DE3020191A1

DE3020191A1 - Wasserdurchsatzmengenregelung mit einer drehzahlgesteuerten umwaelzpumpe

Info

Publication number: DE3020191A1
Application number: DE3020191A
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Ing. 8382 Arnstorf Aßbeck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-05-28
Filing date: 1980-05-28
Publication date: 1981-12-03

Description

Wasserdurchsat zmengen regelung mit einer drehzahl gesteuerte η Umwälzpumpe

Anmelder: Franz Aßbeck

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Titel: Wasserdurchsatzmengenregelung mit einer drehzahlgesteuerten Umwälzpumpe

Anwendungsgebiete:

Regelung der Wasserdurchsatzmenge durch einen Wärmetauscher (z. B. It. Pig. I im Rauchrohr eines Verbrennungsofens) so, daß Brauchwasser auf eine definierte Austrittstemperatur angewärmt wird.

II Regelung der Wasserdurchsatzmenge durch einen wärmeaufnehmenden Körper Cz. B. Sonnenkollektor oder beliebiger anderer Wärmetauscher) so, daß eine bestimmte Differenztemperatur zwischen Rück- und Vorlauf, falls nötig auch mit einem vorgegebenen Zeitverhalten, eingeregelt wird.

III Regelung der Heizleistung in den bis jetzt mit mechanischen Mischern ausgestatteten Heizungsregelungen so, daß, abhängig von der Steuerspannung, welche wie bisher aus Außentemperatur und Rücklauftemperatür gebildet wird, nicht mehr die Stellung des Mischers, sondern die Drehzahl und damit die Förderleistung der Umwälzpumpe geregelt wird.

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Stand der Technils::

zu I: Es ist bekannt, daß man dem Rauchgas von Verbrennungsofen bis auf eine bestimmte Mindestabgastemperatur im Kamin über- Wärmetauscher Energie zur Wasseranwärmung entziehen kann. Weiterhin existieren auch einige Lösungen dem Rauchgas über Stellklappen einen Bypass zu öffnen (z. B. DE E¹ 24 H 1/46 2731391

DE I" 24 H 1/46 2820577) und so bei einem Zuviel an angebotener Rauchgasenergie nur einen Teil für die Wärmerückgewinnung auszunutzen.

• zu II: Hierzu ist bekannt, daß aus Sonnenkollektoren und anderen Wärmetauschern bei Durchpumpen eines wärmetragenden Mediums mittels einer Umwälzpumpe im - '. Festpunktbetrieb (unstetige Regler) "■·-■" Wärmeenergie entnommen werden kann.

zu III: Mit Mischung von Heißwasser und dem

rücklaufenden Wasser des Heizkreislaufs über mechanische Mischer wird eine den Temperaturbedingungen gut entsprechende . Heizleistungsregelung erreicht.

Kritik am Stand der Technik:

zu I: Um die Gefahr· zu hoher Wassertemperaturen auszuschließen muß entweder die Austrittstemperatur des Ofens bei Teillastbetrieb des Ofens sehr niedrig angesetzt werden, oder die dann bei Vollast zuviel anfallende Wärmeenergie wird über einen Bypass nutzlos abgeleitet. Die Austrittstemperatur des Wassers aus dem Wärmetauscher ist besonders bei Rauchgasrohren ohne Bypass stark von der momentanen Heizleistung des Ofens abhängig.

Ein Einspeisen dieses Warmwassers in kleine Brauchwasserreservoirs des Haushalts wird problematisch, da

- bei zu niedriger Last des Ofens niedertemperiertes Warmwasser (in den eventuell durch die elektrische Zusatzheizung schon aufgeheizten Boiler) eingespeist wird und damit sogar eine Abkühlung erfolgen kann.

- bei Vollastbetrieb des Ofens durch zu hohe Austrittstemperaturen ein Verkalken der Leitungen und Verbrühungen der menschlichen Haut bei Brauchwasserbenutzung auftreten können.

Ein Rauchrohr mit Bypass kann in seiner Wärmerückgewinnungsleistung nur auf den Teillastbetrieb ausgelegt werden, wenn mit Klappenbetätigung zu hohe Austrittstemperaturen des Wassers vermieden werden sollen.

zu II: Eine unstetige Regelung der Durchsatzmenge über die Differenztemperatur hat große Regelschwingungen als Nachteil.

zu III: Mechanische Mischer sind aufwendig und teuer.

Aufgabe: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde
zu I: Die anfallende Rauchgasenergie in

jedem Lastzustand des Ofens maximal
möglich bei Berücksichtigung einer
bestimmten Austrittstemperatur konstant auf diese einzuregeln.

zu II: Die Energie, welche ein wärmeaufnehmender Körper (z. B. Sonnenkollektor oder beliebiger anderer Wärmetauscher) an das
wärmeaufnehmende Medium abgeben kann
auf eine gewünschte Differenztemperatur zwischen Rück- und Vorlauf, möglichst mit regelungstechnischer Kompensation des
Anwärmungszeitverhaltens, zu regeln und so die Energieentnahme dem Angebot
anzupassen.

zu III: Geringerer Aufwand durch Heizleistungsregelung infolge Heißwasserdurchsatzmengenrege lung mittels drehzahlgesteuerter Umwälzpumpe anstatt mechanischem Mischer.

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Lösung: Die Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß bei I über Verändern der Durchsatzmenge eines Wärmetauschers mit einer drehzahlgesteuerten Umwälzpumpe genausoviel Wasser auf eine bestimmte gewünschte Temperatur angewärmt wird, wie Rauchgasabwärme oder sonstige ausgenutzte Energie genutzt werden kann und darf.

Ist die Rücklauftemperatur nicht mehr, oder nicht mehr wesentlich höher als die des Vorlaufs zum Wärmetauscher soll die Pumpe abschalten.

bei II ebenfalls mit einer drehzahlgesteuerten Umwälzpumpe jeweils eine so große Menge des wärmeleitenden Mediums (z. B. das Brauchwasser) durchgesetzt wird, daß der anwärmende Körper (Sonnenkollektor oder beliebiger Wärmetauscher) dieses mit der ihm zur Verfügung stehenden Energie um eine bestimmte Temperaturdifferenz anwärmen kann.

bei III statt wie bisher das Mischungsverhältnis von Rücklauf- und Heißwasser jetzt die Durchsatzmenge des Heißwassers über eine drehzahlgesteuerte Umwälzpumpe geregelt wird.

ORIGINAL INSPECTED

erzielbare Vorteile: Die mit der Erfindung erzielbaren

Vorteile bestehen
in I darin, daß mittels Durchsatzmengenregelung, unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Austrittstemperatur, immer die maximal nutzbare Rauchgasenergie oder sonstige Energie rückgewonnen wird und das angewärmte Brauch- und Reizwasser somit eine (mit technischer Regelgenauigkeit) vorgebbare Temperatur hat.

In II besteht der erzielbare Vorteil darin, daß einem Wärmetauscher immer so viel Energie entzogen wird wie er . ■ primär angeboten bekommt und durch ein angepaßtes regelungstechnisches Zeitverhalten die Regelschwingungen möglichst reduziert werden.

Der erzielbare Vorteil in III liegt in der Einsparung des aufwendigen mechanischen Mischers. Statt dessen wird ein wesentlich billigerer Wechselstromsteller zur Drehzahlsteuerung (und damit zur Regelung des Heißwasserdurchsatzes) eingesetzt.

Durch Kombination dieser drei Anwendungen kann eine optimal energiesparende bivalente Heizungsanlage realisiert werden: - Im V/int erbe trieb versorgt der Holz-, Kohle-, oder Ölofen den Hauptheizkreislauf, geregelt nach Anwendungsbeispiel III.

Aus der rückgewonnen Abgasenergie wird das Brauchwasser angeheizt (nach I oder und eventuell die Zusatzheizung betrieben.
'ft Im Sommerbetieb wird auf Sonnenkollektor:

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zur Brauchwasseranwärmung nach Anwendungsbeispiel II umgeschaltet. Palis erforderlich kann noch die Zusatzheizung mitbetrieben werden.

ORIGINAL INSPECTED

Beschreibung der drei Ausführungsbeispiele:

Technisch realisiert wird die erfinderische Lösung

in I dadurch, daß über einen Wechselstromsteller stufenlos die Drehzahl und, davon quadratisch abhängig, die Fördermenge einer Umwälzpumpe gesteuert wird. Der Steller muß immer soweit aufsteuern, daß die Pumpe die Wassermenge durchsetzt, welche über den Wärmetauscher auf die gewünschte Austrittstemperatur angewärmt werden kann.

^ Der Istwert der Austrittstemperatur wird

dem Wechselstromsteller mit Hilfe eines temperaturabhängigen Widerstandsfühlers (eventuell in Brückenschaltung) als Steuerspannung zugeführt. Jede Änderung der Austrittstemperatur vom eingestellten Sollwert bewirkt damit über Regler und Steller die entsprechende Durchsatzmengenänderung, welche nötig ist um wieder die Sollaustrittstemperatur herzustellen.

- Wird wegen zu kleiner Energieabgabe des Wärmetauschers eine bestimmte Mindesttemperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf nicht mehr erreicht, so kippt ein Schwellwertschalter aus dem neutralen Zustand und wirkt damit sperrend auf die Regelung. Die Pumpe schaltet ab.

- Entzieht man dem Rauchgas zuviel Energie, so besteht bei zu niedrigen Rauchgastemperaturen im Kamin die Gefahr der Kaminversottung. Zur Vermeidung dessen veranlaßt ein Temperaturwächter am Kamin ausgang entweder die nötige Reduzierung der Durchflußmenge oder einfacher die Abschaltung der Anlage. Stillgesetzt darf die Pumpe aber nur solange werden wie eine höchstzulässige Wärmetauscheraustrittstemperatur nicht überschritten wird.

- Die Förderleistung der Pumpe muß so hoch ausgelegt sein, daß bei maximaler Vorlauftemperatur und größtmöglicher Energieabgabe des Tauschers eine so große Wassermenge durchgesetzt wird, daß die höchstzulässige Austrittstemperstur nicht überschritten wird.

- Hat das Warmwasser im Reservoir seine Maximaltemperatur erreicht, muß automatisch auf einen genügend kühlenden Heizkreislauf umgeschaltet werden (siehe Fig. 2), da das Wasser sonst zum Sieden kommt und über das Überdruckventil 6 entweichen würde.

Ist der Zweck dieser Zusatzheizung vorrangiger als die Brauchwasseranwärmung, kann diese Umschaltung (von Ventil 4· auf Ventil 3 ) auch von Hand erfolgen.

- Da wegen der doch meißt recht weiträumigen Rohrverlegung und dem erheblichen Strömungswiderstands eines Warmwasserreservoirs eine Notumwälzung infolge Schwerkraft bei Netzspannungsausfall nicht sichergestellt werden kann, empfiehlt sich eine Pufferung der elektrischen Energie über eine Batterie und einen Wechselrichter um bei Netzstörung zumindest die Restwärme des Tauschers noch abführen zu können.

Erfinderische Lösungs des Wärmetauschers zu Anwendungsbeispiel I (It. Fig. 1):

- Aluminiumkörper wegen einfacher preisgünstiger Herstellung, Korrosionsbeständigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit

- gefertigt aus zwei konzentrischen Rohren mit gedrehten oder gestanzten Blechringen als vorderer und hinterer Abschluß

wegen

- Kontakt mit dem wärmeabgebenden Rauchgas über Innen- und Außenrohr

- daher Wärmeisolation des Tauschers nicht nötig

- Platzbedarf nach außen gering (nur Anschlußstutzen, Zuleitung und eventuell geringe Rohrverbreiterung bei schlecht ziehenden öfen)

Dreikammernsystem ermöglicht eine gute Durchmischung des Tauseherinhalts und hohe Austrittstemperaturen, da das austretende V/asser vom jeweils heißesten Rauchgas angewärmt wird. Der fertigungstechnische Mehraufwand für das Einschweißen von vier Stegen zur Abteilung des Mantels in drei gleichgroße Kammern und etwa 1,5-fachen Obertrittsquerschnitten dazwischen ist gering.

Im Ahwendungsbeispiel II wird die Lösung dadurch realisiert, daß eine Steuerspannung,gebildet aus der Differenztemperatur (zwei Meßbrücken mit temperaturabhängigen Widerstandsmeßfühlern) aus vor- und rücklaufendem Wasser, den Aussteuergrad des Wechselstromstellers und damit Pumpendrehzahl und Fördermenge bestimmt. Dem Wärmetauscher wird damit immer die zur Verfügung stehende Energie entzogen. Die Einstellung dieser Regelung ist einfacher als die in Anwendungsbeispiel I. Allerdings hängt die Rücklauftemperatur vom Wärmetauscher zum Reservoir von der Vorlauftemperatur (= niedrigstes Temperaturniveau im Reservoir) ab.

In Anwendungsbeispiel III wird die erfinderische Idee der Wasserdurchsatzmengenregelung dadurch technisch realisiert, daß eine Steuerspannung, welche wie bisher aus Außen- und Rücklauftemperatur gebildet wird, jetzt aber nicht mehr die Verstellung des mechanischen Mischers (nicht mehr vorhanden), sondern nach einem optimalen regelungstechnischen Verhalten (Nachbildung der Zeitverzögerung im Heizkreislauf) die Pumpendrehzahl bestimmt. Die Heizleistungregelung erfolgt somit über Heißwasserdurchsatzmenge und nicht mehr über die durch Mischung eingestellte Vorlauftemperatur.

Erläuterung der Kurzzeichen in Fig. 2:

1 Elektromagnetisches Relais

2 Thermostat für Abschaltung bei Maximaltemperatur

3 Magnetventil 3

4 Magnetventil 4

5 Überdruckventil

6 Rückschlagventil

7 temperaturabhängiger Widerstandsmeßfühler

8 Thermostat für Abschaltung bei zu niedriger üauchgastemperatur

9 temperaturabhängiger Widerstandsmeßfühler

Schwellwertschalter Summationsstelle Anpassung der Steuerspannung und Regler Wechselstromsteller Umwälzpumpe

Claims

Patentansprüche:

zu I:Ρ JGerätetechnische Anordnung (nach Fig. 2) zum Verändern der Durchsatzmenge eines Wärmetauschers,

dadurch gekennzeichnet, daß über Verändern der Durchsatzmenge eines Wärmetauschers mit einer drehzahlgesteuerten Umwälzpumpe genausoviel Wasser auf eine bestimmte gewünschte' Temperatur angewärmt wird, wie Rauchgasabwärme oder sonstige ausgenutzte Energie genutzt werden kann und darf.

Ist die Rücklauftemperatür nicht mehr, oder nicht mehr wesentlich höher als die des Vorlaufs zum Wärmetauscher soll die Pumpe abschalten.

?. Vermeidung der Kaminversottung bei Wärmeenergieentzug mit der gerätetechnischen Anordnung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß sobald die minimal- "zulässige Rauchgastemperatur im Kamin unterschritten wird, ein dort .installierter Temperaturwächter die nötige Reduzierung der Energieentnahme oder die Stillsetzung der :- Pumpe veranlaßt. Außerdem dadurch /ykenrr.'."¹! ahnet, d^ß dies nur solange wirksam sein darf, wie die höchstzulässige Wärnetausehe^?uc":-ri"fct-s-■ . ■ "temperatur nicht, überschritten wird.

3. Abschaltung" der Pumpe über die temperatur-· rGF&gelte Drehzahlsteuerung,

■ ■ . dadurch gekennzeichnet, daß bei zu' p:erinp;pm - - f-emperäturunterschj ed zwischen Rück- ur.d

Vorlauf C= ^ζυ wenig Hf¹IzIf-¹LSt-UnF.) -ein •Schwellwertschalter aus seinem ri"i:tralen . " 2u§t8r\d Kippt- und die Pur.pe st ill r.oX Ί.Ι.

BAD ORIGINAL

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4. Gerätetechnische Anordnung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschaltung von Brauchwasseranwärmung auf Zusatzheizung automatisch bei Erreichen der Abschalttemperatur im Reservoir erfolgt und so bei genügend großer Heizfläche jede Überhitzung des Wassers bei großer Ofenauslastung vermieden wird. -

5. Sicheres Abführen der Restwärme in der gerätetechnischen Anordnung nach Anspruch Κ,

dadurch gekennzeichnet, daß durch Zuschalten der elektrischen Energie aus einer Batterie und einem Wechselrichter die Pumpe, zumindest ungeregelt, noch eine gewisse Zeit weiterbetrieben werden kann.

6. Vom elektrischen Versorgungsnetz unabhängige Brsuchwassererwärmung und Zusatzheizung nach Anspruch 1.,

dadurch gekennzeichnet, daß bei Ofenheizung mit Primärenergieträgern (Holz, Kohle) und Einsatz einer Notstromversorgung diese dann nur den geringen elektrischen Leistungsbedarf von Pumpe und Elektronik aufzubringen hat.

7. Wärmetauscher nach Fig. 1 zur Anordnung aus Anspruch 1.,

dadurch gekennzeichnet,'daß

- er aus zwei konzentrischen Alurohren zur. Vermeidung von Korrosion und zur einfachen Fertigung besteht und in das bestehende Rauchrohr ohne besonderen äußeren Platzbedarf eingebaut werden kann.

- der Mantelinhalt zwecks guter Wasserdurch-

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mischung in drei etwa gleichgroße Kammern aufgeteilt ist und dem Wasser zum Übergang in die nächste Kammer ein etwas größerer Querschnitt angeboten wird.

8. Zur Wasserdurchsatzmengenregelung (nach Fig. 2) aus Anspruch 1 die Realisierung der Möglichkeit in einen an sich elektrisch beheizten Heißwasserboiler Zusatzenergie einzuspeisen.

zu II: 9· Gerätetechnische Anordnung (ähnlich Fig. 2) zum Verändern der Durchsatzmenge eines Wärmetauschers (speziell Sonnenkollektor), dadurch gekennzeichnet, daß ebenfalls mit einer drehzahlgesteuerten Umwälzpumpe jeweils eine so große Menge des wärmeleitenden Mediums (z. B, das Brauchwasser) durchgesetzt wird, daß der anwärmende Körper (Sonnenkollektor oder beliebiger Wärmetauscher) dieses mit der ihm zur Verfügung stehenden Energie um eine bestimmte vorgegebene Temperaturdifferenz anwärmen kann.

zu III: 10. Ersatz des mechanischen Mischers in Zentralheizungsanlagen, . dadurch gekennzeichnet, daß jetzt stattdessen die Durchsatzmenge des Heißwassers über eine drehzahlgesteuerte Umwälzpumpe geregelt wird.

11. Reduzierung der Temperaturschwankungen bei Regelung nach Anspruch 10 auf ein Mindestmaß, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitverhalten der Heizung bezüglich der Raumtemperatur regelungstechnisch kompensiert wird.

IV: 1-2. Aus Anwendungen I bis III Kombination zu einer

bivalent betriebenen energiesparenden Heizungsanlage

BAD ORIGINAL

dadurch gekennzeichnet, daß im Winterbetrieb der Verbrennungsofen den Hauptheizkreislauf, geregelt nach Anwendungsbeispiel III, versorgt und nach Anwendungsbeispiel I oder II seine Abgasenergie rückgewonrien wird. Außerdem dadurch gekennzeichnet, daß im Sommerbetrieb auf Energierückgewinnung aus Sonnenkollektoren zur Brauchwasseraufheizung und zum Betrieb der Zusatzheizung nach Anwendungsbeispiel II umgeschaltet wird.