DE102012007404A1 - Druck-Speicherbehälter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druck-Speicherbehälter mit einem mittleren Abschnitt (10) mit einem Mantel und einem ersten und zweiten Ende, welche jeweils eine bogenförmige und krümmungsstetige Kappe (20) aufweisen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druck-Speicherbehälter insbesondere für Haustechnikgeräte.
• Druckbehälter für Flüssigkeiten und Gase sind seit langem bekannt. Druckbehälter werden beispielsweise als Speicher für Trinkwasser, Speicherbehälter für Trinkwarmwasser, Behälter in Trinkwasserinstallationen etc. verwendet. Alternativ dazu können Druckbehälter auch als Speicher und Ausdehnungsgefäße in Heizungsanlagen verwendet werden.
• Die Druckbehälter weisen typischerweise einen kombinierten Körper auf, wobei ein Mantel zylindrisch ausgestaltet ist und der Boden bzw. die Kappe bombiert ausgestaltet ist. Beispiele hierfür sind ein Klöpperboden nach DIN 28011 oder ein Korbboden nach DIN 28013.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Speicher-Druckbehälter vorzusehen.
• Diese Aufgabe wird durch einen Druck-Speicherbehälter nach Anspruch 1 gelöst.
• Somit wird ein Druck-Speicherbehälter vorgesehen, der einen mittleren Bereich und ein erstes und zweites Ende aufweist. Der Mantel des mittleren Abschnitts ist z. B. zylinderförmig, bombiert oder kegelförmig ausgestaltet und das erste und zweite Ende sind jeweils bogenförmig ausgestaltet, wobei der Übergang zwischen dem mittleren Abschnitt und dem ersten und zweiten Ende krümmungsstetig erfolgt und die ersten und zweiten Enden krümmungsstetig ausgestaltet sind.
• Mit anderen Worten, der Boden und/oder die Kappe des Druckbehälters ist krümmungsstetig ausgestaltet und schließt sich krümmungsstetig an einen mittleren Abschnitt an.
• Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, dass ein meridianer Spannungsgradient bei einem zylindrischen Behälter mit gewölbtem Boden (Klöpperboden, Korbboden) im Bereich von 2,0 bis 3,0 liegt. Ein Raumnutzungsgrad (Nettovolumen zu Brutto-Raumbedarf) liegt zwischen 70 und 78%.
• Bei der erfindungsgemäßen krümmungsstetigen Anpassung der Kappen/Boden an den Behältermantel kann ein Raumnutzungsgrad von ca. 70% erreicht werden. Der Behältermantel kann im Wesentlichen zylindrisch, bombiert und/oder kegelförmig ausgestaltet sein. Ferner kann ein meridianer Spannungsgradient von ≤ 1,2 erhalten werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft im Hinblick auf eine dauerfeste Auslegung des Druckbehälters, weil die Materialstärke damit auch an die höchsten mechanischen Belastungen angepasst ist und eine gleichmäßige Spannungsverteilung (geringer Spannungsgradient) innerhalb der Behälterwandung erreicht werden kann. Durch den geringen Spannungsgradienten kann die Grundwandstärker vereinheitlicht und minimiert werden, ohne dass die Haltbarkeit des Behälters reduziert wird. Da hohe lokale Spannungsgradienten vermieden werden können, kann auch eine Ermüdung des Behältermaterials vermieden werden.
• Der Behälter kann aus Kunststoff, Stahl oder Kupfer hergestellt werden. Der Behälter ist insbesondere dazu ausgelegt, einem Druck von insbesondere 10 bar standhalten zu können. Ferner kann der Behälter dazu ausgelegt sein, Warmwasser mit einer Temperatur von bis zu 90° zu speichern.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Druckbehälters mit einem Korbboden gemäß dem Stand der Technik,
• 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Druckbehälters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
• 3 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung eines meridianen Spannungsverlaufes bei verschiedenen Druckbehältern,
• 4 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung eines Ausschnitts einer Kappe eines Druckbehälters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
• 5 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung von Tangenten des Ausschnitts von 4,
• 6 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung der Krümmung des Behälters von 4, und
• 7 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung des Krümmungsgradienten des Behälters von 4.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Druckbehälters mit einem Korbbogenboden gemäß dem Stand der Technik. Der Druckbehälter weist einen zylindrischen Abschnitt 10 mit einem Durchmesser D₀ auf. Der Behälter besteht somit in diesem mittleren Abschnitt 10 aus einem zylindrischen Mantel mit einem Durchmesser D₀. An den Enden der Mantelflächen schließt sich zunächst ein Krempenabschnitt 20a und anschließend ein Kalottenabschnitt 20b an, welche zusammen die Kappe bzw. den Boden 20 bilden. In dem Krempenabschnitt 20a entspricht der Krümmungsradius r = 0,8 x dem Durchmesser und C1 = 1/R1. Im Kalottenabschnitt 20b entspricht der Krümmungsradius r2 = 0,154 × D₀.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Druckbehälters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Druckbehälter weist einen mittleren Abschnitt 10 mit einem zylindrischen Mantel 10 und einem Durchmesser von D₀ auf. An den beiden Enden 11, 12 des zylindrischen Mantels 10 ist ein Boden bzw. eine Kappe 20 vorgesehen, welche krümmungsstetig ausgestaltet sind und sich krümmungsstetig an die Mantelflächen 10 anschließen. Die Höhe h der Kappe bzw. des Bodens 20 gehorcht der folgenden Gleichung: 0,1 D₀ <= h <= 2 D₀.
• Insbesondere folgt die Höhe h der folgenden Gleichung: 0,5 D₀ ≤ h ≤ 0,8 D₀.
• 3 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung eines meridianen Spannungsverlaufes bei verschiedenen Druckbehältern. In 3 ist der meridiane Spannungsverlauf bei einem Klöpperboden B1, einem Korbboden B2 und einem krümmungsstetigen Boden B3 gemäß der Erfindung gezeigt. Aus dem Graphen von 3 kann somit geschlossen werden, dass ein krümmungsstetiger Boden B3 einen wesentlich besseren meridianen Spannungsverlauf als die bekannten Klöpperboden B1 und Korbboden B2 aufweist. Insbesondere zwischen 50 und 100 ist die Verbesserung deutlich zu sehen.
• 4 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung eines Ausschnitts einer Kappe eines Druckbehälters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. In 4 ist ein Ausschnitt der Kappe bzw. des Bodens 20 gezeigt. Ferner ist eine Kontrollkurve KK gezeigt. Der Verlauf der Kappe bzw. des Bodens 20 kann beispielsweise durch eine Bezierkurve berechnet werden.
• 5 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung von Tangenten des Ausschnitts von 4. In 5 ist insbesondere der Verlauf der Tangente für den in 4 gezeigten Verlauf dargestellt.
• 6 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung der Krümmung des Behälters von 4. In 6 ist der Verlauf der Krümmung für den in 4 gezeigten Verlauf des Bodens 20 gezeigt.
• 7 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung des Krümmungsgradienten des Behälters von 4. In 7 ist der Krümmungsgradient des in 4 gezeigten Verlaufs dargestellt.
• Die Stetigkeit einer Kurve kann verschiedene t Grade (0 bis 2) aufweisen. Bei einem Grad 0 (C0) wird von einer Positionsstetigkeit ausgegangen. Dies bedeutet, eine Kurve schließt jeweils am Anfangs- (t = 0) und Endpunkt (t = 1) an die benachbarten Kurven an, wobei sie die benachbarte Kurve genau trifft, d. h. die Position ist identisch. Bei einem Grad 1 (C1) wird von einer Tangentenstetigkeit ausgegangen. Die Tangentenstetigkeit beruht auf der ersten Ableitung der Funktion der Kurve. Die Kurve schließt sich am Anfangs- (t = 0) und am Endpunkt (t = 1) an die benachbarte Kurve an, und zwar derart, dass sie dort die benachbarte Kurve genau trifft (positionsidentisch) und gleichzeitig die Tangente an der Kurve der Tangente an der benachbarten Kurve entspricht (die Tangente ist identisch). Die Krümmungsstetigkeit (C2) beruht auf der zweiten Ableitung der Funktion der Kurve und stellt eine Kurve dar, welche jeweils am Anfangs- (t = 0) und am Endpunkt (t = 1) an die benachbarte Kurve anschließt, und zwar derart, dass sie dort die benachbarte Kurve genau trifft (positionsidentisch) und gleichzeitig die Tangente an die Kurve der Tangente an die benachbarte Kurve entspricht (die Tangente ist identisch) und gleichzeitig die Krümmung der Kurve der Krümmung der benachbarten Kurve entspricht (Krümmung ist identisch).
• Die Kappe/der Boden kann durch ein Bezierpolynom beschrieben werden.
• Kontrollpunkte des Kontrollpolygons für das Bezierpolynom sind wie folgt:

  
• Bezierpolynom (in Vektorschreibweise)
• BK(t) := –(t – 1)⁵·P₀ + 5t·(t – 1)⁴·P₁ – 10t²·(t – 1)³·P₂ + 10t³·(t – 1)²·P₃ – 10t⁴·(t – 1)·P₄ + t⁵·P₅
• Bezierpolynom (in Koordinatenschreibweise; x-, y- und z-Koordinate

  
• Definition der Randbedingungen

  
• Die Aufgabe des Berechnungsblattes ist die Generierung des Kontrollpunktnetzes (Kontrollpolygons) zur Konstruktion einer dreidimensionalen Bezierkurve mit den vorgegebenen Randbedingungen:
  Position, Tangente sowie Krümmung jeweils am Anfangs- und Endpunkt der Kurve. Die Werte der jeweiligen Randbedingungen werden jeweils in x-, y- und z-Koordinate in der Matrix (Y) definiert. Im Vektor Yg wird der Grad der Randbedingung definiert (0 = Position, 1 = Tangente, 2 = Krümmung), im Vektor Yt die Position auf der Kurve (0 = Anfang, 1 = Ende).

  
• Das Bezierpolynom wird in Vektorform bestimmt um später die Berechnung des Kontrollpolygons durch einfache Matrizen-/Vektoroperationen zu ermöglichen. Ferner werden die erste und zweite Ableitung des Polynoms bestimmt, um auch die Randbedingungen höheren Grades auswerten zu können. Alles zusammen wird als verschachteltes Feld (Spaltenvektor aus Zeilenvektoren) aufgebaut.
• 
• Der Zusammenbau der Koeffizientenmatrix zur Bestimmung der Kontrollpunkte entsprechend der Gleichung erfolgt wie folgt:

  
• Die Berechnung der k + 1 Kontrollpunkte des Kontrollpolygons erfolgt wie folgt:

  
• Letztlich wird ein quadratisches, lineares, inhomogenes Gleichungssystem mit (k + 1) Unbekannten mittels Matrizenmultiplikation gelöst.
• 
• Der Druckbehälter kann als Warmwasserspeicher, als Brauchwasserspeicher bzw. Heizungswasserspeicher etc. verwendet werden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• DIN 28011 [0003]
• DIN 28013 [0003]

Claims (3)

1. Druck-Speicherbehälter, mit einem mittleren Abschnitt (10) mit einem Mantel und einem ersten und zweiten Ende, welche jeweils eine bogenförmige und krümmungsstetige Kappe (20) aufweisen.
2. Behälter nach Anspruch 1, wobei der Behälter aus Kunststoff ist.
3. Behälter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Geometrie der Kappen einer Bezierfunktion folgt.

Images