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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ausgleichssystem, ausgeführt als pumpengesteuerte Druckhaltestation (DHS) mit drucklosbetriebenen Membranauffangbehälter (MAB) zum Ausgleich von Voulumenschwankungen eines liquiden Mediums in Heiz, Kühl - und Solarkreisläufen (HK&SKL) mit mindestens einem MAB und mit einer in dem MAB angeordneten elastischen Membrane, die der Trennung zwischen dem liquiden Medium des HK&SKL und der das Ausgleichssystem DHS umgebenen Atmosphäre dient.
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1. Allgemeine Beschreibung einer pumpengesteuerten Druckhaltestation (DHS), mit Membranauffangbehälter (MAB) :
- Die DHS mit MAB ist ein Ausgleichsystem für HK&SKL. Bestehend zum einen aus einer Steuereinheit mit mindestens einer Pumpe, Hydraulik, Sensoren und Elektronik und zum anderen aus mindestens einem MAG. Sie dient zur automatischen Druckhaltung, Entgasung, Nachspeisung und Abspeisung des Mediums in Heiz, Kühl - und Solarkreisläufen (HK&SKL). Ebenso werden Betriebszustände und Beschaffenheit des Mediums, wie sowohl Druck, Temperatur, als auch Sauerstoff, pH-Wert und Salzgehalt, gemessen, kontrolliert und angepasst.
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Der DHS für HK&SKL ist mindestens ein MAB als Grundbehälter zugeordnet. Optional können mehrere Beistellbehälter (MABBSB) integriert werden. Derartige MAB sind wesentlicher Bestandteil von der DHS. Die in dem MAB angeordnete elastische Butyl Membrane, dient der Trennung des liquiden Mediums des HK&SKL und dem, der DHS und MAB umgebenen Luftsauerstoff (Atmosphärenluft). Man spricht hierbei, von einem geschlossenen System.
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Die Aufgabe der Druckhaltung ist es, den Ruhedruck bei jedem Betriebszustand und an jeder Stelle des HK&SKL über dem Verdampfungsdruck der höchst zulässigen Temperatur bzw. über dem erforderlichen statischen Druck konstant zu halten und somit Volumenschwankungen auszugleichen.
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2. Funktionsprinzip und Arbeitsweise einer pumpengesteuerten (DHS), mit Membranauffangbehälter (MAB) nach bisherigem Stand der Technik:
- Die pumpengesteuerten Druckhaltestationen DHS haben in der Vergangenheit bei Mittel- und Großsystemen, ab einer Nennwärmeleistung des Wärmeerzeugers von ca. 75 KW in den HK&SKL, die alteingesessenen Membranausdehnungsgefäße mit Stickstoffvordruck (MAG) zum größten Teil verdrängt. Der Hauptgrund dafür ist das Nutzvolumen des Behälters MAB und somit eine enorme Platzersparnis. Da man bei dem MAG, die unter Druck betrieben werden, 75% des Gesamtvolumen des Gefäßes als Stickstoffraum bevorraten muss und somit nur ca. 25% Nutzvolumen des Gesamtvolumen des Gefäßes, für das Medium als solches nutzen kann. Bei der DHS wird der MAB drucklos betrieben, somit kann man bis zu 100% Nutzvolumen erreichen.
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Die DHS ist unter anderem geeignet für den Einsatz in HK&SKL nach DIN EN 12828, DIN EN 12952 und DIN EN 12953 sowie Zusatzausrüstung gemäß TRD 604 Blatt 2 für Heißwasseranlagen. Die Druckhaltestation DHS mit MAB ist so ausgelegt, dass die Einhaltung der zulässigen Betriebsdrücke der einzelnen Anlagenbauteile garantiert wird. Die MAB speichern das durch Expansion bei Aufheizung abströmende Anlagenwasser in der Membrane und stellen es zur Einspeisung in das Anlagennetz bei Kontraktion zur Verfügung. Die Druckhaltung wird am Rücklauf der Wärmeerzeuger oder am Systemrücklauf, dem so genannten Nullpunkt der Anlage, angeschlossen. Die Höhe des zu wählenden Ruhedrucks ist vom Anschlusspunkt der Druckhaltung im System abhängig.
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Nach dem Stand der Technik werden drucklose MAB, zum einen für die Bereitstellung des liquiden Mediums aus der Membrane bei Kontraktion und bei Expansion in das Nutzvolumen der Membrane im Behälter verwendet. Weiterhin sind die Steuereinheiten mit Pumpen ausgeführt, die bei Kontraktion das Medium aus der Membrane des MAB, wieder ins Anlagennetz hineindrücken.
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Bei Expansion wird das Ausdehnungsvolumen des Medium über elektrische oder mechanische Überströmventile wieder in die Membrane des MAB zurückgeführt.
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Die Membrane trennt das Medium von der Atmosphärenluft, die über den Be- und Entlüftungsbogen in den Membranauffangbehälter einströmt. Diese Be- und Entlüftung ist zwingend notwendig, damit wenn die Pumpe aus der Membrane das Medium ziehen und in die Anlage fördert, sich kein Vakuum im Behälter bilden kann.
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Druckhaltestationen DHS mit mindestens einem Membranauffangbehälter MAB, werden als ein „geschlossene System“ bezeichnet. „Offene Anlagen-Systeme“, sind nicht erwünscht, da hierüber Atmosphärenluft (Luftsauerstoff) über das Medium in das System einströmt und somit Korrosion in der gesamten Anlage verursacht.
- 3. Funktionsschemata DHS und MAB nach Stand der Technik:
- Alle namhaften Hersteller wählen das gleiche Prinzip, bei der Funktion der DHS mit MAB gibt es zwei Hauptmerkmale, die bei den Produkten im Vergleich mit unserem Produkt identisch sind. Allerseits werden drucklosbetriebene MAG mit Membrane verwendet, zum einen um das Medium bei Kontraktion in der Membrane für die Pumpen bereit zu halten und bei Expansion das Medium in der Membrane aufzufangen. Weiterhin sind die Steuereinheiten der DHS mit mindestens einer Pumpe ausgeführt, die bei Kontraktion das Medium aus der Membrane des MAG, wieder ins Anlagennetz hineindrücken. Bei Expansion wird das Ausdehnungsvolumen über elektrische oder mechanische Überströmventile wieder in die Membrane des MAG zurückgeführt.
- 4. Funktionsweise des bisherigen Membranauffangbehälter (MAB) und den damit verbundenen Nachteilen und Schwierigkeiten:
- In der Membrane des MAB ist immer das Medium und zwischen Membrane und Behälterinnenwand immer die Atmosphärenluft. Die Membrane ist in Einbaulage oben und unten im MAB montiert, wobei die Wasserzufuhr zur Steuereinheit von unten aus der Membrane im MAG erfolgt. Um die Membrane bei einer Wartung fachgerecht überprüfen, oder bei einer Havarie tauschen zu können, muss der MAB von der Steuereinheit der DHS getrennt werden. Dadurch ist die DHS außer Betrieb und hat keinerlei Funktion mehr. Das kann sich gegebenenfalls über Stunden, sogar Tage hinziehen, was sehr unvorteilhaft und nur mit erhöhtem technischem Aufwand zu realisieren ist. Betriebsausfall der Gesamtanlage des HK&SKL im Sommer und/oder im Winter ist somit nicht ausgeschlossen.
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Ein weiterer großer Nachteil der bisherigen Technik und dem daraus resultierenden Aufbau des MAB, ist die Verschmutzung und Kontaminierung der Baustelle und Personen, die an der DHS mit MAB arbeiten. Gerade bei HK&SKL, wo das liquide Medium unter anderem aus gesundheitsgefährdeten Substanzen besteht, wie zum Beispiel:
- Glykol, Ammoniak, Thermoöl, Ethyl oder etc., besteht die Gefahr von einem unkontrollierbaren und ungewollten Kontakt mit dem Medium.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ausgleichssystem DHS mit MAB für HK&SKL zu schaffen, mit der die oben genannten Nachteile überwunden werden können.
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5. Funktionsweise des neuen Membranauffangbehälter (MAB):
- Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst, insbesondere durch eine Membrane im Wesentlichen die Innenkontur des Auffangbehälters vollauskleidend angeordnet ist, wobei zwischen der Außenoberfläche der Membrane und der gegen Korrosion geschützte Innenwandung des Membranauffangbehälters ein Mediumraum vorgesehen ist, in dem das liquide Medium des HK&SKL ein und ausströmbar ist. Der MAG wird durch die neue innovative Konstruktion und dem neuen Funktionsprinzip der Membrane auf einen anderen Level und somit auf den neuesten Stand der Technik gebracht. Hierbei wird die Atmosphärenluft nicht mehr zwischen Membranaußenoberfläche und Behälterinnenwand geführt, sondern in der Membrane sein.
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Bei der Erstinbetriebnahme wird die noch vorhandene Atmosphärenluft, die sich im Freiraum/Mediumraum befindet, nun über die Entlüftung, vollständig ausgegast. Die Entlüftung ist gegen eindringen von Atmosphärenluft geschlossen, so dass keine Atmosphärenluft mehr eindringen kann. Eine mit der Membrane verbundenen Be- und Endlüftung, sorgt dafür, dass bei einströmen des Mediums sich kein Überdruck und beim Ausströmen des Mediums, sich kein Unterdruck im MAB bildet.
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Der MAB wird durch die neue innovative Konstruktion und dem neuen Funktionsprinzip der Membrane auf einen anderen Level und somit auf den neuesten Stand der Technik gebracht. Hierbei wird die Atmosphärenluft nicht mehr zwischen Membranaußenoberfläche und Behälterinnenwand geführt, sondern in der Membrane sein. Weiterhin wird das Medium nicht mehr in der Membrane geführt, sondern zwischen Membranaußenoberfläche und Behälterinnenwand sein. Somit ist es eine komplette Umkehr zu dem jetzigen Stand der Technik. Medium und Atmosphärenluft bleiben weiter getrennt und somit besteht weiterhin ein geschlossenes System. Jedoch ist es jetzt jeder Zeit möglich, die Membrane zu prüfen oder zu tauschen, ohne die Steuereinheit der DHS von dem MAB zu trennen und somit die DHS außer Betrieb zu setzen.
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Durch diese Maßnahmen wird ein Ausgleichssystem geschaffen, beim dem ein Austausch und/oder die Wartung der Membrane im MAB möglich ist, ohne dabei den laufenden Betrieb der DHS und des HK&SKL zu unterbrechen bzw. temporär außer Funktion setzten zu müssen.
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Umkehr zu dem jetzigen Stand der Technik: Medium und Atmosphärenluft bleiben weiter getrennt und somit besteht weiterhin ein geschlossenes System. Jedoch ist es jetzt jeder Zeit möglich, die Membrane zu prüfen oder zu tauschen, ohne die Steuereinheit der DHS von dem MAG zu trennen und somit die DHS außer Betrieb zu setzen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ausgleichssystems, ist es vorgesehen, dass die Membrane am MAB über einen am MAB, in Einbaulage oben, angeordneten Flansch, der in Wirkverbindung mit einer verschließbaren Wartungsöffnung steht, lösbar verbunden werden kann. Die Membrane ist im MAB quasi wie ein mit der Atmosphärenluft verbundener Ballon hängend angeordnet und wird vom liquiden Medium im Freiraum mehr oder weniger umspült. Steigt das Niveau des liquiden Mediums Aufgrund von Volumenschwankungen im HK&SKL im MAB an, so wird die sack- bzw. beutelartige Membrane als unmittelbare Reaktion hierauf im gleichen Maße wie das Volumen an liquiden Medium im MAB ansteigt, volumenreduziert, sprich zusammengedrückt und umgekehrt bei einer Volumenabnahme an liquiden Medium im MAB, nimmt das Volumen der Membrane im gleichen Maße wieder zu.
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In einer weiteren Ausführungsform ist dem MAB, in Einbaulage oben, eine Wartungsöffnung zugeordnet ist, die einen radial umlaufenden Flansch aufweist, der mit einem der Membrane einstückig angeformten Kragen, im Wesentlichen flächendeckend verbunden werden kann. Dabei kann der Kragen der Membrane flächendecken passend zur Oberfläche des Flansches der Wartungsöffnung ausgebildet sein oder auch als eine Art Ringdichtung ausgebildet sein, die in einer der Flanschoberfläche zugeordneten Nut einlegbar ist.
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In beiden Ausführungsformen wird die Wartungsöffnung mit einer Abdeckung verschlossen, die im Wesentlichen passgenau mit dem Flansch der Wartungsöffnung abschließt und die Membrane im inneren des Auffangbehälters fixiert. Aus der Entlüftung zwischen Membranaußenoberfläche und Behälterinnenwand des MAB, wird die Atmosphärenluft noch aus dem MAG geführt und dann gegenüber der Atmosphärenluft, gasdicht verschlossen.
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Zudem kann die Steuereinheit mit Pumpen und anderen Peripheriegeräten direkt am Auffangbehälter montiert sein, sodass sich der Schaltschrank auf Sichthöhe für einen Anwender befindet und somit bedien- und betreiberfreundlich angeordnet ist und keinerlei interne Verbindungs- und Verkabelungsarbeiten bei der Aufstellung des Ausgleichssystems zu verrichten sind Dadurch kann der Platzbedarf der gesamten Vorrichtung erheblich reduziert und die Aufstellungszeit kann erheblich reduziert werden. Eine Aufstellung der Steuereinheit neben dem MAB ist ebenfalls möglich.
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Der Druck im System kann durch gezieltes Einstellen von Pumpen und Überströmventilen im Delta-P Bereich von 0,2 bar gehalten werden. Entgasung erfolgt durch mindestens ein separates Magnetventil, welches einen Teil des Hauptvolumenstroms des Systemrücklauf von in Einbaulage oben direkt in den liquidfreien (wasserleeren Innenraum des MAB einströmen lässt. Bei dieser gezielten Entspannung werden Gase vom Systemwasser (liquides Medium) getrennt und über einen Entlüfter abgeführt. Durch Pumpen wird dann das entgaste Systemwasser dem HK&SKL wieder zugeführt. Dieser Vorgang wiederholt sich entsprechend der Dauer der Intervall- bzw. Dauerentgasungszyklen.
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Für einen konstanten Mindestwasserstand im Auffangbehälter ist eine Nachspeisung vorgesehen und gleicht somit Wasser- und Volumenverluste, die durch Entgasung und Leckagen entstanden sein können, mengenkontrolliert aus. Eine Abspeisung dient dem Überfüllungsschutz des Auffangbehälters; das ist gerade dann besonders vorteilhaft und wichtig, wenn das Systemvolumen nicht genau bestimmbar ist.
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Durch eine konstante Temperaturüberwachung des Systemrücklaufs können insbesondere Rücklauftemperaturen über 70°C Schäden und somit Reparaturkosten vermieden werden. Wird der eingestellte Wert überschritten, schützt das System sich durch einen Automatischen Abkühlprozess.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ausgleichssystems ist eine Sauerstoffmessvorrichtung am Auffangbehälter vorgesehen. Die Entgasung kann beispielsweise nur dann aktiviert werden, wenn ein voreingestellter Grenzwert überschritten wird. Somit wird vermieden, dass das Medium durch unkontrollierte Entgasung so aggressiv gemacht wird, dass es sich wieder mit Gasen sättigen will. Durch dauerhafte pH- und Leitfähigkeitsmessungen des Systemwassers, können vorgegebene Richtwerte stetig kontrolliert werden.
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Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung ist in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:
- 1 Eine vereinfachte schematische Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Ausgleichssystems umfassend eine Mehrzahl an erfindungsgemäßen Auffangbehältern;
- 2 die schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Membranauffangbehälters des Ausgleichssystems in einer Durchsichtdarstellung mit eingebauter Membrane.
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Das in der 1 dargestellte Ausgleichssystem (34) DHS, mit (A) Steuereinheit und (B) MAB dient - wie Eingangs beschrieben - dem Volumenausgleich eines Fluids in einem Heiz- und Kühlwasserkreislauf. Hierfür ist dem Ausgleichssystem DHS mindestens ein MAB 9 im Hauptsystemanschluss 7 des Systemrücklaufes zugeordnet und mit diesem hydraulisch verbunden. Dem DHS ist eine Vielzahl von Komponenten zugeordnet, die zur Steuerung und Regelung von (A) und (B) dienen und die in neuartiger Kombination zusammenwirken.
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Wie die 1 weiter zeigt, sind dafür ein Elektrosteuerschaltschrank 5, mindestens eine Druckhaltepumpe 1, eine Überströmventil 2, ein Schmutzfänger 2a ein Nachspeiseanschluss 3, eine Entgasung 4, wenigstens ein Kappenkugelhahn 6 und wenigstens ein Kappenkugelhahn 6a mit Rückflussverhinderer vorgesehen. Des Weiteren ist mindestens ein Hauptsystemanschluss für 7 vorgesehen, mit der die DHS an ein Heiz- oder Kühlkreislauf (nicht dargestellt) angeschlossen ist.
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Des Weiteren ist ein Druckgeber 10, eine Sauerstoffmessung 18 und eine Temperaturmessung 19, eine ph-Wert Messung 20, eine Leitfähigkeitsmessung 21, sowie ein Frischwasseranschluss 22, sowie eine Be- und Endlüftung 22a vorgesehen. Die Komponenten werden in der Steuereinheit A zusammengefasst, bzw. die von den Sensoren für die Sauerstoff- und Temperaturmessung, Druck etc. ermittelten Werte in einem Elektroschaltschrank 5 gesammelt und verarbeitet und die System-IstWerte auf vorbestimmte System-Soll-Werte eingeregelt. Wie die Figur Ferner zeigt, sind Sicherheitsventile (SV) 11 an dem MAB 9 angeordnet.
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Dem Ausgleichssystem 34 sind Magnetventile 12 zugeordnet, mit dem das Ausgleichssystem 34 ferngesteuert abgeriegelt bzw. zu- und oder abriegelt werden kann. Ein Systemtrenner 13 sorgt für die Trennung zischen Frischwasser bzw. dem Frischwasseranschluss 22 und dem mittels des Hauptanschlusses 7 abtrennbaren liqiden Medium bzw. Wärmetauchermedium, das im Kühl- oder Heizwasserkreislauf (nicht dargestellt) geführt wird.
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Die Menge an im dem Heiz- oder Kühlkreislauf (nicht dargestellt) befindlichen Medium wird über eine Wasseruhr bzw. Kontaktwasserzähler 14 erfasst. Die Nachspeisung an liquiden Medium erfolgt über ein Magnetventil Nachspeisung 15, das auch in Abhängigkeit von einer Niveauerfassung 16 automatisiert öffnen oder schließen kann. Die voranstehend beschriebenen Peripher-Geräte dienen unmittelbar der Regelung und Steuerung der Steuerung A und können zusammengefasst auf einer gemeinsamen Grundplatte 8 angeordnet sein.
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Die 2 zeigt, beispielhaft einen MAB 9 in dem eine Membrane 23, an die Innenkontur des MAB 9 angepasst angeordnet ist. Zwischen der Innenwandung 24 des MAB 9 und der Außenoberfläche 25, der als Blase ausgebildeten Membrane 23, ist ein Mediumraum bzw. Freiraum 26 ausgebildet. Der Freiraum 26 dient der Aufnahme des sich im Bedarfsfall in Ausdehnung befindlichen Wasser bzw. liquiden Medium des HK&SKL.
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Dabei kann der Freiraum 26 durch zusammendrücken der Membrane 23 in seinem Volumen variieren. Dadurch kann das nutzbare Volumen des MAB 9 sehr variabel gehalten werden.
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Die Membrane 23 ist in Einbaulage oben im MAB 9 (Membranauffangbehälter) montiert. Dem MAB 9 sind eine erste Inspektionsöffnungen 27 und eine zweite Inspektionsöffnung 28 zugeordnet über die die Membrane 23 im MAB 9 zugänglich ist. Die erste Inspektionsöffnung 27 kann mit einer Abdeckung/Deckel 29 verschlossen werden. Der Abdeckung /Deckel 29 ist eine Be- und Entlüftung 30 zugeordnet über die, die hohle blasenartige Membrane 23 hin zur die den MAB 9 umgebenen Atmosphäre entlüftet werden kann.
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Eine weitere Entlüftung/Entgasung 32 ist dem MAB 9 direkt zugeordnet und dient der Entlüftung/Entgasung des Freiraums 26, der im Betriebszustand der Aufnahme des sich ausdehnenden liquiden Mediums dient. Wichtig ist aber, dass die Entgasung des liquiden Mediums des HK&SKL in jedem Fall in den liquidfreien Freiraum 26 des MAB erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1 Ausgleichsystem mit A Steuereinheit und B Membranauffangbehälter MAB
- 1
- Druckhaltepumpe
- 2
- Überströmventil
- 2a
- Schmutzfänger
- 3
- Nachspeiseanschluss
- 4
- Entgasung/Entlüftungsventil, 2:32
- 5
- Elektroschalschrank
- 6
- Kappenkugelhahn
- 6a
- Kappenkugelhahn mit Rückflussverhinderer
- 7
- Hauptsystemanschluss DHS
- 7a
- Systemanschluss Entgasung EG
- 8
- Haltegestell./.Grundplatte
- 9
- Membranauffangbehälter, 2:Gesamt
- 10
- Druckgeber
- 11
- Sicherheitsventil
- 12
- Magnetventil EG
- 13
- Systemtrenner Nachspeisung
- 14
- Wasseruhr/Kontaktwasserzähler
- 15
- Magnetventil Nachspeisung
- 16
- Niveauerfassung
- 17
- Be- und Entlüftung, 2:30
- 18
- Sauerstoffmessung
- 19
- Temperaturmessung
- 20
- ph-Wert Messung
- 21
- Leitfähigkeitsmessung
- 22
- Frischwasseranschluss
- 22a
- Be- und Entlüftung
- 34
- Ausgleichssystem
- 2 Membranauffangbehälter MAB
- 23
- Membrane
- 24
- Behälterinnenwand mit Beschichtung
- 25
- Außenoberfläche der Membrane
- 26
- Freiraum/Mediumraum
- 27
- Erste Inspektionsöffnung
- 28
- Zweite Inspektionsöffnung
- 29
- Membranhalterung/Befestigung/Abdeckung
- 30
- Be- und Entlüftung Membrane
- 31
- Medium freier Innenraum Membrane
- 32
- Entgasung/Entlüftungsventil
- 33
- Zu- und Ablauf Medium
