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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln
eines Zustandes einer Wärmeübertragungseinrichtung.
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Wärmeübertragungseinrichtungen,
auch Wärmeübertrager
oder Wärmetauscher
genannt, sind in vielfältigen
Ausführungsformen
und in einer Vielzahl von Anwendungen bekannt. In einer Wärmeübertragungseinrichtung
wird Wärme
von einem durch die Wärmeübertragungseinrichtung
strömenden
gasförmigen
oder flüssigen
Wärmemedium
auf ein anderes, ebenfalls durch die Wärmeübertragungseinrichtung strömendes gasförmiges oder
fluides Wärmemedium übertragen.
Zur Wärmeübertragung
können
alle Wärmetransportmechanismen,
also Wärmeleitung,
Wärmekonvektion
und/oder Wärmestrahlung
zum Einsatz kommen, wobei bei der Konvektion zusätzlich eine Phasenumwandlung
oder Aggregatzustandsänderung
durch Verdampfen oder Kondensation zum Einsatz kommen kann.
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In
der Praxis sind als Wärmeübertragungseinrichtungen
hauptsächlich
drei Typen von Wärmetauschern
in Gebrauch, nämlich
sogenannte Rekuperatoren oder rekuperative Wärmetauscher, Regeneratoren oder
regenerative Wärmetauscher
und Direktkontakt-Wärmetauscher.
Regenerative Wärmeübertrager
werden in der Regel für
einen diskontinuierlichen Betrieb verwendet, während Rekuperatoren überwiegend
für den kontinuierlichen
Betrieb zum Einsatz kommen.
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Bei
Rekuperatoren ist eine Trennwand oder Wärmeübertragungsfläche zwischen
den beiden Strömen der
Wärmemedien
angeordnet, so dass eine Wärmeübertragung
durch die Wärmübertragungsfläche stattfindet.
Als rekupera tive Wärmetauscher
werden hauptsächlich
Rohrwärmetauscher
oder Plattenwärmetauscher eingesetzt.
Bei einem Rohrwärmetauscher
werden mehrere Röhren
in der Regel parallel zueinander angeordnet und eines der Wärmemedien
wird durch das Innere der Röhren
geleitet. Das andere Wärmemedium
strömt dagegen
außerhalb
an den Röhren
entlang. Bei einem Plattenwärmetauscher
sind einzelne Platten parallel zueinander angeordnet und eines der
Wärmemedien
strömt
durch einen für
dieses Wärmemedium
vorgesehenen Teil der Zwischenräume
zwischen den Platten und das andere Wärmemedium durch den anderen
Teil der Zwischenräume
zwischen den Platten. Als Wärmeübertragungsflächen dienen
bei dem Rohrwärmtauscher
die Wandungen der Röhren
und bei dem Plattenwärmtauscher
die Platten selbst. Als Werkstoffe für die rekuperativen Wärmeübertrager
kommen Materialien in Betracht, die korrosionsbeständig sind
und glatte Oberflächen haben,
beispielsweise Glas, kunststoffbeschichtete Metalle und Edelstähle.
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Bei
einem Kreuzstromwärmetauscher
werden die Ströme
der beiden Wärmemedien
gekreuzt oder orthogonal zueinander gerichtet, bei einem Gleichstromwärmetauscher
in gleicher Richtung und bei einem Gegenstromwärmetauscher in entgegengesetzten
Richtungen.
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Bei
der regenerativen Wärmeübertragung
in Regeneratoren werden Speichermassen benutzt, die abwechselnd
mit dem wärmeabgebenden
und dem wärmeaufnehmenden
Medium, beispielsweise dem Fortluftstrom und dem Zuluftstrom, in
Berührung
gebracht werden. Üblicherweise
wird die Speichermasse dazu kontinuierlich gedreht, beispielweise
in einem zylindrischen Rotor untergebracht, der von einem Motor
angetrieben ist. Die beiden fluiden Wärmemedien durchströmen, meist
im Gegenstrom, die Speichermasse des Regenerators und werden vor
und nach dem Wärmetauscher
in getrennten Kanälen
geführt.
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Eine
der wichtigsten Anwendungen von Wärmeübertragungseinrichtungen ist
die Wärmerückgewinnung,
insbesondere im Bereich der Industrie. Dabei wird Restwärme oder
Abwärme
oder Fortwärme
in einem von einem, insbesondere industriellen, Prozess abströmenden Wärmemedium,
beispielweise Abgas oder Fortluft, zur Eigennutzung im Prozess oder
auch zur Fremdnutzung in anderen Prozessen oder zu Heizzwecken wenigstens
teilweise rück gewonnen.
Die häufigste
Eigennutzung im Prozess ist die Vorerwärmung des anderen Wärmemediums,
beispielsweise der Zuluft, welches dann im Prozess verwendet wird.
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In
der Wärmeübertragung
und Wärmerückgewinnung
von Fortluft ist immer das Vorhandensein von Wasser oder Feuchtigkeit
in der Luft zu beachten, das zur Kondensation von Wasser in dem
Wärmetauscher führen kann
und für
die sogenannte Austauschzahl der Wärmerückgewinnung zu berücksichtigen
ist. Die Austauschzahl definiert bei der Wärmerückgewinnung die Intensität oder die
Effizienz oder den Wirkungsgrad der Übertragung von Wärme und
Feuchte von dem einen Medium, z. B. Fortluft, auf das andere Medium
z. B. Zuluft.
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Bei
der Wärmerückgewinnung
aus Fortluft sind die drei physikalischen Größen Temperatur, Enthalpie und
Feuchte der Zuluft einerseits und der Fortluft andererseits für den übertragenen
Wärmestrom
von Bedeutung. Man unterscheidet zwischen den Austauschzahlen für die Enthalpie,
für die
Temperatur und für
die Feuchte. Die Austauschzahl für
die Enthalpieübertragung
entspricht dem Quotienten aus der Differenz aus der Enthalpie der
Zuluft nach dem Wärmetauscher
und der Enthalpie der Zuluft vor dem Wärmetauscher einerseits und
der Differenz der Enthalpie der Fortluft vor dem Wärmetauscher
und der Enthalpie der Fortluft nach dem Wärmetauscher andererseits. Die
Austauschzahl für
die Temperaturübertragung,
d.h. der Temperatur-Wirkungsgrad, ist definiert als Quotient aus
der Differenz der Temperatur der Zuluft nach dem Wärmetauscher
und der Temperatur der Zuluft vor dem Wärmetauscher einerseits und
der Differenz der Temperatur der Fortluft vor dem Wärmetauscher
und der Temperatur der Fortluft nach dem Wärmetauscher andererseits. Entsprechend ist
die Austauschzahl für
die Feuchteübertragung
definiert als Quotient aus der Differenz der Feuchtebeladung der
Zuluft nach dem Wärmetauscher
und der Feuchtebeladung der Zuluft vor dem Wärmetauscher einerseits und
der Differenz der Feuchtebeladung der Fortluft vor dem Wärmetauscher
und der Feuchtebeladung der Fortluft nach dem Wärmetauscher andererseits.
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Der
Wärmeaustausch
zwischen den Wärmemedien
in der Wärmeübertragungseinrichtung
ist umso effizienter je näher
die Austauschzahl an 1 liegt.
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Bei
vernachlässigbarem
Austausch gehen die Austauschzahlen gegen 0 und bei idealem Austausch gegen
1. Die Größe der Austauschzahlen
hängt von
der Axt des Wärmeübertragers
ab sowie auch von der Strömungsführung.
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Die
Austauschzahlen werden bei der Auslegung von Wärmetauschern zur Optimierung
von deren Effizienz und Wärmeübertragungsverhalten
einmalig festgelegt. Ein einmal ausgelegter Wärmetauscher wird jedoch im
Betrieb dann nicht mehr hinsichtlich seines Wärmeübertragungsverhaltens oder
seiner aktuellen Austauschzahl überprüft oder überwacht.
Dadurch kann es bei einer Verschlechterung der Effizienz eines Wärmetauschers
bei einem Wärmerückgewinnungssystem
zu erheblichen Energieverlusten kommen. Eine solche Verschlechterung
der Effizienz kann beispielweise durch Verschmutzung oder Verstopfung
im Wärmetauscher oder
einer Leitung oder einen Bruch oder Riss in einer Glasröhre eines
Rohrwärmtauschers
oder durch Alterung oder auch Materialverschleiß oder Korrosion erfolgen Diese
Problematik wird aber in der Praxis der industriellen Wärmerückgewinnung
entweder überhaupt
nicht wahrgenommen oder in Kauf genommen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren einer Vorrichtung
zum Ermitteln eines Zustands einer Wärmeübertragungseinrichtung anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 29.
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Die
Erfindung beruht auf der Überlegung,
den Zustand und/oder das Wärmeübertragungsverhalten
eines Wärmeübertragers
während
des Betriebs durch Messung von ausgewählten Messgrößen der
an der Wärmeübertragung
beteiligten Wärmemedien
und Auswertung der erhaltenen Messwerte oder Messsignale festzustellen
und somit dem Benutzer Werte von Kenngrößen für den Zustand, insbesondere
das Wärmeübertragungsverhalten,
des Wärmeübertragers
während
des Betriebs oder während
des Wärmeübertragungsvorganges
zur Verfügung
zu stellen.
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Beim
Stand der Technik kann eine einmal eingestellte oder ausgelegte
Wärmeübertragungscharakteristik
eines Wärmeübertragers
während
des Betriebs nicht mehr festgestellt oder überprüft werden und damit kann die
tatsächliche
Wärmeübertragungscharakteristik
von der gewünschten
Charakteristik oder der Ist-Zustand des Wärmeübertragers von seinem Soll-Zustand
erheblich abweichen, ohne dass dies quantitativ analysiert werden
könnte.
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Die
Erfindung ermöglicht
dagegen erstmalig eine quantitative Bewertung oder Analyse des Ist-Zustands
oder der Ist-Charakteristik eines Wärmeübertragers während seines
Einsatzes oder Betriebs, beispielsweise in der Wärmerückgewinnung.
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Der
Benutzer kann nun direkt „online" die aktuellen Werte
der Kenngrößen auf
einer Anzeigeeinheit, beispielsweise seines Prozessleitsystems oder
seiner Prozessleitwarte, angezeigt bekommen (Visualisierung). Ferner
können
die ermittelten Werte oder Verläufe
der Kenngrößen oder
auch der primären
Messwerte und Messignale über
vorgegebene, längere
Zeiträume
gespeichert werden („Historien") und mit diesen
gespeicherten Verläufen
auch im Nachhinein oder Auswertungen oder Analysen der Wärmeübertragungssysteme vorgenommen
werden. Mit diesen Maßnahmen
ist eine fortlaufende Überprüfung und Überwachung
der Wärmeübertragungs-
oder -rückgewinnungsanlage
während
deren gesamter Betriebsdauer möglich,
insbesondere im Rahmen von Prozessleitaufgaben bzw. in einem vorhandenen
Prozessleitsystem für
eine Gesamtanlage, in der die Wärmeübertragungs-
oder Wärmerückgewinnungsanlage
als ein Bestandteil integriert ist. Schließlich ist es mit Hilfe der
Erfindung auch möglich,
das Wärmeübertragungsverhalten
eines Wärmeübertragers auch
noch im Betriebs (wieder) zu optimieren durch Verändern von
Stellgröße(n) derart,
dass die Kenngröße(n) wieder
in einem gewünschten
Bereich liegt bzw. liegen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie Anwendungen des Verfahrens
und der Vorrichtung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 bzw. 29
jeweils abhängigen
Ansprüchen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei
wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren
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1 ein
Wärmerückgewinnungssystem
in einem Prozessluftsystem in einem schematischen Schaubild,
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2 die
Berechnung von physikalischen Größen eines
Luftstromes gemäß 1 aus
dessen Messgrößen Temperatur
und relative Feuchte in einem Schaubild,
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3 die
Berechnung des Temperatur-Wirkungsgrades eines Wärmetauschers des Wärmerückgewinnungssystems
gemäß 1 in
einem Schaubild,
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4 die
Berechnung eines kompensierten Volumenstroms oder Massenstroms der
Luftströme
gemäß 1 in
einem Schaubild,
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5 die
Berechnung des Wärmemengen-Wirkungsgrades
eines Wärmetauschers
gemäß 1 in einem
Schaubild,
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6 die
Berechnung der übertragenen
Wärmeleistung
und der übertragenen
Wärmemenge
eines Wärmetauschers
gemäß 1 in
einem Schaubild die Berechnung des Wärmemengen-Wirkungsgrades eines
Wärmetauschers
gemäß 1 in
einem Schaubild,
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7 die
Berechnung der Temperatur von im Wärmetauscher gemäß 1 entstehendem
Kondensat in einem Schaubild,
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8 die
Berechnung des Massenstromes von im Wärmetauscher gemäß 1 entstehendem
Kondensat in einem Schaubild,
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9 die
Erkennung eines Glasröhrenbruchs
im Wärmetauscher
gemäß 1 durch
Auswertung von Feuchtebeladungen in einem Schaubild und
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10 die
Erkennung eines Glasröhrenbruchs
im Wärmetauscher
gemäß 1 durch
Auswertung von Massenströmen
in einem Schaubild jeweils schematisch dargestellt sind. Einander
entsprechende Teile und Größen sind
in den 1 bis 10 mit denselben Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist
ein Prozessluftsystem dargestellt, das einem Prozessbereich 2 über einen
Zulufteinlass 3 Zuluft ZL zuführt und von dem Prozessbereich 2 über einen
Abluftauslass 4 Abluft ABL abführt.
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Ein
Zuluftventilator 5 saugt dazu Außenluft AL aus einem Außenraum,
in der Regel Atmosphärenluft oder
Hallenluft, an, die an einem Eingang 21 in einen Wärmetauscher 10 strömt und den
Wärmetauscher 10 durchströmt.
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und
an einem Ausgang 22 als Zuluft ZL wieder ausströmt zum Zuluftventilator 5.
In wenigstens einer Heizeinrichtung 31 wird die Zuluft
ZL, nach dem Zuluftventilator 5 und vor dem Zulufteinlass 3 auf
eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt, die für eine Konditionierung oder
Versorgung des Prozessbereichs 2 mit Prozessluft gewünscht ist.
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Der
Prozessbereich 2 kann beispielsweise eine Papier- oder
Zellstoffmaschine sein und die Zuluft ZL zum Trocknen der Papier-
oder Zellstoffbahnen in der Maschine eingesetzt werden. Dabei werden üblicherweise
Lufttemperaturen der Zuluft ZL von 110 °C bis 120 °C eingestellt. Die Erfindung
ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt.
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Gleichzeitig
zum Zuführen
der Zuluft ZL in den Prozessbereich 2 wird von dem Prozessbereich 2 über den
Abluftauslass 4 die Abluft ABL mittels eines Fortluftventilators 6 abgesaugt
und über
einen weiteren Eingang 23 des Wärmetauschers 10 in
den Wärmetauscher 10 eingeleitet,
durch diesen geführt
und an einem weiteren Ausgang 24 des Wärmetauschers 10 als
Fortluft FL wieder ausgeleitet zum Fortluftventilator 6 hin.
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Die
Abluft ABL beinhaltet immer noch eine beträchtliche Restwärme. Bei
einer Papiermaschine hat die Abluft ABL typischerweise Temperaturen
von zwischen 70 °C
und 90 °C.
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Die
in der Abluft ABL enthaltene Abwärme
wird nun wenigstens teilweise in dem Wärmetauscher 10 zurückgewonnen,
indem sie zum Vorwärmen
oder Erwärmen
der Außenluft
AL bzw. zum Bereitstellen von vorgewärmter Zuluft ZL, die dann von
der Heizeinrichtung 31 auf die endgültige Temperatur gebracht wird,
verwendet wird. So kann beispielsweise die Außenluft AL von einer Außentemperatur
von typischerweise – 15 °C bis + 30 °C auf eine
Vortemperatur von + 50 °C
bis + 70 °C
gebracht werden, die sie dann als Zuluft ZL beim Austritt aus dem
Wärmetauscher 10 aufweist.
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Der
Wärmetauscher 10 ist
beispielsweise als Kreuzstrom-Rohrwärmetauscher ausgebildet, in
dessen vertikalen Glasröhren
der Abluftstrom ABL senkrecht von unten nach oben geführt wird
und außen
an den Glasröhren
entlang der Außenluftstrom
AL horizontal geführt
wird. In dieser Ausführung
kann Kondensat der Abluft ABL leichter nach unten abfließen. Jedoch
sind auch andere Arten und Ausbildungen von Wärmetauschern verwendbar.
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Zusätzlich kann
zur Steigerung der Energieeffizienz noch weitere Restwärme der
aus dem Wärmetauscher 10 austretenden, üblicherweise
noch 60 °C
bis 65 °C
warmen Fortluft FL in einem weiteren Wärmerückgewinner 30, beispielsweise
einem Luft/Wasser/Wärmetauscher
mit einem Wasserkreislauf 32 mit einer Pumpe, entzogen
werden. Diese im Wärmerückgewinner 30 rückgewonnene
Wärme der
Fortluft FL kann beispielsweise zum Heizen und/oder für eine Klimatisierung
der Hallen- oder Gebäudeluft
verwendet werden.
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Dem
Wärmetauscher 10 sind
nun vier Sensoreinrichtungen 11 bis 14 zugeordnet.
Die Sensoreinrichtung 11 ist vor den Eingang 21 des
Wärmetauschers 10 in
den Strömungsweg
der Außenluft
AL geschaltet und misst Messgrößen der
Außenluft
AL. Die Sensoreinrichtung 12 ist dem Ausgang 22 des
Wärmetauschers 10 nachgeschaltet
in dem Strömungsweg
der Zuluft ZL angeordnet und misst Messgrößen der Zuluft ZL. Die Sensoreinrichtung 13 ist
vor den Eingang 23 des Wärmetauschers 10 in
den Strömungsweg
der Abluft ABL geschaltet und misst Messgrößen der Abluft ABL. Die Sensoreinrichtung 14 schließlich ist
hinter dem Ausgang 24 des Wärmetauschers 10 in
den Strömungsweg
der Fortluft FL geschaltet und misst Messgrößen der Fortluft FL.
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Dem
Wasserkreislauf 32 des optionalen Wärmerückgewinners 30 ist
ebenfalls eine Sensoreinrichtung 16 zugeordnet zur Messung
von Messgrößen des
Wassers.
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Die
Sensoreinrichtungen 11 bis 14 und 16 können analoge
oder digitale Sensoren aufweisen. Bei analogen Sensoren werden deren
Sensor- oder Messsignale vorzugsweise digitalisiert und in Form
digitaler Signale weiterverarbeitet. Grundsätzlich ist natürlich auch
eine analoge Signalverarbeitung der analogen Messsignale möglich. Bei
digitalen Sensoren stellen diese gleich digitale Messsignale oder
Messwerte an ihren Ausgängen
zur Verfügung.
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Die,
vorzugsweise digitalen, Ausgänge
der Sensoreinrichtungen 11 bis 14 und 16 sind
jeweils mit Eingängen
einer Auswerteeinrichtung (oder: Auswerteeinheit) 7 verbunden.
Die Auswerteeinrichtung 7 kann mit einer oder mehreren
Sensoreinrichtungen 11 bis 14 in einer Einheit
integriert sein oder auch als eigene bauliche Einheit und/oder autark
betrieben werden.
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Die
Auswerteeinrichtung 7 wertet die von den Sensoreinrichtungen 11 bis 14 erhaltenen
Messwerte oder Messsignale aus und ermittelt daraus physikalische
Größen, zumindest
physikalische Kenngrößen für das aktuelle
Wärmeübertragungsverhalten
und/oder den Zustand des Wärmetauschers 10.
Ebenso wertet die Auswerteeinrichtung 7 die Messwerte oder
Messignale der Sensoreinrichtung 1G aus und ermittelt daraus
eine oder mehrere Kenngröße(n) des
Wärmerückgewinners 30.
Zur Auswertung umfasst die Auswerteeinrichtung 7 im Allgemeinen
wenigstens einen digitalen Signalprozessor oder Mikroprozessor und
zugeordnete Speicher zum Speichern von ermittelten Daten und hinterlegten
Steuer- und Rechenprogramme sowie ggf. von Wertetabellen.
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Die
Auswerteergebnisse, also die ermittelten digitalen, insbesondere
binären,
Werte der Kenngrößen, überträgt
die Auswerteeinrichtung 7 über einen Datenbus oder eine
Busschnittstelle an ein übergeordnetes Prozessleitsystem 8.
Hier kann Standard-Bustechnologie wie Ethernet (TCP/IP) oder Profibus
eingesetzt werden.
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Das
Prozessleitsystem 8 ist nur für das Wärmerückgewinnungssystem oder für das gesamte
Prozessluftsystem oder aber auch für den gesamten Prozess, hier
beispielsweise den Papier- oder Zelluloseherstellungsprozess in
der Papier- oder Zellulosemaschine, vorgesehen.
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Auf
einer Anzeigeeinrichtung (oder: Anzeigeeinheit) 9 des Prozessleitsystems 8,
im Allgemeinen einem grafischen Bildschirm (Display), beispielsweise
einem Computermonitor, werden die von der Auswerteeinrichtung 7 erhaltenen
Werte der Kenngrößen des
Wärmetauschers 10 und
ggf. des Wärmerückgewinners 30 wenigstens
zum Teil visualisiert oder grafisch dargestellt, insbesondere in
Form von Zahlen hinter zugehörigen
Bezeichnern oder physikalischen Symbolen oder auch in Form von Kurven,
Diagrammen oder ähnlichen an
sich bekannten Anzeigearten.
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Der
Benutzer erhält
somit auf der Anzeigeeinrichtung 9 fortlaufend Informationen über wichtige
Kenngrößen des
die Wärmerückgewinnung
betreffenden Teils seiner Anlage und kann den Zustand des Wärmetauschers 10 und
ggf. des Wärmerückgewinners 30 bewerten
und überwachen
sowie ggf. optimieren oder korrigieren. Für den Anlagenbetreiber oder
Benutzer wird das Wärmerückgewinnungssystem
transparent und die Anlagenverfügbarkeit
erhöht,
können
Analysen zur Wirtschaftlichkeit des Systems erstellt und Entscheidungen hinsichtlich
einer Energieoptimierung unterstützt
werden sowie eine bedarfsgerechte Wartung erleichtert werden. In
Prozessleitsystemen kann das Know-How über Wärmerückgewinnungssysteme verfügbar gemacht und
kann in Gesamtkonzepte integriert werden. Wärmerückgewinnungssysteme selbst
werden mit der intelligenten Auswertung aufgewertet
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Die
Sensoreinrichtungen 11 bis 14 für den Wärmetauscher 10 umfassen
vorzugsweise einzelne Sensoren zur Messung der Temperatur t, der
relativen Feuchte φ und
des Volumenstromes oder des Druckes, insbesondere Differenzdruckes,
insbesondere Staudruckes, des zugehörigen Luftstromes. Hier kann
bewährte Sensortechnologie
der Temperatur-, Feuchte-, Volumenstrom- und Druckmesstechnik eingesetzt
werden.
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Für die Temperaturmessung
können
beispielsweise Widerstands-Temperaturfühler eingesetzt
werden. Für
die direkte Volumenstrommessung können Durchflussmesser, beispielsweise
Ultraschall-, Wirbelfrequenz- Induktions- oder Anemometer-Durchflusssensoren,
Staudruck- oder Drosselmessgeräte
verwendet werden. Für
die Druckmessung oder Differenzdruckmessung können piezoelektrische oder
mechanische, Membran- oder Federwerk-Drucksensoren zum Einsatz kommen.
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Zum
Messen der relativen Feuchte werden beispielsweise kapazitive Feuchtesensoren
verwendet. Man kann aber auch anstelle der oder zusätzlich zur
relativen Feuchte die absolute Feuchte oder Feuchtebeladung x messen,
beispielsweise direkt mittels eines LiCl-Feuchtegebers, dessen Umwandlungs temperatur von
der absoluten Feuchte abhängt,
oder auch indirekt mittels eines Taupunkttemperatursensors, beispielsweise
eines Taupunktspiegels.
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Der
Wassergehalt der Luft umfasst im noch nicht gesättigten Zustand im Wesentlichen
Wasserdampf (oder: Feuchte, Anteil des Wassers in gasförmigem Zustand)
und im übersättigten
Zustand zusätzlich
auch mitgeführte
oder schwebende Wassertröpfchen
(oder: Wasser in flüssiger
Form). Bei Sättigung
oder dem zugehörigen
Sättigungsdruck
herrscht bei einer konstanten Temperatur Gleichgewicht zwischen
einer Flüssigkeit und
ihrem Dampf in einem vorgegebenen beliebigen Volumen.
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Die
absolute Feuchte oder der absolute Wasserdampfgehalt oder die Feuchtebeladung
x entspricht dem Quotienten aus der in der Luft enthaltenen Masse
des Wasserdampfes (Dampfmasse), gemessen beispielsweise in Gramm
(g), und der Masse der trockenen Luft (Trockenluftmasse), üblicherweise
angegeben in kg, wobei beide Massen in demselben Gasvolumen, beispielsweise
einen Kubikmeter (1 m3), bei derselben Temperatur
und bei demselben Druck bestimmt werden. Der absolute Dampfgehalt
oder die Feuchtebeladung X ist also eine dimensionslose Größe.
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Der
relative Wasserdampfgehalt oder die relative Feuchte φ wird bezogen
auf den Sättigungszustand und
ist definiert als Quotient aus der Partialdichte oder Konzentration
des Wasserdampfes bei der vorgegebenen Temperatur, beispielsweise
gemessen in g/m3, und der Sättigungspartialdichte
des Wasserdampfes, die sich bei Erreichen des Sättigungspartialdruckes des
Wassers, bei gleicher Temperatur einstellt oder einstellen würde und
ebenfalls gemessen wird in g/m3. Die relative
Feuchte entspricht auch dem Quotienten aus dem aktuellen Dampfpartialdruck
und dem Sättigungsdampfpartialdruck.
Die relative Feuchte ist dimensionslos und wird üblicherweise in Prozent (%)
angegeben, wobei im untersättigten
Zustand die relative Feuchte unter 100 % liegt und im gesättigten
Zustand 100 % beträgt.
Mit höherer
Temperatur nimmt die relative Feuchte bei gleichbleibender absoluter
Feuchte ab.
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Aus
den von den Sensoreinrichtungen 11 bis 14 gemessenen
physikalischen Messgrössen
Temperatur, Feuchte (rel.) und Volumenstrom/Druck können eine
Vielzahl von weiteren, von diesen Messgrößen abhängigen physikali schen Größen des
Wärmerückgewinnungssystems
mit dem Wärmetauscher 10 von
der Auswerteeinrichtung 7 numerisch errechnet werden, beispielsweise
mit hinterlegten analytischen Funktionen, Gleichungen, Formeln oder
mit Fitfunktionen oder Interpolation, oder aufgrund vorgegebener
Wertetabellen oder Kennlinien oder Diagrammen zugeordnet werden.
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2 zeigt
in einem Schaubild, wie aus den Messgrößen Temperatur t und relative
Feuchte φ jedes einzelnen
Luftstromes mit zugehörigem
Wassergehalt aufgrund von sich an dem Mollier-Diagramm (oder: hx-Diagramm)
orientierender oder darin dargestellter Beziehungen andere physikalische
Größen wie
- • die
Feuchtebeladung (= absoluter Wassergehalt) x,
- • die
Dichte ρ,
- • die
Enthalpie (Energieinhalt) h und
- • die
Taupunkttemperatur tt,
berechnet
oder bestimmt werden können.
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Im
Mollier-Diagramm ist die Enthalpie h des feuchten Gases, üblicherweise
feuchte Luft, über
dessen Feuchtebeladung x aufgetragen (deswegen: hx-Diagramm), wobei
auf zwei orthogonalen Achsen des Diagramms auf der Abszisse die
Feuchtebeladung x und auf der Ordinate auch die Temperatur t abgelesen
werden kann. Es sind Isothermen ausgehend von den entsprechenden
Temperaturwerten auf der Ordinate als Geraden mit mit der Temperatur
zunehmender Steigung eingezeichnet. Ferner enthält das Mollier-Diagramm Isenthalpen,
die nach rechts unten verlaufende parallele Geraden mit der Steigung
der negativen Verdampfungsenthalpie sind, sowie außerdem konvex
gekrümmte
Parameterkurven gleicher relativer Feuchte φ, wobei die Sättigungskurve
für φ = 100 %
am Weitesten unten liegt und oberhalb dieser Sättigungskurve die Kurven für φ < 100 %, also das
Gebiet der Untersättigung
und unterhalb das Gebiet der Übersättigung
oder Nebelgebiet liegen.
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Die
im Mollier-Diagramm grafisch dargestellten Beziehungen werden im
Folgenden in Form der entsprechenden Gleichungen oder Formeln angegeben.
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Vorgegebene
oder vorgebbare Konstanten oder konstante Systemgrößen:
Systemdruck:
p
sys = const.
Wärmekapazität Luft: c
pl =
const.
Verdampfungswärme
Wasser; r = const.
Wärmekapazität Wasserdampf:
c
pd = const.
Sättigungsdruck Wasserdampf:
p
s(t) wird aus Temperatur t ermittelt gemäß hinterlegter
Tabelle (mit Interpolation)
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Mit
den vier Temperaturwerten tAL der Sensoreinrichtung 11,
tZL der Sensoreinrichtung 12, tABL der Sensoreinrichtung 13 und
tFL der Sensoreinrichtung 14 wird
gemäß 3 nun
von der Auswerteeinrichtung 7 als erste Kenngröße für die Wärmeübertragung
im Wärmetauscher 10 der
aktuelle Temperatur-Wirkungsgrad (oder:
thermische Wirkungsgrad, Temperatur-Austauschzahl) ηth des Wärmetauschers 10 als
Quotient aus der Differenz tZL – tAL und der Differenz tABL – tFL ermittelt und zum Prozessleitsystem 8 zur
Darstellung auf der Anzeigeeinrichtung 9 übertragen.
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4 zeigt,
wie zunächst
aus dem von einer der Sensoreinrichtungen 11 bis 14 oder 16 gemessenen Differenzdruck
im entsprechenden strömenden
Wärmemedium
ein unkompensierter Volumenstrom des Mediums mit den vorgegebenen
Parametern der Strömungsquerschnittfläche A und
der Proportionalitätskonstante k
der Sensoreinrichtung (des Messorgans) berechnet wird und dann mit
der gemäß 3 ermittelten
Dichte ρ des
Mediums dieser Volumenstrom dichtekompensiert wird und auch ein
entsprechend dichtekompensierter Massenstrom bestimmt wird.
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Die
kompensierten Volumenströme
oder Massenströme
der Medien, z.B. AL, ZL, ABL, FL, gemäß 1 werden
nun vorteilhaft von der Auswerteeinrichtung 7 zur Berechnung
weiterer auf der Anzeigeeinrichtung 9 darzustellender Kenngrößen des
Wärmetauschers 10 verwendet
und können
auch selbst auf der Anzeigeeinrichtung 9 dargestellt werden.
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So
wird gemäß 5 der
aktuelle Wärmemengen-Wirkungsgrad ηQ des Wärmetauschers 10 berechnet
aus den vier gemäß 3 ermittelten
Enthalpien hAL der Außenluft AL, hZL der
Zuluft ZL, hABL der Abluft ABL und hFL der Fortluft FL gemäß 1 und den
gemäß 4 ermittelten
Massenströmen
mZL der Zuluft ZL und mFL der
Fortluft FL.
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6 zeigt
die Berechnung der von der Abluft ABL auf die Außenluft AL übertragenen Wärmeleistung Q
und der durch numerische Summation oder Integration über die
Wärmeleistung
Q über
der Zeit erhaltenen übertragenen
Wärmeenergie
Q des Wärmetauschers 10.
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Durch
die Abkühlung
der Abluft ABL im Wärmetauscher 10 kann
Kondensat entstehen. Gemäß vorgegebenen
für den
jeweiligen Wärmetauschprozess
spezifischen Beziehungen kann nun die Kondensattemperatur von im
Wärmetauscher
gemäß 1 entstehendem
Kondensat gemäß 7 aus
den Messwerten für die
Temperatur und die relative Feuchte und mit Hilfe des hx-Diagramms
bestimmt werden. Dazu wird vorzugsweise einfach die Tautemperatur
tt als Kondensattemperatur herangezogen.
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8 zeigt
die Berechnung des Massenstromes von im Wärmetauscher gemäß 1 entstehendem Kondensat
oder der abzuführenden
Kondensatmenge als Differenz aus dem Massenstrom der Abluft ABL
am Eingang 23 des Wärmetauschers 10 und
dem Massenstrom der Fortluft FL am Ausgang 24 des Wärmetauchers 10.
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9 und 10 zeigen
nun Ausführungsformen,
bei der ein Glasröhrenbruch
in einem Glasröhren-Wärmetauscher 10 von
der Auswerteeinrichtung 7 erkannt und auf der Anzeigeinrichtung 9 angezeigt
werden kann. Dabei wird ausgenutzt, dass ein Glasröhrenbruch
zu einem Austritt von Abluft ABL oder darin enthaltenem Wasserdampf
führt,
der messtechnisch erfasst werden kann.
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Bei
einem auf der Druckseite des Abluftventilators angeordneten Wärmetauscher 10 werden
vorzugsweise gemäß 9 die
ermittelten absoluten Feuchtebeladungen xAL der
Außenluft
AL und xZL der Zuluft FL verglichen oder
mit einer Formel bilanziert, um einen Bruch oder Riss der Glasröhre(n) zu
erkennen.
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Bei
einem saugseitig vom Fortluftventilator 6 angeordneten
Wärmetauscher 10 werden
vorzugsweise die ermittelten Massenströme von Außenluft AL und Zuluft ZL bilanziert
mit einer Formel, wie in 10 dargestellt.
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Durch
die Überwachung
der Glasröhren
kann eine unzulässige
Auffeuchtung der trockenen Prozesszuluft durch die hochbeladene
Abluft bei einem Glasröhrenbruch
vermieden.
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Alle
Messwertberechnungen sind vorzugsweise druck- und temperaturkompensiert.
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Mit
den in der Auswerteeinrichtung 7 oder dem Prozessleitsystem 8 langfristig
aufgezeichneten Daten kann das Wärmerückgewinnungssystem
zusätzlich
hinsichtlich seiner Effizienz bewertet, ggf. optimiert bzw. erneuert
werden.
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Optional
kann auch eine Verschmutzung und/oder Verstopfung am oder im Wärmetauscher 10 auf
beiden Übertragungsseiten
anhand von Systemveränderungen überwacht
werden. dazu wird wenigstens ein zusätzlicher Differenzdrucksensor
zum Messen einer Druckdifferenz zwischen dem Eingang 21 und
dem Ausgang 22 oder vorzugsweise zwischen dem Eingang 23 und
dem Ausgang 24 des Wärmetauschers 10 vorgesehen,
vorzugsweise in den Sensoreinrichtungen 11 und 12 bzw. 13 und 14.
Somit wird die Verfügbarkeit
und Wartungsplanung verbessert.
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In
einer Optimierungsfunktion für
die Luft-Luft-Wärmerückgewinnung
im Wärmetauscher 10 als
zusätzlicher
Option kann mit Hilfe der berechneten Daten eine Optimierung der
Wärmestromkapazitäten von
der Auswerteeinrichtung 7 durchgeführt werden. Somit ist in jedem
Betriebspunkt eine optimale Energieausnutzung gewährleistet.
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In
einer optionalen Optimierungsfunktion für die Luft-Wasser-Wärmerückgewinnung
im Wärmetauscher 30 kann
mit Hilfe der berechneten Daten und unter zusätzlichem Einsatz von Volumenstrommesstechnik im
Wasserkreislauf 32 (z.B. Ultraschallmessgerät) eine
Optimierung der Wärmestromkapazitäten von
der Auswerteeinrichtung 7 durchgeführt werden. Somit ist in jedem
Betriebspunkt eine optimale Energieausnutzung gewährleistet.
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Insbesondere
kann der Wirkungsgrad oder die Wärmeübertragung
dadurch optimiert werden, dass die Wärmestromkapazität des einen
Wärmemediums,
also AL bzw. ZL im Wärmetauscher 10 oder
Wasser im Wasserkreislauf 32 des Wärmetauschers 30, einerseits
und die Wärmestromkapazität des andern
Wärmemediums,
also ABL bzw. FL, andererseits gleich zueinander eingestellt werden.
Die Wärmestromkapazität entspricht
dem Produkt aus Wärmekapazität und Massenstrom
des Wärmeträgermediums.
Als Stellgröße für die Optimierung
dient deshalb der Massenstrom wenigstens eines Mediums, z.B. AL
oder das Wasser, während der
Massenstrom des anderen Medium, z.B. ABL, durch den Prozess geführt sein
kann.
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Die
numerische Berechnung muss natürlich
in allen Ausführungsformen
nicht der schrittweisen Folge der physikalischen Formeln folgen,
sondern kann zur Reduzierung von Rundungsfehlern auch gleich nach
den Eingangsgrößen, beispielsweise
der Temperatur t oder der relativen Feuchte φ aufgelöste Gleichungen verwenden.
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- 2
- Prozessbereich
- 3
- Lufteinlass
- 4
- Luftauslass
- 5
- Zuluftventilator
- 6
- Fortluftventilator
- 7
- Auswerteeinrichtung
- 8
- Prozessleitsystem
- 9
- Anzeigeeinrichtung
- 10
- Wärmetauscher
- 11
bis 14
- Sensoreinrichtung
- 16
- Sensoreinrichtung
- 21
- Eingang
- 22
- Ausgang
- 23
- Eingang
- 24
- Ausgang
- 30
- Wärmetauscher
- 32
- Wasserkreislauf
- AL
- Außenluft
- ZL
- Zuluft
- ABL
- Abluft
- FL
- Fortluft