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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Weiche, die in hydraulischen Systemen, wie beispielsweise Wärme- und Kälteversorgungssystemen zum Energietransport eingesetzt wird, um Erzeuger- und Verbraucherkreislauf druckseitig voneinander zu entkoppeln. Dabei durchströmt ein Temperaturträgerfluid (meist Wasser, wässrige Gemische, Öl) in einem Vor- und Rücklauf mit unterschiedlichen Temperaturen die Weiche, wobei sie nur aufgrund ihrer räumlichen Lage voneinander getrennt sind, es sind also normalerweise keine Trennwände eingebaut. Die hydraulische Weiche ist dabei in Form eines sich vertikal erstreckenden Hohlkörpers ausgebildet und weist jeweils am unteren und oberen Bereich Anschlüsse zum Erzeugerkreislauf sowie dazu im Wesentlichen gegenüberliegend Anschlüsse zu einem Verbraucherkreislauf auf. Dies führt dazu, dass es in der Vielzahl der Fälle eine hydraulische bzw. thermische Beeinflussung zwischen den Volumenströmen des Vor- und Rücklaufes gibt, da es in den hydraulischen Weichen zu unerwünschten Mischungserscheinungen kommt. Bei der Kältetechnik ist die Spreizung mit 6 bis 10 K sehr gering, weshalb die Beeinflussung der Temperaturen im Vergleich zur Heiztechnik kritisch zu betrachten ist, da sie unter Umständen einen unwirtschaftlichen Betrieb nach sich ziehen kann. Diese wirken sich auf die Temperaturen in den Kreisläufen (z. B. Abweichung von der Planungsvorgabe) negativ aus. Damit wird die Systemfunktionsweise beeinträchtigt und somit der Wirkungsgrad reduziert. Bei großen Versorgungssystemen mit großen Rohrnennweiten kann man die hydraulische Weiche durch die baulichen Gegebenheiten oft nicht mit der Höhe entsprechend des VDMA Einheitsblattes 24770[1] errichten. Dann nimmt die Mischungsproblematik signifikant zu.
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Es ist eine hydraulische Weiche bekannt, welche für eine Heizungsanlage mit einem länglichen Weichengehäuse eingesetzt wird, dessen Längsachse im Einbauzustand der Weiche vertikal verläuft und dessen Inneres einen Wasserraum für das Heizwasser der Heizungsanlage bildet, mit je einem Kesselvorlaufanschluss und Kesselrücklaufanschluss, die im vertikalen Abstand zueinander an der einen Längsseite des Weichengehäuses angeordnet sind und mit je einem Verbrauchervorlaufanschluss und Verbraucherrücklaufanschluss, die im vertikalen Abstand zueinander an der anderen Längsseite des Weichengehäuses angeordnet sind, wobei der Kesselrücklaufanschluss und der Verbraucherrücklaufanschluss im unteren Bereich des Weichengehäuses liegen und wobei der Verbrauchervorlaufanschluss im oberen Bereich des Weichengehäuses liegt und wobei der Kesselvorlaufanschluss relativ zum Verbrauchervorlaufanschluss nach unten hin versetzt liegt und im Inneren des Weichengehäuses eine Trennwand vorgesehen ist, die einen vom Kesselvorlaufanschluss in den oberen Bereich des Inneren des Weichengehäuses führenden Kanal vom übrigen Inneren des Weichengehäuses abgrenzt. Nachteilig dabei ist, dass die Trennwand vertikal und damit quer zur Strömungsrichtung verläuft, wodurch der Strömungswiderstand negativ beeinflusst wird.
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Weiterhin ist eine Einrichtung in Form eines Verteilers für Heizungsanlagen bekannt. Diese besitzt eine Wärmequelle, in welcher ein als Wärmeträger dienendes Medium aufgeheizt wird. Die Wärmequelle ist mit einer Vorlaufleitung und einer Rücklaufleitung verbunden. In einer dieser Leitungen ist eine Umlaufpumpe vorgesehen. Zueinander parallel geschaltete Verbraucherkreise besitzen je eine Vorlauf- und eine Rücklaufleitung und in jeweils einer dieser Leitungen ist eine Umlaufpumpe vorgesehen. Zwischen der Wärmequelle und den Verbraucherkreisen ist ein Behälter in der Art einer hydraulischen Weiche vorgesehen und die Vorlaufleitung und die Rücklaufleitung der Wärmequelle und die Vorlauf- und die Rücklaufleitungen der Verbraucherkreise sind direkt mit diesem Behälter verbunden und münden in diesen. Im Behälter ist ein das durchströmende Medium mischendes gitter- oder netzartiges Leitorgan vorgesehen. In herkömmlichen hydraulischen Weichen ist jedoch eine Mischung des Mediums von Vor- und Rücklauf häufig nicht gewünscht, da es dadurch zu einer unerwünschten Temperaturbeeinflussung des Vorlaufes kommt.
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Eine weitere Verteilervorrichtung für einen mit einem flüssigen Medium betriebenen Kreislauf einer Wärmeversorgungsanlage, insbesondere einer Warmwasserheizungsanlage mit einem Wandkessel als Wärmequelle und mit gemischten und/oder ungemischten Heizkreisen, umfasst in einem Hohlprofil neben einer Vorlaufkammer und einer Rücklaufkammer eine weitere Kammer als hydraulische Weiche, in welche die Kesselvor- und Rücklaufleitungen münden und die ihrerseits mit der Vorlaufkammer und mit der Rücklaufkammer verbunden ist. In der Weichenkammer ist dabei zumindest im Bereich der Einmündung des Kesselvorlaufs ein die Richtung des Vorlaufstroms beeinflussendes Leitblech angeordnet, wobei das Leitblech jedoch quer in den Strömungsverlauf der Kessel-Vorlaufleitung hineinragt und sich dadurch negativ auf den Strömungswiderstand auswirkt.
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Aus der Druckschrift
DE 44 07 807 A1 ist eine Heizanlage mit ein oder mehr Heizkesseln eines Versorgerkreislaufes bekannt, die gemeinsam Verbraucher versorgen, wobei zwischen Vor- und Rücklauf eine hydraulische Weiche in Form eines langen rechteckigen oder runden Behälters mit den beiden Endbereichen zugeordneten Vor- bzw. Rücklaufstutzen geschaltet ist, wobei die Anschlüsse der Vorlaufstutzen und der Rücklaufstutzen im Anschlussbereich mit der Behälterwand ausgehalst sind und dass in den Endbereichen jenseits der Stutzen dreieckige Leitbleche angeordnet sind, die mit ihrer Spitze bis über Stutzenmitte oder weit darüber hinaus ragen und bis an die gegenüberliegende Wandung der Stutzen reichend ausgebildet sind. Weiterhin weisen die Leitbleche mit den Spitzen aufeinander zu. Das Zurückführen des Vorlaufes ohne Abgabe an den Heizkreis wieder zurück zum Kessel soll insbesondere dann vorteilhaft problemlos möglich sein, wenn die Leitbleche mit ihrer Spitze bis über Stutzenmitte oder weit darüber hinausragend angeordnet sind. Dadurch wird der Vorlauf dann, wenn eine Abnahme auf der Rücklaufseite gegeben und entsprechend auf der Heizkreisseite keine Abnahme vorhanden ist, mit dem strömenden Wassermedium gleichförmig umgeleitet und durch das lange schlanke Gehäuse des Behälters wieder zurückgeführt. Wenn auf der Heizkreisseite eine entsprechend hohe Abnahme auftritt, wird durch die entsprechend ausgebildete Spitze der Leitbleche sichergestellt, dass die Strömung um das Leitblech herum in den gegenüberliegenden Stutzen erfolgt, wodurch auch in diesem Fall durch die Leitbleche ein Strömungswiderstand gebildet wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine hydraulische Weiche bereitzustellen, die zwischen einem Erzeugerkreislauf und einem Verbraucherkreislauf angeordnet ist und die unter Verwendung von strömungsleitenden Elementen die Strömungsverhältnisse deutlich Verbessert, wobei nur ein geringer Druckverlust zu verzeichnen ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die hydraulische Weiche wird insbesondere in hydraulischen Systemen, wie beispielsweise Wärme- und Kälteversorgungssystemen zum Energietransport eingesetzt, um Erzeuger- und Verbraucherkreislauf druckseitig voneinander zu entkoppeln und ist zwischen wenigstens einem Erzeugerkreislauf und wenigstens einem Verbraucherkreislauf angeordnet und weist ein Weichengehäuse auf, dessen Längsachse im Einbauzustand der Weiche im Wesentlichen vertikal verläuft und wobei in das Weichengehäuse wenigstens ein erster Vorlauf von einem Erzeugerkreislauf und wenigstens ein erster zum Erzeugerkreislauf führen, sowie wenigstens einem zweiten Vorlauf und einem zweiten Rücklauf, die vom Weichengehäuse zu einem Verbraucherkreislaufführen, wobei sich zwischen dem ersten Vorlaufanschluss und dem zweiten Vorlaufanschluss ein sich in Strömungsrichtung erstreckendes erstes strömungsleitendes Element und zwischen erstem Rücklauf und zweitem Rücklauf ein sich in Strömungsrichtung erstreckendes zweites strömungsleitendes Element angeordnet ist und diese strömungsleitenden Element jeweils in Form eines umfangsseitig offenen Rohres mit einem den Ausgleich eines Volumenstromes gewährleistenden Öffnungswinkel (α) ausgebildet sind.
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Der Öffnungswinkel des gebogenen umfangsseitig offenen strömungsleitenden Elementes liegt dabei bevorzugt zwischen 5° und 270°.
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Insbesondere weisen die quer Zur Strömungsrichtung offenen Seiten der Halbrohre voneinander weg und deren geschlossenen Seiten aufeinander zu.
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Bevorzugt weist das strömungsleitende Element, welches in Richtung zur Unterseite des Weichengehäuses angeordnet ist, eine umfangsseitige nach unten gerichtete Öffnung auf und das strömungsleitende Element, welches darüber in Richtung zur Oberseite des Weichengehäuses angeordnet ist, besitzt eine nach oben gerichtete umfangsseitige Öffnung.
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Vorteilhafter Weise ist das strömungsleitende Element jeweils in Form eines an beiden Enden und umfangsseitig offenen gebogenen Rohres, insbesondere in Form eines im Wesentlichen halben (im Querschnitt halbkreisförmigen) Rohres (Halbrohres), ausgebildet und wird somit als „Halbrohrschikane” bezeichnet.
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Es ist möglich ein Rohr längs in etwa mittig zu trennen und die beiden Hälften als halbrohrförmige strömungsleitende Elemente einzusetzen. Alternativ können auch zwei plattenförmige Elemente entsprechend der geforderten Form des strömungsleitenden Elementes umfangsseitig offen mit einem entsprechenden Öffnungswinkel gebogen werden. Alternativ ist es auch möglich, ein umfangsseitig geschlossenes Rohr zu verwenden und dies auf einer umfangsseitigen Hälfte mit einer sich längs erstreckenden Öffnung (entsprechend des erforderlichen Öffnungswinkels) zu versehen.
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Überraschender Weise wurde festgestellt, dass durch die zwischen ersten und zweiten Vorlauf und zwischen ersten und zweiten Rücklauf angeordneten strömungsleitenden Elemente durch die relativ großen Öffnungen, die den Austausch eines großen Volumenstroms zwischen dem sich im Weichengehäuse befindlichen Temperaturträgerfluid und dem Volumenstroms, der durch die strömungsleitenden Elemente fließt gewährleistet wird, wodurch einerseits das Strömungsverhalten des Temperaturträgerfluids wesentlich verbessert wird und zusätzlich Druckverluste im Vergleich zu herkömmlichen hydraulischen Weichen ohne strömungsleitende Elemente reduziert werden.
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Weiterhin kann mit dem erfindungsgemäßen System auch eine Erhöhung des Wirkungsgrades gewährleistet werden.
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Überraschender Weise wird auch bei einem großen Öffnungswinkel des Strömungsleitenden Elementes bis 270° noch eine gute Trennung zwischen dem Volumenstrom des Vorlaufes und dem Volumenstrom des Rücklaufes gewährleistet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 die Prinzipdarstellung einer hydraulischen Weiche eines Systems für eine Kühlung im Längsschnitt,
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2 den Schnitt A-A gemäß 1,
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3 strömungsleitendes Element mit einem Öffnungswinkel von α = 20°,
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4 strömungsleitendes Element mit einem Öffnungswinkel von α = 180° und
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5 strömungsleitendes Element mit einem Öffnungswinkel von α = 270°.
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Die hydraulische Weiche 1 ist gemäß 1 zwischen einem Erzeugerkreislauf K1 und einem Verbraucherkreislauf K2 angeordnet, wobei die Kälteerzeugung auf der Seite des Erzeugerkreislaufes K1 beispielsweise mit einer nicht dargestellten Kältemaschine erfolgt. Die hydraulische Weiche 1 besitzt ein sich vertikal erstreckendes Weichengehäuse 2 mit einer vertikalen Längsachse A. Das Weichengehäuse 2 weist einen Raum 3 für ein Temperaturträgerfluid auf.
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Dabei ist das Weichengehäuse 2 bevorzugt in Form eines Zylinders ausgebildet, dessen Höhe ein Vielfaches des Durchmessers des Zylinders beträgt. Bevorzugt beträgt die Höhe des Weichengehäuses 2 mehr als das 2-fache des Durchmessers des Zylinders. Selbstverständlich kann anstelle eines Zylinders auch eine andere Form für das Weichengehäuse gewählt werden. Das Weichengehäuse 2 weist an seiner Unterseite und an seiner Oberseite insbesondere eine konvex gebogene Form auf, die sich ebenfalls positiv auf das Strömungsverhalten des Temperaturträgerfluids auswirkt.
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Von dem Erzeugerkreislauf K1 führt ein erster Vorlauf 4 zum Weichengehäuse 2 und in dessen Raum 3. Der erste Vorlauf 4 mündet am unteren Bereich der Weiche in deren Raum 3. Im Wesentlichen fluchtend darüberliegend ist ein erster Rücklauf 5 vorgesehen, der ebenfalls durch das Weichengehäuse 2 mit dessen Raum 3 in Verbindung steht. Dem ersten Vorlauf 4 im Wesentlichen gegenüberliegend ist ein zweiter Vorlauf 6 und dem ersten Rücklauf 5 im Wesentlichen gegenüberliegend ist ein zweiter Rücklauf 7 am Weichengehäuse 2 in dessen Raum 3 mündend angebunden und mit dem Verbraucherkreislauf K2 gekoppelt.
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In dem Gehäuse 2 der hydraulischen Weiche 1 erstreckt sich zwischen dem ersten Vorlauf 4 und dem zweiten Vorlauf 6 ein in Strömungsrichtung der Vorlaufströmung V erstes strömungsleitendes Element 8 und zwischen erstem Rücklauf 5 und zweitem Rücklauf 7 ein sich in Strömungsrichtung der Rücklaufströmung R erstreckendes zweites strömungsleitendes Element 9. Das erste und das zweite strömungsleitende Element 8, 9 sind in Form von umfangsseitig offenen Halbrohren ausgebildet. Dabei weist die umfangsseitig offene Seite 8.1 des ersten strömungsleitenden Elementes nach unten und die umfangsseitig offene Seite 9.1 des zweiten strömungsleitenden Elementes 9 nach oben und der Öffnungswinkel α des Umfangs beträgt 180° (s. auch 2). Die aufeinander zu gerichteten Bereiche der strömungsleitenden Elemente 8, 9 sind dabei geschlossen.
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Das unten über den ersten Vorlauf 4 in Richtung der Vorlaufströmung V zugeführte Temperaturträgerfluid gelangt durch das Weichengehäuse 2 in das nach unten offene erste strömungsleitende Element 8 und über dieses mit gerichteter Strömung in den zweiten Vorlauf 6 des Verbraucherkreislaufes K2 und wird einem nicht dargestellten Verbraucher mittels einer oder mehrerer entsprechender Pumpen zugeführt. Von diesem Verbraucher wird das erwärmte Temperaturträgerfluid über den zweiten Rücklauf 7 des Verbraucherkreislaufes K2 durch das Weichengehäuse 2 in dessen Raum 3 eingebracht und über das nach oben offene zweite strömungsleitende Element 9 ebenfalls mit gerichteter Strömungsrichtung in Rücklaufströmung R in den ersten Rücklauf 5 des Erzeugerkreislaufes geleitet und dort der nicht dargestellten Kältemaschine zugeführt. Auch im Erzeugerkreislauf sind ein oder mehrere nicht dargestellte Pumpe vorgesehen.
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Das erste und das zweite strömungsleitende Element sind bevorzugt als Halbrohrschikanen ausgebildet und an beiden Enden sowie in Umfangsrichtung nach einer Seite offen.
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Wird das System zur Heizung eingesetzt, ist auf der Erzeugerseite beispielsweise ein Heizkessel angeordnet. In diesem Fall befinden sich der erste und zweite Vorlauf 4, 6 an der Oberseite der hydraulischen Weiche 1 und der erste und zweite Rücklauf im Bereich der Unterseite der hydraulischen Weiche. Die umfangsseitigen Öffnungen der strömungsleitenden Elemente 8, 9 weisen ebenfalls voneinander weg.
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Die Lösung ist mit einem Wärmeträgermedium in Form von Wasser oder anderen Wärme- oder Kälteträgern in Form von Flüssigkeiten betreibbar und kann zur Heizung und Kühlung kleiner und großer Systeme eingesetzt werden.
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In 3, 4 und 5 sind Varianten der strömungsleitenden Elemente 8, 9 mit einem Öffnungswinkel von α = 20° (3), von α = 180° (4) und α = 270° (5) dargestellt. Bei der 4 mit einem Öffnungswinkel von 180° wird somit ein halbes Rohr und bei 5 mit einem Öffnungswinkel von 270° nur ein viertel der Umfangswand eines Rohres als strömungsleitendes Element 8, 9 verwendet.
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Durch die großen unfangsseitigen Öffnungen der strömungsleitenden Elemente 8, 9 werden große Volumenströme mit nur geringen Druckverlusten zwischen Erzeugerkreislauf und Verbraucherkreislauf ausgeglichen. Es ist ein nur minimaler Strömungswiderstand beim Ansaugen bzw. Abgeben von Wärmeträgermedium für den Ausgleich des Volumenstroms zu verzeichnen, wobei gleichzeitig eine gute Trennung, zwischen dem Volumenstrom des Vorlaufes und dem Volumenstrom des Rücklaufes gewährleistet ist, selbst wenn nur ein Viertelrohr in Form eines gebogenen Bleches verwendet wird.
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Somit werden unerwünschte zusätzliche Mischvorgänge des Temperaturträgerfluids (Wärme- bzw. Kälteträger) zwischen Vor- und Rücklauf und dem im Weichengehäuse befindlichen Temperaturträgerfluid auf ein mögliches Minimum reduziert.
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Die Berechnung der hydraulischen Weichen erfolgt anhand der Volumenströme und Temperaturen bevorzugt mit Mitteln der Strömungssimulation.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- hydraulische Weiche
- 2
- Weichengehäuse
- 3
- Raum 3
- 4
- erster Vorlauf
- 5
- erster Rücklauf
- 6
- zweiter Vorlauf
- 7
- zweiter Rücklauf
- 8
- erstes strömungsleitendes Element
- 8.1
- umfangsseitig offene Seite von 8
- 9
- zweites strömungsleitendes Element 9
- 9.1
- umfangsseitig offene Seite von 9
- A
- Längsachse A
- K1
- Erzeugerkreislauf
- K2
- Verbraucherkreislauf
- R
- Rücklaufströmung
- V
- Vorlaufströmung
- α
- Öffnungswinkel
