-
Heiz-Kühl-Anlage zum abwechselnden Heizen
-
und Kühlen eines Wärmetauschers.
-
Die Erfindung betrifft eine Heiz-Kühl-Anlage zum abwechselnden Heizen
und Kühlen eines Wärmetauschers, wie einer Presse oder eines Reaktionsbehälters,
bei der der Wärmetauscher wahlweise in einen Heizkreislauf und in einen Kühlkreislauf
schaltbar ist und mittels einer im Vorlauf des Wärmetauschers vorhandenen ersten
Pumpe mit heißer bzw. kalter Flüssigkeit beliefert werden kann, ferner der Kühlkreislauf
einen Kühlspeicher enthält,
dessen Flüssigkeit wenigstens zum Teil
während der Heizphase mittels einer zweiten Pumpe durch einen Kühler geleitet und
dort gekühlt werden kann.
-
Die Effektivität einer derartigen Anlage hängt davon ab, wie schnell
der Wärmetauscher in der Heizphase auf die vorgeschriebene Heißtemperatur gebracht
werden kann und vor allem in der Kühlphase auf die vorgeschriebene Kalt temperatur.
Mit anderen Worten hängt die Leistungsfähigkeit bei gegebener Konstruktion des Wärmetauschers
vom Durchsatz und der Temperatur des Wärmeträgers, wie z.B. Wasser oder Öl, durch
den Wärmetauscher ab.
-
Man kann zur Vergrößerung des Durchsatzes beim Aufheizen und beim
Abkühlen anstelle einer dem Wärmetauscher zugeordneten Druckpumpe zwei hintereinandergeschaltete
Druckpumpen vorsehen oder den Motor der Druckpumpe mit veränderlicher Drehzahl ausbilden.
-
Dies setzt jedoch vor allem bei Heißwasseranlagen eine Bemessung der
gesamten Anlage für einen höheren Betriebsdruck voraus, so daß häufig eine höhere
Nenndruckstufe für Pumpen und Armaturen erforderlich wird. Dies bedingt eine unerwünscht
hohe Kostensteigerung.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anlage der einleitend
genannten Art die Effektivität zu erhöhen, ohne daß die Anlage für einen höheren
Betriebsdruck, gegebenenfalls Nenndruck, ausgelegt werden muß,
Die
Aufgabe ist durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unceransprüchen
zu entnehmen.
-
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, nur die Abkühlzeit des Wärmetauschers
durch einen höheren Durchsatz zu verkürzen, für die Aufheizzeit jedoch durch einen
entsprechenden Temperaturüberhub.Durch Einfügung einer Pumpe in den Rücklauf des
Wärmetauschers kann, soferne bestimmte Temperaturgrenze nicht überschritten wird,
der Durchsatz stark erhöht werden, ohne daß infolge des wesentlich erhöhten Differenzdruckes
am Wärmetauscher der Betriebsdruck ansteigt. Die Temperaturgrenze für einen kavitationsfreien
Betrieb der zweiten Pumpe ist erreicht, wenn folgende Bedingung erfüllt ist: pD
# pR - pHS - pNPSH . γ wobei pD = Dampfdruck der Flüssigkeit pR = Ruhedruck
(Druck der bei nichtströmender Flüssigkeit im Pumpensaugstutzen gemessen wird) PHS
= saugseitiger Anteil der Förderhöhe der Pumpe r PNPSH = NPSH-Wert (net positive
suction head) γ = spez. Gewicht der Flüssigkeit
Es wird also
unterhalb der angegebenen Temperaturgrenze eine Saugpumpe in den Rücklauf des Wärmetauschers
geschaltet und durch diese ein erhöhter Durchsatz der Flüssigkeit ermöglicht, bis
bei beschleunigter Abkühlung des Wärmetauschers dieser die gewünschte Endtemperatur
erreicht hat.
-
Da bereits eine zweite Pumpe zum Aufladen des Kühlspeichers vorhanden
ist, kann diese als in denPücklauf des Wärmetauschers zu schaltende zweite Pumpe
ausgenutzt werden, wenn eine entsprechende Umschaltung durch Ventile vorgesehen
ist. Es läßt sich somit bei der erfindungsgemäßen Anlage unter Einsparung einer
zusätzlichen Pumpe während des größten Teils der Kühlperiode ein erhöhter Durchsatz
durch den Wärmetauscher erzielen, ohne daß der Betriebsdruck, gegebenenfalls der
Nenndruck der Anlage vergrößert werden muß.
-
Es ist bei genügend groß bemessenem Kühlspeicher möglich, während
der Zeit, während der die an sich zum Laden des Kühlspeichers vorgesehene Pumpe
für den erhöhten Durchsatz durch den Wärmetauscher herangezogen wird, den Kühler
still zu legen. Vorzugsweise wird jedoch der Kühler auch während der Ausnutzung
der zweiten Pumpe als zusätzliche Saugpumpe für den Wärmetauscher weiter betrieben,
wodurch Kühlspeicher und Kühlflächen kleiner dimensioniert werden können. Dies ist
möglich, wenn die Pumpe mit veränderlichen Fördermengen betrIeben werden kann und
während der Verwendung als Saugpumpe für den Wärmetauscher die Fördermenge vergrößert
wird.
-
Der Abkühlprozess verläuft unter voller Ausnutzung des Kühlers zweckmäßig
in der folgenden Weise. Zu Beginn des Abkühlprozesses wird der Wärmetauscher an
den Kühlspeicher geschaltet und mit der dem Wärmetauscher zugeordneten Druckpumpe
die heiße Flüssigkeit in den Kühlspeicher gedrückt. Ein Teil der heißen Flüssigkeit
wird abgezweigt und mittels der im Ladekreis des Kühlspeichers vorhandenen zweiten
Pumpe durch den Kühler befördert und am Ausgang des Kühlspeichers wieder in die
Rücklaufleitung zum Wärmetauscher zurückgegeben. Die durch den parallel zum Kühlspeicher
geschalteten Kühler fließende Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit wird durch ein Regelventil
eingestellt, das gewährleistet, daß stets nur Flüssigkeit der vorgeschriebenen Kühltemperatur
z.B. von 350 C am Auslaß des Kühlspeichers in die Rucklaufleitung eingespeist wird.
-
Hat sich die Temperatur am Auslaß des Wärmetauschers so weit erniedrigt,
daß die zweite Pumpe als die erste Pumpe unterstützende Saugpumpe einsetzbar ist,
dann wird die zweite Pumpe als Saugpumpe in den Rücklauf des Wärmetauschers geschaltet
und gleichzeitig die Drehzahl der Pumpe erhöht, um die Förderleistung zu steigern.
Hinter der zweiten Pumpe sind der Kühlspeicher und der Kühler parallelgeschaltet,
wobei durch das im Leitungszweig des Kühlers vorhandene Regelventil gewährleistet
wird, daß bei nahezu voller Ausnutzung der Kühlleistung des Kühlers immer nur eine
so große Flüssigkeitsmenge durch den Kühler durchgesetzt wird, daß am Ausgang des
Kühlers die vorgegebene Temperatur der kalten Flüssigkeit vorhanden ist. Je mehr
sich die Temperatur am
Ausgang des Wärmetauschers erniedrigt, um
so mehr Flüssigkeit wird bei voll ausgenutzter Kühlleistung durch den Kühler geleitet,
bis eine so niedrige Temperatur ams Ausgang des Wärmetauschers erreicht ist, daß
die Kühlleistung ausreicht, um die gesamte vom Wärmetauscher gelieferte Flüssigkeitsmenge
bis auf die vorgeschriebene Temperatur der kalten Flüssigkeit herabzukühlen. Sinkt
die Temperatur der Flüssigkeit am Auslaß des Wärmetauschers noch weiter ab, dann
wird der Kühler mit der aus dem Wärmetauscher zufließenden Flüssigkeitsmenge nicht
mehr voll ausgenutzt. Es wird dann durch eine weitere Umschaltung heiße Flüssigkeit
aus dem entladenen Kühlspeicher entnommen und von der zweiten Pumpe der vom Wärmetauscher
gelieferten Flüssigkeit beigemischt. Die Menge der Beimischung erfolgt in einem
solchen Maße, daß der Kühler gerade voll ausgelastet wird.
-
Es wird nun die Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel anhand von
vier Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen eine erfindungsgemaße Heiz-Kühl-Anlage
in vier Verfahrensstufen im Prinzip und zwar Fig. 1 die Anlage während der Heizphase,
während der der Kühlspeicher durch den Kühler geladen wird; Fig. 2 die Anlage zu
Beginn der Kühlphase, solange der Kühlspeicher mit der dem Wärmetauscher zugeordneten
Pumpe entladen und gleichzeitig ein Teil des vom Wärmetauscher gelieferten Wassers
im Kühler gekühlt wird;
Fig. 3 die Anlage nach Unterschreiten der
Temperaturgrenze, bei der die zweite Pumpe als Saugpumpe schaltbar ist, wobei durch
die zweite Pumpe teilweise der Kühlspeicher weiter ausgeladen und teilweise die
Flüssigkeit durch den Kühler gedrückt wird; Fig. 4 die Anlage kurz vor Beendigung
der Kühlphase, bei der zur besseren Ausnutzung des Kühlers der Kühlspeicher bereits
wieder geladen wird.
-
Die in den Fig. 1 bis 4 im Prinzip dargestellte Heiz-Eühl-Anlage enthält
einen Heizkreislauf, der einen Heizkessel 1 -im vorliegenden Fall ist der Heißwasserspeicher
eines Keizkreislaufes dargestellt -, eine erste Pumpe 2, eine Presse 3, ein Zweiwegeumstellventil
4, sowie die zugehörigen, nicht näher bezeichneten Verbindungsleitungen umfasst.
Der Kühlkreislauf umfasst die erste Pumpe 2, die Presse 3, das Zweiwegeumstellventil
4 des Heizkreislaufes und darüberhinaus einen Kühl speicher 5, einen Kühler 6, eine
zweite Pumpe 7, zwei Umstellventile 8 und 10, zwei Regelventile 9 und 11 sowie nicht
näher bezeichnete Verbindungsleitungen. Im einzelnen ist im Kühlkreislauf zwischen
dem Flüssigkeitsauslaß der Presse 9 und dem Warmwassereinlaß des Kühlspeichers das
Umstellventil 8, zwischen dem Warmwassereinlaß des Kühlspeichers und dem Einlaß
des Kühlers die Reihenanordnung aus dem ersten Regelventil 9 und der zweiten Pumpe
7 sowie parallel hierzu das zweite Umstellventil 10 vorgesehen und es sind das Umstellventil
8 und das erste Regelventil 9
durch eine Kurzschlußleitung 12 überbrückt.
Zwischen dem Auslaß des Kühler 6 und dem über die erste Pumpe 2 mit dem Einlaß der
Presse 3 verbundenen Kaltwasserauslaß 13 des Kühlspeichers 5 ist das zweite Regelventil
11 vorgesehen, das von einem nicht dargestellten Temperaturfühler an dieser Stelle
gesteuert wird.
-
In den vier verschiedene Verfahrensstufen darstellende Fig.
-
1 bis 4 sind zur besseren Ubersicht die mittels der Umstell-bzw. Regelventile
gebildeten Kreisläufe durch stark ausgezogene bzw. gestrichelte Linien hervorgehoben.
-
Fig. 1 stellt den Zustand der Schaltung während der Heizphase des
Wärmetauschers, d.h. im vorliegenden Fall der Presse 3, dar.
-
Der Kühlspeicher 5 wird während dieser Zeit durch denKühler 6 geladen.
Es sind zwei getrennte Flüssigkeitskreise vorhanden, nämlich der Heizkreis I und
der Kühlkreis II. Diese Kreise werden dadurch gebildet, daß das Zweiwege-Umstellventil
4 den Auslaß des Wärmetauschers 3 mit dem Einlaß des Heizkessels verbindet, das
Umstellventil 8 und das Regenventil 11 durchlässig und das Regelventil 9 und das
Umstellventil 10 sperrend gesteuert sind.
-
Im Heizkreis I wird die Flüssigkeit durch die erste Pumpe 2 in Umlauf
gebracht und im Kühlkreis II durch die zweite Pumpe 7.
-
Beim Ubergang auf die Kühlphase der Anlage werden zunächst die in
Fig. 2 dargestellten Kreise III und IV gebildet. Zu diesem Zweck wird das Zweiwege-Umstellventil
4 so geschaltet, daß der Auslaß der Presse 3 über das Umstellventil 8 mit dem
Warmwassereinlaß
des Kühlspeichers 5 verbunden wird. Gleichzeitig wird das Regelventil 11 durch den
Temperaturregler gesteuert, der gewährleistet, daß in die Rücklaufleitung des Wärmetauschers
3 an der Stelle des Auslasses 13 des Kühlspeichers 5 nur kühles Wasser einer vorgegebenen
Temperatur, z.B. von 350 C eingespeist wird. Die in der abzukühlenden heißen Presse
3 aufgeheizte Flüssigkeit fließt somit einerseits im Kreis III in den Kühlspeicher
5 und drückt die kalte Flüssigkeit des Kühlspeichers durch dessen Auslaß 13 aus
- dies ist der größere Teil der Rücklaufmenge - und andererseits im Kreis IV durch
den Kühler 6. Der Kreis IV wird gebildet, um auch während des Entladens des Kühlspeichers
5 den Kühler 6 auszunutzen.
-
Durch das Regelventil 11 wird die im Kreis IV durchgesetzte Flüssigkeitsmenge
so eingeregelt, daß bei voller Ausnutzung des Kühlers 6 in den Rücklauf der Presse
3 am Auslaß 13 des Kühlspeichers 5 nur Flüssigkeit einer Temperatur von im vorliegenden
Fall 350C gelangt. Bei konstanter Kühlleistung des Kühlers 6 wird der Durchsatz
durch den Kreis IV immer größer, je mehr die Temperatur der Flüssigkeit am Auslaß
der Presse 3 absinkt.
-
Hat diese Temperatur die oben beschriebene Grenze erreicht, die einen
Einsatz der zweiten Pumpe 7 als Saugpumpe erlaubt, dann wird auf den in Fig. 3 dargestellten
Zustand umgeschaltet. Zu diesem Zweck wiri das Umstellventil 8 geschlossen und das
Umstellventil 10 geöffnet. Es werden also die Kreise V und VI gebildet. Gleichzeitig
wird die Drehzahl der Pumye 7 erhöht.
-
In einer in der Praxi ausgeführten Anlage ist beispielsweise
eine
Umschaltung von einer Fördermenge von 550 m) pro Stunde auf 800 m3 pro Stunde vorgesehen.
Die Pumpe 7 wirkt als Saugpumpe und erhöht damit die Druckdifferenz zwischen dem
Einlaß und dem Auslaß der Presse 3. Es wird hierdurch der Durchsatz erhöht. Der
Kreis VI ist vorgesehen, um auch während des Einsatzes der Pumpe 7 als Saugpumpe
die Kühlleistung des Kühlers 6 ausnutzen zu können. Das Regelventil 11 regelt die
durch den Kreis VI fließende Flüssigkeitsmenge so, daß an der Einspeisung 13 in
den Rücklauf der Presse die vorgegebene Kalttemperatur vorliegt.
-
Bei erhöhtem Flüssigkeitsdurchsatz durch die Presse 3 nimmt deren
Temperatur rasch ab und es stellt sich der Zeitpunkt ein, zu dem die Temperatur
der Flüssigkeit am Auslaß der Presse so niedrig ist, daß die Kühlleistung des Kühlers
6 ausreicht, um die gesamte Flüssigkeitsmenge auf das geforderte untere Temperaturpotential
herabzukühlen. Das Umstellventil 10 schließt dann und für einen weiteren kurzen,
nicht dargestellten Zeitabschnitt wird die gesamte Flüssigkeitsmenge über den Kühler
6 geleitet. Hat sich die Presse 3 noch weiter abgekühlt, dann wird der Zustand erreicht,
daß selbst bei einem Durchsatz der gesamten Flüssigkeitsmenge durch. den Kühler
6 die Kühlleistung dieses Kühlers nicht mehr voll ausgenutzt wird. Es wird dann
der in Fig. 4 dargestellte letzte Zustand der Kühlphase hergestellt.
-
Fig. 4 entsteht aus dem Schaltzustand gemäß Fig. 3 dadurch, daß das
Umstellventil 10 geschlossen und das Regelventil 9
teilweise geöffnet
wird. Es werden hierdurch die Kreise VII und VIII hergestellt. Der Kreis VIII entspricht
im wesentlichen dem Kreis II. Anstelle des nur einen ganz geschlossenen oder geöffneten
Zustand herstellenden Umstellventils 8 befindet sich in diesem Kreis jedoch das
Regelventil 9. Uber dieses wird dem vom Auslaß der Presse 3 gelieferten Flüssigkeitsstrom
so viel heiße Flüssigkeit aus dem entladenen Kühlspeicher 5 zugeführt, daß einerseits
gewährleistet ist, daß der Kühler 6 voll ausgenutzt ist, andererseits aber an der
Stelle 13 des Kühlspeichers 5 die geforderte Temperatur eingehalten wird.
-
Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel wird der Kühl speicher 5 laufend
durch die zweite Pumpe 7 geladen. Das erfindungsgemäße Prinzip die Effektivität
zu erhöhen, ohne daß die Anlage für einen höheren Betriebsdruck, gegebenenfalls
Nenndruck, ausgelegt werden muß, läßt sich jedoch auch bei einer Anlage ohne den
Speicher 5 und die dazugehörigen Steuerorgane 8 - 11 verwirklichen. Die zweite Pumpe
7 wird dann zur Erhöhung des Durchsatzes durch die Presse 3 nur während der Kühlphase
eingeschaltet. Man kann in diesem Fall die Pumpe 7 zwischen der Presse 3 und dem
Zwei-Wege-Umstellventil 4 anordnen und sie dann bei Bedarf auch während der Heizphase
zur Erhöhung des Durchsatzes benutzen.