DE102016012700B4

DE102016012700B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Vordruckprüfung von Membran-Druckausdehnungsgefäßen (MAG) mit flüssigkeitsseitiger Füllung

Info

Publication number: DE102016012700B4
Application number: DE102016012700.7A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Haas Michael De
Priority date: 2016-05-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2036-10-26
Also published as: DE102016012700A1

Abstract

Verfahren zur Messung des Ist-Vordrucks p0,ISTeines Membran-Druckausdehnungsgefäßes (MAG) (7) mit unbekannter, flüssigkeitsseitiger Füllung und mit Kenntnis des Nennvolumens des Membran-Druckausdehnungsgefäßes (7), wobei mittels einer Anschlussleitung (1) das Membran-Druckausdehnungsgefäß (7) mit zwei ansteuerbaren Ventilen (2) und (3) und einem Druckmessumformer (4) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Ventils (3) ein Gasvolumen Vaaus dem Membran-Druckausdehnungsgefäß (7)über ein Volumenstrom-Messgerät (5.1) oder eine Messdüse (5.2) in die Umgebungsluft entlassen wird, bis sich der am Druckmessumformer (4) gemessene Druck vom Start-Druck p2zum Enddruck der Messung p1abgesenkt hat, wobei mit den derart ermittelten Messwerten p1, p2, Vaund dem bekannten Atmosphärendruck pa, der Ist-Vordruck p0,ISTberechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vordruckprüfung von Membran-Druckausdehnungs-gefäßen (MAG) mit flüssigkeitsseitiger Füllung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Ein häufiger Anwendungsfall von Membran-Druckausdehnungsgefäße (MAG) ist der Einsatz in geschlossenen Heiz-, Kühl- und Solaranlagen. Die durch Temperaturänderung des Wärmeträgers entstehende Volumenänderung wird durch ein MAG aufgenommen bzw. abgegeben. Dafür stellt das MAG einen kompressiblen Gasraum zur Verfügung. Die Gas- und die Wasserseite im MAG werden durch eine Gummimembran getrennt.
Der im Gasraum aufgebrachte Druck im leeren MAG wird im Allgemeinen Vordruck genannt. Er muss den Anlagengegebenheiten angepasst werden und ist für die ordnungsgemäße Funktion eines MAG eine wesentliche Größe. Das für den Vordruck genutzte Gas diffundiert langsam durch das Material der Membran hindurch. Somit baut sich der Vordruck im Laufe der Zeit ab und muss im Zuge der Wartungsarbeiten ergänzt werden.
Stand der Technik ist die Vordruckeinstellung bei flüssigkeitsseitig drucklosem MAG. Hierfür muss das MAG entleert werden, was zu den folgenden Problemen führt.
So ist bei den im Stand der Technik üblichen Verfahren nachteilig, dass beim Wärmeträger Wasser das für die Vordruckprüfung entleerte Wasser in der Regel abgelassen und durch frisches Trinkwasser ersetzt wird, was zu einem unerwünschten erhöhter Ressourcenbedarf führt. Es ist zu berücksichtigen, dass es sich hierbei bei großen Anlagen durchaus um mehrere 1000 Liter Wasser handeln kann.
Zudem entstehen Nachteile für die zu prüfende Anlage daraus, dass eigentlich gemäß der Richtlinienreihe VDI 2035 „Vermeidung von Schäden in Warmwasser-Heizungsanlagen“ das Anlagenwasser möglichst wenig durch frisches Trinkwasser ersetzt werden sollte, um Sauerstoffeintrag und Steinbildung in der Anlage zu vermeiden. Um der VDI 2035 bzw. den Vorgaben der Wärmeerzeuger-Hersteller gerecht zu werden, sollte das Ergänzungswasser daher in den meisten Fällen aufbereitet werden. Dies geschieht mit einem damit verbundenen nicht unerheblichen technischen Aufwand und den daraus resultierenden zusätzlichen Kosten.
Wird als Wärmeträger ein Wasser-Glykol-Gemisch eingesetzt, wie dies z.B. in Solaranlagen der Fall ist, muss der Wärmeträger aufgefangen und anschließend über eine Pumpe wieder ins System eingebracht und die Anlage entlüftet werden. Bei Verwendung eines Wasser-Glykol-Gemisches entsteht somit ein noch höherer Aufwand bei der Prüfung, was insbesondere zeit- und kostenintensiv ist.
Diese gängige Praxis ist wie erläutert aufwändig, was dazu führt, dass die angestrebte jährliche Prüfung des Gefäßvordrucks deshalb oft nicht durchgeführt wird. Dadurch resultiert häufig ein verfrühter Ausfall der MAG aufgrund der nicht eingehaltenen Wartungsintervalle.
In der Druckschrift DE 43 20 383 A1 wird bereits ein Verfahren zur Messung eines Ist-Gasvorspannungsdruckes beschrieben. Allerdings findet dieses Verfahren nur unter bestimmten eingeschränkten Bedingungen Anwendung, da das genannte Verfahren dieser Offenlegungsschrift durch die Art der Anwendung in Kreisläufen mit relativ hohen Drücken begrenzt ist. Dies begründet sich darin, dass die in der Druckschrift offenbarte technische Lösung auf eine Anwendung bei Heiz- bzw. Kälteanlagen abzielt, bei welchen größere MAG mit wesentlich geringeren Drücken verwendet werden.
Es ist jedoch zu bedenken, dass bei geringen Drücken ein Messkammervolumen mit einem Bruchteil des Gefäßvolumens Druckdifferenzen erzeugt, die im Bereich eines tausendstel Bars liegen können. Diese kleinen Druckdifferenzen wären nach dem offenbarten Verfahren der DE 43 20 383 A1 daher nur mit entsprechend großem Aufwand oder nur mit großen Fehlern zu messen.
Ein weiterer Aspekt der in der DE 43 20 383 A1 offenbarten Lösung ist, dass für die Messung unbedingt das Gefäß abzusperren ist. Geschieht dies nicht, werden eventuelle Gaseinschlüsse im gesamten System mitgemessen und führen zu einem fehlerhaften Ergebnis. Der Soll-Druck für das Gefäß im aktuellen Zustand muss ebenfalls berechnet werden. Es wird in der Offenbarung allerdings nicht erwähnt, dass die durchgeführten Berechnungen mit den Werten des Absolut-Druckes zu rechnen sind. Durch Deduplikation bzw. Umformung kann die verwendete Formel zur Bestimmung der Ist-Gasvorspannung in eine wesentlich einfachere Form gebracht werden.
Eine weitere den Stand der Technik bildende Druckschrift ist die DE 10 2014 014 638 A1 , in der ebenfalls eine Inhaltsmessung durch Luftdruck erläutert wird. Der Körper, dessen Inhalt gemessen werden soll, ist nicht als Körper definiert, dessen Form sich bei Druckänderungen nicht ändern darf. Wie auch in der erstgenannten Offenlegungsschrift werden die Drücke als Überdrücke eingesetzt. Die Berechnung muss jedoch mit Absolut-Drücken erfolgen. Ein Messgerät wird nicht beschrieben.
Daher ist der Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften mit Blick auf dessen Klarheit und Ausführbarkeit sehr fragwürdig, da weder die DE 10 2014 014 638 A1 noch die DE 35 10 574 A1 nachvollziehbare technische Lehre offenbaren.
Die Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahren zur Vordruckprüfung eines Membran-Druckausdehnungsgefäßes (MAG) bei flüssigkeitsseitiger Füllung liegt darin, ein Verfahren zu schaffen, bei dem seitens des Messvolumens keine Begrenzung durch die Größe der Messkammer vorliegt und das auch zur Messung beliebig großer Gefäße bei geringem Druck genutzt werden kann. Desweiteren soll eine Errechnung des erforderlichen Soll-Drucks im MAG mit flüssigkeitsseitiger Füllung ermöglicht werden.
Diese Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie eine nach dem Verfahren arbeitende Einrichtung.
Die Unteransprüche 2 und 3 betreffen vorteilhafte Ausbildungen dieses erfindungsgemäßen Verfahrens.
Anspruch 4 betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Durch die Erfindung wird der Ist-Gasvordruck eines mit Flüssigkeit gefüllten Membran-Druckausdehnungsgefäßes (MAG) ermittelt, indem das Volumen des verbleibenden Gasraumes mittels der austretenden Gasmenge gemessen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zudem zur Volumenbestimmung beliebiger druckfester Gasräume mit fester Form oder zur Volumenbestimmung eines entleerten Rohrnetzes genutzt werden. Hierbei ist vorteilhaft, dass eine Einschränkung der Anwendung in Bezug auf die messbaren Messkammergrößen nicht besteht. Auch ist die Bestimmung z.B. eines Behälterfüllstands möglich, indem sich der Füllstand aus der Differenz der Behältergröße und dem gemessenen Gasvolumen ergibt.
Eine weitere Nutzungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Messung der Volumina von freien Gasen in geschlossenen Kreisläufen.
Zur Durchführung des Verfahrens wird die Größe des aktuellen Gasraumes im MAG durch Gasentnahme aus dem MAG bestimmt. Idealerweise wird hierfür zur Ergänzung des Vordruckes Stickstoff genutzt. Alternativ kann beim praktischen Einsatz der Messung auch Druckluft verwendet werden. Im Folgenden wird das genutzte gasförmige Medium allgemein als Gas bezeichnet.
Für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 wird zunächst das Membran-Druckausdehnungsgefäß flüssigkeitsseitig abgesperrt. Das zu einer vorgegebenen Druckänderung benötigte Gasvolumen wird beim Ablassen des Gases in die Atmosphäre gemessen. Zunächst befindet sich also ein Start-druck p₁ im Behälter. Nach dem Ablassen des Gases wird dann der geringere Druck p₂ gemessen.
Die Gasabfuhr erfolgt in die Umgebungsluft und stellt einen wesentlichen vorteilhaften Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der diesbezüglichen Vorrichtung dar. Der Vorteil liegt darin, dass der Atmosphärendruck der Umgebungsluft nahezu konstant ist und die vorhandenen Druckabweichungen einen vernachlässigbaren Fehler im Ergebnis der Messung mit sich bringen, wobei eine Einschränkung der Anwendung in Bezug auf die messbaren Messkammergrößen so nicht besteht.
Die Messung der aus dem Gefäß austretenden Gasmenge erfolgt z.B. mittels eines Volumenstrom-Messgeräts oder einer eingemessenen Düse. Aus der Messung ergibt sich das in die Umgebungsluft abgelassene Gasvolumen V_a, sowie die resultierende Druckänderung p₁-p₂. Bei all diesen Berechnungen sind die Drücke als Absolut-Drücke einzusetzen.
Bei isothermer Zustandsänderung ergibt sich unter Nutzung des Gesetzes von Boyle und Mariotte das Volumen V₁ wie folgt: $p_{0} \cdot V_{0} = p_{1} \cdot V_{1} = p_{2} \cdot V_{1} = p_{2} \cdot V_{1} + p_{a} \cdot V_{a}$
$V_{1} = V_{a} \cdot \frac{p_{a}}{p_{1} - p_{2}}$
Der durch die Erfindung festzustellende IST-Vordruck P_0,IST im MAG ergibt sich aus der Formel: $p_{0, I S T} = p_{2} \cdot \frac{V_{1}}{V_{0}}$
Zusammengefasst folgt aus (F1.2) und (F2): $p_{0, I S T} = \frac{p_{2} \cdot p_{a}}{p_{1} - p_{2}} \cdot \frac{V_{a}}{V_{0}}$
Mit dem, dem Einsatz entsprechenden, bekannten Vordruck p_0,soll, wird anschließend der im aktuellen Füllzustand benötigte Druck p_2,soll berechnet.
Der Soll-Druck p_2,soll mit flüssigkeitsseitiger Füllung wird berechnet: $p_{2, s o l l} = p_{0, s o l l} \cdot \frac{_{V_{0}}}{V_{1}}$
Zusammengefasst folgt aus (F1.2) und (F3): $p_{2, s o l l} = (p_{1} - p_{2}) \cdot \frac{p_{0, s o l l}}{p_{a}} \cdot \frac{V_{0}}{V_{a}}$
Der IST-Druck kann nun korrigiert werden auf den Soll-Druck.
Die hierbei verwendeten Bezeichnungen:

p_0,IST = tatsächlicher Vordruck bei leerem MAG; unbekannt
p_0,soll = Soll-Vordruck im MAG; vorgegebener Druck-Wert für das entleerte MAG
V₀ = Bekanntes Nennvolumen des leeren Behälters
p₁ = Druck im Behälter zu Beginn der Messung
V₁ = Gasvolumen im MAG mit flüssigkeitsseitiger Füllung; unbekannt
p₂ = Druck im Behälter zum Ende der Messung
p_2,soll = aktueller Soll-Vordruck im MAG mit flüssigkeitsseitiger Füllung
p_a = Atmosphärendruck: 1 bar absolut = 0 bar Überdruck
V_a = die gemessene Gasmenge zur Ermittlung des Gasraumvolumens

Nach Korrektur des aktuellen Drucks im MAG auf p_2,soll befindet sich der korrekte Vordruck p_0,soll im entleerten Gefäß. Die flüssigkeitsseitige Absperrung muss nun wieder geöffnet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die in die Atmosphäre entlassene Gasmenge V_a mittels einer eingemessenen Messdüse, mit Kenntnis über die Druckdifferenz über der Messdüse und dem damit zusammenhängendem Volumenstrom V(t) errechnet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die in die Atmosphäre entlassene Gasmenge V_a mittels eines Volumenstrom-Messgeräts gemessen und steht somit direkt zur Verfügung.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Folgenden anhand einer nach dem Verfahren arbeitenden Vorrichtung erläutert. Diese Vorrichtung ist in der schematischen Zeichnung 1 dargestellt.
Für die Messung wird das MAG über sein gasseitiges Ventil mittels Ventilanschluss 1 mit der Vorrichtung verbunden, die zeichnerisch in einem gestrichelten Rahmen dargestellt ist.
In der praktischen Anwendung wird das MAG fluidseitig abgesperrt, der Druck des zu messenden Gasraumes um einen definierten Wert abgesenkt und die austretende Gasmenge gemessen. Dies erfolgt z.B. mit Hilfe einer Messdüse (5.2) oder eines Volumenstrom-Messgerätes (5.1). Ergänzt wird der Aufbau des Gerätes durch ansteuerbare Ventile (2, 3), die den Vorgang steuern bzw. eine Gaszufuhr zur Druckerhöhung (Ventil 2) oder eine Gasentnahme zur Druckabsenkung (Ventil 3) ermöglichen, sowie einem Drucksensor (4). Die Messung und Auswertung erfolgt praxisgerecht durch eine prozessorbasierende Einheit (6), z.B. einen PC oder einen Mikrocontroller.
Das ausgetretene Gasvolumen V_a steht durch das Volumenstrom-Messgerät 5.1 direkt zur Verfügung.
Die durch die Erfindung zu ermittelnde Größe p_0,IST wird errechnet aus: $p_{0, i s t} = \frac{p_{2} \cdot p_{a}}{p_{1} - p_{2}} \cdot \frac{V_{a}}{V_{0}}$
Als letzter Wert wird der korrekte Druck p_2,soll errechnet, der sich im flüssigkeitsgefüllten MAG befinden muss, damit sich der Druck p_0,soll im flüssigkeitsseitig entleerten MAG befindet: $p_{2, s o l l} = (p_{1} - p_{2}) \cdot \frac{p_{0, s o l l}}{p_{a}} \cdot \frac{V_{0}}{V_{a}}$
Mit Blick auf die Figur soll im Folgenden eine konkrete Messvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens erläutert werden.
In der Zeichnung ist die Systemgrenze der Messvorrichtung mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Die benötigten Teile befinden sich in einem Gehäuse. Das MAG wird über einen Schlauch mit entsprechendem Ventilaufsatz 1 an das Gasventil des MAG angeschlossen. Des Weiteren ist ein Anschluss für die Zuführung eines externen Gases vorhanden mit Anschluss an Ventil 2.
Die Messung und Auswertung erfolgt durch die prozessorbasierende Einheit 6, z.B. einen PC oder einen Mikrocontroller. Mit der prozessorbasierenden Einheit erfolgt die Druckmessung und die Ansteuerung der Ventile. Diese Prozessoreinheit ist ebenfalls im Gerät integriert, sodass ein mobiles Gerät für z.B. einen Handwerker zur Verfügung steht.

Claims

Verfahren zur Messung des Ist-Vordrucks p_0,IST eines Membran-Druckausdehnungsgefäßes (MAG) (7) mit unbekannter, flüssigkeitsseitiger Füllung und mit Kenntnis des Nennvolumens des Membran-Druckausdehnungsgefäßes (7), wobei mittels einer Anschlussleitung (1) das Membran-Druckausdehnungsgefäß (7) mit zwei ansteuerbaren Ventilen (2) und (3) und einem Druckmessumformer (4) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Ventils (3) ein Gasvolumen V_a aus dem Membran-Druckausdehnungsgefäß (7)über ein Volumenstrom-Messgerät (5.1) oder eine Messdüse (5.2) in die Umgebungsluft entlassen wird, bis sich der am Druckmessumformer (4) gemessene Druck vom Start-Druck p₂ zum Enddruck der Messung p₁ abgesenkt hat, wobei mit den derart ermittelten Messwerten p₁, p₂, V_a und dem bekannten Atmosphärendruck p_a, der Ist-Vordruck p_0,IST berechnet wird.
Verfahren zur Messung des Ist-Vordrucks p_0,IST eines Membran-Druckausdehnungsgefäßes (MAG) (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die folgende Formel zur Berechnung des Ist-Vordrucks p_0,IST genutzt wird: $p_{0, I S T} = \frac{p_{2} \cdot p_{a}}{p_{1} - p_{2}} \cdot \frac{V_{a}}{V_{0}}$
wobei die Formelzeichen wie folgt bestimmt sind: p_0,IST = tatsächlicher Vordruck bei leerem MAG; unbekannt V₀ = Bekanntes Nennvolumen des leeren Behälters p₁ = Druck im Behälter zu Beginn der Messung p₂ = Druck im Behälter zum Ende der Messung p_a = Atmosphärendruck: 1 bar absolut = 0 bar Überdruck V_a = die gemessene Gasmenge, die in die Atmosphäre ab gelassen wurde und die Drücke als Absolut-Werte einzusetzen sind.
Verfahren zur Messung des Ist-Vordrucks p_0,IST eines Membran-Druckausdehnungsgefäßes (MAG) (7) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertbestimmung des Gasvolumens V_a zur Errechnung des aktuellen Soll-Druck p_2,soll im MAG (7) mit flüssigkeitsseitiger Füllung genutzt wird nach der Formel: $p_{2, s o l l} = (p_{1} - p_{2}) \cdot \frac{p_{0, s o l l}}{p_{a}} \cdot \frac{V_{0}}{V_{a}}$
wobei die Formelzeichen wie folgt bestimmt sind: p_0,soll = Soll-Vordruck im MAG; vorgegebener Druck-Wert für das entleerte MAG V₀ = Bekanntes Nennvolumen des leeren Behälters p₁ = Druck im Behälter zu Beginn der Messung p₂ = Druck im Behälter zum Ende der Messung p_2,soll = aktueller Soll-Druck im MAG mit flüssigkeitsseitiger Füllung p_a = Atmosphärendruck: 1 bar absolut = 0 bar Überdruck V_a = die gemessene Gasmenge, die in die Atmosphäre ab gelassen wurde und die Drücke als Absolut-Werte einzusetzen sind.
Vorrichtung zur Messung des Ist-Vordrucks p_0,IST eines Membran-Druckausdehnungsgefäßes (MAG) (7) geeignet für das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Ventilanschluss (1), einem Druckmessumformer (4), zwei ansteuerbaren Ventilen (2, 3), einer Messdüse (5.2) oder einem Volumenstrom-Messgerät (5.1) und einer prozessorgestützten Einheit (6) - wobei mittels des Ventilanschlusses (1) der Druckmessumformer (4) sowie die ansteuerbaren Ventile (2, 3) mit dem Membran-Druckausdehnungsgefäß MAG (7) gasseitig verbunden sind, - wobei das erste Ventil (2) für eine externe Gaszufuhr ausgestaltet ist und - das zweite Ventil (3) ausgestaltet ist zum Ablassen von Gas über die Messdüse (5.2) oder das Volumenstrom-Messgerät (5.1) aus dem Membran-Druckausdehnungsgefäß in die Umgebungsluft, - wobei die prozessorgestützte Einheit (6) ausgestaltet ist zur Durchführung das Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und - die Ventile (2) und (3) ausgestaltet sind zum Korrigieren des Drucks im Membran-Druckausdehnungsgefäß.