DE102009017403A1

DE102009017403A1 - Verfahren zum Betreiben eines Wärmeträger-Kreislaufs

Info

Publication number: DE102009017403A1
Application number: DE102009017403A
Authority: DE
Inventors: Walter Mittelbach; Steffen Kühnert
Original assignee: Sortech AG
Current assignee: Fahrenheit GmbH
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2029-04-16
Also published as: DE102009017403B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeträger-Kreislaufs (1), enthaltend einen frostgefährdeten Wärmeträger und einen frostgefährdeten Bereich (2). Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer im frostgefährdeten Bereich gemessenen Temperatur ein automatisierter Austausch zwischen einem frostgefährdeten Wärmeträger und einem frostsicheren Wärmeträger ausgeführt wird, wobei bei dem Austausch der jeweils im Wärmeträger-Kreislauf befindliche Wärmeträger durch das Einströmen des jeweils anderen Wärmeträgers aus dem Wärmeträger-Kreislauf vermischungsfrei verdrängt wird. Das Verfahren zeichnet sich bei einer Ausführungsform durch folgende Verfahrensschritte aus: es erfolgt ein kontinuierliches Erfassen einer Bereichstemperatur (T) im frostgefährdeten Bereich, ein Öffnen des Wärmeträger-Kreislaufs beim Vorliegen einer Bereichstemperatur mit einem frostgefährdenden Temperaturwert. Durch eine Wärmeträgertauschvorrichtung (8) erfolgt ein Ableiten des frostgefährdeten Wärmeträgers aus dem frostgefährdeten Bereich und ein Einleiten eines frostsicheren Wärmeträgers in den frostgefährdeten Bereich. Abschließend erfolgt ein Schließen des Wärmeträger-Kreislaufs und je nach Ausführungsform der Wärmeträgertauschvorrichtung ein Weiterbetreiben des Wärmeträger-Kreislaufs mit dem frostsicheren Wärmeträger.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeträger-Kreislaufs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Wärmeträger-Kreislauf dient dazu, eine an einem ersten Ort erzeugte oder absorbierte Wärmemenge an einen anderen Ort zu transportieren, wo diese Wärmemenge abgegeben bzw. aufgenommen wird. Hierzu dient ein innerhalb des Kreislaufs umgetriebener Wärmeträger.
Typische Anwendungsgebiete für derartige Kreisläufe sind beispielsweise Solaranlagen oder Rückkühlanlagen. Durch deren Bauweise bedingt befindet sich ein Teil des Wärmeträger-Kreislaufs unter freiem Himmel und muss daher in einigen Klimazonen während der kalten Jahreszeit vor Frostschäden, insbesondere vor einem Einfrieren des Wärmeträgers, geschützt werden. Daher wird der Wärmeträger-Kreislauf mit einem frostsicheren Medium betrieben.
Frostsichere Wärmeträger weisen allerdings den Nachteil auf, dass deren Wärmekapazität im Vergleich zu Wasser als dem eigentlich am besten geeigneten Wärmeträger, vergleichsweise gering ist. Durch die geringe Wärmekapazität müssen die in dem Wärmeträger-Kreislauf vorhandenen Wärmeübertragungsflächen und damit die in dem Kreislauf befindlichen Geräte entsprechend groß ausgelegt werden, damit die Anlage eine vorgegebene Leistungsfähigkeit aufweist. Die vergleichsweise niedrige Wärmekapazität macht es erforderlich, dass der Volumenstrom des zirkulierenden frostsicheren Wärmeträgers gesteigert werden muss. Dies bringt allerdings einen steigenden Druckverlust bei allen im Kreislauf befindlichen Bauteile mit sich. Aus diesem Grund müssen Pumpen und Rohrquerschnitte entsprechend groß dimensioniert werden. Dadurch steigen die Investitionskosten und die Betriebskosten für den Wärmeträger-Kreislauf bzw. die entsprechende thermische Anlage, deren Bestandteil er bildet.
Um den Wärmeträger-Kreislauf mit Wasser zu betreiben und außerdem vor Frosteinwirkung zu schützen, ist eine manuelle Entleerung des Wärmeträger-Kreislaufs vor Beginn der Frostperiode möglich. Bei einer derartigen Vorgehensweise ist jedoch keine vollständige Entleerung des Kreislaufs sichergestellt, sodass ein Restrisiko für das Auftreten von Frostschäden besteht.
Es besteht somit die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeträger-Kreislaufs anzugeben, dessen Betrieb das ganze Jahr über, d. h. sowohl unter Frostgefährdung als auch in der warmen Jahreszeit, gesichert ist. Dabei soll ein frostgefährdeter Wärmeträger, insbesondere Wasser, zum Betreiben des Wärmeträger-Kreislaufs mit den für die Anlage verbundenen anlagentechnischen sowie wirtschaftlichen Vorteilen so lange wie möglich verwendbar sein, ohne dass es zu Frostschäden im Kreislauf kommt.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Betreiben eines Wärmeträger-Kreislaufs, enthaltend einen frostgefährdeten Wärmeträger und einen frostgefährdeten Bereich gelöst. Das Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass in Abhängigkeit einer im frostgefährdeten Bereich gemessenen Temperatur ein automatisierter Austausch zwischen einem frostgefährdeten Wärmeträger und einem frostsicheren Wärmeträger ausgeführt wird. Dabei wird bei dem Austausch der jeweils im Wärmeträger-Kreislauf befindliche Wärmeträger durch das Einströmen des jeweils anderen Wärmeträgers aus dem Wärmeträger-Kreislauf vermischungsfrei verdrängt.
Grundgedanke des Verfahrens ist es somit, zunächst die Temperatur im frostgefährdeten Bereich des Wärmeträger-Kreislaufs fortlaufend zu überwachen. In Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur wird dann der Wärmeträger im Wärmeträger-Kreislauf automatisiert ausgetauscht. Dieser Austausch erfolgt so, dass der jeweils im Wärmeträger-Kreislauf befindliche Wärmeträger durch das Einströmen des jeweils anderen Wärmeträgers aus dem Kreislauf verdrängt wird. Es wird demnach keine Mischung aus beiden Wärmeträgern erzeugt.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt: Im frostgefährdeten Bereich wird eine Bereichstemperatur kontinuierlich erfasst. Beim Vorliegen einer Bereichstemperatur mit einem frostgefährdenden Temperaturwert wird der Wärmeträger-Kreislauf geöffnet. Anschließend wird durch eine Wärmeträgertauschvorrichtung der frostgefährdete Wärmeträger aus dem frostgefährdeten Bereich verdrängt. Dies erfolgt durch das Einleiten des frostsicheren Wärmeträgers. Der Wärmeträgerkreislauf wird sodann wieder geschlossen.
Der Wärmeträger-Kreislauf wird zunächst mit dem frostgefährdeten Wärmeträger betrieben und bei laufendem Betrieb des Wärmeträger-Kreislaufs genau dann automatisiert durch einen frostsicheren Wärmeträger ersetzt, wenn dies temperaturbedingt erforderlich ist. Dies erfolgt dadurch, indem im frostgefährdeten Bereich des Wärmeträger-Kreislaufs, beispielsweise bei im Freien stehenden Anlagenkomponenten, die dort herrschende Temperatur kontinuierlich erfasst wird. Sinkt diese Temperatur auf einen Temperaturwert, der Frostgefahr signalisiert, wird der Wärmeträger-Kreislauf geöffnet. Der frostgefährdete Wärmeträger wird aus dem Kreislauf verdrängt. In Verbindung damit wird der frostsichere Wärmeträger in den Kreislauf eingespeist. Beim nun folgenden Betrieb des Wärmeträger-Kreislaufs wird der frostgefährdete durch den frostsicheren Wärmeträger ersetzt und der Wärmeträger-Kreislauf somit auf einen Betriebsmodus bei Frostbedingungen umgestellt.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens wird bei dem Verdrängen des jeweils einen Wärmeträgers durch den anderen eine Stoffdetektierung innerhalb einer Ablaufleitung ausgeführt. Dabei wird das Ableiten des frostgefährdeten Wärmeträgers beendet, sobald die Stoffdetektierung ein vollständiges Ersetzen des einen Wärmeträgers durch den anderen Wärme träger signalisiert. Dadurch wird verhindert, dass der eingeleitete Wärmeträger versehentlich in größeren Mengen in die Ablaufleitung gelangt, gleichzeitig bildet der Nachweis des eingeleiteten Wärmeträgers in der Ablaufleitung ein zuverlässiges Kriterium für einen hinreichend vollständigen Austausch der Wärmeträger im Wärmeträger-Kreislauf.
Die Stoffdetektierung erfolgt bei einer Ausführungsform in Form einer Leitfähigkeitsmessung, dabei wird ein Leitfähigkeitswert als Messgröße bestimmt. Eine derartige Messung ist hinreichend empfindlich.
Bei einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Stoffdetektierung indirekt in Form einer Füllstandsmessung und/oder einer Messung einer minimal erforderlichen Durchflussmenge. Soweit das auszutauschende Volumen des verdrängten Wärmeträgers bekannt ist, kann wegen der Inkompressibilität der meist flüssigen Wärmeträger mit großer Sicherheit angenommen werden, dass der Wärmeträger dann vollständig ausgetauscht ist, wenn ein entsprechendes Volumen abgeflossen oder in einem Reservoir gesammelt ist.
Bei einer Ausführungsform erfolgt bei einem Weiterbetreiben des Wärmeträger-Kreislaufs ein Vermischen des jeweils eingeleiteten Wärmeträgers mit einem verbliebenen Restanteil des aus dem Wärmeträger-Kreislauf verdrängten Wärmeträgers. Ein derartiger Restanteil des verdrängten Wärmeträgers kann vor allem in strömungsmechanisch ungünstigen Abschnitten des Wärmeträger-Kreislaufs verbleiben. Dieser Restanteil wird durch das Vermischen an den eingeleiteten Wärmeträger gebunden.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens wird der frostsichere Wärmeträger bei einem nicht mehr vorliegenden frostgefährdenden Temperaturwert gegen den frostgefährdeten Wärmeträger rückgetauscht. In Verbindung damit kann bei einer Ausgestaltung dieser Verfahrensvariante der frostsichere Wärmeträger aus einem Reservoir in den Wärmeträgerkreislauf eingeleitet und bei dem Rücktauschen in dem Reservoir für eine wiederholte Nutzung gesammelt werden.
Der jeweils verdrängte Wärmeträger wird bei einer weiteren Ausführungsform in einem Reservoir für eine Wiederverwendung gesammelt. Dadurch können der frostsichere und der frostgefährdete Wärmeträger in Abhängigkeit von er Temperatur und den Jahreszeiten alternierend hin- und rückgetauscht werden.
In Abhängigkeit von der Ausführungsform erfolgt das Austauschen des Wärmeträgers nur in dem frostgefährdeten Bereich, oder das Austauschen des Wärmeträgers wird im gesamten Wärmeträgerkreislauf ausgeführt.
Eine Vorrichtung zum Ausführen des genannten Verfahrens umfasst eine an den Wärmeträger-Kreislauf gekoppelte Wärmeträgertauschvorrichtung mit einer Zuführeinheit für einen frostsicheren Wärmeträger, eine Ablaufleitung für einen frostgefährdeten Wärmeträger, einen in dem frostgefährdeten Bereich angeordneten Temperaturfühler mit einer Steuereinheit zum Umsetzen eines von dem Temperaturfühler erzeugten Temperatursignals für ein Aktivieren der Zuführeinheit und zum Öffnen der Ablaufleitung.
Zweckmäßigerweise ist in der Ablaufleitung ein Stoffdetektor zum Ausgeben eines Stoppsignals an die Steuereinheit für ein Verschließen der Ablaufleitung vorgesehen. Der Stoffdetektor ist bei einer zweckmäßigen Ausführungsform als ein Leitfähigkeitsdetektor ausgebildet.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Stoffdetektor als ein indirekter Stoffdetektor in Form eines Füllstandsdetektors für ein Reservoir ausgebildet. Schließlich ist auch eine Ausführungsform des Stoffdetektors als ein indirekter Stoffdetektor in Form eines Durchflußzählers möglich.
Das Verfahren und die dafür in Anwendung kommende Vorrichtung sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es werden für gleiche bzw. gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
Es zeigt:
1 ein schematisches Hydraulikschema zum Ausführen des Verfahrens,
2 ein beispielhaftes erstes Hydraulikschema für eine Wärmeträgertauschvorrichtung
3 ein zweites Hydraulikschema für eine Wärmeträgertauschvorrichtung zum vollständigen Ersetzen des Wärmeträgers bei nicht frostgefährdenden Temperaturen,
4 die Ausführungsform aus 3 bei frostgefährdenden Temperaturen,
5 ein drittes Hydraulikschema für eine Wärmeträgertauschvorrichtung zum teilweisen Ersetzen des Wärmeträgers bei nicht frostgefährdenden Temperaturen und
6 die Ausführungsform aus 5 bei frostgefährdenden Temperaturen.
1 zeigt ein schematisches Hydraulikschema zur Verdeutlichung grundlegender Verfahrensschritte. Das Verfahren wird an einem Wärmeträger-Kreislauf 1 ausgeführt. Dieser verläuft teilweise in einem frostgefährdeten Bereich 2 und versorgt dort eine Reihe von frostgefährdeten Anlagen 2a. Dies können beispielsweise solarthermische Kollektoren, Wärmeübertrager zur Abwärmeabgabe und dergleichen andere, in einem Außenbereich installierte Komponenten sein, die während der kalten Jahreszeit Frost ausgesetzt sind. Der frostgefährdete Wärmeträger ist bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen eine innerhalb des Wärmeträger-Kreislaufs zirkulierende Wassermenge.
Ein anderer Bereich des Wärmeträger-Kreislaufs 1 wird durch einen frostsicheren Bereich 3 mit frostsicheren Anlagen 3a gebildet. Diese befinden sich in der Regel innerhalb von Gebäuden oder Behausungen oder weisen aus funktionellen Gründen eine Temperatur auf, die ein Einfrieren des im Kreislauf zirkulierenden Wärmeträgers ausschließt.
Der schematisch dargestellte Wärmeträger-Kreislauf weist eine Vorlaufleitung 5 und eine Rücklaufleitung 6 auf. Bei dem hier dargestellten Beispiel durchfließt der Wärmeträger aus dem frostfreien Bereich 3 kommend die Vorlaufleitung 5, tritt dann in die Anlagen 2a des frostgefährdeten Bereichs 2 ein und fließt von dort über die Rücklaufleitung 6 in die Anlagen 3a des frostfreien Bereichs zurück, wobei sich der Kreislauf schließt.
Eine Wärmeträgertauschvorrichtung 8 ist in den so gebildeten Wärmeträger-Kreislauf geschaltet. Diese enthält eine Zuführeinheit 9 zum Einspeisen eines frostsicheren Wärmeträgers in den Wärmeträger-Kreislauf. Die Zuführeinheit 9 besteht aus einem Reservoir 10, in dem sich eine Vorratsmenge der frostsicheren Wärmeträgers befindet. Weiterhin weist die Zuführeinheit eine Pumpe 11 auf, die den frostsicheren Wärmeträger bei Bedarf aus dem Reservoir über eine Zuführleitung 12 in die Vorlaufleitung 5 des Wärmeträger-Kreislaufs befördert.
Die Wärmeträgertauschvorrichtung 8 enthält weiterhin eine Ablaufleitung 13. Diese zweigt bei dem hier gezeigten Beispiel von der Rücklaufleitung 6 des Wärmeträger-Kreislaufs ab. Die Ablaufleitung 13 ermöglicht ein Abfließen des im Wärmeträgerkreislauf zirkulierenden Wärmeträgers.
Ein Temperatursensor 14 misst innerhalb des frostgefährdeten Bereichs 2 die dort herrschende Bereichstemperatur T und gibt diese Temperatur über hier nicht dargestellte Signalleitungen an eine Steuereinheit 15 zur weiteren Signalverarbeitung aus. In der Ablaufleitung 13 ist ein Stoffsensor 16 angeordnet. Dieser misst eine für die unterschiedlichen Wärmeträger charakteristische, sich hinreichend stark unterscheidende Messgröße. Er ist insbesondere als ein Leitfähigkeitssensor ausgebildet und misst die Leitfähigkeit des in der Ablaufleitung fließenden Wärmeträgers. Der Leitfähigkeitsmesswert bildet einen Parameter zum Ermitteln einer Stoffzusammensetzung S des Mediums innerhalb der Ablaufleitung.
Das Verfahren wird in der hier dargestellten Anlage wie folgt ausgeführt: Innerhalb des Wärmeträger-Kreislaufs 1 zirkuliert zunächst der frostgefährdete Wärmeträger. Die Bereichstemperatur T innerhalb des frostgefährdeten Bereichs und damit die Temperatur des Wärmeträgers in diesem Abschnitt des Kreislaufs, wird kontinuierlich von dem Temperatursensor 14 gemessen und von der Steuereinheit 15 überwacht.
Sobald die Bereichstemperatur unter einen bestimmten Wert fällt, bei dem mit einem Einfrieren des Wärmeträgers zu rechnen ist, wird die Ablaufleitung 13 geöffnet. Der in dem Wärmeträger-Kreislauf zirkulierende frostgefährdete Wärmeträger verlässt nun über die Ablaufleitung den Wärmeträger-Kreislauf. Zugleich wird die Pumpe 11 aktiviert. Diese befördert nun den frostsicheren Wärmeträger aus dem Reservoir 10 über die Zuführleitung 12 in die Vorlaufleitung 5 des Wärmeträger-Kreislaufs. Der frostsichere Wärmeträger verdrängt dabei den frostgefährdeten Wärmeträger aus dem Wärmeträger-Kreislauf. Durch die Zufuhr des frostsicheren Wärmeträgers erhöht sich der Druck innerhalb des Kreislaufs. Dieser erhöhte Druck presst den frostgefährdeten Wärmeträger in die Ablaufleitung.
Während des gesamten Vorgangs wird durch den Stoffsensor 16 die Stoffzusammensetzung S innerhalb der Ablaufleitung registriert. Dies geschieht wie beschrieben durch eine elektrische Leitfähigkeitsmessung, sofern sich die Leitfähigkeiten des frostgefährdeten von der des frostsicheren Wärmeträgers hinreichend deutlich unterscheiden. Alternativ kann aber auch die Messung einer anderen Stoffkonstante, beispielsweise des pH-Wertes, erfolgen. Der gemessene Leitfähigkeitswert wird fortlaufend an die Steuereinheit 15 übertragen.
Sobald die ermittelte Stoffzusammensetzung S einen zunehmenden Anteil des frostsicheren Wärmeträgers, d. h. einen sich signifikant verschiebenden Leitfähigkeits- oder pH-Wert, innerhalb der Ablaufleitung aufweist, wird die Ablaufleitung geschlossen. Gleichzeitig wird der Betrieb der Pumpe 11 angehalten. Der Wärmeträger-Kreislauf ist nun mit dem frostsicheren Wärmeträger gefüllt, wobei etwaige Restmengen des frostgefährdeten Wärmeträgers durch Vermischung mit dem frostsicheren Wärmeträger absorbiert werden.
2 zeigt ein beispielhaftes Hydraulikschema für eine Wärmeträgertauschvorrichtung in einer detaillierteren Ausführungsform. Die hier dargestellte Wärmeträgertauschvorrichtung erlaubt eine Rückgewinnung des frostsicheren Wärmeträgers. Die Vorrichtung ist insbesondere für Wasser als dem frostgefährdeten Wärmeträger und Glykol als dem frostsicheren Wärmeträger geeignet.
Der Aufbau dieser Ausführungsform orientiert sich an dem prinzipiellen Grundaufbau aus 1. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind zusätzliche Leitungen und Ventile vorgesehen. Wie bei dem vorhergehend beschriebenen Prinzipaufbau weist der Wärmeträger-Kreislauf 1 den frostgefährdeten Bereich 2 und den frostsicheren Bereich 3 auf. Ebenso ist die Vorlaufleitung 5 und die Rücklaufleitung 6 vorhanden. Die Wärmeträgertauschvorrichtung 8 enthält ebenso die Zuführeinheit 9, die das Reservoir 10 und die Pumpe 11 in Verbindung mit der Zuführleitung 12 umfasst.
Von der Rücklaufleitung 6 des Wärmeträger-Kreislaufs zweigt auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Ablaufleitung 13 ab. Im frostgefährdeten Bereich befindet sich in der Rücklaufleitung 6 der Temperatursensor 14, der bei diesem Beispiel als ein Thermostat ausgebildet ist. Der Stoffsensor 16 befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel ebenso innerhalb der Rücklaufleitung 6.
Zur Steuerung des Flusses der beiden Wärmeträger sind eine Reihe von Ventilen vorgesehen, die durch Steuerimpulse der Steuereinheit geschaltet werden. Hierfür kommen insbesondere Magnetventile in Betracht.
Ein erstes Ventil 20 steuert den Fluss des Wärmeträgers innerhalb der Vorlaufleitung 5. Ein zweites Ventil 21 steuert den Fluss des Wärmeträgers in der Rücklaufleitung 6. Für einen Zulauf des frostgefährdeten Wärmeträgers in den Wärmeträger-Kreislauf ist eine Zulaufleitung 22 vorgesehen. Diese mündet in die Vorlaufleitung 5 ein. Der Fluss innerhalb der Zulaufleitung 22 wird durch ein drittes Ventil 23 und einen Druckschalter 24 reguliert.
Der Fluss des frostsicheren Wärmeträgers innerhalb der Zuführleitung 12 wird durch ein viertes Ventil 25 reguliert. Für die Rückgewinnung des frostsicheren Wärmeträgers ist eine Rückführleitung 26 vorgesehen. Diese zweigt von der Rücklaufleitung 6 des Wärmeträger-Kreislaufs ab und mündet in das Reservoir 10. Der Fluss innerhalb dieser Leitung 26 wird durch ein fünftes Ventil 27 reguliert. Schließlich wird der Fluss in der bereits erwähnten Ablaufleitung 13 durch ein sechstes Ventil 28 reguliert. Zur Kontrolle des Füllstandes im Reservoir ist ein Füllstandssensor 16a vorgesehen. Der Füllstandssensor signalisiert die genaue Rückführmenge. Eine Überlaufleitung 29 schützt im Notfall das Reservoir vor einer Beschädigung und gewährleistet eine sichere Ableitung einer anfallenden Übermenge.
Aus Sicherheitsgründen befindet sich zwischen der Zuführleitung 12 und der Rückführleitung 26 ein Überströmventil 30. In jeder der Leitungen 5 und 6 ist darüber hinaus ein Automatikentlüfter 31 vorhanden.
Nachfolgend soll zunächst beispielhaft die Befüllung der gezeigten Anordnung mit dem frostsicheren Wärmeträger beschrieben werden. Bei der nachfolgenden Beschreibung wird Wasser als frostgefährdeter Wärmeträger und Glykol als frostsicherer Wärmeträger angenommen.
Die Befüllung des Wärmeträger-Kreislaufs mit Glykol beginnt, wenn am Temperatursensor eine Temperatur T₀ registriert wird, die eine unmittelbar vorliegende Frostgefahr für das aktuell innerhalb des Kreislaufs zirkulierende Wasser signalisiert. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel beginnt der Befüllvorgang in einem ersten Schritt mit einem Funktionstest der Pumpe 11. Sofern dieser Test positiv ausfällt und die Betriebsbereitschaft der Pumpe bestätigt wird, wird der Befüllvorgang fortgesetzt. Anderenfalls wird ein Alarmsignal ausgegeben. Der Funktionstest kann auch unabhängig von einem Wärmeträgertausch ausgeführt werden.
In einem nächsten Schritt wird der Wärmeträger-Kreislauf stillgelegt und es wird ein Druckausgleich mit der Umgebung herbeigeführt. Hierzu werden die in den Leitungen 5 und 6 angeordneten Ventile 20 und 21 geschlossen, während das in der Ablaufleitung 13 angeordnete Ventil 28 geöffnet wird.
Gleichzeitig oder im unmittelbaren Anschluss daran erfolgt ein Druckaufbau innerhalb der Zuführleitung 12. Hierfür wird die Pumpe 11 in Betrieb genommen, während das Ventil 25 zeitverzögert geöffnet wird. Das in dem Reservoir befindliche Glykol wird nun in die Vorlaufleitung 5 gepresst und dringt in die im frostgefährdeten Bereich 2 gelegenen Komponenten 2a des Wärmeträger-Kreislaufs ein. Dabei wird von der Vorlaufleitung beginnend das momentan noch im Wärmeträger-Kreislauf befindliche Wasser verdrängt und verlässt den Wärmeträger-Kreislauf über das offene Ventil 28 bzw. die Ablaufleitung 13.
Eine Vermischung des frostsicheren und des frostgefährdeten Wärmeträgers wird dabei durch den hydrodynamischen Effekt der Pfropfenströmung verhindert. Bei diesem in erster Näherung hier vorliegenden, nicht bzw. niedrig turbulenten Strömungszustand haben alle in den Rohrleitungen strömenden inkompressiblen Volumenelemente die gleiche Verweildauer und die gleiche Strömungsgeschwindigkeit. Beide Flüssigkeitskomponenten, d. h. beide während des Austauschvorganges innerhalb des Wärmeträger-Kreislaufs vorhandene Wärmeträger, durchströmen unter dieser Bedingung das Rohr so, als wären deren Volumenelemente eine Aneinanderreihung leicht durch das Rohr gleitender, sich gegenseitig nicht vermischender Pfropfen. Unter diesen Bedingungen kann eine Durchmischung beider Komponenten im wesentlichen nur durch Diffusion innerhalb einer kleinen, im wesentlichen vernachlässigbaren Grenzschicht zwischen den beiden Wärmeträgern erfolgen. Das bedeutet, dass der jeweils eingeleitete Wärmeträger durch den Einleitevorgang den aktuell im Kreislauf befindlichen Wärmeträger austreibt.
Der jeweils verdrängte Wärmeträger kann daher gesammelt und wiederverwendet werden. Dies gilt vor allem für den nicht frostgefährdeten Wärmeträger, insbesondere das Glykol, der aus seinem Reservoir in den Wärmeträgerkreislauf gedrückt bzw. aus diesem wieder abgeleitet und im Reservoir gesammelt werden kann.
Während dieses Austreibevorgangs wird die Zusammensetzung des strömenden Fluids durch den Stoffsensor 16 in der Rücklaufleitung 6 registriert. Für den Betrieb des Stoffsensors können eine Vielzahl von Messtechniken eingesetzt werden, mit denen sich unterschiedliche physikalische Eigenschaften der Flüssigkeiten detektieren lassen. Dabei können insbesondere pH-Wert-Detektoren, vor allem aber Leitfähigkeitsdetektoren eingesetzt werden. Bei dem hier gezeigten Beispiel wird von einem Stoffsensor ausgegangen, der auf dem Prinzip der Leitfähigkeitsmessung beruht. Ein Wechsel des an dem Sensor vorbei strömenden Fluids wird unter dabei als ein markanter Sprung in der zeitlichen Entwicklung der gemessenen Leitfähigkeit registriert.
Eine einfache Möglichkeit zur indirekten Stoffdetektierung bietet der Füllstandssensor 16a im Reservoir 10 oder ein Durchflusszähler an einer zweckmäßigen Stelle, beispielsweise in der Rückführleitung 26. Da sich die einzelnen Wärmeträger nicht miteinander mischen und sich gegenseitig verdrängen, kann mit einer hinreichenden Genauigkeit davon ausgegangen werden, dass der Wärmeträger genau dann innerhalb des Wärmeträgerkreislaufes oder eines entsprechenden Abschnitte vollständig ausgetauscht worden ist, wenn eine entsprechende Menge des verdrängten Wärmeträgers den Kreislauf verlassen hat. Diese Menge lässt sich durch entsprechend geeichte Füllstandssensoren bzw. Durchflusszähler registrieren. Sobald der Füllstandssensor einen Füllstand des entsprechenden Wärmeträgers im Reservoir registriert, der dem Gesamtvolumen des Wärmeträgerkreislaufs entspricht, wird dadurch ein vollständiger Austausch des Wärmeträgers signalisiert.
Die Anwendung des Durchflusszählers empfiehlt sich dann, wenn der verdrängte Wärmeträger nicht gesammelt wird. Die Anwendung des Füllstandssensors ist vorteilhaft, wenn der verdrängte Wärmeträger in einem Reservoir aufgefangen wird.
Sobald die Rücklaufleitung mit einer signifikanten Menge des eingespeisten Glykols gefüllt ist, wird das Ventil 28 geschlossen. Durch die Positionen des Stoffsensors 16 und der Ablaufleitung 13 ist gesichert, dass zwischen der Detektierung des am Sensor ankommenden Glykols und dem Schließen des Ventils 28 genug Zeit verbleibt, um einen Übertritt des Glykols in die Ablaufleitung 13 zu vermeiden.
Nun wird das Ventil 27 innerhalb der Rückführleitung 26 geöffnet. Das in den Wärmeträger-Kreislauf eingespeiste Glykol gelangt nun über die Rückführleitung zurück in das Reservoir 10. Der Ventilzustand mit geschlossenen Ventilen 20, 21 und 28 und den offenen Ventilen 25 und 27 bedingt dabei einen Kreislauf, der von dem Reservoir 10 über die Pumpe 11, die Zuführleitung 12, die Vorlaufleitung 5, die Anlagenkomponenten 2a, die Rücklaufleitung 6 und die Rückführleitung 26 wieder zum Reservoir zurück führt. Dieser Kreislauf wird nun für eine gewisse Zeitdauer betrieben. Dabei werden möglicherweise verbliebene Reste des Wassers aus strömungsdynamisch schwerer zugänglichen Teilen des Wärmeträger-Kreislaufs ausgespült und der Wärmeträger-Kreislauf mit einer zunehmenden Glykolkonzentration angereichert.
Anschließend werden die Ventile 25 und 27 geschlossen. Die Pumpe wird angehalten. Es erfolgt zweckmäßigerweise eine Meldung über den so erreichten Endzustand in Form eines von der Steuereinheit 15 ausgegebenen Licht- und/oder Tonsignals.
Der frostsichere Wärmeträger, in diesem Beispiel das Glykol, kann nach Ende der frostgefährdenden Temperaturperiode wieder aus dem Wärmeträger-Kreislauf entzogen und zurückgewonnen werden. Der Rückgewinnungsprozess kann sowohl manuell ausgelöst, als auch automatisch gestartet werden, sobald der Temperatursensor 14 eine hinreichend hohe Temperatur erfasst und an die Steuereinheit 15 übermittelt.
Der Rückgewinnungsprozess des Glykols beginnt mit einem öffnen der Ventile 23 und 27. Über die nun geöffnete Zulaufleitung 22 wird der frostgefährdete Wärmeträger, in diesem Beispiel Wasser, in die Vorlaufleitung 5 gedrückt. Der dabei verdrängte frostsichere Wärmeträger, in diesem Beispiel das Glykol, verlässt durch die Rücklaufleitung 6 und die offene Rückführleitung 26 den Wärmeträger-Kreislauf und gelangt wieder zurück in das Reservoir 10.
Während dieses Vorgangs wird die aktuelle Menge des frostsicheren Wärmeträgers des Reservoirs fortlaufend durch den Füllstandssensor 16a im Reservoir überwacht. Signalisiert der Füllstandssensor, dass sich die Gesamtmenge des frostsicheren Wärmeträgers im Reservoir befindet, so wird das Ventil 27 geschlossen und das Ventil 28 geöffnet. Bei dem nun einsetzenden Spülvorgang wird kontinuierlich Wasser über die Zulaufleitung 22 durch das geöffnete Ventil 23 in den Wärmeträger-Kreislauf eingeleitet. Das Wasser gelangt in die Vorlaufleitung 5, die Komponenten 2a, die Rücklaufleitung 6 und verlässt den Wärmeträger-Kreislauf durch das geöffnete Ventil 28 über die Ablaufleitung 13. Dieser Betriebszustand des Wärmeträger-Kreislaufs wird über eine zweckmäßige Zeitdauer beibehalten. Unter Umständen können dabei auch die Ventile 20 und 21 geöffnet werden, um alle Bereiche des Kreislaufs zu durchspülen.
Anschließend wird das Ventil 28 geschlossen, wobei das Ventil 23 und damit die Zulaufleitung 22 geöffnet bleibt. Dadurch steigt der Druck innerhalb des Wärmeträger-Kreislaufs an. Dabei misst der Druckschalter 24 den innerhalb der Zulaufleitung 22 herrschenden Druck. Beim Erreichen eines voreingestellten Arbeitsdrucks innerhalb des Kreislaufs aktiviert der Druckschalter das Ventil 23 und schließt es. Sofern die Ventile 20 und 21 geschlossen gewesen sind, werden diese jetzt wieder geöffnet. Damit ist der Wärmeträger-Kreislauf wieder auf den Betrieb mit dem frostgefährdeten Wärmeträger, d. h. in diesem Falle mit Wasser, umgestellt. Die Steuereinheit gibt bei Erreichen dieses Zustandes zweckmäßigerweise ein akustisches bzw. optisches Signal aus.
Zweckmäßigerweise können über die Steuereinheit nicht nur die erwähnten Prozesse zum Wärmeträgeraustausch, sondern auch Wartungsvorgänge initiiert werden. Dies betrifft insbesondere eine Intervallwartung für die in der Wärmeträgertauschvorrichtung enthaltenen und vorhergehend erläuterten Ventile, die Pumpe 11 sowie die in dem Wärmeträgerkreislauf enthaltenen Sensoren. Außerdem können die üblichen Befüll- und Entleervorgänge unter Ansprechen der Ventile 23 und 28 ausgeführt werden, um eine gleichbleibende Qualität des in dem Wärmeträger-Kreislaufs zirkulierenden Wärmeträgers sicher zu stellen.
Die 3 und 4 zeigen ein Hydraulikschema für eine Wärmeträgertauschvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Wärmeträgertauschvorrichtung 8 ausschließlich an die Rücklaufleitung 6 gekoppelt. Das bedeutet, dass der Wärmeträger innerhalb der gesamten Anlage getauscht wird. Dabei wird der frostsichere Wärmeträger zunächst in die frostsicheren Anlagen 3a eingespeist und gelangt von dort über die Vorlaufleitung 5 in die frostgefährdeten Anlagen 2a. Eine derartige Ausführungsform erlaubt es, nach dem Wärmeträgeraustausch den Wärmeträgerkreislauf mit dem frostsicheren Wärmeträger weiter zu betreiben.
Bei dem in 3 gezeigten Normalzustand ist das in der Rücklaufleitung 6 angeordnete Ventil 21 auf Durchlass geschaltet. Die Zuführeinheit 9 ist deaktiviert und deren Reservoir 10 ist mit einem Vorrat an frostsicherem Wärmeträger aufgefüllt. Bei einer von dem Temperatursensor 14 registrierten Temperatur im frostgefährdenden Bereich wird das Ventil 21 in der Rücklaufleitung geschlossen. Gleichzeitig wird das Ventil 23 in der Zulaufleitung 22 abgesperrt und das Ventil 28 in der Ablaufleitung 13 geöffnet.
Es erfolgt sodann ein Druckaufbau in der Zuführleitung 12. Dabei wird die Pumpe 11 aktiviert, wobei das Ventil 25 zunächst noch geschlossen ist. Ein Überströmventil 30 zwischen der Zuführleitung 12 und der Rückführleitung 26 sichert dabei ein Rückströmen des frostsicheren Wärmeträgers in das Reservoir 10, sofern der aufgebaute Druck in der Zuführleitung 12 einen zu großen Wert annimmt.
Nach einer zweckmäßig gewählten Zeit wird nun das Ventil 25 in der Zuführleitung 12 geöffnet. Der frostsichere Wärmeträger schießt nun unter Druck in die Rücklaufleitung 6 ein und gelangt in die im frostsicheren Bereich des Wärmeträgerkreislaufs gelegenen Anlagen 3a. Dort wird der frostgefährdete Wärmeträger verdrängt. Der frostsichere Wärmeträger gelangt sodann über die Vorlaufleitung in die frostgefährdeten Anlagen 2a des Wärmeträgerkreislaufs.
Dort spült der frostsichere Wärmeträger den frostgefährdeten Wärmeträger aus. Dieser gelangt über die Rücklaufleitung 6 auf das geschlossene Ventil 21. Der frostgefährdete Wärmeträger wird schließlich über die Ablaufleitung 13 durch das geöffnete Ventil 28 aus dem Wärmeträgerkreislauf verdrängt.
Während des Austreibevorgangs wird die Zusammensetzung des in der Rücklaufleitung 6 befindlichen Wärmeträgers durch den in der Rücklaufleitung angeordneten Stoffsensor 14 überwacht. Sobald dieser signalisiert, dass sich in der Rücklaufleitung im wesentlichen nur der frostsichere Wärmeträger befindet, wird das Ventil 28 in der Ablaufleitung 13 geschlossen. Das Ventil 21 wird wieder geöffnet. Das Ventil 25 wird geschlossen und die Pumpe 11 deaktiviert.
Der sich dabei einstellende Endzustand ist in 4 gezeigt. Der in dem Reservoir 10 vorher befindliche frostsichere Wärmeträger befindet sich nun innerhalb des Wärmeträgerkreislaufs. Der Wärmeträgerkreislauf kann nun mit dem frostsicheren Wärmeträger weiter betrieben werden.
Eine Rückgewinnung des frostsicheren Wärmeträgers kann bei diesem Ausführungsbeispiel in einer sehr einfachen Weise erfolgen. Dabei wird das Ventil 21 geschlossen, während das Ventil 23 in der Zulaufleitung 22 und das Ventil 27 in der Rückführleitung 26 geöffnet werden. Unter Druck wird nun über die Zulaufleitung 22 der frostgefährdete Wärmeträger in die Rücklaufleitung gepresst. Er verdrängt dabei den frostsicheren Wärmeträger aus dem Anlagenabschnitt 3a, aus der Vorlaufleitung 5 und den Anlagen 2a. Der verdrängte frostsichere Wärmeträger gelangt dann über die Rückführleitung 26 zurück in das Reservoir 10. Der dort angebrachte Füllstandssensor 16a registriert, wenn sich die Gesamtmenge des frostsicheren Wärmeträgers wieder im Reservoir befindet und verhindert ein Überfüllen des Reservoirs.
Die 5 und 6 zeigen beispielhafte Betriebszustände einer Wärmeträgertauschvorrichtung, bei der ausschließlich die Anlagen 2a innerhalb des frostgefährdeten Abschnittes des Wärmeträgerkreislaufes mit dem frostsicheren Wärmeträger befüllt werden. Die in den 5 und 6 gezeigte Vorrichtung entspricht im wesentlichen der Vorrichtung aus 2. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Vorrichtung ist jedoch innerhalb des Reservoirs 10 der Füllstandssensor 16a angeordnet.
Bei der Beschickung des Wärmeträgerkreislaufs gemäß der Darstellung in 5 werden zu Beginn des Austauschvorgangs die in der Vorlaufleitung 5 und der Rücklaufleitung 6 gelegenen Ventile 20 bzw. 21 geschlossen. Sodann wird über die Zuführleitung 12 und das darin geöffnete Ventil 25 durch die eingeschaltete Pumpe 11 der frostsichere Wärmeträger aus dem Reservoir 10 in die Vorlaufleitung 5 gedrückt. Der frostsichere Wärmeträger gelangt dadurch in die Anlage 2a im frostgefährdeten Bereich. Er verdrängt dabei den frostgefährdeten Wärmeträger. Dieser verlässt den Wärmeträgerkreislauf aus der Rücklaufleitung 6 über die Ablaufleitung 13 mit dem geöffneten Ventil 28. Das Ventil 28 wird geschlossen, sobald der Stoffsensor 16 innerhalb der Rücklaufleitung signalisiert, dass der frostsichere Wärmeträger die Rücklaufleitung gefüllt hat.
Der dabei erreichte Endzustand ist in 6 dargestellt. Der Wärmeträgerkreislauf ist nach Beendigung des beschriebenen Wärmeträgeraustausches stillgelegt und im frostgefährdeten Bereich vor einem Einfrieren geschützt. Eine Rückgewinnung des frostsicheren Wärmeträgers entsprechend den zu 2 bereits erfolgten Angaben ausgeführt. Dabei registriert der Füllstandssensor 16a den Füllstand im Reservoir und verhindert ein Überfüllen durch einen rechtzeitigen Abbruch der Rückgewinnung.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die damit verbundene Vorrichtung wurden beispielhaft erläutert. Es sind im Rahmen fachmännischen Handelns weitere Abänderungen an den gezeigten Ausführungsbeispielen möglich. Weitere Ausführungsformen ergeben sich auch aus den Unteransprüchen.

1: Wärmeträger-Kreislauf
2: frostgefährdeter Bereich
2a: frostgefährdete Anlagen
3: frostsicherer Bereich
3a: frostsichere Anlagen
5: Vorlaufleitung
6: Rücklaufleitung
8: Wärmeträgertauschvorrichtung
9: Zuführeinheit
10: Reservoir
11: Pumpe
12: Zuführleitung
13: Ablaufleitung
14: Temperatursensor
15: Steuereinheit
16: Stoffsensor
16a: Füllstandssensor
20: erstes Ventil in Vorlaufleitung
21: zweites Ventil in Rücklaufeitung
22: Zulaufleitung
23: drittes Ventil in Zulaufleitung
24: Druckschalter
25: viertes Ventil in Zuführleitung
26: Rückführleitung
27: fünftes Ventil in Rückführleitung
28: sechstes Ventil in Ablaufleitung
29: Überlaufleitung
30: Überströmventil
31: Automatikentlüfter

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Wärmeträger-Kreislaufs (1), enthaltend einen Wärmeträger und einen frostgefährdeten Bereich (2), dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer im frostgefährdeten Bereich gemessenen Temperatur ein automatisierter Austausch zwischen einem frostgefährdeten Wärmeträger und einem frostsicheren Wärmeträger ausgeführt wird, wobei bei dem Austausch der jeweils im Wärmeträger-Kreislauf befindliche Wärmeträger durch das Einströmen des jeweils anderen Wärmeträgers aus dem Wärmeträger-Kreislauf vermischungsfrei verdrängt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch durch folgende Verfahrensschritte: – kontinuierliches Erfassen einer Bereichstemperatur (T) im frostgefährdeten Bereich, – Öffnen des Wärmeträger-Kreislaufs beim Vorliegen einer Bereichstemperatur mit einem frostgefährdenden Temperaturwert, – Verdrängen des frostgefährdeten Wärmeträgers aus dem frostgefährdeten Bereich durch ein Einleiten eines frostsicheren Wärmeträgers mindestens in den frostgefährdeten Bereich durch eine an den Wärmeträger-Kreislauf angeschlossene Wärmeträgertauschvorrichtung (8), – Schließen des Wärmeträger-Kreislaufs.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verdrängen eine Stoffdetektierung (S) erfolgt, wobei das Verdrängen beendet wird, sobald die Stoffdetektierung ein vollständiges Ersetzen des verdrängten Wärmeträgers durch den eingeleiteten Wärmeträger signalisiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffdetektierung in Form einer Leitfähigkeitsmessung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffdetektierung indirekt in Form einer Füllstandsmessung und/oder einer Messung einer Durchflussmenge erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Weiterbetreiben des Wärmeträger-Kreislaufs ein Vermischen des jeweils eingeleiteten Wärmeträgers mit einem verbliebenen Restanteil des aus dem Wärmeträger-Kreislauf verdrängten Wärmeträgers erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der frostsichere Wärmeträger bei einem nicht mehr vorliegenden frostgefährdenden Temperaturwert gegen den frostgefährdeten Wärmeträger rückgetauscht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils verdrängte Wärmeträger in einem Reservoir für eine Wiederverwendung gesammelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Austauschen des Wärmeträgers nur in dem frostgefährdeten Bereich erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Austauschen des Wärmeträgers im gesamten Wärmeträgerkreislauf ausgeführt wird.
Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine an den Wärmeträger-Kreislauf gekoppelte Wärmeträgertauschvorrichtung (8) mit einer Zuführeinheit (9) zum Einleiten des frostsicheren Wärmeträgers, einer Ablaufleitung (13) zum Ableiten des frostgefährdeten Wärmeträgers, einen in dem frostgefährdeten Bereich angeordneten Temperaturfühler (14) mit einer Steuereinheit (15) zum Umsetzen eines von dem Temperaturfühler erzeugten Temperatursignals für ein Aktivieren der Zuführeinheit und zum Öffnen der Ablaufleitung.
Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen in der Ablaufleitung angeordneten Stoffdetektor (16) zum Ausgeben eines Stoppsignals an die Steuereinheit (15) für ein Verschließen der Ablaufleitung.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffdetektor (16) als ein Leitfähigkeitsdetektor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffdetektor als ein indirekter Stoffdetektor in Form eines Füllstandsdetektors für ein Reservoir (10) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffdetektor als ein indirekter Stoffdetektor in Form eines Durchflusszählers ausgebildet ist.