DE2354997C2 - Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur einer Wärmeaustauschflüssigkeit - Google Patents

Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur einer Wärmeaustauschflüssigkeit

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur einer Wärmeaustauschflüssigkeit nach dem Mischprinzip, mit einer Zentrifugalpumpe zur Förderung oder Umwälzung der Flüssigkeit in einem Arbeitskreislauf, mit zwei über je ein Absperrorgan an diesen Arbeitskreislauf im Nebenschluß angeschlossenen Behältern für die Flüssigkeit, mit Mitteln um die Temperatur der Flüssigkeit in diesen beiden Behältern auf je einem bestimmten tieferen bzw. höheren Wert als die Temperatur im Arbeitskreislauf zu halten und mit je einem motorisch antreibbaren propellerartigen Umwälzorgan in jedem Behälter.
Vorrichtungen dieser Art ermöglichen eine sehr rasche,, fast verzögerungsfreie und vor allem sehr empfindliche und genaue Temperaturregelung. Sie finden daher überall dort Anwendung, wo es auf diese speziellen Eigenschaft ankommt. Es sind dies vor allem kalorische Meßgeräte, insbesondere Wärmeflußkalorimeter. Bekanntlich hängt bei den letzteren die Qualität und Genauigkeit der Meßresultate in ganz besonderem Maße von der Wirksamkeit des Temperaturregelsystems für das Wärmeübertragungsmedium ab.
Die bisher bekannten Vorrichtungen dieser Art sind baulich zu kompliziert und aufwendig. Die Flüssigkeitsbehälter und die Pumpe und die übrigen Konstruktionselemente sind zumeist unabhängig voneinander in einem Chassis montiert und durch eine Vielzahl von relativ langen Rohrleitungen und elektrischen Kabeln miteinander verbunden. Ferner ist für den Antrieb der propellerartigen Umwälzorgane in den Behältern je ein eigener Motor vorgesehen. Durch diese unrationelle, einem sogenannten fliegenden Aufbau gleichkommende Konstruktionsweise werden viele Einzelteile und viel Raum benötigt. Außerdem wirkt sich dies auch in einem relativ hohen Preis der Vorrichtung sehr nachteilig aus.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Mängel zu beseitigen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Zentrifugalpumpe zwischen de.i beiden Behältern angeordnet ist. daß sich die P;;mpenantriebswclle in den einen Behälter hinein erstreckt und den anderen Behälter vollständig durchsetzt und mit einem
auf der Außenseite dieses Behälters befestigten Antriebsmotor verbunden ist, und daß die propellerartigen Organe auf den beiden innerhalb der Behälter liegenden Pumpenwellenabschnitten sitzen.
Der erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht den Antrieb der Pumpe und der beiden propellerartigen Organe in den Behältern mii einem einzigen Antriebsmotor und mit nur wenig Einzelteilen.
Eine besonder·., vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Behälter unter Zwischenschaltung je eines der Absperrorgane parallel zur Zentrifugalpumpe angeschlossen sind. Bei dieser Art der Ankopplung der Behälter an den Arbeitskreis läßt sich ein sehr gedrängter und raumsparender Aufbau erreichen, da dazu nur wenige und relativ kurze Rohrleitungen erforderlich sind.
Es können sogar die die Saugseite der Pumpe mit den Behältern verbindenden Leitungen ganz eingespart werden, wenn nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Pumpenwelle im Pumpengehäuse dichtungsios gelagert ist und die Behälter über die Durchführungen der Pumpenwelle durch das lampengehäuse mit der Saugseite der Pumpe kommunizierend verbunden sind. Diese Variante hat den besonderen Vorteil, daß einerseits die Pumpenwelie im Pumpengehäuse nicht dicht gelagert sein muß und andererseits zwei Rohrleitungen eingespart werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die dargestellte Vorrichtung umfaßt zwei übereinander angeordnete Behälter 1 und 2 und eine zwischen diesen befindliche Zentrifugalpumpe 3. Die Pumpe 3 ist über je einen saug- bzw. druckseitigen Anschluß 3a bzw. 36 in den Arbeitskreislauf des zu steuernden Wärmeaustauschmediums einschaltbar. In der Zeichnung ist die Pumpe beispielsweise an das geschlossene Wärmeaustauschsystem eines Wärmeflußkalorimeters W angeschlossen.
Die beiden Behälter 1 und 2 dienen als Reservoirs für Wärmeaustauschflüssigkeit der selben Art wie im Arbeitskreislauf. Die Temperatur dieser Flüssigkeit im oberen und unteren Behälter ist größer bzw. kleiner als die Temperatur im Arbeitskreislauf. Zur Regelung der Temperatur in diesen Behältern dienen noch näher zu beschreibende Regeleinrichtungen.
Die beiden Behälter sind von gleicher Gestalt. Sie sind im vorliegenden Fall zylindrisch mit vertikaler Acvise, könnten aber selbstverständlich auch einen polygenalen Querschnitt haben. Das Gehäuse 3c der Pumpe 3 ist äußerlich ebenfalls zylindrisch ausgebildet und hat denselben Au3endurchmesser wie die beiden Behälter 1 und 2. In seiner oberen und unteren Stirnseite ist je eine Ringnut eingelassen, in welchen die Öffnungsränder der bodenlosen oberen Behälters 2 und des deckellosen unteren Behälters 1 sitzen. Somit bilden die Stirnflächen des Piimpengehäuses3cden Boden bzw. den Deckel des oberen bzw. des unteren Behälters. Die in den Ringnuten sitzenden Ränder der Behälter 1 und 2 sind mit je einem radial nach außen vorspringenden Flansch la bzw. 2a versehen. Über diese Flansche sind die beiden Behalter 1 und 2 mittels Schrauben 4 zusammengespannt. Dadurch wird auch die Pumpe 3 zwischen den beiden Behältern festgehalten. Aufgrund der im wesentlicher, gleichen Durchmesser dieser drei untereinander verbundenen Teile bilden diese eine kompakte Konstruktionsci ,heit. Zur Vermeidung von Wärmcverlusten und eines Wärmeaustausch* zwischen
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den Behältern über die Pumpe besteht das Pumpengehäuse 3c ?us einem Wärme isolierenden Stoff, beispielsweise glasfaserarmiertem Polytetrafluorethylen.
Außerdem ist diese ganze Konstruktionseinheit von einer nicht dargestellten Hülle aus Isoliermaterial umgeben. .
Das Pumpenrad 3d der Zentrifugalpumpe 3 sitzt auf einer vertikalen Pumpenantriebswelle 5, die im oberen und unteren Teil des Pumpengehäuses 3cmittels je eines Radiallagers 5a bzw. 56 drehbar gelagert ist. Die Pumpenwelle 5 ragt nach unten in den unteren Behälter 1 hinein und trägt dort ein Repulsionsorgan, darsteilungsgemäß einen Propeller 5c, welcher bei sich drehender Pumpenwelle 5 im Behälter 1 eine axiale Strömung erzeugt. In ähnlicher Weise setzt sich die Pumpenwelle 5 auch nach oben in den oberen Behälter 2 hinein fort. Sie ragt jedoch durch den Deckel dieses Behälters hindurch und ist an die Antriebswelle eines auf dem Behälterdeckel angeordneten AiUriebsinotors 6 angeschlossen. Ein am Deckel befestigies Axiallager 5d sichert die Pumpenwelle gegen axiale Verschiebung. Auf dem innerhalb des oberen Behälters 2 befindlichen Pumpenwellenabschnitt ist ebenfalls ein Propeller 5e oder dergleichen angeordnet, welcher eine axiale Strömung in der im Behälter befindlichen Wärmeaustauschflüssigkeit erzeugt Durch diese Strömungen wird in den Behältern eine möglichst homogene Temperaturverteilung erreicht. Zu diesem Zwecke ist auch in jedem Behälter eine zur Pumpenwelle koaxiale zylindrische Strömungsleitfläche 7a bzw. 76 angeordnet, die den Umwälzeffekt noch begünstigen.
Um die Temperatur des Wärmeaustauschmediums im oberen Behälter auf den für die Funktion der ganzen Vorrichtung jeweils erforderlichen Wert zu bringen bzw. zu halten, ist der Behälter 2 mit einem elektrischen Heizelement 8 versehen, in ähnlicher Weise ist der untere Behälter 1 mit einer Kühlschlange 9 ausgerüstet, die an eine nicht dargestellte Quelle für ein Kühlmedium anschließbar ist. Je eine Regeleinrichtung 10 bzw. 11 Steuer, die Temperatur der Wärmeaustauschflüssigkeit im oberen bzw. unteren Behälter durch Betätigung des elektrischen Schalters 8a bzw. Öffnen and Schließen des Ventils Ba.
Die Lagerung der Pumpenantriebswelle 5 im Pumpengehäuse 3c ist stopfbüchsenlor., also nicht dicht. Somit ist der Pumpeninnenraum über die Bohrungen 16 bzw. 17 im Pumpengehäuse. durch welche die Pumpenwelle geführt ist, und die beiden Radiallnger 5a bzw. 56 mit dem unteren und dem oberen Behälter ständig verbunden. Die Durchflußquerschnitte dieser Verbindungen sind dabei so bemessen, daß zwischen Pumpen'riJienraum und oberem bzw. unterem Behälter kein konvektionsbedingter Flüssigkeitsaustausch stattfinden kann. Dies ka;>n beispielsweise durch -entsprechend enge Bemessung der Bohrungen 16 und 17 oder auch durch eine entsprechend enge Öffnung in den Abdeckungen der Radiallager 5a und 56 erreicht werden.
Die Druckseite der Pumpe 3, also der radial außen liegende Bereich des Pumpeninnenraums. ist über eine Bohrung im Pumpengehäuse 3c- mit einem Anschluß 3e verbunden, an welchen übe" ein Verzweigungsstück zwei je ein Absperrorgan 12<i und 13.7 enthaltende Leitungen 12 bzw. i3 angeschlossen sind. Diese Leitungen 12 und 13 münden in den unteren Teil des unteren Behälters 1 bzw. oberen Teil des oberen Behälters 2. Sie bilden zusammen mit dem ieweilisen
Behiilter. der Pumpe und dem Anschluß 3c zwei Nebenkreisläufe zum Arbeiiskreislauf der Wärmcaustauschflüssigkeit.
Die Funktionsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung beruht auf dem Mischlingsprinzip. Im '·. Normalzustand sind die beiden Ventile 12.7 und 13;; geschlossen. Die Pumpe 3 walzt dann die Wärmeaustauschflüssigkeit nur im Arbeitskreislauf um. Wenn nun die Temperatur im Arbcitskreislauf ansteigen soll, wird das Ventil 13.7 im oberen Nebenkreislauf geöffnet. n> Dadurch wird ein Teil der im Arbeitskreislauf zirkulierenden Flüssigkeit durch den Anschluß 3e in den Nebenkreislauf abgezweigt. Dies bewirkt aber, daß aufgrund des nun herrschenden Überdrucks im oberen Behälter eine entsprechende Menge an relativ wärme- ι > rer Flüssigkeit aus dem oberen Behälter 2 durch das Radiallagcr 5b in die Pumpe 3 gelangt, sich dort mit der kühleren Kreislaufflüssigkeit vermischt und schließlich cine Anhebun*7 der Arbc^.skreisl
Folge hat. .·»
In analoger Weise wird zur Temperaturerniedrigung im Arbeitskreislauf das Ventil 12a geöffnet bzw. geschlossen. Durch geeignete Wahl der Temperaturdifferenz zwischen den Flüssigkeiten in den Behältern und im Arbeitskreislauf und durch passende Dimensionie- v< rung des Strömungswiderstandes in den Nebenkreisläufen kann eine äußerst schnell reagierende Temperatursteuerung erreicht werden.
Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn nicht die Temperaturen der Flüssigkeit in den Behältern n> 1 und 2, sondern die Differenz zwischen diesen Temperaturen und der Temperatur der Wärmeaustauschflüssigkeit im Arbeitskreislauf konstant gehalten wird. Zu diesem Zwecke sind zwei entsprechend ausgerüstete Regler 10 und II vorgesehen, die mit je r> einem Temperaturfühler 10a bzw. lla im Behälter 1 bzw. 2 und einem weiteren Temperaturfühler 106 im Arbeitskreislauf, vorzugsweise am Pumpeneingang, wie in der Zeichnung dargestellt zusammenarbeiten.
Zur automatischen Bedienung der beiden Ventile 12a *<> und 13a ist ein weiterer Regler 14 vorgesehen, der mit einem Temperaturfühler 14.7 im ausgangsseitigen Pumpenanschliiß 36 zusammenarbeitet. In diesem Regler wird die von einem Sollwertgeber 15 angegebene Solltemperatur der Wärmeaustauschflüssigkeil im Arbeitskreislauf mit dem vom Fühler 14a erfaßten Ist-Wert verglichen. )e nach Abweichung des Ist-Werts vom Sollwert wird dann das eine oder das andere Ventil geöffnet bzw. geschlossen. Das Zudosieren von wärmerer bzw. kälterer Flüssigkeit r.u der zirkulierenden Wärmeaustauschflüssigkeit muß nicht stetig erfolgen, sondern geschieht vorteilhaft impulsweise. Der Regler 14 ist für diesen Fall so ausgebildet, daß er das betreffende Ventil 12a oder 13,7 immer nur für einicn kurzen Moment konstanter Dauer öffnet und nur die Abstände zwischen zwei Öffnungsimpulsen von der Sollwertabweichung der Temperatur im Arbeitskreis abhängen. Eine solche Steuerung hat den Vorteil, daß an Stelle von relativ teuren Regelventilen billigere Auf-zu-Ventile verwendet werden können.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung ist konstruktiv äußerst einfach und deshalb verhältnismäßig billig. Sie benötigt insbesondere nur einen einzigen Antriebsmotor für die Umwälzpumpe und die beiden Propeller in den Behältern. Die Einzelteile einschließlich Rohrleitungen können auf ein Minimum beschränkt und die Rohrleitungen außerdem sehr kurz gehalten werden. Die Vorrichtung ist infolge der unmittelbaren Verbindung Her beiden Behälter mit der Pumpe zu einem einheitlichen Komplex sehr kompakt und raumsparend. Durch die Besonderheit der Pumpenanordnung zwischen den beiden Behältern können wenigstens zwei Rohrleitungen eingespart und Visbesondere die relativ teure dichte Lagerung der Pumpenwelle im Pumpengehäuse vermieden werden. Die Anordnung der Behälter übereinander unc! des Pumpenantriebmotors auf dem oberen Behälter ermöglicht auch eine stopfbüchsenlose und deshalb billige Lagerung der Pumpenwelle im Deckel dieses Behälters. Somit wird durch die Erfindung eine konstruktiv einfache, robuste, raumsparend und letztlich relativ billige Vorrichtung zur Temperatursteuerung geschaffen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur einer Wärmeaustauschflüssigkeit nach dem Mischprinzip, mit einer Zentrifugalpumpe zur Förderung oder Umwälzung der Flüssigkeit in einem Arbeitskreislauf, mit zwei über je ein Absperrorgan an diesen Arbeitskreislauf im Nebenschluß angeschlossenen Behältern für die Flüssigkeit, mit Mitteln um die Temperatur der Flüssigkeit in diesen beiden Behältern auf je einem bestimmten tieferen bzw. höheren Wert als die Temperatur im Arbeitskreislauf zu halten und mit je einem motorisch antreibbaren, propellerartigen Umwälzorgan in jedem der beiden Behälter,.dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifugalpumpe, zwischen den beiden Behältern angeordnet ist, daß sich die Pumpenantriebswelle in den einen Behälter hinein erstreckt und den anderen Behälter vollständig durchsetzt und mit einem auf der Außenseite dieses Behälters befestigten Antriebsmotor verbunden ist, und daß die propellerartigen Organe auf den beiden innerhalb der Behälter liegenden Pumpenwellenabschnitten sitzen.
2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Behälter unter Zwischenschaltung je eines der Absperrorgane parallel zur Zentrifugalpumpe angeschlossen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenwelle im Pumpengehäuse dichtungslo'i gelagert ist und die Behälter über die Durchführungen der Pumpenwelle durch das Pumpengehäuse mit der Saugseite der Zentrifugalpumpe kommunizierend verbanden sipd.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckseite der Zentrifugalpumpe mit den Behältern durch eine verzweigte Rohrleitung, in deren Zweigleitungen je eines der Absperrorgane liegt, verbunden sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengehäuse ein prismatischer oder zylindrischer Block von wenigstens angenähert gleicher äußerer Querschnittsgestalt wie die beiden Behälter ist und daß die Behälter und das Pumpengehäuse zu einem einheitlichen prismatischen bzw. zylindrischen Komplex verbunden sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengehäuse aus einem wärmeisolierenden Material, vorzugsweise Kunststoff besteht.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter übereinander angeordnet sind und der Antriebsmotor auf dem oberen Behälter montiert ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Behältern zylindrische, die Pumpenwelle und die propellerartigen Organe koaxial umschließende Strömungsleitflächen angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Behälter mit einer elektrischen Heizung und der andere Behälter mit einem Wärmeaustauscher ausgestattet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel /ur Regelung der Temperatur in den beiden
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Behälternso ausgebildet sind, daß die Flüssigkeitstemperatur im einen Behälter um einen bestimmten : · Betrag niedriger und im anderen Behälter um einen bestimmten Betrag höher ist als die Temperatur an einer bestimmten, vorzugsweise am Pumpeneingang liegenden Meßstelleim Arbeitskreisiauf.
i 1. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regier vorgesehen ist, welche das Absperrorgan im einen oder anderen Nebenkreislauf öffnen je nach dem, ob die Temperatur der Wärmeaustauschflüssigkeit im Arbeitskreislaufsteigen oder fallen soIL
VL· Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,' daß der genannte Regler das betreffende Absperrorgan impulsweise öffnet und schließt, wobei das Verhältnis von Öffnungsimpulsdauerzu Impulspause von der Größe der Sollwertabweichung der Temperatur im Arbeiiskreislauf abhängt.
13. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorangehenden .Ansprüche zur Steuerung der Temperatur der Wärmeaustauschflüssigkeit in einem Wärmeflußkalorimeter.
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