DE202011110915U1 - Vorrichtung zur Vermeidung von Schäden durch Leckagen in unter Druck stehenden offenen Strömungsrohren - Google Patents

Vorrichtung zur Vermeidung von Schäden durch Leckagen in unter Druck stehenden offenen Strömungsrohren Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Vermeidung von Schäden durch Leckagen in unter Druck stehenden offenen Strömungsrohren, umfassend (a1) ein Strömungsrohr S, das unmittelbar nach der Einspeisungsstelle E1 der Medien mit einer Absperrvorrichtung A ausgestattet ist, (a2) einem primären Durchflussmesser D1, welcher der Strömungsrichtung folgend in unmittelbarer Nähe der Absperrvorrichtung A installiert ist, sowie (a3) weiteren sekundären Durchflussmessern D2, die jeweils vor jeder Entnahmestation E2 installiert sind, mit der Maßgabe, (b1) dass die Absperrvorrichtung A sowie jeder der Durchflussmesser D1 und D2 miteinander über eine Steuerung mit Regelkreis SR verbunden sind, (b2) wobei der primäre Durchflussmesser D1 sowie jeder der sekundären Durchflussmesser D2 bei Überschreiten eines definierten Stoffdurchsatzes pro Zeit ein Signal an den Regler gibt und (b3) die Steuerung SR die Absperrvorrichtung A schließt, sofern sie nicht bei Eingang des Signals des primären Durchflussmessers D1 ein weiteres Signal von mindestens einem der sekundären Durchflussmesser D2 erhält.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Installationstechnik und betrifft eine Vorrichtung zur Vermeidung von Schäden durch Medien, die unkontrolliert und ungewollt aus unter Druck stehenden offenen Strömungsrohren austreten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Vermeidung von Schäden durch Wasserrohrbruch.
  • STAND DER TECHNIK
  • Sowohl in der Technik als auch im häuslichen Bereich finden sich vielfältige Arten von Strömungsrohren im Betrieb, die von unterschiedlichsten flüssigen, pastösen oder gasförmigen Medien durchflossen werden. Die Systeme stehen in der Regel unter einem Druck, beispielsweise von 2 bis 10 bar, um zu gewährsleisten, dass in den Systemen eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit besteht und die Medien an den Entnahmestationen auch problemlos entnommen werden können. Dabei wird zwischen offenen und geschlossenen Systemen unterschieden. Beispiele für offene Systeme sind Wasserleitungen oder Gaspipelines, zu den typischen geschlossenen Systemen zählen alle Arten von Kühl- oder Heizkreisläufen, bei denen das Medium wie die Bezeichnung es schon verdeutlicht, nicht kontinuierlich zugeführt, sondern eine konstante Menge im Kreis gefahren wird.
  • Treten in geschlossenen Strömungsrohren Leckagen auf, ist dies zwar in jedem Fall unerwünscht und zu vermeiden, von Ausnahmen abgesehen (wie etwa dem Austritt von radioaktiv belastetem Kühlwasser aus dem Kühlsystem eines AKW) sind die Folgen jedoch überschaubar, da die Menge des austretenden Mediums begrenzt ist. Bei offenen Systemen, bei denen das Medium nachgeliefert wird, solange der Austritt nicht bemerkt und der Zufluss gestoppt wird, ist dies naturgemäß anders. Wird die Leckage nicht bemerkt, beispielsweise weil sich der Bruch an einer unzugänglichen Stelle befindet und das ausströmende Medium direkt im Erdreich versichert oder gerade niemand zugegen ist, der den Schaden optisch zur Kenntnis nehmen kann, können die Schäden enorm sein.
  • Dabei sind die Gründe für derartige Leckagen ganz unterschiedlich: Risse oder Brüche durch Gefrieren und Auftauen, Material- oder Herstellungsfehler, Druckstoß, Korrosion, Materialermüdung oder unvorsichtiges Hantieren (beispielsweise bei Tiefbauarbeiten im Straßenbau) stellen die prominentesten Ursachen dar.
  • Undichtigkeiten oder Brüche an gasführenden Strömungsrohren können katastrophale Folgen haben, insbesondere dann wenn sich mit Luftsauerstoff zündfähige Gemische bilden oder Gase (z.B. Kohlenmonoxid) austreten, die für sich schon giftig sind. Demgegenüber sind Wasserrohrbrüche aus gesundheitlicher Sicht gewiss eher unkritisch, doch können eindringende Keime die Trinkwasserversorgung kontaminieren. Bei Großschadensfällen drohen indes Unterspülungen, die plötzliche Setzungen zur Folge haben können. Bekannt ist das Beispiel des Kölner Stadtarchivs, das durch Unterspülung einer U-Bahnbaustelle von einem Augenblick auf den nächsten versackt ist und dabei zwei Menschen in den Tod gerissen hat.
  • Im häuslichen Bereich haben Wasserrohrbrüche üblicherweise keine solch dramatischen Konsequenzen, die Folgen sind indes unangenehm genug: hier sind vor allem Stockflecken, Schimmelbildung und die Folgen für den Hausrat zu nennen. Grund genug jedenfalls, darüber nachzudenken, wie die Folgen solcher Leckagen zuverlässig vermieden werden können und noch konkreter, wie Leckagen automatisch und schnell erkannt werden können, so dass die Zufuhr weiteren Strömungsmediums unterbunden wird, bevor es zu einem ernsthaften Schadensfall kommt.
  • Die Verfahren des Stands der Technik beschäftigen sich im Wesentlichen damit, Lösungen gegen die fortschreitende Korrosion von Rohren anzubieten. Bekannt ist etwa das so genannte „Tiptal“-Verfahren, bei dem eine Aluminiumanode in Abhängigkeit vom Wasserdurchsatz Aluminiumionen an das Wasser abgibt und auf diese Weise eine Aluminiumhydroxidschicht auf der Rohrinnenwandung erzeugt wird, die zumindest in der Theorie auch Korrosionsherde überdecken soll. Abgesehen davon, dass das Verfahren für private Haushalte zu teuer ist und auch keine Zulassung für die Verwendung in Trinkwassersystemen besteht, sind die Ergebnisse in der Praxis unbefriedigend. Schlimmstenfalls wachsen die Rohre durch einen Al(OH)3-Belag zu, außerdem hilft dieses Verfahren nicht bei anderen Ursachen von Rohrbrüchen. Ähnliches gilt für eine nachträgliche Phosphatierung der Rohrsysteme.
  • Die Stadtwerke Karlsruhe bieten ein System an, bei dem der Wasserverbrauch über einen Zähler kontinuierlich überwacht wird. Wird ein Tagesgrenzwert überschritten erfolgt eine Benachrichtigung des Eigentümers über eine SMS (vgl. http://www.stadtwerkekarlsruhe.de/swka-de/PDF/Service/Infomaterial/Produkte/Trinkwasser_Leckageueberwachung. pdf). Das System kann allerdings allenfalls als Warnfunktion angesehen werden. Abgesehen davon kann bei einem echten Rohrbruch nach einem Tag bereits ein ganz erheblicher Schaden entstanden sein, bevor die erste Warnung eintrifft.
  • Aus dem Deutschen Gebrauchsmuster DE 20107717 U ist eine Sicherheitseinrichtung zum Absperren der Wasserzuleitung bei einem Wasserrohrbruch bekannt, bei dem man in die Wasserzuleitung ein Absperrventil einbaut, das von einer Steuerungseinheit mit Zeitgeber und Durchflussmesser automatisch betätigt wird, wenn ein vorgegebener Fließzeitgrenzwert überschritten wird. Das Verfahren setzt jedoch wiederum die Vorgabe eines Grenzwertes voraus, der naturgemäß so hoch sein muss, dass nicht bei jeder größeren Entnahme der Zufluss unterbrochen wird, der aber im Fall eines echten Rohrbruchs schon wieder so groß ist, dass ein großer Schaden entstehen kann. Schäden, bei denen nur kleine Mengen entweichen, dies aber über einen längeren Zeitraum, werden auf diese Weise gar nicht registriert.
  • Auch das Deutsche Gebrauchsmuster DE 10 2006 002360 U hat ein System zum Gegenstand, mit dem Folgeschäden bei Leckagen von Wasserleitungen vermieden werden sollen. Dabei wird von einer Durchflussmesseinrichtung registriert, wenn Wasser fließt. Diese Information wird an eine Überwachungseinrichtung übermittelt, die ein Zeitfenster öffnet. Wird innerhalb dieses einstellbaren Zeitfensters der Wasserzufluss gestoppt, so wird auch die Zeitüberwachung gestoppt und zurückgesetzt; andernfalls wird über ein Absperrventil der weitere Wasserzufluss unterbrochen. Das Verfahren arbeitet jedoch wieder mit der Vorgabe, dass ein Grenzwert überschritten werden muss, um eine Reaktion der Überwachungseinrichtung auszulösen. Damit wird weder verhindert, dass große Wassermassen Schäden anrichten, bevor eben der Grenzwert den Schließmechanismus aktiviert, noch können kleine Leckagen erkannt und deren Schäden verhindert werden.
  • Der vorliegenden Musteranmeldung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die ohne die Überschreitung eines zu bestimmenden Grenzwertes auskommt und den Zufluss von strömenden Medien in unter Druck stehenden offenen Strömungsrohren oder Strömungssystemen unterbindet, sobald sich überhaupt ein unerwünschter Austritt des betreffenden Mediums ereignet. Dies soll insbesondere solche Leckagen einschließen, bei denen der Verlust an strömendem Medium pro Zeiteinheit vergleichsweise klein ist, sicher aber über einen längeren Zeitraum, in dem die Leckage nicht erkannt wird, summiert.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Vermeidung von Schäden durch Leckagen in unter Druck stehenden offenen Strömungsrohren, umfassend
    • (a1) ein Strömungsrohr S, das unmittelbar nach der Einspeisungsstelle E1 der Medien mit einer Absperrvorrichtung A ausgestattet ist,
    • (a2) einem primären Durchflussmesser D1, welcher der Strömungsrichtung folgend in unmittelbarer Nähe der Absperrvorrichtung A installiert ist, sowie
    • (a3) weiteren sekundären Durchflussmessern D2, die jeweils vor jeder Entnahmestation E2 installiert sind, mit der Maßgabe,
    • (b1) dass die Absperrvorrichtung A sowie jeder der Durchflussmesser D1 und D2 miteinander über eine Steuerung mit Regelkreis SR verbunden sind,
    • (b2) wobei der primäre Durchflussmesser D1 sowie jeder der sekundären Durchflussmesser D2 bei Überschreiten eines definierten Stoffdurchsatzes pro Zeit ein Signal an die Steuerung SR gibt und
    • (b3) die Steuerung SR die Absperrvorrichtung A schließt, sofern sie nicht bei Eingang des Signals des primären Durchflussmessers D1 ein weiteres Signal von mindestens einem der sekundären Durchflussmesser D2 erhält.
  • Die vorgeschlagene Erfindung löst die eingangs beschriebene Aufgabenstellung in vollständiger und bisher nicht beschriebenen Art und Weise. Durch die Kommunikation zwischen einer ersten zentralen Durchflussmessvorrichtung in unmittelbarer Umgebung der Einspeisungsstelle der strömenden Medien und einer zweiten Gruppe von Messvorrichtungen jeweils unmittelbar an den Entnahmestationen wird mit geringster Zeitverzögerung festgestellt, ob dem Nachschub an strömendem Medium auch eine Abnahme an einer vorgesehenen Entnahmestation gegenübersteht. Erhält die Überwachungsstation die Information, dass Medium gefördert wird und wird dies nicht durch die Information von einer der Messstationen an den Entnahmepunkten bestätigt, wird automatisch der Schließmechanismus betätigt. Eine solche Situation bedeutet nämlich, dass an keiner regulären Entnahmestation strömendes Medium regulär entnommen wird und folglich eine „nicht-reguläre Entnahme“ vorliegt oder anders ausgedrückt ein Bruch oder eine Leckage im Strömungsrohr. Durch Einstellung, ab welcher Durchflussmenge die zentrale Messstation ihre Meldung an die Überwachungseinheit absendet und diese dann die Antwort der sekundären Messstationen abwartet, kann eingestellt werden, ab welcher Verlustmenge – und damit ab welchem Umfang einer Leckage – die automatische Zuflussunterbrechung einsetzt.
  • Strömende Medien
  • Die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich auf alle offenen und unter Druck stehenden Systeme anwendbar, bei denen die strömenden Medien flüssig oder gasförmig oder zumindest pastös sind, sich also unter Druck durch ein Strömungsrohr oder ein System von Strömungsrohren befördern lassen. Typische Beispiele sind Gase, wie Erdgas, Methan, Ethan, Propan, Butan, Kohlenoxide, aber auch Sauerstoff, Stickstoff, Edelgase oder Chlor. Bei den flüssigen Medien steht naturgemäß Wasser im Vordergrund, es kommt aber auch Erdöl in Frage sowie alle flüssigen Einsatzstoffe, Zwischen- oder Endprodukte der chemischen Industrie, einschließlich pastösen Aufschlämmungen, wie sie beispielsweise bei der tertiären Erdölförderung anfallen. Vorzugsweise handelt es sich bei den unter Druck stehenden offenen Strömungsrohren um Wasser- oder (Erd-)Gasleitungen.
  • Absperrvorrichtungen
  • Als Absperrvorrichtungen eignen sich alle Arten von Bauteilen, die in der Lage sind, durch entsprechende elektrische Impulse oder Funksignale ein Strömungsrohr zu verschließen oder abzudichten, so dass der weitere Zufluss des strömenden Mediums auch unter den herrschenden Druckbedingungen rasch und zuverlässig verhindert werden kann. Typischerweise wird es sich dabei um ein entsprechendes Ventil, ein Schott oder eine verschließbare Drossel handeln. Vorzugsweise kann als Absperrvorrichtung ein handelsübliches Magnetventil eingesetzt werden.
  • Durchflussmessgeräte
  • Die Auswahl der Durchflussmessgeräte ist ebenfalls an sich unkritisch. Die Anforderung besteht indes darin, dass sie in der Lage sind, ab einer vorgegebenen Durchflussmenge eine entsprechende binäre Information im Sinne von „ja/nein“, „plus/minus“ oder „an/aus“ an eine Überwachungsvorrichtung mit angeschlossenem Regelkreis („Steuerung“) weiterzuleiten. Dies kann über eine Stromleitung oder aber durch Funksignale einschließlich G3 oder G4-Systemen erfolgen. Grundsätzlich unterscheidet man dabei zwischen mechanischen und elektronischen Durchflussmessern. Erstere werden weiter in geschwindigkeits- und volumetrische Messgeräte unterteilt, während es sich bei letzteren im Wesentlichen um Ultraschall- oder magnetische induktive Zähler handelt. Beispiele für mechanische Messgeräte sind Taumelscheibenzähler, Ovalraddurchflussmesser, Wollmann-Wasserzähler, Schwebekörperdurchflussanzeiger und insbesondere – und bevorzugt – Flügelradzähler. Die Messgeräte können auf die Strömungsrohre aufgeflanscht oder aufgeschnallt werden, vorzugsweise werden sie jedoch direkt in die Strömungsrohre eingesetzt. Gerade Flügelradzähler sind inzwischen in so kleinen Abmessungen erhältlich, dass sie direkt in die Perlatoren an den Entnahmestationen eingesetzt werden können. Die Verbindung zwischen den Messgeräten kann über elektrische Leitungen erfolgen – vorzugsweise bei Neuinstallation – oder aber durch Funk, was dann interessant wird, wenn es sich um eine Nachrüstung handelt. Üblicherweise erzeugen beispielsweise Flügelradzähler im Betrieb durch Induktion genügend Energie, um auch ohne externe Stromversorgung Funksignale übertragen zu können. Das Auslösen eines Signals an die Überwachungseinrichtung wird üblicherweise ausgelöst, wenn ein definierter Durchsatz pro Zeiteinheit überschritten wird, beispielsweise bei einem Grenzwert im Bereich von 0,1 bis 0,8 und vorzugsweise 0,2 bis 0,5 l/min.
  • Strömungssysteme
  • Wie schon eingangs beschrieben, kommen als Strömungsrohre insbesondere Pipelines, sowie kommunale oder häusliche Gas- und speziell Wasserleitungen in Betracht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet das Strömungsrohr ein verzweigtes System, nämlich beispielsweise ein System wasserführender Rohre, die sich von der Einspeisungsstelle zu verschiedenen Entnahmestationen verzweigen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn das System vor und/oder nach jeder Verzweigung einen zusätzlichen Durchflussmesser sowie eine zusätzliche Absperrvorrichtung enthält. Auf diesem Wege ist es bei Leckagen nicht erforderlich, das gesamte System abzusperren, sondern nur den Bereich zwischen dem in Strömungsrichtung letzten Durchflussmessgerät, dass den Fluss des Mediums signalisiert und den darauf folgenden sekundären Messstationen, die keine korrespondierende Entnahme verzeichnen. Ein solches System kann insbesondere dann zum Einsatz gelangen, wenn die Zuleitung von Wasser oder Gas zu verschiedenen Etagen eines Wohnhauses überwacht werden soll.
  • Steuerung und Regelkreis
  • Die Steuerung der Absperrvorrichtung(en) erfolgt über elektrische Signale oder Funkimpulse. Ihr liegt ein einfacher Regelkreis zugrunde, bei dem ein Signal des primären Durchflussmessgerätes eine einfache ja/nein Abfrage auslöst, ob mindestens einer der sekundären Durchflussmesser innerhalb eines angemessenen Zeitfensters, also beispielsweise innerhalb von 5 bis 60 und vorzugsweise 20 bis 30 Sekunden ebenfalls ein Signal gesendet hat. Wird die erste Meldung mit einer zweiten Meldung beantwortet, bedeutet dies, dass Medium an einer Entnahmestation entnommen wird und der weitere Zufluss erforderlich ist. Bleibt die Rückmeldung aus, bedeutet dies, dass keine Entnahmestation geöffnet wurde und damit Medium an einer Stelle ausfließt, wo dies nicht gewünscht ist. Offensichtlich liegt damit eine Leckage oder gar ein Bruch des Strömungsrohrs vor. In diesem Fall gibt die Steuerung den Befahl an die entsprechende Absperrvorrichtung, den weiteren Zufluss zu unterbrechen.
  • Von der Erfindung mitumfasst ist als Auslöser auch eine vergleichende Messung des primären und sekundären Durchflussmessers. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform werden die sekundären Strömungsmesser so ausgelegt, dass sie nach Überschreiten des Durchflussgrenzwertes bis zum folgenden Unterschreiten des Grenzwertes, also über den gesamten Entnahmezeitraum, ein Signal an die Steuerung geben. Wird dabei ein vorgegebenes Zeitfenster, beispielsweise 10, 20, 30 oder auch 60 Minuten überschritten, so bedeutet dies, dass das strömende Medium an einer ordnungsgemäßen Entnahmestation entnommen wird, dies aber über einen ungewöhnlich langen Zeitraum. Somit besteht die Gefahr, dass die Entnahmestation versehentlich nicht wieder geschlossen worden ist, was dazu führt, dass die Steuerung ebenfalls wieder den Befehl an eine Absperrvorrichtung gibt, den weiteren Zufluss des Mediums zu unterbrechen oder alternativ eine Alarmvorrichtung aktiviert. Wird die eine Absperrung vorgenommen, dann wird das Magnetventil geschlossen, dass der Entnahmestation am nächsten ist. Wird ein Alarm ausgelöst, dann unter Angabe des Standortes der sekundären Messstation, an der die Entnahme stattfindet. Typische Anwendungsbeispiele sind Wasserhähne, die vergessen wurden zu schließen oder Toilettenspülungen, die auf Durchfluss laufen. Eine solche Ausgestaltung der Erfindung ist insbesondere für Hotels oder öffentliche Einrichtungen von Interesse.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 20107717 U [0009]
    • DE 102006002360 U [0010]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • http://www.stadtwerkekarlsruhe.de/swka-de/PDF/Service/Infomaterial/Produkte/Trinkwasser_Leckageueberwachung. pdf [0008]

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Vermeidung von Schäden durch Leckagen in unter Druck stehenden offenen Strömungsrohren, umfassend (a1) ein Strömungsrohr S, das unmittelbar nach der Einspeisungsstelle E1 der Medien mit einer Absperrvorrichtung A ausgestattet ist, (a2) einem primären Durchflussmesser D1, welcher der Strömungsrichtung folgend in unmittelbarer Nähe der Absperrvorrichtung A installiert ist, sowie (a3) weiteren sekundären Durchflussmessern D2, die jeweils vor jeder Entnahmestation E2 installiert sind, mit der Maßgabe, (b1) dass die Absperrvorrichtung A sowie jeder der Durchflussmesser D1 und D2 miteinander über eine Steuerung mit Regelkreis SR verbunden sind, (b2) wobei der primäre Durchflussmesser D1 sowie jeder der sekundären Durchflussmesser D2 bei Überschreiten eines definierten Stoffdurchsatzes pro Zeit ein Signal an den Regler gibt und (b3) die Steuerung SR die Absperrvorrichtung A schließt, sofern sie nicht bei Eingang des Signals des primären Durchflussmessers D1 ein weiteres Signal von mindestens einem der sekundären Durchflussmesser D2 erhält.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den unter Druck stehenden offenen Strömungsrohren um Wasser- oder Gasleitungen handelt.
  3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrvorrichtung ein Magnetventil darstellt.
  4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussmesser ein Flügelradzähler darstellt.
  5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmesser in den Strömungsrohren vorhanden sind.
  6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrvorrichtung und die Durchflussmesser mit der Steuerung durch elektrische Leitungen oder Funk verbunden sind.
  7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsrohr ein verzweigtes System bildet, das zu verschiedenen Entnahmestationen führt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das verzweigte System zusätzlich vor und/oder nach jeder Verzweigung einen zusätzlichen Durchflussmesser sowie eine zusätzliche Absperrvorrichtung enthält.
  9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundären Durchflussmesser D2 so ausgelegt sind, dass sie nach Überschreiten des Durchflussgrenzwertes bis zum folgenden Unterschreiten des Grenzwertes, also über den gesamten Entnahmezeitraum, ein Signal an die Steuerung SR geben und diese nach Überschreiten eines vorgegebenen Zeitfensters die der Entnahmestation nächste Absperrvorrichtung A schließt oder einen Alarm auslöst.
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