DE102007041766A1

DE102007041766A1 - Leckageüberwachung von Anlagen mit mindestens zwei Medienkreisläufen, insbesondere Wärmeübertragern

Info

Publication number: DE102007041766A1
Application number: DE102007041766A
Authority: DE
Inventors: Frank Triesch
Original assignee: Triesch Frank Dr Ing
Current assignee: Triesch Frank Dr Ing
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2007-09-04
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2027-09-05
Also published as: DE102007041766B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Leckageüberwachung bei Anlagen (1) mit mindestens zwei Medienkreisläufen (3, 4) mit unterschiedlichen Mediendrücken, die durch jeweils mindestens eine Wand von einander getrennt sind. Gezeigt ist eine universelle, konstruktiv sehr einfache und damit auch kostengünstige Überwachung von Leckagen, insbesondere bei Wärmeübertragern (1), mit der auch eine automatische Absicherung gegen andere Anlagenfehler möglich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung von Leckagen bei Anlagen mit mindestens zwei von einander durch jeweils mindestens eine Wand getrennten Medienkreisläufen, insbesondere einem Primär- und einem Sekundärkreislauf eines Wärmeübertragers, und eine solche Anlage, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 14.
Wärmeübertrager, die auch Wärmetauscher genannt werden, sind beispielsweise bei Heizungsanlagen im Einsatz. In den gattungsgemäßen Wärmeübertragern erfolgt eine thermische Kopplung eines Primärkreislaufes mit einem Sekundärkreislauf ohne dass ein Medienaustausch stattfindet.
Problematisch bei diesen Wärmeübertragern ist die Überwachung und Absicherung von Leckagen, die aus inneren Undichtheiten des Wärmeübertragers herrühren. Solche Leckagen können darin bestehen, dass das Medium des Primärkreislaufes in den Sekundärkreislauf eindringt oder umgekehrt. Solche Leckagen sind unter anderem deshalb kritisch, weil mit dem Medienübertritt nicht nur ein Medienverlust und eine Zerstörung nicht ausreichend druckfest ausgelegter Anlagenteile, sondern auch eine Gesundheitsgefährdung verbunden sein können. Seltener sind Leckagen an der äußeren Hülle von Wärmeübertragern. Diese können ebenso mit Medienverlust und materiellen sowie gesundheitlichen Schäden in der Umgebung eines nach außen undichten Wärmeübertragers verbunden sein.
So ist beispielsweise bei der Warmwasserbereitung über ein Fernwärmenetz der Primärkreislauf über einen Wärmeübertrager mit einem Sekundärkreislauf gekoppelt, der Trinkwasser führt. Somit besteht bei einer internen Leckage des Wärmeübertragers die Gefahr der Verunreinigung des Trinkwassers durch das mit Zusatzstoffen versehene Medium des Primärkreislaufes ebenso wie die Gefahr des Eindringens von Trinkwasser in den Primärkreislauf, wodurch die Eigenschaften des Primärmediums so verändert werden können, dass Korrosion entsteht und/oder sich die Effizienz des Wärmetransports im Primärkreislauf verringert. Diese Gefahr eines Medienübertritts besteht vor allem auch deshalb, weil Primär- und Sekundärkreislauf bei unterschiedlichem Druck betrieben werden. So liegt der Druck des Primärkreislaufes bei ca. 8 bis 25 bar, während der Druck des Trinkwasserkreislaufs bei ca. 4 bis 10 bar liegt.
Desweiteren kann es durch Leckagen der äußeren Hülle des Wärmeübertragers oder der angrenzenden Medienkreisläufe zum Austritt von Primär- und/oder Sekundärmedium in den Aufstellungsraum kommen, verbunden mit der Gefahr von umfangreichen Wasserschäden.
Bisher gab es verschiedene Ansätze, Leckagen zwischen den Kreisläufen im Inneren eines Wärmeübertragers zu detektieren und deren Folgen zu begrenzen.
Eine Lösung wurde in der Ausbildung eines Zwischenkreislaufs gesucht, der allerdings auch einen erhöhten konstruktiven Aufwand verursacht, da hier zwei Wärmeübertrager notwendig sind, dazu eine interne Umwälzpumpe, ein Ausdehnungsgefäß, eine Druckabsicherung und eine komplexe Regelung im Primär- und im Zwischenkreislauf. Besonders negativ wirkt sich die ständig zu überwindende doppelte Temperaturdifferenz an beiden Wärmeübertragern auf den Gesamtprozess aus. Um diese zu vermeiden, sind größere Wärmeübertragungsflächen erforderlich, bis hin zu mehr als dem Sechsfachen eines einzelnen Apparates. Zudem erfordert ein Zwischenkreislauf erhöhte Betriebskosten durch den permanenten Einsatz von Elektroenergie für die Umwälzpumpe sowie die Wartung und Instandhaltung der zusätzlichen Bauteile, ohne die sich die Zuverlässigkeit des Systems reduzieren würde.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Wärmeübertrager doppelwandig auszuführen, so dass der Primärkreislauf und der Sekundärkreislauf von einem nach außen offenen oder geschlossenen ummantelten Hohlraum getrennt sind und ein Medienübertritt erst nach dem unwahrscheinlichen Vorkommnis von gleichzeitigen Lecks in beiden Wänden auftreten könnte, wobei vorher schon der Druckabfall in einem der beiden Medien, der Austritt eines Mediums aus einem nach außen offenen Leckageraum bzw. der Druckanstieg in einem geschlossen ausgeführten Hohlraum auf eine mögliche Leckage hinweisen. An diesen Lösungen ist allerdings nachteilig, dass mit der doppelten Ummantelung ein erhöhter Materialaufwand und dementsprechend höhere Kosten des Wärmeübertragers verbunden sind. Zusätzlich muss ein erhöhter konstruktiver Aufwand betrieben werden, um trotz der doppelwandigen Ausführung eine ausreichende Wärmekopplung der beiden Kreisläufe sicherzustellen. Zudem kann es bei sehr stark voneinander abweichenden Mediendrücken auf den beiden Seiten schwierig sein, das Eintreten des Mediums niederen Druckes in einen geschlossenen Zwischenraum ebenso zuverlässig nachzuweisen, wie das Eintreten des Mediums wesentlich höheren Druckes.
Bisher werden Leckagen an einwandig und ohne Zwischenkreislauf ausgeführten Wärmeübertragern, die zu einer Überschreitung des zulässigen Druckes im Sekundärkreislauf führen können, üblicherweise mit einem speziellen Maximaldruckschalter abgesichert, der nur vor Ort entriegelt werden kann. Bei größeren thermischen Leistungen und der entsprechend höheren möglichen Schwere der Folgen einer Leckage wird die redundante Ausführung der Maximaldruckschalter vorgeschrieben. Die Maximaldruckschalter führen zur Abschaltung der Medienzufuhr im Primärkreislauf durch Schließen des mit einem entsprechenden Antrieb ausgerüsteten Ventils, welches auch bei Stromausfall verriegelt. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass es im Betrieb nicht immer zu ausreichend hohen Drücken des Mediums auf der Primärseite kommt, die hinreichend wären, einen solchen Druckanstieg im Sekundärkreislauf in Folge einer Leckage hervorzurufen, der auch zu einem Ansprechen des/der Maximaldruckschalter führen würde. Eine Leckage kann so über längere Zeit unerkannt bleiben. Parallel sichert der Maximaldruckschalter auch gegen andere Anlagenfehler, z. B. gegen unzulässige Wärmezufuhr bei mangelnder Wärmeabnahme ab.
Desweiteren ist es üblich, gegen Wassermangel auf der Sekundärseite mittels eines Minimaldruckschalters abzusichern. Bei Unterschreitung eines einstellbaren Minimaldruckes wird die Umwälzpumpe sekundärseitig abgeschaltet, um deren Trockenlauf zu verhindern. Ein solcher Minimaldruckschalter gibt die Umwälzpumpe wieder frei, wenn der vorgegebene Minimaldruck wieder um eine bestimmte Hysterese überschritten wird. Ein solcher Wassermangel kann z. B. durch die zeitweilige unangekündigte Abschaltung der Wasserversorgung auftreten. Eine weitere Möglichkeit der Nutzung von Minimaldruckschaltern besteht darin, die Sekundärseite z. B. vor einem Auskochen durch weitere Wärmezufuhr zu schützen, sobald der sekundärseitige Druck soweit sinkt, dass er sich dem möglichen Verdampfungspunkt gefährlich nähert. Ein für solche Zwecke verwendeter Minimaldruckschalter blockiert und kann lediglich vor Ort per Hand wieder entriegelt werden, wenn der vorgegebene Minimaldruck wieder um eine bestimmte Hysterese überschritten wurde.
Der Nachteil beider Lösungen ist, dass für die Minimal- wie für die Maximaldrucküberwachung jeweils getrennte Druckschalter verwendet werden müssen. Damit verbunden ist ein erhöhter Aufwand bei der Erstellung und der Wartung, ohne jedoch in jedem Fall zuverlässig jede Leckage detektieren zu können.
Eine ähnliche Wirkung hat und zum gleichen Zweck wird eine Wassermangelsicherung mittels Füllstandsüberwachung im System oder außerhalb eingesetzt, wenn sich der Druck im System oder außerhalb trotz Wassermangel kaum verändert bzw. Wassermangel im System auch in Folge anderer Ursachen als einer Leckage eintreten kann, z. B. durch ungenügende Mediennachspeisung.
Aus der DE 10 2004 035 298 B4 ist eine Warmwasserheizanlage mit einer hydraulischen Schutzschaltung und ein Verfahren zum Betreiben derselben bekannt, bei der vorgeschlagen wird, den dynamischen Druckverlauf in einem internen Heizkreis mit einer Steuer- /Regeleinheit zu überwachen und bei abnormalem Verlauf, d. h. wenn der Druck im internen Heizkreis in kurzer Zeit um einen vorgegebenen Wert fällt, auf eine Leckage zu schließen. Ein vorgegebener Druckverlauf kann dabei als Kennlinie in der Steuer-/Regeleinheit abgelegt werden. Es ist jedoch nicht in jedem Falle zuverlässig vorhersagbar, wie sich der Verlauf einer Druckänderung im Leckagefall verhält. Damit ist diese Form der Leckageüberwachung auf einen engen Anwendungsbereich beschränkt. Beim Zusammentreffen einer Änderung des Druckverlaufes mit einem Ausfall der elektrischen Spannung bzw. während einer gezielten Abschaltung der Steuer-/Regeleinheit ist die Leckageüberwachung nicht gegeben und kann nach Wiederkehr der elektrischen Spannung oder gezielter Wiedereinschaltung der Steuer-/Regeleinheit auch nicht nachvollzogen werden, wenn die Druckänderung während des Fehlens der Spannung bereits abgeschlossen ist. Trotz Vorhandensein einer Leckage würde diese in einem solchen Falle nicht detektiert werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Anlagen, bei denen die Medienkreisläufe im Betriebszustand Medien unterschiedlicher Drücke führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine universelle Anlage mit mindestens zwei Medienkreisläufen bereitzustellen, die gegenüber bisher bekannten Anlagen konstruktiv sehr einfach und damit kostengünstig aufgebaut ist und dennoch eine sichere Detektion von Leckagen und eine Begrenzung ihrer Folgen sowie gleichzeitig der Folgen anderer Anlagenfehler ermöglicht. Zugleich soll auch ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Verfahren nach Anspruch 1 und der Anlage nach Anspruch 14. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Leckage sich dann besonders leicht detektieren lässt, wenn der Differenzdruck zwischen den Medienkreisläufen überwacht wird. Hierfür ist nur ein geringer konstruktiver Aufwand erforderlich, der aber eine sichere Leckageüberwachung ermöglicht. Zwischen den Medienkreisläufen, insbesondere einem Primär- und dem Sekundärkreislauf, besteht dabei eine bestimmte Druckdifferenz, die abhängig ist von den Drücken der Kreisläufe selbst. Beispielsweise beträgt bei den oben angesprochenen Warmwasserbereitungsanlagen mit einem Fernwärmekreislauf (Primärkreislauf) bei 8 bis 25 bar und dem Trinkwasserkreislauf (Sekundärkreislauf) bei 4 bis 10 bar diese Differenz –2 bis +21 bar. Sobald eine Leckage im Wärmeübertrager entstanden ist, findet hier ein Druckausgleich statt, der den Differenzdruck absenkt, wodurch solche Leckagen leicht feststellbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich daher dadurch aus, dass der Differenzdruck zwischen den Medienkreisläufen, nämlich einem ersten Kreislauf mit einem Medium höheren Drucks und einem zweiten Kreislauf mit einem Medium geringeren Drucks, überwacht wird, wobei bevorzugt ebenfalls der Absolutdruck mindestens eines Kreislaufs überwacht wird.
Die Bezeichnungen Primär- und Sekundärmedium rühren von der Wärmequelle und der Wärmesenke her, also der Richtung, in die die Wärme im Wärmeübertrager strömt. Dabei ist es durchaus auch möglich, dass das Primärmedium einen geringeren Druck aufweist, als das Sekundärmedium. In diesem Falle ist es vorteilhaft – neben dem Differenzdruck – den Absolutdruck der Primärseite zu überwachen. Für den Fall, das – wie oben angegeben – das Primärmedium den höheren Druck aufweist, ist es vorteilhaft, neben dem Differenzdruck den Absolutdruck der Sekundärseite zu überwachen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird bei Erreichen eines bestimmten Differenzdruckes bzw. Überstreichen eines bestimmten Absolutdruckes ein optisches bzw. akustisches Signal gegeben. Alternativ oder zusätzlich kann bei Erreichen eines bestimmten Differenzdruckes bzw. Überstreichen eines bestimmten Absolutdruckes eine Schutzfunktion ausgelöst werden, wie beispielsweise mindestens einer der Kreisläufe gesperrt werden, um neben der Detektion und Anzeige einer Leckage auch eine automatische Sicherung durchzuführen.
Bei üblichen Medienkreisläufen beträgt der als Stellwert festgelegte Differenzdruck Δp_s 0 bar, bei dem eine Leckage angezeigt bzw. abgesichert wird. Alternativ können auch von Δp = 0 bar unterschiedliche positive wie negative oder Absolutwerte festgelegt werden, um eine Leckage schon früher anzuzeigen, nämlich dann, wenn sie sich ausbildet und daher die Druckdifferenz noch nicht Δp = 0 bar ist. Durch die Festlegung einer Druckdifferenz Δp_s ungleich 0 bar können auch mögliche Messfehler der verwendeten Messmittel berücksichtigt werden. Andererseits ist ein von 0 abweichender Differenzdruck auch dann sinnvoll, wenn die Auslegungsdrücke der Medienkreisläufe stark voneinander abweichen oder die Drücke im Betriebszustand stark schwanken können. Der Differenzdruck soll daher mindestens auf größer 1 bar einstellbar sein, wobei auch jeder andere Wert sinnvoll ist, der zwischen der Differenz der Auslegungsdrücke der Medienkreisläufe und 0 bar liegt.
Um bei dem zweiten Kreislauf, der einen geringeren Druck aufweist als der erste Kreislauf, zusätzlich und alternativ eine Leckage festzustellen, wird als Überstreichen die Druckerhöhung in dem zweiten Kreislauf in Bezug auf einen Maximalwert als Stellwert gewertet.
Zusätzlich oder alternativ kann bei dem zweiten Kreislauf als Überstreichen die Druckverminderung in Bezug auf einen Minimalwert als Stellwert gewertet werden. Dieser Minimalwert wird bevorzugt verwendet, um ein Leerlaufen dieses zweiten Kreislaufs, also eine Leckage nach außen oder ein aus anderen Gründen fehlendes Medium, sicher zu detektieren. Zur automatischen Absicherung des Leerlaufens ist vorteilhaft vorgesehen, dass bei Überstreichen des Minimalwertes die Umwälzpumpe dieses zweiten Kreislaufs abgeschaltet wird, um zumindest das Trockenlaufen der Umwälzpumpe zu verhindern. Gleichzeitig kann auch vorgesehen sein, dass eine Abschaltung des ersten Kreislaufes erfolgt, um beispielsweise ein Auskochen bei Wärmeübertragern zu verhindern, und/oder dass eine Abschaltung der Mediennachspeisung im zweiten Kreislauf erfolgt, um größere Schäden bei unkontrolliertem Medienaustritt zu vermeiden.
Die Druckdifferenz zwischen den Medien kann im Betrieb zumindest zeitweise auch negativ sein, so dass eine Maximaldrucküberwachungseinrichtung nicht immer auch eine Leckage detektiert, sondern lediglich eine Überschreitung des Auslegungsdruckes (durch Absperren etc.) verhindert. In diesem Fall wirkt eine Differenzdrucküberwachung jedoch zuverläs sig, so dass auch andere negative Folgen des Medienaustausches über ein Leck (Korrosion, gesundheitliche Schäden etc.) sicher verhindert werden können. Deshalb wird nochmals darauf hingewiesen, dass es sich bei dem Differenzdruckschaltwert Δp_s um einen negativen, einen positiven oder auch den Absolutwert einer Druckdifferenz handeln kann, der entsprechend mit einem negativen, einem positiven oder auch dem Absolutwert eines Druckdifferenzmesswertes verglichen wird.
Neben einer Überwachung eines statischen Differenz- oder Absolutdruckwertes kann es vorteilhaft sein, die dynamische Entwicklung des Differenz- und/oder Absolutdruckwertes zu verfolgen, um daraus auf eine ev. Leckage bereits schließen zu können, noch bevor ein Schaltwert beispielsweise des Differenzdruckes von Δp_s = 0 bar erreicht ist.
Es kann sinnvoll sein, vor dem Auslösen einer Schutzvorrichtung beim Erreichen eines ersten Stellwertes eines Differenzdruckes und/oder eines Absolutdruckes ein optisches und/oder akustisches Signal auszulösen. Dafür ist es vorteilhaft, nicht nur einen sondern mindestens zwei Stellwerte eines Differenzdruckes und/oder eines Absolutdruckes im Speicher zu hinterlegen und mit dem Messwert zu vergleichen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass automatische Sicherungsmaßnahmen bezüglich einer Messgröße erst wieder entfernt werden, wenn die entsprechende Messgröße, also der Differenzdruck oder der Absolutdruck in dem zweiten Kreislauf, um mehr als 1 bar, insbesondere mehr als 0,75 bar, bevorzugt mehr als 0,5 bar den eingestellten Stellwert überschreitet bzw. unterschreitet. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einer erneuten Druckerhöhung die Umwälzpumpe des zweiten Kreislaufs erst dann wieder angeschaltet wird, wenn der Minimalwert um mehr als +1 bar, insbesondere mehr als +0,75 bar, bevorzugt mehr als +0,5 bar überschritten wird.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass vor dem Weiterbetrieb der Anlage eine zeitliche Wiedereinschaltblockade von insbesondere einigen Sekunden, bevorzugt einigen Minuten überwunden werden muss. Dadurch wird berücksichtigt, dass es möglich sein kann, dass der Stellwert immer wieder bzw. wiederholt in kurzen Abständen überstrichen wird.
Statt des automatischen Wiederanschaltens der Anlage in Bezug auf einen oder mehrere der Messgrößen Differenzdruck, Maximal- und Minimaldruck kann zur weiteren Erhöhung der Sicherheit vorgesehen sein, dass zum Weiterbetrieb der Anlage eine Quittierung durch eine Überwachungsperson vor Ort, also am Ort der Anlage, verlangt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vor dem Geben des Signals, dem Sperren eines Medienkreislaufs, beispielsweise durch das Sperren des Kreislaufs durch ein Ventil oder Abschalten einer entsprechenden Umwälzpumpe, bzw. Abschalten der Mediennachspeisung eine Schaltverzögerung vorgesehen, die insbesondere einige Minuten, bevorzugt einige Sekunden beträgt. Dies ist dann sinnvoll, wenn im Betrieb der Anlage ein Überstreichen der Schaltzustände bei bestimmten Betriebszuständen immer wieder möglich ist, so sind z. B. bei Wärmeübertragern bei der Warmwasserbereitung Differenzdrücke von Δp = 0 bar bei der Ausdehnung des Trinkwassers im geschlossenen System (ohne Warmwasserverbrauch) durch Aufheizung möglich, oder der Maximaldruck kann durch hydraulische Schläge auf der Sekundärseite erreicht werden, wie sie bekannterweise durch so genannte Einhandmischer oder Druckspüler hervorgerufen werden können.
Zur Überprüfung auf Dichtheit/Leckage kann es zweckmäßig sein, die Anlage regelmäßig in den Ruhezustand zu versetzen, also beispielsweise die Umwälzpumpen abzuschalten oder die Armaturen zu schließen, um der Anlage die Möglichkeit zu geben, einen stationären Ruhedruck anzunehmen, aus dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sicher auf den Zustand beispielsweise des Wärmeübertragers geschlossen werden kann.
Selbständiger Schutz wird für die erfindungsgemäße Vorrichtung beansprucht, die Mittel zur Messung des Differenzdruckes zwischen den Medienkreisläufen aufweist.
Vorteilhaft ist mindestens ein Absolutdrucksensor zur Bestimmung des Absolutdruckes in mindestens einem Medienkreislauf vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Differenzdruckmessmittel oder die Differenzdruckmessmittel und der Absolutdrucksensor über entsprechende Schalter mit einer optischen und/oder akustischen Signalanlage verbunden. So kann bei Eintritt einer Leckage sofort ein deutlich wahrnehmbares Signal gegeben werden, um die Fehlfunktion anzuzeigen und Folgemaßnahmen durch das Überwachungspersonal einzuleiten.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Differenzdruckmessmittel oder die Differenzdruckmessmittel und der Absolutdrucksensor über die Schalter in Schaltrelation mit mindestens einer Schutzeinrichtung, insbesondere mit einem Ventil zur Sperrung des ersten Kreislaufs verbunden sind, da dann automatisch ein Abschalten dieses ersten Kreislaufs erfolgt, so dass ein weiteres Eindringen des Mediums dieses Kreislaufs in das Medium des zweiten Kreislaufs und umgekehrt automatisch verhindert wird.
Wenn der Drucksensor zur Messung des absoluten Drucks im zweiten Kreislauf über einen Druckwertschalter in Schaltrelation mit einer Umwälzpumpe des zweiten Kreislaufs verbunden ist, kann ein Trockenlaufen der Umwälzpumpe des zweiten Kreislaufs bei Wassermangel verhindert werden.
Insbesondere falls gasförmige Medien in einem Kreislauf enthalten sind, können weiterhin Verdichter erforderlich sein, die ebenfalls über eine Schutzeinrichtung abschaltbar ausgeführt sein können.
Vorteilhaft kann an dem Differenzdruckschalter ein bestimmter Differenzdruck als Stellwert eingestellt werden, bei dem die Signalanlage und/oder das Ventil geschaltet wird, wobei vorzugsweise ein Differenzdruckstellwert von Δp_s = 0 bar vorgesehen ist. Alternativ kann auch ein von 0 bar unterschiedlicher Wert vorgesehen sein, um beispielsweise eine Anpassung an mögliche Messfehler vorzunehmen.
Ebenfalls vorteilhaft ist für den Druckwertschalter ein bestimmter Druck als Stellwert einstellbar, bei dessen Überschreiten die Signalanlage und/oder das Ventil und oder die Umwälzpumpe geschaltet wird. Auf diese Weise wird beispielsweise für Wärmeübertrager, bei denen der Primärkreislauf einen höheren Druck aufweist als der Sekundärkreislauf, zusätzlich ein Eindringen von Primärmedien in den Sekundärkreislauf sicher detektiert und deren Folgen begrenzt. Diese Art der Leckageüberwachung auf der Sekundärseite allein ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn der Differenzdruck Δp aus Gründen wie z. B. den im Betrieb am Wärmeübertrager auf beiden Seiten auftretenden Druckverlusten nicht den Stellwert Δp_s = 0 annehmen kann (sondern nur im Stillstand), oder wenn eine Auslegung des gesamten Sekundärsystems auf den höheren Nenndruck des Primärsystems z. B. aus Kostengründen nicht erwünscht ist. Aus diesem Grund kann es ebenfalls vorteilhaft sein, die Differenzdruckmessmittel am jeweiligen Austritt des Primär- bzw. Sekundärkreises des Wärmeübertragers anzubringen.
Weiterhin vorteilhaft ist für den Druckwertschalter ein bestimmter Druck als Stellwert einstellbar, bei dessen Unterschreiten die Signalanlage und/oder das Ventil und oder die Umwälzpumpe geschaltet wird. So können ein Trockenlaufen und/oder eine Leckage nach außen sicher detektiert und deren Folgen begrenzt werden. Durch die Einstellbarkeit des Differenzdruckes bzw. des Druckes ist die Leckageüberwachung der Anlage an verschiedene Bedingungen präzise anpassbar.
Zur Erhöhung der Genauigkeit des zu ermittelnden Differenzdruckes und/oder des zu ermittelnden Absolutdruckwertes kann es vorteilhaft sein, in den verschiedenen Medienräumen den Auslegungsdrücken entsprechende Messwertgeber unterschiedlicher, den jeweils auftretenden Betriebsdruckbereichen angepasster Messwertbereiche einzusetzen.
Zur Erhöhung der Sicherheit können die Messmittel und die angeschlossenen Schalteinrichtungen sicherheitsgerichtet ausgeführt werden (im Sinne des in der Fachwelt eingeführten Begriffes und der dafür üblicherweise erforderlichen Maßnahmen, z. B. durch redundante Ausführung, Hardware-Verdrahtung, selbst überwachende elektronische Schaltungen, (TÜV-) geprüfte Software-Routinen, etc.).
Um die Sicherheit zu erhöhen kann vorgesehen sein, dass nach einer Unterbrechung und anschließender Wiederkehr der elektrischen Spannung die Wiederherstellung der vorherigen Situation durch Abruf aller Schwellwerte und Schaltzustände aus einem nicht verlierbaren Speicher des Gerätes ermöglicht wird. Demselben Zweck kann auch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung dienen.
Bei doppelwandigen Wärmeübertragern kann es sinnvoll sein, den Absolutdruck eines geschlossenen Zwischenraumes und/oder den/die Differenzdrücke zwischen dem/den Medienräumen und dem geschlossenen Zwischenraum zu messen. Dafür ist eine Variante einer Leckageüberwachungseinrichtung mit mindestens drei Absolutdrucksensoren, jeweils einem in jedem Raum denkbar, maximal jedoch mit zwei Differenzdruck- oder mit vier Absolutdrucksensoren.
Auch wenn einzelne Merkmale und Vorteile nur in Bezug auf das Verfahren bzw. die Anlage beschrieben wurden, ist doch klar, dass sie jeweils für beide Gegenstände gelten. Außerdem ist klar, dass jede Stellwertüberwachung mit jedem Sicherungsmittel gekoppelt sein kann, um Sicherungsmaßnahmen durchzuführen.
Die Merkmale und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nun anhand des nachstehend erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der einzigen Figur deutlich werden.
Die Figur zeigt rein schematisch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 in schaubildhafter Darstellung. Der Wärmeübertrager 1 weist einen Behälter 2 auf, durch den ein Primärkreislauf 3 und ein Sekundärkreislauf 4 geführt sind. Der Sekundärkreislauf 4 wird durch Röhren 5 in dem Behälter 2 geführt, wobei das Medium des Primärkreislaufs 3 an den Röhren 5 als Wärmeübertragungsfläche vorbeiströmt. Dadurch erfolgt über die Röhren 5 zwischen den beiden Medien des Primär- 3 und des Sekundärkreislaufs 4 eine Wärmeübertragung, wobei gleichzeitig auch eine Medienseparation sichergestellt ist. Alternativ zu den Röhren 5 können beispielsweise auch Platten vorgesehen sein.
Im dargestellten Beispiel der Warmwasserbereitung durch Fernwärme ist der Primärkreislauf 3 der Fernwärmekreislauf, der bei ca. 80°C bis 125°C und bei 8 bis 25 bar durch eine Femwärmekreislaufumwälzpumpe (nicht gezeigt) betrieben wird. Beim Sekundärkreislauf 4 handelt es sich um einen Trinkwasserkreislauf, der bei ca. 55°C bis 60°C und 4 bis 10 bar mittels der Umwälzpumpe 6 betrieben wird.
Zur Detektion von Leckagen sind Mittel 7 zur Speicherung und Feststellung des Differenzdrucks zwischen dem Primär- 3 und dem Sekundärkreislauf 4 vorgesehen. Diese Mittel 7 weisen einen Drucksensor (nicht gezeigt) zur Messung des Absolutdrucks im Sekundärkreislauf 4 und einen Drucksensor (nicht gezeigt) zur Messung des Absolutdrucks im Primärkreislauf 4 auf und einen Differenzdruckschalter 7, der den Differenzdruck bestimmt und in dem ein Stellwert für den Differenzdruck eingestellt werden kann. Dadurch sind lediglich zwei Sensoren zur Überwachung des Differenz-, Maximal- und Minimaldrucks erforderlich. Außerdem kann bei der Absicherung von mehreren an einen Primär- 3 oder Sekundärkreislauf 4 angeschlossenen Wärmeübertragern 1 auf jeweils mindestens ein Druckmessmittel pro weiterem Wärmeübertrager 1 verzichtet werden.
Weiterhin sind Mittel 8, 9 zur Speicherung und Schaltung in Bezug auf einen Druckmaximalwert und einen -minimalwert vorgesehen, nämlich ein Druckmaximalwertschalter 8 und ein Druckminimalwertschalter 9. Der Differenzdruckschalter 7 ist mit einem Sperrventil 10 im Primärkreislauf 3 verbunden, um dieses Sperrventil 10 zu schalten. Zusätzlich ist der Differenzdruckschalter 7 auch mit einer akustischen und/oder optischen Signalanlage (nicht gezeigt) verbunden, um Leckagen zu signalisieren. Der Druckmaximalwertschalter 8 ist ebenfalls mit dem Sperrventil 10 und der Signalanlage verbunden. Der Druckminimalwertschalter 9 ist neben dem Sperrventil 10 und der Signalanlage zusätzlich noch mit der Umwälzpumpe 6 verbunden.
Der erfindungsgemäße Warmeübertrager 1 wird nun wie folgt zur Detektion und Begrenzung der Folgen von Leckagen betrieben. Bei Leckagen innerhalb des Wärmeübertragers 1 würde in dem Behälter 2 durch ein Loch oder einen Riss innerhalb der Röhren 5 ein Medienübertritt stattfinden, so dass das Medium des Fernwärmekreislaufs 3 in das Trinkwasser des Sekundärkreislaufs 4 eindringen und das Trinkwasser verunreinigen würde. Andererseits könnte auch Trinkwasser in den Primärkreislauf 3 eindringen. Bei einem solchen Medienübertritt findet zwangsläufig ein Druckausgleich statt.
Am Differenzdruckschalter 7 ist ein Differenzdruckstellwert Δp_s = 0 bar eingestellt. Sobald der Differenzdruckschalter 7 einen Differenzdruck von Δp = 0 bar feststellt, wird ein optisches Signal gegeben, ggf. unterstützt von einem akustischen Signal, um die Leckage anzu zeigen. Die Anzeige kann beispielsweise auf einem LCD-Panel (nicht gezeigt) erfolgen. Zusätzlich wird das Sperrventil 10 geschaltet, so dass der Primärkreislauf 3 gegenüber dem Behälter 2 gesperrt ist und kein weiteres Medium des Primärkreislaufes in das Trinkwasser des Sekundärkreislaufes 4 eindringen kann. Zusätzlich zu dem Sperrventil auf der Zutrittsseite des Primärkreislaufs 3 zum Behälter 2 kann auch ein weiteres Sperrventil (nicht gezeigt) auf der Ablaufseite des Primärkreislaufes 3 am Behälter 2 vorgesehen sein.
Zusätzlich wird die Leckage auch über den Absolutdrucksensor im Zusammenhang mit dem eingestellten Maximaldruckwert des Sekundarkreislaufs 4 am Druckmaximalwertschalter 8 festgestellt. Beispielsweise sind hier entsprechend dem Auslegungsdruck des Sekundärkreislaufs 4 von 10 bar als Maximalwert 9,5 bar eingestellt. Dieser Wert wird bei einer Leckage durch Eindringen des Primärkreislaufmediums aufgrund eines zumindest zeitweise höheren Primärkreislaufdrucks überschritten, wodurch der Druckmaximalwertschalter 8 noch vor Erreichen eines Differenzdruckes von Δp = 0 bar ein optisches und/oder akustisches Signal auslöst und eine Sperrung des Sperrventils 10 bewirkt.
Da der Sekundärdruck mit 10 bar zumindest zeitweise aber auch höhere Werte annehmen kann, als der Druck des Mediums auf der Primärseite mit z. B. 8 bar, würde eine Detektion einer Leckage mit einem Maximalwertschalter in diesem Falle nicht möglich sein. Hier erfolgt die Absicherung jedoch über den Differenzdruckstellwert Δp_s = 0 bar.
Gegenüber einem Trockenlaufen der Umwälzpumpe 6 gesichert ist der Wärmeübertrager 1 dadurch, dass am Druckminimalwertschalter 9 ein minimaler Druck von beispielsweise 1 bar eingestellt ist, bei dessen Unterschreiten die Umwälzpumpe 6 automatisch abgestellt wird. Zusätzlich wird ein optisches und/oder akustisches Signal gegeben und es kann vorgesehen sein, dass das Sperrventil 10 zur Sperrung des Primärkreislaufes oder zur Abschaltung einer automatische Mediennachspeisung des zweiten Medienkreislaufs 4 (nicht dargestellt) betätigt wird, um ein Auskochen oder einen größeren Medienverlust bei einer Leckage nach außen sicher zu verhindern.
Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit ist vorgesehen, dass nach dem Schalten des Sperrventils 10 und der Umwälzpumpe 6 durch Differenzdruckschalter 7, Druckmaximalwert schalter 8 und/oder Druckminimalwertschalter 9 die Schaltzustände des Sperrventils 10 und der Umwälzpumpe 6 erst durch die Quittierung einer Person, nämlich von Überwachungspersonal, vor Ort rückgängig gemacht werden können, so dass also vor der Wiederinbetriebnahme des Wärmeübertragers 1 eine Sicherheitsabfrage vorgesehen und eine Ursachenermittlung möglich sind.
Alternativ kann allerdings auch vorgesehen sein, dass nach dem Schalten des Sperrventils 10 und der Umwälzpumpe 6 durch Differenzdruckschalter 7, Druckmaximalwertschalter 8 und/oder Druckminimalwertschalter 9 bei Feststellung, dass sich einer der Messwerte in Bezug auf den jeweils eingestellten Wert des Differenzdruckmessschalters 7, des Druckmaximalwertschalters 8 und/oder des Druckminimalwertschalters 9 um mehr als einen bestimmten Betrag verändert hat, das Sperrventil 10 bzw. die Umwälzpumpe 6 in Bezug auf den entsprechenden Messwert wieder – per Hand oder automatisch – freigegeben wird. Dabei ist in Bezug auf den Differenzdruckschalter 7 und den Druckminimalwertschalter 9 als Betrag +0,5 bar vorgesehen, wobei zur Erhöhung der Sicherheit beispielsweise auch +0,75 bar oder +1 bar verwendet werden können. In Bezug auf den Druckmaximalwertschalter 8 ist als Betrag entsprechend –0,5 bar vorgesehen, wobei zur Erhöhung der Sicherheit beispielsweise auch –0,75 bar oder –1 bar verwendet werden können. Außerdem sind eine Schalt- sowie eine Wiedereinschaltverzögerung von einigen Sekunden bis Minuten vorgesehen, um nur kurzzeitiges Überstreichen der Stellwerte unberücksichtigt zu lassen.
Wenn also etwa das Sperrventil 10 geschlossen wurde, weil der Differenzdruckschalter 7 einen Differenzdruck feststellte, der dem Differenzdruckschaltwert Δp_s = 0 bar entspricht, und weil der Druckmaximalwertschalter 8 ein Überschreiten des maximalen Druckwertes im Sekundärkreislauf von 10 bar detektierte, so kann das Sperrventil 10 wieder freigegeben werden, wenn der Differenzdruck auf mindestens Δp = 0,5 bar gestiegen und zusätzlich auch der Sekundärkreislaufdruck unter P = 9,5 bar gefallen sind.
Diese automatische Wiederinbetriebnahme des Wärmeübertragers 1 ist aber zweckmäßig nur für die Umwälzpumpe 6 vorgesehen, d. h. dass beispielsweise nach einem Druckabfall im Sekundärkreislauf 4 unter 1 bar, die Umwälzpumpe 6 durch den Druckminimalwert schalter 9 ausgeschaltet wird und dass eine Wiedereinschaltung der Umwälzpumpe 6 dann automatisch erfolgt, wenn der Druck im Sekundärkreislauf 4 über 1,5 bar gestiegen ist.
In Bezug auf die Schaltzustände ist bevorzugt vorgesehen, dass Differenzdruckschalter 7, Druckmaximalwertschalter 8 und Druckminimalwertschalter 9 jeweils selbständig das Sperrventil 10 in die Sperrstellung und die Signalanlage in die Signalstellung schalten. Diese Schaltzustände von Sperrventil 10 und Signalanlage lassen sich bevorzugt erst dann vor Ort wieder aufheben, wenn alle Messgrößen wieder normalisiert sind. Im Schadensfalle wird jedoch der Wärmeübertrager 1 im sicheren Zustand belassen, außer Betrieb genommen und einer Reparatur oder einem Austausch zugeführt.
Neben der elektronischen Ausführung der Leckageüberwachungsanlage ist auch eine vollständig oder teilweise mechanische (Hardware-) Ausführung z. B. auf der Basis von Absolutdruck- und/oder Differenzdruckmanometern mit selbst oder per Hand entriegelbaren Grenzwertkontakten möglich.
Aus den vorstehenden Ausführungen ist deutlich geworden, dass durch die vorliegende Erfindung ein Wärmeübertrager 1 bereit gestellt wird, der Leckagen ohne besonderen konstruktiven Aufwand und damit erforderliche hohe Kosten in den verschiedenen möglichen Betriebszuständen zuverlässig detektiert und auch für eine automatische Absicherung bei Auftreten dieser Leckagen vorbereitet ist.
Während die Erfindung an einem Wärmeübertrager für die Warmwasserbereitung erläutert wurde, kann sie auch beispielsweise bei Wärmeübertragern für die Heizung der Hausanschlussstation bei der Leckageüberwachung benutzt werden. Hier ist es von Vorteil, den Druck auf der Primärseite lediglich mit einem Drucksensor, und mit jeweils einem weiteren Drucksensor den Druck auf der Heizungsseite und den Druck auf der Warmwasserseite zu erfassen. Allgemein kann gesagt werden, dass die vorliegende Erfindung universell überall dort zum Einsatz kommen kann, wo zwei Medien unterschiedlichen Drucks durch eine Wandung voneinander sicher zu trennen sind. Bei den Medien wird es sich üblicherweise um Flüssigkeiten handeln, jedoch sind auch andere Medien, wie Gase, denkbar.

1: Wärmeübertrager
2: Behälter
3: Primärkreislauf
4: Sekundärkreislauf
5: Röhren
6: Umwälzpumpe
7: Differenzdruckmessmittel
8: Druckmaximalwertschalter
9: Druckminimalwertschalter
10: Sperrventil.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004035298 B4 [0013]

Claims

Verfahren zur Feststellung von Leckagen bei Anlagen mit mindestens zwei von einander durch jeweils mindestens eine Wand getrennten Medienkreisläufen (3, 4), insbesondere einem Primär- (3) und einem Sekundärkreislauf (4) eines Wärmeübertragers (1) oder dgl., wobei im Betriebszustand ein erster Kreislauf (3) ein Medium mit hohem Druck führt und ein zweiter Kreislauf (4) ein Medium mit geringerem Druck führt, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdruck zwischen den Medienkreisläufen (3, 4) und/oder der Differenzdruck zwischen zumindest einem Medienkreislauf und einem geschlossenen Zwischenraum zwischen den Medienkreisläufen überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absolutdruck mindestens eines Medienkreislaufs (4) überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines bestimmten Differenzdruckes bzw. Überstreichen eines bestimmten Druckes ein optisches bzw. akustisches Signal gegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines bestimmten Differenzdruckes bzw. Überstreichen eines bestimmten Druckes eine Schutzfunktion ausgelöst wird, insbesondere die zur Umwälzung des Mediums des zweiten Medienkreislaufs (4) vorgesehene Umwälzpumpe (6) und/oder der erste Medienkreislauf (3) und/oder eine automatische Mediennachspeisung des zweiten Medienkreislaufs (4) abgeschaltet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzdruckstellwert Δp_s festgelegt ist, der im Bereich zwischen 0 bar und der Druckdifferenz der Medien im Betriebszustand liegt und der Differenzdruckstellwert insbesondere Δp_s = 0 bar beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Überstreichen die Druckerhöhung in Bezug auf einen Maximalwert als Stellwert gewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer erneuten Druckverminderung die Umwälzpumpe (6), der erste Medienkreislauf (3) bzw. die automatische Mediennachspeisung des zweiten Medienkreislaufs (4) erst dann wieder angeschaltet werden, wenn der Minimalwert um mehr als –1 bar, insbesondere mehr als –0,75 bar, bevorzugt mehr als –0,5 bar überschritten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Überstreichen die Druckverminderung in Bezug auf einen Minimalwert als Stellwert gewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Druckerhöhung die Umwälzpumpe (6), der erste Medienkreislauf (3) bzw. die automatische Mediennachspeisung des zweiten Medienkreislaufs (4) erst dann angeschaltet werden, wenn der Minimalwert um mehr als +1 bar, insbesondere mehr als +0,75 bar, bevorzugt mehr als +0,5 bar überschritten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Weiterbetrieb der Anlage (1) eine zeitliche Wiedereinschaltblockade von insbesondere einigen Sekunden, bevorzugt einigen Minuten überwunden werden muss.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Weiterbetrieb der Anlage (1) eine Sicherheitsquittierung, bevorzugt am Ort der Anlage, verlangt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Geben des Signals oder dem Auslösen der Schutzfunktion, insbesondere dem Sperren der Medienkreisläufe (3, 4) bzw. Abschalten der Mediennachspeisung des zweiten Medien kreislaufes (4), eine Schaltverzögerung vorgesehen ist, die insbesondere einige Minuten, bevorzugt einige Sekunden beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Leckagefeststellung die Anlage (1) in einen Ruhezustand versetzt wird, bei dem die Kreisläufe (3, 4) ihren Ruhedruck aufweisen.
Anlage (1) mit mindestens zwei von einander durch jeweils mindestens eine Wand getrennten Medienkreisläufen (3, 4), insbesondere einem Primär- (3) und einem Sekundärkreislauf (4) eines Wärmeübertragers (1) oder dgl., mit einem ersten Kreislauf (3), der ein Medium mit hohem Druck führt, und einem zweiten Kreislauf (4), der ein Medium mit geringerem Druck führt, und einer Einrichtung zum Überwachen von Leckagen zwischen den Medienkreisläufen (3, 4), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung Mittel (7) aufweist zur Messung des Differenzdruckes zwischen den Medienkreisläufen (3, 4) und/oder des Differenzdrucks zwischen zumindest einem Medienkreislauf und einem geschlossenen Zwischenraum zwischen den Medienkreisläufen.
Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Absolutdrucksensor zur Bestimmung des Absolutdruckes in mindestens einem Medienkreislauf (3, 4) vorgesehen ist.
Anlage nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzdruckmessmittel über einen Differenzdruckschalter (7) und/oder der Absolutdrucksensor über mindestens einen Druckwertschalter (8, 9) mit einer optischen und/oder akustischen Signalanlage in Schaltrelation verbunden sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzdruckmessmittel über einen Differenzdruckschalter (7) und/oder der Drucksensor über mindestens einen Druckwertschalter (8, 9) mit mindestens einer Schutzeinrichtung, insbesondere einem Ventil (10) zur Sperrung des ersten Medienkreislaufs (3) und/oder mit der zur Umwälzung des Mediums des zweiten Medienkreislaufs (4) vorgesehenen Umwälzpumpe (6) zur Sperrung des zweiten Medienkreislaufs (4) und/oder mit der automatischen Mediennachspeisung des zweiten Medienkreislaufs (4) zur Unterbindung der Mediennachspeisung im zweiten Medienkreislauf (4), in Schaltrelation verbunden sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdruckschalter (7) angepasst ist, einen gewünschten Differenzdruck als Stellwert Δp_s zu speichern, mit einem gemessenen Differenzdruck Δp zu vergleichen und bei Erreichen des Stellwertes einen Schaltvorgang vorzunehmen, wobei insbesondere ein Differenzdruckstellwert von Δp_s = 0 bar einstellbar ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckwertschalter (8) angepasst ist, mindestens einen gewünschten Maximaldruck als Stellwert zu speichern, mit einem gemessenen Absolutdruck zu vergleichen und bei Überschreiten des Stellwerts einen Signal- und/oder Schaltvorgang vorzunehmen.
Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckwertschalter (9) angepasst ist, mindestens einen gewünschten Minimaldruck als Stellwert zu speichern, mit einem gemessenen Absolutdruck zu vergleichen und bei Unterschreiten des Stellwerts einen Signal- und/oder Schaltvorgang vorzunehmen.