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Verfahren zur witterungsabhängigen Beeinflussung der Oberflächentemperatur der Eisschicht auf der Fahrbahnplatte einer Kunsteisbahn und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Das Patent betrifft ein Verfahren zur witterungsabhängigen Beeinflussung der Oberflächentemperatur der Eisschicht auf der Fahrbahnplatte einer Kunsteisbahn sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des die Kühlrohre der Fahrbahnplatte durchströmenden Kühlmittels nach Massgabe mindestens einer thermischen Grösse beeinflusst wird, welche an einem die thermischen Verhältnisse von Fahrbahnplatte und Eisschicht nachbildenden Modellkörper gemessen wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen die thermischen Verhältnisse von Fahrbahnplatte und darauf befindlicher Eisschicht nachbildenden Modellkörper, der eine der freien Atmosphäre und freier Einstrahlung ausgesetzte, zur Oberfläche der Eisbahn annähernd parallele Oberseite aufweist, sowie durch Mittel zum Messen mindestens einer thermischen Grösse am Modellkörper, welche Mittel auf ein die Temperatur des den Kühlrohren der Fahrbahnplatte zuströmenden Kühlmittels beeinflussendes Organ einwirken.
Das Verfahren nach der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Kunsteisbahnanlage, bei welcher die Temperatur des die Kühlrohre der Anlage durchströmenden Kühlmittels nach Massgabe der auf einen Modellkörper einfallenden Wärmemenge beeinflusst wird, Fig. 2 einen Schnitt durch die Fahrbahnplatte mit darauf ruhender Eisschicht, Fig.3 eine graphische Darstellung der Tempe- raturverhältnisse in der Fahrbahnplatte und in der Eisschicht, Fig. 4 eine Ausführungsform eines auf der Fahrbahnplatte aufgebauten Modellkörpers im Schnitt,
Fig.5 eine graphische Darstellung der Temperaturverhältnisse im Modellkörper nach Fig.4 und Fig. 6 eine weitere Ausführungsform des Modellkörpers.
Die Kunsteisbahnanlage (Fig. 1) besitzt eine Fahrbahnplatte 1, in welcher Kühlrohre 2 eingebettet sind. Den Kühlrohren 2 wird mit Hilfe der Pumpe 3 aus dem Sammelbehälter 4 ein Kühlmittel - in vorliegendem Falle flüssiges Ammoniak - durch die Leitung 5 zugeführt, das in den Kühlrohren 2 unter Wärmeentzug aus der Fahrbahnplatte 1 verdampft und hernach durch die Leitung 6 in den Dampfraum des Sammelbehälters 4 zurückströmt. Der Kompressor K saugt durch die Leitung 7 gasförmige Kühlmittel aus dem Dampfraum des Sammelbehäl- ters 4, worauf das Kühlmittel in verdichtetem Zustand durch die Leitung 8 in den Kondensator 9 gelangt.
Hier wird das Kühlmittel durch Wärmeaustausch verflüssigt und strömt durch die Leitung 10 in den Sammelbehälter 4 zurück. In der Leitung 10 befindet sich ein Kondensatorableiter 11. Der Kompressor K wird durch den Elektromotor M angetrieben; die Antriebsdrehzahl und damit die Leistung des Kompressors kann durchBürstenverstellung variiert werden.
Der Betrieb der geschilderten Anlage erfolgt so, dass zunächst durch die Veränderung der Kompres- sorleistung der Druck im NH3 Sammelbehälter 4 und damit auch die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels in den Kühlrohren 2 konstant gehalten wird. Zu diesem Zweck ist ein den Druckfühler 12, die Signalleitung 13, den Regler R, die Signalleitung 14 und den Servomotor 15 aufweisenden Regelkreis vorhanden; der Servomotor 15 ist mit der Vor-
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richtung zur Bürstenverstellung am Motor M gekuppelt.
Diese arbeitet so, dass bei einer Verstellung des Servomotors 15 im Sinne einer Drehzahlverminderung nach Erreichen der kleinsten Betriebsdrehzahl der Motor abgeschaltet wird. Die Wirkungsweise der geschilderten Anordnung ist derart, dass bei zunehmender Verdampfungstemperatur des Kühlmittels der Kompressor K mit einer höheren Drehzahl angetrieben wird und umgekehrt. Der Sollwert der Verdampfungstemperatur kann hierbei durch Drehen des Handrades an dem mit dem Regler R verbundenen Gerät 16 beliebig eingestellt werden.
Da die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels bei verschiedenen klimatischen Verhältnissen verschieden gewählt werden muss, um eine konstante Oberflächentemperatur des Eises und damit auch eine konstante Eisqualität zu erhalten, wird der Sollwert der Verdampfungstemperatur durch ein Klimagerät KG bestimmt und dem Regler R mit Hilfe der Signalleitung 17 übertragen. Diese Sollwertveränderungen überlagern sich dem Einstellwert des Gerätes 16 und bewirken eine konstante Oberflächentemperatur des Eises.
Vorteilhaft kann das Klimagerät KG die Sollwertverstellung nicht nur nach den die Eistemperatur beeinflussenden Grössen verstellen, sondern auch noch nach Massgabe deren Änderungsgeschwindigkeit. Bei einer raschen Änderung der Aussentemperatur, z. B. bei Föhneinbruch, wird dann eine viel stärkere Kälteleistung zugeschaltet, als der momentanen Aussentemperatur entspricht. Damit kann der Trägheit der Fahrbahnplatte 1 entgegengewirkt werden.
Zum Verständnis der Wirkungsweise des Klima- gerätes KG sollen anhand der Fig. 2 und 3 die Temperaturverhältnisse in der Eisschicht und in der Fahrbahnplatte betrachtet werden. Fig.2 zeigt schematisch im Schnitt die aus Beton bestehende Fahrbahnplatte 1 mit den in ihr eingebetteten Kühlrohren 2 und der auf ihr ruhenden Eisschicht 21.
Die Differenz zwischen der Oberflächentemperatur tE des Eises und der Verdampfungstemperatur tv des Kühlmittels in den Rohren 2 ist im wesentlichen von der pro m2 und Stunde einfallenden, durch die Pfeile 22 angedeuteten Wärmemenge qE, von der Dicke d. der Eisschicht, der Dicke dB der Betonschicht zwischen den Mittelachsen der Rohre 2 und der Oberseite der Platte 1 und von der Wärmeleitzahl 4 des Eises und der Wärmeleitzahl ?r des Betons abhängig. Es gilt die folgende Beziehung:
EMI2.31
Hieraus lassen sich für die Verdampfungstempe- ratur tv und für die Temperatur tE an der Oberfläche der Eisschicht folgende Beziehungen ableiten:
EMI2.36
EMI2.37
Wie aus diesen Gleichungen hervorgeht, hat die einfallende Wärmemenge qr den hauptsächlichen Einfluss auf die Differenz zwischen der Oberflächentemperatur des Eises und der Verdampfungstempe- ratur des Kühlmittels.
Gelingt es, qE direkt zu messen, so muss einfach die Verdampfungstemperatur entsprechend der Gleichung (2) proportional zu qI; gesteuert werden, um unabhängig der Witterung eine konstante Temperatur an der Eisoberfläche zu erhalten. Der Proportionalitätsfaktor zwischen Ver- dampfungstemperatur tv- und einfallender Wärmemenge qr ist allerdings noch von der unter Umständen variablen Eisdicke dr abhängig.
Deren Einfluss ist aber nur gering und kann beispielsweise durch das den Cbertragungsfaktor des Klimagerätes beeinflussende, mit Hilfe des Handrades einstellbare Gerät 23 (Fig. 1) berücksichtigt werden.
Die Kurve a in Fig. 3 veranschaulicht den Temperaturverlauf in der Fahrbahnplatte 1 und der Eisschicht. Die Temperatur tp ist die Temperatur an der Oberseite der Fahrbahnplatte.
Erfindungsgemäss wird zur Messung der einfallenden Wärmemenge ein die thermischen Verhältnisse von Eisschicht und Fahrbahnplatte nachbildender Modellkörper verwendet. Dieser besitzt einen beispielsweise quaderförmigen Körper 25 (Fig.4), der direkt auf die Platte 1 aufgebracht wird und der im vorliegenden Falle zusammen mit dem durch strichpunktierte Linien 26 angedeuteten Teil der Platte den eigentlichen Modellkörper bildet. Die Oberseite des Modellkörpers ist annähernd parallel der Oberfläche der Eisschicht 21. Die Dicke duz am Körper 25 ist grösser als die Dicke der Eisschicht 21 und soll verhindern, dass der Modellkörper mit Wasser überspült wird.
Auf Grund der für den Wärmedurchgang durch feste Körper geltenden Beziehungen kann leicht eingesehen werden, dass wenn das Verhältnis der Dicke d.#t am Körper 25 zur mittleren Dicke d*, der Eisschicht 21 gleich dem Verhältnis der Wärmeleitzahlen des Körpers 25 und der Eisschicht 21 ist - sich auf der Oberseite 27 des Modellkörpers jeweils die gleiche Temperatur wie an der Eisoberfläche einstellt, wenn beide Oberflächen den gleichen klimatischen Verhältnissen ausgesetzt sind. Da, wie vorerwähnt, die Oberseite 27 des Modellkörpers die Eisschicht überragt, muss nach dem Vorhergesagten das zur Herstellung des Körpers 25 verwendete Material eine grössere Wärmeleitfähigkeit als die Eisschicht besitzen.
Die Kurve b in Fig. 5 veranschaulicht die Temperaturverhältnisse im Modellkörper. Das Kurvenstück zwischen der Temperatur tv und der Temperatur tp entspricht demjenigen in Fig.3; das anschliessende Kurvenstück bis zur Temperatur tE weist in Fig. 5 die grössere Neigung als in Fig. 3 auf, da die Wärmeleitzahl @u des Körpers 25 grösser ist als
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diejenige der Eisschicht 21; ferner ist sie grösser als diejenige von Beton.
Weil der Modellkörper und die Eisschicht auf der Fahrbahnplatte den gleichen Witterungsgrössen wie Aussentemperatur, Wind, Sonnenbestrahlung, Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sind und weil der Modellkörper die gleiche Temperatur an seiner zur Eisfläche parallelen Oberseite wie die Eisschicht besitzt, so fällt auf den Modellkörper auch die gleiche Wärmemenge ein wie auf die Eisschicht. Diese Wärmemenge kann nun aber in einfacher Weise durch die Messung der Temperaturdifferenz dtm von zwei in verschiedener Tiefe im Modellkörper liegenden Temperaturmessstellen ermittelt werden. Hierzu können beispielsweise Thermoelemente 28 und 29 vorhanden sein, deren Abstand in Richtung des einfallenden Wärmestromes di, beträgt.
Für die einfallende Wärmemenge qE gilt:
EMI3.10
Es empfiehlt sich, diese beiden Messstellen 28 und 29 möglichst nahe an die Oberseite des Modellkörpers zu legen; Änderungen des Wärmestromes können dann praktisch verzögerungsfrei ermittelt werden.
Um eine konstante Temperatur an der Eisoberfläche zu erhalten, muss in der Anordnung nach Fig. 1 das Klimagerät KG lediglich den Sollwert der Verdampfungstemperatur tv des Kühlmittels proportional zur gemessenen Temperaturdifferenz d tn und allenfalls - wie bereits erwähnt - auch proportional zur Änderungsgeschwindigkeit von d t32 einstellen. Zu diesem Zweck sind die Temperaturfühler 28 und 29 des in Fig. 1 ebenfalls schematisch eingezeichneten Modellkörpers mit einem Organ 30 verbunden, in welchem die Differenz d tm gebildet wird.
Ein dieser Differenz proportionales Signal wird durch die Signalleitung 31 zum Klimagerät KG gesandt und bewirkt auf geschilderte Weise eine Ver- änderung des eingestellten Sollwertes der Ver- dampfungstemperatur tv im Sinne einer Konstanthaltung der Oberflächentemperatur der Eisschicht 21 bzw. des Modellkörpers. Die hierzu notwendige Änderung der Kompressorleistung wird dann automatisch mit Hilfe des Regelkreises 12, 13, R, 14 und 15 herbeigeführt.
Die geschilderte Verwendung eines die thermischen Verhältnisse von Eisschicht und Fahrbahnplatte nachbildenden Modellkörpers ermöglicht, sämtliche klimatischen Einflüsse auf die Messung einer einzigen Temperaturdifferenz zurückzuführen. Es werden nun nicht mehr die einzelnen Grössen wie Wind Sonnenstrahlung, Aussentemperatur, Luftfeuchtigkeit einzeln ermittelt, sondern es wird ihre gesamte Auswirkung auf den Wärmestrom in der Fahrbahnplatte direkt gemessen.
Bei der geschilderten Regelungsart wird die Ver- dampfungstemperatur so verändert, dass die Eis- temperatur etwa konstant bleibt. Es handelt sich also um eine Steuerung und nicht um eine eigentliche Regelung. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann zusätzlich die Oberflächentemperatur am Modellkörper gemessen werden und ein weiterer Regler zum Ausgleich allfälliger Ungenauigkeiten der geschilderten Steuerung vorgesehen sein, der zusätzlich so auf die Verdampfungstempe- ratur einwirkt, dass die gemessene Oberflächentemperatur und damit auch die Eistemperatur immer konstant bleibt.
Eine solche Anordnung ist in Fig. 1 schematisch angedeutet, und zwar misst dort der Fühler 28 direkt die Oberflächentemperatur. Ein dem gemessenen Wert entsprechendes Signal wird über die Leitung 32 dem Regler R1 gesandt, dessen Ausgang über die Signalleitung 32 mit der Signalleitung 17 verbunden ist. Die Regler R1 und R sind vorzugsweise PI-Regler.
Es sei erwähnt, dass die Differentialwirkung des Klimagerätes KG nicht unbedingt notwendig ist. Durch die geschilderte Regelung der Verdampfungs- temperaturen wird bei einer Sollwertverstellung bereits eine starke übersteuerung der Kompressorleistung erreicht. Weil sich die Verdampfungstempe- ratur nur verhältnismässig träge verändern kann, ist es möglich, den Regler R mit einem sehr kleinen Proportionalband auszustatten. Dies bedeutet, dass schon bei einer kleinen Abweichung vom Sollwert die ganze Kompressorleistung ein- oder abgeschaltet wird. Bei einer Verstellung des Sollwertes selbst durch das Klimagerät ergeben sich entsprechende Verhältnisse.
Bei einem raschen Temperaturanstieg nimmt auch die einfallende Wärmemenge qE rasch zu und der Sollwert wird so stark verstellt, dass die volle Kompressorleistung eingeschaltet wird. Damit dürfte in vielen Fällen ein differentialer Einfluss im Klimagerät überflüssig sein.
Anderseits wäre es auch möglich, die Messung der einfallenden Wärmemenge überhaupt wegzulassen und direkt von der Oberflächentemperatur im Modellkörper aus die Kompressorleistung zu steuern. Eine solche Regelungsart ist besonders einfach, doch arbeitet sie verhältnismässig träge, weil nm Regelkreis die gesamte Trägheit der Fahrbahnplatte eingeschlossen ist.
Eine weitere Ausführungsform besteht darin, dass in Funktion von der einfallenden Wärmemenge nicht die Verdampfungstemperatur, sondern direkt die Kälteleistung des oder der Kompressoren eingestellt wird. Diese Regelungsart besitzt den Vorteil, dass sie einen wirtschaftlichen Betrieb der Kunsteisbahnanlage gewährleistet, indem die erzeugte totale Kälteleistung genau der einfallenden Wärmemenge angepasst wird.
Allerdings wird hierbei die Eistemperatur nicht mehr berücksichtigt, so dass diese bei raschen Aussentemperaturschwankungen unter Umständen nicht unwesentlich variieren kann, weil der Wärmeträgheit des ganzen Fahrbahnplattensystems nicht entgegengewirkt wird.
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Es ist nicht erforderlich, dass die Fahrbahnplatte einen Bestandteil des Modellkörpers bildet. So ist es ohne weiteres möglich, den Modellkörper ausserhalb der Fahrbahnplatte - z. B. auf dem Dach des Betriebsgebäudes - aufzustellen.
Bei einer solchen Ausführungsform (Fig. 6) ist der Modellunterteil durch Kühlrohre 41 gekühlt, welche von einem Kühlmittel etwa gleicher Temperatur wie diejenige des durch die Kühlrohre der Fahrbahnplatte strömenden Kühlmittels durchströmt wird.
Insbesondere können die Kühlrohre durch das gleiche Kühlmittel wie dasjenige für die Fahnbahnplatte durchströmt sein, indem eine Teilmenge aus dem Kühlmittelkreislauf abgezweigt wird. Zur Nachbildung der thermischen Verhältnisse ist es ferner nötig, dass der Abstand d'31 zwischen den Achsen der Kühlrohre des Modellkörpers und dessen Oberseite 42 einen solchen Wert besitzt, dass sich dieser Abstand zum Abstand zwischen den Achsen der Kühlrohre der Fahrbahnplatte und der Eisoberfläche etwa verhält wie die resultierende Wärmeleitzahl des Modellkörpers zur resultierenden Wärmeleitzahl von Fahrbahnplatte und Eisschicht.
Hierbei ist die resultierende Wärmeleitzahl eines mehrschichtigen Modellkörpers wie folgt definiert:
EMI4.15
wobei s d die Summe der Dicke der einzelnen Schichten und -v d))? die Summe der Quotienten aus Dicke und Wärmeleitzahl jeder Schicht bedeutet. Ist die obengenannte Voraussetzung erfüllt, so weist der Modellkörper die gleiche Oberflächentemperatur wie die Eisschicht auf.
Bei der Wahl des Materials für den Modellkörper ist darauf zu achten, dass dessen Wärmeleitzahl eine solche Dicke des Modellkörpers ergibt, dass sich die Messorgane zur Messung der betreffenden thermischen Grösse leicht unterbringen lassen. Der Modellkörper kann auch aus Schichten verschiedenen Materials hergestellt sein, wobei jeweils die resultierende Wärmeleitzahl massgebend für die gesamte Dicke ist. Insbesondere kann der Modellkörper auch aus Eis bestehen.
Es empfiehlt sich, die Seitenflächen des Modellkörpers gegen Wärmeeinfall zu isolieren. Eine solche Isolation ist in Fig. 6 mit 43 bezeichnet.
Da die Oberseite des Modellkörpers die gleiche Temperatur wie die Oberfläche der Eisschicht aufweist - z. B. minus 1 C - so lässt sich nicht verhindern, dass eine Reifbildung entsteht. Ein Reifbelag einer gewissen Dicke kann ohne weiteres als Bestandteil des Modellkörpers in Betracht gezogen werden; eine die vorbestimmte Dicke überschreitende Reifdicke muss jedoch entfernt werden. Dies kann auf irgendeine Weise mit geeigneten, vorteilhaft selbsttätig arbeitenden mechanischen Mitteln erfolgen.
Die Erfindung ist nicht auf die geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die beschriebenen Regelungsarten lassen sich noch dadurch ausbauen, dass die Temperatur des die Kühlrohre der Fahrbahnplatte durchströmenden Kühlmittels zusätzlich nach Massgabe einer direkt gemessenen klimatischen Zustandsgrösse beeinflusst wird, z. B. nach Massgabe der Aussenlufttemperatur. Ferner ist es unter Umständen vorteilhaft, der Beeinflussung der Temperatur des Kühlmittels eine Programmsteuerung zu überlagern, die beispielsweise auf den mittleren Verlauf der Tagestemperatur ausgerichtet ist.
Ferner kann die Erfindung auch bei Eisbahnen angewendet werden, die nicht mit direkter Verdampfung eines Kühlmittels in den Kühlrohren, sondern mit Solekühlung arbeiten. Schliesslich sei festgehalten, dass nicht unbedingt die Temperatur des Kühlmittels zur Kühlung der Fahrbahnplatte direkt beeinflusst werden muss, sondern dass irgendeine andere, mit ihr jedoch in gesetzmässigem Zusammenhang stehende Betriebsgrösse durch die am Modellkörper gemessene Grösse beeinflusst werden kann.