Hydraulische Weiche für optimalen Wirkungsgrad

Statt eines stehenden Rohrs als hydraulische Weiche werden im System Wiebracht der DMS Metall- und Schweisstechnik GmbH zwei liegende Behälter verwendet, die über- oder nebeneinander angeordnet werden können. Primär- und Sekundärkreis verlaufen jeweils durch einen der Behälter, die durch ein Ausgleichsrohr verbunden sind. Die Kälteweiche ist dadurch nicht nur deutlich niedriger in der Bauhöhe bei geringerem Betriebsgewicht, auch die Durchmischung beider Kreise wird verhindert. So werden durch diese Lösung ein konstantes Temperaturniveau und ein optimaler Wirkungsgrad an den Verbrauchern erreicht.

Bei einer Kälteleistung von zum Beispiel 1400 kW und einem Volumenstrom von 200 m³/h muss in eine Kälteanlage mit vier Kaltwassersätzen und vier Verbrauchern nach VDMA-Einheitsblatt 24770 eine Weiche mit einem Durchmesser von 900 mm und einer Gesamthöhe von 5300 mm eingebaut werden. Somit übersteigt die Weiche jede Standardraumhöhe bei weitem. Hinzu kommt, dass diese Einrohrweiche ein Betriebsgewicht von etwa 4 t erreicht, das punktuell auf dem Boden lastet, was auch an die Statik des Betriebsraums besondere Anforderungen stellt. Über die zwei Sammler und zwei Verteiler, die an die Weiche angeflanscht oder separat aufgestellt werden, werden in die Einrohrweiche jeweils 200 m³/h entsprechend 3,3 m³/min einströmen und unvermeidlich in den Bereichen der Anschlüsse innerhalb der Weiche starke Turbulenzen erzeugen. Eine Vermischung der Primär- und Sekundärvolumenströme lässt sich nicht ausschließen, da bei dem insgesamt niedrigen Temperaturniveau von beispielsweise 6 °C Vorlauf sowie 11 bis 12 °C Rücklauf und den daraus resultierenden geringen Temperaturdifferenzen der Kreisläufe von sechs oder weniger Grad die Dichten annähernd gleich sind, was eine Schichtung innerhalb der Weiche verhindert. In der Folge stoßen Architekten und Planer häufig an ihre Grenzen, wenn es um die Auswahl einer geeigneten Kälteweiche geht.

Geringe erforderliche Raumhöhe durch liegende Behälter

„Die Idee zu dieser neuartigen Weiche kam Dipl.-Ing. Herbert Wiebracht, ein unabhängiger Planer für kältetechnische Anlagen, bei einem Projekt in Hamburg. Dort musste eine verlässliche Weiche bei gleichzeitig geringer Raumhöhe eingebaut werden. Solche Situationen treten immer wieder auf“, erklärt Dietrich Schöps, Produktmanager bei der DMS-Metall- und Schweisstechnik GmbH. Eine Weiche nach VDMA 24770 kam nicht in Frage. Um dieses Problem zu lösen, konstruierte Wiebracht gemeinsam mit DMS das nach ihm benannte System: Statt aus einem einzigen stehenden, großvolumigen Rohr besteht das System aus zwei liegenden Behältern. „Die Volumenströme werden auf diese Weise in den Vor- und Rücklaufvolumenstrom aufgeteilt und durch separate Behälter geführt. Diese sind nur durch eine Ausgleichsleitung miteinander verbunden, damit die Hydraulik im System wirksam werden kann“, so Schöps weiter. Der hy­draulische Nullpunkt der Anlage liegt in der Ausgleichsleitung, die Volumenströme sind weitgehend voneinander getrennt.

Mit dieser Bauweise reduziert sich die Gesamthöhe um mehr als die Hälfte: Geht man von den oben genannten Voraussetzungen aus, sind pro Behälter Durchmesser von lediglich 800 mm notwendig, wodurch sich eine Gesamthöhe von 2250 mm inklusive Aufbauten ergibt. Da die Behälter deutlich kleiner sind als bei stehenden Einrohrweichen und in der Folge weniger Wasser beinhalten, wird das Betriebsgewicht ebenfalls erheblich reduziert. Je nach Platzbedarf oder Statik des Betriebsraums ist es möglich, die Behälter über- oder nebeneinander anzuordnen. Im Gegensatz zu üblichen Weichen entstehen beim System Wiebracht durch eine derartige Anordnung keinerlei Probleme wie eine Durchmischung der Vorlauf- und Rücklaufvolumenströme und damit die Erhöhung der Solltemperaturen.

Keine Durchmischung trotz ähnlicher spezifischer Dichten

Bei stehenden Rohrweichen kommt es immer wieder zu Durchmischungen aufgrund der annähernd identischen Dichten: Mit 6 °C hat der Primärkreislauf eine Dichte von 999,94 kg/m³, der Sekundärstrom eine Dichte von 999,50 kg/m³ bei 12 °C. Eine Trennschicht kann sich also kaum ausbilden. Die Kreisläufe im System Wiebracht sind voneinander getrennt. Durch die Konstruktion ist eine Schichtung in diesem Fall gegeben. Ist der Primärvolumenstrom, wie bei jeder hydraulischen Weiche grundsätzlich erforderlich, gleich oder größer als der Sekundärvolumenstrom, kann das Rücklaufwasser aus dem Verteilerkreis nicht in den Vorlaufstrom gelangen. So werden die Verbraucher stets mit optimalen Solltemperaturen versorgt, was eine Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage ist.

Außerdem entfällt die Notwendigkeit von Sammlern und Verteilern. Die einzelnen Kreisläufe werden direkt über Anschlüsse in den Böden der Vorlauf- und Rücklaufbehälter geführt. Da der Volumenstrom in der Kältetechnik gegenüber der Heizungstechnik bei gleicher Leistung aufgrund der unterschiedlichen Temperaturdifferenzen in der Regel um den Faktor 3,3 größer ist, kommt es zu vergleichsweise starken Turbulenzen innerhalb der Behälter. „In der Kältetechnik wird im Verhältnis zur Leistung sehr viel mehr Wasser umgewälzt als in der Heizungstechnik“, bestätigt Schöps. Die Turbulenzen führen im System Wiebracht dank der separaten Vorlauf- und Rücklaufbehälter nicht zu Durchmischungen. „Große und turbulente Volumenströme in den übereinanderliegenden Vor- und Rücklaufbehältern beeinflussen den Wirkungsgrad der Gesamtanlage nicht, im Gegensatz zu den herkömmlichen stehenden Einbehälter-Weichen, die laminar betrieben werden müssen“, führt Schöps aus. In der Summe können so durch das System Wiebracht nicht nur Platz und Kosten eingespart werden, es wird auch ein sicherer bestimmungsgemäßer Betrieb erreicht.

Individuell anpassbar

Die hydraulische Weiche wird stets an die durch die Kälteanlage und die Verbraucher gegebenen Anforderungen angepasst. Der Behälterdurchmesser kann beispielsweise zwischen 300 und 1500 mm betragen, auch die Länge ist variabel. Abhängig davon, wie viele Kreisläufe eingebunden werden sollen, sind eine unterschiedliche Anzahl Anschlüsse mit verschiedenen Nennweiten an einem Behälter möglich. „Sowohl an den Vor- als auch an den Rücklaufbehälter kann eine entsprechende Anzahl an Kaltwassersätzen beziehungsweise Verbrauchern angeschlossen werden“, bemerkt Schöps. Wenn gewünscht oder erforderlich, kann bei übereinander angeordnetem Aufbau der untere Behälter größer ausgeführt werden, um gleichzeitig als Puffer zu dienen. Außerdem verfügen die Behälter über einen Entschlammungsanschluss am tiefsten Punkt, wo sich Rostpartikel oder Eisenschlamm absetzen und entfernt werden können. In der Regel besteht die Weiche aus Stahl, S235JR beziehungsweise P265GH. Auf Wunsch sind auch Ausführungen in Edelstahl möglich.