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Thermostatischer, temperaturdifferenzgesteuerter Durchflußregler
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermostatischen Durchflußregelung eines
zweikreisigen wärmetechnischen Systems und einen Durchflupregler zur Durchführung
des Verfahrens.
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Thermostatische Durchflupregler sind vor allem in Form von Regulierventilen
bereits bekannt. Sie werden beispielsweise vielfach verwendet, um die Wärmezufuhr
zu heißwasserbeheizten Warmetauschern zu regeln, auf deren Sekundärseite Warmwasser
fur eine Heizungsanlage erzeugt wird. Bei diesen Regelgeräten wird der Regulierkegel
üblicherweise von einem in Längsrichtung dehnbaren Faltenbalg verstellt. Dieser
Faltenbalg ist über eine Kapillarleitung mit einem geschlossenen Fühlerrohr verbunden,
und dieses allseitig geschlossene system ist mit einer geeigneten hydraulischen
Flüssigkeit gefüllt. Das Fühlerrohr ist bei der als Beispiel gewählten Wärmetauscheranlage
im Vorlauf des Sekundärkreises angeordnet, während das damit verbundene Regelorgan
die Heipwasserzufuhr auf der Primärseite steuert.
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Die Wirkungsweise eines solchen thermostatischen Durchflußreglers
beruht auf der Volumenvergrößerung von Flüssigkeiten bei Erwärmung. Das Gerät ist
so ausgelegt, da die bei Erwärmung sich ausdehnende Flüssigkeit im Fühlerrohr auf
hydraulischem Wege den Faltenbalg am Regulierkegel des Ventils in Längsrichtung
ausdehnt und dabei das Ventil schließt. Dadurch wird die Wärmezufuhr gedrosselt.
Sinkt die Temperatur am Fühlerrohr, so wird durch die Volumenverkleinerung der Flüssigkeit
auch der Faltenbalg verkürzt, das Ventil geöffnet und Wärlle zugeführt.
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Der Nachteil solcher Geräte besteht darin, dap eine feinfühlige und
verlustarme Anpassung der Wärmezufuhr, vor allem in Anlagen mit stark schwankendem
Wärnebedarf und großen Ledlummassen, mit ihrer Hilfe nur sehr unvollko; en zu erreiclien
ist, wie die Fraxis gezeigt hat. Am Beispiel der eingangs beschriebenen Wärmetauscheranlage
soll dies näher erläutert werden7
Es sei angenommen, diese Anlage
habe sich nach längerem, gleichmäßigem Betrieb auf einen mittleren Wärmeverbrauchswert
eingeregelt0 Steigt nun der Wärmeverbrauch auf der Sekundärseite plötzlich stark
an, so wird die Rücklauftemperatur des Heizwassers ebenso schnell deutlich absinken.
Eine gröpere Menge dieses stark abgekühlten Heizwassers fließt nun zurück zum Wärmetauscher,
durchströmt diesen und wird dabei nur ungenügend erwärmt, weil das Regelventil im
Primärkreis sich auf einen mittleren MEårmeverbrauchswert eingestellt hat. Erst
wenn das ungenügend erwärmte Heiwasser den Wärmetauscher bereits wieder verläßt,
erfolgt durch Abkühlung des Fühlerrohrs im Vorlaufstutzen ein weiteres Öffnen des
Regelventils und damit eine entsprechend größere Wärmezufuhr. Je nach Ansprechzeit
des Gerätes ist Jedoch ein Abfließen gröperer, ungenügend erwärmter Heizwassermassen
zum Wärmeverbraucher nicht zu verhindern. Die Folge sind Einbußen in der Wårmeleistung
des Verbrauchers. Ahnlich verhält es sich bei einem plötzlichen Rückgang des Wärmeverbrauche.
Die Rücklauftemperatur liegt nunmehr über dem vorherigen Mittelwert. Das Heizwasser
wird nun durch den in mittlerer Stellung einregulierten Primärkreis weit über das
erforderliche Maß hinaus aufgeheizt und verläpt den Wärmetauscher mit einer deutlich
höheren Temperatur als erwünscht, bevor Fühler und Regulierventil reagieren. Die
Gefahr von Überhitzungen, Dampfschlägen und dergleichen ist dadurch gegeben. Die
geschilderten Schwierigkeiten sind darin begründet, dap hier eine blope Vorlauftemperaturregelung
praktiziert wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, Verfahren und eine Vorrichtung zur Durohführung
des Verfahrens der eingangs genannten Art zu schaffen, wodurch Einbupen in der Wärmeleistung
des Verbrauchers oder Überhitzungen, Dampfshhläge und dergleichen vermieden und
die Vorlauftemperaturen auf vorgegebene Werte gehalten werden.
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Die erfindungsmäßige Lösung ist dadurch gekennzeichnet, dap die Vorlauf-und
Rücklauftemperatur des Sekundärkreises gemessen und deren Differenz zur Gewinnung
der Regelgröpe gebildet wird.
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Im Sekundärkreis eines zweikreisigen wärmetechnischen Kreislaufsystems
befindet sich sowohl im Vorlauf als auch im Rücklauf je ein geschlossenes Fühlerrohr.
Die Hohlräume beider Fühlerrohre sind durch je eine flüssigkeitsführende Kapillarleitung
mit dem Innenraum eines geeigneten hydraulischen Stellgliedes verbunden. Fühlerrohre,
Eapillarleitungen und Stellglied sind mit einer geeigneten hydraulischen Flüssigkeit
gefüllt. Das
Stellglied ist in geeigneter Weise mit einer beliebigen
Regelarmatur verbunden, auf die es seine Stellbewegungen überträgt. Durch diese
Anordnung ist erreicht, dap sich die Stellwege, zu denen das Stellglied von jedem
der Fühlerrohre bei Temperaturänderungen angeregt wird, bei gleichzeitiger Erwärmung
oder Abkühlung der Fühlerrohre addieren, während sie sich bei Erwärmung des einen
und Abkühlung des anderen Fühlerrohres subtrahieren. Die Bauelemente des Gerätes
sind so ausgelegt, dap der Übertragungsbeiwert der Konstruktion bestimmt wird von
dem größtmöglichen Stellweg an der Regelarmatur einerseits und einer bestimmten
maximalen Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf andererseits. Auf diese
Weise kann die Vorlauftemperatur weitgehend konstant gehalten werden, während die
Differenz zwischen der Vorlauftemperatur und der sich durch unterschiedlichen Wärmeverbrauch
sich ergebenden Rücklauftemperatur gemessen und sofort in eine entsprechende Stellbewegung
der Regelarmatur umgewandelt wird.
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In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Es zeigt Abb. 1: Ein thermostatisches, temperaturdifferenzgesteuertes
Durch gangs-Regelventil in einem geschlossenen zweikreisigen System Abb. 2: Ein
thermostatisches, temperaturdifferenzgesteuertes Breiwege-Mischventil in einem offenen
zweikreisigen System Abb. 3: Ein thermostatisches, temperaturdifferenzgesteuertes
Durch gangz-Regelventil wie in Abb. 1, jedoch mit zwei Stellgliedern.
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Bei dem in Abb. 1 dargestellten Beispiel werden der Vorlauffühler
1 und der Rücklauffühler 2 durch allseitig geschlossene Rohre gebildet. Sie sind
durch die Kapillarleitungen 3 und 4 flüssigkeitsführend mit dem balgförmigen Stellglied
5 des Regulierventils 6 verbunden. Die obere Stirnseite von Stellglied 5 ist mittels
einer geeigneten Befestigung 7 unverrückbar an dem Gehäuse 8 des Regulierventils
6 befestigt. Die untere Stirnseite von Stellglied 5 ist in Längsrichtung frei beweglich
und über die Schubspindel 9 mit dem Regulierkegel 10 verbunden. Vorlauffühler 1,
Rücklauffühler 2, die Kapillarleitungen 3 und 4 sowie das Stellglied 5 sind mit
einer geeigneten hydraulischen Flüssigkeit gefüllt. Das Regulierventil 6 ist im
Primärkreis des Wärmetauschers 11 angeordnet und regelt den Zustrom des Heizmediums.
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Der Sekundärkreis des Wärmetauschers 11 versorgt den Wärmeverbraucher
12 mit indirekt erwärmtem Heizmittel, welches von der Pumpe 15 umgewälzt wird.
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Das in Abb. 2 dargestellte thermostatische, temperaturdifferenzgesteuerte
Dreiwege-Ifischventil ist in einer Heizungsanlage angeordnet und regelt hier mittels
Rücklaufbeimischung die Vorlauftemperatur. Der Stellantrieb gleicht dem in Abb.
1 dargestellten Prinzip. Der Vorlauffühler 14 ist hier im Heizungsvorlauf angeordnet,
während sich der Rücklauffühler 15 in der Beimischleitung 22 befindet0 Das Stellglied
18 verstellt auch hier über die Schubspindel 19 den Regulierkegel 20. Vorlauffühler
14, Rücklauffühler 15 und Stellglied 18 sind über die Kapillarleitungen 16 und 17
ebenfalls flüssigkeitsführend miteinander verbunden.
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Die in Abb. 3 dargestellte Anlage ähnelt der in Abb. 1 gezeigten Anordnung.
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Sie unterscheidet sich von ihr durch die Tatsache, dap sie mit zwei
hydraulisch voneinander getrennten Stellgliedern 27 und 28 arbeitet. Stellglied
27 ist über die Kapillarleitung 25 mit dem Vorlauffühler 23 und Stellglied 28 ist
über die Kapillarleitung 26 mit dem Rucklauffühler 24 jeweils flüssigkeitsführend
verbunden. Beide Stellglieder 27 und 28 sind auch hier so angeordnet und miteinander
verbunden, dap sich ihre Stellwege bei gleichzeitiger Erwärmung oder Abkühlung der
beiden Fühler 23 und 24 addieren, während sich ihre Stellwege bei Erwärmung des
einen und Abkühlung des anderen Fühlers subtrahieren. Diese Anordnung ist für die
Fälle gedacht, wo der Regelbereich des Gerätes in zwei Bereiche mit verschieden
hoher Ansprechempfindlichkeit unterteilt werden soll; zum Beispiel wenn eine besonders
präzise Regelung einer bestimmten Vorlauftemperatur gewünscht wird.
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Die Wirkungsweise der Anordnung gemäp Abb. 1 ist nun folgende: Es
sei angenommen, die dargestellte Anlage werde primärseitig mit Heißwasser von 130
C beheizt, während auf der Sekundärseite Warmwasser von 90/7000 erzeugt wird0 Die
Vorlauftemperatur von 90°C im Sekundärkreis wird innerhalb enger Grenzen konstant
gehalten. In diesem Falle werden sich l-snderungen im Energiebedarf des Wärmeverbrauchers
12 auf die Rücklauftemperatur im Sekundärkreis auswirken. Arbeitet die Anlage also
über längere Zeit mit halber Leistung, so wird das Rücklaufwasser mit etwa 800C
zum Wärmetauscher 11 zurückfließenO Dementsprechend wird sich auch das Regulierventil
6auf halbe Durchflußmenge einregelt0 Wird nun plötzlich vom Wärmeverbraucher 12
die volle MEårmeleistung beansprucht, so sinkt die Rücklauftemperatur schnell auf
700C abO Bevor nun jedoch das stark abgekühlte Heizwasser in den Wärmetauscher 11
eintritt, umströmt es den Rücklauffühler 2 und kühlt die darin befindliche hydraulische
Flüssigkeit ab. Durch die dabei entstehende Volumenverkleinerung
der
Flüssigkeit wird das balgförmige Stellglied 5 verkürzt und das Regulierventil 6
vollständig geöffnet. Der Zuflup von Heißwasser und damit die 'rårmeleistung des
wärmetauschers 11 werden entsprechend dem größeren Wärmebedarf gesteigert. Ist nach
einiger Zeit der s;rärmebedarf von 3Eårmeverbraucher 12 weitgehend gedeckt, so wird
das Rücklaufwasser beispielsweise mit 850C zum Wärmetauscher 11 zurückiließen. In
diesem Falle bewirkt die Erwärmung des Rücklauffühlers 2 eine Längenausdehnung von
Stellglied 5 und damit ein nahezu vollständiges Schließen des Regulierventils 6.
Sollte nun in dieser Regelstellung, beispielsweise durch Unregelmäßigkeiten in der
primärseitigen Wärmezufuhr, die gewünschte Vorlauftemperatur von 90 C nicht erreicht
werden, so wird durch die ungenügende Erwärmung von Vorlauffühler 1 das Stellglied
5 verkurzt und das Regulierventil wieder etwas weiter geöffnet.
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Andererseits wird bei Erreichen oder überschreiten der maximalen Vorlauftemperatur
durch entsprechende Erwärmung von Vorlauffühler 1 eine Längenausdehnung von Stellglied
5 bewirkt, die das Regulierventil 6 wieder zufährt. Sollte das Rücklaufwasser einmal
mit 90 C wieder zurückfließen weil überhaupt keine Wärmeabnahme stattfindet, sobewirkt
die maximale Erwärmung beider Fühler 1 und 2 die volle Längenausdehnung von Stellglied
5 und damit ein vollständiges Schließen von Regulierventil 6.
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Die Wirkungsweise des Dreiwege-LIischventils 21 gemäß Abb. 2 ist ähnlich
der des Durchgangsventils 6 in Abb. lo Auch hier wird bei konstanter Vorlauftemperatur
der Regelvorgang im iresentlichen von der Rücklaufteperat'r beeinflußt. Sinkt also
die Rücklauftemperatur im Heizungskreis infolge hohen lEårmeverbrauchß stark ab,
so bewirkt die Abkühlung des Rücklauffühlers 15 eine Verkürzung von Stellglied 18.
Dadurch wird der Zustrom von kühlem Rücklaufwasser im Durchgang A - AB gedrosselt,
während der Durchfluß von heipem Kessel-Vorlaufwasser im Durchgang B - AB verstärkt
wird.
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Bei Nachlassen des Wärmeverbrauchs im Heizungskreis verläuft der Vorgang
umgekehrt. Bei Unterschreitung der gewünschten Vorlauftemperatur wird durch Abkühlung
des Vorlauffühlers 14 das Stellglied 18 verkürzt und der Regulierkegel 20 zur Drosselung
des Durchgangs A - AB angehoben, wobei gleichzeitig der Durchgang B - hB weiter
geöffnet wird0 Bei Erreichen oder Uberschreiten der gewünschten Vorlauftemperatur
verläuft die Stellbewegung in entgegengesetzter Richtung.
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Der Durchflupregler in Abb0 3 arbeitet im Grundprinzip genauso wie
das Gerät in Abb. 1. Ein Unterschied besteht lediglich darin, dap der Regulierkegel
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nicht von einen, sondern von zwei Stellgliedern 27 und 28 verstellt wird, und dap
immer nur jenes Stellglied arbeitet, welches gerade von dem mit ihm verbundenen
Pühler 23 oder 24 einen entsprechenden, temperaturbedingten Impuls erhält.
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Grundsätzlich kann jede geeignete Regelarrnatur mit einem temperaturdifferenzgesteuerten
Stellantrieb der beschriebenen Art versehen werden0 Ebenso kön--nen solche temperaturdifferenzgesteuerten
Regelarmaturen, bei entsprechender Auslegung, auch in zweikreisigen Kühlanlagen
Verwendung finden.
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Durch die besondere Konstruktion des Durchflupreglers kann die primärseitige
Wärmezufuhr sehr genau bemessen und auch zeitlich genau auf die Vorgänge im Sekundärkreis
abgestimmt werden. Letzteres vor allem dann, wenn beim Einbau des Rücklauffühlers
in die Rücklauf- oder Beimischleitung die Ansprechzeit des Fühlers sowie die Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums im Sekundärkreis berücksichtigt werden0 Auf diese Weise steht dann die
benötigte Wärmemenge auf der Primärseite im selben ;-íoment zur Verfügung, in dem
das zurückfliepende Medium im Sekundärkreis in den Wärmetauscher bzw. das Mischventil
eintritt. Die Folge ist eine nahezu verlustlose Warmeleistungsregelung und die sehr
genaue Einhaltung einer bestimmten, festgelegten Vorlauftemperatur.