AT514681A1

AT514681A1 - Process for stagnation detection and stagnation avoidance in heat exchangers

Info

Publication number: AT514681A1
Application number: ATA622/2013A
Authority: AT
Original assignee: Vaillant Group Austria Gmbh
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-02-15
Also published as: ES2710150T3; AT514681B1; EP2840331A1; EP2840331B1

Abstract

Das Verfahren zur Erkennung und Vermeidung von Sieden und Stagnation in Primär-Wärmeübertragern (2) in Heizgeräten (1), insbesondere Brennwert-Heizgeräten, erfasst das dem Sieden vorausgehende Mikrosieden, wobei eine oder mehrere das Mikrosieden charakterisierende Prozessgrößen (21, 22, 31, 32, 33) erfasst und mit einem Schwellenwert verglichen werden. Bei Überschreiten des Schwellenwerts wird zumindest ein Betriebsparameter geändert, der einem Sieden entgegenwirkt. Als charakterisierende Prozessgrößen kommen der hochfrequente Anteil des Drucks (31, 32) des zu erwärmenden Wärmeträgermediums, gemessen am Wärmeübertrager (2) und/oder als Anlagendruck (8), und/oder der zeitliche Abfall der Temperaturerhöhung des Wärmeträgermediums zwischen Ein- und Ausgang (22, 21) des Wärmeübertragers (2) im quasistationären Betrieb infrage. Als Gegenmaßnahme kann der Brenner (3) abgeschaltet oder die Brennerleistung reduziert werden, kann die Pumpendrehzahl der Pumpe (4) erhöht werden oder kann eine Bypassstrecke (10) geöffnet (9) werden. Beim Starten des Brenners kann kurzzeitig der Massenstrom des Wärmeträgermediums durch Erhöhung der Pumpendrehzahl der Pumpe (4) erhöht werden.The method for detecting and avoiding boiling and stagnation in primary heat exchangers (2) in heaters (1), in particular calorific value heaters, detects the boiling of the microsols prior to boiling, wherein one or more of the micro-boiling characterizing process variables (21, 22, 31, 32, 33) are detected and compared with a threshold value. When the threshold value is exceeded, at least one operating parameter is changed, which counteracts boiling. As a characterizing process variables are the high-frequency component of the pressure (31, 32) of the heat transfer medium to be heated, measured at the heat exchanger (2) and / or as system pressure (8), and / or the time decrease of the temperature increase of the heat transfer medium between input and output ( 22, 21) of the heat exchanger (2) in quasi-stationary operation in question. As a countermeasure, the burner (3) can be switched off or the burner output can be reduced, the pump speed of the pump (4) can be increased or a bypass line (10) can be opened (9). When starting the burner briefly the mass flow of the heat transfer medium can be increased by increasing the pump speed of the pump (4).

Description

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Vaillant Group Austria GmbH PT 5266 ATVaillant Group Austria GmbH PT 5266 AT

Verfahren zur Stagnationserkennung und Stagnationsvermeidung in WärmeübertragernProcess for stagnation detection and stagnation avoidance in heat exchangers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und Vermeidung von Stagnation in Wärmeübertragern, insbesondere in Primär-Wärmeübertragern in Heizgeräten, insbesondere in Brennwert-Heizgeräten, die die Wärme des Brennstoffs auf das zu heizende Wasser übertragen und in denen eine Strömungsführung durch mehrere parallel geschaltete Rohre erfolgt. Unter Stagnation im Zusammenhang mit Wärmetauscher wird ein lokales oder globales Sieden des Wärmeübertragermediums verstanden. Dies kann zu einer partiellen Überhitzung und Beschädigung des Wärmeübertragers in einem oder mehreren der parallel geschaltete Rohre führen. Daher ist es wichtig, Stagnation zu vermeiden und für den Fall, dass sie auftritt, zuverlässig zu erkennen, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Es ist zwar bekannt, dass ein Wärmetauscher mit einem großen Wärmeübertragenmedium-Volumen weniger zur Stagnation neigt, jedoch steht dies in einem Zielkonflikt zu dem Bestreben, Heizgeräte kompakt und mit geringem Gewicht aufzubauen.The invention relates to a method for detecting and avoiding stagnation in heat exchangers, in particular in primary heat exchangers in heaters, in particular in condensing heaters, which transfer the heat of the fuel to the water to be heated and in which a flow is carried out by a plurality of parallel pipes , Stagnation in the context of heat exchangers is understood as meaning a local or global boiling of the heat transfer medium. This may result in partial overheating and damage to the heat exchanger in one or more of the parallel connected tubes. Therefore, it is important to avoid stagnation and, in the event that it occurs, to recognize reliably in order to be able to initiate countermeasures in good time. While it is known that a heat exchanger having a large volume of heat transfer media is less prone to stagnation, this is in conflict with the desire to make heaters compact and light in weight.

Daher ist es bekannt, Geräte mit einem Überströmventil auszustatten, das bei Vorliegen eines zu geringen Volumenstroms durch die Anlage einen Teilstrom direkt zwischen Vor- und Rücklauf vorsieht.Therefore, it is known to equip devices with an overflow valve, which provides a partial flow directly between the flow and return in the presence of too low a flow rate through the system.

Da hohe Volumenströme mit einer hohen elektrischen Stromaufnahme für die Umwälzpumpe verbunden sind ist dies energetisch ungünstig. Zudem führen Überströmventile zu einer *Since high volume flows are associated with a high electrical current consumption for the circulation pump this is energetically unfavorable. In addition, overflow valves lead to a *

Beimischung von Wärmeträgermedium aus dem Vorlauf in den Rücklauf und schmälern so-; mit bei Brennwertgeräten die Kondensationsrate, was zu einer verringerten Effizienz führt.Admixture of heat transfer medium from the flow in the return and reduce so-; with condensing units the condensation rate, which leads to a reduced efficiency.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Stagnationserkennung und Stagnationsvermeidung bereitzustellen, das diese Nachteile nicht aufweist.It is therefore an object of the invention to provide a method for stagnation detection and stagnation avoidance, which does not have these disadvantages.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass eine für das Auftreten von Stagnation charakteristische Prozessgröße erfasst und mit einem Schwellenwert verglichen wird. Bei Überschreiten des Schwellenwerts wird eine Stagnation erkannt und zumindest ein Betriebsparameter so geändert, dass der Stagnation entgegengewirkt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Nachteile eines höheren Energieverbrauchs der Pumpe oder einer schlechteren Effizienz des Heizgeräts nur dann auftreten, wenn eine Stagnation droht. Im Normalbetrieb hingegen kann das Heizgerät effizient betrieben werden.This object is achieved according to the features of claim 1, characterized in that a characteristic of the occurrence of stagnation process variable is detected and compared with a threshold value. If the threshold value is exceeded, stagnation is detected and at least one operating parameter is changed in such a way that stagnation is counteracted. This has the advantage that the disadvantages of a higher energy consumption of the pump or a poorer efficiency of the heater only occur when stagnation threatens. In normal operation, however, the heater can be operated efficiently.

In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die charakteristische Prozessgröße der negative Gradient der Temperaturspreizung zwischen Ein- und Ausgang für das zu erwärmenden Wärmeträgermedium des Wärmeträgers. Um die Temperaturspreizung zuverlässig messen zu können, erfolgt dies in quasi stationären Betrieb. Die Ausführung macht sich die Tatsache zu Nutze, dass bei Auftreten von Stagnation der Wärmeübergang auf das Wärmeträgermedium beeinträchtigt wird, da sich ein einem oder mehreren der parallel geschaltete Rohre kein oder ein deutlich reduzierter Umlauf einstellt.. Dies führt bezüglich das Gesamtvolumenstromes an den Verteil- bzw. Mischungspunkten im Wärmeübertrager zu einer geringeren Temperaturspreizung, die erfindungsgemäß erfasst und mit einem Schwellenwert verglichen wird. Ein weiterer Effekt ist, dass unter quasistationären Betriebsbedingungen, also bei konstanter Brennerbelastung und konstantem Wasserumlauf, die Stagnation bei mehreren parallelgeschalteten Rohren zu einer Volumenstromerhöhung der nicht von dem Sieden betroffenen Rohre führt. Dies bedeutet, dass in den verbleibenden Rohren die Temperaturspreizung zwischen Ein- und Ausgang des Wärmetau- «r : schers sinkt. Überschreitet der negative Gradient der Temperaturspreizung den Schwellen wert, wird entweder die Stagnation erkannt und eine Maßnahme eingeleitet oder es wird ein weiterer Betriebsparameter herangezogen.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the characteristic process variable is the negative gradient of the temperature spread between input and output for the heat transfer medium of the heat carrier to be heated. In order to reliably measure the temperature spread, this is done in quasi-stationary operation. The design makes use of the fact that, when stagnation occurs, the heat transfer to the heat transfer medium is impaired, since one or more of the pipes connected in parallel does not set or significantly reduce circulation. This leads to the total volume flow at the distribution or mixing points in the heat exchanger to a lower temperature spread, which is detected according to the invention and compared with a threshold value. Another effect is that under quasi-stationary operating conditions, ie with a constant burner load and constant water circulation, the stagnation with several pipes connected in parallel leads to an increase in the volume flow of the pipes not affected by the boiling. This means that the temperature spread between the inlet and outlet of the heat exchanger drops in the remaining pipes. If the negative gradient of the temperature spread exceeds the threshold value, either the stagnation is detected and a measure initiated or another operating parameter is used.

Alternativ oder ergänzend wird in einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Streuung des Drucks des zu erwärmenden Wärmeträgermedium erfasst und mit einem Schwellenwert verglichen. Dieser Verfahrensschritt macht sich die Tatsache zu Nutze, dass dem Sieden ein so genanntes Mikrosieden vorausgeht, bei dem im Bereich der Grenzschicht der Strömung kleine Gasblasen gebildet werden, die nach kurzer Zeit in älteren Regionen wieder kollabieren. Dieser Mechanismus führt zu einer Erhöhung des Rauschwerts auf dem Drucksignal des Anlagendrucksensors. Durch Erfassung der Signalstreuung um den Mittelwert, beispielsweise mit Hilfe eines Hochpassfilters, wird dieses Mikrosieden erkannt.Alternatively or additionally, in a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the scattering of the pressure of the heat transfer medium to be heated is detected and compared with a threshold value. This process step takes advantage of the fact that boiling is preceded by so-called micro-boiling, in which small gas bubbles are formed in the region of the boundary layer of the flow, which collapse again in older regions after a short time. This mechanism leads to an increase of the noise value on the pressure signal of the system pressure sensor. By detecting the signal dispersion around the mean, for example by means of a high-pass filter, this micro-boiling is detected.

Erfindungsgemäß werden alternativ oder ergänzend mehrere Maßnahmen zur Vermeidung von Stagnation eingesetzt, nachdem diese erkannt wurde. Dies ist zum einen das Erhöhen des Massenstroms, indem die Pumpendrehzahl erhöht wird oder indem ein Bypass zwischen Aus- und Eingang des Wärmeübertragers geschaltet wird. Dadurch wird einerseits mehr Wärme abgeführt und andererseits ein Ausspülen der Dampfblasen bewirkt. Zusätzlich oder alternativ wird der Brenner abgeschaltet bzw. die Brennerleistung reduziert.According to the invention, alternatively or additionally, several measures are used to prevent stagnation after it has been detected. This is on the one hand the increase of the mass flow by the pump speed is increased or by a bypass between the output and input of the heat exchanger is switched. As a result, on the one hand more heat dissipated and on the other hand causes a flushing of the vapor bubbles. Additionally or alternatively, the burner is switched off or the burner power is reduced.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vor dem Starten des Brenners des Heizgeräts der Massenstrom des zu erwärmenden Wärmeträgermediums kurzzeitig erhöht. Dadurch werden gegebenenfalls im Wasserkreis vorhandene Gasblasen aus dem Wärmeübertrager ausgetrieben und mittels der in der Pumpe vorliegenden turbulenten Strömungsbedingungen in kleinere Blasen zerteilt, die aufgrund der geringeren Auftriebskräfte eine deutlich verminderte Stagnationsneigung aufweisen. % 'mIn an advantageous embodiment of the invention, the mass flow of the heat transfer medium to be heated is briefly increased before starting the burner of the heater. As a result, gas bubbles present in the water circuit are optionally expelled from the heat exchanger and divided into smaller bubbles by means of the turbulent flow conditions present in the pump, which have a markedly reduced tendency to stagnate due to the lower buoyancy forces. % 'm

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert.The invention will now be explained in detail with reference to FIGS.

Figur 1 zeigt schematisch ein Heizgerät zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Heizgerät 1 umfasst einen Brenner 3 mit einem Wärmeübertrager 2, mit dem die von dem Brenner 3 gewonnene Wärme auf ein Wärmeträgermedium übertragen wird. Das Wärmeübertragermedium ist in der Regel Wasser, das in einem Kreislauf von einer Pumpe 4 umgewälzt wird. Das Heizgeräts 1 ist mit einer Wärmesenke 5 verbunden, die von dem Heizgerät mit Wärme versorgt wird. In dem Wärmeübertrager 2 kann Stagnation aufgrund von siedendem Wasser auftreten. Um dies zu erkennen und zu vermeiden, ist ein Steuergerät 11 vorgesehen, welches mit Temperatursensoren 6, 7 und/oder einem Drucksensor 8 verbunden ist. Mittels der Sensoren erkennt das Steuergerät auf der Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens die eintretende bzw. die sich ankündigenden Stagnation und vermeidet das Eintreten der Stagnation durch Eingriff in die Drehzahl der Pumpe 4, in den Betrieb des Brenners 3 und/oder in die Stellung des Ventils 9.Figure 1 shows schematically a heater for performing the method according to the invention. The heater 1 comprises a burner 3 with a heat exchanger 2, with which the heat obtained from the burner 3 is transferred to a heat transfer medium. The heat transfer medium is usually water, which is circulated in a circuit by a pump 4. The heater 1 is connected to a heat sink 5 which is supplied with heat by the heater. In the heat exchanger 2, stagnation due to boiling water may occur. In order to recognize and avoid this, a control device 11 is provided, which is connected to temperature sensors 6, 7 and / or a pressure sensor 8. By means of the sensors, the control unit recognizes on the basis of the method according to the invention the entering or announcing stagnation and avoids the occurrence of stagnation by intervention in the rotational speed of the pump 4, in the operation of the burner 3 and / or in the position of the valve. 9 ,

Figur 2 zeigt im Temperaturverlauf 20 den zeitlichen Verlauf der Temperaturen 21, 22 am Aus- und Eingang des Wärmeübertragers 2 aus Figur 1, der mit den Temperatursensoren 6 und 7 aufgenommen wurde, sowie im Druckverlauf 30 den zeitlichen Verlauf des mit dem Drucksensor 8 aus Figur 1 gemessenen Anlagendruck 32, dessen Varianz 33 sowie den direkt am Wärmeübertrager gemessenen Druck 31.FIG. 2 shows, in the course of temperature 20, the time profile of the temperatures 21, 22 at the outlet and inlet of the heat exchanger 2 from FIG. 1, which was recorded with the temperature sensors 6 and 7, and in the pressure curve 30 the time profile of the pressure sensor 8 from FIG 1 measured system pressure 32, its variance 33 and the measured directly at the heat exchanger pressure 31.

Anhand der Kurvenverläufe wird nachfolgend das Auftreten und Erkennen von Sieden erläutert. Der Verlauf des Drucks 31 am Wärmeübertrager weist bei 478 s einen einsetzenden hochfrequenten Anteil auf. Dieser schwächt sich bei 480 s ab, um dann bei 498 s sehr stark einzusteigen. Dies ist auf ein bei 478 s einsetzendes Mikrosieden zurückzuführen, dass dann bei 498 s zu einem Sieden übergeht. Die Druckschwankungen sind auf die Bildung und ins- \ - besondere auf das Kollabieren von Dampfblasen zurückzuführen. Der Verlauf des Anlagendrucks 32 weist diese hochfrequenten Anteile ebenfalls auf, allerdings in geringerer Amplitude. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Drucksensor 8 für den Anlagendruck in einem gewissen Abstand vom Wärmeübertrager vorgesehen ist. Dennoch kann durch eine Ermittlung der Varianz des Anlagendrucks, deren Verlauf in der Kurve 33 dargestellt ist, das Mikrosieden und das Sieden deutlich erkannt werden. Durch Vergleich mit einem Schwellenwert kann somit das Mikrosieden und das Sieden erkannt werden und eine Maßnahme zur Vermeidung von Stagnation eingeleitet werden. In vorteilhafter Weise kann diese Schwelle so gelegt werden, dass bereits das Mikrosieden erkannt wird. Hier ist jedoch das Risiko einer Fehlerkennung gegeben. Daher kann optional oder alternativ der Verlauf des Drucks als weiteres Kriterium mit herangezogen werden. In jedem Fall ist bei Überschreiten einer höheren Schwelle das Sieden, wie es im Bereich ab 498 s auftritt, und damit die Stagnation sicher erkennbar. Während der Temperaturverlauf 22 am Eingang des Wärmeübertragers nahezu konstant ist, lässt sich aus dem Temperaturverlauf am Ausgang des Wärmeübertragers Mikrosieden und Sieden erkennen. Zunächst steigt die Temperatur im Bereich zwischen 475 und 477 s an. Dies ist auf einen Aufheizvorgang zurückzuführen und ist für die hier beschriebene Erkennung ohne Belang. Ab ca. 480 s fällt jedoch die Temperatur ab, was aufgrund der zuvor beschriebenen Mechanismen ein Indiz für das Auftreten von Sieden ist. Somit ist der Gradient zwischen den Temperaturen an der Außenseite des Wärmeübertragers und der Eingangsseite negativ. Dies wird erfindungsgemäß überwacht, indem der negative Gradient im quasistationären Betrieb mit einem Schwellenwert verglichen wird, und für die Erkennung der Stagnation herangezogen. Ergänzend sei bemerkt, dass der sprungartige Temperaturanstieg bei 500 s auf eine Dampfblasenbildung zurückzuführen ist, durch die das erhitzte Wasser heraus gedrückt wird. Grundsätzlich ist es möglich, auch solche Kurvenverläufe zum Erkennen der Stagnation auszuwerten. «Based on the curves, the occurrence and detection of boiling will be explained below. The course of the pressure 31 at the heat exchanger has at 478 s an onset high-frequency content. This weakens at 480 s, then at 498 s very strong entry. This is due to the onset of 478 s microsilusion, which then boils at 498 s. The pressure fluctuations are due to the formation and in particular to the collapse of vapor bubbles. The course of the system pressure 32 has these high-frequency components also, but in a lower amplitude. This is due to the fact that the pressure sensor 8 is provided for the system pressure at a certain distance from the heat exchanger. Nevertheless, by determining the variance of the system pressure, the course of which is shown in the curve 33, micro-boiling and boiling can be clearly recognized. By comparison with a threshold value, it is thus possible to detect microsilution and boiling and initiate a measure to prevent stagnation. Advantageously, this threshold can be set so that the micro-boiling is already detected. Here, however, there is the risk of misidentification. Therefore, optionally or alternatively, the course of the pressure can be used as a further criterion. In any case, when a higher threshold is exceeded, the boiling, as occurs in the range from 498 s, and thus the stagnation certainly recognizable. While the temperature profile 22 at the input of the heat exchanger is almost constant, the temperature profile at the outlet of the heat exchanger can be used to detect microsilution and boiling. First, the temperature rises in the range between 475 and 477 s. This is due to a heating process and is irrelevant to the detection described here. From about 480 s, however, the temperature drops, which is an indication of the occurrence of boiling due to the mechanisms described above. Thus, the gradient between the temperatures on the outside of the heat exchanger and the input side is negative. This is monitored according to the invention by comparing the negative gradient in the quasi-stationary operation with a threshold value, and used for the detection of stagnation. In addition, it should be noted that the sudden temperature increase at 500 s is due to a vapor bubble formation, through which the heated water is pushed out. In principle, it is also possible to evaluate such curves for detecting the stagnation. "

Bezugszeichenliste 1 Heizgerät 2 Wärmeübertrager 3 Brenner 4 Pumpe 5 Wärmesenke 6 Temperatursensor am Ausgang 7 Temperatursensor am Eingang 8 Drucksensor 9 Ventil 10 Bypass 11 Steuergerät 20 Temperaturverlauf 21 Temperatur am Ausgang des Wärmeübertragers 22 Temperatur am Eingang des Wärmeübertragers 30 Druckverlauf 31 Druck am Wärmeübertrager 32 Anlagendruck 33 Varianz des AnlagendrucksList of Reference Numerals 1 Heater 2 Heat exchanger 3 Burner 4 Pump 5 Heat sink 6 Temperature sensor at the outlet 7 Temperature sensor at the inlet 8 Pressure sensor 9 Valve 10 Bypass 11 Control unit 20 Temperature profile 21 Temperature at the outlet of the heat exchanger 22 Temperature at the inlet of the heat exchanger 30 Pressure curve 31 Pressure at the heat exchanger 32 System pressure 33 Variance of system pressure

Claims

1. Method for detecting and avoiding stagnation in primary heat exchangers (2) in heating appliances (1), in particular condensing heating appliances, characterized in that one or more process variables characterizing stagnation (21 , 22, 32, 33) are detected and compared with a threshold value and that, when the threshold value is exceeded, at least one operating parameter which counteracts stagnation is changed.

2. The method of claim 1, wherein the characterizing process variable is the negative gradient of the temperature difference between input and output (22, 21) for the heat transfer medium to be heated of the heat exchanger (1) in the quasi-stationary operation.

3. The method of claim 1 or 2, wherein the characterizing process variable is the variance (33) of the pressure (32, 31) of the heat transfer medium to be heated.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the change of the operating parameter is the reduction of the ratio between supplied and discharged heat quantity.

5. The method according to claim 4, wherein the reduction in the ratio between the amount of added and removed heat is achieved by switching off the burner (3) or reducing the burner output.

6. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the change of the operating parameter is achieved in that the mass flow of the heat transfer medium to be heated is increased, in particular by increasing the pump speed of the heat transfer medium to be heated pump (4).

7. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the change of the operating parameter is achieved in that a bypass line (10) between the output and input for the heat transfer medium to be heated of the heat exchanger is opened.

8. The method according to any one of the preceding claims, wherein when starting the burner (3) of the heater (1), the mass flow of the heat transfer medium to be heated is increased briefly, in particular by increasing the pump speed of the heat transfer medium to be heated pump (4).