DE102014206111A1

DE102014206111A1 - Verfahren zum Betrieb eines Warmwasserbereiters, insbesondere eines Gas-Warmwasserbereiters

Info

Publication number: DE102014206111A1
Application number: DE102014206111.3A
Authority: DE
Inventors: Rui Gabriel; Luis Monteiro; Nelson Marques; Jorge Azevedo
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2015-09-24
Also published as: ES2546117A2; ES2546117B2; ES2546117R1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Warmwasserbereiters, insbesondere eines Gas-Warmwasserbereiters, sowie einen Warmwasserbereiter zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren. Dabei wird eine Kalkschichtdicke auf einer Oberfläche eines Wärmetauschers des Warmwasserbereiters auf Basis system- und wasserspezifischer Parameter berechnet. Ferner kann vorgesehen sein, dass ein Wartungszeitpunkt oder ein Wartungsintervall berechnet und dargestellt und/oder ein akustisches Signal ausgegeben wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist sichergestellt, dass rechtzeitig Entkalkungsmaßnahmen getroffen werden, sodass ein dauerhaft störungsfreier, kosten- und energieeffizienter Betrieb des Warmwasserbereiters gewährleistet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Warmwasserbereiters, insbesondere eines Gas-Warmwasserbereiters, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Warmwasserbereiter sind im Stand der Technik bereits bekannt. In DE 10 2006 034 057 A1 ist ein Haustechniksystem mit mindestens einem Haustechnikgerät insbesondere zur Erwärmung von Brauchwasser offenbart. Dabei ist eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen von wasserspezifischen Parametern in dem Haustechniksystem und/oder von gerätespezifischen Parametern des mindestens einen Haustechnikgerätes vorgesehen. Anhand von erfassten wasserspezifischen Parametern soll eine Risikoabschätzung betreffend die Verkalkung getroffen werden können. Jedoch offenbart die DE 10 2006 034 057 A1 nicht, wie die wasserspezifischen Parameter den Verkalkungsprozess beeinflussen bzw. wie eine Quantifizierung der Verkalkung möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren zum Betrieb eines Warmwasserbereiters, insbesondere eines Gas-Warmwasserbereiters, zur Verfügung zu stellen, das mit einfachen Mitteln einen dauerhaft störungsfreien, kosten- und energieeffizienten Betrieb des Warmwasserbereiters ermöglicht. Dabei soll das Verfahren einfach durchführbar und universell anwendbar sein. Zudem soll ein Warmwasserbereiter zur Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen 2 bis 10 zu entnehmen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Warmwasserbereiters, insbesondere eines Gas-Warmwasserbereiters, wobei eine Kalkschichtdicke auf einer Oberfläche eines Wärmetauschers ermittelt und überwacht wird, wobei die Kalkschichtdicke auf Basis einer Betriebsdauer und wasserspezifischer Parameter, nämlich zumindest einem CaCO₃ Gehalt und einer Wassertemperatur, ermittelt wird. In die Berechnung der Kalkablagerungsrate und damit auch der Kalkschichtdicke gehen erfindungsgemäß ausschließlich aus dem Gesamtsystem unmittelbar bestimmbare oder literaturbekannte Parameter ein. Zu den direkt bestimmbaren Parametern gehören wasserspezifische Parameter, wie beispielsweise der Gehalt an Kalk (CaCO₃) bzw. die Wasserhärte oder der pH-Wert, sowie systemspezifische Parameter, wie z. B. Wasserdurchfluss, Wassertemperatur oder die dem Wärmetauscher zugeführte Eingangsleistung (Heizleistung) und die mit dem Wasser abgeführte Ausgangsleistung (Nutzleistung). Vorteilhafterweise können Informationen betreffend die wasserspezifischen Parameter auch vom zuständigen Wasserversorger eingeholt werden, sodass die Messung dieser Parameter entfallen und somit das Verfahren vereinfacht werden kann.
Im Unterschied zu den bekannten Verfahren, die sich üblicherweise eine indirekte Ermittlung der Kalkablagerungsrate zunutze machen, basiert das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise auf einer direkten, systemspezifischen Bestimmung der Kalkablagerungsrate und der Kalkschichtdicke. Folglich werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Effizienzverluste, z. B. durch den Vergleich von Ein- und Ausgangsleistung des Wärmetauschers, bestimmt. Mithin kommt es nicht auf exakte Messwerte an, sodass vorteilhafterweise auf die Installation und den Betrieb hochsensibler bzw. speziell ausgerüsteter Sensoren verzichtet werden kann. Stattdessen werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die standardmäßig bereits vorhandenen Temperatur- und Durchflusssensoren genutzt. Dadurch werden Installations-, Betriebs- und Wartungskosten gespart und der technische Aufbau auf die wesentlichen Komponenten beschränkt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Kalkschichtdicke auf der Oberfläche des Wärmetauschers nicht nur ermittelt, sondern auch überwacht wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Entkalkung des Wärmetauschers je nach Bedarf und nicht in einem vom Hersteller standardmäßig vorgeschlagenen Intervall vorgenommen werden kann. Einer Überhitzung des Wärmetauschers und damit einhergehenden Schäden an Systemkomponenten wird vorgebeugt und ein störungsfreier, kosten- und energieeffizienter Betrieb des Warmwasserbereiters wird gewährleistet. Weiterhin vorteilhaft ist, dass auf den Zusatz chemischer Komponenten, z. B. kalklösender Additive wie Phosphate, verzichtet werden kann.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird zur Ermittlung der Kalkschichtdicke als Zwischenschritt eine Kalkablagerungsrate unter Berücksichtigung wenigstens eines der folgenden Parameter berechnet:

– ein wasserspezifischer Parameter,
– eine Wassertemperatur,
– ein Wasserdurchfluss,
– eine Eingangsleistung,
– eine Ausgangsleistung.

Besonders vorteilhaft ist, dass die vorgenannten Parameter über Sensoren, welche üblicherweise standardmäßig in Warmwasserbereitern vorgesehen sind, bestimmt werden. Spezielle oder zusätzliche Sensoren werden nach der erfindungsgemäßen Lösung nicht benötigt. Dabei werden vorzugsweise zwei wasserspezifische Parameter, die Wassertemperatur, der Wasserdurchfluss sowie die Eingangs- oder Ausgangsleistung berücksichtigt.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn als wasserspezifische Parameter die Wasserhärte und der pH-Wert in die Berechnung der Kalkablagerungsrate einbezogen werden, wobei diese Informationen beispielsweise bei dem zuständigen Wasserversorger erfragt werden können. Alternativ oder ergänzend können bei der Berechnung der Kalkablagerungsrate als wasserspezifische Parameter beispielsweise die Basizität und/oder die Konzentration gelöster Salze berücksichtigt werden. Die Wassertemperatur wird über einen Austrittstemperaturfühler ermittelt, der in einer mit einem Wasserablauf des Wärmetauschers verbundenen Wasserleitung angeordnet ist. Der Wasserdurchfluss wird über einen Durchflusssensor erfasst, der üblicherweise in einer mit einem Wasserzulauf des Wärmetauschers verbundenen Wasserleitung vorgesehen ist. Die dem Wärmetauscher zugeführte Eingangsleistung wird beispielsweise auf einem der Gasverbrennungsregelung zugeordneten Display angezeigt. Dabei wird die Eingangsleistung über die Gasbrennergebläsedrehzahl ermittelt, wobei zugrunde gelegt wird, dass die Brenngasmenge der Luftmenge mittels eines auf den Luftdruck reagierenden Brenngasventils (pneumatischer Brenngas-Luft-Verbund) folgt. Zudem können der Brenngastyp und die Einstellung des für die Regulierung des Brenngasstroms relevanten Gasventils berücksichtigt werden. Alternativ kann die Eingangsleistung über den Quotienten aus Ausgangsleistung und dem Wirkungsgrad des Wärmetauschers bestimmt werden, wobei die Ermittlung des Wirkungsgrades nach den üblichen Methoden erfolgt Betreffend die Ausgangsleistung ist es besonders vorteilhaft, wenn sie über einen hinter dem Ausgang des Wärmetauschers angeordneten Temperaturfühler bestimmt wird.
Gemäß einer näheren Ausgestaltung werden auf Basis wasserspezifischer Parameter Konzentrationen von im Wasser enthaltenen Ionen bestimmt, die bei der Berechnung der Kalkablagerungsrate berücksichtigt werden. Die wasserspezifischen Parameter sind beispielsweise Wasserhärte, Basizität, Konzentration gelöster Salze oder der pH-Wert. Insbesondere die Konzentration von im Wasser enthaltenen Calciumionen (Ca²⁺) geht in die Berechnung der Kalkablagerungsrate und damit der Kalkschichtdicke ein. Sofern nicht die Kalkschichtdicke, sondern allgemein eine Salzschichtdicke berechnet werden soll, müssen die Konzentrationen sämtlicher im zu erwärmenden Wasser enthaltenen Ionen, die für die Ausbildung einer Salzschicht relevant sind, bestimmt und berücksichtigt werden.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein Strömungsfeld und/oder ein thermisches Feld des Wärmetauschers näherungsweise berechnet und bei der Berechnung der Kalkablagerungsrate berücksichtigt. Mit Hilfe numerischer Computermodelle (CFD = computational fluid dynamics, numerische Strömungsmechanik) kann – unter Berücksichtigung von Länge und Größe der wärmeübertragenden Fläche des Wärmetauschers – das thermische Feld des Wärmetauschers berechnet bzw. optimiert werden. Zusammen mit dem Strömungsfeld (Geschwindigkeit und Druck) innerhalb des Wärmetauschers kann eine Temperaturverteilung für den Wärmetauscher ermittelt und eine höhere – gegebenenfalls teilbereichsspezifische – Genauigkeit bei der Berechnung der Kalkschichtdicke erzielt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kalkablagerungsrate unter Berücksichtigung einer Kristallwachstumsrate berechnet wird, wobei während des laufenden Betriebes des Warmwasserbereiters ein stationärer Zustand angenommen wird. Die Annahme eines stationären Zustands während des laufenden Betriebes des Warmwasserbereiters stellt eine zulässige und angemessene Vereinfachung bei der Berechnung der Kalkablagerungsrate dar, weil die in einem dynamischen System zu berücksichtigenden Aspekte die Berechnung unverhältnismäßig stark verkomplizieren.
In einer wichtigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kalkschichtdicke mit einem oberen Grenzwert verglichen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der obere Grenzwert am Warmwasserbereiter vorgebbar und in einem internen Datenspeicher abgelegt ist. Dabei kann der zulässige obere Grenzwert entweder experimentell bestimmt sein oder einen Erfahrungswert darstellen. Es ist auch möglich, dass der Nutzer des Gerätes den oberen Grenzwert am Gerät selber voreinstellen kann. Wird die berechnete Kalkschichtdicke auf einem Display einer Kontrolleinheit angezeigt, kann der Nutzer des Gerätes – unabhängig von dem geräteintern vorgesehenen Vergleich der berechneten Kalkschichtdicke mit dem oberen Grenzwert – selber einen Abgleich mit dem vorgesehenen oberen Grenzwert vornehmen und erforderlichenfalls, d. h. bei Annäherung an den oberen Grenzwert oder Überschreiten des Grenzwertes, entsprechende Maßnahmen ergreifen, beispielsweise die Entkalkung des Wärmetauschers durchführen.
Eine weitere Variante des Verfahrens sieht vor, dass eine Eingangsleistung reduziert wird, wenn die ermittelte Kalkschichtdicke den oberen Grenzwert überschreitet. Das ist ganz besonders vorteilhaft, wenn der Gerätenutzer die Entkalkungsmaßnahmen nicht rechtzeitig einleitet oder die Maßnahmen nicht den gewünschten Erfolg zeigen. In diesem Fall wird die dem Wärmetauscher zugeführte Eingangsleistung automatisch reduziert, um eine ansonsten eintretende Überhitzung des Wärmetauschers und eventuelle Folgeschäden am Wärmetauscher und/oder am Gesamtsystem zu verhindern. Zudem wird durch die Reduzierung der Eingangsleistung die Ausfällung und Ablagerung von Kalk (CaCO₃) limitiert. Insgesamt werden somit Energie-, Wartungs- und Reparaturkosten reduziert bzw. eingespart.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird auf Grundlage der berechneten Kalkablagerungsrate ein Wartungszeitpunkt oder ein Wartungsintervall berechnet und dargestellt und/oder ein akustisches Signal ausgegeben. Dies ist besonders vorteilhaft, weil der Gerätenutzer automatisch, d. h. ohne eigenes Zutun, rechtzeitig an die anstehende Entkalkung erinnert wird.
In einer noch anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird unter Berücksichtigung der Temperatur der Oberfläche des Wärmetauschers eine Kalkablagerungsrate ermittelt. Die Temperatur der Wärmetauscheroberfläche kann beispielsweise anhand der zugeführten Eingangsleistung und des Wasserdurchflusses abgeschätzt werden. Weil dabei die Kenntnis exakter Werte nicht erforderlich ist, kann vorteilhafterweise auf hochempfindliche Sensoren und insbesondere auf einen Temperaturfühler auf der Wärmetauscheroberfläche verzichtet werden. Dabei ist letzteres besonders vorteilhaft, weil ein solcher Temperaturfühler besonderen Anforderungen genügen muss und dessen Installation und Wartung aufwendig und damit kostenintensiv ist. Durch die Berücksichtigung der Temperatur der Wärmetauscheroberfläche bei der Berechnung der Kalkablagerungsrate wird ein besonders genauer Wert für die Kalkablagerungsrate und infolgedessen für die Kalkschichtdicke erhalten. Zu erwartende Temperaturen der Wärmetauscheroberfläche können in Form von experimentell ermittelten Kennlinien in der Kontrolleinheit des Warmwasserbereiters hinterlegt sein.
Gemäß einer wichtigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens basiert das physikalisch-chemische Modell für die Berechnung der Kalkablagerungsrate auf folgender Beziehung:
und wobei die Ermittlung der Kalkschichtdicke auf folgender Beziehung basiert: d_c = m_c × 1 / ρ × t, wobei

m_c: = Kalkablagerungsrate in kg/s,
sd_c: = Kalkschichtdicke in m,
K₁: = 1. Dissoziationskonstante von Kohlensäure in mol/L bei Wassertemperatur, wobei gilt: H₂CO₃ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + HCO – / 3 ,
K₂: = 2. Dissoziationskonstante von Kohlensäure in mol/L bei Wassertemperatur, wobei gilt: HCO – / 3 + H₂O ⇌ CO 2– / 3 + H₃O⁺,
K_s: = Löslichkeitsprodukt von CaCO₃ an der Grenz fläche Wasser/ Oberfläche des Wärmetauschers, wobei gilt: K_s = [Ca²⁺] × [CO₃ ^2–] in mol²/L²,
k_d: = Stoffaustauschkoeffizient in m/s,
k_r: = Kristallisationsgeschwindigkeitskoeffizient in m⁴/s × mol,
ρ: = Kristalldichte von CaCO₃ in kg/m³,
t: = Integrationszeit in s.

In die Formel zur Berechnung der Kalkablagerungsrate und ausgehend davon der Kalkschichtdicke gehen ausschließlich system- und wasserspezifische sowie literaturbekannte Größen ein, welche allesamt einfach und schnell zu ermitteln sind. Dazu gehören eine 1. und eine 2. Dissoziationskonstante von Kohlensäure (K₁ und K₂, bestimmt bei der Wassertemperatur, mit K₁ = [3 bis 6] × 10^–7 mol/L und K₂ = [3 bis 10] × 10^–11 mol/L), ein Löslichkeitsprodukt von CaCO₃ an der Grenzfläche Wasser/innere Oberfläche des Wärmetauschers (K_s, mit Werten zwischen 1 × 10^–9 mol²/L² und 6 × 10^–9 mol²/L²) zur Berechnung der Löslichkeitsgrenze von CaCO₃, ein Stoffaustauschkoeffizient (k_d, mit Werten im Bereich von [0 bis 3] × 10^–4 m/s), d. h. eine Diffusionsgeschwindigkeit von CaCO₃ in verdünnter Lösung, ein temperaturabhängiger Kristallisationsgeschwindigkeitskoeffizient (k_r, mit Werten im Bereich von [0,5 bis 500] × 10³ m⁴/s × mol), eine Kristalldichte, d. h. Volumenmasse, von CaCO₃ (ρ, mit Werten im Bereich zwischen [1 bis 3] kg/m³) und eine Integrationszeit bzw. eine Betriebsdauer (t, mit Werten von 0,04 × 10⁹ s bis 1,5 × 10⁹ s) ein.
Die Calciumionen-Konzentration [Ca²⁺] und die Bicarbonationen-Konzentration [HCO₃ ^–] variieren in Abhängigkeit von der regionalen Wasserqualität, wobei die Calciumionen-Konzentration zwischen 0,5 × 10^–3 mol/L und 2,5 × 10^–3 mol/L beträgt und die Bicarbonationen-Konzentration Werte zwischen 2 × 10^–4 mol/L und 15 × 10^–4 mol/L annimmt. Die CO₂-Konzentration im zu erwärmenden Wasser, die im Bereich zwischen 0,4 × 10^–4 mol/L und 4 × 10^–4 mol/L liegt, kann die Kohlensäure-Konzentration beeinflussen.
Die vorgenannten Formeln zur Berechnung der Kalkablagerungsrate und der Kalkschichtdicke können einfach an das jeweilige System angepasst werden, indem die systemspezifischen Werte für die einzelnen Parameter eingesetzt werden, und sind damit universell anwendbar.
Ganz besonders vorteilhaft ist, dass zur Bestimmung der relevanten Parameter keine aufwendigen, kostenintensiven Geräte, z. B. hochempfindliche Sensoren, benötigt werden. Vielmehr können die system- und wasserspezifischen Parameter mit den ohnehin vorhandenen Sensoren ermittelt werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass lediglich zwei Größen berechnet werden, nämlich die Kalkablagerungsrate und daraus die Kalkschichtdicke. Überwacht wird schließlich nur die Kalkschichtdicke auf der Oberfläche des Wärmetauschers, die ein eindeutiges Indiz für die Notwendigkeit einer Entkalkung darstellt. Dabei ist es auch möglich, eine Prognose für das Wachstum der Kalkschicht abzugeben und so eine restliche Laufzeit bis zur nächsten Entkalkung anzugeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit einfachen Mitteln kostengünstig durchführbar, insbesondere weil keine speziellen oder zusätzlichen Komponenten benötigt werden. Das Verfahren ist besonders zuverlässig und für beliebige Systeme mit einem Wärmetauscher universell anwendbar und ermöglicht einen störungsfreien, energieeffizienten Betrieb des Warmwasserbereiters.
Ferner betrifft die Erfindung einen Warmwasserbereiter, insbesondere einen Gas-Warmwasserbereiter, zur Verwendung eines Verfahrens nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen, wobei der Warmwasserbereiter ein Modul zur Ermittlung und Überwachung einer Kalkschichtdicke auf einer Oberfläche eines Wärmetauschers aufweist. Dabei ist die Kalkschichtdicke ein eindeutiges Indiz für die Notwendigkeit einer Entkalkung. Zudem ist möglich, eine Prognose für das Wachstum der Kalkschicht abzugeben und so eine restliche Laufzeit bis zur nächsten Entkalkung anzugeben. Damit ist durch den erfindungsgemäßen Warmwasserbereiter eine dauerhaft störungsfreie und energieeffiziente Warmwasserversorgung gewährleistet.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in
1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Gas-Warmwasserbereiters,
2 eine schematische Darstellung eines Querschnittes eines wasserführenden Rohrs eines Kupfer-Wärmetauschers.
In 1 erkennt man den stark vereinfachten Aufbau eines üblichen Gas-Warmwasserbereiters 1 mit einem Wärmetauscher 3. Im laufenden Betrieb des Warmwasserbereiters 1 wird einem wasserführenden Rohr 4 über eine erste Wasserleitung 5 zu erwärmendes Wasser, z. B. Trink- oder Brauchwasser, zugeführt. Ein Brenner 6 ist so angeordnet, dass bei der Verbrennung eines Brennstoffes entstehende Verbrennungsgase, die üblicherweise Temperaturen zwischen 1.000°C und 1.500°C aufweisen, möglichst unmittelbar an eine Außenwand des Rohres 4 strömen. Dabei erfolgt idealerweise eine gleichmäßige und effiziente Übertragung der thermischen Energie der Verbrennungsgase auf das Wasser. Die Wärmeübertragung reduziert sich aber erheblich, wenn es im wasserdurchströmten Rohr 4 des Wärmetauschers 3 zur Ausfällung und Ablagerung schlecht wärmeleitender anorganischer Salze kommt. Besonders häufig ist die Bildung von Kalkschichten (CaCO₃). Das Vorhandensein einer solchen Salzschicht führt in der Regel zu einer Überhitzung des Wärmetauschers 3, was wiederum Schädigungen weiterer Komponenten des Gas-Warmwasserbereiters 1 zur Folge hat. Insgesamt wird die Effizienz des Gas-Warmwasserbereiters 1 bzw. des jeweiligen Gesamtsystems stark reduziert.
Diesem Problem wird erfindungsgemäß dadurch begegnet, dass eine Kalkschichtdicke auf einer inneren Oberfläche 2 des Wärmetauschers 3 des Gas-Warmwasserbereiters 1 auf Basis einer Betriebsdauer und wasserspezifischer Parameter, nämlich zumindest einem CaCO₃ Gehalt und einer Wassertemperatur, ermittelt wird. Zur Ermittlung der Kalkschichtdicke wird als Zwischenschritt eine Kalkablagerungsrate berechnet, wobei wenigstens einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird: ein wasserspezifischer Parameter, eine Wassertemperatur, ein Wasserdurchfluss, eine Eingangsleistung oder eine Ausgangsleistung. Besonders bevorzugt werden die Wasserhärte, insbesondere der Kalkgehalt (CaCO₃), der pH-Wert, die Wassertemperatur, der Wasserdurchfluss sowie die dem Wärmetauscher 3 zugeführte Eingangsleistung in die Berechnung der Kalkablagerungsrate einbezogen. Alternativ oder ergänzend zu den wasserspezifischen Parametern Wasserhärte und pH-Wert kann als wasserspezifischer Paramater die Basizität und/oder die Konzentration gelöster Salze berücksichtigt werden.
Die Wasserhärte und der pH-Wert können beispielsweise bei dem zuständigen Wasserversorger erfragt werden. Auf Basis dieser wasserspezifischen Parameter können Konzentrationen von im Wasser enthaltenen Ionen bestimmt werden, die bei der Berechnung der Kalkablagerungsrate berücksichtigt werden. Insbesondere die Konzentration von im Wasser enthaltenen Calciumionen (Ca²⁺) geht in die Berechnung der Kalkablagerungsrate und damit der Kalkschichtdicke ein. Anstelle der Kalkschichtdicke kann auch eine allgemeine Salzschichtdicke berechnet werden. Dazu müssen allerdings die Konzentrationen sämtlicher im zu erwärmenden Wasser enthaltenen Ionen, die für die Ausbildung der Salzschicht relevant sind, bestimmt und berücksichtigt werden.
Die Wassertemperatur, d. h. die Temperatur des Wassers bei Eintritt in den Wärmetauscher 3 oder bei Verlassen des Wärmetauschers 3, und der Wasserdurchfluss werden vorteilhafterweise über standardmäßig vorhandene Sensoren bestimmt, sodass keine speziellen oder zusätzlichen Sensoren benötigt werden. Die Wassertemperatur liegt typischerweise im Bereich zwischen 3°C und 90° und der Wasserdurchfluss beträgt üblicherweise zwischen 1 L/min und 35 L/min.
Die Wassertemperatur wird bevorzugt über einen Austrittstemperaturfühler 7, der in einer zweiten Wasserleitung 8 in Fließrichtung hinter dem Wärmetauscher 3 angeordnet ist, ermittelt. Sofern zusätzlich oder alternativ zum Austrittstemperaturfühler 7 im Bereich des Wärmetauschers 3 weitere Temperaturfühler vorgesehen sind, kann die Wassertemperatur zusätzlich oder alternativ an den entsprechenden Stellen des Wärmetauschers 3 bestimmt werden. Der Wasserdurchfluss wird über einen ersten Durchflusssensor 10 bestimmt, der in der ersten Wasserleitung 5 vor dem Wärmetauscher 3 vorgesehen ist. Alternativ kann der Durchflusssensor 10 zur Bestimmung des Wasserdurchflusses hinter dem Wärmetauscher 3 vorgesehen sein. Es ist nur ein Durchflusssensor 10 für die Bestimmung des Wasserdurchflusses vorgesehen, wobei dieser entweder vor oder hinter dem Wärmetauscher 3 angeordnet ist. Die dem Wärmetauscher zugeführte Eingangsleistung wird beispielsweise auf einem der Gasverbrennungsregelung zugeordneten Display angezeigt. Dabei wird die Eingangsleistung, d. h. die während der Gasverbrennung frei werdende thermische Energie, über die Gasbrennergebläsedrehzahl ermittelt, wobei zugrunde gelegt wird, dass die Brenngasmenge der Luftmenge mittels eines auf den Luftdruck reagierenden Brenngasventils (pneumatischer Brenngas-Luft-Verbund) folgt. Zudem können der Brenngastyp und die Einstellung des für die Regulierung des Brenngasstroms relevanten Gasventils berücksichtigt werden. Alternativ kann die Eingangsleistung über den Quotienten aus Ausgangsleistung und dem Wirkungsgrad des Wärmetauschers bestimmt werden, wobei die Ermittlung des Wirkungsgrades nach den üblichen Methoden erfolgt. Typische Werte für die Eingangsleistung liegen im Bereich zwischen 2 kW und 60 kW. Anstelle der Eingangsleistung oder zusätzlich kann auch die Ausgangsleistung ermittelt werden, und zwar vorteilhafterweise über den in der zweiten Wasserleitung 8 angeordneten Austrittstemperaturfühler 7 und einen Eintrittstemperaturfühler 9, der in der ersten Wasserleitung 5 angeordnet ist. Die Ausgangsleistung entspricht der im Wasser enthaltenen thermischen Energie und beträgt üblicherweise zwischen 2 kW und 60 kW.
Ein sehr genauer Wert für die Kalkablagerungsrate und infolgedessen für die Kalkschichtdicke wird erhalten, wenn die Kalkablagerungsrate unter Berücksichtigung der Temperatur der Oberfläche des Wärmetauschers 3 ermittelt wird. Der benötigte Temperaturwert kann beispielsweise anhand der zugeführten Eingangsleistung und des Wasserdurchflusses abgeschätzt werden. Weil die Kenntnis exakter Werte nicht nötig ist, kann auf hochempfindliche Sensoren und insbesondere auf einen Temperaturfühler auf der Oberfläche des Wärmetauschers 3 selber verzichtet werden kann. Letzteres ist äußerst vorteilhaft, weil ein solcher Temperaturfühler besonderen Anforderungen genügen muss und dessen Installation und Wartung aufwendig und damit kostenintensiv ist.
Ferner wird für die Berechnung der Kalkablagerungsrate eine Kristallwachstumsrate berechnet, wobei während des laufenden Betriebes des Warmwasserbereiters zur Vereinfachung ein stationärer Zustand angenommen wird. Denn die in einem dynamischen System zu berücksichtigende Aspekte würden die Berechnung unnötig verkomplizieren. Im Unterschied dazu werden aber die nach Abschaltung des Warmwasserbereiters auftretenden dynamischen Effekte bei der Berechnung der Kalkablagerungsrate berücksichtigt. Typische Werte für die Kalkablagerungsrate liegen im Bereich zwischen 0,05 × 10^–9 kg/s und 0,4 × 10^–9 kg/s.
Um die Genauigkeit bei der Berechnung der Kalkschichtdicke zu erhöhen, kann ein Strömungsfeld und/oder ein thermisches Feld des Wärmetauschers 3 näherungsweise berechnet und bei der Berechnung der Kalkablagerungsrate berücksichtigt werden. Damit kann die Genauigkeit der Kalkschichtdickenberechnung insbesondere für einzelne Bereiche des Wärmetauschers 3 erhöht werden. Typische für die Kalkschichtdicke auf der inneren Oberfläche 2 des Wärmetauschers 3 berechnete Werte liegen zwischen 0,01 × 10^–3 m und 5 × 10^–3 m.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kalkschichtdicke auf der Oberfläche des Wärmetauschers 3 mit einem oberen geräteintern abgelegten Grenzwert verglichen, der entweder zuvor experimentell bestimmt wurde oder ein Erfahrungswert ist. Ergänzend oder alternativ kann der Gerätenutzer den oberen Grenzwert voreinstellen. Wird die berechnete Kalkschichtdicke auf einem Display einer Kontrolleinheit 11 des Gas-Warmwasserbereiters 1 angezeigt, kann der Gerätenutzer – unabhängig von dem geräteintern vorgesehenen Vergleich der berechneten Kalkschichtdicke mit dem oberen Grenzwert – einen Abgleich mit dem vorgesehenen oberen Grenzwert vornehmen und bei Annäherung an den oberen Grenzwert oder Überschreiten des Grenzwertes die Entkalkung des Wärmetauschers 3 durchführen und/oder die Eingangsleistung manuell reduzieren. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Eingangsleistung automatisch reduziert wird, wenn die ermittelte Kalkschichtdicke den oberen Grenzwert überschreitet. Dadurch werden eine ansonsten eintretende Überhitzung des Wärmetauschers 3 und eventuelle Folgeschäden am Wärmetauscher 3 und/oder am Gesamtsystem ohne weiteres Zutun des Gerätenutzers wirksam verhindert. Durch die Reduzierung der Eingangsleistung wird außerdem die Ausfällung und Ablagerung von Kalk (CaCO₃) begrenzt. Insgesamt werden Energie-, Wartungs- und Reparaturkosten reduziert bzw. eingespart. Zudem kann auf Grundlage der berechneten Kalkablagerungsrate ein Wartungszeitpunkt oder ein Wartungsintervall berechnet und dargestellt und/oder ein akustisches Signal ausgegeben werden. Das hat den Vorteil, dass der Gerätenutzer automatisch und rechtzeitig an die in Kürze anstehende Entkalkung erinnert wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit einfachen Mitteln ein störungsfreier, kosten- und energieeffizienter Betrieb des Warmwasserbereiters 1 ermöglicht, wobei das Verfahren einfach durchführbar und universell anwendbar ist.
2 zeigt den Querschnitt eines wasserführenden Rohrs 4 eines Wärmetauschers 3 aus Kupfer. Zur besseren Übersicht ist eine äußere konvektive, d. h. lamellenförmige, äußere Oberfläche 12 des wasserführenden Rohrs 4 des Wärmetauschers 3 nicht gezeigt.
Ein erster Radius r₁ kennzeichnet den Abstand zwischen Mittelpunkt und einer inneren Oberfläche 2 des Kupferrohres 4. Ein zweiter Radius r₂ bezeichnet den Abstand zwischen Mittelpunkt des Kupferrohres 4 und einer Oberfläche 13 einer Kalkschicht 14, welche auf der inneren Oberfläche 2 des Wärmetauschers ausgebildet ist. Die Dicke der Kalkschicht 14 entspricht der Differenz r₁ – r₂.
Wärmebildmessungen an einem Wärmetauscher haben gezeigt, dass die Kalkschichtdicke mit zunehmender Entfernung vom Wassereinlass des Wärmetauschers zunimmt. Dies ist in guter Übereinstimmung mit den Werten für die Kalkschichtdicke, die zuvor mit dem erfindungsgemäßen Verfahren berechnet wurden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit einfachen Mitteln kostengünstig und einfach durchführbar, zuverlässig und universell anwendbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006034057 A1 [0002, 0002]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Warmwasserbereiters (1), insbesondere eines Gas-Warmwasserbereiters, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalkschichtdicke auf einer Oberfläche (2) eines Wärmetauschers (3) ermittelt und überwacht wird, wobei die Kalkschichtdicke auf Basis einer Betriebsdauer und wasserspezifischer Parameter, nämlich zumindest einem CaCO₃ Gehalt und einer Wassertemperatur, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Kalkschichtdicke als Zwischenschritt eine Kalkablagerungsrate unter Berücksichtigung wenigstens eines der folgenden Parameter berechnet wird: – ein wasserspezifischer Parameter, – eine Wassertemperatur, – ein Wasserdurchfluss, – eine Eingangsleistung, – eine Ausgangsleistung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis wasserspezifischer Parameter Konzentrationen von im Wasser enthaltenen Ionen bestimmt werden, die bei der Berechnung der Kalkablagerungsrate berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsfeld und/oder ein thermisches Feld des Wärmetauschers 3 näherungsweise berechnet und bei der Berechnung der Kalkablagerungsrate berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalkablagerungsrate unter Berücksichtigung einer Kristallwachstumsrate berechnet wird, wobei ein stationärer Zustand angenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalkschichtdicke mit einem oberen Grenzwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingangsleistung reduziert wird, wenn die ermittelte Kalkschichtdicke den oberen Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage der berechneten Kalkablagerungsrate ein Wartungszeitpunkt oder ein Wartungsintervall berechnet und dargestellt und/oder ein akustisches Signal ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung der Temperatur der Oberfläche (2) des Wärmetauschers (3) eine Kalkablagerungsrate ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein physikalisch-chemisches Modell für die Berechnung der Kalkablagerungsrate verwendet wird, das auf folgender Beziehung basiert:
und wobei die Ermittlung der Kalkschichtdicke auf folgender Beziehung basiert: d_c = m_c × 1 / ρ × t, wobei m_c = Kalkablagerungsrate in kg/s, d_c = Kalkschichtdicke in m, K₁ = 1. Dissoziationskonstante von Kohlensäure in mol/L bei Wassertemperatur, wobei gilt: H₂CO₃ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + HCO – / 3 , K₂ = 2. Dissoziationskonstante von Kohlensäure in mol/L bei Wassertemperatur, wobei gilt: HCO – / 3 + H₂O ⇌ CO 2– / 3 + H₃O⁺, K_s = Löslichkeitsprodukt von CaCO₃ an der Grenzfläche Wasser/Oberfläche des Wärmetauschers, wobei gilt: K_s = [Ca²⁺] × [CO₃ ^2–] in mol²/L², k_d = Stoffaustauschkoeffizient in m/s, k_r = Kristallisationsgeschwindigkeitskoeffizient in m⁴/s × mol, ρ = Kristalldichte von CaCO₃ in kg/m³, t = Integrationszeit in s.
Warmwasserbereiter, insbesondere ein Gas-Warmwasserbereiter, zur Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Warmwasserbereiter ein Modul zur Ermittlung und Überwachung einer Kalkschichtdicke auf einer Oberfläche (2) eines Wärmetauschers (3) aufweist.