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Druckhaltevorrichtung für geschlossene Kreislaufanlagen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Druckhaltevorrichtung für geschlossene Kreislaufanlagen mit
umlaufendem, flüssigem Wärmeträger und über eine Ausgleichleitung angeschlossenem
Ausgleichbehälter sowie mit einer Flüssigkeit in die Kreislaufanlage einspeisenden
Druckpumpe und einer mit Druckbegrenzer ausgestatteten überströmeinrichtung.
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Handelt es sich bei der mittels Pumpen umgewälzten Flüssigkeit um
Heißwasser, so muß in der Anlage ein bestimmter Mindestdruck aufrechterhalten werden,
damit das Wasser nicht verdampft. Nun bleibt aber die Temperatur des umlaufenden
Wärmeträgers zeitlich nicht gleich, so daß sich sein Volumen ändert. Zum Ausgleich
dieser Volumenänderung muß unter Beibehaltung des vorbestimmten Drucks Flüssigkeit
aus der Kreislaufanlage entnommen oder in diese eingespeist werden.
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Diese Aufgabe der Druckhaltung wird bei bekannten Anlagen durch Vorrichtungen
gelöst, die als wesentliche Teile eine Druckpumpe und ein überströmventil enthalten.
Mittels der Pumpe wird hierbei ständig Flüssigkeit in den Kreislauf eingespeist.
Das Überströmventil, das auf den für die Kreislaufanlage vorgeschriebenen Druck
eingestellt ist, dient dazu, den überschuß der eingespeisten Mengen sowie die bei
Volumenvergrößerung anfallende Ausdehnungsmenge aus der Kreislaufanlage abzuführen.
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Bei diesen bekannten Druckhaltevorrichtungen muß in großvolumigen
Kreisläufen mit größeren Temperaturschwankungen, d. h. größeren Volumenänderungen,
das überströmventil groß ausgelegt werden, da es außer der erheblichen, aus dem
Kreislauf anfallenden Flüssigkeitsmenge auch die durch die Druckpumpe fortlaufend
geförderte Flüssigkeitsmenge abführen muß. Ferner muß die Druckpumpe ständig in
Betrieb gehalten werden. Der dadurch notwendige Energieverbrauch ist bei großen
Anlagen und dementsprechend großen Fördermengen erheblich.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, zum Druckhalten in Abhängigkeit
von dem innerhalb der geschlossenen Kreislaufanlage herrschenden Druck die Druckpumpe
an- oder abzuschalten. Sinkt der Druck unter einen Grenzwert, so wird die Pumpe
angeschaltet, und sie arbeitet mit gleichbleibender Leistung so lange, bis das in
die Kreislaufanlage geförderte Wasser den in dieser herrschenden Druck wieder auf
den normalen Betriebsdruck erhöht hat. Bei dieser Lösung wird ein beachtlicher Teil
der Pumpenleistung nutzlos aufgewandt.
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Die Erfindung ist von der Aufgabe ausgegangen, den Energieverbrauch
und die Pumpenleistung wirtschaftlich zu gestalten. Hierfür ist die Druckhaltevorrichtung
der eingangs angeführten Gattung nach der Erfindung durch einen vom Druck in der
Kreislaufanlage oder von der Durchflußrichtung und -menge des Wärmeträgers in der
Ausgleichleitung abhängigen Regler zum Steuern der Pumpenleistung gekennzeichnet.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht also darin, die nutzbare Pumpenleistung
in Abhängigkeit von einer steuernden Größe der Anlage zu regeln, wobei einmal in
Abhängigkeit vom Druck in der Anlage und zum anderen in Abhängigkeit von der Durchflußrichtung
und -menge geregelt wird. Hierbei stellt die Regelung in Abhängigkeit vom Durchfluß
die vorteilhaftere Lösung dar. Bei der druckabhängigen Regelung weist nämlich die
Druckänderung in Abhängigkeit von der Einspeise- oder der Abströmmenge eine steile
Charakteristik auf. Demgegenüber ist die Charakteristik der Regelung in Abhängigkeit
vom Durchfluß wesentlich flacher.
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Zusammen mit dieser Regelung der Pumpenleistung bietet das gleichzeitige
Anpassen der überströmeinrichtung gemäß weiterer Erfindung besondere Vorteile. Für
dieses Anpassen der Leistungsfähigkeit der überströmeinrichtung werden vorzugsweise
mehrere kleine überströmventile verwendet, die durch wahlweise Verbindung miteinander
unterschiedliche überströmkapazitäten ergeben.
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Zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens sind in den F i g. 1
bis 4 vier verschiedene Druckhaltevorrichtungen dargestellt, während F i g. 5 ein
Diagramm zeigt, das die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach F i g. 4 erläutert.
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Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 zeigt eine Möglichkeit, durch
Anpassen der Pumpenleistung an den tatsächlichen Flüssigkeitsbedarf die bei den
bisherigen
Anlagen für nutzlose Flüssigkeitsförderung aufgewendete
Energie einzusparen. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist in F i g. 1 nur die
Druckhaltevorrichtung, nicht aber die Kreislaufanlage dargestellt. Diese ist nur
durch die Rücklaufleitung LK angedeutet. Die Anlage möge einen Wärmespeicher enthalten,
der in bekannter Weise die Aufgabe hat, Wärmespitzen auszugleichen.
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Die über eine Ausgleichleitung LA an die Kreislaufanlage angeschlossene
Druckhaltevorrichtung enthält als wesentliche Teile zwei überströmventile U 1 und
U2, über die die überströmmenge aus der Anlage abfließen kann, beispielsweise ins
Freie. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist - was nicht unerläßlich ist
- ein Ausgleichbehälter A vorgesehen, aus dem Flüssigkeit zum Einspeisen in die
Anlage entnommen werden kann. Das überstömventil U1 ist auf denjenigen Druck eingestellt,
der in der Kreislaufanlage aufrechterhalten werden soll, und es ist in die Ausgleichleitung
LA unmittelbar eingeschaltet. Das andere Überströmventil U2 hingegen ist auf einen
Druck eingestellt, der etwas niedriger liegt als der Soll-Druck der Kreislaufanlage,
d. h. als der überströmdruck des Ventils U l. Es ist auch nicht unmittelbar
an die Ausgleichleitung LA
angeschlossen, sondern über ein Rückschlagventil
R.
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Zum Steuern der vorzunehmenden Vorgänge ist in die Ausgleichleitung
LA ein Durchflußmeßgerät eingebaut, und zwar ist als Beispiel eine Blende B 1 angenommen,
deren Meßwerte auf ein Regelgerät Rg übertragen werden. Zur Flüssigkeitsförderung
sind in diesem Falle zwei Pumpen vorgesehen, nämlich Pumpe PD i nebst Antriebsmotor
Ml und Pumpe PI), nebst Antriebsmotor M.. Bei dem dargestellten Beispiel sind Elektromotoren
als Antriebsmaschinen der Pumpen angenommen, die über Schalter Schi, Sch.,
betätigt
werden.
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Befindet sich der Kreislauf im »statischen Zustand«, so muß die gesamte
durch die Pumpen geförderte Flüssigkeitsmenge gleich hinter den Pumpen wieder abgeführt
werden. Damit nun das überströmventil U1 nicht zu groß ausgelegt werden muß, wird
diese Flüssigkeitsmenge durch das überströmventil U2 abgeführt. Der Kreislauf der
durch die Pumpen geförderten Flüssigkeit schließt sich über das Ventil
U2 zum Ausgleichbehälter A, aus dem sie entnommen wurde.
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Wenn die im Kreislauf befindliche Flüssigkeit sich infolge zunehmender
Erwärmung ausdehnt. so ist für die durch die Ausgleichleitung LA austretende Flüskeit
der Weg über das Ventil U2 durch das Rückschlagventil R versperrt. Es kann diese
Flüssigkeit somit nur über das Ventil UI, das auf den Soll-Druck eingestellt
ist, abgeleitet werden.
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Wenn umgekehrt infolge Abkühlung sich das Volumen der in der Kreislaufanlage
befindlichen Flüssigkeit verringert, so sinkt der Druck zunächst etwas unter den
Soll-Druck ab. Dabei schließt sich das überströmventil U 1 unverzüglich. Da das
Ventil U2 auf einen etwas niedrigeren Druck eingestellt ist, schließt es sich kurze
Zeit später, sobald der Druck diesen etwas niedrigeren Wert erreicht hat. Flüssigkeit
strömt somit nicht in den Ausgleichbehälter A ab; vielmehr wird in die Kreislaufanlage
Flüssigkeit so lange eingespeist, bis der Soll-Druck wieder erreicht ist.
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Die beiden genannten Pumpen werden vorzugsweise unterschiedlich bemessen,
und zwar möge beispielsweise Pumpe P" i ein Drittel und Pumpe PD
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zwei Drittel
der im Höchstfalle erforderlichen Förderleistung schaffen. Somit kann man mittels
dieser beiden Pumpen folgende drei grobe Stufen, bezogen auf die Höchstleistung,
erreichen:
| Mit Pumpe PI" allein ein Drittel, |
| mit Pumpe PD_ allein zwei Drittel, |
| mit Pumpen PDi - p112 zugleich drei Drittel. |
Dehnt sich die Flüssigkeit innerhalb der Kreislaufanlage aus, so wird die Meßblende
B 1 einen Durchfluß in Richtung des Pfeiles 1 anzeigen und auf den Regler Rg übertragen.
Dieser Regler wird nun so eingestellt, daß er den Motor M1 der zunächst in Betrieb
befindlichen Pumpe
PI) i über seinen Schalter Schi abschaltet. Es arbeitet
dann nur noch das Überströmventil U 1.
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Wird die Volumenvergrößerung langsamer, so verringert sich der Durchfluß
in Richtung des Pfeiles 1. Beim Erreichen eines vorbestimmten Mindestwertes schaltet
der Regler Rg die Pumpe PI), wieder ein. Damit tritt auch das überströmventil U2
wieder in Tätigkeit.
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Geht die Kreislaufanlage zu der entgegengesetzten Tendenz über, erfolgt
also eine Abkühlung und dementsprechend eine Volumenverkleinerung des Wärmeträgers,
so ändert sich die Strömungsrichtung in der Ausgleichleitung LA, und zwar
wird nunmehr gemäß Pfeil 2 Flüssigkeit in die Anlage eingespeist. Solange dieser
Durchfluß gering ist, kann die Pumpe PD i genügen, um den Bedarf zu decken. Überschreitet
der Durchfluß aber einen bestimmten Grenzwert, der entsprechend dem vorstehend angegebenen
Bemessungsbeispiel ein Drittel des möglichen Höchstbedarfes beträgt, so wird der
Regler Rg durch die Meßblende B 1 in dem Sinne betätigt, daß er die Pumpe PI) i
abschaltet und die stärkere Pumpe PD z in Betrieb setzt, die den Bedarf bis zu zwei
Drittel der vorgesehenen Menge deckt.
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Meldet die Meßblende dem Regler, daß infolge stärkerer Volumenverkleinerung
des Wärmeträgers auch dieser Grenzwert überschritten wird, so schaltet der Regler
Rg zusätzlich wieder die Pumpe PI), ein, so daß dann beide Pumpen parallel arbeiten
und somit den Bedarf bis zum Erreichen der vorgesehenen Maximalmenge decken.
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Kehrt sich die Tendenz wieder um, wird also die Abkühlung wieder langsamer
und geht sie schließlich sogar wieder in Erwärmung über, so spielen sich die gleichen
Vorgänge sinngemäß in umgekehrter Richtung ab.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 wird also die Pumpenleistung
dem jeweils vorliegenden Flüssigkeitsbedarf angepaßt, und zwar nur in groben Stufen,
jedoch bedeutet dieses gegenüber den bekannten Druckhaltevorrichtungen einen wesentlichen
Fortschritt.
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Es ist aber auch möglich, eine genauere Anpassung an den jeweiligen
Bedarf vorzunehmen und dadurch die Aufwendung nutzloser Pumpenleistung fast vollständig
zu unterbinden. Eine der Möglichkeiten einer solchen Feinanpassung ist bei dem Ausführungsbeispiel
nach F i g. 2 verwirklicht. Hierfür ist zwischen der Pumpe PI, und der diese antreibenden
Kraftmaschine M eine regelbare Kupplung K vorgesehen, die es gestattet, die Drehzahl
der Pumpe PI) und damit deren Fördermenge innerhalb vorgesehener
Grenzen
beliebig einzustellen und dadurch dem jeweiligen Flüssigkeitsbedarf genau anzupassen.
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Zur Veranschaulichung der Arbeitsweise sei angenommen, daß die Kreislaufanlage
sich zunächst im statischen Zustand befinden möge. Hierbei soll die Pumpe PD mit
einer ganz kleinen Fördermenge laufen. Da in die Kreislaufanlage Flüssigkeit nicht
einzuspeisen ist, wird die geringe geförderte Flüssigkeitsmenge über das überströmventil
U, das in der erläuterten Weise dafür sorgt, daß in der Kreislaufanlage der Soll-Druck
eingehalten wird, abgeführt, und zwar auch in diesem Beispiel wieder in einen Ausgleichbehälter
A. Beginnt die in der Kreislaufanlage befindliche Flüssigkeit sich auszudehnen,
so stellt sich innerhalb der Ausgleichleitung LA wieder ein Durchfluß in Richtung
des Pfeiles 1 ein. Die hinter dem überströmventil U befindliche Durchflußmeßeinrichtung
B 1 überträgt die Größe und Richtung des Durchflusses auf den Regler Rg.
Überschreitet die Durchflußmenge einen vorgesehenen Grenzwert, so setzt der Regler
Rg mittels des Motorschalters Sch die Pumpe PD still. Wird der Durchfluß in Richtung
des Pfeiles 1 hingegen geringer, so wird beim Unterschreiten einer vorgesehenen
Grenze die Pumpe PD wieder eingeschaltet.
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Solange in der Ausgleichleitung LA überhaupt noch eine kleine Strömung
in Richtung des Pfeiles 1 vorhanden ist, muß die bei eingeschalteter Pumpe im Minimum
geförderte Flüssigkeitsmenge über das überströmventil U abgeführt werden. Kehrt
sich die Strömungsrichtung in der Ausgleichleitung LA um, nimmt also die Strömung
die Richtung des Pfeiles 2 an, so wird die Meßblende B 1 dieses dem Regler Rg melden,
denn nunmehr wird von der Pumpe PD eine entsprechende Erhöhung der Flüssigkeitsförderung
verlangt, wenn zunächst vielleicht auch nur um einen geringfügigen Mehrbetrag. Wenn
aber die Flüssigkeit innerhalb der Kreislaufanlage sich noch stärker zusammenzieht
und dadurch eine noch größere Einspeisemenge erforderlich macht, so steuert der
Regler die veränderbare Kupplung K weiterhin in diesem Sinne, daß die Förderleistung
der Pumpe PD entsprechend der Mehranforderung gesteigert wird.
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Der Regler Rg, die Kupplung K, die Pumpe PD und damit die Fördermenge
werden also hier mittels der genannten Durchlaufmeßeinrichtung gesteuert, die bei
diesem Ausführungsbeispiel als Meßblende ausgebildet ist, jedoch auch nach anderen
Prinzipien arbeiten kann. Dadurch, daß die Fördermenge der Pumpe PD genau dem jeweiligen
Bedarf angepaßt werden kann, kommt die Aufwendung elektrischer Energie zur Förderung
nicht benötigter Flüssigkeit in Fortfall, d. h., es wird im Vergleich zu den bekannten
Druckhaltevorrichtungen Energie eingespart, was bei großen Anlagen sehr ins Gewicht
fallen kann.
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Als Regelkupplung K zur Erfüllung der beschriebenen Aufgabe eignen
sich regelbare Flüssigkeitskupplungen besonders gut.
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Die Pumpe kann aber auch auf anderem Wege gesteuert werden. Als wichtig
sei der Antrieb mittels einer Kraftmaschine erwähnt, deren Drehzahl innerhalb des
erforderlichen Bereichs mit genügend gutem Wirkungsgrad geregelt werden kann, wie
dies beispielsweise bei Dampfturbinen der Fall ist.
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F i g. 3 veranschaulicht eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels
nach F i g. 2, und zwar ist hier die Blende B 1 nicht hinter dem überströmventil
U angeordnet, sondern parallel zu diesem. Im übrigen wäre es auch möglich,
die Blende in eine Leitung zwischen Rücklaufleitung LR und Ausgleichbehälter A,
also unabhängig von der Ausgleichleitung LA anzuordnen.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach F i g. 2 und 3 wird als Regelgröße
die durch eine Meßeinrichtung B 1 festgestellte Durchflußmenge und Durchflußrichtung
benutzt. Es kann aber auch in Abhängigkeit von dem in der Kreislaufanlage herrschenden
Druck geregelt werden.
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Zur Veranschaulichung dieser Möglichkeit dient das Ausführungsbeispiel
nach F i g. 4, das an sich auch mit einer regelbaren Kupplung hätte ausgestattet
werden können, zwecks Veranschaulichung der zu F i g. 2 schon erwähnten Abwandlungsmöglichkeit
aber eine Antriebsmaschine mit veränderbarer Drehzahl vorsieht. F i g. 5 veranschaulicht
hierzu die Arbeitsverhältnisse durch ein Diagramm.
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Zur Steuerung ist hier für das überströmventil U und für den regelbaren
Motor M der Pumpe Po ein gemeinsames Manometer Ma benutzt. Vorzugsweise kommen
Kolbenmanometer in Frage, da diese bereits bei kleinen Druckänderungen ansprechen
und außerdem eine sehr genaue Anzeige über einen weiten Meßbereich liefern. Selbstverständlich
ist es nicht notwendig, ein einziges gemeinsames Manometer zu verwenden. Im übrigen
ist es auch denkbar, daß der ,Druckimpuls - z. B. für das überströmventil - unmittelbar
ohne Zwischenschaltung eines Manometers abgenommen wird. Zur Steuerung des überströmventils
U dient ein Regler Rg 1, zur Steuerung der Pumpe ein Regler Rg2. Man kann auch einen
einzigen gemeinsamen Regler verwenden, von dem die Steuerimpulse für beide Zwecke
hergeleitet werden, so daß das überströmventil und die Pumpe in Abhängigkeit voneinander
zugleich gesteuert werden.
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In dem Diagramm nach F i g. 5 ist zu dem Druck p der Kreislaufanlage
als Ordinate die in der einen oder anderen Richtung strömende Flüssigkeitsmenge
als Abszisse dargestellt, wobei mit der waagerechten Linie p soll der einzuhaltende
Soll-Druck der Kreislaufanlage bezeichnet ist, während die geneigte Linie
p ist die in Frage kommenden Abweichungen darstellt. Die Strecke Bp gibt
hierbei jeweils denjenigen Bereich an, innerhalb dessen die Druckhaltepumpe PD arbeitet,
während die Strecke B, den jeweiligen Arbeitsbereich des überströmventils U bezeichnet.
Auf der linken Seite der Ordinate ist hierbei der Flüssigkeitsabfluß aus der Kreislaufanlage
während fortschreitender Erwärmung dargestellt (-d Q), während der rechts von der
Ordinate liegende Teil des Diagramms den umgekehrten Fall der Einspeisung bei fortschreitender
Abkühlung der in der Kreislaufanlage befindlichen Flüssigkeit veranschaulicht (+4Q).
Mit »100"/a« ist hierbei die maximale Flüssigkeitsströmung beim Abfluß oder bei
der Einspeisung bezeichnet.