DE102009050083A1

DE102009050083A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Volumenstroms in einer mit einer Strömungsmaschine und mit einer Regelungseinheit versehenen, geschlossenen Strömungsanlage

Info

Publication number: DE102009050083A1
Application number: DE102009050083A
Authority: DE
Inventors: Huu-Thoi Dr. Le
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Climate Solutions SE
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2029-10-21
Also published as: DE102009050083B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Volumenstroms in einer mit einer Strömungsmaschine (1) und mit einer Regelungseinheit (2) versehenen, geschlossenen Strömungsanlage (3), wobei bei einer ersten und bei einer zweiten Drehzahl (n, n) der Strömungsmaschine (1) eine erste und eine zweite tatsächliche Leistungsaufnahme (P, P) der Strömungsmaschine (1) und daraus durch Differenzbildung ein tatsächlicher Leistungsdifferenzwert (ΔP) ermittelt wird, wobei der Druckbeiwert (b) rechnerisch solange variiert wird, bis sich für die erste und zweite Drehzahl (n, n) ein Verhältnis zwischen den Strömungsmaschinenkennlinien und den Strömungsanlagenkennlinien ergibt, bei dem ein sich bei diesen Drehzahlen aus einer ersten und zweiten theoretischen Leistungsaufnahme (P, P) ergebender theoretischer Leistungsdifferenzwert (ΔP) dem tatsächlichen Leistungsdifferenzwert (ΔP) entspricht, wobei wahlweise die ersten oder zweiten tatsächlichen und theoretischen Leistungsaufnahmen (P, P; P, P) zur Bildung eines Leistungskorrekturwertes (P) verwendet werden und wobei der Volumenstrom bei einer Drehzahl (n) aus dem gespeicherten Leistungskorrekturwert (P) und der theoretischen Leistungsaufnahmekennlinie für diese Drehzahl (n) ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Volumenstroms in einer mit einer Strömungsmaschine und mit einer Regelungseinheit versehenen, geschlossenen Strömungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist von handelsüblichen Heizungsanlagen bekannt, bei denen eine Pumpe eines Heizgerätes mit Regelungseinheit als Strömungsmaschine und ein Heizkreis als Strömungsanlage verwendet werden. Bei solchen Heizungsanlagen ist die Pumpe zur Realisierung der jeweils gewünschten Wärmeleistung in ihrer Drehzahl einstellbar. Dabei spricht man von einer ”Ansteuerung” der Pumpe von 0% bis 100%. Weiterhin ist es üblich, dass die so genannte Förderhöhe der Pumpe als Funktion des Volumenstroms, in Abhängigkeit der Drehzahl und eine Pumpen- bzw. Strömungsmaschinenkennlinie bildend in der Regelungseinheit gespeichert ist. Darüber hinaus ist typischer Weise auch die Leistungsaufnahme der Pumpe bei definierten bzw. bestimmten Randbedingungen (zum Beispiel elektrische Spannung, Temperatur und Viskosität des Fördermediums) als Funktion des Volumenstroms, in Abhängigkeit der Drehzahl und als Leistungsaufnahmekennlinie in der Regelungseinheit gespeichert. Im folgenden wird diese Leistungsaufnahme bzw. Leistungsaufnahmekennlinie auch als theoretische Leistungsaufnahme bzw. theoretische Leistungsaufnahmekennlinie bezeichnet.
Als bekannt ist schließlich vorauszusetzen, dass die Förderhöhe des Heizkreises bzw. der Strömungsanlage als Funktion des Volumenstroms etwa im Quadrat und multipliziert mit einem Druckbeiwert und eine Heizkreis- bzw. Strömungsanlagenkennlinie bildend definiert ist.
In der Praxis können eine Reihe von Faktoren die Strömungsmaschinenkennlinie und die elektrische Leistungsaufnahme der Strömungsmaschine beeinflussen bzw. verändern. So führen zum Beispiel Spannungsschwankungen (in Deutschland sind Schwankungen zwischen 200 V und 250 V zugelassen, in osteuropäischen Staaten treten aber auch noch stärkere Schwankungen auf) bei der Stromversorgung der Pumpe zu einer Verschiebung der Pumpenkennlinie. Weiterhin kommt es auch vor (zum Beispiel in Italien, wo Heizungsanlagen auch auf dem Balkon installiert sind), dass die Viskosität des Heizkreismediums (zum Beispiel wegen der Zugabe eines Frostschutzmittels) variiert. Dies führt ebenfalls zu einer Verschiebung der Strömungsmaschinenkennlinie und der elektrischen Leistungsaufnahme. Schließlich führen Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Pumpe letztlich zu Veränderungen der Pumpenkennlinie und der Leistungsaufnahme. Darüber hinaus besteht das Problem, dass die Pumpenkennlinien bei hocheffizienten Pumpen und bei kleinen Volumenströmen praktisch konstant horizontal verlaufen, d. h. es ist in diesem Bereich praktisch unmöglich, auf Basis der Pumpenkennlinie den genauen Volumenstrom zu ermitteln. Gerade in diesem Volumenstrombereich ist es aber wichtig, den Volumenstrom genau zu kennen, um Entscheidungen für die Brenner- und Pumpenansteuerung treffen zu können. Dabei geht es um die Betriebssicherheit der Anlage bzw. darum, Schäden am Wärmetauscher des Heizkessels aufgrund eines zu geringen Volumenstroms zu vermeiden.
Aus oben genannten Gründen ist beim bekannten Stand der Technik daher häufig ein Volumenstromsensor vorgesehen, mit dem der tatsächlich auftretende Volumenstrom ermittelt wird. Darüber hinaus ist manchmal (zum Beispiel bei Verwendung eines Wärmetauschers aus Edelstahl) ein Überstromventil vorgesehen, über das im Notfall (falls der Volumenstrom nicht richtig ermittelt wurde) ein zu hoher Druck im Heizkreis abgebaut werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe ist mit einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass bei einer ersten und bei einer zweiten Drehzahl der Strömungsmaschine eine erste und eine zweite tatsächliche Leistungsaufnahme der Strömungsmaschine und daraus durch Differenzbildung ein tatsächlicher Leistungsdifferenzwert ermittelt wird, dass der Druckbeiwert rechnerisch solange variiert wird, bis sich für die erste und zweite Drehzahl ein Verhältnis zwischen den Strömungsmaschinenkennlinien und den Strömungsanlagenkennlinien ergibt, bei dem ein sich bei diesen Drehzahlen aus einer ersten und zweiten theoretischen Leistungsaufnahme ergebender theoretischer Leistungsdifferenzwert dem tatsächlichen Leistungsdifferenzwert entspricht, dass wahlweise die ersten oder zweiten tatsächlichen und theoretischen Leistungsaufnahmen zur Bildung eines Leistungskorrekturwertes verwendet werden und dass der Volumenstrom bei einer Drehzahl aus dem gespeicherten Leistungskorrekturwert und der theoretischen Leistungsaufnahmekennlinie für diese Drehzahl ermittelt wird.
Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß ein Verfahren vorgesehen, bei dem der tatsächliche Volumenstrom nach Durchführung einer geeigneten Kalibrierung der Gesamtanlage aus den in der Regelungseinheit vorhandenen Kenndaten (Strömungsmaschinenkennlinie, theoretische Leistungsaufnahmekennlinie und Strömungsanlagenkennlinie) bestimmbar ist. Dazu wird zu einem geeigneten Zeitpunkt (gegebenenfalls auch in regelmäßigen Abständen) der oben genannte Leistungskorrekturwert ermittelt, der dann beim weiteren Betrieb der Anlage zur Verfügung steht und mit dem über die gespeicherte, theoretische Leistungsaufnahme bei einer bestimmten Drehzahlen exakt auf den tatsächlich Volumenstrom geschlossen werden kann.
Dabei ist von besonderem Vorteil, dass die Steigung der Kennlinie der elektrischen Leistungsaufnahme mit zunehmender Drehzahl größer wird und darüber hinaus insgesamt steiler als die Pumpenkennlinie verläuft, d. h. der Volumenstrom kann erheblich genauer ermittelt werden.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Der Vollständigkeit halber wird noch auf die weiter abliegenden Dokumente DE 32 25 141 A1 und EP 1 321 842 B1 verwiesen.
Das erfindungsgemäße Verfahren einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt
1 die Förderhöhe einer Strömungsmaschine aufgetragen über dem Volumenstrom bei verschiedenen Drehzahlen;
2 die Förderhöhe einer Strömungsanlage aufgetragen über dem Volumenstrom bei verschiedenen Druckbeiwerten;
3 die elektrische Leistungsaufnahme einer Strömungsmaschine aufgetragen über dem Volumenstrom bei verschiedenen Drehzahlen;
4 die Ermittlung des tatsächlichen Leistungsdifferenzwertes ΔP_IST bei erster und zweiter Drehzahl;
5 die Variation des Druckbeiwertes b bei erster und zweiter Drehzahl;
6 die Ermittlung des Leistungskorrekturwertes P_KORR. und
7 schematisch eine Ausführungsform der Strömungsanlage mit Strömungsmaschine.
Wie aus 1 ersichtlich und an sich auch bekannt, zeichnet sich die Strömungsmaschinenkennlinie dadurch aus, dass die Förderhöhe mit zunehmendem Volumenstrom kleiner wird. Weiterhin ist aus 1 zu entnehmen, dass die Förderhöhe mit zunehmender Drehzahl größer wird.
Aus 2 ergibt sich in bekannter Weise, dass die Strömungsanlagenkennlinie bzw. die Förderhöhe mit zunehmendem Volumenstrom im quadratischen Verhältnis größer wird. Dabei nimmt die Steigung der Parabel mit größer werdendem Druckbeiwert b zu.
Aus 3 ergibt sich, dass die elektrische Leistungsaufnahme der Strömungsmaschine erwartungsgemäß mit zunehmendem Volumenstrom und mit zunehmender Drehzahl steigt.
Die weiteren 4 bis 7 dienen zur detaillierten Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines Volumenstroms in einer mit einer Strömungsmaschine 1 (hier eine Heizkreispumpe) und mit einer Regelungseinheit 2 (hier eine Heizungsanlagenregelung) versehenen, geschlossenen Strömungsanlage 3 (hier ein Heizkreis mit einem Heizkörper 4), wobei die Strömungsmaschine 1 über die Regelungseinheit 2 in ihrer Drehzahl n einstellbar ist. Die Maßgabe ”geschlossen” bringt dabei zum Ausdruck, dass ein durch die Strömungsanlage und die Strömungsmaschine strömendes Medium (hier ein Heizkreismedium wie zum Beispiel Wasser) abgesehen von nicht beabsichtigten Undichtigkeiten stets innerhalb der Anlage verbleibt.
In der Regelungseinheit 2 ist mit nochmaligem Verweis auf 1 eine theoretische Förderhöhe der Strömungsmaschine 1 als Funktion des Volumenstroms, in Abhängigkeit der Drehzahl n und eine Strömungsmaschinenkennlinie bildend gespeichert.
Mit nochmaligem Verweis auf 2 ist eine theoretische Förderhöhe der Strömungsanlage 3 als Funktion des Volumenstroms im Quadrat und multipliziert mit einem Druckbeiwert b und eine Strömungsanlagenkennlinie bildend definiert.
Weiterhin ist in der Regelungseinheit 2 mit nochmaligem Verweis auf 3 eine theoretische Leistungsaufnahme der Strömungsmaschine 1 als Funktion des Volumenstroms, in Abhängigkeit der Drehzahl n und als theoretische Leistungsaufnahmekennlinie gespeichert.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist nun, dass bei einer ersten und bei einer zweiten Drehzahl n₁, n₂ der Strömungsmaschine 1 eine erste und eine zweite tatsächliche Leistungsaufnahme P_1,IST, P_2,IST der Strömungsmaschine 1 und daraus durch Differenzbildung ein tatsächlicher Leistungsdifferenzwert ΔP_IST ermittelt wird, dass der Druckbeiwert b rechnerisch solange variiert wird, bis sich für die erste und zweite Drehzahl n₁, n₂ ein Verhältnis zwischen den Strömungsmaschinenkennlinien und den Strömungsanlagenkennlinien ergibt, bei dem ein sich bei diesen Drehzahlen aus einer ersten und zweiten theoretischen Leistungsaufnahme P_1,SOLL, P_2,SOLL ergebender theoretischer Leistungsdifferenzwert ΔP_SOLL dem tatsächlichen Leistungsdifferenzwert ΔP_IST entspricht, dass wahlweise die ersten oder zweiten tatsächlichen und theoretischen Leistungsaufnahmen P_1,SOLL, P_1,IST; P_2,SOLL, P_2,IST zur Bildung eines Leistungskorrekturwertes P_KORR verwendet werden und dass ein aktueller Volumenstrom bei einer aktuellen Drehzahl n aus dem gespeicherten Leistungskorrekturwert P_KORR und der theoretischen Leistungsaufnahmekennlinie für diese Drehzahl n ermittelt wird.
Zur weiteren Erläuterung des ersten Verfahrensschritts wird zunächst 4 betrachtet. Dort sind zwei Förderhöhen und zwei elektrische Leistungsaufnahmen der Strömungsmaschine bei zwei Drehzahlen n₁, n₂ sowie die Förderhöhe der Strömungsanlage jeweils über dem Volumenstrom aufgetragen (die Pfeile deuten jeweils an, welche Kurve die elektrische Leistungsaufnahme und die Förderhöhe darstellt), wobei die Strömungsanlagenkennlinie an sich natürlich nicht bekannt ist. Es kann aber bei den beiden Drehzahlen n₁, n₂ die elektrische Leistungsaufnahme gemessen werden (einige Pumpen ermitteln und nennen diesen Wert auch selbst), die sich – auch ohne das man diese Werte in diesem Moment kennt – bei einem Volumenstrom einstellen, der dem Schnittpunkt der jeweiligen Strömungsmaschinenkennlinie und Strömungsanlagenkennlinie bei den beiden Drehzahlen n₁, n₂ entspricht.
Für den ersten Verfahrenschritt ist nun wesentlich, dass aus den beiden tatsächlichen Leistungsaufnahmen, die, wie gesagt, einfach gemessen bzw. von der Pumpe selbst genannt werden, ein tatsächlicher Leistungsdifferenzwert ΔP_IST, der im weiteren Verfahren erforderlich ist, ermittelt wird.
Als nächstes wird erfindungsgemäß und mit Verweis auf 3 und 5 der Druckbeiwert b rechnerisch variiert.
Dabei wird zunächst ein mehr oder weniger beliebiger Druckbeiwert b, angenommen und damit eine der möglichen Strömungsanlagenkennlinie definiert. Als nächstes wird zu den beiden Drehzahlen n₁, n₂ die entsprechende, ebenfalls gespeicherte Strömungsmaschinenkennlinie ausgewählt und die Schnittpunkte zwischen der Strömungsanlagenkennlinie und den Strömungsmaschinenkennlinie rechnerisch ermittelt. Aus diesen Schnittpunkten wiederum kann rechnerisch der jeweils entsprechende Volumenstrom V₁ bzw. V₂ ermittelt werden, mit dessen Hilfe dann aus 3 die theoretische Leistungsaufnahme bei den Drehzahlen n₁, n₂ und b₁ bzw. dementsprechend der theoretische Leistungsdifferenzwert ΔP_SOLL bestimmbar ist.
Ist der rechnerisch ermittelte, theoretische Leistungsdifferenzwert ΔP_SOLL (bei b₁) dabei kleiner als der gemessene tatsächliche Leistungsdifferenzwert ΔP_IST, wird im nächsten Rechenschritt der Druckbeiwert b zum Beispiel auf b₂ in 5 reduziert. Ergibt sich nach erneuter Berechnung, dass nunmehr der theoretische Leistungsdifferenzwert ΔP_SOLL größer als der tatsächliche Leistungsdifferenzwert ΔP_IST ist, wird der Druckbeiwert b auf b₃ vergrößert (siehe wiederum 5). Diese Variation bzw. Iteration wird dabei solange wiederholt, bis der theoretische dem tatsächlichen Leistungsdifferenzwert entspricht.
Da bei nunmehr bekanntem, tatsächlichem Druckbeiwert b über die Strömungsmaschinenkennlinie (5) und den sich daraus errechenbaren Volumenströmen mit Hilfe der gespeicherten Leistungsaufnahmekennlinie (siehe 3) die theoretischen Leistungsaufnahmen P_1,SOLL, P_2,SOLL bei den Drehzahlen n₁, n₂ bekannt sind, kann wahlweise für die erste und/oder zweite Drehzahl aus P_1,SOLL und P_1,IST oder aus P_2,SOLL und P_2,IST ein Leistungskorrekturwert P_KORR errechnet werden.
Mit Hilfe dieses für alle Drehzahlen geltenden Leistungskorrekturwertes P_KORR kann nun, wie 6 zeigt, aus der tatsächlichen elektrischen Leistungsaufnahme (zum Beispiel P_1,IST) der Strömungsmaschine 1 über die theoretische Leistungsaufnahmekennlinie (dann bei P_1,SOLL) auf auf den tatsächlichen Volumenstrom (bei der entsprechenden Drehzahl) geschlossen werden.
Ein bei Heizungsanlagen (insbesondere bei so genannten Wandgeräten mit Wärmetauschern aus Edelstahl) bisher aus Gründen der Betriebssicherheit (Stichwort: Gewährleistung eines minimalen Volumenstroms) üblicher Volumenstromsensor oder sogar ein vorgeschriebenes Überstromventil kann entfallen, da das besagte Verfahren zu sehr genauen Ergebnissen hinsichtlich der Bestimmung des Volumenstroms führt.
Bezüglich der genannten Drehzahlen ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass die erste Drehzahl n₁ einem Wert zwischen 10 bis 40%, vorzugsweise 25%, und die zweite Drehzahl n₂ einem Wert zwischen 45 bis 75%, vorzugsweise 60%, einer maximalen Drehzahl der Strömungsmaschine 1 entspricht.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die 1 bis 6 stets nur beispielhaft sich ergebende Werte wiedergeben und wertemäßig miteinander nicht verknüpft sind.
Bezugszeichenliste

1: Strömungsmaschine
2: Regelungseinheit
3: Strömungsanlage
4: Heizkörper
b: Druckbeiwert
n: Drehzahlen
n1: erste Drehzahl
n2: zweite Drehzahl
P1,IST: tatsächliche Leistungsaufnahme bei der ersten Drehzahl
P2,IST: tatsächliche Leistungsaufnahme bei der zweiten Drehzahl
P1,SOLL: theoretische Leistungsaufnahme bei der ersten Drehzahl
P2,SOLL: theoretische Leistungsaufnahme bei der zweiten Drehzahl
PKORR: Leistungskorrekturwert
ΔPIST: tatsächlich Leistungsdifferenzwert
ΔPSOLL: theoretische Leistungsdifferenzwert
V1: Volumenstrom bei erster Drehzahl
V2: Volumenstrom bei zweiter Drehzahl

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 3225141 A1 [0012]
EP 1321842 B1 [0012]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Volumenstroms in einer mit einer Strömungsmaschine (1) und mit einer Regelungseinheit (2) versehenen, geschlossenen Strömungsanlage (3), wobei die Strömungsmaschine (1) in ihrer Drehzahl (n) einstellbar ist, wobei eine Förderhöhe der Strömungsmaschine (1) als Funktion des Volumenstroms, in Abhängigkeit der Drehzahl (n) und eine Strömungsmaschinenkennlinie bildend in der Regelungseinheit (2) gespeichert ist, wobei eine Förderhöhe der Strömungsanlage (3) als Funktion des Volumenstroms angenähert im Quadrat und multipliziert mit einem Druckbeiwert (b) und eine Strömungsanlagenkennlinie bildend definiert ist, wobei eine theoretische Leistungsaufnahme der Strömungsmaschine (1) als Funktion des Volumenstroms, in Abhängigkeit der Drehzahl (n) und als theoretische Leistungsaufnahmekennlinie in der Regelungseinheit (2) gespeichert ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ersten und bei einer zweiten Drehzahl (n₁, n₂) der Strömungsmaschine (1) eine erste und eine zweite tatsächliche Leistungsaufnahme (P_1,IST, P_2,IST) der Strömungsmaschine (1) und daraus durch Differenzbildung ein tatsächlicher Leistungsdifferenzwert (ΔP_IST) ermittelt wird, dass der Druckbeiwert (b) rechnerisch solange variiert wird, bis sich für die erste und zweite Drehzahl (n₁, n₂) ein Verhältnis zwischen den Strömungsmaschinenkennlinien und den Strömungsanlagenkennlinien ergibt, bei dem ein sich bei diesen Drehzahlen aus einer ersten und zweiten theoretischen Leistungsaufnahme (P_1,SOLL, P_2,SOLL) ergebender theoretischer Leistungsdifferenzwert (ΔP_SOLL) dem tatsächlichen Leistungsdifferenzwert (ΔP_IST) entspricht, dass wahlweise die ersten oder zweiten tatsächlichen und theoretischen Leistungsaufnahmen (P_1,SOLL, P_1,IST; P_2,SOLL, P_2,IST) zur Bildung eines Leistungskorrekturwertes (P_KORR) verwendet werden, dass der Volumenstrom bei einer Drehzahl (n) aus dem gespeicherten Leistungskorrekturwert (P_KORR) und der theoretischen Leistungsaufnahmekennlinie für diese Drehzahl (n) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Strömungsmaschine (1) eine hydraulische Pumpe, insbesondere Heizkreispumpe, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelungseinheit (2) eine Heizungsanlagenregelung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Strömungsanlage (3) ein Heizkreis verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drehzahl (n₁) einem Wert zwischen 10 bis 40%, vorzugsweise 25%, und die zweite Drehzahl (n₂) einem Wert zwischen 45 bis 75%, vorzugsweise 60%, einer maximalen Drehzahl der Strömungsmaschine (1) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbeiwert (b) iterativ variiert wird.