EP0292814A1 - Ausdehnungs- und Druckhaltevorrichtung für zirkulierende Flüssigkeitsströme - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Ausdehnungs- und Druckhaltevorrichtung für zirkulierende Flüssigkeitsströme nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
- Aus der EP-A -0 187 683 ist eine Flüssigkeits-Entgasungsvorrichtung bekannt, bei der ein Ventil zwischen einem geschlossenen Behälter und einer Vorlaufleitung als Magnetventil und ein zwischen dem geschlossenen Behälter und einer Rücklaufleitung angebrachtes Ventil als Rückschlagventil ausgebildet ist. Zwischen dem geschlossenen Behälter und einem offenen Vorhaltebecken ist ein weiteres Magnetventil angeordnet. Zwischen der Druckpumpe und der Rücklaufleitung liegt ein weiteres Rückschlagventil.
- Die Anlage wird nun so von einer Steuereinheit gesteuert, daß man Flüssigkeit aus einem Heizkreislauf durch den geschlossenen Behälter fließen läßt, was durch die Druckdifferenz zwischen Vorlauf- und Rücklaufleitung geschieht. Nach einer bestimmten Zeitdauer wird das Magnetventil zwischen Vorlauf und geschlossenem Behälter geschlossen und das Magnetventil zwischen dem geschlossenen Behälter und dem Vorhaltebecken schlagartig geöffnet, so daß durch die Druckminderung im geschlossenen Behälter in der Flüssigkeit gelöste Gase austreten und zusammen mit einer gewissen Flüssigkeitsmenge in die Atmosphäre bzw. in das Vorhaltebecken abströmen.
- Bei dieser Vorrichtung wurde festgestellt, daß es zu Ausfällen der Ventile und zu Störungen an der Druckpumpe kommt.
- Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die weniger störungsanfällig ist, insbesondere bei höherer Temperatur, wo mit Nachverdampfungseffekten zu rechnen ist, insgesamt größere Betriebssicherheit bietet und technisch vereinfacht ist.
- Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Mittel (30) ein steuerbares Drei-Wege-Ventil umfassen, das in einer ersten Stellung die Vorlaufleitung mit dem Behälter, in einer zweiten Stellung den Behälter mit dem Vorhaltebecken und in einer dritten Stellung das Vorhaltebecken mit der Vorlaufleitung verbindet. Weiterhin sind die Ventilmittel in der Leitung zwischen Behälter und Rücklaufleitung zur Lösung der Aufgabe steuerbar ausgebildet und zwar als mechanisch steuerbare Ventile, die von der Steuereinheit über einen gemeinsamen Stellmotor betätigbar sind.
- Durch diese Ausbildung der Vorrichtung können zum einen laute Druckstöße vermieden werden, da mechanische Ventile mit beliebiger Geschwindigkeit betätigbar sind. Darüber hinaus kann über das Drei-Wege-Ventil eine Rückspülung erfolgen, mittels derer Verschmutzungen beseitigt und Luftabscheidungsprozesse beschleunigt werden können.
- Die Vorrichtung ist dann besonders einfach, wenn die Ventilmittel als Kugelventile ausgebildet sind, die über einen gemeinsamen Stellmotor beim Öffnen und Schließen druckstoßfrei einstellbar sind. Durch eine entsprechende Anordnung kann hierbei ein besonders sicherer und wartungsfreier Betrieb gewährleistet werden.
- Vorzugsweise ist im Kreislauf ein Druckfühler angebracht, dessen Ausgangssignale der Steuereinheit zugeführt werden. Die Steuereinheit ist hierbei derart ausgebildet, daß bei Überschreiten eines vorbestimmten ersten Druckpegels die Ventilmittel Flüssigkeit aus dem Kreislauf in das Vorhaltebecken und bei Unterschreiten eines vorbestimmten zweiten Druckpegels Flüssigkeit aus dem Vorhaltebecken über die Druckpumpe in den Kreislauf strömen lassen. Auf diese Weise läßt sich ein Druckausdehnungsgefäß einsparen, da ein bei Erwärmung auftretender Überdruck in das Vorhaltebecken abgelassen wird. Bei Unterschreiten des z.B. für eine Heizanlage vorgeschriebenen Druckes wird über die Druckpumpe Flüssigkeit in den Kreislauf nachgefördert, bis der vorgeschriebene Druck wieder erreicht ist. Es wird also bei dieser Ausbildung der Erfindung durch die bereits vorhandenen Mittel (Ventile, Behälter, Pumpe, usw.) ein Druckausdehnungsgefäß eingespart, ohne daß die Betriebssicherheit der Anlage gefährdet wird. Es ist sogar so, daß die Druckschwankungen (bei Erwärmen und Abkühlen) im Kreislauf gegenüber einer konventionellen Anlage mit Druckausdehnungsgefäß (mit Gaspolster) vermindert werden können, da die Druckschwankungen über eine geeignete Wahl des ersten/zweiten Druckpegels leicht minimalisiert werden können.
- Weitere erfindungswesentliche Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die anhand der beiliegenden Abbildungen näher beschrieben wird.
- Wie aus der Abbildung 1 hervorgeht, wird die erfindungsgemäße Vorrichtung z.B. in eine Heizungsanlage eingebunden, die einen Heizkessel 8, eine Vorlaufleitung 1 mit darin befindlicher Umwälzpumpe 3 und eine Rücklaufleitung 5 umfaßt, welche mit der Vorlaufleitung 1 über ein Wärmenutzungssystem 4 verbunden ist.
- Von der Vorlaufleitung 1 führt eine Leitung 9 über einen Schmutzfänger 29 zu einem ersten Anschluß eines Drei-Wege-Ventils 30. Ein zweiter Anschluß des Drei-Wege-Ventils 30 führt über eine Leitung 31a zu einem zur Atmosphäre geöffneten Vorhaltebecken 28, ein dritter Anschluß des DreiWege-Ventils 30 ist über eine Leitung 31b mit einem geschlossenen Behälter 22 verbunden. Die Rücklaufleitung 5 ist über eine Leitung 10 mit einem darin befindlichen Druckfühler 33 und einem Ventil 32 ebenfalls mit dem Druckbehälter 22 verbunden.
- Vom Boden des Vorhaltebeckens 28 führt eine Leitung zum Eingang einer Druckpumpe 25, deren Ausgang über ein Ventil 34 mit dem Druckbehälter 22 verbunden ist.
- Die Ventile 30 und 32 sind mit ihren Stellorganen mit einem gemeinsamen Stellmotor 49 verbunden, der über einen Ausgang einer Steuereinheit 47 angesteuert wird. Die Steuereinheit 47 ist mit dem Ausgang des Drucksensors 33 verbunden und steuert außerdem das Ventil 34 an. Bei einer anderen, hier nicht in der Abbildung dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Ventil 34 ebenfalls über den Stellmotor 49 betätigt.
- Die Druckpumpe 25 steht über eine Leitung mit einem Ausgang der Steuereinheit 47 in Verbindung.
- Im Vorhaltebecken 28 sind an einem bodennahen Punkt ein Minimal-Füllstandssensor 36 und an einem höher gelegenen Punkt ein Maximal-Füllstandssensor 37 vorgesehen, deren Ausgänge über Leitungen mit Eingängen der Steuereinheit 47 verbunden sind. In das Vorhaltebecken 28 mündet eine Leitung 38, über welche Frischwasser (aus der öffentlichen Wasserversorgung) zuführbar ist, wobei ein Absperren der Leitung 38 über Ventile 39, 41 möglich ist. Die Ventile 39 und 41 sind ebenfalls über die Steuereinheit 47 steuerbar. Weiterhin ist in der Frischwasserleitung 38 ein Durchflußmeßorgan 40 vorgesehen, das Signale entsprechend der durch die Leitung 38 strömenden Wassermenge (pro Zeiteinheit) an die Steuereinheit 47 abgibt.
- An einer randnahen Stelle des Vorhaltebeckens 28 ist ein Überlauf 43 vorgesehen, der in einen Ablauftrichter 44 mündet, welcher mit einer Abwasserleitung (nicht gezeigt) verbunden ist.
- Auf dem Vorhaltebecken 28 sitzt (nicht druckdicht) eine Abdeckhaube 48, die mit einer Wärmeisolierung (nicht gezeigt) versehen ist. Das Vorhaltebecken 28 selbst ist ebenfalls an seiner Außenseite mit einer Wärme-Isolierung 46 versehen, während seine Innenseite mit einer oxidationsfesten Beschichtung 45 versehen ist.
- Der Druckbehälter 22 ist ebenfalls mit einer Wärme-Isolierschicht 46 (an seiner Außenseite) versehen.
- Weiterhin ist die Steuereinheit 47 mit einem Ausgang an eine Warnanlage gekoppelt, die in der Abbildung als Warnlampe 50 dargestellt ist.
- Das Drei-Wege-Ventil 30 weist (mindestens) drei Stellungen auf, wobei in der Stellung I die Leitungen 9 und 31b, in der Stellung II die Leitungen 31a und 31b und in der Stellung III die Leitungen 9 und 31a miteinander verbindbar sind.
- Im folgenden wird nun die Funktionsweise der Vorrichtung gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben.
- Beim Inbetriebnehmen der Anlage, wenn diese also erstmalig mit Flüssigkeit (Wasser, Sohle) befüllt wird, öffnet die Steueranlage 47 die Ventile 39, 41, 34 und 32 und bringt das Ventil 30 in die Stellung III.
- Sobald der Flüssigkeitspegel im Vorhaltebecken 28 aufgrund der Frischwasserzufuhr ein Ausgangssignal im Minimal-Füllstandssensor 36 bewirkt, setzt die Steuereinheit 47 die Druckpumpe 25 in Betrieb. Die Druckpumpe 25 fördert ständig neu zuströmendes Frischwasser in den Kreislauf und befüllt hierbei gleichzeitig den Druckbehälter 22.
- Sobald der Kreislauf im wesentlichen voll ist, steigt der Flüssigkeitspegel im Vorhaltebecken 28, da Frischwasser aus dem Vorlauf 1 über die Leitung 9 und das Ventil 30 durch die Leitung 31a in das Vorhaltebecken 28 zurückströmt. Sobald der Flüssigkeitsstand im Vorhaltebecken 28 ein Ausgangssignal des Maximal-Füllstandssensors 37 erregt, schließt die Steuereinheit 47 die Ventile 39 und 41. Durch das weitere Durchpumpen von Flüssigkeit werden gegebenenfalls im Heizungssystem mitzirkulierende Gasblasen in das Vorhaltebecken 28 abgeführt. Falls während dieses Vorganges (der eine definierte Zeit lang durchgeführt wird) der Flüssigkeitspegel im Vorhaltebecken 28 wieder so weit absinkt, daß der Minimal-Füllstandssensor 36 ein Signal an die Steuereinheit 47 abgibt, werden die Ventile 39 und 41 nochmals geöffnet, um für eine hinreichende Flüssigkeitsmenge im Vorhaltebecken 28 zu sorgen.
- Nachdem der Befüllungsvorgang in der beschriebenen Art und Weise eine definierte Zeitspanne angedauert hat, wird das Ventil 30 über eine entsprechende Ansteuerung des Stellmotors 49 durch die Steuereinheit 47 in seine Stellung I gebracht. Die Pumpe 29 läuft solange weiter, bis der vom Fühler 33 abgetastete Druck einen vorbestimmten Wert erreicht hat, der einem Soll-Druckwert im System entspricht.
- Sobald der Soll-Druckwert im System erreicht ist, wird das Ventil 34 geschlossen und die Pumpe 25 außer Betrieb gesetzt. In diesem Zustand zirkuliert nun die in der Heizungsanlage enthaltene Flüssigkeit durch den Druckbehälter 22 aufgrund der Wirkung der Umwälzpumpe 3 bzw. der Drossel wirkung im Wärmenutzungssystem 4. Nach einer in der Steuereinheit 47 gespeicherten Zeitspanne wird das Ventil 32 geschlossen und das Ventil 30 in seine Stellung II gebracht. Dadurch fällt der Druck im Inneren des Behälters 22, der zuvor gleich dem Druck im Heizungssystem war, auf Atmosphärendruck ab. Nachdem nun bekanntlich Gase bei erhöhtem Druck in Flüssigkeiten leichter löslich sind als bei niedrigerem Druck, treten die in der Flüssigkeit enthaltenen Gase aus und steigen durch die Leitung 31b-31a in das Vorhaltebecken 28 und aus diesem in die Atmosphäre auf. Dieser Entgasungsvorgang wird über eine definierte Zeitspanne hinweg aufrechterhalten. Danach bringt die Steuereinheit 47 das Drei-Wege-Ventil 30 wieder in seine Stellung I und öffnet (danach) das Ventil 32, so daß die entgaste Flüssigkeit im Behälter 22 durch Flüssigkeit mit einer größeren gelösten Gasmenge ersetzt wird. Die entgaste Flüssigkeit strömt nun durch das Rohrleitungssystem der Heizanlage und nimmt dort gefangene Gase auf.
- Nach einer definierten Zeitspanne, die ebenfalls in der Steuereinheit 47 vorprogrammiert ist, wird der soeben beschriebene Entgasungsvorgang wiederholt. Durch diese Art der Steuerung ist eine vollständige Entgasung der im Heizungssystem enthaltenen Flüssigkeit möglich.
- Fällt während des Durchströmens des Druckbehälters 22 (Ventil 30 in Stellung I; Ventil 32 geöffnet) der Druck in der Leitung 10 und damit der Druck im Heizungssystem unter den vorbestimmten Wert (siehe oben) ab, so wird eine Druckpumpe 25 in Gang gesetzt und das Ventil 34 geöffnet. Dadurch wird Flüssigkeit in das Heizungssystem nachgefördert, bis der Solldruck wieder erreicht ist. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn die Heizung auf niedriger Temperatur gefahren wird.
- Wenn andererseits der Druck am Fühler 33 den gespeicherten Maximalwert übersteigt, so wird das Ventil 30 in seine Stellung II gebracht, bis der Druck im System wieder seinen Sollwert erreicht hat. Danach verläuft der Vorgang wie oben beschrieben.
- Wie eingangs beschrieben, ist in der Frischwasserzufuhr 38 ein Durchflußmeßorgan 40 vorgesehen, dessen Ausgangssignale der Steuereinheit 47 zugeführt werden. In der Steuereinheit 47 sind nun Speicher vorgesehen, in denen ein (errechenbarer) Wert gespeichert ist, welcher die Maximalfüllmenge der Anlage repräsentiert. Tritt nun ein Leck in der Anlage auf, so sinkt der Druck und Flüssigkeit aus dem Vorhaltebecken 28 wird über die Druckpumpe 25 (bei geöffnetem Ventil 34) nachgefördert. Unterschreitet durch dieses Absaugen aus dem Vorhaltebecken 28 der Pegel im Vorhaltebecken 28 den durch den Minimalfüllstandssensor 36 definierten Pegel, so wird Frischwasser durch Öffnen der Ventile 39 und 41 zugeführt. Wenn aber die zugeführte Menge den gespeicherten Grenzwert überschreitet, so kann dadurch das oben erwähnte Leck detektiert werden, woraufhin die Steuereinheit 47 die Frischwasserzufuhr über die Ventile 39 und 41 und das Einspeisen von Flüssigkeit über die Druckpumpe 25 in die Kreislaufleitung 2 abstellt. Darüber hinaus gibt die Steuereinheit 47 über die Warnlampe 50 ein Warnsignal ab, das ein Leck anzeigt.
- Über das Drei-Wege-Ventil 30 ist in dessen Stellung I bei geschlossenem Ventil 32 und geöffnetem Ventil 34 ein Rückspülen durch das Ventil 30 in dessen Stellung I möglich, wenn von der Leitung 9 eine Leitung mit Absperrventil (steuerbar durch die Steuereinheit 47) zum Vorhaltebecken 28 führt. Diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der beiliegenden Abbildung mit unterbrochenen Linien angedeutet. Durch dieses Rückspülen kann einer Verschmutzung des Ventils 30 durch Ablagerungen vorgebeugt werden, welche aus der Kreislaufleitung 2 aufgrund dort auftretender Oxidation oder dergleichen in die Leitung 9 gelangen können und nicht vom Schmutzfänger 29 aufgefangen werden. Bringt man die Einlauföffnung aus dem Vorhaltebecken 28 zur Druckpumpe 25 in einer hinreichenden Höhe über dem Boden des Vorhaltebeckens 28 an, so kann der rückgespülte Schmutz im Vorhaltebecken 28 sedimentieren.
- Ein Entleeren der Kreislaufleitung 2 durch die Einlaufleitung 9 und die Leitung 31a bei Stellung III des Ventiles 30 und weiterhin durch das Vorhaltebecken 28 über den Überlauf 43 in den Sammeltrichter 44 ist ebenfalls möglich, wenn man die Anlage an einem relativ zum Kreislauf 2 niedrigen Punkt anbringt.
- Wie in Fig. 2 gezeigt, kann durch eine in die Leitung (31) eingebaute und in Richtung Vorhaltebecken (28) arbeitende Injektionsdüse (51), die z.B. nach dem Wasserstrahlpumpenprinzip arbeitet, der Druck im Behälter unter Normaldruck (leichtes Vakuum) erniedrigt werden, um z.B. Gase abzusaugen. Die Injektionsdüse kann über das Ventil (35) mit Flüssigkeit aus der Leitung (9) gespeist werden.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann gegen Überdruck im Kreislauf 2 durch ein Überströmventil (48) gesichert werden. Letzteres wird vorzugsweise zwischen Leitung (9) und Vorhaltebecken (28) angeordnet.
- Der Flüssigkeitszulauf (38) liegt vorzugsweise auf einem deutlich höheren Niveau als der Überlauf (43), z.B. 40 mm höher, so daß eine Rohrtrennung gewährleistet ist und bei Unterdruck im Zulauf (38) Flüssigkeits aus (28) nicht in die Zulaufleitung gelangen kann.
- Der Zulauf kann durch ein mit Trichter versehenes Zulaufrohr (42), das zum Boden des Vorhaltebeckens (28) führt, beruhigt werden.
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich nicht nur auf die gezeigte Vorrichtung, sondern auch auf das oben beschriebene Verfahren, mit dem die Anlage betrieben wird, insbesondere hierbei auf die Verwendung der Anlage zur Kompensation von temperaturbedingten Druckschwankungen.
- Weiterhin kann die Anlage nicht nur für Heizungskreisläufe, sondern auch für andere hydraulische Systeme verwendet werden, insbesondere für Systeme, in denen entlüftungs- und temperaturbedingte Druckschwankungsprobleme auftreten können.
Claims (11)
dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilmittel (30, 32) ein steuerbares Drei-Wege-Ventil (30) umfassen, das in einer ersten Stellung (I) die Vorlaufleitung (1) mit dem Behälter (22), in einer zweiten Stellung (II) den Behälter (22) mit dem Vorhaltebecken (28) und in einer dritten Stellung (III) das Vorhaltebecken (28) mit der Vorlaufleitung (1) verbindet, daß die Ventilmittel (32) in der Leitung (10) zwischen Behälter (22) und Rücklaufleitung (5) steuerbar sind, und daß die Ventilmittel (30, 32) als mechanisch steuerbare Ventile ausgebildet sind, die von der Steuereinheit (47) über einen Stellmotor (49) betätigbar sind.
dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilmittel (30, 32) Kugelventile umfassen, welche über einen (gemeinsamen) Stellmotor (49) beim Öffnen und Schließen druckstoßfrei einstellbar sind.
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