DE2945393A1 - Verfahren und anordnung zur regelung der aufheizung eines waermespeichers - Google Patents
Verfahren und anordnung zur regelung der aufheizung eines waermespeichersInfo
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Description
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VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR REGELUNG DER AUFHEIZUNG EINES WÄRMESPEICHERS
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Regelung der Aufheizung von Wärmespeichern
gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Speicherung von Sonnenwärme in
einem Wärmespeicher. Man verwendet hierfür ein Wärmeträgerfluid,
das die Sonnenwärme in einem einem Sonnenkollektor zugeordneten Wärmetauscher aufnimmt und über einen dem Wärmespeicher
zugeordneten Wärmetauscher an letzteren abgibt.
Die Speicherung von Sonnenwärme, z.B. für die Aufheizung von Warmwasser, bedarf eines Regelsystems, um die
Wärmeübertragung zwischen dem Sonnenkollektor und dem Warmwasserbehälter zu gewährleisten, wenn die Temperatur des
Sonnenkollektors höher als die des Wärmespeichers ist, während ansonsten die Wärmeübertragung blockiert sein muß. In einer
bekannten Ausführungsform wird ein Differentialthermostat mit zwei Meßeinheiten verwendet, von denen eine die Temperatur
des Sonnenkollektors und die andere die Temperatur des Wärmeträgerfluids nach Durchlauf des wärmespeicherseitigen Wärmetauschers
mißt. Denn das Wärmeträgerfluid durchläuft diesen Wärmetauscher in fallender Richtung, so daß zuerst die Wärme
an die oberen, wärmeren Wasserschichten abgegeben wird. Nur wenn die Temperatur des Sonnenkollektors die Temperatur des
Fluids am Ausgang des Wärmespeichers übersteigt, dann wird das Fluid in Umlauf gesetzt. Ein derartiger Differentialthermostat
besitzt jedoch eine Schaltträgheit von mehreren
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Graden. Außerdem ergeben sich Schwierigkeiten, wenn dem Wärmespeicher Wasser, selbst in kleinen Mengen, entnommen
wird. Durch diese Entnahme wird Kaltwasser von unten nachgespeist und läßt den Differentialthermostat ansprechen,
selbst wenn die mittlere Temperatur des im Speicher befindlichen Wassers höher als die Temperatur des Sonnenkollektors
ist. Wenn dann aber das Wärmeträgerfluid umläuft, wird der obere Teile des Wärmespeichers abgekühlt statt aufgeheizt.
Um diesen Nachteil zu beheben, wurde in der
FR-OS 2 308 877 vorgeschlagen, die Temperatur an drei Stellen
zu messen, nämlich am Ausgang des quellenseitigen Wärmetauschers, im oberen Teil des Wärmespeichers in der Nähe des Eintritts
des Wärmeträgerfluids in den speicherseitigen Wärmetauscher und am Austritt des Wärmeträgerfluids aus diesem Wärmetauscher.
Die Messungen werden für die Steuerung des Fluidumlaufs in folgender Weise ausgewertet : Der Umlauf des Fluids wird
blockiert, wenn die erstgenannte Temperatur niedriger oder gleich der zweitgenannten Temperatur ist und wenn die erstgenannte
Temperatur niedriger als die drittgenannte Temperatur ist. Ein derartiges bekanntes System berücksichtigt allerdings
nicht die Tatsache, daß unter gewissen Betriebsbeding ungen die thermischen Verluste zwischen dem Sonnenkollektor
und dem Wärmespeicher zu einer Absenkung der Temperatur des Wärmeträgerfluids vor seinen Eintritt in den speicherseitigen
Wärmetauscher führen körnen, so daß die Temperatur des Fluids in diesem Wärmetauscher geringfügig unterhalb der des Speicherwassers
liegt, wodurch es zu einer unerwünschten Umkehr der
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Wärmetransportrichtung käme.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Regelverfahren und eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens vorzuschlagen,
durch die die genannten Nachteile vermieden werden,
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. durch die in Anspruch 2 gekennzeichnete Anordnung
gelöst. Bezüglich von Merkmalen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird auf den Anspruch 3 verwiesen.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Anordnung, bei der die Erfindung anwendbar ist.
Fig. 2 zeigt ein elektrisches Schema einer Regelschaltung, die keinen Gebrauch des erfindungsgemäßen Verfahrens
macht.
Fig. 3 zeigt ein elektrisches Schema einer Regelschaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt die Anwendung der Erfindung auf die Aufheizung von Wasser aus einem Sonnenkollektor CS. Dieser
Kollektor besteht im wesentlichen aus einem der Sonne ausgesetzten Wärmetauscher El, an dessen Ausgang sich eine Temperatursonde
A zur Ermittlung des kollektorseitigen oder wärmequellenseitigen Temperaturniveaus tA befindet. Das Wärmeträgerfluid,
das in diesem Wärmetauscher aufgeheizt wird, fließt dann durch eine Leitung 9 zu einem senkenseitigen
Wärmetauscher E2, der sich innerhalb eines als Wärmespeicher dienenden thermisch isolierten Wasserbehälters 10 befindet.
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Am Einlaß in diesen Wärmetauscher E2 ist eine Temperatursonde B angeordnet, die eine Temperatur tB mißt, während am Ausgang
dieses Wärmetauschers eine Temperatursonde C liegt, die eine Temperatur te mißt. Weiter fließt das Wärmeträgerfluid durch
Leitungen 11 und 12 zurück zum quellenseitigen Wärmetauscher El. Eine Pumpe 3 bewirkt den Umlauf des Wärmeträgerfluids
im Umlaufkreis, wobei der Durchsatz durch ein T-Glied 4 begrenzt wird und eine Rückschlagklappe 2 die Richtungsumkehr
verhindert. Die Pumpe 3 wird von einem Steuerorgan 8 gesteuert, das aus einem Differentialthermostat besteht und die Temperaturangaben
der drei Sonden A, B und C zugeführt erhält. Selbstverständlicft ist der Umlaufkreis des Wärmeträgerfluids~-
mit einem automatischen Reinigungsventil· 5, einem Membran-Ausdehnungsgefäß
6, einem Sicherheitsventil 7 mit Druckmesser sowie zwei. Ventilen 13 und 14 zum Füllen und Entleeren des
Umlaufkreises versehen. Das Wärmeträgerfluid ist beispielsweise Wasser, das mit einem Frostschutz- und Korrosionsschutzmittel
versehen ist.
Das aufzuheizende Wasser gelangt in den Wärmespeicher
IO über ein Ventil 15 und es verläßt diesen Speicher über eine Leitung 16. Die Sonde B liegt in der Eingangslei tung
des Wärmeträgerfluids in den Wärmetauscher E2 und mißt somit die Wassertemperatur im oberen, heißeren Bereich des
Speichers. Man kann also außerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung folgende Steuerungen vornehmen :
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COPY *A
Wenn tA > tB und wenn tB > te, dann wird das Wärmeträgerfluid
in Umlauf gesetzt. In allen anderen Fällen wird das Wärmeträgerfluid nicht umgewälzt, da es unnötig ist, Energie zu
verbrauchen, wenn keine Kalorien mehr übertragen werden.
Wenn also die Temperatur tA der Wärmequelle hoch ist, d.h. wenn die Sonneneinstrahlung stark ist, während der
Wärmespeicher 10 verhältnismäßig kalt ist, dann ist tA > tB > te
Die Pumpe 3 läuft und wälzt das Wärmeträgermedium um. Die Temperaturen tB und te steigen an,und es kommt der Augenblick,
wenn kein Warmwasser entnommen wird, wo die Temperaturen tB und te gleich werden. Dann wird die Pumpe ausgeschaltet, wodurch
die Wärmeübertragung im Wärmetauscher E2 unterbrochen wird. Wenn jedoch Wasser aus dem Speicher 10 entnommen wird
und kaltes Wasser nachläuft, dann sinkt die Temperatur te ab, so daß die Pumpe wieder eingeschaltet wird.
Wenn die Sonne verschwindet, sinkt die Temperatur tA und die Pumpe schaltet sich aus, wenn die Temperatur tA unter
tB absinkt, selbst wenn die Temperatur tB noch größer als die Temperatur te ist. Die Pumpe wird erst wieder eingeschaltet,
wenn tA wieder über die Temperatur tB ansteigt und gleichzeitig tB größer als te ist.
Das elektrische Schema des Thermostaten 8 ist in Fig. 2 dargestellt.
Die Netzspannung S wird an die Primärwicklung eines Transformators TR zwischen den Punkten 21 und 22 angeschlossen.
An die Enden 23 und 26 der Sekundärwicklung sind die Anoden
■■}·■-,
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zweier Dioden D4 bzw. D5 angeschlossen, deren Kathoden miteinander
verbunden sind, während ein Mittelabgriff 27 der Sekundärwicklung an Masse liegt. Die beiden Dioden bilden
einen Zweiweg-Gleichrichter. Die Kathoden dieser Dioden sind außerdem an die Anode einer Diode D6 und über die Serienschaltung
zweier Widerstände R4 und R5 an Masse angeschlossen. Die Kathode der Diode D6 führt zu einem Regler RG, der ein
positives Potential an einem Punkt P zur positiven Stromversorgung der Schaltung liefert. Ein Filterkondensator C2 filtert
die gleichgerichtete Spannung, die dem Regler geliefert wird. Der gemeinsame Punkt der beiden Widerstände R4 und R5
ist an den ersten Eingang eines Verstärkers A3 angeschlossen, dessen zweiter Eingang an den gemeinsamen Punkt zweier in
Serie geschalteter Widerstände R6 und R7 angeschlossen ist, wobei diese Widerstände zwischen dem positiven Potential P
und Erde liegen. Der Verstärker A3 wird zwischen dem positiven Potential am Punkt P und Erde mit Strom versorgt.
Zwischen dem Ausgang und dem negativen Eingang dieses Verstärkers liegt außerdem ein Kondensator C3.
Die drei Temperatursonden A, B und C bestehen beispielsweise
aus der Serienschaltung je zweier Siliziumdioden. Diese Serienschaltungen liegen zwischen Erde und je einem
Meßpunkt, der über einen Widerstand Pl bzw. R8 bzw. P2 mit dem positiven Potential des Punktes P verbunden ist. Zwei
dieser Widerstände, Pl und P2, sind einstellbar ausgebildet und ermöglichen den Abgleich der drei Meßkreise.
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Der Meßpunkt der Sonde Ά ist mit dem positiven Eingang eines Verstärkers Al verbunden. Der Meßpunkt der Sonde B
ist über einen Vorwiderstand R9 an den negativen Eingang
dieses Verstärkers und unmittelbar an den positiven Eingang eines weiteren Verstärkers A2 angeschlossen. Die beiden Verstärker Al und A2 werden zwischen Erde und dem positiven Potential des Punktes P mit Strom versorgt und besitzen je einen
Rückkopplungskondensator C4 bzw. C5 vom Ausgang zum jeweiligen negativen Eingang.
Der Meßpunkt der dritten Sonde C ist über einen
Widerstand RIO mit dem negativen Eingang des Verstärkers A2 verbunden.
Die Ausgänge der beiden Verstärker Al und A2 sind
über Dioden D8 bzw. D9 an ein Ende eines Widerstands R12 angeschlossen, dessen anderes Ende zum positiven Eingang eines
weiteren Verstärkers A4 führt. Der gemeinsame Punkt zwischen dem Widerstand R12 und dem positiven Eingang des Verstärkers
A4 ist mit dem Mittelabgriff einer Serienschaltung zweier Widerstände Rl3 und R14 verbunden, die zwischen Erde und dem
positiven Potential des Punktes P liegen. Zwischen diesem Mittelabgriff und Erde liegt außerdem ein Kondensator C6.
Der negative Eingang dieses Verstärkers A4 ist über die Serienschaltung einer Diode D7 und eines Widerstands RIl an den
Ausgang des Verstärkers A3 sowie an den Mittelabgriff zweier Widerstände R15 und R16 angeschlossen, die zwischen Erde und
dem positiven Potential des Punktes P liegen. Zwischen dem positiven Eingang des Verstärkers A4 und seinem Ausgang liegt
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die Serienschaltung eines Widerstands R17 und einer Diode DlO. Wie die anderen Verstärker ist auch der Verstärker A4 zwischen
Erde und dem positiven Potential des Punktes P mit Strom versorgt. Der Ausgang dieses Verstärkers ist mit der Basis eines
NPN-Transistors T3 verbunden, dessen Kollektor am Punkt P
liegt und dessen Emitter über einen Widerstand R18 an die Anode einer kathodenseitig geerdeten Elektrolumineszenzdiode
DIl angeschlossen ist. Diese Diode gehört zu einem Lichtkoppler, der außerdem Fototransistoren Tl und T2 in Darlingtonschaltung aufweist. Der Emitter des Transistors T2 ist mit
einer ersten Hauptelektrode eines Triacs 29, und sein Kollektor ist an die Anode einer Diode D3 angeschlossen, deren
Kathode an die Zündelektrode des Triacs 29 führt. Ein Widerstand R3 liegt zwischen dieser Zündelektrode und der ersten
Hauptelektrode dieses Triacs 29.
An zwei Abgriffen 24 und 25 der Primärwicklung des Transformators TR zu beiden Seiten des Anschlusses 21 wird
eine Wechselspannung abgegriffen, die in Dioden Dl und D2 gleichgerichtet wird. Die Kathoden der Dioden Dl und D2 sind
miteinander verbunden und führen über zwei Widerstände Rl
und R2 in Serie an die Anode einer Schutzdiode D3. Dies ist der Stromversorgungskreis für die Zündelektrode des Triacs
Ein Kondensator Cl ist zwischen dem gemeinsamen Punkt der Widerstände Rl und R2 und der ersten Hauptelektrode des
Triacs angeschlossen. Außerdem ist diese Hauptelektrode an den Netzanschluß 21 des Transformators TR angeschlossen. Die
zweite Hauptelektrode des Triacs führt zu einer Klemme des Motors 30 der Pumpe 3, dessen andere Klemme zum Netzanschluß
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2 2 des Transformators TR führt. Parallel zum Motor liegt eine Glimmlampe 28, die aufleuchtet t wenn der Motor läuft.
Nunmehr wird der Betrieb dieses Thermostaten beschrieben.
Der Verstärker Al vergleicht die Spannungen der Sonden A und B und der Verstärker A2 vergleicht die Spannungen,
die von den Sonden B und C geliefert werden. Der Verstärker A3 erzeugt Rechteckimpulse der doppelten Netzfrequenz. Der Verstärker A4 verknüpft die von den Verstärkern Al und A2 kommenden Informationen und wird durch den Verstärker A3 moduliert.
Er speist den Fotokoppler und zündet das Triac 29 synchron mit den Nulldurchgängen des Netzstroms, wenn die Verstärker Al
und A2 die Zündimpulse freigeben. Wegen der Schaltvorgänge im Nulldurchgang wird jegliche Funkstörung vermieden.
Der Verstärker A4 ist über die Schaltelemente DlO und R17 rückgekoppelt, d.h. er erhält eine Rückkopplung, die
ihn vollständig umkippen läßt, wenn der Ausgang negativ ist. Hierdurch wird verhindert, daß das Triac mit jeder Halbperiode
des Netzwechselstroms gelöscht und wieder gezündet wird.
Wenn einer der Verstärker Al oder A2 (oder beide) keine Freigabe mehr für den Verstärker A4 liefern, dann kippt
letzterer um, sein Ausgang wird positiv und die Diode DIl des Fotokopplers gibt Licht ab. Der Fototransistor T1-T2
wird stromführend und leitet den Zündstrom des Triac 29 ab, wodurch letzteres beim Stromnulldurchgang gelöscht wird.
Die Stromversorgung der Sonden A, B und C ist gegen das Netz einerseits durch den Transformator TR und andererseits durch den Fotokoppler isoliert. Die Masse ist an den
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Erdungspunkt der Sonden angeschlossen, die je durch zwei Drähte gleichen Querschnitts und gleicher Länge beschaltet
sind, so daß die für das Ein- und Ausschalten des Motors entscheidenden differentiellen Meßwerte mit hoher Genauigkeit
eingehalten werden.
Das Steuerorgan 8, wie es im Detail in Fig. 2 dargestellt ist, reicht völlig aus, wenn der Motor eingeschaltet
wurde und eine Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen Punkten des Umlaufkreises bestehen bleibt. Wenn jedoch die
Temperaturen tB und te gleich sind, dann kann der Motor mit dieser Schaltung nicht eingeschaltet werden. Dieser Mangel
könnte durch einen zusätzlichen Schaltkreis behoben werden, der die Blockade der Motoreinschaltung von Hand löst, wenn das
Wärmeträgermedium nicht umläuft und somit die für die Ansteuerung des Triac notwendige Temperaturdifferenz sich noch nicht
eingestellt hat. Die Handsteuerung könnte auch durch ein elektronisches Zeitglied ersetzt werden. Leider kann jedoch
in gewissen Fällen die Zeitkonstante eines solchen Gliedes nicht so groß gemacht werden, wie die thermischen Zeitkonstanten
der Anlage es erfordern würden, wenn man nicht auf komplexe elektronische und damit teuere Schaltkreise zurückgreifen
will. Durch die erfindungsgemäße Anordnung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, wird dasselbe Ziel auf einfachere
Weise erreicht, indem das Ausgangssignal des Verstärkers A2,
d.h. das für die Temperaturdifferenz (tB-tC) repräsentative Signal nicht direkt zur Ansteuerung des Motors 30 verwendet
wird, sondern zur Bildung eines Korrektursignals, das mit dem
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Ausgangssignal der Sonde A gemischt wird.
Hierfür verwendet man die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3, die im Vergleich zur Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 2 folgende Änderungen aufweist :
Die Verbindung vom Ausgang des Verstärkers A2
zum Widerstand R12 über die Diode D9 entfällt. Der Kondensator C5 im Rückkopplungszweig des Verstärkers A2 wird durch
einen Widerstand R2 3 ersetzt, der in Verbindung mit dem Eingangswiderstand
RIO den Verstärkungsgrad des Verstärkers festlegt. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers gelangt an den
positiven Eingang des Verstärkers Al über einen Widerstand R22 und wird dort mit dem vom ersten Meßpunkt über einen
Koppelwiderstand R21 zugeführten Signal betreffend die Temperatur am Ausgang des quellenseitigen Wärmetauschers E2 gemischt.
Daraus folgt, daß der Umlauf des Fluids gesperrt bzw. wieder aufgenommen wird, wenn die Temperatur tA niedriger
bzw. höher als eine Temperatur (tB+Dt) wird, wobei Dt umso größer ist, je kleiner die Differenz (tB-tC) ist.
Der Wert Dt kann etwa 10 ausmachen, wenn die Tempeiatur
tB nicht höher als die Temperatur tC liegt. Beträgt die Differenz (tB-tC) dagegen 20°, dann kann dieser Wert bis auf
1 oder 2 absinken. Der Übergang erfolgt im wesentlichen linear.
Das anhand von Fig. 3 erläuterte Steuerorgan hat den Vorzug, mehrmals pro Minute Einschaltvorgänge zu ermöglicher
und damit die Wärmeübertragung in den Speicher zu optimieren.
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L e e r s e i t e
Claims (1)
- Fo 11 425bis D5AFT-S0CIETE DES ACCUMULATEURS FIXESET DE TRACTION S.A.156, avenue de Metz, 93230 ROMAINVILLE FrankreichVERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR REGELUNG DER AUFHEIZUNG EINES WÄRMESPEICHERSPATENTANSPRÜCHE(If- Verfahren zur Regelung der Aufheizung mindestens eines Wärmespeichers über ein Wärmeträgerfluid, welches zwischen einer Wärmequelle und einem Wärmespeicher umläuft, solange die Temperatur des Fluids am Austritt aus der Wärmequelle und die Eingangstemperatur des Wärmespeichers bestimmte Beziehungen zueinander aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlauf des Fluids unterbrochen bzw. wieder aufgenommen wird, wenn die Temperatur (tA) des Fluids am Austritt aus der Wärmequelle niedriger bzw. höher als eine Temperatur (tB+Dt) ist, wobei Dt einen umso größeren Wert annimmt, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der .Eingangstemperatur (tB) des Wärmespeichers und der Austrittstemperatur des Fluids aus dem Wärmespeicher ist.2 - Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit- einer Wärmequelle (CS),- einem in thermischem Kontakt mit der Wärmequelle stehenden Wärmetauscher (El),030023/0634ORIGINAL INSPECTED- einem in thermischem Kontakt mit einem Wärmespeicher (10) stehenden Wärmetauscher (E2),- einem Umlaufkreis (3,9,11,12) für ein Wärmeträgerfluid, in dem steuerbar das Wärmeträgerfluid in und zwischen den Wärmetauschern umläuft,- einer Temperaturmeßsonde (A), die die Temperatur des Fluids am Austritt aus dem quellenseitigen Wärmetauscher (El) mißt,- einer Temperaturmeßsonde (B), die die Temperatur des Fluids am Eingang in den speicherseitigen Wärmetauscher (E2) mißt,- einer Temperaturmeßsonde (C), die die Temperatur des Fluids am Ausgang des speicherseitigen Wärmetauschers (E2) mißt,- einem Steuerorgan (8) für die Steuerung des Umlaufkreises, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan (8) Sperrmittel zur Sperrung und Wiederaufnahme des Fluidumlaufs aufweist, die wirksam werden, wenn die Temperatur (tA) der erstgenannten Sonde (A) geringer bzw. größer als eine Temperatur (tB+Dt) wird, wobei Dt einen umso größeren Wert annimmt, je kleiner die Temperaturdifferenz (tB-tC) am Eingang und am Ausgang des Wärmespeichers wird.3 - Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennze ichne't, daß der Temperaturwert (Dt) nach einem im wesentlichen linearen Gesetz von der Differenz der Fluidtemperaturen am Eintritt und am Austritt aus dem wärmespeicherseitigen Wärmetauscher (E2) variiert.030023/0634
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