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Bei
Fernwärmesystemen
mit indirekter Wärmeversorgung
wird ein in einer Fernheizungsanlage erzeugter, in einem primären Kreislauf
geführter
Wärmeträger, bspw.
Dampf oder Heißwasser,
dazu benutzt, einen in einem getrennten, sekundären Kreislauf geführten Wärmeträger, insbesondere
Wasser aufzuwärmen.
Der sekundäre
Kreislauf enthält
einen oder mehrere Wärmeverbraucher,
wie eine Warmwasserheizungsanlage, Warmwasseraufbereitungsanlage
oder Maschinen, die über
das Heizwasser mit Prozesswärme
zu versorgen sind.
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Als
Schnittstelle zwischen den beiden Kreisläufen dienen Wärmeübergabestationen,
die meist im Keller oder einem Heizraum eines Gebäudes aus vielen
Komponenten aufgebaut sind. Die Hauptkomponente bildet ein Wärmetauscher,
in dem die Wärmeenergie
dem primären
Wärmeträger entzogen und
dem sekundären Wärmeträger zugeführt wird. Der
Wärmetauscher
ist über
Rohrleitungen einerseits an die Anschlüsse zum Fernwärmeversorgungsnetz und
andererseits an die zu den Verbrauchern führenden Rohre angeschlossen.
An den Rohrleitungen sind die für
den Betrieb der Wärmeübergabestation erforderlichen
Armaturen, wie Regel- oder Absperrventile, Sicherheitsventile, Schmutzfänger, Umlaufpumpen
sowie Sensor-, Mess- und Anzeigeeinrichtungen montiert. Es ist erforderlich,
Systemzustände bzw.
Betriebsparameter fortlaufend zu überwachen, um sowohl eine hohe
Betriebssicherheit als auch eine möglichst gute Energieausnutzung
sicherzustellen. Dies insbesondere bei Plattenwärmetauschern, weil diese besonders überhitzungsempfindlich
sind.
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Aufgrund
der zahlreichen Komponenten gestaltet sich der Aufbau einer Wärmeübergabestation schwierig
und erfordert fachmännisches
Wissen und Können.
Die einzelnen Komponenten müssen
lagerichtig zusammengeschweißt
oder zusammengeschraubt, die Armaturen und Sensoren für eine zuverlässige Betriebssteuerung
an richtiger Stelle eingebaut werden. Die gesamte Station wird an
einem Stand- oder Wandrahmen gehängt.
Die resultierende Anordnung ist oft wenig übersichtlich und schwer zugänglich,
was nicht nur die Installation sondern auch die Durchführung erforderlicher
Wartungsarbeiten erschwert.
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Aus
der
DE 196 18 415
C2 , die auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung zurückgeht,
ist eine integrierte Wärmetauschereinheit
zur Übertragung
von Wärme
von Wasser auf Wasser bekannt, die einen Plattenwärmetauscher,
eine Steuer- und Regeleinrichtung zur Steuerung des Betriebs des Plattenwärmetauschers
und mehrere integrierte Messkammern aufweist und die zu einer anschlussfertigen
Baueinheit vormontiert ist. Eine erste Messkammer ist an dem primärseitigen
Vorlaufanschluss unmittelbar an dem Wärmetauscher und eine weitere Messkammer
an dessen primären
Rücklaufanschluss
angebracht. Entsprechende Messkammern sind auch an den sekundären Vorlauf-
und Rücklauf anschlüssen vorgesehen.
Jede Messkammer weist einen von dem jeweiligen Wärmeträger durchströmten Innenraum
und mehrere Sensoren auf, die Druck- oder Temperatur in den entsprechenden
Anschlussleitungen des Wärmetauschers
erfassen.
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Die
vorbekannte Wärmetauschereinheit
hat sich in der Praxis bewährt.
Als vorgefertigtes Modul erleichtert es den Aufbau einer Wärmeübergabestation,
indem vor Ort lediglich die Rohrleitungen und Armaturen anzuschließen sind.
Die Sensoren sind an geeigneten Stellen nahe des Wärmetauschers
angeordnet.
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Diese
Wärmetauschereinheit
wird aber an einem Trägerrahmen
an die Wand gehängt
und ist daher von der Wandseite her nicht zugänglich. Wartungsarbeiten sind
relativ umständlich
und teuer. Auch die Heranführung
der Versorgungsleitungen oder ein Austausch des Plattenwärmetauschers
ist durch die Wandmontage eingeschränkt, zumal der Wärmetauscher
zusätzlich
die Messkammern trägt.
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In
der Praxis hat sich außerdem
gezeigt, dass die von dem Wärmeträger Wasser
mitgeführten Gase äußerst schädlich sind.
Die Gase werden durch Stopfbuchsen von Armaturen, Rohr- oder Flanschverbindungen
aufgenommen, durch chemische Vorgänge zwischen den Rohren und
dem Wasser gebildet und durch chemische Substanzen hervorgerufen, die
dem Wasser zum Korrosionsschutz für das Rohrleitungsnetz beigegeben
werden. Gasbläschen
setzen sich in den Spalten zwischen den Wärmeübertragungsplatten ab und wirken
isolierend und korrodierend. Außerdem
führen
die Gase zu chemischen Reaktionen, die Schlamm, bspw. Magnetit oder
Hämatit, erzeugen.
Der Schlamm setzt sich ebenfalls in dem Plattenwärmetauscher ab und beeinträchtigt ebenso wie
die Gase die Funktionsfähigkeit
der Wärmeübergabestation.
Bei höheren
Heizleistungen nimmt die Gas- und Schlammbildung stark zu, so dass
Maßnahmen
zur Entgasung und Entschlammung erforderlich sind. Der Plattenwärmetauscher
muss regelmäßig gewar tet
werden oder ist bedarfsweise auszütaüschen.
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Vor
diesem Hintergrund setzt die vorliegende Erfindung ein und stellt
sich zur Aufgabe, ein kompaktes Wärmeübergabemodul mit einem Wärmetauscher
zu schaffen, das eine schnelle und leichte Installation und Instandhaltung
einer Wärmeübergabestation
ermöglicht.
Insbesondere sollte die resultierende Wärmeübergabestation einfach und übersichtlich
aufgebaut sein und zuverlässig
und sicher arbeiten.
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Diese
Aufgabe wird durch das Wärmeübergabemodul
nach Anspruch 1 gelöst.
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Die
Erfindung knüpft
an dem Konzept an, eine Wärmeübergabeeinheit
mit einem Wärmetauscher
und wenigstens einer zugehörigen
Messkammer als vorgefertigte Baueinheit in Modulbauweise auszuführen. Die
Messkammer ist an einem der Anschlüsse des Wärmetauschers in dessen unmittelbarer
Nähe angebracht
und enthält
zur Überwachung des
Wärmetauschers
und zur zuverlässigen
Betriebssteuerung erforderliche Messwertgeber. Aufgrund der somit
zur Messwerterfassung optimal festgelegten Positionen der Messwertgeber
können
genaue Messwerte in Bezug auf Druck, Temperatur, Durchsatz und/oder
sonstige Betriebsparameter erhalten und vorgegebene Betriebsbedingungen
des Wärmetauschers
sehr genau eingehalten werden, was insbesondere für Plattenwärmetauscher
von Bedeutung ist. Der Einbau von einzelnen Sensoren vor Ort erübrigt sich,
und damit verbundene fehlerhafte Positionierungen können vermieden
werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Messkammer in eine Tragsäule integriert oder bildet eine
solche zum Aufstellen auf einer Unterlage, bspw. einer Grundplatte
oder einer Bodenplatte des Aufnahmeraums eingerichtete Tragsäule. Die
Tragsäule
ist über
die mit den Messkammern verbundenen Anschlüsse des Wärmetauschers mit diesem starr
ver bunden, so dass der Wärmetauscher
im aufgestellten Zustand von der Tragsäule sicher gestützt oder
gehalten ist. Vorteilhafterweise wird die Messkammer zusätzlich zu
ihrer Funktion, Betriebsparameter zu erfassen, auch als Trägerelement
genutzt. Durch die kombinierte Träger-Messkammer wird die Anzahl
der Funktions- und Montagekomponenten der Wärmeübergabestation minimiert und
der Platzbedarf verringert. Dies ermöglicht den Aufbau einer kompakten
Wärmeübergabestation
mit einer übersichtlichen
Anordnung.
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Das
erfindungsgemäße Wärmeübergabemodul
kann praktischen Montageerfordernissen entsprechend an jeder beliebigen
Stelle in dem Aufnahmeraum schnell aufgestellt werden. Stand- oder Wandrahmen
sind nicht erforderlich, wenngleich ein Chassis als Transporthilfe
und zur zusätzlichen
Sicherung an einer Wand vorgesehen werden kann. Es kann von allen
Seiten des Wärmeübergabemoduls her
Zugang geschaffen werden, was die Handhabung erleichtert. Dies insbesondere
wenn sowohl auf der Primär-
als auch auf der Sekundärseite
eine mit einer Messkammer versehene Tragsäule vorgesehen ist, so dass
der Wärmetauscher
allein von den Tragsäulen
gehalten ist. Beim Ausbau des Wärmetauschers
zwecks Reinigung, Wartung oder Austausch kann dieser ohne weiteres
von der oder den an der Unterlage verankerten Messkammern getrennt
werden. Leitungsrohre bleiben von der jeweiligen Tragsäule gestützt, und
auch die Sensoren und elektrische Leitungsverbindungen müssen nicht
entfernt werden. Insgesamt können
durch eine anschlussfertige Vormontage sowohl Aufwand als auch Zeit
und Kosten bei Installations- und
Wartungsarbeiten eingespart werden.
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Das
erfindungsgemäße Wärmeübergabemodul
kann auch für
eine Wasser/Wasser-Wärmeübergabestation
mit hoher Wärmeübertragungsleistung
von bspw. sogar mehr als 500 kW verwendet werden. Auch leistungsstärkere, größere Wärmetauscher
werden durch die Tragsäulen
sicher gehalten. Für
größere Wärmetau scher
ist lediglich der Abstand zwischen den Tragsäulen zu erhöhen. Ein Umrüsten ist
auch nachträglich
leicht möglich.
Da bei größeren Wärmeübertragungsleistungen
auf Entgasung und Entschlammung nicht verzichtet werden sollte,
können
hierzu erforderliche Geräte
wegen der Anordnung auch an der Rückseite des Wärmetauschers eingebaut
sein. Außerdem
lässt sich
der Wärmetauscher
jederzeit leicht reinigen.
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Vorzugsweise
ist das Wärmeübergabemodul bereits
vom Hersteller auf einer stabilen Grundplatte vormontiert, d.h.
die Tragsäule
oder Tragsäulen
an dieser angebracht. Das Modul lässt sich dann z.B. mit einem
Hubwagen befördern,
leicht transportieren und am Zielort aufstellen. Die Messkammern
können über geeignete
Füße, vorzugsweise
aus Stahl, einen Sockel oder sonstige Stützmittel auf der Grundplatte aufgestützt sein.
Vorzugsweise sind sie an dieser angeschraubt.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung sind eine erste und zweite Tragsäule an gegenüberliegenden
Seiten des Wärmetauschers
angeordnet, so dass dieser dazwischen schwebend gehalten ist. Der Wärmetauscher
ist auch von unten zugänglich.
Andere Konfigurationen sind jedoch auch möglich.
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Die
Anschlussleitungen zwischen den Messkammern und dem Wärmetauscher
können
sehr kurz gehalten werden. Zur Verbindung können bauraumsparend Flansch-
oder vorzugsweise Schraubverbindungen verwendet werden, die bedarfsweise leicht
zu lösen
sind. Eine platz- und materialsparende Schweißverbindung ist jedoch ebenfalls
denkbar.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die wenigstens eine
Messkammer oder eine der Messkammern zusätzlich mit einer Entgasungseinrichtung
und/oder Entschlammungseinrichtung versehen. Die Entgasungseinrichtung dient
zum Absondern von Gasen, die in dem primären oder sekundären Wär meträger Wasser
enthalten sind. Die Entschlammungseinrichtung dient zum Abscheiden
von Schlamm aus dem Wasser, wobei zu dem Schlamm hier die in dem
Wärmeträger mitgeführten festeren,
insbesondere mikroskopisch kleinen Teilchen, vor allem Magnetit
(Fe3O4) , Hämatit (Fe2O3) oder dgl. zählen. Auch
hier erfüllt
die Messkammer zusätzlich
zu der Erfassungsfunktion gleichzeitig noch eine weitere Funktion,
nämlich
für die
Entgasung bzw. Entschlammung des Wassers zu sorgen, so dass eine
kombinierte Filter- und Messkammer geschaffen ist.
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Die
Anzahl, Anordnung und Ausgestaltung der Messkammern ist abhängig von
den jeweiligen Anforderungen zu wählen. Für eine genaue Überwachung
und Steuerung der Betriebsbedingungen ist es vorteilhaft, die Parameter
in dem zu dem Wärmeverbraucher
führenden
sekundären
Vorlauf und gegebenenfalls in dem primären Vorlauf zu erfassen. Wenn die
beiden Vorlaufmesskammern im oberen Bereich des Wärmetauschers
angeordnet sind, können
die nach oben steigenden Gasbläschen
in den Messkammern gesammelt, bedarfsweise nach außen abgeführt und
wirksam von dem Wärmetauscher
abgehalten werden. Eine Entschlammungseinrichtung in der primärseitigen
Vorlaufmesskammer hilft, den Schlamm in dem primären Wärmeträger am Eindringen in den Wärmetauscher
zu hindern. Entsprechend kann die Integration einer Entschlammungseinrichtung
in der sekundären
Rücklaufmesskammer sinnvoll
sein.
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In
einer vereinfachten Ausführungsform
insbesondere für
Dampffernwärmesysteme
reicht eine einzelne Entgasungseinrichtung in einer sekundärseitigen
Messkammer aus. Dadurch wird auch eine Schlammbildung auf der Sekundärseite wirksam
vermindert. In anderen Anwendungen, z.B. wenn für die Entgasung an anderer
Stelle gesorgt ist, kann lediglich eine Entschlammungseinrichtung
erforderlich sein. Günstig
ist, wenn mittels der Messkammern sowohl für die Entgasung als auch für die Entschlammung
vorzugsweise in beiden Kreisläufen
gesorgt wird.
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Durch
die Integration einer Entgasungs- und/oder Entschlammungseinrichtung
in die Messkammern kann das Bauvolumen einer Wärmeübergabestation noch weiter
verringert werden. Der Einbau solcher Einrichtungen vor Ort in die
Rohrleitungen hinein erübrigt
sich. Installationskosten können verringert
werden. Durch die günstige
Positionierung dieser Einrichtungen in den Messkammern können Ablagerungen
und darauf zurückzuführende Beeinträchtigungen
und Schäden
des Wärmetauschers wirksam
verhindert werden. Die Wartungsintervalle und die Lebensdauer des
Wärmetauschers
können dadurch
verlängert
werden. Jedenfalls kann eine Wärmeübergabestation
mit einer geordneten und übersichtliche
Anordnung geschaffen werden, die zuverlässig arbeitet, kompakt aufgebaut
und wartungsfreundlich ist.
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Die
hier erwähnten
Vorzüge
lassen sich besonders vorteilhaft nutzen, wenn als Wärmetauscher ein
Plattenwärmetauscher
verwendet wird. Plattenwärmetauscher
bauen vorteilhafterweise relativ klein bei hohen Wärmeübertragungsleistungen,
sind jedoch überhitzungsempfindlicher
als bspw. Rohrbündelwärmetauscher
und häufiger
zu warten. Die Messkammern sorgen für präzise Messwerterfassung und
Einhaltung von Betriebsparametern. In der Bauweise mit Tragsäulen wird
vor allem mit integrierter Entgasung und/oder Entschlammung eine
hohe Übersichtlichkeit,
Wartungsfreundlichkeit und Zuverlässigkeit sichergestellt.
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Es
kann insbesondere ein Standard-Plattenwärmetauscher verwendet werden,
der für
einen breiten Einsatzbereich, d.h. für Wärmeübertragungsleistungen zwischen
bspw. 50 und 1.000 kW geeignet ist. Die Leistungsbegrenzung erfolgt
dann durch die Regelungstechnik, also die Auslegung der Regelarmaturen
und bspw. ein auf die Bedürfnisse
des Anlagenbetreibers ausgerichtetes Steuerungsprogramm einer zentralen
Steuer- und Regeleinheit. Der Betreiber kann informiert werden,
wenn der Leistungsbedarf einen zuvor festgelegten Sollwert überschreitet.
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Die
erfindungsgemäßen Maßnahmen
Tassen sich aber auch auf andere Wärmetauschertypen, z.B. Rohrbündelwärmetauscher
oder Glattrohrwärmetauscher
anwenden. Außerdem
können
abhängig von
dem jeweiligen Einsatzzweck günstige
Materialien für
den Wärmetauscher
zum Einsatz kommen, wie bspw. Edelstahl im Fall einer Warmwasserbereitung,
die hohe Reinheit des Wassers erfordert, oder Kupfer mit hoher Wärmeleitfähigkeit
im Falle einer Warmwasserheizung.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das erfindungsgemäße Wärmeübergabemodul vorzugsweise zwei
Tragsäulen
mit darin integrierten Messkammern aufweist, die an den Vorlauf-
bzw.
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Rücklaufanschlüssen des
Wärmetauschers angeschlossen
sind, diesen vorzugsweise frei tragen und eine Entgasungs- und/oder
Entschlammungseinrichtung enthalten.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist jedem Anschluss des Wärmetauschers eine Messkammer
mit Sensoren zugeordnet. Die Messkammern sind untereinander in Form
und Größe im Wesentlichen
gleich ausgebildet. Die eine jeweilige Tragsäule bildenden Messkammern sind
jeweils übereinander
angeordnet und durch eine druckdichte und wärmeisolierende Wand voneinander
getrennt. Die Messkammern weisen vorzugsweise einen abnehmbar gehaltenen
dichtend verschließbaren
Deckel oder einen Wandabschnitt auf, der Zugang zu der jeweiligen
Messkammer ermöglicht.
Die Tragsäulen
können
kostengünstig
industriell vorgefertigt sein und mit dem Wärmetauscher zusammen auf eine
Grundplatte vormontiert sein.
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Wenn
eine Gruppe von Verbrauchern mit Heizwasser zu versorgen ist, können die
sekundärseitigen
Messkammern als Verteiler oder zum Umschalten zwischen den Verbrauchern
als eine hydraulische Weiche ausgebildet sein.
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Zur
Ausbildung einer Entgasungs- bzw. Entschlammungseinrichtung ist
in der Messkammer eine Umlenkreinrichtung, beispielsweise in Form
eines an dem Deckel gehaltenen Umlenkblechs vorgesehen, das die
Messkammer in zwei Teilkammern unterteilt und eine Durchflussöffnung für den durchströmenden Wärmeträger definiert.
In dem Einströmbereich bspw.
der in dem primären
Vorlauf und dem sekundären
Rücklauf
angeordneten Messkammern ist ein Filterelement zum Ausfiltern von
Gas und/oder Schlamm, vorzugsweise ein Tiefenfilter aus Vlies, vorgesehen.
Zur Abführung
von an dem Filterelement gelösten,
nach oben steigenden und sich dort sammelnden Gasbläschen dient
vorzugsweise ein Ventil, das entweder von Hand oder von einer Steuer- oder
Regeleinrichtung gesteuert automatisch geöffnet werden kann. Der mitgeführte Schlamm
lagert sich an dem Filterelement ab, das über den abnehmbaren Deckel
aus der Messkammer entnommen, gereinigt und wieder eingesetzt werden
kann. Auf diese Weise kann dafür
gesorgt werden, dass auf beiden Seiten nur „gereinigter" Wärmeträger in den
Wärmetauscher
eintritt.
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Wie
das Entgasen kann auch das Entschlammen automatisiert erfolgen,
wozu ein Motorstellventil dienen kann, das eine Strömungsverbindung
zwischen dem Innenraum der Messkammer und dem Abfluss ermöglicht.
Das Ventil ist so dimensioniert, dass im geöffneten Zustand eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
des in die Messkammer einströmenden
Wärmeträgers entsteht
und das durchspülte
Filterelement gründlich
gereinigt wird.
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Insbesondere
im Zusammenhang mit der automatischen Entschlammung ist eine Vorrichtung zum
automatischen Nachspeisen von Wasser insbesondere in dem Sekundärkreislauf
sinnvoll. Hierzu kann eine Messkammer über ein Motorstellventil mit einer
Wasserquelle verbunden sein. Wenn mit Hilfe eines der Sensoren erfasst
ist, dass der Druck übermäßig gefallen
ist, veranlasst die zentrale Steuer und Regeleinrichtung, dass ein Antriebsmittel
das Ventil öffnet,
um Wasser nachzuspeisen.
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Die
zur Entgasung und/oder Entschlammung benötigten Filter, Ventile und
Antriebsmittel, die Messwertgeber und gegebenenfalls weitere Mess- und
Anzeigemittel sind vorzugsweise bereits werkseitig an den Messkammern
vormontiert. Vorteilhaft ist, wenn an jeder Messkammer die Sensor-
und Anzeigemittel in der gleichen Reihenfolge und Position angeordnet
sind. Dann ist die Zuordnung zwischen Sensor und Parameter ohne
weiteres erkennbar und auch eine systematische Verdrahtung möglich.
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Vorteilhafterweise
sind in den Messkammern zusätzlich
zu den Temperatur- und Druckwächtern weitere
elektrische, mechanische oder chemische Sensoren enthalten, die
einer Wasseranalyse dienen. Es kann bspw. die elektrische Leitfähigkeit
gemessen werden, um Aufschluss über
den Grad und Geschwindigkeit der Verschmutzung des Heizungswassers
zu erhalten. Alternativ oder zusätzlich
kann der pH-Wert oder der schädliche
Anteil bestimmter Inhaltsstoffe, wie Erdalkalien oder Chloriden
bzw. Sulfaten im Betrieb erfasst werden. Diese Messwerte können aufgezeichnet
und dazu benutzt werden, um manuell oder automatisiert neutralisierende
Zusatzstoffe in das Heizungswasser, vorteilhafterweise in die Messkammern
hinein einzubringen und das Wasser aufzubereiten.
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Eine
sowohl den Wärmetauscher
als auch die Messkammern umschließende thermische Isolierung,
bspw. ein geschlossenes Gehäuse
oder eine Isoliermatratze mit geeigneter Wärmedämmung, mindert oder minimiert
Wärmeverluste
und schließt das
Wärmeübergabemodul übersichtlich
nach außen ab.
Es führen
lediglich Rohrleitungen für
Wärmeträger sowie
elektrische Anschlussleitungen für
die Sensoren durch die Isolierung hindurch. Die innenliegenden Sensoren
sind auch gegen mechanische Beschädigung weitgehend geschützt. Armaturen
und bewegte Teile enthaltende Aggregate können außerhalb von der Isolierung
umschlos senen Einheit leicht zugänglich
angeordnet sein.
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Das
systematische Modulkonzept erlaubt es, die Tragsäulen industriell vorzufertigen,
was eine hohe Qualität
sicherstellt, und auch mehrere Module anschlussfertig vorzumontieren
und vorzukonfigurieren, um komplexere Wärmeübergabestationen schnell aufzubauen.
Bspw. kann neben einem Modul für
eine Warmwasseraufbereitung wenigstens ein weiteres Modul für die Warmwasserheizung
geordnet daneben auf einer gemeinsamem Grundplatte aufgestellt sein.
Alle Module können
im Wesentlichen gleich aufgebaut sein, insbesondere was die Ausbildung
der Tragsäulen
anbetrifft. Unterschiede können lediglich
in der von der Heizübertragungsleistung
abhängigen
Größe oder
Art des Wärmetauschers
und den verwendeten Materialien liegen.
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Mehrere
Module können
auch parallel geschaltet werden, um eine größere Heizleistung zur Verfügung zu
stellen. Dann enthält
eine gemeinsame Steuer- und Regeleinheit vorzugsweise logische Regeln,
um die Wärmeübertragungsmodule
lastabhängig,
witterungsabhängig
und dgl. einzeln, in Gruppen oder gemeinsam zu betreiben. Im Teillastbereich können einzelne
Module durch Sperren des Zulaufs vorübergehend abgestellt und zur
Vermeidung von Stillstandkorrosion vorzugsweise automatisiert entleert
werden. Es ist auch möglich,
eines der vorhandenen Module zu warten oder zu reparieren, wobei mit
den anderen Modulen stets eine ausreichende Wärmeversorgung sichergestellt
ist.
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Dies
gilt auch für
eine besonders kompakte Ausführungsform,
bei der ein Wärmeübergabemodul mehrere
Wärmetauschermodule,
insbesondere Plattenwärmetauschermodule
mit jeweils einer bestimmten Wärmeübertragungsleistung
enthält,
wobei die Wärmetauschermodule
strömungsmäßig parallel
an eine gemeinsame Primär-Messkammereinheit
und vorzugsweise eine gemeinsame Sekundär-Messkammereinheit angeschlossen
sind. Die Messkammereinheiten sind ist als verlängerte Tragsäulen ausgebildet
und dienen als gemeinsame Verteiler bzw. Sammler für die Wärmetauschermodule,
was den Platzbedarf erheblich reduziert. Vorzugweise sind die Messkammern
auch zur Filterung, Analyse, und/oder Behandlung des Wärmeträgers eingerichtet.
In den Anschlussleitungen zwischen der Messkammereinheit und den
jeweiligen Wärmetauschermodulen
sind Absperrventile vorgesehen, um durch Ab- oder Zuschalten einzelner
Wärmetauschermodule
die Nenn-Wärmeübertragungsleistung
variabel anpassen bzw. ohne Beeinträchtigung des Betriebes einzelne
Wärmetauschermodule
warten zu können.
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Unabhängig davon,
ob die komplexe Wärmeübergabestation
durch mehrere Wärmeübergabemodule
oder durch ein Wärmeübergabemodul
mit mehreren Wärmetauschermodulen
aufgebaut ist, gehören
in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung zu den logischen
Regeln zur Steuerung des Betriebs besondere Regeln für den Teillastbereich.
Danach werden abwechselnd zeitweise abgestellte Wärmeübergabemodule
oder Wärmetauschermodulen
wieder in Betrieb genommen und die in Betrieb befindlichen Module
vorübergehend
abgestellt. Dies kann periodisch erfolgen, um die tatsächliche
Betriebsdauer auf alle Module im Wesentlichen gleich zu verteilen. Überbeanspruchung
und -verschleiß sowie
umgekehrt stillstandsbedingte Schäden und Ausfälle an einzelnen
Modulen können
vermieden werden, alle Module bleiben "trainiert" und für den Volllastbetrieb einsatzbereit.
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Weitere
vorteilhafte Einzelheiten von Ausführungsformen der Erfindung
ergeben sich aus der Zeichnung, der zugehörigen Beschreibung und Unteransprüchen. In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine
Wärmeübergabestation
mit einem erfindungsgemäßen Wärmeübergabemodul und
mehreren Wärmeverbrauchern
in stark schematisierter, ausschnittsweiser Darstellung,
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2 das
Wärmeübergabemodul
nach 1 als kompakte vormontierte Baugruppe mit abgenommener
Isolierung, in schematisierter und vereinfachter Darstellung, in
vergrößertem Maßstab,
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3 das
Wärmeübergabemodul
nach 1 und 2, mit Blick von oben, in schematisierter
und vereinfachter Darstellung,
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4 eine
Wärmeübergabestation
mit mehreren Wärmeübergabemodulen
nach 1 und einer gemeinsamen Steuer- und Regeleinheit, in stark schematisierter
Darstellung, und
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5 eine
Ausführungsform
eines Wärmeübergabemoduls
mit mehreren Wärmetauschermodulen
in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung, stark schematisiert
und nicht maßstabsgetreu.
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In 1 ist
eine Wärmeübergabestation 1 veranschaulicht,
die dazu dient, Wärmeverbraucher an
ein hier nicht näher
dargestelltes Fernwärmeversorgungsnetz
anzuschließen.
Zu der Wärmeübergabestation 1 gehört ein als
vorgefertigte Einheit ausgebildetes Wärmeübergabemodul 2, das
auf der Primärseite
an eine Vorlaufleitung 01, die im Betrieb von einer Fernheizzentrale
des Fernwärmeversorgungsnetzes
mit einem primären
Wärmeträger gespeist
ist, und an eine zu der Fernheizzentrale rückführende Rücklaufleitung 02 angeschlossen
ist. Das Wärmeübergabemodul 2 überträgt die Wärme zwischen
einem Primärkreislauf 3 zu
dem die Vorlaufleitung 01 und die Rücklaufleitung 02 gehören, und
mehreren Sekundärkreisläufen 4,
in denen ein sekundärer Wärmeträger geführt ist.
Zum unabhängigen
Betrieb mehrerer Sekundärkreisläufe 4 ist
das Wärmeübergabemodul 2 hier
mit drei Vorlaufleitungen 04/1, 04/2, 04/3 und
drei Rücklaufleitungen 03/1, 03/2, 03/3 verbunden.
Der primäre
und der sekundäre
Wärmeträger sind
hier vorzugsweise Wasser.
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In
der Vorlaufleitung 01 ist ein Motorstellventil 6 und
in der Rücklaufleitung 02 ein
Motorstellventil 7 angeordnet, um den Arbeitspunkt des
Wärmeübergabemoduls 2 einstellen
zu können.
Außerdem
ist in diesen Leitungen 01, 02 jeweils ein Absperrventil 8, 9 vorgesehen,
um die Wärmeübergabestation 1 bedarfsweise
von dem Fernwärmeversorgungsnetz
abzukoppeln.
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Wie
zu erkennen, sind vorliegendenfalls drei Wärmeverbraucher, z.B. Warmwasserheizungsanlagen
(WWH) 11, 12 und eine Warmwasserbereitungsanlage
(WWB) 13, vorgesehen. Die Sekundärkreisläufe 4 der Wärmeverbraucher 11, 12, 13 sind
hier der Einfachheit wegen im Wesentlichen gleich ausgebildet, so
dass stellvertretend für
alle anderen eine nähere
Erläuterung
des Kreislaufs 4 der Warmwasserheizung 11 genügt. Im übrigen ist
die Ausgestaltung der Sekundärkreisläufe 4 von
den jeweiligen Anforderungen abhängig
und nicht Gegenstand der Erfindung.
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Eine
Vorlaufleitung 14 der Warmwasserheizung 11 führt zu einem
Mischer 16, wo dem Vorlauf abhängig von dem Wärmebedarf
der Warmwasserheizung 11 ein bestimmter Teil des Rücklaufs
zugemischt wird. Zur Einstellung der sekundärseitigen Wärmeabgabe ist in der Vorlaufleitung 14 ein
Ventil 17 angeordnet, das bedarfsweise mit einem Motorstellantrieb
oder einem anderen Antrieb versehen sein kann. Über eine Rücklaufleitung 18 der
Warmwasserheizung 11 fließt der Rücklauf wieder zurück zu der
Wärmeübergabestation 1,
wo er wieder in das Wärmeübergabemodul 2 eingespeist
wird. Um einen ausreichenden Druck des Heizungswassers in der Vorlaufleitung 14 zu
erhalten, ist in der Rücklaufleitung 18 eine
Umwälzpumpe 19 eingebaut.
Ein Absperrventil 21 dient dazu, den Rücklauf bei Bedarf sperren zu
können.
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Ein
Mischertemperatursensor 22 dient dazu, die Temperatur des
in dem Mischer 16 zugemischten Rücklaufs zu messen, zu sätzlich wird
mit einem Außentemperatursensor 23 die
Außentemperatur
erfasst. Die erfassten Messwerte werden einer zentralen Steuer-
und Regeleinheit 24 zur Auswertung zugeführt. In
den Vor- und Rücklaufleitungen
der Sekundärkreisläufe 4 können weitere
Armaturen, Stellorgane oder Sensoren angeordnet sein, die hier nicht veranschaulicht
sind.
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Die
vorzugsweise auf einem Mikroprozessor basierende Steuer- und Regeleinheit 24 steuert
bzw. regelt den Wärmeumsatz
in dem Wärmeübergabemodul 2.
Zu diesem Zweck ist die Steuer- und Regeleinheit 24 über elektrische
Messleitungen 26 mit einer Sensoreinrichtung 27 verbunden,
die unmittelbar an dem Wärmeübergabemodul 2 angeordnet
ist, um Betriebsparameter wie Druck, Temperatur und dgl. in Bezug
auf den primären
und sekundären
Wärmeträger zu erfassen.
Außerdem
ist die Steuer- und
Regeleinheit 24 über
Steuerleitungen 28 mit den Stellantrieben der Ventile 6, 7, 17, 21,
mit den Umlaufpumpen 19 sowie mit weiteren steuerbaren
Armaturen verbunden, wie sie in Zusammenhang mit 2 weiter
unten beschrieben sind.
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Die
Steuer- und Regeleinheit 24 ist weiterhin über eine
geeignete Schnittstelle an einen Personal Computer (PC) 30 angeschlossen,
der bedarfsweise von der Steuer- und Regeleinheit ermitteltete und zwischengespeicherte
Daten abfragt sowie gegebenenfalls Befehle an diese senden kann.
Der PC enthält
insbesondere ein Programm zur Aufzeichnung und bedarfsweisen Aktualisierung
von Daten, die Aussagen über
den Energieumsatz des Wärmeübergabemoduls 2 und
die an den einzelnen Vorlaufleitungen 04/1, 04/2, 04/3 gelieferten
Energiemengen betreffen.
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Das
Wärmeübergabemodul 2 selbst
ist in 1 als eine auf einer Grundplatte 31 vormontierte kompakte
Einheit dargestellt, die von einer geschlossenen thermischen Isolierung 32 umschlossen
ist. Der genaue Aufbau des Wärmeübergabemoduls 2 geht
aus 2 und 3 hervor.
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Wie
zu erkennen, weist das Wärmeübergabemodul
eine erste Tragsäule 33,
eine zweite Tragsäule 34 und
einen zwischen den Tragsäulen 33, 34 angeordneten
und von diesen gehaltenen Plattenwärmetauscher 35 auf.
Der Plattenwärmetauscher 35 ist
auf herkömmliche
Art aufgebaut und hier im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet, wobei die Darstellung
in den Figuren nicht maßstäblich ist.
In seinem Inneren weist der Plattenwärmetauscher einen Primärraum und
einen Sekundärraum
auf, die über
zur Wärmeübertragung
geeignet ausgestaltete, hier nicht näher veranschaulichte Heizflächen voneinander
getrennt sind. Der Plattenwärmetauscher 35 weist
ferner einen Primär-Vorlaufanschluss 38 und
einen Primär-Rücklaufanschluss 39 auf,
die über den
Primärraum
miteinander kommunizieren. Auf der den Anschlüssen 38, 39 gegenüberliegenden
Seite des Plattenwärmetauschers 35 sind
ein Sekundär-Vorlaufanschluss 41 und
ein Sekundär-Rücklaufanschluss 42 vorgesehen,
die über
den Sekundärraum 37 strömungsmäßig verbunden
sind. Die Vorlaufanschlüsse 38, 41 sind
hier im oberen Bereich des Plattenwärmetauschers angeordnet und
zueinander ausgerichtet, und die Rücklaufanschlüsse 39, 42 sind
in der Nähe
des unteren Endes des Plattenwärmetauschers 35 zueinander
fluchtend angeordnet.
-
Die
Primär-Anschlüsse 38, 39 sind
an eine primäre
Messkammereinheit 43 der ersten Tragsäule 33 und die Sekundäranschlüsse 41, 42 an
entsprechende Anschlüsse
einer sekundären
Messkammereinheit 44 angeschlossen, die im Wesentlichen
die zweite Tragsäule 34 bildet.
Die primäre
Messkammereinheit 43 weist ein aus einem Rechteckprofilrohr ausgebildetes
Gehäuse 45 auf,
in dem eine primäre Vorlaufmesskammer 46 und
eine Rücklaufmesskammer 47 ausgebildet
sind. Die Innenräume
der Messkammern 46, 47 sind voneinander druckdicht
getrennt und mittels einer Isolierwand 48 voneinander thermisch
isoliert. Die Vorlaufmesskammer 46 ist zum Anschluss der
Vorlaufleitung 01 mit einem einen Einlass bildenden Gewindestutzen 49 versehen,
der einem an den Primär-Vorlaufanschluss 38 des
Platten wärmetausches 35 angeschlossenen
Gewindestutzen der Vorlaufmesskammer 46 gegenüberliegt.
Entsprechend weist die primäre
Rücklaufmesskammer 47 zum
Anschluss der Rücklaufleitung 02 einen
dem Primär-Rücklaufanschluss 39 des
Plattenwärmertausches 35 gegenüberliegenden
Gewindestutzen 51 auf. Die Primäranschlüsse 38, 39 des Plattenwärmetauschers 35 sind
mit den entsprechenden Anschlüssen
der Messkammern 46, 47 mittels Gewindemuffen verschraubt
oder an diese angeflanscht.
-
Die
primäre
Vorlaufmesskammer 46 ist an ihrem oberen, der Isolierwand 48 gegenüberliegenden Ende
durch einen abnehmbaren Deckel 52 abgeschlossen, der mittels
Schrauben an einem Flansch des Gehäuses 45 befestigt
ist. Durch Lösen
der Schrauben kann schnell Zugang zu dem Innenraum der Messkammer 46 geschaffen
werden. Ein entsprechender Deckel 53 ist an der unteren
Seite der Messkammereinheit 43 angeschraubt und schließt die primäre Rücklaufmesskammer 47 dichtend
ab. An den Deckeln 52, 53 ist jeweils eine Umlenkeinrichtung
in Form eines Umlenkblechs 54, 55 befestigt, das
die jeweilige Kammer 46, 47 in eine in 2 linke
Teilkammer oder Kammerhälfte 46A, 47A und eine
rechte, dem Plattenwärmetauscher 35 zugewandte
Kammerhälfte 46B, 47B teilt.
Die Umlenkbleche 54, 55 erstrecken sich quer zu
der durch die Anschlüsse 49, 38, 39, 51 gebildete
Ebene über
die gesamte Tiefe der Kammern 46, 47 und in Höhenrichtung
auf die Isolierwand 48 zu. Zwischen dem freien Ende der
Umlenkbleche 54, 55 und der Isolierwand 48 ist
jeweils eine im Querschnitt rechteckige Durchflussöffnung 56, 57 für den primären Wärmeträger festgelegt.
-
Die
unmittelbar mit dem Plattenwärmetauscher 35 kommunizierenden
Kammerhälften 46B und 47B dienen
Mess- und Überwachungszwecken. Hierzu
sind an den Kammerhälften 46B, 47B mehrere
Sensoren der Sensoreinrichtung 27, wie ein Drucksensor
P, Temperatursensor T und gegebenenfalls ein Strömungssensor V, sowie vorteilhafterweise auch
Mess- und Anzeigeeinheiten TI, PI zum Anzeigen der erfassten Werte
angeordnet. Die Sensoren T, P, V ragen abschnittsweise in den Innenraum
der Kammern 46, 47 hinein und sind über die
Messleitungen 26 mit der Steuer- und Regeleinheit 24 verbunden.
Um eine gute Übersichtlichkeit
zu schaffen, sind die Sensor- und Anzeigemittel in den beiden Kammerhälften 46B, 47B in
der gleichen, hier nur beispielhaft gewählten Reihenfolge und relativen
Position angeordnet. Bedarfsweise können weitere Sensoren oder
Anzeigen für
andere physikalische Größen vorgesehen
sein.
-
In
der den Einströmbereich
bildenden Kammerhälfte 46A ist
ein Filterelement 58 angeordnet, das dazu dient, Luft und
andere Gase sowie Schlamm und andere feste Partikel, die von dem
primären
Wärmeträger mitgeführt werden,
abzuscheiden. Hierzu sind aus der Technik metallische und nichtmetallische
Gewebe-, Vliesfilter und sonstige Filterpatronen bekannt, die ausreichende
Feinheit und Abscheidegrad aufweisen. Es werden Tiefenfilter bevorzugt.
Das Filterelement 58 füllt
vorzugsweise den Innenraum der Kammerhälfte 46A quer zur
Strömungsrichtung
möglichst
vollständig
aus.
-
Zur
manuellen oder automatisierten Entgasung der sich in der Kammerhälfte 46A sammelnden Gase
ist an dem Deckel 52 ein Entgasungsstutzen 59 vorgesehen.
Außerdem
ist vorzugsweise an der Rückseite
der Messkammer 46 ein Reinigungsventil 61, bspw.
ein über
einen Membranantrieb gesteuertes Kegelventil, angeschlossen, das
derart dimensioniert ist, dass im geöffneten Zustand eine sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit
entsteht. Der Antrieb des Reinigungsventils 61 ist zwecks
automatisierter Reinigung mit der Steuer- und Regeleinheit 24 verbunden.
-
An
dem Deckel 53 der primären
Rücklaufmesskammer 47 ist
an einem Stutzen ein mit einem Antrieb versehenes Ablassventil 62 zur
Entleerung der Wärmetauschereinheit 36 vorgesehen.
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Die
so gebildete säulenartige
primäre
Messkammereinheit 43 ist über vier stabile Füße 63 aus Stahl
auf der Grundplatte 31 aufgestützt. Die Füße 63 sind beispielsweise
an dem Gehäuse 45 angeschweißt und an
der Grundplatte 31 angeschraubt, um die Lage der Tragsäule 33 bedarfsweise
verändern
zu können.
Die Tragsäule 33 ist
somit starr und tragend mit der Grundplatte 31 verbunden,
wobei Zugang zu dem unteren Deckel 53 und dem Ablassventil 62 ermöglicht ist.
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Die
zweite Tragsäule 44 ist
im Wesentlichen gleich der ersten Tragsäule 43 ausgebildet.
Ihre sekundäre
Messkammereinheit 44 ist ebenfalls über Füße 64 sicher auf der
Grundplatte 31 verankert. Die Messkammereinheit 44 weist
eine sekundäre
Vorlaufkammer 65 und eine sekundäre Rücklaufkammer 66 auf,
die übereinander
angeordnet, voneinander druckdicht getrennt und mittels einer Isolierung 68 thermisch
isoliert sind. Während
die Messkammereinheit 44 in Übereinstimmung mit der Messkammereinheit 43 in
einem Rechteckrohr ausgebildet ist, ist sie zusätzlich als Verteiler ausgebildet.
Wärmetauscherseitig
weist die Messkammereinheit 44 zwei Schraubanschlüsse auf,
die mit dem sekundären Vorlaufanschluss 41 und
Rücklaufanschluss 42 des Plattenwärmetauschers 35 verschraubt
sind. Die Vorlaufmesskammer 65 ist ausgangsseitig mit insgesamt
vier Anschlüssen 67 versehen,
von denen drei mit den sekundären
Vorlaufleitungen 04/1, 04/2, 04/3 verbunden
sind, während
ein vierter Anschluss zum Anschluss einer Überströmleitung dient. Die Rücklaufmesskammer 66 weist
drei an den Rücklaufleitungen 01/3, 01/2, 03/3 liegende
Anschlüsse 69 sowie
einen weiteren Anschluss auf, der mit einer Leitung zu einem Druckausdehnungsgefäß zu verbinden
ist.
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An
dem oberen und unteren Ende der Messkammereinheit 44 ist
jeweils ein Deckel 72, 73 mittels Schrauben festgemacht.
An den Deckeln 72, 73 sind, wie primärseitig,
Umlenkbleche 74, 75 befestigt, die in den Kammerinnenraum
hinein in Richtung auf die Isolierwand 68 zu ragen und
eine wärmetauscherseitige
Kammerhälfte 65A, 66a,
eine Durchströmöffnung 76, 77 und
eine ausgangsseitige Kammerhälfte 65B, 66B definieren,
von der aus die Anschlüsse 67 bzw. 69 wegführen. An
den Kammerhälften 65A, 66A sind
Sensor-, Mess- und Anzeigeeinheiten vorgesehen, die eine Erfassung
des Drucks und/oder der Temperatur des in die Vorlaufleitungen 04/1, 04/2, 04/3 abgegebenen
Vorlaufwassers bzw. des rückgespeisten
Rücklaufwassers
gestatten. Vorteilhafterweise sind die Stutzen für die Sensor- und Anzeigeeinheiten
vorzugsweise in allen vier Messkammern 46, 47, 65, 66 in
der selben Reihenfolge angeordnet und bestückt.
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Zusätzlich können, wie
aus 2 und 3 hervorgeht, ein weiterer Temperatursensor 78 und/oder
Drucksensor 79 an zugehörigen
Messstutzen an dem Deckel 72 vorgesehen sein, um Defekte an
einzelnen Sensoren erkennen zu können
und Betriebssicherheit zu erhöhen.
Weiterhin ist an dem Deckel 72 ein Entgasungsstutzen 81 mit
einem Ventil zur manuellen oder automatisierten Entgasung des sekundären Vorlaufwassers
vorgesehen.
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In
der den Einströmbereich
in der sekundären
Rücklaufkammer 66 bildenden
Kammerhälfte 66B ist
eine Filterpatrone 82 zur Ausfilterung von Gas und insbesondere
Schlamm eingesetzt, von der Art, wie sie auch in der Teilkammer 46A verwendet
ist. Auch hier ist ein Ablassstutzen mit einem Ablassventil 83 zu
Reinigungszwecken an dem Deckel 73 vorgesehen. An einem
weiteren Stutzen an dem Deckel 73 oder an der Seite ist
ein Zufuhrventil 84 angeschlossen, das über eine Leitung mit einer
Quelle mit Wasser verbunden ist, um in die Sekundärkreisläufe 4 bedarfsweise
Wasser nachzuspeisen.
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Das
insoweit beschriebene Wärmeübergabemodul 2 kann
bei dem Apparatehersteller als kompakte Einheit mit den beiden Tragsäulen 33, 34,
die über
die Anschlüsse 38, 39, 41, 42 mit
dem Plattenwärmetauscher 35 verbunden
sind und diesen frei tragen, vorgefertigt und auf der Grundplatte 31 vormontiert
werden. Die Tragsäulen
lassen sich qualitätssichernd
und kostenmindernd industriell fertigen. Auch die Sensoren P, T,
V, Anzeigeeinheiten TI, PI und elektrische Leitungsverbindungen 26 können bereits
werksseitig logisch und übersichtlich
angeschlossen sein. Je nach Bedarf lassen sich ferner die zur Entleerung
oder Nachspeisung erforderlichen Ventile 62, 83, 84 und/oder
insbesondere die durch die Umlenkbleche 54, 55, 74, 75,
die Luft- und Schlammfilter 58, 82 und die Entgasungsstutzen 59, 81 gebildete
Entgasungs- und Entschlammungseinrichtung 85, soweit erforderlich,
bereits mit integrieren. Die so gebildete Baueinheit lässt sich
gut transportieren und im Aufstellraum beliebig positionieren, so
dass Zugang zu allen Elementen von allen Seiten ermöglicht werden
kann. Installationsarbeiten vor Ort beschränken sich dann im Wesentlichen
auf die Herstellung erforderlicher Leitungsverbindungen, was zu einer
erheblichen Zeit- und Kostenersparnis führt. Außerdem ist auch die Funktionssicherheit
erhöht, indem
Aufbaufehler weitgehend ausgeschlossen sind.
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Im
Betrieb umhüllt
die als Gehäuse
oder als Matratze ausgebildete Isolierung 32 die Elemente des
Wärmeübergabemoduls 2 und
schützt
diese vor Beschädigung
von allen Seiten. Dies insbesondere, weil keine Stand- oder Hängerahmen
erforderlich sind. Die zum Reinigen, Entleeren, Nachspeisen und Entgasen
vorgesehenen Ventile können
innerhalb der Isolierung 32 und somit als Bestandteil des
Wärmeübergabemoduls 2 ausgebildet
oder auch außerhalb
der Isolierung 32 angeordnet sein. Andere Ventile, Pumpen,
Zähler
etc. sind aber außerhalb
der Isolierung 32 angeordnet, um zur Wartung leicht zugänglich zu
sein.
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Die
Wärmeübergabestation 1 arbeitet
wie folgt:
Im Betrieb strömt
heißes
Wasser von dem Fernwärmeversorgungsnetz über die
Vorlaufleitung 01 und die primäre Vorlauf kammer 46 in
den Plattenwärmetauscher 35 hinein.
In dem Plattenwärmetauscher 35 gibt
das primäre
Wasser einen Großteil
seiner Wärme
an das sekundärseitige
Wasser ab, das ausgehend von dem Plattenwärmetauscher 35 über die
sekundäre
Vorlaufkammer 65 zu den einzelnen Verbrauchern 11, 12, 13 gelangt.
Der Druck und die Temperatur des primären Wassers werden von den
Sensoren T, P in unmittelbarer Nähe
das Plattenwärmetauschers 35 erfasst.
Die Steuer- und Regeleinheit 24 erhält außerdem von den Sensoren T,
P an der sekundären
Vorlaufmesskammer 65 Informationen über den Druck und die Temperatur
des von dem Plattenwärmetauscher 35 abgegebenen
sekundärseitigen
Vorlaufwassers. Außerdem
verfügt
die Steuer- und Regeleinheit 24 über berechnete oder anderweitig
bestimmte Informationen über
den erforderlichen Druck, die Temperatur sowie den Durchsatz an den
sekundären
Vorlaufleitungen 04/1, 04/2, 04/3 und
verwendet diese, um anhand vorgegebener logischer Regeln über die
Motorstellventile 6, 7 den primärseitigen
Wasserstrom derart einzustellen, dass die geforderten Vorgaben auf
der Sekundärseite
erreicht werden. Hierzu steuert die Steuer- und Regeleinheit 24 über die
Steuerleitungen 28 auch die sekundärseitigen Ventile 17, 21,
Umlaufpumpen 18 und dgl. geeignet an. Sämtliche Werte oder vorverarbeitete
Zwischenwerte werden vorzugsweise gespeichert und sind bedarfsweise über den
PC 30 abfragbar.
-
Wenn
das primärseitige
Heißwasser
in die Kammerhälfte 46A einströmt, setzen
sich Luft- und Gasbläschen
an der feinporigen Filterpatrone 58 fest, während das
Wasser durch das Umlenkblech 54 nach unten und durch die
Durchströmöffnung 56 hindurch
umgelenkt wird. Dabei erhöht
sich die Strömungsgeschwindigkeit
des Heißwassers,
wodurch die festgesetzten Gasbläschen
gelöst
werden. Diese steigen nach oben und sammeln sich in der Nähe des Entgasungsstutzens 59,
an dem sie mittels des Ventils 59 manuell oder automatisiert
entgast werden können.
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Gleichzeitig
werden an der Filterpatrone 58 Schlammpartikel angelagert,
die ebenfalls von dem primären
Wärmeträger mitgeführt werden.
Der Schlamm setzt sich an bzw. in der Filterpatrone 58 fest
oder sinkt aufgrund seiner Schwere zu Boden. Über den Deckel 52 kann
die Filterpatrone 58 zu gegebenem Wartungszeitpunkt entnommen,
abgespült und
wieder eingesetzt und auch die Kammer 46 gereinigt werden.
Das Heizungswasser wird somit beim Durchströmen der Messkammer 46 wesentlich
von Gas und Schlamm befreit. Ein Zusetzen mit Gas bzw. Schlamm und
Korrosions- und Verschleißerscheinungen
insbesondere an dem Plattenwärmetauscher können dadurch
ebenso wirksam vermindert werden, wie durch Gasbläschen verursachte
Geräusche.
Somit kann die Gefahr von auf Gase oder Schlamm zurückzuführenden
Beschädigungen
oder Fehlfunktionen des Plattenwärmetauschers 35 und
anderer Komponenten deutlich reduziert und deren Lebensdauer erheblich
verlängert
werden.
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Durch
eine entsprechende Ausbildung der sekundären Rücklaufmesskammer wird auch
auf der Sekundärseite
eine effektive Zwei-Phasen-Abscheidung erreicht. Dies ist besonders
vorteilhaft, weil nahezu alle Heizungsanlagen sich im Keller befinden. Der
Schlamm fließt
also mit dem sekundärseitigen Heizungswasser
zwangsläufig
zu dieser tiefsten Stelle und verschlammt in aller Regel den Plattenwärmetauscher 35.
Wie bei der Kammer 46 werden auch in der Kammer 66 mit
dem Filter 82 Schlammpartikel wirksam abgeschieden.
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Häufig wird
an den Wärmeverbrauchern selbst
für eine
Entgasung des sekundären
Wärmeträgers gesorgt.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass etwaige in dem sekundären Wärmeträger mitgeführte Gase
dazu neigen, sich in der sekundären
Vorlaufkammer 65 zu sammeln. Diese Gase können dann über den
Entgasungsstutzen 81 nach außen abgeführt werden. Wahlweise kann
auch hier ein Filter zur Unterstützung
der Entgasung eingesetzt sein.
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Die
Messkammereinheiten 42, 43 sind folglich nicht
nur zur Erfassung der wichtigsten Betriebsparameter und zum Tragen
des Plattenwärmetauschers 35,
sondern auch zur Entgasung bzw. Entschlammung der Wärmeträger eingerichtet.
Wie die Entgasung kann auch die Entschlammung völlig automatisiert ablaufen.
Zum Abschlammen steuert die Steuer- und Regeleinheit 24 die
Reinigungsventile 61, 83 derart an, dass diese
kurzfristig geöffnet
werden. Durch das unter hohem Druck stehende und mit hoher Strömungsgeschwindigkeit
durch den ganzen freigebenen Querschnitt der Ventile 61 bzw. 83 strömende Wasser
werden die Filterelemente 58 bzw. 82 gründlich abgespült. Das
Reinigungswasser fließt
in den Abfluss ab.
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Vorteilhafterweise
kann auch Wasser automatisch nachgespeist werden. Der Sensoren P
der sekundären
Messkammereinheit 44 erfasst, wenn der Druck in dem Sekundärkreislauf 4 aufgrund
der Entschlammung unter einen vorgegebenen Schwellwert fällt, und
die zentrale Steuer- und Regeleinheit 24 sorgt durch Öffnen des
Zufuhrventils 84 und durch Ansteuern einer in der angeschlossenen
Leitung vorgesehenen Pumpe automatisch dafür, dass Wasser in die Sekundärkreisläufe 4 nachgefüllt wird,
bis der vorgegebene Ist-Wert wieder gemessen wird.
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Durch
regelmäßige Entgasung
und Entschlammung können
Wartungsintervalle um einiges verlängert werden. Die Wartungsintervalle
werden vorzugsweise auch von der Steuer- und Regeleinheit 24 überwacht
und hierzu erforderlichenfalls durch ein nach außen wahrnehmbares akustisches
oder optisches Signal bspw. über
Lautsprecher bzw. ein Display an der Steuer- und Regeleinheit 24 selbst
oder an dem PC 30 aufgefordert.
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Vorzugsweise überwacht
die Regel- und Steuereinheit 24 oder der PC 30 dabei
auch die Lebensdauer sicherheitsrelevanter Teile der Wärmeübergabestation 1,
insbesondere der Armaturen und Pumpen, und sorgt dafür, dass
diese Teile in eine si chere Stellung übergehen, wenn deren Lebensdauer um
bspw. 10% überschritten
ist. Außerdem
wird in diesem Fall eine Meldung generiert, um den Betreiber auf
die Notwendigkeit eines Austauschs des entsprechenden Teils hinzuweisen.
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Vorteilhafterweise
erfassen die Strömungswächter V,
wenn in einem der Kreise 3, 4 die Wärmeträgerströmung ausbleibt
oder zumindest stark einbricht. Dies kann daher herrühren, dass
Handsperrarmaturen oder sonstige Armaturen zugedreht sind, oder
auf starke Leckverluste aufgrund Beschädigung hindeuten. In diesem
Fall werden die sicherheitsrelevanten Teile durch die Steuer- und
Regeleinheit 24 ebenso veranlasst, ihre sichere Stellung
einzunehmen, wobei Umlaufpumpen zur Vermeidung des Trockenlaufens
unmittelbar abgeschaltet werden.
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Aufgrund
der Entgasungs- und/oder Entschlammungseinrichtung 85 an
den Messkammereinheiten 43, 44 ist das erfindungsgemäße Wärmeübergabemodul
auch für
sehr hohe Wärmeübertragungsleistungen
geeignet. Wird eine höhere
Wärmeleistung
benötigt,
kann das vorhandene Wärmeübergabemodul 2 schnell
und einfach umgerüstet
werden. Hierzu werden die beiden Tragsäulen 33, 34 von der
Grundplatte 31 gelöst,
in einem größeren Abstand
zueinander aufgestellt und wieder an der Grundplatte 31 verankert,
und es wird ein größerer Wärmeübertrager
eingebaut. Unabhängig
davon, ob der Wärmetauscher
mit den Tragsäulen
verschweißt oder
verschraubt ist, können
die Arbeiten materialschonend und kostensparend schnell erledigt
werden.
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Vorzugsweise
weist der Plattenwärmetauscher 35 aber
eine für
viele Bedarfsfälle
ausreichende Standardgröße auf.
Bspw. kann der Plattenwärmetauscher
für Wärmübertragungsleistungen
bis zu 1.000 kW oder sogar darüber
ausgelegt sein. Wird bei einer Anlage nur ein Teil dieser Leistung,
bspw. 150 kW, benötigt,
erfolgt die Festlegung der Anschlusswerte oder die Leistungsbegrenzung
allein durch entsprechende Auslegung der Re gelungstechnik, insbesondere
der Regelarmaturen 6, 7, 17, 21 und
des zugehörigen
Regelungsprogrammes. Vorteilhafterweise müssen also keine vielfältigen Module mit
individuellen, leistungsabhängigen
Abmessungen sondern bspw. lediglich ein Modul 2 mit einem überdimensionierten
Wärmetauscher 35 vorgehalten werden,
der für
viele Anwendungen ausreichend Leistungsreserven vorhält. Eine
größere Auslegung des
Standard-Plattenwärmetauschers 35,
der dann relativ kostengünstig
industriell gefertigt werden kann, ist auch deshalb sinnvoll, weil
sich trotz der evtl. vorgeschalteter erfindungsgemäßer Entschlammung
stets Ablagerungen in dem Wärmetauscher
bilden können.
Ebenso von Vorteil ist, dass die Steuer- und Regeleinheit 24 die übertragene
Leistung stets überwacht,
integriert und gegebenenfalls drosselt, wenn ein festgelegter Schwellwert
erreicht ist. In diesem Fall kann die Steuerungssoftware den Anlagenbetrieber
auffordern zu entscheiden, ob er die Wärmeleistung für Spitzenlasten
kaufen oder lieber vermeiden will.
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Im
Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. Bspw.
ist eine die Handhabung erleichternde Grundplatte 31 nicht
zwingend erforderlich. Die Tragsäulen 33, 34 können auch
direkt an einer Bodenplatte des Aufstellraums befestigt werden.
Statt Füße 63, 64 vorzusehen,
können
die Messkammereinheiten 43, 44 auch auf einem
Sockel aufgestellt oder auch verlängert und direkt auf der Unterlage
aufgestellt sein. Die Innenräume
können bspw. über eine
Tür zugänglich sein.
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In
einer vereinfachten Ausführungsform,
die in den Figuren nicht dargestellt ist, wird für die Entgasung und Entschlammung
an einer anderen Stelle der Wärmeübergabestation 1 gesorgt,
so dass die Entgasungs- und/oder Entschlammungseinrichtung 85 entfallen
kann. Es wird lediglich die starre und tragende Verbindung der Tragsäulen 33, 34 mit
der Grundplatte 31 bzw. der Bodenplatte vorteilhaft ausgenutzt.
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Die
Tragsäulen 33, 43 können auch
lediglich eine Messkammer aufweisen. Auf beiden Seiten ist es vorteilhafterweise
jeweils die Vorlaufmesskammer 46 bzw. 65, um die
Parameter des Vorlaufwassers erfassen zu können.
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Gemäß einer
ausgeklügelten
Weiterbildung der Messkammern 46, 47, 65, 66 dienen
diese ferner zur Analyse und gegebenenfalls Behandlung des Wassers
insbesondere in dem Sekundärkreislauf 4. Hierzu
sind neben den bereits beschriebenen Messwertgebern P, T, V weitere
Sensoren vorgesehen die dazu dienen, bspw. die elektrische Leitfähigkeit,
den pH-Wert und/oder den Anteil bestimmter Inhaltsstoffe des durch
die jeweilige Messkammer strömenden Wärmeträgers zu
ermitteln. Eine zu hohe elektrische Leitfähigkeit bei einer gemessenen
Temperatur wird als Hinweis gewertet, dass das System zunehmend stark
verschmutzt, also verkalkt, verkrustet oder verschlammt ist. Wichtig
ist auch, dass das Heizungswasser neutral, also weder alkalisch
noch sauer ist, was mit dem pH-Sensor überwacht werden kann. Ferner
lassen sich die Anteile von besonders oxidierenden und schädlichen
Erdalkalimetallen, wie Natrium, Kalium, Kalzium, Magnesium oder
Eisen, oder der Sulfat- und Chloridgehalt bestimmen, die sogar Edelstahl
angreifen können.
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Die
Steuer- und Regeleinheit 24 oder der PC 30 vergleicht
die gemessenen Werte mit vorgegebenen Schwellenwerten und erzeugt
gegebenenfalls Meldungen an den Betreiber der Anlage. Außerdem sorgt
die Steuer- und Regeleinheit 24 vorzugsweise automatisiert
durch Zugabe von geeigneten Zusatzstoffen dafür, dass das Heizungswasser
im Sinne einer Verkleinerung der Abweichung des Istwerts von dem
Sollwert, also im Sinne einer Neutralisation des pH-Werts oder der
Minimierung der Konzentrationen bestimmter gelöster Inhaltsstoffe behandelt
wird. Die bei der Behandlung ausfallenden Festteile bilden Verschmutzungen
oder Schlamm, die vorteilhafterweise durch die erfindungsgemäße Entschlammungseinrichtung 85 herausgefiltert
werden. Durch eine solche Wasseranalyse und -behandlung können Verschleiß, Korrosion
und Schäden
an der Anlage sehr gering gehalten werden.
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Aus
mehreren Wärmeübergabemodulen 2, wie
sie in den 1 bis 3 dargestellt
sind, lassen sich auch Wärmeübergabestationen
für noch
höhere Leistungen
schnell, kostengünstig
und übersichtlich aufbauen.
Die einzelnen Module 2 werden geordnet nebeneinander aufgestellt.
Z.B. kann ein Wärmeübergabemodul 2 für eine Warmwasserheizungsanlage
und ein anderes für
ein Warmwasseraufbereitungsanlage verwendet werden.
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In 4 ist
beispielsweise eine aus vier Wärmeübergabemodulen 201, 202, 203, 204 aufgebaute Wärmeübergabestation 1 vereinfacht
und schematisiert dargestellt. Die Wärmeübergabemodule sind primärseitig
an den Vorlaufanschluss 01 und den Rücklaufanschluss 02 von
bzw. zu dem Fernwärmeversorgungsnetz
angeschlossen. Sekundärseitige Leitungen
sind aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen.
Alle Module sind im Betrieb von einer gemeinsamen Steuer- und Regeleinheit 24 gesteuert bzw.
geregelt. Durch die geordnete Nebeneinanderanordnung der im Wesentlichen
voneinander unabhängigen
Module 201 bis 204 ist gute Übersichtlichkeit gegeben und
besonders vorteilhafte Steuerung bzw. Handhabung ermöglicht.
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Im
Volllastbetrieb, wenn hohe Heizleistung erforderlich ist, z.B. bei
extrem tiefen Temperaturen, werden alle Module 201 bis 204 betrieben.
In der Übergangszeit
ist es möglich,
einzelne Module durch Sperren der primär- und sekundärseitigen
Ventile 6, 7, 17, 21 abzustellen
und über
die Ventile 62, 83 automatisch zu entleeren. Über das
automatische Nachspeiseventil 84 lässt sich jedes Modul jederzeit wieder
automatisiert in Betrieb setzen. Entsprechend lässt sich auch stets eines der
Module warten oder reparieren, ohne dass es zu einer Unterversorgung der
angeschlossenen Wärmeverbraucher
kommt.
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Die
Steuer- und Regeleinheit 24 weist vorzugsweise auch logische
Regeln auf, um die Module 201 bis 204 im Teillastbereich
besonders intelligent anzusteuern. Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren
schaltet die Steuer und Regeleinheit 24 auf die bereits
beschriebene Weise abwechselnd einzelne Module periodisch ab und
wieder zu, um alle Module auch im Teillastbetrieb "trainiert" zu halten. Damit
können
Effekte wie Stillstandskorrosion oder dgl. vermieden, Fehler an
einzelnen Modulen rechtzeitig erkannt und die Betriebsbereitschaft
auch für
den Volllastbetrieb gesichert werden.
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Es
sollte betont werden, dass hier besonders vorteilhafte Ausführungsformen
beschrieben sind, die einen Plattenwärmetauscher verwenden. Die
dargestellten erfindungsgemäßen Lösungen,
insbesondere die Ausbildung der Messkammern als Trägersäulen, die
in die Messkammmern integrierte Entgasung, Entschlammung oder Wärmeträgeranalyse
wie auch die Überwachungs-
und Steuerungsverfahren bieten aber auch bei der Verwendung von
Rohrbündelwärmetauschern,
Glattrohrwärmetauschern
oder sonstigen Wärmeübertragern
Vorteile.
-
Eine
vorteilhafte Ausführungsform
eines Wärmeübergabemoduls 2,
das für
unterschiedliche Wärmeübertragungsleistungen
geeignet ist, ist in 5 vereinfacht und stark schematisiert
dargestellt. Diese Ausführungsform
entspricht im Wesentlichen der in 1 bis 3 gezeigten
Ausführungsform, so
dass für
entsprechende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden und
auf die obige Beschreibung verwiesen wird. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten
Ausführungsform
sind hier aber die zu Tragsäulen 33, 34 ausgebildeten
Messkammereinheiten 43, 44 in Tiefenrichtung verlängert und der
Plattenwärmetauscher
durch mehrere, hier drei relativ schmale Plattenwärmetauschermodule 35a, 35b, 35c gebildet.
Die Plattenwärmetauschermodule 35a, 35b, 35c sind
jeweils für
eine Wärmeübertragungsleistung
ausgelegt, die kleiner ist als die Nenn-Wärmeübertragungsleistung des Wärmeübergabemoduls 2,
und durch die Messkammern 46, 47, 65, 66 strömungsmäßig primär- und sekundärseitig parallel
geschaltet. Die die Plattenwärmetauschermodule 35a, 35b, 35c tragenden
Messkammern 46, 47, 65, 66 dienen
als gemeinsame Vorlaufverteiler- bzw. Rücklaufsammlermittel für die Wärmeträger. In den
Messkammereinheiten 43, 44 können bedarfsweise die oben
beschriebenen Sensormittel, Entgasungs- und/oder Entschlammungseinrichtungen, Entleerungs-
und Nachspeiseventile und dgl. vorgesehen sein, die hier zur Vereinfachung
nur zum Teil oder gar nicht veranschaulicht sind.
-
In
den primärseitigen
Vorlaufanschlüssen 38 der
Plattenwärmetauschermodule 35a, 35b, 35c ist jeweils
ein Absperrventil 87 und in den Rücklaufanschlüssen 39 jeweils
ein Absperrventil 88 vorgesehen. Entsprechend sind auch
auf der Sekundärseite Absperrventile 90, 91 für jeden
der Plattenwärmetauschermodule
in den Vorlaufanschlüssen 41 bzw.
den Rücklaufanschlüssen 42 enthalten.
Das gesamte Wärmeübergabemodul 2 wird
zentral überwacht,
gesteuert und geregelt.
-
Die
Absperrventile 88, 89, 90, 91 ermöglichen
es, ein zelne Plattenwärmetauschermodule
bei vermindertem Wärmebedarf
oder zwecks Wartung stillzulegen. Dies kann ähnlich wie im Zusammenhang
mit 4 erläutert
geschehen, wobei auch die besonderen Regeln zum automatisierten,
bspw. periodischen Umschalten zwischen den einzelnen Plattenwärmetauschern 35a, 35b bzw. 35c im
Teillastbetrieb Verwendung finden können. Vorteilhafterweise ist
das Modul 2 aber viel kompakter und materialsparender aufgebaut
als die Wärmeübergabestation 1 nach 4.
Die Messkammereinheiten 43, 44 können Platz
und Anschlüsse
für weitere
Plattenwärmetauschermodule
bieten. Mehreren Wärmeübergabemodule 2 nach 5 können bedarfsweise
gem. 4 parallel geschaltet werden.
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Für eine Wasser/Wasser-Wärmeübergabestation
ist ein kompaktes Wärmeübergabemodul 2 mit
einem Plattenwärmetauscher 35 geschaffen,
an dessen primärseitigen
und sekundärseitigen
Vorlauf- und Rücklaufanschlüssen 38, 39, 41, 42 jeweils
eine Messkammer 46, 47, 65, 66 vorgesehen
ist, um mittels Sensoren P, T die wichtigsten Betriebsparameter zur
Steuerung des Wärmeumsatzes
zu erfassen. Die auf der Primärseite
bzw. Sekundärseite
angeordneten Messkammern 46, 47 bzw. 65, 66 sind
jeweils zu einer Messkammereinheit 43 bzw. 44 zusammengefasst.
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Die
Messkammereinheiten 43, 44 bilden Tragsäulen 33, 34,
die mit einer Grundplatte 31 starr und tragend verbunden
sind. Zusätzlich
können
die Messkammereinheiten 43, 44 eine Entgasungs- und/oder
Entschlammungseinrichtung 85 enthalten, um in dem Heizungswasser
mitgeführte
Gase bzw. Schlamm auszufiltern. Durch die Mehrzweck-Messkammern 46, 47, 65, 66 wird
Bauraum ebenso eingespart wie Zeit und Kosten für Installation und Wartung.