SE515812C2 - Förfarande för styrning av utgående temperatur på sekundärsidan i en värmeväxlare samt system för utförande av förfarandet - Google Patents

Description

-51-5 812 2 u. a. av lösning korrigerar för olika tryck i primärsidan, men ger inte den snabba korrigeringen av temperaturen vid förändringar i tappvarmvattenflödet på sekundärsidan. Här användes även en tryckfallsmätning över en strypning i primärkretsen samt tryckmätning på primärsidan men även temperaturmätning före samt efter värmeväxlaren på primärsidan. Systemet blir relativt dyrt då tyå tryckmätare erfordras på primärsidan, samt har svårt att snabbt reglera temperaturen på sekundärsidan vid plötsliga förändringar av tappflödet på sekundärsidan. Först när temperaturen de facto faller på sekundärsidan sker regleråtgärder, och den typiska pendlingen i temperaturen på tappvarmvattnet erhålles.

Genom EP 0.526.884 visas en reglerteknik från värmeskrivare, där värmeskrivarens huvud regleras till konstant temperatur genom att primärt reglera tillförd elenergi till huvudet samt sekundärt via ett reglerbart kompenserande kylflöde. Värmehuvudets temperatur mäts med en första temperatursensor och temperaturen på bortförd kylfluid mäts med en andra temperatursensor. Systemet beräknar bortförd värmeeffekt i kylflödet genom att mäta och reglera kylflödet samt mäter temperaturen på det såväl ingående samt utgående (uppvärmt) kylflödet.

Genom WO 96/17210 är förut känt ett reglersystem för en fiärrvärmecentral, i vilken innefattas temperaturmätningar samt flödesmätningar på primärsidan i syfte att ge önskad reglering samt beräkna uttagen effekt för debitering mot kund. inte heller här användes flödesmätning på sekundärsidan, varför systemet troligen utsättes för pendlingar i temperaturen på utgående vattnet på sekundärsidan.

Genom bruksmönstret DE,U1 296.17.756 är förut känt ett system där en shuntreglering utföres på primärsidan, med återledning på primärsidan av från värmeväxlaren utgående flöde tillbaka till värmeväxlarens ingående flöde. Här förutsatts att konstant temperatur erhålles på tappvarmvattnet på sekundärsidan om temperaturen på från värmeväxlaren utgående flöde på primärsidan hålles konstant. Denna förutsättning medför att pendlingar i temperaturen på sekundärsidan ovillkorligen erhålles då värmeväxlarens ytor först skall kylas av tappvarmvattnet. Dessutom svarar inte systemet snabbt på plötsliga ökningar av Issue 2: 2001-04-18 10 15 20 25 30 35 .51É 812 3 u» .- tappvarmvattenflödet, då reglering vidtages först när temperaturen sjunkit på primärsidan.

Den kända tekniken har inte uppmärksammat behovet av att snabbt kunna vidtaga åtgärder när värmeuttaget på sekundärsidan plötsligt förändras, d.v.s. när flödet förändras språngartat. Detta innebär att reglersystemen oundvikligen hamnar i pendlingstillstånd vad avser temperaturen på sekundärsidan. Trots mångfalden av enskilda lösningar för delproblem, så har inget system uppvisat egenskaper som samtidigt medger stabil funktion oavsett placering i fjärrvärmenätet. De flesta systemen där temperaturen skall regleras noggrant på sekundärsidan har innefattat regler-loopar med återkopplad information om temperaturarvärdet.

Uppfinningens ändamål Uppfinningens ändamål är att erhålla en stabil styrutrustning i värmeväxlarsystem där stora variationer kan förekomma på primärsidan vad avser ingående temperaturer samt differenstryck, där en förbättrad konstanthållning av tappvarmvattentemperaturen på förbrukarsidan sker, utan att använda en återkoppling av det faktiska temperaturtärvärdet från sekundärsidan för själva konstanthållningen av temperaturen.

Genom uppfinningen elimineras risken för pendlingar i temperaturen på sekundär-sidan, i fiärrvärmecentralerna motsvarande tappvarmvattnet.

Uppfinningen medför förbättrad Iastföljsamhet oberoende av förbrukarstorlek.

Risken med igenkalkning i värmeväxlare reduceras även betydligt då ett noggrannare styrsystem kan motverka temperaturtoppar över 60°C.

Uppfinningen medför även att i de flesta fiärrvärmenät så kan styrsystemet installeras utan injustering av reglerparametrar, vilket kraftigt reducerar tid nodvändig för installation samt tid för service/injustering.

I en föredragen utföringsform så är förfarandet samt systemet ägnat att även kunna ta hand om förändringar på sekundärsidan vad avser temperaturskiftningar på ingående vatten som skall värmas i värmeväxlaren. Oftast kan denna utföringsform utgå, då i de flesta fiärrvärmenät kan antagas att ingående Issue 2: 2001-04-18 10 15 20 25~ 30 35 515 812 kallvatten i stort sett håller konstant temperatur över året, främst i områden där Vattenförsörjning erhålles från grundvattentäkter. I andra system där färskvatten tas från yttäkter/ytvatten, kan dock temperaturen variera mer. Genom denna utföringsform kan ett och samma system användas i ett störregeografiskt bestämt område, och för ett annat område med enkel modifikation kan korrigera främst för eventuella temperaturväxlingar på ingående färskvatten.

Figurförteckning Figur 1a, visar schematiskt ett uppfinningsenligt system Figur 1b-d, visar exempel på varianter på utförande av ett uppfinningsenligt system Figur 2, visar exempel på variant på utförande av ett uppfinningsenligt system tillämpat på tappvarmvattensystem med wc-krets.

Figur 3, visar exempel på utförande av ett uppfinningsenligt system tillämpat på komplett fiärrvärmecentral inklusive tappvarmvattenstyrning, radiatorvattenstyrning, värmemängdsmätning, samt med kommunikation till överordnat system.

Figur 4, visar schematiskt ett smart ventilblock vilket integrerar kanal, ventil, temperaturgivare och differenstryckgivare, vilket ventilblock lämpar sig som del av det uppfinningsenliga systemet.

Beskrivning av utföringsexempel I figur 1a visas en implementering av uppfinningen i en fiärrvärmecentral. I centralen ingår en värmeväxlare 1 vilken på primärsidan matas med varmvatten 3i från centralvärmenätet samt returvatten 3u. På sekundärsidan matas ingående färskvatten 2i för uppvärmning i värmeväxlaren och uttaget uppvärmt tappvarmvatten 2u leds senare till tappställen hos slutförbrukaren/kunden.

Enligt uppfinningen så är en flödesmätare 4 anordnad i sekundärkretsen 2i-2u företrädesvis på ingångssidan, vars utsignal leds till styrenheten 7.

På primärsidan är sedan en första temperaturgivare 9 anordnad på ingångsflödet 3i, samt en andra temperaturgivare 8 anordnad på returflödet 3u, där även utsignalerna från dessa givare tilledes styrenheten (7).

För styrningen av flödet genom primärsidan finns en reglerventil (5) anordnad i primärkretsen, företrädesvis på returflödet (vilket ger lägre temperatur- och kaviationsbelastning på ventilen). Ventilens läge, a, styrs av styrenheten (7). issue 2: 2001-04-18 - «- -~' ' ' ' ' 'I.... .

... ... .. :Z 1-1, _ . 10 15 20 25 30* 35 i: 4 i: o 1 o g ru u |L För bestämning av flödet genom primärkretsen (3i-3u) användes i den visade utföringsformen en tryckdifferensgivare (6), vilken är kopplad över styr-ventilens (5) in- respektive utlopp.

I figur 1b visas ett utföringsexempel liknande det beskrivet i 1a, men där styrorganet verkande på primärkretsen utgöres av en pump (11) med förbestämt förhållande mellan flödet genom denna som funktion av van/tal samt differenstryck över pumpen där, differenstryck över pumpen uppmätes (6).

Styrenheten (7) styr varvtalet på pumpen till önskat primärflöde. l figur 1c visas ett utföringsexempel liknande det beskrivet i 1a, men där styrning av önskat flöde sker genom att mäta primärflödet med en flödesgivare (12) och reglera in ventilläget a till önskat primärflöde (obs lokal reglerloop med återkoppling av flödets ärvärde).

I figur 1d visas ett utföringsexempel liknande det beskrivet i 1c, men där flödesdetekteringen sker med hjälp av en fast strypning och en givare anordnad över denna för att mätning av differenstryck (12).

I figur 2 visas ett utföringsexempel liknande det beskrivet i 1a, men där ingående flöde på sekundärsidan (2i) utgöres av en blandning av kallvatten och ett återfört s.k. wc flöde av varmvatten. I detta fall fås varierande temperatur på ingående sekundärflöde (2i) varför mätning av denna temperatur Tsin (10) måste inkluderas.

I figur 3 visas ett utföringsexempel av uppfinningen i en fiärrvärmecentral där samtliga förekommande funktioner inkluderats. Funktionerna i exemplet innefattar tappvarmattenstyrning och radiatorvattenstyrning samt mätning av total överfört värmemängd samt presentation av denna information via en kommunikationslänk (com) till ett externt överordnat system. Funktioner för diagnostik av värmeväxlare och övriga komponenter i centralen, implementerade med hjälp av i systemet förekommande mätvärden, samt kommunikation med den övergripande centralen via (com) skall tänkas ingå i de funktioner som styrenheten 7 verkställer.

Grundläggande teori för sgrningen.

Uppfinningen baserar sig på att primärflödet hela tiden skall matchas mot aktuellt Issue 2: 2001-04-18 - - H. . .. t.

.. . . . .- . ~ . I f: . .- . . - . . -~ :__ I ... u . -. >-= ..- h. t. . I _ , _ . - 5 - » . .- ' ' . u ~ n. .- v ,, .. . . . . 10 15 20 Si 812 ouwfifl n; .- flöde på sekundärsidan. Den på respektive sida tillförda samt uttagna energin Q bestämmes av ekvationen: Q=p-c,,-q-Af (A) där p motsvarar densiteten på mediet i kretsen, cp motsvarar specifika värmet på mediet, q motsvarar flödet i kretsen samt AT motsvarar skillnad i temperatur på ingående respektive utgående flöde i respektive krets (primär eller sekundär).

Vid värmeväxlingen uppstår en effektbalans där den tillförda effekten till primärsidan Q prim är lika med den uttagna effekten på sekundärsidan Qsek , d.v.s.

QW. = Qtek (B) En insättning av ekvation A i ekvation B ger; pprim i CPI", ' qprim ' ATprim = p sek ' clfwk ' qsek ' Anek Detta ger styrfunktionen för styrningen av flödet i primärkretsen uttryckt såsom; psek ' cPxk ' ATse/r j (D) pprrm . CPWM . ATprim qpnm = 'qsek Vid användning av samma media i primärkrets och sekundärkrets (pm =Ppnmi c = cpm) reduceras uttrycket till; Puh ATseir AT prim (02) qprim = qsek ' Issue 2: 2001-04-18 10 15 -51-5 812 7 ßgglerventilens konstruktion Ventilen 5 kan vara av olika konstruktion med en för konstruktionen känd flödeskarakteristik. Exempel på ventiler kan vara sätes-, slid-, kul- eller kägelventiler. Vid användning av en slidventil påverkad av öppnande/stängande reglerskruv är i huvudsak öppningens storlek proportionell mot slaget a.

För varje typ av ventil kan flödeskarakteristiken k,,(a) bestämmas beroende på aktuellt tryck över ventilen, flödet genom ventilen samt ventilens öppningsgrad.

Flödet genom ventilen bestämmes således genom sambandet: qverml = kv (a) ' 'V Apventil ur vilken löses att; mafi-JÉAÉL-f' (E) och awzkllfff-'H (F) V Apventil där fw(x) är inversa funktionen till kv(x).

Issue 22 2001-04-18 10 15 20 25 30 u» n- 1.515 812 s Stvrfunktion på ventil med differenstrvckmätninq Vid användning av en ventil styrs ventilens läge så att rätt flöde erhålles. För varje typ av ventil kan man empiriskt fastställa erhållet flöde beroende av aktuellt ventilläge och differenstryck över ventilen.

Då styrningen sker på primärsidan genom inställning av ventilens läge, a, kan detta läge uttryckas som funktion av detekterat flöde i sekundärkretsen, detekterad temperaturskillnad på primärsidan, detekterat differenstryck över reglerventilen samt önskad temperaturskillnad på sekundärkretsen.

För varje önskat flöde i primärkretsen kan styrning av ventilläget, a, ske enligt ekvationen: a = flv( qprim ) VApvenlil vilket med ekv D insatt i ekv G ger - -AT a = w qsek _ psek cPuk sek 'V Apvenlil ppm" l cppfim I ATPfÜ" eller a: cv qsek _ ATsek AP ventil ATP' 1"' då samma värmebärare används på primär och sekundärsida, För varje ventil så kan aktuell invers flödeskarakteristik fcv(x) (och/eller dess flödeskarakteristiken kv(x)), bestämmas empiriskt.

Smart ventilblock En utföringsform av uppfinningen innebär att ett flertal komponenter integreras till ett s.k. smart ventilblock, för att förenkla tillverkning av system enligt uppfinningen. I figur 4 visas schematiskt ett smart ventilblock (20) bestående av ett hus (21), med en kanal mellan två röranslutningar (22 och 23), i vilket är annordnat ett utifrån påverkningsbart ventilorgan (24), en differenstycksgivare (6) (alternativt två absolut-tryckgivare) detekterande differenstrycket över ventilorganet, samt en temperaturgivare (8/9) detekterande temperaturen på mediet genom ventilblocket. Ett ställdon (25) verkande på ventilorganet integreras i ventilblocket eller monteras på eller vid detta. issue 2: 2001-04-18 w 15 20 25 30 35 f- .biš 812 . . u. - . cl v i ,. . » i. , .i n u ø . u f» i _: , | i 1 1 ~ u ... n. -- »_ ; , _ , , . . . o - f H u. .- . . . -c I . . . . .s I Ett system enligt uppfinningen kan byggas genom att montera det smarta ventilblocket i värmeväxlarens utgående primärflöde (3u), låta styrenheten (7) påverka ventilorganet (24) via ställdonet (25), via signalen Vcv, samt tillföra styrenheten (7) signalerna AP från differenstryckgivaren (6) och T från temperaturgivaren, i det fall ventilblocket moteras på utgående primärflöde, representerande Tpu, (8). Övriga komponenter och signaler enligt uppfinningen annordnas på normalt sätt utanför ventilblocket.

Varianter av uppfinningen l den vanligast förekommande implementationen så är uttemperaturen på sekundärflödet från värmeväxlaren konstant. Detta kan givetvis även vara ett manuellt korrigerbart börvärde, där styrenheten via en potentiometer kan erhålla en justering av börvärdet. En viss manuell justering kan ske beroende av önskemål från förbrukare av varmvattnet, eller anpassat till aktuell årstid. Vintertid kan exempelvis önskas ett något varmare tappvarmvatten för att kompensera värmeförluster mellan värmeväxlaren samt den mest avlägsna förbrukare. Sedan korrigering av årstidsberoende uttemperatur på sekundärsidan kan även justeras automatiskt i styrenheten i enlighet med en förbestämd kompensationskurva beroende av signal från en utetemperaturgivare.

Vid en tillämpning av uppfinningen i ett system där värmeväxlaren skall värma upp en radiatorkrets, erfordras oftast motsvarande korrigering beroende av utetemperaturen, samt även korrigering av temperaturen på ingående sekundärflöde enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen. Inte heller i denna implementation i radiatorvärmning erfordras direkt återkoppling av temperaturen på utgående flöde på primärsidan.

Ställdonet för reglerventilen kan vara av ett flertal olika slag och ha en för det aktuella ställdonet motsvarande styrsignal. Exempelvis kan användas ventiler med servomotorer som styrs med PWM-styrning (puls vidd modulering) eller ventiler med flödesstyring proportionellt mot styrströmmen, eller -spänningen.

En viss typ av diagnostik kan även byggas in i funktionaliteten. Då differenstrycket över ventilen detekteras så kan en begynnande igensättning på primärsidan (orsakat av igenkalkning e.t.c.) genom att för given öppning på reglerventilen Issue 2: 2001 -04-1 8 10 15 -515 812 10 , , . . . . . . .. analysera tryckfallet över tiden. Vid begynnande igensättning minskar tryckfallet över reglerventilen.

Den uppmätta differenstemperatur baserat på Tpm respektive TW kan exempelvis detekteras direkt som temperaturdifferens t.ex. med termoelement (i stället för att detektera två absoluttemperaturer vilka man beräknar skillnaden mellan).

Genom att systemet innehåller flödesmätning samt differenstemperatur, så kan enkelt en uttagen värmemängdsberäkning, för debitering av slutkunden, införas.

Systemet lämpar sig även väl för avläsning (värmemängdsberäkning), diagnostisering (igensättning), klimatstyrning (justera börvärden centralt) samt eventuell avstängningsmöjlighet. Endast ett gränssnitt mot kommunikationslänk erfordras, vilket gränssnitt kopplas upp mot styrenheten (7).

Uppfinningen är inte heller inskränkt till användning i fiärrvärmecentraler, utan kan användas i de flesta applikationer, exempelvis processindustri eller annan värme- styring, där värmeväxlare ingår.

Issue 2: 2001 -04-1 8

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 1. 5 'l 5 8 1 2 11 PATENTKRAV Förfarande för styrning av utgående temperatur på sekundärsidan i en värmeväxlare, där styrning sker via ett av en styrenhet (7) påverkningsbart styrorgan, vilket styr flödet genom primärsidan k ä n n e t e c k n a t av att styrning av styrorganet sker i beroende av flödesbalansering mellan primärkretsen och sekundärkretsen på så sätt att effektbalansen upprätth-ålles mellan primärkretsen (prim) samt sekundärkretsen (sek), där tillförd samt uttagen effekt i respektive krets ges av: Q=p-c,_-q-AT, från vilken effektbalans ges att flödet på primärsidan qw, erhålls genom styrning av styrorganet på så sätt att (D) q _ q pAe/r prím _ ' vek ' pprrm . CPW", ~ arim där ' .cPRk 'Ane/r ï Ack/pm, = förbestämd densitet på mediet i den sekundära respektive primära kretsen, c == förbeståmt specifikt värme på mediet i den sekundära respektive p sek / prrm primära kretsen, qm, = är av styrorganet erhållet flöde i primärkretsen, qsek = faktiskt uppmätt flöde i sekundärkretsen, ATWM = faktiskt uppmätt temperaturskillnad på primärsidans ingående respektive utgående medium, samt ATM* = är den önskade temperaturskillnaden på sekundärsidans ingående respektive utgående medium, där temperaturen på sekundärkretsens utgående sida endast är ett börvärde, varvid styrningen av styrorganet sker utan direkt återkoppling av temperaturen på sekundärkretsens utgående sida. . Förfarande enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att styrorganet verkande på primärkretsen utgöres av en reglerventil med känd karakteristik samt känt differenstryck, tryckfall, över reglerventilen. Issue 3: 2001-06-15 10 15 20 25 30 ...x C71 OD ...s |\D 3. Förfarande enligt krav 2 k ä n n e te c k n a t av att ventilens läge (a) styrs som funktion av ventilens företrädesvis empiriskt bestämda karakteristiska funktion _71., enligt: qprin: a == IM ) V Ap ventil där Apwqn., är uppmätt differenstryck över reglerventilen och qpm är det från ekvation D beräknade primära flödet. : Förfarande enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att styrorganet verkande på primärkretsen utgöres av en pump med förbestämt förhållande mellan flödet genom denna och pumpens styr-parameter, t.ex. varvtal. . Förfarande enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att styrorganet verkande på primärkretsen utgöres av en pump med känt förhållande mellan flödet genom denna och pumpens styr-parameter, t.ex. varvtal, jämte en annan parameter, t.ex. differenstryck över pumpen, vilken fortlöpande uppmätes. . Förfarande enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att styrorganet verkande på primärkretsen utgörs av en pump utan känt förhållande mellan flödet genom denna och pumpens styr-parameter, en mätning av flöde genom pumpen, samt en reglering av flödet genom pumpen. . Förfarande enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att styrorganet verkande på primärkretsen utgöres av en ventil utan känd karakteristik men med en flödesmätning (12) genom ventilen. _ Förfarande enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att även sekundära temperaturen (Tsekin) på ingående flöde till värmeväxlaren detekteras (10), och att detta detekterade värde används för bestämning av Aïmk (= T Yen - Tsekin ) vid beräkning av qpflm genom tillämpning av ekvation (D). Issue 31 2001-06-15 10 15 20 25 30 515 812 13 9. Förfarande enligt något av krav 1 till och med 8 k ä n n e t e c k n a t av att styrenheten (7) bestämmer och avger till sin omgivning, t.ex. genom display eller signal, ett värde karakteristiskt för från primärsidan avgiven effekt, eller energi bestämd genom tidsintegrering av avgiven effekt, bestämd enligt ekvationen Qprrm _: öprrm ' cppnm ' qprim ' ATprim 10. System för utförande av förfarande enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att systemet innefattar a) en flödet i sekundärkretsen detekterande anordning (4 ) b) en flödet i primärkretsen detekterande anordning (6,7, alt. 12) c) en första temperaturgivare (9) på värmeväxlarens primärsida ingående flöde (3i) samt en andra temperaturgivare (8) på värmeväxlarens primärsidas utgående flöde (3u), och att styrningen av flödet genom primärkretsen sker i beroende av flödet genom sekundärkretsen enligt en i styrenhetens minne fastlagd styrfunktion, vilken styrfunktionen motsvarar ekvation D där AI-"tw = av första temperaturgivare (9) samt andra temperaturgivare (8) faktiskt uppmätt temperaturskillnad på primärsidans ingående respektive utgående medium, samt ATM = är den önskade temperaturskillnaden på sekundärsidans ingående respektive utgående medum, där temperaturen på sekundärkretsens utgående sida endast är ett förbestämt börvärde, varvid styrningen av styrorganet sker utan direkt återkoppling av temperaturen på sekundärkretsens utgående sida. 11. System enligt krav 10 k ä n n e t e c k n a t av att den flödet i primårkretsen (3i-3u) flödeskarakteristik samt en tryckdifferensgivare (6) anordnad att mäta detekterande anordningen utgöres av en ventil med känd differenstrycket över ventilen, samt med en i styrenhetens minne lagrad flödeskarakteristik för ventilen (5). 12. System enligt krav 10 eller 11 k ä n n e t e c k n a t av att systemet även innefattar en tredje temperaturgivare (10) för detektering av temperaturen Tàwm på värmeväxlarens sekundärsidas ingående flöde (2i), där detta detekterade värde används för bestämning av ATM, (= Tåfkm -Ts,,,m) vid styrenhetens förfarande :enligt krav 1. Issue 3: 2001-06-15 10 15 U"l -Ji (fl :w 13. System enligt krav 11 eller 12 k ä n n e t e c k n a t av att styrventilen (5) innefattar ett ställdon (25) verkande på ett ventilorgan (24) vilket är integrerat i ett hus (21) mellan en ingående rörkoppling samt en utgående rörkoppling (22 och 22-), att differenstrycksgivaren (6) är anordnad i huset att via kanaler anslutna före samt efter ventilorganet (24) detektera differenstrycket över ventilorganet, en i huset anordnad och temperaturen på flödet genom reglerventilen detekterande temperaturgivare (8), att i huset är anordnat kontaktorgan för signaler från nämnda temperaturgivare och differenstrycksgivare för anslutning till en styrenhet (7), samt att i huset är anordnat kontaktorgan för anslutning av styrenheten till ställdonet för drivning av ställdonet av styrenheten. 14. System enligt krav 11-12 k ä n n e t e c k n a t av att differenstryckel: och temperaturvärdena på primärsidan används för diagnosticering och detektering av igensätttning av värmeväxlare och/eller försämrat värmeövergångstal för värmeväxlaren. Issue 3: 2001-06-15