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Hahn zum Mischen von Fluiden Die Erfindung betrifft einen Hahn, der
zum Mischen eines heißen Vorlauffluidums und eines heißen Rücklaufluidums dient
und ein Küken hat, das eine mittlere Trennwand und zu beiden Seiten derselben Durchflußräume
für die Fluida hat und anschließend an die Trennwand ein Ansatzstück, das den Durchlaß
durch die Ein- oder Austrittsöffnung, die es ganz oder teilweise überdeckt, zusätzlich
drosselt.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, am Umfang, anschließend an die
Trennwand, ein Ansatzstück anzubringen, das den Durchlaß durch die Austrittsöffnung,
die es ganz oder teilweise überdeckt, je nach der Stellung des Hahnes zusätzlich
drosselt, vorzugsweise derart, daß die für das Mischungsverhältnis maßgebenden Durchlaßquerschnitte
direkt propotional oder nahezu direkt proportional dem Drehwinkel des Kükens sind.
Hierdurch wird nicht nur eine gleichmäßige Skala erzielt, die zur Handverstellung
zweckmäßig ist, sondern es ist auch ein derartiges Küken in besonderem Maße für
eine automatische Steuerung geeignet. Mit den bisherigen Formen der Ansatzstücke
konnten jedoch diese Forderungen nur zu einem Teil erfüllt werden.
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Um nun die idealen Verhältnisse in größerer Annäherung zu erreichen,
ist bei derartigen Hahnen gemäß der Erfindung die Anordnung so getroffen, daß die
Höhe des Durchflußquerschnitts am Ansatzstück bei Verdrehen des Kükens anfänglich
zunimmt und dann mindestens auf einer Teilstrecke abnimmt. Gerade diese Abnahme
der Höhe unterscheidet die neuartige Form von den bekannten Formen und ergibt eine
wesentlich günstigere Ausbildung in bezug auf die proportionale Verstellung des
Kükens.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zusammen
mit einem Kurvendiagramm dargestellt. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung
einer Heizanlage unter Verwendung eines Hahnes, Fig. 2 einen Schnitt durch einen
erfindungsgemäßen Hahn nach Linie 2-2 der Fig. 4, Fig. 3 einen Teilschnitt nach
Linie 3-3 der Fig. 2, Fig. 4 einen Schnitt nach Linie 3-3 der Fig. 2, Fig. 5 eine
Ansicht des Kükens, in Richtung des Pfeiles A gesehen, Fig.6 ein Diagramm der idealen
Vorlauftemperatur in Funktion der Steuerung des Kükens, Fig. 7 eine schematische
Darstellung des Hahnes entsprechend Fig. 2, Fig. 8 eine Darstellung verschiedener
Formen der Kurventeile, Fig. 9 ein Diagramm der Vorlauftemperaturen verschiedener
Kurvenformen. In der schematischen Darstellung nach Fig. 1 bedeutet 10 einen Kessel,
11 einen Heizkörper und 12 einen Warmwasserbereiter. Der Hahn gemäß der Erfindung
ist als Ganzes mit 15 bezeichnet. Die vorerwähnten Einzelteile sind durch Leitungen
miteinander verbunden, wobei die Durchlaufrichtung mit Pfeilen gekennzeichnet ist.
Die Vorlaufleitungen sind ausgezogen und die Rücklaufleitungen strichpunktiert eingezeichnet.
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An Hand der Fig. 2 bis 4 wird im folgenden der Hahn 15 im einzelnen
beschrieben werden.
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Der Hahn 15 weist ein Gehäuse 20 mit Anschlußstutzen 21, 22,
23 und 24 auf. In dem Gehäuse ist ein als Ganzes mit 30 bezeichnetes Küken angeordnet,
das zwei Endscheiben 31 und 32 und eine Trennwand 33 aufweist. Entlang der einen
Kante der Trennwand 33 ist in Umfangsrichtung ein Ansatzstück angebracht, das in
diesem Ausführungsbeispiel aus zwei Kurventeilen 35 besteht, die jeweils eine Begrenzungskante
37 aufweisen. Bis zur Öffnung der vollen Höhe des Durchgangs zwischen den beiden
Scheiben 31 und 32 ist der Durchgang durch den jeweils geöffneten Raum zwischen
den Begrenzungskanten 37 bestimmt.
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Das Küken weist ferner einen Zapfen 40 auf, auf dem ein Handhebel
41 angeordnet ist. Ferner ist auf dem Hahn eine Führungsplatte 45 mittels Schrauben
46 befestigt, die eine Skala 47 trägt, mit der ein Zeiger 48 des Hebels 41 zusammenwirkt.
Zur Abdichtung des Kükens sind noch eine Abdeckplatte 50 und ein Abdichtring 51
vorgesehen. Mit 55 ist eine Feder bezeichnet, durch die das Küken in seiner Lage
gehalten wird.
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In Fig. 2 sind durch Pfeile die Flußrichtungen angedeutet. Dabei bedeuten
die Pfeile B die Flußrichtung des Heißwassers vom Kessel und die Pfeile C den
Rücklauf
von der Heizung. Der Pfeil D zeigt die Richtung des Heizungsvorlaufs zum Heizkörper
und der Pfeil E die Rücklaufrichtung zum Kessel an.
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Bevor auf die Gestaltung der Kurventeile eingegangen wird, sei auf
folgendes hingewiesen: Das Kennzeichen einer proportionalen Regelung ist der lineare
Zusammenhang zwischen Regelgröße und Stellgröße: Die Regelgröße ist bei den Warmwasserheizungen
die Vorlauftemperatur, während die Stellgröße der anteilige Verstellweg des Stellgliedes
(Regelorgan) ist. Die Vorteile dieses linearen Zusammenhanges zwischen Stellweg
und Regelgröße sind bekannt. Zunächst soll auf die spezifischen Eigenarten der Warmwasserheizungen
eingegangen werden, weil die Temperaturen der beiden Strömungen, deren Vereinigung
das Vorlaufwasser bildet, durch die Auslegung der Warmwasserheizungen genau bestimmt
sind. Es zeigt sich, daß ein ganz bestimmter funktioneller Zusammenhang zwischen
Vorlauftemperatur und Außentemperatur besteht, wobei die verschiedenen Vorlauftemperaturen
genau bestimmte Rücklauftemperaturen zugeordnet bekommen.
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Die maximale Vorlauftemperatur wird bei den Warmwasserheizungen mit
90°C festgelegt, die der ständigen Kesseltemperatur entspricht. Für diesen Wert
beträgt z. B. die Temperatur des Rücklaufwassers 70°C. Schaubilder über den Temperaturverlauf
in Warmwasserheizungen sind beispielsweise in dem Taschenbuch für »Heizung, Lüftung
und Klimatechnik«, herausgegeben von Dipl.-Ing. Sprenger, Verlag Oldenbourg, zu
ersehen. Durch Beimischung von kälterem Rücklaufwasser zu dem heißen Kesselwasser
stellt sich den Mischverhältnissen entsprechend eine ganz bestimmte Vorlauftemperatur
ein. Um den linearen Zusammenhang zwischen Verstellwinkel des Kükens und der Vorlauftemperatur
zu garantieren, müssen deshalb die Durchflußöffnungen für das heiße Kesselwasser
und das kältere Rücklaufwasser in eine Relation gebracht werden, die den Verhältnissen
Rechnung trägt.
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Die Menge des Vorlaufwassers ist also eine Mischung von bestimmten
Volumenanteilen heißen Kesselwassers mit Volumenanteilen kälteren Rücklaufwassers
je Zeiteinheit. Wie bereits bei den Ausführungen über Warmwasserheizungen bemerkt,
sind die Temperaturen des Rücklaufwassers annähernd bekannt, während die Temperatur
des heißen Kesselwassers als konstant angenommen werden kann.
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Bei der Betrachtung der Strömungsverhältnisse im Mischer müssen insbesondere
die Druckverhältnisse, Widerstandsbeiwerte der jeweiligen Öffnungen und des Kesselkreislaufes,
Kontraktionen der Strömungen und andere Eigenarten des Strömungsverlaufes beachtet
werden. Erst durch Berücksichtigung aller Faktoren können die relativen Zustromöffnungen
des Kükens zum Erreichen einer linearen Regelung der Vorlauftemperaturen bestimmt
werden.
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In Fig. 6 ist der ideale, d. h. geradlinige Verlauf der Temperatur
T des Vorlauffluidums in Funktion der Stellung S des Kükens eingezeichnet. Außerdem
ist noch die Temperatur des Rücklaufwassers eingezeichnet, wie sie sich in vielen
Fällen bei Schwerkraftheizungen einstellt.
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Um nun diesen Verlauf der Temperatur des Vorlauffluidums zu erreichen;
müssen die Kurventeile 35 entsprechend gestaltet sein. Diese Form kann theoretisch
berechnet werden, und die in der Berechnung vorkommenden Querschnitte sind in der
schematischen Darstellung in Fig.7 eingezeichnet, die im wesentlichen der Darstellung
in Fig. 2 entspricht.
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Für irgendeine bestimmte Rücklauftemperatur ergibt sich die Formel
| Hierin bedeutet |
| F, = Zuströmquerschnitt des Kesselwassers zum |
| Vorlaufwasser, |
| F, = maximal möglicher Zuströmquerschnitt zum |
| Vorlaufwasser (Nennweite des Regelorgans), |
| F, |
| Fo ' |
| FZ = Zuströmquerschnitt vom Rücklaufwasser zum |
| Vorlaufwasser, |
| Tu - Tr |
| R Tk - TV' |
| Tv = Temperatur des Vorlaufwassers, |
| T, = Temperatur des Rücklaufwassers, |
| T, = Temperatur des Kesselwassers (im allgemeinen |
| konstant). |
Für den Spezialfall nach Spalte 4 ist
Ferner ist
Widerstandsbeiwert des Kesselkreislaufes Voraussetzung für die Gültigkeit dieser
Formel ist die Annahme. daß
| ist, wobei |
| F3 = Zuströmquerschnitt des Kesselwassers zum |
| Rücklauf, |
| F4 = Zuströmquerschnitt des Rücklaufwassers zum |
| Kessel |
ist. Ferner wurde das durch Schwerkraft bewirkte Druckgefälle im Kesselkreislauf
vernachlässigt, das im übrigen sehr klein ist.
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Für einen Proportionalitätsmischer ist T", eine lineare Funktion,
und es kann dann für die verschiedenen Werte von T, berechnet werden,
da die zugeordnete Rücklauftemperatur bekannt ist.
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Berechnet man nun die Form der Kurventeile nach dieser Formel für
eine Proportionalitätsmischung, so ergeben sich die in Fig. 8 eingezeichneten abgewickelten
Kurven I. Diese sind so gestaltet, daß der Abstand p
mit den Kurven
bei Null beginnt, dann zunimmt, anschließend auf einem mittleren Teil wieder abnimmt
und
schließlich sehr stark ansteigt. Hierdurch würde sich eine sehr große Bauhöhe a
des Schiebers ergeben, die in vielen Fällen unpraktisch ist. Ohne wesentlich von
der Linearität abzuweichen, kann diese Kurve I in eine Kurve W korrigiert werden,
und zwar in der Art, daß der Abstand q der entsprechenden Kurventeile mit einem
Wert qi beginnt und einem Wert q2 endigt, der wesentlich kleiner als die Bauhöhe
a ist und einer Bauhöhe b entspricht. Im wesentlichen ist der Abstand auf einem
Anfangsteil größer und auf dem Endteil kleiner. Ferner kann noch auf einem mittleren
Teil eine Überschneidung stattfinden, so daß dort der Abstand bei der Kurve W größer
oder kleiner als bei der Kurve I ist.
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In Fig.9 sind die ideale geradlinige Vorlauftemperatur Ti und die
wirkliche Vorlauftemperatur Tw eingezeichnet, die den Kurven I und
W der Fig. 7 entsprechen. Hieraus ergibt sich, daß die Kurve T. um die Kurve
Ti pendelt, jedoch nur unwesentlich von ihr abweicht.
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Anstatt zwei Kurventeile vorzusehen, ist es- auch ohne weiteres möglich,
nur ein Kurventeil anzubringen oder zu beiden Seiten der Trennwand 33 Ansatzstücke
entsprechender Form anzubringen.