EP0276475A2 - Einrichtung zum Volumenausgleich für einen Warmwasserbereiter - Google Patents
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- EP0276475A2 EP0276475A2 EP19870119183 EP87119183A EP0276475A2 EP 0276475 A2 EP0276475 A2 EP 0276475A2 EP 19870119183 EP19870119183 EP 19870119183 EP 87119183 A EP87119183 A EP 87119183A EP 0276475 A2 EP0276475 A2 EP 0276475A2
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- F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
- F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
- F24H1/18—Water-storage heaters
- F24H1/188—Water-storage heaters with means for compensating water expansion
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- Y10T137/6416—With heating or cooling of the system
- Y10T137/6606—With electric heating element
Definitions
- the invention relates to a device for volume compensation for a water heater according to the preamble of claim 1.
- Low-pressure or open water heaters such as hot water tanks
- the overflow pipe must never be closed because the expansion water that forms when the contents of the water tank are heated drips down.
- the amount of escaping overflow or expansion water depends on the temperature increase and the volume of the water tank.
- the expansion water is discharged via the overflow pipe or the tap or outlet tap of a mixer fitting suitable for low-pressure devices.
- This drop-by-drop of expansion water now leads to limescale deposits at the outlet opening of the consumer tap as well as at the mouth of the overflow pipe. Furthermore, they also reduce the outlet cross section of the overflow pipe. This can result in dangerous dynamic pressures. Regular and cumbersome descaling with acidic agents is therefore essential.
- a water heater with a device for volume compensation for its water tank in which the water to be heated in a cold water inlet and one Hot water spout-containing water tank can be heated and stored.
- a temperature-dependent actuator is assigned to the water tank, by means of which the volume of the water tank can be changed in accordance with the temperature-related volume expansion of the stored water.
- This actuator is either designed as a temperature-dependent bulging bimetallic expansion floor and inserted in a wall area of the water tank or the actuator is designed as an expansion zone inserted in an annular wall area of the water tank, the axial extent of which to the ring plane can be changed in a temperature-dependent manner, or the actuator is longitudinally temperature-dependent and clamped between two opposite, elastically deflectable water tank membrane walls.
- the actuator can be longitudinally variable depending on the temperature and supported at one end on a container wall and the other on a compressible membrane chamber arranged on an opposite water container wall, or the actuator can be longitudinally variable depending on the temperature and clamped between two opposite water container walls, the water container having a circular circumferential axis in Direction of the longitudinal axis is provided elastically stretchable wall area.
- the actuator is designed either as a bimetal expansion rod, bimetal strip or as a hydraulic actuator with a cylinder containing a chamber, which contains a liquid that expands when heated and acts on a membrane or piston.
- the low-pressure hot water preparation device shown as an exemplary embodiment in the drawing is designed as a hot water tank for under-table operation.
- This device has an outer jacket 1, a cold water connection piece 2 with inlet pipe 3 and inlet openings 3 ⁇ , a hot water connection piece 4 and a water tank 5 with bottom 6.
- the water tank 5 is surrounded on all sides by heat insulation 7.7 ⁇ .
- a heating element 8 is attached in a manner not shown.
- the content of the water tank 5 is kept constant at a preselected temperature by a temperature controller 9.
- Below the water tank bottom 6 there is a flange space 10 for receiving the electrical connection parts (not shown) and a volume-adjustable bellows 11.
- Fig. 1 now shows an embodiment in which in the water tank bottom 6 one end of a pipe bend 12 is connected, while the other end is inserted from below into the bellows 11, which is exactly centrally below the inlet pipe 3 ending in the bottom region of the water tank 5 and communicates with the contents of the water tank 5.
- a plunger 13 with a piston 13 'and a compression spring 14 is attached and axially movable in the lower end of the inlet pipe 3 by means of a watertight bushing 15.
- molded-in limiting cams 16 are used in the interior of the inlet pipe 3.
- the dynamic pressure then present in the inlet pipe 3 is used to move the piston 13 ⁇ with its plunger 13 downwards.
- the bellows 11 is compressed, and thus its volume is reduced.
- the content of the bellows 11 is pressed into the water tank 5 via the pipe bend 12 before cold water flows into it. Only in its lower position does the piston 13 ⁇ open the inlet openings 3 ⁇ in the inlet pipe 3, so that fresh water can get into the water tank 5 or flow.
- the plunger 13 is brought back into the rest position shown with the aid of its compression spring 14.
- the bellows 11 is pulled up at the same time.
- the winding process is additionally supported by the static device water pressure.
- the bellows 11 extracts from the water tank 5 such a quantity of water which arises again when the water tank contents are heated up as expansion water. This means that the water level present in the water tank 5 is lowered by the amount which arises again when the contents of the water tank are heated up, without expansion water now escaping through the hot water connecting piece 4.
- the holding volume of the bellows 11 is also dimensioned such that it can hold at least four percent of the contents of the water container 5 in the opened state.
- the enlargement or extension and reduction of the bellows volume is carried out by a spirally wound bimetallic strip 17 firmly anchored to the water tank bottom 6, which has a pull rod 18 attached to its free end 17 and to the bottom 11 'of the bellows 11 pulls it up or squeezes it.
- the bellows 11 is in turn connected to the contents of the water tank 5 via a short pipe socket 19.
- Bellows 11, pipe socket 19, tie rod 18, bimetallic strip 17 and heating element 8 form a unit and can be introduced into the water tank 5 from below and are easily replaceable and flanged to the water tank bottom 6.
- the bimetallic strip 17 In the cold state of the lower water tank content, usually at the end of a dispensing process, the bimetallic strip 17 is deflected upwards and the bellows 11 has its smallest volume. During the heating process for the content of the water container 5, the bimetallic strip 17 deflects more and more downward and thereby continuously increases the bellows volume. In this way, an increase in the water level in the water tank 5 is avoided and thus an escape of expansion water is prevented. To optimize the deflection of the bimetal strip 17 during the heating process, the bimetal strip 17 receives heat recovery, not shown, via thermal bridges or the like from the heating element 8.
- FIG. 3 shows an embodiment in which the inlet pipe 3, as a length-adjustable quick reaction member, pulls the bellows 11 or compresses it again via a lever mechanism 20.
- the inlet pipe 3 is designed to be extended downwards through a watertight bushing 15 'in the water tank bottom 6.
- the lever mechanism 20 is arranged. With each tap operation, the inlet pipe 3 is cooled by inflowing water, contracts and reduces the volume of the bellows 11 with the aid of the lever mechanism 21 (lever arm) coupled to its extension 21 ⁇ .
- the inlet pipe expands 3 again, which in turn causes the bellows 11 to contract and thus to increase its receiving volume.
- a heat coupling, not shown, between heating element 8 and inlet pipe 3 supports this process.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Volumenausgleich für einen Warmwasserbereiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Niederdruck- oder auch offene Warmwasserbereiter, wie beispielsweise Hießwasserspeicher, stehen über ein Überlaufrohr mit der Atmosphäre dauernd in Verbindung. Das Überlaufrohr darf dabei niemals abgeschlossen werden, weil über dieses das beim Aufheizen des Wasserbehälterinhaltes entstehende Ausdehnungswasser abtropft. Die Menge des austretenden Überlauf- bzw. Ausdehnungswassers ist von der Temperaturerhöhung und dem Volumen des Wasserbehälters abhängig. In den meisten Fällen führt man das Ausdehnungswasser über das Überlaufrohr oder den Zapf- bzw. Auslaufhahn einer für Niederdruckgeräte geeigneten Mischarmatur ab. Dieses tropfenweise Austreten von Ausdehnungswassers führt nun zu Kalkablagerungen an der Auslauföffnungder Verbraucherzapfstelle sowie an der Mündung des Überlaufrohres.Einerseits kann dieses dauernde Tropfen den Benutzer stören, andererseits verursachen diese Kalkablagerungen aber auch häßlich aussehende Verkrustungen an den verchromten Auslaufrohren der Mischarmatur. Des weiteren vermindern sie auch den Austrittsquerschnitt des Überlaufrohres. Es könnenn hierdurch gefährliche Staudrücke entstehen. Regelmäßiges und umständliches Entkalken mit säurehaltigen Mitteln ist daher unumgänglich.
- Aus der DE-C-30 40 450 ist ein Warmwasserbereiter mit einer Vorrichtung zum Volumenausgleich für dessen Wasserbehälter bekannt, bei dem das zu erwärmende Wasser in einem einen Kaltwasserzulauf und einen Warmwasserauslauf aufweisenden Wasserbehälter aufheiz- und speicherbar ist. Dem Wasserbehälter ist ein temperaturabhängiges Stellglied zugeordnet, durch welches das Volumen des Wasserbehälters entsprechend der temperaturbedingten Volumenausdehnung des gespeicherten Wassers veränderbar ist. Dieses Stellglied ist entweder als temperaturabhängig auswölbbarer Bimetall-Dehnungsboden ausgebildet und in einem Wandungsbereich des Wasserbehälters eingefügte oder das Stellglied ist als eine in einem ringförmig umlaufenden Wandungsbereich des Wasserbehälters eingefügte Dehnungszone ausgebildet, deren zur Ringebene axiale Ausdehnung temperaturabhängig veränderbar ist, oder das Stellglied ist temperaturabhängig längsveränderlich und zwischen zwei gegenüberliegenden, elastisch auslenkbaren Wasserbehälter-Membranwänden eingespannt. Weiterhin kann das Stellglied temperaturabhängig längsveränderlich und einenends an einer Behälterwand und andernends an einer an einer gegenüberliegenden Wasserbehälterwand angeordneten kompressiblen Membrankammer abgestützt sein, oder das Stellglied ist temperaturabhängig längsveränderlich und zwischen zwei gegenüberliegenden Wasserbehälterwänden eingespannt, wobei der Wasserbehälter mit einem um die Längsachse ringförmig umlaufenden, in Richtung der Längsachse elastisch dehnbaren Wandungsbereich versehen ist. Das Stellglied ist dabei entweder als Bimetall-Dehnstab, Bimetall-Streifen oder als hydraulisches Stellglied mit einem eine Kammer enthaltenden Zylinder ausgebildet, welche eine sich bei Erwärmung ausdehnende und eine Membrane bzw. Kolben beaufschlagende Flüssigkeit enthält.
- Um solche Wasserbehälter mit auswölbbaren Bimetalldehnungsböden oder mit membranartigen Seitenwänden auszurüsten, ist für ein serienmäßiges Herstellungsverfahren ein enorm großer und sehr teuerer Aufwand an Werkzeugen erforderlich. Außerdem ist die Einbringung eines gekrümmten Bimetallstreifens zwischen zwei gegenüberliegenden elastisch ausdehnbaren Wasserbehälterwänden fertigungstechnisch nur sehr schwer und unter hohen Montagekosten zu bewerkstelligen. Da der Wasserbehälter dauernden mechanischen Bewegungsänderungen unterworfen ist, kommt in diesem Fall als Wandungsmaterial nur teueres Bronzeblech in Frage. Bei Verwendung eines an sich üblichen dünnen Kupferbleches als Behältermaterial würde der Wasserbehälter durch diese wechselnden mechanischen Beanspruchungen nach relativ kurzer Betriebszeit an den Dehnungsstellen aufreissen und damit undicht werden. Der Einsatz von billigen Kunststoffbehältern, die verhältnismäßig dickwandig sein müssen, ist infolge ihrer Zähigkeit hier ebenfalls nicht möglich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln eine zuverlässig arbeitende Einrichtung zum Volumenausgleich für einen Warmwasserbereiter zu schaffen, die einen geringen Fertigungs- und Montageaufwand erfordert und äußerst zuverlässig arbeitet.
- Die Lösung dieser Aufgabe gemäß der Erfindung ist dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 zu entnehmen. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß statt einer Volumenänderung des gesamten Wasserbehälters nur ein kleiner Teil hiervon, in Form eines membranartigen Faltenbalges, die maximal entstehende Menge an Ausdehnungswasser während des Aufheizvorganges aufnimmt. Es ergeben sich praktisch keine Druckwechselbeanspruchungen, ein Umstand, der eine lange Lebenszeit des Wasserbehältes sicherstellt. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß hier auch der Einsatz billiger Kunststoff-Wasserbehälter möglich ist.
- Mehrere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden anhand dieser im folgenden näher beschrieben:
- Es zeigen:
- Fig. 1 einen Niederdruck-Heißwasserspeicher für Untertisch-Bestrieb im Längsschnitt mit einer im Wasserzulaufrohr angeordneten Einrichtung zur Vergrößerung des Wasserbehältervolumens,
- Fig. 2 einen Niederdruck-Heißwasserspeicher für Untertisch-Betrieb im Längsschnit mit einer in der Mitte des Wasserbehälterbodens angordneten Bimetall-Einrichtung zur Vergößerung des Wasserbehältervolumens,
- Fig. 3 einen Niederdruck-Heißwasserspeicher für Untertisch-Betrieb im Längsschnitt mit einer am unteren Ende seines Wasserzulaufrohres angeordneten Einrichtung zur Vergrößerung des Wasserbehältervolumens.
- Das als Ausführungsbeispiel in der Zeichnung dargestellte Niederdruck-Heißwasserbereitungsgerät ist als Heißwasserspeicher für Untertisch-Betrieb ausgebildet. Dieses Gerät besitzt einen Außenmantel 1, einen Kaltwasseranschlußstutzen 2 mit Zulaufrohr 3 und Zulauföffnungen 3ʹ, einen Heißwasseranschlußstutzen 4 sowie einen Wasserbehälter 5 mit Boden 6. Der Wasserbehälter 5 ist von einer Wärmeisolierung 7,7ʹ allseitig umschlossen. Am Boden 6 des Wasserbehälters 5 ist ein Heizstab 8 in nicht näher dargestellter Weise befestigt. Durch einen Temperaturregler 9 wird der Inhalt des Wasserbehälters 5 auf einer vorgewählten Temperatur konstant gehalten. Unterhalb des Wasserbehälterbodens 6 befindet sich ein Flanschraum 10 zur Aufnahme der nicht dargestellten elektrischen Anschlußteile sowie eines volumenveränderbaren Faltenbalgs 11.
- Fig. 1 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel, bei welchem im Wasserbehälterboden 6 das eine Ende eines Rohrbogens 12 angeschlossen ist, während dessen anderes Ende von unten her in den Faltenbalg 11 eingeführt ist, welcher genau zentrisch unterhalb des im Bodenbereich des Wasserbehälters 5 endenden Zulaufrohres 3 liegt und mit dem Inhalt des Wasserbehälters 5 in Verbindung steht. An der Oberseite des Faltenbalgs 11 ist ein Stößel 13 mit Kolben 13ʹ sowie eine Druckfeder 14 befestigt und mit Hilfe einer wasserdichten Durchführung 15 in das untere Ende des Zulaufrohres 3 axial beweglich eingebracht. Zur oberen Hubbegrenzung des Stößels 13 dienen im Innern des Zulaufrohres 3 angeformte Begrenzungsnocken 16. Bei Einleitung eines Zapfvorgangs wird der dann im Zulaufrohr 3 anstehende Staudruck ausgenutzt, den Kolben 13ʹ mit seinem Stößel 13 nach unten zu bewegen. Dadurch wird der Faltenbalg 11 zusammengedrückt, und damit dessen Volumen verkleinert. Der Inhalt des Faltenbalges 11 wird über den Rohrbogen 12 in den Wasserbehälter 5 gedrückt bevor in diesem Kaltwasser einströmt. Erst in seiner unteren Lage gibt der Kolben 13ʹ die Zulauföffnungen 3ʹ im Zulaufrohr 3 frei, so daß Frischwasser in den Wasserbehälter 5 gelangen bzw. strömen kann. Nach Beendigung des Zapfvorgangs wird der Stößel 13 mit Hilfe seiner Druckfeder 14 wieder in die dargstellte Ruhelage zurückgebracht. Dabei wird gleichzeitig der Faltenbalg 11 aufgezogen. Der Aufziehvorgang wird dabei noch zusätzlich vom statischen Geräte-Wasserdruck unterstützt. Der Faltenbalg 11 entzieht während dieses Vorgangs dem Wasserbehälter 5 eine solche Wassermenge, welche beim Aufheizen des Wasserbehälter-Inhaltes als Ausdehnungswasser wieder entsteht. Das heißt, daß der im Wasserbehälter 5 anstehende Wasserspiegel um das Maß abgesenkt wird, welches sich beim Aufheizen des Wasserbehälter-Inhaltes wieder einstellt, ohne daß nun Ausdehnungswasser über dem Heißwasseranschlußstutzen 4 austritt. Zu diesem Zweck ist das Aufnahmevolumen des Faltenbalgs 11 auch so bemessen, daß dieser im aufgezogenenZustand mindestens vier Prozent des Inhalts des Wasserbehälters 5 aufnehmen kann.
- Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 übernimmt die Vergrößerung bzw. das Ausziehen und die Verkleinerung des Faltenbalgvolumens ein fest am Wasserbehälter-Boden 6 verankerter, spiralförmig gewickelter Bimetallstreifen 17, der über eine an seinem freien Ende 17 und am Boden 11ʹ des Faltenbalgs 11 befestigten Zugstange 18 diesen aufzieht oder zusammendrückt. Der Faltenbalg 11 steht über einen kurzen Rohrstutzen 19 mit dem Inhalt des Wasserbehälters 5 wiederum in Verbindung. Faltenbalg 11, Rohrstutzen 19, Zugstange 18, Bimetallstreifen 17 und Heizstab 8 bilden eine Einheit und können montagefreundlich und leicht auswechselbar von unten her in den Wasserbehälter 5 eingebracht und mit dem Wasserbehälterboden 6 verflanscht werden. Im kalten Zustand des unteren Wasserbehälterinhalts, in der Regel am Ende eines Zapfvorgangs, ist der Bimetallstreifen 17 nach oben ausgelenkt und der Faltenbalg 11 besitzt sein kleinstes Volumen. Während des Aufheizvorgangs für den Inhalt des Wasserbehälters 5 lenkt sich der Bimetallstreifen 17 immer mehr nach unten zu aus und vergrößert hierdurch das Faltenbalgvolumen kontinuierlich. Auf diese Weise wird hier ein Ansteigen des Wasserspiegels im Wasserbehälter 5 vermieden und somit ein Austritt von Ausdehnungswasser verhindert. Zur Optimierung der Auslenkung des Bimetallstreifens 17 während des Aufheizvorgangs erhält dieser eine nicht dargestellte Wärmerückführung über Wärmebrücken oder dergleichen vom Heizstab 8.
- Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Zulaufrohr 3 als längenveränderbares Schnellreaktionsglied über einen Hebelmechanismus 20 den Faltenbalg 11 aufzieht bzw. wieder zusammendrückt. Zu diesem Zweck ist das Zulaufrohr 3 über eine wasserdichte Durchführung 15ʹ im Wasserbehälter-Boden 6 nach unten zu verlängert ausgebildet. Am unteren Ende 21 dieser Verlängerung 21ʹ und einem Lagerbock 22 ist der Hebelmechanismus 20 angeordnet. Bei jedem Zapfvorgang wird das Zulaufrohr 3 durch einströmendes Wasser abgekühlt, zieht sich zusammen und verkleinert mit Hilfe des an seiner Verlängerung 21ʹ angekoppelten Hebelmechanismus 21 (Hebelarm) das Volumen des Faltenbalges 11. Beim Erwärmen bzw. Aufheizen des Inhalts des Wasserbehälters 5 dehnt sich das Zulaufrohr 3 wieder aus, was dann wiederum ein Zusziehen des Faltenbalgs 11 und damit eine Vergrößerung von dessen Aufnahmevolumen zur Folge hat. Eine nicht dargestellte Wärmekopplung zwischen Heizstab 8 und Zulaufrohr 3 unterstützt diesen Vorgang.
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