DE19504325A1

DE19504325A1 - Kostenorientierte Überwachung eines reinigbaren Wärmeaustauschers

Info

Publication number: DE19504325A1
Application number: DE1995104325
Authority: DE
Original assignee: Tepcon Engineering Gesellschaft GmbH
Current assignee: Taprogge GmbH
Priority date: 1995-02-10
Filing date: 1995-02-10
Publication date: 1996-08-14
Anticipated expiration: 2015-02-11
Also published as: DE19504325C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren zur kostenorientierten Überwachung und/oder Anzeige des Betriebszustandes eines von mindestens einem Fluid durchflossenen reinigbaren Wärmeaustauschers in einer eine Energieanlage einschließenden Gesamtanlage, wobei mittels mindestens eines Sensors kontinuierlich oder in Abständen mindestens ein Meßwert gemessen wird, aus dem sich der Verschmutzungszustand des Wärmeaustauschers ableiten läßt.

Anlagen dieser Art sind seit langem bekannt. So werden beispielsweise in der Informationsschrift zur Heizungsanlagen- und Betriebsverordnung "Damit Sie Ihr Geld nicht verheizen" (herausgegeben vom Bundesministerium für Wirtschaft, Juni 1979 [1]) Heizungsanlagen und Heizkessel beschrieben. Die Wärmeaustauscher der mit Kohle, Öl oder Gas als Brennstoff betriebenen Heizkessel verschmutzen durch Asche und Ruß. Dies führt zu schlechterem Wärmeübergang, einer höheren Abgastemperatur und letztlich zu einem Mehrverbrauch an Brennstoff. Durch Verordnungen ist der Abgasverlust der Heizungsanlage auf einen zulässigen Höchstwert begrenzt. Daher müssen die Wärmeaustauscher im Heizkessel von Zeit zu Zeit gereinigt werden. Dies geschieht zur Einhaltung der zulässigen Höchstwerte in der Regel einmal jährlich. Dabei wird meist nicht geprüft, ob eine häufigere Reinigung nach Kostengesichtspunkten wirtschaftlicher wäre. Für solche Überlegung fehlt bei den Betreibern der Heizungsanlagen in der Regel auch das erforderliche Fachwissen.

Andere reinigbare Wärmeaustauscher werden beispielsweise in der Klimatechnik in mit Kühlwasser beaufschlagten sogenannten Wasserkühlsätzen eingesetzt. Eine solche Anlage ist beispielsweise beschrieben in "Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau. Springer- Verlag, (17. Auflage, 1990, Seite M69)" [2]. Der Wärmeaustauscher ist in diesem Fall ein Verflüssiger mit von Kühlwasser durchströmten Kühlrohren. Das Kühlwasser wird in der Regel in einem offenen Naßkühlturm über Verdunstung rückgekühlt, oder stammt aus einem Fluß oder See. Die Kühlrohre verschmutzen durch härtebildende Wasserinhaltsstoffe, Schwebstoffe, mikrobiologisches Wachstum etc. und bedürfen einer Reinigung. Dies geschieht im günstigen Fall ohne Betriebsunterbrechung über eine automatische Rohrreinigungsanlage (System "Taprogge") oder auch manuell und/oder chemisch mit erforderlicher Betriebsunterbrechung. Eine Reinigung mit Betriebsunterbrechung ist in der Regel so aufwendig, daß der Betreiber sie so selten wie möglich ausführt. Daher werden die Grenzwerte für ein Verschmutzungs-Überwachungssystem nahe an technisch gerade noch zulässige Verschmutzungswerten gelegt, ohne zu untersuchen, ob eine häufigere Reinigung nach Kostengesichtspunkten wirtschaftlicher wäre. Auch hier fehlt für solche Überlegung bei den Betreibern der Klimaanlagen in der Regel das erforderliche Fachwissen.

Weitere Beispiele für bekannte Anlagen mit reinigbaren Wärmeaustauschern sind Gefrierschränke, Verdampferanlagen, Wärmepumpen, Ölkühler oder Produktionsanlagen wie Walzwerke. Allen diesen Anlagen nach dem Stand der Technik ist gemeinsam, daß die Wärmeaustauscher mehr oder weniger schnell verschmutzen und gereinigt werden müssen. Die Reinigungszeitpunkte werden in der Regel nach festen Kriterien festgelegt, beispielsweise nach einer bestimmten Betriebszeit, oder bei Anstieg einer Temperatur über einen bestimmten Grenzwert, oder bei Überschreiten einer bestimmten Druckdifferenz.

Nachteilig bei dieser Vorgehensweise nach dem bekannten Stand der Technik ist es, daß die Auswirkungen des Verschmutzungszustandes des Wärmeaustauschers auf die Betriebskosten der eine Energieanlage einschließenden Gesamtanlage sowie die Kosten für eine Reinigung des Wärmeaustauschers nur unzureichend berücksichtigt werden. Mit zunehmender Verschmutzung des Wärmeaustauschers ändern sich die technologischen Eigenschaften des Wärmeaustauschers in der Regel derart, daß bei der Gesamtanlage höhere Betriebskosten entstehen. So steigt beispielsweise bei einem Heizkessel die Abgastemperatur und bei einem Verflüssiger die Verflüssigungstemperatur mit wachsender Verschmutzung beträchtlich an und verursacht eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der Gesamtanlage, die oft über 5%, in vielen Fällen sogar über 10% betragen kann.

Unvorteilhaft ist auch, daß in vielen Fällen die Wärmeaustauscher zeitlich schwankenden Betriebsbedingungen unterliegen, z. B. einen zeitlich schwankenden Fluidmengenstrom aufweisen. Beispielsweise ändern sich bei derselben Verschmutzung die Aufheiz- bzw. Abkühlspannen der Fluide eines Verflüssigers beträchtlich, was die übliche Verschmutzungsanzeige über Temperaturen in der Aussagefähigkeit sehr einschränkt und die wirtschafflichen Aspekte der Verschmutzung selbst für den Fachmann unübersichtlich macht.

Dieser Stand der Technik ist nicht nur für den einzelnen Betreiber unvorteilhaft, da die erhöhten Betriebskosten der Gesamtanlage beträchtlich höher sein können als die Aufwen dungen für häufigeres Reinigen der Wärmeaustauscher. Auch volkswirtschaftlich und hinsichtlich Umweltschutz ist der beschriebene Stand der Technik nachteilig, da Kosten und Umweltschädigung durch vermeidbaren Energieverbrauch ständig zunehmen. Bedeutsam in diesem Sinne ist auch, daß bei dem einzelnen Betreiber in den meisten Fällen das für die Bewertung der Betriebskosten der Gesamtanlage notwendige technische und betriebswirtschaftliche Fachwissen nicht vorausgesetzt werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahren zur kostenorientierten Überwachung und/oder Anzeige des Betriebszustandes eines von mindestens einem Fluid durchflossenen reinigbaren Wärmeaustauschers in einer eine Energieanlage einschließenden Gesamtanlage. Insbesondere soll die Reinigung des Wärmeaustauschers nicht erst dann angezeigt oder eingeplant werden, wenn die technisch zulässigen Verschmutzung des Wärmeaustauschers erreicht wird, sondern dann, wenn dies kostenorientiert sinnvoll ist. Auch die Schaffung einer entsprechenden Vorrichtung ist Aufgabe der Erfindung.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 20. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß die Auswirkungen des Verschmutzungs zustandes des Wärmeaustauschers auf die Betriebskosten der Gesamtanlage in die Überlegungen zur Reinigung des Wärmeaustauschers einbezogen und gegen die Kosten der Reinigung selbst abgewogen werden, so daß insgesamt ein Kostenminimum erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird mindestens ein Meßwert, aus dem sich der Verschmutzungszustand des Wärmeaustauschers ableiten läßt, einer Auswerteelektronik zugeführt und aus dem Meßwert der aktuelle Verschmutzungszustand ermittelt. Bei diesen Meßwerten kann es sich um eine Temperatur, um einen Druck, um eine Differenz zwischen zwei Temperaturen oder Drücken, um die Durchflußmenge eines Fluids, um die Konzentration eines im Fluid gelösten Bestandteils, um eine Drehzahl oder andere Meßwerte handeln. Anhand in der Auswerteelektronik gespeicherter Daten und/oder funktionaler Abhängigkeiten werden die Auswirkungen des Verschmutzungszustandes des Wärmeaustauschers auf die Betriebskosten der Gesamtanlage zumindest näherungsweise bestimmt, die Kosten für das Reinigen des Wärmeaustauschers ermittelt und mit den Auswirkungen des Verschmutzungszustandes auf die Betriebskosten der Gesamtanlage verglichen. Über eine Ausgabeeinheit erfolgt ein Signal oder eine Anzeige an einem Anzeigeinstrument für den Zeitpunkt, ab dem die Reinigung kostensparender ist als der Weiterbetrieb hin zur technisch zulässigen Verschmutzung des Wärmeaustauschers. Es ist ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung, daß sich bei erfindungsgemäßer kostenorientierter Überwachung des Wärmeaustauschers unter Beachtung der Auswirkungen des Verschmutzungszustandes des Wärmeaustauschers auf die Betriebskosten der Gesamtanlage überraschenderweise in der Regel eine deutlich kürzere "wirtschaftliche Betriebsdauer" bis zur Reinigung ergibt, als sie als "technisch zulässige Betriebsdauer" selbst von Fachingenieuren angegeben und vom Betreiber der Wärmeaustauscher in der Regel auch beachtet wird.

Bevorzugt soll die Ermittlung der Meßwerte in vorgebbaren Zeitintervallen erfolgen, die wiederum bevorzugt 1 Minute bis 24 Stunden betragen sollen. Die Messung in größeren Zeitintervallen hat besonders dann Vorteile, wenn die Energieversorgung der später beschriebenen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mittels Batterie erfolgt, und durch Messen in größeren Zeitintervallen die Lebensdauer der Batterie verlängert werden kann. Die Zeitintervalle müssen jedoch so kurz sein, daß eine aussagekräftige Bewertung des Verschmutzungszustandes des Wärmeaustauschers möglich ist. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, daß die Auswerteelektronik die Zeitintervalle selbst aus Meßwerten bestimmt. Beispielsweise sollte bei einer Heizungsanlage bevorzugt dann gemessen werden, wenn der Brenner in Betrieb ist.

Anspruch 3 beschreibt im Detail eine bevorzugte Form des erfindungsgemäßen Verfahrens, dargestellt in Einzelschritten. Im wesentlichen aus den ab Reinigung des Wärmeaustauschers bis zum Zeitpunkt der Messung durch die erhöhte Verschmutzung des Wärmeaustauschelementes aufsummierten Betriebsmehrkosten der Gesamtanlage und den Kosten für die Reinigung des Wärmeaustauschers wird die Kostensumme gebildet. Aus der Kostensumme werden die mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit berechnet unter der Annahme, daß der Wärmeaustauscher zum derzeitigen Zeitpunkt gereinigt würde. Sobald die mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit über dem Zeitablauf betrachtet den niedrigsten Wert erreicht haben, wird über eine Warnanzeige die Reinigung des Wärmeaustauschers empfohlen. Diese bevorzugte Ausbildung des Verfahrens zur kostenorientierten Überwachung des Betriebszustandes betrachtet das Betriebsspektrum für den Wärmeaustauscher nach Verschmutzung, Fluidmengenstrom etc. für den gesamten vergangenen Zeitraum ab der letzten Reinigung und nimmt für die zukünftige Entwicklung, das heißt für den nächsten Betriebszyklus ein ähnliches Betriebsspektrum an.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft einen Heizkessel. Zur genauen Bestimmung des Abgasverlustes des Heizkessels wird die Temperaturdifferenz zwischen Abgas und Umgebungsluft sowie der CO₂- oder O₂-Gehalt des Abgases benötigt. Eine ungefähre Messung ist jedoch auch ohne Messung von CO₂- oder O₂-Gehalt möglich, die als konstant angenommen werden. Vorteilhaft kann es auch sein, die Ein- und Ausschaltzeitpunkte des Brenners oder Lüfters zu erfassen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft einen Verflüssiger. Eine genaue Bestimmung des Verschmutzungszustandes verlangt neben der Messung der Ein- und Austrittstemperaturen der beiden Fluide auch die Messung des Massenstromes zumindest eines der Fluide. Als ausreichend für die erfindungsgemäße Ermittlung des günstigsten Reinigungszeitpunktes hat sich jedoch die Messung der Temperaturdifferenz zwischen Verflüssigungstemperatur und Kühlmediumaustrittstemperatur sowie der Temperaturdifferenz zwischen Kühlmediumaustritts- und -eintrittstemperatur herausgestellt, wobei der Quotient aus beiden Temperaturdifferenzen eine der Verschmutzung folgende Signalgröße ergibt. Ahnliches gilt für einen Verdampfer.

In weiteren Ausbildungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch Extra polation des Verlaufs der mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit über der Zeit die Betriebsdauer des Wärmeaustauschers bis zur empfohlenen Reinigung berechnet und zur Anzeige gebracht. Dies ermöglicht dem Betreiber eine vorausschauende Planung der Wartungsarbeiten.

Die Routinereinigung von Wärmeaustauschern ist unter Umständen nicht in der Lage, eine völlige Sauberkeit zu erzielen. Es sind Fälle bekannt, bei denen der Wärmeaustauscher trotz Routinereinigung mehr und mehr verschmutzt und in gewissen Zeitabständen einer Intensivreinigung bedarf. Diese Entwicklung wird von der Auswerteelektronik infolge der erfindungsgemäßen Langzeitüberwachung erkannt und eine Intensivreinigung angezeigt, sobald diese insgesamt kostensparender ist als eine Routinereinigung. Dazu werden aus der Vielzahl der nach erfolgter Reinigung des Wärmeaustauschers für den jeweils abgeschlossenen Betriebszyklus und den Beginn des jeweils neuen gespeicherten kennzeichnenden Betriebsdaten die Auswirkungen der Reinigung auf die Betriebskosten der Gesamtanlage zumindest näherungsweise bestimmt, mit den Kosten einer Intensivreinigung verglichen und an einem dem Wärmeaustauscher zugeordneten Anzeigeinstrument eine zusätzliche Anzeige ab dem Zeitpunkt vorgenommen, ab dem eine Intensivreinigung insgesamt kostensparender ist als die routinemäßige Reinigung.

Wie anhand der Zeichnungen noch näher erläutert wird, dient zur Lösung der gestellten Aufgabe auch eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 20 bis 25.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und deren Umfeld werden anhand schematischer Zeich nungen näher erläutert, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen als Heizkessel ausgebildeten erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher

Fig. 2 einen als Verflüssiger ausgebildeten erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher

Fig. 3 Ausführungsbeispiel für die Durchführung des Verfahrens.

Fig. 1 zeigt beispielhaft für die Erfindung einen in eine heizungstechnische Gesamtanlage mit als Heizkörper ausgebildeter Energieanlage (14) eingebundenen Heizkessel (36) mit dem über die erste Zulaufleitung (8) mittels erster Pumpe (12) zugeführten Heizungswasser als erstem Fluid (6), das nach Durchströmen des Wärmeaustauschers (1) über die erste Ablaufleitung (9) wieder der Energieanlage (14) zufließt. Der Brenner (37) mit Steuergerät (35) enthält die als Gebläse ausgebildete zweite Pumpe (13) und einen Zulauf (10) für das Brennstoff-Luft-Gemisch, das die Flamme (38) bildet, den Wärmeaustauscher in Form von Rauchgas als zweitem Fluid (7) durchströmt und den Heizkessel über die zweite Ablaufleitung (11) verläßt. Die Fluide (6; 7) sind als Pfeile dargestellt. Der Wärmeaustauscher (1) besteht aus Wärmeaustauschelementen (2), die auf der Innenseite vom Heizungswasser und auf der Außenseite von Rauchgas beströmt sind. Eine ausschnittsweise Vergrößerung zeigt einen Schnitt durch ein Wärmeaustauschelement (2) mit einer ersten und einer zweiten Wärmeaustauschfläche (3; 4), wobei die rauchgasseitige zweite Wärmeaustauschfläche (4) mit Ruß und Asche als Verschmutzung (5) belegt ist. Der Heizkessel (36) ist mit einer Reinigungsöffnung mit Verschluß (39) versehen, über die der Wärmeaustauscher (1) rauchgasseitig gereinigt werden kann. Bei dieser beispielhaft gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird der Verschmutzungszustand des Wärmeaustauschers aus den die Abgastemperatur (Tag) und die Umgebungstemperatur (Tu) kennzeichnenden Meßwerten abgeleitet. Über Meßleitungen (33) und in der Auswerteelektronik (18) befindliche Meßwerteingänge (20) werden die Meßwerte einem Wandler (21) zugeführt, der zur Ermittlung der augenblicklichen Temperaturen (Tag; Tu) dient, die er zur Recheneinheit (22) weiterleitet. Die Recheneinheit (22) dient zur Berechnung und zum Vergleich von Kosten und ist mit einer Eingabeeinheit (23) zur Eingabe von Funktionen, Kostengrößen und Zeitintervallen sowie mit nicht flüchtigen Speichern (25) für vorgebbare Werte von Energiekosten, Reinigungskosten und/oder funktionale Zusammenhänge von Parametern und mit einer Ausgabeeinheit (28) zur Ansteuerung eines Anzeigeinstrumentes (30) und/oder Abgabe eines Signales über einen zusätzlichen Signalausgang (29) verbunden. Insbesondere dienen der Funktionsspeicher (26) zur Speicherung des Leistungsverlustes (ΔN) in Abhängigkeit von den Temperaturen (Tag; Tu) und der Betriebswertspeicher (27) zur Speicherung von mindestens einem Wert der Steigung (A) der mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit (Kbm) über der Zeit sowie zur Speicherung der für den abgeschlossenen Betriebszyklus kennzeichnender Betriebsdaten zur Langzeitauswertung. Die Eingabeeinheit (23) besitzt Tasten (24) zur Eingabe von Daten und Befehlen. An den Signalausgang (29) kann beispielsweise eine Signalleuchte (43) angeschlossen werden, welche ab dem Zeitpunkt leuchtet, ab dem die Reinigung des Wärmeaustauschers (1) kostensparender ist als der Weiterbetrieb hin zur technisch zulässigen Verschmutzung des Wärmeaustauschers (1). Das Anzeigeinstrument (30) zeigt in diesem Ausführungsbeispiel mit "123 Tage" die Restbetriebsdauer (Δt2) als das Zeitintervall zwischen dem augenblicklichen Zeitpunkt (t1) und dem Zeitpunkt, zu dem die mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit (Kbm) ihren kleinsten Wert annehmen werden und die Reinigung des Wärmeaustauschers kostenoptimal sein wird. Der Abgasverlust von Heizkesseln wird nach [1] aus der Temperaturdifferenz (Tag - Tu) und dem CO₂-Gehalt (CO₂) des Abgasstromes berechnet. In diesem Ausführungsbeispiel wird aus Vereinfachungsgründen der CO₂-Gehalt (CO₂) als annähernd konstant angenommen und nicht gemessen. Für eine genaue Messung müßte der Meßwert für den CO₂-Gehalt (CO₂) zusätzlich der Auswerteelektronik (18) zugeführt werden. Der vollständige Erfindungsgedanke wird erst durch die Beschreibung zu Fig. 3 deutlich.

Fig. 2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen als Verflüssiger (40) ausgebildeten Wärmeaustauscher (1) mit symbolisch dargestelltem Wärmeaustauschelement (2), das aus Wärmeaustauscherrohren als Wärmeaustauschelementen (2) besteht, die nicht detailliert dargestellt sind. Das erste mit einem Pfeil gekennzeichnete Fluid (6) ist über die Zulaufleitung (8) zuströmender, auf der Außenseite der Wärmeaustauschelemente (2) kondensierendes Gas oder Dampf, z. B. Kältemittel einer Klimaanlage als Energieanlage (14), dessen Kondensat mit Pumpe (12) über die Ablaufleitung (9) wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird. Eine zweite Pumpe (13) versorgt den Verflüssiger (40) über die zweite Zulaufleitung (10) mit Kühlwasser als mit einem Pfeil gekennzeichnetem zweiten Fluid (7), das über eine zweite Ablaufleitung (11) wieder abfließt. Die Wärmeaustauschelemente (2) verschmutzen auf der dem Kühlwasser zugewendeten nicht näher bezeichneten zweiten Wärmeaustauschfläche (4) in kurzer Zeit und müssen gereinigt werden. Der Verschmutzungszustand des Wärmeaustauschers (1) wir überwacht durch drei Temperatursensoren (15; 16), welche die drei Fluidtemperaturen (T1; T2; Tc) messen. Bei schwankenden Massenströmen der Fluide (6; 7) und schwankender Kühlwassereintrittstemperatur ist es für eine genaue Bestimmung des Verschmutzungszustandes üblich, zusätzlich zu den Fluidtemperaturen (T1; T2; Tc) auch den Volumenstrom des zweiten Fluids (7) zu messen. Jedoch hat sich gezeigt, daß für die erfindungsgemäße kostenorientierte Überwachung des Verschmutzungszustandes die Ableitung des Verschmutzungszustandes aus den drei Fluidtemperaturen (T1; T2; Tc) ausreichend ist, sofern der Leistungsverlust (ΔN) der die Energieanlage (14) einschließenden Gesamtanlage mit Hilfe des Faktors (F)überwacht wird, wobei der Faktor (F) nach der Formel F=(Tc-T2)/(T2-T1) berechnet wird. Die drei Meßwerte der drei Fluidtemperaturen (T1; T2; Tc) werden der Auswerteelektronik (18) zugeführt und gelangen dort über die Meßwerteingänge (20) zur Recheneinheit (22), die mit den nicht flüchtigen Speichern (25), einer Eingabeeinheit (23) und einer Ausgabeeinheit (28) verbunden ist. An die Ausgabeeinheit (28) sind ein als digitales Display (42) ausgeführtes Anzeigeinstrument (30) und ein Signalausgang (29) angeschlossen. Die Eingabe der Daten über die Eingabeeinheit (23) erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über eine digitale Schnittstelle (44) und Datenleitung (46) mit Stecker (45). Der vollständige Erfindungsgedanke wird erst durch die Beschreibung zu Fig. 3 deutlich.

In Fig. 3 ist mit einem Ausführungsbeispiel die Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens in wichtigen Schritten dargestellt. Die obere Grafik in Fig. 3 zeigt zunächst den Verlauf des Leistungsverlustes (ΔN) über der Zeit (t). Am Ende des letzten Zeitintervalls (Δta) wurde mit Hilfe nicht dargestellter Meßwerte (S1; S2 . . . . . Sn) und anhand der im nicht dargestellten Funktionsspeicher gespeicherten Daten und funktionalen Abhängigkeiten der augenblickliche Leistungsverlust (ΔN(n)) und zu Beginn des letzten Zeitintervalls (Δta) der zu diesem Zeitpunkt gültige augenblickliche Leistungsverlust (ΔN(n-1)) ermittelt. Die Fläche unter der Kurve des Leistungsverlust (ΔN) mit dem Zeitintervall (Δta) als Breite stellt den augenblicklichen Energieverlust (ΔEa) dar, berechnet nach der Formel ΔEa = Δta_*(ΔN(n)+ΔN(n-1))/2. Nicht dargestellt ist die Berechnung der Summe (ΔE) aller augenblicklichen Energieverluste (ΔEa), die in allen zum Gesamtzeitintervall (Δt1) aufsummierten Zeitintervallen (Δta) seit der letzten Reinigung des nicht dargestellten Wärmeaustauschers entstanden sind. Die untere Grafik von Fig. 3 zeigt den Verlauf der mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit (Kbm) über der Zeit (t). Die Dimension ist z. B. DM/Jabr. Zu erkennen ist die augenblickliche Steigung (A(n)) im Zeitintervall (Δta). In nicht dargestellter Weise wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der weitere Verlauf der mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit (Kbm) über der Zeit (t) berechnet und in der Grafik schematisch dargestellt. Danach wird durch Extrapolation des bisherigen Verlaufs der mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit (Kbm) eine Restbetriebsdauer (Δt2) bis zur empfohlenen Reinigung und eine Maximalbetriebsdauer (Δt3) bis zur technisch zulässigen Verschmutzung der Wärmeaustauschers (1) vorausgesagt. Deutlich ist zu erkennen, daß im letzten nicht bezeichneten Zeitintervall (Δta) vor Erreichen der Restbetriebsdauer (Δt2) der Verlauf der mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit (Kbm) über der Zeit (t) einen tiefsten Punkt durchlaufen hat und wieder ansteigt, erkennbar daran, daß die Steigung (A) größer als Null wird. Bei Erreichen der Restbetriebsdauer (Δt2) werden also die niedrigst möglichen mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit (Kbm) annähernd erreicht und ein Reinigen des Wärmeaustauschers (1) ist kostenorientiert angezeigt. Da der Kurvenverlauf der mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit (Kbm) in der Nähe des Minimums eher flach verläuft, steht ein ausreichend langer Zeitaum für die Einplanung der Reinigung zur Verfügung. Es wird aus dem Bild erkennbar, daß das erfindungsgemäße Verfahren den Verlauf des durch die Verschmutzung des Wärmeaustauschers (1) verursachten Leistungsverlust (ΔN) seit der letzten Reinigung des Wärmeaustauschers bis zum derzeitigen Zeitpunkt, also in der Vergangenheit bewertet und daraus auf die Zukunft schließt. Dies geschieht unter der Annahme, daß der mit einer Reinigung abgeschlossene Betriebszyklus sich im Verschmutzungsverlauf und Verlauf des Mengenstromes der Fluide (6; 7) über der Zeit ähnlich verhält wie der nächste Betriebszyklus nach abgeschlossener Reinigung. Dies ist die bestmögliche Annäherung an die Wirklichkeit und wesentlicher Bestandteil der Erfindung. Wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist auch, daß das gesamte Spektrum der schwankenden Betriebsbedingungen durch den erfindungsgemäßen Integrationsvorgang mit anschließender Differenzierung bewertend in die Uberprüfung einbezogen wird, was bei der nach dem bekannten Stand der Technik üblichen Überwachung eines bloßen Augenblickswertes der Verschmutzung nicht möglich ist. Bei sinkendem Massenstrom der Fluide (6; 7) sinkt der durch die Verschmutzung des Wärmeaustauschers (1) verursachte Leistungsverlust (ΔN) ab, was im dargestellten Beispiel an einer Stelle des Kurvenverlaufs des Leistungsverlustes (ΔN) sichtbar wird, und geht so in die Bewertung ein.

Die Zeichnungen und beschriebenen Anwendungen der Erfindung zeigen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung und sollen diese nicht einschränken. Die Erfindung bezieht sich auf alle verschmutzenden und reinigbaren Wärmeaustauscher unabhängig von der Art der Fluide, der Ausführung der Wärmeaustauschelemente, der verwendeten Meßwerte, der benutzten Sensoren oder der Art der Reinigung.

Insgesamt ermöglicht die Erfindung die kostenorientierte Überwachung des Verschmutzungszustandes eines reinigbaren Wärmeaustauschers (1) in einer Gesamtanlage und empfiehlt die Reinigung des Wärmeaustauschers (1) für den Zeitpunkt, ab dem die Reinigung kostensparender ist als der Weiterbetrieb hin zur technisch zulässigen Verschmutzung des Wärmeaustauschers. Damit wird ein energiesparender, umweltschonender Betrieb mit insgesamt niedrigsten Kosten möglich.

Claims

1. Verfahren zur kostenorientierten Überwachung und/oder Anzeige des Betriebszustandes eines von mindestens einem Fluid (6; 7) durchflossenen reinigbaren Wärmeaustauschers

(1) in einer eine Energieanlage (14) einschließenden Gesamtanlage, wobei mittels min destens eines Sensors (15; 16; 17) kontinuierlich oder in Abständen mindestens ein Meßwert (S1; S2 . . . . . Sn) gemessen wird, aus dem sich der Verschmutzungszustand des Wärmeaustauschers ableiten läßt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- die Meßwerte (S1; S2 . . . Sn) werden einer dem Wärmeaustauscher (1) zugeord neten Auswerteelektronik (18) zugeführt;
- der Verschmutzungszustand des Wärmeaustauschers (1) wird aus den Meßwerten (S1; S2 . . . . . Sn) bestimmt;
- anhand in der Auswerteelektronik (18) gespeicherter Daten und/oder funktionaler Abhängigkeiten werden die Auswirkungen des Verschmutzungszustandes des Wärmeaustauschers (1) auf die Betriebskosten der eine Energieanlage (14) einschließenden Gesamtanlage zumindest näherungsweise bestimmt;
- anhand in der Auswerteelektronik (18) gespeicherter Daten und/oder funktionaler Abhängigkeiten werden die Kosten für eine Reinigung des Wärmeaustauschers (1) ermittelt und mit den Auswirkungen des Verschmutzungszustandes auf die Betriebskosten verglichen;
- an einem dem Wärmeaustauscher (1) zugeordneten Anzeigeinstrument (30) erfolgt eine entsprechende Anzeige ab dem Zeitpunkt, ab dem die Reinigung des Wärme austauschers (1) kostensparender ist als der Weiterbetrieb hin zur technisch zulässi gen Verschmutzung des Wärmeaustauschers (1); und
- bei Reinigung erfolgt eine Speicherung für den abgeschlossenen Betriebszyklus kennzeichnender Betriebsdaten zur Langzeitauswertung in der Auswerteelektronik (18).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Meßwerte (S1; S2 . . . Sn) in vorgebbaren Zeitintervallen (Δta) erfolgt, insbesondere in Abständen von 1 Minute bis 24 Stunden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Berechnung und Speicherung des Leistungsverlustes (ΔN), weichen die Ver schmutzung des Wärmeaustauschers (1) an der eine Energieanlage (14) einschließenden Gesamtanlage verursacht, als Funktion (ΔN = f (S1; S2 . . . . . . . Sn)) der Meßwert (S1; S2 . . . Sn) in einem Funktionsspeicher (26) der Auswerteelektronik (18);
b) Ermittlung des augenblicklichen Leistungsverlustes (ΔN(n)) anhand der im Funk tionsspeicher (26) gespeicherten Funktion (ΔN = f (SI; S2 . . . Sn)) mit den augenblicklichen Werten der Meßwerte (S1; S2 . . . . . . . Sn);
c) Ermittlung des augenblicklichen Energieverlustes (ΔEa), welchen der ermittelte Leistungsverlust (ΔN) im letzten Zeitintervall (Δta) verursacht hat nach der Formel ΔEa = Δta _* (ΔN(n)+ΔN(n-1))/2, wobei der augenblickliche Leistungsverlust ΔN(n-1) zu Beginn und der augenblickliche Leistungsverlust ΔN(n) am Ende des letzten Zeitintervall (Δta) gilt;
d) Bildung der Energiesumme (ΔE) aller augenblicklichen Energieverluste (ΔEa), die in allen zu einem Gesamtzeitintervall (Δt1) aufsummierten Zeitintervallen (Δta) seit der letzten Reinigung des Wärmeaustauschers (1) entstanden sind;
e) Bildung der Kostensumme (ΣK) nach der Formel ΣK = ΔE _* X + Kr + Ks, die ins gesamt bei einer Reinigung des Wärmeaustauschers (1) zum derzeitigen Zeitpunkt (t1) entstehen würden, wobei X die Kosten der Energieeinheit angibt, Kr die Kosten der Reinigung des Wärmeaustauschers (1) und Ks sonstige mit dem Betrieb des Wärmeaustauschers oder der Reigung verbundene Kosten;
f) Berechnung der mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit (Kbm) für das Gesamt zeitintervall (Δt 1) nach der Formel Kbm = ΣK/Δt 1;
g) Berechnung der augenblicklichen Ableitung nach der Zeit der mittleren Betriebs kosten pro Zeiteinheit nach der Formel A(n) = (Kbm(n) - Kbm(n-1))/Δta und Speicherung dieses Wertes der augenblicklichen Steigung (A(n)) in einem Betriebswertspeicher (27);
h) Auslösung einer Warnanzeige auf einem Anzeigeinstrument (30), wenn die augen blickIiche Steigung (A(n)) einen Wert gleich oder größer als Null annimmt;
i) bei Reinigung des Wärmeaustauschers (1) Speicherung kennzeichnender Betriebsdaten zur Langzeitauswertung im Betriebswertspeicher (27) für den abgeschlossenen Betriebszyklus und den Beginn des neuen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieanlage (14) ein mit fossilen Brennstoffen betriebener Heizkessel (36) in einer Anlage der Heizungs technik als Gesamtanlage ist mit Wärmeübertragermedium, insbesondere Wasser als erstem Fluid (6) und aus der Verbrennung entstandenem Rauchgas als zweitem Fluid (7) und mindestens die Umgebungslufttemperatur (Tu) und die an der zweiten Ablaufleitung (11) des zweiten Fluids (7) gemessene Abgastemperatur (Tag) als Meßwerte (Stag; Su).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens als weiterer zusätzlicher Meßwert (S_CO2) der CO₂-Gehalt (CO₂) oder dem O₂-Gehalt (O₂) des Abgases als zweitem Fluid (7) an der zweiten Ablaufleitung (11) gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens als weiterer zusätzlicher Meßwert (Ssz) der Schaltzustand der zweiten Pumpe (13) für das zweite Fluid (7) gemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für eine näherungsweise Bestimmung des Verschmutzungszustandes des Wärmeaustauschers (1) und dessen Auswirkungen auf die Betriebskosten der Gesamtanlage der CO₂-Gehalt (CO₂) und der O₂-Gehalt (O₂) des Abgases als zweitem Fluid (7) an der zweiten Ablaufleitung (11) als konstante Werte festgesetzt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieanlage (14) ein Verflüssiger (40) mit röhren- oder plattenlörmigem Wärmeaustauschelement (2) zur Verflüssigung eines über eine erste Zulaufleitung (8) zuströmenden gas- oder dampfförmigen und eine erste Ablaufleitung (9) abströmenden flüssigen ersten Fluids (6) ist, mit einem über eine zweite Zulaufleitung (10) zuströmenden und über eine zweite Ablaufleitung (11) abströmenden Kühlmedium, bevorzugt Kühlwasser oder Luft als zweitem Fluid (7) und mindestens der an der zweite Zulaufleitung (10) gemessenen Kühlmediumeintrittstemperatur (T1) sowie der an der zweiten Ablaufleitung (11) gemessenen Kühlmediumaustrittstemperatur (T2) und der Verflüssigungstemperatur (Tc) des ersten Fluids (6) als Meßwerte (St1; St2; Stc).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieanlage (14) ein Verdampfer mit röhren- oder plattenförmigem Wärmeaustauschelement (2) zur Verdampfung eines über eine erste Zulaufleitung (8) zuströmenden flüssigen und eine erste Ablaufleitung (9) abströmenden gas- oder dampfförmigen ersten Fluids (6) ist, mit einem über eine zweite Zulaufleitung (10) zuströmenden und über eine zweite Ablaufleitung (11) abströmenden Heizmedium, bevorzugt Wasser oder Luft als zweitem Fluid (7), wobei mindestens die an der zweite Zulaufleitung (10) gemessene Heizmediumeintrittstemperatur (T3) sowie die an der zweiten Ablaufleitung (11) gemessene Heizmediumaustrittstemperatur (T4) und die Verdampfungstemperatur (Tb) des ersten Fluids (6) gemessen werden.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zeitlichen Verlauf des ermittelten Verschmutzungs zustandes der Wärmeaustauschers (1) unter Hinzuziehung von gespeicherten Erfah rungswerten oder Erfahrungsfunktionen die Maximalbetriebsdauer (Δt3) bis zur tech nisch zulässigen Verschmutzung des Wärmeaustauschers (1) ermittelt und ebenfalls angezeigt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Verlauf der Funk tion der mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit (Kbm) in Abhängigkeit von der Zeit ein Trend dieser Funktion ermittelt und ein Betriebsreservesignal (Sbr) in Abhängigkeit von dem ermittelten Trend generiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Signalgröße des Betriebsreservesignals (Sbr) die bis zur empfohlenen Reini gung des Wärmeaustauschers (1) erwartete Restbetriebsdauer (Δt2) ist, die dadurch ermittelt wird, daß mit üblichen Methoden der Mathematik aus einer Anzahl von m+1 Steigungen A(n), A(n-1), A(n-2), . . . A(n-m) der weitere zeit liche Verlauf der mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit (Kbm) und insbesondere der Zeitpunkt berechnet werden, in dem diese einen kleinsten Wert annehmen und die Steigung (An) gleich oder größer Null sein wird,
- daß die Restbetriebsdauer (Δt2) das Zeitintervall zwischen dem durch das Gesamt zeitintervall (Δt1) beschriebenen augenblicklichen Zeitpunkt (t1) und dem Zeitpunkt ist, zu dem die mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit (Kbm) ihren kleinsten Wert überschritten haben werden;
- und daß m mindestens den Wert 3 hat.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsreservesignal (Sbr) die Restbetriebsdauer (Δt2) auf einem Anzeigeinstrument (30) zur Anzeige bringt.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigung des Wärmeaustauschers (1) chemisch erfolgt.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigung des Wärmeaustauschers (1) mechanisch erfolgt.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz (DP) wischen einer der Zulaufleitungen (8; 10) und der zugeordneten Ablaufleitung (9; 11) als ein die Verschmutzung kennzeichnender Meßwert (Sdp) herangezogen wird.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Vielzahl der nach erfolgten Reinigungen des Wärmeaustauschers (1) für den jeweils abgeschlossenen Betriebszyklus und den Beginn des jeweils neuen gespeicherten kennzeichnenden Betriebsdaten die Auswirkungen einer nach der jeweiligen Reinigung verbleibenden Restverschmutzung auf die Betriebskosten der Gesamtanlage und auf die Reinigungskosten insgesamt zumindest näherungsweise bestimmt werden und mit den Kosten einer zusätzlichen Intensivreinigung verglichen werden, und daß an einem dem Wärmeaustauscher (1) zugeordneten Anzeigeinstrument (30) eine Anzeige ab dem Zeitpunkt erfolgt, ab dem eine Intensivreinigung insgesamt kostensparender ist als der Weiterbetrieb mit routinemäßigen Reinigungen.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall (Δta) über die Betriebsdauer konstant ist und vom Betreiber über die Eingabeeinheit (23) eingegeben wird.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall (Δta) sich aus dem Betriebsablauf des Wärmeaustauschers (1) ergibt und von der Auswerteelektronik über den Verlauf eines der Meßwerte (S1; S2 . . . . . Sn) ermittelt wird.

20. Vorrichtung zur kostenorientierten Überwachung und/oder Anzeige des Betriebs zustandes eines reinigbaren von mindestens einem Fluid (6; 7) durchflossenen Wärme austauschers (1) in einer eine Energieanlage (14) einschließenden Gesamtanlage, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- mindestens einen Sensor (15; 16; 17) zur Erzeugung von Meßwerte (S1; S2 . . . . . Sn), aus denen in einer Auswerteelektronik (18) der Verschmutzungszustand des Wär meaustauschers (1) ermittelbar ist;
- eine dem Wärmeaustauscher (1) zugeordnete Auswerteelektronik (18) mit einer Eingabeeinheit (23) für Daten und zumindest einem Meßwerteingang (20), wobei
- in der Auswerteelektronik (18) nicht flüchtige Speicher (25) für vorgebbare Werte von Energiekosten, Reinigungskosten und/oder funktionale Zusammenhänge von Parametern sowie zur Langzeitspeicherung von Betriebsdaten vorhanden sind, und
- die Auswerteelektronik (18) eine Recheneinheit (22) zur Berechnung und zum Vergleich von Kosten und eine Ausgabeeinheit (28) zur Ansteuerung eines Anzei geinstrumentes (30) und/oder Abgabe eines Signales über einen zusätzlichen Signalausgang (29) aufweist; und
- ein Anzeigeinstrument (30) zur Anzeige der in der Auswerteelektronik (18) ermit telten Werte oder Signale.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 18, gekennzeichnet durch folgende zusätzlichen Merkmale:

- Mittel zur Eingabe der Funktion (ΔN = f (S1; S2 . . . Sn)), der Kostengrößen (X; Kr; Ks) sowie des Zeitintervalls (Δta);
- einen Funktionsspeicher (26) zur Speicherung des Leistungsverlustes (ΔN) in Abhängigkeit von den Meßwerten (S1; S2 . . . . . Sn) als Variablen als Funktion (ΔN = f(S1; S2 . . . Sn));
- eine Recheneinheit (22) mit Speicher (25) zur Berechnung des augenblicklichen Energieverlustes (ΔEa = ΔTa _* (ΔN(n)+ΔN(n-1))/2), der Summe (ΔE) aller augenblicklichen Energieverluste (ΔEa), die in allen zum Gesamtzeitintervall (Δt1) aufsummierten Zeitintervallen (Δta) seit der letzten Reinigung des Wärmeaustauschers (1) entstanden sind, der Kostensumme (ΣK = ΔE _* X + Kr + Ks), die insgesamt bei einer Reinigung des Wärmeaus tauschers zum derzeitigen Zeitpunkt t1 entstehen würden, der mittleren Betriebs kosten pro Zeiteinheit (Kbm = SK/Δt1) für das Gesamtzeitintervall (Δt1) und der augenblicklichen Steigung (An) der mittleren Betriebskosten pro Zeiteinheit (Kbm) und des Trends für deren Verlauf (Kbm = f (Zeit t)) aus mindestens einem gespei cherten Wert der Steigung (A(n); A(n-1); . . . .);
- einen Betriebswertspeicher (27) zur Speicherung von mindestens einem Wert der Steigung (A(n); A(n-1); . . . .) sowie der für eine Langzeitauswertung der einzelnen Betriebszyklen kennzeichnenden Betriebsdaten;
- Mittel zur Generierung eines Betriebsreservesignals (Sbr) in Abhängigkeit von dem ermittelten Trend;
- Mittel zur Anzeige des Betriebsreservesignals (Sbr).

22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Restlebensdauer (Δt2) an einem digitalen Display (42) anzeig bar ist.

23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigeinstrument (30) eine Signalleuchte (43) ist.

24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichne die Energieversorgung der Vorrichtung mittels Batterie (31) erfolgt.

25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichne die Energieversorgung der Vorrichtung mittels Stromnetz (32) erfolgt.