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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeträger-Kreislaufs nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
Wärmeträger-Kreislauf
dient dazu, eine an einem ersten Ort erzeugte oder absorbierte Wärmemenge
an einen anderen Ort zu transportieren, wo diese Wärmemenge
abgegeben bzw. aufgenommen wird. Hierzu dient ein innerhalb des
Kreislaufs umgetriebener Wärmeträger.
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Typische
Anwendungsgebiete für
derartige Kreisläufe
sind beispielsweise Solaranlagen oder Rückkühlanlagen. Durch deren Bauweise
bedingt befindet sich ein Teil des Wärmeträger-Kreislaufs unter freiem
Himmel und muss daher in einigen Klimazonen während der kalten Jahreszeit
vor Frostschäden,
insbesondere vor einem Einfrieren des Wärmeträgers, geschützt werden. Daher wird der
Wärmeträger-Kreislauf
mit einem frostsicheren Medium betrieben.
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Frostsichere
Wärmeträger weisen
allerdings den Nachteil auf, dass deren Wärmekapazität im Vergleich zu Wasser als
dem eigentlich am besten geeigneten Wärmeträger, vergleichsweise gering
ist. Durch die geringe Wärmekapazität müssen die
in dem Wärmeträger-Kreislauf
vorhandenen Wärmeübertragungsflächen und
damit die in dem Kreislauf befindlichen Geräte entsprechend groß ausgelegt werden,
damit die Anlage eine vorgegebene Leistungsfähigkeit aufweist. Die vergleichsweise
niedrige Wärmekapazität macht
es erforderlich, dass der Volumenstrom des zirkulierenden frostsicheren
Wärmeträgers gesteigert
werden muss. Dies bringt allerdings einen steigenden Druckverlust
bei allen im Kreislauf befindlichen Bauteile mit sich. Aus diesem Grund
müssen
Pumpen und Rohrquerschnitte entsprechend groß dimensioniert werden. Dadurch
steigen die Investitionskosten und die Betriebskosten für den Wärmeträger-Kreislauf
bzw. die entsprechende thermische Anlage, deren Bestandteil er bildet.
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Um
den Wärmeträger-Kreislauf
mit Wasser zu betreiben und außerdem
vor Frosteinwirkung zu schützen,
ist eine manuelle Entleerung des Wärmeträger-Kreislaufs vor Beginn der Frostperiode
möglich.
Bei einer derartigen Vorgehensweise ist jedoch keine vollständige Entleerung
des Kreislaufs sichergestellt, sodass ein Restrisiko für das Auftreten
von Frostschäden
besteht.
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Es
besteht somit die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Verfahren
zum Betreiben eines Wärmeträger-Kreislaufs
anzugeben, dessen Betrieb das ganze Jahr über, d. h. sowohl unter Frostgefährdung als
auch in der warmen Jahreszeit, gesichert ist. Dabei soll ein frostgefährdeter
Wärmeträger, insbesondere
Wasser, zum Betreiben des Wärmeträger-Kreislaufs
mit den für
die Anlage verbundenen anlagentechnischen sowie wirtschaftlichen
Vorteilen so lange wie möglich
verwendbar sein, ohne dass es zu Frostschäden im Kreislauf kommt.
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Die
Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Betreiben eines Wärmeträger-Kreislaufs, enthaltend einen
frostgefährdeten
Wärmeträger und
einen frostgefährdeten
Bereich gelöst.
Das Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass in Abhängigkeit
einer im frostgefährdeten
Bereich gemessenen Temperatur ein automatisierter Austausch zwischen
einem frostgefährdeten
Wärmeträger und
einem frostsicheren Wärmeträger ausgeführt wird.
Dabei wird bei dem Austausch der jeweils im Wärmeträger-Kreislauf befindliche Wärmeträger durch
das Einströmen
des jeweils anderen Wärmeträgers aus
dem Wärmeträger-Kreislauf
vermischungsfrei verdrängt.
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Grundgedanke
des Verfahrens ist es somit, zunächst
die Temperatur im frostgefährdeten
Bereich des Wärmeträger-Kreislaufs
fortlaufend zu überwachen.
In Abhängigkeit
von der gemessenen Temperatur wird dann der Wärmeträger im Wärmeträger-Kreislauf automatisiert
ausgetauscht. Dieser Austausch erfolgt so, dass der jeweils im Wärmeträger-Kreislauf
befindliche Wärmeträger durch
das Einströmen
des jeweils anderen Wärmeträgers aus
dem Kreislauf verdrängt
wird. Es wird demnach keine Mischung aus beiden Wärmeträgern erzeugt.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausführungsform werden
folgende Verfahrensschritte ausgeführt: Im frostgefährdeten
Bereich wird eine Bereichstemperatur kontinuierlich erfasst. Beim
Vorliegen einer Bereichstemperatur mit einem frostgefährdenden
Temperaturwert wird der Wärmeträger-Kreislauf
geöffnet. Anschließend wird
durch eine Wärmeträgertauschvorrichtung
der frostgefährdete
Wärmeträger aus dem
frostgefährdeten
Bereich verdrängt.
Dies erfolgt durch das Einleiten des frostsicheren Wärmeträgers. Der
Wärmeträgerkreislauf
wird sodann wieder geschlossen.
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Der
Wärmeträger-Kreislauf
wird zunächst mit
dem frostgefährdeten
Wärmeträger betrieben und
bei laufendem Betrieb des Wärmeträger-Kreislaufs
genau dann automatisiert durch einen frostsicheren Wärmeträger ersetzt,
wenn dies temperaturbedingt erforderlich ist. Dies erfolgt dadurch,
indem im frostgefährdeten
Bereich des Wärmeträger-Kreislaufs,
beispielsweise bei im Freien stehenden Anlagenkomponenten, die dort
herrschende Temperatur kontinuierlich erfasst wird. Sinkt diese
Temperatur auf einen Temperaturwert, der Frostgefahr signalisiert,
wird der Wärmeträger-Kreislauf
geöffnet.
Der frostgefährdete
Wärmeträger wird
aus dem Kreislauf verdrängt.
In Verbindung damit wird der frostsichere Wärmeträger in den Kreislauf eingespeist.
Beim nun folgenden Betrieb des Wärmeträger-Kreislaufs
wird der frostgefährdete
durch den frostsicheren Wärmeträger ersetzt
und der Wärmeträger-Kreislauf
somit auf einen Betriebsmodus bei Frostbedingungen umgestellt.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
des Verfahrens wird bei dem Verdrängen des jeweils einen Wärmeträgers durch
den anderen eine Stoffdetektierung innerhalb einer Ablaufleitung
ausgeführt. Dabei
wird das Ableiten des frostgefährdeten
Wärmeträgers beendet,
sobald die Stoffdetektierung ein vollständiges Ersetzen des einen Wärmeträgers durch
den anderen Wärme träger signalisiert.
Dadurch wird verhindert, dass der eingeleitete Wärmeträger versehentlich in größeren Mengen
in die Ablaufleitung gelangt, gleichzeitig bildet der Nachweis des
eingeleiteten Wärmeträgers in
der Ablaufleitung ein zuverlässiges
Kriterium für
einen hinreichend vollständigen
Austausch der Wärmeträger im Wärmeträger-Kreislauf.
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Die
Stoffdetektierung erfolgt bei einer Ausführungsform in Form einer Leitfähigkeitsmessung, dabei
wird ein Leitfähigkeitswert
als Messgröße bestimmt.
Eine derartige Messung ist hinreichend empfindlich.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
erfolgt die Stoffdetektierung indirekt in Form einer Füllstandsmessung
und/oder einer Messung einer minimal erforderlichen Durchflussmenge.
Soweit das auszutauschende Volumen des verdrängten Wärmeträgers bekannt ist, kann wegen
der Inkompressibilität
der meist flüssigen
Wärmeträger mit
großer
Sicherheit angenommen werden, dass der Wärmeträger dann vollständig ausgetauscht
ist, wenn ein entsprechendes Volumen abgeflossen oder in einem Reservoir
gesammelt ist.
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Bei
einer Ausführungsform
erfolgt bei einem Weiterbetreiben des Wärmeträger-Kreislaufs ein Vermischen
des jeweils eingeleiteten Wärmeträgers mit einem
verbliebenen Restanteil des aus dem Wärmeträger-Kreislauf verdrängten Wärmeträgers. Ein
derartiger Restanteil des verdrängten
Wärmeträgers kann
vor allem in strömungsmechanisch
ungünstigen Abschnitten
des Wärmeträger-Kreislaufs verbleiben. Dieser
Restanteil wird durch das Vermischen an den eingeleiteten Wärmeträger gebunden.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
des Verfahrens wird der frostsichere Wärmeträger bei einem nicht mehr vorliegenden
frostgefährdenden Temperaturwert
gegen den frostgefährdeten
Wärmeträger rückgetauscht.
In Verbindung damit kann bei einer Ausgestaltung dieser Verfahrensvariante
der frostsichere Wärmeträger aus
einem Reservoir in den Wärmeträgerkreislauf
eingeleitet und bei dem Rücktauschen
in dem Reservoir für
eine wiederholte Nutzung gesammelt werden.
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Der
jeweils verdrängte
Wärmeträger wird
bei einer weiteren Ausführungsform
in einem Reservoir für
eine Wiederverwendung gesammelt. Dadurch können der frostsichere und der
frostgefährdete
Wärmeträger in Abhängigkeit
von er Temperatur und den Jahreszeiten alternierend hin- und rückgetauscht werden.
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In
Abhängigkeit
von der Ausführungsform
erfolgt das Austauschen des Wärmeträgers nur
in dem frostgefährdeten
Bereich, oder das Austauschen des Wärmeträgers wird im gesamten Wärmeträgerkreislauf
ausgeführt.
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Eine
Vorrichtung zum Ausführen
des genannten Verfahrens umfasst eine an den Wärmeträger-Kreislauf gekoppelte Wärmeträgertauschvorrichtung
mit einer Zuführeinheit
für einen
frostsicheren Wärmeträger, eine
Ablaufleitung für
einen frostgefährdeten
Wärmeträger, einen
in dem frostgefährdeten
Bereich angeordneten Temperaturfühler
mit einer Steuereinheit zum Umsetzen eines von dem Temperaturfühler erzeugten
Temperatursignals für
ein Aktivieren der Zuführeinheit
und zum Öffnen
der Ablaufleitung.
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Zweckmäßigerweise
ist in der Ablaufleitung ein Stoffdetektor zum Ausgeben eines Stoppsignals an
die Steuereinheit für
ein Verschließen
der Ablaufleitung vorgesehen. Der Stoffdetektor ist bei einer zweckmäßigen Ausführungsform
als ein Leitfähigkeitsdetektor
ausgebildet.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist der Stoffdetektor als ein indirekter Stoffdetektor in Form eines
Füllstandsdetektors
für ein
Reservoir ausgebildet. Schließlich
ist auch eine Ausführungsform
des Stoffdetektors als ein indirekter Stoffdetektor in Form eines
Durchflußzählers möglich.
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Das
Verfahren und die dafür
in Anwendung kommende Vorrichtung sollen nachfolgend anhand von
Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden. Es
werden für
gleiche bzw. gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Es
zeigt:
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1 ein
schematisches Hydraulikschema zum Ausführen des Verfahrens,
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2 ein
beispielhaftes erstes Hydraulikschema für eine Wärmeträgertauschvorrichtung
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3 ein
zweites Hydraulikschema für
eine Wärmeträgertauschvorrichtung
zum vollständigen Ersetzen
des Wärmeträgers bei
nicht frostgefährdenden
Temperaturen,
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4 die
Ausführungsform
aus 3 bei frostgefährdenden
Temperaturen,
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5 ein
drittes Hydraulikschema für
eine Wärmeträgertauschvorrichtung
zum teilweisen Ersetzen des Wärmeträgers bei
nicht frostgefährdenden
Temperaturen und
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6 die
Ausführungsform
aus 5 bei frostgefährdenden
Temperaturen.
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1 zeigt
ein schematisches Hydraulikschema zur Verdeutlichung grundlegender
Verfahrensschritte. Das Verfahren wird an einem Wärmeträger-Kreislauf 1 ausgeführt. Dieser
verläuft
teilweise in einem frostgefährdeten
Bereich 2 und versorgt dort eine Reihe von frostgefährdeten
Anlagen 2a. Dies können
beispielsweise solarthermische Kollektoren, Wärmeübertrager zur Abwärmeabgabe
und dergleichen andere, in einem Außenbereich installierte Komponenten
sein, die während
der kalten Jahreszeit Frost ausgesetzt sind. Der frostgefährdete Wärmeträger ist
bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen
eine innerhalb des Wärmeträger-Kreislaufs zirkulierende
Wassermenge.
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Ein
anderer Bereich des Wärmeträger-Kreislaufs 1 wird
durch einen frostsicheren Bereich 3 mit frostsicheren Anlagen 3a gebildet.
Diese befinden sich in der Regel innerhalb von Gebäuden oder
Behausungen oder weisen aus funktionellen Gründen eine Temperatur auf, die
ein Einfrieren des im Kreislauf zirkulierenden Wärmeträgers ausschließt.
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Der
schematisch dargestellte Wärmeträger-Kreislauf
weist eine Vorlaufleitung 5 und eine Rücklaufleitung 6 auf.
Bei dem hier dargestellten Beispiel durchfließt der Wärmeträger aus dem frostfreien Bereich 3 kommend
die Vorlaufleitung 5, tritt dann in die Anlagen 2a des
frostgefährdeten
Bereichs 2 ein und fließt von dort über die
Rücklaufleitung 6 in
die Anlagen 3a des frostfreien Bereichs zurück, wobei sich
der Kreislauf schließt.
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Eine
Wärmeträgertauschvorrichtung 8 ist
in den so gebildeten Wärmeträger-Kreislauf geschaltet. Diese
enthält
eine Zuführeinheit 9 zum
Einspeisen eines frostsicheren Wärmeträgers in
den Wärmeträger-Kreislauf.
Die Zuführeinheit 9 besteht
aus einem Reservoir 10, in dem sich eine Vorratsmenge der frostsicheren
Wärmeträgers befindet.
Weiterhin weist die Zuführeinheit
eine Pumpe 11 auf, die den frostsicheren Wärmeträger bei
Bedarf aus dem Reservoir über
eine Zuführleitung 12 in
die Vorlaufleitung 5 des Wärmeträger-Kreislaufs befördert.
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Die
Wärmeträgertauschvorrichtung 8 enthält weiterhin
eine Ablaufleitung 13. Diese zweigt bei dem hier gezeigten
Beispiel von der Rücklaufleitung 6 des Wärmeträger-Kreislaufs
ab. Die Ablaufleitung 13 ermöglicht ein Abfließen des
im Wärmeträgerkreislauf zirkulierenden
Wärmeträgers.
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Ein
Temperatursensor 14 misst innerhalb des frostgefährdeten
Bereichs 2 die dort herrschende Bereichstemperatur T und
gibt diese Temperatur über
hier nicht dargestellte Signalleitungen an eine Steuereinheit 15 zur
weiteren Signalverarbeitung aus. In der Ablaufleitung 13 ist
ein Stoffsensor 16 angeordnet. Dieser misst eine für die unterschiedlichen Wärmeträger charakteristische,
sich hinreichend stark unterscheidende Messgröße. Er ist insbesondere als
ein Leitfähigkeitssensor
ausgebildet und misst die Leitfähigkeit
des in der Ablaufleitung fließenden
Wärmeträgers. Der
Leitfähigkeitsmesswert bildet
einen Parameter zum Ermitteln einer Stoffzusammensetzung S des Mediums
innerhalb der Ablaufleitung.
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Das
Verfahren wird in der hier dargestellten Anlage wie folgt ausgeführt: Innerhalb
des Wärmeträger-Kreislaufs 1 zirkuliert
zunächst
der frostgefährdete Wärmeträger. Die
Bereichstemperatur T innerhalb des frostgefährdeten Bereichs und damit
die Temperatur des Wärmeträgers in
diesem Abschnitt des Kreislaufs, wird kontinuierlich von dem Temperatursensor 14 gemessen
und von der Steuereinheit 15 überwacht.
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Sobald
die Bereichstemperatur unter einen bestimmten Wert fällt, bei
dem mit einem Einfrieren des Wärmeträgers zu
rechnen ist, wird die Ablaufleitung 13 geöffnet. Der
in dem Wärmeträger-Kreislauf zirkulierende
frostgefährdete
Wärmeträger verlässt nun über die
Ablaufleitung den Wärmeträger-Kreislauf.
Zugleich wird die Pumpe 11 aktiviert. Diese befördert nun
den frostsicheren Wärmeträger aus
dem Reservoir 10 über
die Zuführleitung 12 in
die Vorlaufleitung 5 des Wärmeträger-Kreislaufs. Der frostsichere
Wärmeträger verdrängt dabei
den frostgefährdeten
Wärmeträger aus
dem Wärmeträger-Kreislauf. Durch
die Zufuhr des frostsicheren Wärmeträgers erhöht sich
der Druck innerhalb des Kreislaufs. Dieser erhöhte Druck presst den frostgefährdeten
Wärmeträger in die
Ablaufleitung.
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Während des
gesamten Vorgangs wird durch den Stoffsensor 16 die Stoffzusammensetzung S
innerhalb der Ablaufleitung registriert. Dies geschieht wie beschrieben
durch eine elektrische Leitfähigkeitsmessung,
sofern sich die Leitfähigkeiten des
frostgefährdeten
von der des frostsicheren Wärmeträgers hinreichend
deutlich unterscheiden. Alternativ kann aber auch die Messung einer
anderen Stoffkonstante, beispielsweise des pH-Wertes, erfolgen.
Der gemessene Leitfähigkeitswert
wird fortlaufend an die Steuereinheit 15 übertragen.
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Sobald
die ermittelte Stoffzusammensetzung S einen zunehmenden Anteil des
frostsicheren Wärmeträgers, d.
h. einen sich signifikant verschiebenden Leitfähigkeits- oder pH-Wert, innerhalb
der Ablaufleitung aufweist, wird die Ablaufleitung geschlossen.
Gleichzeitig wird der Betrieb der Pumpe 11 angehalten.
Der Wärmeträger-Kreislauf
ist nun mit dem frostsicheren Wärmeträger gefüllt, wobei
etwaige Restmengen des frostgefährdeten
Wärmeträgers durch
Vermischung mit dem frostsicheren Wärmeträger absorbiert werden.
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2 zeigt
ein beispielhaftes Hydraulikschema für eine Wärmeträgertauschvorrichtung in einer detaillierteren
Ausführungsform.
Die hier dargestellte Wärmeträgertauschvorrichtung
erlaubt eine Rückgewinnung
des frostsicheren Wärmeträgers. Die
Vorrichtung ist insbesondere für
Wasser als dem frostgefährdeten
Wärmeträger und
Glykol als dem frostsicheren Wärmeträger geeignet.
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Der
Aufbau dieser Ausführungsform
orientiert sich an dem prinzipiellen Grundaufbau aus 1.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
sind zusätzliche
Leitungen und Ventile vorgesehen. Wie bei dem vorhergehend beschriebenen
Prinzipaufbau weist der Wärmeträger-Kreislauf 1 den frostgefährdeten
Bereich 2 und den frostsicheren Bereich 3 auf.
Ebenso ist die Vorlaufleitung 5 und die Rücklaufleitung 6 vorhanden.
Die Wärmeträgertauschvorrichtung 8 enthält ebenso
die Zuführeinheit 9,
die das Reservoir 10 und die Pumpe 11 in Verbindung
mit der Zuführleitung 12 umfasst.
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Von
der Rücklaufleitung 6 des
Wärmeträger-Kreislaufs
zweigt auch bei diesem Ausführungsbeispiel
die Ablaufleitung 13 ab. Im frostgefährdeten Bereich befindet sich
in der Rücklaufleitung 6 der Temperatursensor 14,
der bei diesem Beispiel als ein Thermostat ausgebildet ist. Der
Stoffsensor 16 befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel
ebenso innerhalb der Rücklaufleitung 6.
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Zur
Steuerung des Flusses der beiden Wärmeträger sind eine Reihe von Ventilen
vorgesehen, die durch Steuerimpulse der Steuereinheit geschaltet werden.
Hierfür
kommen insbesondere Magnetventile in Betracht.
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Ein
erstes Ventil 20 steuert den Fluss des Wärmeträgers innerhalb
der Vorlaufleitung 5. Ein zweites Ventil 21 steuert
den Fluss des Wärmeträgers in
der Rücklaufleitung 6.
Für einen
Zulauf des frostgefährdeten
Wärmeträgers in
den Wärmeträger-Kreislauf
ist eine Zulaufleitung 22 vorgesehen. Diese mündet in
die Vorlaufleitung 5 ein. Der Fluss innerhalb der Zulaufleitung 22 wird
durch ein drittes Ventil 23 und einen Druckschalter 24 reguliert.
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Der
Fluss des frostsicheren Wärmeträgers innerhalb
der Zuführleitung 12 wird
durch ein viertes Ventil 25 reguliert. Für die Rückgewinnung
des frostsicheren Wärmeträgers ist
eine Rückführleitung 26 vorgesehen.
Diese zweigt von der Rücklaufleitung 6 des
Wärmeträger-Kreislaufs
ab und mündet
in das Reservoir 10. Der Fluss innerhalb dieser Leitung 26 wird
durch ein fünftes
Ventil 27 reguliert. Schließlich wird der Fluss in der
bereits erwähnten
Ablaufleitung 13 durch ein sechstes Ventil 28 reguliert.
Zur Kontrolle des Füllstandes
im Reservoir ist ein Füllstandssensor 16a vorgesehen.
Der Füllstandssensor
signalisiert die genaue Rückführmenge.
Eine Überlaufleitung 29 schützt im Notfall
das Reservoir vor einer Beschädigung
und gewährleistet
eine sichere Ableitung einer anfallenden Übermenge.
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Aus
Sicherheitsgründen
befindet sich zwischen der Zuführleitung 12 und
der Rückführleitung 26 ein Überströmventil 30.
In jeder der Leitungen 5 und 6 ist darüber hinaus
ein Automatikentlüfter 31 vorhanden.
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Nachfolgend
soll zunächst
beispielhaft die Befüllung
der gezeigten Anordnung mit dem frostsicheren Wärmeträger beschrieben werden. Bei
der nachfolgenden Beschreibung wird Wasser als frostgefährdeter
Wärmeträger und
Glykol als frostsicherer Wärmeträger angenommen.
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Die
Befüllung
des Wärmeträger-Kreislaufs mit
Glykol beginnt, wenn am Temperatursensor eine Temperatur T0 registriert wird, die eine unmittelbar vorliegende
Frostgefahr für
das aktuell innerhalb des Kreislaufs zirkulierende Wasser signalisiert.
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
beginnt der Befüllvorgang
in einem ersten Schritt mit einem Funktionstest der Pumpe 11.
Sofern dieser Test positiv ausfällt
und die Betriebsbereitschaft der Pumpe bestätigt wird, wird der Befüllvorgang
fortgesetzt. Anderenfalls wird ein Alarmsignal ausgegeben. Der Funktionstest kann
auch unabhängig
von einem Wärmeträgertausch
ausgeführt
werden.
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In
einem nächsten
Schritt wird der Wärmeträger-Kreislauf
stillgelegt und es wird ein Druckausgleich mit der Umgebung herbeigeführt. Hierzu
werden die in den Leitungen 5 und 6 angeordneten
Ventile 20 und 21 geschlossen, während das
in der Ablaufleitung 13 angeordnete Ventil 28 geöffnet wird.
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Gleichzeitig
oder im unmittelbaren Anschluss daran erfolgt ein Druckaufbau innerhalb
der Zuführleitung 12.
Hierfür
wird die Pumpe 11 in Betrieb genommen, während das
Ventil 25 zeitverzögert
geöffnet
wird. Das in dem Reservoir befindliche Glykol wird nun in die Vorlaufleitung 5 gepresst
und dringt in die im frostgefährdeten
Bereich 2 gelegenen Komponenten 2a des Wärmeträger-Kreislaufs
ein. Dabei wird von der Vorlaufleitung beginnend das momentan noch
im Wärmeträger-Kreislauf
befindliche Wasser verdrängt
und verlässt
den Wärmeträger-Kreislauf über das
offene Ventil 28 bzw. die Ablaufleitung 13.
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Eine
Vermischung des frostsicheren und des frostgefährdeten Wärmeträgers wird dabei durch den hydrodynamischen
Effekt der Pfropfenströmung
verhindert. Bei diesem in erster Näherung hier vorliegenden, nicht
bzw. niedrig turbulenten Strömungszustand
haben alle in den Rohrleitungen strömenden inkompressiblen Volumenelemente
die gleiche Verweildauer und die gleiche Strömungsgeschwindigkeit. Beide
Flüssigkeitskomponenten,
d. h. beide während
des Austauschvorganges innerhalb des Wärmeträger-Kreislaufs vorhandene Wärmeträger, durchströmen unter
dieser Bedingung das Rohr so, als wären deren Volumenelemente eine
Aneinanderreihung leicht durch das Rohr gleitender, sich gegenseitig
nicht vermischender Pfropfen. Unter diesen Bedingungen kann eine
Durchmischung beider Komponenten im wesentlichen nur durch Diffusion
innerhalb einer kleinen, im wesentlichen vernachlässigbaren
Grenzschicht zwischen den beiden Wärmeträgern erfolgen. Das bedeutet,
dass der jeweils eingeleitete Wärmeträger durch
den Einleitevorgang den aktuell im Kreislauf befindlichen Wärmeträger austreibt.
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Der
jeweils verdrängte
Wärmeträger kann daher
gesammelt und wiederverwendet werden. Dies gilt vor allem für den nicht
frostgefährdeten
Wärmeträger, insbesondere
das Glykol, der aus seinem Reservoir in den Wärmeträgerkreislauf gedrückt bzw. aus
diesem wieder abgeleitet und im Reservoir gesammelt werden kann.
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Während dieses
Austreibevorgangs wird die Zusammensetzung des strömenden Fluids
durch den Stoffsensor 16 in der Rücklaufleitung 6 registriert.
Für den
Betrieb des Stoffsensors können
eine Vielzahl von Messtechniken eingesetzt werden, mit denen sich
unterschiedliche physikalische Eigenschaften der Flüssigkeiten
detektieren lassen. Dabei können
insbesondere pH-Wert-Detektoren,
vor allem aber Leitfähigkeitsdetektoren
eingesetzt werden. Bei dem hier gezeigten Beispiel wird von einem
Stoffsensor ausgegangen, der auf dem Prinzip der Leitfähigkeitsmessung
beruht. Ein Wechsel des an dem Sensor vorbei strömenden Fluids wird unter dabei
als ein markanter Sprung in der zeitlichen Entwicklung der gemessenen
Leitfähigkeit
registriert.
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Eine
einfache Möglichkeit
zur indirekten Stoffdetektierung bietet der Füllstandssensor 16a im Reservoir 10 oder
ein Durchflusszähler
an einer zweckmäßigen Stelle,
beispielsweise in der Rückführleitung 26.
Da sich die einzelnen Wärmeträger nicht
miteinander mischen und sich gegenseitig verdrängen, kann mit einer hinreichenden
Genauigkeit davon ausgegangen werden, dass der Wärmeträger genau dann innerhalb des
Wärmeträgerkreislaufes oder
eines entsprechenden Abschnitte vollständig ausgetauscht worden ist,
wenn eine entsprechende Menge des verdrängten Wärmeträgers den Kreislauf verlassen
hat. Diese Menge lässt
sich durch entsprechend geeichte Füllstandssensoren bzw. Durchflusszähler registrieren.
Sobald der Füllstandssensor
einen Füllstand
des entsprechenden Wärmeträgers im Reservoir
registriert, der dem Gesamtvolumen des Wärmeträgerkreislaufs entspricht, wird
dadurch ein vollständiger
Austausch des Wärmeträgers signalisiert.
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Die
Anwendung des Durchflusszählers
empfiehlt sich dann, wenn der verdrängte Wärmeträger nicht gesammelt wird. Die
Anwendung des Füllstandssensors
ist vorteilhaft, wenn der verdrängte Wärmeträger in einem
Reservoir aufgefangen wird.
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Sobald
die Rücklaufleitung
mit einer signifikanten Menge des eingespeisten Glykols gefüllt ist, wird
das Ventil 28 geschlossen. Durch die Positionen des Stoffsensors 16 und
der Ablaufleitung 13 ist gesichert, dass zwischen der Detektierung
des am Sensor ankommenden Glykols und dem Schließen des Ventils 28 genug
Zeit verbleibt, um einen Übertritt
des Glykols in die Ablaufleitung 13 zu vermeiden.
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Nun
wird das Ventil 27 innerhalb der Rückführleitung 26 geöffnet. Das
in den Wärmeträger-Kreislauf
eingespeiste Glykol gelangt nun über die
Rückführleitung
zurück
in das Reservoir 10. Der Ventilzustand mit geschlossenen
Ventilen 20, 21 und 28 und den offenen
Ventilen 25 und 27 bedingt dabei einen Kreislauf,
der von dem Reservoir 10 über die Pumpe 11,
die Zuführleitung 12,
die Vorlaufleitung 5, die Anlagenkomponenten 2a,
die Rücklaufleitung 6 und
die Rückführleitung 26 wieder
zum Reservoir zurück
führt.
Dieser Kreislauf wird nun für
eine gewisse Zeitdauer betrieben. Dabei werden möglicherweise verbliebene Reste
des Wassers aus strömungsdynamisch
schwerer zugänglichen
Teilen des Wärmeträger-Kreislaufs
ausgespült
und der Wärmeträger-Kreislauf
mit einer zunehmenden Glykolkonzentration angereichert.
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Anschließend werden
die Ventile 25 und 27 geschlossen. Die Pumpe wird
angehalten. Es erfolgt zweckmäßigerweise
eine Meldung über
den so erreichten Endzustand in Form eines von der Steuereinheit 15 ausgegebenen
Licht- und/oder Tonsignals.
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Der
frostsichere Wärmeträger, in
diesem Beispiel das Glykol, kann nach Ende der frostgefährdenden
Temperaturperiode wieder aus dem Wärmeträger-Kreislauf entzogen und zurückgewonnen
werden. Der Rückgewinnungsprozess
kann sowohl manuell ausgelöst,
als auch automatisch gestartet werden, sobald der Temperatursensor 14 eine
hinreichend hohe Temperatur erfasst und an die Steuereinheit 15 übermittelt.
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Der
Rückgewinnungsprozess
des Glykols beginnt mit einem öffnen
der Ventile 23 und 27. Über die nun geöffnete Zulaufleitung 22 wird
der frostgefährdete
Wärmeträger, in
diesem Beispiel Wasser, in die Vorlaufleitung 5 gedrückt. Der
dabei verdrängte frostsichere
Wärmeträger, in
diesem Beispiel das Glykol, verlässt
durch die Rücklaufleitung 6 und
die offene Rückführleitung 26 den
Wärmeträger-Kreislauf
und gelangt wieder zurück
in das Reservoir 10.
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Während dieses
Vorgangs wird die aktuelle Menge des frostsicheren Wärmeträgers des
Reservoirs fortlaufend durch den Füllstandssensor 16a im Reservoir überwacht.
Signalisiert der Füllstandssensor,
dass sich die Gesamtmenge des frostsicheren Wärmeträgers im Reservoir befindet,
so wird das Ventil 27 geschlossen und das Ventil 28 geöffnet. Bei dem
nun einsetzenden Spülvorgang
wird kontinuierlich Wasser über
die Zulaufleitung 22 durch das geöffnete Ventil 23 in
den Wärmeträger-Kreislauf
eingeleitet. Das Wasser gelangt in die Vorlaufleitung 5,
die Komponenten 2a, die Rücklaufleitung 6 und
verlässt den
Wärmeträger-Kreislauf
durch das geöffnete
Ventil 28 über
die Ablaufleitung 13. Dieser Betriebszustand des Wärmeträger-Kreislaufs
wird über
eine zweckmäßige Zeitdauer
beibehalten. Unter Umständen
können
dabei auch die Ventile 20 und 21 geöffnet werden,
um alle Bereiche des Kreislaufs zu durchspülen.
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Anschließend wird
das Ventil 28 geschlossen, wobei das Ventil 23 und
damit die Zulaufleitung 22 geöffnet bleibt. Dadurch steigt
der Druck innerhalb des Wärmeträger-Kreislaufs
an. Dabei misst der Druckschalter 24 den innerhalb der
Zulaufleitung 22 herrschenden Druck. Beim Erreichen eines
voreingestellten Arbeitsdrucks innerhalb des Kreislaufs aktiviert
der Druckschalter das Ventil 23 und schließt es. Sofern
die Ventile 20 und 21 geschlossen gewesen sind,
werden diese jetzt wieder geöffnet.
Damit ist der Wärmeträger-Kreislauf
wieder auf den Betrieb mit dem frostgefährdeten Wärmeträger, d. h. in diesem Falle
mit Wasser, umgestellt. Die Steuereinheit gibt bei Erreichen dieses
Zustandes zweckmäßigerweise ein
akustisches bzw. optisches Signal aus.
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Zweckmäßigerweise
können über die
Steuereinheit nicht nur die erwähnten
Prozesse zum Wärmeträgeraustausch,
sondern auch Wartungsvorgänge
initiiert werden. Dies betrifft insbesondere eine Intervallwartung
für die
in der Wärmeträgertauschvorrichtung
enthaltenen und vorhergehend erläuterten Ventile,
die Pumpe 11 sowie die in dem Wärmeträgerkreislauf enthaltenen Sensoren.
Außerdem
können
die üblichen
Befüll-
und Entleervorgänge
unter Ansprechen der Ventile 23 und 28 ausgeführt werden,
um eine gleichbleibende Qualität
des in dem Wärmeträger-Kreislaufs
zirkulierenden Wärmeträgers sicher
zu stellen.
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Die 3 und 4 zeigen
ein Hydraulikschema für
eine Wärmeträgertauschvorrichtung
in einer zweiten Ausführungsform.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Wärmeträgertauschvorrichtung 8 ausschließlich an
die Rücklaufleitung 6 gekoppelt. Das
bedeutet, dass der Wärmeträger innerhalb
der gesamten Anlage getauscht wird. Dabei wird der frostsichere
Wärmeträger zunächst in
die frostsicheren Anlagen 3a eingespeist und gelangt von
dort über die
Vorlaufleitung 5 in die frostgefährdeten Anlagen 2a.
Eine derartige Ausführungsform
erlaubt es, nach dem Wärmeträgeraustausch
den Wärmeträgerkreislauf
mit dem frostsicheren Wärmeträger weiter
zu betreiben.
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Bei
dem in 3 gezeigten Normalzustand ist das in der Rücklaufleitung 6 angeordnete
Ventil 21 auf Durchlass geschaltet. Die Zuführeinheit 9 ist deaktiviert
und deren Reservoir 10 ist mit einem Vorrat an frostsicherem
Wärmeträger aufgefüllt. Bei
einer von dem Temperatursensor 14 registrierten Temperatur
im frostgefährdenden
Bereich wird das Ventil 21 in der Rücklaufleitung geschlossen.
Gleichzeitig wird das Ventil 23 in der Zulaufleitung 22 abgesperrt und
das Ventil 28 in der Ablaufleitung 13 geöffnet.
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Es
erfolgt sodann ein Druckaufbau in der Zuführleitung 12. Dabei
wird die Pumpe 11 aktiviert, wobei das Ventil 25 zunächst noch
geschlossen ist. Ein Überströmventil 30 zwischen
der Zuführleitung 12 und
der Rückführleitung 26 sichert
dabei ein Rückströmen des
frostsicheren Wärmeträgers in
das Reservoir 10, sofern der aufgebaute Druck in der Zuführleitung 12 einen
zu großen
Wert annimmt.
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Nach
einer zweckmäßig gewählten Zeit
wird nun das Ventil 25 in der Zuführleitung 12 geöffnet. Der
frostsichere Wärmeträger schießt nun unter Druck
in die Rücklaufleitung 6 ein
und gelangt in die im frostsicheren Bereich des Wärmeträgerkreislaufs gelegenen
Anlagen 3a. Dort wird der frostgefährdete Wärmeträger verdrängt. Der frostsichere Wärmeträger gelangt
sodann über
die Vorlaufleitung in die frostgefährdeten Anlagen 2a des
Wärmeträgerkreislaufs.
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Dort
spült der
frostsichere Wärmeträger den frostgefährdeten
Wärmeträger aus.
Dieser gelangt über
die Rücklaufleitung 6 auf
das geschlossene Ventil 21. Der frostgefährdete Wärmeträger wird schließlich über die
Ablaufleitung 13 durch das geöffnete Ventil 28 aus
dem Wärmeträgerkreislauf
verdrängt.
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Während des
Austreibevorgangs wird die Zusammensetzung des in der Rücklaufleitung 6 befindlichen
Wärmeträgers durch
den in der Rücklaufleitung
angeordneten Stoffsensor 14 überwacht. Sobald dieser signalisiert,
dass sich in der Rücklaufleitung
im wesentlichen nur der frostsichere Wärmeträger befindet, wird das Ventil 28 in
der Ablaufleitung 13 geschlossen. Das Ventil 21 wird
wieder geöffnet. Das
Ventil 25 wird geschlossen und die Pumpe 11 deaktiviert.
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Der
sich dabei einstellende Endzustand ist in 4 gezeigt.
Der in dem Reservoir 10 vorher befindliche frostsichere
Wärmeträger befindet
sich nun innerhalb des Wärmeträgerkreislaufs.
Der Wärmeträgerkreislauf
kann nun mit dem frostsicheren Wärmeträger weiter
betrieben werden.
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Eine
Rückgewinnung
des frostsicheren Wärmeträgers kann
bei diesem Ausführungsbeispiel
in einer sehr einfachen Weise erfolgen. Dabei wird das Ventil 21 geschlossen,
während
das Ventil 23 in der Zulaufleitung 22 und das
Ventil 27 in der Rückführleitung 26 geöffnet werden.
Unter Druck wird nun über die
Zulaufleitung 22 der frostgefährdete Wärmeträger in die Rücklaufleitung
gepresst. Er verdrängt
dabei den frostsicheren Wärmeträger aus
dem Anlagenabschnitt 3a, aus der Vorlaufleitung 5 und
den Anlagen 2a. Der verdrängte frostsichere Wärmeträger gelangt dann über die
Rückführleitung 26 zurück in das
Reservoir 10. Der dort angebrachte Füllstandssensor 16a registriert,
wenn sich die Gesamtmenge des frostsicheren Wärmeträgers wieder im Reservoir befindet
und verhindert ein Überfüllen des
Reservoirs.
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Die 5 und 6 zeigen
beispielhafte Betriebszustände
einer Wärmeträgertauschvorrichtung,
bei der ausschließlich
die Anlagen 2a innerhalb des frostgefährdeten Abschnittes des Wärmeträgerkreislaufes
mit dem frostsicheren Wärmeträger befüllt werden.
Die in den 5 und 6 gezeigte Vorrichtung entspricht
im wesentlichen der Vorrichtung aus 2. Im Unterschied
zu der in 2 gezeigten Vorrichtung ist
jedoch innerhalb des Reservoirs 10 der Füllstandssensor 16a angeordnet.
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Bei
der Beschickung des Wärmeträgerkreislaufs
gemäß der Darstellung
in 5 werden zu Beginn des Austauschvorgangs die in
der Vorlaufleitung 5 und der Rücklaufleitung 6 gelegenen
Ventile 20 bzw. 21 geschlossen. Sodann wird über die
Zuführleitung 12 und
das darin geöffnete
Ventil 25 durch die eingeschaltete Pumpe 11 der
frostsichere Wärmeträger aus
dem Reservoir 10 in die Vorlaufleitung 5 gedrückt. Der
frostsichere Wärmeträger gelangt
dadurch in die Anlage 2a im frostgefährdeten Bereich. Er verdrängt dabei
den frostgefährdeten
Wärmeträger. Dieser
verlässt
den Wärmeträgerkreislauf
aus der Rücklaufleitung 6 über die
Ablaufleitung 13 mit dem geöffneten Ventil 28.
Das Ventil 28 wird geschlossen, sobald der Stoffsensor 16 innerhalb
der Rücklaufleitung
signalisiert, dass der frostsichere Wärmeträger die Rücklaufleitung gefüllt hat.
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Der
dabei erreichte Endzustand ist in 6 dargestellt.
Der Wärmeträgerkreislauf
ist nach Beendigung des beschriebenen Wärmeträgeraustausches stillgelegt
und im frostgefährdeten
Bereich vor einem Einfrieren geschützt. Eine Rückgewinnung des frostsicheren
Wärmeträgers entsprechend
den zu 2 bereits erfolgten Angaben ausgeführt. Dabei
registriert der Füllstandssensor 16a den
Füllstand
im Reservoir und verhindert ein Überfüllen durch
einen rechtzeitigen Abbruch der Rückgewinnung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die damit verbundene Vorrichtung wurden beispielhaft erläutert. Es
sind im Rahmen fachmännischen
Handelns weitere Abänderungen
an den gezeigten Ausführungsbeispielen
möglich.
Weitere Ausführungsformen
ergeben sich auch aus den Unteransprüchen.
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- 1
- Wärmeträger-Kreislauf
- 2
- frostgefährdeter
Bereich
- 2a
- frostgefährdete Anlagen
- 3
- frostsicherer
Bereich
- 3a
- frostsichere
Anlagen
- 5
- Vorlaufleitung
- 6
- Rücklaufleitung
- 8
- Wärmeträgertauschvorrichtung
- 9
- Zuführeinheit
- 10
- Reservoir
- 11
- Pumpe
- 12
- Zuführleitung
- 13
- Ablaufleitung
- 14
- Temperatursensor
- 15
- Steuereinheit
- 16
- Stoffsensor
- 16a
- Füllstandssensor
- 20
- erstes
Ventil in Vorlaufleitung
- 21
- zweites
Ventil in Rücklaufeitung
- 22
- Zulaufleitung
- 23
- drittes
Ventil in Zulaufleitung
- 24
- Druckschalter
- 25
- viertes
Ventil in Zuführleitung
- 26
- Rückführleitung
- 27
- fünftes Ventil
in Rückführleitung
- 28
- sechstes
Ventil in Ablaufleitung
- 29
- Überlaufleitung
- 30
- Überströmventil
- 31
- Automatikentlüfter