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Die Erfindung betrifft eine Strahlpumpe mit geregeltem Bypass.
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Zur Versorgung von Wärmeverbrauchern mit Wärmeträger werden häufig Strahlpumpen eingesetzt, die aus einem relativ heißen Wärmeträger, wie beispielsweise Warmwasser oder Heißwasser und ausgekühltem Rücklauf Vorlaufwärmeträger mit der richtigen Temperatur mischen und bereit stellen. Beispielsweise ist aus der
DE 198 09 851 A1 eine zu diesem Zweck vorgesehene Strahlpumpe bekannt, die z. B. an einem Heizkörper montiert werden kann. Die Strahlpumpe weist ein Gehäuse mit einem Treibmitteleingang, einem Sauganschluss und einem Ausgang auf, der mit dem Wärmeverbraucher zu verbinden ist. Der Innenraum des Gehäuses ist durch eine Zwischenwand in zwei Abteilungen getrennt, die über eine Treibdüse miteinander verbunden sind. Zur Regulierung der Leistungsabgabe ist eine Stellspindel vorgesehen. Diese wird mehr oder weniger weit in einen etwa kegelförmigen Sitz der Treibdüse eingefahren.
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Wenn die Strahlpumpe ganz geschlossen ist, kühlt der vor dem Wärmeverbraucher liegende Teil der Rohrleitung aus. Nach längeren Betriebspausen muss die Strahlpumpe dann für längere Zeit ganz geöffnet werden, um zunächst das ausgekühlte Wärmeträgermedium durchzulassen bis dann plötzlich heißer Wärmeträger ankommt. Insbesondere bei Schwachlastwärmeanforderungen kann dies zu heftigen Regelschwingungen führen.
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Ein in der Zwischenwand oder gemäß
DE 103 54 302 B3 in der Treibdüse vorgesehener Bypasskanal würde diesem Übelstand abhelfen. Allerdings führt ein solcher Bypasskanal zu einer wenn auch schwachen so doch permanenten Zirkulation, die in Betriebspausen zu einem Energieverlust führen kann.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Strahlpumpe zu schaffen, die diesen Nachteil vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird eine Strahlpumpe vorgesehen, die eine Treibdüse und ein der Treibdüse zugeordnetes Stellglied aufweist. Das Stellglied dient zur Regulierung der Treibdüse und zugleich zur Regulierung des Bypasskanals. Vorzugsweise ist die Strahlpumpe dabei so ausgebildet, dass sie drei sich grundsätzlich unterscheidende Betriebszustände aufweist, nämlich a) vollkommen abgesperrt, b) Treibdüse offen – normaler Strahlpumpenbetrieb und c) nur Bypass offen. Mit dieser Strahlpumpe lassen sich Wärmeverbraucherkreise bedarfsweise betriebsbereit halten, indem beispielsweise nur der Bypasskanal offen gehalten wird. Im Vorlauf anstehendes heißes Wärmeträgermedium kann somit bis zur Strahlpumpe vordringen. Soll die Strahlpumpe dann den angeschlossenen Wärmeverbraucherkreis mit Wärme versorgen, ist diese sofort verfügbar. Insbesondere wenn lediglich eine Schwachlastwärmeanforderung kommt, kann die Strahlpumpe sofort auf ihren Sollwert einreguliert werden. Regelschwingungen mit großen Hüben, wie sie auftreten, wenn zunächst kaltes Wärmeträgermedium durch die Strahlpumpe durchgelassen werden muss, entfallen. Außerdem wird die Reaktions- und Ansprechzeit der Strahlpumpe auf Wärmeanforderung verkürzt. Die Wahl des jeweiligen Betriebsbereichs a), b) oder c) kann allein durch ein einziges Stellorgan, nämlich das Stellglied der Strahlpumpe, erfolgen. Zusätzliche Stelleinrichtungen sind nicht erforderlich.
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Die Strahlpumpe kann prinzipiell für alle Wärmeverbraucherkreise einheitlich eingesetzt werden und zwar unabhängig davon, ob diese Wärmeverbraucherkreise einen Bypassbetrieb (d. h. Aufrechterhaltung einer Betriebsbereitschaft) benötigen oder ob die betreffenden Kreise ganz abgeschaltet werden können. Ist Letzteres der Fall, wird die Strahlpumpe nur mehr oder weniger geöffnet oder geschlossen. Der Stellbereich des Stellglieds, in dem der Bypasskanal geöffnet, d. h. freigegeben wird, wird dann vermieden.
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Mit der vorgestellten Strahlpumpe lassen sich in einem Heizungssystem im Übergangsbetrieb oder auch im Sommerbetrieb, in dem einige Wärmeverbraucher ganz abgeschaltet werden müssen oder sollen, diejenigen Verbraucher, die eine gewisse Betriebsbereitschaft haben müssen, wie beispielsweise Warmwasserbereiter oder auch Lüftungen, mit einer geringen (den Wärmeverbraucher umgehenden) Zirkulation betreiben. Hingegen können alle anderen Verbraucher ganz abgeschaltet werden. Die Maßnahme trägt zur Energieoptimierung bei. Es ist möglich, den von der Strahlpumpe betriebenen Wärmeabnehmerkreis ganz auszuschalten (Sommerbetrieb), auf Nulllast aber in Betriebsbereitschaft zu halten (beispielsweise in Übergangszeiten) oder in normalem Regelbetrieb zu fahren (beispielsweise im Winter).
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Während die Treibdüse und das Stellglied vorzugsweise als Sitzventil ausgebildet sind, wird der Bypasskanal vorzugsweise durch eine Schieberanordnung geregelt. Die Schieberanordnung kann durch entsprechende, in dem Stellglied und der Treibdüse ausgebildete oder angeordnete Bohrungen gebildet werden. Diese Schieberanordnung kann, bezogen auf die Durchströmungsrichtung der Strahlpumpe, sowohl vor als auch hinter dem Ventilsitz angeordnet werden. Letzteres hat den Vorteil der sicheren absoluten Schließbarkeit der Strahlpumpe, d. h. der Reduzierung der Leckverluste auf Null.
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Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung sowie der Beschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 ein Heizungssystem mit mehreren Wärmeabnehmerkreisen und unterschiedlichen Wärmeverbrauchern in schematisierter Darstellung,
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2 eine Strahlpumpe mit gesteuertem Bypasskanal in schematisierter Darstellung,
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3 die Strahlpumpe nach 2 mit einem durch ihr Stellglied führenden Bypasskanal, der beim Schließen des Stellglieds über seinen eigentlichen Schließpunkt hinaus freigegeben wird, in längs geschnittener schematisierter Darstellung,
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4 die Strahlpumpe nach 2 mit einem durch die Treibdüse und das Stellglied führenden Bypasskanal, der vor dem gänzlichen Schließen der Strahlpumpe freigegeben wird, in längs geschnittener schematisierter Darstellung und
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5 die Strahlpumpe nach 2 mit einem durch das Stellglied führenden Bypasskanal, der bezüglich der Durchströmungsrichtung der Strahlpumpe hinter dem Ventilsitz angeordnet ist, in längs geschnittener, schematisierter Darstellung.
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In 1 ist eine Heizungsanlage 1 veranschaulicht, die verschiedene Wärmeverbraucher, wie beispielsweise einen Warmwasserbereiter 2, eine Lüftung 3 und Heizungen 4, 5 aufweist. Die Wärmeverbraucher 2 bis 5 sind jeweils über Strahlpumpen 6, 7, 8, 9 an eine gemeinsame Vorlaufleitung 10 und eine Rücklaufleitung 11 angeschlossen. Von der Vorlaufleitung 10 und der Rücklaufleitung 11 abzweigende weitere Leitungen 12, 13 können zu weiteren, nicht veranschaulichten Wärmeverbrauchern führen. Eine Umwälzpumpe 14, die vorzugsweise in der Rücklaufleitung 11 angeordnet ist, hält den Wärmeträgerkreislauf aufrecht und fördert den Wärmeträger, vorzugsweise Warmwasser, durch ein oder mehrere Kessel 15, 16. Alternativ können an Stelle der Kessel 15, 16 andere Wärmequellen, wie beispielsweise Fernwärme beheizte Wärmetauscher, vorgesehen sein. Auch können die Vorlaufleitung 10 und die Rücklaufleitung 11 an ein größeres Wärmeverteilungsnetz angeschlossen sein, wobei die Umwälzpumpe 14 dann meist entfallen kann.
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Die Wärmeverbraucher 2 bis 5 sind jeweils in Heizkreisen angeordnet, die durch entsprechende Temperaturfühler TC überwacht werden. Die Temperaturfühler TC sind vorzugsweise an eine Regeleinrichtung 17 angeschlossen, die in 1 durch eine gestrichelte Linie symbolisiert wird. Die Regeleinrichtung 17 reguliert die Strahlpumpen 6, 7, 8, 9, um mit diesen die in dem jeweiligen Wärmeabnehmerkreis gewünschte Temperatur einzustellen. Dazu weisen die Strahlpumpen 6, 7, 8, 9 jeweils einen Stellmotor 18 auf, der in 2 veranschaulicht ist. Des Weiteren geht aus 2 die Strahlpumpe 7 hervor. Die Strahlpumpe 6, 8 oder 9 kann bedarfsweise ebenfalls in der in 2 veranschaulichten Bauform ausgebildet werden.
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Die Strahlpumpe 7 weist ein Gehäuse 19 auf, an dem ein Eingang 20, ein Ausgang 21 und ein Sauganschluss 22 ausgebildet ist. Der Eingang 20 ist von dem Ausgang 21 und dem Sauganschluss 22 durch eine Zwischenwand 23 getrennt. In dieser sitzt eine Treibdüse 24, der als Stellglied 25 ein Schließkegel zugeordnet ist. Das Stellglied 25 ist über eine Ventilstange oder -spindel 26 mit dem Stellmotor 18 verbunden und erstreckt sich zu diesem Zweck von dem Stellglied 25 weg, abgedichtet durch eine an dem Gehäuse 19 vorgesehene Öffnung.
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Der Treibdüse 24 gegenüber liegend ist ein Diffusor 27 angeordnet, der zu dem Ausgang 21 führt. Zwischen der Treibdüse 24 und dem Diffusor 27 ist ein Saugspalt 28 ausgebildet, der mit dem Sauganschluss 22 kommuniziert.
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Eine Besonderheit der insoweit beschriebenen Strahlpumpe 7 besteht in einem Bypasskanal 29, der in 2 lediglich schematisiert angedeutet und in einer seiner Ausführungsformen genauer 3 zu entnehmen ist. Der Bypasskanal 29 weist einen Eingang 30 auf, der von einer stromaufwärts von der Treibdüse 24 gelegenen Teil des Stellglieds 25 in eine in dem Stellglied 25 ausgebildete Kammer 31 hinein führt. An einer Position, die eingenommen ist, wenn sich das Stellglied 25 in Schließposition befindet, führen aus der Kammer 31 ein oder mehrere Kanäle 32 aus der Kammer 31 heraus, die somit in den Saugspalt 28 münden. Zwischen den Kanälen 32 und dem Eingang 30 weist das Stellglied 25 eine zylindrische oder schlanke kegelige Form auf. Der Kegelwinkel ist dabei vorzugsweise sehr gering. Entsprechend weist die Treibdüse 24 an Stelle einer definierten Dichtkante eine Dichtfläche 33 auf, die einen zylindrischen oder schlanken kegelstumpfförmigen Ring bildet. Die vorzugsweise zylindrische Dichtfläche 33 geht dann in eine Kegelfläche 34 über, an der eine Dichtkante 35 des Stellglieds 25 seine Anlage finden kann.
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Die insoweit beschriebene Heizungsanlage 1 und insbesondere die Strahlpumpe 7 arbeiten wie folgt:
Die Heizungsanlage 1 unterscheidet hinsichtlich des Betriebs der Strahlpumpe 7 drei Betriebszustände. In einem ersten Betriebszustand ist die Strahlpumpe als Regelorgan aktiv. Das Stellglied 25 ist soweit aus der Treibdüse 24 heraus gefahren, dass durch den zwischen dem Stellglied 25 und der Treibdüse 24 gebildeten Ringspalt ein in den Diffusor 27 eintretender Fluidstrom durchgelassen wird. Die in dem Saugspalt 28 entsprechend auftretende Sogwirkung wird an dem Sauganschluss 22 der Strahlpumpe 7 wirksam. Es entsteht dadurch eine Zirkulation durch die Lüftung 3, indem über den Sauganschluss 22 ausgekühltes Rücklaufwasser dem über den Eingang 20 zugeströmten Vorlauf beigemischt wird. Die Regeleinrichtung 17 stellt dabei an der Lüftung 3 die gewünschte und über den Temperatursensor TC erfasste Temperatur ein. Ist sie niedriger als ein Sollwert wird die Treibdüse 24 weiter frei gegeben, indem das Stellglied 25 in 3 nach links bewegt wird. Ist die Temperatur zu hoch, wird das Stellglied 25 hingegen nach rechts bewegt und die Fluidströmung gedrosselt. Der Stellmotor 28 ist vorzugsweise mit einer Positionserkennungseinrichtung versehen oder als Schrittmotor ausgebildet, um eine kontrollierte Verstellung und Bewegung des Stellglieds 25 zu erzielen. Insoweit entspricht die soeben beschriebene erste Betriebsart der normalen Regelbetriebsart der Strahlpumpe 7.
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Soll die Lüftung 3 keine Wärme erhalten dabei aber betriebsbereit bleiben, wird der Stellmotor 18 so angesteuert, dass das Stellglied 25 in 3 ganz nach rechts fährt bis die Kanäle 32 aus der Treibdüse 24 heraus treten. Somit ist der Bypasskanal 29 offen, der zu einer von dem Stellglied 25 radial weg gerichteten Strömung führt. Diese tritt nicht in den Diffusor 27 ein sondern umgeht diesen vorzugsweise, indem die Strömung durch den Saugspalt 28 zu dem Sauganschluss führt. Der Durchsatz durch den Bypasskanal 29 ist dabei relativ gering. Es kommt lediglich zu einem geringen Abströmen von Wasser von dem Eingang 20 zu dem Sauganschluss 22, wodurch die Leitung, die die Strahlpumpe 7 mit Warmwasser versorgt, warm gehalten bleibt. Diese zweite Betriebsart wird als Bypassbetriebsart bezeichnet. Sobald die Lüftung 3 aktiviert werden soll oder Wärme benötigt, wird diese Anforderung von der Steuereinrichtung 17 in ein Öffnungssignal für die Strahlpumpe 7 bzw. deren Stellmotor 18 umgesetzt. Das Stellglied 25 wird nun in Öffnungsrichtung verstellt, so dass wiederum die erste Betriebsart der Strahlpumpe 7 eingenommen wird. Ist Schwachlast gefordert, öffnet das Stellglied 25 nur wenig, wobei sofort der gewünschte Betriebszustand eingenommen wird und keine langen Regelschwingungen auftreten. Letztere werden insbesondere deshalb vermieden, weil an der Treibdüse 24 sofort warmes Wasser und nicht erst kaltes, d. h. ausgekühltes Wasser ansteht.
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Soll die Lüftung 3 beispielsweise im Sommer ganz abgeschaltet werden, muss die Strahlpumpe 7 in ihre dritte Betriebsart überführt werden. In dieser wird das Stellglied 25 aus der in 3 dargestellten Stellung heraus geringfügig nach links bewegt. Die Kanäle 32 gelangen dadurch in den Bereich der Dichtfläche 33 und werden von dieser verschlossen. Sind die Dichtfläche 33 und das Stellglied 25 im Bereich der Kanäle 32 zylindrisch ausgebildet, wirkt das Stellglied 25 hinsichtlich der Steuerung der Kanäle 32 wie ein Steuerschieber. Es bleiben sowohl die Treibdüse 24 als auch die Kanäle 32 geschlossen, so dass jeder Fluidfluss durch die Strahlpumpe 7 gesperrt ist. Ein Wärmeverlust durch Bypassströmung wird in diesem Zustand vermieden.
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Die Strahlpumpe 7 kann gemäß 4 abgewandelt werden. Die Abwandlung besteht in der Gestaltung und Anordnung der Kanäle 32. Sie münden vorzugsweise in einer an dem Außenumfang des Stellglieds 25 umlaufenden Nut 36. Die Kanäle 32 und die Nut 36 sind dabei so angeordnet, dass sie im Bereich der Dichtfläche 33 stehen, wenn die Dichtkante 35 auf der Dichtfläche 34 aufsetzt. Durch diese Anordnung sind die Kanäle 32 geschlossen, d. h. blockiert, wenn die Dichtkante 35 auf der Dichtfläche 34 aufsitzt. Zwischen der Stelle der Dichtfläche 34, an der die Dichtkante 35 aufsitzt und der Dichtfläche 33 führt zumindest ein radialer Kanal 37 aus der Treibdüse 24 heraus zu dem Sauganschluss oder einem mit diesem verbundenen Raum, vorzugsweise Ringraum.
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Bei dieser Bauform der Strahlpumpe 7 dient die Dichtkante 35 zum dichten Abschluss des in den Diffusor 27 führenden Hauptstroms. Der Bypassstrom wird wiederum nach Art eines Steuerschiebers durch die Dichtfläche 33 und die Nut 36 freigegeben oder gesperrt. Der Radialkanal 37 mündet vorzugsweise noch in der Dichtfläche 33 oder dicht neben dieser. Ist das Stellglied 25 in seiner ganz rechten Dichtposition sind Hauptstrom und Bypass geschlossen. Wird das Stellglied 25 geringfügig nach links bewegt, so dass die Nut 36 mit dem Radialkanal 37 in Übereinstimmung kommt, wird zunächst nur der Bypassstrom freigegeben. Wird das Stellglied 25 weiter nach links bewegt, gerät die Strahlpumpe 7 dann in ihre erste Betriebsart, in der sie gewöhnlichen Regelbetrieb gestattet.
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Eine weitere Ausführungsform der Strahlpumpe 7 ist in 5 veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform dient die Dichtkante 35 sowohl zum Abschluss des Hauptstroms wie auch zum definitiven Sperren des Bypassstroms. Zu diesem Zweck ist der zumindest eine Eingang 30 hinsichtlich der Durchströmungsrichtung der Treibdüse 24 stromabwärts der Dichtkante 35 angeordnet. Es genügt ein Eingang 30, wobei, wie in 5 dargestellt, an gleicher Axialposition auch mehrere solcher Eingänge 30 vorgesehen sein können, die unterschiedliche Radialausrichtungen haben. Aus der Kammer 31 heraus führen dann wiederum ein oder mehrere Kanäle 32, vorzugsweise in Radialrichtung. Die Axialpositionierung der Kanäle 32 ist so getroffen, dass diese knapp vor der Stirnfläche der Treibdüse 24, d. h. in dem Saugspalt 28 stehen, wenn die Dichtkante 35 an der Dichtfläche 34 aufsitzt. In diesem Zustand können die Eingänge 30 im Bereich der Dichtfläche 33 oder kurz vor dieser stehen.
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In der in 5 veranschaulichten Position sind der Bypasskanal 29 und der Hauptstrom durch das Stellglied 25 ganz geschlossen. Soll die Strahlpumpe 7 in Bypassbetriebsart überführt werden, wird das Stellglied 25 geringfügig nach links bewegt, so dass die Dichtkante 35 von der Dichtfläche 35 abhebt, die Kanäle 32 jedoch noch immer in den Saugspalt 28 münden. In diesem Zustand dichtet die Dichtfläche 33 im Wesentlichen noch an der Außenumfangsfläche des Stellglieds 25 ab, so dass kein Hauptstrom zustande kommt. Jedoch strömt durch den von der Dichtkante 35 freigegebenen Spalt ein gewisser Fluidstrom in die Eingänge 30 und in die Kammer 31 und von dort durch die Kanäle 32 radial in den Saugspalt 28.
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Soll die Bypassbetriebsart verlassen und die Strahlpumpe in normaler Regelbetriebsart betrieben werden, wird das Stellglied 25 soweit nach links bewegt, dass die Treibdüse 24 in nennenswertem Maße freigegeben wird. Der Bypasskanal 29 ist dann vollkommen inaktiv und die Strahlpumpe dient in ihrer nunmehr eingenommenen Regelbetriebsart dazu, in dem Heizkreis eine Umlaufströmung aufzubauen. Der von dem Stellglied 25 mehr oder weniger frei genommene Fluidstrom tritt unter Beisaugung von Rücklaufwasser in den Diffusor 27 ein, in dem sich nun das durch die Treibdüse geströmte heiße oder warme Wasser mit dem kälteren Rücklaufwasser mischen. Die gewünschte Temperatur wird durch mehr oder weniger weite Öffnung der Treibdüse 24 eingestellt.
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Die Ausführungsformen nach 4 und 5 haben den Vorzug, dass hinsichtlich des Stellhubs des Stellglieds 25 die Betriebsbereitschaftsposition zwischen der Schließposition (4 und 5 ganz rechts) und der Regelposition (4 und 5 Stellglied nach links verstellt) des Stellglieds 25 liegt. Aus Sicht einer Temperaturregelung sind die Bypassposition, in der der Bypasskanal 29 freigegeben ist, und die Schließposition, in der die Strahlpumpe 7 ganz geschlossen ist, gleichwertig. Die vorliegende Strahlpumpe 7 kann deshalb mit einer herkömmlichen Temperaturregeleinrichtung zusammenwirken. Eine Zusatzschaltung oder auch ein zusätzlicher Programmteil in der Regeleinrichtung 17 kann dazu dienen, zwischen der ganz abgeschlossenen Position (Stellglied 25 ganz rechts) oder der Bypassposition (Stellglied 25 geringfügig nach links verstellt, nur Bypasskanal 29 offen) zu unterscheiden. Die Unterscheidung kann beispielsweise dadurch getroffen werden, dass die Abschaltposition nur auf gesonderten äußeren Befehl, der beispielsweise von einer Schaltuhr oder einer sonstigen anderen Schaltkomponente oder einem externen Schalter her kommt, eingenommen wird.
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Die verbesserte Strahlpumpe 7 ist mit einem Bypasskanal 29 versehen, der von dem Stellglied 25 der Strahlpumpe 7 betätigt, d. h. geöffnet oder geschlossen wird. Die Stellkegelposition, bei der der Bypasskanal freigegeben wird, ist vorzugsweise der Schließposition des Stellglieds 25 unmittelbar benachbart. Die zur Steuerung der Strahlpumpe 7 verwendete Steuerungseinrichtung unterscheidet vorzugsweise zwischen drei Betriebsarten, nämlich Ausbetriebsart (Ruhezustand oder Sommerbetrieb), Nulllastbetriebsart mit Betriebsbereitschaft (beispielsweise im Übergang) und Regelbetrieb. Beim Regelbetrieb wird mit der Strahlpumpe 7 ein gewünschter Lastfall eingestellt, wobei während des Regelbetriebs nur die Bewegungsabschnitte des Stellglieds 5 Anwendung finden, die zum Regelbetrieb und zum Nulllastbetrieb gehören. Erst beim Abschalten des jeweiligen Wärmeverbrauchers verstellt die Regeleinrichtung 17 das Stellglied 25 so, dass auch der Bypasskanal verschlossen wird.
