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Die Erfindung betrifft eine Wärmeverbrauchereinheit zur Abgabe von in Warmwasser enthalte- ner Wärme, mit einem Wärmeverbraucher, beispielsweise einem Heizkörper, der einen Vorlauf- anschluss, einen Rücklaufanschluss sowie wenigstens einen den Vorlaufanschluss mit dem Rücklauf- anschluss verbindenden Kanal aufweist, der mit wenigstens einer Wärmeabgabefläche in thermi- scher Verbindung steht, mit einer Strahlpumpe, die dem Vorlaufanschluss des Heizkörpers vorge- schaltet ist und die einen Sauganschluss aufweist, der mit dem Rücklaufanschluss des Wärme- verbrauchers verbunden ist, und mit einer Steuereinrichtung, mittels derer die Strahlpumpe beeinflussbar ist.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der JP 60-147 038 A bekannt, die eine Dampfheizung betrifft, die ohne Pumpe für das Wärmeträgermedium auskommt.
Aus der EP 0 087 495 A ist eine derartige Wärmeverbraucheinheit bekannt, wobei die Strahl- pumpe einen verlängerten Difusor aufweist, mit dem sie so in einen Glieder-Wärmetauscher ein- gebaut ist, dass er die erste Kammer des Glieder-Wärmetauschers zur Gänze durchsetzt und in die zweite Kammer mündet, wobei die zweite Kammer von der ersten Kammer zumindest im Bereich des Difusors strömungstechnisch getrennt ist. In den Difusor wird, durch einen Ringkanal, in der ersten Kammer befindliches Wärmeträgermedium angesaugt. Die Verwendung von Strahlpumpen ist auf dem Gebiete der Heizungstechnik und der Warmwasseraufbereitung an sich bekannt.
Die DE 42 07 216 A offenbart eine Vorrichtung, durch die bei einem Warmwasserbereiter das Tropfen vermieden werden soll; in der DE 31 25 583 A wird eine Strahlpumpe verwendet, um für einen ganzen Heizkreis die Temperatur und Durchflussmenge des Wärmeträgermediums zu regeln.
Dabei weist jeder der eigentlichen Wärmeverbraucher (Heizkörper) über ein herkömmliches Ventil geregelt. Das gleiche offenbart die DE 37 01 283 A.
Bei Warmwasserheizungssystemen sind häufig Kleinwärmeverbraucher wie Heizkörper, Kleinstwärmeübertrager od.dgl. in grösserer Zahl vorhanden und über entsprechende Vorlaufleitun- gen mit Warmwasser als Heizmedium beaufschlagt. Die Wärmeverbraucher werden von dem dabei seine Wärme abgebenden Warmwasser durchströmt und das ausgekühlte Warmwasser wird über Rücklaufleitungen zu einem Wärmeerzeuger zurückgeführt.
Die in dem so gebildeten Kreislauf vorgesehenen Wärmeverbraucher sind in ihrer Wärmeab- gabe üblicherweise an einen äusseren Bedarf anzupassen, der unabhängig von dem Druck und der Temperatur des in der Vorlaufleitung ankommenden Warmwassers schwankt. Häufig werden den Wärmeverbrauchern dazu jeweils individuell Ventile vorgeschaltet, durch die der Warmwasser- zufluss gedrosselt oder ganz abgestellt werden kann. Dabei sind sowohl manuell einstellbare Venti- le zum Steuern der Durchflussmenge als auch geregelte Ventile, wie beispielsweise Thermostat- ventile, bekannt, bei denen der Düsenkegel eines Sitzventiles mittels eines Dehnkörpers betätigt wird.
Um für die einzelnen, zur Einstellung der Wärmeabnahme dienenden, Thermostatventile defi- nierte Verhältnisse zu schaffen, sind in jedem Steigstrang wenigstens ein Differenzdruckregler sowie Mengenbegrenzer zur Einstellung einer gewünschten Durchflussmenge angeordnet. Schon bei nicht allzu grossen Anlagen können zwanzig bis dreissig Steigstränge vorhanden sein, wobei der Aufwand für die Differenzdruckregler und Mengenbegrenzer beträchtlich wird.
Der gedrosselte Warmwasserzufluss zu dem Wärmeverbraucher bewirkt, dass die Durchströ- mung des Wärmeverbrauchers von einem Maximalwert bei Maximalleistung zu niedrigeren Leis- tungsabgabewerten hin abnimmt. Insbesondere bei geringer Durchströmung des Wärmeverbrau- chers, d.h. bei sehr langsamer Strömungsgeschwindigkeit des Warmwassers, kann sich in dem Wärmeverbraucher ein beträchtlicher, dessen Betrieb beeinträchtigender Temperaturgradient ausbilden.
Ein weiterer, häufig unerwünschter Effekt der Drosselung des Vorlaufes mittels eines Ventiles liegt in dem damit einhergehenden hohen Druckgefälle. Während an dem Ventil der volle System- druck ansteht, ist bei stark gedrosseltem, d. h. nahezu geschlossenem Ventil, hinter diesem nur ein geringer Druck vorhanden, d. h. nahezu der gesamte Druck der Vorlaufleitung, der von einer Um- wälzpumpe aufgebracht werden muss, fällt über dem Ventil ab. Durch das nahezu geschlossene Ventil strömt deshalb eine geringe Warmwassermenge mit hohem Druck, was zu vernehmlichen Geräuschen führen kann, die insbesondere bei Wärmeverbrauchern im Wohnbereich störend sind.
In der Praxis ist es darüber hinaus wiederholt vorgekommen, dass Drosselventile durch den hohen anliegenden Differenzdruck aufgedrückt werden. Die dadurch eintretende erhöhte Wärme-
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abnahme und nachfolgende Wärmeabgabe des Wärmeverbrauchers ist in den meisten Fällen unerwünscht, führt zu erhöhtem Energieverbrauch und zu einer Verschlechterung der Regeleigen- schaften des Wärmeverbrauchers.
Kleine Wärmeverbraucher wie Heizkörper sind, insbesondere wenn sie im Wohnbereich aufge- stellt sind, häufig mit Wärmezählern versehen, um den Wärmeverbrauch feststellen und dem Nutzer entsprechend in Rechnung stellen zu können. Die Wärmezähler sind meist als Verduns- tungszähler ausgebildet, die ein in thermischem Kontakt mit dem Heizkörper stehendes Röhrchen aufweisen, das eine langsam verdunstende Flüssigkeit enthält. Die Menge der verdunsteten Flüs- sigkeit ist dabei ein Mass für die von dem Heizkörper abgegebene Wärmemenge. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Genauigkeit des von dem Verdunstungszähler angezeigten Wertes ab- nimmt, wenn der betreffende Heizkörper im Teil- oder Niedriglastbereich betrieben wird.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeverbrauchereinheit zu schaffen, die sowohl im Voll- als auch im Teillastbereich in ihrer Wirksamkeit verbessert ist.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe in einer ersten Variante dadurch gelöst, dass die Strahl- pumpe eine Dreiwegestrahlpumpe mit einem Treibmittelanschluss, der an eine zu dem Wärme- verbraucher führende Vorlaufleitung angeschlossen ist, und mit einem Ausgangsanschluss ist, der an den Vorlaufanschluss des Wärmeverbrauchers angeschlossen ist, wobei die Dreiwegestrahl- pumpe einen einzigen mit dem Rücklaufanschluss des Wärmeverbrauchers verbundenen Saug- anschluss aufweist.
In einer zweiten Variante ist vorgesehen, dass die Strahlpumpe eine Vierwegestrahlpumpe mit einem Treibmittelanschluss, die an eine zu dem Wärmeverbraucher führende Vorlaufleitung ange- schlossen ist, und mit einem Ausgangsanschluss ist, der an den Vorlaufanschluss des Wärme- verbrauchers angeschlossen ist, wobei die Strahlpumpe eine Ansaugkammer mit einem Zufluss, der mit dem Rücklaufanschluss des Wärmeverbrauchers verbunden ist und mit einem Auslass- anschluss, der an eine von der Wärmeverbrauchereinheit wegführende Rücklaufleitung ange- schlossen ist.
In beiden Varianten erreicht man eine gleichmässige Temperatur des gesamten Wärme- verbrauchers, wodurch der Komfort der Heizung erhöht wird und die Möglichkeit besteht, die Wärmeabgabe mit Hilfe eines Verdunstungszählers zuverlässig zu bestimmen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung durch einen Stellantrieb beweglich gelagertes Ventilverschlussglied betätigt, das die Grösse einer zu der Strahl- pumpe gehörigen Treibdüse festlegt. Auf diese Weise verhindert man, die bei üblichen Ventilen, besonders im Teillastbetrieb auftretende unangenehme Geräuschentwicklung und verringert dar- über hinaus den Druckbedarf der durch die Umwälzpumpe gedeckt werden muss.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Stellantrieb von wenigstens einem Sensor für die Temperatur des zuströmenden Warmwassers und einem Sensor für die Temperatur des Warmwassers in der Rücklaufleitung gesteuert wird. Durch die Bestimmung dieser Temperaturen bzw. deren Differenz, kann die gewünschte Wärmeabgabe bestmöglich geregelt werden.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung den Warmwasserstrom in der Vorlaufleitung drosselt, wenn an dem Sensor der Rücklaufleitung eine voreinstellbare Maximaltem- peratur überschritten wird. Dadurch wird sichergestellt, dass der Bereich der bestmöglichen Ener- gieausnützung nicht verlassen wird.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmeverbrauchereinheit der bei- den definierten Grundvarianten der Erfindung, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass der Wärme- verbaucher über die Strahlpumpe an eine zu einem Warmwassernetz gehörige Warmwasservor- laufleitung und eine Rücklaufleitung angeschlossen ist, wobei wenigstens bei Teillastbetrieb durch Beimischen von Rücklaufwasser mittels der Strahlpumpe ein den Wärmeverbaucher durchfliessen- der Warmwasserkreislauf aufgebaut wird, dessen Volumenstrom den Warmwasservolumenstrom übersteigt, der über die Vorlaufleitung herangeführt wird, und wobei die Temperatur dieses den Wärmeverbraucher durchfliessenden Warmwasserkreislaufes, wenigstens bei Teillastbetrieb, gegenüber der in der Vorlaufleitung herstellenden Temperatur abgesenkt ist.
Durch dieses Verfahren erzielt man eine bestmögliche Energieausbeute in Kombination mit ei- ner sehr guten Anpassung der tatsächlichen Wärmeabgabe des Wärmeverbrauchers an die ge- wünschte Wärmeabgabe.
Die Wärmeverbrauchereinheit ist beispielsweise ein Kleinstwärmeübertrager, wie ein kleiner
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Boiler, oder ein Heizkörper, ein Luftheizregister oder ein ähnlicher Wärmeverbraucher mit einer maximalen Leistungsabgabe von wenigen 100 bis 1000 W. Der Wärmeverbraucher ist mit einer vorgeschalteten, speziell ausgelegten und als Regelorgan dienenden Strahlpumpe unmittelbar verbunden und bildet mit dieser eine Einheit. Die Strahlpumpe mischt das zu dem Heizkörper geführte Vorlaufwasser mit aus der Rücklaufleitung angesaugtem, ausgekühlten Warmwasser mit festem oder variablem Mischungsverhältnis. Bei variablem Mischungsverhältnis lassen sich besse- re Anpassungen an Schwachlast und somit ein grösserer Steuer- oder Regelbereich erzielen.
Indem dem Vorlaufwasser mittels der Strahlpumpe Rücklaufwasser beigemischt wird, über- steigt der durch den Wärmeverbraucher geführte Warmwasserstrom in seiner Grösse den in der Vorlaufleitung herangeführten Warmwasserstrom beträchtlich. Dies gilt insbesondere im Schwach- lastbetrieb, bei dem in der Vorlaufleitung lediglich eine geringe, zur Deckung der von dem Wärme- verbraucher abgegebenen Wärmemenge erforderliche Warmwassermenge herangeführt wird.
Durch den Wärmeverbraucher strömt in dieser Lastsituation ein relativ starker Warmwasserstrom, der durch Beimischung von Rücklaufwasser auf eine Temperatur heruntergekühlt ist, die deutlich unter der Vorlauftemperatur liegt. Indem auch im Schwachlastbetrieb in dem Wärmeverbraucher eine starke Strömung aufrechterhalten wird, wird sichergestellt, dass dieser insgesamt nahezu eine einheitliche Temperatur aufweist. Die Ausbildung von Heiss- und Kaltzonen oder, mit anderen Wor- ten, von starken Temperaturgradienten in und an dem Wärmeverbraucher wird somit vermieden.
Infolge der mittels dieser Massnahme erreichten gleichmässigen Anhebung und Absenkung der Temperatur des gesamten Wärmeverbrauchers ist es möglich, die Wärmeabgabe mit Hilfe eines Verdunstungszählers zuverlässig zu bestimmen. Dieser wird unabhängig von der Stelle des Wär- meverbrauchers, an dem er montiert wird, auf eine der Wärmeabgabe entsprechende Temperatur erwärmt. Fehlanzeigen, wie sie ansonsten infolge einer Montage an einer Stelle auftreten können, die im Teillastbereich übermässig warm oder eher zu kalt ist, werden somit vermieden. Damit wer- den insbesondere Fehlabrechnungen zu Lasten von Wärmeabnehmern ausschliessbar.
Ausserdem wird sowohl im Teil- als auch im Vollastbetrieb infolge der gleichmässigen Heizflä- chentemperaturverteilung eine verbesserte Wirksamkeit des Wärmeverbrauchers erreicht. Dadurch kann die Vorlauftemperatur abgesenkt werden.
Die als Regelorgan dienende Strahlpumpe erzeugt eine weitaus geringere Druckdifferenz als ansonsten zur Leistungsregulierung verwendete Drosselventile. Obwohl in der Strahlpumpe selbst relativ hohe Strömunggeschwindigkeiten von bspw. im Treibdüsenbereich auch mengenmässig geringen Warmwasserströmungen auftreten, wird die Ausbildung übermässiger Turbulenzen infolge zu hoher Druckunterschiede wirksam unterdrückt. Infolge dessen lässt sich die Geräuschentwick- lung auf ein nicht mehr wahrnehmbares Mass reduzieren. Der geringere Druckbedarf ermöglicht ein Absenken des Vorlaufdruckes mit Energieeinsparung an der elektrischen Umwälzpumpe des Heizungskreislaufes.
Es hat sich herausgestellt, dass neben der gleichmässigeren Temperaturverteilung an dem Heiz- körper auch die an dem Heizkörper auftretenden Maximaltemperaturen deutlich abgesenkt werden.
Anstelle der vom Stand der Technik bekannten Ausbildung von kleinflächigen heissen Bereichen an einem Heizkörper in Teillastbetrieb wird dieser nun insgesamt lediglich schwach erwärmt. Neben der damit einhergehenden Verbesserung der Luftqualität von an dem Heizkörper entlangstreichen- der Raumluft wird ausserdem der Wärmeübergang und damit die Wärmeausnutzung, d. h. der Systemwirkungsgrad, verbessert.
In einem Warmwasserheizungssystem, das herkömmlich gedrosselte Wärmeverbraucher ent- hält, ist es zur Einstellung definierter Verhältnisse erforderlich, den in den Vorlaufleitungen herr- schenden Druck mittels gesonderter Druckregler einzuregulieren. Diese sind üblicherweise als Differenzdruckregler ausgebildet und in entsprechend vorhandenen Steigsträngen angeordnet.
Die Verwendung von Strahlpumpen als Regelorgan an den Wärmeverbrauchern ermöglicht es, die ansonsten in Steigsträngen erforderlichen Differenzdruckregler und Mengenbegrenzer ersatz- los wegzulassen. Die Strahlpumpen, die so ausgelegt sind, dass sie relativ unabhängig gegen Vordruckschwankungen arbeiten, bewirken somit eine inhärente Mengenbegrenzung. Dies wird erreicht, weil der Treibdüsendurchsatz bei einem gegebenen freien Strömungsquerschnitt ab einem bestimmten Minimaldruck bei Druckerhöhung nur noch wenig zunimmt. Wegen des Wegfalls der Mengenbegrenzer und der Differenzdruckregler lassen sich beträchtliche Einsparungen erzie- len.
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Dennoch kann die Strahlpumpe so ausgelegt werden, dass die Druckdifferenz zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang in einem weiten Arbeitsbereich innerhalb relativ enger Grenzen liegt.
Ein zu grosser Druckabfall über der Strahlpumpe und irgendwelche Geräuschentwicklungen werden somit vermieden.
Eine besonders gleichmässige Wärmeverteilung an dem Wärmeverbraucher auch in extremem Teillastbetrieb wird erreicht, wenn die Strahlpumpe einen Arbeitsbereich aufweist, der bis in den Teillastbereich hineinreichend an dem Ausgang der Strahlpumpe einen kräftigen Warmwasser- strom, der vorzugsweise näherungsweise konstant ist, aufweist. Dies ist der Fall, wenn das Ver- hältnis von Saugstrom zu Treibstrom zu höheren Treibstromwerten deutlich abnimmt.
Die Strahlpumpe kann sowohl als Dreiwegestrahlpumpe als auch als Vierwegestrahlpumpe ausgelegt sein. Ist die Strahlpumpe eine Dreiwegestrahlpumpe, ist der Sauganschluss über eine entsprechende Leitung an einen Abzweig des Rücklaufes angeschlossen. Wenn die Strahlpumpe hingegen eine Vierwegestrahlpumpe ist, wird eine den eigentlichen Sauganschluss bildende An- saugkammer von dem Rücklaufwasser durchströmt. Dabei ist das Mischungsverhältnis vorzugs- weise weitgehend unabhängig von der Geschwindigkeit des die Saugkammer quer durchströmen- den, ausgekühlten Rücklaufwassers. Die Vierwegestrahlpumpe weist insgesamt vier Anschlüsse auf und ist auf besonders einfache Weise an einen herkömmlichen Wärmeverbraucher, bspw. einen Heizkörper, anschliessbar.
Sie ist mit zwei an den Heizkörper oder anderweitige Wärme- verbraucher anschliessbaren Anschlüssen sowie mit zwei Anschlüssen versehen, die dann als Vorlaufanschluss und Rücklaufanschluss für die Wärmeverbrauchereinheit dienen. Der Vorlauf- anschluss führt zu der Treibmitteldüse und der Rücklaufanschluss kommt aus der Ansaugkammer.
Die Steuereinrichtung ist zur Einstellung unterschiedlicher Betriebszustände, d.h. unterschiedli- cher Mischungsverhältnisse der Strahlpumpe, vorgesehen. Eine einfache Steuereinrichtung ist ein mit der Treibdüse der Strahlpumpe zusammenwirkendes, beweglich gelagertes Ventilverschluss- glied, dessen Verstellung eine Änderung des wirksamen freien Düsenquerschnittes der Treibdüse bewirkt. Das Aktuatormittel bewirkt die Verstellung des Ventilverschlussgliedes und damit die Ein- stellung der Strahlpumpe. Dazu ist das Aktuatormittel mit einer Antriebseinrichtung oder einem Aktuatormittel verbunden, das zugleich als Sensormittel ausgebildet ist, wie es bei Verwendung eines Dehnkörpers als Temperatursensor und Stellantrieb der Fall ist.
Der Stellantrieb kann ausserdem mit mehreren Sensormitteln in Verbindung stehen, die zugleich mehrere Temperaturen überwachen. Dies ist bspw. die Temperatur des zuströmenden Warmwassers und des Rücklaufwassers. Die Wärmeverbrauchereinheit kann auf diese Weise energieoptimiert betrieben werden. Bspw. wird sichergestellt, dass die Rücklauftemperatur einen Maximalwert nicht überschreitet (gute Energieausnutzung) und dass dennoch eine gewünschte Wärmeabgabe der Wärmeverbrauchereinheit erreicht oder bestmöglich angenähert wird.
In konstruktiver Hinsicht ist die Strahlpumpe vorzugsweise mit Anschlüssen versehen, die zu den an einem Heizkörper vorhandenen Anschlüssen passen. Damit wird eine einfache Montierbar- keit sichergestellt.
Durch die Verwendung der Strahlpumpe als Regelorgan an einem Heizkörper oder anderweiti- gen Wärmeverbraucher wird wie vorstehend erläutert dessen Regelbarkeit, Wirkungsgrad und die Erfassbarkeit der übergebenen Wärmemenge mittels Verdunstungszählers verbessert.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Heizkörpereinheit mit einer als Regelorgan vorgeschalteten Vierwegestrahlpumpe, in schematischer Darstellung,
Fig. 2 eine Wärmeverbrauchereinheit mit einem Kleinstwärmetauscher und mit einer Vierwege- strahlpumpe als Regelorgan, in schematischer Darstellung,
Fig. 3 die Wärmeverbrauchereinheit nach Fig. 2, mit einer Dreiwegestrahlpumpe als Regelor- gan, in schematischer Darstellung,
Fig. 4 eine Vierwegestrahlpumpe zur Verwendung bei einer Wärmeverbrauchereinheit nach den Fig. 1 oder 2, in geschnittener und teilweise schematisierter Darstellung, und
Fig. 5 eine Dreiwegestrahlpumpe zur Verwendung bei einer Wärmeverbrauchereinheit nach Fig. 3, in geschnittener und teilweise schematisierter Darstellung.
Die in Fig. 1 dargestellte Wärmeverbrauchereinheit ist eine Heizkörpereinheit 1, die als Wärme- verbraucher einen Heizkörper 2 und als Regelorgan eine Vierwegestrahlpumpe 3 enthält. Die dem Heizkörper 2 vorgeschaltete Vierwegestrahlpumpe 3 ist an eine Vorlaufleitung 01, die als Heizme-
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dium dienendes Warmwasser heranführt, und an eine Rücklaufleitung 02 angeschlossen, die in der Heizkörpereinheit 1 ausgekühltes Warmwasser als Rücklaufwasser abführt.
Der Heizkörper 2 weist einen Vorlaufanschluss 6 auf, über den dem Heizkörper 2 eine mittels der Vierwegestrahlpumpe 3 bereitgestellte Mischung aus Vorlaufwasser und Rücklaufwasser zugeführt wird. Der Vorlaufanschluss ist über lediglich schematisch angedeutete Kanäle 7, die in thermischem Kontakt mit einer Heizfläche 8 des Heizkörpers 2 stehen, mit einem Rücklauf- anschluss 9 verbunden. Über die Heizfläche 8 wird die Wärme des in dem Kanal 7 geführten Was- sers an die Umgebung abgegeben.
Auf der Heizfläche 8 sitzt ein Verdunstungszähler 10, der ein Schauglas oder-röhrchen mit entsprechend der Wärmeabgabe des Heizkörpers 2 verdunstender Flüssigkeit enthält. Der Ver- dunstungszähler 10 steht dazu in thermischem Kontakt mit der Heizfläche 8, wobei das Schauglas oder-röhrchen im wesentlichen auf der Temperatur der Heizfläche gehalten wird.
Die im einzelnen in Fig. 4 dargestellte Vierwegestrahlpumpe 3 weist ein einstückiges Gehäuse 13 auf, an dem ein zur Verbindung mit der Vorlaufleitung 01 mit Aussengewinde versehener Treib- mittelanschluss 14 ausgebildet ist. Dieser führt zu einer im Inneren des Gehäuses 13 ortsfest gehal- tenen Treibmitteldüse 15, der ein axial verschiebbar gelagerter Ventilkegel 16 koaxial gegenüber- liegt, der als Ventilverschlussstück und als Einstellglied für die Treibmitteldüse 15 dient. Durch axiales Verstellen des Ventilkegels 16 wird der freie Strömungsquerschnitt der Treibmitteldüse 15 geändert. Der Ventilkegel 16 ist dazu in einer Stopfbuchse 17, die mit dem Gehäuse 13 ver- schraubt ist, abgedichtet verschiebbar gelagert und mittels einer Feder auf seine Offenstellung zu vorgespannt.
Die Strahlpumpe 3 weist ausserdem ein koaxial zu der Treibmitteldüse 15 angeordne- tes und zu einem Ausgangsanschluss 18 führendes Mischrohr 19 auf, das mit der Treibmitteldüse 15 einen Saugspalt 20 begrenzt. Dieser Saugspalt mündet in eine im Inneren des Gehäuses 13 definierte Ansaugkammer 21 mit einem zur Verbindung mit zu- und abführenden Rohrleitungen mit Gewinde versehenen Zuflussanschluss 22 und einem ebensolchen Abflussanschluss 23. Während der Zuflussanschluss 22 mit dem Rücklaufanschluss 9 des Heizkörpers 2 verbunden ist, liegt der Abfluss- anschluss 23 an der Rücklaufleitung 02.
Der Ausgangsanschluss 18 der Vierwegestrahlpumpe 3 ist an den Vorlaufanschluss 6 des Heiz- körpers 2 angeschlossen und führt diesem ein Vorlauf-Rücklauf-Wassergemisch zu.
Zum Einstellen eines für die jeweils gewünschte Leistungsabgabe der Heizkörpereinheit 1 er- forderlichen Arbeitspunktes der Vierwegestrahlpumpe 3 ist ein Stellantrieb 25 oder Aktuator vorge- sehen, der den Ventilkegel 16 axial verstellen kann. Der Stellantrieb 25 enthält bspw. eine Kolben- zylindereinheit, einen Faltenbalg, einen Membranantrieb oder eine vergleichbare Einrichtung, die eine Druckänderung in eine Linearbewegung umsetzt.
Zur Erfassung der Temperatur des dem Heizkörper 2 zugeführten Heizmediums ist ein Tempe- ratursensor 27 vorgesehen, der in thermischer Verbindung mit dem zu dem Vorlaufanschluss 6 führenden Rohr steht. Ausserdem ist zur Erfassung der Temperatur des Rücklaufwassers ein weiterer Temperatursensor 28 vorgesehen, der in thermischer Verbindung mit der Rücklaufleitung 02 steht. Beide Temperatursensoren 27,28 sind bspw. mit einer leicht verdunstenden Flüssigkeit gefüllte Kammern, die über entsprechende Kapillarleitungen 29,30 mit dem Stellantrieb 25 ver- bunden sind.
Die insoweit beschriebene Heizkörpereinheit 1 arbeitet wie folgt:
Im Betrieb ist die Vorlaufleitung 01 mit auf eine höhere Temperatur erwärmtem Heizwasser be- aufschlagt. Dieses steht mit einem ungeregelten Druck von bis zu höchstens einigen Bar an dem Treibmittelanschluss 14 der Vierwegestrahlpumpe 3 an.
Wenn die Temperatur an beiden Temperatursensoren 27,28 die jeweilige Maximaltemperatur unterschreitet, hält der Stellantrieb 25 den Ventilkegel 16 in einer Axialposition, in der die Treibmit- teldüse 15 wenigstens teilweise freigibt. Das Warmwasser strömt beschleunigt mit hoher Ge- schwindigkeit aus der Treibmitteldüse 15 in das zu einem Ausgangsanschluss 18 führende Misch- rohr 19 ein, wobei es aus der Ansaugkammer 21 kaltes Rücklaufwasser mitnimmt und sich in dem Mischrohr 19 mit diesem vermischt. Bei Verlassen des Mischrohres 19 verlangsamt sich das so gebildete Gemisch unter Anstieg seines statischen Druckes soweit, dass es an dem Ausgangs- anschluss 18 mit einem Druck ansteht, der nicht wesentlich geringer ist als der in der Vorlaufleitung 01 herrschende Druck.
Dem an den Ausgangsanschluss 18 der Vierwegestrahlpumpe 3 angeschlossenen Vorlauf-
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anschluss 6 wird eine Wassermenge zugeführt, die erheblich grösser ist als die der Vorlaufleitung 1 entnommene Warmwassermenge. Der sich ausbildende kräftige Wasserstrom fliesst unter Wärme- abgabe durch die Kanäle 7 des Heizkörpers 2 und verlässt den Heizkörper 2 bei dem Rücklauf- anschluss 9. Von dort ausgehend durchströmt das ausgekühlte Warmwasser die Vierwegestrahl- pumpe 3 quer, wobei in der Ansaugkammer 21 wiederum ein Teil des durchfliessenden Warmwas- sers abgezweigt und mit aus der Treibmitteldüse 15 austretendem Warmwasser vermischt dem Heizkörper 2 erneut zugeführt wird.
Das Mischungsverhältnis zwischen Vorlaufwasser (aufgeheiztes Warmwasser) und Rücklauf- wasser (ausgekühltes Warmwasser) stellt der Stellantrieb 25 entsprechend der von den Tempera- tursensoren 27,28 erfassten Temperaturwerte ein. Wird bspw. infolge hoher Umgebungstemperatur lediglich eine geringe Wärmeabgabe des Heizkörpers 2 erforderlich und möglich, steigt zunächst die Rücklauftemperatur an, bis der Temperatursensor 28 das Annähern an den bzw. das Erreichen des Grenzwertes erfasst und den Stellantrieb 25 veranlasst, den Ventilkegel 16 in die Treibmittel- düse 15 einzufahren.
Der Strom des über die Vorlaufleitung 01 zuströmenden Warmwassers wird dadurch gedrosselt, wobei jedoch infolge der Mischung mit dem relativ kälteren Rücklaufwasser an dem Ausgangsanschluss 18 der Vierwegestrahlpumpe 3 nach wie vor ein kräftiger Warmwasser- strom mit dann allerdings verringerter Temperatur ansteht. Dadurch wird der Heizkörper 2 nach wie vor ganz durchströmt, d.h. alle Kanäle 7 enthalten so viel und so schnell strömendes Wasser, dass die Heizfläche 8 auf nahezu einer einheitlichen, jedoch abgesenkten Temperatur gehalten wird.
Die infolge der vergrösserten Durchströmung sowohl im Vollast- als auch im Teillastbereich gleichmässige Temperaturverteilung auf der Heizfläche 8 ermöglicht einen besseren Wärmeüber- gang des Heizkörpers im Vergleich zu Heizkörpern mit ungleicher Wärmeverteilung. Ausserdem ermöglicht sie die Erfassung der abgegebenen Wärmemenge mittels des Verdunstungszählers 10 unabhängig von dessen genauer Positionierung auf der Heizfläche 8 mit guter Genauigkeit.
Der Stellantrieb 25 und/oder die Temperatursensoren 27,28 können mit Einstellmitteln verse- hen sein, die ein Variieren der jeweiligen Maximaltemperaturen und damit ein Einstellen der ge- wünschten Wärmeabgabe der Wärmeverbrauchereinheit 1 ermöglichen. In einem solchen Fall kann die Wärmeverbrauchereinheit 1 derart ausgebildet werden, dass auch bei extremem Teillast- betrieb eine gleichmässige niedrige Temperatur der Heizfläche 8 erreicht wird.
In einem System mit mehreren Heizkörpern 2 sowie anderweitigen Kleinstwärmeverbrauchern, die alle eine Vierwegestrahlpumpe 3 als Regelorgan enthalten, arbeiten die einzelnen Wärme- verbraucher, d. h. Heizkörper, Boiler oder andere, voneinander weitgehend entkoppelt. Dies wird erreicht, ohne dass den Wärmeverbrauchern Mengenbegrenzer und/oder Differenzdruckregler vorgeschaltet werden müssten. Bei Heizungssystemen nach dem Stand der Technik sind diese wenigstens für Wärmeverbrauchergruppen vorhanden und bspw. in Steigsträngen angeordnet.
Wegen ihrer Durchlasskennlinie mit Sättigungscharakteristik bewirken die als Regelorgane einge- setzten Strahlpumpen inhärent eine Mengenbegrenzung, die solche zusätzlichen Regler zum Ausregeln von Vordruckschwankungen überflüssig macht.
In Fig. 2 ist eine als Kleinstwärmeübertragereinheit 1a ausgebildete Wärmeverbrauchereinheit dargestellt, bei der anstelle des Heizkörpers 2 (Fig. 1) ein Kleinstwärmetauscher 2a den Wärme- verbraucher bildet, wobei die Kleinstwärmeübertragereinheit 1a weitgehend mit der im Zusammen- hang mit der Fig. 1 beschriebenen Heizkörpereinheit 1 übereinstimmt. Soweit beide Wärme- verbrauchereinheiten funktions- und/oder baugleich sind, sind ohne erneute Bezugnahme gleiche und bei zu erläuternden Abweichungen zur Kenntlichmachung mit einem Buchstabenzusatz "a" versehene Bezugszeichen verwendet.
Der Kleinstwärmetauscher 2a weist einen in seinem Bodenbereich angeordneten Kaltwasser- zulauf 33 und einen in seinem oberen Bereich angeordneten Warmwasserauslassanschluss 34 auf.
Wie der Heizkörper 2, ist auch der Kleinstwärmetauscher 2a mit seinem Vorlaufanschluss 6 über eine Leitung 04 für gemischtes Heizmedium an den Ausgangsanschluss 18 der Vierwegestrahl- pumpe 3 angeschlossen. Der Zuflussanschluss 22 der Vierwegestrahlpumpe 3 liegt über eine Rück- laufleitung 03 an dem Rücklaufanschluss 9 des Kleinstwärmetauschers 2a und der Ausgangs- anschluss 23 liegt an der Rücklaufleitung 02.
Die Vierwegestrahlpumpe 3 ist von einem Stellantrieb 25a in ihrem Arbeitspunkt eingestellt, der den Ventilkegel 16 entsprechend der mit dem Temperatursensor 27 erfassten Temperatur einstellt.
Diese wird mit einem Sollwert verglichen, der über eine manuell zu betätigende Einstellvorrichtung
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35 eingegeben wird.
Beim Betrieb dieser Kleinstwärmeübertragereinheit 1a mit Vollast, d. h. mit sehr hoher, mittels der Einstellvorrichtung 35 eingestellten Maximaltemperatur des in dem Kleinstwärmetauscher 2a zu erwärmenden Wassers, entspricht die an dem Vorlaufanschluss 6 vorhandene Temperatur im wesentlichen der Temperatur des Warmwassers in der Vorlaufleitung 01, sie kann jedoch auch etwas geringer sein. Ausserdem ist die von der Vierwegestrahlpumpe 3 an dem Ausgangsanschluss 18 abgegebene Wassermenge gegenüber der über die Vorlaufleitung 01 zugeführten Wassermen- ge mehr oder weniger erhöht. Das Warmwasser durchströmt nun den Kanal 7 und gibt dabei seine Wärme an das über den Kaltwasserzulauf 33 eingeflossene und über den Warmwasserauslass- anschluss 34 zu entnehmende Wasser ab.
Der Kanal 7, der als Heizschlange ausgebildet sein kann, ist in seiner Länge so bemessen, dass er über seine gesamte Länge als Heizfläche wirkt und sich ein gleichmässiges Temperaturgefälle einstellt.
Im Teillastbereich, d. h. wenn das an dem Warmwasserauslassanschluss 34 zu entnehmende Wasser eine geringere Temperatur aufweisen soll, wird der Stellantrieb 25a mittels der Einstellvor- richtung 35 auf eine niedrigere Maximaltemperatur eingestellt. Sobald der Temperatursensor 27 eine Annäherung an die oder ein Erreichen der Maximaltemperatur feststellt, wird mittels des Ventilkegels 16 der freie Strömungsquerschnitt der Treibmitteldüse 15 verengt. Die Vierwege- strahlpumpe 3 mischt nun der geringen Menge über die Vorlaufleitung 01 zugeströmten Warmwas- sers eine relativ grosse Menge ausgekühlten Rücklaufwassers zu.
Damit wird dem Vorlaufanschluss 9 ein kräftiger Strom Wassers mit abgesenkter Temperatur zugeführt, das seine Wärme aufgrund seiner relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit und seiner abgesenkten Temperatur über die gesamte Länge des Kanales 7 an das zu erwärmende Brauchwasser abgibt. Dadurch wird erreicht, dass das gesamte in dem Kleinstwärmetauscher 2a stehende Wasser erwärmt wird und nicht lediglich der obere Bereich. Dies ist bei herkömmlichen Systemen der Fall, bei denen ein Tempera- tursensor bei Erreichen einer niedrigen eingestellten Grenztemperatur den Zufluss von relativ heissem, als Heizmedium dienendem Warmwasser abdrosselt, sobald bei dem Sensor die Solltem- peratur erreicht ist.
In solchen Fällen erwärmt sich ein dem Kanal 7 entsprechender Heizkanal infolge der durch die Drosselung geringen Strömungsgeschwindigkeit lediglich in seinem Anfangs- bereich, wobei er im übrigen kalt bleibt. Bei dem Stand der Technik tritt deshalb keine gleichmässi- ge Wärmeverteilung in entsprechenden Boilern ein.
Demgegenüber wird bei der Erfindung eine gleichmässige Erwärmung des gesamten Inhaltes des Kleinstwärmetauschers 2a erreicht, wodurch die zur Verfügung stehende erwärmte Brauch- wassermenge vergrössert, der Wirkungsgrad verbessert und zusätzlich die Tendenz der Ablage- rung von Kesselstein auf Heizschlangen minimiert wird.
Die Stellantriebe 25,25a können elektrische Aktuatoren wie bspw. Motorstelleinheiten, Schritt- motoren, den Ventilkegel 16 in Stufen bewegende Zugmagnete oder ähnliches sein. Die Sensoren sind dann elektrische Sensoren, wobei es bei einer solchen Ausführungsform besonders einfach ist, die Stellantriebe zentral oder auch dezentral mittels analoger, digitaler oder rechnergestützter Steuereinheiten zu betätigen.
Eine abgewandelte Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten Wärmeverbrauchereinheit ist in Fig. 3 dargestellt. Diese ist eine Kleinstwärmeübertragereinheit 1 b, bei der anstelle der Vierwege- strahlpumpe 3 (Fig. 2) eine Dreiwegestrahlpumpe 3b vorgesehen ist. Die Dreiwegestrahlpumpe 3b ist im einzelnen in Fig. 5 dargestellt und unterscheidet sich von der in Fig. 4 dargestellten Vierwe- gestrahlpumpe 3 lediglich dadurch, dass das Gehäuse 13b keinen Abflussanschluss aufweist und an der entsprechenden Stelle geschlossen ist. Ansonsten stimmen die Strahlpumpen überein, wes- halb im übrigen gleiche Bezugszeichen verwendet worden sind.
Bei der Kleinstwärmeübertragereinheit 1 b nach Fig. 3 ist die Dreiwegestrahlpumpe 3b mit ih- rem Zuflussanschluss 22, der als Sauganschluss dient, und der in die Ansaugkammer 21 führt, mit- tels eines T-Stückes 37 an die Rücklaufleitung 02/03 angeschlossen. Die Funktionsweise stimmt mit der der vorstehend beschriebenen Kleinstwärmeübertragereinheit 1a überein.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die jeweilige Strahlpumpe und der jeweilige Wär- meverbraucher zu einer baulichen Einheit integriert, die am Herstellungsort vorgefertigt und mon- tiert wird. Bei gleichzeitiger Montage der Steuereinrichtung, d. h. des Aktuators und der erforderli- chen Sensoren, können Fehlmontagen und fehlerhafte Zuordnungen von Wärmeverbrauchern und Strahlpumpen vermieden und somit die Betriebssicherheit und die Energieausnutzung zu erstellen-
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der Anlagen erhöht werden.
Sowohl bei Ausführungsformen mit einer Vierwegestrahlpumpe 3 als auch bei Ausführungs- formen mit einer Dreiwegestrahlpumpe 3b kann der Sauganschluss zusätzlich durch ein Ventil geregelt sein, das eine von dem Treibmitteldurchsatz unabhängige Einstellung des Mischverhält- nisses erlaubt. Eine solche Ausführungsform kann bei Anwendungsfällen vorteilhaft sein, bei denen bei Vollast auch eine geringe Reduzierung der Vorlauftemperatur durch eine geringe Menge beigemischten Rücklaufwassers nachteilig ist. In den meisten Fällen ist ein solches zusätzliches, den Saugstrom regelndes Ventil jedoch nicht erforderlich.
Eine Wärmeverbrauchereinheit weist einen Wärmeverbraucher wie einen Heizkörper oder einen Kleinstwärmetauscher auf, die mit einer Strahlpumpe als Stellorgan zur Einstellung der Leistungsabgabe des Wärmeverbrauchers versehen sind. Die Strahlpumpe ersetzt die sonst üblichen Thermostatdurchgangsventile und hält auch bei extremem Teillastbetrieb einen Wasser- kreislauf in dem betreffenden Wärmeverbraucher aufrecht, der zu einer gleichmässigen Wärmever- teilung an dem Wärmeverbraucher führt. Im Teillastbereich wird entgegen der bisher üblichen Reduzierung des Durchflusses des Wärmeverbrauchers die Durchflussmenge im wesentlichen aufrechterhalten und dafür wird die Temperatur des Heizmediums durch Beimischung des Rück- laufwassers erniedrigt.
Folge der sich dadurch einstellenden gleichmässigen Absenkung der Tem- peratur des Wärmeverbrauchers sind bei Heizkörpern verbesserte Luftqualität, verbesserter Wär- meübergang und somit verbesserter Wirksamkeit, bei Wärmetauschern eine gleichmässigere Erwärmung des betreffenden Brauchwasservolumens und bedingt durch die durch Beimischung erzielte niedrigere Vorlauftemperatur wird auch die Verkalkungsgefahr niedriger. Gleichmässige Oberflächentemperaturen von Heizkörpern ermöglichen ausserdem einen für den Verbraucher wirtschaftlicheren Betrieb von Wärmezählern auf Verdunstungsbasis.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmeverbrauchereinheit (1 ) zur Abgabe von in Warmwasser enthaltener Wärme, mit ei- nem Wärmeverbraucher (2), beispielsweise einem Heizkörper, der einen Vorlaufanschluss (6), einen Rücklaufanschluss (9) sowie wenigstens einen den Vorlaufanschluss {6) mit dem
Rücklaufanschluss (9) verbindenden Kanal (7) aufweist, der mit wenigstens einer Wärme- abgabefläche (8) in thermischer Verbindung steht, mit einer Strahlpumpe (3), die dem Vor- laufanschluss (6) des Heizkörpers (2) vorgeschaltet ist und die einen Sauganschluss (21,
22) aufweist, der mit dem Rücklaufanschluss (9) des Wärmeverbrauchers (2) verbunden ist, und mit einer Steuereinrichtung (25, 27, 28), mittels derer die Strahlpumpe (3) beeinflussbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe (3) eine Dreiwegestrahlpumpe (3b) mit einem Treibmittelanschluss (14),
der an eine zu dem Wärmeverbraucher (2) führende Vor- laufleitung (01) angeschlossen ist, und mit einem Ausgangsanschluss (18) ist, der an den
Vorlaufanschluss (6) des Wärmeverbrauchers (2) angeschlossen ist, wobei die Dreiwege- strahlpumpe (3b) einen einzigen mit dem Rücklaufanschluss {9) des Wärmeverbrauchers (2) verbundenen Sauganschluss (22) aufweist.
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