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Stand der Technik
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Aus der
DE 4309313 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung des Verschmutzungs- und/oder Verkalkungszustandes von Wärmetauschern in Heiz- oder Kühlanlagen bekannt, bei dem Messwerte von sechs in den beteiligten Medien angeordneten Temperaturfühlern sowie Ansteuerungsdaten von zwei Medien umwälzenden Pumpen in einem Ausgangszustand sowie in einem Betriebszustand aufgezeichnet und ausgewertet werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines Wärmetauschers, insbesondere eines Verschmutzungszustands bei einem Wärmetauscher, durch den mindestens ein Fluid strömt, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelgerät von einem in oder an einer Wand des Wärmetauschers angeordneten Temperatursensor aktuelle Betriebs-Wandtemperaturwerte enthaltende Signale erhält, dass das Regelgerät die Signale laufend überprüft, und dass das Regelgerät bei absinkenden Betriebs-Wandtemperaturwerten unter mindestens eine untere Temperaturschwelle eine mindestens einen ersten Fehlerzustand repräsentierende Größe in einen Speicher schreibt. Bei ansteigenden Betriebs-Wandtemperaturwerten über mindestens eine obere Temperaturschwelle schreibt das Regelgerät eine mindestens einen zweiten Fehlerzustand repräsentierende Größe in einen Speicher.
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Unter dem Ausdruck Überwachung eines Wärmetauschers wird hier insbesondere eine Überwachung der den Wärmetauscherbetrieb beeinflussenden Rahmenbedingungen verstanden. Dazu gehört insbesondere eine Verschmutzung, daneben aber auch eine Verkalkung, Verformung, Blockierung, Veränderung einer aufgebrachten Wärmedämmung. Unter einem Fluid wird hier eine fließfähige Substanz in einem gasförmigen oder flüssigen Aggregatzustand verstanden, beispielsweise kann das ein Gas, ein Heizgas, eine Flüssigkeit, ein Wasser, ein Heizwasser sein. Unter einem Wärmetauscher wird hier eine Vorrichtung verstanden, die mindestens ein erstes Fluid und optional ein zweites Fluid aufnimmt, insbesondere von mindestens einem ersten Fluid und optional einem zweiten Fluid durchströmt wird, und mit der Wärme beispielsweise zwischen diesen Fluiden übertragen werden kann, beispielsweise kann das ein Heizgas-Heizwasser-Wärmetauscher oder ein Heizwasser-Trinkwasser-Wärmetauscher sein. Unter einem Regelgerät wird hier ein Gerät verstanden, mit dem das Verfahren durchgeführt, gesteuert, geregelt wird. Unter einer Wärmetauscherwand wird hier zumindest ein Teil des Wärmetauscherbauteils verstanden, die den Wärmetauscher zumindest teilweise gegenüber einer Außenumgebung begrenzt, beispielsweise kann das eine Struktur aus Edelstahl, Aluminium, Gusseisen, Kupfer, beispielsweise in Form von Blech oder Gussmaterial sein. Unter einer Wandtemperatur wird hier die Temperatur einer Wärmetauscherwand verstanden. Eine Betriebs-Wandtemperatur ist eine Wandtemperatur, wie sie sich unter Betriebsbedingungen einstellt. Die Wandtemperatur wird mit einem Temperatursensor erfasst, insbesondere gemessen, das kann beispielsweise ein elektrischer oder elektronischer Temperatursensor sein, zum Beispiel ein NTC, ein PTC, ein Thermoelement, ein optischer Temperatursensor, ein Temperaturschalter. Unter aktuelle Betriebs-Wandtemperaturwerte enthaltende Signale werden hier Signale verstanden, die mindestens über die Betriebs-Wandtemperatur informieren und darüberhinaus weitere Informationen bereitstellen können, insbesondere zu Betriebsbedingungen, Uhrzeit/Datum. Unter einem Überprüfen wird hier ein Registrieren und/oder Vergleichen und/oder Bewerten verstanden. Unter einer laufenden Überprüfung wird hier eine ununterbrochene oder regelmäßig wiederkehrende Überprüfung verstanden.
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Eine Temperaturschwelle ist ein Endwert (auch Grenzwert) einer maximal zulässigen Temperaturabweichung einer Betriebs-Wandtemperatur von einem Referenz-Wandtemperaturwert.
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Die mindestens eine untere Temperaturschwelle beschreibt den mindestens einen unteren Grenzwert einer Abweichung von einem Referenz-Wandtemperaturwert hin zu niedrigeren Temperaturen. Ein Unterschreiten einer unteren Temperaturschwelle wird mit einem Fehlerzustand assoziiert und einer Verschlechterung der Wärmeübertragung von einem wärmeabgebenden Fluid auf die wärmeübertragende Wand des Wärmetauschers zugeordnet, beispielsweise aufgrund einer Verschmutzung auf einer dem wärmeabgebenden Fluid zugewandten Wandseite. Aufgrund der Verschmutzung wird dem Wärmestrom vom wärmeabgebenden Fluid in die Wand ein erhöhter Widerstand entgegengesetzt, die Wand wird daher nicht so erwärmt wie ohne Verschmutzung. Eine Mindestwärmedurchgangsrate eines Wärmestroms durch die Wärmetauscherwand wird unterschritten.
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Die mindestens eine obere Temperaturschwelle beschreibt den mindestens einen oberen Grenzwert einer Abweichung von einem Referenz-Wandtemperaturwert hin zu höheren Temperaturen. Ein Überschreiten einer oberen Temperaturschwelle wird mit einem Fehlerzustand assoziiert und einer Verschlechterung der Wärmeübertragung von der wärmeübertragenden Wand auf ein wärmeaufnehmendes Fluid zugeordnet, beispielsweise aufgrund einer Verschmutzung auf einer dem wärmeaufnehmenden Fluid zugewandten Wandseite. Aufgrund der Verschmutzung wird dem Wärmestrom von der Wand in das wärmeaufnehmende Fluid ein erhöhter Widerstand entgegengesetzt, die Wand wird daher nicht so gekühlt wie ohne Verschmutzung. Eine Mindestwärmedurchgangsrate eines Wärmestroms durch die Wärmetauscherwand wird unterschritten.
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Schreiben einer einen Fehlerzustand repräsentierenden Größe in einen Speicher bedeutet hier ein Speichern einer Information, die mindestens den Fehlerzustand definiert, optional mit weiteren Informationsinhalten beispielsweise zu Fehlerursache, Fehlerschwere, Betriebsbedingungen, Uhrzeit/Datum. Dieses Schreiben kann weitere Handlungsfolgen nach sich ziehen, wie sie in der folgenden Beschreibung näher ausgeführt sind.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die untere Temperaturschwelle und/oder obere Temperaturschwelle im Regelgerät abgespeichert sind.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die untere Temperaturschwelle und/oder obere Temperaturschwelle empirisch so ermittelt sind, dass ein Mindestdurchfluss des Fluides durch den Wärmetauscher unterschritten wird. Ein Mindestdurchfluss ist beispielsweise ein Volumenstrom und beschreibt einen unteren Auslegungspunkt des Wärmetauschers, der nicht unterschritten werden soll. Der Mindestdurchfluss kann durch ungewollte Veränderungen am Wärmetauscher unterschritten werden, insbesondere durch Verschmutzung und/oder Verkalkung.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die untere Temperaturschwelle und/oder obere Temperaturschwelle empirisch so ermittelt sind, dass eine Mindestwärmedurchgangsrate einer Wärme durch die Wärmetauscherwand unterschritten wird. Eine Mindestwärmedurchgangsrate ist ein Mindestwärmestrom, der vom wärmeabgebenden Fluid durch die Wärmetauscherwand in das wärmeaufnehmende Fluid fließt, und beschreibt einen unteren Auslegungspunkt des Wärmetauschers, der nicht unterschritten werden soll. Die Mindestwärmedurchgangsrate kann durch ungewollte Veränderungen am Wärmetauscher unterschritten werden, insbesondere durch Verschmutzung und/oder Verkalkung.
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Bei einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung eines Verschmutzungszustands, insbesondere eines Verkalkungszustands, bei einem Wärmetauscher sind ein erster Fluidraum des Wärmetauschers zur Aufnahme eines ersten Fluids, ein zweiter Fluidraum des Wärmetauschers zur Aufnahme eines zweiten Fluids und eine Außenumgebung des Wärmetauschers durch Wärmetauscherwände hydraulisch voneinander getrennt. Mindestens ein in und/oder an einer Wärmetauscherwand angeordneter Temperatursensor erfasst mindestens eine Wandtemperatur. Das Verfahren umfasst die Schritte Erfassen mindestens einer Betriebs-Wandtemperatur, Korrekturrechnen der mindestens einen Betriebs-Wandtemperatur, und Ermitteln einer Abweichung zwischen der Korrektur gerechneten Betriebs-Wandtemperatur und einer Referenz-Wandtemperatur. Wenn die Abweichung vorgegebene Abweichungs-Grenzwerte überschreitet oder unterschreitet, wird eine Hinweismeldung über den Verschmutzungszustand an einen Nutzer ausgegeben, und/oder eine Betriebseinschränkung vorgenommen, und/oder eine Betriebsabschaltung ausgelöst.
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Unter einem Wärmetauscher wird hier eine Vorrichtung verstanden, die mindestens ein erstes Fluid und ein zweites Fluid aufnimmt, insbesondere von mindestens einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid durchströmt wird, und mit der Wärme zwischen diesen Fluiden übertragen werden kann, beispielsweise kann das ein Heizgas-Heizwasser-Wärmetauscher oder ein Heizwasser-Trinkwasser-Wärmetauscher sein. Unter einem Fluidraum eines Wärmetauschers wird hier ein begrenzter Raum, insbesondere ein Hohlraum, zur Aufnahme, insbesondere zur Durchleitung, eines Fluides mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung verstanden. Unter einer Außenumgebung wird hier eine Peripherie verstanden, in der der Wärmetauscher angeordnet ist, die am Wärmetausch zwischen erstem und zweitem Fluid möglichst unbeteiligt sein soll, beispielsweise kann das ein zum Beispiel mit Umgebungsluft gefüllter Aufstellraum des Wärmetauschers oder eine Wärmedämmung sein. Unter Wärmetauscherwänden werden hier flächige und/oder schalenförmige feste Strukturen verstanden, die die Fluidräume und/oder die Außenumgebung des Wärmetauschers zumindest teilweise begrenzen und voneinander trennen, beispielsweise können das Strukturen aus Edelstahl, Aluminium, Gusseisen, Kupfer, beispielsweise in Form von Blech oder Gussmaterial sein. Unter hydraulischer Trennung wird hier eine fluiddichte Trennung durch Wärmetauscherwände und Zuleitungen zu den Einlassöffnungen und Ableitungen aus den Auslassöffnungen der Fluidräume verstanden. Unter einer Verschmutzung wird hier eine mit den Fluiden in den Wärmetauscher eingetragene und im Wärmetauscher sich ansammelnde Verunreinigung verstanden, die den Wärmetausch und/oder den Wärmetauscherbetrieb ungünstig beeinflusst, beispielsweise kann das eine Kalkabscheidung von im Fluid gelösten Calcium, eine Verschlammung, eine Salzabscheidung, eine Rußabscheidung, eine Staubabscheidung im Fluidraum und/oder im Wärmetauscher sein. Unter dem Begriff Überwachen eines Zustandes wird hier ein Ermitteln und/oder Erkennen und/oder Bewerten dieses Zustands und/oder ein Hinweisen auf den Zustand und/oder ein Ableiten und/oder Auslösen von Handlungen bei erkannter Handlungsnotwendigkeit verstanden. Unter Erfassen einer Temperatur wird ein Messen von Temperaturwerten und/oder ein Erfassen von Überschreitungen von vorgebbaren Temperaturschwellwerten verstanden. Unter Korrekturrechnen eines Temperaturwertes wird ein Umrechnen verstanden, bei dem aus dem erfassten Temperaturwert ein korrigierter Temperaturwert berechnet wird. Insbesondere berücksichtigt das Korrekturrechnen Messwertveränderungen, die sich durch von den Referenzbedingungen abweichende Betriebsbedingungen einstellen. Insbesondere macht das Korrekturrechnen den Wert der Betriebs-Wandtemperatur vergleichbar mit dem Wert der Referenz-Wandtemperatur, und zwar gerade auch für voneinander abweichende Betriebsbedingungen und Referenzbedingungen. Unter Betriebsbedingungen werden hier aufgeprägte oder äußere Rahmenbedingungen verstanden wie zum Beispiel Fluidtemperaturen an den Einlassöffnungen oder in den Fluidräumen, Volumenströme der Fluide, Temperatur der Außenumgebung. Unter Referenzbedingungen werden hier spezielle Betriebsbedingungen bei einem Referenzzustand verstanden. Explizit von den Betriebsbedingungen ausgenommen ist der Verschmutzungszustand des Wärmetauschers. Die Erfassung oder Vorgabe der Referenz-Wandtemperatur erfolgt, zusätzlich zu den Referenzbedingungen, für den unverschmutzten Wärmetauscher. Abweichungen zwischen Betriebsbedingungen und Referenzbedingungen sind beispielsweise Folge eines leistungsmodulierenden Betriebs des Wärmetauschers. Insbesondere umfasst sind Abweichungen in den Fluidtemperaturen, in der Temperatur der Außenumgebung, in den Fluidvolumenströmen, im Wärmeeintrag in einen Fluidraum, im Wärmeaustrag aus einem Fluidraum. Unter Ermitteln einer Abweichung wird beispielsweise eine Differenzbildung verstanden. Unter Abweichungs-Grenzwerten werden hier Grenzwerte oder Schwellenwerte verstanden, die verschiedenen Verschmutzungszuständen, insbesondere verschiedenen Rubriken von Verschmutzungszuständen, zugeordnet sind, bespielsweise eine Einteilung in Rubriken wie „Verschmutzung unbedenklich“, „Verschmutzung noch akzeptabel“, „Verschmutzung unzulässig, Wärmetauscherbetrieb einschränken und Wartung veranlassen“, „Verschmutzung unzulässig, Wärmetauscherbetrieb sofort einstellen und Wartung veranlassen“.
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Betriebs-Wandtemperatur und Referenz-Wandtemperatur sind Werte, die an derselben Stelle gemessen und/oder für dieselbe Stelle am Wärmetauscher vorgegeben sind.
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Eine Hinweismeldung über den Verschmutzungszustand des Wärmetauschers an einen Nutzer ausgeben bedeutet hier, diese Hinweismeldung auf einem Ausgabegerät, insbesondere einem optischen oder akustischen Ausgabegerät, auszugeben, wenn die Abweichung einen ersten vorgegebenen Abweichungs-Grenzwert überschreitet. Ein erster Abweichungs-Grenzwert kann beispielsweise 10 Kelvin betragen oder beispielsweise in einem Bereich zwischen 5 und 15 Kelvin liegen.
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Eine Betriebseinschränkung vorzunehmen bedeutet hier, ein Signal zum Auslösen einer Betriebseinschränkung, insbesondere eine verringerte Durchströmung mindestens eines Fluidraums mit Fluid oder Absenkung einer Temperatur eines Fluids, an ein Regelgerät auszugeben, wenn die Abweichung einen zweiten vorgegebenen Abweichungs-Grenzwert überschreitet. Ein zweiter Abweichungs-Grenzwert kann beispielsweise 20 Kelvin betragen oder beispielsweise in einem Bereich zwischen 15 und 25 Kelvin liegen.
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Eine Betriebsabschaltung auszulösen bedeutet hier, ein Signal zum Auslösen einer Betriebsabschaltung, insbesondere eine Abschaltung einer Durchströmung mindestens eines Fluidraums mit Fluid oder Absenkung einer Temperatur eines Fluids, beispielsweise auf eine Temperatur der Außenumgebung, an ein Regelgerät auszugeben, wenn die Abweichung einen dritten vorgegebenen Abweichungs-Grenzwert überschreitet. Ein dritter Abweichungs-Grenzwert kann beispielsweise 30 Kelvin betragen oder beispielsweise in einem Bereich zwischen 25 und 35 Kelvin liegen.
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Vorteilhafterweise wird die Abweichung nach Betrag und Vorzeichen mit den unteren und oberen Abweichungs-Grenzwerten verglichen. Die Abweichung A zwischen der Korrektur gerechneten Betriebs-Wandtemperatur TWBK und einer Referenz-Wandtemperatur TWR berechnet sich hier aus: A = TWBK - TWR.
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Das Vorzeichen der Abweichung gibt darüber Aufschluss, ob eine Verschmutzung auf der Wandseite des wärmeabgebenden Fluids oder auf der Wandseite des wärmeaufnehmenden Fluids vorliegt. Ein negatives Vorzeichen der Abweichung (Abkühlung / Abfall der Korrektur gerechneten Betriebs-Wandtemperatur gegenüber der Referenz-Wandtemperatur) stellt sich dann ein, wenn der Wärmeübergang vom wärmeabgebenden Fluid zur Wärmetauscherwand aufgrund von dort vorhandenen Verschmutzungen zunehmend erschwert wird. Ein positives Vorzeichen (Erwärmung / Anstieg der Korrektur gerechneten Betriebs-Wandtemperatur gegenüber der Referenz-Wandtemperatur) stellt sich dann ein, wenn der Wärmeübergang von der Wärmetauscherwand zum wärmeaufnehmenden Fluid aufgrund von dort vorhandenen Verschmutzungen zunehmend erschwert wird.
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Die Unterschreitung einer unteren Temperaturschwelle oder eines unteren Abweichungs-Grenzwerts und/oder die Überschreitung einer oberen Temperaturschwelle oder eines oberen Abweichungs-Grenzwerts gibt darüber Aufschluss, ob eine Verschmutzung unbedenklich, oder noch akzeptabel, oder unzulässig ist mit der Handlungsfolge „Wärmetauscherbetrieb einschränken und/oder Wartung planen“ (zum Beispiel Wärmetauscherreinigung, Entkalkung und/oder Wasserentsalzung jetzt planen), oder unzulässig ist mit der Handlungsfolge „Wärmetauscherbetrieb sofort einstellen und Wartung veranlassen“ (zum Beispiel Wärmetauscher jetzt Entkalken).
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In einer Ausführung des Verfahrens sind die unteren und oberen Abweichungs-Grenzwerte zur Einteilungen in verschiedene Rubriken von Verschmutzungszuständen und/oder die Handlungsfolgen in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der Abweichung unterschiedlich definiert. In anderen Worten können Abweichungen aufgrund von Verschmutzungen auf der wärmeabgebenden Seite anders bewertet werden als Abweichungen aufgrund von Verschmutzungen auf der wärmeaufnehmenden Seite.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Betriebs-Wandtemperatur und ein Erfassen der Referenz-Wandtemperatur bei gleichen oder im Wesentlichen gleichen Betriebsbedingungen des Wärmetauschers erfolgt, und dass das Korrekturrechnen eine Multiplikation mit einem Wert Eins ist.
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Das Erfassen der Referenz-Wandtemperatur erfolgt bei Referenzbedingungen sowie bei unverschmutztem Wärmetauscher. Beispielsweise ist das Erfassen ein Messen bei Referenzbedingungen. Erfolgt das Erfassen der Betriebs-Wandtemperatur ebenfalls bei Referenzbedingungen oder bei im Wesentlichen gleichen Betriebsbedingungen wie das Erfassen der Referenz-Wandtemperatur, so ist das Korrekturrechnen der Betriebs-Wandtemperatur (Multiplikation mit Eins) die einfache Abbildung auf sich selbst, also eine in der Mathematik sogenannte identische Abbildung.
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Referenzbedingungen sind speziell ausgewählte Betriebsbedingungen und können fast beliebig sein, werden dann jedoch für eine konkrete Verfahrensausgestaltung fest ausgewählt und beibehalten. Empfehlenswert ist eine Festlegung auf stationäre Betriebsbedingungen, und/oder auf solche, die sich im Betrieb regelmäßig wieder einstellen, wie beispielsweise ein Anfahrzustand bei einem Betriebsstart, eine maximale Heizleistung seitens des wärmeabgebenden Fluids, übliche Fluidtemperaturwerte, übliche Fluidvolumenströme und/oder Kombinationen der Vorgenannten.
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Die Erfassung oder Vorgabe der Referenz-Wandtemperatur erfolgt bei Referenzbedingungen für den unverschmutzten Wärmetauscher.
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Der Ausdruck im Wesentlichen gleiche Betriebsbedingungen des Wärmetauschers bedeutet hier eine geringe Abweichung zwischen Betriebsbedingungen und Referenzbedingungen, die eine Vergleichbarkeit von Betriebs-Wandtemperatur und Referenz-Wandtemperatur bei Korrekturrechnen nach der identischen Abbildung noch zulässt. Beispielsweise sind das Betriebsbedingungen, die um höchstens 5 %, vorteilhafterweise um höchstens 1 %, besonders vorteilhafterweise um höchstens 0,5 % voneinander abweichen.
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Alternativ zum Erfassen kann die Referenz-Wandtemperatur für Referenzbedingungen auch vorgegeben werden, zum Beispiel auf Basis von Labor- bzw. Prüfstandsmessungen oder auf Basis von Berechnungen bzw. Simulationen.
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Diese Referenz-Wandtemperatur ist den Referenzbedingungen zugeordnet.
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Die Referenz-Wandtemperatur kann in einer Speichereinheit beispielsweise eines Regelgerätes abgespeichert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Betriebs-Wandtemperatur bei Betriebsbedingungen des Wärmetauschers erfolgt, und dass die Referenz-Wandtemperatur bei Referenzbedingungen des Wärmetauschers erfasst wird und/oder Referenzbedingungen zugeordnet ist, und dass das Korrekturrechnen eine Abweichung der Betriebsbedingung von der Referenzbedingung berücksichtigt.
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Das Erfassen der Betriebs-Wandtemperatur erfolgt bei beliebigen Betriebsbedingungen des Wärmetauschers, wobei diese Betriebsbedingungen sich im Allgemeinen von den Referenzbedingungen, die bei der Erfassung der Referenz-Wandtemperatur herrschen und/oder denen die Referenz-Wandtemperatur zugeordnet ist, unterscheiden können. Damit sind Betriebs-Wandtemperatur und Referenz-Wandtemperatur hinsichtlich eines Rückschließens auf einen Verschmutzungszustand und einem Ableiten von Handlungsfolgen nicht geeignet, da nicht miteinander vergleichbar. Die Betriebs-Wandtemperatur wird nun von Betriebsbedingungen auf Referenzbedingungen Korrektur gerechnet, so dass die Korrektur gerechnete Betriebs-Wandtemperatur einen Wert annimmt, der bei ihrer Erfassung unter Referenzbedingungen vorliegen würde. Bei der Korrektur gerechneten Betriebs-Wandtemperatur liegt allerdings auch der Einfluss der Verschmutzung vor, daher nehmen die Korrektur gerechnete Betriebs-Wandtemperatur und die Referenz-Wandtemperatur unterschiedliche Werte an. Somit liegen nun zwei Wandtemperaturwerte vor - die Korrektur gerechnete Wandtemperatur und die Referenz-Wandtemperatur-, die miteinander vergleichbar sind und Rückschlüsse auf einen Verschmutzungszustand des Wärmetauschers ermöglichen. Das Korrekturrechnen erfolgt anhand eines mathematischen Modells (Korrekturmodell), dass eine Umrechnung der Betriebs-Wandtemperatur von Betriebsbedingungen auf Referenzbedingungen ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung eines Verschmutzungszustands bei einem Wärmetauscher, wobei ein erster Fluidraum des Wärmetauschers dazu vorgesehen ist, ein erstes Fluid aufzunehmen, ein zweiter Fluidraum des Wärmetauschers dazu vorgesehen ist, ein zweites Fluid aufzunehmen, und mindestens ein in und/oder an einer Wärmetauscherwand angeordneter Temperatursensor dazu vorgesehen ist, mindestens eine Wandtemperatur zu erfassen, umfasst eine Erfassungseinheit zum Erfassen mindestens einer Betriebs-Wandtemperatur, eine Recheneinheit zum Korrekturrechnen der mindestens einen Betriebs-Wandtemperatur, eine Vergleichseinheit zum Ermitteln einer Abweichung zwischen der Korrektur gerechneten Betriebs-Wandtemperatur und einer Referenz-Wandtemperatur, ein Ausgabe- und/oder Regelgerät zum Ausgeben einer Hinweismeldung über den Verschmutzungszustand an einen Nutzer und/oder Vornehmen einer Betriebseinschränkung und/oder Auslösen einer Betriebsabschaltung, wenn die Abweichung vorgegebene Abweichungs-Grenzwerte überschreitet.
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Unter einem an einer Wärmetauscherwand angeordneten Temperatursensor wird hier ein Temperatursensor verstanden, der beispielsweise außen auf einer der Außenumgebung zugewandten Wandseite des Wärmetauschers angeordnet ist und so in wärmeleitendem Kontakt mit einer äußeren Oberfläche der Wärmetauscherwand steht. Unter einem in einer Wärmetauscherwand angeordneten Temperatursensor wird hier ein Temperatursensor verstanden, der beispielsweise in einer Aufnahmebohrung in der Wärmetauscherwand angeordnet ist und so in wärmeleitendem Kontakt mit einem Inneren der Wärmetauscherwand steht. Insbesondere ist der Temperatursensor in oder an einer den ersten Fluidraum vom zweiten Fluidraum trennenden Wärmetauscherwand angeordnet und misst eine Wandtemperatur im Temperatureinflussbereich zwischen erstem Fluid und zweitem Fluid. Eine beispielsweise elektrische Kontaktierung des Temperatursensors zum Auslesen eines Temperaturmesswerts ist durch die Öffnung zur Aufnahmebohrung in der Oberfläche der Wärmetauscherwand möglich. Die Erfassungseinheit liest den oder die Temperaturmesswerte (zum Beispiel Betriebs-Wandtemperatur, Referenz-Wandtemperatur) des mindestens einen Temperatursensors ein und/oder speichert diese Temperaturmesswerte und/oder vorgegebene Temperaturwerte (zum Beispiel eine vorgegebene Referenz-Wandtemperatur). Die Recheneinheit rechnet die Betriebs-Wandtemperatur von Betriebsbedingungen auf Referenzbedingungen auf Basis eines mathematischen Modells Korrektur. Das Ausgabe- und/oder Regelgerät kann sowohl Hinweismeldungen akustisch oder optisch ausgeben als auch Eingriffe in den Wärmetauscherbetrieb vornehmen oder veranlassen.
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Mit der Erfindung ist ein Verfahren geschaffen, das es erlaubt, die Verschmutzung eines Wärmetauschers zu überwachen, insbesondere zu erfassen, zu bewerten, Handlungsnotwendigkeiten zu erkennen und erforderliche Maßnahmen (Handlungsfolgen) zum Schutz des Wärmetauschers sowie einer angeschlossenen Anlage, beispielsweise einer Heiz- und/oder Kühlanlage, einzuleiten und/oder auszuführen. Damit werden der Wärmetauscher und die Anlage vor Beeinträchtigungen der Funktion, Schäden des Materials, sowie ungeplanten Ausfallzeiten geschützt.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Wärmeübergang von einem wärmeabgebenden Fluid über eine Wärmetauscherwand auf ein wärmeaufnehmendes Fluid durch eine Verschmutzung beeinflusst, insbesondere beeinträchtigt werden kann. Beispielsweise kann die Verschmutzung bezüglich der Wärmeübertragung eine isolierende Wirkung haben, weshalb sich ein Wärmedurchlasswiderstand zum Beispiel von einem wärmeabgebenden Fluid auf die Wärmetauscherwand oder von der Wärmetauscherwand auf ein wärmeaufnehmendes Fluid erhöht. - Auch bei ansonsten gleichen oder im Wesentlichen gleichen Betriebsbedingungen verschiebt sich die Wandtemperatur dann zu höheren oder auch niedrigeren Werten als beim unverschmutzten Wärmetauscher.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigt die Zeichnung. So zeigt
- 1 einen Ausschnitt aus einem Heizgas-Heizwasser-Wärmetauscher mit einem an einer Wärmetauscherwand angeordneten Temperatursensor,
- 2 einen Ausschnitt aus einem Heizgas-Heizwasser-Wärmetauscher mit einem in einer Wärmetauscherwand angeordneten Temperatursensor,
- 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens.
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1 offenbart einen schematischen Ausschnitt aus einem Heizgas-Heizwasser-Wärmetauscher 1 mit einem an einer Wärmetauscherwand 2 angeordneten Temperatursensor 3. Der Wärmetauscher 1 weist einen ersten Fluidraum 11 zur Aufnahme und/oder Durchleitung eines ersten Fluides, beispielsweise eines wärmeabgebenden Heizgases, sowie einen zweiten Fluidraum 12 zur Aufnahme und/oder Durchleitung eines zweiten Fluides, beispielsweise eines wärmeaufnehmenden Heizwassers, auf. Umgeben ist der Wärmetauscher 1 von einer Außenumgebung 13, beispielsweise Luft oder eine Wärmedämmung. Wärmetauscherwände 2 trennen die Fluidräume 11, 12 und die Außenumgebung 13 fluidisch dicht voneinander. Eine Wärmeübertragung vom ersten Fluid auf das zweite Fluid erfolgt mittels Wärmeleitung durch die Wärmetauscherwand 2. An der Wärmetauscherwand 2, von der Außenumgebung 13 aus zugänglich, vorteilhafterweise in einem Temperatureinflussbereich von erstem und zweitem Fluid, ist der Temperatursensor 3 angeordnet zur Messung der Wandtemperatur. Der Temperatursensor 3 kann beispielsweise an der Wärmetauscherwand 2 festgeklebt sein. Weitere beispielhafte Befestigungsarten sind Anlöten, Anschweißen, Festklemmen, Anschrauben. Im Betrieb des Wärmetauschers 1 kann die Wärmetauscherwand 2 sowohl auf der dem ersten Fluidraum 11 zugewandten Seite als auch auf der dem zweiten Fluidraum 12 zugewandten Seite verschmutzen, beispielsweise aufgrund von Staub-, Ruß- oder Kalkabscheidung und andere. Die Wandtemperatur stellt sich im Betrieb des Wärmetauschers 1 in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen und eines Verschmutzungszustandes ein. So kann aus der Wandtemperatur, bei gleichbleibenden oder auch bei für die Messung angefahrenen oder auch bei variablen aber bekannten Betriebsbedingungen, auf den Verschmutzungszustand des Wärmetauschers 1 zurückgeschlossen werden.
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Insbesondere stellt sich eine gegenüber einer Referenz-Wandtemperatur niedrigere Betriebs-Wandtemperatur (bei ansonsten gleichen Betriebsbedingungen) oder eine niedrigere, Korrektur gerechnete Betriebs-Wandtemperatur (bei variablen aber bekannten Betriebsbedingungen, wobei die Betriebs-Wandtemperatur auf Referenzbedingungen umgerechnet wird) dann ein, wenn der Wärmetauscher 1 auf der Seite des wärmeabgebenden Fluides verschmutzt. Und insbesondere stellt sich eine gegenüber einer Referenz-Wandtemperatur höhere Betriebs-Wandtemperatur oder eine höhere, Korrektur gerechnete Betriebs-Wandtemperatur dann ein, wenn der Wärmetauscher 1 auf der Seite des wärmeaufnehmenden Fluides verschmutzt. Unterschreitet die Betriebs-Wandtemperatur bestimmte untere Temperaturschwellen, oder überschreitet die Betriebs-Wandtemperatur bestimmte obere Temperaturschwellen, so kann daraus auf den Verschmutzungszustand zurückgeschlossen werden.
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2 offenbart einen schematischen Ausschnitt aus einem Heizgas-Heizwasser-Wärmetauscher 1 mit einem in einer Wärmetauscherwand 2 angeordneten Temperatursensor 3. Beispielsweise handelt es sich bei dem Temperatursensor 3 um ein Mantel-Thermoelement, das in eine Bohrung in der Wärmetauscherwand 2 eingeführt ist. Durch diese Anordnung sind Temperatureinflüsse seitens der Außenumgebung minimierbar. Ein besonders gut wärmeleitender Kontakt zwischen Wärmetauscherwand 2 und Temperatursensor 3 kann mittels einer Wärmeleitpaste erreicht werden.
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3 offenbart ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung eines Wärmetauschers. Die beispielhafte Schrittreihenfolge zeigt in Schritt 1, dass ein Regelgerät von einem in oder an einer Wand des Wärmetauschers angeordneten Temperatursensor aktuelle Betriebs-Wandtemperaturwerte enthaltende Signale erhält. Schritt 2 zeigt, dass das Regelgerät die Signale laufend überprüft. Schritt 3 zeigt, dass das Regelgerät bei absinkenden Betriebs-Wandtemperaturwerten unter mindestens eine untere Temperaturschwelle eine mindestens einen Fehlerzustand repräsentierende Größe in einen Speicher schreibt, beziehungsweise dass das Regelgerät bei ansteigenden Betriebs-Wandtemperaturwerten über mindestens eine obere Temperaturschwelle eine mindestens einen weiteren Fehlerzustand repräsentierende Größe in einen Speicher schreibt. Das Verfahren wird während des Wärmetauscherbetriebs sich wiederholend immer wieder aufs Neue durchlaufen.
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4 offenbart ein weiteres Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung eines Wärmetauschers. Die beispielhafte Schrittreihenfolge zeigt in Schritt 1 das Erfassen mindestens einer Betriebs-Wandtemperatur, in Schritt 2 das Korrekturrechnen der mindestens einen Betriebs-Wandtemperatur, und in Schritt 3 das Ermitteln einer Abweichung zwischen der Korrektur gerechneten Betriebs-Wandtemperatur und einer Referenz-Wandtemperatur. In Schritt 4 wird die Abweichung mit vorgegebenen unteren und oberen Abweichungs-Grenzwerten verglichen und/oder bewertet. In Abhängigkeit des Ausgangs des Vergleichs, wenn die Abweichung vorgegebene Abweichungs-Grenzwerte unterschreitet oder überschreitet, wird entweder in Schritt 5 eine Hinweismeldung über den Verschmutzungszustand des Wärmetauschers (auf der Seite des wärmeabgebenden oder des wärmeaufnehmenden Fluids) an einen Nutzer ausgegeben, und/oder in Schritt 6 eine Betriebseinschränkung vorgenommen, und/oder in Schritt 7 eine Betriebsabschaltung ausgelöst. Das Verfahren wird während des Wärmetauscherbetriebs sich wiederholend immer wieder aufs Neue durchlaufen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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