DE19716989A1 - Systemtrennung als Sicherungsarmatur für Rohrleitungsnetze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Systemtrennungen sind Sicherungsarmaturen, welche überwiegend zum Schutz von Trinkwasserleitungsnetzen eingesetzt werden. Rückfließen von verschmutztem Wasser stellt die häufigste Ursache für die Verunreinigung von Trinkwasser dar. Dies kann zustandekommen beispielsweise durch den geodätischen Höhenunterschied innerhalb eines Stockwerks durch eine in einer gefüllten Badewanne liegenden Handbrause, oder durch einen Rohrbruch. Sicherungseinrichtungen müssen Rückfließen verhindern, um eine Beeinträchtigung oder Gefährdung von Nutzern des Trinkwassernetzes zu vermeiden.

Nach der DIN 1988, Teile 1-8 [1] sind verschiedenste Ausführungen von Sicherheits­ einrichtungen möglich. Das Höchstmaß an Sicherheit gegen das Eindringen von Nichttrinkwasser, Fremd- und Schadstoffen in das Trinkwassernetz durch Rückfließen bietet nur der freie Auslauf. Dabei fällt das Wasser über eine bestimmte Luftstrecke in einen Behälter.

Bei Anlagen, die einen Teil ihres Wassers üblicherweise aus anderen Quellen beziehen (z. B. Kühltürme von Kraftwerken, Papierverarbeitung, chem. Anlagen, Regenwasser­ nutzungsanlagen, Betriebswassernetze), ist zur sicheren Wasserversorgung im Falle eines Wassermangels eine Nachspeisung von Trinkwasser aus dem Leitungsnetz erforderlich. Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Ausführungen des Prinzips des freien Auslaufes bekannt:
In der DE 295 07 701 U 1 wird eine einfache Ausführung eines freien Auslaufes beschrieben, wobei über einen Trichter Wasser in eine zum Hauptspeicher führende Leitung eingespeist wird, überlaufendes Wasser wird in den Kanal abgeführt.

In der DE 38 19 330 A 1 werden WC-Spülkästen mit zwei Schwimmerventilen für den Anschluß von Trinkwasser und Brauchwasser ausgestattet. Dies hat den Nachteil, daß für jedes WC zweifache Versorgungsleitungen gelegt werden müssen. Die Zulässigkeit solcher doppelten WC-Anschlüsse wird zur Zeit von Fachleuten kontrovers diskutiert, da der Abfluß i.d.R. nicht für den vollen Volumenstrom beider Ventile im Schadensfall ausgelegt ist. In der DE 30 10 290 A 1 und G 94 00 518.4 wird zur Brauchwasserversorgung in Abhängigkeit des Füllstandes direkt aus dem Trinkwassernetz in den Hauptspeicher nachgespeist, wobei die Anforderungen des freien Auslaufes erfüllt sind. Dies hat aber den Nachteil, daß bedingt durch den großen Durchmesser des Hauptspeichers und den großen Schaltdifferenzen der eingesetzten Schwimmerventile im Bedarfsfall erhebliche Mengen Trinkwasser nachgespeist werden. In der DE 42 27 020 A 1 wird dieser Nachteil dadurch ausgeglichen, daß auf dem Behälterboden ein Entnahmepuffer angebracht ist, aus dem die Entnahmeleitung einer Pumpe das Wasser ansaugt. Bei zu geringem Wasserstand wird über einen oberhalb des maximalen Wasserspiegels im Dom befindlichen freien Auslauf in Form eines Behälters und eines Ventils Frischwasser nachgespeist. In der DE 40 19 142 C 2 wird die Nachspeisung von Trinkwasser durch freien Auslauf in einen eigenen, drucklosen Behälter durchgeführt, der abhängig vom Füllstand im Hauptspeicher mit Trinkwasser gefüllt wird und an den über eine Druckerhöhungsanlage die Wasserverbraucher angeschlossen werden. Dieser kann auch außerhalb des Hauptspeichers montiert sein. Ein prinzipiell ähnlicher Aufbau ist in G 93 02 054.6 beschrieben, wobei Hauptspeicher und freier Auslauf zur Nachspeisung in einem gemeinsamen Speicher innerhalb eines Gebäudes ausgeführt sind. Anwendungen, die jedoch dem in den vorgenannten Schriften dargestellten technischen Inhalten entsprechen, sind in weiteren Literaturstellen [2-8] beschrieben.

Zusammenfassend wird beim bisherigen freien Auslauf Wasser in einen Zwischenspeicher geleitet und von dort durch eine Druckerhöhungsanlage in das Gebäudewassernetz eingespeist.

Der erhebliche Nachteil des bisherigen Standes der Technik ist, daß im Falle eines Stromausfalls oder Pumpendefektes keine Wasserversorgung mehr besteht. Dies hängt damit zusammen, daß das unter Druck stehende Trinkwasser durch den freien Auslauf entspannt wird und unter Aufwendung von Energie durch eine Druckerhöhungsanlage wieder auf Versorgungsdruck gebracht werden muß. Die Installation eines parallelen Leitungsnetzes ist jedoch sehr kostenintensiv. Der freie Auslauf nach bisherigem Stand der Technik vermindert damit die Versorgungssicherheit im Vergleich zur herkömmlichen Versorgung durch die Wasserwerke erheblich.

Der in den Schutzansprüchen 1-18 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Systemtrenner nach dem Prinzip des freien Auslaufes zu entwickeln, welcher keinen Druckverlust aufweist und damit völlige Versorgungssicherheit auch bei Stromausfall oder Pumpendefekt ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Schutzansprüchen 1-18 angegebenen Merkmale gelöst. Die Systemtrennung durch freien Auslauf wird dabei in einem geschlossenen, unter Druck stehenden Behälter durchgeführt, so daß der Wasserdruck erhalten bleibt. Der nach DIN 1988 einzuhaltende notwendige Sicherheitsabstand zwischen dem Zulauf und dem Wasserspiegel wird durch ein unter dem Druck der Rohrleitung stehenden Medium (vorzugsweise Luft) aufrechterhalten. Hohe Volumenströme und Drücke führen durch Blasenbildung aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit zu Gasverlusten, die durch spezielle Einbauten verhindert werden. Bei Defekt schaltet sich das Gerät durch ein Sperrventil bei Erreichen eines Mindest-Gasvolumens selbsttätig ab.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert:

Fig. 1: Prinzipieller Aufbau des Druckbehälters für die Systemtrennung

Fig. 2: Aufbau und Wirkungsweise des Lamellendiffusors

Fig. 3: Weitere Ausführungsart des Lamellendiffusors

Fig. 4: Aufbau und Wirkungsweise des Strahlstarters

Fig. 5: Schaltschema Systemtrennung; Ausführung A

Fig. 6: Schaltschema Systemtrennung; Ausführung B.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau des Druckbehälters (1) für die Systemtrennung dargestellt. Der obere Teil enthält das für die Systemtrennung erforderliche Gasvolumen (2).

Das Wasser wird über den Strahlstarter (3) in den Druckbehälter eingeleitet und trifft in die Öffnung des Lamellendiffusors (4), der zu ca. 1/3 im Wasser eingetaucht ist. Das Wasser tritt mit stark verminderter Strömungsgeschwindigkeit aus dem Lamellendiffusor aus und wird durch das Puffervolumen (5) weiter beruhigt, wodurch die restlichen Luftblasen entweichen können. Über den Anschluß (6) wird das Wasser abgeleitet. Der Druckbehälter ist an seinem unteren Ende durch einen Flansch (7) verschlossen, an dem auch Halterungen für den Lamellendiffusor (8) und notwendige weitere Anschlüsse angebracht sind. Der Behälter enthält weiterhin jeweils zwei Anschlüsse für ein Sperrventil und die Füllstandsregelung (9).

In Versuchen zeigte sich, daß schon bei Volumenströmen ab ca. 0,25 l/s durch einen auf die Wasseroberfläche auftreffenden Strahl mit der Strömung Luftblasen mitgerissen werden, die sich bei Innendrücken von bis zu 7 bar gut im Wasser lösen. Diese Gasverluste steigen bei höheren Volumenströmen von bis zu 100 l/min extrem an. Ein direktes Einleiten des Wasserstrahls wie bei drucklosen Systemen ist unter Druck deshalb nicht mehr möglich, weil durch Aufschäumen des Wassers das Luftpolster in kurzer Zeit vollständig absorbiert wird. Die Ursache der Gasverluste, die Erzeugung von Gasblasen durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten, ist deshalb unbedingt zu verhindern.

Dazu muß die Einströmgeschwindigkeit innerhalb kürzester Distanz unterhalb einer kritischen Einströmgeschwindigkeit verzögert werden. Dies wird mit einer als Lamellendiffusor bezeichneten Vorrichtung nach Fig. 2 erreicht. Dieser besteht aus einer Anzahl in geringem Abstand lamellenartig übereinander angeordneter dünner Platten (10) aus korrosionsfestem Material, welche mit Ausnahme der untersten Platte eine Öffnung aufweisen, in welche der Strahl (11) eingeleitet wird. Die Öffnungsdurchmesser der einzelnen Lamellen (12) sind dabei derart gestuft, daß jede Lamelle aus dem gesamten Volumenstrom den gleichen Teilvolumenstrom abschält und radial verzögert. Weil der Austrittsquerschnitt des Lamellendiffusors dabei erheblich größer als der Strahleintrittsquerschnitt ist, wird die Strömung auf kürzeste Distanz extrem verzögert. Der Verzögerungsfaktor des Lamellendiffusors kann dabei durch Durchmesser, Anzahl und Abstand der Lamellen beliebig festgelegt werden.

In Fig. 3 ist eine Variante dargestellt, welche die Verwendung von Lamellen mit gleichem Öffnungsdurchmesser ermöglicht. Hierbei wird der Volumenstrom durch einen kegelförmigen Körper mit spezieller Geometrie (13) gleichmäßig auf die verschiedenen Lamellenebenen verteilt.

Die geringen Rest-Gasverluste, z. B. durch chemische Absorption, werden bei der Verwendung von Luft als Trennmedium von Zeit zu Zeit durch einen Kompressor ausgeglichen. Dieser wird nicht in Abhängigkeit des Innendruckes, sondern in Abhängigkeit des sich im Gerät einstellenden Wasserspiegels durch Füllstandssensoren in Verbindung mit einer Regelung gesteuert.

Der Lamellendiffusor arbeitet besonders effizient, wenn der eintreffende Wasserstrahl einen gleichmäßig runden Querschnitt aufweist. Dies ist bei geringen Volumenströmen nicht mehr der Fall, da der Volumenstrom nicht ausreicht um den Rohrquerschnitt vollständig zu füllen, womit der Strahl zu flattern beginnt. Deshalb muß ein stabiler Strahl schon bei möglichst geringen Volumenströmen erzeugt werden.

Dieses Problem wird nach Fig. 4 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Strahl mit einer als Strahlstarter bezeichneten, speziellen Düse eingeleitet wird. Diese Düse ist zweiteilig aufgebaut, wobei der Querschnitt im ersten Teil (14) in Form eines Diffusors stetig erweitert wird und mit einem zweiten Teil (15) wieder sprunghaft auf den Anfangsdurchmesser reduziert wird. Dies führt an der Sprungstelle durch Aufstau, Turbulenz und Beschleunigung quer zur Strömungsrichtung zu einem Effekt, welcher bei deutlich geringeren Volumenströmen eine stabile Füllung des Rohrquerschnitts bewirkt.

Durch diese Maßnahmen ist auch ohne Zuführung von Luft über lange Zeit eine Wasserversorgung sichergestellt. Das komplette Schaltschema eines Apparates zur druckverlustfreien Systemtrennung ist in Fig. 5 dargestellt. Dem Druckbehälter nach Fig. 1 wird durch den Filter (16) gereinigtes Wasser zugeführt. Er enthält eingebaut den Lamellendiffusor nach Fig. 2 bzw. Fig. 3, den Strahlstarter nach Fig. 4 und daran angeschlossen ein in Abhängigkeit des Füllstandes geregeltes Ventil (17), das mit Sperrventil (SV) bezeichnet wird. Ausführungsarten der Sperrventile sind in einer weiteren Anmeldung beschrieben. In der Leitung vor dem Sperrventil ist oberhalb des maximalen Wasserspiegels ein Rohrbelüfter (18) eingebaut, um die Leitung bei gesperrtem Ventil und einem durch Rücksaugen verursachten Unterdruck zu belüften. Die Luftversorgung erfolgt durch eine Einheit bestehend aus Luftfilter (19), Kompressor (20), Pufferbehälter (21) und Rückschlagventil (22). Der Füllstand wird durch ein Füllstandsmeßgerät (23) ermittelt.

Damit eine Wasserversorgung auch dann sichergestellt ist, wenn ein Pumpendefekt oder sogar Stromausfall auftritt, ist am Ausgang des Druckbehälters ein Ventil (24) angeschlossen, welches im stromlosen Zustand geöffnet bleibt. Nur wenn aus dem Hauptspeicher (25) Wasser entnommen wird, schließt das Ventil, um bei defektem Rückschlagventil (26) und höherem Druck der Pumpe (27) ein Rückfließen in den Druckbehälter, bzw. bei geringerem Druck der Pumpe eine Nachspeisung aus dem Behälter zu verhindern. Der Anlagendruck wird mit dem Drucksensor (28) überwacht und der Apparat durch die Regelung (29) geregelt. Das Ablaßventil (30) wird nur bei Reparaturen benötigt.

Ein weiteres Schema zeigt Fig. 6: Das Ventil (24) in Fig. 5 kann auch durch ein 3-Wege-Motor-Kugelventil (31) ersetzt werden, wobei, wenn das Ventil bei einem Stromausfall nicht geöffnet sein sollte, die Versorgung durch ein von Hand betätigtes Bypass-Ventil (32) sichergestellt werden kann. Da durch den Kompressor Druckluft zur Verfügung steht, kann anstelle des Sperrventils (17) auch ein pneumatisch betätigtes NC (Normal Closed)-Ventil (33) in Verbindung mit einem füllstandsabhängig arbeitenden Entlüftungsventil (34) verwendet werden.

Die sich durch diese Ausführung einer Systemtrennung ergebenden Vorteile gegenüber dem bisherigen Stand der Technik sind im folgenden zusammengefaßt:
Der wesentliche Vorteil besteht darin, das die unter dem Druck des Leitungsnetzes arbeitende Systemtrennung bei freiem Auslauf keine Druckverluste mehr aufweist. Durch die in den Patentansprüchen beschriebenen speziellen Einbauten können die bei hohen Drücken und Volumenströmen auftretenden Gasverluste soweit vermindert werden, daß auch bei Stromausfall oder Pumpendefekt über längere Zeit die Wasserversorgung wie beim üblichem Leitungsnetz sichergestellt ist. Eine doppelte Leitungsführung bei der Versorgung größerer Objekte entfällt damit, was zu hohen Einsparungen führt. Da der vorhandene Wasserdruck genutzt und nicht vernichtet wird, fällt kein Energieverbrauch durch die Pumpe während der Nachspeisung von Wasser an. Dies führt zu verringerten Taktzeiten und damit verlängerter Lebensdauer der Pumpe. Weiterhin springt die Pumpe bei tropfendem Verbraucher nicht mehr infolge des Druckverlustes im Leitungsnetz an, weil der Druck durch die Systemtrennung immer auf dem Versorgungsdruck gehalten wird. Durch manuelles Umstellen auf Nachspeisung durch Systemtrennung können nun auch erforderliche Wartungsarbeiten an Pumpe oder Hauptspeicher (z. B. Zisterne) ohne Unterbrechung der Wasserversorgung durchgeführt werden. Wasserverluste durch einen Überlauf und Überschwemmungsgefahr sind nicht mehr möglich, weil der Systemtrenner ein geschlossenes System darstellt. Im Unterschied zu bisherigen Ausführungsformen eines freien Auslaufes ist jetzt auch eine Montage unterhalb der Rückstauebene (Straßenoberkante oder Grundwasserspiegel) möglich. Durch das geschlossene System vermindern sich weiterhin die bei der Nachspeisung auftretenden Geräuschemissionen deutlich.

Literaturverzeichnis

[1] Norm DIN 1988 Dezember 1988. Teil 1-8: Technische Regeln für Trinkwasser-In­ stallationen.
[2] DELTAU, G.: Technische Grundlagen der Regenwassernutzung. Fachtagung Regenwassernutzung, Rotenburg/Fulda, 26.4.1995.
[3] WAIDER, D.: Regenwassernutzung im Haushalt. In: IKZ-Haustechnik, Heft 6 (1993), S. 196.
[4] MOLL, B.: Regenwassernutzung. In: Fachliche Berichte HWW, 9. Jg. (1990) Nr. 2, S. 33-34.
[5] OTTO, H.: Technisch möglich ?. In: sbz, 5 (1992), S. 43-46.
[6] GEIGER, W. F.: Neue Wege für das Regenwasser: Handbuch zum Rückhalt und zur Versickerung von Regenwasser in Baugebieten. München: R. Oldenbourg, 1995.
[7] KÖNIG, K. W.: Regenwasser in der Architektur: ökologische Konzepte. Staufen bei Freiburg: Ökobuch, 1996.
[8] KÖNIG, K. W.: Regenwassernutzung von A-Z. Pfohren: Mallbeton, 1996.

Claims (18)

1. Systemtrennung als Sicherungsarmatur für Rohrleitungsnetze, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einleiten von Flüssigkeit aus einer Leitung in eine zweite Leitung die räumliche Trennung beider Leitungen druckverlustfrei mit einem unter dem Druck des Leitungsnetzes stehenden Trennmedium (2) in einem geschlossenen Druckbehälter (1) durchgeführt wird.

2. Systemtrennung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trennmedium ein Gas, Gasgemisch oder eine Flüssigkeit verwendet wird, welche eine geringere Dichte als die in dem Rohrleitungsnetz strömende Flüssigkeit aufweist und mit dieser nicht bzw. nur in geringem Maße misch- und absorbierbar ist.

3. Systemtrennung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemtrennung aus einem Druckbehälter aufgebaut ist, in dem Flüssigkeit aus dem einen Leitungsnetz im oberen Teil des Druckbehälters, der mit Trennmedium gefüllt ist, zuströmt und die Flüssigkeit im unteren Teil des Druckbehälters, der mit Flüssigkeit gefüllt ist, in das zweite Leitungsnetz abströmt.

4. Systemtrennung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsfüllstand im Druckbehälter durch eine Füllstands-Meßvorrichtung (23) überwacht wird.

5. Systemtrennung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit des Füllstandes ein Verlust von Trennmedium, z. B. aufgrund von Absorption, bei gasförmigem Trennmedium durch einen Kompressor (20) oder bei flüssigem Trennmedium durch eine Pumpe ausgeglichen wird.

6. Systemtrennung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung, in welcher die Flüssigkeit dem Druckbehälter (1) zuströmt, in Strömungsrichtung gesehen ein Rohrbelüfter (18), ein Rückflußverhinderer und ein automatisches Sperrventil (17) angeordnet sind, das beim Erreichen eines maximalen Füllstandes die Leitung absperrt.

7. Systemtrennung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung, in welcher die Flüssigkeit dem Druckbehälter (1) zuströmt, ein pneumatisch angesteuertes Normal-Closed-Ventil (33) angeordnet ist, das beim Erreichen eines Grenz-Füllstandes im Druckbehälter (1) durch ein füllstandsabhängig arbeitendes Steuerventil (34) entlüftet wird.

8. Systemtrennung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Druckbehälters ein Normal-Open-Ventil (24) angeschlossen ist, welches im Grund- bzw. Ruhezustand geöffnet ist.

9. Systemtrennung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Druckbehälters ein 3-Wege-Motor-Kugelventil (31) angeschlossen ist.

10. Systemtrennung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Ventils, welches bei Stromausfall nicht automatisch eine geöffnete Stellung einnimmt, ein Bypassventil (32) angeordnet ist.

11. Systemtrennung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Leitungsnetzes bzw. des Systems durch ein Druckmeßgerät (28) gemessen und überwacht wird.

12. Armatur zum Bewirken der vollständigen Füllung eines Rohrquerschnitts bei geringen Volumenströmen, dadurch gekennzeichnet, daß die Armatur zweiteilig aufgebaut ist, wobei der erste Teil aus einem Diffusor mit stetig erweitertem Querschnitt (14) besteht, der mit einem zweiten Teil (15) sprunghaft wieder auf den Ausgangsquerschnitt reduziert wird, wodurch an der Sprungstelle ein Aufstau erzwungen wird, der in einem anschließenden, geraden Rohrstück zur Stabilisierung des Strahls und zur vollständigen Füllung des Rohrquerschnitts führt.

13. Vorrichtung zur Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit eines Flüssigkeitsstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus einer Anzahl in geringem Abstand lamellenartig übereinander angeordneter, kreisrunder oder quadratischer dünner Platten (10) besteht, welche mit Ausnahme der untersten Platte in der Mitte eine Öffnung aufweisen, in welche der Strahl (11) eingeleitet wird.

14. Vorrichtung nach Schutzanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten aus korrosionsfestem Material wie Edelstahl oder Kunststoff bestehen.

15. Vorrichtung nach Schutzanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strömungsrichtung gesehen jeweils folgende Platte einen geringeren Öffnungsquerschnitt (12) als die vorhergehende Platte aufweist, so daß dadurch aus dem gesamten Volumenstrom des auftreffenden Strahls ein Teilvolumenstrom abgeschält und in die aus den zwei Platten gebildete Lamelle eingeleitet wird.

16. Vorrichtung nach Schutzanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß alle Platten den gleichen Öffnungsquerschnitt aufweisen und die Aufteilung des gesamten Volumenstroms auf jede einzelne Lamelle durch einen kegelförmigen Einsatz (13) im Zentrum der durch die Platten gebildeten Öffnung erreicht wird.

17. Vorrichtung zum Verhindern der Blasenbildung beim Auftreffen eines Flüssigkeitsstrahls auf eine Wasseroberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstrahl auf eine wenig oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnete Prallplatte geleitet wird.

18. Vorrichtung zur Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit eines Flüssigkeitsstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstrahl auf einen Block aus porösem Material, wie z. B. offenporigen Schaumstoff oder Metallwolle, geleitet wird.