DE4320333A1

DE4320333A1 - Verfahren zur Überwachung und Regulierung des Wasserfüllstands und des Vorspanndrucks in Membranausdehnungsgefäßen

Info

Publication number: DE4320333A1
Application number: DE19934320333
Authority: DE
Inventors: Jens Pannenborg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-06-21
Filing date: 1993-06-21
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2013-06-22
Also published as: DE4320333C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Apparatur zur Anzeige, Kontrolle und Nachregulierung des Füllstandes in Membran-Ausdeh nungsgefäßen, in der Folge MAG genannt, unter Vermeidung der bis her für die richtige Druck- und Volumeneinstellungen erforderli chen und üblichen komplizierten Druck- und Mengenberechnungen.

Die für den ordnungsgemäßen Betrieb pro Betriebszustand erforder lichen Wassermengen und Drücke sind, wie in der Folge darge stellt, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren leicht einzuhalten und kontrollierbar. Abweichungen von den gewollten Betriebspa rametern können automatisch angezeigt und weiterverarbeitet wer den (z. B. Abschaltung der Heizungsanlage bei Störbetrieb).

Das Verfahren verhindert solche Druckverluste, die Heizungssy steme veranlassen, aus üblicherweise eingebauten automatischen Luftabscheidern oder über andere luftdurchlässige Verbindungs stellen beim Abkühlen des Systems und dem dann zwangsläufig innen entstehenden Unterdruck in ungekehrter Richtung Luft von außen nach innen anzusaugen, so daß eine Belüftung mit dem damit ein hergehenden Sauerstoffeintritt ausgeschlossen wird.

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß in geschlossenen Kreisläufen wie z. B. bei Heizungen, Kälteanlagen, Temperierungen MAG (Membran-Ausdehnungs gefäße) eingesetzt werden, um

a) bei Erwärmen des Wassers die Volumenzunahme aufzunehmen, um das aufgenommene Volumen beim Abkühlen wieder in das System zurückzudrücken.
b) eine geringe Wassermenge (Wasservorlage oder Nachsatzmenge) im Vorrat zu halten, um geringe Leckverluste in dem System auszugleichen.
c) in einem Heizungssystem den eingestellten Systemüberdruck innerhalb des Temperatur-Arbeitsbereiches (Heizphase) einzu halten um so Ausgasungen und Dampfbildung zu vermeiden.

Um das zu erreichen ist ein MAG mittels einer flexiblen Membrane in einen Gasraum und einen Wasserraum aufgeteilt, wobei die Mem brane mit einem Vorspanndruck, in der Folge Vordruck genannt, beaufschlagt wird. Dieser Druck muß geringer sein als der Druck des Wassersystems und der Ansprechdruck des vorhandenen Sicher heitsventils.

Sodann steht das Wassersystem unter einem vom Anwender bestimmten Ruhedruck. Im Wasser enthaltene Luft kann über eingebaute Luftab scheider an die Atmosphäre entweichen. Die thermischen Bewegungen des Wassers werden von dem MAG aufgenommen und wieder abgegeben.

Die korrekte Funktion der oder des Ausdehnungsgefäße(s) muß regelmäßig überprüft werden. Eine nach außen sichtbare Anzeige einer Fehlfunktion gibt es nicht. Finden die Überprüfungen nicht regelmäßig statt, kommt es in der Regel zu den Nachteilen, die im nächsten Kapitel beschrieben werden.

Nachteile am Stand der Technik

Eine MAG-Membrane besteht üblicherweise aus einer Kunststoff- Kautschukmischung. Sie ist dehnfähig und läßt zwangsläufig einen geringen, aber stetigen Gasdurchtritt in den Wasserraum zu, was zur Folge hat, daß der Gasvorrat aufgezehrt wird und als Folge dessen der Vordruck und damit der Systemdruck stetig abfällt.

Als Nachteil am heutigen Stand der Technik erweist sich, daß der Betreiber einer Heizungsanlage ohne eine aufwendige Prüfung nicht zweifelsfrei erkennen kann, ob der Druckverlust durch einen Ver lust an Wasser (Leckagen), oder durch einen Verlust an Gas (Vor druck) entsteht.

Ein weiterer Nachteil am heutigen Stand der Technik ist, daß als Folge davon das MAG in der Abkühlungsphase die Schrumpfmenge nicht, bzw. in immer geringer werdenden Mengen in das System zurückdrückt. Das in dem MAG verbleibende Wasser reduziert das Aufnahmevolumen für die Wärmeausdehnung. Die Anlage saugt bei Abkühlung von außen nach innen Luft an und/oder drückt in der Aufheizphase Systemwasser über das Überdruckventil aus dem System heraus, so daß der Systemdruck abfällt und schließlich zusammen bricht. Das MAG kann die vorgesehenen Funktionen (siehe oben) nicht mehr erfüllen und die Systementlüfter werden zwangsläufig zu Systembelüftern!

Im einzelnen laufen die nicht gewollten Vorgänge folgendermaßen ab:

a) Wenn der Vordruck geringer wird als der anstehende statische Druck der Wassersäule, drückt das MAG 1 bei Abkühlung die aufgenommene Wärmeausdehnungsmenge nicht in das System zurück und es entsteht am Höchstpunkt ein Unterdruck als Folge des sen das System von außen Luft ansaugt (siehe oben) . Der Über gang von Überdruck zu Unterdruck erfolgt in der Abkühlphase sprungförmig. Der Zeitpunkt dafür kann zwar vorausgesehen werden, indem von der jeweiligen Anzeige des Systemdrucks der Druck der geodätischen Wassersäule subtrahiert wird. In der Praxis ist das allerdings schwer durchführbar, weil die Abkühlung in der Regel am späten Abend stattfindet (Nachtab senkung) und weil zum anderen in den allerseltensten Fällen der Druck der anstehenden Wassersäule tatsächlich notiert wird. Selbst wenn der Betreiber einer Heizungsanlage diese beiden Drücke vergleichen würde, wären die daraus zu ziehen den Rückschlüsse äußerst ungenau. Denn die Druckdifferenz zwischen dem in Fig. 2ff dargestelltem Zustand des MAG 1 in der Position "leer" und "Minimum" ist oft sehr gering, so daß Anzeigeungenauigkeiten den Meßwert stark beeinflussen. Sie ist ferner abhängig vom MAG-Nennvolumen (Nv), der Höhe der statischen Wassersäule und dem Ansprechdruck des Sicher heitsventils 30. Diese Größen sind dem Betreiber allgemein nicht bekannt und für den Nicht-Fachmann schwer beherrschbar.

Vorzugsweise geschieht der Lufteintritt durch automatische Luftabscheider im oberen Bereich des Systems, denn bei Druck verlust fällt der Schwimmkörper innerhalb des Luftabscheiders nach unten und öffnet das Entlüftungsventil, so daß Luft von außen in das System strömt. Der Luftabscheider wirkt dabei als Systembelüfter. Aber auch über andere Stellen, wie Rohr verbindungen, Ventile etc. kann bei Unterdruck im System von außen Luft nach innen diffundieren.

b) Als Folge einer unsachgemäßen Nachfüllung drückt das Wasser bei der nächsten Erwärmung in das überbefüllte MAG. Es kann nicht die ganze Ausdehnungsmenge aufnehmen, so daß das übrige Wasser die im ganzen System aufgenommene Luftmenge (physika lisch gelöste und in Luftpolstern vorhandene Luft) bis zum Erreichen des Ansprechdrucks des Sicherheitsventils kompri miert. Benötigt die Ausdehnung noch mehr Raum, tritt die restliche Ausdehnungsmenge über das Sicherheitsventil aus dem System aus. Die mit dem Wasser strömende Luft gast wegen des anstehenden Systemdrucks kaum aus und die Luftpolster können nur dann entfernt werden, wenn am Ort einer zufälligen Luft blase auch ein Entlüfter angeordnet ist. Ist es ein automati scher Entlüfter wirkt er bei Unterdruck als Belüfter (s.o). Ist es ein manueller Entlüfter, verbleibt die Luft bis zur nächsten Öffnung im System.

Die Praxis zeigt: die aufgenommene Luft wird kaum entfernt und die geringen abgeschieden Mengen werden bei der nächsten Abkühlung wieder in das System gesogen, um den durch die Was serschrumpfung frei werdenden Raum auszufüllen.

c) Im Normalbetrieb fällt der Manometerdruck beim Abkühlen und steigt bei Erwärmung. Im gestörten Betrieb (s. o.) wäre zu erwarten, daß der Manometerdruck drastisch fällt. Das geschieht aber meistens nicht, weil die eingeschlossene Luft einen gewissen Druckausgleich herstellt.

Vielmehr steigt und fällt der Manometerdruck von warm zu kalt zwar auch, allerdings bewegen sich die Anzeigen in der Ten denz zunehmend nach unten. Das veranlaßt den Betreiber, Stadtwasser nachzufüllen, bis der gewünschte Manometerstand wieder da ist.

d) Der am Kessel angezeigte Druck ist aber nicht der Vordruck (Vorspanndruck der Membrane), sondern der Systemdruck, der auf das ganze System (auch auf die Membrane) in gleicher Weise wirkt. Er zeigt nicht an, ob der Wasserinhalt des MAG zu groß, zu klein oder richtig ist. So bewirkt solches wie derholtes Nachfüllen lediglich, daß der Systemdruck nur bis zum nächsten Auskühlen stimmt. Die entstandenen Luftpolster übernehmen sozusagen teilweise die Ausdehnungsfunktion des MAG. Die Druckschwankungen werden zunächst durch die Luftpol ster abgefedert.

Es entsteht ein sich selbst regelndes System von Fehlfunktio nen: Verläßt Luft das System (per Entlüfter oder Korrosion), wird das System wieder starrer. Es wird beim Aufheizen Wasser hinausgedrückt und beim Auskühlen Luft eingezogen. Das System wird wieder flexibler. Sein Zustand verschlechtert sich fort laufend.

e) Der Vorgang: Füllen-drücken, Abkühlen-saugen, wiederholt sich ständig, während im MAG die Gasmenge und damit der Vordruck geringer wird. Das Verhältnis Wärmeausdehnung/Gasmenge ver schiebt sich zuungunsten der Gasmenge, so daß das Gas schließlich durch die Wärmeausdehnungsmenge auf den Ansprech druck des Sicherheitsventils komprimiert wird. Sodann fließt in zunehmenden Maße das nachgesetzte Wasser bei der folgenden Erwärmung über das Sicherheitsventil oder andere Leckstellen ab. Der Gasverlust durch die Membrane findet weiterhin statt.
f) Als Ergebnis stellt sich im System ein Druck-Mengengleichge wicht zwischen Wasser und Luft ein, wobei der Druck zwischen Warmphase und Kaltphase stark schwankt, was wiederum den ahnungslosen Betreiber veranlaßt, Wasser nachzufüllen.
g) Als verhängnisvoll für das Wassersystem wirkt sich der Umstand aus, daß die physikalisch gelöste Luft unter erhöhtem Druck in jedem Bereich des Systems vorhanden ist und über die "Zweiweg"-Funktion der Entlüfter einerseits und über das Nachsatzwasser andererseits ständig erneuert wird.
h) Das wiederum hat zur Folge, daß der Sauerstoff durch Oxidbil dung nicht eliminiert werden kann, denn er wird ja ständig nachgefördert. Aufgrund des gegenüber der Atmosphäre höheren Systemdrucks ist der Sauerstoff-Partialdruck in analoger Weise größer, so daß sich mehr Sauerstofflösen kann, wie bei einem Wasser vergleichbarer Temperatur bei Atmosphärendruck.
i) In der Folge entstehen Korrosionen und es bilden sich Ablage rungen durch die über das Zusatzwasser eingetragener Wasser härte. Als Korrosionsprodukt entsteht (in Anlagen aus Stahl) hauptsächlich Eisen II/III Oxid (Magnetit). Aufgrund seiner großen Dichte (D= 5,18), seiner chemischen Beständigkeit und seiner Härte (inverse Spinellstruktur) bildet Magnetit, sobald abgelagert, in Heizungssystemen einen schweren, nicht transportfähigen Schlamm. Die Ablagerungen entstehen auch vorzugsweise an Stellen geringer Strömung und/oder größerem Temperaturgefälle wie in Heizkörpern, Horizontalsträngen, intermittierend schaltenden Ventilen und anderen sogenannten Wärmebrücken. Es fördert die Abrasion auf beweglichen Teilen, wie z. B. Pumpenlagern und gleitenden Dichtungen.
j) Durch fehlenden Systemdruck kann es zu Dampfbildung an der Wasserseite an den Heizflächen des Heizkessels kommen, was dort den Wärmeübergang beeinträchtigt. Die Heizfläche wird durch das Systemwasser nicht ausreichend gekühlt und kann überhitzen mit der Folge von erhöhten Korrosionen und Calci umkarbonatausfalls. Das wiederum führt zu harten Ablagerungen aus Kalk und Korrosionsprodukten, die den Wärmeübergang behindern, so daß zum Erreichen der gewünschten Systemwasser temperatur der Kesselbrenner länger laufen muß (erhöhter Energiebedarf) . Die nutzbare Lebensdauer des Kessels wird (nicht selten sehr stark) verringert.
k) Bei einer Nachfüllung währen des Tages ist die nachgesetzte Wassermenge, wegen des dann üblichen Heizbetriebs, bis zum Erreichen des Manometer-Solldrucks geringer, als wenn das Nachfüllen in die kalte Anlage erfolgen würde. Die Menge fließt in das MAG und streckt die Membrane mangels Membran- Vordrucks über das zulässige Maß. Bei der folgenden Abkühlung wird die der Wasserschrumpfung entsprechende Menge nicht in das System zurückgedrückt und statt dessen Luft angesaugt (s.o)
l. Die Festlegung der für das Berechnen eines MAG erforderlichen Parameter ist arbeitsaufwendig und damit teuer (z. B. Ermit teln des Systeminhalts einer Heizung exakt in Litern). Sie werden deshalb von den entsprechenden Herstellern dem für die Heizung zuständigen Fachbetrieb (Heizungsbauer oder Installa teur) in den Katalogen mehr oder minder ausführlich in pau schaler Form vorgegeben und es obliegt dem Fachmann, die für seinen Fall anwendbaren Parameter endgültig zu ermitteln. Als Folge der dadurch entstehenden Unsicherheit werden sehr oft MAG mit falscher Größe eingesetzt und danach unzulänglich oder gar nicht gewartet.
m. MAG der verschieden Typen und Marken enthalten flexible Mem branen unterschiedlicher Hersteller zu denen keine Diffu sionswerte für verwendeten Füllgase angegeben werden. So kann nicht vorausgesagt werden, wann der Membran-Vordruck über prüft und ggf. nachkorrigiert werden muß.

Der Zeitpunkt für die erforderliche Vordrucküberprüfung kann mangels Betriebsanzeigen nur willkürlich festgelegt werden.

Deshalb muß zur Nachkorrektur des Vordrucks das MAG 1 wie in Fig. 1 dargestellt über das Ventil 19 vom Strang abgetrennt und über das Ventil 20 entleert werden. Sodann wird über das Luftventil 36 der Gasdruck nachgefüllt und dieser auf dem Manometer 28 angezeigt.

n. Um die korrekte Funktion eines MAG zu gewährleisten ist es erforderlich, die beiden Kammern Gas/Wasser in ein für jedes in einer Anlage befindliche MAG gesondert auszurechnendes Volumen-Druckgleichgewicht zu bringen und das Gleichgewicht innerhalb einer bestimmten Grenze zu halten. Dabei muß die für jede Bauart und Größe eines MAG spezifische Dehnbarkeit der flexiblen Membrane berücksichtigt werden.

In der Praxis ergibt das eine für jeden Einsatz eines MAG gesonderte Rechenaufgabe in der der Vordruck, Systemdruck, geodätischer Druck, Wasserausdehnung, Wasservorlage, Gefäßgröße etc. berücksichtigt werden.

Deshalb wird die Kontrolle oft vernachlässigt mit der Folge, daß viele Heizungssysteme Gefahr laufen, die bei der Planung vorgesehene nutzbare Lebenszeit nicht zu erreichen.

Aufgabe

Erforderlich ist ein neues Kontrollprinzip in der Form eines leicht verständlichen Verfahrens für Heizungskreisläufe und die darin enthaltenen MAG, sowie entsprechende Geräte, die es auch dem unerfahrenen Betreiber einer Anlage ermöglichen, auf einer Anzeige abzulesen, ob das MAG Vordruck, oder die Anlage Wasser benötigt und bei dem er nicht darauf angewiesen ist, komplizierte Berechnungen anzustellen, die MAG vom System zu trennen und drucklos zu stellen, um erst dann zu erfahren, ob Wasser oder Vordruck fehlt. Ferner sollte das neue Verfahren und die zugehö rigen Geräte zuverlässig die bisherige übermäßige Luftsättigung von Heizungskreisläufen vermeiden.

Die oben gemachten Ausführungen gelten in gleicher Weise für ähn liche geschlossene Kreisläufe, wie z. B. Kaltwasserzirkulationen in der Kälte- und Klimatechnik, in Temperierkreisen etc.

Lösung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Bemes sungsgröße für Beurteilung des Betriebszustands eines MAG nicht der anstehende Systemdruck, sondern sein jeweiliges Füll gewicht und der Systemdruck verwendet wird.

Zur Erfüllung der beschriebenen Verfahrensaufgabe wird ein MAG in eine erfindungsgemäße Vorrichtung, in der Folge MAGWAAGE genannt, gemäß Fig. 1 und folgende Figuren, eingebaut und sein Gewicht über die Ausdehnung oder Kompression einer oder mehrerer Federn oder mit Hilfe einer anderen mechanischen, für diese Zwecke zube reitete Wägevorrichtung (Balkenwaage, Seilzugwaage) oder einer elektromechanischen oder elektronischen Wägeapparatur (Tauch spule, Dehnmeßstreifen, Potentiometerschaltung, Piezokristall etc.) gemessen und als Netto-Leergewicht des MAG angezeigt.

Erzielbare Vorteile

Das Verfahren auf der Basis der vorgestellten Apparatur verhin dert in einem Kreislauf den Eintritt von Fremdluft, weil es das Entstehen eines Unterdrucks aufgrund einer Volumenschrumpfung von Wasser nicht zuläßt, sondern selbst im Falle einer absoluten Ver nachlässigung einer Anlage über einen größeren Zeitraum minde stens den Druck der geodätischen Wassersäule sicherstellt.

Es ermöglicht eine laufende Systemkontrolle dergestalt, daß der Anwender durch Anzeigen erkennen kann, ob der Anlage Wasser oder Membran-Vorspanndruck fehlt und bietet ihm die einfache Möglich keit der Korrektur.

Beschreibung

In den Fig. 2a-d wird eine mögliche Ausführungsform einer sol chen MAGWAAGE als Federwaage in den folgenden Betriebsbereichen dargestellt:
In der Fig. 3 werden die Gas- und Wasservolumina sowie die Füll stände graphisch dargestellt:

Fig. 1 zeigt das Ausführungsbeispiel eines nach dieser Erfindung gebauten Heizungskreislaufs im normalen gefüllten Zustand kurz nach Beginn der Aufheizung. Gegenüber dem bekannten und allgemein praktizierten Stand der Technik weist er die folgenden neuen Merkmale auf:

Das MAG 1 (oder mehrere MAG) wird nicht, wie bislang üblich direkt in starrer Verbindung an die Wand oder den Boden befestigt, son dern es wird in eine MAGWAAGE 2 (Fig. 2a-d die MAGWAAGE als Bau gruppe) eingebaut und mit einer flexiblen Schlauchverbindung 3 mit dem Rücklauf 4 des Kreislaufs verbunden.

In den Rücklauf 4 wird eine Adsorptionskammer 5 gebaut, die mit gitterförmigen Füllkörpern großer Oberfläche und Hohlvolumens (z. B. Koaleszenz-Elementen oder Pallringen) gefüllt und mit dem aufsteigenden Endrohr 6 nach dem letzten und obersten Rohr des Rücklaufs 4 verbunden ist.

Desweiteren ist eine von der Rücklaufleitung 4 abzeigende das Mischerventil 47 umgehende Umgehungsleitung 49 vorgesehen, in welche ein Drosselventil 44 eingebaut ist. Mit Drosselventil 44 kann der Volumenausgleich der Wärmedehnung des Wassers im Kes sel 43 und in den Leitungen um den Kessel unabhängig von der Stellung des Mischerventils 47 hergestellt werden.

Am obersten Ende des Endrohrs 6 ist eine Luftkammer 7 zur Auf nahme der aus dem System und aus der Adsorptionskammer 5 aufstei genden Luft angeordnet. Sie ist mit dem Endrohr 6 dauernd verbun den. An dem obersten Punkt dieser Luftkammer 7 ist ein manuell zu betätigendes Entlüftungsventil 8 montiert. Unterhalb dieser Kam mer wird ein Druckwächter 9 mit elektrischem Schaltkontakt einge baut. Von der T-Abzweigung 10 führt ein nach unten weisendes Rohr 11 zu einem offenen Membrangefäß 12, in der Folge SOFTMAG genannt, dessen Luftkammer 15 nach außen nicht durch ein Ventil abgesperrt, sondern offen ist, so daß die Membrane 13 sich aus schließlich durch einen innen anstehenden Wasserdruck (Überdruck oder Unterdruck) nach unten oder oben bewegen läßt. Bei Druckab fall im System kann eine bestimmte maximale Wassermenge aus dem SOFTMAG 12 fließen und das durch den Gasverlust verlorene Volumen im MAG 1 ersetzen.

Auf die Öffnung 14 in der Luftsammelkammer 15 ist ein automatisch wirkender Schwimmerentlüfter 16 gesetzt, der nur bei Bruch der Membrane 13 seine Öffnung 17 über ein durch den Schwimmer betä tigtes Ventil verschließt. Die Anordnung des SOFTMAG 12 im Zusam menwirken mit der Adsorptionskammer 5 und der Luftkammer 15 sowie der automatischen Erfassung eines entstehenden Unterdrucks durch den Druckwächter 9 mit der dadurch gegebenen Möglichkeit der Fer nanzeige und des Abschaltens der Anlage gewährleistet im Zusam menspiel mit der Funktion der MAG-Waage, daß keine Fremdluft in das System eintreten kann.

Ferner besteht durch die Anordnung eines zweiten Druckschalters 9 oder eines solchen mit einer einstellbaren 2-Punkt Schalthyste rese die Möglichkeit, über ein automatisches Nachsatzventil 50 bei drohendem Sprung des Systemdrucks in den Unterdruck, gesteu ert Wasser bis zur Höhe der geodätischen Wassersäule nachzuset zen. Allerdings füllt sich dabei auf Dauer das MAG 1 vollständig und die Anzeige auf der MAGWAAGE sinkt auf den untersten Anschlag. Bei jeder Wärmeausdehnung würde dann Wasser aus dem Sicherheitsventil 30 hinausgepreßt und durch das bei der Abküh lung nachgesetzte Wasser Sauerstoff in das System eingetragen. Es ist dies also eine Notsicherung gegen Unterdruck für solche Fälle, daß die Überwachung des Systems unterlassen wird. Eine solche Notsicherung könnte theoretisch auch durch einen am Ende der geodätischen Höhe eingebauten automatischen Schwimmerentlüf ter vorgesehen werden, allerdings mit der nachteiligen Folge, daß das System dann ständig Luft ansaugen würde, was es zu vermeiden gilt.

1. Die Inbetriebnahme der MAGWAAGE

Es wird hier bei einer bestimmten Temperatur die erforderli che Füllmenge und der notwendige Systemdruck bestimmt und als eine einzige Sollvorgabe festgelegt. Die in der Folge verwen deten Begriffe werden in Fig. 3 graphisch dargestellt.

1.1 Anfangszustand herstellen

Die Gesamtanlage ist wasserleer. Die Ventile 18, 19, 20, 41 sind geschlossen und Ventile 35 und 8 geöffnet. Dann wird das SOFTMAG 12 mit Druckluft über Ventil 41 <= Systemdruck befüllt und danach Ventil 35 geschlossen. Der Gasdruck des MAG 1 wird vollständig entfernt. Dafür wird das Gasventil 36 geöffnet. (Sofern es ein federbelastetes Rückschlagventil besitzt, wird der Ventileinsatz herausgenommen.)

1.2 Ermitteln der Position A "MAG leer", Störzustand gem. Fig. 2a

Die Feder 21 wird durch das Leergewicht des MAG in die soge nannte "leer"-Lage (Anfangslage) gedrückt. Sodann wird der Zeiger 22 auf die Position "0" der Gewichtsskala 23 gesetzt und der Kontakt-Stellring 24 wird auch auf diese Position "0" gesetzt. (Siehe dazu auch Detailangaben in Fig. 2a).

Die Position für den Bereichsbeginn A=leer ist damit bestimmt worden.

1.3 Ermitteln der Position C, Störzustand gem. Fig. 2d "MAG absolut überflutet", "Membrane defekt"

Das Ventil 18 wird geöffnet und die Anlage über eine Wasser uhr 32 vollständig mit Wasser gefüllt und dabei durch das offene Ventil 8 entlüftet. Sobald aus Ventil 8 keine Luft mehr austritt, sondern nur Wasser, wird das Ventil 8 geschlossen. Sobald der Systemdruck am Manometer 28 steigt, wird das Ventil 35 und danach das Ventil 41 geöffnet, damit sich das SOFTMAG 12 vollständig mit Wasser füllen kann. Sobald der gewünschte Systemdruck (= Druck der geodätischen Höhe + Systemüberdruck) sich an den Manometern 31 und 28 eingestellt hat, wird Ventil 18 geschlossen.

Das ganze System wird gründlich entlüftet. Dafür werden an allen Heizkörpern 45 die Ventile geöffnet, das Mischerven til 47 auf halbe Mischstellung gestellt und die Umwälz pumpe 46 eingeschaltet, so daß das Wasser durch die Adsorpti onskammer 5 im Rücklauf 4 fließt und dort die Luft 34 abge schieden wird und nach oben in die Entlüfterkammer steigen kann. Die dort sich ansammelnde Luft wird über das Ventil 8 abgelassen und und bei Abfallen des Systemdrucks wird über das Ventil 18 die entsprechende Menge an Stadtwasser nachge setzt.

Das ganze System einschließlich SOFTMAG 12 ist jetzt voll ständig mit Wasser gefüllt und entlüftet.

Die an der Wasseruhr angezeigte Zulaufmenge=Systemvolumen wird in Litern notiert.

Es wird nun die für die Anlage festgelegte maximale Wasser temperatur festgelegt und das Delta T zwischen min. und max. Temperatur in °C ermittelt und mit dem Ausdehnungskoeffizien ten des Wassers bei der gewünschten maximalen Systemtempera tur mit der eingefüllten Wassermenge multipliziert. Das Ergebnis ist die maximale Wärme-Ausdehnungsmenge.

Die Menge wird notiert.

Der statische Druck der jetzt im System anstehenden Wasser säule wird am Manometer 28 abgelesen und notiert.

Im Verlaufe dieses Vorgangs hat sich das MAG 1 abgesenkt und die Feder 21 vollständig zusammengedrückt. Das MAG 1 befindet sich am unteren starren Endanschlag, der durch den Federblock vorgegeben ist. Der Kontakt-Stellring 27 wird auf diese Posi tion gesetzt.

Die Position für den Zustand: "MAG absolut überflutet", "Mem brane defekt" ist damit bestimmt worden.

1.4 Ermitteln der Position B, Sollzustandsbereich gem. Fig. 2c "MAG im normal gefüllt", (Betriebszustand warm)

Im MAG besteht z.Z. noch kein Vordruck. Es ist vollständig entlüftet worden und ganz mit Wasser gefüllt. Der Gasraum für den Vordruck besteht noch nicht, denn es besteht auch noch kein Vordruck.

Das Gaspolster für den Vordruck wird wie folgt hergestellt.

Mit Hilfe der Gasgleichung nach Boyle-Mariotte wird das Volu men des Gasraums bestimmt:

P₁_*V₁ = P₂_*V₂

Dabei ist: P₁ der Druck der Wassersäule (siehe oben)
V₁ das Nennvolumen des MAG 1 (Hohlvolumen)
P₂ der Ansprechdruck des Sicherheitsventils 30
V₂ der gesuchte Wert = Größe des Gasraums (VG)

Um diesen Gasraum herzustellen muß das Volumen VG an Wasser aus dem MAG 1 hinausgepreßt werden.

Das Gasventil 36 wird wieder geschlossen (der Ventileinsatz wird ggf. wieder eingesetzt) und mittels einer Luftpumpe oder N₂ Flasche die Membrane 37 so lange mit Druck beaufschlagt, bis aus dem Sicherheitsventil 30 Wasser austritt. Es wird in einem Behälter aufgefangen, gemessen und notiert. Sobald die ausgetretene Wassermenge der errechneten Gasraummenge V₂ ent spricht, wird die Gas-Druckzufuhr abgestellt.

Im Verlaufe dieser Maßnahme wurde aus dem MAG 1 Wasser hin ausgedrückt. Es wurde leichter und zwar um den Betrag der Gasraummenge.

Der Zeiger 22 hat sich auf der Gewichtsskala 23 nach oben bewegt. Auf diese Position wird der Stellring 26 gesetzt.

Die Position für den Bereich B=normal "Maximum" warm ist damit bestimmt worden.

1.5 Ermitteln der Position B, Sollzustandsbereich gem. Fig. 2b "MAG im normal gefüllt", (Betriebszustand kalt)

Der Systemdruck steht jetzt auf der Höhe des Ansprechdrucks des Sicherheitsventils 30.

Die anstehende System-Vorlauftemperatur wird gemessen und notiert.

Der Kessel 43 wird auf die maximale Betriebstemperatur aufge heizt und damit das gesamte System. Das Systemwasser dehnt sich aus. Die Ausdehnungsmenge fließt über das Sicherheits ventil 30 ab. Die Abflußmenge V_We und wird in einem Behälter aufgefangen, gemessen und notiert.

Vor Beenden der System-Aufheizung wird die anstehende System-Rücklauftemperatur gemessen und notiert.

Das System wird auf die vorherige Kalttemperatur abgekühlt. Das Wasser schrumpft um den Betrag der hinausgepreßten Wär me-Ausdehnungsmenge zurück auf das fortan für diese Kalt-Tem peratur gültige Kaltvolumen der Anlage. Durch o.g. Maßnahme wurde aus dem MAG 1 Wasser hinausgedrückt. Es wurde leichter. So bewegt sich der Zeiger 22 auf der Gewichtsskala 23 nach oben und bleibt dort stehen. Der Stellring 25 wird nun auf die erreichte Position gesetzt. Der sich eingestellte System druck p_r wird notiert.

Die Position für den Bereichsbeginn B=MAG normal gefüllt "Minimum" kalt ist damit bestimmt worden.

1.6 Überprüfen der ausreichenden MAG 1 Größe

Die Reservemenge V_R (Systemtoleranz für Verlust an Vordruck und Systemwasser) ergibt sich durch die o.g. Einstellungen automatisch. Mit der folgenden Methode wird festgestellt, ob überhaupt eine Reserve vorhanden ist und wenn ja, wie groß diese Menge ausgedrückt in Litern Wasser ist.

1.6.1 Membran-Ausdehnungsgefäß groß genug?

Wenn nach Ermitteln der Position B Sollzustandsbereich gem. Fig. 2b "MAG im normal gefüllt", (Betriebszustand kalt) . . . der Zeiger 22 auf der Position "leer" der Gewichtsskala 23 gegenüber dem Kontakt-Stellring 24 steht, ist das MAG 1 zur Aufnahme der Ausdehnungsmenge und der Reservemenge zu klein. Ob das MAG 1 die Ausdehnungsmenge aufgenommen hat, oder wie viel davon, ergibt sich durch den Vergleich der hinausgepreßten Ausdehnungsmenge mit der rechnerischen Ausdehnungsmenge (wie oben).

1.6.2 Reserve überhaupt vorhanden, wenn ja wieviel?

Wenn nach Ermitteln der Position B Sollzustandsbereich gem. Fig. 2b "MAG im normal gefüllt", (Betriebszustand kalt) . . . der Zeiger 22 unterhalb der Position "leer" der Gewichts skala 23 und unterhalb dem Kontakt-Stellring 24 steht, ist das MAG 1 zur Aufnahme der Ausdehnungsmenge ausreichend groß. Ob die Reservemenge dem gewünschten Volumen entspricht wird wie folgt festgestellt:

Die Position des Zeiger 22 wird auf der Gewichtsskala 23 ver merkt. Ventil 20 wird geöffnet und so viel Wasser abgelassen bis der Zeiger 22 die Position "leer" der Gewichtsskala 23 gegenüber dem Kontakt-Stellring 24 erreicht hat. Die Wasser menge wird gemessen.

Danach wird das Ventil 20 wieder geschlossen und durch Öffnen von Ventil 18 wird wieder so lange Wasser eingelassen, bis der Zeiger 22 die auf der Gewichtsskala 23 soeben vermerkte Position erreicht hat. Danach wird das Ventil 18 wieder geschlossen.

Die Mengen können mit Hilfe der notierten Werte auch errech net werden (siehe dazu Zusammenfassung in Abs. 2.1)

V_R = MAG-Nennvolumen - (V_G + V_We)
V_We = MAG-Nennvolumen - (V_G + V_R)

Bei negativen Ergebnissen ist das MAG um den entsprechenden Betrag zu klein.

1.7 Mögliche Druckkorrektur

Der Systemdruck steht nach Beenden der Aufheizung auf der Höhe des Ansprechdrucks des Sicherheitsventils 30. Durch Öff nen von Ventil 20 mit Ablesekontrolle über Manometer 28 kann der Systemdruck geringfügig abgesenkt werden, um für das Sicherheitsventil 30 die Arbeitsdruckdifferenz herzustellen.

2. Erläuterung der ermittelten Parameter und Funktionen 2.1 Systemparameter

Aus den Einstellungen haben sich ohne komplizierte Berechnun gen die nachstehenden, für die Anlage tatsächlich bestehenden Betriebsparameter automatisch ergeben. Die Kenntnis dieser Parameter sind sowohl für den Anlagenbauer, als auch den Betreiber wichtig, denn sie ermöglichen eine unproblematische Systemüberwachung und das Beseitigen von Störungen.

Parameter
nützlich für Bewertung:
Zulaufmenge=maximales Systemvolumen (V_Sys) in Litern (Abs. 1.3)
Wasseraufbereitung, System-Wärmekapazität
Wärmeausdehnungsmenge V_Wr in Litern, rechnerisch (Abs. 1.3)	Kontrolle MAG Größe vor Inbetriebnahmewahl
Wärme Ausdehnungsmenge V_We in Litern, effektiv (Abs. 1.5)	Nachrechnen MAG Größe
Größe des Gasraums (V_G) in Litern (Abs. 1.4,)	Hydraulische Flexibilität des Systems
Schubreserve (V_R) in Litern, (Abs. 1.6.2)	Erkennen der Systemreserven
zugehörig: @	Druckbetrag für Schubreserve (p_r) in bar (Abs. 1.6.2)	Nachkontrolle, ob MAG-Größe korrekt
Der statische Druck (p_WS) der im System anstehenden statischen Wassersäule in bar (Abs. 1.3.	Errechnen des anstehenden Systemüberdrucks
System-Vorlauftemperatur kalt (Abs. 1.1) und warm (Abs. 1.1)	Bewertung der Anzeigen "Minimum" und "Maximum"

2.2 Zeigerstellungen bei Abschluß der Einstellungen

Der Zeiger 22 pendelt im laufenden Betrieb zwischen den Posi tionen der Stellringe 25 und 26.

2.3 Zeigerstellungen während des Betriebs

Im Kaltbetrieb steht der Zeiger 22 auf der bei der gegebenen Temperatur ermittelten Position des Stellrings 25.

Im Warmbetrieb steht der Zeiger 22 auf der bei der gegebenen Maximaltemperatur ermittelten Position des Stellrings 26, sofern diese Maximaltemperatur gefahren wird.

Die Schleppmarkierringe 38 und 39 werden durch den Zeiger 22 während eines warm-kalt-Zyklus an die erreichten Höchst- und Tiefstpunkte gesetzt. So kann während der Warmphase abgele sen werden, bis zu welchen Punkt das System in der vorherge gangenen Kaltphase sich zusammengezogen hat.

Bei Verwendung einer automatischen Anlagenüberwachung schal tet die Steuerung 48 die erwünschten Routinen. Die dafür erforderlichen Eingänge können kommen von: Druckschalter 9, Kontakt-Stellringen 24, 26, 27, Niveausonde 42. Zusätzliche Kontrollen oder andere Kontrollen können jederzeit ergänzend hinzugefügt werden.

Das Heizungssystem kann auf jede beliebige Temperatur einge stellt werden. Das dazugehörige Sollgewicht wird auf der Gewichtsskala eingetragen und ein Stellring gesetzt.

Das ist vorteilhaft, z. B. in den Übergangsmonaten zum Winter oder Frühling durch veränderte Wärmeabnahme die Rücklauftem peratur sich verändert (Tag und Nachtbetrieb).

3. Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Anlage anhand ver schiedener Ausführungsbeispiele

Allgemeine Anmerkungen:
Die Ursache für einen Fremdlufteintritt in eine Heizungsan lage wurde oben bereits beschrieben: Der unter der Membrane des MAG 1 wirkende Vordruck sinkt, wenn die Reserve gem. Fig. 3 verbraucht worden ist, unter den Druck der geodätischen Höhe. Ergebnis: Unterdruck.

Das erfindungsgemäße Verfahren verhindert das Entstehen von Unterdruck dadurch, daß

a) auf einer Anzeige der MAGWAAGE 1 der Füllzustand des MAG 1 dargestellt wird, mit der Option, über diese Anzeigen automatisch ablaufende Folgeroutinen (optische/akustische Warnanzeige bis hin zur Abschaltung der Anlage) einzulei ten.
b) durch die Anordnung des Druckschalters 9 beim Umschlag des Systemdrucks von Überdruck auf Unterdruck ein elektri sches Signal herausgegeben wird, als dessen Folge eben falls gewünschte Routinen ablaufen können.
c) durch die Anordnung eines für die jeweilige Anlage besonders dimensionierten SOFTMAG 12 (Membrangefäß mit zur Atmosphäre offenem Gasraum) die Toleranz des Systems so weit erhöht werden kann, daß ein Unterdruck erst dann entsteht, wenn das SOFTMAG 12 kein Wasser mehr ent hält.

Weil als Folge dessen ein Systemüberdruck ständig erhalten bleibt findet auch keine "Zwangsbelüftung" statt.

Es wird auf automatische, nach außen wirkende Entlüfter, ver zichtet und statt dessen eine oder, in Abhängigkeit von der Systemgröße, mehrere Adsorbtionskammern 5 eingebaut, die die gesammelte Luft an die Luftkammer 7 abgeben. Damit verliert das System bei einem Entlüftungsvorgang kein Volumen und bleibt stabil. Die Luftkammer 7 kann mit einer konduktiv wirkenden Niveausonde 42 versehen werden. Beim Ablassen der dort angesammelten Luft wird das Manometer 28 bzw. der Zei ger 22 auf der Gewichtsskala 23 beobachtet und durch Öffnen des Ventils 18 der entstandene Volumenverlust durch Wasser ausgeglichen.

3.1.1 Anlage mit MAG 1 aber ohne Druckschalter 1 und ohne SOFT- MAG 12

Gemäß Fig. 3 zeigt der Zeiger 22 im auf der Gewichtsskala 23 auf das Gewicht "Minimum" wenn das System die Temperatur erreicht hat, bei welche der Stellring 25 auf diese Position gesetzt wurde. Unterschreitet der Zeiger 22 diese Position "Minimum" und nähert sich der Position "leer" muß über Ven til 18 Wasser nachgefüllt werden, bis der Zeiger 22 wieder die Position "Minimum" erreicht hat, weil sonst der System druck unter den Druck der geodätischen Wassersäule springt. Die Schleppringe 38 und 39 markieren erreichte Extremwerte und sind deshalb sehr nützlich als Entscheidungshilfe für eventuelle Korrekturen.

Analog können "Minimum" Positionen für beliebig viele Tempe raturen eingerichtet werden. Zu diesem Zweck wird die beim Abkühlen der Anlage bei Erreichen einer bestimmten Temperatur zu der sich einstellenden Position des Zeiger 22 ein entspre chender Stellring gesetzt. Das Maß, um welches der Zeiger 22 bei der entsprechenden Temperatur die Position des entspre chenden Stellrings unterschreitet ist der Verlust an Wasser reserve. Er wird wie oben beschrieben nachgefüllt und zwar bis der Zeiger 22 auf der dieser Temperatur zugehörigen Posi tion des Stellrings steht. Versehentliche Überfüllungen wer den beseitigt, indem über das Ventil 20 die entsprechende Menge an Wasser wieder abgelassen wird.

3.1.2 Anlage mit MAG 1 mit Druckschalter 1 aber ohne SOFTMAG 12

Die Erläuterungen sind dieselben, wie in Absatz 3.1. Aller dings kann über den Druckschalter 9 ein Warnsignal herausge geben werden, bevor das System in den Unterdruck springt, indem der Schaltpunkt des Druckschalters 9 etwas höher als 0 bar gesetzt wird.

3.1.3 Anlage mit MAG 1 mit Druckschalter 1 und mit SOFTMAG 12

Die Erläuterungen sind dieselben, wie in Absatz 3.1 und 3.2.

Durch die Verwendung eines SOFTMAG 12 wird die Toleranz des Systems bedeutend vergrößert. Zwar sinkt der Vordruck bei Verlust der Reserve auch auf die Höhe der geodätischen Was sersäule, aber das System springt nicht auf Unterdruck, solange im SOFTMAG 12 die Nachsatzreserve nicht aufgebraucht ist, bzw. in dem MAG 1 durch das aus dem SOFTMAG 12 nach fließende Wasser das Nennvolumen nicht erreicht worden ist. Das MAG 1 kann, je nach Dimensionierung des SOFTMAG 12 zwar vollständig vollaufen, so daß die MAGWAAGE 2 bis auf den unteren Anschlag absinkt, aber das System bleibt stabil und dann keine Luft ansaugen. Die Wärmeausdehnungsmenge wird in diesem Fall in das SOFTMAG 12 gedrückt und solange der Was serverlust aus dem SOFTMAG 12 noch nicht die Menge der Wär meausdehnung erreicht hat, entsteht bei der Erwärmung auch doch ein zugehöriger Systemüberdruck, der einen sicheren Betrieb der Heizungsanlage gewährleistet.

3.2 Befüllungskorrekturen

Gasverluste verringern den Druck, der die auf der Membrane des MAG 1 anstehende Wassersäule trägt. Als Folge davon sinkt der Systemdruck. Bei anhaltendem Gasverlust kann der Systemdruck den Druck der WS unterschreiten. Um das zu vermeiden fließt aus dem SOFTMAG 2 eine entsprechende Wassermenge nach und füllt das über den Gasverlust verlorene Systemvolumen wieder auf. Allerdings wird dann die Wassersäule schwerer. Sie drückt die Membrane um den entsprechenden Betrag nach unten. So wird auch das MAG 1 schwerer.

Allerdings nimmt das MAG 1 die Ausdehnungsmenge auf und gibt sie wieder ab. Das Volumen der Ausdehnungsmenge ist abhängig von der Temperatur. So wird die Anlage auf der Gewichtsskala vermerkt, für welche Temperatur das eingetragene Minimum und MAXIMUM gilt.

Für den Betreiber gilt:

MAG Gewicht leichter
Wasserverlust
MAG Gewicht schwerer	Druckverlust, Membranriß
MAG Gewicht konstant @	aber Verlust Systemdruck	Wasser- und Druckverlust
Druckschalter Alarm:	drohender Unterdruck

Die entsprechenden Einstellungskorrekturen ergeben sich aus den o.g. bereits dargelegten Erläuterungen zu den Systemjustierungen.

Erzielbare Vorteile

Das Verfahren auf der Basis der vorgestellten Apparatur verhin dert in einem Kreislauf den Eintritt von Fremdluft weil es das Entstehen eines Unterdrucks aufgrund einer Volumenschrumpfung von Wasser nicht zuläßt, sondern selbst im Falle einer absoluten Vernachlässigung einer Anlage mindestens den Druck der geodäti schen Wassersäule sicherstellt.

Claims

1. Verfahren zur Regulierung des Wasserinhalts und des Membran vorspanndrucks in Membran-Ausdehungsgefäßen (1) (MAG) zwecks Sicherung der Betriebsdrücke in geschlossenen Wasserkreisläu fen, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserinhalt von Membran-Aus dehnungsgefäßen gravimetrisch bestimmt und angezeigt wird und daß der Soll-Systemdruck ständig mit dem Druck der geodäti schen Wassersäule verglichen wird, wobei der Drucksprung des Systems von Überdruck zum plötzlichen Unterdruck durch ein oder mehrere Membranausdehungsgefäße (12) mit zur Atmosphäre offenem Gasraum (15) vermieden wird und bei dem die Systement lüftung über Adsorbtionskammern (5) in nach außen über ein Ventil (8) normalerweise verschlossene Luftsammelkammern (7) erfolgt, aus denen nur bei Bedarf Luft abgelassen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Membran-Vor spanndrucks über die zu verdrängenden Wassermengen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erforderliche Druck-Mengen- Gleichgewicht zwischen dem Gasraum und dem Wasserraum eines MAG (1) für jede beliebige Temperatur durch einfachen Ver gleich des temperaturspezifischen Soll-Gesamtgewichts und Soll-Systemdrucks ermittelt werden kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich des Soll-System drucks mit dem Druck der auf die Membrane des MAG (1) auf grund der geodätischen Höhe einwirkenden Wassersäule stän dig durch einen Druckschalter (9) erfolgt und weiter dadurch gekennzeichnet, daß dieser Druckschalter den Sprung von System-Überdruck zu System-Unterdruck meldet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckschalter (9) vor Errei chen des Sprungs von System-Überdruck zu System-Unterdruck ein Warnsignal herausgibt und bei Erreichen des Drucksprungs ein automatisches Ventil (50) öffnet, das durch Wasserzulauf das System wieder in den Überdruckbereich versetzt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lufteintritt von außen ver hindert wird, weil die angeordneten Entlüfter (5) die angesam melte Luft in eine normalerweise verschlossene Luftkammer (7) abgeben.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lufteintritt von außen ver hindert wird, weil bei Verlust der Wasserreserve im MAG (1) ein anderes Membranausdehnungsgefäß (12) mit zur Atmosphäre offenem Gasraum (15) die Höhe der geodätischen Wassersäule durch Wassernachsatz aufrecht hält und ein System-Unterdruck nicht entstehen kann.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeiger (22) zwei Schleppringe (38), (39) bewegt, mittels derer erreichte Extrempositionen dargestellt werden können und die auf ihrem Weg elektrische Endschalter wie z. B. in den Kontakt-Stellringen (24, 26, 27) enthalten, betätigen, so daß über die Steuerung (48) festleg bare Routinen zu Störbehebung ablaufen können.