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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung für eine
Weichenheizung, bei dem die Leistung eines an einem Weichenteil,
wie Backenschiene oder Zunge, angeordneten Heizelementes der Weichenheizung
in Anpassung an unterschiedliche Umfeldbedingungen entsprechend
eingestellt wird.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Regelung für eine Weichenheizung,
die ein mit dem Weichenteil verbundenes Heizelement aufweist, mit
einer Temperaturmesseinrichtung an einen Weichenteil und einen den
Leistungseintrag in das Heizungelement steuernden Stelleinrichtung.
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Zur
Vermeidung des Einfrierens sind Weichen mit Heizungen versehen.
Dabei werden entweder an der Backenschiene der Weiche oder – in
selteneren Fällen – an der Zunge elektrische Heizelemente
befestigt, die sich in Längsausdehnung der Zunge oder der
Backenschiene erstrecken. Es sind aber auch andere Heizungen, z.
B. mit Gas, Heißluft oder Warmwasser bekannt.
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In
der
DE 2 215 554 A1 wird
eine Weichenheizung mit zwei Heizkörpern an der Backenschiene beschrieben,
bei der ein Temperaturfühler in der Mitte der beiden Heizkörper
an der Backenschiene angeordnet ist, mittels dem ein Stellglied
für den Heizstrom gesteuert wird. Hierdurch soll eine Energieeinsparung
gegenüber der einfachen Ein-/Aussteuerung er reicht werden.
Bei einer derartigen Regelung machen sich jedoch die relativ langen
Totzeiten an Schienenheizungen, u. a. bedingt durch die große Wärmekapazität
der Schienen, bemerkbar, so dass solcherlei Regelungen sehr stark
zum Überschwingen neigen, womit eine überproportionaler
Energie zufuhr verbunden ist. Außerdem wird besonderen Witterungsbedingungen,
wie starker Schneefall, Flugschnee oder Eisabfall von Zügen
durch Wärme- und Energieüberschuss und gegebenenfalls
durch zusätzliche Sensoren, die nur digital dies Ereignisse feststellen
können, begegnet. Dafür wird in vorhandenen Regelungen
mehr Energie eingesetzt, als es für das Abtauen eigentlich
nötig wäre.
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Mit
der
DE 198 32 535
C2 und der
DE
298 13 001 U1 ist ein Regelungssystem beschrieben, mit dem
neben der Weichentemperatur auch Umwelteinflüsse, wie die
Lufttemperatur, der Niederschlag, und die Luftfeuchtigkeit, die über
entsprechende Sensoren gemessen werden, berücksichtigt
werden. Ein Niederschlagssensor ist beispielsweise in der
DE 101 50 078 A1 beschrieben.
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Bei
allen Lösungen, die geeignet sind, Umwelteinflüsse
zu berücksichtigen, ist festzustellen, dass die Umweltbedingungen
einerseits nur in der Nähe einer Weiche ermittelt werden
und dann die Auswirkung auf die einzubringende Heizungsenergie durch
eine Hochrechnung ermittelt wird. Damit sind derartige Lösungen
im Eigentlichen keine Heizungsregelungen sondern eher Heizungssteuerungen,
die den echten Energiebedarf der Weiche nicht berücksichtigen.
Entweder wird daher eine Energieeffizienz nicht vollständig
erreicht.
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Bei
reinen Ein-Ausschaltregelungen sind sehr lange Einschaltzeiten im
Bereich von mehreren Stunden keine Seltenheit, und das bei einer
Weichenheizungsleistung in der Größenordnung von
10 KW.
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Mit
der
EP 1 262 597 A2 ist
eine Weichenheizung der eingangs genannten Art bekannt, bei der der
Wärmeeintrag in die Backenschiene im Gegensatz zu üblichen
elektrischen Heizungen über ein flüssiges Heizmedium
ermöglicht werden soll.
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Dabei
weist ein Formelement in einer Ausführungsform zwei Wärmekanäle
auf, die im Bereich des Schienenkopfes und im Bereich des Schienenfußes
liegen. Der Abstand zwischen beiden Kanälen wird entweder
darüber eingehalten, dass sie direkt in diesen Bereichen
befestigt, beispielsweise eingeklebt, werden oder dass zwischen
ihnen ein Abstandshalter vorgesehen ist, der auch eine Befestigung über
die Schienenbolzen ermöglicht.
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Zum
einen ist offenbart, dass die Anordnung der Wärmekanäle
auf der Innenseite der Backenschienen, also der Seite, die der jeweiligen
Weichenzunge zugewandt ist, erfolgt. Das erscheint praktisch nicht
durchführbar, da hier einerseits die Montagemöglichkeiten
beschränkt sind und andererseits auch der Zwischenraum
zwischen der Weichenzunge und der Backenschiene eingeschränkt
ist.
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Zum
anderen erfolgt ein Wärmeeintrag in die Schiene nur im
Bereich der Wärmekanäle. Der Abstandshalter, wenn
von dieser Lösung in der
EP 1 262 597 A2 ausgegangen wird, weist keine
oder nur vernachlässigbare Wärmeleiteigenschaften
auf. Er ist auch nicht zur Wärmeleitung konzipiert. Um
nun die erforderliche Leistung, die pro Weiche einige kW betragen
kann, auf diese Weise in die Backenschiene einzubringen, bedarf
es einer hohen Vorlauftemperatur des flüssigen Wärmemediums
dies steht im Widerspruch zum geothermischen Einsatz, wo das Bestreben
nach möglichst niedriger Vorlauftemperatur besteht. Diese
Heizung ist für den Einsatz von Geothermie vorgesehen.
Es ist dabei davon auszugehen, dass Geothermieanlagen bis zu einer
Vorlauftemperatur von 40°C effizient arbeiten, d. h. dass
bis zu dieser Temperatur der Elektroenergieeinsatz deutlich geringer
ist, als die gewonnene Wärmeenergie. Darüber hinausgehende
Vorlauftemperaturen verschlechtern die Energieeffizienz exponentiell.
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Auch
wird mit dem Abstandshalter in der offenbarten Form nur unzureichend
eine Spannkraft auf die Verbindung der Wärmekanäle
zu der Backenschiene erreicht, die den Wärmeübergangswiderstand
dazwischen vergrößern, was auch gegen den Einsatz
einer niedrigen Vorlauftemperatur spricht. Jedenfalls erfolgt die
Wärmeübertragung nicht so definiert und reproduzierbar,
dass damit eine Optimierung der Heizleistung erfolgen kann.
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Durch
die bei der geothermischen Wärmeerzeugungseinrichtung hohe
erforderliche Vorlauftemperatur kann nur eine geringe Energieeffizienz
erreicht werden. Der Vorteil der Wärmeenergiegewinnung
aus der Erdwärme geht durch die für den Energieeintrag
erforderliche hohe Vorlauftemperatur zumindest teilweise wieder
verloren. Auch erhöht sich der infolge von Wärmestrahlung
auftretende Anteil des Wärmeverlustes bei höheren
Vorlauftemperaturen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die die Energieeffizienz
von Weichenheizungen zumindest unter Beibehaltung der Funktionssicherheit zu
verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß verfahrensseitig
dadurch gelöst, dass die Wärmeleistung von dem
Heizelement in das Weichenteil über eine über
die Längserstreckung des Heizelementes gleichmäßige
Wärmeleitung definiert und reproduzierbar eingebracht wird
und dass signifikante Parameter eines sich bei dem Weichenteil,
an dem das Heizelement angeordnet ist, einstellenden Temperaturprofils
ermittelt werden. Mit diesen Parametern wird die dem Heizelement
bereitgestellte Leistung Pmod eingestellt.
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Da
das Temperaturprofil genau die Einflüsse der Umgebungsfaktoren
auf die Weiche wiedergibt, kann mit den so ermittelten Parameter
exakt der für die Funktionstüchtigkeit der Heizung
erforderliche Wärmebedarf ermittelt werden. Eine Bedingung
für die Durchführung des Verfahrens ist es dabei,
dass ein definierter und reproduzierbarer Wärmeübergang zwischen
dem Heizelement und dem Weichenteil hergestellt ist. Die Bereitstellung
der erforderlichen Heizleistung geschieht dann mit den ganz konkreten Parametern,
wodurch eine hohe Genauigkeit der Regelung erreicht wird.
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Das
definierte und reproduzierbare Einbringen der Wärmeleistung
kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass die Wärmeleistung über
ein mit dem Weichenteil wärmeleitend verbundenes Formelement
erfolgt. Da dadurch der Wärmeübergang vollflächig
und sicher erfolgt, kann eine an sich redundante Erhöhung
der Heizleistung, die bisher zum sicheren Beheizen erforderlich
ist, entfallen, wodurch einerseits bereits eine Verringerung der
Heizleistung bewirkt und andererseits damit die erfindungsgemäße
Regelung ermöglicht wird.
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Die
Regelung kann sowohl wirksam werden, wenn die Wärmeleistung
aus einem fludidem Heizmedium als auch aus einer elektrischen Leistung
bereitgestellt wird.
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In
einer Form des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
vorgesehen, dass die einzubringende Leistung Pmod in
Abhängigkeit eines räumlichen und/oder zeitlichen
Gradienten der Temperatur von dem Heizelement zu dem Weichenteil
aus einer Vielzahl von gespeicherten Witterungs- und Wärmebedarfszuständen,
die Werten der Gradienten entsprechen und Parameter für
die einzustellende Leistung enthalten, eingestellt wird. Als Parameter
für die Darstellung des Temperaturprofils werden also die
Gradienten eingesetzt.
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Insbesondere
ein räumlicher Gradient kann dadurch ermittelt werden,
dass die einzubringende Leistung Pmod in
Abhängigkeit einer Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten
in unterschiedlicher Entfernung zu dem Heizelement eingestellt wird.
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Dieser
räumliche Abstand erlaubt die Ermittlung eines räum lichen
Gradienten. Selbstverständlich ist es hier aber auch möglich,
den Zeitverlauf der Temperatur an dem Sensor festzustellen, um somit einen
zeitlichen Gradienten berechnen zu können.
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Ein
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht
vor, dass die einzubringende Leistung Pmod in
Abhängigkeit der sich nach einer Zeitdifferenz nach einer Änderung
in der Einstellung der in das Heizelement eingebrachten Leistung
einstellenden Temperaturdifferenz eingestellt wird. Durch die Einhaltung
der Zeitdifferenz oder des genauen Meßzeitpunktes wird
die Temperaturdifferenz in sehr einfacher Art und Weise zu einem
Ausdruck für das Temperaturprofil. Als Zeitpunkt kann hier
beispielsweise ein Punkt im eingeschwungenen Zustand, d. h. dem Zustand
geringster zeitlicher Veränderungen, gewählt werden.
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Die
Genauigkeit der Leistungseinstellung kann dadurch erhöht
werden, dass die einzubringende Leistung Pmod zusätzlich
in Abhängigkeit von der Temperatur TA der
Umgebung des Weichenteils eingestellt wird.
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Die
einfachste Form der Realisierung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist darin zu sehen, dass eine Temperatur T1 an
einem ersten Temperatursensor (6), der sich in einem ersten
Abstand (7) zu dem Heizelement (2) befindet, gemessen
wird, aus dieser ersten Temperatur T1 und einer Temperatur TH des Heizelements (2) eine Temperaturdifferenz ΔT ermittelt
und die Leistung Pmod des Heizelementes
(2) eingestellt wird. Da die eingestellte Leistung an dem Heizelement
(2) bekannt ist, ist auch dessen Temperatur TH bekannt.
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Damit
ist nur ein Temperatursensor erforderlich. Hier geht man davon aus,
dass sich bei einer bestimmten Größe einer bereitgestellten
Leistung an dem Heizelement eine bestimmte Temperatur TH einstellt.
Diese kann bei der Berechnung der Temperaturdifferenz dadurch berücksichtigt
werden, dass die entsprechenden Temperaturwerte abgespeichert sind.
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In
einer Version des Verfahrens zur Regelung für eine Weichenheizung
ist vorgesehen, dass eine Veränderung der Profilform des
Temperaturprofils durch die Messung der Temperatur T1 an
einem ersten Temperatursensor, der sich in einem ersten Abstand
zu dem Heizelement befindet, und der Temperatur T2 an
einem zweiten Temperatursensor, der sich in einem zweiten Abstand
zu dem Heizelement befindet, bestimmt wird. Mit der daraus resultierenden
Temperaturdifferenz ΔT wird die Leistung Pmod des
Heizelementes eingestellt. Mit dieser Variante werden signifikante
Parameter des Temperaturprofils in einfacher aber wirkungsvoller
Art und Weise ermittelt und eingesetzt.
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Eine
weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine Berechnung
einer zeitlichen Veränderung der mit dem ersten Temperatursensor
ermittelten Temperatur T1, nämlich ΔT1/Δt
und/oder eine Berechnung einer zeitlichen Veränderung der mit
dem zweiten Temperatursensor ermittelten Temperatur T2,
nämlich ΔT2/Δt
und/oder einer zeitlichen Veränderung der Temperaturdifferenz ΔT,
nämlich ΔT/Δt erfolgt und anhand mindestens
einer der Größen ΔT, ΔT1/Δt, ΔT2/Δt
oder ΔT/Δt eine Einstellung der Heizleistung P
vorgenommen wird und das Heizelement mit einer so ermittelten Leistung
Pmod betrieben wird. Damit wird es möglich,
dass auch dynamische Veränderungen in die Leistungseinstellung
mit einbezogen werden, wodurch sich deren Genauigkeit und Treffsicherheit
erhöht. Außerdem verringert sich die Regelabweichung
und die Regeldifferenz.
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Die
Regelung erfolgt über einen Softwareregler. In der Software
hinterlegt sind Tabellen oder Datenbanken. Es ist zweckmäßig,
dass zu diskreten Daten mindestens eines der Parameter ΔT, ΔT1/Δt, ΔT2/Δt
oder ΔT/Δt zugehörige initial festgelegte
Daten entsprechender Heizleistungsparameter ta bellen- oder matrixartig
gespeichert werden. Bei der Messung von aktuellen Werten ΔT1/Δt, ΔT2/Δt
oder ΔT/Δt werden dann Heizleistungsparameter
werteentsprechend abgerufen und eingestellt.
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Soll
die Umgebungstemperatur TA um das Weichenelement
herum mit in die Ermittlung der Leistung Pmod einbezogen
werden, ist vorgesehen, dass zu einem Parameter mehrere Heizleistungsparameter
für verschiedene Umgebungstemperaturen TA gespeichert
sind und der aktuellen Umgebungstemperatur TA abgerufen
werden.
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Die
Aufgabe wird anordnungsseitig durch eine Regelung für eine
Weichenheizung gelöst, bei der das Heizelement mit dem
Weichenelement mit einer über die Längserstreckung
des Heizelementes gleichmäßigen Wärmeleitung
verbunden ist und ein erster Temperatursensor in einem ersten Abstand
zu dem Heizelement angeordnet ist und der Temperatursensor mit einer
Recheneinheit verbunden ist, in der eine Temperatur-Differenzbildung ΔT
zu einer zweiten ermittelten oder errechneten Temperatur vorgenommen
wird. Dabei ist es möglich, die zu der Differenzbildung
erforderliche zweite Temperatur entweder zu messen, wie dies in
der der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform vorgesehen
ist, oder zu berechnen, etwa aus der infolge des Energieeintrages
bekannten Temperatur des Heizelementes selbst.
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Durch
die Erfindung wird es möglich, den Wärmebedarf
einer Weiche, d. h. die Wärmemenge, den einer Weiche zur
Gewährleistung einer vollständigen Funktionssicherheit
zuzuführen ist, mit einem geringen technischen Aufwand
zu ermitteln. Insbesondere erübrigen sich dadurch Sensoren,
wie sie beim Stand der Technik erforderlich sind. Beispielsweise
ist ein Einflussfaktor für den Wärmebedarf der Niederschlag,
dem die Weiche ausgesetzt sein kann. Weitere Einflussfaktoren sind
Eisbefall oder Wind. Insbesondere Niederschlagssensoren zeigen einen hohen
technischen Aufwand, da gerade sie vor den äußeren
harten Bedingungen des Bahnbetriebes zu schützen sind.
So sind diese beispielsweise mit aufwändigen robusten Gehäusen
und stabilen Befestigungsmitteln sowie mit Vogelschutzgittern versehen. Die
Erfindung vermeidet nun den Einsatz derartiger sekundärer
Sensoren, da die Anordnung und das Regelverfahren diese Witterungseinflüssen
bereits berücksichtigt, ohne dass hierfür besondere
Sensoren benötigt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Heizelement
aus einem Formelement besteht, das einen Wärmequellenraum
aufweist, der eine Wärmequelle aufnimmt. Das Formelement
ist mit dem Weichenelement unterhalb des Kopfes der Backenschiene
oder der Weichenzunge angeordnet. Dabei ist es so gestaltet, dass
der Wärmequellenraum über die gesamte dem Weichenelement
zugewandte Kontaktfläche wärmeleitend mit dem
Weichenelement verbunden ist. Der Wärmequellenraum ist
als längserstreckter Hohlraum ausgebildet ist, dessen Längsachse
in Richtung der Längserstreckung des Weichenelementes verläuft.
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Mit
diesem Formelement kann einerseits die Wärmeleitung zu
dem Weichenelement verbessert werden. Andererseits wird dadurch
auch eine gleichmäßige Wärmeverteilung über
das Schienenelement erreicht, so dass insgesamt die Wärmeleitung
definiert und reproduzierbar gestaltet werden kann.
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Das
Formelement kann dadurch fortgebildet werden, dass darin ein erster
derartiger Wärmequellenraum und in einem quer zur Längserstreckung
des Formelements zu messenden Abstand zu dem ersten Wärmequellenraum
ein zweiter derartiger Wärmequellenraum angeordnet ist,
wobei beide Wärmequellenräume Wärmequellen
aufnehmen und wärmeleitend miteinander verbunden sind.
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Durch
eine Gestaltung zweier solcher Wärmequellenräume
wird es zum einen möglich, mehrere Wärmequellen
einzubringen oder einen Vor- und Rücklauf in dem Formelement
zu realisieren, wie es nachfolgend dargestellt wird.
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So
ist es auch möglich, dass der Wärmequellenraum
ein flüssiges oder ein gasförmiges Medium als
Wärmequelle aufnimmt, indem es mit einer Heizquelle für
flüssiges oder gasförmiges Medium verbunden ist.
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Insbesondere
beim Einsatz strömender Medien als Wärmequelle
ist es vorteilhaft, dass der erste Wärmequellenraum mit
einem Vorlauf und der zweite Wärmequellenraum mit einem
Rücklauf der Heizquelle oder umgekehrt verbunden ist.
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Es
ist aber auch möglich, dass der Wärmequellenraum
ein elektrisches Heizelement als Wärmequelle aufnimmt.
Dabei kann der Wärmeübergang von dem elektrischen
Heizelement auf das Formelement optimal gestaltet werden. Da der
Wärmeübergang von dem Formelement auf das Weichenelement
optimal gestaltet ist, wird somit im Unterschied zum Stand der Technik,
wo ein Rohrheizkörper an das Weichenelement geklemmt ist,
gewährleistet, dass die Wärmeleistung definiert
und reproduzierbar eingebracht wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein zweiter Temperatursensor
in einem zweiten Abstand zu dem Heizelement vorgesehen. Die beiden
Temperatursensoren sind mit der Recheneinheit verbunden, in der
eine Temperatur-Differenzbildung zu ΔT vorgenommen wird.
Durch diese anordnungsseitige Lösung wird es möglich,
in einfacher Art und Weise signifikante Parameter des Profils zu
ermitteln und damit das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Auf die nach dem Stand der Technik bekannten Sensoren für
Wetter, wie Niederschlags-, Wind- oder Eissensoren kann verzichtet
werden.
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Zur
konkreten Umsetzung der ermittelten Parameter ist weiterhin vorgesehen,
dass in der Recheneinheit oder einem mit der Recheneinheit verbundenen
Speicher eine Datenbank ge speichert ist, die zu den Parametern ΔT, ΔT1/Δt, ΔT2/Δt
oder ΔT/Δt initial ermittelte Daten entsprechender
Heizleistungsparameter zur Einstellung der entsprechenden Heizleistungsparameter
enthält.
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Die
Genauigkeit der Leistungseinstellung kann durch die Einbeziehung
der Umgebungstemperatur erhöht werden. Dazu ist vorgesehen,
dass ein die Temperatur der Umgebung um das Weichenelement messender
Temperatursensor angeordnet und mit der Recheneinheit verbunden
ist.
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Die
Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispieles näher
erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen
zeigt
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1 eine
Backenschiene einer Weiche und das mit dem Betrieb einer Weichenheizung
entstehende Temperaturprofil und
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2 die
Backenschiene mit Heizelement und Temperatursensoren.
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3 eine
stirnseitige Vorderansicht eines Formelementes zur Verbesserung
der Wärmeleitung,
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Formelementes,
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5 einen
Querschnitt durch eine Weiche im Bereich einer Backenschiene einer
Anordnung zur Beheizung von Schienenweichen,
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6 einen
Querschnitt durch eine Backenschiene mit einem Formelement mit zwei
Wärmequellenräumen,
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7 einen
Querschnitt durch eine Backenschiene mit einem Formelement mit zwei
Wärmequellenräumen und einer zusätzlichen
Isolierschicht,
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8 einen
Querschnitt durch eine Backenschiene mit einem Formelement mit einem
elektrischen Rohrheizkörper in einem Wärmequellenraum,
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9 einen
Querschnitt durch eine Weichenzunge mit einem erfindungsgemäßen
Formelement mit zwei Wärmequellenräumen,
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10 einen
Querschnitt durch eine Weichenzunge mit einem Formelement mit einem
elektrischen Rohrheizkörper in einem Wärmequellenraum,
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11 einen
Querschnitt durch eine Backenschiene mit einem erfindungsgemäßen
Formelement mit zwei Wärmequellenräumen mit einer
einstückigen Federhalterung und
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12 einen
Querschnitt durch eine Backenschiene mit einem Formelement mit zwei
Wärmequellenräumen mit einer Spanneinrichtung.
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Die
Erfindung ist hier am Beispiel des Einsatzes an einer Backenschiene
beschrieben. Das gleiche Prinzip, lässt sich selbstverständlich
an anderen Weichenteilen, wie der Weichenzunge anwenden, wenn dort
ein Heizelement der Weichenheizung angebracht ist, oder bei anderen
Heizungen, die allgemein der Überwindung von Frosteinflüssen
auf die Funktionssicherheit dienen. Diese anderen Einsatzmöglichkeiten
sollen mit diesem Ausführungsbeispiel mitgelesen werden.
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Wie
in 1 dargestellt, stellt sich bei einer Backenschiene 1 bei
dem Betrieb eines Heizelementes 2 ein Temperaturprofil
ein. Dieses dargestellte Profil stellt den stabilen Zustand nach
einer geraumen Zeit eines Betriebes des Heizelementes 2 dar. Wie
ersichtlich, zeichnen sich in dem Profil Zonen 3 mit einem
höheren Wärmeverlust ab, die hier durch die unter
der Backenschiene 1 liegenden nicht näher dargestellten
Schwellen hervorgerufen werden. Daraus wird deutlich, dass das Profil
von äußeren Bedingungen, die an der Backenschiene 1 anliegen,
beeinflusst wird.
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Es
wurde nun festgestellt, dass das Profil in seinem stabilen Zustand
bei verschiedenen Witterungseinflüssen verschiedene Gestaltungen
annimmt. So zeigt das Profil bei gleicher Umgebungstemperatur bei
ruhigem kaltem und trockenem Wetter, einen anderen Temperaturgradienten
als bei einer feuchten oder nasskalten Witterung. Bei ruhigem kaltem
Wetter ist es beispielsweise oberhalb einer Lufttemperatur von –10°C
nur erforderlich, die Weichenheizung mit einer geringen Energiezufuhr
zu betreiben, insbesondere dann, wenn die Backenschiene noch sonnenbeschienen
ist, wohingegen ab 3°C und feuchter Witterung eine höhere
Heizungleistung erforderlich ist. Die Einstellung der Heizleistung
wird erfindungsgemäß über die Feststellung
ermöglicht, dass bei feuchter kalter Witterung von der
Backenschiene 1 durch das bessere Wärmeleitvermögen verbunden
mit der Wärmekapazität der Umgebungsluft leichter
Wärme von der Backenschiene 1 abgeführt
und der Temperaturgradient von dem Heizelement weg steiler wird.
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Mit
anderen Worten ist die Form des Temperaturprofils oder der räumliche
Temperaturgradient ein Ausdruck des Energiebedarfes der Backenschiene
in Abhängigkeit von den augenblicklichen Umgebungsverhältnissen.
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Aber
auch eine zeitliche Veränderung des Temperaturprofils oder
der zeitliche Temperaturgradient gibt Aussagen über die
Verhältnisse, denen die Backenschiene 1 ausgesetzt
ist. Wird durch einen überfahrenden Zug beispielsweise
Eis oder Schnee auf die Weiche geschleudert, bewirkt das bei eingeschaltetem
Heizelement 2 eine sofortige zeitliche Veränderung
der Profilform. Aber auch wenn das Heizelement 2 ausgeschaltet
ist und erst eingeschaltet wird, zeigt sich eine deutliche Veränderung
des zeitlichen Verhalten beim Aufbau des Profils zum letzten Schaltvorgang
und die Profilform ist eine andere.
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Gemäß der
Erfindung werden diese Erscheinungen nunmehr genutzt, um direkte
Rückschlüsse auf die Umgebungsverhältnisse zu
ziehen oder besser den direkten Energiebedarf der Backenschiene zu
bestimmen und damit die dem Heizelement 2 der Backenschiene 1 zugeführte
Leistung zu steuern.
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In
dem Ausführungsbeispiel wird eine Veränderung
der Profilform des Temperaturprofils in einfacher Art und Weise
bestimmt, nämlich durch die Messung der Temperatur an einem
ersten Temperatursensor 6, der sich in einem ersten Abstand 7 zu
dem Heizelement 2 befindet und einem zweiten Temperatursensor 8,
der sich in einem zweiten Abstand 9 zu dem Heizelement 2 befindet.
Mit der daraus resultierenden Temperaturdifferenz ΔT wird
sodann die Leistung des Heizelementes 2 eingestellt.
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Hierzu
sind die beiden Temperatursensoren 6 und 8 mit
einer Recheneinheit 10 verbunden, die auf initital ermittelte
und gespeicherte Witterungs- und Wärmebedarfszustände
zugreifen kann. Diese voreingestellten Witterungs- und Wärmebedarfszustände
garantieren optimale Wärmeprofile. Selbstverständlich
muss zur Sicherstellung der Funktion die notwendige Energie zur
Verfügung stehen. Dann wird aber nie mehr Energie zugeführt,
als tatsächlich notwendig.
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In
der Recheneinheit 10 wird die Differenzbildung zu ΔT
vorgenommen. Hier kann auch eine Berechnung einer zeitlichen Veränderung
der mit dem ersten Temperatursensor 6 ermittelten Temperatur T1, nämlich ΔT1/Δt
und/oder eine Berechnung einer zeitlichen Veränderung der
mit dem zweiten Temperatursensor 8 ermittelten Temperatur
T2, nämlich ΔT2/Δt und/oder einer zeitlichen Veränderung
der Temperaturdifferenz ΔT, nämlich ΔT/Δt
erfolgen. Mittels der Software in der Recheneinheit 10 werden Wärmebedarfszustände
ausgewählt, nach der die Heizleistung P gesteuert wird.
Die Recheneinheit 10 nimmt dabei anhand mindestens einer
der Größen ΔT, ΔT1/Δt, ΔT2/Δt oder ΔT/Δt über
eine Leistungsstelleinrichtung 11 eine Einstellung der
Heizleistung P vor. Damit wird das Heizele ment 2 stets
mit einer Leistung Pmod betrieben, die dem
tatsächlichen Energiebedarf der Backenschiene 1 entspricht.
Damit kann eine Überhitzung, ein Überschwingen
oder zumindest ein unnötiger Energieeinsatz minimiert werden.
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Dies
kann u. a. dadurch realisiert werden, dass zu jedem Datenfeld eines
dieser Parameter ΔT, ΔT1/Δt, ΔT2/Δt oder ΔT/Δt
initial ermittelte Daten entsprechender Heizleistungsparameter beispielsweise in
einer Datenbank matrixartig gespeichert sind und dann werteentsprechend
abgerufen und eingestellt werden.
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In
einer sehr einfachen Realisierung ist auch nur ein Temperatursensor 6 erforderlich.
Hier geht man davon aus, dass sich bei einer bestimmten Größe
einer bereitgestellten Leistung an dem Heizelement 2 eine
bestimmte Temperatur TH einstellt. Damit wird
dann die Differenz ΔT oder eine zeitliche Ableitung davon
aus der über den Temperatursensor 6 ermittelten
Temperatur und der Temperatur TH, die der dem
Heizelement 2 zugeführten Leistung entspricht, ermittelt.
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Im
Gegensatz zu dieser beschriebenen einfachen Realisierung ist es
auch möglich, neben den beiden beschriebenen Temperatursensoren 6 und 8 auch
weitere Temperatursensoren anzuordnen und die gespeicherten Witterungs-
und Energiebedarfszustände um die Parameter der mit diesen
Temperatursensoren ermittelten Gradienten zu erweitern. Dies erhöht
die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Regelung.
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Zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
und zum richtigen Einsatz der Regelung ist ein definierter und reproduzierbarer
Eintrag der Wärmeleistung erforderlich. Dies wird in dem
Ausführungsbeispiel mittels eines Heizelementes 2 realisiert,
das als Formelement 12 ausgebildet ist, wie es nachfolgend
geschildert wird.
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Das
Formelement 12 ist in verschiedenen Formen in 3 und 12 dargestellt
ist. Wie in 3 bis 8, 11 und 12 dargestellt,
ist dieses Formelement 12 zur Montage an der Außenseite 13 einer
Backenschiene 1 vorgesehen. Diese Außenseite 13 stellt
die einer Weichenzunge 15 abgewandte Seite der Backenschiene 1 dar.
Hier ist das Formelement 12 in der Laschenkammer 14 angeordnet.
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Das
Formelement 12 weist eine Durchgangsbohrung 16 auf,
die mit Durchgangsbohrungen 16 in der Backenschiene 1 korrespondieren
und durch die ein Bolzen 17 hindurch gesteckt werden kann,
wie dies in 3 dargestellt ist, der sodann
mit einer Mutter 18 verschraubt werden kann. Damit ist das
Formelement 12 in Längsrichtung der Backenschiene 1 fixiert
und wird an dieser Stelle an die Oberfläche des Schienensteges 19 der
Backenschiene 1 angepresst.
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Um
einen bestmöglichen Wärmekontakt zwischen dem
Formelement 12 und der Backenschiene 1 zu ermöglichen,
ist einerseits ein hoher Kraftschluss erforderlich, der an dieser
Stelle durch den Bolzen 17 und die Mutter 18 aufgebracht
wird. Über die Länge des Formelementes 12 ist
es allerdings nicht möglich, dieses zu verschrauben, da
dies zu thermischen Spannungen führen würde. Hier
sind andere Befestigungsmöglichkeiten vorgesehen, die in 11 und 12 darstellt
sind und untenstehend näher beschrieben werden.
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Neben
dem Kraftschluss ist ein guter Formschluss erforderlich. Dieser
Formschluss wird dadurch erreicht, dass die zu der Backenschiene 1 weisende
Kontaktfläche 20 des Formelementes 12 eine zu
der Form der Außenseite 13 inverse (komplementäre)
Form aufweist.
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Das
Formelement 12 ist als derjenige Teil der Anordnung zur
Beheizung von Schienenweichen vorgesehen, der Wärme in
die Backenschiene 1 einleitet. Hierzu sind innerhalb des
Formelementes 12 Wärmequellen vorgesehen. Das
Formelement 12 selbst ist so gestaltet, dass die Wärme
der Wärmequellen über die gesamte Kontaktfläche 20 an
die Backenschiene 1 geleitet wird.
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In
dem Beispiel nach 3 bis 12 sind die
Wärmequellen dadurch gestaltet, dass eine zu dem Schienenkopf 4 weisende
obere Wulst 21 vorgesehen ist, die mit einem ersten Wärmequellenraum 22 versehen
ist. Weiterhin ist eine zu dem Schienenfuß 5 weisende
untere Wulst 23 vorgesehen, die mit einem zweiten Wärmequellenraum 24 versehen
ist. Beide Wärmequellenräume 22 und 24 können
Wärmequellen aufnehmen, die unterschiedlichster Art gestaltet
sein können. So ist es möglich, durch die Wärmequellenräume
ein flüssiges oder ein gasförmiges Medium zu leiten.
Es ist auch möglich, in diese Wärmequellenräume 22 und 24 elektrische
Heizelemente entsprechend elektrisch isoliert einzubringen.
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Zwischen
der oberen 21 und der unteren Wulst 23 ist ein
wärmeleitender Verbindungssteg 25 vorgesehen.
Die Wärmeleiteigenschaften dieses Verbindungssteges 25 werden
zum einen durch die Materialwahl realisiert. Der Verbindungssteg 25 besteht,
wie das gesamte Formelement 12, aus einem gut (wärme-)leitfähigen
Material, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer. Zum anderen
weist dieser Verbindungssteg 25 eine Dicke 26 auf,
die eine Wärmeleitung von den Wärmequellenräumen 22 und 24 derart
vorsieht, dass ein Wärmeeintrag in den Schienensteg 19 der
Backenschiene 1 vollflächig über die Kontaktfläche 20 erfolgt.
Bei der Verwendung von Kupfer oder Aluminium empfiehlt sich hier
eine Dicke 26 von vorzugsweise 7 mm bis 26 mm, vorzugsweise von
10 mm. Diese Dicke 26 bewirkt auch eine hohe mechanische
Festigkeit, so dass die Spannkräfte vollständig
von dem Formelement 12 auf die Backenschiene 1 übertragen
werden können.
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Unterstützt
werden kann des Wärmeleitvermögen am Übergang
von Kontaktfläche 20 zu Außenseite 13,
wenn dazwischen bei der Montage des Formelementes 12 an
die Backenschiene 1 eine Wärmeleitpaste eingebracht
wird. Damit können auch kleinste wärmeisolierende
Hohlräume dazwischen vermieden werden.
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Eine
noch stärkere Ausprägung des Verbindungssteges 25 erfährt
dieser in den Ausgestaltungen, wie sie in 6 bis 12 dargestellt
sind. Hier ist das Formelement 12 relativ massiv ausgebildet, so
dass ein bestmöglicher Eintrag der Wärmeenergie ermöglicht
wird.
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In
der Ausführungsform nach 6 ist das Formelement 12 aus
Strangpressprofil gefertigt, wie dies auch in den anderen Ausführungen
geschehen kann. Es sind ebenfalls der erste Wärmequellenraum 22 unterhalb
des Schienenkopfes 4 und der zweite Wärmequellenraum 24 oberhalb
des Schienenfußes 5 angeordnet, und beide sind
durch den Verbindungssteg 25 miteinander verbunden. Zum
Zwecke der Verringerung des Wärmeverlustes über
die der Kontaktfläche 20 abgewandte Außenfläche 27 sind unter
der Außenfläche 27 des Formelementes 12 zwei
wärmeisolierende Hohlkammern 28 zwischen dem jeweiligen
Wärmequellenraum 22 oder 24 und der Außenfläche 27 angeordnet.
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Die
Isolierwirkung kann verstärkt werden, wenn eine weitere
Isolierschicht 29, wie sie in 7 dargestellt
ist, auf die Außenfläche 27 aufgebracht wird.
Die Gestaltung dieser Isolierschicht 29 bietet darüber
hinaus den Vorteil, dass damit eine glatte Außenfläche
zu gestalten ist.
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Wie
in 8 dargestellt, sind in der Richtung von der Kontaktfläche 20 zur
Außenfläche 27 hintereinander liegend
jeweils zwei Hohlkammern 28 angeordnet, wodurch weiterhin
die Isolierwirkung erhöht wird.
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In
der Ausführung nach 8 ist in
den Wärmequellenraum 22 ein elektrisches Heizelement 30 in
Form eines Rohrheizkörpers formschlüssig eingebracht.
Durch die Gestaltung des Formelementes 12, insbesondere
durch die Breite des Verbindungssteges 25, wird eine gute
Wärmeverteilung auf die gesamte Kontaktfläche 20 ermöglicht.
Zum Einbringen des Heiz elementes 30 ist vorgesehen, dass
der Wärmequellenraum 22 als zu der Kontaktfläche 20 hin
offene Nut 31 ausgeführt ist, in die von der Seite
der Kontaktfläche 20 das Heizelement eingelegt
ist.
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Dabei
besteht die Möglichkeit, das Heizelement 30 zusätzlich
in der Nut 31 zu vergießen und auch die offene
Seite der Nut 31 durch ein Versiegelungsmittel zu verschließen.
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In 9 und 10 ist
dargestellt, dass das Formelement 12 an der Weichenzunge 15 angeordnet
ist, und zwar auf der Oberseite 32 eines Fußes 33 an
der Außenseite 34 der Weichenzunge 15,
die der der Weichenzunge 15 zugehörigen Backenschiene 1 abgewandt
ist. Damit wird unter anderem auch erreicht, dass eine unter dem
Fuß 33 befindliche, nicht näher dargestellte
Kontaktfläche zum Gleitstuhl mit beheizt wird.
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Zweckmäßigerweise
wird je ein Formelement 12 sowohl an der Backenschiene 1 als
auch an der Weichenzunge 15 in der dargestellten Art und Weise
angeordnet.
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In 11 und 12 ist
dargestellt, dass das Formelement 12 mittels eines Spannelementes 35 mit
der Backenschiene 1 kraftschlüssig verbunden ist.
Eine gleiche Befestigungsmöglichkeit ist für ein
Formelement 12 auf dem Fuß 33 der Weichenzunge 15 möglich,
auch wenn dies hier nicht näher dargestellt ist.
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Das
Spannelement 35 weist einen ersten Spannteil 36,
der mit dem Schienenfuß 5 verbunden ist, und einen
zweiten Spannteil 37 mit einer das Formelement 12 gegen
den Schienensteg 19 drückenden Spanneinheit 38 auf.
Mittels einer Spannschraube 39, die in eine senkrecht zum
Schienensteg 19 liegende Gewindebohrung 40 einschraubbar
ist und die auf ein Druckstück 41 drückt,
kann das Formelement 12 am Schienensteg 19 befestigt
werden. Zur Aufnahme des Druckstückes 41 weist
die Außenfläche 27 des Formelementes 12 eine
Vertiefung 42 auf, so dass der erste Spannteil 36 einen
Formschluss zu dem Formelement 12 zeigt.
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Der
erste Spannteil 36 hat eine erste Spannzange 43,
die an eine Seite des Schienenfußes 5 angreift,
und eine zweite Spannzange 44 für die andere Seite
des Schienenfußes 5, die beide durch eine Zugschraube 45 den
Schienenfuß 5 klemmen. Die Verbindung 46 zwischen
dem ersten 36 und dem zweiten Spannteil 37 ist
elastisch, so dass das Formelement 12 durch einen elastischen
Kraftschluss gegen den Schienensteg 19 gedrückt
wird.
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Die
Ausführung nach 12 sieht
ein Spannelement 35 vor, dessen erster Spannteil 36 und zweiter
Spannteil 37 einstückig miteinander verbunden
sind. Das Spannelement 35 ist als Federelement aus Federmetall
ausgebildet. Hier greift der zweite Spannteil 37 unter
den Schienenfuß 5, und der erste Spannteil 36 drückt
federnd das Formelement 12 gegen den Schienensteg 19.
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Die
Wärmequellenräume 22 und 24 in 6, 7, 9, 11 und 12 sind
dafür vorgesehen, ein flüssiges oder ein gasförmiges
Medium als Wärmequelle aufzunehmen, indem jeweils der eine Wärmequellenraum, 22 oder 24,
mit einem Vorlauf und der andere Wärmequellenraum, 24 oder 22,
mit einem Rücklauf einer nicht näher dargestellten
Heizquelle oder besser Warmwasserheizung verbunden ist.
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Die
Leistung kann an einer Weiche bei konventioneller elektrischer Beheizung
10 kW und mehr betragen, um die Forderung einiger Bahninfrastrukturbetreiber,
wonach bei –20°C Außentemperatur durch
Beheizung die Schienentemperatur auf +3°C gehalten werden
muss, zu erfüllen. Durch die Gestaltung des Formelementes 12 und
dessen Montageart an der Backenschiene 1, an der Weichenzunge 15 oder
im bevorzugten Falle an beiden Weichenelementen 1 und 15 wird
es ermöglicht, diese hohe Leistung mit einer geringen Temperaturdifferenz
zwischen den Wärmequellen und der Schienenweiche einzubringen.
Dadurch wird es insbesondere möglich, beispielsweise mit
geringen Vorlauftemperaturen bei flüssigen oder gasförmigen
Medien zu arbeiten. Dies ermöglicht unter anderem auch
den Einsatz einer geothermischen Wärmeerzeugung. Auch wird es
dadurch möglich, Wärmeverluste infolge von Wärmestrahlung
zu minimieren.
-
- 1
- Backenschiene
- 2
- Heizelement
- 3
- Zone
höheren Wärmeverlustes
- 4
- Schienenkopf
- 5
- Schienenfuß
- 6
- erster
Temperatursensor
- 7
- erster
Abstand
- 8
- zweiter
Temperatursensor
- 9
- zweiter
Abstand
- 10
- Recheneinheit
- 11
- Leistungsstelleinrichtung
- 12
- Formelement
- 13
- Außenseite
der Backenschiene
- 14
- Laschenkammer
- 15
- Weichenzunge
- 16
- Durchgangsbohrung
- 17
- Bolzen
- 18
- Mutter
- 19
- Schienensteg
- 20
- Kontaktfläche
- 21
- obere
Wulst
- 22
- erster
Wärmequellenraum
- 23
- untere
Wulst
- 24
- zweiter
Wärmequellenraum
- 25
- Verbindungssteg
- 26
- Dicke
des Verbindungsstegs
- 27
- Außenfläche
- 28
- Hohlkammer
- 29
- Isolierschicht
- 30
- Heizelement
- 31
- Nut
- 32
- Oberseite
- 33
- Fuß der
Weichenzunge
- 34
- Außenseite
der Weichenzunge
- 35
- Spannelement
- 36
- erster
Spannteil
- 37
- zweiter
Spannteil
- 38
- Spanneinheit
- 39
- Spannschraube
- 40
- Gewindebohrung
- 41
- Druckstück
- 42
- Vertiefung
- 43
- erste
Spannzange
- 44
- zweite
Spannzange
- 45
- Zugschraube
- 46
- Verbindung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 2215554
A1 [0004]
- - DE 19832535 C2 [0005]
- - DE 29813001 U1 [0005]
- - DE 10150078 A1 [0005]
- - EP 1262597 A2 [0008, 0011]