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Technisches Gebiet der Erfindung und gewerbliche Anwendbarkeit
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die es ermöglichen bei fluiddurchströmten Leitungsnetzen über eine Hubstellwert- bzw. prozentuale oder absolute Öffnungs- oder Schließwerterfassung eines druckunabhängigen Ventilkörpers oder Regelkugelhahns Rückschlüsse auf den das Ventil bzw. den Kugelhahn durchströmenden Volumen- bzw. Massenstrom zu ziehen. In Kombination mit einer zugehörigen Vor- und Rücklauftemperaturerfassung des jeweiligen Verbrauchers, wie bspw. Heizkörper, Fußbodenheizsysteme, Wärmetauscher oder Umluftkühlgeräten, ist so eine Heiz- bzw. Kälteleistungsbestimmung (unterschiedlicher Wärme- oder Kälteverbraucher) möglich.
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Die gewerbliche Anwendbarkeit ist dabei sowohl in Bestands- als auch Neubaugebäuden zu sehen.
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Stand der Technik
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Zur Volumenstromerfassung sind auf dem Markt diverse Geräte verfügbar, die auf unterschiedlichen Messprinzipien, wie bspw. Ultraschall-Durchflussmessungen, Flügelrädern, Schwebekörpern oder Staudruckumrechnungen basieren. Geeignete druckunabhängige Regelkörper auf deren Funktionalität das beschriebene Verfahren aufbaut sind dagegen bisher nur vereinzelt auf den Markt vorzufinden.
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Druckunabhängige Regelventile bzw. -kugelhähne:
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Aus der
DE 4341848 C2 ist ein Regelventil bekannt, welches über eine in Reihenschaltung angeordnete Kombination von einem verstellbaren Regelventil und einem vorgelagerten Drosselventil verfügt. Letzteres verfügt dabei zusätzlich über eine differenzdruckabhängige Durchlaßfunktionalität, welche in Abhängigkeit des anliegenden Pumpendruckes für einen annähernd konstanten Differenzdruck über das nachfolgende Regelventil sorgt. Dadurch wird ein Regelverhalten erreicht, welches einer Ventilautorität von 100% gleichkommt und zudem den zugehörigen Verbraucher (bspw. Heizkörper) bis zu einem spezifischen Maximalwert druckunabhängig in das Leitungsnetz einbindet bzw. kontinuierlich hydraulisch abgleicht. Diese durch das druckunabhängige Verhalten entstehenden Eigenschaften macht sich das in dieser Patentschrift beschriebene Verfahren mit Hilfe der ebenfalls beschriebenen Vorrichtung in Form einer Hubwerterfassung und microcontrollergestützten Auswertung zu Nutze. Damit soll eine neuartige äußerst energiesparsame und kostengünstige Volumen- bzw. Massenstromerfassung zu realisiert werden.
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In der
DE 60024496 T2 ist eine Vorrichtung beschrieben die vom Grundprinzip und Funktionsweise her sehr ähnlich dem aus
DE 4341848 C2 beschriebenen Verfahren ist. Auch hier werden Druckänderungen über den Regelkörper über eine vordefinierte Feder, welche auf mit einem Ventilmechanismus verbundene Membran wirkt solange ausgeglichen, bis zwischen Membrandruck und Federkraft ein Gleichgewicht entsteht. Der wesentliche Unterschied zu
DE 4341848 C2 ist, dass der auf die eine Seite der Membran wirkende Druck noch vor dem membrangekoppelten Drosselventil abgegriffen wird. Dadurch wirken beide Ventile zusammen als druckunabhängiges Regelventil. Dies ist zwar unter dem in
DE 4341848 C2 beschriebenen Verfahren generell ebenfalls der Fall, allerdings wird hierbei der Differenzdruck einzig über das Regelventil konstant gehalten und ist druckseitig daher unabhängiger und ist somit für das in dieser Patentschrift beschriebene Verfahren vorzugsweise heranzuziehen.
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Volumenstrom-Messverfahren:
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Wie aus
DE 19605164 C2 bekannt, ist es möglich einen Volumenstrom mittels Ultraschall zu messen. Dabei wird über einen Transmitter eine akustische Welle in ein fluides Medium geschickt und über einen zugehörigen Sensor die durch das Medium verursachte Echoverschiebung, erfasst. Diese Echoverschiebung erlaubt einen genauen Rückschluss auf den Volumenstrom. Weiterhin beschreibt
DE 19605164 C2 die Möglichkeit, diese Messung in einer sehr kompakten Bauweise vorzunehmen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es neben einer umfangreichen Versorgung mit elektrischer Energie, welche in vergleichbar hohen Betriebskosten resultiert, trotz der beschriebenen vereinfachten Bauart dennoch eine aufwendige Sensor- und Transmitterelektronik benötigt. Dies verursacht zusammenfassend erhebliche Investitionskosten für ein Produkt, welches separat in oder an den Leitungsprozess ein- bzw. angebunden werden muss; zudem muss eine separate Strom- und Datenkabelanbindung erfolgen.
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Aus
EP 1906156 A2 ist ein Verfahren bekannt, welches eine magnetisch-induktive Durchflussmessung in Kombination mit einem Ventil ermöglicht. Dabei wird an einer definierten Durchflussstelle ein permanent anliegendes Magnetfeld geschaffen, welches bedingt durch das Induktionsgesetz bei Durchfließen eines, eine Mindestleitfähigkeit aufweisenden Mediums, zu einer Spannungsänderung führt. Dies ermöglicht es in kompakter Bauweise und in Verbindung mit einem Ventil direkt den Volumenstrom zu erfassen. Nachteilig bei dieser Anwendung ist jedoch, dass auch hier ein erheblicher technischer und energieintensiver Aufwand betrieben werden muss, um Rückschlüsse auf den Volumenstrom ziehen zu können. Weiterhin ist hier ebenfalls eine eigenständige Prozesseinbindung sowie eine Daten- und Energieversorgung zu gewährleisten.
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Schließlich wird in
DE 10106465 A1 eine Volumenstrom-Erfassungsmöglichkeit basierend auf einem durch das durchströmende Medium in Rotation versetzten Flügelrad beschrieben. Dieses Flügelrad ist über eine Welle mit einer zugehörigen Messeinrichtung verbunden und ermöglicht somit über eine Umrechnung der Drehzahl ebenfalls eine äußerst präzise Bestimmung des durchströmenden Volumenstroms. Durch die beweglichen, dem Fließmedium direkt ausgesetzten Bauteilkomponenten sind auf diesem Messprinzip aufbauende Lösungen aber äußerst störanfällig und damit nur für saubere bzw. ablagerungsfreie Fließmedien wie bspw. Trinkwasser geeignet.
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Kritik des Standes der Technik
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Diese verschiedenen Messprinzipien bzw. Gerätetypen fungieren in der Regel vollständig autark und stellen keine Symbiose zu anderen im Prozess benötigten Komponenten, wie bspw. dem Regelventil her. Dementsprechend müssen sie auch separat in den Prozess eingebaut und mit einer separaten Energie- und Datenanbindung versehen werden.
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Darüber hinaus verursachen die bisher üblichen Messprinzipien des Volumenstroms meist deutlich höhere Betriebs- und Investitionskosten im Vergleich zu dem hier beschriebenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung.
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Aufgrund von im Heizungsnetz mitströmenden Ablagerungen und Schwebstoffen sind Messgeräte, die direkt mit beweglichen Teilen im Prozess eingebunden werden, wie bspw. Lösungen nach dem Flügelrad-, Turbinen- oder Paddel-Messprinzip äußerst störanfällig und oft nur für reine Trinkwasseranwendung geeignet.
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Aufgabe
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messverfahren des Volumen- bzw. Massenstroms in Heizungsanlagen zu entwickeln, welches die genannten Nachteile vermeidet und insbesondere mit einem Regelkörper kombinierbar ist, so dass es nicht separat in den Prozess eingefügt und mit einer eigenständigen Energiequellen- und Datenanbindung versorgt werden muss.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein auf den Eigenschaften eines druckunabhängigen Regelventils basierendes Messverfahren zu Grunde gelegt wird, welches über eine Erfassung und datentechnische Verarbeitung des Hubwertes über die lineare oder gleichprozentige Abhängigkeit des Ventil- bzw. Kugelhahnregelkörpers einen Rückschluss auf den zugehörigen Volumenstrom zulässt.
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Die Erfindung im einzelnen:
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Hierzu wird eine Drehbewegungs- bzw. Rotationserfassung der mit dem Motor verbundenen mechanischen Bauteile (Getriebe, Zahnräder, Spindel, Wellen, Hülsen, etc.) innerhalb oder außerhalb des aufgesetzten Stellantriebgehäuses verbaut. Dies ermöglicht eine Erfassung des konkreten Hubstellwertes eines druckunabhängigen Regelventils.
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Diese Erfassung kann beispielsweise über einen handelsüblichen Magnetschalter/Reedkontakt in Kombination mit einem rotierenden Permanentmagneten erfolgen.
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Die jeweiligen Endlagen (Ventil vollständig geöffnet bzw. Ventil vollständig geschlossen) bzw. der dem Ventil zur Verfügung stehende Hubweg (0 bis 100 Prozent), können dann entsprechend erfasst werden (bspw. über zugehörige Endlagenschalter, eine microprozessorgestütze Stromlastüberwachung oder eine Timerfunktionalität, welche das Stoppen der Drehbewegung registriert).
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Durch die Zusammenführung einer Hubwerterfassung mittels eines druckunabhängigen Regelventils (bspw.
DE 4341848 C2 ,
DE 60024496 T2 ) kann ab Erreichen einer benötigten Mindestdruckhöhe vor dem Ventilkörper von einem Regelverhalten ausgegangen werden, welches einer Ventilautorität von 100 Prozent gleichkommt und dadurch eine direkte Abhängigkeit des Hubwertes zum Volumenstrom darstellt. Mit anderen Worten kann beispielsweise bei Ausbildung eines linearen Ventilkegels und -sitzes, welcher u. a. standardgemäß in dem Regelventil nach
DE 43 41 848 C2 enthalten ist, von einer vollständig linearen Regelkennlinie des Ventils ausgegangen werden.
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Diese Regelkennlinie erlaubt es direkt über den Hub auf den Volumenstrom zurückzuschließen. Ein erfasster Öffnungswert/Hubwert von beispielhaft 50 Prozent eines Ventils oder Regelkugelhahns mit linearer Kennlinie entspricht folgerichtig auch einem zugehörigem Volumenstrom von 50 Prozent in Abhängigkeit des voreingestelltem Maximaldurchsatzes bei 100 Prozent Regelventilöffnung.
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Ein solcher über den Hubwert bestimmter Volumenstrom kann zusammen mit anderen Messdaten, wie bspw. einer Vor- und Rücklauftemperatur eines fluiddurchströmten Verbrauchers über digitale und/oder analoge Eingänge in einem Microcontroller ausgewertet und zu einer Leistungsberechnung weiterverwendet werden. Vorzugsweise z. B. zur Heizleistungs- und Heizkostenbestimmung eines statischen Wärmeverbrauchers.
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Erreichte Vorteile
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Der durch das beschriebene Verfahren ermittelte Volumenstrom kann entweder direkt an dem zugehörigen, druckunabhängigen Regelventil in Kombination mit einem Microcontroller über ein Display visualisiert werden und somit in diversen fluiddurchströmten Prozessen zu einer vereinfachten Überwachung oder zum prinzipiellen Funktionsnachweis herangezogen werden. Vorzugsweise ist darüber hinaus in Kombination mit einer Ein- und Austrittstemperaturmessung des zugehörigen fluiddurchströmten Verbrauchers die Möglichkeit geschaffen worden, eine äußerst kostengünstige und energiesparende Heiz- oder Kühlleistungsbestimmung umzusetzen. So kann über eine Übermittlung der direkt am Verbraucher erfassten Messwerte an eine übergeordnete speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) bzw. DDC auch eine gebäude- oder wohnungsumfassende Darstellung bzw. Auswertung der Verbräuche erfolgen (Stichwort: Energy-Metering). Darauf aufbauend lassen sich dann weitere aufbereitete Visualisierungen auf beispielsweise mobilen Endgeräten (Mobiltelefonen, Notebooks, etc.) realisieren. Aufgrund der geringen Energieaufnahme des beschriebenen Verfahrens lassen sich auch problemlos über Funk kommunizierende, batterie- und kabellose Anwendungen, die beispielsweise auf die EnOcean-Technologie zurückgreifen, realisieren.
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Dem Endkunden wird dementsprechend eine neuartige, für Neubauten sowie Bestandsgebäude verhältnismäßig leicht und kostengünstig nachrüstbare Möglichkeit zur Volumenstrom-Überwachung bzw. aufbauend zur Heiz- oder Kälteverbrauchserfassung von beliebig vielen Einzelkomponenten/-Verbrauchern geschaffen, die sich mit dem bisherigen Stand der Technik in dieser Form nicht wirtschaftlich realisieren ließe. Darüber hinaus profitiert der Endkunde ebenfalls von dem in diesem Patentantrag dargestellten Vorteilen, die der Einsatz der druckunabhängigen Regelventile mit sich bringt. Hierzu sei beispielsweise der zugehörige dynamisch-hydraulische Abgleich benannt.
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Herstellung der Vorrichtung
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Die Herstellung des Stellmotorgehäuses inklusive der beschriebenen Hubwerterfassungsfunktionalität kann nach Industriestandard erfolgen. Das Gehäuse kann beispielsweise über einen 3D-Drucker in Kunststoffform hergestellt werden. Der beispielhaft beschriebene Reed-Kontakt kann z. B. in unmittelbarer Nähe eines mit einem Permanentmagneten versehenen Getrieberades montiert werden. Weitere benötigte Bauteile wie Stößel, Zahnräder oder metallische Halterungen können gegossen, gefräst, gedreht oder anderweitig hergestellt werden. Zur mess- und regelungstechnischen Auswertung des beispielhaft beschriebenen Reed-Kontaktes kann ein zugehöriger Microcontroller (beispielsweise Intel-Prozessor 8051) dienen. Dieser kann über eine nach SMD-Standard gefertigte Platine, welche ebenfalls den Stellmotor über einen MOSFET-basierenden Motortreiber über den Microcontroller ansteuert, in den Regelungsprozess eingebunden werden. Über eine zugehörige Datenschnittstelle (bspw. BACNet, RS485, Funk, etc.) kann eine Datenkommunikation mit einer übergeordneten speicherprogrammierbaren Steuerung bzw. DDC erfolgen. Die Programmierung des Microcontrollers kann beispielsweise über Hochsprache C erfolgen. Denkbar wäre ebenfalls eine kabel- und batterielose Microcontroller-Lösung mit bereits integriertem Funk-Kommunikationsmodul wie es beispielsweise bei dem STM300-Chip der Firma EnOcean der Fall ist.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Aus ist der Anspruch auf den Verbau eines druckunabhängigen Regelventils bzw. Regelkugelhahns in oder unmittelbar an einen fluiddurchströmten Wärmeverbraucher (z. B. Heizkörper) dargestellt. Dabei soll sowohl der direkte Verbau in den Heizkörper (Planventilausführung, Variante A) als auch der unmittelbar zugehörige Verbau an dem Heizkörper (Durchgangs- oder Eckventilausführung, Variante B) geschützt werden.
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In ist eine beispielhafte 3D-Ansicht eines Ventil- bzw. vorzugsweise eines Stellmotoraufsatzes für ein druckunabhängiges Regelventil mit integrierter Hubwert-Erfassungsmöglichkeit dargestellt.
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Aus ist die direkte Abhängigkeit von Ventilhub und Volumenstrom bei Einsatz eines druckunabhängigen Regelventils am Beispiel einer linearen Ventilkennlinie zu entnehmen.
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zeigt beispielhaft das benötigte Differenzdruckverhalten über dem Ventilkörper bei Öffnen (Hubwerterhöhung) eines druckunabhängigen Regelventils.
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In ist die Abhängigkeit des Volumenstromes bei unterschiedlichen Hubwerten zusammen mit dem relativen Fehler im Vergleich zum idealisierten Kennlinienverhalten eines druckunabhängigen Regelventils mit linearer Ventilkennlinie dargestellt. Dabei wird einmal die messtechnisch erfasste Kennlinie bei Verwendung eines Stellmotors als Hubstellgröße sowie zum Anderen die messtechnisch erfasste Kennlinie bei einer von Hand über eine herstellergegebene Voreinstellmöglichkeit erzielte Kennlinie betrachtet.
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zeigt das ebenfalls über die Erfindung auswertbare Volumenstromverhalten in Abhängigkeit des Hubes für einen Regelkugelhahn mit gleichprozentiger Kennlinie und einer Differenzdruck-Konstanthaltung über dem gesamten Ventilkörper.
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In ist beispielhaft eine mögliche praktische Umsetzung der beschriebenen Drehbewegungs-/Rotationserfassung über einen Reed-Kontakt in Kombination mit einem Permanentmagneten dargestellt.
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In ist beispielhaft eine alternative Drehbewegungserfassung am Beispiel einer Reflexlichtschranke dargestellt.
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In ist eine Möglichkeit des Funktionsprinzips am Beispiel einer Heizungsanlage mit einem Wärmeverbraucher dargestellt. Der durch das zum Patent eingereichte Verfahren ermittelte Volumenstrom bzw. evtl. die zugehörige Heizlast kann beispielsweise direkt am Stellmotorgehäuse über ein Display abgelesen oder über eine beispielhaft dargestellte Funkschnittstelle zu einer zentralen, speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) übermittelt werden und dort z. B. über externe Geräte abgefragt bzw. visualisiert werden. Zudem könnten die über das Verfahren ermittelten Informationen direkt oder wie dargestellt über die SPS auf andere am Prozess beteiligte Geräte (z. B. Kesselregelungen, Pumpenförderhöhen, etc.) einwirken.
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Bezugszeichenliste
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Zu Abb. 9
- 1
- Druckunabhängige Stopfbuchse bzw. Ventilkörper in Kombination mit Hubwerterfassungsfunktionalität
- 2
- Datensammler (SPS bzw. DDC)
- 3
- Wärmeerzeuger
- 4
- Externe Bedien- bzw. Anzeigestelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4341848 C2 [0004, 0005, 0005, 0005, 0017, 0017]
- DE 60024496 T2 [0005, 0017]
- DE 19605164 C2 [0006, 0006]
- EP 1906156 A2 [0007]
- DE 10106465 A1 [0008]
