Titel

Heizvorrichtung mit integrierter Wasserentkalkung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Heizvorrichtung, insbesondere einer Warmwasserheizvorrichtung, sowie eine Heizvorrichtung.

Stand der Technik

Der Einsatz von Warmwasserheizvorrichtung ist weit verbreitet. Derartige Warmwasserheizvorrichtungen umfassen einen Wärmetauscher, welcher durch einen Verbrennungsprozess oder elektrisch erhitzt wird, um einen Wasserstrom aufzuheizen. Die Effizienz derartiger Warmwasserheizvorrichtung ist von unterschiedlichen Faktoren, wie beispielsweise der Geometrie und der Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauschers, abhängig. Aus diesem Grund wirkt sich jede Ablagerung im Wärmetauscher nachteilig auf die Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauschers aus. Insbesondere kann die Wärmeleitfähigkeit durch Kalkablagerungen beeinträchtigt werden. Die Kalkablagerungen werden durch die Ausfällung von Kalzium im Wasser aufgrund der Temperaturerhöhung während des Betriebs der Warmwasserheizvorrichtung gebildet. Folglich nimmt die Effizienz der Warmwasserheizvorrichtung im Laufe der Zeit durch die Zunahme der Kalkschicht ab.

Üblicherweise wird bei einem hohen Kalkgehalt im Wasser eine Wasserentkalkungsanlage der Warmwasserheizvorrichtung vorgeschaltet, um der Verringerung der Effizienz entgegenzuwirken. Derartige Wasserentkalkungsanlagen weisen Filter auf, welche regelmäßig regeneriert werden müssen. Hierfür wird ein Regeneriersalz eingesetzt. Nachteilig an einer derartigen Lösung sind die Anschaffungskosten der Wasserentkalkungsanlage und das kontinuierliche Nachfüllen des Regeneriersalzes, um die Funktion der Wasserentkalkungsanlage zu gewährleisten. Offenbarung der Erfindung

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Verfahren und eine Heizvorrichtung vorzuschlagen, welche eine Kalkbildung in einem Wärmetauscher verhindern.

Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Heizvorrichtung, insbesondere einer Warmwasserheizung, bereitgestellt. Die Heizvorrichtung kann in einem Regenerierungsbetrieb oder in einem regulären Betrieb zum Bereitstellen von Warmwasser betrieben werden.

In einem Schritt wird kaltes Wasser durch mindestens einen Ionenaustauschfilter gefiltert. Anschließend wird das kalte Wasser in einen durch einen Verbrennungsprozess erwärmten Wärmetauscher der Heizvorrichtung geleitet und erwärmt. Das erwärmte Wasser wird aus der Heizungsvorrichtung, beispielsweise zu einer Wasserentnahmestelle bzw. einem Wasserhahn geleitet. Bevorzugterweise wird ein während des Verbrennungsprozesses entstehendes Kondensat in einem Sammelbehälter aufgefangen und zum Regenerieren des Ionenaustauschfilters während des Regenerierungsbetriebs durch den Ionenaustauschfilter geleitet.

Durch diese Maßnahme können die Vorteile einer Wasserentkalkungsanlage in eine Heizvorrichtung integriert werden, wobei das regelmäße Nachfüllen des Regeneriersalzes entfällt. Das Kondensat entsteht während des konventionellen Verbrennungsprozesses und kann sich im Sammelbehälter ansammeln.

Das Kondensat bildet sich durch Kontakt von Verbrennungsgasen an kühlen Oberflächen im Wärmetauscher und kann insbesondere Salpetersäure, Schwefelsäure und Salzsäure aufweisen. Das säurehaltige Kondensat eignet sich somit für die Regenerierung des Ionenaustauschfilters, welcher das Kalzium aus kalkhaltigem Wasser aufnimmt. Das Kondensat kann somit das Kalzium im Ionenaustauschfilter herauslösen und die Aufnahmefähigkeit des Ionenaustauschfilters sicherstellen. Insbesondere kann das Kondensat anstelle des Regenerationssalzes eingesetzt werden.

Der Ionenaustauschfilter kann vorzugsweise in die Heizvorrichtung integriert sein.

Bei einer Ausführungsform wird das Kondensat als eine mit Wasser verdünnte Lösung zum Regenerieren des Ionenaustauschfilters durch den Ionenaustauschfilter in einen Abfluss geleitet. Da das Kondensat in einer hochkonzentrierten Form vorliegen kann, ist eine Verdünnung mit Wasser vorteilhaft, um eine längere Beaufschlagung und damit Regenerierung des Ionenaustauschfilters zu ermöglichen.

Während das verdünnte Kondensat den Ionenaustauschfilter passiert, findet ein lonenaustauschprozess statt, welcher die durch den Ionenaustauschfilter absorbierten Kalzium-Ionen löst und entfernt. Anstelle der Kalzium-Ionen können Wasserstoff-Ionen in den Ionenaustauschfilter gelangen und die Aufnahmefähigkeit für Kalk wiederherstellen. Hierdurch wird die Fähigkeit des Ionenaustauschfilters zum Entkalken des Wassers erneut hergestellt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine elektrische Leitfähigkeit der Lösung durch einen Leitfähigkeitssensor gemessen, wobei die Regenerierung des Ionenaustauschfilters beendet wird, wenn die gemessene elektrische Leitfähigkeit unter einen Grenzwert sinkt. Wird die Regenerierung des Ionenaustauschfilters eingeleitet, so kann die elektrische Leitfähigkeit des Kondensats oder des verdünnten Kondensats gemessen werden.

Wird der mit dem Kondensat gefüllte Sammelbehälter vollständig geleert, so sinkt die elektrische Leitfähigkeit auf einen Wert von reinem Wasser bzw. einen Referenzwert für die elektrische Leitfähigkeit des Wassers. Dieses Absinken der elektrischen Leitfähigkeit kann als Auslöser zum Anhalten der Regenerierung eingesetzt werden. Hierbei können Ventile angesteuert werden, um die Verbindung der entsprechenden Rohrleitungen zum Sammelbehälter abzukoppeln. Der Referenzwert der elektrischen Leitfähigkeit kann vordefiniert sein und als der Grenzwert dienen.

Bei der Regenerierung des Ionenaustauschfilters können Rohrverbindungen durch Ventile derart eingestellt werden, dass das Kondensat aus dem Sammelbehälter durch den Ionenaustauschfilter geführt wird. Hierbei kann das Kondensat nach dem Befördern aus dem Sammelbehälter mit Wasser verdünnt werden oder durch ein Einleiten von Wasser in den Sammelbehälter in verdünnter Form aus dem Sammelbehälter geschwemmt werden.

Wird der Sammelbehälter geleert bzw. das gesammelte Kondensat aus dem Sammelbehälter gefördert, so können die Rohrverbindungen zum Sammelbehälter abgekoppelt werden, sodass das Wasser aus einer der Wasserzufuhr direkt durch den Ionenaustauschfilter geführt wird, bevor das Wasser in den Wärmetauscher gelangen kann.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Heizvorrichtung zum Erwärmen von kaltem Wasser aus einer Wasserzufuhr bereitgestellt. Die Heizvorrichtung weist einen Ionenaustauschfilter zum Verringern eines Kalkgehalts im kalten Wasser, eine Verbrennungsanlage zum Erzeugen von Wärme durch einen Verbrennungsprozess und einen Wärmetauscher zum Übertragen der durch den Verbrennungsprozess erzeugten Wärme in durch den Ionenaustauschfilter gefiltertes kaltes Wasser.

Ein während eines Betriebs der Verbrennungsanlage entstehendes Kondensat ist in einen Sammelbehälter leitbar. Bevorzugterweise ist der Sammelbehälter zum Regenerieren des Ionenaustauschfilters fluidleitend mit dem Ionenaustauschfilter verbindbar.

Hierdurch kann eine Heizvorrichtung bereitgestellt werden, welche einen integrierten Ionenaustauschfilter aufweist. Der Ionenaustauschfilter kann anstelle eines Regeneriersalzes durch das gesammelte Kondensat regeneriert werden. Dabei kann eine Heizvorrichtung realisiert werden, welche automatisiert und ohne einen zusätzlichen Aufwand für den Betreiber eine Entkalkungsfunktion aufweist. Das Kaufen und Auffüllen des Regeneriersalzes kann somit entfallen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in Flussrichtung des kalten Wassers zwischen der Wasserzufuhr und dem Ionenaustauschfilter ein erstes Ventil und hinter dem Ionenaustauschfilter ein zweites Ventil angeordnet, wobei das erste Ventil mit dem Sammelbehälter und das zweite Ventil mit einem Abfluss verbindbar ist. Die Ventile können beispielsweise als Dreiwegeventile oder als Einwegventile ausgestaltet sein. Durch diese Maßnahme können Rohrverbindungen zwischen der Wasserzufuhr, dem Ionenaustauschfilter, dem Wärmetauscher und dem Sammelbehälter je nach Betriebszustand variiert werden. Im regulären Betriebszustand der Heizanlage kann das Wasser aus der Wasserzufuhr durch den Ionenaustauschfilter in den Wärmetauscher gelangen. Während der Regenerierung können die Ventile die Rohrverbindungen derart umschalten, dass das Kondensat aus dem Sammelbehälter parallel zu der Wasserzufuhr durch den Ionenaustauschfilter geleitet wird. Bevor das Kondensat in den Wärmetauscher gelangen kann, wird die Lösung über das zweite Ventil entsorgt bzw. in einen Abfluss geführt.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem ersten Ventil und dem Ionenaustauschfilter ein Leitfähigkeitssensor zum Messen einer elektrischen Leitfähigkeit angeordnet. Durch das Messen der elektrischen Leitfähigkeit kann ein Ende der Regenerierung des Ionenaustauschfilters festgestellt werden.

Dieser Zeitpunkt kann vorzugsweise erreicht werden, wenn das sich im Sammelbehälter gesammelte Kondensat verbraucht ist.

Durch das säurehaltige Kondensat wird die elektrische Leitfähigkeit, welche der Leitfähigkeitssensor misst, erhöht. Nach dem Verbrauch des Kondensats sinkt die elektrische Leitfähigkeit.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zum Regenerieren des Ionenaustauschfilters das Kondensat durch Schwerkraft, durch eine Pumpe oder durch Zuführen von kaltem Wasser aus der Wasserzufuhr aus dem Sammelbehälter über das erste Ventil in den Ionenaustauschfilter leitbar bzw. förderbar. Durch diese Maßnahme kann das Kondensat, je nach Aufbau und Komplexität der Heizvorrichtung, basierend auf unterschiedlichen Mechanismen gefördert werden. Das Einleiten der Regenerierung kann beispielsweise in definierten zeitlichen Abständen erfolgen und durch eine Steuereinheit eingeleitet werden. Wird der Sammelbehälter und der Wärmetauscher oberhalb des Ionenaustauschfilters angeordnet, so kann das Kondensat aufgrund der Schwerkraft durch den Ionenaustauschfilter geleitet werden. Alternativ oder zusätzlich wird eine Förderpumpe eingesetzt, um das Kondensat zu fördern.

Durch den Einsatz der Förderpumpe kann die Anordnung des Sammelbehälters und des Ionenaustauschfilters beliebig gewählt werden, wodurch eine höhere Designfreiheit bei der Konstruktion der Heizvorrichtung erreicht wird.

Bei einer weiteren Ausgestaltung kann das Wasser aus der Wasserzufuhr zum Spülen des Sammelbehälters und zum fördern des Kondensats aus dem Sammelbehälters eingesetzt werden. Dabei kann eine Abzweigung der Wasserzufuhr in den Sammelbehälter führen.

Alternativ oder zusätzlich können Messdaten eines Annäherungssensors verwendet werden, um die Regenerierung ausschließlich bei einer Abwesenheit eines Benutzers der Heizvorrichtung einzuleiten.

Nach einer weiteren Ausführungsformsind das erste Ventil und das zweite Ventil elektronisch oder manuell umschaltbar. Durch eine elektronische Steuerung der Ventile kann die Heizvorrichtung vollautomatisiert betreibbar sein.

Eine manuelle Steuerung der Ventile ermöglicht eine besonders robuste und technisch einfache Ausgestaltung der Heizvorrichtung. Dabei kann ein Benutzer manuell die Regenerierung des Ionenaustauschfilters einleiten und anhalten. Vorteilhafterweise kann eine zeitlich gesteuerte Anzeige den Benutzer zum Einleiten oder zum Stoppen der Regenerierung hinweisen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind das erste Ventil und das zweite Ventil elektronisch durch eine Steuereinheit umschaltbar, wobei das erste Ventil und das zweite Ventil basierend auf Messdaten des Leitfähigkeitssensors und/oder einer Betriebszeit der Heizvorrichtung umschaltbar sind. Durch diese Maßnahme kann eine vollautomatisierte Heizvorrichtung umgesetzt werden, bei welcher ein Eingriff des Benutzers bzw. Anwenders zum Gewährleisten des Betriebs entfällt. Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Ionenaustauschfilter als ein einstufiger Filter oder als ein zweistufiger Filter ausgestaltet. Bei einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung kann der Ionenaustauschfilter eine erste Stufe und eine zweite Stufe aufweisen. Während des Betriebs der Heizvorrichtung kann eine Stufe des Ionenaustauschfilters zum Entkalken des Wassers eingesetzt werden, während die zweite Stufe durch das Kondensat regeneriert wird. Hierdurch kann ein Dauerbetrieb der Heizvorrichtung ohne eine Unterbrechung zum Durchführen der Regenerierung realisiert werden.

Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Heizvorrichtung im regulären Betrieb gemäß einer Ausführungsform und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Heizvorrichtung während einer Regenerierung gemäß einer Ausführungsform.

Die Figur 1 und Figur 2 dienen insbesondere der Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben einer Heizvorrichtung 1, bei welchem während eines Verbrennungsprozesses entstehendes Kondensat in einem Sammelbehälter 2 aufgefangen und zum Regenerieren eines Ionenaustauschfilters 4 durch den Ionenaustauschfilter 4 geleitet wird.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Heizvorrichtung 1 im regulären Betrieb gemäß einer Ausführungsform. Die Heizvorrichtung 1 dient zum Erwärmen von kaltem Wasser, welches aus einer Wasserzufuhr 6 in die Heizvorrichtung 1 einleitbar ist.

Das aus der Wasserzufuhr 6 in die Heizvorrichtung 1 eingeleitete kalte Wasser wird durch einen Ionenaustauschfilter 4 gefiltert. Hierdurch kann dem kalten Wasser Kalk bzw. Kalzium entzogen werden, um Kalkablagerungen in einem dem Ionenaustauschfilter 4 nachgeschalteten Wärmetauscher 8 zu vermeiden. Die Wasserzufuhr 6, der Ionenaustauschfilter 4 und der Wärmetauscher 8 sind über Rohrleitungen 10 fluidleitend miteinander verbunden. Zwischen der Wasserzufuhr 6 und dem Ionenaustauschfilter 4 ist ein erstes Ventil 12 in den Rohrleitungen 10 angeordnet. Zwischen dem Ionenaustauschfilter 4 und dem Wärmetauscher 8 ist ein zweites Ventil 14 in die Rohrleitung 10 integriert.

Das erste Ventil 12 und das zweite Ventil 14 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel als elektronisch gesteuerte Ventile ausgeführt und können durch eine Steuereinheit 16 gesteuert werden. Die Steuereinheit 16 kann dabei eine Zeitsteuerung und/oder eine sensorgestützte Steuerung der Ventile 12, 14 umsetzen. Hierzu kann die Steuereinheit 16 mit einem Leitfähigkeitssensor 18 datenleitend verbunden sein, weicher zwischen dem ersten Ventil 12 und dem Ionenaustauschfilter 4 angeordnet ist.

Der Leitfähigkeitssensor 18 kann eine elektrische Leitfähigkeit des Wassers vor dem Eintritt in den lonenaustauchfilter 4 messen. Die Steuereinheit 16 kann dabei die gemessenen Werte der elektrischen Leitfähigkeit empfangen und auswerten, um eine Ansteuerung der Ventile 12, 14 zu ermöglichen.

Die Figur 1 zeigt die Heizvorrichtung 1 in einem regulären Betrieb, bei welchem eine Verbrennungsanlage 20 einen Brennstoff, wie beispielsweise Gas, Öl oder Pellets, verbrennt und Wärme erzeugt. Die erzeugte Wärme wird durch den Wärmetauscher 8 zum Heizen des Wassers genutzt.

Während des regulären Betriebs der Verbrennungsanlage 20 bildet sich Kondensat, welches in dem Sammelbehälter 2 aufgefangen wird. Das Kondensat ist säurehaltig und entsteht durch Kondensation von gasförmigen Verbrennungsprodukten an kalten Oberflächen des Wärmetauschers 8 und der Verbrennungsanlage 20.

Das im Sammelbehälter 2 aufgefangene Kondensat ist vorzugsweise zum Regenerieren des Ionenaustauschfilters 4 nutzbar. Hierzu kann der Sammelbehälter 2 fluidleitend mit dem Ionenaustauschfilter 4 verbindbar sein. Während des regulären Betriebs der Heizvorrichtung 1 sind die Ventile 12, 14 derart eingestellt, dass das Wasser unmittelbar durch den Ionenaustauschfilter 4 und den Wärmetauscher 8 geführt wird.

Nach dem Erwärmen des Wassers durch den Wärmetauscher 8 kann das erwärmte Wasser aus der Heizvorrichtung 1 in eine Entnahmestelle 22 gelangen. Die Entnahmestelle 22 kann beispielsweise eine Armatur, ein Heizkörper und dergleichen sein.

Da der Ionenaustauschfilter 4 eine begrenzte Kapazität hat, muss in regelmäßigen Zeitabständen eine Regenerierung des Ionenaustauschfilters 4 durchgeführt werden, um die Kapazität des Ionenaustauschfilters zum Aufnehmen von Kalzium wiederherzustellen.

Der Schritt der Regenerierung des Ionenaustauschfilters 4 ist in der Figur 2 veranschaulicht. Die Figur 2 zeigt dabei die Heizvorrichtung 1 aus der Figur 1.

Der Übersicht halber ist in der Figur 2 die Kopplung der Ventile 12, 14 mit der Steuereinheit 16 und die Steuereinheit 16 nicht dargestellt.

Zum Durchführen der Regenerierung wird im dargestellten Ausführungsbeispiel der reguläre Betrieb zum Bereitstellen von Warmwasser unterbrochen. Hierzu werden die Ventile 12, 14 derart angesteuert, dass dem kalten Wasser aus der Wasserzufuhr 6 das Kondensat aus dem Sammelbehälter 2 zugeführt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Kondensat über eine Förderpumpe 24 aus dem Sammelbehälter 2 gepumpt.

Das Kondensat kann über das erste Ventil 12 dem kalten Wasser beigemischt werden. Das erste Ventil 12 kann als ein Dreiwegeventil oder als ein Einwegventil mit einem angeschlossenen T-Stück ausgestaltet sein, um das Kondensat dem kalten Wasser aus der Wasserzufuhr 6 beizumischen.

Das Kondensat vermischt sich mit dem kalten Wasser zu einer säurehaltigen Lösung und wird durch den Ionenaustauschfilter 4 geleitet, um den Ionenaustauschfilter 4 durch Lösen von Kalzium zu regenerieren. Das zweite Ventil 14 ist als ein Dreiwegeventil ausgestaltet und kann die aus dem Ionenaustauschfilter 4 austretende Lösung zu einem Abfluss 26 leiten. Im Regenerierungsbetrieb ist der Wärmetauscher 8 durch das zweite Ventil 14 von der Wasserzufuhr 6 abgekoppelt. Wenn der Sammelbehälter 2 im Regenerierungsbetrieb geleert wird, ändert sich die elektrische Leitfähigkeit der Lösung, welche durch das erste Ventil 12 durch den Leitfähigkeitssensor 18 fließt.

Insbesondere verringert sich die elektrische Leitfähigkeit der Lösung aufgrund einer Verringerung der Menge des säurehaltigen Kondensats. Basierend auf einem Abfall der gemessenen elektrischen Leitfähigkeit unterhalb eines Grenzwerts kann der Regenerierungsbetrieb gestoppt und die Ventile 12, 14 zum Fortsetzen des regulären Betriebs umgeschaltet werden.