Acht Mischungseffekte beeinflussen Strömung und Solltemperatur von hydraulischen Weichen

Wissenschaftler der TU Chemnitz haben unter realen Bedingungen eine hydraulische Weiche in einem Fernkältenetz untersucht.

Die Auslegung hydraulischer Weichen soll eine optimale Funktion gewährleisten und zugleich wirtschaftliche Vorgaben beachten. Hier spielt die Höhe der hydraulischen Weiche eine große Rolle. Die Dimensionierungshinweise der VDMA geben ein festes Verhältnis von Rohrdurchmesser zu Behälterdurchmesser und Behältergröße vor. Gerade bei großen Nennweiten der Anschlüsse werden aber schnell Behälterhöhen erreicht, die durchschnittliche Technikräume nicht aufweisen.

Die Dimensionierung hat direkten Einfluss auf die Performance der Weiche. Die hydraulische Entkopplung von Erzeuger- und Verbraucherkreisläufen soll realisiert und die Solltemperaturen von Vor- und Rücklauf gewährleistet werden. Im Betrieb beeinflusst das Verhältnis der Volumenströme von Erzeuger und Verbraucher die Strömung innerhalb der Weiche und somit die Temperatur bei Ein- und Austritt. In der Theorie ergeben sich bei identischen Erzeuger- und Verbrauchervolumenströmen keine Durchmischungen in der Weiche. Durch die Vorgaben der VDMA wird ein Behältervolumen erreicht, das die Durchmischung und somit mögliche Temperaturabweichungen minimieren soll.

Das Forschungsobjekt folgt bei Anschlüssen von DN 500, einer Höhe von 2800 mm und einem Durchmesser von 1100 mm nicht den Vorgaben der VDMA. Die Auswertung der Messergebnisse gibt mit hohen und schwankenden Volumenströmen in der Weiche und abweichende Temperaturen erste Anzeichen, dass die tatsächliche Funktionsweise über die bloße Beimischung bei unterschiedlichen Volumenströmen von Vor- und Rücklauf hinausgeht.

Mit einem Simulationsprogramm auf Basis der realen Werte zeigt die Strömungsanalyse acht Effekte, die die Funktionsweise einer hydraulischen Weiche erstmals erklären:

1. Schwankendes Verhalten der Volumenströme
2. Ausbilden einer kalten Zone unten und einer warmen Zone oben
3. Eintretende Strömungen verteilen sich
4. Wasser in der Weiche beeinflusst eintretende Strömungen
5. Ströme prallen von der Behälterwand ab
6. Verwirbelungen in der Weiche (rotierende Strömungen, Pendelbewegungen)
7. Vermischung von einströmendem Wasser und Wasser in der Weiche und somit die Verhinderung der Bildung eines direkten Stromes zwischen gegenüberliegenden Anschlüssen
8. Einfluss des Rohrweges vor dem Anschluss auf das Verhalten in der Weiche

Zur strömungstechnischen Optimierung von hydraulischen Weichen führte die TU Chemnitz weitere Versuchsreihen durch. Als Startpunkt wurde eine Weiche nach VDMA simuliert. Die Auslegung einer entsprechende Weiche erfolgt nach zwei Formeln. In einem ersten Schritt wird der Durchmesser des Behälters bestimmt, er entspricht dem dreifachen Anschlussdurchmesser. Die zweite Formel beschreibt dann den Abstand zwischen der Oberkante des unteren Anschlusses und der Unterkante des oberen Anschlusses. Diese Strecke ist mit dem dreifachen Behälterdurchmesser definiert. Die Auswertung der Simulation zeigt eine Verbesserung der Abläufe innerhalb der Weiche, rotierende Strömungen treten aber auf. Insgesamt steht der Mehraufwand in keiner Relation zum Nutzen.

Da die reine Vergrößerung der Weiche wirtschaftlich und technisch nicht sinnvoll ist, wurden Lösungen entwickelt, die Weiche mit Hilfe von Einbauten (sog. Schikanen) zu optimieren. Hier gibt es drei mögliche interne Konstruktionen: Flache Bleche, die in ihrer Breite dem Anschlussbreite entsprechen; Halbrohre und geschlitzte Rohre. Sie verbinden jeweils die oberen und unteren Anschlüsse.

Das Verhalten der Weiche mit den jeweiligen Einbauten wurde qualitativ und quantitativ verglichen: Alle Schikanen optimieren das Strömungsverhalten in der Weiche. Mit zunehmender Fläche steigt der positive Einfluss auf die Verformung der Volumenströme. Zwar zeigt die Halbrohrschikane bei der Ausbildung einer warmen und kalten Zone leichte Vorteile, insgesamt überwiegen aber die Vorteile der geschlitzten Rohre. Auch der Vergleich der Ein- und Austrittstemperaturen von Vor- und Rücklauf ergibt klare Vorteile der geschlitzten Rohre. Der Öffnungswinkel ist somit von besonderer Bedeutung für die optimale Funktionsweise.

Fazit

Bei Auslegung einer hydraulischen Weiche geben die Dimensionierungshinweise der VDMA einen Anhaltspunkt. Zwar erlaubt die Größe der Weiche ein besseres Ergebnis als kleinere Behälter, aber die Größe ist Vor- und Nachteil zugleich.

Das Endergebnis der Forschungen ist eine patentierte Weiche, die sowohl ein festes Größenverhältnis als auch Schikanen mit strömungsoptimierenden Öffnungswinkel aufweist. Bereits in zahlreichen Projekten konnte die Weiche, produziert vom Lizenznehmer unitec Energietechnik, ihre nachhaltige Funktion beweisen.

Dieser Artikel ist eine Zusammenfassung folgender Veröffentlichungen der TU Chemnitz:

• Urbaneck, T. et al.: Untersuchung einer hydraulischen Weiche in einem Fernkältesystem. HLH Bd. 65 (2014) Nr. 7-8, S. 31-35.

• Sander-Seidel, K. et al.: Strömungstechnische Optimierung von hydraulischen Weichen. HLH Bd. 65 (2014) Nr. 9, S. 30-33.

Einen digitalen Sonderdruck beider Artikel finden Sie hier.