AT403868B

AT403868B - Durchlauferhitzer

Info

Publication number: AT403868B
Application number: AT0050092A
Authority: AT
Original assignee: Vaillant Gmbh
Priority date: 1992-03-13
Filing date: 1992-03-13
Publication date: 1998-06-25
Also published as: CH686849A5; DE4308231A1; ATA50092A

Description

AT 403 868 B

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchlauferhitzer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei solchen Durchlauferhitzern ist im Betrieb das Vorhandensein von Luftblasen im Bereich der Heizkörper kritisch, da diese dann nicht mehr ausreichend gekühlt werden, wodurch es zu deren Überhitzung und Zerstörung kommen kann.

Aus der EP 432 460 A1 ist ein Durchlauferhitzer, insbesondere für Kaffeemaschinen, bekanntgeworden, bei dem das Dampfblasenproblem dadurch angegangen wird, daß erst im letzten Abschnitt des Wasserrohres eine Aufheizung bis über den Siedepunkt herbeigeführt wird, so daß diese Dampfblasen in Richtung Auslauf nach oben steigen können und nicht mehr an stromaufseitigen Rohrabschnitten, die teilweise waagerecht verlaufen, anhaften und damit den Wärmetausch behindern.

Weiterhin bekannt ist ein in der DE 34 43 543 A1 beschriebener elektrischer Durchlauferhitzer gattungsgemäßer Art, bei dem entsprechend der Luftblasenkonzentration der Kaltwasserzulauf verschlossen wird, wodurch der Wasserschalter auch die Bestromung der Heizwiderstände beendet. Der für das Verschließen des Kaltwassereinlaufes erforderliche Aufbau ist aufwendig und kompliziert, da ein Durchflußmengenkonstanthalter und ein nachgeschaltetes Sperrorgan erforderlich sind, wobei letzteres in der Lage sein muß, bei luftblasenbedingtem erhöhtem Druck nach Art eines Schwebekörpers eine Engstelle im Kaltwasserzulauf zu verschließen.

Ziel der Erfindung ist es, einen Durchlauferhitzer der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei dem eine einfache Erkennung von eingangsseitig im Wasserkanal befindlichen Luftblasen möglich ist.

Erfindungsgemäß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht.

Durch diese Maßnahmen ist eine einfache Erkennung von Luftblasen möglich. Es genügt, die beiden stromauf und stromab der Elektrode abgreifbaren Teilspannungen miteinander zu vergleichen, die sich bei einer luftblasenbedingten Änderung des Widerstandes in unterschiedlicher Weise ändern. Dabei kann die Differenz beziehungsweise der Quotient aus den beiden Teilspannungen gebildet werden. Werden nun Luftblasen vom zuströmenden Wasser mitgerissen, so verändert sich der elektrische Widerstand. Dadurch ändert sich aber auch der Quotient beziehungsweise die Differenz der beiden Teilspannungen zwischen der Elektrode und dem wasserzulaufrohrseitigen Anschlußstück einerseits und der Elektrode und dem nächstgelegenen Heizwiderstand andererseits.

Mit den Merkmalen gemäß Anspruch 2 der Erfindung kann eine Änderung des Widerstandes stromauf und stromab der Elektrode sehr einfach erkannt werden, wobei die Änderung des Widerstands- beziehungsweise Spannungsverhältnisses durch Luftblasen bedingt ist. Dabei bleibt der eine Eingang des Differenzverstärkers, der mit dem Mittelabgriff der Spannungsteiierschaltung verbunden ist, praktisch stets auf einem gleichen Potential. Der zweite Eingang dieses Differenzverstärkers liegt ebenfalls auf einem gleichbleibenden Potential, so lange keine Luftblasen vorhanden sind. Bei einer Blasenbildung kommt es jedoch zu einer Potentialverschiebung, da es zu einer Änderung des Widerstandes im blasenführenden Bereich des Kanalabschnittes kommt.

Die Auswerteschaltung kann auch einen Rechner aufweisen, der gemäß dem in Anspruch 3 gekennzeichneten Verfahren aus der an den Heizwiderständen anliegenden Spannung eine an der Elektrode anliegende Teilspannung nach dem Algorithmus

Uh = Ue/(1 + f) errechnet, wobei Ue die Teilspannung zwischen dem geerdeten Anschlußstück für das Wasserzulaufrohr und dem stromaufseitigen Heizwiderstand und f einen Formfaktor bedeuten, wobei sich letzterer aus dem Algorithmus f = h * A2/l2 ’ A1 errechnet, wobei li eine erste Teillänge zwischen dem Anschlußstück und der Elektrode, l2 eine zweite Teillänge zwischen der Elektrode und dem Heizkörper, A2 die Querschnittsfläche der zweiten Teillänge des Kanalabschnittes und A1 die Querschnittsfläche der ersten Teillänge der Vorlaufstrecke bedeuten, und der Rechner aus einer an der Elektrode gemessenen Spannung Um und der errechneten Teilspannung Uh einen Differenzwert liefert, der als Fehlersignal der Leistungssteuerung zugeführt wird. Bei diesem Verfahren wird die eine Teilspannung an der Elektrode meßtechnisch erfaßt und die zweite Teilspannung rechnerisch aus der momentanen Belastung des Durchlauferhitzers, der von der Leistungssteuerung gesteuert ist, ermittelt. Aus diesen Werten wird dann die Differenz errechnet. Dieser Differenzwert beeinflußt dann die Leistungssteuerung, um die den Heizwiderständen zugeführte Leistung gegebenenfalls zu reduzieren, um letztlich deren Zerstörung zu vermeiden.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. 2 ΑΤ 403 868 Β

Dabei zeigen:

Figur 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Durchlauferhitzer,

Figur 2 schematisch die Spannungsverteilung im Bereich eines Kanalabschnittes und Figur 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild des Kanalaschnittes gemäß Figur 2.

Wie aus der Figur 1 zu ersehen ist, weist der Durchlauferhitzer einen Kanal 1 auf, innerhalb dessen drei Blankdraht-Heizwiderstände 2' und 2 angeordnet sind, die an eine Leistungssteuerung 3 angeschlossen sind. Dabei stehen die elektrischen Heizwiderstände 2' und 2 mit ihren spannungsführenden Teilen in direktem Kontakt mit dem zu erwärmenden Wasser.

Die Zu- und Ableitungen für das Wasser aus einem Kaltwasseranschluß und zu einer Zapfstelle sind über geerdete metallische Anschlußstücke 4 und 4' mit dem Kanal 1 verbunden. Da die Heizwiderstände 2' und 2 an Spannung liegen, bildet sich im Bereich der sich zwischen dem zulaufseitigen Anschlußstück 4 und dem stromaufseitigen Heizwiderstand 2' erstreckenden Kanalabschnitt 5 eine Potentialdifferenz aus. In diesen Kanalabschnitt 5 greift eine Elektrode 6 ein, beidseits derer Teillängen h und h des Kanalabschnittes 5 einen Potentialteiler definieren, der mit einem Eingang eines Differenzverstärkers 7 verbunden ist.

Der zweite Eingang des Differenzverstärkers 7 ist mit einem Mittelabgriff eines Spannungsteilers, bestehend aus Widerständen Ri, R2 verbunden, der parallel zu dem Heizwiderstand 2' geschaltet ist.

Der Ausgang des Differenzverstärkers 7 ist mit der Leistungssteuerung 3 verbunden, die von einem Drehstromnetz Li, U, L3 versorgt ist.

Figur 2 zeigt die Spannungsverhältnisse in dem Kanalabschnitt 5. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Kanalabschnitt 5 einen durchgehend gleichbleibenden Querschnitt auf. Unter der Voraussetzung, daß der gesamte Kanal 1 beziehungsweise dessen Kanalabschnitt 5 homogen mit Wasser gefüllt ist, entspricht daher das Verhältnis der zwischen der Elektrode 6 und dem Anschlußstück 4 abgreifbaren Spannung Um zur zwischen dem Anschlußstück 4 und dem Heizwiderstand 2' abgreifbaren Gesamtspannung Ue dem Verhältnis der Teillänge I2 des Kanalabschnittes 5 zwischen dem Anschlußstück 4 und der Elektrode 6 zur Gesamtlänge des Kanalabschnittes 5 zwischen dem Anschlußstück 4 und dem diesem benachbarten Heizwiderstand 2'.

Es ergibt sich daher für den Fall einer homogenen, luftblasenfreien Wasserfüllung des Kanalabschnittes das aus der Figur 3 ersichtliche Ersatzschaltbild. Dabei entspricht der Widerstand R3 der Wassersäule im Teilstück der Länge I1 des Kanalabschnittes 5 zwischen der Elektrode 6 und dem Heizwiderstand 2' und der Widerstand R* der Wassersäule im Teilstück der Länge I2 des Kanalabschnittes 5 zwischen dem Anschlußstück 4 und der Elektrode 6.

Die Teilwiderstände R3 und R4 ergeben sich aus den Teilvolumina der Längen h und b des Kanalabschnittes 5 nach den folgenden Beziehungen:

Ra = f1 * I1 /A1 Ra = f2 * l2/A2 wobei f der spezifischen Widerstand des Wassers, I die Länge des Teilvolumens [m] und A der Querschnitt des Teilvolumens [m2] bedeuten.

Die in diesem Fall meßbare Spannung Uh ergibt sich dabei aus der Beziehung:

Uh = Ue/(1 + Ra/R)4

Setzt man für R3 und R4 die obigen Formeln ein, so ergibt sich:

Uh = U«/(1 + f ’ f1/f2) wobei f ein konstanter Geometriefaktor ist, der sich nach der folgenden Beziehung errechnet: f = li ' A2/l2 * A1

Im Falle einer homogenen Wasserfüllung der beiden Teillängen li und I2 des Kanalabschnittes 5 ergibt sich eine gleiche Leitfähigkeit des Wassers, so daß sich die Spannung Uh aus der Beziehung

Uh = Ue/(1 + f) errechnet. Die so errechnete Spannung Uh stimmt in diesem Fall mit der meßbaren Spannung Um überein. Es gilt Um = Uh 3

Claims

AT 403 868 B Sobald jedoch zwischen der Elektrode 6 und dem Heizwiderstand 2' Luftblasen auftreten, erhöht sich in diesem Bereich der spezifische Widerstand. Dadurch kommt es zu einer Differenz zwischen den beiden Teilspannungen Um und Uh. Bei der Ausführungsform nach der Figur 1 wird eine allenfalls auftretende Differenzspannung direkt meßtechnisch erfaßt, wobei der eine Eingang des Differenzverstärkers 7 auf einem Potential liegt, das dem an der Elektrode 6 bei homogener Füllung des Kanalabschnittes 5 mit Wasser abgreifbaren Potential entspricht. Sind im Wasser eines Teilstückes des Kanalabschnittes 5 Luftblasen enthalten, so verändert sich die an der Elektrode 6 abgreifbare Spannung und es kommt zur Abgabe eines entsprechenden Differenzsi-gnafes. Patentansprüche 1. Durchlauferhitzer mit in einem wasserführenden Kanal aus einem elektrisch isolierenden Material angeordneten elektrischen Blankdraht-Heizwiderständen welcher Kanal an seinen beiden Enden über geerdete metallische Anschlußstücke mit einem Wasserzulaufrohr und einem Wasserablaufrohr verbunden ist, wobei die über eine Leistungssteuerung mit einer Stromversorgung verbundenen Heizwiderstände durch Kanalabschnitte von den geerdeten metallischen Anschlußstücken beabstandet gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den wasserzulaufrohrseitigem Kanalabschnitt (5) eine Elektrode (6) hineinragt, deren die Spannung relativ zum wasserzulaufrohrseitigen Anschlußstück (4) charakterisierendes Signal einer Auswerteschaltung zugeführt ist, welche diese Spannung mit der Spannung zwischen der Elektrode (6) und dem nächstgelegenen Heizwiderstand (2’) verknüpft und die Leistungssteuerung (3) der Heizwiderstände (2', 2) beaufschlagt.
2. Durchlauferhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung durch einen Differenzverstärker (7) gebildet ist, dessen einer Eingang mit der Elektrode (6) und dessen anderer Eingang mit dem Mittelanschluß eines parallel zu dem nächstgelegenen Heizwiderstand (2') geschalteten Spannungsteilers (Ri, R2) verbunden ist, dessen Teilungsverhältnis derart gewählt ist, daß die an den Eingängen des Differenzverstärkers (7) anliegenden Potentiale bei luftblasenfreier Wasserführung des Kanals (1) gleich groß sind.
3. Verfahren zum Betrieb eines Durchlauferhitzers nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen Rechner aufweist, der aus der an den Heizwiderständen (2', 2) anliegenden Spannung einen an der Elektrode (6) anliegende Teilspannung nach dem Algorithmus Uh = Ue/(1 + f) errechnet, wobei Ue die zwischen dem geerdeten Anschlußstück (4) und dem nächstgelegenen Heizwiderstand (2') anstehende Spannung und f einen Formfaktor bedeuten, wobei sich letztere aus dem Algorithmus f = I1 x A2/I2 x Ai errechnet, und wobei der Rechner aus einer an der Elektrode (6) gemessenen Spannung und der errechneten Teilspannung Uh einen Differenzwert liefert, der als Fehlersignal der Leistungssteuerung (3) zugeführt wird. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 4