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Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung sowie einen die Mischvorrichtung nutzenden Fluiderwärmer.
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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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Zum Vergleichmäßigen bzw. Ausgleichen von Inhomogenitäten in einen Fluid wie z. B. Wasser ist es bekannt, eine Mischvorrichtung vorzusehen, mit der das Fluid entweder im Stillstand oder auch im strömenden Zustand vermischt werden kann. Eine derartige Mischvorrichtung weist Mittel auf, mit denen die Vermischung im Fluid bewirkt werden kann. Diese Mittel können den Aufbau verteuern oder auch zusätzlichen Bauraum beanspruchen, was bei beengten Platzverhältnissen unerwünscht ist.
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Gerade bei mobilen Anwendungen besteht das 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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Aus der
US 8,276,548 B2 ist ein Durchlauferhitzersystem für mobile Anwendungen als Beispiel für einen Fluiderwärmer 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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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischvorrichtung zum Mischen eines Fluids anzugeben, die nur einen geringen zusätzlichen Bauaufwand und Bauraum erfordert.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Mischvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weiterhin wird ein die Mischvorrichtung nutzender Fluiderwärmer angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Eine Mischvorrichtung zum Mischen eines Fluids weist ein Mischvolumen zum Aufnehmen des zu mischenden Fluids, einen an dem Mischvolumen vorgesehenen Einlass zum Zuführen des Fluids in das Mischvolumen und einen an dem Mischvolumen vorgesehenen Auslass zum Abführen des Fluids aus dem Mischvolumen auf. Weiterhin ist eine Drallerzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer Drallströmung des Fluids in dem Mischvolumen vorgesehen.
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Die durch die Drallerzeugungseinrichtung bewirkte Drallströmung gewährleistet, dass das Fluid in dem Mischvolumen wirksam durchmischt wird. Die Drallströmung, die sich z. B. kreis-, spiral- oder schraubenförmig um eine Haupt- bzw. Mittelachse des Mischvolumens einstellt, verlängert den Strömungsweg des Fluids in dem Mischvolumen, so dass sich frisch einströmendes Fluid mit Fluid, das bereits in dem Mischvolumen vorhanden ist, gut vermischen kann.
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Die Drallerzeugungseinrichtung kann derart aufgebaut sein, dass sie ausschließlich feststehende, also keine beweglichen Elemente aufweist. Damit kann die Drallerzeugungseinrichtung sehr einfach gestaltet werden. Montage- und unter Umständen kostenintensive bewegliche Bauteile sind nicht erforderlich.
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Insbesondere kann die Drallerzeugungseinrichtung eine bestimmte Anordnung von Einlass und Auslass an dem Mischvolumen aufweisen. Diese Anordnung besagt, dass der Einlass derart tangential an dem Mischvolumen angeordnet sein kann, dass das durch den Einlass zugeführte Fluid tangential in das Mischvolumen einströmt, während der Auslass derart axial an dem Mischvolumen angeordnet sein kann, dass das durch den Auslass abgeführte Fluid axial aus dem Mischvolumen ausströmt.
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”Tangential” bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, dass die Einströmung des Fluids im mathematischen Sinne exakt tangential erfolgen muss. Vielmehr kommt es darauf an, dass die Einströmungsrichtung des Fluids nicht zentral bzw. direkt radial auf eine Haupt- bzw. Mittelachse des Mischvolumens, sondern seitlich daran vorbei, also tangential zur Hauptachse gerichtet ist.
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Das Fluid wird über den Einlass tangential in das Mischvolumen geführt. Die tangentiale Strömung wird auf der Innenseite einer Wandung eines das Mischvolumen umgebenden Mischbehälters geleitet, so dass in dem Mischvolumen eine Drallströmung erzeugt wird.
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Aufgrund der axialen Anordnung des Auslasses kann das Fluid in der Drallströrung nicht direkt zum Auslass gelangen, sondern vollzieht in dem Mischvolumen eine schrauben- bzw. zyklonförmige Strömung. Diese Strömung erreicht fast jeden Teil des Mischvolumens, so dass eine effektive Durchmischung des Fluids ermöglicht werden kann.
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Dabei kann der Auslass auf der Mittel-, Haupt- oder Rotationsachse der Innenkontur des Mischvolumens, aber auch versetzt zu dieser Achse angeordnet sein. Bei einem z. B. 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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Mithilfe der Mischvorrichtung ist es z. B. möglich, das z. B. von einem 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. Hervorzuheben ist, dass die wirkungsvolle Durchmischungsströmung ohne zusätzliche Hilfsmittel erreicht werden kann. Insbesondere bedarf es keiner Flügelräder, Rührer o. ä., um die schraubenförmige Drallströmung zu bewirken.
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Die wirkungsvolle Durchmischung 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 befindlichem Wasser mit Hilfe der Mischeinrichtung können die Temperaturspitzen abgebaut werden, was zumindest den Komfort verbessert.
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Aufgrund der sich im Mischvolumen ausbildenden Drallströmung kann die Mischvorrichtung auch als Drallmischvorrichtung bezeichnet werden.
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Das Mischvolumen kann entlang einer Hauptachse eine axiale Erstreckung aufweisen und in einem auf die Hauptachse bezogenen Mittelbereich eine Grundform aufweisen, die ausgewählt sein kann aus der Gruppe Kreiszylinder, Elliptischer Zylinder, Quader, Körper mit einer Innenkontur mit gleichmäßigen Krümmungen, Körper mit einer Innenkontur mit wechselnden Krümmungen oder Körper mit einer Innenkontur mit wechselnden Krümmungen, wobei die Übergänge zwischen den Krümmungen stetig sind.
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Dabei ist es auch möglich dass das Mischvolumen oberhalb und/oder unterhalb von seinem Mittelbereich eine von der Grundform abweichende Form aufweist.
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Das Mischvolumen bzw. der das Mischvolumen umgebende Mischbehälter können demnach 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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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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Die Haupt- bzw. Zentral- oder Rotationsachse des Mischbehälters kann vertikal, aber auch horizontal ausgerichtet sein.
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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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Z. B. ist es möglich, mehrere Einlässe am Mischvolumen an dessen Umfang verteilt anzuordnen. Die Einlässe unterstützen sich aufgrund ihrer tangentialen Anordnung gegenseitig beim Erzeugen der Drallströmung. Schließlich ist es auch möglich, mehrere Einlässe am Umfang verteilt in Form eines sich über den Umfang des Mischvolumens erstreckenden Flügelgitters vorzusehen.
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Das Mischvolumen kann durch einen geschlossenen Mischbehälter umgeben sein. Dadurch ist es möglich, dass das Mischvolumen druckbehaftet ist, also einen höheren Druck als die Umgebung aufweist. Dies ermöglicht es, das Mischvolumen mit dem Mischbehälter z. B. in eine Wasserleitung einer Warmwasserversorgung, zu integrieren.
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Bei einer Ausführungsform können der Einlass und der Auslass am gleichen stirnseitigen Ende des Mischvolumens angeordnet sein. Einlass und Auslass sind in diesem Fall nicht an verschiedenen Enden des Mischvolumens angeordnet, was für die Erzeugung der Drallströmung vorteilhaft ist. Die Fluidströmung wird so veranlasst, vom Einlass kommend zunächst drallförmig das Mischvolumen hin- und her zu durchströmen, bevor es über den Auslass abgeführt wird.
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Der Auslass kann 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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Durch diese Anordnung von Einlass und Auslass an dem Mischvolumen ist es möglich, im Inneren des Mischvolumens die gewünschte Drall-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 Variante sind wenigstens zwei Einlässe und zwei Auslässe an dem Mischvolumen vorgesehen, wobei einer der Einlässe in einem oberen Bereich des Mischvolumens und einer der Auslässe an der Oberseite des Mischvolumens angeordnet ist und wobei einer der Einlässe in einem unteren Bereich des Mischvolumens und einer der Auslässe an der Unterseite des Mischvolumens angeordnet ist.
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Bei dieser Variante bilden sich in dem Mischvolumen zwei getrennte Drall- bzw. Zyklonströmungen aus, die gegeneinander laufen. Auf diese Weise kann auch ein größeres Mischvolumen effektiv genutzt werden.
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Ein Fluiderwärmer kann die oben beschriebene Mischvorrichtung nutzen, wobei der Fluiderwärmer 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 Mischvorrichtung aufweist.
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Die Mischvorrichtung kann in den Fluiderwärmer integriert sein und möglichst 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 Mischvorrichtung in Schnittansicht;
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2 die Mischvorrichtung von 1 in Seitenansicht;
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3 das Zyklon-Strömungsprinzip im Mischvolumen der Druckausgleichs- und Mischvorrichtung von 1 und 2;
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4a und b weitere Beispiele für Zyklon-Strömungen im Mischvolumen; und
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5a und b Beispiele für den Aufbau eines Fluiderwärmers in schematischer Darstellung.
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Die erfindungsgemäße 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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Bei der Ausführungsform von 1 ist die Mischvorrichtung mit einer Druckausgleichseinrichtung kombiniert, wie nachfolgend noch erläutert wird.
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Die Vorrichtung weist eine Behältereinheit 1 auf, in der die Komponenten für die Mischvorrichtung und die Druckausgleichseinrichtung angeordnet ist. Die Behältereinheit 1 besteht in denn 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. umgibt, 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 einen 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 einem 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.
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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 der später noch erläuterten 5) 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 X des Mischbehälters 5, hier vertikal nach oben.
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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 dem 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. Die Strömung erfolgt somit nicht direkt radial auf die Haupt- bzw. Mittelachse X des Mischbehälters 5, sondern versetzt zu der Mittelachse X. 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 X 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 3 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 X 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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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 denn 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.
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Diese Durchmischung kann durch den nachfolgend anhand der 3 und 4 beschriebenen Zyklonmischer erreicht werden.
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Die sogenannte Zyklonströmung bzw. Drallströmung wird anhand des Zyklonmischers von 3 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 3 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 4 Ausführungsformen mit mehreren Ein- und Auslässen (4a) bzw. mit einem Mischbehälter 5 in horizontaler Ausrichtung (4b).
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Gemäß 4a) 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 4a) gezeigt.
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Bei einer weiteren, in 4b) gezeigten Variante kann der Mischbehälter 5 auch derart angeordnet sein, dass sich seine Haupt- bzw. Zentralachse X 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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5 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 5a) 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 Mischvorrichtung enthält bzw. bildet.
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Bei der Ausführungsform von 5b) ist die Behältereinheit 1 von dem eigentlichen Fluiderwärmer 14 mit denn 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 dem Wärmetauscher 14b erwärmt sowie mit Hilfe der Behältereinheit 1 mit der Mischvorrichtung hinsichtlich der Temperatur vergleichmäßigt werden.
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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 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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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8276548 B2 [0011]
- DE 9101643 [0012]
