DE10246508B3 - Automatic degassing for heating and cooling circuits - Google Patents
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Abstract
Entgasungsvorrichtung zur Abtrennung von Gasen aus wässrigen Wärmeträgerflüssigkeiten in Heiz- oder Kühlsystemen, insbesondere in Gebäudeheizungen, wobei die Entgasungsvorrichtung mindestens eine semipermeable Membran enthält, die bevorzugt aus PTFE oder einem PTFE-haltigen Polymerblend aufgebaut ist und mit einer porösen metallischen und/oder keramischen Stützstruktur verbunden ist. Die Entgasungsvorrichtung ist bevorzugt innerhalb des Rohrleitungssystems angeordnet und funktioniert unabhängig vom Einbauort.Degassing device for the separation of gases from aqueous heat transfer fluids in heating or cooling systems, in particular in building heating, wherein the degassing device contains at least one semipermeable membrane, which is preferably constructed of PTFE or a PTFE-containing polymer blend and connected to a porous metallic and / or ceramic support structure is. The degassing device is preferably arranged within the pipeline system and functions independently of the installation site.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entgasung von Wärmeträgern, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie deren Verwendung in Heiz- und Kühlsystemen, insbesondere betrifft dies die Entlüftung von Heizflüssigleiten in Anlagen von Gebäuden und Fahrzeugen.The invention relates to a device for degassing of heat carriers, after the preamble of claim 1 and their use in heating and Cooling systems in particular, this relates to the venting of Heizfluigleiten in facilities of buildings and vehicles.
Die Zufuhr, Verteilung und Abfuhr von Wärmeenergie wird in Gebäudebau und Industrie im allgemeinen über Heiz- beziehungsweise Kühlkreisläufe mittels flüssiger Wärmeträger realisiert. Als Wärmeträger kommen hierbei je nach Temperaturbereich Wasser, Wasser/Frostschutzmittel, Glykole oder Öle zum Einsatz. Im Betrieb der Heiz- oder Kühlsysteme ist es im allgemeinen unvermeidbar, dass der flüssige Wärmeträger Luft beziehungsweise Gase aufnimmt. Eingeschlossene Luft führt zu Problemen, wie der Behinderung des Flüssigkeitstransportes, zu schlecht kalkulierbaren Veränderungen der thermischen Verhältnisse in Rohrleitungssystemen, Verschlechterung der Wärmeübertragung und/oder zu Korrosionsproblemen.The supply, distribution and discharge of heat energy will be in building construction and industry in general Heating or cooling circuits by means liquid Heat transfer realized. Come as a heat carrier Depending on the temperature range, water, water / antifreeze, Glycols or oils for Commitment. In the operation of the heating or cooling systems, it is generally unavoidable that the liquid heat carrier air or absorbs gases. Trapped air causes problems such as obstruction of liquid transport, too badly calculable changes the thermal conditions in piping systems, deterioration of heat transfer and / or corrosion problems.
So tritt beispielsweise in Gebäudeheizungen häufig zu Beginn der Heizperiode der Effekt auf, dass die Heizkörper im Bereich ihrer Oberkante nicht warm werden. Der Verlust von Heizwasser durch verdunsten ist normal, da aus dem automatischen Entlüftungsventil im Heizkeller mit der Luft auch Wasserdampf entweicht. Dies führt zu Luftblasen, die sich in den Heizkörpern zu lufterfüllten Kammern zusammenschließen. Der Luftsauerstoff hat des weiteren den nachteiligen Effekt, dass im gesamten Heizkreislauf eine verstärkte Korrosion festzustellen ist.For example, in building heaters often occurs Beginning of the heating season the effect on the radiator in the Area of its upper edge does not get warm. The loss of heating water Evaporation is normal because of the automatic vent valve In the boiler room with the air also water vapor escapes. This leads to air bubbles, which are in the radiators too airy Combine chambers. The atmospheric oxygen also has the adverse effect that to detect increased corrosion throughout the heating circuit is.
In Heizkreisläufen von Gebäuden wird üblicherweise ein Gasblasenabscheider in der Nähe des Kessels eingebaut und zusätzlich die einzelnen Heizkörper per Hand mittels des an der Endverschraubung des Heizkörpers befindlichen Entlüftungsventils entlüftet. Über den Gasblasenabscheider entweicht aber nicht nur die störende Luft aus dem System sondern ebenso Wasserdampf in erheblichen Maß, so dass hierdurch ein Wasserverlust entsteht, der wiederum über den Ausgleichsbehälter ersetzt werden muss. Das System kommt durch diesen Vorgang schnell zum erliegen, beziehungsweise es muss der Behälter in relativ kurzen Abständen neu befällt werden, damit kein Ausfall des Heizsystems eintritt.In heating circuits of buildings becomes common a gas bubble separator nearby built in the boiler and in addition the individual radiators by hand by means of the at the end fitting of the radiator located Bleed vented. On the Gas bubble separator escapes but not only the disturbing air from the system but also steam to a considerable extent, so that This results in a loss of water, which in turn on the surge tank must be replaced. The system comes through this process quickly to succumb, or it must be the container in relatively short intervals new befalls so that no failure of the heating system occurs.
Auch in Solarheizungen wird zur Entlüftung analog vorgegangen. Hier sind automatische Entlüftungen aus mehreren Gründen nicht geeignet. Bei Stillstand der Anlage, zum Beispiel durch einen eintretenden Stromausfall, wird Dampf gebildet, der sich an den gleichen Stellen ansammelt wie die Luft. Dem automatischen Entlüfter ist es nicht möglich selektiv zwischen Gas und Wasserdampf zu unterscheiden, so dass dem Heizkreislauf Wasser entzogen wird und damit ein Systemausfall eintreten kann.Even in solar heating systems, ventilation is analogous proceed. Here automatic vents are not for several reasons suitable. At standstill of the plant, for example by an incoming Power failure, steam is formed, located in the same places accumulates like the air. The automatic deaerator is not possible selectively between To distinguish gas and water vapor, allowing the heating circuit Water is withdrawn and thus a system failure can occur.
In der
In der
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Entgasungsvorrichtung zur Abtrennung von Gasen aus Wärmeträgerflüssigkeiten bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik eine vereinfachte Konstruktion darstellt, eine hohe Flexibilität bei der Anwendung im Heiz- und/oder Kühlsystem und eine hohe und wartungsarme Funktionssicherheit gewährleistet.It is an object of the invention to provide a Degassing device for the separation of gases from heat transfer fluids to provide that opposite the prior art is a simplified construction, a high flexibility when used in the heating and / or cooling system and a high and low-maintenance functional safety guaranteed.
Die Aufgabe wird mittels einer Entgasungsvorrichtung gelöst, die aus mindestens einer semipermeablen Membran aus Polymer besteht, die mit einer metallischen und/oder keramischen Stützstruktur zu einem festen Strukturelement verbunden ist, so dass sie sich an den unterschiedlichsten Orten des Heizund/oder Kühlsystems integrieren lässt.The object is achieved by means of a degassing device solved, which consists of at least one semipermeable membrane made of polymer, those with a metallic and / or ceramic support structure connected to a solid structural element so that they themselves at the most different places of the heating and / or cooling system integrate.
Die semipermeable Membran besteht bevorzugt bevorzugt überwiegend aus Polytetrafluorethylen (PTFE).The semipermeable membrane exists preferably predominantly made of polytetrafluoroethylene (PTFE).
Gegenüber der in der
Die mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Membrankonstruktion der Entgasungsvorrichtung eröffnet neben der Abtrennmöglichkeit gelöster Gase die Aussicht, die Entgasungsvorrichtung weitgehend lageunabhängig in das Heiz- und/oder Kühlsystem zu integrieren und bietet damit eine hohe Flexibilität gegenüber anderen konstruktiven Lösungen.The mechanical stability of the membrane construction of the degassing device according to the invention, in addition to the possibility of separation of dissolved gases, opens up the prospect of integrating the degassing device largely independently of position into the heating and / or cooling system and thus offers a high degree of flexibility compared with other constructive solutions gene.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere für wässrige Wärmeträgerflüssigkeiten gut geeignet. Neben Wasser finden häufig auch Wasser/Polyalkohol-Mischungen Verwendung.The device according to the invention is in particular for aqueous heat transfer fluids well suited. In addition to water often find water / polyalcohol mixtures Use.
Im Unterschied zu den beispielsweise aus der Textilindustrie bekannten PTFE-Membranen weisen die erfindungsgemäßen Membranen keine Porosität auf, besitzen also keine durchgängigen Porenkanäle. Der Durchtritt der abzutrennenden Gasmoleküle ist ein rein diffusiver Prozess und hängt von der Löslichkeit des Gases im Material der Polymermembran ab.Unlike the example PTFE membranes known from the textile industry have the membranes according to the invention no porosity on, so have no consistent Pore channels. The passage of the gas molecules to be separated is a purely diffusive Process and hang from solubility of the gas in the material of the polymer membrane.
Bevorzugt werden als Material für die semipermeablen Membran Polymere und/oder Polymerblends auf der Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE) eingesetzt. Gattungsgemäße Polymere sind beispielsweise als Teflon® kommerziell erhältlich. Als weitere Komponenten für die Membran oder die Blends können auch Polymere aus der Gruppe der Polyolefine, unterschiedlich fluorierter oder perfluorierter Polymere, Polysulfone und/oder Mischungen dieser Gruppen Anwendung finden.Polymers and / or polymer blends based on polytetrafluoroethylene (PTFE) are preferably used as the material for the semipermeable membrane. Generic polymers are commercially available, for example, as Teflon ®. Polymers from the group of polyolefins, differently fluorinated or perfluorinated polymers, polysulfones and / or mixtures of these groups can also be used as further components for the membrane or the blends.
Typischerweise liegt der PTFE-Gehalt (in Massenanteilen) der semipermeablen Membran oberhalb 51 Masse, bevorzugt oberhalb 75 Masse% und besonders bevorzugt oberhalb 90 Masse%.Typically, the PTFE content is (in mass proportions) of the semipermeable membrane above 51 mass, preferably above 75% by weight, and more preferably above 90% Dimensions%.
Die semipermeable Membran weist erfindungsgemäß nahezu keine Permeabilität für Wasser oder polare Lösungsmittel und gleichzeitig eine vergleichsweise gute Permeabilität für niedermolekulare und unpolare Gase insbesondere der Komponenten von Luft auf.The semipermeable membrane according to the invention has almost no permeability for water or polar solvents and at the same time a comparatively good permeability for low molecular weight and non-polar gases, in particular the components of air.
Die Permeabilität der Membran für Luft liegt bevorzugt oberhalb von 10–7 cm/s×Pa und diejenige für Wasser oder Wasserdampf unterhalb von 10–12 cm/s×Pa.The permeability of the membrane for air is preferably above 10 -7 cm / s × Pa and that for water or water vapor below 10 -12 cm / s × Pa.
Die hierdurch gebildete Entgasungsvorrichtung weist durch die Stützstrukturen aus Metall und/oder Keramik eine hohe mechanische Festigkeit auf und kann daher in vorteilhafter Weise nahezu an beliebiger Position im Heiz- und/oder Kühlkreislauf eingesetzt werden. Bevorzugt bildet das aus semipermeabler Membran und Stützstruktur gebildete Entgasungselement eine Komponente des Rohrleitungssystems. So lässt sich das Entgasungselement beispielsweise als Rohrsegment oder Manschette ausbilden und in die Rohrleitung integrieren. Ebenso ist es aber auch möglich, die Entgasungsvorrichtung großflächig in das Heiz- und/oder Kühlsystem zu integrieren.The degassing device formed thereby points through the support structures made of metal and / or ceramic to a high mechanical strength and therefore can advantageously almost at any position used in the heating and / or cooling circuit become. This preferably forms of semipermeable membrane and support structure formed degassing a component of the piping system. So lets the degassing, for example, form a pipe segment or cuff and integrate into the pipeline. But it is also possible, the Degassing device over a large area in the heating and / or cooling system to integrate.
Um eine für Heiz- und/oder Kühlsystem mit wässrigen Wärmeträgern angemessene Gasdurchlässigkeit zu gewährleisten, muss die Schichtdicke der aus PTFE oder anderen aufgebauten Membran auf Werte deutlich unterhalb von 30 μm begrenzt werden. Bevorzugt liegt die Schichtdicke unterhalb von 20 μm und besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 10 μm.One for heating and / or cooling system with watery Heat carriers appropriate Gas permeability to ensure, the layer thickness of the PTFE or other membrane has to be set to values be limited well below 30 microns. Preferably, the layer thickness is below 20 microns and especially preferably in the range of 1 to 10 microns.
Die Porosität der Stützstrukturen aus Metall oder Keramik muss den ungehinderten Austritt des Permeats durch die Polymermembran gewährleisten. Der mittlere Porendurchmesser liegt daher oberhalb 0,05 μm. Bevorzugt wird für die poröse Keramik ein mittlerer Porendurchmesser von 0,05 bis 1 μm gewählt und für die metallische Struktur ein mittlerer Porendurchmesser von 1–20 μm.The porosity of the support structures of metal or Ceramics must have unimpeded leakage of permeate through the polymer membrane guarantee. The average pore diameter is therefore above 0.05 microns. Prefers is for the porous one Ceramics a mean pore diameter of 0.05 to 1 micron selected and for the Metallic structure an average pore diameter of 1-20 microns.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Stützstruktur sowohl aus poröser Keramik, als auch aus porösem Metall aufgebaut, wobei die beiden Werkstoffe flächig übereinanderliegen. Die semipermeable Membran wird dann auf der Keramikseite befestigt. Hierdurch ergibt sich ein Schichtverbund in der Abfolge semipermeable Membran, poröse Keramik, poröses Metall, wobei die Flüssigkeitsseite durch die semipermeable Membran gebildet wird.In a particularly preferred embodiment of Invention is the support structure both porous Ceramic, as well as porous Metal constructed, the two materials lie flat on top of each other. The semipermeable Membrane is then attached to the ceramic side. This results a layer composite in the sequence semipermeable membrane, porous ceramic, porous Metal, the liquid side is formed by the semipermeable membrane.
Die Abscheidung des Gases aus der Wärmeträgerflüssigkeit ist dabei auf ein Partialdruckgefälle über der semipermeablen Membran, beziehungsweise über der Entgasungsvorrichtung angewiesen, wobei der Partialdruck des Gases innerhalb des Wärmeträgers höher liegt als außerhalb beziehungsweise in der Umgebungsluft.The separation of the gas from the Heat transfer fluid is at a partial pressure gradient across the semipermeable membrane, or over the degassing device instructed, wherein the partial pressure of the Gas is higher within the heat carrier as outside or in the ambient air.
Der Druckunterschied zwischen Wärmeträgerflüssigkeit und Umgebungsluft sollte oberhalb ca. 1 bar liegen. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass eine gute Gasabtrennung bereits bei geringen Druckunterschieden im Bereich von 1 bis 3 bar stattfindet. Es ist daher im allgemeinen nicht notwendig mittels Hilfsein richtungen einen Unterdruck auf der Außenseite des Heiz- oder Kühlsystems beziehungsweise der Entgasungsvorrichtung zu erzeugen. Die Vorrichtung lässt sich damit auch in konventionellen Heizungssystemen verwenden.The pressure difference between heat transfer fluid and ambient air should be above approx. 1 bar. An advantage The invention is that a good gas separation even at low Pressure differences in the range of 1 to 3 bar takes place. It is therefore generally not necessary by means Hilfsein a negative pressure on the outside of the heating or cooling system or to produce the degassing device. The device let yourself to use it also in conventional heating systems.
Weiter lässt die erfindungsgemäße Vorrichtung ausdrücklich auch eine Einsatzmöglichkeit im Hochdruckbereich bei Drücken bis 200 bar zu.Next leaves the device of the invention expressly also an application possibility in the high pressure range at pressures up to 200 bar.
Für industrielle Anwendungen ist es von Bedeutung, dass sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur Luft sondern auch unterschiedliche Schadgase abtrennen lassen.For industrial applications, it is important that through the inventive device not only air but also separate different noxious gases to let.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durchdringt die polymere Membran zumindest teilweise die metallische und/oder keramische Stützstruktur, so dass die Poren der Stützstruktur zumindest teilweise mit dem Material der semipermeablen Membran gefüllt sind. Dies führt zu einer sehr festen mechanischen Verbindung zwischen Polymermembran und Stützstruktur. In vorteilhafter Weise kann so das aus Membran und Stützstruktur gebildete Element auch großflächig als mechanisch belastetes Strukturbauteil eingesetzt werden. Bevorzugt beträgt die Dicke der Durchdringungsschicht aus poröser Stützstruktur und Material der Membran nur wenige Mikrometer. Die Dicke der überstehenden Membran kann entsprechend bis auf ein Minimum reduziert werden.In a further advantageous embodiment of Invention penetrates the polymeric membrane at least partially metallic and / or ceramic support structure, so that the pores the support structure at least partially with the material of the semipermeable membrane filled are. this leads to to a very strong mechanical bond between polymer membrane and support structure. In an advantageous manner, this can thus be formed from membrane and support structure Element also as large area mechanically loaded structural component can be used. Prefers is the thickness of the penetration layer of porous support structure and material of Membrane only a few microns. The thickness of the protruding membrane can be adjusted accordingly be reduced to a minimum.
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