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Apr 24, 2024

Untersuchung der Auswirkungen der Strömungsumkehr in Umwälzpumpen

Einzigartige Designkonzepte erfordern manchmal, dass Komponenten unter nicht standardmäßigen Bedingungen betrieben werden. Ein Beispiel wäre die Verwendung von Ausgleichsventilen zur Regulierung des Durchflusses durch mehrere Reihen von Solarkollektoren in einem

Einzigartige Designkonzepte erfordern manchmal, dass Komponenten unter nicht standardmäßigen Bedingungen betrieben werden.

Ein Beispiel wäre die Verwendung von Ausgleichsventilen zur Regulierung des Durchflusses durch mehrere Solarkollektorenbänke in einem großen Drainback-Solarthermiesystem. In einem typischeren Solarthermiesystem, das mit Frostschutzmitteln betrieben wird, wäre der Einsatz von Ausgleichsventilen Routine. Aber in einem Drainback-System gibt es kein Frostschutzmittel; Wasser läuft aus dem Kollektorfeld und den Außenrohren ab, wenn die Kollektor-Umwälzpumpe abschaltet.

Wenn in diesem Teil des Systems Ausgleichsventile installiert sind, sind sie im Laufe der Lebensdauer des Systems Tausenden von Frost-/Tauzyklen ausgesetzt. Restwasser im Ventil gefriert mit Sicherheit. Würde dies zu langfristigen Schäden an diesem Ventil führen? Designer benötigen Antworten auf solche Fragen, bevor sie Produkte spezifizieren. Die Hersteller können diese Antworten haben oder auch nicht.

Es gibt Hydronik-Designkonzepte, bei denen der Fluss durch einen nicht in Betrieb befindlichen Umwälzkreislauf rückwärts fließen muss, möglicherweise tausende Male im Laufe der Lebensdauer des Systems. Ein Beispiel ist die periodische Flussumkehr durch einen Stromkreis mit mehreren in Reihe geschalteten Sekundärlasten, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Dieses System basiert auf einem speziellen Armaturentyp, bei dem die Sekundärkreise, einschließlich des Kesselkreises, an den Primärkreis angeschlossen werden. Ein solches Fitting, das „Twin-Tee“, wird von Taco Inc. hergestellt. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel dieses Fittings.

Eine andere Möglichkeit wäre die Herstellung eines Fittings durch Hartlöten einer Prallplatte in ein Kreuzfitting, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Der Primärstrom kann aus beiden Richtungen in den Verlauf dieser Armaturen eintreten. Die Strömungsrichtung durch den Sekundärkreislauf ändert sich jedoch nicht. Das interne Leitblech verhindert eine direkte Vermischung zwischen Vor- und Rücklaufseite des Sekundärkreislaufs. Die Vor- und Rücklaufanschlüsse für den Sekundärkreislauf befinden sich ebenfalls an der gleichen Druckstelle entlang des Primärkreislaufs, was eine hervorragende hydraulische Trennung gewährleistet.

Eine periodische Strömungsumkehr durch den Primärkreislauf würde im Laufe der Zeit für die gleiche durchschnittliche Vorlaufwassertemperatur in jedem Sekundärkreislauf sorgen. Dadurch wird der inhärente Nachteil einer sinkenden Versorgungswassertemperatur in Kreisen behoben, in denen mehrere Lasten in Reihe geschaltet sind. Je größer der geplante Temperaturabfall entlang des Primärkreislaufs ist, wenn alle Kreisläufe in Betrieb sind, desto größer ist der Vorteil der periodischen Strömungsumkehr.

Die Betriebslogik für das in Abbildung 1 dargestellte System ist einfach: Ein Primärkreislaufzirkulator arbeitet für eine bestimmte Zeit; Anschließend schaltet es sich ab und die andere Primärumwälzpumpe arbeitet für die gleiche verstrichene Zeit. Eine Duplex-Umwälzpumpensteuerung könnte verwendet werden, um die Betriebsstunden jeder Primärkreislauf-Umwälzpumpe zu verfolgen und sie im Laufe der Zeit auszugleichen. Der Primärkreislauf fließt immer rückwärts durch die ausgeschaltete Umwälzpumpe.

Eine weitere Anwendung, bei der die Strömungsumkehr nützlich ist, besteht darin, dass ein Rohrschlangenwärmetauscher in einem Wärmespeichertank sowohl für die Wärmezufuhr als auch für die Wärmeabfuhr verwendet wird. Eine Strömungsumkehr wäre erforderlich, um die Temperaturschichtung im Tank aufrechtzuerhalten und den durchschnittlichen Temperaturunterschied zu maximieren, bei dem der Wärmetauscher arbeitet. Abbildung 4 zeigt eine mögliche Rohrleitungskonfiguration.

Die obere Rohrleitungsbaugruppe in Abbildung 4 zeigt die Wärmezufuhr zum Wärmespeicher. Der Lastzirkulator könnte ein- oder ausgeschaltet sein. Wenn diese Option aktiviert ist, wird heißes Wasser von der Wärmequelle am Punkt A angesaugt. Der nicht zur Last geleitete Strom fließt durch die hydraulische Weiche und nach unten durch die Wärmetauscher.

Die T-Stücke, an denen der Lastkreis mit dem System verbunden ist (z. B. Punkte A und B in Abbildung 4), sollten so nah wie möglich an der hydraulischen Weiche angebracht werden. Um eine Vermischung innerhalb der hydraulischen Weiche zu verhindern, sollte der Durchfluss von der Wärmequelle immer gleich oder größer als der vom Lastumwälzer erzeugte Durchfluss sein.

Die untere Rohrleitungsbaugruppe in Abbildung 4 zeigt, wie Wärme aus dem Wärmespeicher entnommen und an die Last weitergeleitet wird. Der Durchfluss verläuft nun von der Unterseite der Spulen nach oben, wodurch der Temperaturunterschied zwischen den Spulen optimiert wird. Wenn die Wärmequelle eingeschaltet wird, würde sich der Fluss umkehren.

Abbildung 4 zeigt außerdem zwei elektrisch betriebene Ventile parallel zu den Spulenzirkulatoren. Dies können Zonenventile oder motorisierte Kugelhähne sein. Wenn einer davon eingeschaltet ist, leitet er einen Teil des Flusses von den Spulen um den angrenzenden ausgeschalteten Zirkulator herum. Dies reduziert den Rückfluss durch diesen Zirkulator. Diese Ventile sollten einen hohen Cv-Wert haben, um den Druckabfall zu minimieren.

Bei den gezeigten Rohrleitungskonfigurationen handelt es sich um rationale Lösungen zur Erzielung eines Rückflusses, es müssen jedoch noch einige Fragen beantwortet werden. Zum Beispiel: Sind die beiden in Abbildung 4 gezeigten motorisierten Ventile überhaupt notwendig? Wenn sie entfernt würden, würde der gesamte Fluss von den Spulen rückwärts durch den ausgeschalteten Zirkulator fließen. Der Wegfall dieser Ventile wäre natürlich einfacher und kostengünstiger, aber würde die Rückführung des gesamten Spulenflusses durch den Zirkulator zu Problemen führen? Eine andere Möglichkeit wäre die Installation von Rückschlagventilen in beiden Umwälzpumpen, um einen Rückfluss zu verhindern und den gesamten Fluss durch die motorisierten Ventile zu leiten. Welcher dieser Ansätze ist besser?

Um solche Fragen beantworten zu können, müssen wir mehr über den Rückfluss durch die Umwälzpumpen wissen. Hier sind noch ein paar Fragen in diesem Zusammenhang: Wie hoch ist der Druckverlust im Vergleich zur Durchflussrate, wenn der Durchfluss rückwärts durch einen bestimmten Umwälzkolben fließt? Könnten sich Bedingungen entwickeln, die für einen Umwälzkreislauf schädlich wären, wenn der Durchfluss rückwärts durch ihn hindurchfließt? Besteht beispielsweise die Möglichkeit, dass sich ein Laufrad, das auf der Motorwelle befestigt ist, von selbst abschraubt, wenn es über einen längeren Zeitraum einer Rückströmung ausgesetzt ist? Eine andere Frage: Könnte der umgekehrte Fluss durch einen Zirkulator mit einem elektronisch kommutierten Motor (ECM) dazu führen, dass sich das Laufrad rückwärts dreht und somit der Permanentmagnetrotor innerhalb der Statorpole rotiert, was zu einem Stromerzeugungseffekt führt?

Diese Fragen ließen sich beantworten, indem man einen Umwälzkolben in einen Prüfstand einbaut und ihn mit unterschiedlichen Durchflussraten in umgekehrter Richtung durchströmt. Daten zum Durchfluss im Vergleich zum Druckverlust könnten erfasst und grafisch dargestellt werden. Die resultierende Kurve könnte dann verwendet werden, um die parasitäre Druckverlustcharakteristik des Umwälzpumpen zu beurteilen. Dies würde helfen, Fragen zu beantworten wie: Sind die in Abbildung 4 gezeigten motorisierten Ventile unbedingt erforderlich oder nur eine Geld- und Materialverschwendung?

Bei einem solchen Test könnte auch eine mögliche elektrische Rückkopplung beurteilt werden.

Lassen Sie mich die Kolumne abschließen, indem ich jeden Hersteller von Umwälzpumpen, der dies liest, höflich bitte, die Durchführung von Rückflusstests an einigen seiner Umwälzpumpen in Betracht zu ziehen und auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Tests spezifische Empfehlungen auszusprechen.

Diese Unterstützung würde dazu beitragen, Designs für Hydronikbaugruppen, wie wir sie besprochen haben, zu verfeinern. Ich würde mich über eine weitere Diskussion zu diesem Thema freuen.

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