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Die Erfindung betrifft ein Heizungssystem mit zwei Flüssigkeitskreisläufen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Umwälzpumpe für den Einsatz in einem solchen Heizungssystem gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
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In Heizungssystemen bzw. wärmetechnischen Anlagen sind häufig wenigstens zwei getrennte Flüssigkeitskreisläufe vorhanden, nämlich ein Primärkreislauf und ein Sekundärkreislauf, die über einen Wärmetauscher thermisch gekoppelt sein können. Beide Flüssigkeitskreisläufe sind jedoch hydraulisch entkoppelt. Ein derartiges Heizungssystem kann primärseitig an eine Fernwärmeheizung angeschlossen sein, während sekundärseitig der Heizkreislauf einer Hausanlage angeschlossen sein kann. Über den Wärmetauscher wird in einem solchen System eine Wärmeübertragung vom Fernwärmenetz zur Heizungsanlage in einem Gebäude übertragen. Da zwischen der primärseitigen und der sekundärseitigen Heizungsanlage eine hydraulische Trennung gewünscht wird, besitzen beide Anlagen separate Einrichtungen, um die Flüssigkeit in den jeweiligen Flüssigkeitskreisläufen zirkulieren zu lassen. Insbesondere ist in der Heizungsanlage eines Gebäudes regelmäßig hierfür eine elektrisch betriebene Umwälzpumpe vorgesehen, die für ihren Betrieb eine entsprechende elektrische Energiezufuhr benötigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizungssystem mit wenigstens zwei separaten Flüssigkeitskreisläufen zu schaffen, bei dem zum Antrieb einer sekundärseitig wirksamen Umwälzpumpe keine zusätzliche elektrische Antriebsenergie erforderlich ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erhält man durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Ein primärseitig vorgesehenes Turbinenrad ist mit der sekundärseitigen Umwälzpumpe gekoppelt und treibt dadurch die Umwälzpumpe an. Der primärseitig vorhandene Differenzdruck zwischen Vorlaufanschluss und Rücklaufanschluss des Primärkreises wird somit nicht nur dazu verwendet, dass im primärseitigen Flüssigkeitskreislauf die Flüssigkeit diesen durchströmt, sondern dass die den Flüssigkeitskreislauf durchströmende Flüssigkeit auch die sekundärseitige Umwälzpumpe antreibt.
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Das Turbinenrad und die Umwälzpumpe können je nach den gegebenen Anforderungen starr über ein Getriebe und/oder lösbar über eine Kupplung miteinander gekoppelt sein. Denkbar kann auch eine direkte mechanische Kopplung sein, so dass Turbinenrad und Umwälzpumpe auf einer gemeinsamen Antriebswelle sitzen.
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Eine derart angetriebene Umwälzpumpe spart die beim Stand der Technik zusätzlich erforderliche elektrische Energiezufuhr für die Umwälzpumpe, ohne dass dies primärseitig den Flüssigkeitsdurchfluss störend beeinträchtigt. Primärseitig steht nämlich gerade an Fernwärmeübergabestationen zwischen Vor- und Rücklauf ein verhältnismäßig hoher Mindestdruck zur Verfügung, der somit zum Antrieb des Turbinenrads und der mit ihr gekoppelten sekundärseitigen Umwälzpumpe nutzbar gemacht werden kann.
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Je nach Einsatzgebiet kann das Turbinenrad auch elektrisch mit der Umwälzpumpe gekoppelt sein, in dem das Turbinenrad einen Generator antreibt, mit dessen erzeugter elektrischer Energie dann die Umwälzpumpe betrieben werden kann. Die elektrische Kopplung hat den Vorteil, dass die Umwälzpumpe weitestgehend unabhängig von der Turbinendrehzahl gesteuert werden kann, insbesondere dann, wenn ein zusätzlicher elektrischer Energiespeicher von dem Generator gespeist wird.
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Um eine individuelle Regelung der Umwälzpumpe zu ermöglichen, kann eine Steuereinheit den Kopplungsgrad zwischen Turbinenrad und Umwälzpumpe steuern.
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Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde eine Umwälzpumpe für den Einsatz in einem Flüssigkeitskreislauf, insbesondere in einem hydraulischen Heizungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zu schaffen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erhält man durch die im Anspruch 5 angegebenen Merkmale. Besonders vorteilhaft ist es dabei, die Umwälzpumpe und das Turbinenrad in einer Baueinheit zusammenzufassen, wobei für das angetriebene Schaufelrad der Umwälzpumpe und das Turbinenrad jeweils eine separate Kammer vorgesehen ist. Die Kammer, die das Turbinenrad umfasst, wird dann beispielsweise an einen primärseitigen Flüssigkeitskreislauf angeschlossen, während die Kammer, die das Pumpenrad der Umwälzpumpe umfasst, an einen sekundärseitigen Flüssigkeitskreislauf angeschlossen werden kann. Eine solche Baueinheit lässt sich auf kleinem Raum realisieren, insbesondere wenn Turbinenrad und Umwälzpumpe starr über eine gemeinsame Antriebswelle oder über ein Getriebe miteinander mechanisch gekoppelt sind.
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Die erfindungsgemäße Baueinheit, die das Turbinenrad und die Umwälzpumpe umfasst, kann mit Eingangs- und Ausgangsanschlüssen versehen sein, so dass diese Baueinheit direkt an korrespondierende Anschlüsse eines Wärmetauschers anschließbar ist. Dadurch kann eine sehr platzsparende Anordnung erreicht werden.
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Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 den Aufbau einer Fernwärmeübergabestation mit Wärmetauscher und erfindungsgemäß mittels eines Turbinenrads angetriebenen sekundärseitigen Umwälzpumpe,
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2 eine auf einen Wärmetauscher aufgesetzte Baueinheit im Querschnitt, die eine Umwälzpumpe mit antriebsseitigen Turbinenrad umfasst,
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3 einen Wärmetauscher mit aufgesetzter Baueinheit gemäß 2 im Längsschnitt, jedoch in einem anderen Maßstab, und
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4 eine schematische Anordnung, bestehend aus einer primärseitigen Turbine mit Turbinenrad, einer Kopplungseinrichtung und dem sekundärseitigen Pumpenrad der Umwälzpumpe.
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Die in 1 schematisch dargestellte Fernwärmeübergabestation besitzt zur thermischen Kopplung zwischen Primärkreislauf 1 und Sekundärkreislauf 2 einen Wärmetauscher 3, wobei die Trennung beider Kreisläufe mittels einer unterbrochenen Linie 4 angedeutet ist. In den Primärkreislauf 1 wird von einem hier nicht dargestellten Fernwärmeheizkraftwerk über ein eingangsseitiges Ventil 5 und die Vorlaufleitung 6 heißes Wasser eingespeist, welches über den Wärmetauscher 3 und die Rücklaufleitung 7 wieder zum Fernwärmeheizkraftwerk zurückgeführt wird.
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Der Sekundärkreislauf 2 ist an eine hier nicht weiter dargestellte Hausanlage eines Gebäudes angeschlossen, und zwar über die Vorlaufleitung 8 und die Rücklaufleitung 9. Die Fließrichtung in den beiden Kreisläufen ist durch entsprechende Richtungspfeile angedeutet.
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Im Sekundärkreislauf 2 wird mittels einer Umwälzpumpe 10 die über den Wärmetauscher 3 erwärmte Flüssigkeit umgewälzt, so dass diese beispielsweise Heizkörper in der Hausanlage durchströmen kann. Die Umwälzpumpe 10 ist mit einem primärseitig angeordneten Turbinenrad 11 mechanisch oder elektrisch gekoppelt, was hier mittels einer Verbindungslinie 12 angedeutet ist. Diese Kopplung kann in Form einer gemeinsamen Antriebswelle oder über ein Getriebe und/oder über eine lösbare Kupplung oder eine Generator-Motorkopplung erfolgen.
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In 1 sind weitere zur Druck- und Temperaturregelung erforderliche Baugruppen eingezeichnet, die in herkömmlicher Weise angeordnet sind, z. B. ein Schmutzfänger 14, Ablassventile 15, eine Rückschlagklappe 16, ein Sicherheitsventil 17 und ein Manometer 18.
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2 zeigt den Querschnitt durch eine Baueinheit 20, die die Umwälzpumpe 10 mit dem Turbinenrad 11 von 1 umfasst. Die Umwälzpumpe 10 besitzt ein Pumpenrad 21 und das Turbinenrad 11. Das Turbinenrad 22 befindet sich in einer ersten Kammer 23, die von der zweiten Kammer 24 des Pumpenrads 21 hydraulisch getrennt ist. Das Pumpenrad 21 und das Turbinenrad 22 sind über eine gemeinsame Antriebswelle 25 in dieser vereinfachten Ausführungsform starr gekoppelt.
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Die beiden Kammern 23, 24 sind über mit unterbrochenen Linien angedeutete Anschlussstutzen AS1 bis AS4 an die primärseitige Vorlaufleitung 6, an die sekundärseitige Vorlaufleitung 8, an einen primärseitigen Eingang 26 und einen sekundärseitigen Ausgang 27 des Wärmetauschers 3 angeschlossen. In 1 sind die entsprechenden Anschlüsse ebenso mit diesen Bezugszahlen bezeichnet.
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Die Richtungspfeile in 2 geben die Fließrichtung an den unterschiedlichen Anschlüssen an. Im unteren Bereich besitzt der Wärmetauscher 3 noch die beiden Anschlussstutzen AS5 und AS6, deren Position ebenfalls in 1 eingetragen ist.
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In der Seitenansicht von 3 ist ein Wärmetauscher 3 mit angeflanschter Baueinheit 28, die eine Umwälzpumpe mit Turbinenrad umfasst, dargestellt. In der Seitenansicht von 3 zeigt der Querschnitt durch die Baueinheit 28 nur die im Bildvordergrund befindliche Umwälzpumpe 10 mit ihrem Pumpenrad 21, welches auf der Antriebswelle 25 sitzt. Das Pumpenrad 21 liegt in der Kammer 24 ein, die über den Anschlussstutzen AS2 an die druckseitige Vorlaufleitung 8 des Sekundärkreislaufs 2 angeschlossen werden kann. Über den Anschlussstutzen AS4 ist die Umwälzpumpe 10 an die sekundärseitige Kammer des Wärmetauschers 3 angeschlossen.
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Da sich das Turbinenrad in 3 axial hinter dem Pumpenrad 21 befindet und identische äußere Abmessungen hat, ist in der Darstellung von 3 das Turbinenrad, das ebenfalls auf der Antriebswelle 25 sitzt, nicht ersichtlich.
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In der schematisch dargestellten Anordnung von 4 sind das Turbinenrad 11 und das Pumpenrad 21 der Umwälzpumpe 10 über eine Koppeleinrichtung 30 starr oder variabel gekoppelt. Die Kopplungseinrichtung 30 kann im einfachsten Fall als starre Antriebswelle 25 (2 und 3) ausgebildet sein. Um jedoch eine individuelle und möglichst von Systemparametern abhängige regelbare Drehmomentübertragung bzw. Drehzahlübertragung zwischen Turbinenrad 11 und Pumpenrad 21 der Umwälzpumpe 10 zu ermöglichen, kann die Kopplungseinrichtung 30 als Getriebe mit variabler Getriebeübersetzung ausgebildet sein. Auch eine mechanische oder elektromagnetische Kupplung kann dabei mit der Getriebeübersetzung zusammenwirken. Die Übertragung des Drehmoments von dem primärseitigen Turbinenrad 11 kann zum sekundärseitigen Pumpenrad 21 der Umwälzpumpe 10 aber auch über eine Generator-Motorkopplung erfolgen. Dabei kann das Turbinenrad 11 einen elektrischen Generator antreiben, dessen elektrische Energie zum Betrieb eines Elektromotors dient, der die Umwälzpumpe 10 antreibt. Die elektrische Kopplung hat den Vorteil, dass nicht nur das Drehmoment jederzeit elektronisch steuerbar ist, sondern dass auch mittels eines elektrischen Energiespeichers (Akku) bei Bedarf höhere Leistungen an dem Pumpenrad der Umwälzpumpe 10 erreicht werden können, als die maximale am Turbinenrad 11 abgegebene Leistung.
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Die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft zu betrachten. Insbesondere ist die Anwendung der ein Turbinenrad und eine Umwälzpumpe umfassenden Baueinheit in vielen anderen Systemen möglich, bei denen eine primärseitige Flüssigkeitszirkulation zum Antrieb einer sekundärseitigen Umwälzpumpe verwendet werden kann. Dies kann beispielsweise auch bei Fußboden-Heizkörperheizungssystemen und bei Speicherladesystemen erfolgen.
