DE2122474B2 - Kombiniertes Misch- und Mengenregulierventil für Heizungsanlagen mit Vorlauf, Rücklauf und Bypass des Wärmeträgers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Misch- und Mengenregulierventil für Heizungsanlagen mit Vorlauf, Rücklauf und Bypass des Wärmeträgers, für die Regulierung des Mischungsverhältnisses von beizumischendem Rücklaufwärmeträger durch den Bypass zum Kesselvorlaufwärmeträger sowie der Durphflußmenge des aus dem Gemisch bcsiehenden Heizungsvorlaufwanncträgers. »

Bei Heizungsaniagen dieser Art wird der Wärmebedarf entweder durch Anpassung der Durchsatzmenge bei konstantgehaiiener Temperatur oder durch Anpassung der Temperatur, d.h. des Beimischungsanteils bei konstantgehaiiener Durchsatzmenge des Heizungsvoriauf wärme uägers gedeckt.

Diesen Regulierarten stellt sich gemeinsam das Problem der Ausbildung sowohl der Misch- als auch der Mengenreguliervemiie, um eine befriedigende Stabilität der Regulierung zu erreichen, weil die Wärmeabgabe des Wärmeträgers an die zu wärmende Umgebung keine auch nur angenähert lineare Funktion, sowohl des Durchsatzes als auch des Beimischungsverhältnisses Kesselvorlauf- zu Rücklaufwärmeträger darstellt. Diese steigt anfänglich bei steigendem Wärmebedarf steiler als die Durchsatzmengen- bzw. Beimischungsverhältniszunahme an und wird allmählich bis zur maximalen Wärmeabgabe flacher. Dieses Problem wurde bis jetzt durch die Anpassung der Ventilkennlinie an die Wärmeabgabecharakteristik gelöst, indem der bewegliche Abschlußkörper entsprechend in Abhängigkeit seiner Verstellung profiliert wurde. Dies bringt aber den Nachteil mit sich, daß solche Ventile einen verhältnismäßig langen Verstellbereich, bei Hubventilen beispielsweise einen Hub von mindestens 50% des Ventildurchmessers haben müssen. Bei einem Ventildurchmesser von beispielsweise 25 mm, sind Hübe von 13 bis 14 mm erforderlich (vgl. »Regelungstechnik 1961«, Verlag R. Oldenburg, München, S. 104 und ff. »Kennlinie von Stellventilen«). Sind kurze Stellzeiten von bis zu 10 Minuten für diese Hübe notwendig, so bedingt dies einen erheblichen gerätetechnischen Aufwand (Motor, Getriebe usw.) für die stabile Verstellung des Abschlußkörpers.

Es wurde bereits vorgeschlagen, gleichzeitig Durchsatzmenge und Temperatur des Heizungsvorlaufwärmeträgers zu verändern, um kleinere Ventil-Verstellungen zu erhalten, wobei die Änderung der Temperatur von derjenigen der Durchsatzmenge abhängig gestaltet wird, indem mindestens ein Teil des in der Heizungsvorlaufleitung herrschenden, durchsatzmengenabhängigen Drucks zur Steuerung bzw. Betätigung der Beimischungsvorrichtung verwendet wird. Diese Drucksteuerung bzw. Betätigung erfordert jedoch ebenfalls einen erheblichen gerätetechnischen Aufwand und ist zudem sehr empfindlich gegen Druckschwankungen in der Anlage.

Bekannt ist weiter ein Mischventil der vorgenannten Gattung, das in einem einteiligen Ventilgehäuse zwei verschieden große, axial angeordnete Durchflußöffnungen zu einer Kammer mit einer dritten öffnung aufweist. Zwischen den axialen Öffnungen ist ein verschiebbarer, zylindrischer Abschlußkörper angeordnet, der auf seiner der kleineren Durchflußöffnung, welche den Kesselvorlaufwärmeträger durchläßt, zugekehrten Stirnfläche als dichtverschließender Ventilteller und auf seiner Mantelfläche als Ventilkolben für die größere Durchflußöffnung, welche den Rücklaufwärmeträger durchläßt, ausgebildet ist. Diese Ausführungsform geht vom geradlinigen Verlauf der Wärmeabgabe der Heizkörper an die Umgebung in Funktion des Abschlußkörperhubs noch weiter fort als die bekannten Mischventile mit konstani bleibendem Gesamtdurchflußquer-

schnitt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Ventil mit kleinem Verstellbereich zu schaffen, mit dem eine weitgehende Linearisierung der Wärmeabgabe an die Umgebung :r Funktion der Abschlußkörperstellung erreicht wird.

Gelöst wird die gestellte Aufga^ dadurch, daß die getrennt mittels Abschlußkörpern, welche von einem einzigen Organ betätigt werden, veränderbaren Durch- · flußquerschnitte derart im Ventil angeordnet .sind, daß die Durchflußquerschnitte für die Kessel- und Heizungsvorlaufwärmeträger gleichsinnig und der Durchflußquerschnitt für den Rücklaufwärmeträger den erstgenannten Querschnitten gegenüber gegensinnig veränderbar sind.

Gegenüber den bekannten Ausführungsformen ist hier die Linearisierung der Wärmeabgabe eines Verbrauchers, z. B. eines Radiators, in Funktion des Abschlußkörperhubs entscheidend verbessert und die Nachteile der bekannten Ausführungsiormen entfallen hier.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils ist in einem Längsschnitt in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 — obere Hälfte — ein Ventil mit dem Abschlußkörper in seiner einen Extremlage, die — untere Hälfte — das Ventil mit dem Abschlußkörper in seiner anderen Extremlage und

F i g. 2 ein Diagramm mit dem Querschnittsverhältnis hlh max über dem Verstellbereich eines Abschlußkörpers.

Ein Ventilgehäuse 1 weist den zum Kesselvorlauf gehörenden Hohlraum 2, den zum beizumischenden Rücklauf gehörenden Hohlraum 3 und den zum Heizungsvorlauf gehörenden Hohlraum 4 auf. Es sind nur die Anschlüsse vom Ventilgehäuse an die Rücklaufbeimisch- und an die Heizungsvorlaufleitung auf der Zeichnung sichtbar, während der Anschluß an die Kesselvorlaufleitung versetzt und nicht sichtbar ist.

Der Hohlraum 2 ist durch eine Zwischenwand 5 vom Hohlraum 3 getrennt. Diese Wand 5 weist eine zentrale Öffnung 6 auf, welche auf der Seite des Hohlraums 3 in einen konischen Ansatz 7 übergeht. Gegen außen ist der Hohlraum 2 durch einen abmontierbaren Deckel 8 mit zentrischem, konischem Vorsatz 16 abgeschlossen, der eine zentrale Durchgangsöffnung ? mit Nut 10 und Dichtring 11 für eine Stange 12 besitzt.

Der Hohlraum 3 ist durch eine Zwischenwand 13 vom Hohlraum 4 getrennt. Diese Wand weist eine zentrale Öffnung 14 auf, welche in einen konischen Ansatz 15 auf der Seite des Hohlraums 3 übergeht.

Auf der Stange 12 sitzt, beispielsweise mittels Federring 17 axial befestigt, ein Abschlußkörper 18. welcher im wesentlichen aus einem kreisscheibenförmigen Vorderteil 19 und, axial im Abstand »a« von der hinteren Kante von diesem versetzt, einem mit dem Vorderteil 19 durch Flügel 20 fest verbundenen Rohrstück 21 besteht. Die Stange 12 ist von einem außerhalb des Ventilgehäuses 1 angeordneten, nicht gezeigten thermomechanisch oder thermoelektrisch od. dgl. gesteuerten Antrieb bekannter Ausführung axial betätigbar, was durch den Doppelpfeil 22 angedeutet wird.

Der Vorderteil 19 ist in den radialen Außenabmessungen kleiner bis höchstens gleich der Öffnung 14 in der Zwischenwand 13.

Das Rohrstück 21 ist in den radialen Außenabmessuügen kleiner bis höchstens gleich der Öffnung 6 in der Zwischenwand 5, größer aber als die Öffnung 14. Es trägt in einer Außenringnut 23 einen Vierlippendichtring 24. Die Auflageflächen 25 und 26 beider Enden des Rohrstücks 21 sind konisch ausgebildet.
Die* Wirkungsweise des beschriebenen Misch- oifid Mengenregulierventils ist die folgende:

1st kein Wärmebedarf vorhanden, so nimmt die vom nicht gezeigten Antrieb betätigte Stange 12 die im oberen Teil der F i g. 1 gezeigte Lage ein. Der Vorderteil 19 schließt die Öffnung 14 bis auf einen durch richtige

ίο Dimensionierung wählbaren Querschnitt /i min. ab. Das Rohrstück 21 liegt mit seinem dem Vorderteil 19 abgekehrten Ende auf dem kegeligen Vorsatz 16, der Vierlippendichtring 24 auf dem konischen Ansatz 7 in der Zwischenwand 5 auf. Somit ist jeglicher Durchfluß von Kesselvorlaufwärmeträger unterbunden (ή = 0). Das dem Vorderteil 19 zugekehrte Ende des Rohrstücks 21 läßt den größten Durchtrittsquerschnitt h max zwischen ihm und dem konischen Ansatz 15 in der Zwischenwand 13 frei. Es gelangt dadurch und durch den Spalt Λ vom Raum 3 Rücklaufwärmeträger in den Heizungsvorlaul 4.

Bei vollem Wärmebedari nimmt die Stange 12 die im unteren Teil der F i g. 1 gezeigte Lage ein. Der Vorderteil 19 und das davon abgekehrte Ende des Rohrstücks 21 lassen den vollen Durchtritt der Öffnung 14 bzw. den größten Durchtrittsquerschnitt h max zwischen diesem Rohrstückende und den konischen Vorsatz 16 im Deckel 8 frei. Das andere Rohrstückende liegt auf dem konischen Ansatz in der Zwischenwand 13 auf und unterbindet jeglichen Durchfluß von Rücklaufwärmeträger. Nur Kesselwärmeträger, und zwar die volle Menge, gelangt vom Kesselvorlauf 2 durch den Durchflußquerschnitt h und die Öffnung 14 (Durchflußquerschnitt Λ) in den Heizungsvorlauf 4.

Zwischen den vorerwähnten Extremlagen variiert die Heizungsvorlaufdurchsatzmenge entsprechend dem vom Vorderteil 19 des Abschlußkörpers freigelegten Durchflußquerschnitt /1 der Öffnung 14. Wie eingangs erwähnt, würde eine der verhältnismäßigen Heizungsvorlaufdurchsatzzunahme mehr als gleichprozentige Wärmeabgabe an die Umgebung stattfinden, wenn nicht eine Abkühlung des Heizungsvorlaufwärmeträgers durch den Rücklaufwärmeträgerteil auftreten w urde, welcher entsprechend den von den Rohrstückenden freigelegten Durchflußquerschnittsverhältnissen h : h dem Kesselvorlaufwärmeträger beigemischt wird. Durch richtige Abstimmung des Verhältnisses der minimalen zur maximalen Heizungsvorlaufdurchsatzmenge sowie des Verhältnisses h max/ή max der größten Durchflußquerschnitte des beizumischenden Rücklaufwärmeträgers und des Kesselvorlaufwärmeträgers gelingt es, die Wärmeabgabe bereits so weitgehend dem Hub der Stange 12 proportional zu gestalten, mit anderen Worten zu linearisieren, daß eine Profilierung des Abschlußkörpers 18, wie sie in herkömmlichen Mischventilen üblich ist und dort große Verstellbereiche notwendig macht, entfällt. Entsprechende Studien haben gezeigt, daß eine günstige Abstimmung vorliegt, wenn die kleinste Heizungsvorlaufdurchsatzmenge bis höchstens 50%, vorzugsweise bis 35%, insbesondere etwa 25% der vollen Durchsatzmenge beträgt und wenn der größte Durchflußqucrsc-hnitt h max für den beizumischenden Rücklaufwärmeträger etwa zweimal so groß ist wie der größte Durehflußquerschniu h max für den Kesselvorlaufwärmeträger.

Damit das Rohrstück 21 nicht übermäßig dickwandig ausgeführt und somit schwer wird, ist es vorteilhaft, das erwähnte gunstige Verhältnis h max/ft max durch

Wahl der Kegelwinkel des Ansatzes 15 und des Vorsatzes 16 als Sitzfläche der Rohrstückenden zu schaffen.

Eine über den gesamten Verstellbereich des Abschlußkörpers 18 gleichbleibende Änderung des Durchflußquerschnitts h für den Kesselvorlaufwärmeträger bei ebenfalls gleichbleibender Änderung des Durchflußquerschnitts /i für das Gemisch ergibt eine strömungstechnischen Störeinflüssen unterliegende Kennlinie der Wärmeabgabe des Wärmeträgers in Funktion der selben Verstellung des Abschlußkörpers 18, die zwar vielfach für nicht zu hohe Anforderungen an die Regelung stellende Heizungsanlagen als brauchbar anzusehen ist. Eine den Erfordernissen der Praxis besser gerecht werdende Linearität der Wärmeabgabe in Funktion der Verstellung des Abschlußkörpers wird dadurch erreicht, daß der im Vergleich zu demjenigen der herkömmlichen Mischventile kleine Verstellbereich des Abschlußkörpers in mindestens zwei Teilbereiche aufgeteilt wird, wobei in jedem jede Änderung des Durchflußquerschnitts h für den Kesselvorlaufwärmeträger bei einer Verstellung des Abschlußkörpers konstant bleibt. Dabei beträgt bei sich öffnendem Durch-,, tlußquerschnitt ή, ausgehend von der Lage des Abschlußkörpers für die Schließlage (/3 = 0), die prozentuale Querschnittsänderung, bezogen auf den größten Querschnitt h max, das 0,40- bis 0,75fache der prozentualen Verstellung des Abschlußkörpers — bezogen auf den totalen Verstellhub. Gegen die Lage des Abschlußkörpers für den größten Durchflußquerschnitt ή max hin beträgt die prozentuale Querschnittsänderung hlh max das 1,3- bis 4fache dieser prozentualen Verstellung, unter der Voraussetzung, daß die Änderung des Durchflußquerschnitts für das Gemisch über den gesamten Verstellbereich gleich bleibt.

Im Diagramm gemäß F i g. 2 werden diese Verhältnisse veranschaulicht. Es sind auf der Abszisse der Verstellbereich des Abschlußkörpers (bezogen auf die totale Verstellung) und auf der Ordinate der Durchflußquerschnitt h (bezogen auf den größten Durchflußquerschnitt /3 max) in % aufgetragen. Die durch die Gerade 30 dargestellte Abhängigkeit des Durchflußquerschnitts ft entspricht einer Ausführung, bei welcher die Querschnittsänderung über den gesamten Verstellbereich des Abschlußkörpers gleich bleibt. Es sind prozentuale Querschnittsänderung und prozentuale Verstellung gleich groß (direkte Proportionalität).

Die durch den Geradenzug 32, 35 dargestellte Abhängigkeit entspricht einer Ausführung, bei welcher die durch den Abschlußkörper regulierten Querschnitte zunächst und bis etwa 54% des Hubes der Stange 12 sich prozentual weniger verändern, als sich der Abschlußkörper verstellt: Entlang der Geraden 32 ist die prozentuale Querschnittsänderung nur das 0,75fache der prozentualen Verstellung des Abschlußkörpers, d. h., bis 54% der Verstellung des Abschlußkörpers würde also nur 40,5% des max Durchflußquerschnitts /3 max für den Kesselvorlaufwärmeträger freigelegt (Punkt B). Im restlichen Teilverstellbereich müssen sich diese Querschnitte prozentual mehr verändern, als sich der Abschlußkörper verstellt: Entlang der Geraden 35 beträgt die prozentuale Querschnittsänderung das l,3fache (100:77) der prozentualen Verstellung des Abschlußkörpers, d. h. in den restlichen etwa 46% der Verstellung des Abschlußkörpers wächst der Durchflußquerschnitt um 59,5% des maximalen Werts h max.

Die durch den Geradenzug 33, 36 dargestellte Abhängigkeit entspricht einer ähnlichen Ausführung wie vorstehend, nur daß die QuerschniUszuwadisraien längs der Geraden 33 das 0,40fache und längs der Geraden 36 das 4fache der prozentualen Verstellung des Abschlußkörpers betragen.

Jede durch mehrere aneinander anschließende, im durch die Geraden 32, 33, 35, 36 begrenzten Gebiet A D B C enthaltenen Geratien dargestellte Abhängigkeit der Querschnitte von der Verstellung des Abschlußkörpers, wie etwa z. B. die Geraden 37, 38, 39, entspricht einer Ventilausführung, welche die Bedingung der Linearität der Wärmeabgabe des Wärmeträgers in Abhängigkeit von der Verstellung des Abschlußkörpers besonders gut zu erfüllen vermag.

Auf diese Weise kann das angestrebte lineare Verhalten der Wärmeabgabe des Wärmeträgers verwirklicht werden, ohne daß es dazu komplizierter Abschlußkörper oder Sitzformen bedarf oder große Verstellbereiche angewendet werden müßten. Dies kann beispielsweise am beschriebenen Ausführungsbeispiel des Ventils durch eine mehrfach konische Formgebung des Vorsatzes 16, z. B. mit einem Doppelkonus, verwirklicht werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. kombiniertes Misch- und Mengenregulierventil

iüi i ieizüiigbaiiiagcii mit Vorlauf, Rücklauf und Bypass des Wärrneirägers, für die Regulierung des MiscMüngsveriiäitnisscs von beizumischendem Rück- · laufwärmeträger durch den Bypass zum Kesselvorlaufwärmeträger sowie der Durchflußmenge des aus dem Gemisch bestehenden Heizungsvorlaufwärmeträgers, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennt mittels Abschlußkörpern (18, 21), welche von einem einzigen Organ (12) betätigt werden, veränderbaren Durchflußquerschnitte derart im Ventil angeordnet sind, daß die Durchflußquerschnitte (ft, /i) für die Kessel- und Heizungsvorlaufwärmeträger gleichsinnig und üer DurchfluQquerschnitt (£) für den Rücklaufwärmeträger den erstgenannten Querschnitten gegenüber gegensinnig veränderbar sind.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußquerschnittsänderungen proportional der Abschlußkörperverstellung sind.

3. Ventil nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußqiieischnitt (Zi) des abströmenden Heizungsvorlaufwärmeträgers mittels des Abschlußkörpers (18) bis auf einen Restbetrag von höchstens 50%, vorzugsweise bis 35%, insbesondere etwa 25% seines größten Wertes reduzierbar ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Durchflußquerschnitt (/2 max) des beizumischenden Rücklaufwärmeträgers etwa zweimal größer ist als der größte Durchflußquerschnitt (ft max) des zufließenden Kesselvorlaufwärmeträgers.

5. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Abschlußkörperverstellbereichs mindestens zwei Proportionalitätsfaktoren für die Änderung des Durchflußquerschnitts (ft) des Kesselvorlaufwärmeträgers gelten.

6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, ausgehend von der Abschlußkörperlage für den Abschluß des Kesselvorlaufdurchflußquerschnitts (ft = 0), die prozentuale Änderung des Durchflußquerschnitts (ft) 0,40- bis 0,75mal der prozentualen* Änderung (32, 33) der Abschlußkörperlage und daß, ausgehend von der Abschlußkörperlage für den größten Kesselvorlaufdurchflußquerschnitt (ft max), die prozentuale Änderung des Durchflußquerschnitts (ft) 1,3- bis viermal der prozentualen Änderung (35,36) der Abschlußkörperlage beträgt.

7. Ventil nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschlußkörper einen Rohrschieber (21) für die Veränderung der Durchflußquerschnitte (fs und /2) von Kesselvorlauf- und beizumischendem Rücklaufwärmeträger umfaßt.

8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflageflächen der Enden des Rohr-Schiebers (21) konisch ausgebildet sind.