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LE ISTUN GSGESTEUERTES FERTIGSTUECKELEMENT MIT WAERMETAUSCHEPANORDNUNG
Die Erfindung beruht auf der Erkenotnis, d«s zwar in vielen Betrieben das Bedürfnis
auftritt, bei Betriebs durchführung anfallende Abwärme- bzw. Wärme nutzbar zu verwerten,
dass aber der bedenkenlosen Verwirklichung dieses Bestrebens mindestens die F lage
entgegensteht, ob der technische und bauliche Aufwand, der mit dem Einbau von Abwärme-
bzw. Wärmenutzungsanlagen notwendigerweise verbunden ist, ob weiter die Nachteile
längerer Betriebsunterbrechungen, die sich durch Sonderfertigung der oft umfangreichen
Abwärmeanlagen und durch ihren Einbau unvermeidlich ergeben und schliesslich ob
auch zu berücksichtigenden Unterhaltungskosten der Anlage dieses Unterfangen wirtschaftlich
rechtfertigen. Zu berücksichtigen ist schliesslich, dass der Rückgewinn an Energie
nicht immer in vollem Ausmasse für die Zwecke und zur Begünstigung gerade der Prozesse
einsetzbar ist, die um Auftreten der noch nutzfähigen Abwärme führen und zu deren
Erfüllung der Betrieb hauptsächlich zu dienen hat.
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Ist es aber nach den Erkenntnissen, die zu vorliegender Erfindung
geführt haben, möglich, leistungsgesteuerte Fertigstückelemente mit Wärmetauscheranordnungen
zur Verbindung von Hohikörperabschnitten, die der Führung strömender, wärme-, insbesondere
abwärmehaltige Mittel dienen, zur Verfügung zu stellen, wie dies der Aufgabenstellung
vorliegender Erfindung entspricht, so entsteht eine völlig geänderte Sach- und Ausgangslage
undc es erleichtern die entstehenden Vorteile in der Mehrzahl der Fälle eine aus
den erstgenannten Gründen zunächst noch fehlende oder zögernde Bereitschaft zur
Rational isierung energiewirtschaft i chen Denkens und der Verwirklichung eines
entsprechenden, betrieblichen Vorhabens, da die in Betracht kommenden Fertigstückelemente
auf Lager gehalten sind bzw. innerhalb kürzester Frist serienmässig mit zweckmässig
abgestuften, betriebsgenormten Dimensionen zur Verfügung stehen, wobei durch eine
entsprechend vorauszuplanende Auslegung der Elemente Sonderwünschen im Rahmen des
Möglichen yon vorneherein Rechnung zu tragen ist.
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Demgemäss kennzeichnen sich ieistungsgesteuerte Fertigstückelemente
mit Wärmetauscheranordnungen zur Verbindung von Hohlkörperabschnitten, die zur Führung
strömender, wärme-, insbesondere abwärmehal tige Mittel dienen, erfindungsgemäss
dadurch, dass die Elemente ausser einem auf dessen gesamter Länge durchgehenden
Verbindungselemententeil wenigstens einen weiteren, strömungsmässig im Nebenschluss
zu diesem Verbindungselemententeil angeordneten Bypasselemententeil in Verbindung
mit durch temperaturfühl erbeeinf lusste Versteligetrieben betätigten Steuergliedern
zur Einstellung bzvv. zur in Abhängigkeit von Einflussgrössen selbsttätigen Regelung
eines in der Wärmetauscheranordnung nutzbar zu machenden Anteiles im strömenden
Mittel enthaltener Wärme aufweist.
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Es bestehen verschiedene Möglichkeiten zur Aus;ijY!.tidung derartiger
Fertigstückel emente.
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Zunächst kann der das Element auf dessen gesamter Länge durchsetzende
Verbindungselemententeil, den man auch als Hauptteil des Elementes bezeichnen kann,
als Aufnehmer der Wärmetauscheranordnung ausgebildet sein. Es besteht aber auch
die umgekehrte Möglichkeit, den Bypasseiemententeil seinerseits als Aufnehmer einer
Wärmetauscheranordnung auszubilden, aber beide Möglichkeiten könnten sogar in der
Vereinigung gemeinsam verwirklicht sein, wenn die räumlichen Verhältnisse so geartet
sind, dass ein einziger im Regelfall grösserer Wärmetauscher in keinem der Elemententeile
als Ganzes unterbringbar wäre.
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Soweit im Vorhergehenden von Hohlkörperabschnitten gesprochen worden
ist, sind hierunter sowohi Leitungen als auch grössere Behälter zu verstehen, wobei
auch die Möglichkeit besteht, dass das eine beim Hauptelemententeil, das andere
beim Bypasselemententeil bzw. jeweils bei einer Mehrheit derselben der Fall ist.
Eine Abwandlung der angegebenen Möglichkeiten besteht darin, dass ein Hohlkörperabschnitt
einem in den meisten Fällen bereits vorhandenen Abzug, etwa von Gasen, Dämpfen,
Gasdampfmischungen insbesondere dann angehört, wenn der Abzug strömende Mittel sehr
hoher Temperatur beispielsweise hocherhitzte Gase wie Rauchgase, Abgase von Brennkraftmaschinen,
Industrie-, Hoch-, Schmelz-, Cupol-, Giessöfen, Glasschmelzen-, Verzinkereien, Heiz-,
Trocknungs-, Dörr-, Röstanlagen oder dgl. führt.
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Grundsätzlich soll die Temperaturführung innerhalb des Fertigstückelementes
dahin einstellbar sein, dass zur Kondensatbildung neigende Dämpfe oder dampfhaltige
Gase, wie die erwähnten Abgase, nicht Temperaturen unter 100 Grad, ggfs. 120 Grad,
allenfalls 160 Grad Celsius ausgesetzt werden. Da aber das Auftreten derartiger
Kondensatbildungen aber nicht mit Sicherheit auszuschliessen ist, erscheint es richtig,
a prior; einer bzw. jeder Wärmetauscheranordnung im Element jeweils eine Kondensatabführung
zuzuordnen.
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Wird im Fertigstückelement eine Zusatzeinrichtung zur Erhöhung des
Druckes, unter dem das strömende Mittel steht, oder des Saugzuges, mit dem es betrieben
werden soll, vorgesehen, so können mindestens die Strömungswiderstände ausgeglichen
werden, denen das strömende Mittel bei der Durchführung durch Fertigstückelemente
bzw. dessen Teile ausgesetzt ist.
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Weitere Möglichkeiten bestehen darin, die Vorlaufleitung eines Wärmetauschers
so auszubilden, dass Exie in Verbindung mit einer Heizungsmittelversorgung steht,
so dass Abwärme verhältnismässig niedrigen Temperaturniveaus zu Heizungszwecken
ausgenutzt wird, was für ' Brauchwasserleitungen entsprechend gilt. Eine andere
Möglichkeit zeichnet sich dadurch aus, dass ein in einer Wärmetauscheranordnung
Nutzwärme aufnehmendes Mittel vor oder nach der Durchführung durch einen Wärmetauscher
des Fertigstückelementes durch den Kollektor einer Sonnenwärrneausnutzungsanlage
geführt ist, was gleicherweise für eine vorhandene Wärmepumpenanordnung gilt.
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Im Rahmen sämtlicher dieser Möglichkeiten kann ein erfindungsgemäss
ausgebildetes Fertigstückelement unter Entstehung der hierfür spezifischen Vorteile
zum Einsatz gebracht werden Die Zeichnung zeigt eine Reihe von Ausführungsmöglichkeiten
eines erfindungsgemäss vorgeschlagenen, leistungsgesteuerten Fertigstückelementes
mit Wärmetauscheranordnungen nach Herstellung der Verbindung zwischen als Hohlkörperabschnitte
in Betracht kommenden ausgewählten Le i tungs abschn i tten .
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Figur 1 Veranschaulicht in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsmöglichkeit,
bei der einer auf seiner gesamten Länge vom strömenden Mittel durchsetzter Fertigstückel
emententei 1 als Aufnehmer des Wärmetauschers ausgebildet ist; Figur 2Stellt eine
derartige Anordnung für den Fall dar, dass der Bypasselemententeil eines Fertigstückelementes
als zur Hauptleitung paralleles Abzweigrohr ausgebildet ist;
Figur
3 gibt eine weitere Ausführunssform 't für den Fall wieder, dass die Wärmetauscheranordnung
im Bypasselemententeil des Fertigstückel ementes untergebracht ist.
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In Figur 1 ist ein erfindungsgemäss ausgebildetes Fertigstückelement
innerhalb eines Raumes verwirklicht, dessen Aussenumfang durch die gestrichelten
Linien t - 1 - 1 - 1 angedeutet worden ist.
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Dieser Umfang ist unter Verwirklichung raumsparender Massnahmen so
bestimmt, dass die in ihm untergebrachten Teile ein auf die Raumeinheit bezogenes
Mindestdurchschnittsgewicht aufweisen, was durch Leichtmetall verwendung, Zellen-
und Schichtbauweise und andere bekannte Massnahmen leicht erreichbar ist. Zu erkennen
sind in Figur 1 ein Austrittsstutzen 22 und ein zur Aufnahme der Wärmetauscheranordnung
3 dienender, kesselartig erweiterter Abschnitt 23.
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Zu erwähnen sind ausserdem die im Gesichtsfeld befindiichen Bereiche
41 und 42 der Zu- und abführungsleitungen für das strömende Mittel, an die die Zu-
und Abführungsstutzen 21, 22 des Fertigstückelementes 2 angeflanscht sind Vorhanden
ist ausserdem ein Bypasselemententeil 5, der bei 51 aus dem Eintrittsstutzen 21
abgezweigt ist, um bei 52 wieder in den Austrittsstutzen 22 einzumünden.
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Die Wärmetauscheranordnung 3 ihrerseits kann jede beliebige bekannte
Ausbildung aufweisen. Im Falle des Ausführungsbeispieles ist eine Ausführungsmöglichkeit
als Rohrschlange 31 angedeutet, der das die Nutzwärme aufnehmende Mittel, beispielsweise
Brauchwasser zwecks Warrrwassererzeugung bei 32 zugeführt wird, um bei 33 auf die
Warmwassertemperatur aufgeheizt wieder abgezogen zu werden. Die hierzu dienende
Zu- bzw. Abführungsleitungen 34, 35 können beispielsweise Abschnitte eines Brauch-,
ggfs. auch Heizwasserkreisumlaufes bilden, wobei jede andere, bekannte Möglichkeit
auch in Betracht kommt.
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Zu Zwecken der Energiesteuerung sind in dem Eintrittsstutzen 21 für
das wärmeübertragende, -strömende Mittel sowie in dem Bereich
des
Bypasselemententeiles 5, der sich an die Abzweigung 51 anschliesst, Steuerungselemente
in Form von Steuerklappen 61, 62 angeordnet, wobei die gesamte Steuerung mit 6 bezeichnet
ist. Die Steuerklappen 61 und 62 stehen mittels eines Getriebes in Verbindung, das
durch den gestricheit wiedergegebenen Rahmen 63 angedeutet ist. Das Getriebe 63
ist so ausgebildet, dass es eine bestimmte Steuerungscharakteristik hat, die im
einfachsten Falle darin besteht, dass in der volieröffneten StelLung der Absr=hlussklappe
61 im Zuführungsstutzen 21 sich die Steuerklappe 62 im Bereich 63 des Bypasselementes
5 in der Abschlussstellung befindet, die mit ausgezogenen Linien dargestellt ist.
Umgekehrt sorgt die gleiche Steuerungsc,lerakteristik des Getriebes 63 dafür, dass
in der Abschlussstellung der Steuerklappe 61 die Steuerklappe 62 im Bypasselemententeil
5 mehr oder weniger die Schliessstellung einnimmt.
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Dieses mehr oder weniger richtet sich nach weiteren Gegebenheiten,
die bestimmend dafür sind, inwieweit die jeweils zu verwirklichende Steuerungscharakteristik
von der vorerwähnten einfachsten Form abweicht, wobei auch Zwischenstellungen in
Betracht kommen, um beispielsweise zu verhindern, dass die Gesamtmenge des strömenden
Mittels nur durch einen der Teile des Stückelementes durchgesetzt oder überhaupt
nicht durchgesetzt wird, um das Auftreten von Ausfallschäden ausschliessen zur Können,
die z. B.
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durch zu grosse Temperatursprünge mit untragbar grossen Wärmespannungen
entstehen könnten.
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Die Steuerklappen 61 und 62 sowie das Getriebe 63 stehen demgemäss
unter dem Einfluss einer Temperatursteuerung, die als Ganzes mit 7 bezeichnet ist.
Sie weist als wesentlichen Teil zunächst den Temperaturfühler 71 in der Vorlaufleitung
35 und 72 im Austrittsstutzen 22 des Fertigstückelementes 2 auf. Die Temperaturfühler
71, 72 geben über die Leitungen 73 und 74 ihre Signale an das Rechenwerk 75 weiter,
das über die Leitungen 76, 77 einen Linearmotor 78 beeinflusst.
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Dessen Anker 79 ist als Zahnstange ausgebildet und greift über deren
verzahnten Bereich in ein nichtgezeichnetes Antriebsritzel des Getriebes 63 ein.
Gestrichelt gezeichneten Teile liegen ausserhalb eines die vorbeschriebenen Teile
des Fertigstückelementes
2 einkapselnden Gehäuses, dessen Begrenzungen
in etwa mit den Punkten bzw. Linien 1 - 1 - 1 - 1 des umkapselten Raumes zusammenfallen.
Es bedarf daher nur der Anflanschung eines bezogenen Fertigstückes an die Rohrleitungen
34, 35, 41, 42 und der Verlegung der elektrischen Steuerleitungen 73, 74, 76, 77,
um das jeweils angelieferte Fertigstück anflanschen bzw. elektrisch anschliessen
zu können, um es sofort in Betrieb nehmen zu können, was entsprechend für Auswechslungen,
Ueberholungen, Reparaturen, Aenderungen, Erweiterungen und Verbesserungen gilt.
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Bei grundsätzlich gleicher Ausbildung und Anordnung der in Betracht
kommenden Teile zeigt Figur 2 die Ausführungsform eines leistungsgesteuerten Fertigstückelementes
mit einer einen nochmals verringerten Raumbedarf erfordernden Ausbildung des Ganzen,
wobei hinsichtlich der Benutzung gleicher Bezugsziffern auf die Erklärung deren
Bedeutung zu Figur 1 zu verweisen ist.
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Bei der in Figur 3 gezeigten Anordnung ist der Bypasselemententeil
5 als Aufnehmer für den Wärmetauscher 3 ausgebildet;'es entspricht die Au5tbildung
des Fertigstückelementes nach Figur 3 der grundsätzlichen Anordnung nach Figur 1,
was auch für die Beschreibung dieser Figur 3 zu gelten hat, so dass von deren Wiederholung
Abstand genommen werden konnte.
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Nach dem Gesagten ergibt sich die Betriebsweise der gezeigten Ausführungsmögl
ichkeiten von Fertigstückel ementen dahin, dass das Rechenwerk 75, beeinflusst durch
die temperaturabhängigen Signale, die ihm über die Leitungen 73, 74, ausgehend von
den Temperaturfühlern 71 für die Vorlauftemperatur 72 und für die im Abzugsstutzen
22 herrschenden Temperaturen des abziehenden, strömenden Mittels mitgeteilt werden,
dem Linearmotor 78 Steuerströme zuleitet, die dazu führen, dass entsprechend dem
Rechenwerk zugeleiteten und in ihm verarbeiteten Grenzwerttemperaturen für Vorlauf
und abgezogenes, strömendes Mittel beim Auftreten zu niedriger Vorlauftemperaturen
die Steuerklappe 61 mehr geöffnet und dadurch die Steuerklappe 62 stärker geschlossen
wird, so dass im Wärmetauscher
3 das wärmeaufnehmende Brauchwasser
oder ein sonstiges Medium, das Wärme aufnehmen soll, stärker erhitzt wird, während
sich die umgekehrten SteuerungsvorgärUe abwickeln, wenn die Vorlauftemperatur den
oberen Grenzwert überschreitet, so dass das wärmeübertragende, strömende Mittel
stärker über den Bypass 5 abgezogen wird7 womit die Vorlauftemperatur bei 33, 35
wieder abfällt.
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Dieselbe Einrichtung kann dazu benutzt werden, in selbsttätiger Abhängigkeit
von anderen Einflussgrössen Regelungsvorgänge zur Durchführung zu bringen. Derartige
Einflussgrössen sind beispiel.sweise gegeben durch die Temperatur strömender Mittel,
mit der diese die Mündung von Schornsteinen und Kaminen passieren, in die Hohlkörperabschnitte
bzw. der Leitungsteil 42 übergehen.
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Es liegt im Wesen der Erfindung, dass sich ihr Wesen in den Ausführungsbeispielen
nicht erschöpft, sondern dass erfindungsgemäss ausgebildete Fertigstückelemente
in sämtlichen der Fälle zum Einsatz zu bs'innen sind, in welchen sie nutzbringend
deshalb zur Anordnung- kommen können, weil sie einbau- und betriebsbereit in der
jeweils erforderlichen Grösse, ggfs. unter Soforteinsatz von Uebergangs- und Verbindungsstücken,
zur Verfügung stehen.
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Als Abwandlungen, die in den Rahmen der Erfindung fallen, käme beispielsweise
in Betracht, grössere temperaturfühl ererfasste Temperaturänderungen zur Eingabe
eines Betriebsüberwachungssignales in die Steuerungs- bzw. Regelungsgeräte zu benutzen,
beispielsweise dann, wenn das strömende Mittel plötziich Raumtemperatur aufweist,
was beispielsweise eintreten würde, wenn die Anlage, die betriebsmässig zum Auftreten
von Wärme bzw.
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Abwärme führt, völlig ausfallen würde bzw. ausgefallen wäre.
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Dieses Signal wird aus der Wärme- bzw. Abwärmenutzungsanlage weitergeleitet,
so dass entweder die Notwendigkeit eines
Eingriffes in die Hauptanlage
signalisiert oder automatisch der Eingriff ausgelöst wird, der normalerweise zur
Behebung der Ursache der plötzlichen Temperaturänderung des Hauptbetriebsmittels
dient, wobei, wenn das nicht zum Erfolg führt, ein Zeitrelais ein zur Durchführung
der Notwendigkeit eines unmittelbaren Eingriffes in die Anlage aufforderndes Notsignal
auslöst.
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Gleichartige Signalgebungen wären dahin zu benutzen, Geräte die infolge
ihrer Empfindlichkeit nicht bestand- oder funktionsgefährdenden Zuständen ausgesetzt
werden dürfen, abgeschaltet werden, so dass auf diese Weise die Entstehung grösserer
Schadensfälle auszuschliessen ist.