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Die
Erfindung betrifft eine fremdsteuerungs-, verschleiß- und
wartungsfreie, selbstgeregelte Beheizung von Bahnanlagen, insbesondere
von Weichen und zur Verbesserung der Sicherheit an gefährlichen Bereichen
wie Bahnsteigkanten, Bahnübergängen oder schienengleichen
Straßenkreuzungen ohne zusätzliche mit Fremdenergie
angetriebene Pumpen und ohne bewegte Teile, unter Nutzung von Erdwärme
auch bei nur geringem Temperaturgefälle zwischen der Erdwärme
und dem Gefrierpunkt von Wasser.
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Es
ist bekannt, dass Weichen und ähnliche Anlagen im Eisenbahnbau,
elektrisch oder seltener mit Gas- (Weichen auf nicht elektrifizierten
Eisenbahnstrecken) oder Ölbrennern beheizt werden, um im
Winter das Einfrieren der beweglichen Teile und damit schwere Betriebsstörungen
zu verhindern. Dies ist mit einem hohen Energieverbrauch und hohen
Energiekosten verbunden.
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Zur
Energiekostensenkung werden teilweise bereits aufwendige, intelligente
Steuerungen eingesetzt, so dass die Anlagen nicht permanent, ab
Unterschreitung bestimmter Temperaturen, beheizt werden. So werden
bei den beheizten Weichen auch Parameter wie Luftfeuchtigkeit berücksichtigt.
In jedem Fall werden die Weichenheizungen ein- und ausgeschaltet,
manuell oder sensorgesteuert.
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Bei
einem beispielhaften Temperatursturz von etwas oberhalb der üblichen
Einschalttemperatur der Heizung, etwa 5°C, auf –2°C,
verbunden mit Schneefall, ist die Reaktionsgeschwindigkeit einer konventionell
fremdgeregelten Heizung häufig zu träge. Besonders
im Gleisbereich ist nur eine geringe Wärmespeicherung,
die die Auswirkung schneller Temperaturstürze mindert,
gegeben. Das Schotterbett nimmt durch die große offenliegende
Oberfläche, die von der umgebenden Luft umstrichen wird, schnell
die Umgebungstemperatur an, ebenso das Gleis als guter Wärmeleiter.
Um eine einwandfreie Schnee- und Eisfreihaltung durch die Heizung
zu gewährleisten, muss eine die Steuerung der Anlage überwachende
Stelle den Wetterzustand permanent kontrollieren und gegebenenfalls
die Beheizung bereits zu einem früheren Zeitpunkt als bei
Unterschreitung der normalerweise vorgegebenen Einschalttemperatur
manuell einschalten. Findet ein derartiges Ereignis während
einer Betriebspause statt, ist ein manuelles Eingreifen meist nicht
möglich. Wird nicht rechtzeitig vorgeheizt, kann es in
ungünstigen Fällen zu Betriebsstörungen
kommen.
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Konventionelle
elektrische Weichenheizungen beheizen direkt den Fuß der
Backenschiene, der Weichenzunge oder beides. Dabei verläuft
der Wärmefluss mit starkem Temperaturgefälle von
dem hohen Temperaturniveau des Heizelementes, einem elektrisch beheizten
Heizstab, im eingeschwungenen Zustand von ca. 40°C über
den Schienenfuß oder den Schienensteg an die Umgebung.
Um die Weichen schnee- und eisfrei zu halten, wird Wärme
relativ hoher Temperatur auf die Schienen übertragen, da nur
so die Temperaturanhebung der Schiene in der erforderlichen kurzen
Zeit gewährleistet werden kann. Die elektrisch beheizten
Heizstäbe sind lose auf dem Schienenfuß aufgelegt
und zwischen den Schwellen jeweils einmal durch federnde Klammern fixiert.
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Über
alternative Weichenheizungen ist bekannt, diese mit regenerativen
Brennstoffen wie Rapsöl zu betreiben (
DE 29615 14 U ). Damit unterscheidet
sich dieses Verfahren nur durch die Wahl des Brennstoffes von öl-
bzw. gasbefeuerten Heizungen.
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Es
ist auch bekannt (
EP
1 262 597 A2 ) für die Beheizung von Weichen Erdwärme
in einem im Erdreich verlegten Rohrsystem zu sammeln und in einem
Flüssigkeitskreislauf mittels einer durch die Erdwärme
auf 5°C bis 10°C erwärmten Flüssigkeit
(Glykolgemisch) und einer mit Fremdenergie angetriebenen Umwälzpumpe
an das zu beheizende Gleis zu fördern. Ebenso ist bekannt,
für die Beheizung von Weichen Erdwärme in einem
im Erdreich verlegten Rohrsystem zu sammeln und unter Nutzung einer
zusätzlich vorzusehenden, motorisch angetriebenen Wärmepumpe
die Flüssigkeit auf etwa 30°C oder höher
zu erwärmen, die Wärme über einen Wärmeübertrager
auf einen zweiten Kreislauf zu übertragen und in diesem
mittels einer weiteren Umwälzpumpe an das zu beheizende
Gleis zu fördern. Während die umgepumpte Flüssigkeit
durch Hohlkörper entlang des Schienensteges oder Schienenfußes
strömt, gibt sie die enthaltene Wärme ab. Die
Hohlkörper werden unter Verwendung von Wärmeleitpaste
an den Schienensteg geschraubt. Um die Strahlungsverluste zu minimieren,
werden die Schienenstege außen gegen Wärmeabstrahlung
isoliert.
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Anlagen
mit Glykolgemisch als Arbeitsmedium sind der Wassergefährdungsklasse
1 „schwach wassergefährdend" zugeordnet. Es sind
erhebliche Antriebsleistungen für die hier notwendigen
Umwälzpumpen des flüssigen Arbeitsmediums notwendig. Die
Strömungswiderstände steigen proportional zur Rohrlänge
und Strömungsgeschwindigkeit und entgegengesetzt proportional
zum Rohrquerschnitt. Um die erforderliche Wärmemenge von
etwa 10 kW je durchschnittlicher Weiche zu fördern, muss
ohne zusätzliche Wärmepumpe eine Rohrlänge
von etwa 200 m im Erdreich in mindestens 10 m Tiefe in einem geschlossenen
Kreis verlegt werden. Die maximal möglichen Rohrquerschnitte
für die Beheizung sind bei wesentlichen Weichenbauarten
konstruktionsbedingt auf wesentlich weniger als 80 mm2 begrenzt, dabei
ist die Länge der Wärmeabgabestrecke oft 10 m
oder mehr. Bei tiefen Umgebungstemperaturen muss das Glykolgemisch,
um die notwendige Wärmemenge bei der niedrigen Vorlauftemperatur
zu übertragen und nicht einzufrieren, mit sehr hoher Durchflussgeschwindigkeit
gepumpt werden oder einen hohen Glykolanteil enthalten. Durch beide
Maßnahmen. steigt der Strömungswiderstand im Rohr. Daraus
resultiert eine weitere Erhöhung der erforderlichen Umwälzpumpenleistung
und wegen des geringen Querschnittes im Wärmeabgabebereich
ein hoher Innendruck im Rohr, was wiederum, um ein Bersten zu vermeiden,
eine erhöhte Rohrwanddicke nach sich zieht, die ihrerseits,
wegen der eingeschränkten Außenmaße,
zu einem weiteren Anstieg des Strömungswiderstandes führt.
Darüber hinaus muss für den Kreislauf einer Flüssigkeit
ein getrennter Vor- und Rücklauf vorgesehen werden.
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Bei
Verwendung einer Wärmepumpe reduziert sich die im Erdreich
zu verlegende Rohrlänge deutlich, erhöht sich
die Temperatur des Arbeitsmediums und sinkt die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit,
aber unter Inkaufnahme zusätzlicher Baugruppen Wärmepumpe,
Wärmeübertrager, zweiter Kreisläufe und
zweiter Umwälzpumpe und der dazugehörigen Schalt-
und Steuerelemente.
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In
folgenden wesentlichen Eigenschaften stimmen alle bisher genannten
Heizungen überein und unterscheiden sich darin grundsätzlich
von der erfindungsgemäßen Beheizung:
Eine
Schaltung (ein – aus) der Leistung ist notwendig und vorgesehen.
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Die
Schaltung wird durch Sensorik oder zusätzlich manuell ausgelöst.
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Die
Strahlungsverluste sind durch die hohen Beheizungstemperaturen von
etwa 30°C sehr hoch.
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Die
Heizenergie stammt entweder ganz oder teilweise aus hochwertiger
Energie, d. h. fossilen Brennstoffen, elektrischer Energie oder
mittels motorisch betriebener Wärmepumpen hochtransformierter
Erdwärme.
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Bei
sehr niedrigen Temperaturen erhöht sich die Heizleistung
nicht automatisch und ohne zusätzlich zugeführte
Energie aus den eben genannten Energiequellen.
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Die
Erfindung betrifft eine Anlage gemäß Patentanspruch
1, dass Weichen, Kreuzungsweichen, Kreuzungen oder andere Bahnanlagen,
wie Bahnsteige, Bahnübergänge oder schienengleiche
Straßenkreuzungen direkt von einer oder. mehreren Wärmequellen
mittels eines oder mehrerer Wärmerohre beheizt wird, die
mit einem Arbeitsmedium gefüllt sind, dessen Phasenwechsel
flüssig – gasförmig bei der Temperatur
der Erdwärmequelle am jeweiligen Ort liegt, vorzugsweise
bei etwa 10°C, der häufigsten Temperatur von Erdwärme
zwischen 10 und 100 m Tiefe, das keine mittels fremdangetriebener
Pumpen umgepumpte Flüssigkeit ist und ohne zusätzliche Komponenten
wie Sensorik, Steuerung und bewegte Teile, z. B. Pumpen zirkuliert,
wobei die Wärmequelle allein Erdwärme und/oder
Grundwasser oder Abwasser von mindestens 10°C und ohne
zusätzliche Temperaturerhöhung ist.
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Die
erfindungsgemäße Weichenheizung hält ohne
jegliche Steuerung oder Regelung die Schienentemperatur konstant
deutlich oberhalb des Gefrierpunktes. Dazu wird von jeweils einer
Wärmequelle, vornehmlich Erdwärme niederer Temperatur, etwa
10°C, die Wärme durch jeweils ein Wärmerohr mittels
eines Arbeitsmediums direkt an die zu beheizende Anlage geführt.
Die Regelung des Wärmestromes erfolgt nur durch die physikalischen
Gesetze – Ausgleich der Molekülgeschwindigkeiten
in einem geschlossenen Raum – und bedarf keiner weiteren Steuerung
oder manueller Eingriffe, auch nicht während Temperaturstürzen
mit Niederschlägen als Schnee oder Eisregen. Wärmerohre
werden hier zur Wärmesammlung, zum Transport und zur Verteilung verwendet.
Die vertikale Tiefe der Bohrung beträgt in Gebieten ohne
Permafrost normalerweise nicht über 100 m, da für
Heizkreise mit größerer Leistung die Wärmeverteilung,
die in den vorgeschlagenen Anwendungen notwendig in der Waagerechten
mit Kapillarrohren erfolgt, zu aufwändig wird. Dabei wird
außerhalb von Permafrostgebieten Erdwärme aus
dem Bereich zwischen 10 m und 100 m Tiefe genutzt. Diese ist überall,
außerhalb der Permafrostgebiete, praktisch konstant und
annähernd unbegrenzt mit etwa 10°C oder wärmer
vorhanden.
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In
Permafrostgebieten wird zuerst festgestellt, in welchen Tiefen die
Temperatur von 10°C im Erdreich erreicht wird, um dann
die Bohrungen bis in diese Tiefe und darüber hinaus um
weitere 100 m voranzutreiben.
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Die
Verwendung von CO2 als bevorzugtes Arbeitsmedium
in allen Wärmekreisläufen, speziell im Wärmesammelrohr,
andere Arbeitsmedien sind möglich und die überwiegende
Verwendung von nichtrostendem Stahl für die Wärmerohre
bieten die umweltverträglichste Lösung und garantieren,
im nie auszuschließenden Schadensfall, gegenüber
allen anderen heute verwendeten Medien die höchste Sicherheit
gegen Umweltschäden. Das Arbeitsmedium CO2 ist,
im Gegensatz zu einem Wasser-Glykol-Gemisch, ein nicht Wasser gefährdender
Stoff.
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Wärmerohre
mit einem Arbeitsmedium, dessen Phasenwechsel flüssig – gasförmig
um den Betriebspunkt liegt, arbeiten verschleiß- und wartungsfrei.
Dabei werden die physikalischen Eigenschaften der beiden Aggregatszustände
genutzt. Die Wärmeverteilung an der zu beheizenden Anlage
kann durch eventuell auch mehrfache Verzweigung des Rohres wesentlich gleichmäßiger
erfolgen als bei einer sich allmählich abkühlenden,
durch ein langes, dünnes Rohr gepumpten Flüssigkeit.
Eine verzweigte Wärmeverteilung kann wesentlich effektiver
bei dennoch kleinen Rohrquerschnitten arbeiten als eine mit einem
einzelnen langen Rohr. Wegen des Verzichts auf bewegte Teile und
besonders auf mit Fremdenergie angetriebene Pumpen und auch auf
Wärmepumpen, entfällt jeder Wartungsaufwand für
diese Aggregate.
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Durch
die Verwendung eines Arbeitsmediums mit einem Phasenwechsel flüssig – gasförmig bei
der Betriebstemperatur des Systems wird nur ein Rohr benötigt
(kein getrennter Vor- und Rücklauf), da der gasförmige
Vorlauf und der flüssige Rücklauf innerhalb desselben
Rohres stattfinden.
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Die
Wärme verteilenden Rohre werden bei Verwendung einer Heizfläche,
die fast waagerecht verläuft, mit dieser wärmeleitend
verbunden oder sind in sie integriert. Auf den Schwellen können
die Gleitstühle die Heizfläche darstellen.
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Eine
Einheit mit Wärmerohren zur Sammlung, zum Transport und
zur Verteilung der Wärme wird im folgenden Heizkreis genannt.
Die häufigste Leistung eines Heizkreises liegt bei 5 bis
7 kW.
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Das
Rohr wird in einer nicht senkrecht verlaufenden Bohrung verlegt.
Die vorgezogene Bohrrichtung verläuft mit einem Winkel
von etwa 85° bis 45° zur Waagerechten. Es kann
in nutzbaren Tiefen von einer durchschnittlichen Energieaufnahme
von 50 W/m Bohrtiefe ausgegangen werden. Aus diesen Vorgaben ergibt
sich die Heizleistung eines Heizkreises, je nach Neigung der Bohrung,
zu 5 bis 7 kW.
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Zur
Schadensüberwachung eines Heizkreises kann ein Drucksensor,
der den Druck in dem System misst oder ein Temperaturfühler,
der die Temperatur an einem Wärmeverteilrohr misst, vorgesehen werden.
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Weiteres
Ziel dieser Erfindung ist es, Weichen und andere sicherheitsrelevante
Bahnanlagen derart zu beheizen, dass unter Verwendung von geringwertiger
Energie, Wärme niedrigen Temperaturniveaus, eine Beheizung
mit nur geringen Strahlungsverlusten und überwiegend durch
Wärmeübertragung, insgesamt energetisch günstiger
als bisher bekannt, realisiert wird. Durch das geringere Temperaturgefälle
werden die Strahlungsverluste, beispielsweise bei einer Verringerung
der Heiztemperatur von 30°C auf 10°C, um etwa
75% reduziert.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist, den Betrieb von Beheizungen
von Weichen und ähnlichen Bahnanlagen ohne Nutzung von
Energie aus fossilen Brennstoffen bzw. elektrischem Strom oder anderen Rohstoffen
zu ermöglichen. Das bedeutet, die weitest gehende oder
sogar vollständige Substitution von nicht regenerativer
Fremdenergie aus fossilen Brennstoffen bzw. elektrischem Strom oder
der aus nachwachsenden Rohstoffen für den Betrieb von Heizungen
für Verkehrsanlagen zu erreichen und damit auch eine nicht
unbeträchtliche Verringerung des CO2 Ausstoßes.
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Ziel
ist weiter, dass hier der Wärmefluss fakultativ auch unterhalb
und nicht nur seitlich des Bereiches, auf den der Niederschlag fällt
und der schnee- und eisfrei gehalten werden soll, geführt wird.
Dies entspricht dem gesamten Raum zwischen der Backenschiene und
der Weichenzunge, über die ganze Breite und Länge
des von der Weichenzunge während der Stell-, vorgänge überstrichenen
Bereiches. Dazu kann ein weiteres Wärme verteilendes Wärmerohr im
halben Abstand des maximalen Abstandes der Weichenzunge von der
Backenschiene geführt werden.
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Dazu
sind beheizte Gleitstühle bekannt (
DE 195 02 125 C2 ), deren
beheizte Fläche sich aber nur auf den Gleitstuhl beschränkt.
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Sollen
die Wärme verteilenden Wärmerohre an Stelle der
konventionellen elektrischen Heizstäbe verlegt werden,
meist in der Waagerechten, ist dies in den meisten Fällen
möglich. Es werden dann Rohre verwendet, deren Innenwand
mit einer Kapillarstruktur (einem Docht), bedeckt ist, sogenannte
Kapillarrohre. Die prinzipielle Funktion von Wärmerohren, auch
dieser speziellen Ausführung, ist in der Literatur bekannt.
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Der
Querschnitt der Wärmeverteilrohre muss annähernd
die gleiche Größe haben wie die Wärmesammelrohre,
um den Dampfstrom und damit den Wärmetransport nicht zu
reduzieren. Eine Verzweigung auf mehrere Wärmerohre auf
der Wärmeabgabeseite ist sinnvoll, um so den Anteil der
notwendigen waagerechten Rohrführung mittels Kapillarrohren
so kurz wie möglich zu halten. Die verfahrensmäßig
maximale Länge von Kapillarrohren ist begrenzt und abhängig
vom Rohrdurchmesser. Dieser ist, wie beschrieben, in einigen Weichenkonstruktionen
sehr klein.
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Zur
besseren Wärmeabgabe von den Wärmeverteilrohren
können für die Wärmeverteilrohre besonders
gut leitende Materialien gewählt werden. Dann kann es notwendig
sein, dass, um Korrosionsschäden durch elektrochemische
Elemente zu vermeiden und die Wartungsfreiheit. zu gewährleisten, an
der Anlage eine Opferelektrode installiert werden muss oder die
beiden Metalle elektrisch nicht leitend miteinander zu verbinden.
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Es
ist auch möglich, gemäß Patentanspruch 2,
am Wärmesammelrohr dort, wo es aus dem Erdreich heraustritt,
einen Wärmeübertrager zu installieren. Der Wärmeübertrager
ist derart ausgebildet, dass die Wärmeaufnahmeseiten der
Wärmeverteilrohre einzeln hineingesteckt werden. Damit
wird eine einfache Demontierbarkeit und einfacher Ersatz einzelner
Wärmerohre bei Beschädigung erreicht und dass
die einzelnen Wärmerohre gasdicht voneinander getrennt
sind und somit unterschiedliche Arbeitsmedien und Rohrmaterialien
verwendet werden können. Eine Verzweigung der Wärmerohre
ist bei dieser Lösung nicht notwendig, da der Wärmestrom
hier nicht mittels des Gases übertragen wird, sondern durch
Wärmeübertragung im Wärmeübertrager
und auch dort in kleinere Abschnitte gesplittet wird. Es wird jedoch
ein größerer konstruktiver Auf wand in Kauf genommen.
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Handelt
es sich um Weichenbauarten bei denen die maximalen Abmessungen der
Wärmerohre sehr begrenzt sind, z. B. im Bereich der Gleitstühle und
ist eine höhere Heizleistung aus klimatischen Gründen
notwendig, können zusätzliche Wärmerohre
auch um die zu erwärmenden Stellen herum verlegt werden,
ohne dass die Rohrführung die Heizwirkung beeinträchtigt
(Prinzip der Kapillarrohre).
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Die
Wärmerohre haben im Normalfall eine Länge von
100 m bis 140 m wobei die obersten 10 m und der Transportweg bis
zur zu beheizenden Anlage thermisch isoliert sind, um in extrem
kalten Wetterlagen Energieverluste an das in dieser Tiefe kältere Erdreich
und die Umgebungsluft zu vermeiden. An Heizanlagen in Permafrostgebieten
werden die Wärme transportierenden Wärmerohrabschnitte
in dem gesamten Bereich mit Temperaturen unter 10°C thermisch
isoliert.
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Bei
dem üblichen Wärmebedarf für Weichenheizungen
und die anderen zu beheizenden Bahnanlagen, müssen mehrere
Heizkreise vorgesehen werden.
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Weiterhin
ist es das Ziel dieser Erfindung das beschriebene Verfahren zur
Beheizung von Bahnsteigkanten, Bahnübergängen
und Straßenkreuzungen zur Verbesserung der Sicherheit an
diesen vom Zugverkehr gefährdeten Orten einzusetzen. Das
sind insbesondere die Bereiche innerhalb eines Meters von der Bahnsteigkante
in Richtung Bahnsteigmitte, schienengleiche Übergänge
für Reisende im Bereich kleinerer Bahnhöfe und
Haltepunkte und die beschrankten und unbeschrankten Bahnübergänge.
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Die
Flächen dieser Bereiche sind relativ klein und lassen sich
mit der vorgeschlagenen Technologie bei vertretbarem technischen
Aufwand schnee- und eisfrei halten. Bei Anwendung der vorgeschlagenen
Beheizung ist eine Gefährdung unter üblichen Winterbedingungen
praktisch ausgeschlossen, ebenso Bedienfehler. So werden die Sicherheit
an den genannten Anlagen im Winter bei Schneefall oder Eisregen
wesentlich erhöht und die Unterhaltungsaufwendungen verringert.
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Der
derzeitige Stand der Technik der Verminderung der Rutschgefahr besteht
in der mechanischen, z. T. auch manuellen Schneeräumung
und dem Streuen abstumpfender Mittel wie Splitt oder Salz.
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Für
die Schnee- und Eisfreihaltung muss in den genannten Bereichen außerdem
besonders geschultes Personal eingesetzt werden, das mit den Gefahren
des Eisenbahnverkehrs vertraut ist.
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Beheizungen
von Verkehrsanlagen mit Erdwärme sind bekannt, unterscheiden
sich aber von der vorgeschlagenen Technologie in wesentlichen Punkten.
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Erdwärmenutzung
für den Einsatzzweck der Beheizung von Straßen
wird in der Offenlegungsschrift
DE 3532452 A1 und der Patentschrift
DE 3532452 C2 aus
dem Jahr 1985 vorgestellt. Um eine große Fläche
wie eine Straße sicher zu beheizen, sind entweder sehr
große Wärmeaufnahmeräume im Erdreich
durch viele lange Bohrungen zu erschließen und die Wärme
muss in Vorratsbehältern gesammelt und gelagert und bei
Bedarf über eine durch Klimasensoren geführte
Steuerung an die zu beheizende Straße abgegeben werden.
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Bei
dieser Beheizung mit Erdwärme als Wärmequelle
ist eine schaltbar ausgeführte Anlage vorgesehen, die erst
bei Über- bzw. Unterschreiten von klimaspezifischen Grenzwerten,
wie Luftfeuchtigkeit, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, Oberflächentemperatur
und Oberflächenfeuchtigkeit die Wärme abgibt und
so den Wärmevorrat des Erdreiches schont. Eine Steuerung
ist bei der Beheizung von Straßen notwendig, weil die Beheizung
der großen Oberfläche eine wesentlich größere
Energiemenge erfordert als eine schmale langgestreckte Weichenheizung,
ein schmaler Streifen einer Bahnsteigoberfläche oder ein
niveaugleicher Bahnübergang. Diese Energiemenge kann durch
Erdwärme nur mit einem zusätzlichen Energiespeicher
dargestellt werden. Die Beheizung von Schienenwegen, speziell den
Weichen, unterscheidet sich davon weiter wesentlich, dass die beengten
Raumverhältnisse im Gleisbereich besondere Wärmeverteilrohrformen
erfordern und die zu beheizenden Teile auch beweglich sind, also
nicht durch in Straßenpflaster eingelassene Rohre schnee-
und eisfrei gehalten werden können.
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Wegen
der großen offenliegenden Oberfläche des Schotters,
die von der umgebenden Luft umstrichen wird, ist fast keine Wärmespeicherung
vorhanden, auf die man sich bei dem Eisfreihaltungskonzept stützen
kann, vielmehr nimmt das Schotterbett schnell die Umgebungstemperatur
an, ebenso das Gleis als guter Wärmeleiter. Somit musste
ein Verfahren gefunden werden, das die Temperatur der Weiche an
den freizuhaltenden Punkten selbsttätig konstant auf etwa
10°C hält und dies ohne Steuerung, ohne Zuführung
von Fremdenergie und irgendwelche Wartung erfordernden Aggregate
und den Entfall sämtlicher steuernder Sensorik.
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Die
Beheizung von Verkehrsschildern – Einrichtung zur Verwendung
von Erdwärme –
DE 40 36 729 A1 erfordert nur sehr kleine
Wärmemengen verglichen mit einer Weichenheizung oder anderen Bahnanlagenheizungen.
Der wesentliche Unterschied liegt in den Leistungsbereichen, die
bei Weichenheizungen und den anderen genannten Anwendungen um die
Faktoren 20 bis 100 höher liegen. Von ebensolcher Bedeutung
ist die Tatsache, dass es sich um eine Verhinderung einer Sichtbehinderung handelt
und keine beweglichen Teile, wie bei der Weiche, beheizt werden.
Ein weiterer grundlegender Unterschied liegt auch darin, dass in
einem Verkehrsschild keine längeren waagerechten Strecken
bei der Wärmeverteilung überwunden werden müssen. Überdies
fällt der Niederschlag auf die Fläche der Heizung
der hier genannten Anlagen (bei der Weiche, Bahnsteig, Überweg,
Straßenkreuzung) von oben, muss. demnach gänzlich
weggeschmolzen werden, wogegen bei Verkehrszeichen die Schwerkraft
die wesentliche Aufgabe übernimmt, den Niederschlag, Schnee,
Eisregen oder Reif in nur angetautem Zustand abgleiten zu lassen.
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Ausführungsbeispiele
werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung des Aufbaues eines Wärmerohres,
der zu beheizenden Verkehrsanlage und des Wärmestromes
mit Wärmeführung direkt an eine zu beheizende
Verkehrsanlage.
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2 Aufteilung
der Wärmeströme an einer Verteilung
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3a zeigt
eine schematische Darstellung des Verfahrens mit drei Heizkreisen
und der Position der Wärmeveteilrohre bei einer Verkehrsanlage
am Beispiel einer Weiche.
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3b zeigt
die schematische Darstellung der Wärmeflüsse von
zwei Heizkreisen in der Draufsicht in einer Weiche
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3c zeigt
die schematische Darstellung der Wärmeflüsse bei
zwischengeschaltetem Wärmeübertrager in der Draufsicht
im Bereich der Weichenzunge
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4a zeigt
den prinzipiellen Aufbau der Weichenheizung im Querschnitt, mögliche
Führungen des Wärmestromes und der Wärmerohre
auf der Schwelle am Anfang der Weichenzunge
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4b zeigt
den prinzipiellen Aufbau der Weichenheizung im Querschnitt, mögliche
Führungen des Wärmestromes und der Wärmerohre
im Bereich zwischen den Schwellen, am Anfang der Weichenzunge
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4c zeigt
den prinzipiellen Aufbau der Weichenheizung im Querschnitt, mögliche
Führungen des Wärmestromes und der Wärmerohre
auf der Schwelle im Verlauf der Weichenzunge
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4d zeigt
den prinzipiellen Aufbau der Weichenheizung im Querschnitt, mögliche
Führungen des Wärmestromes und der Wärmerohre
im Bereich zwischen den Schwellen im Verlauf der Weichenzunge
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4e zeigt
den prinzipiellen Aufbau der Weichenheizung im Querschnitt, weitere
mögliche Führungen des Wärmestromes und
der Wärmerohre auf der Schwelle am Anfang der Weichenzunge
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4f zeigt
den prinzipiellen Aufbau der Weichenheizung im Querschnitt, weitere
mögliche Führungen des Wärmestromes und
der Wärmerohre im Bereich zwischen den Schwellen, am Anfang
der Weichenzunge
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4g zeigt
den prinzipiellen Aufbau der Weichenheizung im Querschnitt, weitere
mögliche Führungen des Wärmestromes und
der Wärmerohre auf der Schwelle im Verlauf der Weichenzunge
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4h zeigt
den prinzipiellen Aufbau der Weichenheizung im Querschnitt, weitere
mögliche Führungen des Wärmestromes und
der Wärmerohre im Bereich zwischen den Schwellen im Verlauf
der Weichenzunge
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5a zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Anlagenheizung für Bahnsteigkanten
in der Ansicht vom Gleis
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5b zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Anlagenheizung für Bahnsteigkanten
(möglicher Rohrverlauf im aufgeschnittenen Bahnsteig, Draufsicht)
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Ein
Wärmerohr besteht aus einem vakuumdicht verschlossenen
Rohr, das mit einer kondensierenden und verdampfenden Substanz,
dem Wärmetransportmittel (im Folgenden als Arbeitsmedium
bezeichnet) gefüllt ist. Das Prinzip ist in Verbindung
mit einer Weichenheizung in 1 dargestellt.
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Im
einfachen Fall, wenn das Rohr (1) leicht zur Senkrechten
geneigt steht, ist die Warmzone (2), in der das Arbeitsmedium
verdampft – Dampfströmung (3) –,
im tieferliegenden Bereich, so dass das dampfförmige Arbeitsmedium
durch die Transportzone (4) in die Kaltzone (6)
aufsteigt. Dort gibt sie die enthaltene Wärmeenergie ab,
kondensiert und fließt an der Rohrwand als Flüssigkeitsströmung
(5) wieder hinab.
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Das
Rohr (1), gefüllt mit der arbeitenden Flüssigkeit,
besteht aus einer warmen Zone mit der Wärmaufnahme (2),
im vorliegenden Fall im Erdreich der Abschnitt unterhalb 10 m von
der Terrainoberfläche, senkrecht dazu gemessen, einer Isolations- oder
Transportzone (4), die von direkt oberhalb der warmen Zone über
die Terrainoberfläche hinaus bis zur Kaltzone reicht. Dazu
gehören auch die temperaturisolierten Abschnitte der Verteilungsrohre
(7). Die Kaltzone ist der Abschnitt, in dem die Wärmeabgabe erfolgt.
Diese erfolgt in 1 direkt über die nicht temperaturisolierten
Abschnitte der Verteilungsrohre (6), die neben der zu beheizenden
Verkehrsanlage (8) liegen und in der Zeichnung als Wärmeübertrager (6)
dargestellt sind. Die Verteilungsrohre (7) werden gasdicht
und demontierbar direkt oberhalb des Erdreiches (1b) befestigt.
Dort ist auch ein Temperatursensor (6a) zur Funktionsüberwachung
angebracht. Werden am Rohr verschiedene Metalle für den
Aufnahmebereich und den Verteilbereich verwendet, so ist eine Opferelektrode
(1a) aus einem weniger edlen Metall vorgesehen.
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Wenn
Verzweigungen des Wärmeflusses notwendig sind, ist es vorteilhaft,
wenn diese auf Verteilungsrohre symmetrisch zur Senkrechten, wie
in 2 dargestellt, ausgeführt werden. Die
Verteilung der Wärmeströme – (3)
warmes aufsteigendes Gas, (5) abfließendes kaltes
Kondensat – eines Heizkreises wird nach den jeweils erforderlichen
Wärmemengen durch Wahl geeigneter Durchmesser der Verteilerrohre
angepasst. Die Summe der Querschnitte der Verteilrohre ist mindestens
annähernd gleich dem Querschnitt des Sammelrohres.
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Neben
der frostfrei zu haltenden Weiche 3a oder
einer anderen Bahnanlage 5a, wird je
Heizkreis ein Wärmerohr (9) unter einem in weitem Bereich
wählbaren Winkel in das Erdreich eingelassen. Bei einer
für die Wärmeaufnahme von etwa 50 W je Meter nutzbarer
Rohrlänge von 90 bis 130 m – abhängig
vom Winkel der Bohrung zur Senkrechten – ergibt sich die
Heizleistung je Heizkreis zu 5 bis 7 kW. Für die Heizleistung
einer durchschnittlichen Weiche von 10 kW und der Verschlussfachheizung von
1,5 kW werden somit zwei Heizkreise benötigt. Für
eine Weiche mit sehr großem Abzweigradius und beweglichem
Herzstück – Hochgeschwindigkeitsweiche – ist
eine Heizleistung von 50 kW erforderlich, entsprechend 7 bis 10
Heizkreisen.
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Die
Wärmeübertragung an die Schiene sollte nicht nur
symmetrisch sein, besser aus mindestens zwei Verteilungen bestehen,
damit 5 m Kapillarrohrlänge nicht überschritten
werden. Günstiger sind wesentlich kürzere Kapillarrohre.
Es sollten auch gleichgroße Rohrdurchmesser, bzw. mit nach
der jeweils erforderlichen Wärme in dem entsprechenden
Abschnitt angepasste Durchmesser gewählt werden. Der Anteil
der waagerechten Rohrführung – Kapillarrohre – ist
so kurz wie möglich zu halten. Es ergeben sich somit aus
der Relation derzeit geforderte Wärmeleistung elektrisch
330 bis 400 W je Meter und 1 kW Heizleitung für den Verschlusskasten
zu 5 kW Heizleistung je Heizkreis bei einer mittigen Einspeisung,
symmetrischen Aufteilung und vier Einspeisstellen je Seite etwa
8 × 1,25 m Kapillarrohr (3b).
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Der
prinzipielle Aufbau der Wärmeführung ist in 3a bis 3c dargestellt. 3a zeigt
den Wärmefluss (9a) in den Erdwärmerohren
(9). Er wird nach dem Austritt aus dem Erdreich in nach
dem möglichen Querschnitt optimierten Längen aufgeteilt und
verläuft dann in der Waagerechten oder fast Waagerechten
in Kapillarrohre, beispielsweise unter dem Stellweg der Backenschienen
(11), dem Verteilungsbereich.
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In 3b wird
verdeutlicht, wie der Wärmestrom (9a) direkt aus
dem Transportbereich des Wärmerohres (9) kommend,
auf die einzelnen Segmente und den Verschlusskasten (10)
aufgeteilt werden kann und in der Waagerechten durch kurze Kapillarrohre
(15) an die zu beheizenden Zonen geführt wird (11).
Die Abhängigkeit der Intensität des Wärmestromes
vom Rohrdurchmesser wird durch die Anzahl der Pfeile symbolisiert.
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In 3c wird
verdeutlicht, wie der Wärmestrom (9b), der Primärstrom,
direkt aus dem Transportbereich des Wärmerohres (9)
kommend, durch den Wärmeübertrager (9d)
geführt und in Sekundärströmen (9c)
auf die einzelnen Segmente und den Verschlusskasten (10)
auf geteilt werden kann und in der Waagerechten durch kurze Kapillarrohre
(15) an die zu beheizenden Zonen geführt wird
(11). Die Abhängigkeit der Intensität
des Wärmestromes vom Rohrdurchmesser wird durch die Anzahl
der Pfeile symbolisiert.
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Für
die in 3b und 3c dargestellten Wärmeströme
sind in 4a bis 4f in
Querschnitten mögliche Rohrführungen gezeigt.
Der Wärmestrom verläuft durch die Kapillarrohre
(15a, 15b, 16a, 16b) in der
Waagerechten oder nahezu Waagerechten entlang der Gasströmung.
Das Rohr wird entweder (15a) entlang der Backenschiene
(13) oder (15b) entlang der Weichenzunge (14),
wie die derzeitigen elektrischen Heizstäbe geführt.
Dabei wird die Wärme auf die Schienenfüße übertragen.
Weitere Alternativen zeigen die Kapillarrohre (16a). Aus
einem oder mehreren, hier drei parallel verlegten Rohren wird der
Wärmestrom auf die darüber liegende Heizfläche
(16) übertragen. Deren Oberfläche ist
derart ausgeführt, dass das Schmelz Wasser seitlich abläuft und
abgeführt wird. Auf den Schwellen (17) verläuft der
Wärmestrom aus den Kapillarrohren (16a) von unten
in den Gleitstuhl. Dabei sind die Rohre in die Schwelle eingelassen.
Werden wie in 4e und 4f dargestellt,
die Rohre (16b) auf der Schwelle um den Gleitstuhl (18)
herum geführt, ist auf den Rohren eine Heizfläche
(16) befestigt, die zwischen den Schwellen breiter ist
als auf dem Gleitstuhl und deren Oberfläche derart ausgeführt
ist, dass das Schmelzwasser seitlich abläuft und abgeführt
wird. Eine Kombination aus zwei oder mehreren Rohrführungen
ist möglich. Dargestellt ist die Kombination möglicher
Rohrführungen.
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Bei
den anderen Bahnanlagen, Beispiel Bahnsteigkantenheizung 5a und 5b,
können die Verteilrohre (7) in der zu beheizenden
Fläche (20) entweder mit leichtem Gefälle
verlegt werden, und nur der letzte kurze Abschnitt waagerecht als
Kapillarrohr (15) oder durchgängig mit leichtem
Gefälle, so dass müssen nicht unbedingt Kapillarrohre
verwendet werden müssen. Die Neigung des Wärmerohres
(9) von 5° gegen die Senkrechte ist hier quer zum
Gleiskörper dargestellt, kann aber in jeder, für die
jeweilige Bohrung günstigste Neigung ausgeführt werden.
Die Isolierung (4) des Wärmerohres ist bis zur
Einführung in den Bahnsteigkörper notwendig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2961514
U [0006]
- - EP 1262597 A2 [0007]
- - DE 19502125 C2 [0028]
- - DE 3532452 A1 [0041]
- - DE 3532452 C2 [0041]
- - DE 4036729 A1 [0044]