DE19526462C2 - Wärmeübertragereinheit mit Strahlpumpe als Stellorgan - Google Patents

Description

Bei Warmwasserheizungssystemen sind häufig Kleinwär­ meverbraucher wie Heizkörper, Kleinstwärmeübertrager oder dergleichen in größerer Zahl vorhanden und über entspre­ chende Vorlaufleitungen mit Warmwasser als Heizmedium beaufschlagt. Die Wärmeverbraucher werden von dem dabei seine Wärme abgebenden Warmwasser durchströmt und das ausgekühlte Warmwasser wird über Rücklaufleitungen zu einem Wärmeerzeuger zurückgeführt.

Die in dem so gebildeten Kreislauf vorgesehenen Wärmeverbraucher sind in ihrer Wärmeabgabe üblicherweise an einen äußeren Bedarf anzupassen, der unabhängig von dem Druck und der Temperatur des in der Vorlaufleitung ankom­ menden Warmwassers schwankt. Häufig werden den Wärmever­ brauchern dazu jeweils individuell Ventile vorgeschaltet, durch die der Warmwasserzufluß gedrosselt oder ganz abge­ stellt werden kann. Dabei sind sowohl manuell einstellbare Ventile zum Steuern der Durchflußmenge als auch geregelte Ventile, wie bspw. Thermostatventile, bekannt, bei denen der Düsenkegel eines Sitzventiles mittels eines Dehnkör­ pers betätigt wird.

Um für die einzelnen, zur Einstellung der Wärmeabnah­ me dienenden, Thermostatventile definierte Verhältnisse zu schaffen, sind in jedem Steigstrang wenigstens ein Diffe­ renzdruckregler sowie Mengenbegrenzer zur Einstellung einer gewünschten Durchflußmenge angeordnet. Schon bei nicht allzu großen Anlagen können zwanzig bis dreißig Steigstränge vorhanden sein, wobei der Aufwand für die Differenzdruckregler und Mengenbegrenzer beträchtlich wird.

Der gedrosselte Warmwasserzufluß zu dem Wärmever­ braucher bewirkt, daß die Durchströmung des Wärmeverbrau­ chers von einem Maximalwert bei Maximalleistung zu niedri­ geren Leistungsabgabewerten hin abnimmt. Insbesondere bei geringer Durchströmung des Wärmeverbrauchers, d. h. bei sehr langsamer Strömungsgeschwindigkeit des Warmwassers, kann sich in dem Wärmeverbraucher ein beträchtlicher, dessen Betrieb beeinträchtigender Temperaturgradient ausbilden.

Ein weiterer, häufig unerwünschter Effekt der Drosse­ lung des Vorlaufes mittels eines Ventiles liegt in dem damit einhergehenden hohen Druckgefälle. Während an dem Ventil der volle Systemdruck ansteht, ist bei stark ge­ drosseltem, d. h. nahezu geschlossenem Ventil, hinter diesem nur ein geringer Druck vorhanden, d. h. nahezu der gesamte Druck der Vorlaufleitung, der von einer Umwälzpum­ pe aufgebracht werden muß, fällt über dem Ventil ab. Durch das nahezu geschlossene Ventil strömt deshalb eine geringe Warmwassermenge mit hohem Druck, was zu vernehmlichen Geräuschen führen kann, die insbesondere bei Wärmeverbrau­ chern im Wohnbereich störend sind.

In der Praxis ist es darüber hinaus wiederholt vor­ gekommen, daß Drosselventile durch den hohen anliegenden Differenzdruck aufgedrückt werden. Die dadurch eintretende erhöhte Wärmeabnahme und nachfolgende Wärmeabgabe des Wärmeverbrauchers ist in den meisten Fällen unerwünscht, führt zu erhöhtem Energieverbrauch und zu einer Ver­ schlechterung der Regeleigenschaften des Wärmeverbrau­ chers.

Aus der DE 23 55 307 B2 ist ein Warmwasserheizungs­ system mit mehreren Heizkörpern bekannt, denen als Stel­ lorgan jeweils ein Dreiwege-Mischventil vorgeschaltet ist. Jedes Mischventil weist zwei Eingänge und einen mit dem Heizkörpervorlaufanschluß verbundenen Ausgang auf. Je­ weils ein Eingang jedes Mischventils ist an die Vorlauf­ leitung angeschlossen. Der andere Eingang ist an die Rücklaufleitung angeschlossen um dieser zusätzlich Bei­ mischwasser zu entnehmen.

Die Mischventile stellen ein Mischverhältnis in Abhängigkeit von den an ihren Eingängen vorhandenen Brücken, sowie ihren jeweiligen Ventilstellungen ein. Jedoch kann eine geringe Veränderung der Druckverhältnisse, bspw. infolge Verstellung eines anderen Ventils die Mischver­ hältnisse nachhaltig beeinflussen und somit die Wärme­ abgabe des Heizkörpers verändern.

Aus dem Fachartikel Krinninger "Der Einsatz regelbarer Wasserstrahlpumpen in der Heizungstechnik", Haustechnische Rundschau, Februar 1981 Seite 81 ist es bekannt, das Vorlaufwasser für ein Heizungssystem mittels Wasserstrahl­ pumpen bereitzustellen, die jeweils eine elektrische Pumpe und ein Dreiwegeventil ersetzen. Anstelle einzelner Um­ wälzpumpen für jeden Heizkreis schlägt Krinninger vor, eine zentrale Pumpeneinheit zu verwenden, auf die die Strahl­ pumpe für die Heizkreise folgen. Das am Ausgang jeder Wasserstrahlpumpe anstehende Vorlaufwasser speist jeweils einen ganzen Heizkreis, in dem einzelne herkömmlich gere­ gelte Heizkörper liegen.

An den Strahlpumpen kann die Wärmeabgabe einzelner Wärmeverbraucher nicht gezielt eingestellt werden, sondern lediglich die Vorlauftemperatur für einen angeschlossenen Heizkreis.

Aus der DE 27 22 890 C2 ist eine Heizungsanlage be­ kannt, bei der ein Heizkreis mittels einer Strahlpumpe mit Mischwasser versorgt wird. In dem Heizkreis ist wenigstens ein Heizkörper angeordnet, dem ein Thermostatventil vor­ geschaltet ist. Dieses reguliert die Wärmeabgabe des Heizkörpers.

Aus der DE 29 20 923 C2 ist eine Warmwasserheizungs­ anlage bekannt, bei der ebenfalls eine Strahlpumpe zur Speisung eines Heizkreislaufs dient. Die Regulierung von in dem Heizkreislauf angeordneten Wärmeverbrauchern er­ folgt über weitere, nicht näher bezeichnete, Ventile.

Drosselventil verursachen einen beträchtlichen Druck­ abfall, der zunächst von der elektrischen Umwälzpumpe aufzubringen ist. Dies stellt eine Verschwendung von elektrischer Energie dar. Außerdem entsteht bei zu gerin­ gem Durchfluß an dem Heizkörper ein starkes Wärmegefälle. Letztlich wird der Heizkörper lediglich in einem kleinen Bereich heiß und bleibt im Übrigen kalt.

Kleine Wärmeverbraucher wie Heizkörper sind, ins­ besondere wenn sie im Wohnbereich aufgestellt sind, häufig mit Wärmezählern versehen, um den Wärmeverbrauch fest­ stellen und dem Nutzer entsprechend in Rechnung stellen zu können. Die Wärmezähler sind meist als Verdunstungszähler ausgebildet, die ein in thermischem Kontakt mit dem Heiz­ körper stehendes Röhrchen aufweisen, das eine langsam verdunstende Flüssigkeit enthält. Die Menge der verdun­ steten Flüssigkeit ist dabei ein Maß für die von dem Heizkörper abgegebene Wärmemenge. Dabei hat sich herausge­ stellt, daß die Genauigkeit des von dem Verdunstungszähler angezeigten Wertes abnimmt, wenn der betreffende Heizkör­ per im Teil- oder Niedriglastbereich betrieben wird.

Die Einstellung des Wärmeverbrauchs mittels Drossel­ ventil oder Mischventil ist außerdem relativ druckempfind­ lich. Wird die Einstellung eines Heizköpers geändert, hat die Rückwirkungen auf andere Heizkörper. Zum Ausgleich derselben werden häufig Druckregler vorgesehen. Dies stellt einen beträchtlichen Aufwand dar.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeverbrauchereinheit zu schaffen, die sowohl im Voll- als auch im Teillastbereich in ihrer Wirksamkeit verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Wärmeverbrauchereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Wärmeverbrauchereinheit ist bspw. ein Kleinst­ wärmeübertrager, wie ein kleiner Boiler, oder ein Heizkör­ per, ein Luftheizregister oder ein ähnlicher Wärmever­ braucher mit einer maximalen Leistungsabgabe von wenigen 100 bis 1000 W. Der Wärmeverbraucher bildet mit einer vorgeschalteten, speziell ausgelegten Strahlpumpe, die als Regelorgan dient, eine Einheit. Die Strahlpumpe mischt das zu dem Heizkörper geführte Vorlaufwasser mit aus der Rücklaufleitung angesaugtem, ausgekühlten Warmwasser mit festem oder variablem Mischungsverhältnis. Bei variablem Mischungsverhältnis lassen sich bessere Anpassungen an Schwachlast und somit ein größerer Steuer- oder Regelbe­ reich erzielen.

Indem dem Vorlaufwasser mittels der Strahlpumpe Rücklaufwasser beigemischt wird, übersteigt der durch den Wärmeverbraucher geführte Warmwasserstrom in seiner Größe den in der Vorlaufleitung herangeführten Warmwasserstrom beträchtlich. Dies gilt insbesondere im Schwachlastbe­ trieb, bei dem in der Vorlaufleitung lediglich eine gerin­ ge, zur Deckung der von dem Wärmeverbraucher abgegebenen Wärmemenge erforderliche Warmwassermenge herangeführt wird. Durch den Wärmeverbraucher strömt in dieser Lastsi­ tuation ein relativ starker Warmwasserstrom, der durch Beimischung von Rücklaufwasser auf eine Temperatur her­ untergekühlt ist, die deutlich unter der Vorlauftemperatur liegt. Indem auch im Schwachlastbetrieb in dem Wärmever­ braucher eine starke Strömung aufrechterhalten wird, wird sichergestellt, daß dieser insgesamt nahezu eine einheit­ liche Temperatur aufweist. Die Ausbildung von Heiß- und Kaltzonen oder, mit anderen Worten, von starken Tempera­ turgradienten in und an dem Wärmeverbraucher wird somit vermieden.

Infolge der mittels dieser Maßnahme erreichten gleichmäßigen Anhebung und Absenkung der Temperatur des gesamten Wärmeverbrauchers ist es möglich, die Wärmeabgabe mit Hilfe eines Verdunstungszählers zuverlässig zu bestim­ men. Dieser wird unabhängig von der Stelle des Wärmever­ brauchers, an dem er montiert wird, auf eine der Wärme­ abgabe entsprechende Temperatur erwärmt. Fehlanzeigen, wie sie ansonsten infolge einer Montage an einer Stelle auf­ treten können, die im Teillastbereich übermäßig warm oder eher zu kalt ist, werden somit vermieden. Damit werden insbesondere Fehlabrechnungen zu Lasten von Wärmeabnehmern ausschließbar.

Außerdem wird sowohl im Teil- als auch im Vollastbe­ trieb infolge der gleichmäßigen Heizflächentemperaturver­ teilung eine verbesserte Wirksamkeit des Wärmeverbrauchers erreicht. Dadurch kann die Vorlauftemperatur abgesenkt werden.

Die als Regelorgan dienende Strahlpumpe erzeugt eine weitaus geringere Druckdifferenz als ansonsten zur Lei­ stungsregulierung verwendete Drosselventile. Obwohl in der Strahlpumpe selbst relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten von bspw. im Treibdüsenbereich auch mengenmäßig geringen Warmwasserströmungen auftreten, wird die Ausbildung über­ mäßiger Turbulenzen infolge zu hoher Druckunterschiede wirksam unterdrückt. Infolge dessen läßt sich die Ge­ räuschentwicklung auf ein nicht mehr wahrnehmbares Maß reduzieren. Der geringere Druckbedarf ermöglicht ein Absenken des Vorlaufdruckes mit Energieeinsparung an der elektrischen Umwälzpumpe des Heizungskreislaufes.

Es hat sich herausgestellt, daß neben der gleichmäßi­ geren Temperaturverteilung an dem Heizkörper auch die an dem Heizkörper auftretenden Maximaltemperaturen deutlich abgesenkt werden. Anstelle der vom Stand der Technik bekannten Ausbildung von kleinflächigen heißen Bereichen an einem Heizkörper in Teillastbetrieb wird dieser nun insgesamt lediglich schwach erwärmt. Neben der damit einhergehenden Verbesserung der Luftqualität von an dem Heizkörper entlangstreichender Raumluft wird außerdem der Wärmeübergang und damit die Wärmeausnutzung, d. h. der Systemwirkungsgrad, verbessert.

In einem Warmwasserheizungssystem, das herkömmlich gedrosselte Wärmeverbraucher enthält, ist es zur Einstel­ lung definierter Verhältnisse erforderlich, den in den Vorlaufleitungen herrschenden Druck mittels gesonderter Druckregler einzuregulieren. Diese sind üblicherweise als Differenzdruckregler ausgebildet und in entsprechend vorhandenen Steigsträngen angeordnet.

Die Verwendung von Strahlpumpen als Regelorgan an den Wärmeverbrauchern ermöglicht es, die ansonsten in Steig­ strängen erforderlichen Differenzdruckregler und Mengenbe­ grenzer ersatzlos wegzulassen. Die Strahlpumpen, die so ausgelegt sind, daß sie relativ unabhängig gegen Vordruck­ schwankungen arbeiten, bewirken somit eine inhärente Mengenbegrenzung. Dies wird erreicht, weil der Treibdüsen­ durchsatz bei einem gegebenen freien Strömungsquerschnitt ab einem bestimmten Minimaldruck bei Druckerhöhung nur noch wenig zunimmt. Wegen des Wegfalls der Mengenbegrenzer und der Differenzdruckregler lassen sich beträchtliche Einsparungen erzielen.

Dennoch kann die Strahlpumpe so ausgelegt werden, daß die Druckdifferenz zwischen ihrem Eingang und ihrem Aus­ gang in einem weiten Arbeitsbereich innerhalb relativ enger Grenzen liegt. Ein zu großer Druckabfall über der Strahlpumpe und irgendwelche Geräuschentwicklungen werden somit vermieden.

Eine besonders gleichmäßige Wärmeverteilung an dem Wärmeverbraucher auch in extremem Teillastbetrieb wird erreicht, wenn die Strahlpumpe einen Arbeitsbereich auf­ weist, der bis in den Teillastbereich hineinreichend an dem Ausgang der Strahlpumpe einen kräftigen Warmwasser­ strom, der vorzugsweise näherungsweise konstant ist, aufweist. Dies ist der Fall, wenn das Verhältnis von Saugstrom zu Treibstrom zu höheren Treibstromwerten deut­ lich abnimmt.

Die Strahlpumpe kann sowohl als Dreiwegestrahlpumpe als auch als Vierwegestrahlpumpe ausgelegt sein. Ist die Strahlpumpe eine Dreiwegestrahlpumpe, ist der Sauganschluß über eine entsprechende Leitung an einen Abzweig des Rücklaufes angeschlossen. Wenn die Strahlpumpe hingegen eine Vierwegestrahlpumpe ist, wird eine den eigentlichen Sauganschluß bildende Ansaugkammer von dem Rücklaufwasser durchströmt. Dabei ist das Mischungsverhältnis vorzugs­ weise weitgehend unabhängig von der Geschwindigkeit des die Saugkammer quer durchströmenden, ausgekühlten Rück­ laufwassers. Die Vierwegestrahlpumpe weist insgesamt vier Anschlüsse auf und ist auf besonders einfache Weise an einen herkömmlichen Wärmeverbraucher, bspw. einen Heizkör­ per, anschließbar. Sie ist mit zwei an den Heizkörper oder anderweitige Wärmeverbraucher anschließbaren Anschlüssen sowie mit zwei Anschlüssen versehen, die dann als Vorlauf­ anschluß und Rücklaufanschluß für die Wärmeverbraucher­ einheit dienen. Der Vorlaufanschluß führt zu der Treib­ mitteldüse und der Rücklaufanschluß kommt aus der Ansaug­ kammer.

Die Steuereinrichtung ist zur Einstellung unter­ schiedlicher Betriebszustände, d. h. unterschiedlicher Mischungsverhältnisse der Strahlpumpe, vorgesehen. Eine einfache Steuereinrichtung ist ein mit der Treibdüse der Strahlpumpe zusammenwirkendes, beweglich gelagertes Ven­ tilverschlußglied, dessen Verstellung eine Änderung des wirksamen freien Düsenquerschnittes der Treibdüse bewirkt. Das Aktuatormittel bewirkt die Verstellung des Ventilver­ schlußgliedes und damit die Einstellung der Strahlpumpe. Dazu ist das Aktuatormittel mit einer Antriebseinrichtung oder einem Aktuatormittel verbunden, das zugleich als Sensormittel ausgebildet ist, wie es bei Verwendung eines Dehnkörpers als Temperatursensor und Stellantrieb der Fall ist.

Der Stellantrieb kann außerdem mit mehreren Sensor­ mitteln in Verbindung stehen, die zugleich mehrere Tempe­ raturen überwachen. Dies ist bspw. die Temperatur des zuströmenden Warmwassers und des Rücklaufwassers. Die Wärmeverbrauchereinheit kann auf diese Weise energieopti­ miert betrieben werden. Bspw. wird sichergestellt, daß die Rücklauftemperatur einen Maximalwert nicht überschreitet (gute Energieausnutzung) und daß dennoch eine gewünschte Wärmeabgabe der Wärmeverbrauchereinheit erreicht oder bestmöglich angenähert wird.

In konstruktiver Hinsicht ist die Strahlpumpe vor­ zugsweise mit Anschlüssen versehen, die zu den an einem Heizkörper vorhandenen Anschlüssen passen. Damit wird eine einfache Montierbarkeit sichergestellt.

Durch die Verwendung der Strahlpumpe als Regelorgan an einem Heizkörper oder anderweitigen Wärmeverbraucher wird wie vorstehend erläutert dessen Regelbarkeit, Wir­ kungsgrad und die Erfaßbarkeit der übergebenen Wärmemenge mittels Verdunstungszählers verbessert.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Heizkörpereinheit mit einer als Regel­ organ vorgeschalteten Vierwegestrahlpumpe, in schemati­ scher Darstellung,

Fig. 2 eine Wärmeverbrauchereinheit mit einem Kleinstwärmetauscher und mit einer Vierwegestrahlpumpe als Regelorgan, in schematischer Darstellung,

Fig. 3 die Wärmeverbrauchereinheit nach Fig. 2, mit einer Dreiwegestrahlpumpe als Regelorgan, in schematischer Darstellung,

Fig. 4 eine Vierwegestrahlpumpe zur Verwendung bei einer Wärmeverbrauchereinheit nach den Fig. 1 oder 2, in geschnittener und teilweise schematisierter Darstellung, und

Fig. 5 eine Dreiwegestrahlpumpe zur Verwendung bei einer Wärmeverbrauchereinheit nach Fig. 3, in geschnitte­ ner und teilweise schematisierter Darstellung.

Die in Fig. 1 dargestellte Wärmeverbrauchereinheit ist eine Heizkörpereinheit 1, die als Wärmeverbraucher einen Heizkörper 2 und als Regelorgan eine Vierwegestrahl­ pumpe 3 enthält. Die dem Heizkörper 2 vorgeschaltete Vierwegestrahlpumpe 3 ist an eine Vorlaufleitung 01, die als Heizmedium dienendes Warmwasser heranführt, und an eine Rücklaufleitung 02 angeschlossen, die in der Heizkör­ pereinheit 1 ausgekühltes Warmwasser als Rücklaufwasser abführt.

Der Heizkörper 2 weist einen Vorlaufanschluß 6 auf, über den dem Heizkörper 2 eine mittels der Vierwegestrahl­ pumpe 3 bereitgestellte Mischung aus Vorlaufwasser und Rücklaufwasser zugeführt wird. Der Vorlaufanschluß ist über lediglich schematisch angedeutete Kanäle 7, die in thermischem Kontakt mit einer Heizfläche 8 des Heizkörpers 2 stehen, mit einem Rücklaufanschluß 9 verbunden. Über die Heizfläche 8 wird die Wärme des in dem Kanal 7 geführten Wassers an die Umgebung abgegeben.

Auf der Heizfläche 8 sitzt ein Verdunstungszähler 10, der ein Schauglas oder -röhrchen mit entsprechend der Wärmeabgabe des Heizkörpers 2 verdunstender Flüssigkeit enthält. Der Verdunstungszähler 10 steht dazu in thermi­ schem Kontakt mit der Heizfläche 8, wobei das Schauglas oder -röhrchen im wesentlichen auf der Temperatur der Heizfläche gehalten wird.

Die im einzelnen in Fig. 4 dargestellte Vierwege­ strahlpumpe 3 weist ein einstückiges Gehäuse 13 auf, an dem ein zur Verbindung mit der Vorlaufleitung 01 mit Außengewinde versehener Treibmittelanschluß 14 ausgebildet ist. Dieser führt zu einer im Inneren des Gehäuses 13 ortsfest gehaltenen Treibmitteldüse 15, der ein axial verschiebbar gelagerter Ventilkegel 16 koaxial gegenüber­ liegt, der als Ventilverschlußstück und als Einstellglied für die Treibmitteldüse 15 dient. Durch axiales Verstellen des Ventilkegels 16 wird der freie Strömungsquerschnitt der Treibmitteldüse 15 geändert. Der Ventilkegel 16 ist dazu in einer Stopfbuchse 17, die mit dem Gehäuse 13 verschraubt ist, abgedichtet verschiebbar gelagert und mittels einer Feder auf seine Offenstellung zu vorge­ spannt. Die Strahlpumpe 3 weist außerdem ein koaxial zu der Treibmitteldüse 15 angeordnetes und zu einem Ausgangs­ anschluß 18 führendes Mischrohr 19 auf, das mit der Treib­ mitteldüse 15 einen Saugspalt 20 begrenzt. Dieser Saug­ spalt mündet in eine im Inneren des Gehäuses 13 definierte Ansaugkammer 21 mit einem zur Verbindung mit zu- und abführenden Rohrleitungen mit Gewinde versehenen Zufluß­ anschluß 22 und einem ebensolchen Abflußanschluß 23. Während der Zuflußanschluß 22 mit dem Rücklaufanschluß 9 des Heizkörpers 2 verbunden ist, liegt der Abflußanschluß 23 an der Rücklaufleitung 02.

Der Ausgangsanschluß 18 der Vierwegestrahlpumpe 3 ist an den Vorlaufanschluß 6 des Heizkörpers 2 angeschlossen und führt diesem ein Vorlauf-Rücklauf-Wassergemisch zu.

Zum Einstellen eines für die jeweils gewünschte Leistungsabgabe der Heizkörpereinheit 1 erforderlichen Arbeitspunktes der Vierwegestrahlpumpe 3 ist ein Stell­ antrieb 25 oder Aktuator vorgesehen, der den Ventilkegel 16 axial verstellen kann. Der Stellantrieb 25 enthält bspw. eine Kolbenzylindereinheit, einen Faltenbalg, einen Membranantrieb oder eine vergleichbare Einrichtung, die eine Druckänderung in eine Linearbewegung umsetzt.

Zur Erfassung der Temperatur des dem Heizkörper 2 zugeführten Heizmediums ist ein Temperatursensor 27 vor­ gesehen, der in thermischer Verbindung mit dem zu dem Vorlaufanschluß 6 führenden Rohr steht. Außerdem ist zur Erfassung der Temperatur des Rücklaufwassers ein weiterer Temperatursensor 28 vorgesehen, der in thermischer Ver­ bindung mit der Rücklaufleitung 02 steht. Beide Tempera­ tursensoren 27, 28 sind bspw. mit einer leicht verdun­ stenden Flüssigkeit gefüllte Kammern, die über entspre­ chende Kapillarleitungen 29, 30 mit dem Stellantrieb 25 verbunden sind.

Die insoweit beschriebene Heizkörpereinheit 1 arbei­ tet wie folgt:
Im Betrieb ist die Vorlaufleitung 01 mit auf eine höhere Temperatur erwärmtem Heizwasser beaufschlagt. Dieses steht mit einem ungeregelten Druck von bis zu höchstens einigen Bar an dem Treibmittelanschluß 14 der Vierwegestrahlpumpe 3 an.

Wenn die Temperatur an beiden Temperatursensoren 27, 28 die jeweilige Maximaltemperatur unterschreitet, hält der Stellantrieb 25 den Ventilkegel 16 in einer Axialposi­ tion, in der die Treibmitteldüse 15 wenigstens teilweise freigibt. Das Warmwasser strömt beschleunigt mit hoher Geschwindigkeit aus der Treibmitteldüse 15 in das zu einem Ausgangsanschluß 18 führende Mischrohr 19 ein, wobei es aus der Ansaugkammer 21 kaltes Rücklaufwasser mitnimmt und sich in dem Mischrohr 19 mit diesem vermischt. Bei Ver­ lassen des Mischrohres 19 verlangsamt sich das so gebilde­ te Gemisch unter Anstieg seines statischen Druckes soweit, daß es an dem Ausgangsanschluß 18 mit einem Druck ansteht, der nicht wesentlich geringer ist als der in der Vorlauf­ leitung 01 herrschende Druck.

Dem an den Ausgangsanschluß 18 der Vierwegestrahlpum­ pe 3 angeschlossenen Vorlaufanschluß 6 wird eine Wasser­ menge zugeführt, die erheblich größer ist als die der Vorlaufleitung 1 entnommene Warmwassermenge. Der sich ausbildende kräftige Wasserstrom fließt unter Wärmeabgabe durch die Kanäle 7 des Heizkörpers 2 und verläßt den Heizkörper 2 bei dem Rücklaufanschluß 9. Von dort ausge­ hend durchströmt das ausgekühlte Warmwasser die Vierwege­ strahlpumpe 3 quer, wobei in der Ansaugkammer 21 wiederum ein Teil des durchfließenden Warmwassers abgezweigt und mit aus der Treibmitteldüse 15 austretendem Warmwasser vermischt dem Heizkörper 2 erneut zugeführt wird.

Das Mischungsverhältnis zwischen Vorlaufwasser (auf­ geheiztes Warmwasser) und Rücklaufwasser (ausgekühltes Warmwasser) stellt der Stellantrieb 25 entsprechend der von den Temperatursensoren 27, 28 erfaßten Temperaturwerte ein. Wird bspw. infolge hoher Umgebungstemperatur ledig­ lich eine geringe Wärmeabgabe des Heizkörpers 2 erforder­ lich und möglich, steigt zunächst die Rücklauftemperatur an, bis der Temperatursensor 28 das Annähern an den bzw. das Erreichen des Grenzwertes erfaßt und den Stellantrieb 25 veranlaßt, den Ventilkegel 16 in die Treibmitteldüse 15 einzufahren. Der Strom des über die Vorlaufleitung 01 zuströmenden Warmwassers wird dadurch gedrosselt, wobei jedoch infolge der Mischung mit dem relativ kälteren Rücklaufwasser an dem Ausgangsanschluß 18 der Vierwege­ strahlpumpe 3 nach wie vor ein kräftiger Warmwasserstrom mit dann allerdings verringerter Temperatur ansteht. Dadurch wird der Heizkörper 2 nach wie vor ganz durch­ strömt, d. h. alle Kanäle 7 enthalten so viel und so schnell strömendes Wasser, daß die Heizfläche 8 auf nahezu einer einheitlichen, jedoch abgesenkten Temperatur gehal­ ten wird.

Die infolge der vergrößerten Durchströmung sowohl im Vollast- als auch im Teillastbereich gleichmäßige Tempera­ turverteilung auf der Heizfläche 8 ermöglicht einen bes­ seren Wärmeübergang des Heizkörpers im Vergleich zu Heiz­ körpern mit ungleicher Wärmeverteilung. Außerdem ermög­ licht sie die Erfassung der abgegebenen Wärmemenge mittels des Verdunstungszählers 10 unabhängig von dessen genauer Positionierung auf der Heizfläche 8 mit guter Genauigkeit.

Der Stellantrieb 25 und/oder die Temperatursensoren 27, 28 können mit Einstellmitteln versehen sein, die ein Variieren der jeweiligen Maximaltemperaturen und damit ein Einstellen der gewünschten Wärmeabgabe der Wärmeverbrau­ chereinheit 1 ermöglichen. In einem solchen Fall kann die Wärmeverbrauchereinheit 1 derart ausgebildet werden, daß auch bei extremem Teillastbetrieb eine gleichmäßige nied­ rige Temperatur der Heizfläche 8 erreicht wird.

In einem System mit mehreren Heizkörpern 2 sowie anderweitigen Kleinstwärmeverbrauchern, die alle eine Vierwegestrahlpumpe 3 als Regelorgan enthalten, arbeiten die einzelnen Wärmeverbraucher, d. h. Heizkörper, Boiler oder andere, voneinander weitgehend entkoppelt. Dies wird erreicht, ohne daß den Wärmeverbrauchern Mengenbegrenzer und/oder Differenzdruckregler vorgeschaltet werden müßten. Bei Heizungssystemen nach dem Stand der Technik sind diese wenigstens für Wärmeverbrauchergruppen vorhanden und bspw. in Steigsträngen angeordnet. Wegen ihrer Durchlaßkennlinie mit Sättigungscharakteristik bewirken die als Regelorgane eingesetzten Strahlpumpen inhärent eine Mengenbegrenzung, die solche zusätzlichen Regler zum Ausregeln von Vordruck­ schwankungen überflüssig macht.

In Fig. 2 ist eine als Kleinstwärmeübertragereinheit 1a ausgebildete Wärmeverbrauchereinheit dargestellt, bei der anstelle des Heizkörpers 2 (Fig. 1) ein Kleinstwärme­ tauscher 2a den Wärmeverbraucher bildet, wobei die Kleinstwärmeübertragereinheit 1a weitgehend mit der im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebenen Heizkörperein­ heit 1 übereinstimmt. Soweit beide Wärmeverbrauchereinhei­ ten funktions- und/oder baugleich sind, sind ohne erneute Bezugnahme gleiche und bei zu erläuternden Abweichungen zur Kenntlichmachung mit einem Buchstabenzusatz "a" ver­ sehene Bezugszeichen verwendet.

Der Kleinstwärmetauscher 2a weist einen in seinem Bodenbereich angeordneten Kaltwasserzulauf 33 und einen in seinem oberen Bereich angeordneten Warmwasserauslaßan­ schluß 34 auf. Wie der Heizkörper 2, ist auch der Kleinst­ wärmetauscher 2a mit seinem Vorlaufanschluß 9 über eine Leitung 04 für gemischtes Heizmedium an den Ausgangsan­ schluß 18 der Vierwegestrahlpumpe 3 angeschlossen. Der Zuflußanschluß 22 der Vierwegestrahlpumpe 3 liegt über eine Rücklaufleitung 03 an dem Rücklaufanschluß 9 des Kleinstwärmetauschers 2a und der Ausgangsanschluß 23 liegt an der Rücklaufleitung 02.

Die Vierwegestrahlpumpe 3 ist von einem Stellantrieb 25a in ihrem Arbeitspunkt eingestellt, der den Ventilkegel 16 entsprechend der mit dem Temperatursensor 27 erfaßten Temperatur einstellt. Diese wird mit einem Sollwert ver­ glichen, der über eine manuell zu betätigende Einstellvor­ richtung 35 eingegeben wird.

Beim Betrieb dieser Kleinstwärmeübertragereinheit 1a mit Vollast, d. h. mit sehr hoher, mittels der Einstellvor­ richtung 35 eingestellten Maximaltemperatur des in dem Kleinstwärmetauscher 2a zu erwärmenden Wassers, entspricht die an dem Vorlaufanschluß 9 vorhandene Temperatur im wesentlichen der Temperatur des Warmwassers in der Vor­ laufleitung 01, sie kann jedoch auch etwas geringer sein. Außerdem ist die von der Vierwegestrahlpumpe 3 an dem Ausgangsanschluß 18 abgegebene Wassermenge gegenüber der über die Vorlaufleitung 01 zugeführten Wassermenge mehr oder weniger erhöht. Das Warmwasser durchströmt nun den Kanal 7 und gibt dabei seine Wärme an das über den Kalt­ wasserzulauf eingeflossene und über den Warmwasserauslaß­ anschluß 34 zu entnehmende Wasser ab. Der Kanal 7, der als Heizschlange ausgebildet sein kann, ist in seiner Länge so bemessen, daß er über seine gesamte Länge als Heizfläche wirkt und sich ein gleichmäßiges Temperaturgefälle ein­ stellt.

Im Teillastbereich, d. h. wenn das an dem Warmwasser­ auslaßanschluß 34 zu entnehmende Wasser eine geringere Temperatur aufweisen soll, wird der Stellantrieb 25a mittels der Einstellvorrichtung 35 auf eine niedrigere Maximaltemperatur eingestellt. Sobald der Temperatursensor 27 eine Annäherung an die oder ein Erreichen der Maximal­ temperatur feststellt, wird mittels des Ventilkegels 16 der freie Strömungsquerschnitt der Treibmitteldüse 15 verengt. Die Vierwegestrahlpumpe 3 mischt nun der geringen Menge über die Vorlaufleitung 01 zugeströmten Warmwassers eine relativ große Menge ausgekühlten Rücklaufwassers zu. Damit wird dem Vorlaufanschluß 9 ein kräftiger Strom Wassers mit abgesenkter Temperatur zugeführt, das seine Wärme aufgrund seiner relativ hohen Strömungsgeschwindig­ keit und seiner abgesenkten Temperatur über die gesamte Länge des Kanales 7 an das zu erwärmende Brauchwasser abgibt. Dadurch wird erreicht, daß das gesamte in dem Kleinstwärmetauscher 2a stehende Wasser erwärmt wird und nicht lediglich der obere Bereich. Dies ist bei herkömm­ lichen Systemen der Fall, bei denen ein Temperatursensor bei Erreichen einer niedrigen eingestellten Grenztempera­ tur den Zufluß von relativ heißem, als Heizmedium dienen­ dem Warmwasser abdrosselt, sobald bei dem Sensor die Solltemperatur erreicht ist. In solchen Fällen erwärmt sich ein dem Kanal 7 entsprechender Heizkanal infolge der durch die Drosselung geringen Strömungsgeschwindigkeit lediglich in seinem Anfangsbereich, wobei er im übrigen kalt bleibt. Bei dem Stand der Technik tritt deshalb keine gleichmäßige Wärmeverteilung in entsprechenden Boilern ein.

Demgegenüber wird bei der Erfindung eine gleichmäßige Erwärmung des gesamten Inhaltes des Kleinstwärmetauschers 2a erreicht, wodurch die zur Verfügung stehende erwärmte Brauchwassermenge vergrößert, der Wirkungsgrad verbessert und zusätzlich die Tendenz der Ablagerung von Kesselstein auf Heizschlangen minimiert wird.

Die Stellantriebe 25, 25a können elektrische Aktua­ toren wie bspw. Motorstelleinheiten, Schrittmotoren, den Ventilkegel 16 in Stufen bewegende Zugmagnete oder ähn­ liches sein. Die Sensoren sind dann elektrische Sensoren, wobei es bei einer solchen Ausführungsform besonders einfach ist, die Stellantriebe zentral oder auch dezentral mittels analoger, digitaler oder rechnergestützter Steuer­ einheiten zu betätigen.

Eine abgewandelte Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten Wärmeverbrauchereinheit ist in Fig. 3 darge­ stellt. Diese ist eine Kleinstwärmeübertragereinheit 1b, bei der anstelle der Vierwegestrahlpumpe 3 (Fig. 2) eine Dreiwegestrahlpumpe 3b vorgesehen ist. Die Dreiwegestrahl­ pumpe 3b ist im einzelnen in Fig. 5 dargestellt und unter­ scheidet sich von der in Fig. 4 dargestellten Vierwege­ strahlpumpe 3 lediglich dadurch, daß das Gehäuse 13b keinen Abflußanschluß aufweist und an der entsprechenden Stelle geschlossen ist. Ansonsten stimmen die Strahlpumpen überein, weshalb im übrigen gleiche Bezugszeichen ver­ wendet worden sind.

Bei der Kleinstwärmeübertragereinheit 1b nach Fig. 3 ist die Dreiwegestrahlpumpe 3b mit ihrem Zuflußanschluß 22, der als Sauganschluß dient, und der in die Ansaugkam­ mer 21 führt, mittels eines T-Stückes 37 an die Rücklauf­ leitung 02/03 angeschlossen. Die Funktionsweise stimmt mit der der vorstehend beschriebenen Kleinstwärmeübertrager­ einheit 1a überein.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die jeweilige Strahlpumpe und der jeweilige Wärmeverbraucher zu einer baulichen Einheit integriert, die am Herstel­ lungsort vorgefertigt und montiert wird. Bei gleichzeiti­ ger Montage der Steuereinrichtung, d. h. des Aktuators und der erforderlichen Sensoren, können Fehlmontagen und fehlerhafte Zuordnungen von Wärmeverbrauchern und Strahl­ pumpen vermieden und somit die Betriebssicherheit und die Energieausnutzung zu erstellender Anlagen erhöht werden.

Sowohl bei Ausführungsformen mit einer Vierwege­ strahlpumpe 3 als auch bei Ausführungsformen mit einer Dreiwegestrahlpumpe 3b kann der Sauganschluß zusätzlich durch ein Ventil geregelt sein, das eine von dem Treib­ mitteldurchsatz unabhängige Einstellung des Mischverhält­ nisses erlaubt. Eine solche Ausführungsform kann bei Anwendungsfällen vorteilhaft sein, bei denen bei Vollast auch eine geringe Reduzierung der Vorlauftemperatur durch eine geringe Menge beigemischten Rücklaufwassers nachtei­ lig ist. In den meisten Fällen ist ein solches zusätzli­ ches, den Saugstrom regelndes Ventil jedoch nicht erfor­ derlich.

Eine Wärmeverbrauchereinheit weist einen Wärmever­ braucher wie einen Heizkörper oder einen Kleinstwärmetau­ scher auf, die mit einer Strahlpumpe als Stellorgan zur Einstellung der Leistungsabgabe des Wärmeverbrauchers versehen sind. Die Strahlpumpe ersetzt die sonst üblichen Thermostatdurchgangsventile und hält auch bei extremem Teillastbetrieb einen Wasserkreislauf in dem betreffenden Wärmeverbraucher aufrecht, der zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung an dem Wärmeverbraucher führt. Im Teil­ lastbereich wird entgegen der bisher üblichen Reduzierung des Durchflusses des Wärmeverbrauchers die Durchflußmenge im wesentlichen aufrechterhalten und dafür wird die Tempe­ ratur des Heizmediums durch Beimischung des Rücklaufwas­ sers erniedrigt. Folge der sich dadurch einstellenden gleichmäßigen Absenkung der Temperatur des Wärmeverbrau­ chers sind bei Heizkörpern verbesserte Luftqualität, verbesserter Wärmeübergang und somit verbesserter Wirksam­ keit, bei Wärmetauschern eine gleichmäßigere Erwärmung des betreffenden Brauchwasservolumens und bedingt durch die durch Beimischung erzielte niedrigere Vorlauftemperatur wird auch die Verkalkungsgefahr niedriger. Gleichmäßige Oberflächentemperaturen von Heizkörpern ermöglichen außer­ dem einen für den Verbraucher wirtschaftlicheren Betrieb von Wärmezählern auf Verdunstungsbasis.

Claims (13)

1. Heizungsanlage
mit mehreren Warmwasser-Wärmeverbrauchern (2), die jeweils einen Vorlaufanschluß (6), einen Rücklaufanschluß (9) sowie wenigstens einen den Vorlaufanschluß (6) mit dem Rücklaufanschluß (9) verbindenden Kanal (7) aufweisen, der mit wenigstens einer Wärmeabgabefläche (8) in thermischer Verbindung steht,
wobei wenigstens einigen Warmwasser-Wärmeverbrauchern (2) jeweils eine Stelleinrichtung (3) zugeordnet ist, die dem Vorlaufanschluß (6) vorgeschaltet und über eine Lei­ tung mit dem Rücklaufanschluß (9) verbunden ist und mit­ tels derer dem Vorlaufanschluß (6) zugeführten Vorlauf­ wasser Rücklaufwasser zumischbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stelleinrichtung eine Strahlpumpe (3) ist, deren Ausgangsanschluß (18) unmittelbar mit dem Vorlauf­ anschluß (6) und deren Sauganschluß (21, 22) mit dem Rücklaufanschluß verbunden ist, so daß der Warmwasserstrom durch den Wärmeverbraucher (2) deutlich größer ist, als der Warmwasserstrom in einer zu der Wärmeverbraucherein­ heit (1) führenden Vorlaufleitung (01), und
daß die Strahlpumpe (3) mit einer Steuereinrichtung (25, 27, 28) versehen ist, mittels derer die Strahlpumpe (3) beeinflußbar ist.

2. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmeverbraucher (2) und die Strahlpumpe (3) derart ausgelegt sind, daß sich ausgehend von der Strahlpumpe (3) durch den Kanal (7) des Wärmeverbrauchers (2) und zu der Strahlpumpe (3) zurück ein Warmwasser-Strö­ mungskreislauf ausbildet, der von dem Warmwasserstrom der Vorlaufleitung angetrieben wird und dessen Temperatur im Teillastbereich abgesenkt ist.

3. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie derart ausgelegt ist, daß die Druckdif­ ferenz zwischen dem in einer zu der Wärmeverbraucherein­ heit (1) führenden Vorlaufleitung (01) und dem in dem Kanal (7) des Wärmeverbrauchers (2) herrschenden Druck im Betriebszustand bei konstantem Druck in der Vorlaufleitung (01) in einem vorgegebenen Arbeitsbereich konstant ist.

4. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlpumpe (3) einen Arbeitsbereich aufweist, in dem bei unterschiedlichen Mischungsverhält­ nissen der über den Vorlaufanschluß (6) an den Wärmever­ braucher (2) abgegebene Warmwasserstrom näherungsweise konstant ist.

5. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlpumpe (3) eine Dreiwegestrahlpumpe (3b) mit einem Treibmittelanschluß (14), der an eine zu dem Wärmeverbraucher (2) führende Vorlaufleitung (01) an­ schließbar ist, und mit einem Ausgangsanschluß (18) ist, der an den Vorlaufanschluß (6) des Wärmeverbrauchers (2) angeschlossen ist, wobei die Dreiwegestrahlpumpe (3b) einen einzigen mit dem Rücklaufanschluß (9) des Wärmever­ brauchers (2) verbundenen Sauganschluß (22) aufweist.

6. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlpumpe (3) eine Vierwegestrahlpumpe mit einem Treibmittelanschluß (22), der an eine zu dem Wärmeverbraucher (2) führende Vorlaufleitung (01) an­ schließbar ist, und mit einem Ausgangsanschluß (18) ist, der an den Vorlaufanschluß (6) des Wärmeverbrauchers (2) angeschlossen ist, wobei die Strahlpumpe (3) eine Ansaug­ kammer (21) mit einem Zufluß (22), der mit dem Rücklaufan­ schluß (9) des Wärmeverbrauchers (2) verbunden ist, und mit einem Auslaßanschluß (23) aufweist, der an eine von der Wärmeverbrauchereinheit (1) weg führende Rücklauflei­ tung (02) anschließbar ist.

7. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung (25, 27, 28) ein beweglich gelagertes Ventilverschlußglied (16) betätigt, das mit einer zu der Strahlpumpe (3) gehörigen Treibdüse (15) zusammenwirkt und das mit einem Aktuatormittel (25) in Verbindung steht.

8. Heizungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Aktuatormittel (25) von einem Sensor­ mittel (27) gesteuert ist.

9. Heizungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sensormittel (27) wenigstens einen Sensor für die Temperatur zuströmenden Warmwassers und einen Sensor für die Temperatur des Warmwassers in der Rücklaufleitung (02) aufweist.

10. Heizungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung (25, 27, 28) derart ausgelegt ist, daß der Warmwasserstrom in der Vorlauflei­ tung (01) gedrosselt wird, wenn an dem Sensor (28) der Rücklaufleitung (02) eine voreinstellbare Maximaltempe­ ratur überschritten wird.

11. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmeverbraucher (2) und die Strahlpumpe (3) mit aufeinander abgestimmten Anschlüssen ausgebildet sind.

12. Verwendung einer Strahlpumpe (3) zur Regelung der Wärmeabgabe von einzelnen Wärmeverbrauchern (2) einer Heizungsanlage, wobei der Wärmeverbraucher (2) über die Strahlpumpe (3) an eine zu einem Warmwassernetz gehörige Warmwasservorlaufleitung (01) und eine Rücklaufleitung (02) angeschlossen ist, wobei wenigstens bei Teillastbe­ trieb mittels der Strahlpumpe (3) ein den Wärmeverbraucher (2) durchfließender Warmwasserkreislauf aufgebaut wird, dessen Strom den Warmwasserstrom übersteigt, der über die Vorlaufleitung (01) herangeführt wird, und wobei die Temperatur dieses Warmwasserkreislaufes, wenigstens bei Teillastbetrieb, gegenüber der in der Vorlaufleitung (01) herrschenden Temperatur abgesenkt ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Verminderung der Wärmeabgabe des Wärmever­ brauchers (2) im Teillastbetrieb durch Absenken der Tempe­ ratur des Warmwassers durch Beimischen von Rücklaufwasser erfolgt, wobei die Durchströmung des Wärmeverbrauchers (2) höher ist als die Durchströmung der Vorlaufleitung (01).