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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur sicherheitsgerichteten Kühlung eines überhitzten Wärmeübertragers einer Feuerstätte für Festbrennstoffe bei Störfällen wie Umwälzpumpenversagen, Stromausfall oder bei mangelnder Wärmeabnahme.
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Da die Energiezufuhr der festen Brennstoffe zum Beispiel bei der Verwendung von Holzscheiten beim Auftreten von Übertemperaturen verfahrenstechnisch nicht abschaltbar ist, erfolgt die Zwangskühlung mittels einer Kaltwassereinspeisung im Wärmeübertrager ohne zusätzlichen Kälteübertrager. Die Temperaturerfassung der thermischen Ablaufsicherung – im Folgenden TAS genannt – wird als Sicherheitsventil verwendet und ist dabei außerhalb des Wärmeübertragers in einem Anschlussblock, durch welchen das erhitzte Wasser hindurchfließt, vorgesehen.
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Stand der Technik
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Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Zwangskühlung bei Festbrennstoffkesseln oder zugehörigen Wärmeübertragern verwenden separate Kälteübertrager, die im Kessel oder Wärmeübertrager der wasserführenden Anordnung einschließlich der Temperaturerfassung der TAS integriert sind. Die Kälteübertrager sind insbesondere als Kühlschlangen ausgeführt und kühlen den überhitzen Wärmeübertrager durch kaltes Wasser, welches über ein Zweiwegesicherheitsventil in der Regel aus dem Trinkwassersystem oder aus einer sonstigen unerschöpflichen Kaltwasserquelle zugeführt wird, auf zulässige Temperaturwerte ab.
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Es sind ebenso Lösungen bekannt, die ohne einen zusätzlichen Kälteübertrager auskommen und dabei Dreiwegeventile in Kombination mit einer TAS bzw. einem Sicherheitsventil verwenden (siehe NL8202719-A). Der Wärmetauscher oder Kessel mit zusätzlichen Dreiwegeventilen ist durch die Stellung der Dreiwegeventile entweder direkt mit einer zentralen Heizungspumpe und Heizkörpern verbunden oder zwischen der Kaltwasserversorgung und dem Haus-Heißwasserrohrsystem für das Bad und die Dusche. Kaltes Wasser wird zur Kühlung oder Versorgung von Bad und Dusche durch den Wärmetauscher geführt, wobei die Temperaturerfassung im Wärmetauscher oder Kessel erfolgt. Die Versorgungsleitungen zum Bad oder der Dusche und das Ablassrohr, welches das Wasser in einen Abfluss oder Drainage ablaufen lässt, wenn das Wasser zu kochen beginnt, sind mit einem Sicherheitsventil verbunden. Die Dreiwegeventile können von Hand oder über eine Temperaturerfassung betätigt werden.
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Darstellung des technischen Problems
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Die bekannten technischen Lösungen erfordern einen zusätzlichen Kälteübertrager, der innerhalb des Wärmeübertragers oder Kessels eingebaut und extern verrohrt werden muss. Dabei erfolgt die TAS-Temperaturerfassung im Wärmeübertrager oder im Kessel.
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Es werden Wärmeübertrager im Handel angeboten, die über keine Zwangskühlung im Störfall verfügen und damit im Wärmebetrieb bei auftretenden Störfällen unsicher sind.
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Weitere technische Lösungen verwenden zusätzlich zur TAS mindestens ein Dreiwegeventil zur manuellen oder temperaturabhängigen Warmwasserführung und zeigen keine Lösung auf, wie eine sichere Trennung des Warmwasser -oder Heizungssystems zum Trinkwassersystem erreicht werden kann, um Verunreinigungen des Trinkwassers zu verhindern.
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Mittel der technischen Lösung und resultierende Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung ermöglicht eine Zwangskühlung im Störfall, ohne dass ein zusätzlicher Kälteübertrager im Wärmeübertrager oder Kessel vorgesehen werden muss. Die erforderliche Zwangskühlung mit Kaltwasser erfolgt direkt im flüssigen Wärmeträgermedium des Wärmeübertragers oder Kessels.
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Hierfür ist ein TAS-Anschlussblock mit der integrierten redundanten Temperaturerfassung vorgesehen, der unmittelbar am Wärmeübertragervorlauf angeschlossen wird, um Übertemperaturen exakt und sicher zu erfassen. Damit können auch Wärmeübertrager an eine TAS angeschlossen werden, die bisher aus Platzgründen keinen sicherheitsgerichteten redundanten Temperaturfühler aufnehmen konnten.
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Bei der Zwangskühlung im Störfall wird der Wärmeübertrager angesteuert durch das Sicherheitsventil mit kaltem Trinkwasser durchströmt und aus dem kritischen Temperaturbereich heruntergekühlt. Dabei sorgt der dem Trinkwasseranschluss nachgeschaltete Rohrtrenner mit einem Dreikammersystem für die notwendige sichere Trennung des Trinkwassers vom Heizungswasser. Die Funktion Rohrtrennung ermöglicht nicht nur ein Zurückfließen von verunreinigtem oder bakterienbehaftetem Heizungswassers zurück in das Trinkwassersystem, sondern sorgt zusätzlich für eine räumliche Trennung der beiden Wassersysteme voneinander durch das Dreikammersystem, wobei die mittlere Kammer als Trennkammer dient.
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Durch die permanent vorliegende druckgeregelte Kaltwassereinspeisung bleibt der Sytemdruck im Wärmekreislauf insbesondere im Störfall und aktiver TAS nahezu konstant. Dadurch können Pumpenstörungen oder ungewollte Lufteintritte in das Rohrsystem vermieden werden. Ebenso besteht nicht die Gefahr, dass durch Wassermangel bei kleineren Leckagen die Umwälzung im Wärmekreislauf unterbrochen wird und der Pumpenstrom abreißt.
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Das mechanische Rückschlagventil verhindert den ungewollten Kaltwasserfluss im Störfall durch den parallelen Wärmekreislauf. Der Einsatz von separat anzusteuernden Ventilen ist nicht notwendig.
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Der Wasserzähler ermöglicht die Erkennung von Leckagen im Heizungskreislauf durch das regelmäßige Ablesen des Anlagenbetreibers und ermöglicht damit eine Kontrollfunktion im Rahmen der regelmäßigen Wartung der Heizungsanlage. Da moderne Heizungsanlagen immer häufiger über permanent angeschlossene Nachfülleinrichtungen verfügen, muss diese nicht zwangsläufig nachgerüstet werden bzw. kann diese für die erfindungsgemäße Funktion als weitere Anwendung genutzt werden.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1:
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Thermische Ablaufsicherung als Zweiwegesicherheitsventil mit externer Temperaturerfassung im Anschlussblock in Reihenschaltung mit einem Wärmeübertrager und permanenter druckgeregelter Trinkwassernachspeisung sowie parallelem Wärmekreislauf
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Die 1 zeigt ein hydraulisches Blockschaltbild mit einem Anschlussblock zur Temperaturerfassung einer thermischen Ablaufsicherung mit einem Zweiwegesicherheitsventil in Reihenschaltung mit einem Wärmeübertrager und eine druckgeregelte Trinkwassernachfüllung. Die Kaltwassernachspeisung enthält einen Trinkwasseranschluss, einen Wasserzähler, einen Rohrtrenner und einen Druckminderer mit ausgangsseitiger Druckeinstellung und Druckregelung. Ein Ablauftrichter führt das Kühlwasser im Störfall in einen offenen Ablauftrichter.
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Der Wärmekreislauf erfolgt über eine am Wärmeübertrager angeschlossene Heizungsanlage oder Warmwasseranlage, welche mittels der Umwälzpumpe mit Wärme versorgt wird. Bei auftretender Übertemperaturen im Störfall verhindert ein Rückschlagventil den Kaltwasserfluss im Wärmekreis.
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Fig. 2:
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Anschlussblock zur Temperaturerfassung für die TAS aus einem massiven Metallblock Der Anschlussblock ist für die mechanische Aufnahme einer Temperaturerfassung vorgesehen. Der Anschlussblock wird aus einem massiven Metallblock hergestellt. Der Fluss des flüssigen Wärmeträgermediums erfolgt mittels der zwei Doppelnippelverbindungen durch den Anschlussblock hindurch.
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Fig. 3:
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Anschlussblock zur Temperaturerfassung für die TAS aus Blechen oder Gussformteilen Der Anschlussblock unterscheidet sich im Vergleich zur Ausführung der 2 hinsichtlich der Komponenten zur Herstellung und dem Herstellungsverfahren. In dieser Ausführungsart wird der Anschlussblock aus Blechen oder Gussformteilen gefertigt und mittels Schweißungen oder Verschraubungen zusammengefügt.
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Fig. 4:
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Thermische Ablaufsicherung als Dreizweiwegesicherheitsventil mit externer Temperaturerfassung im Anschlussblock in Reihenschaltung mit einem Wärmeübertrager und permanenter druckgeregelter Trinkwassernachspeisung sowie parallelem Wärmekreislauf
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Die 4 zeigt ein hydraulisches Blockschaltbild mit einem Anschlussblock zur Temperaturerfassung einer thermischen Ablaufsicherung mit einem Dreiwegesicherheitsventil in Reihenschaltung mit einem Wärmeübertrager und druckgeregelter Trinkwassemachfüllung. Die Kaltwassernachspeisung enthält einen Trinkwasseranschluss, einen Wasserzähler, einen Rohrtrenner und einen Druckminderer mit ausgangsseitiger Druckeinstellung und Druckregelung. Ein Ablauftrichter führt das Kühlwasser im Störfall in einen Ablauftrichter.
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Der Wärmekreislauf erfolgt über eine am Wärmeübertrager angeschlossene Heizungsanlage oder Warmwasseranlage, welche mittels der Umwälzpumpe mit Wärme versorgt wird.
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Die 5 zeigt ein Montagebeispiel für eine waagerechte Anschlussblockmontage mit der Temperaturerfassung einer thermischen Ablaufsicherung an einen Wärmeübertrager, der in einem Rauchgasrohr einer Festbrennstofffeuerstelle eingebaut ist. Die Anschlussblockmontage erfolgt am Wärmeübertragervorlauf.
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Ausführungsbeispiel
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Das hydraulische Blockschaltbild der 1 zeigt das Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem externen Anschlussblock (1), der TAS-Temperaturerfassung (14) bestehend aus einem Zweiwegesicherheitsventil (2) in Reihenschaltung mit einem Wärmeübertrager (3) und den Komponenten einer druckgeregelten Kaltwassernachspeisung (4 bis 7). Die Kaltwassernachspeisung besteht aus einem Trinkwasseranschluss (4), der kaltes Wasser zur sicherheitsgerichteten Zwangskühlung liefert, einem nachgeschalteten Wasserzähler (5) zur visuellen Wasserverbrauchskontrolle des Betreibers, einem Rohrtrenner (6) mit Dreikammersystem und dem Druckminderer (7) mit ausgangsseitiger Druckeinstellung und Druckregelung.
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Der Wärmekreislauf (11) erfolgt über eine am Wärmeübertrager (3) angeschlossenen Wärmeverbraucher (9) einer Heizungs -und/oder Warmwasseranlage, welche mittels der Umwälzpumpe (8) mit Wärme versorgt werden. Im Betriebsfall ist das Rückschlagventil (10) durch den erzeugten Pumpendruck geöffnet und ermöglicht dadurch den gewünschten Wärmekreislauf (11) bei inaktivem Kühlwasserfluss (12). Folgende Komponenten werden im Betriebsfall bei eingeschalteter Umwälzpumpe durchströmt: Rückschlagventil (10), Wärmeübertrager (3), Anschlussblock (1) mit der Temperaturerfassung (14), Wärmeverbraucher für die Raumheizung oder Warmwasserversorgung (9)
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Ein Störfall liegt vor, wenn der Temperaturfühler der TAS (14) eine größere Temperatur als insbesondere 95°C erfasst und das Zweiwegesicherheitsventil (2) damit öffnet. Über die in Reihe geschalteten Komponenten Trinkwasseranschluss (4), Wasserzähler (5), Rohrtrenner (6), Druckminderer mit ausgangsseitiger Druckregelung (7), Wärmeübertrager (3), Anschlussblock (1), Zweiwegesicherheitsventil der TAS (2) mit der Temperaturerfassung (14) und dem Ablauftrichter (20) erfolgt dabei die Kühlwasserableitung (12). Das Rückschlagventil (10) sperrt im Störfall einen ungewollten Kaltwasserfluss (12) durch den Wärmekreislauf (11).
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Der durch eine Störung verursachte Kaltwasserfluss (12) endet erst dann wieder, wenn das Kühlwasser die Temperatur im TAS-Anschlussblock (3) unter insbesondere 90°C heruntergekühlt hat und die Temperaturerfassung (14) das Zweiwegesicherheitsventil (2) schließt. Dabei kann der Medienfluss im Wärmekreislauf (11), wenn der Wärmeübertrager (3) ausreichend Wärme erzeugt, durch die eingeschaltete Umwälzpumpe (8) und das geöffnete Rückschlagventil (10) aktiviert werden.
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Der Anschlussblock (1) zur Temperaturerfassung (14) besteht aus einem massiven Metallblock anhand der dargestellten 2. Der Anschlussblock (1) ist notwendig, damit eine korrekte und genaue Erfassung der Vorlauftemperatur in der Tauchhülse (22) ausgeführt werden kann, falls im Wärmeübertrager (3) kein Temperatursensor vorgesehen ist oder aus Platzgründen keiner eingebaut werden kann.
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Der Anschlussblock (1) dient der mechanischen Aufnahme der Temperaturerfassung (14) einer handelsüblichen TAS (2) mit einer ½-Zoll-Doppelfühlertemperaturerfassung. Der Anschluss (15) ist für den Ausgang eines Wärmeübertragers (5) also den Vorlaufanschluss am Wärmeübertrager (23) vorgesehen, da dort die höchsten Wassertemperaturen auftreten können. Der Wasserfluss im Wärmekreislauf (11) des flüssigen Wärmeträgermediums (19) erfolgt vom Eingang am Anschluss (15) in Richtung Ausgang am Anschluss (21). Die Stopfen (17) und (18) werden zum Verschließen der notwendigen Bohrungen eingeschraubt. Die Anschlusselemente (15 und 21) sind vertauschbar und vorzugsweise als Doppelnippel ausgeführt, welche für den fachgerechten Anschluss der Verrohrung eingeschraubt werden. Aufgrund der gängigen Installationsmaße bietet sich für den Anschlussblock (1) insbesondere das Maße ½ Zoll für die Bohrungen und Gewinde an, welche für die Doppelnippel (15 und 21), für die Stopfen (17) und für die Temperaturerfassung (14) der TAS vorgesehen sind. Sollte eine ¾-Zoll-Temperaturerfassung verwendet werden, so ist mindestens das Maß für den Stopfen (18) auf die nächst höhere Größe von vorzugsweise 1 Zoll zu vergrößern, inklusive der durchgehenden Bohrung zur Aufnahme der Temperatursensoren (14), so dass die Tauchhülse (22) der Temperaturerfassung (14) im flüssigen Medienraum (19) des Anschlussblockes (1) vollständig mit Wasser umspült werden kann.
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Die vollständige Umspülung des Wassers im Medienraum (19 und 22) ist notwendig, damit die im Wärmeübertrager (3) vorliegenden Temperaturen für eine korrekte Temperaturerfassung (14) in den Anschlussblock (1) übertragen werden können. Da der Anschlussblock (1) unmittelbar an dem Vorlaufausgang (23) des Wärmeübertragers (3) angebaut wird, ergibt sich daher eine optimale Temperaturerfassung (14) für die sicherheitsgerichtete Abschaltung im Störfall. Dabei kann die Einbaulage des Anschlussblockes (1) anhand der unterschiedlichen Anwendungsanforderungen beliebig vorgenommen werden.
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Ausführungsarten
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Ausführungsart mit Verwendung eines Dreizweiwegesicherheitsventils
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Das hydraulische Blockschaltbild der 4 umfasst einem externen Anschlussblock (1) zur Temperaturerfassung (14) der TAS (13) bestehend aus einem Dreizweiwegesicherheitsventil in Reihenschaltung mit einem Wärmeübertrager (3) und einer druckgeregelten Kaltwassernachspeisung (4 bis 7). Die Kaltwassernachspeisung enthält des Weiteren einen Wasserzähler (5) und einen Rohrtrenner (6).
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Der Wärmekreislauf (11) erfolgt über am Wärmeübertrager (3) angeschlossene Wärmeverbraucher (9) einer Heizungs -oder Warmwasseranlage, welche mittels der Umwälzpumpe (8) mit Wärme versorgt wird. Das Rückschlagventil (10) aus der 1 entfällt bei dieser Ausführungsart, da das Dreizweiwegesicherheitsventil die Funktion des Wärmekreislaufs (11) im Betriebsfall und die Funktion der Kaltwasserkühlung (12) im Störfall übernimmt. Liegt die im Anschlussblock erfasste Temperatur unterhalb der Sicherheitsgrenze von insbesondere 95°C, so ist der Wärmekreislauf (11) aktiviert und der Kühlwasserfluss (12) inaktiv. Folgende Komponenten werden im Betriebsfall bei eingeschalteter Umwälzpumpe durchströmt: Dreizweiwegesicherheitsventil der TAS (13), Wärmeübertrager (3), Anschlussblock (1), Verbraucher der Heizungs -oder Warmwasseranlage (9)
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Der Störfall liegt vor, wenn der Temperaturfühler (14) der TAS (13) eine größere Temperatur (14) als insbesondere 95°C erfasst und das Dreizweiwegesicherheitsventil (13) den Kühlwasserfluss (12) aktiviert. Über die in Reihe geschalteten Komponenten Trinkwasseranschluss (4), optionaler Wasserzähler (5), Rohrtrenner (6), Druckminderer mit ausgangsseitiger Druckregelung (7), Wärmeübertrager (3), Anschlussblock (1), Dreizweiwegesicherheitsventil der TAS (13), Temperaturerfassung (14) und dem Ablauftrichter (20) erfolgt dabei der Kühlwasserfluss (12).
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Der Kühlwasserfluss (12) im Störfall durch den Wärmeübertrager (3) endet erst dann wieder, wenn das Kühlwasser die Temperatur im TAS-Anschlussblock (1) unter insbesondere 90°C heruntergekühlt hat und die Temperaturerfassung (14) mit dem angeschlossenen Dreizweiwegesicherheitsventil (13) den Kühlwasserfluss (12) wieder schließt. Parallel wird der Medienfluss im Wärmekreis (11), wenn der Wärmeübertrager (3) ausreichend Wärme erzeugt und die Störungsursache beseitigt ist, durch die eingeschaltete Umwälzpumpe (8) und durch die geänderte Medienflussrichtung im Dreizweiwegesicherheitsventil (13) wieder aktiviert.
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Anschlussblock aus Blechen oder Gussformteilen gefertigt
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Die Zeichnung der 3 zeigt den Anschlussblock (1) in einer weiteren Ausführungsart. In dieser Ausführung wird der Anschlussblock (1) aus Blechen oder Gussformteilen zusammengefügt. Vorzugsweise werden die Bleche fertigungstechnisch gekantet und/oder geschweißt ausgeführt oder die Bleche bzw. Gussformteile zusammengeschraubt. Ein weiterer Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 2 liegt darin, dass der innere Medienraum (19) für das Wasser infolge der unterschiedlichen Fertigungsmethode bei gleichen Abmessungen des Anschlussblocks größer ist und eine vollständige räumliche Einheit darstellt, die ohne Verbindungsbohrungen auskommt. Die dadurch resultierenden Funktionsunterschiede hinsichtlich einer ungehinderten Temperaturübertragung werden jedoch als nicht wesentlich bewertet, da die Wärmeleitung der massiven Ausführung in der 2 ebenso vorteilhaft ist.
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Mögliche Anbauvarianten und Formen des Anschlussblocks
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- – Waagerechter Anbau an den Wärmeübertrager (3) gemäß Darstellung der 5
- – Senkrechter Anbau an den Wärmeübertrager (3)
- – Anbauort für den Temperatursensor entweder oben, unten, links oder rechts
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Die Anschlussblockausführungen können hinsichtlich der dimensionierten Maße und von der äußeren Formgebung variieren. Eckige -oder abgerundete Formen sind möglich. Die Größen der internen Temperaturerfassung (14) hinsichtlich Länge und Durchmesser sind den gängigen handelsüblichen TAS-Maßen angepasst. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Messlänge des Temperatursensors auf ca. 160 mm und den Durchmesser für die Einschraubgewinde auf ½ Zoll zu dimensionieren, da die handelsüblichen Temperaturerfassungen (14) der TAS-Sicherheitsventile (2 oder 13) diesen Maßen häufig entsprechen.
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Folgende Störfälle können die Wärmeübertragung unterbrechen oder stark behindern:
- – Spannungsausfall zur elektrischen Speisung der Umwälzpumpe
- – Elektrisches oder mechanisches Versagen der Umwälzpumpe
- – Leckagen im Wärmekreislauf
- – Klemmendes Rückschlagventil
- – Verstopfungen durch Verunreinigungen im Wärmekreislauf
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Die aus den aufgeführten Störfällen u. U. entstehenden unzulässigen Übertemperaturen und Gefährdungen für Feuerstättenbetreiber und die Ausrüstungskomponenten werden mit den erfindungsgemäßen Sicherheitsaßnahmen vermieden.
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Hinweise zur Inbetriebnahme
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Der Druckminderer ist ausgangsseitig so einzustellen und mit der Manometeranzeige zu kontrollieren, dass der notwendige Ausgangsdruck vorzugsweise 1 Bar über dem Systemdruck des Wärmekreises bzw. der Heizungsanlage oder der Warmwasserversorgung liegt. Mit dieser Einstellung ist eine bestimmungsgemäße Nachfüllfunktion und Wärmeübertragerkühlung im Störfall möglich, da die handelsüblichen Differenzdrucküberwachungen der automatischen Nachfüllsysteme insbesondere bereits ab Druckdifferenzen zwischen dem Trinkwasseranschluss und der Wärmekreise von insbesondere 0,4 Bar ansprechen und kaltes Trinkwasser nachspeisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Externer Anschlussblock für die Temperaturerfassung der thermischen Ablaufsicherung TAS
- 2
- Thermische Ablaufsicherung TAS mit einem Zweiwegesicherheitsventil
- 3
- Wärmeübertrager einer Festbrennstofffeuerstätte
- 4
- Trinkwasseranschluss als unerschöpfliche Kaltwasserversorgung, Trinkwassersystem
- 5
- Wasserzähler zur visuellen Leckageüberwachung
- 6
- Rohrtrenner mit Dreikammertrennsystem
- 7
- Druckminderer mit ausgangsseitiger Druckeinstellung und Druckregelung
- 8
- Umwälzpumpe für den Wärmekreislauf
- 9
- Wärmeverbraucher für die Raumheizung oder Warmwasserversorgung
- 10
- Rückschlagventil oder Schwerkraftbremse
- 11
- Wärmekreislauf im Heizbetrieb
- 12
- Kühlwasserfluss durch den Wärmeübertrager im Störfall bzw. Flussrichtung der sicherheitsgerichteten Kaltwasserkühlung
- 13
- Thermische Ablaufsicherung TAS mit einem Dreizweiwegesicherheitsventil
- 14
- Temperaturerfassung für das Sicherheitsventil mit redundanten Temperatursensoren zur Tauchhülsenaufnahme
- 15
- Anschlusspunkt für den Wärmeübertragerausgang (Vorlauf)
- 16
- Bohrungen zur Medienverbindung zwischen Tauchhülse und Wärmekreislauf bzw. Kühlwasserfluss im Anschlussblock
- 17
- Stopfen für den Verschluss der Bohrungen, welche die vollständige Wasserflutung in der Tauchhülse ermöglicht
- 18
- Stopfen für den Verschluss der Bohrung, die den vollständigen Wassermantel um die Temperaturerfassung herum bewirkt
- 19
- Vollständig mit Wasser durchfluteter Medienraum im Anschlussblock
- 20
- Ablauftrichter für den offenen Kühlwasserabfluss
- 21
- Anschlusspunkt für den Wärmeverbraucher und das Sicherheitsventil
- 22
- Tauchhülse zur Temperaturerfassung für das Sicherheitsventil
- 23
- Vorlaufanschluss am Wärmeübertrager bzw. Wärmeübertragerausgang
- 24
- Rücklaufanschluss am Wärmeübertrager
- 25
- Rauchgasrohr der Festbrennstofffeuerstätte
