DE602004003023T2

DE602004003023T2 - Fluidzirkulationspumpe für Heizungs- und Klimatisierungssysteme, oder dergleichen mehr

Info

Publication number: DE602004003023T2
Application number: DE602004003023T
Authority: DE
Inventors: Elio Marioni
Original assignee: Askoll Holding SRL
Current assignee: Askoll Holding SRL
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: US20050180857A1; DK1564408T3; CN1658108A; ATE344390T1; RU2377444C2; DE602004003023D1; ES2276260T3; KR20060041846A; KR101190989B1; RU2005102765A; EP1564408A1; EP1564408B1; CN100565415C

Description

Gebiet der Anmeldung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich in ihrem allgemeineren Aspekt auf eine Fluidzirkulationspumpe, zum Beispiel von der Bauart, die in einem Heizungs- und/oder Klimatisierungssystem zu installieren ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Messen eines Parameters, der für das Heizungs- und/oder Klimatisierungssystem charakteristisch ist, und die folgende Beschreibung bezieht sich auf dieses Anmeldungsgebiet, um die Darstellung zu erleichtern.
Stand der Technik
Wie Fachleuten hinlänglich bekannt ist, werden in Fluidzirkulationspumpen, die in Heizungs- und/oder Klimatisierungssystemen eingebaut sind, die landläufig auch als Umwälzsysteme bezeichnet werden, normalerweise Elektromotoren der asynchronen Bauart mit Wicklungs- und Phasendrosselung eingesetzt.
Auf der Basis von Momentanwerten, die durch die überall im System gemessenen Variablen eingenommen werden, wird deren Drehzahl durch Steuerungseinheiten geregelt. Es sind insbesondere Sensoren zum Messen des Durchsatzes, der Temperatur und des Drucks des zirkulierenden Fluids vorgesehen.
Asynchronmotoren, wie sie gegenwärtig bei der Herstellung von Umwälzsystemen verwendet werden, benötigen zum Beispiel eine geeignete Leistungselektronikschaltung zum Ansteuern und Regeln der Betriebsstufen des Motors, aber auch eine Signalelektronikschaltung, um beispielsweise die Motorumdrehungen oder die Motorphase zu erfassen.
Obwohl sie von mehreren Gesichtspunkten her vorteilhaft sind, haben Umwälzsysteme, bei denen asynchrone Elektromotoren verwendet werden, bekannte Nachteile, von denen die wichtigsten hier aufgeführt werden:

– wegen der Wicklungs- und Phasendrosselung ist die Drehzahlveränderung nicht genau, und es werden Vibrationen mit einem sich daraus ergebenden akustischen Geräusch sowie einem Rauschen der elektrischen Art erzeugt;
– der Zuverlässigkeitsgrad beim Betrieb des Umwälzsystems ist nicht besonders hoch, weil er von dem fehlerfreien Betrieb der Sensoren abhängt, die überall im System angeordnet sind.

Erst in den letzten Jahren wurden Umwälzsysteme, die mit der Synchronmotortechnologie mit Permanentmagnetrotor verwirklicht waren, wirtschaftlich erfolgreich.
Die Synchronmotoren haben Vorteile im Hinblick auf die Einfachheit von Konstruktion und Montage, sowie auch hinsichtlich moderater Kosten.
Der Einsatz von Synchronmotoren bedingt die Lösung einiger Ansteuerungsprobleme, und zwar aufgrund dessen, dass der Erregungsmagnetfluss, der wegen der Permanentmagnete konstant ist, eine relativ gesehen höhere Stromaufnahme an den Statorwicklungen erforderlich macht, um die Drehzahl und die Richtungsänderungen der Motorrotation in geeigneter Weise zu regeln.
Außerdem besteht zur Begrenzung des Stroms an der einzelnen Wicklung, um so die Demagnetisierungsgefahr zu vermeiden, die Notwendigkeit, auf eine größere Unterteilung der Statorpole zu achten.
Diese Besonderheiten des Synchronmotors lassen die Motoransteuerung einige Kunstgriffe erforderlich machen, insbesondere unter den Situationen, bei denen eine plötzlich erfolgende oder eine sich mit der Zeit ergebende Veränderung der Last auftreten kann.
Dies ist zum Beispiel bei den Heizungs- und/oder Klimatisierungssystemen der Fall, die mit einem geschlossenen Hydraulikkreislauf aufgebaut sind, in welchem ein Fluid strömt, das ein Frostschutzadditiv – auch in beträchtlichen prozentualen Anteilen – enthält; diese Situation tritt oft dann auf, wenn das Heizungssystem unter sehr kalten Bedingungen arbeiten muss, zum Beispiel in nördlichen Ländern.
In diesem Kontext würde die Notwendigkeit bestehen, den einwandfreien Betrieb des Systems periodisch zu überprüfen, um gegebenenfalls im Bedarfsfall ein Frostschutzadditiv zuzusetzen, oder um den Durchsatz des Betriebsfluids entsprechend den Heizungsanforderungen zu regeln, die von der Innen- und/oder Außentemperatur abhängen.
In der Druckschrift US 2002/0192085 ist ein Fluidzirkulationssystem mit einem primären Hydraulikkreislauf und einem sekundären Hydraulikkreislauf offenbart, bei dem eine Zirkulationspumpe ein Betriebsfluid und eine dosierte Menge eines Additivs befördert. Diese Pumpe wird jedoch nicht von einem Synchronelektromotor angetrieben, der einen elektronischen Steuerbaustein umfasst. Eine Dosierpumpe zum Zuführen von Additiven (abgemessene Mengen eines Fluids), die über einen Synchronelektromotor verfügt, ist aus US 4,702,674 bekannt.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, eine Fluidzirkulationspumpe zu entwickeln, die in einem Heizungs- und/oder Klimatisierungssystem zu installieren ist und solche bauliche und funktionale Merkmale hat, dass die Bereitstellung von Information über den Status des Systems ermöglicht ist, wobei zum Beispiel der prozentuale Anteil des Additivs im Betriebsfluid des Systems erfasst wird und es somit möglich ist, die Betriebsbedingungen des Heizungs- und/oder Klimatisierungssystems zu regeln.
Zusammenfassung der Erfindung
Dieses Problem wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Fluidzirkulationspumpe der zuvor aufgezeigten Art gelöst, welche Pumpe dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen Signalausgang der Steuerelektronikschaltung umfasst, um einen Wert bereitzustellen, der mit dem prozentualen Anteil des Additivs im Betriebsfluid des Systems korreliert.
Die Erfindung betrifft auch ein wie in Anspruch 4 definiertes Verfahren zum Messen eines Parameters, der für das Heizungssystem charakteristisch ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Zirkulationspumpe und des Messverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung einer Ausführungsform hiervon, die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt und für aufzeigende und nicht einschränkende Zwecke bereitgestellt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch ein Heizungssystem, das mit einer erfindungsgemäß realisierten Zirkulationspumpe ausgestattet ist;
2 zeigt schematisch einen Synchronelektromotor zum Betreiben der Pumpe von 1, die gemäß der Erfindung mit Mitteln ausgestattet ist, um den prozentualen Anteil des Additivs im Betriebsfluid des Systems zu bestimmen;
3 zeigt ein Blockschaubild eines elektronischen Steuerbausteins des Pumpenbetriebs;
4 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Pumpe zusammen mit dem elektronischen Steuerbaustein.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform Mit Bezug auf die Figuren ist mit 1 allgemein und schematisch ein Heizungs- und/oder Klimatisierungssystem gezeigt, das mit einer Zirkulationspumpe 2 für das Betriebsfluid ausgestattet ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwirklicht ist.
Vorteilhafterweise liegt die Pumpe 2 in Synchronbauart vor, d.h. sie wird von einem Synchronelektromotor 12 in Drehung versetzt, der einen Permanentmagnetrotor 14 umfasst. Der Innenaufbau des Synchronmotors 12 zum Betreiben der Pumpe ist in 2 gezeigt und wird nachstehend beschrieben.
Das Heizungssystem 1 umfasst einen geschlossenen Hydraulikkreislauf 6, der nachstehend als primärer Hydraulikkreislauf definiert und mit mehreren Heizelementen 7 ausgestattet ist.
Der Hydraulikkreislauf 6 ist hintereinander mit folgenden Elementen versehen: der Synchronzirkulationspumpe 2, einem primären Wärmetauscher 3, also einem Erhitzer, und den Heizelementen 7.
Parallel zu dem Kreislaufabschnitt, wo die Heizelemente 7 vorgesehen sind, ist ein sekundärer Wärmetauscher 5 vorgesehen, der Wärme an einen Sanitärkreislauf 9 liefert, zum Beispiel an einen Kreislauf, der Heißwasser für den Hausgebrauch verteilt. Der Wärmetauscher 5 ist Teil eines sekundären, geschlossenen Hydraulikkreislaufs 8.
An einem Verbindungsknoten zwischen dem primären Hydraulikkreislauf 6 und dem sekundären Hydraulikkreislauf 8, von dem die Rohrleitungsabschnitte parallel zu dem Kreislaufabschnitt abzweigen, wo die Heizelemente 7 vorgesehen sind, ist ein motorisch angetriebenes Dreiwegeventil 4 vorgesehen.
Vorteilhafterweise ist es gemäß der Erfindung auf der Basis der strömungsdynamischen Parameter, die über die Pumpe 2 abgeleiten werden, möglich, den prozentualen Anteil des Frostschutzadditivs zu bestimmen.
Anders ausgedrückt ermöglicht die Synchronpumpe 2 die Bereitstellung von elektrischen Signalen, die mit dem prozentualen Anteil des Additivs im System korrelieren.
Insbesondere ist mit speziellem Bezug auf das Beispiel der 3 ein elektronischer Steuerbaustein gezeigt, der gemäß der vorliegenden Erfindung umgesetzt und allgemein mit 10 bezeichnet ist und zur Bestimmung des prozentualen Anteils des Frostschutzadditivs im Betriebsfluid des Systems 1 dient.
Der Baustein 10 ist auch dazu in der Lage, den Durchsatz der Pumpe 2 zu bestimmen, die durch den Synchronelektromotor 12 betrieben wird. Der in 3 gezeigte Motor 12 ist von der Bauart, die einen mit einem Permanentmagneten ausgestatteten Rotor 14 umfasst, der durch das von einem Stator 16 erzeugte elektromagnetische Feld zur Rotation veranlasst wird, wobei der Stator mit Polschuhen 18 mit entsprechenden Wicklungen ausgestattet ist.
Der Baustein 10 umfasst einen Magnetflusssensor 20 des Rotors 14, zum Beispiel einen Sensor in Hall-Bauart, der am Stator 16 nahe am Rotor 14 angeordnet ist. Der Sensor 20 ist an eine Verarbeitungseinheit 22 angeschlossen, die den Wert des Pumpendurchsatzes ausgibt, zum Beispiel eine Regelung oder zentrale Recheneinheit (CPU = Central Processing Unit).
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Bestimmung des Durchsatzes Q in einer durch den Synchronelektromotor 12 betriebenen Pumpe die Verarbeitungseinheit 22 des Bausteins 10 verwendet, dem ein Speicherabschnitt zugeordnet ist, in dem experimentell bestimmte Daten bezüglich der Korrelation zwischen den Durchsatzwerten und den entsprechenden Werten einer Betriebsvariable des Pumpenmotors, zum Beispiel des Lastwinkels, abgelegt sind.
In der Praxis ist es gemäß der Erfindung möglich, den Durchsatz Q des in der Pumpe 2 zirkulierenden Flüssigkeitsstroms zu bestimmen, die vom Synchronmotor 12 während dessen Betrieb im Beharrungszustand am Laufen gehalten wird, indem man eine Messung einer Betriebsvariable der Pumpe vornimmt, insbesondere die Messung des Lastwinkels oder Nachlaufs ϑ.
Wie hinlänglich bekannt ist, stellt dieser Lastwinkel ϑ die Phasenverschiebung zwischen der an den Anschlüssen des Motors 12 anliegenden Spannung und der gegenelektromotorischen Kraft dar, die durch die Summe der Auswirkungen des Flusses am Stator 16 und des durch die Rotation des Permanentmagneten des Motors 14 induzierten Flusses bewirkt wird.
Wenn die an der Achse der mit dem Motor 12 verbundenen Pumpe anliegende Last eine Veränderung erfährt, erfährt auch das am Rotor 14 des Motors 12 anliegende Widerstandsdrehmoment eine Veränderung, wodurch sich der Verschiebungswinkel zwischen der gegenelektromotorischen Kraft und der Netzspannung verändert, was genau dem Lastwinkel ϑ entspricht.
Die Erhöhung des Lastwinkels korreliert auf proportionale Art mit einer Steigerung des Durchsatzes Q innerhalb der Pumpe, mit einer Korrelation, die intervallweise linear ist. Beispielsweise bedingt bei einer Linearisierung eine Steigerung des Durchsatzes eine proportionale Zunahme des Lastwinkels; umgekehrt entspricht eine Abnahme des Durchsatzes einer Verringerung des Lastwinkels.
Gemäß der Erfindung wird zwischen den Durchsatzwerten und den entsprechenden Lastwinkelwerten eine Korrelation bestimmt: Diese Korrelation lässt sich über experimentelle Versuche bestimmen, oder auch durch theoretische Simulationen bzw. Simulationen am Computer, vorzugsweise im Verlauf eines Kalibrierungsschrittes, der vorzugsweise dort vorgenommen wird, wo die Pumpe hergestellt wird.
Genauer gesagt empfängt die Verarbeitungseinheit 22, wie sie in 3 gut zu sehen ist, außer dass sie an den Sensor 20 angeschlossen ist, an ihrem Eingang auch ein Netzsynchronsignal 24 und ein Signal, das proportional zum Effektivwert de Netzspannung 26 ist.
Mit einem digitalen Sensor 20 in Hall-Bauart wird der Durchlauf des Spitzenwerts des Magnetflusses des Rotors 14 gemessen. Mit dem Wissen, dass der Magnetfluss der gegenelektromotorischen Kraft um 90° nachläuft, ist der Lastwinkel ϑ präzise als Phasenverschiebung zwischen der an den Anschlüssen des Motors 12 anliegenden Spannung, die dank des Netzsynchronsignals 24 bekannt ist, und der gegenelektromotorischen Kraft bestimmt, die durch die Summe der Auswirkungen des Flusses im Stator 16 und des durch die Rotation des Permanentmagneten des Rotors 14 induzierten Flusses bewirkt wird.
Die Phasenverschiebung ϑ wird somit von der Verarbeitungseinheit 22 bestimmt, die das Netzsynchronsignal 24, bei welchem es sich um ein Rechtecksignal handelt, als Referenz hernimmt, wobei die steigenden und fallenden Flanken mit dem Nulldurchgang der Netzspannung zusammenfallen.
Es ist erwähnenswert, dass der digitale Sensor 20 der Hall-Bauart ein Rechtecksignal ausgibt, wobei die steigenden und fallenden Flanken mit der Polaritätsumkehr des Permanentmagneten des Rotor 14 während der Rotation zusammenfallen.
Die Zeit, die zwischen der Flanke des Synchronisierungssignals 24 und der Flanke des Signals vom Sensor 20 vergeht, wobei letzteres die Position des Rotors 14 signalisiert, ist proportional zum Lastwinkel ϑ.
Diese Zeitspanne schwankt aber entsprechend dem Durchsatz, der Speisespannung des Motors 12 und der Betriebstemperatur des Magneten des Rotors 14.
Es sollte an dieser Stelle präzisiert werden, dass die Abhängigkeit des Lastwinkels ϑ vom Durchsatz mit den elektrophysikalischen Eigenschaften der Pumpe zusammenhängt. Lässt man die konstruktiven Aspekte (wie etwa Hydraulikelemente, Statorwicklungen und mechanische Teile) außer Acht, die in einem gängigen Produkt den Lastwinkel ϑ in erster Linie aufgrund der Herstellungstoleranzen beeinflussen, allerdings mit kleinen und relativ konstanten Werten, sind die anderen entscheidenden Parameter, die sich direkt auf die Veränderung des Lastwinkels auswirken, genau die Netzspannung und die Temperatur des Magneten des Rotors 14. Im Falle von Pumpen mit einem Synchronmotor 12 und Rotor 14, die im Betriebsfluid eingetaucht sind, entspricht die Temperatur des Magneten derjenigen dieses Betriebsfluids.
Wenn die Netzspannung absinkt, nimmt auch die Intensität des vom Stator 16 produzierten Magnetflusses ab, mit einer darauf folgenden Untererregung des Motors 12.
Diese Untererregung macht es schwieriger, die Synchronizitätssituation im Motor 12 aufrechtzuerhalten und wird als Zunahme der Arbeitslast interpretiert, aus der sich direkt eine Zunahme des Lastwinkels ergibt.
Umgekehrt bedeutet eine Zunahme der Netzspannung eine Übererregung des Motors 12 und somit eine Abnahme des Lastwinkels.
Ausgehend von den Betriebsbedingungen des Synchronelektromotors zum Betreiben der Pumpe 2 wird also der Hydraulikdurchsatz Q des zirkulierenden Betriebsfluid erhalten.
Auch die Temperatur des Betriebsfluids kann durch die Betriebsbedingungen des Synchronelektromotors zum Betreiben der Pumpe 2 bestimmt werden.
Die Anhängigkeit von der Temperatur des Betriebsfluids ist darauf zurückzuführen, dass das ferromagnetische Material, aus dem der Rotor 14 besteht, eine Restmagnetinduktion B_R hat, die sich entsprechend der Temperatur verändert.
Eine Zunahme der Betriebstemperatur des Magneten des Rotors 14 lässt die Restmagnetinduktion B_R sinken, was sich wiederum auf die Intensität des damit verbundenen Flusses auswirkt, der abnimmt und den Motor 12 zu einer Situation ähnlich dem Fall führt, bei dem die Speisespannung nachlässt.
Was den Lastwinkel anbelangt, verursacht eine Zunahme der Temperatur folglich eine Steigerung des Lastwinkels und umgekehrt.
Um zu unterscheiden, ob die Veränderung des Lastwinkel ϑ auf die Speisespannung zurückzuführen ist, oder ob diese Veränderung von einer Änderung des Durchsatzes der Pumpe herrührt, wird das Signal verwendet, das proportional zum Effektivwert der Netzspannung 26 ist.
Dieses Signal 26 wird beispielsweise mittels eines Konditionierungsblocks 28, wie etwa einer Spannungsanpassungs-Hardwareschaltung, aus einem Netzspannungssignal 30 gewonnen. Dieses Signal 26 ermöglicht es der Verarbeitungseinheit 22, auf den Effektivwert der Versorgung zurückzugreifen. Auf diese Weise ist die Verarbeitungseinheit 22 dazu in der Lage, vollständig unabhängig von der Versorgungsspannung ein Signal bereitzustellen, das proportional zum Hydraulikdurchsatz ist.
Stattdessen muss zur Unterscheidung, ob die Veränderung des Lastwinkel ϑ auf eine thermische Drift zurückzuführen ist, oder diese Veränderung von einer Änderung des Durchsatzes der Pumpe herrührt, ein analoger Sensor 20A in Hall-Bauart verwendet werden.
Außer dass er die Registrierung der Polaritätsumkehr des Magneten des Rotors 14 ermöglicht, ist der Hall-Sensor 20A der analogen Bauart in der Lage, ein sinusförmiges Signal mit einer Breite auszugeben, die proportional zur Restinduktion B_R des ferromagnetischen Materials ist, aus dem der Rotor 14 besteht.
Da die Restinduktion B_R des Permanentmagneten des Rotors stark von der Betriebstemperatur anhängig ist, ist die Verarbeitungseinheit 22 mittels des durch den analogen Sensor 20A erzeugten sinusförmigen Signals dazu in der Lage, die von einer Änderung des Durchsatzes herrührende Veränderung des Lastwinkels von der Veränderung des Lastwinkels zu unterscheiden, die auf eine Temperaturänderung zurückgeht.
Im Wesentlichen wird proportional zum Wert eines in der Einheit 22 aufgenommen Messgeräts 32 für den Lastwinkel ϑ ein Ausgangssignal 34 erzeugt, das mit dem Durchsatz Q korreliert und somit proportional zum Hydraulikdurchsatz ist, wobei die Verarbeitung auf einer Tabelle beruht, die mittels experimentell bestimmter, erfasster Werte vorab erstellt wurde.
Im Wesentlichen ist es mittels der Verarbeitungseinheit 22 des Bausteins 10 möglich, die folgenden Erfassungen und Verarbeitungen von elektrischen Signalen auszuführen:

– Beschaffung von aktuellen Werten des Lastwinkels ϑ, der Netzspannung und der Temperatur des Magneten des Rotors 14;
– Vergleichen des aktuellen Werts des Lastwinkels mit in einer vorbestimmten Korrelationstabelle abgelegten Werten mit Strömungsdurchsatzwerten;
– mögliche Korrektur der Durchsatzwerte entsprechend den Werten der Netzspannung und/oder Temperatur des Magneten des Rotors, und Bestimmung eines aktuellen Durchsatzwerts.

Vorteilhafterweise ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, auch den prozentualen Anteil eines Additivs in dem im System 1 zirkulierenden Betriebsfluid zu bestimmen. Ausgehend von den momentanen Betriebsbedingungen des Synchronelektromotors 12 zum Betreiben der Pumpe 2 wird dieser prozentuale Anteil indirekt erhalten.
Die Verarbeitungseinheit 22 kann somit einen weiteren Signalausgang 35 bereitstellen, wie zum Beispiel in 4 gezeigt, um einen Wert zu liefern, der mit dem prozentualen Anteil eines Additivs des Betriebsfluids korreliert.
Wie bereits gesagt, ist der prozentuale Anteil des Additivs eine besonders bedeutsame Angabe, weil das Frostschutzadditiv normalerweise in beträchtlichen prozentualen Anteilen, beispielweise bis zu 40%, zugesetzt wird.
Im Einzelnen hängt der Wirkungsgrad des Systems sowohl von den Wärmetauschern 3 und 5 des primären 6 und sekundären 9 Kreislaufs, sowie von dem prozentualen Anteil des Frostschutzadditivs ab. Tatsächlich kann die Zugabe von Frostschutzadditiv die Viskosität des Betriebsfluids um bis zu 20% erhöhen, wobei dies die energiebezogene Arbeitsleistung des Systems ganz offensichtlich beeinflusst.
Dies bedeutet auch, dass einem bekannten prozentualen Anteil des Additivs auch ein vorbestimmter energiebezogener Wirkungsgrad des Systems 1 entspricht. Kennt man den prozentualen Anteil des Additivs, wäre man folglich dazu in der Lage, darüber hinaus – und auch indirekt – weiter Information über den Wirkungsgradstatus des System 1 zu erlangen.
Die folgende Tabelle ist beispielsweise für das Additiv Ethylenglykol gültig und stellt einen Zusammenhang zwischen der spezifischen Wärme des Fluids bei der Betriebstemperatur T für verschiedene prozentuale Anteile des Additivs her:
Temp. °F Volumenprozent an Ethylenglykol
Die Viskosität des zirkulierenden Betriebsfluids wirkt sich auf die Aufnahme von Strom des Synchronmotors gemäß einer bekannten Relation aus, die von den strömungsdynamischen Eigenschaften der Pumpe 2 abhängt. Beispielsweise kann man die folgende Formel verwenden: m · ξ (l/d) · (ω2/2) = Pworin gilt:

m: ist der Massendurchsatz
ξ: ist der Reibungskoeffizient
l: ist die äquivalente Länge des Hydraulikkreislaufs
d: ist der äquivalente Durchmesser des Hydraulikkreislaufs
ω: ist die Drehzahl des antreibenden Motors des Umwälzsystems
P: ist die aufgenommene Leistung.

Der Reibungskoeffizient ξ hängt von der Reynolds-Zahl (Re) ab und wird für den Hydraulikkreislauf experimentell ermittelt. Die Reynolds-Zahl hängt wiederum von der Fluidviskosität μ gemäß folgender Relation ab: Re = l · d · ω/μ
Außerdem wirkt sich die Viskosität μ des zirkulierenden Betriebsfluids auf die Wärmeaustauschkoeffizienten aus und somit definitiv auf die kalorische Leistung der Wärmetauscher. Die Schwankung dieses Werts liefert also mit Bezug auf eine bekannte Ausgangsbedingung die Angabe über die Viskosität des Fluids.
Um den Wert der kalorischen Leistung des Systems 1 unter einer als Ausgangspunkt dienenden Referenzbedingung zu bestimmen, kann eine Startmessung verwendet werden, die unmittelbar stromabwärts der Pumpe 2 mit geschlossener Zufuhr ausgeführt wird.
Danach kann man eine weitere Messung ausführen, indem man das Betriebsfluid nur im sekundären Wärmetauscher 5 des Sanitärkreislaufs 9 zirkulieren lässt.
Zu diesem Zweck kann das motorisch angetriebene Dreiwegeventil 4 so gesteuert werden, dass es nur den sekundären Wärmetauscher 5 versorgt, so dass die Pumpe 2 nur zur Versorgung des Kreislaufs 9 arbeitet.
Die kalorische Leistung des sekundären Wärmetauschers 5 hängt von den strömungsdynamischen Eigenschaften des Wärmetauschers selbst und der Fluidviskosität ab: Beispielsweise kann folgende Formel verwendet werden: q = α A Δtwobei:

α: der konvektionsbedingte Wärmeaustauschkoeffizient ist
A: die äquivalente Oberfläche des Wärmetauschers ist
Δt: der Wärmeabfall zwischen Eingang und Ausgang des wärmetauschers ist.

Wie man weiß, hängt der Koeffizient α von der Nusselt-Zahl (Nu) gemäß folgender Relation ab: α = (Nu λ)/dwobei:
λ die thermische Leitfähigkeit ist
d der äquivalente Hydraulikdurchmesser ist.
Außerdem gilt: Nu = C · Rem · Prn wobei C, m und n experimentell bestimmte Koeffizienten sind und Re = Reynolds-Zahl und Pr = Prandtl-Zahl,
die von den Eigenschaften des Betriebsfluids wie etwa Viskosität, spezifische Wärme und thermische Leitfähigkeit abhängen.
Kennt man die Art des verwendeten Additivs, sind die Fluidviskosität und die Temperatur T aus experimentell bestimmten Tabellen zu erhalten, welche einen Zusammenhang zwischen der von der Pumpe unter bekannten Betriebskreislaufbedingungen aufgenommenen Leistung herstellen, zum Bei spiel bei geschlossener Pumpenzufuhr, oder beispielsweise mit einer Zirkulation, die nur auf den sekundären Kreislauf des Wärmetauschers 5 beschränkt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren könnte auch mittels einer Pumpe durchgeführt werden, die von einem Asynchronmotor betrieben wird, der mit Sensoren zur Erfassung des Durchsatzes Q des Betriebsfluids ausgestattet ist. Auch in diesem Fall wäre es aber möglich, aus dem Durchsatzwert ein Signal zu erhalten, das mit dem prozentualen Anteil des Additivs korreliert, und zwar mittels einer ersten Messung mit geschlossener Zufuhr und einer darauffolgenden Messung am sekundären Hydraulikkreislauf.
Im Wesentlichen gestattet es das erfindungsgemäße Verfahren, diese Angabe über den prozentualen Anteil des Additivs zu liefern, indem lediglich das Vorhandensein der Pumpe im System 1 ausgenutzt wird. Offensichtlich hat die Verwendung einer Synchronpumpe den weiteren Vorteil, dass die Messung sensorlos durchgeführt werden kann.
Der durch die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgelegte Fluidzirkulationspumpe erzielte Hauptvorteil liegt in der konkreten Möglichkeit, einen Signalausgang bereitzustellen, der mit dem Wert des prozentualen Anteils des Additivs im Betriebsfluid des Systems korreliert.
Alternativ ermöglicht es der von der Steuerschaltung der Pumpe ausgegebene Wert, Angaben über den Wirkungsgradstatus des Systems 1 zu erlangen, wenn die anderen strömungsdynamischen Parameter wie Durchsatz, Betriebstemperatur und prozentualer Anteil des Additivs bekannt sind.
Ganz offensichtlich kann ein Fachmann auf diesem Gebiet, um spezielle oder eventuelle Erfordernisse zu erfüllen, an der zuvor beschriebenen Zirkulationspumpe mehrere Modifikationen vornehmen, die alle innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Fluidzirkulationspumpe (2), insbesondere für ein Heizungs- und/oder Klimatisierungssystem (1), das mit einem primären Hydraulikkreislauf (6) und einem sekundären Hydraulikkreislauf (9) ausgestattet ist, wobei die Pumpe (2) ein Betriebsfluid zirkulieren lässt und von einem Synchronelektromotor (12) betrieben und von einem elektronischen Steuerbaustein (10) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Baustein (10) eine Verarbeitungseinheit (22) umfasst, die an ihrem Eingang ein erstes Signal (24) empfängt, das von einem Magnetflusssensor (20) eines Rotors (14) des Motors (12) stammt, und ein zweites Signal in Form eines Netzsynchronsignals (24), und mit einem Speicherabschnitt ausgestattet oder einem Speicherabschnitt zugeordnet ist, in dem experimentell bestimmte Daten bezüglich der Korrelation zwischen den Werten des hydraulischen Durchsatzes (Q) und einer Betriebsvariable des Pumpenmotors (12) abgelegt sind; um einen Signalausgang zu erzeugen, der mit dem prozentualen Anteil eines Additivs des zirkulierenden Betriebsfluids korreliert.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variable der Lastwinkel ξ und der Sensor (20) ein digitaler Hall-Sensor ist.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variable der Lastwinkel ξ und der Sensor (20A) ein analoger Hall-Sensor ist.
Verfahren zum Messen einer Parameterkennlinie eines Heizungs- und/oder Klimatisierungssystems (1), das mit einem primären Hydraulikkreislauf (6) und einem sekundären Hydraulikkreislauf (9) ausgestattet ist, wobei zumindest eine Zirkulationspumpe (2) für ein Betriebsfluid vorgesehen ist, die von einem Elektromotor (121 betrieben und von einem elektronischen Steuerbaustein (10) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass es vorsieht: eine Startmessung des Durchsatzes des zirkulierenden Betriebsfluids, die mit geschlossener Zufuhr unmittelbar stromabwärts der Pumpe (2) ausgeführt wird; eine darauf folgende Messung des Durchsatzes des zirkulierenden Betriebsfluids in dem einzigen sekundären Hydraulikkreislauf (9); wobei die Startmessung und darauf folgende Messung mit Mitteln ausgeführt werden, die dem Steuerbaustein (10) der Pumpe (2) zugeordnet sind, um ein elektrisches Signal auszugeben, das mit dem prozentualen Anteil eines Additivs des zirkulierenden Betriebsfluids oder mit einer Schwankung der kalorischen Leistung des Systems korreliert.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (2) von einem Synchronelektromotor (12) mit einem Permanentmagnetrotor (14) betrieben wird und die erste und zweite Messung über folgende Schritte ausgeführt werden: Beschaffung wenigstens einer Betriebsvariable der Pumpe; Vergleichen des Werts der Variable mit einer vorbestimmten Korrelationstabelle mit Werten des hydraulischen Durchsatzes, und Bestimmen eines entsprechenden Durchsatzwerts.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Betriebsvariable der Pumpe ein Lastwinkel oder Nachlauf ξ ist, d.h. ein Phasenverschiebungswinkel zwischen der an den Anschlüssen des Motors (12) anliegenden Netzspannung und einer gegenelektromotorischen Kraft, die durch die Summe der Auswirkungen des Statorflusses und des durch die Rotation des Permanentmagneten des Rotors (14) induzierten Flusses bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es darüber hinaus die Beschaffung einer weiteren Betriebsvariable der Pumpe wie z.B. der Temperatur des Rotormagneten vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es mittels eines Hall-Sensors (20A) analoger Bauart die Erfassung eines Signals vorsieht, das zur Restinduktion (B_R) des ferromagnetischen Materials des Rotors (14) proportional ist und von der Betriebstemperatur abhängt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Betriebsvariable der Pumpe ein Lastwinkel oder Nachlauf ξ ist, der mittels eines digitalen Hall-Sensors (20) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Betriebsvariable der Pumpe ein Lastwinkel oder Nachlauf ξ ist, der mittels eines analogen Hall-Sensors (20A) erfasst wird.
Heizungs- und/oder Klimatisierungssystem, das mit einem primären Hydraulikkreislauf (6) und einem sekundären Hydraulikkreislauf (9) ausgestattet und dadurch gekennzeichnet ist, dass es zumindest eine Fluidzirkulationspumpe nach Anspruch 1 umfasst.