gekommen ist, zum Beispiel weil der Bediener den Wasserfluss an der Zapfstelle gestoppt hat. Die Wärme kann aus dem im Wärmetauscher 14b gespeicherten Material (meist Metall) stammen. Ebenso kann die Wärme aber auch zum Beispiel von dem Gasbrenner eingebracht werden, der erst mit einer gewissen Verzögerung abgeschaltet wird.
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Gerade bei kleineren Fluiderwärmern 14 und damit auch kleiner dimensionierten Wärmetauschern 14b befindet sich relativ wenig Wasser im Wärmetauscher 14b, so dass bereits ein geringes Maß an überschüssiger Wärme zu einer starken Erwärmung des Wassers führen kann. Temperaturerhöhungen von 20 Kelvin sind dabei durchaus üblich. Für einen Bediener, der zum Beispiel Warmwasser für eine Dusche zapfen möchte, kann ein derartiger Temperatursprung höchst unangenehm sein.
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Mit Hilfe der stromab von dem Wärmetauscher 14b angeordneten Druckausgleichs- und Mischvorrichtung, insbesondere mit Hilfe des Mischbehälters 5 ist es aber möglich, das bei Wiederinbetriebnahme das aus dem Wärmetauscher 14b über den Einlass in dem Mischbehälter 5 einströmende überhitzte Wasser mit dem bereits in dem Mischbehälter 5 befindlichen, deutlich kühleren Wasser zu vermischen und auf diese Weise eine Vergleichmäßigung der Temperatur mit einem nur geringfügigen Temperaturanstieg am Auslass zu erreichen.
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In der Mischeinrichtung, das heißt im Mischbehälter 5 und dem Mischvolumen 5a wird die mechanische Energie im Fluidstrom genutzt, um eine mehrfache Durchmischung des einströmenden warmen Wasservolumenstroms mit dem kühleren Behälterwasser vor dem Ausströmen zu erreichen. Diese Durchmischung erfolgt über einen zeitlichen und/oder räumlichen Versatz zwischen einströmendem und ausströmendem Volumenstrom innerhalb des Mischbehälters 5.
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Messungen haben ergeben, dass bereits bei einem geringen Volumen des insoweit einen Pufferbehälter darstellenden Mischbehälters 5 von zum Beispiel 1 bis 2 Litern eine sehr effektive Vergleichmäßigung der Auslasstemperatur erreicht werden kann. Der Temperaturanstieg beträgt zum Beispiel lediglich maximal 1 Kelvin (statt 20 Kelvin) und wird daher von Bediener auch nicht als störend empfunden.
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Voraussetzung für die effektive Temperaturvergleichmäßigung trotz des klein dimensionierten Mischbehälters 5 ist es, dass das Wasser im Mischbehälter 5 zwischen Einlass 9 und Auslass 10 sehr wirksam vermischt wird. Zwangsläufige Temperaturgradienten sollten sich so weit ausgleichen, dass die Temperatur am Auslass 10 nur eine geringe Änderung erfährt. Diese Durchmischung kann durch den nachfolgend beschriebenen Zyklonmischer (10, 11) oder den Strahlmischer (12) erreicht werden.
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Die sogenannte Zyklonströmung bzw. Drallströmung wird anhand des Zyklonmischers von 10 schematisch dargestellt.
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Wie oben bereits beschrieben, strömt das vom Fluiderwärmer bzw. dem Wärmetauscher 14 erwärmte Wasser über den seitlich versetzt und damit im Wesentlichen tangential angeordneten Einlass 9 ein und vollzieht eine schraubenförmige Drallströmung, die sich vertikal von oben nach unten im Mischvolumen 5a und dem Mischbehälter 5 an dessen Innenwand erstreckt. Nach Erreichen des Bodens des Mischbehälters 5 kehrt sich die Vertikalrichtung um und die Strömung vollzieht sich mit kleinerem Radius im Inneren des Mischbehälters 5 in Schraubenform (Zyklon- bzw. Drallströmung) nach oben, bis das Wasser über den Auslass 10 abgeführt wird.
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Bei der in 10 gezeigten Ausführungsform sind der Einlass 9 und der Auslass 10 im oberen Bereich des Mischbehälters 5 angeordnet. Bei anderen Varianten sind auch andere Anordnungen möglich.
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So zeigt die 11 Ausführungsformen mit mehreren Ein- und Auslässen (11a) bzw. mit einem Mischbehälter 5 in horizontaler Ausrichtung (11b).
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Gemäß 11a) sind zwei Einlässe 9 und zwei Auslässe 10, nämlich jeweils einer im oberen Bereich und einer im unteren Bereich anzuordnen. Demnach ist im oberen Bereich des Mischvolumens 5a ein Einlass 9a und ein Auslass 10a vorgesehen, während im unteren Bereich ein weiterer Einlass 9b und ein weiterer Auslass 10b angeordnet sind. In diesem Fall bilden sich zwei Zyklonströmungen im Mischbehälter 5 aus, die sich etwa in der Mitte des Mischbehälters 5 treffen, bevor sie wieder auseinanderlaufen, wie in 11a) gezeigt.
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Bei einer weiteren, in 11b) gezeigten Variante kann der Mischbehälter 5 auch derart angeordnet sein, dass sich seine Haupt- bzw. Zentralachse im Wesentlichen horizontal erstreckt. Die Zyklonströmung bildet sich dann entsprechend aus und verläuft mit horizontaler Hauptrichtung.
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Bei einer anderen, nicht gezeigten Variante können der Einlass 9 und der Auslass 10 auch im unteren Bereich des Mischbehälters 5 vorgesehen sein, so dass sich die schraubenförmige Zyklonströmung zunächst nach oben und dann wieder nach unten erstreckt.
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12 zeigt eine Alternative zu dem Zyklonmischer von 10.
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Dabei sind der Einlass 9 und der Auslass 10 an dem Mischbehälter 5 konzentrisch zueinander angeordnet, so dass eine nahezu axiale Einströmung und eine nahezu axiale Ausströmung des Wassers bewirkt wird.
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Insbesondere wird das Wasser über den zentral angeordneten Einlass in den Mischbehälter 5 und in das Mischvolumen 5a eingeführt. Der Auslass 10 kann zum Beispiel ringförmig den Einlass 9 umgeben, so dass das Wasser in der gewünschten Weise ebenfalls axial abgeführt werden kann.
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Auch mit diesem Mischer kann eine wirkungsvolle Durchmischung des Wassers in dem Mischbehälter 5 und damit dem Mischvolumen 5a bewirkt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8276548 B2 [0009]
- DE 9101643 [0010]
