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Die Erfindung betrifft Fluidverteilungsnetze und speziell
solche, bei denen der Umlauf des Fluids reguliert werden muß,
insbesondere Netze mit einer Quelle, etwa einer Vorrichtung,
um die Temperatur des Fluids auf eine gewünschte Höhe zu
bringen, beispielsweise einem Dampfkessel, und stromabwärts
mit Kreisläufen, die mit Fluidkonvektorvorrichtungen
ausgeführt sind, etwa Vorrichtungen zum Wärmeaustausch mit der
Außenumgebung, beispielsweise Wärmestrahlern wie etwa
Heizkörpern, die mit manuellen oder automatischen
Einzelsteuerorganen zur Durchflußsteuerung, etwa Ventilen, ausgestattet
sind.
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Bei diesen Netzen führt bei Fehlen einer Regulierung die
Betätigung der Einzelsteuerorgane, und sei es nur das eines
einzelnen Kreises, zu Änderungen des Durchflusses oder/und
des Drucks in den Teilen stromabwärts und stromaufwärts des
Netzes und insbesondere in den anderen Kreisen; folglich ist
im Fall von beispielsweise Klimatisierungsnetzen einerseits
die Temperatur des die Wärmeaustauschvorrichtungen
durchströmenden Fluids nicht konstant, andererseits die
Durchlaufzeit des Fluids in diesen Vorrichtungen auch variabel.
Daraus resultieren Ungleichmäßigkeiten des Wärmeaustausches
und im Fall von Klimatisierungsnetzen die Unmöglichkeit, in
einem Raum eine konstante Temperatur zu halten, wie viele
Wärmeaustauschvorrichtungen in den anderen Räumen auch immer
in Betrieb sind.
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Man hat um häufigsten versucht, diesen Nachteil zu
beseitigen, indem man in jeden Kreis, beispielsweise stromaufwärts
jedes Fluidkonvektors, eine zur druckunabhängigen Regulierung
des Durchflusses in diesem Kreis bestimmte Vorrichtung
eingefügt hat, um für jeden Kreis den Durchfluß unabhängig vom
Durchfluß in den anderen Kreisen zu machen. Auch durch
Einwirkung auf die Drücke hat man den gleichen Zweck verfolgt.
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Diese Einrichtungen sind jedoch im allgemeinen sehr aufwendig
und erfordern darüber hinaus einerseits die Verwendung einer
Vielzahl an Bauteilen und andererseits eine Vielfalt an
Regelungen. In allen Fällen resultieren hieraus hohe Kosten
für den Einkauf, den Einbau, die Wartung und die Reparatur.
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Die Erfindung hat zum Ziel, die bei den
Fluidverteilungsnetzen, die mittels der bekannten Vorrichtungen reguliert
werden, auftretenden Nachteile zu beseitigen, und betrifft zu
diesem Zweck ein Netz nach den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1 (siehe DE-A-21 54 870) in Kombination mit den
Merkmalen nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.
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Trotz des Vorhandenseins einer bypassartig zwischen der
Zufuhrleitung und der Rückführleitung des Fluids angeordneten
Leitung ist keine Überdimensionierung des Netzes und
insbesondere des Dampfkessels notwendig, weil diese auf jeden Fall
mit einem Durchflußbedarffertig werden können müssen, der
gleich der Summe der Nominaldurchflüsse in jedem Kreis ist
und in diesem Fall die Abzweigungsleitung gesperrt ist. Es
ist möglich, daß der Fachmann bis heute von der Lösung der
Erfindung abgelenkt war, insbesondere wegen der Tatsache, daß
bei dieser die Abnahme des Durchflusses in einem
Verbrauchskreis nicht zu einer entsprechenden Abnahme des Fluidbedarfs
an der Quelle führt, was als Unzulänglichkeit und als
Nachteil angesehen worden ist. Diese überlegung ist jedoch
falsch, weil der Durchgang des nicht verbrauchten Fluids
durch die Abzweigungsleitung weder einem Fluidverlust noch
einem wesentlichen Energieverlust entspricht, da dieses
unverbrauchte Fluid nur eine schwache Temperaturänderung
erfahren hat und folglich von der Quelle nicht verlangt, ein
wesentliches Mehr an Energie zu liefern.
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Weitere Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen hervorgehen, die
anhand nicht beschränkender Beispiele gegeben sind und in den
beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, in denen:
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Figur 1 eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Fluidverteilungskreises ist,
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Figuren 2, 3 und 4 Kurven sind, welche die Betriebsweise
des Kreises der Figur 1 darstellen,
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Figur 5 eine schematische Darstellung eines Teils einer
zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kreises ist.
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Um die Nachteile der bekannten Fluidverteilungsnetze zu
beseitigen, ist es ins Auge gefaßt worden, sie global und nicht
im Bereich jedes Verbrauchskreises sowohl hinsichtlich des
Durchflusses als auch hinsichtlich des Drucks mittels einer
Reguliereinheit zu regulieren, welche mit einem einerseits in
Abhängigkeit eines Durchflusses und andererseits in
Abhängigkeit von einer Druckdifferenz betätigten Verschluß versehen
ist.
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Zu diesem Zweck zielt die Erfindung bei einer ersten
Ausführungsform darauf hin, eine für den stromaufwärtigen Durchfluß
repräsentative Kraft sowie eine für die Druckdifferenz an den
Verbrauchsanschlußpunkten (Gruppe der stromabwärtigen Kreise)
repräsentative Kraft zu erzeugen und diese Kräfte in
geeigneter Weise an den Verschluß der vorgenannten Reguliereinheit
anzulegen.
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Der in Figur 1 dargestellte Kreislauf umfaßt zwischen
wenigstens einer Vorrichtung, um die Temperatur eines Fluids auf
eine gewünschte Höhe zu bringen, hier einem Dampfkessel 1,
und einer Gruppe 2 von Fluidkreisen mit jeweils wenigstens
einer Vorrichtung zum Wärmeaustausch mit der Außenumgebung,
hier einem Heizkörper, eine Fluidzufuhrleitung 3, welche den
Ausgang des Dampfkessels mit dem Eingang der Gruppe von
Heizkörpern verbindet, sowie eine Fluidrückführleitung 4, welche
den Ausgang der Gruppe von Heizkörpern mit dem Eingang des
Dampfkessels verbindet. Der überwiegende Teil der
Reguliereinrichtung ist nicht in diese Elemente integriert, wird
diesen jedoch derart hinzugefügt, daß er an jedes
Fluidverteilungsnetz dieses bestehenden Typs angepaßt werden kann,
wobei er beispielsweise in Form einer montagefertigen Einheit
(bekannt unter dem Namen "Kit") verkauft wird.
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Genauer gesagt zweigt parallel zur Zufuhrleitung 3 eine Meß
leitung 5 ab, in der zwischen zweien ihrer Punkte A, B eine
Druckdifferenz hervorgerufen wird, welche dazu bestimmt ist,
die für den stromaufwärtigen Durchfluß repräsentative Kraft
zu erzeugen, während parallel zum Verbrauchskreis, d.h.
zwischen der Zufuhrleitung 3 und der Rückführleitung 4, eine
Regulierleitung 6 abgezweigt ist, in der ein variabler
Durchfluß vorgesehen ist und an deren Anschlußpunkten C, D eine
Druckdifferenz besteht, die nichts anderes ist als die
Druckdifferenz an den Anschlußpunkten der Gruppe von
stromabwartigen Kreisen, welche (angenähert) dazu benutzt wird, die für
diese Druckdifferenz an den stromabwärtigen
Verbrauchsanschlußpunkten repräsentative Kraft zu erzeugen.
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Wie zu erkennen ist, ist in dem Netz eine mit einem
Durchflußsteuerverschluß 71 versehene Reguliereinheit vorgesehen.
Der Sitz 72 des Steuerverschlusses 71 ist derart in die
Reguherleitung 6 eingesetzt, daß eine der Seiten dieses
Verschlusses 71 einem Druck pC stromaufwärts des
Verbrauchsbereichs ausgesetzt ist, während die andere Seite von dem Druck
pC isoliert ist, wenn der Verschluß 71 an seinem Sitz 72
anliegt (und sich auf einem Druck pD stromabwärts des
Verbrauchsbereichs befindet). Der Verschluß 71 ist darüber
hinaus beispielsweise mittels eines Stabs 73 mit einer Membran
74 verbunden, welche eine Kammer 75 in zwei Teilkammern
unterteilt und der Druckdifferenz zwischen den Punkten A und
B (wo die Drücke pA bzw. pB sind) aufgrund der Tatsache
ausgesetzt
ist, daß die zwei Teilkammern dieser Kammer mit der
Meßleitung 5 über zwei Rohrleitungen 81 bzw. 82 verbunden
sind, die an diesen Punkten A und B in die Meßleitung münden.
Die Seite der Membran 74, die der für den stromaufwärtigen
Durchfluß repräsentativen resultierenden Kraft ausgesetzt
ist, und diejenige des Verschlusses 71, die der für die
Druckdifferenz an den Anschlußpunkten des stromabwärtigen
Verbrauchsbereichs repräsentativen resultierenden Kraft
ausgesetzt ist, erzeugen Kräfte, die in entgegengesetzte
Richtungen gerichtet sind, so daß die auf die Membran 74 und auf
den Verschluß 71 ausgeübten Kräfte aufeinanderzu gerichtet
sind.
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Die auf die Membran der Fläche sM ausgeübte Kraft fM ist also
fM = (pA - pB) sM, und die unmittelbar auf den Verschluß der
Fläche sO ausgeübte Kraft fO ist praktisch fO = (pC - pD) so.
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Die resultierende Gesamtkraft auf den Verschluß, die sich in
Öffnungsrichtung auswirkt, ist demnach
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fO - fM = (pC - pD) sO - (pA - PB) sM.
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Der Druckabfall in der Meßleitung 5, der dazu dient, die
gewünschte Kraft auf die Membran 74 aufzubringen, wird hier
(jedoch nicht einschränkend) mittels eines Venturi 51
erzeugt, das im Bereich der stromabwärtigen Rohrleitung 82
dieser Leitung 5 angeordnet ist.
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Die für den stromaufwärtigen Durchfluß, nämlich den Durchfluß
Q in der Zufuhrleitung 3, repräsentative Kraft fM kann
abhängig von diesem Durchfluß Q im Arbeitsbereich zulässig durch
einen Teil einer Parabel dargestellt werden, welche durch den
Ursprung geht (Figur 2), weil einerseits der Durchfluß in der
Meßleitung 5 proportional zu dem in der Zufuhrleitung 3 ist
und sich andererseits die Druckdifferenz pA - pB quadratisch
mit dem Durchfluß ändert, was folglich auch für die Kraft fM
gilt.
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Es ist anzumerken, daß die Membran 74 durch eine beliebige
andere Einrichtung ersetzt werden kann, welche es erlaubt,
die Druckdifferenz (pA - pB) durch eine Kraft darzustellen,
die der Aufbringung auf den Verschluß 71 zugänglich ist.
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Wie in Figur 3 dargestellt, hat die Kraft fO, die für die
Druckdifferenz an den Anschlußpunkten des stromabwärtigen
Verbrauchsbereichs repräsentativ ist und die sich nur wenig
von derjenigen unterscheidet, die unmittelbar auf den
Verschluß 71 einwirkt, im Gegensatz zur Kraft fM abhängig vom
Durchfluß Q eine gekrümmte Linie als Bild, die nach unten hin
konkav ist, wobei sie zu jedem Zeitpunkt bis auf einen
Flächenkoeffizienten gleich der Differenz zwischen der Druckhöhe
der Pumpe (Kurve hM) und den Druckverlusten stromaufwärts der
Bypass-Leitung 6 (Kurve pC) ist.
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Abhängig vom stromaufwartigen Durchfluß wird der Verschluß
demnach als Gleichgewichtsposition diejenige einnehmen, in
der die beiden Kräfte fM und fO einander kompensieren.
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Als Anfangsregelung reicht es demnach aus, es so
einzurichten, daß sich diese beiden Kräfte für den nominalen
stromaufwärtigen Durchfluß Q kompensieren, wobei der Verschluß 71
folglich geschlossen ist, damit der Verschluß dann in
Abhängigkeit vom Schließgrad der Einzelsteuerorgane (der manuellen
oder automatischen Ventile) der Gruppe 2 von Heizkörpern über
eine geeignete Öffnung fortlaufend die gewünschte Regulierung
gewährleistet. Dieser in Figur 4 dargestellte Punkt stabilen
Gleichgewichts ist der Schnittpunkt der beiden
repräsentativen Kurven - mit Steigungen entgegengesetzter Vorzeichen
- der zwei auf den Verschluß aufgebrachten Kräfte fO und fM.
Die Kompensation der Kräfte für die Anfangsregelung erfolgt
mittels eines Durchflußregelelements 9 in dem Meß-Bypass 5,
das in dieser Leitung 5 angeordnet ist.
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Unter diesen Bedingungen werden die beiden Regulierungen des
Durchflusses bzw. des Drucks wegen des Fehlens eines
Proportionalbereichs
in stabiler und präziser Weise gewährleistet,
und zwar ungeachtet der Durchfluß/Druck-Kennlinie der Pumpe
(flache Pumpe oder Tauchpumpe) und der exakten Anordnung der
Reguliereinrichtung in dem Netz.
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Ein einzelnes Durchflußregelorgan 10 in der Zufuhrleitung 3
erlaubt die Sicherstellung eines ausreichenden Durchflusses
in der Meßleitung 5, obwohl es nicht unmittelbar an der
Herstellung des Gleichgewichts teilnimmt.
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Vorzugsweise ist die Reguliereinheit mit einem (mechanischen
oder andersartigen) Zustandsanzeiger ausgestattet, welcher es
erlaubt, insbesondere die "Schließ"-Position des Verschlusses
zu ermitteln; als Variante könnte der Zustandsanzeiger
gegebenenfalls durch ein Durchflußüberwachungsorgan 11 des Typs
"Alles oder Nichts" ersetzt sein, das in die Regulierleitung
6 eingesetzt ist.
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Es können Druckanzapfungen 12 an der Zufuhrleitung 3
annähernd im Bereich der Anschlüsse der Meßleitung 5 an diese
Zufuhrleitung und an der Abzweigungsleitung 6 etwas
stromaufwärts und stromabwärts des Sitzes 72 vorgesehen sein, um
mittels eines beispielsweise mikroprozessorgestützten
Differentialmanometers Durchflußmessungen zu ermöglichen, was
insbesondere die Anfangsregelung erleichtert, die nun in
kurzer Form beschrieben wird.
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Die Regelung der Einrichtung ist sehr einfach, weil eine
einzige Anfangsregelung genügt, um sie in Betrieb zu setzen: Bei
maximal offenen Einzelsteuerorganen der Wärmestrahler und
geschlossener Reguliereinheit 71 - 72 - 74 - 75 wird auf das
Durchflußregelelement 9 in der Meßleitung 5 eingewirkt, um
die auf den Verschluß ausgeübte Kraft fO und die auf die
Membran ausgeübte Kraft fM gleich und entgegengerichtet zu
machen.
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Umgekehrt kann die Einrichtung gemäß Figur 5 realisiert
werden, in der gleiche Teile durch die gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind. Bei dieser Ausführungsform ist die
Einrichtung dazu bestimmt, einen stromabwärtigen Durchfluß konstant
zu halten und eine Druckdifferenz an den Anschlußpunkten der
Regulierleitung 6 konstant zu halten, in welcher der
Durchfluß veränderlich ist. Zu diesem Zweck ist die Meßleitung 5
weiterhin in Parallelschaltung von der Zufuhrleitung 3
abgezweigt, die Regulierleitung 6 verbindet aber die
Zufuhrleitung 3 mit der Rückführleitung 4 stromaufwärts dieser
Meßleitung 5. Es wird hier wiederum eine Druckdifferenz, die dazu
bestimmt ist, eine für den Durchfluß, diesmal den
stromabwärtigen Durchfluß, repräsentative Kraft zu erzeugen, sowie eine
konstante Druckdifferenz an den Anschlußpunkten des Regulier-
Bypass 6 hervorgerufen. In dem Kreislauf ist eine mit einem
Steuerverschluß 71 versehene Reguliereinheit vorgesehen,
wobei der Sitz 72 des Steuerverschlusses in die Regulierleitung
6 derart eingesetzt ist, daß eine der Seiten des
Steuerverschlusses 71 einem Druck pC am Ausgang der Quelle ausgesetzt
ist, während die andere Seite von dem Druck pC isoliert ist,
wenn der Verschluß an seinem Sitz 72 anliegt. Der Verschluß
71 ist darüber hinaus über einen Stab 73 mit einer Membran 74
verbunden, welche eine Kammer 75 unterteilt, die mit der
Meßleitung 5 über zwei Rohrleitungen 81, 82 verbunden ist,
welche an den beiden Punkten A und B in die Meßleitung münden.
Der Druckabfall in der Meßleitung 5 wird weiterhin mittels
eines Venturi 51 erzeugt, das jedoch diesmal im Bereich der
stromaufwartigen Rohrleitung 81 dieser Leitung 5 angeordnet
ist. Wiederum sind hier in dem Bypass 5 ein Regelelement 9
sowie in der Zufuhrleitung 3 ein einzelnes Regelelement 10
vorgesehen, ebenso wie vorzugsweise ein
Durchflußüberwachungsorgan 11 in der Regulierleitung 6 und Druckanzapfungen
12, die wie vorher angeordnet sind.
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Bei beiden Ausführungsformen sind mehrere Konfigurationen
möglich, beispielsweise in Blockkonstruktion oder mit
gesonderten
Teilen und gleichermaßen auch mit mehreren Wegen,
beispielsweise zwei, drei oder vier.
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Weiterhin kann die Einrichtung im Bereich des Regelelements 9
mit Hilfe eines externen Signals ferngesteuert werden, um
eine automatische Durchflußanpassung abhängig von thermischen
Eigenschaften des geregelten Systems oder von gewünschten
Betriebszuständen (beispielsweise einer Zeitprogrammierung
der Heizung) zu erhalten.
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Man erkennt, daß die Einrichtung vorteilhafterweise nur die
Montage eines Minimums an zusätzlichen Teilen in derjenigen
Leitung erfordert, in der der Durchfluß reguliert werden
soll, nämlich gegebenenfalls eines ganz und gar herkömmlichen
Regelelements und von Druckanzapfungen, was die an dieser
Leitung vorzunehmenden Eingriffe beschränkt.
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Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise insbesondere bei
der Regulierung von Heizkreisläufen mit veränderlichem
Durchfluß, von Heizverteilungskolonnen, des stromaufwärtigen
Durchflusses von Heizanlagen, der Druckhöhe von Pumpen, von
Warm- oder/und Eiswasserverteilungskreisen beispielsweise bei
der Klimatisierung, des Durchflusses von Kühltürmen usw.
angewendet werden, wobei sie diesen Regulierungen eine
besonders große Genauigkeit und eine Unabhängigkeit gegenüber der
Kennkurve der Pumpe und gegenüber Druckverlusten des Teils
stromaufwärts der Anlage verleiht und dabei eine sehr
einfache Funktionsweise, eine hohe Stabilität des
Gleichgewichtspunkts und eine leichte Anfangsregelung bewahrt und die
hydraulischen Störeinflüsse der stromabwärts der
Regulierleitung gelegenen parallelen Kreise vollständig unterdrückt.
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Außerdem ist die Einrichtung perfekt kompatibel mit Pumpen
veränderlicher Geschwindigkeit, wobei die hydraulische
Proportionalität des stromabwärtigen Bereichs gewahrt bleibt.