WO2020053842A2 - Verfahren und einrichtung zur steuerung und regelung einer weichenheizung - Google Patents

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WO2020053842A2
WO2020053842A2 PCT/IB2019/057768 IB2019057768W WO2020053842A2 WO 2020053842 A2 WO2020053842 A2 WO 2020053842A2 IB 2019057768 W IB2019057768 W IB 2019057768W WO 2020053842 A2 WO2020053842 A2 WO 2020053842A2
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Ean Elektroschaltanlagen
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B7/00—Switches; Crossings
    • E01B7/24—Heating of switches

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for controlling and regulating a point heater, in particular depending on the weather, rail profile and position of the movable tongue rail by calculating and evaluating the real point temperatures at functionally relevant points of the point in winter on at least one point segment between the point tips and point end.
  • Track elements, especially switches, of rail-bound vehicles such as railways (full railways, branch lines, narrow-gauge railways) or trams are heated as required with point heaters in order to prevent freezing of the moving parts or their blocking by snow and ice, and thus operational safety, especially in winter to ensure.
  • point heaters are based on systems with hot water steam, gas heating or electrical energy.
  • point heaters are used to melt snow between the rails of the points and to prevent the movable tongue rail from freezing to the fixed stock rail and the sliding chair plates, as well as the compression of snow between the rails.
  • heating devices with a specific output of, for example, 330 W per meter of rail are arranged on the fixed stock rails of the turnout, and if the weather permits, the heating is activated by a weather station and thus the stock rail at the location of the turnout temperature sensor except for a setpoint temperature in two-point control warmed with hysteresis.
  • Control of such switch heaters is conventionally carried out by means of a switch temperature sensor on a central switch which, due to the function of the switch, is arranged on the lower surface of the stock rail base.
  • the disadvantage here is that during operation, only at the location of the turnout temperature sensor, the turnout temperature corresponds to the desired turnout temperature and the other parts of the turnout are weather-dependent and weather-dependent and on the position of the tongue rail, which can be adjacent or detached to the stock rail Excess temperatures can occur, which either lead to freezing and thus failure of the switch or to high (unnecessary) energy consumption.
  • the conventional point heaters are currently switched on when heating is requested with 100% specific output and switched off and on again after reaching the set point temperature until a hysteresis of the real point temperature is reached.
  • the result in heating mode are power peaks between zero and maximum value and significant temperature differences of the stock rails, tongue rails and sliding chair plates on the right and left side as well as over the length of the switch.
  • a reliable function of the turnouts in winter, especially in extreme weather conditions, in wind, low ambient temperature and heavy snowfall in automatic operation is not possible with the state of the art.
  • Heating devices are arranged, for example, on the fixed stock rails of the left and right sides of the switch on the rail foot and are designed with a specific power of typically 330 W per meter over the entire length of the switch.
  • the heat transfer to the tongue rails and sliding chair plates of the switch takes place by means of heat conduction or heat radiation from the location of the stock rails provided with a heating device.
  • the switch is used on the stock rails and the tongue rails on the left and right sides depending on the ambient conditions and the switch position, i.e. remote or adjacent tongue rail, as well as different real switch temperatures at the sliding chair plates.
  • heat generation processes Utilizing the analogy between an electrical flow field and a thermal flow field (cf. Tab. 1), heat generation processes, heat transfer processes and heat storage processes can be calculated using networks that are well known in electrical engineering.
  • the in heating networks Non-linear processes that occur require a computer-aided iterative solution process.
  • Heat sources, thermal resistances, thermal capacities and fixed temperatures occur in a heating network. They represent heat generation, heat transport, heat storage and the thermal boundary conditions.
  • the powers P generated in the conductors and the encapsulation are transmitted to the environment by radiation and convection and by heat conduction along the conductor track or the capsule. Depending on the thermal resistance R and the power P, there is an excess temperature Dq. Heat transfer
  • Heat conduction According to Fourier's law of heat conduction, the transported heat output PL changes linearly with the spatial change in temperature when there is no additional heat source.
  • the proportionality factor is referred to as thermal conductivity l.
  • the section length L and the cross-sectional area A significantly influence the transported heat output.
  • the heat output by conduction can be simplified as follows.
  • the thermal energy by convection is calculated via the relationships between the material properties of the cooling medium, the flow and the heat transfer to other media, arrangements and temperature ranges. To do this, there are dimensionless similarity numbers
  • Prandtl number (abstracted from the flow medium) with v as flow velocity, v as viscosity, ß as volume expansion coefficient, g as gravitational acceleration, C p as specific capacity and d as density.
  • Rk a kOk ⁇ ⁇
  • the process can be calculated iteratively depending on the temperature in the heating network.
  • the ohmic resistance heats up all sections through which current flows. Current heat losses occur due to the operating current and capsule losses due to induction in the capsule (hysteresis, induction and eddy current losses).
  • the resistance Ri a depends both on the cross-sectional area A and on the specific resistance of the conductor p, the section length I, the type of current (current displacement factor k) [5] and the conductor overtemperature Dq [6] ).
  • the heat capacity C results from
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a method for controlling and regulating a point heater and of providing a corresponding device which overcomes the disadvantages of the prior art and with which an additional outlay for sensors is avoided and the associated outlay on maintenance is reduced.
  • a method for controlling and regulating a point heater (1) comprising at least one heater (14) arranged on at least one point (3), at least one point temperature sensor (28) on the at least one switch (3), has at least one energy distribution with at least one heating outlet per switch (3) and at least one control device for controlling and regulating the switch temperature, comprising the steps:
  • the turnout segment of the at least one turnout ( 3) has a stock rail (7), a tongue rail (8), a sliding chair plate (9) and at least one heating device (14), and disassembly of the at least one switch segment into individual sections, each with at least one first node, which has at least one functionally relevant point ( 19) corresponds to the turnout segment of the at least one turnout (3) in winter, the functionally relevant point (19) having at least one evaluation point (37, 38, 39, 40, 41, 42, 43), the at least one switch segment representing the at least one switch (3) thermodynamically,
  • the at least one switch segment being arranged in the vicinity of the at least one switch temperature sensor (15, 18),
  • a parameterizable set point temperature by a set point temperature Correction factor is increased until the respective calculated turnout temperature of the turnout (3) corresponds at least to the minimum turnout temperature of the turnout (3),
  • the optimal specific performance is increased in the case of a deficit and the optimal specific performance is reduced in the event of a deficit.
  • a point heater (1) depending on existing or specified project-specific parameters or weather conditions by means of the heat network model according to the invention for one point segment each for the left side (5) of a point (3) and / or for the right side (6) to heat a switch (3), in particular for adjacent ( on ) and remote (from) tongue rails (8), in the areas of the switch tip (16), the switch center (17) and the switch end (18).
  • All specific power losses on the turnout segments can be determined with appropriate parameters and the optimal turnout temperatures (T op ) at nodes (K), each representing a functionally relevant point (19) of the turnout segment in winter.
  • the method according to the invention is basically designed to create the heat network model according to the invention alone with a switch segment for the left side (5) of a switch (3) or for the right side (6) of a switch (3).
  • one of the two sides (5, 6) of the switch (3) is considered and it is assumed that the selected side (5, 6) of the switch (3) is the more positive of the two sides with regard to the heating process (5, 6) the switch (3).
  • a necessary reserve is thus included.
  • the heat network model according to the invention is created with one turnout segment each for the left side (5) of a turnout (3) and for the right side (6) of a turnout (3), since this still has the potential of the present invention can be better exploited.
  • the particularly preferred variant is assumed, without excluding the possibility of viewing a turnout segment for only one side.
  • the power of the individual heating devices (29) required during operation of the point heater (1) can be calculated via the specific power of the length of a point segment, by evaluating the point temperature of the point (3) on each point segment on the left side (5) and the the right side (6) determines the position of the switch, i.e. the tongue rail adjacent or lying, and the output of the heating device (29) for the left side (5) and the right side (6) are adjusted so that the functionally relevant points ( 19) of the switch (3) have the same switch temperatures over their entire length and thus, with a maximum of the same output of the heating device (29) compared to the prior art, a higher availability in winter is achieved over the entire operating temperature range in the automatic operation of the switch heater (1).
  • the entire switch (3) is representatively represented by at least one switch segment, which includes both the left side (5) of the switch (3) and the right side (6) of the switch (3).
  • the heating network (26, 27) according to the invention can be formed over a representative cross section of the switch (3), with which the heating of the entire switch (3) is carried out as evenly as possible and not only individual areas or one side of a switch as in State of the art.
  • the availability of the point heater is increased by the present invention, whereas in mild winters or weather periods without extreme weather conditions, significant energy savings can be realized and power peaks in the network can be avoided.
  • the method according to the invention is carried out as a function of existing or predefined project-specific parameters or weather conditions, by means of the heat network model according to the invention for one turnout segment for adjacent ones
  • the power of the heating devices (14) required during operation is calculated via the specific power (P) of the length of switch segments (l seg ) and by evaluating the calculated optimum switch temperature (T op ) on each switch segment on the left side (5) of the Turnout (3) and on the right side (6) of the turnout (3) the position of the turnout (3), i.e. the position of the tongue rail (8) adjacent ( on ) or remote (down), determined, preferably at the evaluation point head - Tongue rail (41).
  • the output of the heating device (14) for the left side (5) of the turnout (3) and the right side (6) of the turnout (3) is adjusted so that the functionally relevant points (19) on the turnout segments turnout tip (16), Turnout center (17) and turnout end (18) of the left side (5) and the right side (6) have the same real turnout temperatures (Tw) which correspond at least to the melting temperature of snow and / or the turnout minimum temperature.
  • T m m Minimum rail temperature (T m m) of the switch (3) to be heated, taking into account the melting capacity (Tsm) of snow and the evaporation capacity of water. Measures are taken if this time is too long or the amount of snow (hs) present during this time is not completely melted.
  • the switch heater (1) is equipped with an additional one "Preheating" heating request is activated with a second calculated rail set temperature (Tsoii-vor) of the switch (3) so that the conditions are met when the heating request actually occurs. This is done in advance, instead of just reacting to changing weather conditions, as is the case in the prior art.
  • a first pair of heating devices (14), for example the heating devices (14) on the stock rails (7), are preferably activated with an optimal specific heating power (P op ) and are reached when they are reached the target rail temperature (Ts oii ) of the switch (3) activates a second pair of heating devices (14), for example on the tongue rails (8) or the sliding chair plates (9).
  • the first pair of heating device (14) and the second pair of heating device (14) are activated with a time delay or with proportional specific power, by in two-point control in the heating breaks of a pair of heating devices (14) the other pair of heating devices (14) is activated or group operation or power reduction takes place depending on the type of heating device (14).
  • a turnout segment is arranged in the vicinity of a turnout temperature sensor (28) and the turnout temperatures (Tw) of the turnout (3) recorded over time are verified with calculated optimal turnout temperatures (T op ).
  • the calculated optimal switch temperatures (T o ) of the switch (3) are corrected using the power of convection heat (PK) or the power of radiation (Ps t ).
  • the calculation is carried out using the heat network model according to the invention for a turnout segment using a microcontroller for a turnout (3) or for a plurality of turnouts (3) of a turnout heater (1) according to the invention, the microcontroller being arranged directly next to the turnout (3) and above
  • the microcontroller contains switching devices or control devices for switching and controlling the heating devices (14) depending on the type of heating devices (14).
  • the method according to the invention further comprises step h) calculating the specific melting capacity for the amount of snow calculated on the switch segment during the heating time from a reported snow depth per unit of time and calculating the specific maintenance capacity Maintenance of the melting temperature on the switch segment and comparison of the sum of these with the real specific power of the heating device (14) and, if the real specific output of the heating device (14) is lower, activation of the point heater (1) with a second set point temperature which is so high that the specific output of the heating device (14) during operation is at least equal to the sum of the specific melting output and the maintenance output.
  • Heat generating elements the specific power of the at least one heating device (29) with a heat store of the turnout segment and heat transfer by heat radiation.
  • the heat transfer elements comprise thermal resistances on the switch (3) from the material properties, the geometric sizes and the prevailing loads due to heat transfer and the environment on the at least one switch segment. This development advantageously results in less effort for the calculation software.
  • step f) of the method according to the invention can preferably
  • the heating-up time for the heating of the at least one turnout segment is calculated from the sum of individual heating times for the at least one turnout segment for the heating thereof, for the melting of snow and for the evaporation of water thereon, and / or
  • the heating-up time is increased by increasing the power ratio and / or switching from control mode to continuous operation and / or is reduced by reducing the power ratio. If the heating-up time is longer than 20 minutes, for example, the function of the switch (3) in winter is not only at risk in the 20 minutes, but also because the snow forms a kind of igloo and the switch heating (1) is unable is to melt it afterwards.
  • the method according to the invention further comprises the steps when the heating is active
  • the calculation of the heating time in step f) can advantageously include the sub-steps
  • f2) calculating the time Ui for heating the at least one switch segment from the switch temperature of the cold rail of the switch (3) and the melting temperature to the minimum switch temperature at at least one node, f3) calculating the time t A 2 for melting the amount of snow during step f2) from the difference from the existing specific power minus the power to maintain the minimum switch temperature of the at least one turnout segment, f4) calculating the time U3 for melting the fallen snow during step f3) from the difference from the existing specific power minus the power to maintain the minimum switch temperature of the at least one turnout segment,
  • step f) The calculation of the heating time in step f) described above enables monitoring and early reporting of functional deficits in the point heater (1) instead of the occurrence of a fault.
  • a partial aspect of the method according to the invention relates to a determination of the operating limit ambient temperature (GW-T U ) of the point heater (1), comprising
  • An advantage according to the invention is that existing point heaters can be individually and optimally adapted to the changed weather conditions.
  • Another partial aspect of the method according to the invention relates to a determination of the operating limit of the amount of snow (Gw-hs) of the point heater (1), comprising
  • a further partial aspect of the method according to the invention relates to a project-specific dimensioning of the heating devices (29) and their required specific performance, comprising
  • the required melting output in the heating time which is calculated from the minimum ambient temperature until a rail temperature of at least 0 ° C is reached, for the amount of snow results from the product of heating time and snow depth per hour, and corresponds to the evaporation capacity of the remaining melt water and the required specific maintenance capacity for a rail temperature of 0 ° C at the functionally relevant points of the at least one turnout segment.
  • switch heaters (1) can be designed according to the specific local environmental conditions, for example in the mountains differently than in the flatlands.
  • the above-mentioned object is achieved by a device for controlling and regulating a point heater (1), the point heater (1) having at least one on at least one point
  • heating device (14), at least one switch temperature sensor (28) on the at least one switch (3) has at least one energy distribution with at least one heating outlet per switch (3) and at least one control device for controlling and regulating the switch temperature, comprising:
  • a CPU for calculating the switch temperatures of the switch (3) for at least one switch segment, which is connected to the control device via communication means,
  • At least one junction box located away from the switch (3), which has at least one switching device that is connected via lines to the heating devices (29) of the switch (3), and measuring means for temporally recording the operating current, voltage and insulation resistance and means for limiting of maximum performance,
  • connection box at least one communication means, which is arranged in the connection box and connected to the control unit,
  • At least one precipitation sensor to record the type of precipitation
  • the device according to the invention basically has the same advantages as the method according to the invention.
  • the device according to the invention provides the apparatus basis for representing a turnout (3) representatively by a turnout segment, which includes both the left side (5) of the turnout (3) and the right side (6) of the turnout (3) .
  • the heating network (26, 27) according to the invention can be formed over a representative cross section of the switch (3), with which the device according to the invention heats the entire switch (3) as evenly as possible.
  • 0 is a schematic plan view of a switch 3
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a switch segment with adjacent tongue rail 10 and tongue tongue 11,
  • FIG 3 shows a schematic representation of a heating network 26, 27 according to the invention for a turnout segment of the turnout 3 consisting of stock rail 7, tongue rail 8, sliding chair plate 9 and heating device 14,
  • FIG. 5 shows an example of a program flow chart for dimensioning the output of a heating device 14 as a function of project-specific operating limit values.
  • Fig. 6 shows an example of a program flow chart for evaluating the function of the point heater 1 depending on the weather and thus proof of the availability of the point switch 3 in winter with the existing power of the heating device 14 and
  • FIG. 7 shows an example of a program flow chart (distributed over two pages for a better overview) for the control and regulation of a point heater 1 according to the invention.
  • the invention is described in detail below, this description not restricting the scope of protection of the patent claims on the basis of specific embodiments.
  • the present invention consists, among other things, in the control and regulation as well as the dimensioning of the heating devices 14 and the determination of operating limits of existing switch heaters by evaluating the switch temperatures of the switch 3 at the functionally relevant ones Place 19 of the switch 3 in winter for the switch heater 1 according to the invention by means of calculation.
  • this takes place via the heat network 26 of the left side 5 of the switch 3 and via the heat network 27 of the right side 6 of the switch 3 for at least one switch segment, analogously to electrical flow fields, by controlling and regulating the specific power of the heating device 14 of the switch heater 1 according to the invention by evaluating temperatures calculated at the turnout segment turnout tip 34, turnout segment turnout center 35 and turnout segment turnout 36 for the left side 5 of the turnout 3 and the right side 6 of the turnout 3 as a function of the turnout position, that is, for temperatures adjacent to the stock rail Tongue rail 10 and for remote tongue rail 1 1, and takes place depending on the weather.
  • the calculated optimal turnout temperatures T op of the turnout 3 are compared with the course over time of the real turnout temperature Tw of the turnout 3 detected by a turnout temperature sensor 28 from at least three measured values after the dead time of a heated rail has expired with the turnout temperature sensor 28 of at least one turnout 3.
  • this time course is corrected via convection losses and radiation power.
  • the above-mentioned objects are achieved by thermal modeling of the temperature profile with division of the switch 3 into switch segments of the left side 5 and the right side 6 for the areas of the switch tip 16, switch center 17 and switch end 18 which are characteristic of the function, taking into account the distance between stock rail 7 and tongue rail 8 due to the switch position, the rail profile, the type of sliding chair plate 9 with or without rollers, the type of precipitation and the Precipitation amount, the wind speed and the ambient temperature as well as a possible thermal insulation or wind insulation.
  • the time course of the switch temperatures T op of the switch 3 and the specific power losses for the switch segments during operation with the respective specific power of the heating device 14 and the specific power losses are calculated using iterative solution methods and compared with the time course of the real switch temperatures Tw of the switch 3 recorded via switch temperature sensors 28. In the event of differences, these are corrected taking into account a tolerance and evaluated at functionally relevant points 19 of the switch 3, which are decisive for the function of the switch 3 in winter, so that when operating with determined weather-dependent optimal specific power, the heating device 14 is activated and at these Set a minimum rail temperature T min of the switch.
  • a uniform heating of the left side 5 of the switch 3 and the right side 6 of the switch 3 is thus achieved over the entire length of the switch 3 with a minimal use of energy, thus ensuring high availability in winter.
  • the required specific power of the heating device 14 is determined on the basis of local borderline environmental conditions.
  • the point end temperatures T wn of the point 3 in the case of existing point heaters are determined at functionally relevant points 19 at maximum limit values of the environmental conditions at which the point heater 1 in question, with the specific power of the heating devices 14, is just barely operating in winter works. This enables the operator to decide whether this operating limit is sufficient or not sufficient for his weather conditions.
  • the required specific power of the heating device 14 for a length of, for example, one meter, which is required for the heating devices 14, is to be calculated with a program, so that the switch heating according to the invention 1 works successfully with these limit values in winter. This means that the switch 3 is kept free of snow and does not freeze.
  • minimum rail temperatures of the switch 3 are defined at the functionally relevant points 19 of the switch 3 and the power losses under these conditions from heat radiation 30,
  • This determination is carried out in such a way that, for a given rail profile, for example R54, minimum ambient temperatures and maximum amount of snow are specified, and for functionally relevant points 19 of switch segments at switch tip 34, switch center 35 and switch end 36, the temporal course and the power loss of the heat pipe 33, the melting power and the evaporation power Pv calculates and evaluates the optimal switch temperatures (T op ) and recognizes whether the entire amount of snow is melted.
  • the following project-specific entries are entered which represent the operating limit of the point heater 1 according to the invention, ie in which the function of the points 3 should still be guaranteed in winter:
  • Switch profile e.g. R54 with different dimensions and weight at the turnout tip 16, turnout center 17 and turnout end 18,
  • the calculation of the final values of the power losses for the switch segment right side 6 of the switch 3 and the switch segment left side 5 of the switch 3 takes place at a switch end temperature of the switch 3 which is at least the absolute sum of the minimum rail temperature T m in the switch 3 or the ambient temperature Tu and the lower set point temperature (e.g. 7 ° C minus 4 ° C hysteresis results in 3 ° C), the minimum rail temperature of the soft 3 of the heated rails, e.g. stock rails 7 left and right (e.g.
  • node K stock rail base and / or the parameterized minimum temperature at the functionally relevant ones Places 19, for example, corresponds to + 1 ° C., the sum of the power losses corresponding to the required specific power of the heating device 14 in watts per meter for a length of the heating device 14.
  • the horizontal areas of the turnout segment and the average density of snow e.g. of 100 kg / m 3 , at air temperatures below 0 ° C and 200 kg / m 3 at air temperatures above 0 ° C and an average specific heat of fusion of e.g. 335 kJ / Kg the required melting capacity for the amount of snow is determined in one hour.
  • Snow begins to melt at 0 ° C.
  • the total required specific power of the heating devices 14 results from the sum of the power losses at, for example, 0 ° C. and the melting power of the amount of snow, which, for example, 0 ° C. on the foot-rail rail between the start of heating and reaching the minimum rail temperature T min of the switch 3 is.
  • the amount of snow fallen is determined from the amount of snow recorded and the time until the minimum rail temperature T min of the switch 3, which corresponds to the melting temperature of snow, is reached.
  • a successful function of the switch heater 1 according to the invention in winter is to ensure a minimum rail temperature T Mm of the switch 3 on the left side 5 of the switch 3 and right side 6 of the switch 3 at the functionally relevant points 19 of the switch 3, the minimum rail temperature T Mm of the switch 3 Melting temperature of ice and snow corresponds.
  • Tongue rail head (index Ko-Zu)
  • the function of the switch heater 1 according to the invention is evaluated positively if the following conditions are met.
  • the factor k takes into account temperature differences due to heat conduction between the locations T Fu-Ba> T target
  • typical turnout segments are evaluated for the left side 5 of turnout 3 and the right side 6 of turnout 3 via the areas turnout tip 35, turnout center 36 and turnout end 37 left side 5 of the turnout 3 and the right side 6 of the turnout 3 of a turnout segment, for example:
  • the following measures can be activated to ensure the function of the switch 3 with minimal energy consumption over the entire operating range.
  • an early warning message or message change the turnout 3 and / or preheat to a low rail setpoint temperature of the turnout 3, so that in extreme weather conditions such as heavy snowfall the snow melts immediately.
  • the switch heater 1 For the successful functioning of the switch heater 1 according to the invention, uniform heating of the functionally relevant points 19 of the switch 3 of the adjacent and remote tongue rail 8 is required. Since the switch 3 is continuously changed in operation depending on the direction of travel and no sensors for detecting the position of the tongue rail 8 are possible for the switch position, it is proposed to evaluate the calculated time course of the switch temperature of the switch 3 on the left side 5 of the switch 3 and on the right side 6 of the switch 3 to detect the position of the tongue rails 8.
  • additional heating regime "preheating" is activated, for example in the event of possible extreme weather conditions, via separate weather data from a local weather station or via a weather service in such a way that a second rail setpoint temperature Switch 3 is calculated and the switch heater 1 according to the invention is switched into operation via preheating and is regulated to this second rail setpoint temperature of the switch 3, the second rail setpoint temperature of the switch 3 being so great that when the actual weather extremes occur, the snow melts and the function of the Switch 3 guaranteed and if the extreme weather does not occur, the preheating is ended.
  • the heating devices 14 are always activated one after the other during operation, i.e. First activate the heating device 14 of the first rail with a power ratio of 100% and after reaching the desired rail temperature of the switch 3 Activate the heating device 29 of the second rail in the heating breaks of the heating device 14 of the first rail and in normal operation, i.e. if both rails have target rail temperature of the switch 3, group operation or wave packet control or simultaneous heating operation of all the heating devices 14, 29 takes place with reduced specific power or active heating time, the sum of the specific power of the heating devices 14, 29 of the left side 5 of the switch 3 and the right Page 6 of the switch 3 correspond at most to the specific performance of the heating device 14.
  • a switch 3 is shown schematically in plan view in FIG.
  • the turnout 3 is divided into turnout tip 16, turnout center 17 and turnout end 18.
  • Back rails 7 and tongue rails 8 are shown.
  • the assignment of the right side 6 of the switch 3 takes place from the tongue tip 16 in the direction of view (reference number 2) to the switch end 18.
  • On the left side 5 of the switch 3 is the remote tongue rail 11 and on the right side 6 of the switch 3, the adjacent tongue rail 10 is shown.
  • a switch temperature sensor 28 is arranged on a stock rail 7, here on the left side 5 of the switch 3.
  • a turnout segment turnout tip 34 In the area of the turnout tip 16 there is, for example, a turnout segment turnout tip 34, in the area of the turnout center 17 there is a turnout segment turnout center 35 and in the turnout area 18 a turnout segment turnout end 36 is arranged for the left side 5 of the turnout 3 and the right side 6 of the turnout 3 .
  • the turnout temperature sensor 28 is located on the turnout tip on the right side 6 of the turnout 3 or on the left side 5 of the turnout 3.
  • the support lugs 13 present in the support lug area are also shown; these serve to support the tongue runner 8 on the side of the adjacent tongue rail 10 compared to the stock rail 7 when driving the tongue rail 8 by train.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional illustration of the switch 3 from FIG. 0 on the switch segment switch tip 34 with the left side 5 of the switch 3 and the right side 6 of the switch 3.
  • the remote one On the left side 5 of the switch 3 is the remote one
  • Tongue rail 11 and on the right side 6 of the switch 3 the adjacent tongue rail 12 is shown.
  • the functionally relevant points 19 of the switch 3 in winter are shown on the left-hand side 6 of the switch 3 by the evaluation points (37 to 43.
  • These function-relevant points 19, characterized by the evaluation points 37 to 43 in winter at negative ambient temperatures, are to be identified by the switch heater 1 according to the invention are heated in such a way that the snow or ice thereon is melted.
  • the evaluation points 37 to 43 on the left side 5 and on the right side (69 of the switch of the switch 3 are the evaluation points foot-jaw rail 37, web-jaw rail 38, Head-
  • the turnout temperature sensor 28 is arranged on the left stock rail 7 between two sleepers 24 and the real turnout temperatures Tw detected on the stock rail 7 on the left side 5 of the turnout 3 can be calculated with the calculated optimal turnout temperatures at this function-relevant point 19 with the calculated optimal turnout temperatures T w. op compared and corrected for differences.
  • the route of the switch 3 is continuously changed by adjusting the tongue rails 8, on the left side 5 of the switch 3 and on the right side 6 of the switch 3 the tongue rail 8 is alternately attached or detached from the stock rail 7. Sensors for detecting the position of the tongue rail 8 are not available.
  • the detection of the position of the tongue rails 8 on or against the stock rails 7 is carried out by evaluating the calculated optimum switch temperatures T w- 0p at respective evaluation points of the functionally relevant points 19, preferably at the evaluation point head-tongue rail 41.
  • the switch is made with a heating device 14 on the stock rail foot heated.
  • the heating is switched off with two-point control and after a slight overshoot of the real switch temperature due to the mass of the rail up to time t 7, it cools down to time te and the heating current (I N ) becomes at this time switched on again.
  • the time from ti to t is referred to as the heating time t A and the time from te to tg with the control time.
  • the sliding chair plate lying away from the heating device and not provided with heating device 14 is only heated very slowly and at the time te has a very low real switch temperature T w- outer GL , which is far below the set point temperature.
  • the parameterized hysteresis of, for example, 4 ° C switches off the heating current for all the heating devices of the switch, so that cooling also begins on the sliding chair plate.
  • the switch temperature difference ATw at the time te between the stock rails and the sliding chair platform is very large. This
  • Switch temperature difference DT w is so great at an ambient temperature of e.g. - 15 ° C that the switch temperature on the outside of the sliding chair plate is less than 0 ° C even after a very long time and the switch sets ice at this point and can freeze.
  • FIG. 2 shows the time profile of the heating current I N when the heating request is on, which turns on and in during operation between zero and maximum heating current IN depending on the switch temperature at the base of the stock rail is switched off and this results in power peaks between zero and nominal current.
  • the temperatures are measured on the turnout temperature sensor (28) and for evaluating or correcting the calculated optimal turnout temperatures.
  • FIG. 3 shows a heat network 26 according to the invention for the switch 3 of the switch 3 for the left side 5 of the switch 3 and partially an analog heat network 27 for the right side 6 of the switch 3 corresponding to a sectional view according to FIG. 1 at any area of the switch 3, which are connected via the node K ambient temperature K TU .
  • Heating devices 14, 29 are arranged, for example, on the inside of the stock rail 7 on the stock rail foot.
  • the heating network 26 for the left side 5 of the switch 3 and the heating network 27 for the right side 6 of the switch 3 are based on a sectional view along the sliding chair plate 9 on the left side 5 of the switch 3 and the opposite sliding chair plate 9 on the right side 6 of the Turnout 3 and the cross section of the stock rail 7 and the tongue rail 8 on the left side 5 of the turnout 3 and the stock rail 7 and tongue rail 8 on the right side 6 of the turnout 3 on any turnout area 4 of the turnout 3 with symbols heating device 29, symbols heat radiation 30 , Symbols convection 31, symbols heat conduction 33 and symbols heat storage 32 between the functionally relevant points 19 of the switch 3, which are represented by node K.
  • the heating network 26 of the left side 5 of the switch 3 there is a heating network between the ambient temperature Tu, which is represented by node K ambient temperature K TU , and functionally relevant points 19, which are also represented by node K, which is calculated using known rules .
  • the nodes K for the functionally relevant points 19 of the switch 3 for the heating network 26 for the left side 5 of the switch 3 and for the heating network 27 for the right side 6 of the switch 3 are the same and correspond to the evaluation points 37 to 43, but the power losses of adjacent tongue rail 10 and remote tongue rail 11 are different.
  • the following table shows the relationship between the functionally relevant points 19, the corresponding node K and the required switch temperature Tw, which is calculated at the respective node K with the designation T w- op and is evaluated in a separate program for the heating network 26 for the left side 5 of the switch 3.
  • the heating network 27 for the right side 6 of the switch 3 is connected analogously to this and via the node K ambient temperature K TU .
  • the turnout segment is broken down into sections and each section is represented by a node K, which indicates the average turnout temperature Tw of the assigned section.
  • the size of the sections or the number of nodes K depend on the required replication accuracy.
  • the power losses and heat resistances and heat capacities are calculated from the material properties, the geometric sizes and the prevailing loads from heating current I N and the environment.
  • the connection of the nodes K through resistors, capacitors and voltage sources creates a network that can be solved numerically using the set of nodes and meshes. If the power balance is created for a node K, the Kirchhoff theorem (node set) applies.
  • the heating time U is first shown. If the conditions for the heating operation are fulfilled, for example in the case of snow, the heating is put into operation via the heating request signal from the control unit and the heating devices 14 on the stock rails 7 are switched on and, after the desired setpoint temperature Tsoii has been reached, controlled via two-point control with hysteresis, and thereby the parts of the switch 3 warmed.
  • the tongue rails 8 and sliding chair plates 9, which are not provided with a heating device 14, are heated by heat conduction and radiation.
  • the heating time U begins when the heating is activated and ends when the set point temperature Tsoii is reached at a point temperature sensor 28 which is arranged under the base on a stock rail 7.
  • the duration of the heating-up time U depends on many factors and should be calculated, monitored and measures taken if necessary to ensure availability.
  • the heating time U is calculated for at least one turnout segment for the left side 5 of the turnout 3 and the right side 6 of the turnout 3 in several steps, taking into account times in which the turnout segment is heated up to the minimum turnout temperature Tw-min of the turnout 3, Melt snow, evaporate water and then up to switch point temperature Tsoii of switch 3.
  • Tw-min minimum turnout temperature
  • Tsoii switch point temperature
  • FIG. 4 the course over time of the turnout temperature Tw-Fu-Ba of the turnout 3 at the foot of a stock rail 7 and the turnout temperature T W-GL- SU outside of the turnout 3 of the sliding chair plate 9 on one side, for example the left side 5 of the turnout 3.
  • the individual time periods are explained below. Due to the inertia there is a dead time ⁇ t of ti to t 2 during operation. The dead time ⁇ t is calculated.
  • the heating time U is the time until the melting temperature of snow is reached until time 12 . 1. From time t 2 , the switch 3 is heated to the melting temperature Ts, which is reached at time t 2 .1. The heating time U is calculated using the thermal resistance R th and thermal capacity Ct h and the determined using the heating network model Power loss of the switch 3 on the basis of the time course starting from the switch temperature of the cold rail TK of the switch 3 until the melting temperature Ts is reached, for example using the formulas
  • the time for melting the amount of snow that has fallen or is required for specific projects consists of two partial times U2 and t A 3.
  • the time for melting the amount of snow is calculated from time ⁇ A I and during time t A 3, that during time t A 2 fallen snow amount calculated.
  • the melting capacity per hour is calculated from the amount of snow hs and the horizontal surfaces of the turnout segment and an average density of snow, e.g. from 100 kg / m 3 at air temperatures below 0 ° C and 200 kg / m 3 at air temperatures above 0 ° C and one average specific heat of fusion of, for example, 335 kJ / kg. Snow begins to melt at 0 ° C.
  • the specific power is therefore calculated, for example, at a switch temperature of 0 ° C. on the stock rail 7, taking into account the required optimal specific power of the heating device 14 for maintaining the melting temperature of the stock rail 7, which corresponds to the sum of the power losses at this melting temperature.
  • the total heating time tA2 plus ⁇ AN H3 for melting the total amount of snow from the heating time t Ai and the heating time t A 2 is calculated from the product of the melting capacity per hour and the sum of time ⁇ AN HI and time ⁇ AN H2 and dead time tr .
  • the heating time t A 4 begins at time 1 2.3 and ends when the target rail temperature Tsoii of the switch 3 is reached by the switch temperature sensor 28.
  • the heating time t A 4 is calculated on the basis of the thermal resistance R th and thermal capacity C th and the heat loss based on the heat loss the course of time starting from the melting temperature to reaching the set point temperature analogous to point 1 with a corresponding absolute point temperature from the difference between the set point temperature and the melting temperature.
  • the heating time t A 5 the snow from the heating time t A 4 is melted.
  • the calculation is carried out analogously to the heating time t A 2 or t A 3.
  • the total heating time t A lasts from time ti to t 7 and is determined and evaluated from the sum of dead time and heating times txi to t A 5.
  • FIG. 5 shows a program sequence for the dimensioning of a point heater 1 according to the invention with calculation of the required specific output of the heating devices 14 as a function of all possible project-specific input values, parameters and environmental conditions.
  • Step 2 entering parameters
  • the parameters are: minimum ambient temperature Tu-min
  • Step 3 parameterize function-relevant positions
  • Switch temperature head-cheek rail on and off (T ko-Ba-an, T ko-Ba-ab) Switch temperature head-tongue rail on and off (T ko-zu-an, T ko-zu-ab) Switch temperature outside of the chair on and off (T GL-au-an , Tc L-au-ab ) Specific amount of snow on and off (h S-an, h S-ab) at the turnout tip 16, turnout center 17 and turnout end 18 of each turnout segment.
  • the heating devices 14 are to be attached, for example, to the stock rails 7, the heating devices 14 are installed on the rail foot, and the switch 3 is to be equipped without thermal or wind insulation.
  • Each functionally relevant location 19 is represented by a node K with a location not specified here.
  • Step 4 Calculate the switch temperatures and specific power losses
  • Step 5 Calculate specific power losses SRn h for others
  • Step 6 The required specific heating power P erf results from the sum of the power losses SRn h of each turnout segment.
  • the calculated turnout end temperature of the turnout 3 at the side of the foot rail Tw-Fu-Ba-an or remote side Tw-Fu-Ba-ab is less than the set point temperature Tsoii of the turnout 3, the result is the turnout temperature of the turnout 3 at the stock rail foot (T w- Fu-Ba) is too low, the target switch temperature Tsoii of the switch 3 is not reached, continue with step 9.
  • Step 9 Increase the specific power P of the heating device 14 by one
  • Power surcharge p of, for example, 10 watts per meter and repetition of the calculation after step 4.
  • Step 10 Check, is the calculated turnout temperature of turnout 3 at side Tw-Ko-Ba-an or remote side Tw-Ko-Ba-ab on head rail lower than the minimum turnout temperature Tw-Min of turnout 3? For example, if the calculated turnout temperature of the turnout 3 on the head-stock rail T op -Ko-Ba of the adjacent or remote side is lower than the parameterized turnout temperature Tw-Min, continue with step 9. If the calculated turnout temperature of the turnout 3 is on the head-stock rail and remote side (T op -Ko-Ba-an, T o P -Ko-Ba-ab) greater than or equal to the minimum rail temperature of the switch 3, continue to step 1 1.
  • 1 1st step Check, is the calculated turnout temperature of the turnout 3 on the side T o -Ko-zu-an or remote side Tw-Ko-zu-ab lying on the head-tongue rail 21 lower than the minimum turnout temperature Tw- Min of the turnout 3? If "YES” go to step 9, if "No” go to step 12.
  • Step 12 Check, is the calculated turnout temperature of turnout 3 less than the minimum turnout temperature Tw-Min of turnout 3 on side Tw-GL-au -an or remote side Tw-GL-au-ab? If "YES” go to step 9, if "No” go to step 13.
  • Step 13 The amount of snow is melted
  • FIG. 6 shows the program sequence for the detection of the function of the point heater 1 according to the invention as a function of the minimum ambient temperature T u , the specific heater power P present, the set point temperature Tsoii of the point 3 at maximum wind speed v max for the rail profile R of the point 3 and a possible maximum amount of snow per hour hs-max and location of the heating devices 14 on the stock rail 7 and / or tongue rail 8 and / or sliding chair plate 9 are shown.
  • the limit of the function of the switch heater 1 according to the invention and thus the availability of the switch 3 in winter for a switch heater 1 which is implemented as standard can be determined and evaluated, and this also during operation with the current air temperature, amount of snow per hour and wind speed v.
  • Step 2 Enter the minimum expected ambient temperature Tumin, specific outputs of the heating device P, set point temperature Tsoii, maximum wind speed V max , rail profile R of the switch 3, maximum amount of snow per hour hs and location of the heating devices 14 on the stock rail 7 and / or tongue rail 8 and / or slide chair plate 9, switches minimum temperature T m in.
  • Step 3 The optimal specific performance heater fitting (left)
  • Step 4 For adjacent (left) side 5 of switch 3 and remote (right) side
  • a turnout segment is formed, each with a heat network model, the tongue rail 8, for example, being shown for the adjacent (left) side 5 of the turnout 3 and the tongue rail 8 for the lying (right) side 6 of the turnout 3 , and the calculation of the turnout temperature T of the turnout 3 at the time t6 of the heating time ⁇ A when the desired turnout temperature Tsoii of the turnout 3 is reached is calculated by calculating the power losses radiation Pst, convection PK, heat conduction PL, heat of fusion Psm and heat storage Pc with specific power heater P and by calculating the maintenance power at time t2.1 of the heating time ⁇ A when the minimum switch temperature T min of the switch 3 is reached.
  • Step 5 Output of the switch temperatures T and the sum of the
  • Step 6 Check, the calculated optimum switch temperature T of the switch 3 at the switch temperature sensor 28, e.g. on the left-hand side adjacent to the foot and cheek rail, and the remote (right) side 6, is greater than the desired setpoint temperature Tsoii of the switch 3, taking into account a factor k, for example of 1, 5? If "YES” go to step 7. If "NO” go to step 13 ..
  • Step 7 Check, is the calculated optimal switch temperature T of the switch 3 on the head-tongue rail (left side 5) and off (right side 6) greater than or equal to the minimum switch temperature of switch 3? If “YES” go to step 8. If “NO” go to step 13 ..
  • Step 8 Check, is the calculated optimal switch temperature T of the switch 3 adjacent to the outer sliding chair plate (left side 5) and remote (right side 6) greater than or equal to the minimum switch temperature of switch 3? If “YES” go to step 14. If “NO” go to step 13 ..
  • Step 9 determine the required specific power from the sum of
  • Step 10 Check is the required specific power of the adjacent (left)
  • Step 11 The amount of snow fallen is less than or equal to the melted one
  • Amount of snow The fallen snow is melted during the heating time.
  • Step 12 The amount of snow fallen is larger than the amount of melted
  • Step 13 Output deficit for adjacent and remote page with text not specified here.
  • Step 14 Output of the operating limit values with, for example, minimum values
  • the same program can be integrated into the open-loop and closed-loop control by reading the current ambient temperature, wind speed and amount of snow instead of minimum or maximum values and activating suitable corrective measures or warning messages.
  • a suitable correction is, for example, to arrange additional heating devices on the sliding chair plates 9 or tongue rails 8 and to activate the heating devices on them first, so that the possible problems are solved on account of the low mass.
  • FIG. 7 shows the program flow chart for the control and regulation of a point heater 1 according to the invention for a point 3 with rail profile R54 by calculating and evaluating the course over time of the point temperatures of the point 3, the point end temperature of the point 3 and the heating time t A in winter Ice cream and Snow correspond to functionally relevant locations 19 of a turnout segment with a specific length I seg for a left side and a right side at a point of the turnout 3 which is not specified in any more detail.
  • FIG. 7 correspond to the evaluation point foot-cheek rail 37, evaluation point head-tongue rail 41, evaluation point foot-tongue rails 40, evaluation point middle sliding chair plate 42 and evaluation point outer sliding chair plate 43 for the left side 5 of the switch 3 and the right side 6 of the turnout 3 over the length of the turnout 3, which are characterized by turnout areas 4 turnout tip 16, turnout center 17 and turnout end 18, each turnout area being characterized by a turnout segment left side 5 of the turnout 3 and an opposite turnout segment on the right side 6 of the switch 3 is represented.
  • the switch 3 is divided into the left side 5 and the right side 6, for example, from the switch tip 16 in the direction of the switch end 18.
  • the entry is made for a switch 3 with a heating device 14 with a specific power P of 330 watts per meter on the stock rails 7. Die
  • Soft target temperature of the filter 3 is 7 ° C
  • the soft minimum temperature Tw min of the switch 3 for the melting of snow on the switch 3 is v +/- 0 ° C and a minimum power ratio L parameterized by 40%, so that the optimum specific Power P op of the heater 14 is set to 330 W / m multiplied by 40% equal to 132 W / m at the start of operation.
  • the location of the turnout temperature sensor 28 W T is, for example, the left side 5 of turnout 3.
  • the operating range values are from the operator of turnout 3 with rail profile R54 for an ambient temperature down to - 20 ° C with a maximum wind speed of up to 0.8 m / s and one maximum amount of snow up to 5 cm / h. Up to these
  • the function of the switch 3 is to be ensured by the switch heater 1 according to the invention by ensuring the required minimum switch temperature T w- min at the functionally relevant points 19 and corresponding optimal specific power P op for melting the amount of snow hs.
  • Step 3 Read in soft segment 1 left side and right side of the current ambient temperature, turnout temperature, amount of snow, type of precipitation, amount of precipitation and wind speed.
  • Step 4 Calculate the turnout temperatures of turnout 3 and power dissipation in the power balance (stationary end value) at 6 nodes in the heat network model 26 for the left side 5 of the switch 3 and in the heat network model 27 the right side 6 of the switch 3. In addition, calculate the maintenance power at time t 2.i. (Power required to maintain the temperature at 0 ° C). Step 5. Check if there is a heating requirement due to snow or low ambient temperatures. If yes go to step 6 if no go to step 2.
  • Step 6 Check whether the current time is greater than the dead time. If yes go to step 7, if no go to step 8
  • Step 7 When the dead time has elapsed, measure the turnout temperature of turnout 3 using the turnout temperature sensor and compare it with the calculated turnout temperature at the respective node K and calculate the turnout end temperature using a time constant or model parameters.
  • Step 8 Check whether the switch temperature of the switch 3 head tongue rail on the left side is higher than the switch temperature of the switch 3 head tongue rail on the right side. If “Yes", the left side is the adjacent tongue rail 8 (assumption switch point head tongue rail is higher, so it is recognized whether the switch has been changed in the meantime).
  • Step 9 Check if left side or right side location of the
  • Switch temperature sensor is.
  • the left side is the location of the turnout temperature sensor 28.
  • On the side with turnout temperature sensor 28 continue with step 10
  • On the side without turnout temperature sensor continue with step 12. It is possible to equip both sides with turnout temperature sensors.
  • Step 10 Assign turnout temperature to adjacent side
  • Step 1 Check whether the calculated turnout temperature of the turnout is 3 feet
  • the stock rail attached to the turnout is equal to the real turnout temperature of the turnout 3-foot stock rail, taking into account a turnout temperature tolerance, if "No” go to step 19, if "Yes” go to step 12.
  • Step 12 Check that the calculated turnout temperature of the turnout is 3 feet
  • Stock rail is greater than the set point temperature of the turnout 3 plus a constant and minus the ambient temperature. If “No” increase the power ratio Lv by a factor of x (in the example 10%) and go to step 2, if "Yes” go to step 13.
  • Step 13 Check whether maintenance performance plus the heat of fusion Ps m is less than or equal to the optimal performance at time t. If “No” increase the power ratio Lv by a factor of x (in the example 10%) and go to step 2, if "Yes” go to step 14.
  • Step 14 Check whether the heating time of the base of the stock rail t A-Fu-Ba is less than or equal to the maximum heating time t A-max . If “No” increase the power ratio Lv by a factor of x (in the example 10%) and go to step 2, if "Yes” go to step 15.
  • Step 15 Check whether the temperature of the tongue rail head Tko-too is greater than or equal to the minimum switch temperature T min . If “No” increase the set point temperature Tsoii by a factor of y (in the example 0.5 K) and go to step 2, if "Yes” go to step 16.
  • Step 16 Check whether the temperature at the base of the TF U -Z U tongue rail is greater than or equal to the minimum switch temperature T min . If “No” increase the set point temperature Tsoii by a factor of y (in the example 0.5 K) and go to step 2, if "Yes” go to step 17.
  • Step 17 Check whether the temperature in the middle of the glider Tc L-mi is greater than or equal to the minimum switch temperature T min . If “No” increase the set point temperature Tsoii by a factor of y (in the example 0.5 K) and go to step 2, if "Yes” go to step 18.
  • Step 18 Check whether the temperature at the outer edge of the sliding chair Tc L-au is greater than or equal to the minimum switch temperature T min . If “No” increase the set point temperature Tsoii by a factor of y (in the example 0.5 K) and go to step 2, if "Yes” go to step 20.
  • Step 19 Correct the calculation from step 4 using a correction factor for adjusting the convection losses or radiation power. If the calculated turnout temperature of the turnout 3 foot stock rail is lower than the real turnout temperature of the turnout 3 foot stock rail taking into account a turnout temperature tolerance, the heat transfer coefficient convection a is reduced by the factor n (in example 1) and continue to step 4 If the calculated turnout temperature of the turnout 3 foot stock rail is greater than the real turnout temperature of the turnout 3 foot stock rail taking into account a turnout temperature tolerance, the wind speed V is increased by the factor n (in example 1) and continue to step 4.
  • Step 20 Output the optimal power P op -u for the left side of the switch 3 and the optimal power P op-Re for the right side of the switch 3 for the following cycle time t z.
  • the present invention specifies a method in which the heat network model according to the invention changes at least one heating device 14 by comparing the calculated point temperatures with parameterized point minimum temperatures, the target temperature and / or the specific power.
  • the heat network model according to the invention verifies the calculated switch temperatures by means of a comparison with switch temperatures detected by a switch temperature sensor 28 by correcting the power convection and / or the power radiation.
  • the heat network model according to the invention also generates a warning message in the control device before the operating limit for a control system is exceeded and on site.
  • the heating network determines the heating-up time before and during operation and activates an additional heating regime preheating via the control unit if, depending on the predicted environmental conditions via weather service, the maximum amount of snow is exceeded during the heating-up time and / or the amount of snow is not melted.

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Abstract

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung/Regelung einer Weichenheizung (1), die mindestens eine an zumindest einer Weiche (3) angeordnete Heizeinrichtung (14), zumindest einen Weichentemperatursensor (28) an der zumindest einem Weiche (3), zumindest eine Energieverteilung mit mindestens einem Heizabgang pro Weiche (3) und zumindest eine Steuereinrichtung zum Steuern/Regeln der Weichentemperatur aufweist. Dabei wird insbesondere ein Wärmenetz (26, 27) für das zumindest eine Weichensegment für die linke Seite (5) und/oder für die rechte Seite (6) der zumindest einen Weiche (3) gebildet, das Wärmeerzeugungselemente, Wärmeübertragungselemente und Wärmespeicher (32) aufweist. Der jeweils zumindest erste Knoten (K) der jeweiligen Abschnitte des zumindest einen Weichensegments wird mindestens einem Bewertungspunkt (37, 38, 39, 40, 41, 42, 43) zugeordnet.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Steuerung und Regelung einer Weichenheizung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung und Regelung einer Weichenheizung, insbesondere in Abhängigkeit von Witterung, Schienenprofil und Stellung der beweglichen Zungenschiene durch Berechnung und Bewertung der realen Weichentemperaturen an funktionsrelevanten Stellen der Weiche im Winter an mindestens einem Weichensegment zwischen Weichenspitze und Weichenende.
Fahrwegelemente, insbesondere Weichen, von schienengebundenen Fahrzeugen wie Eisenbahnen (Vollbahnen, Nebenbahnen, Schmalspurbahnen) oder Straßenbahnen werden mit Weichenheizungen bedarfsabhängig beheizt, um vor allem im Winter ein Einfrieren der beweglichen Teile bzw. deren Blockieren durch eingedrungenen Schnee und Eis zu verhindern und damit die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Bekannte Weichenheizungen beruhen auf Systemen mit Heißwasserdampf, Gasbeheizung oder elektrischer Energie.
Durch Weichenheizungen soll im Winter Schnee zwischen den Schienen der Weichen geschmolzen und das Festfrieren der beweglichen Zungenschiene an der festen Backenschiene und den Gleitstuhlplatten sowie das Zusammenpressen von Schnee zwischen den Schienen vermieden werden. Dazu werden Heizeinrichtungen mit spezifischer Leistung von beispielsweise 330 W pro Meter Schiene an den festen Backenschienen der Weiche angeordnet, und bei entsprechender Witterung wird die Heizung durch eine Wetterstation in Betrieb gesetzt und damit die Backenschiene am Standort des Weichentemperatursensors der Weiche bis auf eine Weichensolltemperatur in Zweipunktregelung mit Hysterese erwärmt.
Die Regelung solcher Weichenheizungen erfolgt herkömmlicherweise mittels eines Weichentemperatursensors an einer zentralen Weiche, der aufgrund der Funktion der Weiche an der unteren Fläche am Backenschienenfuß angeordnet ist. Hierbei besteht der Nachteil, dass im Betrieb nur am Standort des Weichentemperatursensors die Weichentemperatur der Weichensolltemperatur entspricht und die übrigen Teile der Weiche witterungsabhängige und von der Stellung der Zungenschiene, die an der Backenschiene anliegend oder abliegend sein kann, sowohl Temperaturdefizite als auch Temperaturüberschüsse auftreten können, die entweder zum Festfrieren und damit Versagen der Weiche oder zu hohem (unnötigen) Energieverbrauch führen.
Die herkömmlichen Weichenheizungen werden derzeit bei Heizanforderung mit 100 % spezifischer Leistung eingeschaltet und nach Erreichen der Weichensolltemperatur bis zum Erreichen einer Hysterese der realen Weichentemperatur abgeschaltet und wieder eingeschaltet. Die Folge im Heizbetrieb sind Leistungsspitzen zwischen Null und Maximalwert und maßgebliche Temperaturunterschiede den Backenschienen, Zungenschienen und Gleitstuhlplatten der rechten Seite und linken Seite sowie über die Länge der Weiche. Eine sichere Funktion der Weichen im Winter, insbesondere bei Wetterextremen, bei Wind, tiefer Umgebungstemperatur und starken Schneefall im automatischen Betrieb mit dem Stand der Technik nicht möglich.
Heizeinrichtungen nach dem Stand der Technik sind beispielsweise an den festen Backenschienen der linken und rechten Seite der Weiche auf dem Schienenfuß angeordnet und mit einer spezifischen Leistung von üblicherweise 330 W pro Meter über die gesamte Länge der Weiche ausgeführt. Die Wärmeübertragung auf die Zungenschienen und Gleitstuhlplatten der Weiche erfolgt durch Wärmeleitung bzw. Wärmestrahlung vom Standort der mit einer Heizeinrichtung versehenen Backenschienen. Im Betrieb werden an den Backenschienen und den Zungenschienen an linker Seite und rechter Seite der Weiche in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen und der Weichenstellung, d.h. abliegende bzw. anliegende Zungenschiene, sowie an den Gleitstuhlplatten unterschiedliche reale Weichentemperaturen erreicht. Bei tiefen Umgebungstemperaturen, Wettextremen und/oder Wind bestehen daher erhebliche Erwärmungsdefizite, so dass trotz Heizung funktionsrelevante Stellen der Weiche keine Null Grad bzw. keine positiven Weichentemperaturen erreichen und dadurch der Schnee an diesen Stellen nicht geschmolzen wird. In diesem Fall wird zunächst beim Stellen der Weiche der Schnee zwischen den Schienen, d.h. zwischen Zungenschiene und Backenschiene, verpresst und die Zungenschiene kann beim Stellen nicht mehr die Endlage erreichen bzw. friert fest und die Weiche kann nicht mehr umgestellt werden.
Unter Ausnutzung der Analogie zwischen einem elektrischen Strömungsfeld und einem thermischen Strömungsfeld (vgl. Tab. 1) werden Wärmeerzeugungsprozesse, Wärmeübertragungsprozesse und Wärmespeicherprozesse mit aus der Elektrotechnik hinreichend bekannten Netzwerken berechenbar. Die in Wärmenetzen auftretenden Nichtlinearen der Prozesse verlangen ein rechnergestütztes iteratives Lösungsverfahren .
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Tabelle 1 : Analogie zwischen thermischen und elektrischen Strömungsfeldern
In einem Wärmenetz treten Wärmequellen, Wärmewiderstände, Wärmekapazitäten und feste Temperaturen auf. Sie repräsentieren die Wärmeerzeugung, den Wärmetransport, die Wärmespeicherung und die thermischen Randbedingungen. Die in den Leitern und der Kapselung erzeugten Leistungen P werden durch Strahlung und Konvektion an die Umwelt und durch Wärmeleitung entlang der Leiterbahn bzw. der Kapsel übertragen. Abhängig vom thermischen Widerstand R und der Leistung P ergibt sich eine Übertemperatur Dq. Wärmeübertragung
In elektrotechnischen Anlagen wird die Leistung durch Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion übertragen. Strahlung [2]
Die zwischen zwei Körpern 1 und 2 ausgetauschte Strahlungsleistung wird mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz mit Os als Oberfläche des strahlenden Körpers und Cs = 5,67 W/m2K4 als Strahlungskoeffizient des schwarzen Strahlers berechnet.
Ps-C3 AL2 OS (IL _ IL·
''100 100
wobei sich die resultierende Emissionszahl e für sich umhüllende Körper (2 umhüllt 1) aus geometrischen Betrachtungen zu
Figure imgf000005_0001
ergibt.
Wärmeleitung [2] Nach dem Fourierschen Gesetz der Wärmeleitung ist im stationären Zustand die transportierte Wärmeleistung PL linear veränderlich mit der räumlichen Änderung der Temperatur, wenn keine zusätzliche Wärmequelle existiert. Der Proportionalitätsfaktor wird als Wärmeleitfähigkeit l bezeichnet. Die Abschnittslänge L und die Querschnittsfläche A beeinflussen die transportierte Wärmeleistung wesentlich. Im homogenen eindimensionalen Wärmeströmungsfeld kann die Wärmeleistung durch Leitung wie folgt vereinfacht werden.
Konvektion [3] n
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Die Wärmeenergie durch Konvektion wird über die Zusammenhänge zwischen den Stoffeigenschaften des Kühlmediums, der Strömung und dem Wärmeübergang auf andere Medien, Anordnungen und Temperaturbereiche berechnet. Dazu werden dimensionslose Ähnlichkeitszahlen
Reynolds-Zahl (abstrahiert von der erzwungenen Konvektion)
Grashof-Zahl (abstrahiert von der freien Konvektion)
Nußelt-Zahl (abstrahiert von der Wärmeübertragung)
Prandtl-Zahl (abstrahiert von dem Strömungsmedium) mit v als Strömungsgeschwindigkeit, v als Viskosität, ß als Volumendehnungskoeffizient, g als Erdbeschleunigung, Cp als spezifische Kapazität und d als Dichte gebildet.
Der Zusammenhang zwischen dem konvektiven Wärmeübergangskoeffizient K und der Strömungsgeschwindigkeit v wird über die Nußelt-, Prandtl- und Reynolds-Zahl hergestellt:
ak = f(Nu)=f(Re,Gr, Pr) Mit dem Newtonschen Wärmeübertragungsgesetz
Rk=akOk^ϋ
wird die durch Konvektion übertragbare Leistung berechnet.
Der Prozess kann temperaturabhängig m Wärmenetz iterativ berechnet werden.
Wärmeleistungen
Durch den Ohmschen Widerstand erwärmen sich alle stromdurchflossenen Abschnite. Es treten durch den Betriebsstrom Stromwärmeverluste und durch Induktion in der Kapsel Kapselverluste (Hysterese-, Induktions- und Wirbelstromverluste) auf.
Stromwärmeverluste
Werden Betriebsmitel vom Strom 11 durchflossen, wird, hervorgerufen durch die Materialeigenschaft des Leiters, dem Stromfluss ein Widerstand entgegengesetzt. Die dabei umgesetzte Leistung kann mit
P Lei = ^Lei
und
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berechnet werden. Der Widerstand Ria ist sowohl von der Querschnitsfläche A als auch von dem spezifischen Widerstand des Leiters p, der Abschnitslänge I, der Stromart (Stromverdrängungsfaktor k) [5] und der Leiterübertemperatur Dq [6]) abhängig.
Wärmekapazität
Die Wärmekapazität eines Leiterabschnites geht in die kalorimetrische Gleichung
Qc= 0Dϋ
ein. Durch Ableitung ist diese auf die Leistung umstellbar.
Die Wärmekapazität C ergibt sich aus
C=cm=c5V
mit dem Volumen V, der Dichte d und der spezifischen Wärmekapazität C. Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Einrichtungen haben folglich teilweise einen sehr hohen technischen Installations- und Wartungs-Aufwand bei gleichzeitig ungleichmäßiger und/oder unzureichender Beheizung wesentlicher funktioneller Teile von Fahrwegelementen. Es besteht daher die Notwendigkeit, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, ohne den technischen Aufwand weiter zu erhöhen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Weichenheizung anzugeben und eine entsprechende Einrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden und mit denen ein Mehraufwand für Sensoren vermieden und der damit verbundene Wartungsaufwand verringert wird.
Nachstehend wird die Erfindung im Detail beschrieben. Wenn in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenständliche Merkmale genannt werden, so beziehen sich diese insbesondere auf die erfindungsgemäße Einrichtung. Ebenso beziehen sich Verfahrensmerkmale, die in der Beschreibung der erfindungsgemäßen Einrichtung angeführt werden, auf das erfindungsgemäße Verfahren.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Weichenheizung (1) gelöst, wobei die Weichenheizung (1) mindestens ein an zumindest einer Weiche (3) angeordnete Heizeinrichtung (14), zumindest einen Weichentemperatursensor (28) an der zumindest einem Weiche (3), zumindest eine Energieverteilung mit mindestens einem Heizabgang pro Weiche (3) und zumindest eine Steuereinrichtung zum Steuern und Regeln der Weichentemperatur aufweist, umfassend die Schritte:
a) Definieren zumindest eines Weichensegments für die linke Seite (5) der zumindest einen Weiche (3) und/oder für die rechte Seite (6) der zumindest einen Weiche (3) mit einer spezifischen Länge, wobei das Weichensegment der zumindest einen Weiche (3) eine Backenschiene (7), eine Zungenschiene (8), eine Gleitstuhlplatte (9) und zumindest eine Heizeinrichtung (14) aufweist, und Zerlegen des zumindest einen Weichensegments in einzelne Abschnitte mit jeweils zumindest einem ersten Knoten, der zumindest einer funktionsrelevanten Stelle (19) des Weichensegmentes der zumindest einen Weiche (3) im Winter entspricht, wobei die funktionsrelevante Stelle (19) mindestens einen Bewertungspunkt (37, 38, 39, 40, 41 , 42, 43) aufweist, wobei das zumindest eine Weichensegment repräsentativ die zumindest eine Weiche (3) thermodynamisch abbildet,
wobei das zumindest eine Weichensegment in der Nähe des zumindest einen Weichentemperatursensors (15, 18) angeordnet ist,
b) Bilden eines Wärmenetzes (26, 27) für das zumindest eine Weichensegment für die linke Seite (5) der zumindest einen Weiche (3) und/oder für die rechte Seite (6) der zumindest einen Weiche (3), wobei das Wärmenetz (26, 27)
Wärmeerzeugungselemente, Wärmeübertragungselemente und Wärmespeicher (32) aufweist, und Zuordnen des jeweils zumindest ersten Knoten (K) der jeweiligen Abschnitte des zumindest einen Weichensegments zu mindestens einem
Bewertungspunkt (37, 38, 39, 40, 41 , 42, 43),
wobei alle Knoten (K) der einzelnen Abschnitte über Maschen zu dem Wärmenetz (26, 27) so verbunden werden, dass die Differenz aller vorzeichenbehafteten Temperaturen gleich Null ist,
c) Berechnen des zeitlichen Verlaufs einer optimalen spezifischen Leistung (Pop) des zumindest einen Weichensegments und der jeweiligen optimalen
Weichentemperatur an dem zumindest einen ersten Knoten der Weichenheizung (1) an dem zumindest einen Weichensegment über eine Leistungsbilanz gemäß eines Knotensatzes, und bei Betrieb Aktivieren dieser optimalen spezifischen Leistung an der zugehörigen Heizeinrichtung (14) mittels Produkt aus realer spezifischer Leistung der Heizeinrichtung (14), die der maximalen spezifischen Leistung entspricht, und einem Leistungsverhältnis, wobei das Leistungsverhältnis variabel zwischen 25 % und 100 % der realen spezifischen Leistung entspricht, d) Erfassen des zeitlichen Verlaufs der realen Weichentemperatur an dem zumindest einen Weichensegment mit dem zumindest einen Weichentemperatursensor (28) und Korrigieren der berechneten Weichentemperatur an einem der zumindest ersten Knoten des zumindest einen Weichensegments über Leistung Konvektionswärme wenn berechnete Weichentemperatur größer ist als reale Weichentemperatur oder Leistung Strahlungswärme des Wärmenetzes wenn berechnete Weichentemperatur kleiner ist als reale Weichentemperatur, e) Berechnen der Weichenendtemperatur an zumindest einem zweiten Knoten des zumindest einen Weichensegments und Vergleichen der berechneten Weichenendtemperatur mit einer parametrierten Weichenmindesttemperatur für diesen zumindest einen zweiten Knoten,
wobei bei Nichterreichen der Weichenmindesttemperatur der Weiche (3) eine parametrierbare Weichensolltemperatur um einen Weichensolltemperatur- Korrekturfaktor so lange erhöht wird, bis die jeweilige berechneten Weichenendtemperatur der Weiche (3) zumindest der Weichenmindesttemperatur der Weiche (3) entspricht,
f) Berechnen der Anheizzeit für das Erwärmen des zumindest einen Weichensegments bis zu der parametrierbaren Weichensolltemperatur der Weiche
(3) und Bewerten der berechneten Anheizzeit bei parametrierbarer Weichensolltemperatur,
wobei bei einem Defizit die optimale spezifische Leistung erhöht und bei einem Überschuss die optimale spezifische Leistung verringert wird.,
g) Berechnen der Anheizzeit für das Erwärmen des zumindest einen
Weichensegments bis zu der parametrierbaren Weichenmindesttemperatur der Weiche (3) und Bewerten der erforderliche spezifische Leistung aus
Erhaltungsleistung und Schmelzleistung für den bis dahin gefallenen Schnee mit der spezifischen Leistung (P) bei parametrierbarer Weichenmindesttemperatur, wobei bei einem Defizit die optimale spezifische Leistung erhöht oder eine Meldung
„gefallene Schneemenge ist zu groß und wird nicht geschmolzen“ erzeugt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eine Weichenheizung (1) in Abhängigkeit vorhandener oder vorgegebener projektspezifischer Parameter bzw. Witterungsbedingungen mittels des erfindungsgemäßen Wärmenetzmodells für jeweils ein Weichensegment für die linke Seite (5) einer Weiche (3) und/oder für die rechte Seite (6) einer Weiche (3), insbesondere für anliegende (an) und abliegende (ab) Zungenschiene (8), in den Bereichen der Weichenspitze (16), der Weichenmitte (17) und des Weichenendes (18) zu beheizen. Dabei können alle spezifischen Verlustleistungen an den Weichensegmenten bei entsprechenden Parametern ermittelt die optimalen Weichentemperaturen (Top) an Knoten (K), die jeweils eine funktionsrelevante Stelle (19) des Weichensegmentes im Winter repräsentieren, berechnet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich dazu ausgelegt, das erfindungsgemäße Wärmenetzmodell alleine mit einem Weichensegment für die linke Seite (5) einer Weiche (3) oder für die rechte Seite (6) einer Weiche (3) zu erstellen. In diesem Fall wird eine der beiden Seiten (5, 6) der Weiche (3) betrachtet und dabei davon ausgegangen, dass es sich bei der ausgewählten Seite (5, 6) der Weiche (3) um die bezüglich des Erwärmungsverlaufes positivere der beiden Seiten (5, 6) der Weiche (3) handelt. Somit wird eine notwendige Reserve eingerechnet. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn das erfindungsgemäße Wärmenetzmodell mit jeweils einem Weichensegment für die linke Seite (5) einer Weiche (3) und für die rechte Seite (6) einer Weiche (3) erstellt wird, da hiermit das Potential der vorliegenden Erfindung noch besser ausgeschöpft werden kann. Im Folgenden wird von der besonders bevorzugten Variante ausgegangen, ohne die Möglichkeit der alleinigen Betrachtung eines Weichensegments für nur eine Seite auszuschließen.
Darüber hinaus kann die bei Betrieb der Weichenheizung (1) erforderliche Leistung der einzelnen Heizeinrichtungen (29) über die spezifische Leistung der Länge eines Weichensegmentes berechnet, durch Bewertung der Weichentemperatur der Weiche (3) an jeweils einem Weichensegment der linken Seite (5) und der rechten Seite (6) die Stellung der Weiche, das heißt der Zungenschiene anliegend oder abliegend, ermittelt und die Leistung der Heizeinrichtung (29) für die linke Seite (5) und die rechte Seite (6) so angepasst werden, dass die funktionsrelevanten Stellen (19) der Weiche (3) über deren gesamte Länge gleiche Weichentemperaturen aufweisen und damit mit maximal gleicher Leistung der Heizeinrichtung (29) gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Verfügbarkeit im Winter über den gesamten Betriebstemperaturbereich im automatischen Betrieb der Weichenheizung (1) erreicht wird. Erfindungswesentlich ist, dass die gesamte Weiche (3) repräsentativ durch zumindest ein Weichensegment abgebildet wird, welches sowohl die linke Seite (5) der Weiche (3) als auch die rechte Seite (6) der Weiche (3) einbezieht. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Wärmenetz (26, 27) über einen repräsentativen Querschnitt der Weiche (3) gebildet werden, mit welchem die Erwärmung der gesamten Weiche (3) möglichst gleichmäßig ausgeführt wird und nicht nur einzelner Bereiche oder einer Seite einer Weiche wie im Stand der Technik.
In kalten Wintern bzw. bei extremen Wetterbedingungen wird durch die vorliegende Erfindung die Verfügbarkeit der Weichenheizung erhöht, wohingegen in milden Wintern oder Wetterperioden ohne extreme Wetterbedingungen deutliche Energieeinsparungen realisiert und Leistungsspitzen im Netz vermieden werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Abhängigkeit vorhandener oder vorgegebener projektspezifischer Parameter bzw. Witterungsbedingungen durchgeführt, mittels des erfindungsgemäßen Wärmenetzmodells für jeweils ein Weichensegment für anliegende
(an) und abliegende (ab) Zungenschiene (8) in den Bereichen Weichenspitze (16), Weichenmitte(17) und Weichenende (18). Es werden alle spezifischen Verlustleistungen an dem Weichensegment bei entsprechenden Parametern ermittelt und die berechneten optimalen Weichentemperaturen (Top) an Knoten (K), die jeweils eine funktionsrelevante Stelle (19) im Winter des Weichensegmentes repräsentieren, berechnet.
Die bei Betrieb erforderliche Leistung der Heizeinrichtungen (14) wird über die spezifische Leistung (P) der Länge von Weichensegmenten (lseg) berechnet und durch Bewertung der berechneten optimalen Weichentemperatur (Top) an jeweils einem Weichensegment auf der linken Seite (5) der Weiche (3) und auf der rechten Seite (6) der Weiche (3) die Stellung der Weiche (3), das heißt die Stellung der Zungenschiene (8) anliegend (an) oder abliegend (ab) , ermittelt, vorzugsweise am Bewertungspunkt Kopf- Zungenschiene (41). Die Leistung der Heizeinrichtung (14) für die linke Seite (5) der Weiche (3) und die rechte Seite (6) der Weiche (3) wird so angepasst, dass die funktionsrelevanten Stellen (19) an den Weichensegmenten Weichenspitze (16), Weichenmitte (17) und Weichenende (18) der linken Seite (5) und der rechten Seite (6) gleiche reale Weichentemperaturen (Tw) aufweisen, die zumindest der Schmelztemperatur von Schnee und/oder der Weichenmindesttemperatur entsprechen.
Über den gesamten Winter (d.h. über die wesentliche Einsatzperiode der Weichenheizung (1)) wird die Zeit überwacht, die bei Betrieb benötigt wird, um die funktionsrelevanten Stellen (19) der Weiche (3) von der Weichentemperatur der Weiche (3) „kalte Schiene (TK)“ bis zum Erreichen einer parametrierbaren
Schienenmindesttemperatur (Tmm) der Weiche (3) zu beheizen, unter Berücksichtigung der Schmelzleistung (Tsm) von Schnee und der Verdampfungsleistung von Wasser. Es werden dann Maßnahmen eingeleitet, wenn diese Zeit zu groß ist oder die während dieser Zeit vorhandene Schneemenge (hs) nicht vollständig geschmolzen wird.
Wenn aufgrund von Wettervorhersagen mit der maximalen spezifischen Leistung der Heizeinrichtungen (14) die Schienenmindesttemperatur (Tmm) der Weiche (3) nicht erreicht wird oder die Schneemenge (hs) nicht vollständig geschmolzen wird, wird die erfindungsgemäße Weichenheizung (1) über ein zusätzliche Heizanforderung „Vorheizen“ mit einer zweiten berechneten Schienensolltemperatur (Tsoii-vor) der Weiche (3) in Betrieb gesetzt, so dass bei tatsächlich eintretender Heizanforderung die Bedingungen erfüllt werden. Hiermit wird bereits im Vorfeld agiert, anstelle nur auf eine sich ändernde Wetterbeindung zu reagieren, wie das im Stand der Technik der Fall ist. Bei Beginn des Betriebes aufgrund einer Heizanforderung„Vorheizen“, beispielsweise durch Schneefall, werden vorzugsweise ein erstes Paar Heizeinrichtungen (14), beispielsweise die Heizeinrichtungen (14) an den Backenschienen (7) mit einer optimalen spezifischen Heizleistung (Pop) aktiviert und bei Erreichen der Schienensolltemperatur (Tsoii) der Weiche (3) ein zweites Paar Heizeinrichtung (14), beispielsweise an den Zungenschienen (8) oder den Gleitstuhlplatten (9) aktiviert. Auf diese Weise wird eine Erhöhung der Anschlussleistung der erfindungsgemäßen Weichenheizung (1) gegenüber dem Stand der Technik vermieden, indem das erste Paar Heizeinrichtung (14) und das zweite Paar Heizeinrichtung (14) zeitversetzt oder mit anteiliger spezifischer Leistung aktiviert werden, indem bei Zweipunktregelung in den Heizpausen eines Paares von Heizeinrichtungen (14) das andere Paar von Heizeinrichtungen (14) aktiviert wird oder Gruppenbetrieb oder Leistungsabsenkung in Abhängigkeit der Art der Heizeinrichtung (14) stattfindet. Ein Weichensegment wird in der Nähe eines Weichentemperatursensors (28) angeordnet und die damit zeitlich erfassten Weichentemperaturen (Tw) der Weiche (3) werden mit berechneten optimalen Weichentemperaturen (T op) verifiziert. Bei möglichen Weichentemperaturdifferenzen (ATw) werden die berechneten optimalen Weichentemperaturen (T o ) der Weiche (3) über Leistung Konvektionswärme (PK) oder über Leistung Strahlung (Pst) korrigiert.
Die Berechnung erfolgt mittels erfindungsgemäßem Wärmenetzmodell für ein Weichensegment unter Verwendung eines Mikrocontrollers für eine Weiche (3) oder für mehrere Weichen (3) einer erfindungsgemäßen Weichenheizung (1), wobei der Mikrocontroller unmittelbar neben der Weiche (3) angeordnet und über
Kommunikationsmittel mit der Steuereinheit in der Verteilung verbunden ist. Der Mikrocontroller enthält Schaltgeräte oder Steuergeräte zum Schalten und Steuern der Heizeinrichtungen (14) in Abhängigkeit der Art der Heizeinrichtungen (14). Für den speziellen Fall, dass für das Verfahren noch keine Heizanforderung und eine Wetterwarnung vorliegt, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren Ferner Schritt h) Berechnen der spezifischen Schmelzleistung für die während der Anheizzeit am Weichensegment berechneten Schneemenge aus einer gemeldeten Schneehöhe pro Zeiteinheit und Berechnen der spezifischen Erhaltungsleistung zur Erhaltung der Schmelztemperatur an dem Weichensegment und Vergleich der Summe dieser mit der realen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung (14) und, wenn die reale spezifische Leistung der Heizeinrichtung (14) geringer ist, Aktivieren der Weichenheizung (1) mit einer zweiten Weichensolltemperatur, die so groß ist, dass bei Betrieb die spezifische Leistung der Heizeinrichtung (14) zumindest gleich der Summe aus spezifischer Schmelzleistung und Erhaltungsleistung ist.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen die
Wärmeerzeugungselemente die spezifische Leistung der zumindest einen Heizeinrichtung (29) mit einem Wärmespeicher des Weichensegments und eine Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung. Alternativ oder zusätzlich und/oder umfassen die Wärmeübertragungselemente Wärmewiderstände an der Weiche (3) aus den Stoffeigenschaften, den geometrischen Größen und den vorherrschenden Belastungen durch Wärmeübertragung und Umwelt an dem zumindest einen Weichensegment. Durch diese Weiterbildung ergibt sich vorteilhafterweise ein geringerer Aufwand für die Berechnungssoftware.
In Schritt f) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorzugsweise
die Anheizzeit für das Erwärmen des zumindest einen Weichensegments aus der Summe einzelner Heizzeiten für das zumindest eine Weichensegment für dessen Erwärmen, für das Schmelzen von Schnee und für das Verdampfen von Wasser an diesem berechnet wird, und/oder
die Anheizzeit durch Erhöhen des Leistungsverhältnisses und/oder Umschalten von Regelbetrieb auf Dauerbetrieb erhöht und/oder durch Verringern des Leistungsverhältnisses verringert wird. Bei hoher Anheizzeit, bspw. größer als 20 Minuten, ist die Funktion der Weiche (3) im Winter nicht nur in den 20 Minuten, sondern darüber hinaus gefährdet, weil der Schnee eine Art Iglu bildet und die Weichenheizung (1) nicht in der Lage ist, dieses nachträglich zu schmelzen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren bei aktiver Heizung ferner die Schritte
i) Berechnen einer Schmelzleistung für gefallenen Schnee in einer parametrierbaren Zeitspanne und Vergleichen dieser Schmelzleistung mit der Differenz aus spezifischer Leistung und einer berechneten Erhaltungsleistung, wobei bei einem Defizit der spezifischen Leistung die Leistung erhöht und/oder ein Dauerheizen begonnen und/oder eine erste Warnmeldung ausgegeben wird, und/oder
j) Vergleichen der berechneten Anheizzeit mit einer parametrierten maximalen Anheizzeit, wobei bei einem Defizit der spezifischen Leistung die Leistung erhöht und/oder ein Dauerheizen begonnen und/oder eine zweite Warnmeldung ausgegeben wird,
und/oder
k) Berechnen der Schneehöhe aus der Differenz aus gefallener Schneehöhe und geschmolzener Schneehöhe pro Zeiteinheit und Vergleichen der berechneten Schneehöhe mit einer parametrierbaren maximal zulässigen Schneehöhe, wobei bei einem Defizit der spezifischen Leistung die Leistung erhöht und/oder ein Dauerheizen begonnen und/oder eine dritte Warnmeldung ausgegeben wird.
Im Stand der Technik wird bei Heizanforderung im Regelbetrieb geheizt und bei langer Anheizzeit ab tiefen Umgebungstemperaturen kann die Schneemenge nicht geschmolzen werden. Dadurch wird die Weiche zugeschneit und ist nicht mehr stellbar. Vorteil der Erfindung ist die Vermeidung des Zuschneiens der Weiche im Betriebstemperaturbereich.
Vorteilhafterweise kann das Berechnen der Anheizzeit in Schritt f) die Unterschritte umfassen
f1) Berechnen der Totzeit für das zumindest eine Weichensegment aus dem zeitlichen Verlauf der Weichentemperatur der Weiche (3) bei optimaler oder realer spezifischer Leistung,
f2) Berechnen der Zeit Ui zum Erwärmen des zumindest einen Weichensegments von der Weichentemperatur der kalten Schiene der Weiche (3) und der Schmelztemperatur bis zur Weichenmindesttemperatur an zumindest einen Knoten, f3) Berechnen der Zeit tA2Zum Schmelzen der Schneemenge während des Schritts f2) aus der Differenz aus vorhandener spezifischer Leistung abzüglich der Leistung zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur des zumindest einen Weichensegments, f4) Berechnen der Zeit U3 zum Schmelzen des gefallenen Schnees während des Schritts f3) aus der Differenz aus vorhandener spezifischer Leistung abzüglich der Leistung zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur des zumindest einen Weichensegments,
f5) Berechnen der Zeit tA4 zum Erwärmen des zumindest einen Weichensegments von der Differenz Weichenmindesttemperatur bis zur Weichensolltemperatur an den Knoten mit dem Weichentemperatursensor der Weiche (3), f6) Berechnen der Zeit s zum Schmelzen des gefallenen Schnees während des Schritts f5) aus der Differenz aus vorhandener spezifischer Leistung abzüglich der Leistung zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur des zumindest einen Weichensegments.
Das vorstehend beschriebene Berechnen der Anheizzeit in Schritt f) ermöglicht ein Überwachen und frühzeitiges Melden von Funktionsdefiziten der Weichenheizung (1) anstelle des Eintretens einer Störung.
Ein Teilaspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich auf eine Ermittlung der Betriebsgrenze Umgebungstemperatur (GW-TU) der Weichenheizung (1 ) , umfassend
- Berechnen der optionalen Weichenendtemperaturen an zwei spezifischen Knoten des zumindest einen Weichensegments, welche dem Kopf-Backenschiene (20) und dem Kopf-Zungenschiene (21) als funktionsrelevante Stellen (19) der zumindest einen Weiche (3) entsprechen, wobei von der Weichenmindesttemperatur die berechneten Weichentemperaturen Kopf-Backenschiene und Kopf-Zungenschiene subtrahiert werden und die geringste davon der Betriebsgrenze-Umgebungstemperatur entspricht.
Ein erfindungsgemäßer Vorteil ist, dass vorhandene Weichenheizungen an die veränderten Witterungsbedingungen individuell und optimal angepasst werden können.
Ein anderer Teilaspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich auf eine Ermittlung der Betriebsgrenze Schneemenge (Gw-hs) der Weichenheizung (1), umfassend
- Berechnen einer spezifischen Erhaltungsleistung bei Weichenmindesttemperatur Tmin der Weiche (3), zuzüglich einer Weichenmindesttemperatur (T w-min) Toleranz ATmin, am Backenschienenfuß, einer Schmelzleistung für die maximale Schneemenge oder die bis dahin erfasste Schneemenge sowie einer Verdampfungsleistung für Schmelzwasser, und Vergleich der Summe daraus mit der erforderlichen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung (29) des zumindest einen Weichensegments, wenn die erforderliche spezifische Leistung der Heizeinrichtung kleiner ist als die Summe aus Erhaltungsleistung und Schmelzleistung und Verdampfungsleistung Betriebsgrenze Schneehöhe überschritten ist. Ein weiterer Teilaspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich auf eine projektspezifische Dimensionierung der Heizeinrichtungen (29) und deren erforderlicher spezifischer Leistung, umfassend
- Berechnen einer spezifischen Leistung (P) der Heizeinrichtung zum Erreichen einer Weichensolltemperatur der Weiche (3) am Standort des Weichentemperatursensors und einer minimalen Weichentemperatur Tw-min der Weiche (3) an mindestes einem Kopf- Backenschiene (20) und/oder einem Kopf-Zungenschiene (21) für das zumindest eine Weichensegment über Berechnen der Summe aus Wärmeleitung, Strahlung und Konvektion in die Umgebung, Wärmekapazität und Latenter Wärme bei Schnee und Beregnung, bei vorhandenen Betriebsgrenzwerten aus minimaler Umgebungstemperatur, Schienenprofil, maximaler Windgeschwindigkeit und maximaler Schneehöhe pro Stunde, und
- Erhöhen der spezifischen Leistung, wenn die berechnete reale spezifische Leistung kleiner ist als die spezifische Leistung, die der erforderlichen Schmelzleistung der in der Anheizzeit, die ab minimaler Umgebungstemperatur bis zum Erreichen einer Schienentemperatur von mindestens 0 °C berechnet wird, für die Schneemenge, die sich aus dem Produkt aus Anheizzeit und Schneehöhe pro Stunde ergibt, und der Verdampfungsleistung von restlichem Schmelzwasser und der erforderlichen spezifischen Erhaltungsleistung für eine Schienentemperatur von 0 °C an den funktionsrelevanten Stellen des zumindest einen Weichensegments entspricht.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Weichenheizungen (1) entsprechend den speziellen lokalen Umgebungsbedingungen ausgeführt werden können, bspw. im Gebirge anders als im Flachland.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
- bei Betrieb der Weichenheizungsanlage (1) ein Einstellen der optimalen spezifischen Leistung für die Heizeinrichtungen (29), die dem Produkt aus spezifischer Leistung und einem Leistungsverhältnis von 25 % bis 100 % entspricht, über die jeweiligen Schaltgeräte zum Einschalten und Ausschalten der Heizeinrichtungen (29) mittels Verändern der Einschaltdauer oder der Frequenz oder der Pulsweite oder Wellenpaketsteuerung oder Gruppenbetrieb erfolgt,
und/oder
- das Leistungsverhältnis zwischen 25 % und 100 % beträgt,
wobei bei Betrieb der Weichenheizungsanlage (1) die spezifische Leistung P der linken Seite (5) der Weiche (3) und der rechten Seite (6) der Weiche (3) maximal dem Mittelwert und/oder Meridian der spezifischen Leistung der Heizeinrichtung (29) entspricht,
und/oder
- bei Betrieb der Weichenheizungsanlage (1) die berechnete spezifische Leistung Pop für die linke Seite (5) der Weiche (3) und die rechte Seite (6) der Weiche (3) maximal der spezifischen Leistung (P) der Heizeinrichtungen (29) entspricht,
oder eine spezifische Leistungsdifferenz für die linke Seite (5) der Weiche (3) oder die rechte Seite (6) der Weiche (3) aus der Differenz von spezifischer Leistung (P) der Heizeinrichtungen (14) abzüglich berechneter spezifischer Leistung (Pop) berechnet wird und bei positiver spezifischer Leistungsdifferenz der linken Seite (5) der Weiche (3) oder der rechten Seite (6) der Weiche (3) diese spezifische Leistungsdifferenz der jeweiligen anderen Seite der Weiche (3) zusätzlich zur spezifischen Leistung (P) der Heizeinrichtung (14) zu Verfügung gestellt wird, so dass ein gleichmäßiger zeitlicher Verlauf der Schienentemperaturen der Weiche (3) an der linken Seite (5) der Weiche (3) und an der rechten Seite (6) der Weiche (3) an den funktionsrelevanten Stellen der Weiche (3) erfolgt.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine Einrichtung zur Steuerung und Regelung einer Weichenheizung (1) gelöst, wobei die Weichenheizung (1) mindestens eine an zumindest einer Weiche
(3) angeordnete Heizeinrichtung (14), zumindest einen Weichentemperatursensor (28) an der zumindest einen Weiche (3), zumindest eine Energieverteilung mit mindestens einem Heizabgang pro Weiche (3) und zumindest eine Steuereinrichtung zum Steuern und Regeln der Weichentemperatur aufweist, umfassend:
- eine CPU zur Berechnung der Weichentemperaturen der Weiche (3) für zumindest ein Weichensegment, die mit der Steuereinrichtung über Kommunikationsmittel verbunden ist,
- zumindest einen abseits der Weiche (3) angeordneten Anschlusskasten, der mindestens ein Schaltgerät aufweist, das über Leitungen mit den Heizeinrichtungen (29) der Weiche (3) verbunden sind, sowie Messmittel zur zeitlichen Erfassung von Betriebsstrom, Spannung und Isolationswiderstand und Mittel zur Begrenzung der maximalen Leistung aufweist,
- zumindest ein Kommunikationsmittel, das in dem Anschlusskasten angeordnet und mit der Steuereinheit verbunden ist,
- zumindest einen Niederschlagsensor zur Erfassung von Niederschlagsart und
Niederschlagsmenge, der mit der Steuereinheit verbunden ist. Die erfindungsgemäße Einrichtung weist grundsätzlich die gleichen Vorteile auf wie das erfindungsgemäße Verfahren. Insbesondere stellt die die erfindungsgemäße Einrichtung die apparative Grundlage bereit, um eine Weiche (3) repräsentativ durch ein Weichensegment abzubilden, welches sowohl die linke Seite (5) der Weiche (3) als auch die rechte Seite (6) der Weiche (3) einbezieht. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Wärmenetz (26, 27) über einen repräsentativen Querschnitt der Weiche (3) gebildet werden, mit welchem durch die erfindungsgemäße Einrichtung die Erwärmung der gesamten Weiche (3) möglichst gleichmäßig ausgeführt wird.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:
Fig. 0 eine schematische Draufsicht auf eine Weiche 3,
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Weichensegments mit anliegender Zungenschiene 10 und abliegender Zungenschiene 11 ,
Fig. 2 eine zeitliche Darstellung der Erwärmung einer Weiche 3 mit einer Weichenheizung entsprechend dem Stand der Technik,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmenetzes 26, 27 für ein Weichensegment der Weiche 3 bestehend aus Backenschiene 7, Zungenschiene 8, Gleitstuhlplatte 9 und Heizeinrichtung 14,
Fig. 4 ein Modell zur Berechnung der Anheizzeit mit und/ ohne Schnee,
Fig. 5 ein Beispiel für einen Programmablaufplan zur Dimensionierung der Leistung einer Heizeinrichtung 14 in Abhängigkeit projektspezifischer Betriebsgrenzwerte.
Fig. 6 ein Beispiel für einen Programmablaufplan zur Bewertung der Funktion der Weichenheizung 1 in Abhängigkeit der Witterung und damit Nachweis der Verfügbarkeit der Weiche 3 im Winter mit vorhandener Leistung der Heizeinrichtung 14 und
Fig. 7 ein Beispiel für einen Programmablaufplan (zur besseren Übersicht auf zwei Seiten verteilt) zur Steuerung und Regelung einer erfindungsgemäßen Weichenheizung 1. Nachstehend wird die Erfindung im Detail beschrieben, wobei diese Beschreibung anhand konkreter Ausführungsformen den Schutzbereich der Patentansprüche nicht einschränkt.
Um mit möglichst wenigen Weichentemperatursensoren 28 die vorstehend bereits benannten Ziele zu erreichen, besteht die vorliegende Erfindung unter anderem darin, die Steuerung und Regelung sowie die Dimensionierung der Heizeinrichtungen 14 und die die Ermittlung von Betriebsgrenzen bestehender Weichenheizungen durch Bewertung der Weichentemperaturen der Weiche 3 an den funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3 im Winter für die erfindungsgemäße Weichenheizung 1 mittels Berechnung vorzunehmen. Erfindungsgemäß erfolgt das über das Wärmenetz 26 der linken Seite 5 der Weiche 3 und über das Wärmenetz 27 der rechten Seite 6 der Weiche 3 für zumindest ein Weichensegment analog zu elektrischen Strömungsfeldern, indem die Steuerung und Regelung der spezifischen Leistung der Heizeinrichtung 14 der erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 durch Bewertung über mittels Wärmenetz 26, 27 berechnete Temperaturen an Weichensegment Weichenspitze 34, Weichensegment Weichenmitte 35 und Weichensegment Weichenende 36 für die linke Seite 5 der Weiche 3 und die rechte Seite 6 der Weiche 3 in Abhängigkeit der Weichenstellung, das heißt für an der Backenschiene anliegende Zungenschiene 10 und für abliegende Zungenschiene 1 1 , und in Abhängigkeit der Witterung erfolgt. Die berechneten optimalen Weichentemperaturen Top der Weiche 3 werden mit den über einen Weichentemperatursensor 28 erfassten zeitlichen Verlauf der realen Weichentemperatur Tw der Weiche 3 aus mindestens drei Messwerten nach Ablauf der Totzeit einer beheizten Schiene mit dem Weichentemperatursensor 28 zumindest einer Weiche 3 verglichen. Bei Differenzen einschließlich einer Toleranz, die bspw. aus Wind und Sonnenstrahlung entstehen können, wird dieser zeitliche Verlauf über Konvektionsverluste und Strahlungsleistung korrigiert.
Die erfindungsgemäße Lösung der vorstehend genannten Aufgaben erfolgt mit einer thermischen Modellierung des Temperaturverlaufs mit Aufteilung der Weiche 3 in Weichensegmente der linken Seite 5 und der rechten Seite 6 für die zur Bewertung der Funktion charakteristischen Bereiche Weichenspitze 16, Weichenmitte 17 und Weichenende 18 unter Berücksichtigung des Abstandes zwischen Backenschiene 7 und Zungenschiene 8 aufgrund der Weichenstellung, des Schienenprofils, der Art der Gleitstuhlplatte 9 mit oder ohne Rollen, der Niederschlagsart und der Niederschlagsmenge, der Windgeschwindigkeit und der Umgebungstemperatur sowie einer möglichen Wärmedämmung bzw. Winddämmung. Dabei werden für die Weichensegmente bei Betrieb mit jeweiliger spezifischen Leistung der Heizeinrichtung 14 der zeitliche Verlauf der Weichentemperaturen Top der Weiche 3 und der spezifischen Leistungsverluste mit iterativen Lösungsverfahren berechnet und mit über Weichentemperatursensoren 28 erfasstem zeitlichen Verlauf der realen Weichentemperaturen Tw der Weiche 3 verglichen. Bei Differenzen werden diese unter Berücksichtigung einer Toleranz korrigiert und an funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3, die im Winter für die Funktion der Weiche 3 maßgeblich sind, bewertet, so dass bei Betrieb mit ermittelter witterungsabhängiger optimaler spezifischer Leistung die Heizeinrichtung 14 aktiviert werden und an diesen Stellen eine Schienenmindesttemperatur Tmin der Weiche erreicht wird. Damit wird mit minimalem Energieeinsatz eine gleichmäßige Erwärmung der linken Seite 5 der Weiche 3 und rechten Seite 6 der Weiche 3 über die gesamte Länge der Weiche 3 erreicht und damit eine hohe Verfügbarkeit im Winter gewährleistet.
Bei der Dimensionierung wird die erforderliche spezifische Leistung der Heizeinrichtung 14 aufgrund lokaler grenzwertiger Umgebungsbedingungen ermittelt. Bei der Ermittlung von Betriebsgrenzen der erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 werden bei vorhandenen Weichenheizungen die Weichenendtemperaturen Twn der Weiche 3 an funktionsrelevanten Stellen 19 bei maximalen Grenzwerten der Umgebungsbedingen ermittelt, bei denen die betreffende Weichenheizung 1 mit vorhandener spezifischer Leistung der Heizeinrichtungen 14 im Betrieb im Winter gerade noch funktioniert. Damit kann der Betreiber entscheiden, ob diese Betriebsgrenze ausreichend oder nichtausreichend für seine Witterungsbedingungen ist.
Dafür soll für lokale, projektspezifische und charakteristische ungünstigste Umgebungsbedingungen und alle Typen von Weichen 3 mit entsprechendem jeweiligen Schienenprofil mit einem Programm die erforderliche spezifische Leistung der Heizeinrichtung 14 für beispielsweise einen Meter Länge berechnet werden, die für die Heizeinrichtungen 14 erforderlich sind, damit die erfindungsgemäße Weichenheizung 1 bei diesen Grenzwerten im Wnter erfolgreich funktioniert. Das heißt, die Weiche 3 wird schneefrei gehalten wird und friert nicht fest. Zur Bewertung der Funktion werden an den funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3 Schienenmindesttemperaturen der Weiche 3 definiert und die Verlustleistungen bei diesen Bedingungen aus Wärmestrahlung 30,
Konvektion 3), Wärmeleitung 33 und Wärmespeicher 32 unter Berücksichtigung des Einbauortes der Heizeinrichtung 14 und der Stellung der Zungenschiene 8 an den Weichensegmenten der linken Seite 5 der Weiche 3 und der rechten Seite 6 der Weiche 3 an Weichenspitze 16, Weichenmitte 17 und Weichenende 18 berechnet. Die Summe der Verlustleistungen jedes Weichensegments der linken Seite 5 der Wiche 3 und/oder der rechten Seite 6 der Weiche 3, bei der die Schienenmindesttemperaturen der Weiche 3 erreicht und die Schneemenge geschmolzen wird, entspricht der erforderlichen spezifischen Heizleistung für die jeweilige Seite und den jeweilige Bereich der Weiche 3. Die Heizeinrichtungen weisen eine Länge von bis zu 6 m auf. Deshalb wird vorteilhaft die erforderliche spezifische Heizleistung der Heizeinrichtungen 14 aus der berechneten maximalen Summe der Verlustleistung der Weichensegmente der linken Seite 5 der Weiche 3 und der rechten Seite 6 der Weiche 3 ermittelt.
Diese Ermittlung erfolgt derart, dass u.a. für ein bestimmtes Schienenprofil, z.B. R54, minimale Umgebungstemperaturen und maximale Schneemenge vorgegeben werden und für funktionsrelevante Stellen 19 von Weichensegmenten an Weichenspitze 34, Weichenmitte 35 und Weichenende 36 der zeitliche Verlauf und die Verlustleistungen der Wärmleitung 33, der Schmelzleistungen und der Verdampfungsleistung Pv die optimalen Weichentemperaturen (Top) berechnet und bewertet sowie erkannt werden, ob die gesamte Schneemenge geschmolzen wird. Es werden folgende projektspezifische Eingaben eingegeben, die die Betriebsgrenze der erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 darstellen, d.h. bei denen die Funktion der Weichen 3 im Winter noch gewährleistet sein soll:
Weichenprofil, z.B. R54 mit unterschiedlichen Abmessungen und Gewicht an Weichenspitze 16, Weichenmitte 17 und Weichenende 18,
Schienensolltemperatur Tsoii der Weiche 3,
Schienenmindesttemperatur Tmin der Weiche 3 und/oder minimale Umgebungstemperatur Tu-min,
maximale Schneemenge hs -max,
- maximale Anheizzeit beheizte Schiene tAn-max,
maximale Windgeschwindigkeit Umax-
Das Berechnen der Endwerte der Verlustleistungen für das Weichensegment rechte Seite 6 der Weiche 3 und das Weichensegment linke Seite 5 der Weiche 3 erfolgt bei einer Weichenendtemperatur der Weiche 3, die zumindest der absoluten Summe aus Schienenmindesttemperatur Tmin der Weiche 3 oder der Umgebungstemperatur Tu und der unteren Weichensolltemperatur (bspw. 7 °C abzüglich 4 °C Hysterese ergibt 3 °C) der Schienenmindesttemperatur der weiche 3 der beheizten Schienen, bspw. Backenschienen 7 links und rechts (z.B. Knoten K Backenschienenfuß) und/oder der parametrierten Mindesttemperatur an den funktionsrelevanten Stellen 19, z.B. + 1 °C entspricht, wobei die Summe der Verlustleistungen der erforderlichen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung 14 in Watt pro Meter für eine Länge der Heizeinrichtung 14 entspricht.
Aus maximaler Schneemenge hs, den waagerechten Flächen des Weichensegments und der mittleren Dichte von Schnee, z.B. von 100 kg/m3, bei Lufttemperatur kleiner 0 °C und 200 kg/m3 bei Lufttemperatur größer 0 °C und einer mittleren spezifischen Schmelzwärme von bspw. 335 kJ/Kg wird die erforderliche Schmelzleistung für die Schneemenge in einer Stunde ermittelt. Schnee beginnt bei 0 °C zu schmelzen. Die gesamte erforderliche spezifische Leistung der Heizeinrichtungen 14 ergibt sich aus der Summe der Verlustleistungen bei bspw. 0 °C und der Schmelzleistung der Schneemenge, die zwischen Heizbeginn und Erreichen der Schienenmindesttemperatur T min der Weiche 3 von bspw. 0 °C am Fuß-Backenschiene gefallen ist. Die gefallene Schneemenge ermittelt sich aus erfasster Schneemenge und der Zeit bis zum Erreichen der Schienenmindesttemperatur Tmin der Weiche 3, die der Schmelztemperatur von Schnee entspricht.
Eine erfolgreiche Funktion der erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 im Winter soll an den funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3 eine Schienenmindesttemperatur TMm der Weiche 3 an linker Seite 5 der Weiche 3 und rechter Seite 6 der Weiche 3 gewährleisten, wobei die Schienenmindesttemperatur TMm der Weiche 3 der Schmelztemperatur von Eis und Schnee entspricht. Diese funktionsrelevanten Stellen sind:
Backenschienen-Kopf (Index Ko-Ba)
Backenschienen-Fuß (Index Fu-Ba)
Zungenschienen-Kopf (Index Ko-Zu)
Gleitstuhlplatte -außen (Index GL-au)
an der linken Seite 5 der Weiche 3 und der rechten Seite 6 der Weiche 3. An diesen funktionsrelevanten Stellen 19 erfolgt die positive Bewertung der Funktion der erfindungsgemäße Weichenheizung 1 , wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind. Dabei berücksichtigt der Faktor k Temperaturdifferenzen aufgrund von Wärmeleitungen zwischen den Stellen T Fu-Ba > T Soll
T Ko-Ba -> = Tmin
T Fu-Zu > = k X Tsoll
T Ko-Zu > = T min
T GL-mi > = k x T Soll
T Gl-au > = T min
Damit für alle Weichentypen nur ein Programm erforderlich ist, erfolgt die Bewertung an typischen Weichensegmenten für die linke Seite 5 der Weiche 3 und die rechte Seite 6 der Weiche 3 über die Bereiche Weichenspitze 35, Weichenmitte 36 und Weichenende 37. Bewertet werden parametrierbare Werte für die linke Seite 5 der Weiche 3 und die rechte Seite 6 der Weiche 3 eines Weichensegments, bspw:
T Fu-Ba-min = Weichensolltemperatur * k (mit k=1 ,5)
T Ko-Ba-min = 0 C
T Fu-Zh-min= Weichensolltemperatur * k (mit k=0,5)
T Ko-Zu-min = 0 C
T GL-mi-min= Weichensolltemperatur * k (mit k=0,5)
T GL-au-min = 0 C
Anheizzeit U <= t A-max
geschmolzene Schneemenge während der Anheizzeit t Am größer gefallene Schneemenge hs durch Bewerten der vorhandenen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung 1 4 mit der erforderlichen Erhaltungsleistung Perh zuzüglich Schmelzleistung für die gefallenen Schneemenge.
Mit dem Berechnungsverfahren in Verbindung mit einer Einrichtung zu Steuerung und Regelung können folgende Maßnahmen zur Gewährleistung der Funktion der Weiche 3 bei minimalem Energieverbrauch über den gesamten Betriebsbereich aktiviert werden.
Einstellen der berechneten optimalen Leistung der Heizeinrichtung 14 über Gruppensteuerung, Wellenpaketsteuerung, Pulsweitenmodulation und Frequenzänderung in Abhängigkeit der Art der Heizeinrichtungen
Anordnung von zusätzlichen Heizeinrichtungen 29 an der Zungenschiene 8 und/oder den Gleitstuhlplatten 9, die über das Berechnungsmodell zeitlich oder über Leistungsaufteilung so aktiviert und gesteuert werden, dass ohne Erhöhung der Anschlussleistung die funktionsrelevanten Stellen 19 zeitlich gleichmäßig erwärmt werden und damit keine zeitlichen Nachteile einzelner Teile der Weiche 3 eintreten.
Bei mittels Berechnungsverfahren prognostizierten Defiziten der Weichentemperaturen der Weiche 3 aufgrund unzureichend vorhandener spezifischer Leistung der Heizeinrichtung 14 an der abliegender Zungenschiene 11 erfolgt frühzeitige Warnmeldung oder Meldung möglichst Weiche 3 umstellen und/oder Vorheizen auf eine geringe Schienensolltemperatur der Weiche 3, so dass bei Wetterextremen durch bspw. starken Schneefall der Schnee sofort schmilzt.
Zur erfolgreichen Funktion der erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 ist eine gleichmäßige Erwärmung der funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3 der anliegenden und abliegenden Zungenschiene 8 erforderlich. Da die Weiche 3 im Betrieb laufend in Abhängigkeit der Fahrtrichtung umgestellt wird und für die Weichenstellung keine Sensoren zur Detektion der Lage der Zungenschiene 8 möglich sind, wird vorschlagen, durch Auswertung des berechneten zeitlichen Verlauf der Weichentemperatur der Weiche 3 an der linken Seite 5 der Weiche 3 und an der rechten Seite 6 der Weiche 3 die Lage der Zungenschienen 8 zu detektieren Heizeinrichtung-Bestückungsvarianten sind:
Heizeinrichtung 14 an den Backenschienen 7 und zusätzliche Heizeinrichtung 29 an den Zungenschienen 8 und bei Beginn des Betriebes Anheizen von ersten Schienen mit 100 % spezifischer Leistung der Heizeinrichtung 14, wobei erste Schienen Backenschienen 7 oder Zungenschiene 8 oder Gleitstuhlplatten 9 sein können, und bei Erreichen der Schienensolltemperatur Tsoii der Weiche 3 an der ersten Schiene Reduzieren der jeweiligen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung 14 oder 29 auf maximal spezifische Erhaltungsleistung PErh oder geringer oder Ausschalten derselben und Aktivieren der zusätzlichen Heizeinrichtung 29 an der Zungenschiene 7 oder den Gleitstuhlplatten 9 mit der verbleibenden spezifischen Leistung ab dieser Zeit und nur in den Heizpausen der Heizeinrichtung 14 der ersten Schienen bspw. über Gruppenbetrieb während zyklischer Taktzeiten bei elektrischen Heizstäben.
Bei berechneten Defiziten vor einer Heizanforderung bspw. durch Schnee an der Wetterstation erfolgt Aktivieren von zusätzlichem Heizregime„Vorheizen“, bspw. bei möglichen Wetterextremen über separate Wetterdaten aus einer örtlichen Wetterstation bzw. über einen Wetterdienst derart, dass ein zweite Schienensolltemperatur der Weiche 3 berechnet wird und die erfindungsgemäße Weichenheizung 1 über Vorheizen in Betrieb geschaltet wird und auf diese zweite Schienensolltemperatur der Weiche 3 geregelt wird, wobei die zweite Schienensolltemperatur der Weiche 3 so groß ist, dass bei Eintreten der tatsächlichen Wetterextreme der Schnee geschmolzen und die Funktion der Weiche 3 gewährleistet und bei Ausbleiben der Wetterextreme das Vorheizen beendet wird.
Bei Bestückung der Backenschiene 7 und der Zungenschiene 8 und/oder der Gleitstuhlplatten 9 mit zusätzliche Heizelementen 29 erfolgt bei Betrieb während der Anheizzeit die Aktivierung der Heizeinrichtungen 14 immer nacheinander, d.h. zuerst Aktivieren der Heizeinrichtung 14 der ersten Schiene mit einem Leistungsverhältnis 100 % und nach Erreichen der Schienensolltemperatur der Weiche 3 Aktivieren der Heizeinrichtung 29 der zweiten Schiene in den Heizpausen der Heizeinrichtung 14 der ersten Schiene und im Regelbetrieb, d.h. wenn beide Schienen Schienensolltemperatur der Weiche 3 aufweisen, erfolgt Gruppenbetrieb oder Wellenpaketsteuerung oder gleichzeitiger Heizbetrieb aller Heizeinrichtungen 14, 29 mit verringerter spezifischer Leistung oder aktiver Heizzeit, wobei die Summe der spezifischen Leistung der Heizeinrichtungen 14, 29 der linken Seite 5 der Weiche 3 und der rechten Seite 6 der Weiche 3 maximal der spezifischen Leistung der Heizeinrichtung 14 entsprechen.
Bewerten Schneeschmelzen über die Leistungsbilanz während der Anheizzeit, indem die spezifische Heizleistung größer oder gleich der spezifische Erhaltungsleistung zuzüglich der Schmelzleistung für Schnee ist
Korrektur des berechneten zeitlichen Verlaufs der Schienensolltemperatur der Weiche 3 mit dem tatsächlich erfassten zeitlichen Verlauf der Weichentemperatur der Weiche 3 mittels Weichentemperatursensor 28 unter Berücksichtigung von Strahlungswärme durch Sonnenstrahlung und Windeinfluss über Konvektion.
Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung der Figuren gegeben.
In Figur 0 ist eine Weiche 3 schematisch in Draufsicht dargestellt. Die Weiche 3 wird eingeteilt in Weichenspitze 16, Weichenmitte 17 und Weichenende 18. Es sind Backenschienen 7 und Zungenschienen 8 dargestellt. Die Zuordnung der rechten Seite 6 der Weiche 3 erfolgt von der Zungenspitze 16 in Blickrichtung (Bezugszeichen 2) zum Weichenende 18. An der linken Seite 5 der Weiche 3 ist die abliegende Zungenschiene 11 und an der rechte Seite 6 der Weiche 3 ist die anliegende Zungenschiene 10 dargestellt. An einer Backenschiene 7, hier an der linken Seite 5 der Weiche 3, ist ein Weichentemperatursensor 28 angeordnet. Im Bereich der Weichenspitze 16 ist bspw. ein Weichensegment Weichenspitze 34, im Bereich der Weichenmitte 17 ist ein Weichensegment Weichenmitte 35 und im Bereich Weichenende 18 ist ein Weichensegment Weichenende 36 jeweils für linke Seite 5 der Weiche 3 und die rechte Seite 6 der Weiche 3 angeordnet. Der Weichentemperatursensor 28 befindet sich an der Weichenspitze an der rechten Seite 6 der Weiche 3 oder an der linken Seite 5 der Weiche 3. Weiterhin sind die im Stützknaggenbereich vorhandenen Stützknaggen 13 dargestellt, diese dienen auf der Seite der anliegenden Zungenschiene 10 dem Abstützen der Zungenschiene 8 gegenüber der Backenschiene 7 bei Befahren der Zungenschiene 8 mit dem Zug.
In Figur 1 ist ein schematische Schnittdarstellung der Weiche 3 aus Figur 0 am Weichensegment Weichenspitze 34 mit linker Seite 5 der Weiche 3 und rechter Seite 6 der Weiche 3 dargestellt. An der linken Seite 5 der Weiche 3 ist die abliegende
Zungenschiene 11 und an der rechten Seite 6 der Weiche 3 die anliegende Zungenschiene 12 dargestellt. Die funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3 im Winter sind an der linken Seite 6 der Weiche 3 durch die Bewertungspunkte (37 bis 43 dargestellt. Durch die erfindungsgemäße Weichenheizung 1 sollen diese funktionsrelevanten Stellen 19, gekennzeichnet durch die Bewertungspunkte 37 bis 43 im Winter bei negativen Umgebungstemperaturen so erwärmt werden, dass der daran befindliche Schnee bzw. Eis geschmolzen wird. Die Bewertungspunkte 37 bis 43 an der linke Seite 5 und an der rechten Seite (69 der Weiche der Weiche 3 sind die Bewertungspunkte Fuß-Backenschiene 37, Steg-Backenschiene 38, Kopf-
Backenschiene 39, Fuß-Zungenschiene 40, Kopf-Zungenschiene 41 , Mitte- Gleitstuhlplatte 42 und Außen-Gleitstuhlplatte 43 dargestellt, die jeweils durch Knoten K des Wärmenetzes 26, 27 repräsentiert werden und den funktionsrelevanten Stellen 19 der rechten Seite 6 der Weiche 3 und der linken Seite 5 der Weiche 3 entsprechen. Der Weichentemperatursensor 28 ist an der linken Backenschiene 7 zwischen zwei Schwellen 24 angeordnet und die damit erfassten realen Weichentemperaturen Tw an der Backenschiene 7 linke Seite 5 der Weiche 3 können mit den berechneten optimalen Weichentemperaturen an dieser funktionsrelevanten Stelle 19 mit den berechneten optimalen Weichentemperaturen T w-op verglichen und bei Differenzen korrigiert werden. Im Betrieb wird der Fahrweg der Weiche 3 durch Verstellen der Zungenschienen 8 laufend verändert, indem an linker Seite 5 der Weiche 3 und rechter Seite 6 der Weiche 3 die Zungenschiene 8 abwechselnd an- oder abliegend von der Backenschiene 7 ist. Sensoren zur Detektion der Stellung der Zungenschiene 8 sind nicht vorhanden. Die Detektion der Stellung der Zungenschienen 8 an den Backenschienen 7 anliegend oder abliegend erfolgt durch Bewerten der berechneten optimalen Weichentemperaturen T w- 0p an jeweiligen Bewertungspunkten der funktionsrelevanten Stellen 19, vorzugsweise an Bewertungspunkt Kopf-Zungenschiene 41. Die Weiche wird mit einer Heizeinrichtung 14 am Backenschienenfuß beheizt.
In Figur 2 ist bei Betrieb einer Weichenheizung entsprechend dem Stand der Technik zum Zeitpunkt ti durch Schneefall und einer dadurch erzeugten Heizanforderung„Ein“ der zeitliche Verlauf der realen Weichentemperatur Tw-Fu-Ba an einer Schiene, an der die Heizeinrichtung 14 angeordnet ist, bspw. an Fuß-Backenschiene, und der zeitliche Verlauf der realen Weichentemperatur TW-AU-G L an einer nicht mit Heizeinrichtung 14 versehenen Schiene, an einer funktionsrelevanten Stelle einer Weiche, bspw. Außen- Gleitstuhlplatte- dargestellt. Nach einer durch die Masse bestimmten Totzeit steigt die reale Weichentemperatur T w-Fu-Ba an der mit Heizeinrichtung bestückten Backenschiene schnell an. Bei Erreichen der Weichensolltemperatur Tsoii zur Zeit te wird bei Zweipunktregelung die Heizung abgeschaltet und nach einem geringen Überschwingen der realen Weichentemperatur aufgrund der Masse der Schiene bis zur Zeit t7 kühlt diese bis zur Zeit te ab und der Heizstrom (IN) wird zu dieser Zeit wieder eingeschaltet. Die Zeit von ti bis tewird als Anheizzeit tA und die Zeit ab te bis tg, mit Regelzeit bezeichnet. Die von der Heizeinrichtung entfernt liegende und nicht mit Heizeinrichtung 14 versehene Gleitstuhlplatte wird nur sehr langsam erwärmt und hat zum Zeitpunkt te eine sehr geringe reale Weichentemperatur T w-Außen-GL, die weit unter der Weichensolltemperatur ist.
Zum Zeitpunkt te wird durch die parametrierte Hysterese von bspw. 4 °C der Heizstrom für alle Heizeinrichtungen der Weiche ausgeschaltet, so dass auch an der Gleitstuhlplatte die Kühlung einsetzt. Die Weichentemperaturdifferenz ATw zur Zeit te zwischen Fuß Backenschienen und Gleitstuhlplatt ist sehr groß. Diese
Weichentemperaturdifferenz DT w ist bei einer Umgebungstemperatur von bspw. - 15 °C so groß, dass an der Gleitstuhlplatte außen die Weichentemperatur auch nach sehr langer Zeit kleiner 0 °C beträgt und die Weiche an dieser Stelle Eis ansetzt und festfrieren kann. In Figur 2 ist der zeitliche Verlauf des Heizstromes I N bei Heizanforderung Ein dargestellt, der bei Betrieb zwischen Null und maximalen Heizstrom I N in Abhängigkeit der Weichentemperatur am Fuß der Backenschiene ein- und ausgeschaltet wird und dadurch Leistungsspitzen zwischen Null und Nennstrom zur Folge hat. Zu den Zeitpunkten tß, U und ts werden jeweils die Temperaturen am Weichentemperatursensor (28) gemessen und zur Bewertung bzw. Korrektur der berechneten optimalen Weichentemperaturen.
In Figur 3 ist für Weichensegment der Weiche 3 ein erfindungsgemäßes Wärmenetz 26 für die linke Seite 5 der Weiche 3 und teilweise ein analoges Wärmenetz 27 für die rechte Seite 6 der Weiche 3 entsprechend einer Schnittdarstellung nach Figur 1 an einem beliebigen Bereich der Weiche 3 dargestellt, die über den Knoten K Umgebungstemperatur KTU verbunden sind. Heizeinrichtungen 14, 29 sind bspw. an der Backenschiene 7 auf dem Backenschienenfuß innen angeordnet. Das Wärmenetz 26 für die linke Seite 5 der Weiche 3 und das Wärmenetz 27 für die rechte Seite 6 der Weiche 3 basieren auf einer Schnittdarstellung längs der Gleitstuhlplatte 9 auf der linken Seite 5 der Weiche 3 und der gegenüberliegenden Gleitstuhlplatte 9 auf der rechten Seite 6 der Weiche 3 und dem Querschnitt der Backenschiene 7 und der Zungenschiene 8 auf der linken Seite 5 der Weiche 3 und Backenschiene 7 und Zungenschiene 8 auf der rechten Seite 6 der Weiche 3 an einem beliebigen Weichenbereich 4 der Weiche 3 mit Symbolen Heizeinrichtung 29, Symbolen Wärmestrahlung 30, Symbolen Konvektion 31 , Symbolen Wärmeleitung 33 und Symbolen Wärmespeicher 32 zwischen den funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3, die durch Knoten K repräsentiert werden.
Im Wärmenetz 26 der linken Seite 5 der Weiche 3 ist zwischen der Umgebungstemperatur Tu, die durch Knoten K Umgebungstemperatur KTU repräsentiert wird, und funktionsrelevanten Stellen 19, die ebenfalls durch Knoten K repräsentiert werden, ein Wärmenetz vorhanden, das mit bekannten Regeln berechnet werden wird. Die Knoten K für die funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3 für das Wärmenetz 26 für die linke Seite 5 der Weiche 3 und für das Wärmenetz 27 für die rechte Seite 6 der Weiche 3 sind gleich und entsprechend der Bewertungspunkte 37 bis 43, aber die Verlustleistungen der anliegende Zungenschiene 10 und abliegende Zungenschiene 11 sind unterschiedlich. Die folgende Tabelle zeigt den Zusammenhang zwischen den funktionsrelevanten Stellen 19, den entsprechenden Knoten K und der erforderlichen Weichentemperatur Tw, die an den jeweiligen Knoten K mit der Bezeichnung T w-op berechnet wird und in einem separaten Programm bewertet wird für das Wärmenetz 26 für die linke Seite 5 der Weiche 3. Das Wärmenetz 27 für die rechte Seite 6 der Weiche 3ist analog dazu und über den Knoten K Umgebungstemperatur KTU verbunden.
Figure imgf000030_0001
Zur Berechnung der Weichentemperaturen der Weiche 3 und der Verlustleistungen wird das Weichensegment in Abschnitte zerlegt und jeder Abschnitt wird durch einen Knoten K repräsentiert, der die mittlere Weichentemperatur Tw des zugeordneten Abschnittes angibt. Die Größe der Abschnitte bzw. die Anzahl der Knoten K hängen von der geforderten Nachbildungsgenauigkeit ab. Für alle Knoten K werden die Verlustleistungen und Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten aus den Stoffeigenschaften, den geometrischen Größen und den vorherrschenden Belastungen durch Heizstrom IN und Umwelt berechnet. Aus der Verbindung der Knoten K durch Widerstände, Kondensatoren und Spannungsquellen entsteht ein Netzwerk, das mit Hilfe des Knoten- und Maschensatzes numerisch gelöst werden kann. Wird die Leistungsbilanz für einen Knoten K erstellt, gilt der Kirchhoffsche Satz (Knotensatz).
PS+PK+PL = PLei + Pc
Nach dem 2. Kirchhoffschen Satz (Maschensatz) folgt, dass entlang einer geschlossenen Linie, d. h. einer Masche, die Summe der vorzeichenbehafteten Temperaturdifferenzen gleich Null ist. Mit einem Softwareprogramm erfolgt die Berechnung der Verlustleistungen und der Wärmetransportvorgänge. Die temperaturabhängigen Wärmeleistungen und Wärmewiderstände werden entsprechend den bekannten Berechnungsgrundlagen berechnet und an den funktionsrelevanten Stellen 19 der Weiche 3, die im Wärmenetz 26, 27 durch Knoten K repräsentiert werden, und unter Einbeziehung der Wärmekapazitäten die
Endtemperatur und der zeitliche Verlauf der Weichentemperaturen berechnet.
In Figur 4 wird zunächst die Anheizzeit U dargestellt. Bei erfüllten Bedingungen für den Heizbetrieb, bspw. bei Schnee, wird über Signal Heizanforderung aus der Steuereinheit die Heizung in Betrieb gesetzt und die Heizeinrichtungen 14 an den Backenschienen 7 werden eingeschaltet und nach erreichender Weichensolltemperatur Tsoii über Zweipunktregelung mit Hysterese geregelt und dadurch die Teile der Weiche 3 erwärmt. Die nicht mit Heizeinrichtung 14 versehenen Zungenschienen 8 und Gleitstuhlplatten 9 werden durch Wärmeleitung und Strahlung erwärmt. Die Anheizzeit U beginnt mit Aktivierung der Heizung und endet bei Erreichen der Weichensolltemperatur Tsoii an einem Weichentemperatursensor 28, der unter dem Fuß an einer Backenschiene 7 angeordnet ist. Die Dauer der Anheizzeit U ist von vielen Faktoren abhängig und soll zur Sicherung der Verfügbarkeit berechnet, überwacht und bei Bedarf entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden.
Die Berechnung der Anheizzeit U erfolgt für zumindest ein Weichensegmente für die linke Seite 5 der Weiche 3 und die rechte Seite 6 der Weiche 3 in mehreren Schritten unter Berücksichtigung von Zeiten, in denen die Erwärmung des Weichensegments bis zur Weichenmindesttemperatur Tw-min der Weiche 3, Schnee schmelzen, Verdampfen von Wasser und danach bis zur Weichensolltemperatur Tsoii der Weiche 3 erfolgt. In Figur 4 ist der zeitliche Verlauf der Weichentemperatur Tw-Fu-Ba der Weiche 3 am Fuß einer Backenschiene 7 und der Weichentemperatur T W-GL-SU außen der Weiche 3 der Gleitstuhlplatte 9 an einer Seite, bspw. der linken Seite 5 der Weiche 3, dargestellt. Im Folgenden werden die einzelnen Zeitabschnitte erläutert. Aufgrund der Massenträgheit besteht bei Betrieb eine Totzeit ΐt von ti bis t2. Die Totzeit ΐt wird berechnet.
Die Anheizzeit U ist die Zeit bis zum Erreichen der Schmelztemperatur von Schnee bis zur Zeit 12.1. Ab der Zeit t2 wird die Weiche 3 bis zur Schmelztemperatur Ts erwärmt, die zur Zeit t 2.1 erreicht wird. Die Berechnung der Anheizzeit U erfolgt über mit dem Wärmenetzmodell ermittelten Wärmewiderstand Rth und Wärmekapazität Cth und der Verlustleistung der Weiche 3 auf Grundlage des zeitlichen Verlaufs beginnend ab Weichentemperatur kalte Schiene TK der Weiche 3 bis zum Erreichender Schmelztemperatur Ts bspw. über die Formeln
Figure imgf000032_0001
Die Zeit zum Schmelzen der gefallenen oder projektspezifisch erforderlichen Schneemenge besteht aus zwei Teilzeiten U2 und tA3. Während der Zeit 2 wird die Zeit zum Schmelzen der Schneemenge aus der Zeit ΪAI berechnet und während der Zeit tA3 wird die während der Zeit tA2 gefallene Schneemenge berechnet. Die Berechnung der Schmelzleistung pro Stunde erfolgt aus Schneemenge hs und den waagerechten Flächen des Weichensegments und einer mittleren Dichte von Schnee, z.B. von 100 kg/m3 bei Lufttemperatur kleiner 0 °C und 200 kg/m3 bei Lufttemperatur größer 0 °C und einer mittleren spezifischen Schmelzwärme von bspw. 335 kJ/Kg. Schnee beginnt bei 0 °C zu schmelzen. Die Berechnung der spezifischen Leistung erfolgt deshalb bspw. bei einer Weichentemperatur von 0 °C an der Backenschiene 7 unter Berücksichtigung der erforderlichen optimalen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung 14 zur Erhaltung der Schmelztemperatur der Backenschiene 7, die der Summe der Verlustleistungen bei dieser Schmelztemperatur entspricht.
Die Berechnung der gesamten Anheizzeit tA2 plus ΪANH3 zum Schmelzen des gesamten Schneemenge aus der Anheizzeit tAi und der Anheizzeit tA2 erfolgt aus dem Produkt aus Schmelzleistung pro Stunde und der Summe aus Zeit ΪANHI und Zeit ΪANH2 und Totzeit t-r.
Nachdem der Schnee geschmolzen ist, wird die Weiche 3 weiter erwärmt. Die Anheizzeit tA4 beginnt zur Zeit 1 2.3 und endet mit Erreichen der Schienensolltemperatur Tsoii der Weiche 3 durch den Weichentemperatursensor 28. Die Berechnung der Anheizzeit tA4 erfolgt über das mit Wärmenetzmodell ermittelten Wärmewiderstand Rth und Wärmekapazität Cth und der Verlustleistung auf Grundlage des zeitlichen Verlaufs beginnend ab Schmelztemperatur bis zum Erreichen der Weichensolltemperatur analog Pkt. 1 mit entsprechend absoluter Weichentemperatur aus der Differenz Weichensolltemperatur und Schmelztemperatur. Während der Anheizzeit tA5 wird der Schnee aus der Anheizzeit tA4 geschmolzen. Die Berechnung erfolgt analog der Anheizzeit tA2 bzw. tA3.
Die gesamte Anheizzeit tA dauert von Zeit ti bis t7 und wird aus der Summe aus Totzeit und Anheizzeiten txi bis tA5 ermittelt und bewertet.
In Figur 5 ist ein Programmablauf für die Dimensionierung einer erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 mit Berechnung der erforderlichen spezifischen Leistung der Heizeinrichtungen 14 in Abhängigkeit aller möglichen projektspezifische Eingabewerte, Parameter und Umgebungsbedingen dargestellt.
1. Schritt: Start
2. Schritt: Parametereingabe
Die Parameter sind: minimale Umgebungstemperatur Tu-min
Weichensolltemperatur Tsoii der Weiche 3
Weichenmindesttemperatur Tw-min der Weiche 3
maximale Windgeschwindigkeit vmax,
maximale Schneemenge in cm pro Zeiteinheit h S-max,
Weichenprofil R
3. Schritt: Parametrieren funktionsrelevanter Stellen
Funktionsrelevante Stellen (19) sind bspw.
Weichentemperatur Fuß-Backenschiene an- und abliegend linke Seite (T Fu-Ba-an,
T Fu-Ba-ab)
Weichentemperatur Kopf-Backenschiene an- und abliegend (T ko-Ba-an, T ko-Ba-ab) Weichentemperatur Kopf-Zungenschiene an- und abliegend (T ko-zu-an, T ko-zu-ab) Weichentemperatur Gleitstuhl-außen an- und abliegend (T GL-au-an, TcL-au-ab) Spezifische Schneemenge an- und abliegend (h S-an, h S-ab) an Weichenspitze 16, Weichenmitte 17 und Weichenende 18 jeweils eines Weichensegments. Die Heizeinrichtungen 14 sollen bspw. an den Backenschienen 7 angebracht werden, der Einbau der Heizeinrichtungen 14 erfolgt am Schienenfuß, die Weiche 3 soll ohne Wärme- bzw. Winddämmung ausgerüstet werden. Jede funktionsrelevante Stelle 19 wird durch einen Knoten K mit hier nicht näher bezeichneter Ortsangabe repräsentiert.
4. Schritt: Berechnen der Weichentemperaturen und spezifischen Verlustleistungen
SRni für 1. Weichensegment mittels Wärmenetzmodell aus den Stoffeigenschaften, den geometrischen Größen und den eingegebenen Parametern und Ausgabe der Summe Verlustleistung des Weichensegments und der Weichentemperaturen für die funktionsrelevanten Stellen 19 anliegende und abliegende Seite des Weichensegments
5. Schritt: Berechnen spezifische Verlustleistungen SRnh für weitere
Weichensegmente analog 4. Schritt
6. Schritt: Die erforderliche spezifische Heizleistung Perf ergibt sich aus der Summe der Verlustleistungen SRnh jedes Weichensegments.
7. Schritt: Prüfen, wird mit der berechneten spezifischen Leistung an dem Standort des Weichentemperatursensors, anliegende oder abliegende Seite, die Weichensolltemperatur erreicht? Bei„Ja“ weiter zu Schritt 10., bei„Nein“ weiter zu Schritt 8.
8. Schritt: Bewertung
Die berechnete Weichenendtemperatur der Weiche 3 am Fuß Backenschiene anliegende Seite Tw-Fu-Ba-an oder abliegende Seite Tw-Fu-Ba-ab ist kleiner als die Weichensolltemperatur Tsoii der Weiche 3, Ergebnis ist Weichenendtemperatur der Weiche 3 an Backenschienenfuß (T w-Fu-Ba) ist zu gering, die Weichensolltemperatur Tsoii der Weiche 3 wird nicht erreicht, weiter mit Schritt 9.
9. Schritt: Erhöhen der spezifischen Leistung P der Heizeinrichtung 14 um einen
Leistungszuschlag p von bspw. 10 Watt pro Meter und Wiederholung der Berechnung nach Schritt 4.
10. Schritt: Prüfen, ist die berechnete Weichenendtemperatur der Weiche 3 am Kopf Backenschiene anliegende Seite Tw-Ko-Ba-an oder abliegende Seite Tw-Ko-Ba-ab kleiner als die Weichenmindesttemperatur Tw-Min der Weiche 3? Ist bspw. die berechnete Weichentemperatur der Weiche 3 an Kopf-Backenschiene T op-Ko-Ba der anliegenden oder abliegende Seite kleiner als die parametrierte Weichenmindesttemperatur Tw-Min, weiter mit Schritt 9. Ist die berechnete Weichentemperatur der Weiche 3 an Kopf- Backenschiene anliegende und abliegende Seite (T op-Ko-Ba-an, T oP-Ko-Ba-ab ) größer oder gleich der Schienenmindesttemperatur der Weiche 3, weiter zu Schritt 1 1.
1 1. Schritt: Prüfen, ist die berechnete Weichenendtemperatur der Weiche 3 am Kopf- Zungenschiene 21 anliegende Seite To -Ko-zu-an oder abliegende Seite Tw-Ko-zu-ab kleiner als die Weichenmindesttemperatur Tw-Min der Weiche 3? Bei„JA“ weiter zu Schritt 9., bei „Nein“ weiter zu Schritt 12.
12. Schritt: Prüfen, ist die berechnete Weichenendtemperatur der Weiche 3 an Außen-Gleitstuhlplatte anliegende Seite Tw-GL-au -an oder abliegende Seite Tw-GL-au-ab kleiner als die Weichenmindesttemperatur Tw-Min der Weiche 3? Bei„JA“ weiter zu Schritt 9., bei„Nein“ weiter zu Schritt 13. 13. Schritt: Schneemenge wird geschmolzen
Prüfen, wird die maximale Schneemenge geschmolzen oder nicht über Vergleich der Summe aus berechneter spezifischer Erhaltungsleistung PErh bei Weichenmindesttemperatur Tw-Min der Weiche 3 und spezifischer Schmelzleistung Psm für die maximale Schneemenge hs mit der berechneten spezifischen Leistung (Pop)? Ist die berechnete spezifische Leistung Pop größer oder gleich der Summe aus Erhaltungsleistung PE* und Schmelzleistung Psm, weiter zu Schritt 14., sonst weiter zu Schritt 9.
14. Schritt: Ausgabe der erforderlichen spezifischen Leistung Heizeinrichtung P für eine Weichenheizung 1 , die im automatischen Betrieb bis zu den Eingabeparametern die Verfügbarkeit der Weiche im Winter bei geringen Energieverbrauch gewährleistet.
In Figur 6 ist der Programmablauf für den Nachweis der Funktion der erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 in Abhängigkeit der minimalen Umgebungstemperatur Tu, der vorhandenen spezifischen Leistung Heizeinrichtung P, der Weichensolltemperatur Tsoii der Weiche 3 bei maximaler Windgeschwindigkeit vmax für das Schienenprofil R der Weiche 3 sowie eine mögliche maximale Schneemenge pro Stunde hs-max und Standort der Heizeinrichtungen 14 an Backenschiene 7 und/oder Zungenschiene 8 und/oder Gleitstuhlplatte 9 dargestellt. Mit einem derartigen Verfahren kann die Grenze der Funktion der erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 und damit die Verfügbarkeit der Weiche 3 im Winter für eine standardmäßig ausgeführte Weichenheizung 1 ermittelt und bewertet werden und das auch bei Betrieb mit aktueller Lufttemperatur, Schneemenge pro Stunde und Windgeschwindigkeit v. In Figur 6 wird die Verfügbarkeit der Weiche 3 im Winter in Abhängigkeit der Weichentemperaturen der Weiche 3 an den funktionsrelevanten Stellen 19 der abliegenden (rechten) Seite 6 der Weiche 3 und der anliegenden Seite 5 der Weiche 3 Kopf-Backenschienen, Kopf- Zungenschiene und Außen-Gleitstuhlplatte über Vergleich mit der
Weichenmindesttemperatur Tw-Min der Weiche 3 und die Funktion Schneeschmelzen während der Anheizzeit†ANH über Vergleich der spezifischen Leistung Heizeinrichtung P mit der erforderlichen spezifischen Leistung Perf, die sich aus der Summe Erhaltungsleistung PErh und Leistung Schmelzwärme PSm ergibt, ermittelt und die möglichen Defizite ermittelt bzw. die Funktion der Weichenheizung 1 in Abhängigkeit der Witterung bestätigt. Nachfolgend werden die Schritte für die Bewertung einer vorhandenen Weichenheizung 1 bei minimaler Umgebungstemperatur Tu-min, maximaler Schneemenge pro Stunde hS und max. Windgeschwindigkeit Vmax dargestellt. Schritt"! : Start des Programmes
Schritt 2: Eingabe von minimal zu erwartender Umgebungstemperatur Tumin, spezifischen Leistungen Heizeinrichtung P, Weichensolltemperatur Tsoii, maximaler Windgeschwindigkeit Vmax, Schienenprofil R der Weiche 3, maximaler Schneemenge pro Stunde hs und Standort der Heizeinrichtungen 14 an Backenschiene 7 und/oder Zungenschiene 8 und/oder Gleitstuhlplatte 9, Weichenmindesttemperatur Tmin.
Schritt 3: Die optimale spezifische Leistung Heizeinrichtung anliegende (linke)
Seite P op-u und die optimale spezifische Leistung Heizeinrichtung abliegende (rechte) Seite P op-Re ergibt sich aus der spezifischen Leistung Heizeinrichtung P an den jeweiligen Backenschienen 7, Zungenschienen 8 bzw. Gleitstuhlplatten 9.
Schritt 4: Für anliegende (linke) Seite 5 der Weiche 3 und abliegende (rechte) Seite
6 der Weiche 3 wird je ein Weichensegment mit je einem Wärmenetzmodell gebildet, wobei für die anliegende (linke) Seite 5 der Weiche 3 die Zungenschiene 8 bspw. anliegend und für die abliegende (rechte) Seite 6 der Weiche 3 die Zungenschiene 8 abliegend dargestellt ist, und es erfolgt über Berechnung der Verlustleistungen Strahlung Pst, Konvektion PK, Wärmeleitung PL, Schmelzwärme Psm und Wärmespeicherung Pc bei spezifischer Leistung Heizeinrichtung P die Berechnung der Weichentemperatur T der Weiche 3 zur Zeit t6 der Anheizzeit ΪA bei Erreichen der Weichensolltemperatur Tsoii der Weiche 3 und über Berechnung der Erhaltungsleistung zum Zeit t2.1 der Anheizzeit ΪA bei Erreichen der Weichenmindesttemperatur Tmin der Weiche 3.
Schritt 5: Ausgabe der Weichentemperaturen T und der Summe der
Verlustleistungen anliegenden (linken) Seite SRn-u und der Summe der Verlustleistungen abliegende (rechte) Seite SRn-Re
Schritt 6: Prüfen, ist die berechnete optimale Weichentemperatur T der Weiche 3 am Weichentemperatursensor 28, bspw. an Fuß-Backenschiene anliegende (linke) Seite, anliegend, und abliegende (rechte) Seite 6, größer als die Weichensolltemperatur Tsoii der Weiche 3 unter Berücksichtigung eines Faktors k, bspw. von 1 ,5? Wenn„JA“ weiter zu Schritt 7., wenn„NEIN“ weiter zu Schritt 13..
Schritt 7: Prüfen, ist die berechnete optimale Weichentemperatur T der Weiche 3 am Kopf-Zungenschiene anliegend (linke Seite 5) und abliegend (rechte Seite 6) größer oder gleich der Weichenmindesttemperatur der Weiche 3? Wenn„JA“ weiter zu Schritt 8., wenn„NEIN“ weiter zu Schritt 13.. Schritt 8: Prüfen, ist die berechnete optimale Weichentemperatur T der Weiche 3 an Außen-Gleitstuhlplatte anliegend (linke Seite 5) und abliegend (rechte Seite 6) größer oder gleich der Weichenmindesttemperatur der Weiche 3? Wenn„JA“ weiter zu Schritt 14., wenn„NEIN“ weiter zu Schritt 13..
Schritt 9: Ermitteln der erforderlichen spezifischen Leistung aus der Summe von
Erhaltungsleistung zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur der Weiche 3 an Backenschiene 7 und Schmelzleistung anliegende (linke) Seite Psm-u und Schmelzleistung abliegende (rechte) Seite Psm-u zum Schmelzen der bisher gesamten Schneemenge, die sich aus erfasster Schneemenge pro Zeiteinheit und der Zeit t2.3 der Anheizzeit ΪA ergibt.
Schritt 10: Prüfen, ist die erforderliche spezifische Leistung der anliegenden (linken)
Seite P erf-u oder die erforderliche spezifische Leistung der abliegenden (rechten) Seite P erf-Re kleiner gleich der spezifischen Leistung Heizeinrichtung P? Wenn„JA“ weiter zu Schritt 11., wenn„NEIN“ weiter zu Schritt 12..
Schritt 11 : Die gefallene Schneemenge ist kleiner oder gleich der geschmolzenen
Schneemenge. Der gefallene Schnee wird während der Anheizzeit geschmolzen.
Schritt 12: Die gefallene Schneemenge ist größer der geschmolzenen
Schneemenge. Der gefallene Schnee wird während der Anheizzeit nicht geschmolzen. Schritt 13: Ausgabe Defizit für anliegende und abliegende Seite mit hier nicht näher angeführtem Text.
Schritt 14: Ausgabe der Betriebsgrenzwerte mit bspw. Minimalwerten aus
Weichentemperaturen der Weiche 3 anliegende (linke) Seiten 5 und abliegende (rechte) Seiten 6 Kopf-Backenschienen, Kopf-Zungenschienen sowie geschmolzene Schneemenge.
Das gleiche Programm kann in die Steuerung und Regelung integriert werden, indem anstelle von Minimalwerten bzw. Maximalwerten die aktuelle Umgebungstemperatur, Windgeschwindigkeit und Schneemenge eingelesen werden und geeignete Korrekturmaßnahmen oder Warnmeldungen aktiviert werden. Eine geeignete Korrektur ist bspw. zusätzliche Heizeinrichtungen an den Gleitstuhlplatten 9 oder Zungenschienen 8 anzuordnen und die Heizeinrichtungen an diesen zuerst zu aktivieren, so dass aufgrund der geringen Masse die möglichen Probleme gelöst werden. In Figur 7 ist der Programmablaufplan für die Steuerung und Regelung einer erfindungsgemäßen Weichenheizung 1 für eine Weiche 3 mit Schienenprofil R54 durch Berechnen und Bewerten des zeitlichen Verlaufs der Weichentemperaturen der Weiche 3, der Weichenendtemperatur der Weiche 3 und der Anheizzeit tAan den im Winter bei Eis und Schnee funktionsrelevanten Stellen 19 eines Weichensegments mit spezifischer Länge Iseg für eine linke Seite und eine rechte Seite an einer nicht näher bezeichneten Stelle der Weiche 3 entsprechen. Die in Figur 7 dargestellten Knoten K entsprechen den in Figur 1 dargestellten Bewertungspunkt Fuß-Backenschiene 37, Bewertungspunkt Kopf- Zungenschiene 41 , Bewertungspunkt Fuß-Zungenschienen 40, Bewertungspunkt Mitte- Gleitstuhlplatte 42 und Bewertungspunkt Außen-Gleitstuhlplatte 43 für die linke Seite 5 der Weiche 3 und die rechte Seite 6 der Weiche 3 über die Länge der Weiche 3, die durch Weichenbereiche 4 Weichenspitze 16, Weichenmitte 17 und Weichenende 18 gekennzeichnet sind, wobei jeder Weichenbereich durch ein Weichensegment linke Seite 5 der Weiche 3 und ein gegenüberliegendes Weichensegment an der rechten Seite 6 der Weiche 3 repräsentiert wird. Die Einteilung der Weiche 3 in linke Seite 5 und rechte Seite 6 erfolgt bspw. von der Weichenspitze 16 in Blickrichtung Weichenende 18.
Schritt 1. Eingabe
Beispielhaft erfolgt die Eingabe für eine Weiche 3 mit Heizeinrichtung 14 mit spezifischer Leistung P von 330 Watt pro Meter an den Backenschienen 7. Die
Weichensolltemperatur der Weiche 3 beträgt 7 °C, die Weichenmindesttemperatur Tw- min der Weiche 3 für das Schmelzen von Schnee an der Weiche 3 wird mit +/- 0 °C und einem minimalen Leistungsverhältnis Lv von 40 % parametriert, so dass die optimale spezifische Leistung Pop der Heizeinrichtung 14 mit 330 W/m multipliziert mit 40 % gleich 132 W/m zu Beginn des Betriebes eingestellt wird. Der Standort des Weichentemperatursensor 28 WT ist bspw. die linke Seite 5 der Weiche 3. Die Betriebsbereichswerte sind vom Betreiber der Weiche 3 mit Schienenprofil R54 für eine Umgebungstemperatur bis - 20 °C bei einer maximalen Windgeschwindigkeit bis 0,8 m/s und einer maximalen Schneemenge bis 5 cm/h festgelegt. Bis zu diesen
Betriebswerten soll die Funktion der Weiche 3 durch die erfindungsgemäße Weichenheizung 1 durch Gewährleistung der erforderlichen Weichenmindesttemperatur T w-min an den funktionsrelevanten Stellen 19 und entsprechender optimaler spezifischer Leistung Pop zum Schmelzen der Schneemenge hs sichergestellt werden.
Schritt 2. Wahl des Weichensegments und Berechnen der spezifischen Leistung des Weichensegments linke Seite und rechte Seite mit 330 W/m * 40 % = 132 W/m. Schritt 3. Einlesen Weichsegment 1 linke Seite und rechte Seite der aktuellen Umgebungstemperatur, Weichentemperatur, Schneemenge, Niederschlagsart, Niederschlagsmenge und Windgeschwindigkeit.
Schritt 4. Berechnen der Weichentemperaturen der Weiche 3 und Verlustleistungen im Leistungsgleichgewicht (stationärer Endwert) an 6 Knotenpunkten in dem Wärmenetzmodell 26 für die linke Seite 5 der Weiche 3 und im Wärmenetzmodell 27 der rechten Seite 6 der Weiche 3. Zusätzlich Berechnen der Erhaltungsleistung zum Zeitpunkt t2.i . (benötigte Leistung zum Aufrechterhalten der Temperatur von 0 °C). Schritt 5. Prüfen, ob Heizanforderung durch Schneefall oder niedrige Umgebungstemperaturen besteht. Wenn Ja weiter mit Schritt 6 wenn nein weiter mit Schritt 2.
Schritt 6. Prüfen ob die aktuelle Zeit größer als die Totzeit ist. Wenn Ja weiter mit Schritt 7, wenn nein weiter mit Schritt 8
Schritt 7. Bei abgelaufener Totzeit Messen der Weichentemperatur der Weiche 3 mittels Weichentemperatursensor und Vergleichen mit berechneten Weichentemperatur am jeweiligen Knoten K und Berechnen der Weichenendtemperaturüber Zeitkonstante oder Modellparameter.
Schritt 8. Prüfen, ob Weichentemperatur der Weiche 3 Kopf-Zungenschiene linke Seite größer als die Weichentemperatur der Weiche 3 Kopf-Zungenschiene rechte Seite ist. Bei „Ja“ ist die linke Seite die anliegende Zungenschiene 8, (Annahme Weichentemperatur Kopf Zungenschiene ist höher, damit wird erkannt, ob die Weiche inzwischen umgestellt wurde).
Schritt 9. Prüfen, ob linke Seite oder rechte Seite Standort des
Weichentemperatursensors ist. Im Beispiel ist die Linke Seite der Standort des Weichentemperatursensor 28. Auf der Seite mit Weichentemperatursensor 28 weiter mit Schritt 10 auf der Seite ohne Weichentemperatursensor weiter mit Schritt 12. Eine Ausrüstung beider Seiten mit Weichentemperatursensoren ist möglich.
Schritt 10. Zuweisen Weichentemperatur linke Seite ist anliegend und
Weichentemperatur rechte Seite ist abliegend
Schritt 1 1. Prüfen, ob die errechnete Weichentemperatur der Weiche 3 Fuß-
Backenschiene anliegend gleich der realen Weichentemperatur der Weiche 3 Fuß- Backenschiene unter Berücksichtigung einer Weichentemperaturtoleranz ist, wenn „Nein“ weiter zu Schritt 19., wenn„Ja“ weiter zu Schritt 12.
Schritt 12. Prüfen, ob berechnete Weichentemperatur der Weiche 3 Fuß-
Backenschiene größer ist als die Weichensolltemperatur der Weiche 3 zuzüglich einer Konstante und abzüglich der Umgebungstemperatur ist. Wenn „Nein“ erhöhen des Leistungsverhältnisses Lv um den Faktor x (im Beispiel 10%) und weiter zu Schritt 2, wenn„Ja“ weiter zu Schritt 13.
Schritt 13. Prüfen, ob Erhaltungsleistung zuzüglich derLeistung Schmelzwärme Psm kleiner oder gleich der optimalen Leistung zur Zeit t ist. Wenn„Nein“ erhöhen des Leistungsverhältnisses Lv um den Faktor x (im Beispiel 10%) und weiter zu Schritt 2, wenn„Ja“ weiter zu Schritt 14.
Schritt 14. Prüfen, ob die Aufheizzeit des Fuß der Backenschiene tA-Fu-Ba kleiner oder gleich der maximalen Aufheizzeit tA-max ist. Wenn „Nein“ erhöhen des Leistungsverhältnisses Lv um den Faktor x (im Beispiel 10%) und weiter zu Schritt 2, wenn„Ja“ weiter zu Schritt 15.
Schritt 15. Prüfen, ob die Temperatur des Kopfes der Zungenschiene Tko-zu größer oder gleich der minimalen Weichentemperatur Tmin ist. Wenn „Nein“ erhöhen der Weichensolltemperatur Tsoii um den Faktor y (im Beispiel 0,5 K) und weiter zu Schritt 2, wenn„Ja“ weiter zu Schritt 16.
Schritt 16. Prüfen, ob die Temperatur am Fuß der Zungenschiene TFU-ZU größer oder gleich der minimalen Weichentemperatur Tmin ist. Wenn „Nein“ erhöhen der Weichensolltemperatur Tsoii um den Faktor y (im Beispiel 0,5 K) und weiter zu Schritt 2, wenn„Ja“ weiter zu Schritt 17.
Schritt 17. Prüfen, ob die Temperatur in der Mitte des Gleitstuhles TcL-mi größer oder gleich der minimalen Weichentemperatur Tmin ist. Wenn „Nein“ erhöhen der Weichensolltemperatur Tsoii um den Faktor y (im Beispiel 0,5 K) und weiter zu Schritt 2, wenn„Ja“ weiter zu Schritt 18.
Schritt 18. Prüfen, ob die Temperatur am äußeren Rand des Gleitstuhles TcL-au größer oder gleich der minimalen Weichentemperatur Tmin ist. Wenn„Nein“ erhöhen der Weichensolltemperatur Tsoii um den Faktor y (im Beispiel 0,5 K) und weiter zu Schritt 2, wenn„Ja“ weiter zu Schritt 20.
Schritt 19. Korrektur der Berechnung aus Schritt 4 mit Hilfe eines Korrekturfaktors für Anpassung der Konvektionsverluste oder Strahlungsleistung. Ist die errechnete Weichentemperatur der Weiche 3 Fuß-Backenschiene anliegend kleiner als die reale Weichentemperatur der Weiche 3 Fuß-Backenschiene unter Berücksichtigung einer Weichentemperaturtoleranz so wird die Wärmeübergangszahl Konvektion a um den Faktor n (im Beispiel 1) verringert und weiter zu Schritt 4. Ist die errechnete Weichentemperatur der Weiche 3 Fuß-Backenschiene anliegend größer als die reale Weichentemperatur der Weiche 3 Fuß-Backenschiene unter Berücksichtigung einer Weichentemperaturtoleranz so wird die Windgeschwindigkeit V um den Faktor n (im Beispiel 1) erhöht und weiter zu Schritt 4.
Schritt 20. Ausgabe der optimalen Leistung Pop-u für die linke Seite der Weiche 3 und der optimalen Leistung Pop-Re für die Rechte Seite der Weiche 3 für die folgende Zykluszeit tz. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren angibt, bei welchem das erfindungsgemäße Wärmenetzmodell über einen Vergleich der berechneten Weichentemperaturen mit parametrierten Weichenmindesttemperaturen die Weichensolltemperatur und/oder die spezifische Leistung zumindest eine Heizeinrichtung 14 verändert.
Ferner verifiziert das erfindungsgemäße Wärmenetzmodell über einen Vergleich mit über einen Weichentemperatursensor 28 erfassten Weichentemperaturen mittels Korrektur der Leistung Konvektion und/oder der Leistung Strahlung die berechneten Weichentemperaturen.
Das erfindungsgemäße Wärmenetzmodell erzeugt darüber hinaus in der Steuereinrichtung eine Warnmeldung vor Überschreiten der Betriebsgrenze für ein Leitsystem und vor Ort.
Schließlich ermittelt das erfindungsgemäße Wärmenetz vor und bei Betrieb die Anheizzeit und aktiviert ein zusätzliches Heizregime Vorheizen über die Steuereinheit, wenn in Abhängigkeit der prognostizierten Umgebungsbedingungen über Wetterdienst die maximale Schneemenge während der Anheizzeit überschritten und/oder die Schneemenge nicht geschmolzen wird.
Bezugszeichen
1 Weichenheizung
2 Betrachtungsrichtung Weiche 3 Weiche
4 Weichenbereich
5 linke Seite
6 rechte Seite
7 Backenschiene
8 Zungenschiene
9 Gleitstuhlplatte
10 anliegende Zungenschiene 1 1 abliegende Zungenschiene 12 anliegender Bereich
13 Stützknaggen
14 Heizeinrichtung
16 Weichenspitze
17 Weichenmitte
18 Weichenende
19 Funktionsrelevante Stelle
20 Kopf-Backenschiene
21 Kopf-Zungenschiene
22 Mitte-Gleitstuhlplatte
23 Außen-Gleitstuhlplatte
24 Schwelle
25 Schwellenabstand
26 Wärmenetz linke Seite
27 Wärmenetz rechte Seite
28 Weichentemperatursensor 29 Symbol Heizeinrichtung
30 Symbol Wärmestrahlung
31 Symbol Konvektion
32 Symbol Wärmespeicher
33 Symbol Wärmeleitung
34 Weichensegment Weichenspitze
35 Weichensegment Weichenmitte 36 Weichensegment Weichenende
37 Bewertungspunkt Fuß-Backenschiene
38 Bewertungspunkt Steg-Backenschiene
39 Bewertungspunkt Kopf-Backenschiene 40 Bewertungspunkt Fuß-Zungenschiene
41 Bewertungspunkt Kopf-Zungenschiene
42 Bewertungspunkt Mitte-Gleitstuhlplatte
43 Bewertungspunkt Außen-Gleitstuhlplatte Pst Leistung Strahlungswärme
PL Leistung Wärmeleitung
PK Leistung Konvektionswärme
P op optimale spezifische Leistung
P reale spezifische Leistung Heizeinrichtung Perf erforderliche spezifische Leistung
Korrekturfaktor Länge
Pc Leistung Wärmekapazität
Pv Leistung Verdampfungswärme
Psm Leistung Schmelzwärme
PErh Erhaltungsleistung
R Weichenprofil
Tu Umgebungstemperatur
T U-min minimale Umgebungstemperatur
Tw reale Weichentemperatur
ATw reale Weichentemperaturdifferenz T min Weichenmindesttemperatur
T op optimale Weichentemperatur
T Soll Weichensolltemperatur
T Soll-Vor zweite Weichensolltemperatur
Ts Schmelztemperatur
Tv Verdampfungstemperatur
TK Weichentemperatur kalte Schiene NI Niederschlagsart
Lv Leistungsverhältnis
spezifische Länge Heizeinrichtung
K Knoten (K) Heizstrom
tA Anheizzeit
tE Einschaltzeit
tz Zeitzyklus
Faktor
a Wärmeübergangszahl Konvektion
Beispiele für Bezeichnung von Knoten (K) und Temperaturen
K Fu-Ba-u Knoten (K) Fuß-Backenschiene-linke Seite
K ko-Ba-an Knoten (K) Kopf-Backenschiene-anliegende Zungenschiene
T ko-Ba Weichentemperatur - Kopf-Backenschiene
T ko-Ba-Li Weichentemperatur-kopf-Backenschiene Linke Seite der Weiche
Tko-zu Weichentemperatur - Kopf-Zungenschiene
T Gi-mi Weichentemperatur - Mitte-Gleitstuhlplatte
T GL-au Weichentemperatur - Außen-Gleitstuhlplatte
ΐt T otzeit
tA Anheizzeit
tmax maximale Anheizzeit
hs Schneemenge pro Stunde
v Windgeschwindigkeit
Vmax maximale Windgeschwindigkeit
n Zyklusfaktor
tn Zeit
tz Zykluszeit
y Weichensolltemperatur-Korrekturfaktor
WT Standort Weichentemperatursensor
Indizes: an anliegend
ab abliegend
rechte Seite
Li linke Seite Ba Backenschiene
Zu Zungenschiene
GL Gleitstuhlplatte
Ko Kopf
Fu Fuß
St Schienensteg
au außen
mi mitte
op optimal
w real
Literatur [1 ] Löbl. H.: Strombelastbarkeit des Transformators in einer Kompaktstation
Elektrizitätswirtschaft, H. 17/18 96. S. 1 154-1163,
[2] Quelle 2 Elsner, N.: Grundlagen der Technischen Thermodynamik, Berlin:
Akademie Verl. 1988,
[3] Börner, H.; Über den Wärme- und Stoffübergang an umspülten
Einzelkörpern bei Überlagerung von freier und erzwungener Konvektion, Düsseldorf: VDI-Verl. 1965 (VDI-Forschungsheft 512),
[4] Krischer, 0.: Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik,
Berlin: Springer Verl. 1956,
[5] Philippow, E.: Taschenbuch Elektrotechnik Bd. 5: Elemente und
Baugruppen der Elektroenergietechnik, Berlin: Verl. Technik 1979,
[6] Gremmel, H.: Schaltanlagen, Hrsg. ABB Schaltanlagen GmbH
Mannheim, Düsseldorf: Cornelsen Verl. Schwann-Girardet 1992.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Weichenheizung (1), wobei die Weichenheizung (1) mindestens ein an zumindest einer Weiche (3) angeordnete Heizeinrichtung (14), zumindest einen Weichentemperatursensor (28) an der zumindest einem Weiche (3), zumindest eine Energieverteilung mit mindestens einem Heizabgang pro Weiche (3) und zumindest eine Steuereinrichtung zum Steuern und Regeln der Weichentemperatur aufweist, umfassend die Schritte: a) Definieren zumindest eines Weichensegments für die linke Seite (5) der zumindest einen Weiche (3) und/oder für die rechte Seite (6) der zumindest einen Weiche (3) mit einer spezifischen Länge, wobei das Weichensegment der zumindest einen Weiche (3) eine Backenschiene (7), eine Zungenschiene (8), eine Gleitstuhlplatte (9) und zumindest eine Heizeinrichtung (14) aufweist, und Zerlegen des zumindest einen Weichensegments in einzelne Abschnitte mit jeweils zumindest einem ersten Knoten, der zumindest einer funktionsrelevanten Stelle (19) des Weichensegmentes der zumindest einen Weiche (3) im Winter entspricht, wobei die funktionsrelevante Stelle (19) mindestens einen Bewertungspunkt (37, 38, 39, 40, 41 , 42, 43) aufweist, wobei das zumindest eine Weichensegment repräsentativ die zumindest eine Weiche (3) thermodynamisch abbildet,
wobei das zumindest eine Weichensegment in der Nähe des zumindest einen Weichentemperatursensors (15, 18) angeordnet ist,
b) Bilden eines Wärmenetzes (26, 27) für das zumindest eine Weichensegment für die linke Seite (5) der zumindest einen Weiche (3) und/oder für die rechte Seite (6) der zumindest einen Weiche (3), wobei das Wärmenetz (26, 27) Wärmeerzeugungselemente, Wärmeübertragungselemente und
Wärmespeicher (32) aufweist, und Zuordnen des jeweils zumindest ersten Knoten (K) der jeweiligen Abschnitte des zumindest einen Weichensegments zu mindestens einem Bewertungspunkt (37, 38, 39, 40, 41 , 42, 43), wobei alle Knoten (K) der einzelnen Abschnitte über Maschen zu dem Wärmenetz (26, 27) so verbunden werden, dass die Differenz aller vorzeichenbehafteten Temperaturen gleich Null ist,
c) Berechnen des zeitlichen Verlaufs einer optimalen spezifischen Leistung (Pop) des zumindest einen Weichensegments und der jeweiligen optimalen Weichentemperatur an dem zumindest einen ersten Knoten der Weichenheizung (1) an dem zumindest einen Weichensegment über eine Leistungsbilanz gemäß eines Knotensatzes, und bei Betrieb Aktivieren dieser optimalen spezifischen Leistung an der zugehörigen Heizeinrichtung (14) mittels Produkt aus realer spezifischer Leistung der Heizeinrichtung (14), die der maximalen spezifischen Leistung entspricht, und einem Leistungsverhältnis, wobei das Leistungsverhältnis variabel zwischen 25 % und 100 % der realen spezifischen Leistung entspricht,
d) Erfassen des zeitlichen Verlaufs der realen Weichentemperatur an dem zumindest einen Weichensegment mit dem zumindest einen
Weichentemperatursensor (28) und Korrigieren der berechneten
Weichentemperatur an einem der zumindest ersten Knoten des zumindest einen Weichensegments über Leistung Konvektionswärme wenn berechnete Weichentemperatur größer ist als reale Weichentemperatur oder Leistung Strahlungswärme des Wärmenetzes wenn berechnete Weichentemperatur kleiner ist als reale Weichentemperatur,
e) Berechnen der Weichenendtemperatur an zumindest einem zweiten Knoten des zumindest einen Weichensegments und Vergleichen der berechneten Weichenendtemperatur mit einer parametrierten Weichenmindesttemperatur für diesen zumindest einen zweiten Knoten,
wobei bei Nichterreichen der Weichenmindesttemperatur der Weiche (3) eine parametrierbare Weichensolltemperatur um einen Weichensolltemperatur- Korrekturfaktor so lange erhöht wird, bis die jeweilige berechneten Weichenendtemperatur der Weiche (3) zumindest der Weichenmindesttemperatur der Weiche (3) entspricht,
f) Berechnen der Anheizzeit für das Erwärmen des zumindest einen
Weichensegments bis zu der parametrierbaren Weichensolltemperatur der Weiche (3) und Bewerten der berechneten Anheizzeit bei parametrierbarer Weichensolltemperatur,
wobei bei einem Defizit die optimale spezifische Leistung erhöht und bei einem Überschuss die optimale spezifische Leistung verringert wird.,
g) Berechnen der Anheizzeit für das Erwärmen des zumindest einen
Weichensegments bis zu der parametrierbaren Weichenmindesttemperatur der Weiche (3) und Bewerten der erforderliche spezifische Leistung aus
Erhaltungsleistung und Schmelzleistung für den bis dahin gefallenen Schnee mit der spezifischen Leistung (P) bei parametrierbarer Weichenmindesttemperatur, wobei bei einem Defizit die optimale spezifische Leistung erhöht oder eine Meldung„gefallene Schneemenge ist zu groß und wird nicht geschmolzen“ erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , ferner umfassend vor Betrieb durch eine Heizanforderung den Schritt
h) Berechnen der spezifischen Schmelzleistung für die während der Anheizzeit am Weichensegment berechneten Schneemenge aus einer gemeldeten Schneehöhe pro Zeiteinheit und Berechnen der spezifischen Erhaltungsleistung zur Erhaltung der Schmelztemperatur an dem Weichensegment und Vergleich der Summe dieser mit der realen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung (14) und, wenn die reale spezifische Leistung der Heizeinrichtung (14) geringer ist, Aktivieren der Weichenheizung (1) mit einer zweiten Weichensolltemperatur, die so groß ist, dass bei Betrieb die spezifische Leistung der Heizeinrichtung (14) zumindest gleich der Summe aus spezifischer Schmelzleistung und Erhaltungsleistung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei
die Wärmeerzeugungselemente die spezifische Leistung der zumindest einen Heizeinrichtung (29) mit einem Wärmespeicher des Weichensegments und eine Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung umfassen und/oder
die Wärmeübertragungselemente Wärmewiderstände an der Weiche (3) aus den Stoffeigenschaften, den geometrischen Größen und den vorherrschenden Belastungen durch Wärmeübertragung und Umwelt an dem zumindest einen Weichensegment umfassen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in Schritt f)
die Anheizzeit für das Erwärmen des zumindest einen Weichensegments aus der Summe einzelner Heizzeiten für das zumindest eine Weichensegment für dessen Erwärmen, für das Schmelzen von Schnee und für das Verdampfen von Wasser an diesem berechnet wird, und/oder
die Anheizzeit durch Erhöhen des Leistungsverhältnisses und/oder Umschalten von Regelbetrieb auf Dauerbetrieb erhöht und/oder durch Verringern des Leistungsverhältnisses verringert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei aktiver Heizung ferner umfassend die Schritte
i) Berechnen einer Schmelzleistung für gefallenen Schnee in einer parametrierbaren Zeitspanne und Vergleichen dieser Schmelzleistung mit der Differenz aus spezifischer Leistung und einer berechneten Erhaltungsleistung, wobei bei einem Defizit der spezifischen Leistung die Leistung erhöht und/oder ein Dauerheizen begonnen und/oder eine erste Warnmeldung ausgegeben wird,
und/oder
j) Vergleichen der berechneten Anheizzeit mit einer parametrierten maximalen Anheizzeit, wobei bei einem Defizit der spezifischen Leistung die Leistung erhöht und/oder ein Dauerheizen begonnen und/oder eine zweite Warnmeldung ausgegeben wird,
und/oder
k) Berechnen der Schneehöhe aus der Differenz aus gefallener Schneehöhe und geschmolzener Schneehöhe pro Zeiteinheit und Vergleichen der berechneten Schneehöhe mit einer parametrierbaren maximal zulässigen Schneehöhe, wobei bei einem Defizit der spezifischen Leistung die Leistung erhöht und/oder ein Dauerheizen begonnen und/oder eine dritte Warnmeldung ausgegeben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Berechnen der Anheizzeit in Schritt f) die Unterschritte umfasst:
f1) Berechnen der Totzeit für das zumindest eine Weichensegment aus dem zeitlichen Verlauf der Weichentemperatur der Weiche (3) bei optimaler oder realer spezifischer Leistung,
f2) Berechnen der Zeit Ui zum Erwärmen des zumindest einen Weichensegments von der Weichentemperatur der kalten Schiene der Weiche (3) und der Schmelztemperatur bis zur Weichenmindesttemperatur an zumindest einen Knoten,
f3) Berechnen der Zeit 2 zum Schmelzen der Schneemenge während des Schritts f2) aus der Differenz aus vorhandener spezifischer Leistung abzüglich der Leistung zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur des zumindest einen Weichensegments,
f4) Berechnen der Zeit U3 zum Schmelzen des gefallenen Schnees während des Schritts f3) aus der Differenz aus vorhandener spezifischer Leistung abzüglich der Leistung zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur des zumindest einen Weichensegments,
f5) Berechnen der Zeit tA4 zum Erwärmen des zumindest einen Weichensegments von der Differenz Weichenmindesttemperatur bis zur Weichensolltemperatur an den Knoten mit dem Weichentemperatursensor der Weiche (3),
f6) Berechnen der Zeit Us zum Schmelzen des gefallenen Schnees während des Schritts f5) aus der Differenz aus vorhandener spezifischer Leistung abzüglich der Leistung zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur des zumindest einen Weichensegments.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend eine Ermittlung der Betriebsgrenze Umgebungstemperatur (GW-TU) der Weichenheizung (1), umfassend
- Berechnen der optionalen Weichenendtemperaturen an zwei spezifischen
Knoten des zumindest einen Weichensegments, welche dem Kopf-Backenschiene (20) und dem Kopf-Zungenschiene (21) als funktionsrelevante Stellen (19) der zumindest einen Weiche (3) entsprechen, wobei von der
Weichenmindesttemperatur die berechneten Weichentemperaturen Kopf- Backenschiene und Kopf-Zungenschiene subtrahiert werden und die geringste davon der Betriebsgrenze-Umgebungstemperatur entspricht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend eine Ermittlung der Betriebsgrenze Schneemenge (Gw-hs) der Weichenheizung (1), umfassend
- Berechnen einer spezifischen Erhaltungsleistung bei Weichenmindesttemperatur
T min der Weiche (3), zuzüglich einer Weichenmindesttemperatur (T w-min) Toleranz ATmin, am Backenschienenfuß, einer Schmelzleistung für die maximale Schneemenge oder die bis dahin erfasste Schneemenge sowie einer
Verdampfungsleistung für Schmelzwasser, und Vergleich der Summe daraus mit der erforderlichen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung (29) des zumindest einen Weichensegments, wenn die erforderliche spezifische Leistung der Heizeinrichtung kleiner ist als die Summe aus Erhaltungsleistung und Schmelzleistung und Verdampfungsleistung die Betriebsgrenze Schneehöhe überschritten ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend eine projektspezifische Dimensionierung der Heizeinrichtungen (29) und deren erforderlicher spezifischer Leistung, umfassend - Berechnen einer spezifischen Leistung (P) der Heizeinrichtung zum Erreichen einer Weichensolltemperatur der Weiche (3) am Standort des Weichentemperatursensors und einer minimalen Weichentemperatur Tw-min der Weiche (3) an mindestes einem Kopf-Backenschiene (20) und/oder einem Kopf- Zungenschiene (21) für das zumindest eine Weichensegment über Berechnen der
Summe aus Wärmeleitung, Strahlung und Konvektion in die Umgebung, Wärmekapazität und Latenter Wärme bei Schnee und Beregnung, bei vorhandenen Betriebsgrenzwerten aus minimaler Umgebungstemperatur, Schienenprofil, maximaler Windgeschwindigkeit und maximaler Schneehöhe pro Stunde, und - Erhöhen der spezifischen Leistung, wenn die berechnete reale spezifische
Leistung kleiner ist als die spezifische Leistung, die der erforderlichen Schmelzleistung der in der Anheizzeit, die ab minimaler Umgebungstemperatur bis zum Erreichen einer Schienentemperatur von mindestens 0 °C berechnet wird, für die Schneemenge, die sich aus dem Produkt aus Anheizzeit und Schneehöhe pro Stunde ergibt, und der Verdampfungsleistung von restlichem Schmelzwasser und der erforderlichen spezifischen Erhaltungsleistung für eine Schienentemperatur von 0 °C an den funktionsrelevanten Stellen des zumindest einen Weichensegments entspricht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei
- bei Betrieb der Weichenheizungsanlage (1) ein Einstellen der optimalen spezifischen Leistung für die Heizeinrichtungen (29), die dem Produkt aus spezifischer Leistung und einem Leistungsverhältnis von 25 % bis 100 % entspricht, über die jeweiligen Schaltgeräte zum Einschalten und Ausschalten der Heizeinrichtungen (29) mittels Verändern der Einschaltdauer oder der Frequenz oder der Pulsweite oder Wellenpaketsteuerung oder Gruppenbetrieb erfolgt, und/oder
- das Leistungsverhältnis zwischen 25 % und 100 % beträgt,
wobei bei Betrieb der Weichenheizungsanlage (1) die spezifische Leistung P der linken Seite (5) der Weiche (3) und der rechten Seite (6) der Weiche (3) maximal dem Mittelwert und/oder Meridian der spezifischen Leistung der Heizeinrichtung (29) entspricht,
und/oder
- bei Betrieb der Weichenheizungsanlage (1) die berechnete spezifische Leistung P0p für die linke Seite (5) der Weiche (3) und die rechte Seite (6) der Weiche (3) maximal der spezifischen Leistung (P) der Heizeinrichtungen (29) entspricht, oder eine spezifische Leistungsdifferenz für die linke Seite (5) der Weiche (3) oder die rechte Seite (6) der Weiche (3) aus der Differenz von spezifischer Leistung (P) der Heizeinrichtungen (14) abzüglich berechneter spezifischer Leistung (Pop) berechnet wird und bei positiver spezifischer Leistungsdifferenz der linken Seite (5) der Weiche (3) oder der rechten Seite (6) der Weiche (3) diese spezifische
Leistungsdifferenz der jeweiligen anderen Seite der Weiche (3) zusätzlich zur spezifischen Leistung (P) der Heizeinrichtung (14) zu Verfügung gestellt wird, so dass ein gleichmäßiger zeitlicher Verlauf der Schienentemperaturen der Weiche (3) an der linken Seite (5) der Weiche (3) und an der rechten Seite (6) der Weiche (3) an den funktionsrelevanten Stellen der Weiche (3) erfolgt.
11. Einrichtung zur Steuerung und Regelung einer Weichenheizungsanlage (1), wobei die Weichenheizungsanlage (1) mindestens ein an zumindest einer Weiche (3) angeordnetes Heizeinrichtung (14), zumindest einen Weichentemperatursensor (28) an der zumindest einen Weiche (3), zumindest eine Energieverteilung mit mindestens einem Heizabgang pro Weiche (3) und zumindest eine Steuereinrichtung zum Steuern und Regeln der Weichentemperatur aufweist, umfassend:
- eine CPU zur Berechnung der Weichentemperaturen der Weiche (3) für zumindest ein Weichensegment, die mit der Steuereinrichtung über
Kommunikationsmittel verbunden ist,
- zumindest einen abseits der Weiche (3) angeordneten Anschlusskasten, der mindestens ein Schaltgerät aufweist, das über Leitungen mit den Heizeinrichtungen (29) der Weiche (3) verbunden sind, sowie Messmittel zur zeitlichen Erfassung von Betriebsstrom, Spannung und Isolationswiderstand und Mittel zur Begrenzung der maximalen Leistung aufweist,
- zumindest ein Kommunikationsmittel, das in dem Anschlusskasten angeordnet und mit der Steuereinheit verbunden ist,
- zumindest einen Niederschlagsensor zur Erfassung von Niederschlagsart und Niederschlagsmenge, der mit der Steuereinheit verbunden ist.
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