EP3850154B1 - Verfahren und steuereinrichtung zur steuerung und regelung einer weichenheizung - Google Patents

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EP3850154B1
EP3850154B1 EP19787440.7A EP19787440A EP3850154B1 EP 3850154 B1 EP3850154 B1 EP 3850154B1 EP 19787440 A EP19787440 A EP 19787440A EP 3850154 B1 EP3850154 B1 EP 3850154B1
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EP
European Patent Office
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switch
power
temperature
heating
segment
Prior art date
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EP19787440.7A
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EP3850154A2 (de
Inventor
Wolfgang Reinker
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EAN Elektroschaltanlagen Grimma GmbH
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EAN Elektroschaltanlagen Grimma GmbH
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B7/00—Switches; Crossings
    • E01B7/24—Heating of switches

Definitions

  • the present invention relates to a method and a control device for controlling and regulating a point temperature of a point heater, in particular as a function of the weather, rail profile and position of the movable tongue rail by calculating and evaluating the real point temperatures at functionally relevant points of the point in winter on at least one point segment between the tip of the switch and the end of the switch.
  • Track elements, in particular points, of rail-bound vehicles such as railways (main lines, branch lines, narrow-gauge railways) or trams are heated with point heaters as required, especially in winter, to prevent the moving parts from freezing or being blocked by snow and ice, and thus operational safety to guarantee.
  • point heaters are based on systems with hot steam, gas heating or electrical energy.
  • Point heaters are intended to melt snow between the rails of the points in winter and prevent the movable tongue rail from freezing to the fixed stock rail and the slide chair plates, as well as preventing snow from being pressed together between the rails.
  • heating devices with a specific output of, for example, 330 W per meter rail are arranged on the fixed stock rails of the points, and if the weather is suitable, the heating is activated by a weather station and thus the stock rails at the location of the points temperature sensor of the points up to a set point temperature in two-point control heated with hysteresis.
  • point heaters are conventionally carried out by means of a point temperature sensor on a central point, which is arranged on the lower surface of the stock rail foot due to the function of the points.
  • the disadvantage here is that, during operation, the point temperature only corresponds to the set point temperature at the location of the point temperature sensor, and the remaining parts of the point have temperature deficits as well as temperature deficits depending on the weather and the position of the tongue rail, which can be adjacent or external to the stock rail Temperature excesses can occur, which lead either to freezing and thus failure of the switch or to high (unnecessary) energy consumption.
  • the conventional point heaters are currently switched on with 100% specific power when there is a heating request and switched off and on again after the set point temperature has been reached until a hysteresis of the real point temperature has been reached.
  • the result in heating operation are power peaks between zero and maximum value and significant temperature differences on the stock rails, tongue rails and slide chair plates on the right and left side as well as over the length of the points.
  • a reliable function of the points in winter, especially in extreme weather, wind, low ambient temperature and heavy snowfall is not possible in automatic operation with the prior art.
  • State-of-the-art heating devices are arranged, for example, on the fixed stock rails on the left and right side of the points on the rail foot and have a specific output of usually 330 W per meter over the entire length of the points.
  • the heat is transferred to the tongue rails and slide chair plates of the switch by heat conduction or heat radiation from the location of the stock rails, which are equipped with a heating device.
  • different real point temperatures are reached on the stock rails and the tongue rails on the left and right side of the points depending on the environmental conditions and the point position, i.e. off or on tongue rails, as well as on the slide chair plates.
  • Heat sources thermal resistances, heat capacities and fixed temperatures occur in a heat network. They represent heat generation, heat transport, heat storage and thermal boundary conditions.
  • the power P generated in the conductors and the encapsulation is transmitted to the environment by radiation and convection and by thermal conduction along the conductor track or the encapsulation. Depending on the thermal resistance R th and the power P, an excess temperature ⁇ results.
  • the transported thermal power P L varies linearly with the spatial change in temperature in the steady state if no additional heat source exists.
  • the proportionality factor is called the thermal conductivity ⁇ .
  • the section length L and the cross-sectional area A have a significant influence on the heat output transported.
  • the thermal energy through convection is calculated using the relationships between the material properties of the cooling medium, the flow and the heat transfer to other media, arrangements and temperature ranges. Dimensionless similarity numbers are used for this Reynolds number (abstract from the forced convection) Grashof number (abstracted from free convection) Nusselt number (abstracted from heat transfer) Prandtl number (abstracted from the flow medium) with v as flow velocity, v as viscosity, ⁇ as volumetric expansion coefficient, g as gravitational acceleration, c p as specific capacity and ⁇ as density.
  • the process can be calculated iteratively depending on the temperature in the heating network.
  • Joule heat losses occur due to the operating current and capsule losses (hysteresis, induction and eddy current losses) due to induction in the capsule.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a method for controlling and regulating points heating and providing a corresponding control device which overcomes the disadvantages of the prior art and with which additional outlay for sensors is avoided and the associated maintenance outlay is reduced.
  • a points heating (1) depending on existing or predetermined project-specific parameters or weather conditions by means of the heating network model according to the invention for a point segment for the left side (5) of a point (3) and/or for the right side (6) a switch (3), in particular for adjacent ( on ) and remote ( ab ) switch rails (8), to be heated in the areas of the switch tip (16), the switch center (17) and the switch end (18).
  • All specific power losses on the switch segments can be determined with the appropriate parameters, the optimum switch temperatures (T op ) at nodes (K), each representing a functionally relevant point (19) of the switch segment in winter, can be calculated.
  • the method according to the invention is basically designed to create the heating network model according to the invention alone with a switch segment for the left side (5) of a switch (3) or for the right side (6) of a switch (3).
  • a switch segment for the left side (5) of a switch (3) or for the right side (6) of a switch (3) is considered and it is assumed that the selected side (5, 6) of the switch (3) is the more positive of the two sides with regard to the heating process (5, 6) the switch (3) acts.
  • a necessary reserve is included.
  • the heat network model according to the invention is created with one switch segment each for the left side (5) of a switch (3) and for the right side (6) of a switch (3), since this further increases the potential of the present invention can be better exploited.
  • the following is based on the particularly preferred variant, without excluding the possibility of solely considering a switch segment for only one side.
  • the power of the individual heating devices (14) required during operation of the points heating (1) can be calculated via the specific power of the length of a points segment, by evaluating the points temperature of the points (3) on one point segment each on the left side (5) and the right side (6) determines the position of the switch, i.e. the point rail is adjacent or offset, and the power of the heating device (14) for the left side (5) and the right side (6) is adjusted so that the functionally relevant points ( 19) of the points (3) have the same points temperatures over their entire length and thus with a maximum of the same power of the heating device (14) compared to the prior art, greater availability in winter over the entire operating temperature range in automatic operation of the points heating (1) is achieved.
  • the entire switch (3) is represented by at least one switch segment, which includes both the left side (5) of the switch (3) and the right side (6) of the switch (3).
  • the heating network (26, 27) according to the invention can be formed over a representative cross section of the switch (3), with which the heating of the entire switch (3) is carried out as uniformly as possible and not just individual areas or one side of a switch as in State of the art.
  • the present invention increases the availability of the points heating, whereas in mild winters or weather periods without extreme weather conditions, significant energy savings can be realized and power peaks in the network can be avoided.
  • the method according to the invention is carried out as a function of existing or predetermined project-specific parameters or weather conditions, using the heating network model according to the invention for a switch segment for adjacent ( on ) and remote ( off ) tongue rails (8) in the areas of the switch tip (16), Turnout center (17) and turnout end (18). All specific power losses on the switch segment are determined with corresponding parameters and the calculated optimal switch temperatures (T op ) at nodes (K), each representing a functionally relevant point (19) in winter of the switch segment.
  • the power required by the heating devices (14) during operation is calculated using the specific power (P) of the length of switch segments (I seg ) and by evaluating the calculated optimal switch temperature (T op ) on each switch segment on the left side (5) of the switch (3) and on the right side (6) of the switch (3) the position of the switch (3), i.e. the position of the tongue rail (8) adjacent ( on ) or off ( ab ) is determined, preferably at the assessment point head - Tongue rail (41).
  • the power of the heating device (14) for the left side (5) of the switch (3) and the right side (6) of the switch (3) is adjusted in such a way that the functionally relevant points (19) on the switch segments, switch tip (16), Switch center (17) and switch end (18) of the left side (5) and the right side (6) have the same real switch temperatures (Tw), which correspond at least to the melting temperature of snow and/or the minimum switch temperature.
  • the points heating (1) according to the invention is activated via an additional heating requirement "Pre-heating" with a second calculated target rail temperature (T set-before ) of the switch (3) is put into operation, so that the conditions are met when the heating requirement actually occurs. This means that action is taken in advance instead of just reacting to a changing weather condition, as is the case in the prior art.
  • a first pair of heating devices (14), for example the heating devices (14) on the stock rails (7) with an optimal specific heating power (P op ) are activated and activated when it is reached the desired rail temperature (T desired ) of the switch (3) activates a second pair of heating devices (14), for example on the tongue rails (8) or the sliding chair plates (9).
  • the first pair of heating devices (14) and the second pair of heating devices (14) being activated with a time delay or with a proportionate specific power, by two-point control in the heating pauses of a pair of heating devices (14) the other pair of heating devices (14) is activated or group operation or power reduction depending on the type of heating device (14) takes place.
  • a switch segment is arranged in the vicinity of a switch temperature sensor (28) and the switch temperatures (Tw) of the switch (3) recorded over time are verified with calculated optimal switch temperatures (T op ).
  • the calculated optimal switch temperatures (T op ) of the switch (3) are corrected via convection heat output (P K ) or radiation output (Pst).
  • the calculation is carried out using a heat network model according to the invention for a switch segment using a microcontroller for a switch (3) or for several switches (3) of a switch heating system (1) according to the invention, with the microcontroller being arranged directly next to the switch (3) and via means of communication with the control device connected in the distribution.
  • the microcontroller contains switching devices or control devices for switching and controlling the heating devices (14) depending on the type of heating devices (14).
  • the method according to the invention comprises a further step h) Calculating the specific melting power for the amount of snow calculated on the switch segment during the heating-up time from a reported snow depth per unit of time and calculating the specific maintenance power to maintain the melting temperature on the switch segment and comparing the sum of these with the real specific power of the heating device (14) and, if the real specific output of the heating device (14) is lower, activating the points heating (1) with a second set point temperature that is so high that during operation the specific output of the heating device (14) is at least equal to the sum of the specific melting output and maintenance output.
  • the heat-generating elements include the specific power of the at least one heating device (14) with a heat accumulator of the switch segment and heat transfer by thermal radiation.
  • the heat transfer elements include thermal resistances on the switch (3) from the material properties, the geometric parameters and the prevailing loads due to heat transfer and the environment on the at least one switch segment.
  • the heating-up time is long, e.g. longer than 20 minutes, the function of the point (3) is not only at risk in the 20 minutes, but also beyond that, because the snow forms a kind of igloo and the point heating (1) is not able to is to melt it afterwards.
  • step f) The above-described calculation of the heating-up time in step f) enables functional deficits in the points heating (1) to be monitored and reported at an early stage instead of a fault occurring.
  • the control device according to the invention basically has the same advantages as the method according to the invention.
  • the control device according to the invention provides the basic equipment to represent a switch (3) by a switch segment that includes both the left side (5) of the switch (3) and the right side (6) of the switch (3). .
  • the heating network (26, 27) according to the invention can be formed over a representative cross section of the switch (3), with which the heating of the entire switch (3) is carried out as uniformly as possible by the control device according to the invention.
  • the present invention consists, among other things, in the control and regulation as well as the dimensioning of the heating devices 14 and the determination of operating limits of existing point heating systems by evaluating the point temperatures of the point 3 at the functionally relevant Places 19 of the switch 3 in winter for the switch heating 1 according to the invention by means of calculation.
  • this takes place via the heating network 26 on the left-hand side 5 of the switch 3 and via the heating network 27 on the right-hand side 6 of the switch 3 for at least one switch segment in the same way as electric flow fields, in that the control and regulation of the specific power of the heating device 14 of the switch heating system 1 by evaluating the temperatures calculated by means of a heating network 26, 27 on the point segment point 34, point segment point center 35 and point segment point end 36 for the left side 5 of the point 3 and the right side 6 of the point 3 depending on the point position, i.e. for those lying on the stock rail Tongue rail 10 and for remote tongue rail 11, and depending on the weather.
  • the calculated optimal switch temperatures T op of the switch 3 are compared with the time profile of the real switch temperature Tw of the switch 3 recorded by a switch temperature sensor 28 from at least three measured values after the dead time of a heated rail with the switch temperature sensor 28 of at least one switch 3 has expired.
  • this time course is corrected via convection losses and radiation power.
  • the inventive solution to the above-mentioned tasks is carried out with a thermal modeling of the temperature profile with the division of the switch 3 into switch segments on the left side 5 and the right side 6 for the characteristic areas for evaluating the function: switch tip 16, switch center 17 and switch end 18, taking into account the distance between the stock rail 7 and tongue rail 8 due to the point setting, the rail profile, the type of slide chair plate 9 with or without rollers, the type of precipitation and the Amount of precipitation, the wind speed and the ambient temperature as well as a possible thermal insulation or wind insulation.
  • the time profile of the switch temperatures T op of the switch 3 and the specific power losses are calculated using iterative solution methods and compared with the time profile of the real switch temperatures Tw of the switch 3 recorded via switch temperature sensors 28. If there are differences, these are corrected, taking into account a tolerance, and evaluated at functionally relevant points 19 of the switch 3, which are decisive for the function of the switch 3 in winter, so that the heating device 14 is activated during operation with a determined, weather-dependent, optimum specific power and at this Set a minimum rail temperature T min of the switch is reached. This means that the left-hand side 5 of the switch 3 and the right-hand side 6 of the switch 3 are evenly heated over the entire length of the switch 3 with minimal energy consumption, thus ensuring high availability in winter.
  • the required specific power of the heating device 14 is determined on the basis of local borderline environmental conditions.
  • the point end temperatures T wn of the point 3 are determined at functionally relevant points 19 for existing point heating systems at maximum limit values of the environmental conditions at which the point heating system 1 in question with the existing specific power of the heating devices 14 is just still in operation in winter is working. The operator can thus decide whether this operating limit is sufficient or not for his weather conditions.
  • the required specific power of the heating device 14 for a length of one meter, for example, is to be calculated with a program, which is required for the heating devices 14 so that the points heating according to the invention 1 works successfully with these limit values in winter. This means that the switch 3 is kept free of snow and does not freeze solid.
  • minimum rail temperatures of the switch 3 are defined at the functionally relevant points 19 of the switch 3 and the power losses under these conditions from thermal radiation 30, convection 3), thermal conduction 33 and heat storage 32, taking into account the Installation location of the heating device 14 and the position of the tongue rail 8 on the switch segments of the left side 5 of the switch 3 and the right side 6 of the switch 3 at the point 16 of the points, the center of the points 17 and the end of the points 18 are calculated.
  • the sum of the power losses of each switch segment on the left-hand side 5 of the switch 3 and/or the right-hand side 6 of the switch 3, at which the minimum rail temperatures of the switch 3 are reached and the amount of snow is melted corresponds to the required specific heating output for the respective side and the respective Area of points 3.
  • the heating devices have a length of up to 6 m.
  • the required specific heat output of the heating devices 14 is therefore advantageously determined from the calculated maximum sum of the power loss of the switch segments on the left side 5 of the switch 3 and the right side 6 of the switch 3 .
  • the calculation of the final values of the power losses for the switch segment right side 6 of switch 3 and the switch segment left side 5 of switch 3 is carried out at a switch end temperature of switch 3 which is at least the absolute sum of the minimum rail temperature T min of switch 3 or the ambient temperature Tu and the lower set points temperature (e.g. 7 °C minus 4 °C hysteresis results in 3 °C) the minimum rail temperature of the points 3 of the heated rails, e.g. stock rails 7 left and right (e.g.
  • node K stock rail base and/or the configured minimum temperature at the functionally relevant ones Digits 19, for example + 1 ° C corresponds to the sum of the power losses of the required specific power of the heater 14 in watts per meter for a length of the heater 14 corresponds.
  • the horizontal surfaces of the switch segment and the mean density of snow e.g. 100 kg/m 3 at an air temperature below 0 °C and 200 kg/m 3 at an air temperature above 0 °C and a mean specific heat of fusion of e.g 335 kJ/Kg is the required melting capacity for the amount of snow in one hour.
  • Snow starts to melt at 0°C.
  • the total required specific power of the heating devices 14 results from the sum of the power losses at e.g. 0 °C and the melting power of the amount of snow that fell on the base stock rail between the start of heating and reaching the minimum rail temperature T min of the switch 3 of e.g. 0 °C is.
  • the amount of snow that has fallen is determined from the detected amount of snow and the time it takes for the switch 3 to reach the minimum rail temperature T min , which corresponds to the melting temperature of snow.
  • a successful function of the points heating 1 according to the invention in winter should ensure a minimum rail temperature T min of the points 3 on the left side 5 of the points 3 and right side 6 of the points 3 at the functionally relevant points 19 of the points 3, with the minimum rail temperature T min of the points 3 of the melting temperature of ice and snow.
  • These functionally relevant positions are: stock rail head (Index Ko-Ba) stock rail foot (Index Fu-Ba) tongue rail head (Index Ko-Zu) Slide chair plate -outside (index GL-au) on the left-hand side 5 of the switch 3 and the right-hand side 6 of the switch 3.
  • the function of the switch heating system 1 according to the invention is evaluated positively at these functionally relevant points 19 if the following conditions are met.
  • Heating time t A ⁇ t A-max Amount of snow melted during the heating time t Am Larger amount of snow h s that has fallen by evaluating the existing specific power of the heating device 14 with the required maintenance power P erh plus melting power for the amount of snow that has fallen.
  • the points heating 1 For the successful functioning of the points heating 1 according to the invention, a uniform heating of the functionally relevant points 19 of the points 3 of the adjacent and remote tongue rails 8 is required. Since the switch 3 is constantly switched over during operation depending on the direction of travel and no sensors for detecting the position of the tongue rail 8 are possible for the switch position, it is proposed by evaluating the calculated course over time of the switch temperature of the switch 3 on the left side 5 of the switch 3 and on the right side 6 of the points 3 to detect the position of the tongue rails 8
  • Heating device assembly variants are: Heating device 14 on the stock rails 7 and additional heating device 29 on the tongue rails 8 and at the start of operation, heating of the first rails with 100% specific power of the heating device 14, the first rails being stock rails 7 or tongue rails 8 or slide chair plates 9, and when the Target rail temperature T set point 3 on the first rail Reduce the respective specific power of the heating device 14 or 29 to the maximum specific maintenance power P Erh or lower or switch it off and activate the additional heating device 29 on the tongue rail 7 or the slide chair plates 9 with the remaining specific power from this time and only in the heating breaks of the heating device 14 of the first rails, for example via group operation during cyclic cycle times with electric heating rods.
  • additional heating regime "preheating" is activated, e.g switch 3 is calculated and the switch heating 1 according to the invention is switched on by preheating and is regulated to this second target rail temperature of the switch 3, with the second target rail temperature of the switch 3 being so high that when the actual weather extremes occur, the snow melts and the function of the Switch 3 ensures that the preheating is terminated if the weather extremes do not occur.
  • the heating devices 14 are always activated one after the other during operation during the heating-up time, i.e. the heating device 14 of the first rail is activated first with a power ratio of 100% and after it has been reached the set rail temperature of switch 3 activation of the heating device 29 of the second rail in the heating pauses of the heating device 14 of the first rail and in regular operation, i.e.
  • a switch 3 is shown schematically in plan view.
  • the switch 3 is divided into switch tip 16, switch center 17 and switch end 18.
  • Stock rails 7 and tongue rails 8 are shown.
  • the right-hand side 6 of the switch 3 is assigned from the tongue tip 16 in the direction of view (reference number 2) to the switch end 18.
  • On the left-hand side 5 of the switch 3 is the off-lying tongue rail 11 and on the right-hand side 6 of the points 3, the adjacent switch rail 10 is shown.
  • a switch temperature sensor 28 is arranged on a stock rail 7, here on the left side 5 of the switch 3.
  • switch segment switch tip 34 In the area of the switch tip 16, for example, there is a switch segment switch tip 34, in the area of the switch center 17 there is a switch segment switch center 35 and in the area of switch end 18 a switch segment switch end 36 is arranged for the left side 5 of the switch 3 and the right side 6 of the switch 3 .
  • the point temperature sensor 28 is located at the point tip on the right side 6 of the point 3 or on the left side 5 of the point 3.
  • the support lugs 13 present in the area of the support lugs are also shown; these serve to support the tongue rail 8 on the side of the adjacent tongue rail 10 compared to the stock rail 7 when the train travels over the point rail 8.
  • figure 1 is a schematic sectional view of the switch 3 from figure 0 shown on the switch segment switch tip 34 with the left side 5 of the switch 3 and the right side 6 of the switch 3.
  • the tongue rail 11 lying away and on the right-hand side 6 of the switch 3 the adjacent tongue rail 12 is shown.
  • the functionally relevant points 19 of the switch 3 in winter are shown on the left side 6 of the switch 3 by the evaluation points (37 to 43.
  • the points heating 1 according to the invention should make these functionally relevant points 19, characterized by the evaluation points 37 to 43, in winter at negative ambient temperatures be heated in such a way that the snow or ice on it is melted.
  • the evaluation points 37 to 43 on the left side 5 and on the right side (69) of the switch of switch 3 are the evaluation points foot stock rail 37, web stock rail 38, Head stock rail 39, foot tongue rail 40, head tongue rail 41, middle slide chair plate 42 and outer slide chair plate 43, which are each represented by nodes K of the heating network 26, 27 and the functionally relevant points 19 on the right-hand side 6 of the points 3 and the left side 5 of the switch 3.
  • the switch temperature sensor 28 is on the left stock rail 7 between two Thresholds 24 are arranged and the real switch temperatures Tw recorded with them on the stock rail 7 left side 5 of the switch 3 can be compared with the calculated optimal switch temperatures at this function-relevant point 19 with the calculated optimal switch temperatures T W-op and corrected if there are differences.
  • the travel path of the switch 3 is constantly changed by adjusting the tongue rails 8 by the left side 5 of the switch 3 and the right side 6 of the switch 3 the tongue rail 8 is alternately on or off the stock rail 7.
  • the detection of the position of the tongue rails 8 on or off the stock rails 7 is carried out by evaluating the calculated optimal switch temperatures T W-op at the respective assessment points of the functionally relevant points 19, preferably at the head-switch rail assessment point 41.
  • the points are fitted with a heating device 14 on the stock rail foot heated.
  • the heating is switched off with two-point control and after a slight overshoot of the real point temperature due to the mass of the rail up to time t 7 , it cools down to time t 8 and the heating current (I N ) is increased switched on again at this time.
  • the time from t 1 to t 6 is referred to as the heating-up time t A and the time from t 6 to t 9 as the control time.
  • the slide chair plate that is away from the heating device and is not provided with the heating device 14 is only heated very slowly and at time t 6 has a very low real point temperature T W-outside GL, which is well below the set point temperature.
  • the heating current for all heating devices of the switch is switched off by the parameterized hysteresis of, for example, 4° C., so that cooling also starts on the slide chair plate.
  • the point temperature difference ⁇ T W at time t 6 between the base of the stock rails and the slide chair platform is very large. At an ambient temperature of -15 °C, for example, this point temperature difference ⁇ T W is so great that the point temperature on the outside of the slide chair plate is less than 0 °C even after a very long time and the points can accumulate ice and freeze solid at this point.
  • FIG 2 shows the time course of the heating current I N when the heating request is ON, which switches on and off during operation between zero and the maximum heating current I N depending on the point temperature at the foot of the stock rail switched off, resulting in power peaks between zero and rated current.
  • the temperatures at the points temperature sensor (28) are measured and used to evaluate or correct the calculated optimal points temperatures.
  • FIG 3 is for switch segment of the switch 3 a heating network 26 according to the invention for the left side 5 of the switch 3 and partially an analogous heating network 27 for the right side 6 of the switch 3 according to a sectional view figure 1 shown at any area of the switch 3, which are connected via the node K ambient temperature K TU .
  • Heating devices 14, 29 are arranged, for example, on the inside of the stock rail 7 on the stock rail foot.
  • the heating network 26 for the left side 5 of the switch 3 and the heating network 27 for the right side 6 of the switch 3 are based on a sectional view along the slide chair plate 9 on the left side 5 of the switch 3 and the opposite slide chair plate 9 on the right side 6 of the switch 3 and the cross-section of the stock rail 7 and the tongue rail 8 on the left side 5 of the switch 3 and stock rail 7 and tongue rail 8 on the right side 6 of the switch 3 at any switch area 4 of the switch 3 with symbols for heating device 29, symbols for heat radiation 30 , symbols convection 31, symbols heat conduction 33 and symbols heat storage 32 between the functionally relevant points 19 of the switch 3, which are represented by node K.
  • the heat network 26 on the left side 5 of the switch 3 there is a heat network between the ambient temperature Tu, which is represented by node K ambient temperature K TU , and functionally relevant points 19, which are also represented by node K, which is calculated using known rules .
  • the nodes K for the functionally relevant points 19 of the switch 3 for the heating network 26 for the left side 5 of the switch 3 and for the heating network 27 for the right side 6 of the switch 3 are the same and correspond to the evaluation points 37 to 43, but the power losses of the adjacent tongue rail 10 and remote tongue rail 11 are different.
  • the table below shows the relationship between the functionally relevant points 19, the corresponding nodes K and the required switch temperature T W , which is calculated at the respective node K with the designation T W-op and is evaluated in a separate program for the heating network 26 for the left-hand side 5 of the switch 3.
  • the heating network 27 for the right-hand side 6 of the switch 3 is analogous to this and connected via the node K ambient temperature K TU .
  • the points segment is broken down into sections and each section is represented by a node K, which indicates the mean points temperature Tw of the associated section.
  • the size of the sections or the number of nodes K depend on the required replication accuracy.
  • the power losses and thermal resistances and thermal capacities are calculated from the material properties, the geometric parameters and the prevailing loads from the heating current I N and the environment.
  • the connection of the nodes K by means of resistors, capacitors and voltage sources results in a network that can be solved numerically with the help of the node and mesh theorem. If the power balance is created for a node K, Kirchhoff 's theorem (node theorem) applies.
  • P S + P K + P L P lei + P c
  • the heating-up time t A is shown first. If the conditions for heating operation are met, e.g. snow, the heating is activated via a heating request signal from the control device and the heating devices 14 on the stock rails 7 are switched on and, after the set points temperature T set point has been reached, controlled via two-point control with hysteresis and thus the parts of the Soft 3 heated.
  • the tongue rails 8 and slide chair plates 9, which are not provided with a heating device 14, are heated by thermal conduction and radiation.
  • the heating-up time t A begins with the activation of the heating and ends when the set point temperature T set point is reached at a point temperature sensor 28 which is arranged under the foot on a stock rail 7 .
  • the duration of the heating-up time t A depends on many factors and should be calculated and monitored to ensure availability, and appropriate measures initiated if necessary.
  • the heating time t A is calculated for at least one switch segment for the left side 5 of the switch 3 and the right side 6 of the switch 3 in several steps, taking into account the times in which the switch segment is heated up to the minimum switch temperature T W-min of the switch 3, snow melt, evaporation of water and then up to the set point temperature T set point 3 takes place.
  • FIG 4 is the course over time of the switch temperature T W-Fu-Ba of the switch 3 at the foot of a stock rail 7 and the switch temperature T W-GL-au outside of the switch 3 of the slide chair plate 9 on one side, e.g. the left side 5 of the switch 3, shown.
  • the individual time periods are explained below. Due to the mass inertia, there is a dead time t T from t 1 to t 2 during operation. The dead time t T is calculated.
  • the heating-up time t A is the time until the melting temperature of snow is reached by time t 2.1 . From the time t 2 the switch 3 is heated up to the melting temperature Ts, which is reached at the time t 2.1 .
  • the time taken to melt the amount of snow that has fallen or is required for the specific project consists of two partial times t A2 and t A3 .
  • time t A2 the time for melting the amount of snow is calculated from time t A1 and during time t A3 the amount of snow fallen during time t A2 is calculated.
  • the calculation of the melting capacity per hour is based on the amount of snow hs and the horizontal surfaces of the switch segment and an average density of snow , e.g average specific heat of fusion of e.g. 335 kJ/Kg. Snow starts to melt at 0°C.
  • the specific power is therefore calculated, for example, at a point temperature of 0 °C on the stock rail 7, taking into account the required optimum specific power of the heating device 14 to maintain the melting temperature of the stock rail 7, which corresponds to the sum of the power losses at this melting temperature.
  • the total heating-up time t A2 plus t ANH3 for melting the entire amount of snow from the heating-up time t A1 and the heating-up time t A2 is calculated from the product of the melting capacity per hour and the sum of time t ANH1 and time t ANH2 and dead time t T .
  • the heating-up time t A4 begins at time t 2.3 and ends when the switch temperature sensor 28 reaches the target rail temperature T set point 3.
  • the heating-up time t A4 is calculated using the thermal resistance R th and thermal capacity C th determined with the heat network model and the power loss based on the chronological progression starting from the melting temperature until the set point temperature is reached analogous to point 1 with the corresponding absolute set point temperature from the difference between the set point temperature and the melting temperature.
  • the heating-up time t A5 the snow from the heating-up time t A4 is melted.
  • the calculation is analogous to the heating-up time t A2 or t A3 .
  • the entire heating-up time t A lasts from time t 1 to t 7 and is determined and evaluated from the sum of dead time and heating-up times t A1 to t A5 .
  • FIG 6 is the program sequence for verifying the function of the point heating 1 according to the invention as a function of the minimum ambient temperature T u , the existing specific power of the heating device P, the set point temperature T set point 3 at maximum wind speed v max for the rail profile R of the point 3 and a possible maximum Amount of snow per hour h S-max and the location of the heating devices 14 on the stock rail 7 and/or the tongue rail 8 and/or the slide chair plate 9.
  • the limit of the function of the points heating 1 according to the invention and thus the availability of the points 3 in winter for a standard point heating 1 can be determined and evaluated, even when operating with the current air temperature, amount of snow per hour and wind speed v.
  • the present invention specifies a method in which the heat network model according to the invention changes the set point temperature and/or the specific power of at least one heating device 14 by comparing the calculated points temperatures with parameterized minimum points temperatures.
  • the heat network model according to the invention verifies the calculated points temperatures by means of a comparison with points temperatures detected by a points temperature sensor 28 by correcting the convection power and/or the radiation power.
  • the heating network model according to the invention also generates a warning message in the control device before the operating limit is exceeded for a control system and on site.
  • the heating network determines the heating-up time before and during operation and activates an additional preheating heating regime via the control device if, depending on the forecast environmental conditions from the weather service, the maximum amount of snow is exceeded during the heating-up time and/or the amount of snow is not melted.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Steuereinrichtung zur Steuerung und Regelung einer Weichentemperatur einer Weichenheizung, insbesondere in Abhängigkeit von Witterung, Schienenprofil und Stellung der beweglichen Zungenschiene durch Berechnung und Bewertung der realen Weichentemperaturen an funktionsrelevanten Stellen der Weiche im Winter an mindestens einem Weichensegment zwischen Weichenspitze und Weichenende.
  • Fahrwegelemente, insbesondere Weichen, von schienengebundenen Fahrzeugen wie Eisenbahnen (Vollbahnen, Nebenbahnen, Schmalspurbahnen) oder Straßenbahnen werden mit Weichenheizungen bedarfsabhängig beheizt, um vor allem im Winter ein Einfrieren der beweglichen Teile bzw. deren Blockieren durch eingedrungenen Schnee und Eis zu verhindern und damit die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Bekannte Weichenheizungen beruhen auf Systemen mit Heißwasserdampf, Gasbeheizung oder elektrischer Energie.
  • Durch Weichenheizungen soll im Winter Schnee zwischen den Schienen der Weichen geschmolzen und das Festfrieren der beweglichen Zungenschiene an der festen Backenschiene und den Gleitstuhlplatten sowie das Zusammenpressen von Schnee zwischen den Schienen vermieden werden. Dazu werden Heizeinrichtungen mit spezifischer Leistung von beispielsweise 330 W pro Meter Schiene an den festen Backenschienen der Weiche angeordnet, und bei entsprechender Witterung wird die Heizung durch eine Wetterstation in Betrieb gesetzt und damit die Backenschiene am Standort des Weichentemperatursensors der Weiche bis auf eine Weichensolltemperatur in Zweipunktregelung mit Hysterese erwärmt.
  • Die Regelung solcher Weichenheizungen erfolgt herkömmlicherweise mittels eines Weichentemperatursensors an einer zentralen Weiche, der aufgrund der Funktion der Weiche an der unteren Fläche am Backenschienenfuß angeordnet ist. Hierbei besteht der Nachteil, dass im Betrieb nur am Standort des Weichentemperatursensors die Weichentemperatur der Weichensolltemperatur entspricht und die übrigen Teile der Weiche witterungsabhängige und von der Stellung der Zungenschiene, die an der Backenschiene anliegend oder abliegend sein kann, sowohl Temperaturdefizite als auch Temperaturüberschüsse auftreten können, die entweder zum Festfrieren und damit Versagen der Weiche oder zu hohem (unnötigen) Energieverbrauch führen.
  • Die herkömmlichen Weichenheizungen werden derzeit bei Heizanforderung mit 100 % spezifischer Leistung eingeschaltet und nach Erreichen der Weichensolltemperatur bis zum Erreichen einer Hysterese der realen Weichentemperatur abgeschaltet und wieder eingeschaltet. Die Folge im Heizbetrieb sind Leistungsspitzen zwischen Null und Maximalwert und maßgebliche Temperaturunterschiede den Backenschienen, Zungenschienen und Gleitstuhlplatten der rechten Seite und linken Seite sowie über die Länge der Weiche. Eine sichere Funktion der Weichen im Winter, insbesondere bei Wetterextremen, bei Wind, tiefer Umgebungstemperatur und starken Schneefall im automatischen Betrieb mit dem Stand der Technik nicht möglich.
  • Heizeinrichtungen nach dem Stand der Technik sind beispielsweise an den festen Backenschienen der linken und rechten Seite der Weiche auf dem Schienenfuß angeordnet und mit einer spezifischen Leistung von üblicherweise 330 W pro Meter über die gesamte Länge der Weiche ausgeführt. Die Wärmeübertragung auf die Zungenschienen und Gleitstuhlplatten der Weiche erfolgt durch Wärmeleitung bzw. Wärmestrahlung vom Standort der mit einer Heizeinrichtung versehenen Backenschienen. Im Betrieb werden an den Backenschienen und den Zungenschienen an linker Seite und rechter Seite der Weiche in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen und der Weichenstellung, d.h. abliegende bzw. anliegende Zungenschiene, sowie an den Gleitstuhlplatten unterschiedliche reale Weichentemperaturen erreicht. Bei tiefen Umgebungstemperaturen, Wettextremen und/oder Wind bestehen daher erhebliche Erwärmungsdefizite, so dass trotz Heizung funktionsrelevante Stellen der Weiche keine Null Grad bzw. keine positiven Weichentemperaturen erreichen und dadurch der Schnee an diesen Stellen nicht geschmolzen wird. In diesem Fall wird zunächst beim Stellen der Weiche der Schnee zwischen den Schienen, d.h. zwischen Zungenschiene und Backenschiene, verpresst und die Zungenschiene kann beim Stellen nicht mehr die Endlage erreichen bzw. friert fest und die Weiche kann nicht mehr umgestellt werden.
  • Unter Ausnutzung der Analogie zwischen einem elektrischen Strömungsfeld und einem thermischen Strömungsfeld (vgl. Tab. 1) werden Wärmeerzeugungsprozesse, Wärmeübertragungsprozesse und Wärmespeicherprozesse mit aus der Elektrotechnik hinreichend bekannten Netzwerken berechenbar. Die in Wärmenetzen auftretenden Nichtlinearen der Prozesse verlangen ein rechnergestütztes iteratives Lösungsverfahren [1]. Tabelle 1: Analogie zwischen thermischen und elektrischen Strömungsfeldern
    Größe elektrisch thermisch
    treibend Spannungsdifferenz Δϕ Temperaturdifferenz Δϑ
    fließend Strom I Leistung P
    Widerstand R = Δφ / I
    Figure imgb0001
         		R th = Δϑ / P
    Figure imgb0002
    Kapazität c = dQ / Δφ
    Figure imgb0003
         		C th = dW / d ϑ
    Figure imgb0004
  • In einem Wärmenetz treten Wärmequellen, Wärmewiderstände, Wärmekapazitäten und feste Temperaturen auf. Sie repräsentieren die Wärmeerzeugung, den Wärmetransport, die Wärmespeicherung und die thermischen Randbedingungen. Die in den Leitern und der Kapselung erzeugten Leistungen P werden durch Strahlung und Konvektion an die Umwelt und durch Wärmeleitung entlang der Leiterbahn bzw. der Kapsel übertragen. Abhängig vom thermischen Widerstand Rth und der Leistung P ergibt sich eine Übertemperatur Δϑ.
    • Wärmeübertragung
  • In elektrotechnischen Anlagen wird die Leistung durch Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion übertragen.
    • Strahlung [2]
  • Die zwischen zwei Körpern 1 und 2 ausgetauschte Strahlungsleistung wird mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz mit Os als Oberfläche des strahlenden Körpers und Cs = 5,67 W/m2K4 als Strahlungskoeffizient des schwarzen Strahlers berechnet. P S = C S ε 12 O S T 1 4 100 − T 2 4 100
    Figure imgb0005
     wobei sich die resultierende Emissionszahl ε12 für sich umhüllende Körper (2 umhüllt 1) aus geometrischen Betrachtungen zu ε 12 = 1 1 ε 1 + O 1 O 2 1 ε 2 − 1
    Figure imgb0006
     ergibt.
    • Wärmeleitung [2]
  • Nach dem Fourierschen Gesetz der Wärmeleitung ist im stationären Zustand die transportierte Wärmeleistung PL linear veränderlich mit der räumlichen Änderung der Temperatur, wenn keine zusätzliche Wärmequelle existiert. Der Proportionalitätsfaktor wird als Wärmeleitfähigkeit λ bezeichnet. Die Abschnittslänge L und die Querschnittsfläche A beeinflussen die transportierte Wärmeleistung wesentlich. Im homogenen eindimensionalen Wärmeströmungsfeld kann die Wärmeleistung durch Leitung wie folgt vereinfacht werden. P L = λAΔϑ L
    Figure imgb0007
    • Konvektion [3], [4], [5]
  • Die Wärmeenergie durch Konvektion wird über die Zusammenhänge zwischen den Stoffeigenschaften des Kühlmediums, der Strömung und dem Wärmeübergang auf andere Medien, Anordnungen und Temperaturbereiche berechnet. Dazu werden dimensionslose Ähnlichkeitszahlen
    Reynolds-Zahl (abstrahiert von der erzwungenen Konvektion)
    Grashof-Zahl (abstrahiert von der freien Konvektion)
    Nußelt-Zahl (abstrahiert von der Wärmeübertragung)
    Prandtl-Zahl (abstrahiert von dem Strömungsmedium)
    mit v als Strömungsgeschwindigkeit, v als Viskosität, β als Volumendehnungskoeffizient, g als Erdbeschleunigung, cp als spezifische Kapazität und δ als Dichte gebildet.
  • Der Zusammenhang zwischen dem konvektiven Wärmeübergangskoeffizient K und der Strömungsgeschwindigkeit v wird über die Nußelt-, Prandtl- und Reynolds-Zahl hergestellt: α K = f Nu = f Re Gr Pr
    Figure imgb0008
  • Mit dem Newtonschen Wärmeübertragungsgesetz P K = α K O K Δ ϑ
    Figure imgb0009
     wird die durch Konvektion übertragbare Leistung berechnet.
  • Der Prozess kann temperaturabhängig m Wärmenetz iterativ berechnet werden.
    • Wärmeleistungen
  • Durch den Ohmschen Widerstand erwärmen sich alle stromdurchflossenen Abschnitte.
  • Es treten durch den Betriebsstrom Stromwärmeverluste und durch Induktion in der Kapsel Kapselverluste (Hysterese-, Induktions- und Wirbelstromverluste) auf.
    • Stromwärmevertuste
  • Werden Betriebsmittel vom Strom I1 durchflossen, wird, hervorgerufen durch die Materialeigenschaft des Leiters, dem Stromfluss ein Widerstand entgegengesetzt. Die dabei umgesetzte Leistung kann mit P Lei = I I 2 R Lei
    Figure imgb0010
     und R Lei = k p 1 A 1 + α T Δϑ
    Figure imgb0011
     berechnet werden. Der Widerstand Rlsi ist sowohl von der Querschnittsfläche A als auch von dem spezifischen Widerstand des Leiters p, der Abschnittslänge I, der Stromart (Stromverdrängungsfaktor k) [5] und der Leiterübertemperatur Δϑ[6]) abhängig.
    • Wärmekapazität
  • Die Wärmekapazität eines Leiterabschnittes geht in die kalorimetrische Gleichung Q c = C Δϑ
    Figure imgb0012
     ein. Durch Ableitung ist diese auf die Leistung umstellbar.
  • Die Wärmekapazität C ergibt sich aus C = cm = c δ V
    Figure imgb0013
     mit dem Volumen V, der Dichte δ und der spezifischen Wärmekapazität C.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Steuereinrichtungen haben folglich teilweise einen sehr hohen technischen Installations- und Wartungs-Aufwand bei gleichzeitig ungleichmäßiger und/oder unzureichender Beheizung wesentlicher funktioneller Teile von Fahrwegelementen. Es besteht daher die Notwendigkeit, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, ohne den technischen Aufwand weiter zu erhöhen.
  • Als Stand der Technik werden die US9353486B2 , WO2018050141 A1 und WO2010115436A1 genannt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Weichenheizung anzugeben und eine entsprechende Steuereinrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden und mit denen ein Mehraufwand für Sensoren vermieden und der damit verbundene Wartungsaufwand verringert wird.
  • Nachstehend wird die Erfindung im Detail beschrieben. Wenn in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenständliche Merkmale genannt werden, so beziehen sich diese insbesondere auf die erfindungsgemäße Steuereinrichtung. Ebenso beziehen sich Verfahrensmerkmale, die in der Beschreibung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung angeführt werden, auf das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Weichenheizung (1) gelöst, wobei die Weichenheizung (1) mindestens eine an zumindest einer Weiche (3) angeordnete Heizeinrichtung (14), zumindest einen Weichentemperatursensor (28) an der zumindest einen Weiche (3), zumindest eine Energieverteilung mit mindestens einem Heizabgang pro Weiche (3) und zumindest eine Steuereinrichtung zum Steuern und Regeln der Weichentemperatur, zumindest einen abseits der Weiche (3) angeordneten Anschlusskasten, der mindestens ein Schaltgerät aufweist, das über Leitungen mit den Heizeinrichtungen (14) der Weiche (3) verbunden sind, sowie Messmittel zur zeitlichen Erfassung von Betriebsstrom, Spannung und Isolationswiderstand und Mittel zur Begrenzung der maximalen Leistung, zumindest ein Kommunikationsmittel, das in dem Anschlusskasten angeordnet und mit der Steuereinrichtung verbunden ist, und zumindest einen Niederschlagsensor zur Erfassung von Niederschlagsart und Niederschlagsmenge, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist, aufweist, umfassend die Schritte:
    1. a) Definieren zumindest eines Weichensegments für die linke Seite (5) der zumindest einen Weiche (3) und/oder für die rechte Seite (6) der zumindest einen Weiche (3) mit einer spezifischen Länge, wobei das Weichensegment der zumindest einen Weiche (3) eine Backenschiene (7), eine Zungenschiene (8), eine Gleitstuhlplatte (9) und zumindest eine Heizeinrichtung (14) aufweist, und Zerlegen des zumindest einen Weichensegments in einzelne Abschnitte mit jeweils zumindest einem ersten Knoten, der zumindest einer funktionsrelevanten Stelle (19) des Weichensegmentes der zumindest einen Weiche (3) im Winter entspricht, wobei die funktionsrelevante Stelle (19) mindestens einen Bewertungspunkt (37, 38, 39, 40, 41, 42, 43) aufweist,
      • wobei das zumindest eine Weichensegment repräsentativ die zumindest eine Weiche (3) thermodynamisch abbildet,
      • wobei das zumindest eine Weichensegment in der Nähe des zumindest einen Weichentemperatursensors (28) angeordnet ist,
    2. b) Bilden eines Wärmenetzes (26) für das zumindest eine Weichensegment für die linke Seite (5) der zumindest einen Weiche (3) und/oder Bilden eines Wärmenetzes (27) für das zumindest eine Weichensegment für die rechte Seite (6) der zumindest einen Weiche (3), wobei das Wärmenetz (26, 27) Wärmeerzeugungselemente, Wärmeübertragungselemente und Wärmespeicher (32) aufweist, und Zuordnen des jeweils zumindest ersten Knoten (K) der jeweiligen Abschnitte des zumindest einen Weichensegments zu mindestens einem Bewertungspunkt (37, 38, 39, 40, 41, 42, 43),
      wobei alle Knoten (K) der einzelnen Abschnitte über Maschen zu dem Wärmenetz (26, 27) so verbunden werden, dass die Differenz aller vorzeichenbehafteten Temperaturen gleich Null ist,
    3. c) Berechnen des zeitlichen Verlaufs einer optimalen spezifischen Leistung (Pop) des zumindest einen Weichensegments und der jeweiligen optimalen Weichentemperatur an dem zumindest einen ersten Knoten der Weichenheizung (1) an dem zumindest einen Weichensegment über eine Leistungsbilanz gemäß eines Knotensatzes, und bei Betrieb Aktivieren dieser optimalen spezifischen Leistung an der zugehörigen Heizeinrichtung (14) mittels Produkt aus realer spezifischer Leistung der Heizeinrichtung (14), die der maximalen spezifischen Leistung entspricht, und einem Leistungsverhältnis, wobei das Leistungsverhältnis variabel zwischen 25 % und 100 % der realen spezifischen Leistung entspricht,
    4. d) Erfassen des zeitlichen Verlaufs der realen Weichentemperatur an dem zumindest einen Weichensegment mit dem zumindest einen Weichentemperatursensor (28) und Korrigieren der berechneten Weichentemperatur an einem der zumindest ersten Knoten des zumindest einen Weichensegments über Leistung Konvektionswärme wenn berechnete Weichentemperatur größer ist als reale Weichentemperatur oder Leistung Strahlungswärme des Wärmenetzes wenn berechnete Weichentemperatur kleiner ist als reale Weichentemperatur,
    5. e) Berechnen der Weichenendtemperatur an zumindest einem zweiten Knoten des zumindest einen Weichensegments und Vergleichen der berechneten Weichenendtemperatur mit einer parametrierten Weichenmindesttemperatur für diesen zumindest einen zweiten Knoten,
      wobei bei Nichterreichen der Weichenmindesttemperatur der Weiche (3) eine parametrierbare Weichensolltemperatur um einen Weichensolltemperatur-Korrekturfaktor so lange erhöht wird, bis die jeweilige berechneten Weichenendtemperatur der Weiche (3) zumindest der Weichenmindesttemperatur der Weiche (3) entspricht,
    6. f) Berechnen der Anheizzeit für das Erwärmen des zumindest einen Weichensegments bis zu der parametrierbaren Weichensolltemperatur der Weiche (3) und Bewerten der berechneten Anheizzeit bei parametrierbarer Weichensolltemperatur,
      wobei bei einem Defizit die optimale spezifische Leistung erhöht und bei einem Überschuss die optimale spezifische Leistung verringert wird,
    7. g) Berechnen der Anheizzeit für das Erwärmen des zumindest einen Weichensegments bis zu der parametrierbaren Weichenmindesttemperatur der Weiche (3) und Bewerten der erforderliche spezifische Leistung aus Erhaltungsleistung und Schmelzleistung für den bis dahin gefallenen Schnee mit der spezifischen Leistung (P) bei parametrierbarer Weichenmindesttemperatur,
      wobei bei einem Defizit die optimale spezifische Leistung erhöht oder eine Meldung "gefallene Schneemenge ist zu groß und wird nicht geschmolzen" erzeugt wird.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eine Weichenheizung (1) in Abhängigkeit vorhandener oder vorgegebener projektspezifischer Parameter bzw. Witterungsbedingungen mittels des erfindungsgemäßen Wärmenetzmodells für jeweils ein Weichensegment für die linke Seite (5) einer Weiche (3) und/oder für die rechte Seite (6) einer Weiche (3), insbesondere für anliegende (an) und abliegende (ab) Zungenschiene (8), in den Bereichen der Weichenspitze (16), der Weichenmitte (17) und des Weichenendes (18) zu beheizen. Dabei können alle spezifischen Verlustleistungen an den Weichensegmenten bei entsprechenden Parametern ermittelt die optimalen Weichentemperaturen (Top) an Knoten (K), die jeweils eine funktionsrelevante Stelle (19) des Weichensegmentes im Winter repräsentieren, berechnet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich dazu ausgelegt, das erfindungsgemäße Wärmenetzmodell alleine mit einem Weichensegment für die linke Seite (5) einer Weiche (3) oder für die rechte Seite (6) einer Weiche (3) zu erstellen. In diesem Fall wird eine der beiden Seiten (5, 6) der Weiche (3) betrachtet und dabei davon ausgegangen, dass es sich bei der ausgewählten Seite (5, 6) der Weiche (3) um die bezüglich des Erwärmungsverlaufes positivere der beiden Seiten (5, 6) der Weiche (3) handelt. Somit wird eine notwendige Reserve eingerechnet.
  • Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn das erfindungsgemäße Wärmenetzmodell mit jeweils einem Weichensegment für die linke Seite (5) einer Weiche (3) und für die rechte Seite (6) einer Weiche (3) erstellt wird, da hiermit das Potential der vorliegenden Erfindung noch besser ausgeschöpft werden kann. Im Folgenden wird von der besonders bevorzugten Variante ausgegangen, ohne die Möglichkeit der alleinigen Betrachtung eines Weichensegments für nur eine Seite auszuschließen.
  • Darüber hinaus kann die bei Betrieb der Weichenheizung (1) erforderliche Leistung der einzelnen Heizeinrichtungen (14) über die spezifische Leistung der Länge eines Weichensegmentes berechnet, durch Bewertung der Weichentemperatur der Weiche (3) an jeweils einem Weichensegment der linken Seite (5) und der rechten Seite (6) die Stellung der Weiche, das heißt der Zungenschiene anliegend oder abliegend, ermittelt und die Leistung der Heizeinrichtung (14) für die linke Seite (5) und die rechte Seite (6) so angepasst werden, dass die funktionsrelevanten Stellen (19) der Weiche (3) über deren gesamte Länge gleiche Weichentemperaturen aufweisen und damit mit maximal gleicher Leistung der Heizeinrichtung (14) gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Verfügbarkeit im Winter über den gesamten Betriebstemperaturbereich im automatischen Betrieb der Weichenheizung (1) erreicht wird.
  • Erfindungswesentlich ist, dass die gesamte Weiche (3) repräsentativ durch zumindest ein Weichensegment abgebildet wird, welches sowohl die linke Seite (5) der Weiche (3) als auch die rechte Seite (6) der Weiche (3) einbezieht. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Wärmenetz (26, 27) über einen repräsentativen Querschnitt der Weiche (3) gebildet werden, mit welchem die Erwärmung der gesamten Weiche (3) möglichst gleichmäßig ausgeführt wird und nicht nur einzelner Bereiche oder einer Seite einer Weiche wie im Stand der Technik.
  • In kalten Wintern bzw. bei extremen Wetterbedingungen wird durch die vorliegende Erfindung die Verfügbarkeit der Weichenheizung erhöht, wohingegen in milden Wintern oder Wetterperioden ohne extreme Wetterbedingungen deutliche Energieeinsparungen realisiert und Leistungsspitzen im Netz vermieden werden können.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Abhängigkeit vorhandener oder vorgegebener projektspezifischer Parameter bzw. Witterungsbedingungen durchgeführt, mittels des erfindungsgemäßen Wärmenetzmodells für jeweils ein Weichensegment für anliegende (an) und abliegende (ab) Zungenschiene (8) in den Bereichen Weichenspitze (16), Weichenmitte(17) und Weichenende (18). Es werden alle spezifischen Verlustleistungen an dem Weichensegment bei entsprechenden Parametern ermittelt und die berechneten optimalen Weichentemperaturen (Top) an Knoten (K), die jeweils eine funktionsrelevante Stelle (19) im Winter des Weichensegmentes repräsentieren, berechnet.
  • Die bei Betrieb erforderliche Leistung der Heizeinrichtungen (14) wird über die spezifische Leistung (P) der Länge von Weichensegmenten (Iseg) berechnet und durch Bewertung der berechneten optimalen Weichentemperatur (Top) an jeweils einem Weichensegment auf der linken Seite (5) der Weiche (3) und auf der rechten Seite (6) der Weiche (3) die Stellung der Weiche (3), das heißt die Stellung der Zungenschiene (8) anliegend (an) oder abliegend (ab), ermittelt, vorzugsweise am Bewertungspunkt Kopf-Zungenschiene (41). Die Leistung der Heizeinrichtung (14) für die linke Seite (5) der Weiche (3) und die rechte Seite (6) der Weiche (3) wird so angepasst, dass die funktionsrelevanten Stellen (19) an den Weichensegmenten Weichenspitze (16), Weichenmitte (17) und Weichenende (18) der linken Seite (5) und der rechten Seite (6) gleiche reale Weichentemperaturen (Tw) aufweisen, die zumindest der Schmelztemperatur von Schnee und/oder der Weichenmindesttemperatur entsprechen.
  • Über den gesamten Winter (d.h. über die wesentliche Einsatzperiode der Weichenheizung (1)) wird die Zeit überwacht, die bei Betrieb benötigt wird, um die funktionsrelevanten Stellen (19) der Weiche (3) von der Weichentemperatur der Weiche (3) "kalte Schiene (TK)" bis zum Erreichen einer parametrierbaren Schienenmindesttemperatur (Tmin) der Weiche (3) zu beheizen, unter Berücksichtigung der Schmelzleistung (TSm) von Schnee und der Verdampfungsleistung von Wasser. Es werden dann Maßnahmen eingeleitet, wenn diese Zeit zu groß ist oder die während dieser Zeit vorhandene Schneemenge (hs) nicht vollständig geschmolzen wird.
  • Wenn aufgrund von Wettervorhersagen mit der maximalen spezifischen Leistung der Heizeinrichtungen (14) die Schienenmindesttemperatur (Tmin) der Weiche (3) nicht erreicht wird oder die Schneemenge (hs) nicht vollständig geschmolzen wird, wird die erfindungsgemäße Weichenheizung (1) über ein zusätzliche Heizanforderung "Vorheizen" mit einer zweiten berechneten Schienensolltemperatur (TSoll-Vor) der Weiche (3) in Betrieb gesetzt, so dass bei tatsächlich eintretender Heizanforderung die Bedingungen erfüllt werden. Hiermit wird bereits im Vorfeld agiert, anstelle nur auf eine sich ändernde Wetterbeindung zu reagieren, wie das im Stand der Technik der Fall ist. Bei Beginn des Betriebes aufgrund einer Heizanforderung "Vorheizen", beispielsweise durch Schneefall, werden vorzugsweise ein erstes Paar Heizeinrichtungen (14), beispielsweise die Heizeinrichtungen (14) an den Backenschienen (7) mit einer optimalen spezifischen Heizleistung (Pop) aktiviert und bei Erreichen der Schienensolltemperatur (TSoll) der Weiche (3) ein zweites Paar Heizeinrichtung (14), beispielsweise an den Zungenschienen (8) oder den Gleitstuhlplatten (9) aktiviert. Auf diese Weise wird eine Erhöhung der Anschlussleistung der erfindungsgemäßen Weichenheizung (1) gegenüber dem Stand der Technik vermieden, indem das erste Paar Heizeinrichtung (14) und das zweite Paar Heizeinrichtung (14) zeitversetzt oder mit anteiliger spezifischer Leistung aktiviert werden, indem bei Zweipunktregelung in den Heizpausen eines Paares von Heizeinrichtungen (14) das andere Paar von Heizeinrichtungen (14) aktiviert wird oder Gruppenbetrieb oder Leistungsabsenkung in Abhängigkeit der Art der Heizeinrichtung (14) stattfindet.
  • Ein Weichensegment wird in der Nähe eines Weichentemperatursensors (28) angeordnet und die damit zeitlich erfassten Weichentemperaturen (Tw) der Weiche (3) werden mit berechneten optimalen Weichentemperaturen (Top) verifiziert. Bei möglichen Weichentemperaturdifferenzen (ΔTW) werden die berechneten optimalen Weichentemperaturen (T op) der Weiche (3) über Leistung Konvektionswärme (PK) oder über Leistung Strahlung (Pst) korrigiert.
  • Die Berechnung erfolgt mittels erfindungsgemäßem Wärmenetzmodell für ein Weichensegment unter Verwendung eines Mikrocontrollers für eine Weiche (3) oder für mehrere Weichen (3) einer erfindungsgemäßen Weichenheizung (1), wobei der Mikrocontroller unmittelbar neben der Weiche (3) angeordnet und über Kommunikationsmittel mit der Steuereinrichtung in der Verteilung verbunden ist. Der Mikrocontroller enthält Schaltgeräte oder Steuergeräte zum Schalten und Steuern der Heizeinrichtungen (14) in Abhängigkeit der Art der Heizeinrichtungen (14).
  • Für den speziellen Fall, dass für das Verfahren noch keine Heizanforderung und eine Wetterwarnung vorliegt, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren Ferner Schritt
    h) Berechnen der spezifischen Schmelzleistung für die während der Anheizzeit am Weichensegment berechneten Schneemenge aus einer gemeldeten Schneehöhe pro Zeiteinheit und Berechnen der spezifischen Erhaltungsleistung zur Erhaltung der Schmelztemperatur an dem Weichensegment und Vergleich der Summe dieser mit der realen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung (14) und, wenn die reale spezifische Leistung der Heizeinrichtung (14) geringer ist, Aktivieren der Weichenheizung (1) mit einer zweiten Weichensolltemperatur, die so groß ist, dass bei Betrieb die spezifische Leistung der Heizeinrichtung (14) zumindest gleich der Summe aus spezifischer Schmelzleistung und Erhaltungsleistung ist.
  • In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen die Wärmeerzeugungselemente die spezifische Leistung der zumindest einen Heizeinrichtung (14) mit einem Wärmespeicher des Weichensegments und eine Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung. Alternativ oder zusätzlich und/oder umfassen die Wärmeübertragungselemente Wärmewiderstände an der Weiche (3) aus den Stoffeigenschaften, den geometrischen Größen und den vorherrschenden Belastungen durch Wärmeübertragung und Umwelt an dem zumindest einen Weichensegment. Durch diese Weiterbildung ergibt sich vorteilhafterweise ein geringerer Aufwand für die Berechnungssoftware.
  • In Schritt f) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorzugsweise
    • die Anheizzeit für das Erwärmen des zumindest einen Weichensegments aus der Summe einzelner Heizzeiten für das zumindest eine Weichensegment für dessen Erwärmen, für das Schmelzen von Schnee und für das Verdampfen von Wasser an diesem berechnet wird, und/oder
    • die Anheizzeit durch Erhöhen des Leistungsverhältnisses und/oder Umschalten von Regelbetrieb auf Dauerbetrieb erhöht und/oder durch Verringern des Leistungsverhältnisses verringert wird.
  • Bei hoher Anheizzeit, bspw. größer als 20 Minuten, ist die Funktion der Weiche (3) im Winter nicht nur in den 20 Minuten, sondern darüber hinaus gefährdet, weil der Schnee eine Art Iglu bildet und die Weichenheizung (1) nicht in der Lage ist, dieses nachträglich zu schmelzen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren bei aktiver Heizung ferner die Schritte
    • i) Berechnen einer Schmelzleistung für gefallenen Schnee in einer parametrierbaren Zeitspanne und Vergleichen dieser Schmelzleistung mit der Differenz aus spezifischer Leistung und einer berechneten Erhaltungsleistung, wobei bei einem Defizit der spezifischen Leistung die Leistung erhöht und/oder ein Dauerheizen begonnen und/oder eine erste Warnmeldung ausgegeben wird,
      und/oder
    • j) Vergleichen der berechneten Anheizzeit mit einer parametrierten maximalen Anheizzeit, wobei bei einem Defizit der spezifischen Leistung die Leistung erhöht und/oder ein Dauerheizen begonnen und/oder eine zweite Warnmeldung ausgegeben wird,
      und/oder
    • k) Berechnen der Schneehöhe aus der Differenz aus gefallener Schneehöhe und geschmolzener Schneehöhe pro Zeiteinheit und Vergleichen der berechneten Schneehöhe mit einer parametrierbaren maximal zulässigen Schneehöhe, wobei bei einem Defizit der spezifischen Leistung die Leistung erhöht und/oder ein Dauerheizen begonnen und/oder eine dritte Warnmeldung ausgegeben wird.
  • Im Stand der Technik wird bei Heizanforderung im Regelbetrieb geheizt und bei langer Anheizzeit ab tiefen Umgebungstemperaturen kann die Schneemenge nicht geschmolzen werden. Dadurch wird die Weiche zugeschneit und ist nicht mehr stellbar. Vorteil der Erfindung ist die Vermeidung des Zuschneiens der Weiche im Betriebstemperaturbereich.
  • Vorteilhafterweise kann das Berechnen der Anheizzeit in Schritt f) die Unterschritte umfassen
    • f1) Berechnen der Totzeit für das zumindest eine Weichensegment aus dem zeitlichen Verlauf der Weichentemperatur der Weiche (3) bei optimaler oder realer spezifischer Leistung,
    • f2) Berechnen der Zeit tA1 zum Erwärmen des zumindest einen Weichensegments von der Weichentemperatur der kalten Schiene der Weiche (3) und der Schmelztemperatur bis zur Weichenmindesttemperatur an zumindest einen Knoten,
    • f3) Berechnen der Zeit tA2 zum Schmelzen der Schneemenge während des Schritts f2) aus der Differenz aus vorhandener spezifischer Leistung abzüglich der Leistung zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur des zumindest einen Weichensegments,
    • f4) Berechnen der Zeit tA3 zum Schmelzen des gefallenen Schnees während des Schritts f3) aus der Differenz aus vorhandener spezifischer Leistung abzüglich der Leistung zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur des zumindest einen Weichensegments,
    • f5) Berechnen der Zeit tA4 zum Erwärmen des zumindest einen Weichensegments von der Differenz Weichenmindesttemperatur bis zur Weichensolltemperatur an den Knoten mit dem Weichentemperatursensor der Weiche (3),
    • f6) Berechnen der Zeit tA5 zum Schmelzen des gefallenen Schnees während des Schritts f5) aus der Differenz aus vorhandener spezifischer Leistung abzüglich der Leistung zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur des zumindest einen Weichensegments.
  • Das vorstehend beschriebene Berechnen der Anheizzeit in Schritt f) ermöglicht ein Überwachen und frühzeitiges Melden von Funktionsdefiziten der Weichenheizung (1) anstelle des Eintretens einer Störung.
  • Ein Teilaspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich auf eine Ermittlung der Betriebsgrenze Umgebungstemperatur (GW-Tu) der Weichenheizung (1), umfassend
    • Berechnen der optionalen Weichenendtemperaturen an zwei spezifischen Knoten des zumindest einen Weichensegments, welche dem Kopf-Backenschiene (20) und dem Kopf-Zungenschiene (21) als funktionsrelevante Stellen (19) der zumindest einen Weiche (3) entsprechen, wobei von der Weichenmindesttemperatur die berechneten Weichentemperaturen Kopf-Backenschiene und Kopf-Zungenschiene subtrahiert werden und die geringste davon der Betriebsgrenze-Umgebungstemperatur entspricht. Ein erfindungsgemäßer Vorteil ist, dass vorhandene Weichenheizungen an die veränderten Witterungsbedingungen individuell und optimal angepasst werden können. Ein anderer Teilaspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich auf eine Ermittlung der Betriebsgrenze Schneemenge (GW-hs) der Weichenheizung (1), umfassend
    • Berechnen einer spezifischen Erhaltungsleistung bei Weichenmindesttemperatur Tmin der Weiche (3), zuzüglich einer Weichenmindesttemperatur Toleranz ΔTmin, am Backenschienenfuß, einer Schmelzleistung für die maximale Schneemenge oder die bis dahin erfasste Schneemenge sowie einer Verdampfungsleistung für Schmelzwasser, und Vergleich der Summe daraus mit der erforderlichen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung (14) des zumindest einen Weichensegments, wenn die erforderliche spezifische Leistung der Heizeinrichtung kleiner ist als die Summe aus Erhaltungsleistung und Schmelzleistung und Verdampfungsleistung Betriebsgrenze Schneehöhe überschritten ist.
  • Ein weiterer Teilaspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich auf eine projektspezifische Dimensionierung der Heizeinrichtungen (14) und deren erforderlicher spezifischer Leistung, umfassend
    • Berechnen einer spezifischen Leistung (P) der Heizeinrichtung zum Erreichen einer Weichensolltemperatur der Weiche (3) am Standort des Weichentemperatursensors und einer minimalen Weichentemperatur Tw-min der Weiche (3) an mindestes einem Kopf-Backenschiene (20) und/oder einem Kopf-Zungenschiene (21) für das zumindest eine Weichensegment über Berechnen der Summe aus Wärmeleitung, Strahlung und Konvektion in die Umgebung, Wärmekapazität und Latenter Wärme bei Schnee und Beregnung, bei vorhandenen Betriebsgrenzwerten aus minimaler Umgebungstemperatur, Schienenprofil, maximaler Windgeschwindigkeit und maximaler Schneehöhe pro Stunde, und
    • Erhöhen der erforderlichen spezifischen Leistung, wenn die berechnete reale spezifische Leistung kleiner ist als die spezifische Leistung, die der erforderlichen Schmelzleistung der in der Anheizzeit, die ab minimaler Umgebungstemperatur bis zum Erreichen einer Schienentemperatur von mindestens 0 °C berechnet wird, für die Schneemenge, die sich aus dem Produkt aus Anheizzeit und Schneehöhe pro Stunde ergibt, und der Verdampfungsleistung von restlichem Schmelzwasser und der erforderlichen spezifischen Erhaltungsleistung für eine Schienentemperatur von 0 °C an den funktionsrelevanten Stellen des zumindest einen Weichensegments entspricht.
  • Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Weichenheizungen (1) entsprechend den speziellen lokalen Umgebungsbedingungen ausgeführt werden können, bspw. im Gebirge anders als im Flachland.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
    • bei Betrieb der Weichenheizung (1) ein Einstellen der optimalen spezifischen Leistung für die Heizeinrichtungen (14), die dem Produkt aus spezifischer Leistung und einem Leistungsverhältnis von 25 % bis 100 % entspricht, über die jeweiligen Schaltgeräte zum Einschalten und Ausschalten der Heizeinrichtungen (14) mittels Verändern der Einschaltdauer oder der Frequenz oder der Pulsweite oder Wellenpaketsteuerung oder Gruppenbetrieb erfolgt,
      und/oder
    • das Leistungsverhältnis zwischen 25 % und 100 % beträgt,
      wobei bei Betrieb der Weichenheizung (1) die spezifische Leistung (P) der linken Seite (5) der Weiche (3) und der rechten Seite (6) der Weiche (3) maximal dem Mittelwert und/oder Meridian der spezifischen Leistung der Heizeinrichtung (14) entspricht, und/oder
    • bei Betrieb der Weichenheizung (1) die berechnete spezifische Leistung Pop für die linke Seite (5) der Weiche (3) und die rechte Seite (6) der Weiche (3) maximal der spezifischen Leistung (P) der Heizeinrichtungen (14) entspricht, oder eine spezifische Leistungsdifferenz für die linke Seite (5) der Weiche (3) oder die rechte Seite (6) der Weiche (3) aus der Differenz von spezifischer Leistung (P) der Heizeinrichtungen (14) abzüglich berechneter spezifischer Leistung (Pop) berechnet wird und bei positiver spezifischer Leistungsdifferenz der linken Seite (5) der Weiche (3) oder der rechten Seite (6) der Weiche (3) diese spezifische Leistungsdifferenz der jeweiligen anderen Seite der Weiche (3) zusätzlich zur spezifischen Leistung (P) der Heizeinrichtung (14) zu Verfügung gestellt wird, so dass ein gleichmäßiger zeitlicher Verlauf der Schienentemperaturen der Weiche (3) an der linken Seite (5) der Weiche (3) und an der rechten Seite (6) der Weiche (3) an den funktionsrelevanten Stellen (19) der Weiche (3) erfolgt.
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine Steuereinrichtung zur Steuerung und Regelung einer Weichentemperatur einer Weichenheizung (1) eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gelöst, wobei die Weichenheizung (1) mindestens eine an zumindest einer Weiche (3) angeordnete Heizeinrichtung (14), zumindest einen Weichentemperatursensor (28) an der zumindest einen Weiche (3) und zumindest eine Energieverteilung mit mindestens einem Heizabgang pro Weiche (3) aufweist, die Steuereinrichtung umfassend:
    • eine CPU zur Berechnung der Weichentemperaturen der Weiche (3) für zumindest ein Weichensegment, die mit der Steuereinrichtung über Kommunikationsmittel verbunden ist,
    • zumindest einen abseits der Weiche (3) angeordneten Anschlusskasten, der mindestens ein Schaltgerät aufweist, das über Leitungen mit den Heizeinrichtungen (14) der Weiche (3) verbunden sind, sowie Messmittel zur zeitlichen Erfassung von Betriebsstrom, Spannung und Isolationswiderstand und Mittel zur Begrenzung der maximalen Leistung aufweist,
    • zumindest ein Kommunikationsmittel, das in dem Anschlusskasten angeordnet und mit der Steuereinrichtung verbunden ist,
    • zumindest einen Niederschlagsensor zur Erfassung von Niederschlagsart und Niederschlagsmenge, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
  • Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung weist grundsätzlich die gleichen Vorteile auf wie das erfindungsgemäße Verfahren. Insbesondere stellt die die erfindungsgemäße Steuereinrichtung die apparative Grundlage bereit, um eine Weiche (3) repräsentativ durch ein Weichensegment abzubilden, welches sowohl die linke Seite (5) der Weiche (3) als auch die rechte Seite (6) der Weiche (3) einbezieht. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Wärmenetz (26, 27) über einen repräsentativen Querschnitt der Weiche (3) gebildet werden, mit welchem durch die erfindungsgemäße Steuereinrichtung die Erwärmung der gesamten Weiche (3) möglichst gleichmäßig ausgeführt wird.
  • Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:
    • Fig. 0
    eine schematische Draufsicht auf eine Weiche 3,
    Fig. 1
    eine schematische Schnittdarstellung eines Weichensegments mit anliegender Zungenschiene 10 und abliegender Zungenschiene 11,
    Fig. 2
    eine zeitliche Darstellung der Erwärmung einer Weiche 3 mit einer Weichenheizung entsprechend dem Stand der Technik,
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmenetzes 26, 27 für ein Weichensegment der Weiche 3 bestehend aus Backenschiene 7, Zungenschiene 8, Gleitstuhlplatte 9 und Heizeinrichtung 14,
    Fig. 4
    ein Modell zur Berechnung der Anheizzeit mit und/ ohne Schnee,
    Fig. 5
    ein Beispiel für einen Programmablaufplan zur Dimensionierung der Leistung einer Heizeinrichtung 14 in Abhängigkeit projektspezifischer Betriebsgrenzwerte.
    Fig. 6
    ein Beispiel für einen Programmablaufplan zur Bewertung der Funktion der Weichenheizung 1 in Abhängigkeit der Witterung und damit Nachweis der Verfügbarkeit der Weiche 3 im Winter mit vorhandener Leistung der Heizeinrichtung 14 und
    Fig. 7
    ein Beispiel für einen Programmablaufplan (zur besseren Übersicht auf zwei Seiten verteilt) zur Steuerung und Regelung einer erfindungsgemäßen Weichenheizung 1.
  • Nachstehend wird die Erfindung im Detail beschrieben, wobei diese Beschreibung anhand konkreter Ausführungsformen den Schutzbereich der Patentansprüche nicht einschränkt.
  • Um mit möglichst wenigen Weichentemperatursensoren 28 die vorstehend bereits benannten Ziele zu erreichen, besteht die vorliegende Erfindung unter anderem darin, die Steuerung und Regelung sowie die Dimensionierung der Heizeinrichtungen 14 und die die Ermittlung von Betriebsgrenzen bestehender Weichenheizungen durch Bewertung der Weichentemperaturen der Weiche 3 an den funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3 im Winter für die erfindungsgemäße Weichenheizung 1 mittels Berechnung vorzunehmen. Erfindungsgemäß erfolgt das über das Wärmenetz 26 der linken Seite 5 der Weiche 3 und über das Wärmenetz 27 der rechten Seite 6 der Weiche 3 für zumindest ein Weichensegment analog zu elektrischen Strömungsfeldern, indem die Steuerung und Regelung der spezifischen Leistung der Heizeinrichtung 14 der erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 durch Bewertung über mittels Wärmenetz 26, 27 berechnete Temperaturen an Weichensegment Weichenspitze 34, Weichensegment Weichenmitte 35 und Weichensegment Weichenende 36 für die linke Seite 5 der Weiche 3 und die rechte Seite 6 der Weiche 3 in Abhängigkeit der Weichenstellung, das heißt für an der Backenschiene anliegende Zungenschiene 10 und für abliegende Zungenschiene 11, und in Abhängigkeit der Witterung erfolgt. Die berechneten optimalen Weichentemperaturen Top der Weiche 3 werden mit den über einen Weichentemperatursensor 28 erfassten zeitlichen Verlauf der realen Weichentemperatur Tw der Weiche 3 aus mindestens drei Messwerten nach Ablauf der Totzeit einer beheizten Schiene mit dem Weichentemperatursensor 28 zumindest einer Weiche 3 verglichen. Bei Differenzen einschließlich einer Toleranz, die bspw. aus Wind und Sonnenstrahlung entstehen können, wird dieser zeitliche Verlauf über Konvektionsverluste und Strahlungsleistung korrigiert.
  • Die erfindungsgemäße Lösung der vorstehend genannten Aufgaben erfolgt mit einer thermischen Modellierung des Temperaturverlaufs mit Aufteilung der Weiche 3 in Weichensegmente der linken Seite 5 und der rechten Seite 6 für die zur Bewertung der Funktion charakteristischen Bereiche Weichenspitze 16, Weichenmitte 17 und Weichenende 18 unter Berücksichtigung des Abstandes zwischen Backenschiene 7 und Zungenschiene 8 aufgrund der Weichenstellung, des Schienenprofils, der Art der Gleitstuhlplatte 9 mit oder ohne Rollen, der Niederschlagsart und der Niederschlagsmenge, der Windgeschwindigkeit und der Umgebungstemperatur sowie einer möglichen Wärmedämmung bzw. Winddämmung. Dabei werden für die Weichensegmente bei Betrieb mit jeweiliger spezifischen Leistung der Heizeinrichtung 14 der zeitliche Verlauf der Weichentemperaturen Top der Weiche 3 und der spezifischen Leistungsverluste mit iterativen Lösungsverfahren berechnet und mit über Weichentemperatursensoren 28 erfasstem zeitlichen Verlauf der realen Weichentemperaturen Tw der Weiche 3 verglichen. Bei Differenzen werden diese unter Berücksichtigung einer Toleranz korrigiert und an funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3, die im Winter für die Funktion der Weiche 3 maßgeblich sind, bewertet, so dass bei Betrieb mit ermittelter witterungsabhängiger optimaler spezifischer Leistung die Heizeinrichtung 14 aktiviert werden und an diesen Stellen eine Schienenmindesttemperatur Tmin der Weiche erreicht wird. Damit wird mit minimalem Energieeinsatz eine gleichmäßige Erwärmung der linken Seite 5 der Weiche 3 und rechten Seite 6 der Weiche 3 über die gesamte Länge der Weiche 3 erreicht und damit eine hohe Verfügbarkeit im Winter gewährleistet.
  • Bei der Dimensionierung wird die erforderliche spezifische Leistung der Heizeinrichtung 14 aufgrund lokaler grenzwertiger Umgebungsbedingungen ermittelt. Bei der Ermittlung von Betriebsgrenzen der erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 werden bei vorhandenen Weichenheizungen die Weichenendtemperaturen Twn der Weiche 3 an funktionsrelevanten Stellen 19 bei maximalen Grenzwerten der Umgebungsbedingen ermittelt, bei denen die betreffende Weichenheizung 1 mit vorhandener spezifischer Leistung der Heizeinrichtungen 14 im Betrieb im Winter gerade noch funktioniert. Damit kann der Betreiber entscheiden, ob diese Betriebsgrenze ausreichend oder nichtausreichend für seine Witterungsbedingungen ist.
  • Dafür soll für lokale, projektspezifische und charakteristische ungünstigste Umgebungsbedingungen und alle Typen von Weichen 3 mit entsprechendem jeweiligen Schienenprofil mit einem Programm die erforderliche spezifische Leistung der Heizeinrichtung 14 für beispielsweise einen Meter Länge berechnet werden, die für die Heizeinrichtungen 14 erforderlich sind, damit die erfindungsgemäße Weichenheizung 1 bei diesen Grenzwerten im Winter erfolgreich funktioniert. Das heißt, die Weiche 3 wird schneefrei gehalten wird und friert nicht fest. Zur Bewertung der Funktion werden an den funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3 Schienenmindesttemperaturen der Weiche 3 definiert und die Verlustleistungen bei diesen Bedingungen aus Wärmestrahlung 30, Konvektion 3), Wärmeleitung 33 und Wärmespeicher 32 unter Berücksichtigung des Einbauortes der Heizeinrichtung 14 und der Stellung der Zungenschiene 8 an den Weichensegmenten der linken Seite 5 der Weiche 3 und der rechten Seite 6 der Weiche 3 an Weichenspitze 16, Weichenmitte 17 und Weichenende 18 berechnet. Die Summe der Verlustleistungen jedes Weichensegments der linken Seite 5 der Wiche 3 und/oder der rechten Seite 6 der Weiche 3, bei der die Schienenmindesttemperaturen der Weiche 3 erreicht und die Schneemenge geschmolzen wird, entspricht der erforderlichen spezifischen Heizleistung für die jeweilige Seite und den jeweilige Bereich der Weiche 3. Die Heizeinrichtungen weisen eine Länge von bis zu 6 m auf. Deshalb wird vorteilhaft die erforderliche spezifische Heizleistung der Heizeinrichtungen 14 aus der berechneten maximalen Summe der Verlustleistung der Weichensegmente der linken Seite 5 der Weiche 3 und der rechten Seite 6 der Weiche 3 ermittelt.
  • Diese Ermittlung erfolgt derart, dass u.a. für ein bestimmtes Schienenprofil, z.B. R54, minimale Umgebungstemperaturen und maximale Schneemenge vorgegeben werden und für funktionsrelevante Stellen 19 von Weichensegmenten an Weichenspitze 34, Weichenmitte 35 und Weichenende 36 der zeitliche Verlauf und die Verlustleistungen der Wärmleitung 33, der Schmelzleistungen und der Verdampfungsleistung Pv die optimalen Weichentemperaturen (Top) berechnet und bewertet sowie erkannt werden, ob die gesamte Schneemenge geschmolzen wird. Es werden folgende projektspezifische Eingaben eingegeben, die die Betriebsgrenze der erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 darstellen, d.h. bei denen die Funktion der Weichen 3 im Winter noch gewährleistet sein soll:
    • Weichenprofil, z.B. R54 mit unterschiedlichen Abmessungen und Gewicht an Weichenspitze 16, Weichenmitte 17 und Weichenende 18,
    • Schienensolltemperatur TSoll der Weiche 3,
    • Schienenmindesttemperatur Tmin der Weiche 3 und/oder minimale Umgebungstemperatur Tu-min,
    • maximale Schneemenge hS-max,
    • maximale Anheizzeit beheizte Schiene tAn-max,
    • maximale Windgeschwindigkeit umax.
  • Das Berechnen der Endwerte der Verlustleistungen für das Weichensegment rechte Seite 6 der Weiche 3 und das Weichensegment linke Seite 5 der Weiche 3 erfolgt bei einer Weichenendtemperatur der Weiche 3, die zumindest der absoluten Summe aus Schienenmindesttemperatur Tmin der Weiche 3 oder der Umgebungstemperatur Tu und der unteren Weichensolltemperatur (bspw. 7 °C abzüglich 4 °C Hysterese ergibt 3 °C) der Schienenmindesttemperatur der weiche 3 der beheizten Schienen, bspw. Backenschienen 7 links und rechts (z.B. Knoten K Backenschienenfuß) und/oder der parametrierten Mindesttemperatur an den funktionsrelevanten Stellen 19, z.B. + 1 °C entspricht, wobei die Summe der Verlustleistungen der erforderlichen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung 14 in Watt pro Meter für eine Länge der Heizeinrichtung 14 entspricht.
  • Aus maximaler Schneemenge hs, den waagerechten Flächen des Weichensegments und der mittleren Dichte von Schnee, z.B. von 100 kg/m3, bei Lufttemperatur kleiner 0 °C und 200 kg/m3 bei Lufttemperatur größer 0 °C und einer mittleren spezifischen Schmelzwärme von bspw. 335 kJ/Kg wird die erforderliche Schmelzleistung für die Schneemenge in einer Stunde ermittelt. Schnee beginnt bei 0 °C zu schmelzen. Die gesamte erforderliche spezifische Leistung der Heizeinrichtungen 14 ergibt sich aus der Summe der Verlustleistungen bei bspw. 0 °C und der Schmelzleistung der Schneemenge, die zwischen Heizbeginn und Erreichen der Schienenmindesttemperatur Tmin der Weiche 3 von bspw. 0 °C am Fuß-Backenschiene gefallen ist. Die gefallene Schneemenge ermittelt sich aus erfasster Schneemenge und der Zeit bis zum Erreichen der Schienenmindesttemperatur Tmin der Weiche 3, die der Schmelztemperatur von Schnee entspricht.
  • Eine erfolgreiche Funktion der erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 im Winter soll an den funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3 eine Schienenmindesttemperatur Tmin der Weiche 3 an linker Seite 5 der Weiche 3 und rechter Seite 6 der Weiche 3 gewährleisten, wobei die Schienenmindesttemperatur Tmin der Weiche 3 der Schmelztemperatur von Eis und Schnee entspricht. Diese funktionsrelevanten Stellen sind:
    Backenschienen-Kopf (Index Ko-Ba)
    Backenschienen-Fuß (Index Fu-Ba)
    Zungenschienen-Kopf (Index Ko-Zu)
    Gleitstuhlplatte -außen (Index GL-au)
    an der linken Seite 5 der Weiche 3 und der rechten Seite 6 der Weiche 3. An diesen funktionsrelevanten Stellen 19 erfolgt die positive Bewertung der Funktion der erfindungsgemäße Weichenheizung 1, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind.
  • Dabei berücksichtigt der Faktor k Temperaturdifferenzen aufgrund von Wärmeleitungen zwischen den Stellen T Fu − Ba > T Soll
    Figure imgb0014
     T Ko − Ba > = T min
    Figure imgb0015
     T Fu − Zu > = k x T Soll
    Figure imgb0016
     T Ko − Zu > = T min
    Figure imgb0017
     T GL − mi > = k x T Soll
    Figure imgb0018
     T Gl − au > = T min
    Figure imgb0019
  • Damit für alle Weichentypen nur ein Programm erforderlich ist, erfolgt die Bewertung an typischen Weichensegmenten für die linke Seite 5 der Weiche 3 und die rechte Seite 6 der Weiche 3 über die Bereiche Weichenspitze 35, Weichenmitte 36 und Weichenende 37. Bewertet werden parametrierbare Werte für die linke Seite 5 der Weiche 3 und die rechte Seite 6 der Weiche 3 eines Weichensegments, bspw: T Fu − Ba − min = Weichensolltemperatur * k mit k = 1,5
    Figure imgb0020
     T Ko − Ba − min = 0 ° C
    Figure imgb0021
     T Fu − Zh − min = Weichensolltemperatur * k mit k = 0,5
    Figure imgb0022
     T Ko − Zu − min = 0 ° C
    Figure imgb0023
     T GL − mi − min = Weichensolltemperatur * k mit k = 0,5
    Figure imgb0024
     T GL − au − min = 0 ° C
    Figure imgb0025
  • Anheizzeit tA <= t A-max geschmolzene Schneemenge während der Anheizzeit t Am größer gefallene Schneemenge hs durch Bewerten der vorhandenen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung 14 mit der erforderlichen Erhaltungsleistung Perh zuzüglich Schmelzleistung für die gefallenen Schneemenge.
  • Mit dem Berechnungsverfahren in Verbindung mit einer Steuereinrichtung zu Steuerung und Regelung können folgende Maßnahmen zur Gewährleistung der Funktion der Weiche 3 bei minimalem Energieverbrauch über den gesamten Betriebsbereich aktiviert werden.
    • Einstellen der berechneten optimalen Leistung der Heizeinrichtung 14 über Gruppensteuerung, Wellenpaketsteuerung, Pulsweitenmodulation und Frequenzänderung in Abhängigkeit der Art der Heizeinrichtungen
  • Anordnung von zusätzlichen Heizeinrichtungen 29 an der Zungenschiene 8 und/oder den Gleitstuhlplatten 9, die über das Berechnungsmodell zeitlich oder über Leistungsaufteilung so aktiviert und gesteuert werden, dass ohne Erhöhung der Anschlussleistung die funktionsrelevanten Stellen 19 zeitlich gleichmäßig erwärmt werden und damit keine zeitlichen Nachteile einzelner Teile der Weiche 3 eintreten.
  • Bei mittels Berechnungsverfahren prognostizierten Defiziten der Weichentemperaturen der Weiche 3 aufgrund unzureichend vorhandener spezifischer Leistung der Heizeinrichtung 14 an der abliegender Zungenschiene 11 erfolgt frühzeitige Warnmeldung oder Meldung möglichst Weiche 3 umstellen und/oder Vorheizen auf eine geringe Schienensolltemperatur der Weiche 3, so dass bei Wetterextremen durch bspw. starken Schneefall der Schnee sofort schmilzt.
  • Zur erfolgreichen Funktion der erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 ist eine gleichmäßige Erwärmung der funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3 der anliegenden und abliegenden Zungenschiene 8 erforderlich. Da die Weiche 3 im Betrieb laufend in Abhängigkeit der Fahrtrichtung umgestellt wird und für die Weichenstellung keine Sensoren zur Detektion der Lage der Zungenschiene 8 möglich sind, wird vorschlagen, durch Auswertung des berechneten zeitlichen Verlauf der Weichentemperatur der Weiche 3 an der linken Seite 5 der Weiche 3 und an der rechten Seite 6 der Weiche 3 die Lage der Zungenschienen 8 zu detektieren
  • Heizeinrichtung-Bestückungsvarianten sind:
    Heizeinrichtung 14 an den Backenschienen 7 und zusätzliche Heizeinrichtung 29 an den Zungenschienen 8 und bei Beginn des Betriebes Anheizen von ersten Schienen mit 100 % spezifischer Leistung der Heizeinrichtung 14, wobei erste Schienen Backenschienen 7 oder Zungenschiene 8 oder Gleitstuhlplatten 9 sein können, und bei Erreichen der Schienensolltemperatur TSoll der Weiche 3 an der ersten Schiene Reduzieren der jeweiligen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung 14 oder 29 auf maximal spezifische Erhaltungsleistung PErh oder geringer oder Ausschalten derselben und Aktivieren der zusätzlichen Heizeinrichtung 29 an der Zungenschiene 7 oder den Gleitstuhlplatten 9 mit der verbleibenden spezifischen Leistung ab dieser Zeit und nur in den Heizpausen der Heizeinrichtung 14 der ersten Schienen bspw. über Gruppenbetrieb während zyklischer Taktzeiten bei elektrischen Heizstäben.
  • Bei berechneten Defiziten vor einer Heizanforderung bspw. durch Schnee an der Wetterstation erfolgt Aktivieren von zusätzlichem Heizregime "Vorheizen", bspw. bei möglichen Wetterextremen über separate Wetterdaten aus einer örtlichen Wetterstation bzw. über einen Wetterdienst derart, dass ein zweite Schienensolltemperatur der Weiche 3 berechnet wird und die erfindungsgemäße Weichenheizung 1 über Vorheizen in Betrieb geschaltet wird und auf diese zweite Schienensolltemperatur der Weiche 3 geregelt wird, wobei die zweite Schienensolltemperatur der Weiche 3 so groß ist, dass bei Eintreten der tatsächlichen Wetterextreme der Schnee geschmolzen und die Funktion der Weiche 3 gewährleistet und bei Ausbleiben der Wetterextreme das Vorheizen beendet wird.
  • Bei Bestückung der Backenschiene 7 und der Zungenschiene 8 und/oder der Gleitstuhlplatten 9 mit zusätzliche Heizelementen 29 erfolgt bei Betrieb während der Anheizzeit die Aktivierung der Heizeinrichtungen 14 immer nacheinander, d.h. zuerst Aktivieren der Heizeinrichtung 14 der ersten Schiene mit einem Leistungsverhältnis 100 % und nach Erreichen der Schienensolltemperatur der Weiche 3 Aktivieren der Heizeinrichtung 29 der zweiten Schiene in den Heizpausen der Heizeinrichtung 14 der ersten Schiene und im Regelbetrieb, d.h. wenn beide Schienen Schienensolltemperatur der Weiche 3 aufweisen, erfolgt Gruppenbetrieb oder Wellenpaketsteuerung oder gleichzeitiger Heizbetrieb aller Heizeinrichtungen 14, 29 mit verringerter spezifischer Leistung oder aktiver Heizzeit, wobei die Summe der spezifischen Leistung der Heizeinrichtungen 14, 29 der linken Seite 5 der Weiche 3 und der rechten Seite 6 der Weiche 3 maximal der spezifischen Leistung der Heizeinrichtung 14 entsprechen.
    • Bewerten Schneeschmelzen über die Leistungsbilanz während der Anheizzeit, indem die spezifische Heizleistung größer oder gleich der spezifische Erhaltungsleistung zuzüglich der Schmelzleistung für Schnee ist
  • Korrektur des berechneten zeitlichen Verlaufs der Schienensolltemperatur der Weiche 3 mit dem tatsächlich erfassten zeitlichen Verlauf der Weichentemperatur der Weiche 3 mittels Weichentemperatursensor 28 unter Berücksichtigung von Strahlungswärme durch Sonnenstrahlung und Windeinfluss über Konvektion.
  • Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung der Figuren gegeben.
  • In Figur 0 ist eine Weiche 3 schematisch in Draufsicht dargestellt. Die Weiche 3 wird eingeteilt in Weichenspitze 16, Weichenmitte 17 und Weichenende 18. Es sind Backenschienen 7 und Zungenschienen 8 dargestellt. Die Zuordnung der rechten Seite 6 der Weiche 3 erfolgt von der Zungenspitze 16 in Blickrichtung (Bezugszeichen 2) zum Weichenende 18. An der linken Seite 5 der Weiche 3 ist die abliegende Zungenschiene 11 und an der rechte Seite 6 der Weiche 3 ist die anliegende Zungenschiene 10 dargestellt. An einer Backenschiene 7, hier an der linken Seite 5 der Weiche 3, ist ein Weichentemperatursensor 28 angeordnet. Im Bereich der Weichenspitze 16 ist bspw. ein Weichensegment Weichenspitze 34, im Bereich der Weichenmitte 17 ist ein Weichensegment Weichenmitte 35 und im Bereich Weichenende 18 ist ein Weichensegment Weichenende 36 jeweils für linke Seite 5 der Weiche 3 und die rechte Seite 6 der Weiche 3 angeordnet. Der Weichentemperatursensor 28 befindet sich an der Weichenspitze an der rechten Seite 6 der Weiche 3 oder an der linken Seite 5 der Weiche 3. Weiterhin sind die im Stützknaggenbereich vorhandenen Stützknaggen 13 dargestellt, diese dienen auf der Seite der anliegenden Zungenschiene 10 dem Abstützen der Zungenschiene 8 gegenüber der Backenschiene 7 bei Befahren der Zungenschiene 8 mit dem Zug.
  • In Figur 1 ist ein schematische Schnittdarstellung der Weiche 3 aus Figur 0 am Weichensegment Weichenspitze 34 mit linker Seite 5 der Weiche 3 und rechter Seite 6 der Weiche 3 dargestellt. An der linken Seite 5 der Weiche 3 ist die abliegende Zungenschiene 11 und an der rechten Seite 6 der Weiche 3 die anliegende Zungenschiene 12 dargestellt. Die funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3 im Winter sind an der linken Seite 6 der Weiche 3 durch die Bewertungspunkte (37 bis 43 dargestellt. Durch die erfindungsgemäße Weichenheizung 1 sollen diese funktionsrelevanten Stellen 19, gekennzeichnet durch die Bewertungspunkte 37 bis 43 im Winter bei negativen Umgebungstemperaturen so erwärmt werden, dass der daran befindliche Schnee bzw. Eis geschmolzen wird. Die Bewertungspunkte 37 bis 43 an der linke Seite 5 und an der rechten Seite (69 der Weiche der Weiche 3 sind die Bewertungspunkte Fuß-Backenschiene 37, Steg-Backenschiene 38, Kopf-Backenschiene 39, Fuß-Zungenschiene 40, Kopf-Zungenschiene 41, Mitte-Gleitstuhlplatte 42 und Außen-Gleitstuhlplatte 43 dargestellt, die jeweils durch Knoten K des Wärmenetzes 26, 27 repräsentiert werden und den funktionsrelevanten Stellen 19 der rechten Seite 6 der Weiche 3 und der linken Seite 5 der Weiche 3 entsprechen. Der Weichentemperatursensor 28 ist an der linken Backenschiene 7 zwischen zwei Schwellen 24 angeordnet und die damit erfassten realen Weichentemperaturen Tw an der Backenschiene 7 linke Seite 5 der Weiche 3 können mit den berechneten optimalen Weichentemperaturen an dieser funktionsrelevanten Stelle 19 mit den berechneten optimalen Weichentemperaturen T W-op verglichen und bei Differenzen korrigiert werden. Im Betrieb wird der Fahrweg der Weiche 3 durch Verstellen der Zungenschienen 8 laufend verändert, indem an linker Seite 5 der Weiche 3 und rechter Seite 6 der Weiche 3 die Zungenschiene 8 abwechselnd an- oder abliegend von der Backenschiene 7 ist. Sensoren zur Detektion der Stellung der Zungenschiene 8 sind nicht vorhanden. Die Detektion der Stellung der Zungenschienen 8 an den Backenschienen 7 anliegend oder abliegend erfolgt durch Bewerten der berechneten optimalen Weichentemperaturen T W-op an jeweiligen Bewertungspunkten der funktionsrelevanten Stellen 19, vorzugsweise an Bewertungspunkt Kopf-Zungenschiene 41. Die Weiche wird mit einer Heizeinrichtung 14 am Backenschienenfuß beheizt.
  • In Figur 2 ist bei Betrieb einer Weichenheizung entsprechend dem Stand der Technik zum Zeitpunkt t1 durch Schneefall und einer dadurch erzeugten Heizanforderung "Ein" der zeitliche Verlauf der realen Weichentemperatur TW-Fu-Ba an einer Schiene, an der die Heizeinrichtung 14 angeordnet ist, bspw. an Fuß-Backenschiene, und der zeitliche Verlauf der realen Weichentemperatur TW-Au-GL an einer nicht mit Heizeinrichtung 14 versehenen Schiene, an einer funktionsrelevanten Stelle einer Weiche, bspw. Außen-Gleitstuhlplatte- dargestellt. Nach einer durch die Masse bestimmten Totzeit steigt die reale Weichentemperatur T W-Fu-Ba an der mit Heizeinrichtung bestückten Backenschiene schnell an. Bei Erreichen der Weichensolltemperatur TSoll zur Zeit t6 wird bei Zweipunktregelung die Heizung abgeschaltet und nach einem geringen Überschwingen der realen Weichentemperatur aufgrund der Masse der Schiene bis zur Zeit t7 kühlt diese bis zur Zeit t8 ab und der Heizstrom (IN) wird zu dieser Zeit wieder eingeschaltet. Die Zeit von t1 bis t6 wird als Anheizzeit tA und die Zeit ab t6 bis t9, mit Regelzeit bezeichnet. Die von der Heizeinrichtung entfernt liegende und nicht mit Heizeinrichtung 14 versehene Gleitstuhlplatte wird nur sehr langsam erwärmt und hat zum Zeitpunkt t6 eine sehr geringe reale Weichentemperatur T W-Außen-GL, die weit unter der Weichensolltemperatur ist.
  • Zum Zeitpunkt t6 wird durch die parametrierte Hysterese von bspw. 4 °C der Heizstrom für alle Heizeinrichtungen der Weiche ausgeschaltet, so dass auch an der Gleitstuhlplatte die Kühlung einsetzt. Die Weichentemperaturdifferenz ΔTW zur Zeit t6 zwischen Fuß Backenschienen und Gleitstuhlplatt ist sehr groß. Diese Weichentemperaturdifferenz ΔTW ist bei einer Umgebungstemperatur von bspw. - 15 °C so groß, dass an der Gleitstuhlplatte außen die Weichentemperatur auch nach sehr langer Zeit kleiner 0 °C beträgt und die Weiche an dieser Stelle Eis ansetzt und festfrieren kann. In Figur 2 ist der zeitliche Verlauf des Heizstromes IN bei Heizanforderung Ein dargestellt, der bei Betrieb zwischen Null und maximalen Heizstrom IN in Abhängigkeit der Weichentemperatur am Fuß der Backenschiene ein- und ausgeschaltet wird und dadurch Leistungsspitzen zwischen Null und Nennstrom zur Folge hat. Zu den Zeitpunkten t3, t4 und t5 werden jeweils die Temperaturen am Weichentemperatursensor (28) gemessen und zur Bewertung bzw. Korrektur der berechneten optimalen Weichentemperaturen.
  • In Figur 3 ist für Weichensegment der Weiche 3 ein erfindungsgemäßes Wärmenetz 26 für die linke Seite 5 der Weiche 3 und teilweise ein analoges Wärmenetz 27 für die rechte Seite 6 der Weiche 3 entsprechend einer Schnittdarstellung nach Figur 1 an einem beliebigen Bereich der Weiche 3 dargestellt, die über den Knoten K Umgebungstemperatur KTU verbunden sind. Heizeinrichtungen 14, 29 sind bspw. an der Backenschiene 7 auf dem Backenschienenfuß innen angeordnet. Das Wärmenetz 26 für die linke Seite 5 der Weiche 3 und das Wärmenetz 27 für die rechte Seite 6 der Weiche 3 basieren auf einer Schnittdarstellung längs der Gleitstuhlplatte 9 auf der linken Seite 5 der Weiche 3 und der gegenüberliegenden Gleitstuhlplatte 9 auf der rechten Seite 6 der Weiche 3 und dem Querschnitt der Backenschiene 7 und der Zungenschiene 8 auf der linken Seite 5 der Weiche 3 und Backenschiene 7 und Zungenschiene 8 auf der rechten Seite 6 der Weiche 3 an einem beliebigen Weichenbereich 4 der Weiche 3 mit Symbolen Heizeinrichtung 29, Symbolen Wärmestrahlung 30, Symbolen Konvektion 31, Symbolen Wärmeleitung 33 und Symbolen Wärmespeicher 32 zwischen den funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3, die durch Knoten K repräsentiert werden.
  • Im Wärmenetz 26 der linken Seite 5 der Weiche 3 ist zwischen der Umgebungstemperatur Tu, die durch Knoten K Umgebungstemperatur KTU repräsentiert wird, und funktionsrelevanten Stellen 19, die ebenfalls durch Knoten K repräsentiert werden, ein Wärmenetz vorhanden, das mit bekannten Regeln berechnet werden wird. Die Knoten K für die funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3 für das Wärmenetz 26 für die linke Seite 5 der Weiche 3 und für das Wärmenetz 27 für die rechte Seite 6 der Weiche 3 sind gleich und entsprechend der Bewertungspunkte 37 bis 43, aber die Verlustleistungen der anliegende Zungenschiene 10 und abliegende Zungenschiene 11 sind unterschiedlich. Die folgende Tabelle zeigt den Zusammenhang zwischen den funktionsrelevanten Stellen 19, den entsprechenden Knoten K und der erforderlichen Weichentemperatur TW, die an den jeweiligen Knoten K mit der Bezeichnung T W-op berechnet wird und in einem separaten Programm bewertet wird für das Wärmenetz 26 für die linke Seite 5 der Weiche 3. Das Wärmenetz 27 für die rechte Seite 6 der Weiche 3ist analog dazu und über den Knoten K Umgebungstemperatur KTU verbunden.
    Bezeichnung funktionsrelevante Stelle 19 Knoten K Erforderliche Weichentemperatur TW in Grad Celsius
    Umgebungstemperatur KTU Temperatur-Bereich + 10 °C bis - 20 °C
    Backenschienen-Fuß linke Seite KFu-Ba-Li größer als k fache der Schienensolltemperatur
    Backenschienen-Steg linke Seite KSt-Ba-Li Größer oder gleich Schienenmindesttemperatur
    Backenschienen-Kopf linke Seite KKo-Ba-Li Größer oder gleich Schienenmindesttemperatur
    Zungenschienen-Kopf linke Seite KKo-Zu-Li Größer oder gleich Schienenmindesttemperatur
    Zungenschienen-Steg linke Seite KSt-Zu-Li Größer oder gleich Schienenmindesttemperatur
    Zungenschienen-Fuß linke Seite KFu-Zu-Li Größer oder gleich Schienenmindesttemperatur
    Gleitstuhlplatte-mitte linke Seite KGl-mi-Li Größer oder gleich Schienenmindesttemperatur
    Gleitstuhlplatte-außen linke Seite KGl-au-Li Größer oder gleich Schienenmindesttemperatur
  • Zur Berechnung der Weichentemperaturen der Weiche 3 und der Verlustleistungen wird das Weichensegment in Abschnitte zerlegt und jeder Abschnitt wird durch einen Knoten K repräsentiert, der die mittlere Weichentemperatur Tw des zugeordneten Abschnittes angibt. Die Größe der Abschnitte bzw. die Anzahl der Knoten K hängen von der geforderten Nachbildungsgenauigkeit ab. Für alle Knoten K werden die Verlustleistungen und Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten aus den Stoffeigenschaften, den geometrischen Größen und den vorherrschenden Belastungen durch Heizstrom IN und Umwelt berechnet. Aus der Verbindung der Knoten K durch Widerstände, Kondensatoren und Spannungsquellen entsteht ein Netzwerk, das mit Hilfe des Knoten- und Maschensatzes numerisch gelöst werden kann. Wird die Leistungsbilanz für einen Knoten K erstellt, gilt der Kirchhoffsche Satz (Knotensatz). P S + P K + P L = P Lei + P c
    Figure imgb0026
  • Nach dem 2. Kirchhoffschen Satz (Maschensatz) folgt, dass entlang einer geschlossenen Linie, d. h. einer Masche, die Summe der vorzeichenbehafteten Temperaturdifferenzen gleich Null ist. Mit einem Softwareprogramm erfolgt die Berechnung der Verlustleistungen und der Wärmetransportvorgänge. Die temperaturabhängigen Wärmeleistungen und Wärmewiderstände werden entsprechend den bekannten Berechnungsgrundlagen berechnet und an den funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3, die im Wärmenetz 26, 27 durch Knoten K repräsentiert werden, und unter Einbeziehung der Wärmekapazitäten die Endtemperatur und der zeitliche Verlauf der Weichentemperaturen berechnet.
  • In Figur 4 wird zunächst die Anheizzeit tA dargestellt. Bei erfüllten Bedingungen für den Heizbetrieb, bspw. bei Schnee, wird über Signal Heizanforderung aus der Steuereinrichtung die Heizung in Betrieb gesetzt und die Heizeinrichtungen 14 an den Backenschienen 7 werden eingeschaltet und nach erreichender Weichensolltemperatur TSoll über Zweipunktregelung mit Hysterese geregelt und dadurch die Teile der Weiche 3 erwärmt. Die nicht mit Heizeinrichtung 14 versehenen Zungenschienen 8 und Gleitstuhlplatten 9 werden durch Wärmeleitung und Strahlung erwärmt. Die Anheizzeit tA beginnt mit Aktivierung der Heizung und endet bei Erreichen der Weichensolltemperatur TSoll an einem Weichentemperatursensor 28, der unter dem Fuß an einer Backenschiene 7 angeordnet ist. Die Dauer der Anheizzeit tA ist von vielen Faktoren abhängig und soll zur Sicherung der Verfügbarkeit berechnet, überwacht und bei Bedarf entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden.
  • Die Berechnung der Anheizzeit tA erfolgt für zumindest ein Weichensegmente für die linke Seite 5 der Weiche 3 und die rechte Seite 6 der Weiche 3 in mehreren Schritten unter Berücksichtigung von Zeiten, in denen die Erwärmung des Weichensegments bis zur Weichenmindesttemperatur TW-min der Weiche 3, Schnee schmelzen, Verdampfen von Wasser und danach bis zur Weichensolltemperatur TSoll der Weiche 3 erfolgt. In Figur 4 ist der zeitliche Verlauf der Weichentemperatur TW-Fu-Ba der Weiche 3 am Fuß einer Backenschiene 7 und der Weichentemperatur T W-GL-au außen der Weiche 3 der Gleitstuhlplatte 9 an einer Seite, bspw. der linken Seite 5 der Weiche 3, dargestellt. Im Folgenden werden die einzelnen Zeitabschnitte erläutert. Aufgrund der Massenträgheit besteht bei Betrieb eine Totzeit tT von t1 bis t2. Die Totzeit tT wird berechnet.
  • Die Anheizzeit tA ist die Zeit bis zum Erreichen der Schmelztemperatur von Schnee bis zur Zeit t 2.1. Ab der Zeit t2 wird die Weiche 3 bis zur Schmelztemperatur Ts erwärmt, die zur Zeit t 2.1 erreicht wird. Die Berechnung der Anheizzeit tA erfolgt über mit dem Wärmenetzmodell ermittelten Wärmewiderstand Rth und Wärmekapazität Cth und der Verlustleistung der Weiche 3 auf Grundlage des zeitlichen Verlaufs beginnend ab Weichentemperatur kalte Schiene TK der Weiche 3 bis zum Erreichender Schmelztemperatur Ts bspw. über die Formeln t A 1 = τ ln τ = R th C th
    Figure imgb0027
     τ = 1 1 − absT u ( 1 − absT K − T u
    Figure imgb0028
  • Die Zeit zum Schmelzen der gefallenen oder projektspezifisch erforderlichen Schneemenge besteht aus zwei Teilzeiten tA2 und tA3. Während der Zeit tA2 wird die Zeit zum Schmelzen der Schneemenge aus der Zeit tA1 berechnet und während der Zeit tA3 wird die während der Zeit tA2 gefallene Schneemenge berechnet. Die Berechnung der Schmelzleistung pro Stunde erfolgt aus Schneemenge hs und den waagerechten Flächen des Weichensegments und einer mittleren Dichte von Schnee, z.B. von 100 kg/m3 bei Lufttemperatur kleiner 0 °C und 200 kg/m3 bei Lufttemperatur größer 0 °C und einer mittleren spezifischen Schmelzwärme von bspw. 335 kJ/Kg. Schnee beginnt bei 0 °C zu schmelzen. Die Berechnung der spezifischen Leistung erfolgt deshalb bspw. bei einer Weichentemperatur von 0 °C an der Backenschiene 7 unter Berücksichtigung der erforderlichen optimalen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung 14 zur Erhaltung der Schmelztemperatur der Backenschiene 7, die der Summe der Verlustleistungen bei dieser Schmelztemperatur entspricht.
  • Die Berechnung der gesamten Anheizzeit tA2 plus tANH3 zum Schmelzen des gesamten Schneemenge aus der Anheizzeit tA1 und der Anheizzeit tA2 erfolgt aus dem Produkt aus Schmelzleistung pro Stunde und der Summe aus Zeit tANH1 und Zeit tANH2 und Totzeit tT.
  • Nachdem der Schnee geschmolzen ist, wird die Weiche 3 weiter erwärmt. Die Anheizzeit tA4 beginnt zur Zeit t 2.3 und endet mit Erreichen der Schienensolltemperatur TSoll der Weiche 3 durch den Weichentemperatursensor 28. Die Berechnung der Anheizzeit tA4 erfolgt über das mit Wärmenetzmodell ermittelten Wärmewiderstand Rth und Wärmekapazität Cth und der Verlustleistung auf Grundlage des zeitlichen Verlaufs beginnend ab Schmelztemperatur bis zum Erreichen der Weichensolltemperatur analog Pkt. 1 mit entsprechend absoluter Weichentemperatur aus der Differenz Weichensolltemperatur und Schmelztemperatur.
  • Während der Anheizzeit tA5 wird der Schnee aus der Anheizzeit tA4 geschmolzen. Die Berechnung erfolgt analog der Anheizzeit tA2 bzw. tA3.
  • Die gesamte Anheizzeit tA dauert von Zeit t1 bis t7 und wird aus der Summe aus Totzeit und Anheizzeiten tA1 bis tA5 ermittelt und bewertet.
  • In Figur 5 ist ein Programmablauf für die Dimensionierung einer erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 mit Berechnung der erforderlichen spezifischen Leistung der Heizeinrichtungen 14 in Abhängigkeit aller möglichen projektspezifische Eingabewerte, Parameter und Umgebungsbedingen dargestellt.
    1. Schritt: Start
    2. Schritt: Parametereingabe
    Die Parameter sind: minimale Umgebungstemperatur TU-min
    Weichensolltemperatur TSoll der Weiche 3
    Weichenmindesttemperatur Tw-min der Weiche 3
    maximale Windgeschwindigkeit vmax,
    maximale Schneemenge in cm pro Zeiteinheit h S-max,
    Weichenprofil R
    3. Schritt: Parametrieren funktionsrelevanter Stellen
    Funktionsrelevante Stellen (19) sind bspw.
    Weichentemperatur Fuß-Backenschiene an- und abliegend linke Seite (T Fu-Ba-an, T Fu-Ba-ab)
    Weichentemperatur Kopf-Backenschiene an- und abliegend (T Ko-Ba-an, T Ko-Ba-ab)
    Weichentemperatur Kopf-Zungenschiene an- und abliegend (T Ko-Zu-an, T Ko-Zu-ab)
    Weichentemperatur Gleitstuhl-außen an- und abliegend (T GL-au-an, TGL-au-ab)
    Spezifische Schneemenge an- und abliegend (h S-an, h S-ab)
    an Weichenspitze 16, Weichenmitte 17 und Weichenende 18 jeweils eines Weichensegments. Die Heizeinrichtungen 14 sollen bspw. an den Backenschienen 7 angebracht werden, der Einbau der Heizeinrichtungen 14 erfolgt am Schienenfuß, die Weiche 3 soll ohne Wärme- bzw. Winddämmung ausgerüstet werden. Jede funktionsrelevante Stelle 19 wird durch einen Knoten K mit hier nicht näher bezeichneter Ortsangabe repräsentiert.
    • 4. Schritt: Berechnen der Weichentemperaturen und spezifischen Verlustleistungen ΣPV1 für 1. Weichensegment mittels Wärmenetzmodell aus den Stoffeigenschaften, den geometrischen Größen und den eingegebenen Parametern und Ausgabe der Summe Verlustleistung des Weichensegments und der Weichentemperaturen für die funktionsrelevanten Stellen 19 anliegende und abliegende Seite des Weichensegments
    • 5. Schritt: Berechnen spezifische Verlustleistungen ΣPVn für weitere Weichensegmente analog 4. Schritt
    • 6. Schritt: Die erforderliche spezifische Heizleistung Perf ergibt sich aus der Summe der Verlustleistungen ΣPVn jedes Weichensegments.
    • 7. Schritt: Prüfen, wird mit der berechneten spezifischen Leistung an dem Standort des Weichentemperatursensors, anliegende oder abliegende Seite, die Weichensolltemperatur erreicht? Bei "Ja" weiter zu Schritt 10., bei "Nein" weiter zu Schritt 8.
    • 8. Schritt: Bewertung
      Die berechnete Weichenendtemperatur der Weiche 3 am Fuß Backenschiene anliegende Seite TW-Fu-Ba-an oder abliegende Seite TW-Fu-Ba-ab ist kleiner als die Weichensolltemperatur TSoll der Weiche 3, Ergebnis ist Weichenendtemperatur der Weiche 3 an Backenschienenfuß (T W-Fu-Ba) ist zu gering, die Weichensolltemperatur TSoll der Weiche 3 wird nicht erreicht, weiter mit Schritt 9.
    • 9. Schritt: Erhöhen der spezifischen Leistung P der Heizeinrichtung 14 um einen Leistungszuschlag p von bspw. 10 Watt pro Meter und Wiederholung der Berechnung nach Schritt 4.
    • 10. Schritt: Prüfen, ist die berechnete Weichenendtemperatur der Weiche 3 am Kopf Backenschiene anliegende Seite TW-Ko-Ba-an oder abliegende Seite TW-Ko-Ba-ab kleiner als die Weichenmindesttemperatur TW-Min der Weiche 3? Ist bspw. die berechnete Weichentemperatur der Weiche 3 an Kopf-Backenschiene T op-Ko-Ba der anliegenden oder abliegende Seite kleiner als die parametrierte Weichenmindesttemperatur TW-Min, weiter mit Schritt 9. Ist die berechnete Weichentemperatur der Weiche 3 an Kopf-Backenschiene anliegende und abliegende Seite (T op-Ko-Ba-an, T op-Ko-Ba-ab ) größer oder gleich der Schienenmindesttemperatur der Weiche 3, weiter zu Schritt 11.
    • 11. Schritt: Prüfen, ist die berechnete Weichenendtemperatur der Weiche 3 am Kopf-Zungenschiene 21 anliegende Seite Top-Ko-Zu-an oder abliegende Seite TW-Ko-Zu-ab kleiner als die Weichenmindesttemperatur TW-Min der Weiche 3? Bei "JA" weiter zu Schritt 9., bei "Nein" weiter zu Schritt 12.
    • 12. Schritt: Prüfen, ist die berechnete Weichenendtemperatur der Weiche 3 an Außen-Gleitstuhlplatte anliegende Seite TW-GL-au -an oder abliegende Seite TW-GL-au-ab kleiner als die Weichenmindesttemperatur TW-Min der Weiche 3? Bei "JA" weiter zu Schritt 9., bei "Nein" weiter zu Schritt 13.
    • 13. Schritt: Schneemenge wird geschmolzen
      Prüfen, wird die maximale Schneemenge geschmolzen oder nicht über Vergleich der Summe aus berechneter spezifischer Erhaltungsleistung PErh bei Weichenmindesttemperatur TW-Min der Weiche 3 und spezifischer Schmelzleistung Psm für die maximale Schneemenge hS mit der berechneten spezifischen Leistung (Pop)? Ist die berechnete spezifische Leistung Pop größer oder gleich der Summe aus Erhaltungsleistung PErh und Schmelzleistung PSm, weiter zu Schritt 14., sonst weiter zu Schritt 9.
    • 14. Schritt: Ausgabe der erforderlichen spezifischen Leistung Heizeinrichtung P für eine Weichenheizung 1, die im automatischen Betrieb bis zu den Eingabeparametern die Verfügbarkeit der Weiche im Winter bei geringen Energieverbrauch gewährleistet.
  • In Figur 6 ist der Programmablauf für den Nachweis der Funktion der erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 in Abhängigkeit der minimalen Umgebungstemperatur Tu, der vorhandenen spezifischen Leistung Heizeinrichtung P, der Weichensolltemperatur TSoll der Weiche 3 bei maximaler Windgeschwindigkeit vmax für das Schienenprofil R der Weiche 3 sowie eine mögliche maximale Schneemenge pro Stunde hS-max und Standort der Heizeinrichtungen 14 an Backenschiene 7 und/oder Zungenschiene 8 und/oder Gleitstuhlplatte 9 dargestellt. Mit einem derartigen Verfahren kann die Grenze der Funktion der erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 und damit die Verfügbarkeit der Weiche 3 im Winter für eine standardmäßig ausgeführte Weichenheizung 1 ermittelt und bewertet werden und das auch bei Betrieb mit aktueller Lufttemperatur, Schneemenge pro Stunde und Windgeschwindigkeit v. In Figur 6 wird die Verfügbarkeit der Weiche 3 im Winter in Abhängigkeit der Weichentemperaturen der Weiche 3 an den funktionsrelevanten Stellen 19 der abliegenden (rechten) Seite 6 der Weiche 3 und der anliegenden Seite 5 der Weiche 3 Kopf-Backenschienen, Kopf-Zungenschiene und Außen-Gleitstuhlplatte über Vergleich mit der Weichenmindesttemperatur TW-Min der Weiche 3 und die Funktion Schneeschmelzen während der Anheizzeit tANH über Vergleich der spezifischen Leistung Heizeinrichtung P mit der erforderlichen spezifischen Leistung Perf, die sich aus der Summe Erhaltungsleistung PErh und Leistung Schmelzwärme PSm ergibt, ermittelt und die möglichen Defizite ermittelt bzw. die Funktion der Weichenheizung 1 in Abhängigkeit der Witterung bestätigt.
  • Nachfolgend werden die Schritte für die Bewertung einer vorhandenen Weichenheizung 1 bei minimaler Umgebungstemperatur Tu-min, maximaler Schneemenge pro Stunde hS und max. Windgeschwindigkeit vmax dargestellt.
    • Schritt1: Start des Programmes
    • Schritt 2: Eingabe von minimal zu erwartender Umgebungstemperatur Tumin, spezifischen Leistungen Heizeinrichtung P, Weichensolltemperatur TSoll, maximaler Windgeschwindigkeit Vmax, Schienenprofil R der Weiche 3, maximaler Schneemenge pro Stunde hs und Standort der Heizeinrichtungen 14 an Backenschiene 7 und/oder Zungenschiene 8 und/oder Gleitstuhlplatte 9, Weichenmindesttemperatur Tmin.
    • Schritt 3: Die optimale spezifische Leistung Heizeinrichtung anliegende (linke) Seite P op-Li und die optimale spezifische Leistung Heizeinrichtung abliegende (rechte) Seite P op-Re ergibt sich aus der spezifischen Leistung Heizeinrichtung P an den jeweiligen Backenschienen 7, Zungenschienen 8 bzw. Gleitstuhlplatten 9.
    • Schritt 4: Für anliegende (linke) Seite 5 der Weiche 3 und abliegende (rechte) Seite 6 der Weiche 3 wird je ein Weichensegment mit je einem Wärmenetzmodell gebildet, wobei für die anliegende (linke) Seite 5 der Weiche 3 die Zungenschiene 8 bspw. anliegend und für die abliegende (rechte) Seite 6 der Weiche 3 die Zungenschiene 8 abliegend dargestellt ist, und es erfolgt über Berechnung der Verlustleistungen Strahlung Pst, Konvektion PK, Wärmeleitung PL, Schmelzwärme PSm und Wärmespeicherung Pc bei spezifischer Leistung Heizeinrichtung P die Berechnung der Weichentemperatur T der Weiche 3 zur Zeit t6 der Anheizzeit tA bei Erreichen der Weichensolltemperatur TSoll der Weiche 3 und über Berechnung der Erhaltungsleistung zum Zeit t2.1 der Anheizzeit tA bei Erreichen der Weichenmindesttemperatur Tmin der Weiche 3.
    • Schritt 5: Ausgabe der Weichentemperaturen T und der Summe der Verlustleistungen anliegenden (linken) Seite ΣPV-Li und der Summe der Verlustleistungen abliegende (rechte) Seite ΣPV-Re
    • Schritt 6: Prüfen, ist die berechnete optimale Weichentemperatur T der Weiche 3 am Weichentemperatursensor 28, bspw. an Fuß-Backenschiene anliegende (linke) Seite, anliegend, und abliegende (rechte) Seite 6, größer als die Weichensolltemperatur TSoll der Weiche 3 unter Berücksichtigung eines Faktors k, bspw. von 1,5? Wenn "JA" weiter zu Schritt 7., wenn "NEIN" weiter zu Schritt 13..
    • Schritt 7: Prüfen, ist die berechnete optimale Weichentemperatur T der Weiche 3 am Kopf-Zungenschiene anliegend (linke Seite 5) und abliegend (rechte Seite 6) größer oder gleich der Weichenmindesttemperatur der Weiche 3? Wenn "JA" weiter zu Schritt 8., wenn "NEIN" weiter zu Schritt 13..
    • Schritt 8: Prüfen, ist die berechnete optimale Weichentemperatur T der Weiche 3 an Außen-Gleitstuhlplatte anliegend (linke Seite 5) und abliegend (rechte Seite 6) größer oder gleich der Weichenmindesttemperatur der Weiche 3? Wenn "JA" weiter zu Schritt 14., wenn "NEIN" weiter zu Schritt 13..
    • Schritt 9: Ermitteln der erforderlichen spezifischen Leistung aus der Summe von Erhaltungsleistung zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur der Weiche 3 an Backenschiene 7 und Schmelzleistung anliegende (linke) Seite PSm-Li und Schmelzleistung abliegende (rechte) Seite PSm-Li zum Schmelzen der bisher gesamten Schneemenge, die sich aus erfasster Schneemenge pro Zeiteinheit und der Zeit t2.3 der Anheizzeit tA ergibt.
    • Schritt 10: Prüfen, ist die erforderliche spezifische Leistung der anliegenden (linken) Seite P erf-Li oder die erforderliche spezifische Leistung der abliegenden (rechten) Seite P erf-Re kleiner gleich der spezifischen Leistung Heizeinrichtung P? Wenn "JA" weiter zu Schritt 11., wenn "NEIN" weiter zu Schritt 12..
    • Schritt 11: Die gefallene Schneemenge ist kleiner oder gleich der geschmolzenen Schneemenge. Der gefallene Schnee wird während der Anheizzeit geschmolzen. Schritt 12: Die gefallene Schneemenge ist größer der geschmolzenen Schneemenge. Der gefallene Schnee wird während der Anheizzeit nicht geschmolzen. Schritt 13: Ausgabe Defizit für anliegende und abliegende Seite mit hier nicht näher angeführtem Text.
    • Schritt 14: Ausgabe der Betriebsgrenzwerte mit bspw. Minimalwerten aus Weichentemperaturen der Weiche 3 anliegende (linke) Seiten 5 und abliegende (rechte) Seiten 6 Kopf-Backenschienen, Kopf-Zungenschienen sowie geschmolzene Schneemenge.
  • Das gleiche Programm kann in die Steuerung und Regelung integriert werden, indem anstelle von Minimalwerten bzw. Maximalwerten die aktuelle Umgebungstemperatur, Windgeschwindigkeit und Schneemenge eingelesen werden und geeignete Korrekturmaßnahmen oder Warnmeldungen aktiviert werden. Eine geeignete Korrektur ist bspw. zusätzliche Heizeinrichtungen an den Gleitstuhlplatten 9 oder Zungenschienen 8 anzuordnen und die Heizeinrichtungen an diesen zuerst zu aktivieren, so dass aufgrund der geringen Masse die möglichen Probleme gelöst werden. In Figur 7 ist der Programmablaufplan für die Steuerung und Regelung einer erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 für eine Weiche 3 mit Schienenprofil R54 durch Berechnen und Bewerten des zeitlichen Verlaufs der Weichentemperaturen der Weiche 3, der Weichenendtemperatur der Weiche 3 und der Anheizzeit tA an den im Winter bei Eis und Schnee funktionsrelevanten Stellen 19 eines Weichensegments mit spezifischer Länge Iseg für eine linke Seite und eine rechte Seite an einer nicht näher bezeichneten Stelle der Weiche 3 entsprechen. Die in Figur 7 dargestellten Knoten K entsprechen den in Figur 1 dargestellten Bewertungspunkt Fuß-Backenschiene 37, Bewertungspunkt Kopf-Zungenschiene 41, Bewertungspunkt Fuß-Zungenschienen 40, Bewertungspunkt Mitte-Gleitstuhlplatte 42 und Bewertungspunkt Außen-Gleitstuhlplatte 43 für die linke Seite 5 der Weiche 3 und die rechte Seite 6 der Weiche 3 über die Länge der Weiche 3, die durch Weichenbereiche 4 Weichenspitze 16, Weichenmitte 17 und Weichenende 18 gekennzeichnet sind, wobei jeder Weichenbereich durch ein Weichensegment linke Seite 5 der Weiche 3 und ein gegenüberliegendes Weichensegment an der rechten Seite 6 der Weiche 3 repräsentiert wird. Die Einteilung der Weiche 3 in linke Seite 5 und rechte Seite 6 erfolgt bspw. von der Weichenspitze 16 in Blickrichtung Weichenende 18.
    • Schritt 1. Eingabe
      Beispielhaft erfolgt die Eingabe für eine Weiche 3 mit Heizeinrichtung 14 mit spezifischer Leistung P von 330 Watt pro Meter an den Backenschienen 7. Die Weichensolltemperatur der Weiche 3 beträgt 7 °C, die Weichenmindesttemperatur TW-min der Weiche 3 für das Schmelzen von Schnee an der Weiche 3 wird mit +/- 0 °C und einem minimalen Leistungsverhältnis Lv von 40 % parametriert, so dass die optimale spezifische Leistung Pop der Heizeinrichtung 14 mit 330 W/m multipliziert mit 40 % gleich 132 W/m zu Beginn des Betriebes eingestellt wird. Der Standort des Weichentemperatursensor 28 wT ist bspw. die linke Seite 5 der Weiche 3. Die Betriebsbereichswerte sind vom Betreiber der Weiche 3 mit Schienenprofil R54 für eine Umgebungstemperatur bis - 20 °C bei einer maximalen Windgeschwindigkeit bis 0,8 m/s und einer maximalen Schneemenge bis 5 cm/h festgelegt. Bis zu diesen Betriebswerten soll die Funktion der Weiche 3 durch die erfindungsgemäße Weichenheizung 1 durch Gewährleistung der erforderlichen Weichenmindesttemperatur T W-min an den funktionsrelevanten Stellen 19 und entsprechender optimaler spezifischer Leistung Pop zum Schmelzen der Schneemenge hS sichergestellt werden.
    • Schritt 2. Wahl des Weichensegments und Berechnen der spezifischen Leistung des Weichensegments linke Seite und rechte Seite mit 330 W/m * 40 % = 132 W/m. Schritt 3. Einlesen Weichsegment 1 linke Seite und rechte Seite der aktuellen Umgebungstemperatur, Weichentemperatur, Schneemenge, Niederschlagsart, Niederschlagsmenge und Windgeschwindigkeit.
    • Schritt 4. Berechnen der Weichentemperaturen der Weiche 3 und Verlustleistungen im Leistungsgleichgewicht (stationärer Endwert) an 6 Knotenpunkten in dem Wärmenetzmodell 26 für die linke Seite 5 der Weiche 3 und im Wärmenetzmodell 27 der rechten Seite 6 der Weiche 3. Zusätzlich Berechnen der Erhaltungsleistung zum Zeitpunkt t2.1. (benötigte Leistung zum Aufrechterhalten der Temperatur von 0 °C). Schritt 5. Prüfen, ob Heizanforderung durch Schneefall oder niedrige Umgebungstemperaturen besteht. Wenn Ja weiter mit Schritt 6 wenn nein weiter mit Schritt 2.
    • Schritt 6. Prüfen ob die aktuelle Zeit größer als die Totzeit ist. Wenn Ja weiter mit Schritt 7, wenn nein weiter mit Schritt 8
    • Schritt 7. Bei abgelaufener Totzeit Messen der Weichentemperatur der Weiche 3 mittels Weichentemperatursensor und Vergleichen mit berechneten Weichentemperatur am jeweiligen Knoten K und Berechnen der Weichenendtemperaturüber Zeitkonstante oder Modellparameter.
    • Schritt 8. Prüfen, ob Weichentemperatur der Weiche 3 Kopf-Zungenschiene linke Seite größer als die Weichentemperatur der Weiche 3 Kopf-Zungenschiene rechte Seite ist. Bei "Ja" ist die linke Seite die anliegende Zungenschiene 8, (Annahme Weichentemperatur Kopf Zungenschiene ist höher, damit wird erkannt, ob die Weiche inzwischen umgestellt wurde).
    • Schritt 9. Prüfen, ob linke Seite oder rechte Seite Standort des Weichentemperatursensors ist. Im Beispiel ist die Linke Seite der Standort des Weichentemperatursensor 28. Auf der Seite mit Weichentemperatursensor 28 weiter mit Schritt 10 auf der Seite ohne Weichentemperatursensor weiter mit Schritt 12. Eine Ausrüstung beider Seiten mit Weichentemperatursensoren ist möglich.
    • Schritt 10. Zuweisen Weichentemperatur linke Seite ist anliegend und Weichentemperatur rechte Seite ist abliegend
    • Schritt 11. Prüfen, ob die errechnete Weichentemperatur der Weiche 3 Fuß-Backenschiene anliegend gleich der realen Weichentemperatur der Weiche 3 Fuß-Backenschiene unter Berücksichtigung einer Weichentemperaturtoleranz ist, wenn "Nein" weiter zu Schritt 19., wenn "Ja" weiter zu Schritt 12.
    • Schritt 12. Prüfen, ob berechnete Weichentemperatur der Weiche 3 Fuß-Backenschiene größer ist als die Weichensolltemperatur der Weiche 3 zuzüglich einer Konstante und abzüglich der Umgebungstemperatur ist. Wenn "Nein" erhöhen des Leistungsverhältnisses Lv um den Faktor x (im Beispiel 10%) und weiter zu Schritt 2, wenn "Ja" weiter zu Schritt 13.
    • Schritt 13. Prüfen, ob Erhaltungsleistung zuzüglich derLeistung Schmelzwärme PSm kleiner oder gleich der optimalen Leistung zur Zeit t2.3 ist. Wenn "Nein" erhöhen des Leistungsverhältnisses Lv um den Faktor x (im Beispiel 10%) und weiter zu Schritt 2, wenn "Ja" weiter zu Schritt 14.
    • Schritt 14. Prüfen, ob die Aufheizzeit des Fuß der Backenschiene tA-Fu-Ba kleiner oder gleich der maximalen Aufheizzeit tA-max ist. Wenn "Nein" erhöhen des Leistungsverhältnisses Lv um den Faktor x (im Beispiel 10%) und weiter zu Schritt 2, wenn "Ja" weiter zu Schritt 15.
    • Schritt 15. Prüfen, ob die Temperatur des Kopfes der Zungenschiene TKο-Zu größer oder gleich der minimalen Weichentemperatur Tmin ist. Wenn "Nein" erhöhen der Weichensolltemperatur TSoll um den Faktor y (im Beispiel 0,5 K) und weiter zu Schritt 2, wenn "Ja" weiter zu Schritt 16.
    • Schritt 16. Prüfen, ob die Temperatur am Fuß der Zungenschiene TFu-Zu größer oder gleich der minimalen Weichentemperatur Tmin ist. Wenn "Nein" erhöhen der Weichensolltemperatur TSoll um den Faktor y (im Beispiel 0,5 K) und weiter zu Schritt 2, wenn "Ja" weiter zu Schritt 17.
    • Schritt 17. Prüfen, ob die Temperatur in der Mitte des Gleitstuhles TGL-mi größer oder gleich der minimalen Weichentemperatur Tmin ist. Wenn "Nein" erhöhen der Weichensolltemperatur TSoll um den Faktor y (im Beispiel 0,5 K) und weiter zu Schritt 2, wenn "Ja" weiter zu Schritt 18.
    • Schritt 18. Prüfen, ob die Temperatur am äußeren Rand des Gleitstuhles TGL-au größer oder gleich der minimalen Weichentemperatur Tmin ist. Wenn "Nein" erhöhen der Weichensolltemperatur TSoll um den Faktor y (im Beispiel 0,5 K) und weiter zu Schritt 2, wenn "Ja" weiter zu Schritt 20.
    • Schritt 19. Korrektur der Berechnung aus Schritt 4 mit Hilfe eines Korrekturfaktors für Anpassung der Konvektionsverluste oder Strahlungsleistung. Ist die errechnete Weichentemperatur der Weiche 3 Fuß-Backenschiene anliegend kleiner als die reale Weichentemperatur der Weiche 3 Fuß-Backenschiene unter Berücksichtigung einer Weichentemperaturtoleranz so wird die Wärmeübergangszahl Konvektion α um den Faktor n (im Beispiel 1) verringert und weiter zu Schritt 4. Ist die errechnete Weichentemperatur der Weiche 3 Fuß-Backenschiene anliegend größer als die reale Weichentemperatur der Weiche 3 Fuß-Backenschiene unter Berücksichtigung einer Weichentemperaturtoleranz so wird die Windgeschwindigkeit V um den Faktor n (im Beispiel 1) erhöht und weiter zu Schritt 4.
    • Schritt 20. Ausgabe der optimalen Leistung Pop-Li für die linke Seite der Weiche 3 und der optimalen Leistung Pop-Re für die Rechte Seite der Weiche 3 für die folgende Zykluszeit tz.
  • Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren angibt, bei welchem das erfindungsgemäße Wärmenetzmodell über einen Vergleich der berechneten Weichentemperaturen mit parametrierten Weichenmindesttemperaturen die Weichensolltemperatur und/oder die spezifische Leistung zumindest eine Heizeinrichtung 14 verändert.
  • Ferner verifiziert das erfindungsgemäße Wärmenetzmodell über einen Vergleich mit über einen Weichentemperatursensor 28 erfassten Weichentemperaturen mittels Korrektur der Leistung Konvektion und/oder der Leistung Strahlung die berechneten Weichentemperaturen.
  • Das erfindungsgemäße Wärmenetzmodell erzeugt darüber hinaus in der Steuereinrichtung eine Warnmeldung vor Überschreiten der Betriebsgrenze für ein Leitsystem und vor Ort.
  • Schließlich ermittelt das erfindungsgemäße Wärmenetz vor und bei Betrieb die Anheizzeit und aktiviert ein zusätzliches Heizregime Vorheizen über die Steuereinrichtung, wenn in Abhängigkeit der prognostizierten Umgebungsbedingungen über Wetterdienst die maximale Schneemenge während der Anheizzeit überschritten und/oder die Schneemenge nicht geschmolzen wird.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Weichenheizung
    2
    Betrachtungsrichtung Weiche
    3
    Weiche
    4
    Weichenbereich
    5
    linke Seite
    6
    rechte Seite
    7
    Backenschiene
    8
    Zungenschiene
    9
    Gleitstuhlplatte
    10
    anliegende Zungenschiene
    11
    abliegende Zungenschiene
    12
    anliegender Bereich
    13
    Stützknaggen
    14
    Heizeinrichtung
    16
    Weichenspitze
    17
    Weichenmitte
    18
    Weichenende
    19
    Funktionsrelevante Stelle
    20
    Kopf-Backenschiene
    21
    Kopf-Zungenschiene
    22
    Mitte-Gleitstuhlplatte
    23
    Außen-Gleitstuhlplatte
    24
    Schwelle
    25
    Schwellenabstand
    26
    Wärmenetz linke Seite
    27
    Wärmenetz rechte Seite
    28
    Weichentemperatursensor
    29
    Symbol Heizeinrichtung
    30
    Symbol Wärmestrahlung
    31
    Symbol Konvektion
    32
    Symbol Wärmespeicher
    33
    Symbol Wärmeleitung
    34
    Weichensegment Weichenspitze
    35
    Weichensegment Weichenmitte
    36
    Weichensegment Weichenende
    37
    Bewertungspunkt Fuß-Backenschiene
    38
    Bewertungspunkt Steg-Backenschiene
    39
    Bewertungspunkt Kopf-Backenschiene
    40
    Bewertungspunkt Fuß-Zungenschiene
    41
    Bewertungspunkt Kopf-Zungenschiene
    42
    Bewertungspunkt Mitte-Gleitstuhlplatte
    43
    Bewertungspunkt Außen-Gleitstuhlplatte
    Pst
    Leistung Strahlungswärme
    PL
    Leistung Wärmeleitung
    PK
    Leistung Konvektionswärme
    Pop
    optimale spezifische Leistung
    P
    reale spezifische Leistung Heizeinrichtung
    Perf
    erforderliche spezifische Leistung
    ξL
    Korrekturfaktor Länge
    PC
    Leistung Wärmekapazität
    Pv
    Leistung Verdampfungswärme
    Psm
    Leistung Schmelzwärme
    PErh
    Erhaltungsleistung
    R
    Weichenprofil
    Tu
    Umgebungstemperatur
    TU-min
    minimale Umgebungstemperatur
    Tw
    reale Weichentemperatur
    ΔTW
    reale Weichentemperaturdifferenz
    T min
    Weichenmindesttemperatur
    T op
    optimale Weichentemperatur
    T Soll
    Weichensolltemperatur
    TSoll-Vor
    zweite Weichensolltemperatur
    Ts
    Schmelztemperatur
    TV
    Verdampfungstemperatur
    TK
    Weichentemperatur kalte Schiene
    NI
    Niederschlagsart
    Lv
    Leistungsverhältnis
    Lsp
    spezifische Länge Heizeinrichtung
    K
    Knoten (K)
    IN
    Heizstrom
    tA
    Anheizzeit
    tE
    Einschaltzeit
    tz
    Zeitzyklus
    k
    Faktor
    α
    Wärmeübergangszahl Konvektion
    Beispiele für Bezeichnung von Knoten (K) und Temperaturen
    • K Fu-Ba-Li
    Knoten (K) Fuß-Backenschiene-linke Seite
    K Ko-Ba-an
    Knoten (K) Kopf-Backenschiene-anliegende Zungenschiene
    TKo-Ba
    Weichentemperatur - Kopf-Backenschiene
    TKo-Ba-Li
    Weichentemperatur-kopf-Backenschiene Linke Seite der Weiche
    TKo-Zu
    Weichentemperatur - Kopf-Zungenschiene
    TGl-mi
    Weichentemperatur - Mitte-Gleitstuhlplatte
    TGL-au
    Weichentemperatur - Außen-Gleitstuhlplatte
    tT
    Totzeit
    tA
    Anheizzeit
    tmax
    maximale Anheizzeit
    hs
    Schneemenge pro Stunde
    v
    Windgeschwindigkeit
    vmax
    maximale Windgeschwindigkeit
    n
    Zyklusfaktor
    tn
    Zeit
    tz
    Zykluszeit
    y
    Weichensolltemperatur-Korrekturfaktor
    wT
    Standort Weichentemperatursensor
    Indizes:
    • an
    anliegend
    ab
    abliegend
    Re
    rechte Seite
    Li
    linke Seite
    Ba
    Backenschiene
    Zu
    Zungenschiene
    GL
    Gleitstuhlplatte
    Ko
    Kopf
    Fu
    Fuß
    st
    Schienensteg
    au
    außen
    mi
    mitte
    op
    optimal
    w
    real
    Literatur
    1. [1] Löbl. H.: Strombelastbarkeit des Transformators in einer Kompaktstation Elektrizitätswirtschaft, H. 17/18 96. S. 1154-1163,
    2. [2] Quelle 2 Elsner, N.: Grundlagen der Technischen Thermodynamik, Berlin: Akademie Verl. 1988,
    3. [3] Bömer,H.; Über den Wärme- und Stoffübergang an umspülten Einzelkörpern bei Überlagerung von freier und erzwungener Konvektion, Düsseldorf: VDI-Verl. 1965 (VDI-Forschungsheft 512),
    4. [4] Krischer, 0.: Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik, Berlin: Springer Verl. 1956,
    5. [5] Philippow, E.: Taschenbuch Elektrotechnik Bd. 5: Elemente und Baugruppen der Elektroenergietechnik, Berlin: Verl. Technik 1979,
    6. [6] Gremmel, H.: Schaltanlagen, Hrsg. ABB Schaltanlagen GmbH Mannheim, Düsseldorf: Cornelsen Verl. Schwann-Girardet 1992.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Weichenheizung (1), wobei die Weichenheizung (1) mindestens eine an zumindest einer Weiche (3) angeordnete Heizeinrichtung (14), zumindest einen Weichentemperatursensor (28) an der zumindest einen Weiche (3), zumindest eine Energieverteilung mit mindestens einem Heizabgang pro Weiche (3) und zumindest eine Steuereinrichtung zum Steuern und Regeln der Weichentemperatur, zumindest einen abseits der Weiche (3) angeordneten Anschlusskasten, der mindestens ein Schaltgerät aufweist, das über Leitungen mit den Heizeinrichtungen (14) der Weiche (3) verbunden sind, sowie Messmittel zur zeitlichen Erfassung von Betriebsstrom, Spannung und Isolationswiderstand und Mittel zur Begrenzung der maximalen Leistung, zumindest ein Kommunikationsmittel, das in dem Anschlusskasten angeordnet und mit der Steuereinrichtung verbunden ist, und zumindest einen Niederschlagsensor zur Erfassung von Niederschlagsart und Niederschlagsmenge, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist, aufweist, umfassend die Schritte:
    a) Definieren zumindest eines Weichensegments für die linke Seite (5) der zumindest einen Weiche (3) und/oder für die rechte Seite (6) der zumindest einen Weiche (3) mit einer spezifischen Länge, wobei das Weichensegment der zumindest einen Weiche (3) eine Backenschiene (7), eine Zungenschiene (8), eine Gleitstuhlplatte (9) und zumindest eine Heizeinrichtung (14) aufweist, und Zerlegen des zumindest einen Weichensegments in einzelne Abschnitte mit jeweils zumindest einem ersten Knoten, der zumindest einer funktionsrelevanten Stelle (19) des Weichensegmentes der zumindest einen Weiche (3) im Winter entspricht, wobei die funktionsrelevante Stelle (19) mindestens einen Bewertungspunkt (37, 38, 39, 40, 41, 42, 43) aufweist,
    wobei das zumindest eine Weichensegment repräsentativ die zumindest eine Weiche (3) thermodynamisch abbildet,
    wobei das zumindest eine Weichensegment in der Nähe des zumindest einen Weichentemperatursensors (28) angeordnet ist,
    b) Bilden eines Wärmenetzes (26) für das zumindest eine Weichensegment für die linke Seite (5) der zumindest einen Weiche (3) und/oder Bilden eines Wärmenetzes (27) für das zumindest eine Weichensegment für die rechte Seite (6) der zumindest einen Weiche (3), wobei das Wärmenetz (26, 27) Wärmeerzeugungselemente, Wärmeübertragungselemente und Wärmespeicher (32) aufweist, und Zuordnen des jeweils zumindest ersten Knoten (K) der jeweiligen Abschnitte des zumindest einen Weichensegments zu mindestens einem Bewertungspunkt (37, 38, 39, 40, 41, 42, 43),
    wobei alle Knoten (K) der einzelnen Abschnitte über Maschen zu dem Wärmenetz (26, 27) so verbunden werden, dass die Differenz aller vorzeichenbehafteten Temperaturen gleich Null ist,
    c) Berechnen des zeitlichen Verlaufs einer optimalen spezifischen Leistung (Pop) des zumindest einen Weichensegments und der jeweiligen optimalen Weichentemperatur (Top) an dem zumindest einen ersten Knoten der Weichenheizung (1) an dem zumindest einen Weichensegment über eine Leistungsbilanz gemäß eines Knotensatzes, und bei Betrieb Aktivieren dieser optimalen spezifischen Leistung (Pop) an der zugehörigen Heizeinrichtung (14) mittels Produkt aus realer spezifischer Leistung (P) der Heizeinrichtung (14), die der maximalen spezifischen Leistung entspricht, und einem Leistungsverhältnis, wobei das Leistungsverhältnis variabel zwischen 25 % und 100 % der realen spezifischen Leistung (P) entspricht,
    d) Erfassen des zeitlichen Verlaufs der realen Weichentemperatur (Tw) an dem zumindest einen Weichensegment mit dem zumindest einen Weichentemperatursensor (28) und Korrigieren der berechneten Weichentemperatur an einem der zumindest ersten Knoten des zumindest einen Weichensegments über Leistung Konvektionswärme (PK) wenn berechnete Weichentemperatur größer ist als reale Weichentemperatur (Tw) oder Leistung Strahlungswärme (PSt) des Wärmenetzes wenn berechnete Weichentemperatur kleiner ist als reale Weichentemperatur,
    e) Berechnen der Weichenendtemperatur an zumindest einem zweiten Knoten des zumindest einen Weichensegments und Vergleichen der berechneten Weichenendtemperatur mit einer parametrierten Weichenmindesttemperatur (Tmin) für diesen zumindest einen zweiten Knoten,
    wobei bei Nichterreichen der Weichenmindesttemperatur (Tmin) der Weiche (3) eine parametrierbare Weichensolltemperatur (TSoll) um einen Weichensolltemperatur-Korrekturfaktor (y) so lange erhöht wird, bis die jeweilige berechneten Weichenendtemperatur der Weiche (3) zumindest der Weichenmindesttemperatur (Tmin) der Weiche (3) entspricht,
    f) Berechnen der Anheizzeit (tA) für das Erwärmen des zumindest einen Weichensegments bis zu der parametrierbaren Weichensolltemperatur (TSoll) der Weiche (3) und Bewerten der berechneten Anheizzeit (tA) bei parametrierbarer Weichensolltemperatur (TSoll),
    wobei bei einem Defizit die optimale spezifische Leistung (Pop) erhöht und bei einem Überschuss die optimale spezifische Leistung (Pop) verringert wird,
    g) Berechnen der Anheizzeit (tA) für das Erwärmen des zumindest einen Weichensegments bis zu der parametrierbaren Weichenmindesttemperatur (Tmin) der Weiche (3) und Bewerten der erforderliche spezifische Leistung (Perf) aus Erhaltungsleistung (Perh) und Schmelzleistung (Psm) für den bis dahin gefallenen Schnee (hS) mit der spezifischen Leistung (P) bei parametrierbarer Weichenmindesttemperatur (Tmin),
    wobei bei einem Defizit die optimale spezifische Leistung (Pop) erhöht oder eine Meldung "gefallene Schneemenge ist zu groß und wird nicht geschmolzen" erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend vor Betrieb durch eine Heizanforderung den Schritt
    h) Berechnen der spezifischen Schmelzleistung (P) für die während der Anheizzeit (tA) am Weichensegment berechneten Schneemenge aus einer gemeldeten Schneehöhe pro Zeiteinheit und Berechnen der spezifischen Erhaltungsleistung (Perh) zur Erhaltung der Schmelztemperatur (Psm) an dem Weichensegment und Vergleich der Summe dieser mit der realen spezifischen Leistung (P) der Heizeinrichtung (14) und, wenn die reale spezifische Leistung (P) der Heizeinrichtung (14) geringer ist, Aktivieren der Weichenheizung (1) mit einer zweiten Weichensolltemperatur (TSoll-Vor), die so groß ist, dass bei Betrieb die spezifische Leistung (P) der Heizeinrichtung (14) zumindest gleich der Summe aus spezifischer Schmelzleistung (Psm) und Erhaltungsleistung (Perh) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmeerzeugungselemente die spezifische Leistung (P) der zumindest einen Heizeinrichtung (14) mit einem Wärmespeicher des Weichensegments und eine Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung umfassen und/oder die Wärmeübertragungselemente Wärmewiderstände an der Weiche (3) aus den Stoffeigenschaften, den geometrischen Größen und den vorherrschenden Belastungen durch Wärmeübertragung und Umwelt an dem zumindest einen Weichensegment umfassen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in Schritt f)
    die Anheizzeit (tA) für das Erwärmen des zumindest einen Weichensegments aus der Summe einzelner Heizzeiten für das zumindest eine Weichensegment für dessen Erwärmen, für das Schmelzen von Schnee und für das Verdampfen von Wasser an diesem berechnet wird, und/oder
    die Anheizzeit (tA) durch Erhöhen des Leistungsverhältnisses und/oder Umschalten von Regelbetrieb auf Dauerbetrieb erhöht und/oder durch Verringern des Leistungsverhältnisses verringert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei aktiver Heizung ferner umfassend die Schritte
    i) Berechnen einer Schmelzleistung (Psm) für gefallenen Schnee (hs) in einer parametrierbaren Zeitspanne und Vergleichen dieser Schmelzleistung mit der Differenz aus spezifischer Leistung (P) und einer berechneten Erhaltungsleistung (Perh), wobei bei einem Defizit der spezifischen Leistung die Leistung (Perf) erhöht und/oder ein Dauerheizen begonnen und/oder eine erste Warnmeldung ausgegeben wird,
    und/oder
    j) Vergleichen der berechneten Anheizzeit (tA) mit einer parametrierten maximalen Anheizzeit, wobei bei einem Defizit der spezifischen Leistung die Leistung erhöht und/oder ein Dauerheizen begonnen und/oder eine zweite Warnmeldung ausgegeben wird,
    und/oder
    k) Berechnen der Schneehöhe (hS) aus der Differenz aus gefallener Schneehöhe und geschmolzener Schneehöhe pro Zeiteinheit und Vergleichen der berechneten Schneehöhe mit einer parametrierbaren maximal zulässigen Schneehöhe, wobei bei einem Defizit der spezifischen Leistung die Leistung erhöht und/oder ein Dauerheizen begonnen und/oder eine dritte Warnmeldung ausgegeben wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Berechnen der Anheizzeit (tA) in Schritt f) die Unterschritte umfasst:
    f1) Berechnen der Totzeit (tT) für das zumindest eine Weichensegment aus dem zeitlichen Verlauf der Weichentemperatur (Tw) der Weiche (3) bei optimaler (Pop) oder realer spezifischer Leistung (P),
    f2) Berechnen der Zeit tA1 zum Erwärmen des zumindest einen Weichensegments von der Weichentemperatur der kalten Schiene der Weiche (3) und der Schmelztemperatur (Ts) bis zur Weichenmindesttemperatur (Tmin) an zumindest einen Knoten,
    f3) Berechnen der Zeit tA2 um Schmelzen der Schneemenge während des Schritts f2) aus der Differenz aus vorhandener spezifischer Leistung abzüglich der Leistung (Perh) zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur (Tmin) des zumindest einen Weichensegments,
    f4) Berechnen der Zeit tA3 zum Schmelzen des gefallenen Schnees während des Schritts f3) aus der Differenz aus vorhandener spezifischer Leistung abzüglich der Leistung (Perh) zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur (Tmin) des zumindest einen Weichensegments,
    f5) Berechnen der Zeit tA4 zum Erwärmen des zumindest einen Weichensegments von der Differenz Weichenmindesttemperatur bis zur Weichensolltemperatur (Tsoll) an den Knoten mit dem Weichentemperatursensor (28) der Weiche (3), f6) Berechnen der Zeit tA5 zum Schmelzen des gefallenen Schnees während des Schritts f5) aus der Differenz aus vorhandener spezifischer Leistung (P) abzüglich der Leistung (Perh) zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur (Tmin) des zumindest einen Weichensegments.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend eine Ermittlung der Betriebsgrenze Umgebungstemperatur (GW-Tu) der Weichenheizung (1), umfassend - Berechnen der optionalen Weichenendtemperaturen (Top) an zwei spezifischen Knoten des zumindest einen Weichensegments, welche dem Kopf-Backenschiene (20) und dem Kopf-Zungenschiene (21) als funktionsrelevante Stellen (19) der zumindest einen Weiche (3) entsprechen, wobei von der Weichenmindesttemperatur (Tmin) die berechneten Weichentemperaturen Kopf-Backenschiene (20) und Kopf-Zungenschiene (21) subtrahiert werden und die geringste davon der Betriebsgrenze-Umgebungstemperatur entspricht.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend eine Ermittlung der Betriebsgrenze Schneemenge (GW-hs) der Weichenheizung (1), umfassend - Berechnen einer spezifischen Erhaltungsleistung (Perh) bei Weichenmindesttemperatur (Tmin) der Weiche (3), zuzüglich einer Weichenmindesttemperatur Toleranz ΔTmin, am Backenschienenfuß, einer Schmelzleistung (Psm) für die maximale Schneemenge oder die bis dahin erfasste Schneemenge (hs) sowie einer Verdampfungsleistung (Pv) für Schmelzwasser, und Vergleich der Summe daraus mit der erforderlichen spezifischen Leistung (Perf) der Heizeinrichtung (14) des zumindest einen Weichensegments, wenn die erforderliche spezifische Leistung (P) der Heizeinrichtung kleiner ist als die Summe aus Erhaltungsleistung (Perh) und Schmelzleistung (Psm) und Verdampfungsleistung die Betriebsgrenze Schneehöhe überschritten ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend eine projektspezifische Dimensionierung der Heizeinrichtungen (14) und deren erforderlicher spezifischer Leistung (Perf), umfassend
    - Berechnen einer spezifischen Leistung (P) der Heizeinrichtung zum Erreichen einer Weichensolltemperatur (Tsoll) der Weiche (3) am Standort des Weichentemperatursensors (28) und einer minimalen Weichentemperatur Tw-min der Weiche (3) an mindestes einem Kopf-Backenschiene (20) und/oder einem Kopf-Zungenschiene (21) für das zumindest eine Weichensegment über Berechnen der Summe aus Wärmeleitung, Strahlung und Konvektion in die Umgebung, Wärmekapazität und Latenter Wärme bei Schnee und Beregnung, bei vorhandenen Betriebsgrenzwerten aus minimaler Umgebungstemperatur (Tu), Schienenprofil, maximaler Windgeschwindigkeit (vmax) und maximaler Schneehöhe pro Stunde, und
    - Erhöhen der erforderlichen spezifischen Leistung (Perf), wenn die berechnete reale spezifische Leistung (P) kleiner ist als die spezifische Leistung, die der erforderlichen Schmelzleistung (Psm) der in der Anheizzeit (tA), die ab minimaler Umgebungstemperatur bis zum Erreichen einer Schienentemperatur von mindestens 0 °C berechnet wird, für die Schneemenge, die sich aus dem Produkt aus Anheizzeit (tA) und Schneehöhe (hs) pro Stunde ergibt, und der Verdampfungsleistung (Pv) von restlichem Schmelzwasser und der erforderlichen spezifischen Erhaltungsleistung (Perf) für eine Schienentemperatur von 0 °C an den funktionsrelevanten Stellen (19) des zumindest einen Weichensegments entspricht.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei
    - bei Betrieb der Weichenheizung (1) ein Einstellen der optimalen spezifischen Leistung für die Heizeinrichtungen (14), die dem Produkt aus spezifischer Leistung und einem Leistungsverhältnis von 25 % bis 100 % entspricht, über die jeweiligen Schaltgeräte zum Einschalten und Ausschalten der Heizeinrichtungen (14) mittels Verändern der Einschaltdauer oder der Frequenz oder der Pulsweite oder Wellenpaketsteuerung oder Gruppenbetrieb erfolgt,
    und/oder
    - das Leistungsverhältnis zwischen 25 % und 100 % beträgt,
    wobei bei Betrieb der Weichenheizung (1) die spezifische Leistung (P) der linken Seite (5) der Weiche (3) und der rechten Seite (6) der Weiche (3) maximal dem Mittelwert und/oder Meridian der spezifischen Leistung der Heizeinrichtung (14) entspricht,
    und/oder
    - bei Betrieb der Weichenheizung (1) die berechnete spezifische Leistung (Pop) für die linke Seite (5) der Weiche (3) und die rechte Seite (6) der Weiche (3) maximal der spezifischen Leistung (P) der Heizeinrichtungen (14) entspricht,
    oder eine spezifische Leistungsdifferenz für die linke Seite (5) der Weiche (3) oder die rechte Seite (6) der Weiche (3) aus der Differenz von spezifischer Leistung (P) der Heizeinrichtungen (14) abzüglich berechneter spezifischer Leistung (Pop) berechnet wird und bei positiver spezifischer Leistungsdifferenz der linken Seite (5) der Weiche (3) oder der rechten Seite (6) der Weiche (3) diese spezifische Leistungsdifferenz der jeweiligen anderen Seite der Weiche (3) zusätzlich zur spezifischen Leistung (P) der Heizeinrichtung (14) zu Verfügung gestellt wird, so dass ein gleichmäßiger zeitlicher Verlauf der Schienentemperaturen der Weiche (3) an der linken Seite (5) der Weiche (3) und an der rechten Seite (6) der Weiche (3) an den funktionsrelevanten Stellen (19) der Weiche (3) erfolgt.
  11. Steuereinrichtung zur Steuerung und Regelung einer Weichentemperatur einer Weichenheizung (1) eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Weichenheizung (1) mindestens eine an zumindest einer Weiche (3) angeordnete Heizeinrichtung (14), zumindest einen Weichentemperatursensor (28) an der zumindest einen Weiche (3) und zumindest eine Energieverteilung mit mindestens einem Heizabgang pro Weiche (3) aufweist, die Steuereinrichtung umfassend:
    - eine CPU zur Berechnung der Weichentemperaturen der Weiche (3) für zumindest ein Weichensegment, die mit der Steuereinrichtung über Kommunikationsmittel verbunden ist,
    - zumindest einen abseits der Weiche (3) angeordneten Anschlusskasten, der mindestens ein Schaltgerät aufweist, das über Leitungen mit den Heizeinrichtungen (14) der Weiche (3) verbunden sind, sowie Messmittel zur zeitlichen Erfassung von Betriebsstrom, Spannung und Isolationswiderstand und Mittel zur Begrenzung der maximalen Leistung aufweist,
    - zumindest ein Kommunikationsmittel, das in dem Anschlusskasten angeordnet und mit der Steuereinrichtung verbunden ist,
    - zumindest einen Niederschlagsensor zur Erfassung von Niederschlagsart und Niederschlagsmenge, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
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