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DE102019004320A1 - Durchlauferhitzer und diesen umfassender elektronischer dezentraler Wassererhitzer - Google Patents

Durchlauferhitzer und diesen umfassender elektronischer dezentraler Wassererhitzer Download PDF

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DE102019004320A1
DE102019004320A1 DE102019004320.0A DE102019004320A DE102019004320A1 DE 102019004320 A1 DE102019004320 A1 DE 102019004320A1 DE 102019004320 A DE102019004320 A DE 102019004320A DE 102019004320 A1 DE102019004320 A1 DE 102019004320A1
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DE
Germany
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water heater
heating element
flow
fluid channel
element arrangement
Prior art date
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Pending
Application number
DE102019004320.0A
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Inventor
Hubert Nolte
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Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Original Assignee
Stiebel Eltron GmbH and Co KG
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Publication date
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Priority to US16/893,825 priority patent/US11808485B2/en
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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Durchlauferhitzer und einen diesen umfassenden elektronisch geregelten dezentralen Wassererhitzer. Der Durchlauferhitzer umfasst einen Einströmanschluss zum Anschluss des Durchlauferhitzers an einen Kaltwasseranschluss, einen Ausströmanschluss zum Anschluss des Durchlauferhitzers an eine Armatur, einen Fluidkanal, der eine Fluidverbindung vom Einströmanschluss zum Ausströmanschluss gewährleistet, eine Heizelementanordnung, die an oder in mindestens einem Segment des Fluidkanals angeordnet ist, zur Übertragung von Wärme auf das im Fluidkanal befindliche Fluid und einen elektronischen Regler zur Regelung von der Heizelementanordnung bereitgestellter Heizleistung, wobei der Durchlauferhitzer außerdem einen Durchflusssensor, der am oder im Fluidkanal hinter der Heizelementanordnung angeordnet ist, umfasst, wobei der elektronische Regler so konfiguriert ist, dass er das Vorhandensein von Luftblasen im Fluidkanal anhand einer Veränderung eines vom Durchflusssensor bereitgestellten Durchflusssignals erkennt und die der Heizelementanordnung bereitgestellte Heizleistung als Reaktion auf die Erkennung von Luftblasen anpasst.

Description

  • Hintergrund
  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Durchlauferhitzer und einen den Durchlauferhitzer umfassenden elektronischen dezentralen Wassererhitzer.
  • Beschreibung verwandter Technik
  • Durchlauferhitzer sind für Wohn- und Industrieanwendungen weithin bekannt. Luftblasen im Fluidkanal in den Durchlauferhitzern können zur Überhitzung von Heizelementen führen, was zur Beschädigung des Durchlauferhitzers oder sogar einem Brand aufgrund von Überhitzung führt.
  • Durchlauferhitzer mit einem Lufterkennungssystem zur Vermeidung von Überhitzung sind beispielsweise aus DE 197 25 977 C2 oder DE 43 03 325 A1 bekannt.
  • In DE 43 03 325 A1 wird ein Durchlauferhitzer mit zwei separaten Durchflussmessern beschrieben, wobei ein Durchflussmesser vor einem Heizelement in der Nähe des kalten Endes angeordnet ist und der andere Durchflussmesser hinter dem Heizelement am warmen Ende angeordnet ist. Eine von jedem Durchflusssensor jeweils ermittelte gleichzeitige Veränderung der Durchflusssignale wird als Luftblasen in der Wasserzuleitung eines Durchlauferhitzers erkannt.
  • In DE 197 25 977 C2 ist offengelegt, dass Luftblasen in der Wasserzufuhr des Erhitzers im Vergleich zu einer reinen Wasserzufuhr ohne Luftblasen zu einer geringeren Rotationsgeschwindigkeit eines Flügelrads führen. Das charakteristische Frequenzmuster der momentanen Änderungsrate der Rotationsgeschwindigkeit des Flügelrads wird zur Erkennung von Luftblasen mithilfe eines Erkennungs- und Auswertungskreises genutzt.
  • In den bekannten Anwendungen ist der Durchflusssensor in der Kaltwasserzufuhr angeordnet, so dass eine zuverlässige Erkennung von in den Durchlauferhitzer einströmenden Luftblasen möglich ist. Da jedoch eine gewisse Menge an Luft im in den Durchlauferhitzer einströmenden Wasser, z.B. der Trinkwasserzufuhr, gelöst ist, entweicht die Luft aus dem Wasser, sobald das Wasser in einer Heizkammer einer Wassererhitzeranlage, z.B. einem Durchlauferhitzer, erwärmt wird.
  • Wenn in einer Anordnung von mehreren Heizelementen mehrere Heizelemente in Reihe angeordnet sind, wird aufgrund des vorgeschalteten Heizprozesses mindestens dem letzten Heizelement hinten in der Heizelementanordnung mit Luft verunreinigtes Wasser zugeführt. Infolgedessen wird das betreffende Heizelement nicht ordnungsgemäß gekühlt und überhitzt wahrscheinlich aufgrund der Luftverunreinigung.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung war daher die Bereitstellung eines Durchlauferhitzers und eines elektronischen dezentralen Wassererhitzers, der eine zuverlässige Erkennung von Luftblasen im Fluidkanal, unabhängig von ihrem Ursprung, d.h. unabhängig davon, ob sie aus der Kaltwasserzufuhr stammen oder aufgrund des Heizprozesses an der warmen Seite der Heizkammer auftreten, ermöglicht.
  • Kurzzusammenfassung
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Durchlauferhitzer bereitgestellt. Der Durchlauferhitzer umfasst einen Einströmanschluss zum Anschluss des Durchlauferhitzers an einen Kaltwasseranschluss, einen Ausströmanschluss zum Anschluss des Durchlauferhitzers an eine Armatur, einen Fluidkanal, der eine Fluidverbindung vom Einströmanschluss zum Ausströmanschluss gewährleistet, eine Heizelementanordnung, die an oder in mindestens einem Segment des Fluidkanals angeordnet ist, zur Übertragung von Wärme auf das im Fluidkanal befindliche Fluid und einen elektronischen Regler zur Regelung von der Heizelementanordnung bereitgestellter Heizleistung. Der Durchlauferhitzer umfasst außerdem einen Durchflusssensor, der am oder im Fluidkanal hinter der Heizelementanordnung angeordnet ist, wobei der elektronische Regler so konfiguriert ist, dass er das Vorhandensein von Luftblasen im Fluidkanal anhand einer Veränderung eines vom Durchflusssensor bereitgestellten Durchflusssignals erkennt und die der Heizelementanordnung bereitgestellte Heizleistung als Reaktion auf die Erkennung von Luftblasen anpasst.
  • Da der Durchflusssensor hinter der Heizelementanordnung angeordnet ist, erkennt der Durchflusssensor sowohl Luftblasen, die durch die Kaltwasserzufuhr in den Durchlauferhitzer einströmen, als auch Luftblasen, die aufgrund der Erwärmung durch die Heizelementanordnung entstehen. Im Vergleich zu zuvor bekannten Lösungen ist somit auch die Erkennung von Luftblasen, die von der Heizelementanordnung erzeugt werden, möglich. Zudem kann eine zuverlässige Erkennung mit einem einzigen Durchflusssensor erreicht werden, so dass die Gesamtsystemkomplexität verringert wird. Dazu ermöglicht eine feine Auswertung einer Veränderung des vom einzigen Durchflusssensor bereitgestellten Durchflusssignals durch den elektronischen Regler eine effiziente Erkennung des Vorhandenseins von Luftblasen.
  • Die Heizelementanordnung umfasst vorzugsweise mehrere Heizelemente, die zumindest teilweise in Bezug auf den Fluidkanal in Reihe angeordnet sind. So erhalten nachgeschaltete Heizelemente durch die von den vorgeschalteten Heizelementen auf den Fluidstrom übertragene Heizleistung einen Fluidstrom mit höherer Temperatur im Vergleich zu weiter vorne angeordneten Heizelementen. Nachgeschaltete Heizelemente sind mit höherer Wahrscheinlichkeit Luftblasen im Fluidkanal ausgesetzt.
  • Einige der mehreren Heizelemente sind außerdem vorzugsweise parallel angeordnet, um die Wärmeübertragung auf das Fluid durch die Aufteilung des Stroms in parallele Kanäle zu maximieren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsart umfasst der Durchlauferhitzer außerdem einen ersten Temperatursensor, der so konfiguriert ist, dass er die Temperatur eines Fluids im Fluidkanal vor der Heizelementanordnung erkennt und einen zweiten Temperatursensor, der so konfiguriert ist, dass er die Temperatur eines Fluids im Fluidkanal hinter der Heizelementanordnung erkennt.
  • Die Bereitstellung von zwei Temperatursensoren ermöglicht eine effiziente Regelung des Durchlauferhitzers durch den elektronischen Regler zur Erreichung eines gewünschten Sollwerts am Ausströmanschluss.
  • In einer bevorzugten Ausführungsart ist der zweite Temperatursensor zwischen dem Durchflusssensor und der Heizelementanordnung in Bezug auf den Fluidkanal angeordnet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsart umfasst der elektronische Regler eine Sollwert-Überwachungsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie die der Heizelementanordnung bereitgestellte Heizleistung anhand einer Differenz zwischen der vom zweiten Temperatursensor ermittelten Temperatur und einer vorab festgelegten Solltemperatur anpasst.
  • In einer bevorzugten Ausführungsart umfasst der Durchlauferhitzer außerdem ein Drosselventil, wobei die Sollwert-Überwachungsvorrichtung so konfiguriert ist, dass sie den Durchfluss mithilfe des Drosselventils verringert, wenn eine vorab festgelegte Solltemperatur nicht erreicht wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsart ist die Sollwert-Überwachungsvorrichtung so konfiguriert, dass sie den Durchfluss als Reaktion auf die vom ersten Temperatursensor ermittelte Temperatur mithilfe des Drosselventils anpasst. Die Durchflussverringerung ist besonders vorteilhaft, wenn beispielsweise der erste Temperatursensor eine niedrige Einströmtemperatur erkennt, so dass die Temperaturerhöhung, die von der Heizleistung der Heizelementanordnung generiert werden sollte, im Falle eines höheren, d.h. nicht verringerten Durchflusses, die Maximalleistung der Heizelementanordnung übersteigen würde.
  • In einer bevorzugten Ausführungsart sind mindestens der Durchflusssensor, der Fluidkanal, die Heizelementanordnung und der elektronische Regler in einem Gehäuse angeordnet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsart umfasst der Durchflusssensor ein Flügelrad, wobei das Durchflusssignal eine Drehgeschwindigkeit des Flügelrads anzeigt. Eine höhere Drehgeschwindigkeit des Flügelrads entspricht einem größeren Fluidstrom, während Luftblasen im Fluidkanal die Drehgeschwindigkeit des Flügelrads und damit das bereitgestellte Durchflusssignal verringern.
  • In einer bevorzugten Ausführungsart ist der elektronische Regler so konfiguriert, dass er das Einsetzen der Bereitstellung von Heizleistung für die Heizelementanordnung verzögert, nachdem das Durchflusssignal den Beginn eines Entnahmevorgangs anzeigt. Dadurch kann Überhitzung zu Beginn eines Entnahmevorgangs aufgrund von bereits am Ort der Heizelemente vorhandenen Luftblasen verhindert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsart ist der elektronische Regler so konfiguriert, dass er die Bereitstellung von Heizleistung für die Heizelementanordnung stoppt, wenn eine Veränderung des Durchflusssignals auf das Vorhandensein von Luftblasen hinweist. Luftblasen im Fluidkanal sind für den Durchlauferhitzer gefährlich, da sie irgendwann zu Überhitzung führen. So kann, da das Aufheizen bei der Erkennung von Luft im Luftkanal gestoppt wird, Überhitzung zuverlässig verhindert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsart ist der elektronische Regler so konfiguriert, dass er das Vorhandensein von Luftblasen im Fluidkanal mithilfe einer Analyse des charakteristischen Frequenzmusters des vom Durchflusssensor bereitgestellten Durchflusssignals erkennt. Die Veränderung des Durchflusssignals durch den Wechsel zwischen dem Vorbeiströmen von Flüssigkeit, d.h. im Allgemeinen Wasser, und Luft am Durchflusssensor führt zu einer Veränderung des Durchflusssignals mit einem charakteristischen Frequenzmuster, das zur Erkennung, ob Luft vorhanden ist oder nicht, ausgewertet werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein elektronisch geregelter dezentraler Wassererhitzer bereitgestellt. Der elektronisch geregelte dezentrale Wassererhitzer umfasst den Durchlauferhitzer gemäß dem ersten Aspekt.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von beispielhaften Ausführungsarten mit Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlicher beschrieben.
    • 1 zeigt schematisch und beispielhaft einen Durchlauferhitzer gemäß der Erfindung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • 1 zeigt schematisch und beispielhaft einen Durchlauferhitzer 10 gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung. Der Durchlauferhitzer 10 umfasst in diesem Beispiel ein optionales Gehäuse 20, in dem ein Fluidkanal 16 von einem an den Kaltwasseranschluss anzuschließenden Einströmanschluss 12 zu einem beispielsweise an eine Armatur oder eine sonstige Verbrauchsstelle, an der warmes oder heißes Wasser gewünscht wird, anzuschließenden Ausströmanschluss 14 verläuft.
  • Der Fluidkanal 16 ist auf seinem Weg durch den Durchlauferhitzer 10 so angeordnet, dass er mit einer Heizelementanordnung 2, die mehrere Heizelemente zur Übertragung von Wärmeenergie, insbesondere elektrische Wärmeenergie, auf das Wasser im Fluidkanal 16 umfasst, in Kontakt kommt.
  • Ein einzelner Durchflusssensor 1 ist an der warmen Seite hinter der Heizelementanordnung am oder im Fluidkanal 16 angeordnet. Mehrere verschiedene Durchflusssensoren 1 zur Bereitstellung eines Durchflusssignals zur Anzeige eines Stroms durch Fluidkanal 16 sind bekannt, vorzugsweise umfasst Durchflusssensor 1 ein Flügelrad und liefert ein Signal zur Anzeige einer Drehgeschwindigkeit des Flügelrads.
  • Durchflusssensor 1 ist nachgeschaltet angeordnet, um Luftblasen in Fluidkanal 16 aufgrund von Luftverunreinigung des einströmenden Wassers, d.h. Wasser, das durch Einströmanschluss 12 in den Durchlauferhitzer 10 gelangt, sowie durch die Lösemittelverdampfung entstehende Luftblasen, zu erkennen.
  • Der Temperaturbereich des aus dem Ausströmanschluss 14 strömenden Wassers liegt vorzugsweise zwischen 40 °C und 100 °C, noch bevorzugter zwischen 60 °C und 95 °C.
  • Der Heizelementanordnung 2 sind ein erster Temperatursensor 3 und ein zweiter Temperatursensor 4 vor- bzw. nachgeschaltet. Temperatursensor 3 misst die Wassereinströmseite und Temperatursensor 4 die Wasserausströmseite nach der Erwärmung des Wassers durch die Heizelementanordnung 2. Zusätzlich ist ein Drosselventil 5 an der Kalt- oder Wassereinströmseite angeordnet und kann zur Anpassung des Stroms durch Fluidkanal 16 verwendet werden. Zwar ist Drosselventil 5 auf der Kaltwasserseite dargestellt, aber natürlich wird in Erwägung gezogen, Drosselventil 5 auf der Warm- oder Heißwasserseite bereitzustellen, da der Strom durch Fluidkanal 16 im gesamten Durchlauferhitzer 10 gleich ist.
  • Außerdem wird ein elektronischer Regler 6 bereitgestellt, der so konfiguriert ist, dass er die Heizleistung der Heizelementanordnung 2 so regelt, dass die von Temperatursensor 4 gemessene Temperatur nahe an der Solltemperatur liegt, die vorzugsweise von einer Sollwert-Überwachungsvorrichtung 7, welche in den elektronischen Regler 6 integriert werden kann, festgelegt wird. Reicht die verfügbare Heizleistung nicht zur zufriedenstellenden Erwärmung des Wassers auf die gewünschte Solltemperatur aus, kann der Wasserstrom mithilfe von Drosselventil 5 verringert werden, so dass die verfügbare Heizleistung dann ausreicht. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Temperatur des zugeführten Wassers gering oder die festgelegte Solltemperatur hoch ist.
  • Alle Sensorelemente 1, 3 und 4 sowie das Drosselventil 5 sind als über einen Draht 8 an den elektronischen Regler 6 anzuschließen dargestellt. Natürlich wird in Erwägung gezogen, dass eines, mehrere oder alle der Sensorelemente auf andere Weise, beispielsweise drahtlos, mit dem elektronischen Regler 6 kommunizieren können.
  • Durchlauferhitzer 10 beginnt mit dem Aufheizen, genauer gesagt liefert elektronischer Regler 6 Heizelementanordnung 2 Energie, wenn Durchflusssensor 1 einen Entnahmevorgang erkennt, mit Verzögerung, um eine Überhitzung von Heizelementanordnung 2 zu verhindern. Die Verzögerung dient dazu, sicherzustellen, dass keine restlichen Luftblasen in einer Heizkammer, d.h. im Bereich von Fluidkanal 16, in dem Wasser von Heizelementanordnung 2 erwärmt werden kann, verbleiben.
  • Außerdem wird, wenn Regler 6 anhand der Sensorsignale von Durchflusssensor 1 Luftblasen erkennt, das Aufheizen gestoppt. Luftblasen können anhand einer momentanen Änderungsrate der Rotationsgeschwindigkeit des Flügelrads von Durchflusssensor 1 erkannt werden. Zusätzlich oder alternativ wird eine Analyse des charakteristischen Frequenzmusters des Durchflusssensorsignals zur Auswertung durch elektronischen Regler 6 genutzt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Durchflusssensor
    2
    Heizelementanordnung
    3
    Temperatursensor
    4
    Temperatursensor
    5
    Drosselventil
    6
    Elektronischer Regler
    7
    Sollwert-Überwachungsvorrichtung
    8
    Draht
    10
    Wassererhitzer
    12
    Einströmanschluss
    14
    Ausströmanschluss
    16
    Fluidkanal
    20
    Gehäuse
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19725977 C2 [0003, 0005]
    • DE 4303325 A1 [0003, 0004]

Claims (12)

  1. Ein Durchlauferhitzer (10), umfassend einen Einströmanschluss (12) zum Anschluss des Durchlauferhitzers (10) an eine Kaltwasserzufuh r, einen Ausströmanschluss (12) zum Anschluss des Durchlauferhitzers (10) an eine Armatur, einen Fluidkanal (16), der eine Fluidverbindung vom Einströmanschluss (12) zum Ausströmanschluss (14) gewährleistet, eine Heizelementanordnung (2), die an oder in mindestens einem Segment des Fluidkanals (16) angeordnet ist, zur Übertragung von Wärme auf das im Fluidkanal (16) befindliche Fluid, einen elektronischen Regler (6) zur Regelung von der Heizelementanordnung (2) bereitgestellter Heizleistung, wobei der Durchlauferhitzer (10) außerdem Folgendes umfasst: einen Durchflusssensor (1), der am oder im Fluidkanal (16) hinter der Heizelementanordnung (2) angeordnet ist, wobei der elektronische Regler (6) so konfiguriert ist, dass er das Vorhandensein von Luftblasen im Fluidkanal (16) anhand einer Veränderung eines vom Durchflusssensor (1) bereitgestellten Durchflusssignals erkennt und die der Heizelementanordnung (2) bereitgestellte Heizleistung als Reaktion auf die Erkennung von Luftblasen anpasst.
  2. Der Durchlauferhitzer (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen ersten Temperatursensor (3), der so konfiguriert ist, dass er die Temperatur eines Fluids im Fluidkanal (16) vor der Heizelementanordnung (2) erkennt und einen zweiten Temperatursensor (4), der so konfiguriert ist, dass er die Temperatur eines Fluids im Fluidkanal (16) hinter der Heizelementanordnung (2) erkennt.
  3. Der Durchlauferhitzer (10) nach Anspruch 2, wobei der zweite Temperatursensor (4) zwischen dem Durchflusssensor (1) und der Heizelementanordnung (2) in Bezug auf den Fluidkanal (16) angeordnet ist.
  4. Der Durchlauferhitzer (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der elektronische Regler (6) eine Sollwert-Überwachungsvorrichtung (7) umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie die der Heizelementanordnung (2) bereitgestellte Heizleistung anhand einer Differenz zwischen der vom zweiten Temperatursensor 4) ermittelten Temperatur und einer vorab festgelegten Solltemperatur anpasst.
  5. Der Durchlauferhitzer (10) nach Anspruch 4, ferner umfassend: ein Drosselventil (5), wobei die Sollwert-Überwachungsvorrichtung (7) so konfiguriert ist, dass sie den Durchfluss mithilfe des Drosselventils (5) verringert, wenn eine vorab festgelegte Solltemperatur nicht erreicht wird.
  6. Der Durchlauferhitzer (10) nach Anspruch 5, wobei die Sollwert-Überwachungsvorrichtung (7) so konfiguriert, dass sie den Durchfluss des Drosselventils (5) als Reaktion auf die vom ersten Temperatursensor (3) ermittelte Temperatur anpasst, wenn beispielsweise der erste Temperatursensor (3) eine sehr niedrige Einströmtemperatur erkennt.
  7. Der Durchlauferhitzer (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens der Durchflusssensor (1), der Fluidkanal (16), die Heizelementanordnung (2) und der elektronische Regler (6) in einem Gehäuse (20) angeordnet sind.
  8. Der Durchlauferhitzer (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Durchflusssensor (1) ein Flügelrad umfasst, wobei das Durchflusssignal eine Drehgeschwindigkeit des Flügelrads anzeigt.
  9. Der Durchlauferhitzer (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der elektronische Regler (6) so konfiguriert ist, dass er das Einsetzen der Bereitstellung von Heizleistung für die Heizelementanordnung (2) verzögert, nachdem das Durchflusssignal den Beginn eines Entnahmevorgangs anzeigt.
  10. Der Durchlauferhitzer (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der elektronische Regler (6) so konfiguriert ist, dass er die Bereitstellung von Heizleistung für die Heizelementanordnung (2) stoppt, wenn eine Veränderung des Durchflusssignals auf das Vorhandensein von Luftblasen hinweist.
  11. Der Durchlauferhitzer (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der elektronische Regler (6) so konfiguriert ist, dass er das Vorhandensein von Luftblasen im Fluidkanal (16) mithilfe einer Analyse des charakteristischen Frequenzmusters des vom Durchflusssensor (1) bereitgestellten Durchflusssignals erkennt.
  12. Elektronisch geregelter dezentraler Wassererhitzer, dadurch gekennzeichnet, dass er den Durchlauferhitzer (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
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