IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 6/1996, Seite 28 ff.
HEIZUNG
Die Hydraulische Weiche
Einsatz in Ein- und Mehrkesselanlagen
Wilhelm Zweers
Der Autor zeigt anhand von einigen nachfolgend aufgeführten Schaltbildern und Fallbeispielen die Funktionen der Hydraulischen Weiche auf.
Einführung
Immer wieder werden in Fachkreisen unterschiedliche Diskussionen über das Für und Wider von Hydraulischen Weichen geführt. Dabei werden stets Vor- und Nachteile dieser Ausgleichsleitungen behandelt.
Kesselanlagen werden heute zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit (siehe HeizAnlV), aber auch zur Sicherung der Versorgung, in zwei oder drei Einheiten aufgeteilt. Zur Vermeidung von unnötigen Stillstandsverlusten müssen sich die Kessel dabei auch heizwasserseitig abstellen können. Das verstärkt alte und schafft neue Probleme bei der Wasserverteilung, der Differenzdruckhaltung und der konstanten Vorlaufregel- und Rücklaufgrenztemperaturgebung.
Ein zufriedenstellender Betrieb ist daher nur durch den Einsatz einer Hydraulischen Weiche möglich. Durch diese werden alle Heizkessel von den Regelkreisen entkoppelt. Sie hat die Aufgabe des Verteilens und des Sammelns der Heizwasserströme, darf aber - ähnlich wie beim Verteiler - kaum Druck abbauen.
Der Einsatz der Hydraulischen Weiche verlangt vom Planer und auch vom Monteur genaue Kenntnisse der Zusammenhänge. Die Literatur hat sich diesem Thema bislang kaum angenommen, so daß es auch heute noch viele offene Fragen zu diesem Thema gibt.
Die Hydraulische Weiche ist im Prinzip nichts anderes als eine stark überdimensionierte Primärbypassleitung (oder druckloser Vorverteiler). In ihr entstehen bei richtiger Dimensionierung vernachlässigbar kleine Druckverluste zwischen Vor- und Rücklauf. Somit wird eine vollständige hydraulische Entkoppelung erzielt. Eine Beeinflussung der primär und sekundär fließenden Volumenströme wird damit ausgeschlossen.
Einsatzbereiche in unterschiedlichen Heizanlagen
Die Hydraulische Weiche ist heute in Ein- und Mehrkesselanlagen zwangsläufig erforderlich. Durch den geringen Wasserinhalt der neuen Heizkesselgeneration wird innerhalb weniger Minuten ohne Wärmeabnahme die Kesseltemperatur auf den Einstellwert erreicht.
| Bild 1: Der drucklose (offene) Verteiler mit Überströmstrecke. |
Um hier ein eventuell auftretendes "Takten" (Sättigung der einzelnen Heizkreise) des Wärmeversorgers zu vermeiden, wurde in der Vergangenheit als Hilfsmittel der Verteiler mit einer Überströmstrecke - offener Verteiler - ausgerüstet (Bild 1). Die erforderliche Kesselkreispumpe muß durch eine überhöhte auszulegende Leistung immer dafür sorgen, daß auch im Vollastbetrieb eine gewisse Wassermenge überströmt.
Der Nachteil dieser Ausführung besteht darin, daß immer unterschiedliche Volumenströme und Vordrücke vor den Regelventilen und Pumpen sekundärseitig anstehen. Hierdurch werden die kV-Werte der Regelventile beeinflußt. Dieses gilt ebenfalls für die Leistungen der Umwälzpumpen in den einzelnen Regelkreisen. Ein verändertes Regelverhalten ist somit gegeben.
Eine exakte Auslegung von Umwälzpumpen und Stellgliedern auf die im Regelkreis erforderlichen Wassermengen ist daher sehr schwierig.
| Bild 2: Beim Einsatz einer Hydraulischen Weiche entfällt die Überströmstrecke. |
Beim Einbau einer Hydraulischen Weiche (Bild 2) entfallen diese negativ auftretenden Punkte. Das setzt jedoch die richtige Auslegung der Primärkreispumpen (1,2 bis 1,5fache der erforderlichen Wassermenge der Anlage) voraus.
Genau im Mittelpunkt (vertikal) der Hydraulischen Weiche befindet sich der Nullpunkt primär zur Sekundärseite der Heizungsanlage. Somit können zu jeder Betriebszeit unterschiedliche Volumenströme fließen, ohne daß die verschiedenen Kreisläufe voneinander hydraulisch beeinträchtigt werden.
Gerade bei der Neuinstallation von Heizkesseln in vorhandene Rohrsysteme (Austausch von Wärmeerzeugern in Altanlagen) haben wir heute andere Heizgewohnheiten wie noch vor einigen Jahren. Ebenfalls legt man andere Gleichzeitigkeitsfaktoren zugrunde. Eine Verringerung der neu zu installierenden Kesselleistung zur vorhandenen Leistung wird im Regelfall bis zu 40% betragen. Beispiel: Bestehende Altanlage: Leistung 1000 kW wird mit einer neuen Kesselanlage von 600 kW bestückt. Die Kesselwasserumlaufmenge beträgt jetzt - bezogen auf 20K Spreizung - 25,8 m3/h. zzgl. des Faktors der Umwälzpumpen von ca. 1,5 = max. 38,7 m3/h. Da laut Auskunft der namhaften Pumpenhersteller die Pumpen in den Regelkreisen im Normalfall bei Altanlagen um bis zu 200% bis 300% überdimensioniert sind, kann die Wassermenge in den Abnehmerkreisläufen ca. 80 bis 120 m3/h betragen.
Hier kann nur über die Hydraulische Weiche ein vernünftiges Abgleichen und Verteilen der unterschiedlichen Volumenströme vorgenommen werden. Gerade hier ist der Fachplaner zwingend erforderlich, um die Pumpenleistung den neuen Gegebenheiten der Anlage anzupassen.
Die Pumpenindustrie bietet seit kurzer Zeit mit den neuen Umwälzpumpengenerationen eine mehrstufige bzw. stufenlose Pumpenregelung an. So kann auch bei Altanlagen die Leistung genaustens dem Bedarf angepaßt werden. Positiv wirkt sich dieses auf die Kosten der Elektroantriebsenergie aus, die in den meisten Fällen um mehr als die Hälfte gesenkt werden können.
Mehrkesselanlagen mit zwei oder mehr Heizkesseln kommen da zum Einsatz, wo größere Leistungen, lt. Gesetzgeber über 70 kW, benötigt werden. Dieses wird aus energietechnischen Gründen verlangt, um immer für den jeweiligen Bedarf Wärme zu produzieren.
Eine Leistungsabstufung wird im Regelfall so ausgelegt, daß z.B. bei zwei Heizkesseln Leistungsverhältnisse 50/50% oder 60/40% eingebaut werden. Somit ist eine sehr gute lastabhängige Heizweise und Regelung zu erzielen. Um auch hier optimale hydraulische Gegebenheiten zu erzielen, ist die Montage einer Hydraulischen Weiche unumgänglich.
| Bild 3: Zur hydraulischen Trennung der Kessel dient, wie hier dargestellt, ein motorbetriebenes Dreiwege-Ventil, wenn jeder Kessel eine eigene Ladepumpe bekommt. |
Der Grund besteht zum einen darin, daß zu allen Betriebszeiten 100%ige Wassermenge den Heizkesseln zur Verfügung stehen muß. Zum anderen wird bei einer lastabhängigen Schaltung der jeweils nicht benötigte Heizkessel in eine völlige Nullabschaltung versetzt und hydraulisch entkoppelt (Bilder 3 und 4).
| Bild 4: Ebenso kann zur hydraulischen Abschaltung eine motorbetriebene Absperrklappe eingesetzt werden, wenn die Kessel nur mit einer gemeinsamen Primärpumpe bestückt werden. |
Diese absolute Nullstellung der nicht benötigten Heizkessel trägt somit zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Anlage bei (keine Stillstandsverluste). Ebenfalls kann über die Kesselkreisregelung in Verbindung mit der Hydraulischen Weiche ein kurzzeitiges Zuschalten von Wärmeerzeugern vermieden werden. Dieses tritt besonders bei schnellen Witterungswechseln auf.
Erläuterung zu Bild 3 und Bild 4: Heizkessel 1 als Führungskessel - Heizkessel 2 ausgeblendet. Wird jetzt eine größere Leistung erforderlich, so kann über die Kesselkreisregelung eine Verzögerungszeit mit einer Mindest-Temperatur vorgegeben werden. Erst bei Überschreiten der Verzögerungszeit und nicht Erreichen der Solltemperaturen wird - je nach Bedarf - der nicht in Betrieb befindliche Kessel zugeschaltet. Die unterschiedlichen Wassermengen gleicht die Weiche ab. Alle Regelkreise und Abnehmer werden auf jeden Fall mit der erforderlichen Wassermenge versorgt.
Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, aber auch zur Sicherung der Wärmeversorgung, ist es ratsam, jedem Kessel eine eigene Kesselkreispumpe, wie in Bild 3 gezeigt, beizuordnen. Da im Jahresdurchschnitt nur an ca. 7% der Heizzeiten die volle installierte Heizleistung erforderlich ist, wird der nicht in Betrieb befindliche Heizkessel bei nicht regelbarer Pumpenleistung in die hochturbulente Strömung versetzt. Bei diesen überhöhten Strömungsgeschwindigkeiten kann es unter Umständen zu einem Materialabtrag im Heizkessel kommen.
Zudem tauchen bei nur einer Primärkreispumpe starke regelungstechnische Probleme auf und es ist keine Notversorgung möglich.
| Bild 5: Hydraulische Einbindung eines Abgaswärmetauschers. |
Beim Einsatz einer Hydraulischen Weiche in Verbindung von Heizkesseln mit einem nachgeschalteten Abgaswärmetauscher wird empfohlen, über ihn möglichst niedertemperiertes Anlagenwasser zu fahren. Diese Möglichkeiten bieten sich sehr gut bei Fußbodenheizungen, Schwimmbadwassererwärmern sowie Niedertemperatur-Heizkreisen an. Der Abgaswärmetauscher wird zwischen Primär- und Sekundär-Rücklauf im Anlagensystem eingebunden (Bild 5).
Bei der Verrohrung der Kesselanlage mit der Hydraulischen Weiche sollte, wenn nur eben möglich, eine Installation nach dem Tichelmann-System erfolgen. Dieses gewährleistet absolut gleiche Druck- und Strömungsverluste, bezogen auf die einzelnen Wärmeversorger.
Betriebssituation
In allen Fällen wird 500 kg/h Leistung pro Heizkessel und 500 kg/h Last pro Regelkreis angenommen.
| Bild 6 |
Fall 1
100% Last, 100% Leistung (Bild 6). Am Bild sieht man, daß für diesen speziellen Fall der Hydraulischen Weiche keine Aufgabe zukommt. Die 1000 kg/h Heizwasserströme werden am Weichenkopf unverändert übernommen.
| Bild 7 |
Fall 2
0% Last, 100% Leistung (Bild 7).
Dieses Bild zeigt a) die Wichtigkeit und b) den Auslegungsfall der Hydraulischen Weiche.
a) Deutlich ist zu erkennen, daß die variablen Volumenströme bis auf Null zurückgehen können. Trotzdem bleiben alle Druckdifferenzverhältnisse weitgehend konstant - kein Kreis wirkt störend auf die Gesamtanlage.
b) Der gesamte Kesselwasservolumenstrom passiert die Hydraulische Weiche. Hiernach muß sie ausgelegt werden.
| Bild 8 |
Fall 3
50% Last, 100% Leistung (Bild 8).
Dieses Bild zeigt am deutlichsten die Arbeitsweise der Hydraulischen Weiche. Das Vorlauf-Wasser, welches von den Regelkreisen nicht benötigt wird, erwärmt den jetzt auch kälter werdenden Rücklauf durch Umlenkung in der Hydraulischen Weiche. Der störende Druckdifferenzanstieg im Netz unterbleibt.
| Bild 9 |
Fall 4
100% Last, 50% Leistung (Bild 9).
Hier zeigt die Hydraulische Weiche die Bewältigung einer völlig anderen Aufgabe. Ganze Kessel lassen sich durch Pumpenausschaltung und Schließen von Stellgliedern ausblenden, ohne daß Störungen im Netz auftreten.
Es lassen sich z.B. auch Pumpenstufenschaltungen parallel zu Brennerstufenschaltungen vornehmen.
| Bild 10 |
Fall 5
Summe Massenströme Regelkreis (RK) größer als Summe Massenströme Heizkreis (HK): 
(Regelkreispumpen zu stark, Bild 10).
Der Fall tritt hauptsächlich bei der Erneuerung von Kesselanlagen auf. Fast immer werden die Regelkreispumpen zu stark sein. Das führt dazu, daß diese mehr Wasser aus der Hydraulischen Weiche entnehmen als von den Kesseln zugeführt wird. Kein Verbraucher kommt wegen der ungewollten Rücklaufmischung auf Temperatur und damit auf Leistung. Hier hilft nur ein Anpassen der Massenströme der Regelkreise an die der Heizkreise. Ein Temperaturmessen für die Folgeregelung in der Weiche ist nur bei abgeschlossener Durchmischung sauber möglich. Deshalb wird in der Mitte der Hydraulischen Weiche für eine Durchmischung des Vor- und Rücklaufs ein Prallblech eingesetzt.
| Bild 11 |
Fall 6
Summe Massenströme Heizkreis größer als Summe Massenströme Regelkreis: 
(Kesselkreispumpen zu stark, Bild 11).
Hier entnehmen die Kesselkreispumpen mehr Wasser aus dem Rücklauf, als die Regelkreise liefern. Es wird also Vorlaufwasser im Kurzschluß dem Rücklauf beigemischt. Hier wird eine höhere Vorlauftemperatur als erforderlich bereitgestellt. Dieser Fall wirkt sich im Vergleich zu Fall 5 nicht so negativ aus.
Dimensionierung und Größentabellen
Zur Dimensionierung von Hydraulischen Weichen ist zu sagen, daß bei Vollastbetrieb eine mittlere Fließgeschwindigkeit von max. 0,2 m/sec. nicht überschritten werden sollte. In Großanlagen kann dieser Wert in besonderen Situationen erhöht werden (Tabelle). Funktionsbedingt sind in der Hydraulischen Weiche die geringsten Wasserbewegungen der gesamten Anlage. Sie eignet sich daher bei Ausbildung eines Fangsackes am Fuß besonders zur Schlammabscheidung. Notwendig sind dazu ein Schnellschlußorgan und ein Abfluß.
Tabelle: Anhaltswerte für die Dimensionierung von Hydraulischen Weichen.
Kompaktbauweise | ||
Durchsatz bis (in kg) | Druckkammer | Mittl. Fließgeschwindigkeit (m/sec.) |
10000 | 200/150 | 0,12 |
Rundbauweise | ||
4000 | 100 | 0,15 |
Eine eventuelle Überdimensionierung wird sich für das System niemals negativ auswirken, da in den meisten Betriebszeiten - wie bereits erwähnt - die Primärwassermenge weitaus kleiner als die Sekundärwassermenge ist.
Bei Kühlwasseranlagen wird die Hydraulische Weiche so weit vergrößert, daß der Pufferspeicher gleichzeitig als hydraulischer Abgleich genutzt wird.
Eine "Hydraulische Weiche in Kompaktbauweise" bietet den Vorteil eines langen Weges zwischen Primär- und Sekundärseite (länger als bei gleicher Leistung einer Rundrohrweiche). Ein optimaleres Abgleichen der Volumenströme ist damit gegenüber der zylindrischen Bauweise gegeben (Bild 12).
| Bild 12: Gegenüberstellung einer Kompakt-Weiche und einer Rund-Weiche bei gleichem maximal möglichen Drucksatz von bis zu etwa 50000 kg/h. |
Die Kompakt-Weiche und die Rund-Weiche werden prinzipiell in zwei Ausführungen angeboten: beim Typ I sind die Kesselanschlüsse vor der Hydraulischen Weiche zusammengezogen, beim Typ II wird jeder Kessel direkt an die Hydraulische Weiche angeschlossen (Bild 13).
| Bild 13: Die Kompakt-Weiche dargestellt als Typ I und Typ II. |
Durch den Einsatz eines Prallbleches im oberen Teil der Weiche wird die Wirkung eines Mischgefäßes erzielt. Im Teillastbetrieb führt dies zu einer guten Mischung aus Kesselvor- und Rücklaufwasser.
Der Fühler für die Kesselfolgeschaltung wird im oberen Bereich der Hydraulischen Weiche/Rohrachse zur Mittelachse eingebaut. Er gewährleistet so die optimalste lastabhängige Kesselregelung.
Problemfälle aus der Praxis
Fall 1
Die Kesselanlage heizte bis zur gewünscht eingestellten Temperatur auf, jedoch wurde auf der Abnehmerseite nur eine Maximaltemperatur von 55°C zur Kesseltemperatur 90°C erreicht. Hier konnte festgestellt werden, daß die Primärkreispumpen (= Kesselkreispumpen) unterdimensioniert waren und nicht die erforderliche Kesselwasserumlaufmenge brachten.
Fall 2
Die Kesselanlage heizte auf gewünschte Temperatur hoch, jedoch wurden auf der Abnehmerseite keinerlei Temperaturen erreicht. In diesem Fall wurde bei der Planung die gesamte Kesselkreispumpe vergessen. Damit wurde eine Kurzschlußstrecke zwischen Abnehmervorlauf und -rücklauf erzielt. Eine Aufheizung der Anlage war so nicht möglich.
Fall 3
Die Kesselanlage heizte bis zur gewünschten Temperatur auf - Vollastbetrieb bei -15°C. Es ergab sich im Sekundärvorlauf eine Temperatur von 55 bis 60°C. In diesem Fall wurde die Kesselanlage erneuert, jedoch nicht daran gedacht, daß auf der Sekundärseite (Heizkörper) eine wesentlich höhere Wassermenge umgewälzt wurde. Hierzu muß gesagt werden, daß es zwingend erforderlich ist, bei Sanierungen von Heizzentralen festzustellen, auf welcher Seite der Anlage der größtmögliche Volumenstrom fließt. Hiernach ist die Hydraulische Weiche und Pumpenleistung zu dimensionieren.
Beispiel:
- Kesselwasserumlaufmenge: 100 m3/h
- Abnehmerwassermenge: 150 m3/h
Somit müssen die Hydraulische Weiche und die Pumpen auf 150 m3/h Wassermenge ausgelegt werden, weil sonst im Vollastbereich die 0,2 m/sec. Fließgeschwindigkeit stark überschritten wird. Ein hydraulischer Abgleich ist somit nicht mehr exakt möglich.
Zusammenfassend sei gesagt: Eine Hydraulische Weiche kann von der Größe her zwar unterdimensioniert; im Regelfall aber niemals überdimensioniert werden. Eine wesentlich höhere Fließgeschwindigkeit als 0,2 m/sec. wirkt sich für den hydraulischen Volumenstromabgleich immer negativ aus, so daß dieses zu Mischwassertemperaturen führen muß, die vermieden werden sollten.
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