DE102013111846B3

DE102013111846B3 - System und Verfahren zur Flüssigkeitserwärmung für die Mischgutherstellung

Info

Publication number: DE102013111846B3
Application number: DE201310111846
Authority: DE
Inventors: Wolfram Müller
Original assignee: ELEKTRO SCHMADERER E K; Elektro Schmaderer eK
Current assignee: ELEKTRO SCHMADERER E K; Elektro Schmaderer eK
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2033-10-29

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein System und Verfahren zur Flüssigkeitserwärmung für die Mischgutherstellung mit einem Wärmetauscher (3), über den die Flüssigkeit durch eine Wärmequelle (4) erwärmt wird und mittels einer Zirkulationspumpe (7) in einem Zirkulationsvolumen zirkuliert, und aus dem eine Flüssigkeitsmenge chargenweise in Entnahmezyklen über ein Ventil (8) entnommen wird, wobei das Zirkulationsvolumen aus dem Volumen des Wärmetauschers (3) und einer Zirkulationsleitung (5) gebildet ist und die Flüssigkeit in dem Zirkulationsvolumen mittels einer durch einen Regler (11) steuerbaren Heizleistung der Wärmequelle (3) erwärmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren der Flüssigkeitserwärmung für die Mischgutherstellung mit einem Wärmetauscher, über den die Flüssigkeit in einem Zirkulationsvolumen mittels einer Wärmequelle erwärmt wird, und aus dem eine Flüssigkeitsmenge chargenweise in Entnahmezyklen über ein Ventil entnommen wird.
Manche Herstellungsprozesse erfordern die zyklische Herstellung von Mischgut, beispielsweise Beton vor Ort derart, dass die zugefügte Flüssigkeit erwärmt wird, um für das Mischgut die erforderliche Temperatur für eine bestimmte Qualität, etwa für eine Betonaushärtungszeit zu erreichen. Beispielsweise kann bei der Ausbetonierung von Tunnelröhren eine günstige Temperatur für die Aushärtung der Betonmischung 15°C betragen. Die Ausgangsstoffe für den Beton, wie Flüssigkeit, Sand und Zement, liegen aber zunächst mit deutlich niedrigeren Temperaturen vor und sollen über die erwärmte Flüssigkeit, das Wasser, in der Mischung auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden. Dafür sind dann große Mengen erwärmten Wassers erforderlich, die in Zyklen abgegeben werden müssen.
Die bekannten Verfahren zur Herstellung von beispielsweise Beton mit erwärmtem Wasser sehen große Wassertanks vor, in denen das Wasser direkt oder über externe Heizquellen mit Wärmetauschern erwärmt und dann über Mischventile mit kalter Flüssigkeit gemischt in der gewünschten Temperatur und Menge abgegeben wird. Die Anlagen zu einer solchen Wassererwärmung sind entweder aufgrund ihres großen Warmwasservorratsvolumens und der zusätzlichen Apparatur aufwendig und erfordern viel Platz oder bedingen aufgrund hoher Heiztemperaturen und des großen Tanks Speicherenergieverluste und zusätzliche Energie, was die Betonherstellung auf der Baustelle verhindert oder den Herstellungsprozess verteuert. Oft erreichen sie auch die Flüssigkeitstemperatur bei kurzen Zykluszeiten aufgrund ihrer schlechten Regelbarkeit nur zu ungenau.
In der Patentanmeldung GB 2 333 291 A ist ein Verfahren zur Erwärmung von Wasser in einem Wassertank beschrieben, bei dem jeweils so viel Wasser über Elektroheizstäbe erwärmt wird, wie in einem Zyklus für die Betonherstellung benötigt wird. Die entnommene Wassermenge wird durch frisches Wasser ersetzt und dieses dann wiederum erwärmt. Die Zykluszeiten der Wasserentnahme und der Entnahmepausen sind nach unten durch den Regelaufwand und die Höhe der zugeführten elektrischen Leistung begrenzt. Abhängig von der Zahl und Größe der Heizstäbe sind kurze Zykluszeiten nicht möglich.
In der Patentanmeldung EP 0 303 554 A2 ist ein Wassererwärmungssystem beschrieben, bei dem das Wasser eines wärmeisolierten Tanks kontinuierlich über einen externen Wärmetauscher und eine Zirkulationsleitung zwischen dem Wärmtauscher und dem Tank aufgeheizt wird. Die Erwärmung ist nicht an die Entnahmezyklen gebunden und es können verschiedene Wassermengen entnommen werden. Es wird aber ein großer Tank für das erwärmte Wasser benötigt, das eine hohe Vorlauftemperatur besitzen muss. Auch sind zusätzliche Leitungen und Pumpen für die Entnahme des erwärmten Wassers erforderlich
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Flüssigkeitserwärmungssystem zu offenbaren, bei dem ein Zirkulationsvolumen für die Flüssigkeit mit Wärmetauscher vorgesehen ist, aus dem die erwärmte Flüssigkeit in Zyklen chargenweise direkt entnommen wird und die Entnahmepausen zur Erwärmung der Flüssigkeit über den Wärmetauscher genutzt werden.
Diese Aufgaben werden mit dem System nach Anspruch 1 und dem Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Flüssigkeitserwärmungssystem für die Mischgutherstellung ist mit einem Wärmetauscher versehen, über den die Flüssigkeit in einem Zirkulationsvolumen mittels einer Wärmequelle erwärmt wird, und aus dem eine Flüssigkeitsmenge chargenweise in Entnahmezyklen über ein Ventil entnommen wird. Das Zirkulationsvolumen ist aus dem Volumen des Wärmetauschers und einer Zirkulationsleitung gebildet. Die Flüssigkeit zirkuliert in dem Zirkulationsvolumen mittels einer Zirkulationspumpe und ist mittels einer durch einen Regler in ihrer Heizleistung steuerbaren Wärmequelle erwärmbar.
Mit der Zirkulierung der Flüssigkeit im Zirkulationsvolumen mit dem Wärmetauscher und der Zirkulationsleitung mittels der Zirkulationspumpe kann in den Entnahmepausen die durch die Entnahme in den Wärmetauscher nachfließende Flüssigkeitsmenge erwärmt werden. Dieser Zyklenbetrieb erlaubt es, das Zirkulationsvolumen nur in etwa der Größe der maximal zu entnehmenden Flüssigkeitsmenge auszulegen und an die erforderliche Zykluszeit und Temperaturgenauigkeit anzupassen. Weiterhin werden gegenüber bekannten Anlagen kürzere Zykluszeiten erreicht und eine geringere Leistung oder Energiemenge benötigt. Das hier vorgeschlagene Flüssigkeitserwärmungssystem kann aufgrund seines geringen apparativen Aufwands für zeitweise Einsätze beispielsweise auf Baustellen aber auch in stationären Herstellbetrieben genutzt werden.
Bei größeren Entnahmemengen, kürzerer Zykluszeit oder größerer geforderter Regelgenauigkeit kann das Zirkulationsvolumen durch einen zusätzlichen Speichertank vergrößert werden. Der Wärmetauscher kann dabei weiter klein gehalten werden.
Die Wärmequelle für den Wärmetauscher besteht vorzugsweise aus elektrischen Heizstäben, deren Heizleistung durch den Regler gesteuert ist. So kann die in das Flüssigkeitserwärmungssystem eingebrachte Energie gesteuert werden. Ein elektrischer Stromanschluss ist auch bei zeitweiser Aufstellung wie auf Baustellen verfügbar.
Die Wärmequelle für den Wärmetauscher kann auch als eine Öl- oder Gasfeuerung ausgebildet sein, deren Heizleistung durch den Regler gesteuert ist. Entsprechender Brennstoff ist ebenfalls oft auf Baustellen vorhanden.
Die Regelung des Systems wird weiter verbessert, wenn auch die Zirkulationspumpe in ihrer Förderleistung durch den Regler steuerbar ist.
Das Ventil für die Entnahme der erwärmten Flüssigkeit ist vorteilhaft in der Zirkulationsleitung angeordnet. Dabei kann das Ventil vor oder hinter der Zirkulationspumpe angeordnet sein. Es ist keine zusätzliche Förderpumpe für die Flüssigkeitsentnahme erforderlich, sondern der Druck der Zirkulationspumpe oder der Eintrittsdruck der nachfließenden kalten Flüssigkeit ist für die Entnahme genügend hoch.
Das Ventil ist ein Drei-Wege-Ventil, das bevorzugt durch den Regler gesteuert ist. Dies ist vorteilhaft, wenn das Flüssigkeitserwärmungssystem für feste Entnahmezyklen mit vorbestimmten Flüssigkeitsmengen genutzt wird. Es kann die Entnahme über das Ventil aber auch von Hand am Ventil oder über die Mischanlage gesteuert werden. Durch die Ausbildung als Drei-Wege-Ventil kann die Flüssigkeit sowohl zirkulieren als auch entnommen werden.
Das hier beschriebene Flüssigkeitserwärmungssystem kann vorteilhaft auf Betonbaustellen genutzt werden, wenn der Wärmtauscher, das Zirkulationsvolumen, die Zirkulationspumpe, der Regler und das Ventil in einem transportierbaren Container untergebracht sind. Dies ist besonders auf langgestreckten Baustellen, wie etwa Tunnelröhren, von Vorteil.
Das Verfahren für die Flüssigkeitserwärmung bei einer Mischgutherstellung mit einem vorbeschriebenen Flüssigkeitserwärmungssystem sieht vor, dass die Flüssigkeit während eines Entnahmezyklus aus dem Zirkulationsvolumen mit einer gewünschten Entnahmetemperatur entnommen wird, kalte Flüssigkeit mit einer Eintrittstemperatur aus einer Zuflussleitung nachströmt, die Flüssigkeit zwischen den Entnahmezyklen mit dem Zirkulationsvolumen und dem Wärmetauscher zirkuliert und die Flüssigkeit mit einer durch den Regler gesteuerten Heizleistung erwärmt wird.
Durch das Verfahren wird ein zirkulierendes, die Wärmetauscheroberfläche umströmendes Zirkulationsvolumen bei möglichst klein und einfach gehaltenem Wärmetauscher erhalten, dessen Trägheit überwunden wird, die sich aufgrund seiner Wärmekapazität, seiner Wärmeübergangsverhältnisse, und seiner schwierigen Regelbarkeit ergibt.
Die Regelung des Systems wird weiter verbessert, wenn auch die Zirkulationspumpe in ihrer Förderleistung durch den Regler gesteuert wird.
Weiterhin werden das zirkulierende Volumen und die für die Zirkulation erforderliche Förderleistung der Zirkulationspumpe sowie die dem Wärmetauscher zugeführte Energie durch einen adaptiven oder prädiktiven Regelalgorhythmus im Regler mit Messdaten aus dem laufenden Betrieb minimiert. Zu den Messdaten gehören die Temperaturen der Zirkulationsleitung am Eingang und am Ausgang des Wärmetauschers und des Mischgutes.
Eine Ausführung des Flüssigkeitserwärmungssystems ist in der 1 beispielhaft dargestellt.
1 zeigt schematisch das Flüssigkeitserwärmungssystem. Kalte Flüssigkeit gelangt über die Zuflussleitung 1 und das Rückschlagventil 2 in den Wärmetauscher 3. In diesem wird die Flüssigkeit durch die Wärmequelle 4 erwärmt. Der Regler 11 steuert die Erwärmung. Über die Zirkulationsleitung 5 gelangt die erwärmte Flüssigkeit in den optionalen Speichertank 6. Die Zirkulationspumpe 7 fördert die erwärmte Flüssigkeit durch das Ventil 8 und über die Rückleitung 10 als Teil der Zirkulationsleitung zurück in den Wärmetauscher 3. An dem Ventil 8 wird über die Entnahmeleitung 9 die erwärmte Flüssigkeit abgenommen. Dies kann über den Regler 11 oder manuell oder über eine Fremdsteuerung erfolgen. Die Zirkulationspumpe 7 kann auch hinter dem Ventil 8 angeordnet sein, da der Flüssigkeitsdruck üblicherweise genügend hoch ist, um die Entnahme durchführen zu können. Der Regler 11 steuert die Erwärmungs- und Entnahmezyklen durch Schalten des Ventils 8 oder der Zirkulationspumpe 7. Die Regelvorgange werden durch die Temperaturen der Zirkulationsleitung vor und hinter dem Wärmetauscher 3 beeinflusst. Zur Erfassung der Temperaturen sind der Temperatursensor 12 am Ausgang des Wärmetauschers und der Temperatursensor 13 am Eingang des Wärmetauschers 3 vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1: Zuflussleitung
2: Rückschlagventil
3: Wärmetauscher
4: Wärmequelle
5: Zirkulationsleitung
6: Speichertank
7: Zirkulationspumpe
8: Ventil
9: Entnahmeleitung
10: Rückleitung
11: Regler
12: Temperatursensor am Ausgang des Wärmetauschers 3
13: Temperatursensor am Eingang des Wärmetauschers 3

Claims

Flüssigkeitserwärmungssystem für die Mischgutherstellung mit einem Wärmetauscher (3), über den die Flüssigkeit durch eine Wärmequelle (4) erwärmt wird und mittels einer Zirkulationspumpe (7) in einem Zirkulationsvolumen zirkuliert, und aus dem eine Flüssigkeitsmenge chargenweise in Entnahmezyklen über ein Ventil (8) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkulationsvolumen aus dem Volumen des Wärmetauschers (3) und einer Zirkulationsleitung (5) gebildet ist und die Flüssigkeit in dem Zirkulationsvolumen mittels einer durch einen Regler (11) steuerbaren Heizleistung der Wärmequelle (3) erwärmbar ist.
Flüssigkeitserwärmungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkulationsvolumen durch einen zusätzlichen Speichertank (6) vergrößert ist.
Flüssigkeitserwärmungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (4) aus elektrischen Heizstäben besteht.
Flüssigkeitserwärmungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (4) aus einer Öl- oder Gasfeuerung besteht oder aus einer Prozessenergie bereitgestellt ist.
Flüssigkeitserwärmungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (8) in der Zirkulationsleitung (5, 10) angeordnet ist.
Flüssigkeitserwärmungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulationspumpe (7) in ihrer Förderleistung durch den Regler (11) regelbar ist.
Flüssigkeitserwärmungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (8) ein Drei-Wege-Ventil ist, dass durch den Regler (11) gesteuert ist.
Flüssigkeitserwärmungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen der Flüssigkeit in der Zirkulationsleitung (5) und in einer Zuflussleitung (1) für kalte Flüssigkeit über Temperatursensoren für den Regler (11) messbar sind.
Flüssigkeitserwärmungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmtauscher (3), das Zirkulationsvolumen, die Zirkulationspumpe (7), der Regler (11) und das Ventil (8) in einem transportierbaren Container untergebracht sind.
Verfahren zur Flüssigkeitserwärmung in einem Flüssigkeitserwärmungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Flüssigkeit während eines Entnahmezyklus aus dem Zirkulationsvolumen mit einer gewünschten Entnahmetemperatur entnommen wird, – kalte Flüssigkeit mit einer Eintrittstemperatur aus einer Zuflussleitung (1) nachströmt, – die Flüssigkeit zwischen den Entnahmezyklen mit dem Zirkulationsvolumen und dem Wärmetauscher (3) zirkuliert und – die Flüssigkeit mit einer durch den Regler (11) gesteuerten Heizleistung erwärmt wird.
Verfahren zur Flüssigkeitserwärmung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulationspumpe (7) in ihrer Förderleistung durch den Regler (11) geregelt wird.
Verfahren zur Flüssigkeitserwärmung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für eine vorgegebene Entnahmemenge mit einer gewünschten Flüssigkeitstemperatur und eine vorgegebene Zykluszeit das Zirkulationsvolumen und die die Heizleistung durch einen adaptiven oder prädiktiven Regelalgorhythmus im Regler (11) minimiert werden.