DE102014019779B4 - Verfahren zum Erkennen von Verkalken oder sonstiger Beeinträchtigungen der Funktion einer Heizvorrichtung und Heizvorrichtung - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Erkennen von Verkalken oder sonstiger Beeinträchtigungen der Funktion einer Heizvorrichtung (10),- wobei die Heizvorrichtung (10) zumindest einen Heizleiter (40) zum Beheizen eines Mediums (30) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:- Ermitteln einer elektrischen Momentanleistung des Heizleiters (40),- Ermitteln einer Temperaturdifferenz zwischen dem Heizleiter (40) und dem Medium (30),- Berechnen eines Wärmewiderstands mittels Division der Temperaturdifferenz durch die Momentanleistung, und- Ermitteln einer Eigenschaft aus dem Wärmewiderstand.

Description

• ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Verkalken oder sonstiger Beeinträchtigungen der Funktion einer Heizvorrichtung sowie eine Heizvorrichtung, wobei die Heizvorrichtung zumindest einen Heizleiter zum Beheizen eines Mediums aufweist.
• Beim Betrieb von Heizvorrichtungen kann es zu diversen Fehlerzuständen kommen. Beispielsweise kann eine Heizvorrichtung, die im Heizbetrieb mit Wasser in Berührung kommt, sukzessive verkalken, was ihre Heizleistung deutlich verringern kann. Es kann auch sein, dass das durch die Heizvorrichtung beheizte Medium bzw. das Wasser nicht mehr vorhanden ist, beispielsweise weil ein Zuführventil geschlossen ist. In diesem Fall kann es zu einer Überhitzung und damit zu einer Beschädigung des Heizleiters kommen.
• Es ist bekannt, Temperaturen des Heizleiters bzw. der Heizvorrichtung oder des Mediums beim Heizbetrieb zu messen und Änderungsgeschwindigkeiten dieser Temperaturen zu betrachten sowie mit gespeicherten Erfahrungswerten für den normalen oder abnormalen Betrieb zu vergleichen. Übliche Toleranzen hinsichtlich der Versorgungsspannung und des Nennleistungsbereichs werden dabei jedoch typischerweise in gespeicherten Arbeitspunkten oder Kennlinienfeldern abgedeckt. Größere Änderungen oder Abweichungen von Temperaturen werden aufgrund entsprechend weiten erlaubten Streubreiten im normalen Heizbetrieb häufig erst deutlich später als einsetzende Fehlerzustände wie Anlagerungen, Verkalkung oder gefährliche Überhitzung erkannt. Dementsprechend kann auch eine Reaktion erst zu einem relativ späten Zeitpunkt erfolgen, was die Gefahr einer Beschädigung des Heizleiters mit sich bringt.
• Die WO 2012/ 152 782 A1 beschreibt die Verwendung direkter Stromsensoren im Strompfad oder von indirekten Stromsensoren, die beispielsweise als Hall-Sensoren ein um einen stromdurchflossenen Leiter entstehendes Magnetfeld erfassen. Derartige Stromsensoren und zusätzliche Spannungssensoren werden verwendet, um aktuelle Strom- und Spannungswerte im Betrieb einer Heizvorrichtung für die Bestimmung einer Leistungsaufnahme in Echtzeit zu ermitteln. Hierbei handelt es sich jedoch lediglich um Rohdaten, deren Aussagenwert begrenzt ist.
• Die DE 699 19 646 T2 beschreibt die Überwachung eines Aufheizvorgangs durch periodisches Unterbrechen der Beheizung zu festgelegten Zeitpunkten, wobei bei jedem Unterbrechen aus dem temperaturabhängigen Widerstandswert eines Heizelements die Temperatur des Heizelements bestimmt wird. Des Weiteren wird eine Zeitkonstante des Abkühlens des Heizelements ermittelt und mit Referenzdaten verglichen. Das in diesem Dokument beschriebene Vorgehen lässt sich insbesondere für Schichtheizelemente mit geringer thermischer Masse und thermischer Trägheit aber nicht anwenden, da die Zeitkonstanten in diesen Fällen extrem kurz sind. Außerdem kann ein Schichtheizelement in der Zwischenzeit zwischen den periodischen Überprüfungen bereits in einen abnormalen oder kritischen Betriebszustand gelangen, welcher erst bei der nächsten Unterbrechung detektiert wird. Anders ausgedrückt ist eine Überwachung in Echtzeit nicht möglich.
• Die DE 10 2007 012 135 B3 beschreibt eine Auswertung von Temperaturanstiegswerten eines Heizkörpers oder Heizleiters mithilfe eines zusätzlichen Temperatursensors. Dies ermöglicht zwar eine Auswertung in Echtzeit, ist jedoch auf einen zusätzlichen Temperatursensor angewiesen.
• Die DE 10 2012 213 385 A1 beschreibt den Einsatz von zwei Temperatursensoren mit negativen Temperaturkoeffizienten (NTC-Temperatursensoren) in einer Heizvorrichtung. Dabei wird ein Temperatursensor in entsprechender Entfernung vom Heizleiter angeordnet, um die Mediumtemperatur zu erfassen.
• Die DE 197 21 976 A1 beschreibt ein optisches Verfahren zur Bestimmung thermischer Kenngrößen bei einem Heizbetrieb.
• AUFGABE UND LÖSUNG
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erkennen von Verkalken oder sonstiger Beeinträchtigungen der Funktion einer Heizvorrichtung und eine dafür ausgebildete Heizvorrichtung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik vermieden werden können und es möglich ist, ein Verkalken oder sonstige Beeinträchtigungen der Funktion der Heizvorrichtung zu erkennen bzw. zu verhindern.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine zu dessen Durchführung ausgebildete Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Manche der Merkmale werden dabei im Zusammenhang nur mit dem Verfahren oder nur mit der Heizvorrichtung genannt bzw. erläutert. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für das Verfahren als auch für die Heizvorrichtung selbstständig gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
• Das Verfahren dient zum Erkennen von Verkalken oder sonstiger Beeinträchtigungen der Funktion einer Heizvorrichtung, wobei die Heizvorrichtung mindestens einen Heizleiter zum Beheizen eines Mediums bzw. Wasser aufweist.
• Erfindungsgemäß weist das Verfahren folgende Schritte auf:
• - Ermitteln einer elektrischen Momentanleistung des Heizleiters,
• - Ermitteln einer Temperaturdifferenz zwischen dem Heizleiter und dem Medium,
• - Berechnen eines Wärmewiderstands mittels Division der Temperaturdifferenz durch die Momentanleistung und
• - Ermitteln einer Eigenschaft aus dem Wärmewiderstand.
• Durch die erfindungsgemäße Berechnung des Wärmewiderstands ist es möglich, Eigenschaften wie beispielsweise Fehlerzustände oder andere Probleme der Heizvorrichtung und insbesondere des darin enthaltenen Heizleiters in Echtzeit zu erkennen. Dabei kann weitgehend auf Daten zurückgegriffen werden, welche in einer üblichen Heizvorrichtung ohnehin vorhanden sind. Der Wärmewiderstand gibt insbesondere ein Maß dafür an, wie effizient eine Übertragung von Wärmeenergie von dem Heizleiter zum Medium bzw. Wasser erfolgt. Erhöht sich der Wärmewiderstand im Zeitverlauf, so kann dies beispielsweise darauf hindeuten, dass die Heizvorrichtung, evtl. auch der Heizleiter, durch Beheizen von Wasser verkalkt ist oder sich andere Ablagerungen auf einer Oberfläche der Heizvorrichtung, evtl. auch des Heizleiters, oder eines Trägers bzw. Substrats des Heizleiters abgesetzt haben.
• Vorteilhaft gilt folgende Begriffsbestimmung:
• - Heizleiter = Heiz-Widerstands(leiter)bahn auf einem Substrat/Träger = Schichtheizleiter = Dickschichtheizleiter,
• - Substrat + Kontaktschicht + Widerstandsbahn + Abdeckschicht(en) = Schichtheizelement ,
• - Metall-Substrat + Kontakt + Widerstandsbahn + Abdeckung = Metallkernheizelement,
• - der Heizleiter ist Teil eines Heizelementes / Teil einer Heizvorrichtung.
• Der Heizleiter kommt vorteilhaft nicht direkt mit dem Medium in Berührung wegen der erforderlichen Abdeckung und elektrischen Isolation des Heizleiters gegenüber dem elektrisch leitfähigen Medium, beispielsweise Wasser.
• Die Temperaturdifferenz wird bevorzugt dadurch berechnet, dass von einer Temperatur des Heizleiters eine Temperatur des Mediums subtrahiert wird. Die Temperatur des Mediums wird dabei besonders bevorzugt durch einen eigens dafür vorgesehenen Temperaturfühler ermittelt. Dies ermöglicht eine zuverlässige Bestimmung.
• Für die Erfassung der Temperatur des Heizleiters stehen mehrere Ausführungen zur Verfügung, von welchen nachfolgend vier mögliche und vorteilhafte beschrieben werden.
• Gemäß einer Ausführung wird die Temperatur des Heizleiters mittels eines auf einer Oberfläche des Heizleiters angebrachten Temperatursensors ermittelt, wobei Heizleiter und Temperatursensor elektrisch voneinander isoliert sein sollten, beispielsweise durch eine Abdeck- und Isolationsschicht. Dies ermöglicht eine direkte und besonders zuverlässige Bestimmung der Temperatur des Heizleiters.
• Gemäß einer alternativen Ausführung wird die Temperatur des Heizleiters thermografisch ermittelt. Dies erlaubt die Verwendung einer Vorrichtung zur thermografischen Temperaturermittlung, welche mit Abstand vom Heizleiter angebracht werden kann. Damit kann eine elektrische Kontaktierung eines auf dem Heizleiter aufgebrachten Elements vermieden werden, beispielsweise des vorgenannten Temperatursensors samt vorgenannter Abdeckschicht. So kann beispielsweise in einem Versuch eine Referenzmessung erfolgen, welche dann später anhand bestimmter sonstiger Faktoren oder Messwerte, die bei bestimmten gemessenen Temperaturen vorliegen, zur Bestimmung der Temperatur verwendet werden kann.
• Gemäß einer nochmals alternativen Ausführung wird die Temperatur des Heizleiters durch Messung eines Momentanwiderstands des Heizleiters unter Verwendung einer bekannten Abhängigkeit zwischen Momentanwiderstand und Temperatur ermittelt. Dies vermeidet, dass zusätzliche Komponenten vorgesehen werden müssen, da der Momentanwiderstand aus den im Regelfall ohnehin ermittelten und somit bekannten Größen Spannung und Strom berechnet werden kann. Die Abhängigkeit zwischen Momentanwiderstand und Temperatur ist bei typischen Heizleitern in Form von Widerstandskennlinien bekannt.
• Gemäß einer nochmals alternativen Ausführung wird die Temperatur des Heizleiters aus anliegender Spannung, Stromaufnahme und Temperaturkoeffizient des Widerstands des Heizleiters sowie dem Nennwiderstand des Heizleiters ermittelt. Diese Ausführung kann insbesondere dann angewendet werden, wenn der Heizleiter eine lineare Widerstands-Temperatur-Kennlinie aufweist. Auf die Verwendung komplett abgespeicherter Kennlinien kann dabei verzichtet werden.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist das Medium eben Wasser. Gemäß einer anderen Ausführung ist das Medium ein Gemisch aus Wasser und anderen Flüssigkeiten. Gemäß noch einer weiteren Ausführung ist in dem Wasser oder dem Gemisch aus Wasser und anderen Flüssigkeiten auch Luft enthalten.
• Prinzipiell ist das Verfahren auch für gasförmige Medien, beispielsweise bei der Beheizung von Luft, anwendbar, wo Heizelemente verstauben/verschmutzen können oder wo der erforderliche Abtransport der Wärme durch einen Lüfter/Ventilator nicht ordnungsgemäß funktionieren kann.
• Gemäß einer Ausführung wird eine Art oder eine Zusammensetzung des Mediums als Eigenschaft ermittelt. Diese Ausführung basiert auf der Erkenntnis des Erfinders, dass der Wärmewiderstand typischerweise von Art oder Zusammensetzung des Mediums abhängt. Dies erlaubt beispielsweise eine zügige Erkennung einer sich verändernden Zusammensetzung des Mediums, was insbesondere dann problematisch sein kann, wenn die Veränderung ungewollt erfolgt, also beispielsweise aufgrund einer Fehlfunktion vorgeschalteter Anlagen. Beispielsweise kann auf diese Weise erkannt werden, wenn statt des gewünschten Wassers ein Gemisch aus Wasser und zusätzlich anderen Flüssigkeiten durch die Heizvorrichtung fließt.
• Gemäß einer Ausführung wird das Vorhandensein oder Fehlen des Mediums als Eigenschaft ermittelt. Wie der Erfinder der vorliegenden Anmeldung erkannt hat, wirkt sich auch ein Fehlen des Mediums umgehend und sofort auf den Wärmewiderstand aus, wodurch es schnell und zuverlässig erkannt werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird die Heizvorrichtung bzw. der Heizleiter abgeschaltet, wenn ein Fehlen des Mediums ermittelt wird. Damit kann eine Beschädigung vermieden werden.
• Gemäß einer Ausführung wird das erfindungsgemäße Verfahren mehrfach wiederholt zeitlich hintereinander ausgeführt, wobei eine Verkalkung der Heizvorrichtung oder des Trägers des Heizleiters als Eigenschaft anhand eines zeitlichen Verlaufs des Wärmewiderstands ermittelt wird. Eine solche Verkalkung kann insbesondere durch einen kontinuierlichen Anstieg des Wärmewiderstands ermittelt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Verkalkung erkannt werden kann, wenn der Anstieg eine zeitliche Änderung innerhalb eines bestimmten Bereichs aufweist. Beispielsweise kann eine Ermittlung einer Verkalkung an einen Benutzer angezeigt werden, um ihn zum Austauschen oder Entkalken der Heizvorrichtung aufzufordern.
• Gemäß einer Ausführung wird das erfindungsgemäße Verfahren nacheinander mittels zumindest zwei unterschiedlichen Heizleitern durchgeführt, wobei eine Anzahl von Eigenschaften der Heizleiter anhand der jeweils ermittelten Wärmewiderstände verglichen wird. Beispielsweise können dabei unterschiedliche Aufheizraten von verschiedenen Heizleitern ermittelt und verglichen werden. Eine Aufheizrate kann beispielsweise mittels Messungen zu einem ersten Zeitpunkt t₁ und einem zweiten Zeitpunkt t₂ folgendermaßen berechnet werden: $$\text{Aufheizrate}=\left({\text{T}}_{\text{M2}}-{\text{T}}_{\text{M}1}\right)/\left({\text{t}}_2-{\text{t}}_1\right)/\text{P in K/Zeiteinheit/Watt}$$

  
• Dabei bedeuten:

TM2:

Temperatur des Mediums zum Zeitpunkt t₂,

TM1:

Temperatur des Mediums zum Zeitpunkt t₁,

P:

Leistungsaufnahme (siehe die Formel weiter unten).

• Es sei jedoch verstanden, dass auch andere Eigenschaften auf diese Weise verglichen werden können.
• Insbesondere kann die eben beschriebene Ausführung, mittels welcher zwei unterschiedliche Heizleiter verglichen werden, mit Heizleitern unterschiedlicher Nennleistung durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine Beurteilung des Einflusses unterschiedlicher Nennleistungen.
• Gemäß jeweiligen Ausführungen ist der Heizleiter ein Schichtheizleiter, insbesondere ein Dickschichtheizleiter, und Bestandteil eines Schichtheizelements oder eines Metallkernheizelements. Derartige Ausführungen haben sich für zahlreiche Heizvorrichtungen als vorteilhaft erwiesen.
• Die Heizvorrichtung ist gemäß jeweiligen Ausführungen in eine Motorheizpumpe integriert oder in einen Dampfgenerator integriert. In solchen Motorheizpumpen oder Dampfgeneratoren werden häufig Heizvorrichtungen verwendet, mit welchen das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft ausgeführt werden kann. Besonders vorteilhaft befindet sich dabei das Heizelement außen an einem rohrartigen Gehäuse, das den wesentlichen Teil einer Pumpenkammer bilden kann, vor allem deren Mantelwand.
• Das Verfahren wird bevorzugt in einer elektronischen Steuerungseinrichtung der Heizvorrichtung ausgeführt. Es kann auch in einer anderen elektronischen Steuerungseinrichtung ausgeführt werden. Insbesondere wird es typischerweise automatisiert ausgeführt. Die elektronische Steuerungsvorrichtung kann beispielsweise Prozessormittel und Speichermittel aufweisen, wobei in den Speichermitteln Programmcode gespeichert ist, bei dessen Ausführung die Prozessormittel das erfindungsgemäße Verfahren ausführen. Bei einer solchen elektronischen Steuerungseinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Microcontroller, einen Microcomputer, einen frei programmierbaren Computer, eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPSS) oder einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) handeln.
• Die Erfindung erlaubt beispielsweise eine quantitative Bewertung des Wärmetransfers von einem Heizleiter zum zu beheizenden Medium, wobei es sich bei dem Heizleiter beispielsweise um einen Bestandteil eines Dickschichtheizsystems in einer Motorheizpumpe handeln kann. Sie kann insbesondere in Sicherheitskonzepte für den Betrieb von Schichtheizelementen verwendet werden, beispielsweise in Haushaltsgeräten wie in Motorheizpumpen von Geschirrspülern.
• Die Erfindung erlaubt auch eine Auswertung und Verknüpfung der Mediumtemperatur und der Heizleitertemperatur sowie der Leistungsaufnahme von Schichtheizelementen und daraus abgeleiteter physikalischer Größen. Die Heizleitertemperatur und die Leistungsaufnahme von Schichtheizelementen können beispielsweise in Bezug auf die Mediumtemperatur betrachtet werden. Es können auch Aufheizraten oder thermische Größen wie Temperaturdifferenzen zwischen Heizleiter und Medium betrachtet werden oder ein Wärmewiderstand, insbesondere ein Gesamt-Wärmewiderstand zwischen Heizleiter und Medium.
• Die Erfindung ermöglicht insbesondere einen Betrieb in Echtzeit. Die Leistungsaufnahme des Heizleiters, weiter oben beispielsweise auch als Momentanleistung bezeichnet, liegt typischerweise ohne zeitliche Verzögerung vor. Dies ermöglicht ein wesentlich schnelleres Ansprechen auf kritische Zustände als bei diversen Ausführungen gemäß dem Stand der Technik.
• Es sei erwähnt, dass die Temperaturdifferenz zwischen Heizleiter und Medium auch als Übertemperatur des Heizleiters über das Medium bezeichnet werden kann. Sie kann beispielsweise ein Maß für den Wärmetransfer vom Heizleiter durch ein Substratmaterial hin zum zu beheizenden Medium sein.
• Die Temperaturdifferenz zwischen Heizleiter und Medium kann beispielsweise durch Anlagerungen aus dem Medium bzw. Wasser, insbesondere Verkalken, an die Mediumkontaktfläche eines Schichtheizelements wie zum Beispiel an einem Metallkernheizelement beeinflusst werden. Eine steigende Temperaturdifferenz bei ansonsten gleichen Betriebsbedingungen kann somit ein Maß für wachsende Anlagerungen über die Betriebsdauer eines Metallkernheizelements sein.
• Die Temperaturdifferenz zwischen Heizleiter und Medium kann für Keramikheizelemente, die das Medium indirekt beheizen, ein Maß für den Wärmetransfer vom Heizleiter durch ein Substratmaterial und einen Wärmeübertragungsaufbau, zum Beispiel Wärmeleitkleber und metallischer Träger oder Kühlkörper, bis hin zum zu beheizenden Medium sein.
• Die physikalische Größe des thermischen Widerstands, auch als Wärmewiderstand bezeichnet, kann zur gesamtheitlichen Beschreibung von Wärmetransport- und -übertragungsvorgängen betrachtet werden, um auch in Echtzeit den Einfluss veränderlicher Leistungsaufnahmen des Schichtheizelements, zum Beispiel durch schwankende Netzspannungen, auf die Temperaturdifferenz zwischen Heizleiter und Medium zu berücksichtigen. Sie kann auch verwendet werden, um Schichtheizelemente verschiedener Nennleistungen in einer Anwendung miteinander zu vergleichen. Außerdem kann sie verwendet werden, um Schichtheizelemente und Beheizungsanordnungen in unterschiedlichen Anwendungen, zum Beispiel bei der Beheizung unterschiedlicher Medien, zu vergleichen.
• In Analogie zum elektrischen Widerstand kann der Wärmewiderstand bestimmt werden als Quotient aus der entstehenden Temperaturdifferenz zwischen Heizleiter und Medium beim Durchgang eines Wärmestroms Φ_th durch eine Beheizungsanordnung und den Wärmestrom Φ_th. Bei Vernachlässigung von Wärmeverlusten entspricht der Wärmestrom Φ_th, welcher auch als thermische Leistung bezeichnet werden kann, in Watt der elektrischen Leistungsaufnahme eines Schichtheizelements P in Watt. Formelmäßig kann der Wärmewiderstand R_th folgendermaßen angegeben werden: $${\text{R}}_{\text{th}}=\Delta \text{T/}{\mathrm{\Phi }}_{\text{th}}=\left({\text{T}}_{\text{HL}}-{\text{T}}_{\text{M}}\right)/{\mathrm{\Phi }}_{\text{th}}=\left({\text{T}}_{\text{HL}}-{\text{T}}_{\text{M}}\right)/\text{P in K/W}\text{.}$$

  
• Dabei bedeuten:

Rth:

Wärmewiderstand,

ΔT:

Temperaturdifferenz,

THL:

Temperatur des Heizleiters,

TM:

Temperatur des Mediums,

Φth:

Wärmestrom,

P:

Leistungsaufnahme.

• Die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Temperatur des Heizleiters und der Temperatur des Mediums sowie der thermische Widerstand R_th lassen bei ansonsten gleichen Betriebsbedingungen auch in Echtzeit Rückschlüsse auf wichtige Mediumcharakteristika wie zum Beispiel Mediumart, Mischungsverhältnisse oder Ähnliches zu. Beispielsweise kann ein solches Mischungsverhältnis das Verhältnis von Wasser zu anderen Materialien oder anderen Medien als Wasser angeben. Dies gilt insbesondere dann, wenn diese Mediumcharakteristika die thermischen Eigenschaften des Mediums Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität oder andere beeinflussen. Gleichzeitig werden die Temperaturdifferenz ΔT zwischen Heizleiter und Medium und der thermische Widerstand R_th vom Wärmeübergang von einer mediumseitigen Oberfläche der Heizvorrichtung oder des Heizelements zum Medium bzw. Fluid beeinflusst, wobei Wärmeübergangskoeffizienten, Strömungsverhältnisse und Wärmetransport durch freie oder erzwungene Konvektion eine Rolle spielen können.
• Auch das Vorhandensein des zu beheizenden Mediums bzw. im Fehlerfall fehlenden Mediums lassen sich in Echtzeit erkennen, wodurch kritische Betriebszustände wie Trockengehen oder Trockenlaufen eines Schichtheizelements erkannt werden können.
• Aus weiter oben bereits erwähnten, häufig bereits vorhandenen Messwerten von Sensoren wie Temperaturfühlern, Stromfühlern oder Spannungsmessern können mit vorhandenen Recheneinheiten wie zum Beispiel Microcontrollern zur Programmsteuerung und -Überwachung und mit Speichereinheiten in Geräten in Echtzeit weitergehende, quasinormierte Informationen zum Betriebszustand des Heizelements gewonnen werden, wenn Heizleitertemperaturen auf die jeweilige Mediumtemperatur bezogen werden oder wenn Temperaturdifferenzen zwischen Heizleitertemperatur und Mediumtemperatur auf die jeweilige Leistungsaufnahme bezogen werden. Die in Echtzeit ermittelten normierten Kennwerte des Betriebszustands können für Gerätesteuerungen, besonders auch für die Sicherheitsfunktionen, benutzt werden. Sich verändernde Bedingungen des Wärmetransfers vom Schichtheizelement zum Medium, zum Beispiel infolge von Anlagerungen, können in Echtzeit erkannt und quantitativ bewertet werden.
• Schichtheizelemente zeichnen sich typischerweise durch geringe thermische Massen, geringe thermische Trägheit und eine hohe Dynamik im Betriebsverhalten aus. Eine dauerhafte Überwachung in Echtzeit ist für einen bestimmungsgemäßen sicheren Betrieb in vielen Fällen erforderlich, um Überhitzungen, Ausfälle oder gar Folgeschäden zu verhindern. Dies kann mit der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise erfolgen.
• Des Weiteren erlaubt die Erfindung, Beheizungsbedingungen für Medien mit temperaturabhängigen Eigenschaften, zum Beispiel Gemische von Wasser mit anderen Materialien, besser zu bewerten.
• Die Erfindung kann beispielsweise derart ausgeführt werden, dass Sollparameter in normalen Betriebszuständen bei einer Erstinbetriebnahme in einer Applikation aufgezeichnet werden. Beispielsweise kann dabei ein Heizleiterwiderstand im nicht beheizten Zustand gemeinsam mit der gemessenen Medientemperatur aufgezeichnet werden. Anschließend kann beispielsweise eine zunehmende Behinderung des Wärmetransfers durch eine Erhöhung des Wärmewiderstands infolge von Anlagerungen oder Verkalkung erkannt werden. Dies gilt insbesondere bei unveränderter Durchflussrate des Fluids.
• Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
• KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Weitere Vorteile und Merkmale wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigt die 1 eine Heizvorrichtung, welche zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
• 1 zeigt eine Heizvorrichtung 10, mit welcher ein erfindungsgemäßes Verfahren ausgeführt wird. Die Heizvorrichtung 10 weist ein Rohr 20 auf, durch welches ein Medium 30 in einer durch einen Pfeil 35 vorgegebenen Richtung strömt, entweder nur und exakt entlang dieser Richtung oder aber mit einer Komponente auch in dieser Richtung. Bei dem Medium 30 kann es sich beispielsweise um Wasser oder um ein Gemisch aus Wasser und anderen Flüssigkeiten handeln. Das Medium 30 wird insbesondere mittels der Heizvorrichtung 10 erwärmt.
• Zum Erwärmen des Mediums 30 weist die Heizvorrichtung 10 einen innerhalb des Rohrs 20 angeordneten Heizleiter 40 auf, welcher vorliegend als Dickschichtheizleiter eines nicht dargestellten Schichtheizelementes ausgeführt ist. Alternativ kann er auch außerhalb des Mediums 30 angeordnet sein, bevorzugt auf der Außenseite des Rohrs 20. Zur Versorgung und Steuerung des Heizleiters 40 weist die Heizvorrichtung 10 ferner eine elektronische Steuerungseinrichtung 50 auf, welche dazu ausgebildet ist, eine elektrische Spannung und einen damit verbundenen elektrischen Strom an den Heizleiter 40 anzulegen sowie Strom und Spannung am Heizleiter 40 zu überwachen.
• Die Heizvorrichtung 10 weist ferner einen innerhalb des Rohrs 20 angeordneten Temperaturfühler in Form eines Temperatursensors 60 auf, um die Temperatur des Mediums 30 zu messen. Der Temperatursensor 60 ist elektrisch mit der elektronischen Steuerungseinrichtung 50 verbunden, so dass die elektronische Steuerungseinrichtung 50 über ein von dem Temperatursensor 60 geliefertes Ausgangssignal die Temperatur des Mediums 30 bestimmen kann. Auch der Temperatursensor 60 kann auf der Außenseite des Rohrs 20 angeordnet sein.
• Die elektronische Steuerungseinrichtung 50 ist des Weiteren dazu ausgebildet, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Dies wird weiter unten näher beschrieben. Die elektronische Steuerungseinrichtung 50 weist hierzu nicht weiter dargestellte Prozessormittel und Speichermittel auf, wobei in den Speichermitteln Programmcode gespeichert ist, bei dessen Ausführung durch die Prozessormittel die elektronische Steuerungseinrichtung 50 sich im Sinne des erfindungsgemäßen, nachfolgend beschriebenen Verfahrens verhält.
• Die elektronische Steuerungseinrichtung 50 ermittelt laufend eine elektrische Momentanleistung des Heizleiters 40 durch Multiplikation der am Heizleiter 40 anliegenden Spannung mit dem durch den Heizleiter 40 fließenden Strom. Des Weiteren ermittelt sie laufend die Temperatur des Heizleiters 40, indem sie mittels einer Division der Spannung durch die Stromstärke den elektrischen Widerstand des Heizleiters 40 berechnet und aus einer abgespeicherten Temperatur-Widerstands-Kennlinie die zu diesem Widerstand des Heizleiters 40 zugehörige Temperatur ausliest. Dies ist deshalb möglich, weil der elektrische Widerstand des Heizleiters 40 in definierter Weise von seiner Temperatur abhängt. Von der ermittelten Temperatur des Heizleiters 40 zieht die Steuerungseinrichtung 50 dann die über den Temperatursensor 60 ermittelte Temperatur des Mediums 30 ab und gelangt so zu einer Temperaturdifferenz zwischen dem Heizleiter 40 und dem Medium 30.
• Anschließend ermittelt die elektronische Steuerungseinrichtung 50 einen jeweils aktuellen Wärmewiderstand mittels Division der Temperaturdifferenz durch die Momentanleistung Dieser Wärmewiderstand wird zur Erkennung von Fehlerzuständen der Heizvorrichtung 10 verwendet, wie nachfolgend näher beschrieben werden wird. Hierzu werden die zu jedem Zeitpunkt ermittelten Werte insbesondere abgespeichert und im Sinne einer Zeitreihe miteinander verglichen.
• Der Wärmewiderstand ist grundsätzlich abhängig von der Zusammensetzung des Mediums 30. Die elektronische Steuerungseinrichtung 50 verfügt über abgespeicherte Daten, in welchen typische Wärmewiderstände für unterschiedliche Zusammensetzungen gespeichert sind. Durch eine entsprechende Zuordnung eines gemessenen Wärmewiderstands kann somit die elektronische Steuerungseinrichtung 50 eine Zusammensetzung des Mediums 30 ermitteln.
• Sollte sich der Wärmewiderstand innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums erheblich ändern, beispielsweise innerhalb 10 sec oder 20 sec, deutet dies auf ein Fehlen des Mediums 30 hin. In diesem Fall wird die elektronische Steuerungseinrichtung 50 die Stromversorgung des Heizleiters 40 unmittelbar abschalten, um eine Beschädigung zu vermeiden.
• Sollte sich der Wärmewiderstand im zeitlichen Verlauf kontinuierlich langsam erhöhen, beispielsweise im Bereich von 10 oder 20 bis 30 Betriebsstunden, so deutet dies auf eine Verkalkung oder eine Anlagerung anderer Substanzen an die Heizvorrichtung 10 hin. In diesem Fall wird die elektronische Steuerungseinrichtung 50 ein Signal an einen Benutzer geben, um diesen zur Durchführung einer Entkalkung oder Reinigung der Heizvorrichtung 10 aufzufordern.
• Es sei erwähnt, dass die beschriebene Heizvorrichtung 10 insbesondere für einen Einsatz in einer Motorheizpumpe oder in einem Dampfgenerator verwendet werden kann. Es sei des Weiteren erwähnt, dass der Heizleiter 40 gegen einen anderen Heizleiter, insbesondere einen Heizleiter mit anderer Nennleistung, ausgetauscht werden kann. Dies ermöglicht einen Vergleich von Eigenschaften bei unterschiedlichen Heizleitern, insbesondere bei unterschiedlichen Nennleistungen.

Claims (11)

1. Verfahren zum Erkennen von Verkalken oder sonstiger Beeinträchtigungen der Funktion einer Heizvorrichtung (10), - wobei die Heizvorrichtung (10) zumindest einen Heizleiter (40) zum Beheizen eines Mediums (30) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Ermitteln einer elektrischen Momentanleistung des Heizleiters (40), - Ermitteln einer Temperaturdifferenz zwischen dem Heizleiter (40) und dem Medium (30), - Berechnen eines Wärmewiderstands mittels Division der Temperaturdifferenz durch die Momentanleistung, und - Ermitteln einer Eigenschaft aus dem Wärmewiderstand.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Mediums (30) ermittelt wird durch einen eigens dafür vorgesehenen Temperaturfühler (60).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die Temperatur des Heizleiters (40) mittels eines auf einer Oberfläche des Heizleiters (40) angebrachten Temperatursensors ermittelt wird, wobei vorzugsweise der Heizleiter und der Temperatursensor elektrisch voneinander isoliert sind, insbesondere durch eine Abdeck- und Isolationsschicht; und/oder - die Temperatur des Heizleiters (40) thermographisch ermittelt wird; und/oder - die Temperatur des Heizleiters (40) durch Messung eines Momentanwiderstands des Heizleiters (40) unter Verwendung einer bekannten Abhängigkeit zwischen Momentanwiderstand und Temperatur ermittelt wird; und/oder - die Temperatur des Heizleiters (40) aus anliegender Spannung, Stromaufnahme und Temperaturkoeffizient des Heizleiters (40) sowie dem Nennwiederstand des Heizleiters (40) ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Art oder eine Zusammensetzung des Mediums (30) als Eigenschaft ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorhandensein oder Fehlen des Mediums (30) als Eigenschaft ermittelt wird, wobei vorzugsweise der Heizleiter (40) abgeschaltet wird, wenn ein Fehlen des Mediums (30) ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mehrfach wiederholt zeitlich hintereinander ausgeführt wird, wobei eine Verkalkung des Heizleiters (40) als Eigenschaft anhand eines zeitlichen Verlaufs des Wärmewiderstands ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nacheinander mittels zumindest zwei unterschiedlichen Heizleitern (40) durchgeführt wird, eine Anzahl von Eigenschaften der Heizleiter (40) anhand der jeweils ermittelten Wärmewiderstände verglichen werden, wobei vorzugsweise die unterschiedlichen Heizleiter (40) unterschiedliche Nennleistungen aufweisen.
8. Heizvorrichtung (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist und eine elektronische Steuerungseinrichtung (50) und einen Temperaturfühler (60) aufweist, wobei in der elektronischen Steuerungseinrichtung (50) das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche implementiert ist.
9. Heizvorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (30) Wasser oder ein Gemisch aus Wasser und anderen Flüssigkeiten ist.
10. Heizvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (40) ein Schichtheizleiter, insbesondere ein Dickschichtheizleiter, und Teil eines Schichtheizelementes oder eines Metallkernheizelementes ist.
11. Heizvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (10) in eine Motorheizpumpe und/oder in einen Dampfgenerator integriert ist.

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