DE202015001143U1

DE202015001143U1 - Hybrid heater heater with reversible heat source

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Publication number: DE202015001143U1
Application number: DE202015001143.8U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-02-11
Filing date: 2015-02-11
Publication date: 2015-05-12
Anticipated expiration: 2025-02-12

Abstract

Vorrichtung zur Temperierung eines Produkts (14) mit mindestens zwei Wärmeträgern, bestehend aus Fluid A (2) und Fluid B (7), einer hydraulischen Verschaltung von Wärmeübertragern (6, 11). dadurch gekennzeichnet, dass Fluid A (2) und Fluid B (7) durch Wärmeübertrager (6, 11) ihre Energie mittels des Fluides B (7), auf das Produkt (14) übertragen. Fluid B (7) kann zum einem die Wärme aus dem Wärmeübertrager 1 (6) über Wärmequelle A (1) aufnehmen und auf das Produkt (14) übertragen. Zum anderen auch durch Wärmequelle B (18) diese direkt auf das Produkt (14) übertragen.Device for tempering a product (14) with at least two heat carriers, consisting of fluid A (2) and fluid B (7), a hydraulic connection of heat exchangers (6, 11). characterized in that fluid A (2) and fluid B (7) by heat exchangers (6, 11) transfer their energy by means of the fluid B (7), on the product (14). Fluid B (7) can firstly absorb the heat from the heat exchanger 1 (6) via heat source A (1) and transfer it to the product (14). On the other hand, by heat source B (18) this directly on the product (14) transmitted.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperierung von flüssigen Produkten, wobei mindestens zwei verschiedene Wärmequellen und oder verschiedene Wärmeträger zum Einsatz kommen.The invention relates to a device for tempering liquid products, wherein at least two different heat sources and or different heat transfer medium are used.

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Erhitzersystem aus zwei Wärmeübertragern, zwischen denen ein Fluid B, beispielsweise Heißwasser zirkuliert. Wärmeübertrager 1 dient dem Erhitzen des Fluides B, durch Fluid A. Für das wärmeabgebende Fluid A kann beispielsweise Wasserdampf eingesetzt werden. Jedoch sind die Fluide A und B durch einen beliebigen Stoff substituierbar. Fluid A ist dadurch gekennzeichnet, dass es nur durch Wärmequelle A temperierbar ist. Wärmeübertrager 2 überträgt die Wärme aus Fluid B, auf einen Produktstrom. Fluid B kann dabei indirekt durch Wärmequelle A und oder direkt aus Wärmequelle B temperiert werden. Eine Steuerungseinheit, ermöglicht den Einsatz unterschiedlicher Wärmequellen und Wärmeträger in prozessabhängigen Wärmeanteilen.The invention relates to a heating system comprising two heat exchangers, between which a fluid B, for example hot water, circulates. Heat exchanger 1 is used for heating the fluid B, by fluid A. For the heat-emitting fluid A, for example, steam can be used. However, the fluids A and B are substitutable by any substance. Fluid A is characterized in that it can only be tempered by heat source A. Heat exchanger 2 transfers the heat from fluid B to a product stream. Fluid B can be tempered indirectly by heat source A and or directly from heat source B. A control unit, allows the use of different heat sources and heat transfer in process-dependent heat shares.

Bislang werden in der Milch und Getränkeindustrie standardmäßig Erhitzer mit einem internen Heißwasserkreislauf eingesetzt. im Standardfall zirkuliert das Heißwasser, zwischen Dampferhitzer und Produkt-Wärmeübertrager. Die Übertragung auf das flüssige Zwischenmedium dient unter anderem als Schutzmaßnahme für sensible Produkte. Das Heißwasser wird durch den Dampferhitzer auf die gewünschte Temperatur erwärmt und gibt diese über den Produktwärmeübertrager auf das Produkt ab. Durch einen zuvor definierten Dampfmassenstrom mit einer definierten Temperatur ergibt sich die geforderte Produktaustrittstemperatur. Die Standard-Lösung lässt lediglich eine Beheizung mit Dampf zu. Potentiale der Kraft-Wärme-Kopplung und die Nutzung von Niedertemperatur aus anderen Wärmequellen bleiben ungenutzt.Until now, heaters with an internal hot water circuit have been used as standard in the milk and beverage industry. In the standard case, the hot water circulates between the steam heater and the product heat exchanger. The transfer to the liquid intermediate medium serves inter alia as a protective measure for sensitive products. The hot water is heated to the desired temperature by the steamer heater and transfers it to the product via the product heat exchanger. By a previously defined steam mass flow with a defined temperature results in the required product outlet temperature. The standard solution only allows heating with steam. Potentials of cogeneration and the use of low temperature from other heat sources remain unused.

Die Erfindung dient dem energieeffizienten Temperieren von Stoffen, wie z. B. Milch oder Fruchtsäften unter der Sicherstellung der Zieltemperatur im Produkt. Fluid A wird, unter dem Einsatz von Fluid B aus anderweitiger Wärmebereitstellung, möglichst energieeffizient, ressourcen- und umweltschonend eingesetzt. Zum Beispiel soll Wärmequelle A nur noch eingesetzt werden, wenn es zum Erreichen der Zieltemperatur notwendig ist, oder aus der Verfügbarkeit von Fluid A oder Fluid B heraus sinnvoll bzw. notwendig ist. Die Entscheidung ob ein Verhältnis von einem oder von beiden Wärmeträgern, zur Erreichung der geforderten Zieltemperatur gewählt wird, erfolgt anhand der Gewichtung von ökonomischen, ökologischen und ressourcenschonenden Entscheidungs- bzw. Steuerungskriterien. Durch eine vom Anlagen-betreiber festgelegte Gewichtung findet in der übergeordneten Steuerung eine Verfügbarkeitsprüfung und Entscheidungsfindung statt. Hieraus ergeben sich die Massenströme der Wärme-träger als Signal an die Erhitzer-Steuerung. Weitere Signale aus dem Prozess werden von der Erhitzer-Steuerung verarbeitet und infolge dessen wird die Steuerungsvariante festgelegt. Daraufhin wird der Öffnungsgrad der entsprechenden Ventile an die Steuerungsvorgabe an-gepasst und somit die Vorgaben der Steuerungsvariante erfüllt.The invention serves the energy-efficient tempering of substances such. As milk or fruit juices while ensuring the target temperature in the product. Fluid A is used as energy efficient, resource and environmentally friendly, using Fluid B from other sources of heat. For example, heat source A should only be used if it is necessary to reach the target temperature, or is useful or necessary from the availability of fluid A or fluid B. The decision as to whether a ratio of one or both of the heat carriers is selected to achieve the required target temperature is based on the weighting of economic, ecological and resource-saving decision or control criteria. A weighting determined by the plant operator results in an availability check and decision-making in the higher-level control system. This results in the mass flows of the heat carrier as a signal to the heater control. Further signals from the process are processed by the heater control and as a result the control variant is defined. Then the degree of opening of the corresponding valves is adapted to the control specification and thus the specifications of the control variant are met.

Durch die Schaltung von Ventilen wird der Fluidkreislauf B weiter geöffnet oder geschlossen. Durch das Öffnen oder Vergrößern des Fluidkreislaufs B können weitere Wärmequellen integriert werden. Die hydraulische Einbindung und die Steuerung von drei Drei-Wege-Ventilen in den Fluidkreislauf B, ermöglicht zwischen einer Versorgung mit unterschiedlichen Wärmeträgern umzuschalten, oder diese zu kombinieren. Daraus ergeben sich drei verschiedene Lösungsansätze.By switching valves, the fluid circuit B is opened or closed further. By opening or enlarging the fluid circuit B further heat sources can be integrated. The hydraulic integration and control of three three-way valves in the fluid circuit B, allows to switch between a supply with different heat transfer, or combine them. This results in three different approaches.

Der erste Lösungsansatz bildet die vom Fluid B versorgte Variante ab. Wärmeübertrager 1 wird beim Zuschalten von anderen Wärmequellen vom Kreislauf entkoppelt. Lösungsansatz 1 ist in l dargestellt.The first approach is the variant supplied by the fluid B. Heat exchanger 1 is decoupled when switching from other heat sources from the circuit. approach 1 is in l shown.

Der zweite Lösungsansatz unterscheidet sich zur ersten Variante indem Fluid B immer durch den Wärmeübertrager 1 strömt, wodurch eine Nachregelung der Fluidtemperatur B im Wärmeübertrager 1 und der damit verbundenen Produktaustrittstemperatur möglich ist. Lösungsansatz 2 ist in 2 dargestellt.The second approach differs from the first variant in that fluid B always flows through the heat exchanger 1, whereby a readjustment of the fluid temperature B in the heat exchanger 1 and the associated product outlet temperature is possible. approach 2 is in 2 shown.

Der dritte Lösungsansatz kombiniert den ersten und zweiten Lösungsansatz. Hierdurch ist es möglich, mit Fluid B den Wärmeübertrager 1 zu nutzen, wie in Lösungsansatz 2, oder direkt in Wärmeübertrager 2 zu fahren. Der in 3 dargestellte Lösungsansatz stellt eine vom Fluid B versorgte Steuerungsvariante dar, jedoch kann der Wärmeübertrager 1 hinzugeschaltet werden um evtl. fehlende Energie in den Fluidkreislauf B einzubringen.The third approach combines the first and second approaches. This makes it possible to use the heat exchanger 1 with fluid B, as in the solution approach 2 , or drive directly into heat exchanger 2. The in 3 shown approach represents a supplied by the fluid B control variant, however, the heat exchanger 1 can be connected to possibly introduce missing energy in the fluid circuit B.

Nachdem die Steuerungskriterien der übergeordneten Steuerung geprüft wurden und eine ausreichend hohe Vorlauftemperatur des Fluides B vorliegt, übermittelt die Steuerungseinheit das Signal zum Schließen an Fluidventil A. Fluid B kann aus einer „Wärmequelle” wie z. B. einem Heißwasserspeicher, einem KWK-System, einer Wärmerückgewinnung oder einer Wärmepumpe bezogen werden. Kontroll- und Regelgröße ist die Produktaustrittstemperatur. Die Vorlauftemperatur des Fluides B unterliegt einer dauerhaften Temperaturmessung. Sinkt die Vorlauftemperatur des Fluides B bzw. des Fluidspeichers um einen bestimmten Gradienten ab, schließt sich der Kreislauf automatisch und die Wärmeversorgung erfolgt ausschließlich über Fluid A. Das System kann durch die Steuerungseinheit, oder durch manuelles Ansteuern, zum Öffnen oder Schließen des Kreises aufgefordert werden. Die Programmierung der Steuerungseinheit erlaubt den Einsatz von Fluid A und Fluid B mit definierten Wärmeanteilen. Hierzu wird durch die Berechnung in der Steuerungseinheit ein Massenstrom vorgegeben und der andere nachgeführt. Somit wird entweder ein Verhältnis aus beiden Wärmequellen berechnet, oder auch nur eine Wärmequelle zur Produkttemperierung genutzt. Durch Anpassung der Massenströme aus den Wärmequellen A und B wird die Produktaustrittstemperatur sichergestellt. Wird beim Öffnen aus einem externen Befehl heraus die Zieltemperatur des Produktes nicht erreicht, so schließt der Kreis automatisch, um eine sichere Produktion zu gewährleisten.After the control criteria of the higher-level control have been checked and there is a sufficiently high flow temperature of the fluid B, the control unit transmits the signal to close to the fluid valve A. Fluid B can be from a "heat source" such. As a hot water tank, a CHP system, a heat recovery or a heat pump. Control and control variable is the product outlet temperature. The flow temperature of the fluid B is subject to a permanent temperature measurement. If the flow temperature of the fluid B or of the fluid reservoir drops by a certain gradient, the circuit automatically closes and the heat is supplied exclusively via fluid A. The system may be prompted by the control unit or by manual control to open or close the circuit. The programming of the control unit allows the use of fluid A and fluid B with defined heat shares. For this purpose, a mass flow is predetermined by the calculation in the control unit and the other tracked. Thus, either a ratio of both heat sources is calculated, or even a heat source used for product temperature. By adjusting the mass flows from the heat sources A and B, the product outlet temperature is ensured. If the target temperature of the product is not reached when opening from an external command, the circuit automatically closes to ensure safe production.

Durch die Integration von Fluid B in das System reduziert sich der Bedarf von Wärmequelle A. Ebenso gilt dies auch invers. Beispielsweise kann das Steuerungskriterium durch eine großteilige, oder alleinige, Versorgung mit Fluid A, durch ein Überangebot an windkrafterzeugtem und somit preisgünstigen Strom, begründet sein. In diesem Fall wäre die Dampfbereitstellung durch einen elektrisch betriebenen Dampferzeuger kostengünstiger. Folglich ist das Steuerungskriterium für jede neue Ausgangssituation zu prüfen und über die geeignete Steuerungsvariante zu entscheiden. In Abhängigkeit von der geforderten Produktaustrittstemperatur ist die Versorgung durch eine Wärmequelle für Fluid B ausreichend, um alle Produktionsprozesse eines Fluid A verbrauchenden Unternehmens abzudecken. Der Erhitzer von Fluid A wird entlastet beziehungsweise gezielt eingesetzt. Das Verbrauchsprofil von Fluid A kann dadurch entweder geglättet oder gesenkt werden, um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen.Integrating Fluid B into the system reduces the need for heat source A. This also applies inversely. For example, the control criterion may be due to a large-scale, or sole, supply of fluid A, by an oversupply of wind power generated and thus inexpensive electricity. In this case, the steam supply would be cheaper by an electrically operated steam generator. Consequently, the control criterion for each new starting situation must be checked and the appropriate control variant decided. Depending on the required product outlet temperature, supply by a heat source for fluid B is sufficient to cover all production processes of a fluid A consuming company. The heater of fluid A is relieved or used specifically. The consumption profile of Fluid A can thereby either be smoothed or lowered to achieve a higher efficiency.

Durch die Reduktion von Fluid A wird das Einsatzpotenzial von Niedertemperaturwärme gesteigert, die zur verbesserten Energieeffizienz des gesamten Produktionsbetriebs führt. Niedertemperaturwärme macht Wärmerückgewinnungssysteme, Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen, Wärmepumpen sowie den Einsatz von regenerativen Energien erst möglich, beziehungsweise deutlich ökonomischer.The reduction of Fluid A increases the potential of low-temperature heat, which leads to improved energy efficiency of the entire production plant. Low-temperature heat makes heat recovery systems, combined heat and power plants, heat pumps and the use of renewable energy possible or significantly more economical.

Durch die Steuerungseinheit kommt es zu einer gesteigerten Energieeffizienz, die auf der Nutzung von KWK-Systemen und Niedertemperatur aus anderen Wärmequellen beruht. Die Steuerungseinheit entscheidet aufgrund eines Algorithmus und der Prioritätsverteilung von ökonomischen, ökologischen und ressourcen-schonenden Entscheidungskriterien über die variablen Wärmeanteile.The control unit achieves increased energy efficiency based on the use of CHP systems and low temperature from other sources of heat. Based on an algorithm and the distribution of priorities, the control unit decides on economic, ecological and resource-conserving decision criteria via the variable heat components.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert. Für alle drei Zeichnungen, l bis 5, gelten die gestrichelten Linien als Ein- und Ausgangssignale der Mess- Steuer- und Regelungstechnik. Die Pfeile von Fluid A, Fluid B und Produkt kennzeichnen die Fließrichtung. Anhand derer ersichtlich wird welche der Ströme in den abgebildeten Lösungsansätzen bzw. Steuerungsvarianten an dem Prozess der Produkttemperierung beteiligt sind. 1 und 2 stellen den Lösungsansatz 1 und 2 dar. 3 bis 5 stellen die Steuerungsvarianten des dritten Lösungsansatzes dar. Besonders hervorzuheben ist 3. Diese stellt sowohl den Lösungsansatz 3, sowie die erste Steuerungsvariante des Lösungsansatzes 3 dar.With reference to the drawings, the invention will be explained in more detail below by way of example. For all three drawings, l to 5 , the dotted lines apply as input and output signals of the measurement and control technology. The arrows of Fluid A, Fluid B and product indicate the flow direction. On the basis of which it can be seen which of the currents in the depicted solutions or control variants are involved in the process of product tempering. 1 and 2 provide the solution 1 and 2 represents. 3 to 5 represent the control variants of the third approach. Specially noteworthy 3 , This represents both the solution approach 3 , as well as the first control variant of the solution 3 represents.

1 zeigt schematisch die Vorrichtung zur Temperierung des Produktes, wobei der Fluid A versorgte Wärmeübertrager 1 vom Kreislauf entkoppelt ist und der Fluid B Kreislauf durch eine andere Wärmequelle gespeist wird. 1 shows schematically the device for temperature control of the product, wherein the fluid A supplied heat exchanger 1 is decoupled from the circuit and the fluid B circuit is fed by another heat source.

2 zeigt schematisch die Vorrichtung zur Temperierung des Produktes, wobei der Fluid B Kreislauf durch den Fluid A betriebenen Wärmeübertrager 1 geführt wird. Der Fluid A betriebene Wärmeübertrager 1 nimmt nicht aktiv an der Produkttemperierung teil. 2 schematically shows the device for temperature control of the product, wherein the fluid B circuit is guided by the fluid A operated heat exchanger 1. Der Fluid B wird durch das Fluid B zugeführt. The fluid A operated heat exchanger 1 does not actively participate in the product temperature.

3 zeigt schematisch die Vorrichtung zur Temperierung des Produktes, wobei die Wärmequelle B, die Temperatur des Fluid B Kreislaufes bestimmt. Jedoch kann der Wärmeübertrager 1 hinzugeschaltet werden, um evtl. fehlende Energie in den Fluidkreislauf B einzubringen. Dadurch ist ein variables Verhältnis der einzelnen Wärmequellen möglich. 3 shows schematically the device for temperature control of the product, wherein the heat source B, the temperature of the fluid B determines cycle. However, the heat exchanger 1 can be connected to introduce possibly missing energy in the fluid circuit B. As a result, a variable ratio of the individual heat sources is possible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Wärmequelle AHeat source A
22: Fluid AFluid A
33: Vorlauf Fluid AFlow fluid A
44: Rücklauf Fluid AReturn fluid A
55: Ventil Fluid AValve fluid A
66: Wärmeübertrager 1Heat exchanger 1
77: Fluid BFluid B
88th: Vorlauftemperatur Fluid BFlow temperature fluid B
99: Ventil Fluid BValve fluid B
1010: Pumpe Fluid BPump fluid B
1111: Wärmeübertrager 2Heat exchanger 2
1212: Pumpe ProduktPump product
1313: Vorlauf ProduktFeed product
1414: Produktproduct
1515: ProduktaustrittstemperaturProduct exit temperature
1616: Rücklauf ProduktReturn product
1717: Wärmequelle BHeat source B
1818: Erhitzer-SteuerungHeater control
1919: Übergeordnete SteuerungHigher level control
2020: Weitere Daten aus Prozessleittechnik und EnergiezentraleFurther data from process control engineering and energy center

Claims

Device for tempering a product ( 14 ) with at least two heat carriers, consisting of fluid A ( 2 ) and fluid B ( 7 ), a hydraulic interconnection of heat exchangers ( 6 . 11 ). characterized in that fluid A ( 2 ) and fluid B ( 7 ) by heat exchangers ( 6 . 11 ) their energy by means of the fluid B ( 7 ), on the product ( 14 ) transfer. Fluid B ( 7 ) can firstly the heat from the heat exchanger 1 ( 6 ) via heat source A ( 1 ) and on the product ( 14 ) transfer. On the other hand also by heat source B ( 18 ) these directly on the product ( 14 ) transfer.

Device for tempering a product ( 14 ) according to claim 1, characterized in that the heat components of the fluids ( 2 . 7 ) by a higher-level control ( 19 ), which use decision criteria to determine the available heat content of the fluids ( 2 . 7 ), be calculated. The calculated ratio of fluids ( 2 . 7 ) is sent to the heater control ( 18 ) transmitted. About valves ( 5 . 9 ), the heat contents of the fluids ( 2 . 7 ).

Device for tempering a product ( 14 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature of the product ( 14 ), by different fluids ( 2 . 7 ) simultaneously by different heat sources ( 1 . 17 ).

Device for tempering a product ( 14 ) According to one of the preceding characterized in that two different fluids ( 2 . 7 ) as required, contribute in different proportions to the temperature.

Device for tempering a product ( 14 ) according to one of the preceding claims, characterized in that individual streams of fluids ( 2 . 7 ) and their heat exchanger ( 6 . 11 ) can be decoupled from the circulation.

Device for tempering a product ( 14 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the individual heat sources ( 1 . 17 ) and the fluids ( 2 . 7 ) by means of a controller ( 18 . 19 ) can be independently calculated and controlled.

Device for tempering a product ( 14 ) According to one of the preceding characterized in that the manual regulation of the heat sources ( 1 . 17 ) is also possible.

Device for tempering a product ( 14 ) according to one of the preceding claims characterized in that different control variants depending on the availability of heat sources ( 1 . 17 ) and their fluids ( 2 . 7 ) result:

In variant 1, the product is mixed exclusively with fluid B ( 7 ) is heated. The heat exchanger ( 6 ) is decoupled from the cycle.

In variant 2, the fluid circuit B is closed to the outside. Fluid B circulates in this variant between the two heat exchangers ( 6 . 11 ). The heat is supplied solely by the fluid A.

Combination of variants 1 and 2. Either the specification of a volume flow from a heat source, for example heat source A ( 1 ). The readjustment is effected by another heat source, for example heat source B (FIG. 17 ). However, this can also be done inversely. Heat source B ( 17 ) is given and heat source A ( 1 ) is readjusted.

Device for tempering a product ( 14 ) according to one of the preceding claims, characterized in that in the case of a lowering of the flow temperature of fluid B ( 7 ) to a certain gradient, the circuit automatically closes and the heat supply exclusively via fluid A ( 2 ) he follows. Likewise, this is also possible inversely. If the flow temperature of fluid B ( 7 ), above a certain temperature, closes the supply of fluid A ( 2 ) and the heat supply takes place exclusively via fluid B ( 7 ).

Device for tempering a product ( 14 ) According to one of the preceding characterized in that automatically adjusts a state of (the required product outlet temperature 15 ) ensures, if by an external command the target temperature of the product ( 14 ) is not reached to ensure a safe product outlet temperature ( 15 ) to ensure.

Device for tempering a product ( 14 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the control ( 19 ) the availability of fluid A ( 2 ) and fluid B ( 7 ) and by means of which the ratio of fluid A ( 2 ) and fluid B ( 7 ) taking into account the required process parameters for the specified product outlet temperature ( 15 ), calculated.

Device for tempering a product ( 14 ) according to one of the preceding claims, characterized in that due to the availability of the fluids ( 2 . 7 ) in relation to the required process parameters by the higher-level control ( 19 ) results in an optimized load management. For example, the steam boiler could be relieved and smoothen or reduce the steam profile. Likewise, by the device waste heat from other processes can be used at short notice, provided that they are dependent on the temperature profile and the fluid properties of fluid A ( 2 ) and fluid B ( 7 ) and is usable and efficient for the device.