WO2022207100A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung von fouling bei einem wärmetauscher - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ermittlung von fouling bei einem wärmetauscher Download PDF

Info

Publication number
WO2022207100A1
WO2022207100A1 PCT/EP2021/058482 EP2021058482W WO2022207100A1 WO 2022207100 A1 WO2022207100 A1 WO 2022207100A1 EP 2021058482 W EP2021058482 W EP 2021058482W WO 2022207100 A1 WO2022207100 A1 WO 2022207100A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
medium
variable
flow
fouling
heat exchanger
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/058482
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Orkun Can BARAN
Daniel Labisch
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to US18/284,885 priority Critical patent/US20240183629A1/en
Priority to EP21718045.4A priority patent/EP4288738A1/de
Priority to PCT/EP2021/058482 priority patent/WO2022207100A1/de
Priority to CN202180096712.6A priority patent/CN117136290A/zh
Publication of WO2022207100A1 publication Critical patent/WO2022207100A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F19/00—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G15/00—Details
    • F28G15/003—Control arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2200/00—Prediction; Simulation; Testing

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining fouling in a heat exchanger according to patent claim 1 or patent claim 16.
  • Heat exchangers are technical devices that are used to heat or cool a medium. For this purpose, heat is transferred from a warmer first medium to a colder second medium. Depending on the design, heat exchangers differ in their functional principle. The most common designs are classified into one of the three functional groups of cocurrent, counterflow or crossflow heat exchangers.
  • the medium to be heated or cooled is often also referred to as the “product medium” and the heating or cooling medium is also frequently referred to as the “service medium”.
  • the service medium can be heating steam or cooling water, for example.
  • the service medium usually flows either through a line arrangement which is arranged within the product medium or flows around a line arrangement through which the product medium flows.
  • the first and the second medium are passed through the heat exchanger, the two media usually flowing past one another separated by a wall and the heat of the warmer medium being given off to the colder medium through the wall.
  • a central problem with heat exchangers is what is known as "fouling", in which deposits or coatings form on the inner walls of the heat exchanger.
  • the reasons for the formation of such deposits can be of a physical, chemical or biological nature in many cases, for example due to the given product-side conditions, cannot be avoided.
  • the deposits inhibit the heat transfer between the media and thereby reduce the efficiency of the heat exchanger.
  • chemical or mechanical cleaning or even replacement of the heat exchanger becomes necessary. This problem is particularly pronounced in the case of large industrial heat exchangers that are used in chemical, petrochemical, glass, paper, metal production or cement plants or in power plants, where they are usually used in process engineering plants and there usually have a heat transfer capacity are designed for more than 100 kW.
  • a temperature control circuit is able to compensate for the effects of contamination to a certain degree, so that contamination is not immediately apparent from the product medium outlet temperature. Due to this lack of knowledge, it is often not possible to clean or replace the heat exchanger as required.
  • EP 2128 551 A1 discloses a method for monitoring the effectiveness of a heat exchanger with regard to fouling, in which a current heat flow of the product medium or of the service medium is recorded and compared with at least one reference heat flow, which is a predetermined degree of contamination, eg the degree of contamination zero and a maximum permissible degree of contamination of the heat exchanger.
  • the respective reference heat flow is determined as a function of the current operating point of the heat exchanger from a map previously created and saved with the help of a simulation program for different operating points, with the operating point of the heat exchanger being determined by the flow rates F P , F S of both media and their temperatures T P,Ein , T S,Ein is determined upon entry into the heat exchanger.
  • the simulation program the working point dependency of the amount of heat that can be transferred can be calculated in advance at several hundred points, for example, without having to carry out correspondingly time-consuming measurements on the real system.
  • a method for monitoring a heat exchanger is known from WO 2019/001683 A1, in which the flow rates, inlet temperatures and outlet temperatures of service and product medium represent process variables, of which product-side at least one process variable is variable and the inlet temperature is fixed on the service side and the other process variables are variable.
  • the variable process variable(s) of the product medium and the flow rate of the service medium are measured and a characteristic map for determine and store the mutual dependency of the variable process variable(s) of the product medium and the flow of the service medium.
  • a distance between the measured value tuple formed by them and the map is determined as a measure of a deviation of the current state of the heat exchanger from the reference state.
  • Both the k-value and the logarithmic temperature difference are dependent on the working point of the heat exchanger and thus on the flow rates F P , F s of the product and service medium and their temperatures T P,Ein , T S,Ein when entering the heat exchanger .
  • a current K value is determined for each heating surface from a calculated heat output, a logarithmic temperature difference and the size of the heating surface.
  • the reference values Kref are stored in a memory as a function of the load and possibly as a function of the fuel.
  • the reference values Kref can be corrected with correction factors in accordance with some current state variables. For example, a correction is made according to the steam speed. However, it remains unclear how the reference values are obtained.
  • a so-called "heating surface value FV" is defined as a measure of heating surface contamination. This is defined as the ratio of an actual evaluation factor factual to a basic evaluation factor fbasic.
  • the actual evaluation factor factual is the ratio of a "measured” heat transfer coefficient Kist to a theoretical heat transfer coefficient KTheory.
  • the "measured” heat transfer coefficient Kist is determined using the media temperatures and the size of the heating surface.
  • the theoretical heat transfer coefficient KTheorie is determined using, among other things, the geometric data such as pipe dimensions, width and length division, etc. of the heating surface
  • the calculation of the reference condition includes a recalculation of the steam generator with the basic data stored in the system and some momentary process data, such as feed water, live steam and ZÜ parameters, but precise details on the process data used are not disclosed.
  • DE 102016 225 528 A1 discloses a method for monitoring a contamination state in a heat exchanger using an additional temperature sensor which is arranged in or on the heat exchanger wall.
  • the temperature sensor detects an operating wall temperature of the heat exchanger.
  • This operating wall temperature is corrected and a deviation between the corrected operating wall temperature and a reference wall temperature is determined.
  • the Correction of the operating wall temperature takes into account measured value changes that occur due to operating conditions that deviate from the reference conditions, such as deviations in the fluid temperatures or in the volume flows of the fluids.
  • Operating wall temperature and reference wall temperature are values that are measured at the same point and/or specified for the same point on the heat exchanger.
  • a current fouling resistance Rf can be calculated from the difference between a current heat transfer resistance l/ki St and a heat transfer resistance 1/k set that was determined when the heat exchanger was clean:
  • a method for determining fouling in a heat exchanger is already known from the applicant's as yet unpublished patent application PCT/EP2021/055563, in which a value for a variable characterizing the fouling is determined from a value for a first variable influenced by the fouling and a value of a second variable is determined, with a change in the first variable caused by a change in the flow of a first medium and/or a second medium through the heat exchanger being at least partially compensated for by the second variable.
  • the determination of the second variable, ie the compensation variable is based on measured values of flow rates and temperatures of the media, ie without data on material properties of the media and on structural properties of the heat exchanger being used. Proceeding from this, it is the object of the present invention to specify a method and a device with which fouling in a heat exchanger can be determined even more precisely.
  • a function with at least one parameter is used to determine fouling in a heat exchanger in which heat is transferred from a first medium to a second medium through a wall, which is a function of a first variable influenced by fouling of a flow rate and/or a temperature of the first medium and/or the second medium, in particular of a simultaneous influence of flow rate and temperature changes on the first variable, and a value for the at least one parameter using measured values of the first medium and/or the second medium is determined.
  • the invention is based on the knowledge that fluctuations, in particular jumps in level, in the variable characterizing the fouling can often be explained by changes in the flow rate and/or temperature changes in the first and/or the second medium.
  • the reason is that when there are changes in flow and/or temperature, the flow rate and the type of flow at the points of heat transfer from the first to the second medium can also change.
  • the type of flow that then occurs eg laminar flow, weakly turbulent flow, strongly turbulent flow
  • changes in the value of the first variable influenced by the fouling can also occur. Even within one type of flow, the mixing and thus the heat transfer can change depending on the flow speed.
  • a turbulent flow also forms laminar boundary layers at the edge areas, the size and thus the influence of which depends, for example, on the flow or the flow speed. These changes must therefore be taken into account for a more precise determination of a value for the variable characterizing the fouling.
  • the invention is based on the finding that with the help of thermodynamic modeling and with the help of simulation studies, functions can be obtained which indicate a dependence of a first variable influenced by the fouling on a flow rate and/or a temperature of the first medium and/or or the second medium, in particular from a simultaneous influence of flow rate and temperature changes on the first variable.
  • the starting point for this can be so-called white box models of the heat exchanger, with which the fouling can theoretically be calculated almost exactly.
  • these models can only be used to a limited extent for practical application, since all the geometric parameters of the heat exchanger and, on the other hand, the temperature-dependent material parameters of the media used must be known. However, these are often not known.
  • a variable that characterizes the fouling is preferably a heat transfer resistance or a heat transfer conductivity. However, it can also be a flow resistance, for example.
  • the first variable is preferably determined from a heat balance of the heat exchanger.
  • the first variable influenced by fouling is therefore advantageously a heat transfer resistance or a heat transfer conductivity (or a heat transfer coefficient, often also referred to as the "k value").
  • the heat transfer resistance or the heat transfer conductivity (or the k Value) can be determined particularly easily using a heat balance from measured values of flow rates of the first and second medium through the heat exchanger and temperatures of the first medium and the second medium at an inlet and at an outlet of the heat exchanger.
  • the k-value is theoretically composed as follows:
  • Changes in the flow of the first and/or second medium through the heat exchanger can lead to changes in the flow speed and type of flow and thus to changes in the heat transfer coefficient ⁇ 1.2 .
  • the fouling resistance R f can then be calculated by
  • the second variable is therefore preferably a measure of the heat transfer coefficient between the first medium and the wall, the thermal conductivity of the wall and the heat transfer coefficient between the second medium and the wall.
  • the first variable influenced by the fouling can be a flow resistance of the first or the second medium through the heat exchanger.
  • a flow resistance can be determined particularly easily from measured values of pressures of the first medium and the second medium at an inlet and at an outlet of the heat exchanger.
  • the determination of the value of the at least one parameter is preferably based on measured values of flow rates and temperatures of the first medium and/or the second medium. These can be measured very easily on a heat exchanger.
  • the function with the at least one parameter for at least one side of the wall takes into account a dependency of a heat transfer coefficient a of the respective side on the flow and/or the temperature of the first or second medium guided past on the side of the wall. As has been found, the influence of flow and/or temperature dependencies can be taken into account particularly well on the basis of the heat transfer coefficient(s).
  • T the mean temperature of the medium on each side of the wall
  • t time
  • a, b, c are parameters.
  • F is the (time-dependent) flow rate
  • T is the (time-dependent) mean temperature of the medium on the respective side of the wall
  • a, b, c, d are parameters.
  • the measurement-based determination of the at least one parameter includes:
  • the optimization can either be a minimization or a maximization of the objective function. For example, if the target function describes an error, the optimization consists in minimizing the error.
  • the target function is preferably obtained based on a time derivation of at least the first order of the function with the at least one parameter. Since the fouling process has a very slow dynamic, the influence of the fouling resistance on the parameter determination can be neglected due to the time derivation.
  • a value of a variable that characterizes the fouling or a value of the first variable and a value of the second variable without Using material data of the first and second medium or without using geometric data of the heat exchanger, preferably without using both the material data and the geometric data.
  • a value of a variable characterizing the fouling or a value of the first variable and a value of the second variable is determined, preferably exclusively, from measured values of several of the following measured variables:
  • the invention using the example of an industrial heat exchanger, it was possible to achieve a significantly better result when determining fouling than with a conventional calculation.
  • the results can thus help a plant operator to make a significantly better assessment of the fouling resistance.
  • the invention can be applied not only to the heat balances, but also to the consideration of the pressure differences and thus the flow resistances.
  • a device according to the invention for carrying out the method explained above comprises:
  • An evaluation device in which a function with at least one parameter is stored which is a function of a fouling-influenced first variable of a flow rate and/or a temperature of the first medium and/or the second medium, in particular of a simultaneous influence of flow and temperature changes to the first variable, describes, with the evaluation device being set up, a value for the at least one parameter with the aid of the measured values or the variables of the first medium and/or the second medium derived therefrom medium to determine.
  • the "derived quantities" can be, for example, statistical quantities such as mean values, minima, maxima of measured values.
  • a computer program according to the invention comprises instructions which, when the program is run on a computer, cause the computer to carry out a method according to the invention as described above.
  • a corresponding computer program product comprises a storage medium on which a program is stored with instructions which, when the program is executed on a computer, cause the computer to execute an inventive method described above.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a heat exchanger and a
  • FIG. 3 shows a time profile of a normalized k-value for the flow rates and temperatures from FIG. 2
  • FIG. 5 shows a time course of the normalized fouling resistance of FIG. 4 determined using the method according to the invention in comparison to a normalized fouling resistance determined by rigorous modelling
  • 6 shows a block diagram of a heat exchanger and a cloud-based device for determining fouling in a heat exchanger.
  • the heat exchanger 1 shows a simplified representation of a heat exchanger 1 for transferring heat or cold from a service medium S to a product medium P.
  • the heat exchanger 1 is shown as a counterflow heat exchanger, but there are also other types of heat exchanger - quite possible.
  • the product medium P flows through a line 2.
  • F P the flow rate or the volumetric flow rate
  • T P the temperature of the product medium
  • a further temperature sensor 6 arranged downstream of the heat exchanger 1 in the direction of flow measures the temperature T P, Aus of the product medium P exiting the heat exchanger 1.
  • the product medium P is heated or cooled by means of a service medium S, which is fed to the heat exchanger 1 from a heating or coolant supply.
  • a service medium S which is fed to the heat exchanger 1 from a heating or coolant supply.
  • the flow rate F s (or the flow rate or the volumetric flow rate) of the service medium and its temperature T S, In before entering the heat exchanger 1 are measured by means of a flow sensor 7 and a temperature sensor 8 .
  • Another temperature sensor 9 arranged downstream of the heat exchanger 1 in the direction of flow measures the temperature T S, Aus of the service medium S exiting the heat exchanger 1.
  • the measured flow value F P and the measured temperatures TP , Ein , TP , Aus of the product medium P and the measured flow value F s and the measured temperature values T S, Ein , T S, Aus of the service medium S are transmitted to a device 10 for determining fouling. If individual process variables of the product medium P or the service medium S, for example its If the outlet temperature T P, Ein or T S, Ein , are fixed based on the given general conditions and can therefore be assumed to be unchangeable, they do not need to be measured.
  • the heat flow can also be calculated using the following formula, which results from the mechanical structure of the heat exchanger:
  • ⁇ T m mean logarithmic temperature difference : heat flow.
  • the mean logarithmic temperature difference ⁇ T m is defined as where ⁇ T A stands for the temperature difference on the inlet side (from the point of view of the product medium) and ⁇ T B for that on the outlet side.
  • the current fouling resistance can be calculated from the difference between the current thermal transmittance 1 / kactual and the thermal transmittance 1 / ksoii, which was determined in the clean state.
  • s w wall thickness (in m)
  • ⁇ w thermal conductivity of the wall (in W/mK)
  • S heat transfer coefficient from the service medium to the wall (in W/m 2 K)
  • ⁇ p heat transfer coefficient from the product medium to the wall (in W/m 2K )
  • the k-value can thus be calculated using the formula (1) calculate, with
  • a relative value for k can only be determined with the help of the measured values for the temperatures on the inlet and outlet sides and the flow rates of the two media to calculate.
  • FIG. 2 shows an example of the time curves of measured values for flow rates and temperatures on an industrial tube bundle heat exchanger
  • FIG. 3 shows a curve of the 1/k value calculated from this with a heat balance according to (1), with this normalized to a maximum value became.
  • the fouling resistance can be determined more precisely by also taking into account flow and/or temperature changes in the product and/or service medium in the evaluation.
  • Equation (6) leads to the target function
  • the optimization can be carried out exclusively with measured values for the temperatures T P , In , T P , Out , T S , In , T S , Out of the service medium S and the product medium P at the inlet and outlet of the heat exchanger 1 and of the flow rates F p , F s of the service medium S and the product medium P through the heat exchanger 1 .
  • PSO Particle swarm optimization
  • evolution strategy algorithm is preferably used as the parameter optimization algorithm.
  • the result of the optimization are the searched design parameters. These can then be used in the respective structure function (3), (4) or (5).
  • the respective structure function (3), (4) or (5) with the determined design parameters can then be used in (2).
  • the 1/k value in (8) can be calculated using the heat balance according to (1). Since only relative values or changes in the fouling resistance are considered, all material parameters of the media S, P and all geometry parameters of the heat exchanger 1 can be set to 1 in (1). With the help of (1), the k-value in (8) can then be determined exclusively from measured values of the temperatures T P, In , T P , Out , T S , In , T S , Out of the service medium S and the product medium P at the inlet and at the outlet of the heat exchanger 1 and the flow rates Fp, Fs of the service medium S and the product medium P through the heat exchanger 1 can be calculated or estimated.
  • FIG. 4 shows, by way of example, relative time courses of 1/k values determined with (1) and values calculated or estimated with (8) for the fouling resistance R f for the measured values of FIG. 2.
  • the maximum of the 1/ k value normalized. Compared to the 1/k value, the increase in fouling resistance R f can be seen very clearly.
  • FIG. 5 shows a time course of the normalized fouling resistance R f from FIG. 4, determined using the method according to the invention, in comparison to a normalized fouling resistance R f,rig , which is determined by rigorous white-box modeling taking into account all material properties and geometric shear variables for the measured values of FIG 2 was calculated. Of the Comparison shows the high quality of the method according to the invention.
  • 1/k a first variable that is influenced by the flow
  • X a second quantity not affected by fouling.
  • the second quantity X is thus a measure of the heat transfer coefficient between the first medium and the wall Thermal conductivity of the wall and the heat transfer coefficient between the second medium and the wall.
  • the method according to the invention can thus be used to determine values for the second variable X, with which the influence of flow rate and/or temperature changes on the values of the first variable, here the 1/k value calculated from measured values, can be compensated .
  • This can increase the accuracy when determining the fouling resistance, i.e. the variable that characterizes the fouling.
  • the methods can be applied not only to the heat balance, but also to the consideration of the pressure differences and thus the flow resistance.
  • the method according to the invention can be provided as a stand-alone application in a process plant or can be integrated into a process control system of a process plant. It can also be provided in a local or remote computer system ("cloud"), e.g. by a service provider as "Software as a Service”.
  • cloud e.g. by a service provider as "Software as a Service”.
  • a device 10 according to the invention shown as an example in FIG. 1, for determining fouling
  • the evaluation device can also function as a monitoring device: it can monitor the determined fouling resistance for exceeding a threshold value and, if it is exceeded, emit a signal which, for example, signals the need for cleaning.
  • the evaluation device 30 comprises a processor unit 31, a memory 32 for storing the received measurement data, and a memory 33 in which a program 34 with instructions is stored, when the processor unit 31 executes the method described above.
  • the processor unit 31 stores the measured values M received from the device 20 in the memory 32.
  • the device 10 shown in FIG. 1 can be provided, for example, as a stand-alone application in a process plant or can be integrated into a process control system of a process plant.
  • a device 100 shown in FIG. 6 for determining fouling can be provided by a local or remote computer system (“cloud”), for example to enable fouling to be determined by a service provider as “software as a service " to offer.
  • the receiving device 20 is located on site in the process installation of the heat exchanger 1 and the evaluation device 30 is located on a local or remote computer system (“cloud”).
  • the receiving device 20 stores the measured values received in a memory 21 and sends (e.g. at regular time intervals, event-controlled or upon request by the evaluation device 30) the measured values M (or variables derived therefrom) by means of a transmission device 22, e.g. via the Internet or an intranet, to the evaluation device 30.
  • the evaluation device 30 includes a processor unit 31, a memory 32 for storing the received measurement data, and a memory 33 in which a program 34 with instructions is stored, the execution of which by means of the processor unit 31 triggers the method described above - will lead.
  • the processor unit 31 stores the measured values M received from the device 20 via an interface 36 in the memory 32 and, if necessary, for further input variables which are received via a separate interface 37 .
  • the values determined with the program 34 for the fouling resistance R f and/or a signal which signals the need for cleaning are output via an interface 38 .
  • the interfaces 36, 37 and 38 can also be provided by a single common interface, for example to the intranet or an intranet.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

Zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Ermittlung von Fouling bei einem Wärmetauscher (1), bei dem Wärme von einem ersten Medium (S) zu einem zweiten Medium (P) übertragen wird, wird erfindungsgemäß eine Funktion mit zumindest einem Parameter verwendet, die eine Abhängigkeit einer von dem Fouling beeinflussten ersten Größe (k) von einem Durchfluss und/oder einer Temperatur des ersten Mediums (S) und/oder des zweiten Mediums (P), insbesondere von einem gleichzeitigen Einfluss von Durchfluss- und Temperaturänderungen auf die erste Größe (k), beschreibt, und wobei ein Wert für den zumindest einen Parameter mit Hilfe von Messwerten des ersten Mediums und/oder des zweiten Mediums ermittelt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Fouling bei ei- nem Wärmetauscher
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Fouling bei einem Wärmetauscher gemäß Patent- anspruch 1 bzw. Patentanspruch 16.
Wärmetauscher, häufig auch als Wärmeübertrager bezeichnet, sind technische Apparate, die verwendet werden, um ein Medium zu heizen oder zu kühlen. Hierzu wird Wärme von einem wärme- ren ersten Medium an ein kälteres zweites Medium übertragen. Je nach Bauform unterscheiden sich Wärmetauscher in ihrem Funktionsprinzip. Die häufigsten Bauformen werden in eine der drei Funktionsgruppen Gleichstrom-, Gegenstrom oder Kreuz- stromwärmetauscher eingeordnet.
Das zu heizende oder zu kühlende Medium wird häufig auch als „Produktmedium" bezeichnet und das Heiz- oder Kühlmedium wird häufig auch als „Servicemedium" bezeichnet. Das Servicemedium kann beispielsweise Heizdampf oder Kühlwasser sein. Das Ser- vicemedium strömt üblicherweise entweder durch eine Leitungs- anordnung, welche innerhalb des Produktmediums angeordnet ist, oder umströmt eine Leitungsanordnung, die vom Produktme- dium durchströmt wird.
Das erste und das zweite Medium werden durch den Wärmetau- scher geleitet, wobei die beiden Medien üblicherweise durch eine Wand getrennt aneinander vorbeifließen und dabei durch die Wand die Wärme des wärmeren Mediums an das kältere Medium abgegeben wird.
Ein zentrales Problem bei Wärmetauschern stellt das so ge- nannte „Fouling" dar, bei dem sich an den Innenwänden des Wärmetauschers Ablagerungen oder Beläge bilden. Die Gründe für die Entstehung solcher Ablagerungen können physikali- scher, chemischer, oder biologischer Natur sein. Sie lassen sich in vielen Fällen, z.B. aufgrund der gegebenen produkt- seitigen Rahmenbedingungen, nicht verhindern. Die Beläge hem- men den Wärmeübergang zwischen den Medien und reduzieren dadurch den Wirkungsgrad des Wärmetauschers. Ist ein bestimm- ter Grad der Verschmutzung erreicht, wird eine chemische oder mechanische Reinigung oder ggf. sogar der Austausch des Wär- metauschers notwendig. Dieses Problem ist besonders ausge- prägt bei großen Industriewärmetauschern, die in verfahrens- technischen Prozessanlagen (d.h. z.B. Anlagen der Branchen Chemie, Petrochemie, Glas, Papier, Metallerzeugung oder Ze- ment) oder in Kraftwerken zum Einsatz kommen und dort übli- cherweise auf eine Wärmeübertragungsleistung von mehr als 100 kW ausgelegt sind.
Von außen ist es sehr schwer festzustellen, wie stark die Verschmutzung im Inneren des Wärmetauschers ist, so dass es nicht möglich ist, den Wärmetauscher bedarfsabhängig zu rei- nigen oder zu ersetzen. Ein Temperaturregelkreis ist bis zu einem bestimmten Grad in der Lage, die Auswirkungen der Ver- schmutzung zu kompensieren, sodass die Verschmutzungen nicht sofort an der Ausgangstemperatur des Produktmediums erkennbar werden. Aufgrund dieser Unkenntnis ist es häufig nicht mög- lich, den Wärmetauscher bedarfsabhängig zu reinigen oder zu ersetzen.
Bisher werden von Verschmutzung betroffene Wärmetauscher des- halb in regelmäßigen Zeitabständen gereinigt oder ausge- tauscht, also ohne Wissen über den tatsächlichen Verschmut- zungszustand. Bei diesem Vorgehen können die Wartungsinter- valle nicht abhängig von verschieden starken Verschmutzungs- graden angepasst werden. Infolgedessen kann die Reinigung o- der der Austausch des Wärmetauschers beispielsweise zu früh erfolgen, obwohl bis dahin nur geringfügige Ablagerungen vor- handen sind. Dies würde zwar den effizienten Betrieb des Wär- metauschers gewährleisten, wäre jedoch unwirtschaftlich, weil sowohl direkte Kosten für die Wartungsarbeiten entstehen, als auch indirekte Kosten durch die zusätzliche Beeinträchtigung des laufenden Betriebs der Anlage, in der der Wärmetauscher eingesetzt ist. Werden entsprechende Maßnahmen zu spät durch- geführt, so führen übermäßige Ablagerungen im Inneren des Wärmetauschers bereits zu einem deutlich verringerten Wärme- übergang. Die Folge ist, dass für den gleichen zu übertrage- nen Wärmestrom ein viel größerer Durchfluss des Servicemedi- ums benötigt wird als im sauberen Zustand des Wärmetauschers der Fall ist. Dies führt zu einem erhöhten Energieaufwand, welcher für die Bereitstellung des Servicemediums aufgewandt wird, also Heiz- und Pumpleistung, was ebenfalls einen Kos- tenfaktor darstellt. Weiterhin besteht bei starker Belagbil- dung auch die Gefahr einer verschlechterten Qualität des Pro- duktmediums, da beispielsweise Temperaturvorgaben nicht adä- quat eingehalten werden.
Aus der EP 2128 551 Al ist ein Verfahren zur Überwachung der Wirksamkeit eines Wärmetauschers in Hinblick auf Fouling be- kannt, bei dem ein aktueller Wärmestrom
Figure imgf000005_0001
des Produktmedi- ums oder
Figure imgf000005_0003
des Servicemediums erfasst und mit mindestens einem Referenz-Wärmestrom verglichen wird, der einem
Figure imgf000005_0002
vorbestimmten Verschmutzungsgrad, z.B. dem Verschmutzungsgrad Null und einem maximal zulässigen Verschmutzungsgrad, des Wärmetauschers entspricht. Der jeweilige Referenz-Wärmestrom wird in Abhängigkeit von dem aktuellen Arbeitspunkt des Wärmetauschers aus einem vorher mit Hilfe eines Simulations- programmes für unterschiedliche Arbeitspunkte erstellten und abgespeicherten Kennfeld ermittelt, wobei der Arbeitspunkt des Wärmetauschers durch die Durchflüsse FP, Fs beider Medien und ihre Temperaturen TP,Ein, TS,Ein bei Eingang in den Wärme- tauscher bestimmt ist. Durch den Einsatz des Simulationspro- gramms kann die Arbeitspunktabhängigkeit der übertragbaren Wärmemenge beispielsweise an mehreren hundert Stützstellen vorherberechnet werden, ohne entsprechend zeitaufwendige Mes- sungen an der realen Anlage durchführen zu müssen.
Aus der WO 2019/001683 Al ist ein Verfahren zur Überwachung eines Wärmetauschers bekannt, bei dem die Durchflüsse, Ein- trittstemperaturen und Austrittstemperaturen von Service- und Produktmedium Prozessgrößen darstellen, von denen produktsei- tig mindestens eine Prozessgröße variabel ist und servicesei- tig die Eintrittstemperatur festgelegt ist und die übrigen Prozessgrößen variabel sind. Zur Überwachung des Wärmetau- schers ohne Temperaturmessung auf der Serviceseite ist vorge- sehen, die variable(n) Prozessgröße(n) des Produktmediums und den Durchfluss des Servicemediums zu messen und aus den dabei in einem Referenzzustand des Wärmetauschers erhaltenen Mess- werten ein Kennfeld für die gegenseitige Abhängigkeit der va- riablen Prozessgröße(n) des Produktmediums und des Durchflus- ses des Servicemediums zu ermitteln und abzuspeichern. Für die in einem aktuellen unbekannten Zustand des Wärmetauschers erhaltenen Messwerte wird dabei ein Abstand des von ihnen ge- bildeten Messwert-Tupels von dem Kennfeld als Maß für eine Abweichung des aktuellen Zustands des Wärmetauschers von dem Referenzzustand ermittelt.
Aus Zolzer K et al. "Einsatz des Kessel-Diagnose-Systems KEDI im Kraftwerk Staudinger 5", VGB Kraftwerkstechnik, Es- sen, DE, Bd. 75, Nr. 9, 1. September 1995, Seiten 755-762, ISSN: 0372-5715, der DE 195 02 096 Al, US 4390 058 A oder EP 0 470 676 A2 ist es bekannt, zur Überwachung von Wärmetau- schern den Wärmedurchgangskoeffizienten oder k-Wert zu be- trachten. Der innerhalb des Wärmetauschers übertragene Wärme- strom
Figure imgf000006_0001
hängt von diesem k-Wert, von der Aus- tauschfläche A und von der den Wärmeübergang treibenden sog. logarithmischen Temperaturdifferenz DTM ab. Sowohl der k-Wert als auch die logarithmische Temperaturdifferenz sind jeweils von dem Arbeitspunkt des Wärmetauschers und damit von den Durchflüssen FP, Fs des Produkt- und Servicemediums und ihren Temperaturen TP,Ein, TS,Ein bei Eintritt in den Wärmetauscher abhängig.
Im Fall der DE 19502 096 Al wird für jede Heizfläche ein ak- tueller K-Wert aus einer berechneten Wärmeleistung, einer lo- garithmischen Temperaturdifferenz und der Heizflächengröße ermittelt. Durch Vergleich des aktuellen K-Wertes mit einem gespeicherten Referenz-K-Wert Kref für den "sauberst mögli- chen Zustand" wird ein Reinigungszustand CF berechnet nach der Beziehung CF = K/Kref. Die Referenzwerte Kref werden in Abhängigkeit von der Last und eventuell in Abhängigkeit vom Brennstoff in einem Speicher abgelegt. Die Referenzwerte Kref können einigen aktuellen Zustandsgrößen entsprechend mit Kor- rekturfaktoren korrigiert werden. So erfolgt beispielsweise eine Korrektur nach der Dampfgeschwindigkeit. Es bleibt aber offen, auf welche Art und Weise die Referenzwerte gewonnen werden.
Im Fall von Zölzer ist eine sogenannte „Heizflächenwertigkeit FV" als Maß für eine Heizflächenverschmutzung definiert. Die- se ist definiert als das Verhältnis von einem Istbewertungs- faktor fist zu einem Basisbewertungsfaktor fBasis. Der Istbe- wertungsfaktor fist ist das Verhältnis eines „gemessenen" Wärmedurchgangskoeffizienten Kist zu einem theoretischen Wär- medurchgangskoeffizienten KTheorie. Der „gemessene" Wärme- durchgangskoeffizienten Kist wird anhand der Medientemperatu- ren und der Heizflächengröße ermittelt. Der theoretischen Wärmedurchgangskoeffizient KTheorie wird u.a. anhand der Geo- metriedaten wie Rohrabmessung, Breite- und Längsteilung usw. der Heizfläche bestimmt. Der Basisbewertungsfaktor fBasis wird aus einem als optimal geltendem Betriebszustand mit vor- handener Grundverschmutzung, z.B. Abnahmeversuch des Dampfer- zeugers, ermittelt und abgespeichert. Die Berechnung des Re- ferenzzustandes beinhaltet eine Nachrechnung des Dampferzeu- gers mit den im System abgespeicherten Basisdaten und einigen momentanen Prozessdaten, wie Speisewasser-, Frischdampf und ZÜ-Parametern . Genaue Details zu den verwendeten Prozessdaten sind aber nicht offenbart.
Die DE 102016 225 528 Al offenbart ein Verfahren zur Überwa- chung eines Verschmutzungszustandes bei einem Wärmetauscher mit Hilfe eines zusätzlichen Temperatursensors, der in oder an der Wärmetauscherwand angeordnet ist. Der Temperatursensor erfasst eine Betriebs-Wandtemperatur des Wärmetauschers. Die- se Betriebs-Wandtemperatur wird korrekturgerechnet und eine Abweichung zwischen der korrekturgerechneten Betriebs-Wand- temperatur und einer Referenz-Wandtemperatur ermittelt. Die Korrektur der Betriebs-Wandtemperatur berücksichtigt Mess- wertveränderungen, die sich durch von Referenzbedingungen ab- weichenden Betriebsbedingungen einstellen, wie z.B. Abwei- chungen in den Fluidtemperaturen oder in den Volumenströmen der Fluide. Betriebs-Wandtemperatur und Referenz-Wandtempera- tur sind Werte, die an derselben Stelle gemessen und/oder für dieselbe Stelle am Wärmetauscher vorgegeben sind.
Ein aktueller Fouling-Widerstand Rf kann aus der Differenz zwischen einem aktuellen Wärmedurchgangswiderstand l/kiSt und einem Wärmedurchgangswiderstand 1/ksoll der im sauberen Zu- stand des Wärmetauschers ermittelt wurde, berechnet werden:
Figure imgf000008_0001
Wie sich aber herausgestellt hat, ist eine Auswertung des Fouling-Widerstandes auf dieser Basis ungenau. Beispielsweise kommt es zu kurzzeitigen Schwankungen oder Niveausprüngen des Wärmedurchgangswiderstands ohne ersichtlichen besonderen Grund, wie er z.B. bei einer Reinigung oder einem Austausch des Wärmetauschers vorliegen würde.
Aus der noch unveröffentlichten Patentanmeldung PCT/EP2021/055563 der Anmelderin ist bereits ein Verfahren zur Ermittlung von Fouling bei einem Wärmetauscher bekannt, bei dem ein Wert für eine das Fouling charakterisierende Grö- ße aus einem Wert für eine vom dem Fouling beeinflussten ers- ten Größe und einem Wert einer zweiten Größe ermittelt wird, wobei eine durch eine Änderung eines Durchflusses eines ers- ten Mediums und/oder eines zweiten Mediums durch den Wärme- tauscher bewirkte Änderung der ersten Größe von der zweiten Größe zumindest teilweise kompensiert wird. Die Ermittlung der zweiten Größe, d.h. der Kompensationsgröße, basiert dabei auf Messwerten von Durchflüssen und Temperaturen der Medien, d.h. ohne dass Daten zu Stoffeigenschaften der Medien und zu baulichen Eigenschaften des Wärmetauschers verwendet werden. Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine noch genauere Ermittlung von Fouling bei einem Wärmetauscher er- folgen kann.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch
16. Ein Computerprogramm ist Gegenstand des Patentanspruchs
17. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Ermittlung von Fouling bei einem Wärmetauscher, bei dem Wärme von einem ers- ten Medium zu einem zweiten Medium durch eine Wand übertragen wird, eine Funktion mit zumindest einem Parameter verwendet, die eine Abhängigkeit einer von dem Fouling beeinflussten ersten Größe von einem Durchfluss und/oder einer Temperatur des ersten Mediums und/oder des zweiten Mediums, insbesondere von einem gleichzeitigen Einfluss von Durchfluss- und Tempe- raturänderungen auf die erste Größe, beschreibt, und wobei ein Wert für den zumindest einen Parameter mit Hilfe von Messwerten des ersten Mediums und/oder des zweiten Mediums ermittelt wird.
Die Erfindung beruht zum einen auf der Erkenntnis, dass sich Schwankungen, insbesondere Niveausprünge, der das Fouling charakterisierenden Größe häufig mit Durchflussänderungen und/oder Temperaturänderungen des ersten und/oder des zweiten Mediums erklären lassen. Der Grund liegt darin, dass sich bei Durchflussänderungen und/oder Temperaturänderungen auch die Strömungsgeschwindigkeit und die Strömungsart an den Stellen des Wärmeübergangs von dem ersten zu dem zweiten Medium än- dern kann. Je nach sich dann einstellender Strömungsart (z.B. laminare Strömung, schwach turbulente Strömung, stark turbu- lente Strömung) und Strömungsgeschwindigkeit kann es dann aber auch zu Änderungen des Wertes der von dem Fouling beein- flussten ersten Größe kommen. Selbst innerhalb einer Strö- mungsart kann sich die Durchmischung und somit der Wärmeüber- gang in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit ändern. Beispielsweise bildet auch eine turbulente Strömung an den Randbereichen laminare Grenzschichten, deren Größe und damit Einfluss beispielsweise vom Durchfluss bzw. der Strömungsge- schwindigkeit abhängt. Für eine genauere Ermittlung eines Wertes der das Fouling charakterisierenden Größe müssen des- halb diese Änderungen berücksichtigt werden.
Die Erfindung beruht zum anderen auf der Erkenntnis, dass mit Hilfe thermodynamischer Modellierungen und mithilfe von Simu- lationsstudien Funktionen gewonnen werden können, die eine Abhängigkeit einer von dem Fouling beeinflussten ersten Größe von einem Durchfluss und/oder einer Temperatur des ersten Me- diums und/oder des zweiten Mediums, insbesondere von einem gleichzeitigen Einfluss von Durchfluss- und Temperaturände- rungen auf die erste Größe, beschreiben. Ausgangspunkt können hierfür sogenannte White-Box-Modelle des Wärmetauschers sein, mit denen das Fouling theoretisch nahezu exakt berechnet wer- den kann. Für die praktische Anwendung sind diese Modelle aber nur bedingt verwendbar, da hierzu alle geometrischen Größen des Wärmetauschers und zum anderen die temperaturab- hängigen Stoffgrößen der verwendeten Medien bekannt sein müs- sen. Diese sind aber oftmals nicht bekannt. Außerdem ist für diese Modelle ein hoher Parametrieraufwand notwendig. Aus diesen Modellen kann aber mit Hilfe von Simulationsstudien eine Funktion mit einem oder mehreren unbekannten Parametern abgeleitet und für verschiedene Rahmenbedingungen validiert werden. Unter Verwendung von Messwerten können dann der oder die Parameter ermittelt (bzw. geschätzt), daraus ein Wert der ersten Größe abgeleitet oder korrigiert werden und somit letztlich ein genauer Wert für eine das Fouling charakteri- sierende Größe ermittelt werden.
Eine das Fouling charakterisierende Größe ist vorzugsweise ein Wärmedurchgangswiderstand oder eine Wärmedurchgangsleit- fähigkeit. Es kann sich aber beispielsweise auch um einen Strömungswiderstand handeln. Die erste Größe wird vorzugsweise aus einer Wärmebilanz des Wärmetauschers ermittelt. Die von dem Fouling beeinflusste erste Größe ist deshalb von Vorteil ein Wärmedurchgangswider- stand oder eine Wärmedurchgangsleitfähigkeit (bzw. ein Wärme- durchgangskoeffizient, häufig auch als „k-Wert" bezeichnet). Der Wärmedurchgangswiderstand oder die Wärmedurchgangsleitfä- higkeit (bzw. der k-Wert) kann besonders einfach mit Hilfe einer Wärmebilanz aus Messwerten von Durchflüssen des ersten und zweiten Mediums durch den Wärmetauscher und von Tempera- turen des ersten Mediums und des zweiten Mediums jeweils an einem Eingang und an einem Ausgang des Wärmetauschers ermit- telt werden.
Bevorzugt wird ein Wert für eine das Fouling charakterisie- rende Größe aus einem Wert für die von dem Fouling beein- flussten ersten Größe und einem Wert einer zweiten Größe, die einen Einfluss einer Abhängigkeit der ersten Größe von einem Durchfluss und/oder einer Temperatur des ersten Mediums und/oder des zweiten Mediums, insbesondere von einem gleich- zeitigen Einfluss von Durchfluss- und Temperaturänderungen auf die erste Größe, kompensiert, ermittelt, wobei der Wert der zweiten Größe mit Hilfe der Funktion mit dem zumindest einen Parameter ermittelt wird.
Wenn die Wärme von dem ersten Medium zu dem zweiten Medium durch eine Wand übertragen wird, dann setzt sich beispiels- weise der k-Wert in der Theorie wie folgt zusammen: bzw.
Figure imgf000011_0001
Figure imgf000011_0002
mit
Rf. Fouling-Widerstand (in m2K/W) sw: Wanddicke (in m) λw: Wärmeleitfähigkeit der Wand (in W/mK) α1: Wärmeübergangskoeffizient vom ersten Medium zur Wand (in W/m2K) α2: Wärmeübergangskoeffizient vom zweiten Medium zur Wand (in W/m2K)
Änderungen des Durchflusses des ersten und/oder zweiten Medi- ums durch den Wärmetauscher können zu Änderungen der Strö- mungsgeschwindigkeit und Strömungsart und somit zu Änderungen der Wärmeübergangskoeffizienten α1,2 führen.
Mit
Figure imgf000012_0001
ergibt sich
1/k = X + Rf
Der Fouling-Widerstand Rf lässt sich dann berechnen durch
Rf = 1/k - X.
Dabei sind
Rf. die das Fouling charakterisierende Größe,
1/k: die erste Größe,
X: die zweite Größe.
Vorzugsweise ist die zweite Größe somit ein Maß für den Wär- meübergangskoeffizienten zwischen dem ersten Medium und der Wand, der Wärmeleitfähigkeit der Wand und den Wärmeübergangs- koeffizienten zwischen dem zweiten Medium und der Wand.
Alternativ kann die von dem Fouling beeinflusste erste Größe ein Strömungswiderstand des ersten oder des zweiten Mediums durch den Wärmetauscher sein. Ein Strömungswiderstand kann besonders einfach aus Messwerten von Drücken des ersten Medi- ums und des zweiten Mediums jeweils an einem Eingang und an einem Ausgang des Wärmetauschers ermittelt werden.
Bevorzugt basiert die Ermittlung des Wertes des zumindest ei- nen Parameters auf Messwerten von Durchflüssen und Temperatu- ren des ersten Mediums und/oder des zweiten Mediums. Diese können sehr einfach an einem Wärmetauscher gemessen werden. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung berücksich- tigt die Funktion mit dem zumindest einen Parameter für zu- mindest eine Seite der Wand, vorzugsweise für beide Seiten der Wand, eine Abhängigkeit eines Wärmeübergangskoeffizienten a der jeweiligen Seite von dem Durchfluss und/oder der Tempe- ratur des an der Seite der Wand jeweils vorbeigeführten ers- ten oder zweiten Mediums. Wie sich herausgestellt hat, lassen sich auf Basis des bzw. der Wärmeübergangskoeffizienten be- sonders gut der Einfluss von Durchfluss- und/oder Temperatur- abhängigkeiten berücksichtigen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird im Fall, dass lediglich Durchflussänderungen vorliegen, die Ab- hängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten α von dem Durch- fluss des an der jeweiligen Wand vorbeigeführten Mediums be- schrieben durch die Funktion α(F) = a · F(t)b,wobei F der Durch- fluss des Mediums an der jeweiligen Seite der Wand, t die Zeit und a, b Parameter sind. Wie sich durch Validierungen herausgestellt hat, können hierdurch Ergebnisse mit guter Ge- nauigkeit erzielt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird im Fall, dass lediglich Temperaturänderungen vorliegen, die Ab- hängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten a von der Tempera- tur des an der jeweiligen Wand vorbeigeführten Mediums be- schrieben durch die Funktion α(T) = a·(T (t) + b)c, wobei T die mittlere Temperatur des Mediums an der jeweiligen Seite der Wand, t die Zeit und a, b, c Parameter sind. Auch hier haben Validierungen gezeigt, dass hierdurch Ergebnisse mit guter Genauigkeit erzielt werden können.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten a von Durchfluss und Temperatur bei gleichzeitigen Änderungen von Durchfluss und Temperatur des an der jeweiligen Wand vorbei- geführten Mediums beschrieben durch die Funktion α(F,T)= a- Fb · (T + c)d, wobei F der (zeitabhängige) Durchfluss und T die (zeitabhängig) mittlere Temperatur des Mediums an der jewei- ligen Seite der Wand und a, b, c, d Parameter sind. Wie sich durch Validierungen herausgestellt hat, lassen sich hierdurch gleichzeitige Durchfluss- und Temperaturänderungen sehr genau abbilden.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das messwertbasierte Ermitteln des zumindest einen Parameters :
- Bereitstellen einer Zielfunktion, die auf der Funktion mit dem zumindest einem Parameter basiert,
- Ermittlung des Wertes des zumindest einen Parameters durch eine Optimierung der Zielfunktion auf Basis von Messwerten von Durchflüssen und/oder Temperaturen des ersten und/oder zweiten Mediums mit Hilfe eines Parameteroptimierungsalgo- rithmus.
Bei der Optimierung kann es sich entweder um eine Minimierung oder um eine Maximierung der Zielfunktion handeln. Beschreibt die Zielfunktion beispielsweise einen Fehler, so besteht die Optimierung in einer Minimierung des Fehlers.
Bevorzugt wird die Zielfunktion basierend auf einer zeitli- chen Ableitung zumindest erster Ordnung der Funktion mit dem zumindest einen Parameter gewonnen. Da der Foulingprozess ei- ne sehr langsame Dynamik besitzt, kann durch die zeitliche Ableitung der Einfluss des Foulingwiderstandes auf die Para- meterermittlun vernachlässigt werden.
Wie sich herausgestellt hat, können sehr gute Ergebnisse bei der Parameteroptimierung erzielt werden, wenn eine Partikel- schwarmoptimierung (PSO) oder ein Evolutionsstrategie- Algorithmus als Parameteroptimierungsalgorithmus verwendet wird.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Wert einer das Fouling charakterisierenden Größe bzw. ein Wert der ersten Größe und ein Wert der zweiten Größe ohne Verwendung von Stoffdaten des ersten und zweiten Mediums oder ohne Verwendung von Geometriedaten des Wärmetauschers, vor- zugsweise ohne Verwendung sowohl der Stoffdaten als auch der Geometriedaten, ermittelt.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Wert einer das Fouling charakterisierenden Größe bzw. ein Wert der ersten Größe und ein Wert der zweiten Grö- ße, vorzugsweise ausschließlich, aus Messwerten von mehreren der folgenden Messgrößen ermittelt:
- Temperaturen ( TP, Ein, TP, Aus , TS, Ein, TS, Aus ) des ersten Mediums (S) und des zweiten Mediums (P) am Eingang und am Ausgang des Wärmetauschers (1) und
- Durchflüsse (Fp , Fs ) des ersten Mediums (S) und des zweiten Mediums (P) durch den Wärmetauscher (1).
Mit Hilfe dieser Messgrößen und Wärmebilanzberechnungen kön- nen sehr gute Ergebnisse bei der Ermittlung der das Fouling charakterisierenden Größe erzielt werden. Dies kommt mit der oftmals bei Wärmetauschern vorhandenen Instrumentierung aus und erfordert dabei keine speziellen zusätzlichen Messinstru- mente (z.B. einen Temperatursensor an einer Wärmetauscher- wand).
Wegen Überbestimmtheit der Wärmebilanzgleichungen kann zudem auf eine der Messungen von Durchflüssen und Ein-/Ausgangs- Temperaturen der Medien auch verzichtet werden, sodass nicht einmal eine vollständige Instrumentierung vorausgesetzt wird.
Wenn einzelne Prozessgrößen des Produktmediums oder Service- mediums, beispielsweise die Eintrittstemperatur, aufgrund von gegebenen Rahmenbedingungen festgelegt sind und daher als un- veränderlich angenommen werden können, brauchen sie ebenfalls nicht gemessen zu werden.
Eine Erfassung weiterer Größen wie Stoffeigenschaften der beiden Medien oder bauliche Eigenschaften des Wärmetauschers ist nicht notwendig. Vielmehr wird bevorzugt davon ausgegan- gen, dass diese nicht bekannt sind. Es können bei den Berech- nungen hierfür beliebige Konstanten angenommen werden, die dann zwar zu absolut gesehen falschen Werten für die erste Größe, die zweite Größe und für die das Fouling charakteri- sierende Größe führen, aber letztendlich sind die relativen Änderungen dieser Größen ausreichend für die Funktionsweise und den Erfolg des Verfahrens in der Praxis. Bevorzugt werden deshalb nur relative Werte für die das Fouling charakterisie- rende Größe bzw. für die erste und die zweite Größe ermit- telt.
Mit der Erfindung konnte am Beispiel eines Industrie-Wärme- tauschers ein deutlich besseres Ergebnis bei der Ermittlung von Fouling erzielt werden als mit einer konventionellen Be- rechnung. Die Ergebnisse können damit einen Anlagenfahrer zu einer deutlich besseren Bewertung des Fouling-Widerstandes verhelfen. Vorteilhafterweise kann die Erfindung nicht nur auf die Wärmebilanzen angewendet werden, sondern auch auf die Betrachtung der Druckdifferenzen und damit der Strömungswi- derstände.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des vor- stehend erläuterten Verfahrens umfasst:
- eine Einrichtung zum Empfang von Messwerten oder daraus ab- geleiteten Größen des Wärmetauschers und
- eine Auswerteeinrichtung, in der eine Funktion mit zumin- dest einem Parameter gespeichert ist, die eine Abhängigkeit einer von dem Fouling beeinflussten ersten Größe von einem Durchfluss und/oder einer Temperatur des ersten Mediums und/oder des zweiten Mediums, insbesondere von einem gleichzeitigen Einfluss von Durchfluss- und Temperaturände- rungen auf die erste Größe, beschreibt, wobei die Auswer- teeinrichtung eingerichtet ist, einen Wert für den zumin- dest einen Parameter mit Hilfe der Messwerte oder der dar- aus abgeleiteten Größen des ersten Mediums und/oder des zweiten Mediums zu ermitteln. Bei den „abgeleiteten Größen" kann es sich beispielsweise um statistische Größen wie Mittelwerte, Minima, Maxima von Mess- werten handeln.
Ein erfindungsgemäßes Computer-Programm umfasst Anweisungen, die, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, ein vorstehend beschriebenes erfin- dungsgemäßes Verfahren auszuführen.
Ein entsprechendes Computer-Programm-Produkt umfasst ein Speichermedium, auf dem ein Programm mit Anweisungen gespei- chert ist, die, wenn das Programm auf einem Computer ausge- führt wird, den Computer veranlassen, ein vorstehend be- schriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Fol- genden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:
FIG 1 ein Blockschaltbild eines Wärmetauschers und einer
Vorrichtung zur Ermittlung von Fouling in dem Wärme- tauscher,
FIG 2 einen zeitlichen Verlauf von Durchflüssen und Tempe- raturen eines Servicemediums und eines Produktmediums für einen Industrie-Wärmetauscher,
FIG 3 einen zeitlichen Verlauf eines normierten k-Werts für die Durchflüsse und Temperaturen von FIG 2 FIG 4 einen zeitlichen Verlauf eines mit dem erfindungsge- mäßen Verfahren ermittelten normierten Foulingwider- standes im Vergleich zu dem normierten k-Wert von FIG3,
FIG 5 einen zeitlichen Verlauf des mit dem erfindungsgemä- ßen Verfahren ermittelten normierten Foulingwider- standes von FIG 4 im Vergleich zu einem durch eine rigorose Modellierung ermittelten normierten Fouling- widerstandes, und FIG 6 ein Blockschaltbild eines Wärmetauschers und einer cloudbasierten Vorrichtung zur Ermittlung von Fouling in einem Wärmetauscher.
FIG 1 zeigt beispielhaft und in vereinfachter Darstellung ei- nen Wärmetauscher 1 zur Übertragung von Wärme oder Kälte von einem Servicemedium S an ein Produktmedium P. Der Wärmetau- scher 1 ist beispielhaft als ein Gegenstromwärmetäuscher dar- gestellt, es sind aber auch andere Bauformen von Wärmetau- schern möglich. Das Produktmedium P fließt durch eine Leitung 2. In Flussrichtung vor dem Wärmetauscher 1 werden mittels eines Durchflusssensors 4 und eines Temperatursensors 5 der Durchfluss FP (bzw. die Durchflussrate oder der Volumenstrom) des Produktmediums und seine Temperatur TP, Ein vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 1 gemessen. Ein in Flussrichtung hinter dem Wärmetauscher 1 angeordneter weiterer Temperatursensor 6 misst die Temperatur TP, Aus des aus dem Wärmetauscher 1 austre- tenden Produktmediums P.
Das Produktmedium P wird mittels eines Servicemediums S er- wärmt oder gekühlt, das dem Wärmetauscher 1 aus einer Heiz- oder Kühlmittelversorgung zugeführt wird. In Flussrichtung vor dem Wärmetauscher 1 werden mittels eines Durchflusssen- sors 7 und eines Temperatursensors 8 der Durchfluss Fs (bzw. die Durchflussrate oder der Volumenstrom) des Servicemediums und dessen Temperatur TS, Ein vor dem Eintritt in den Wärmetau- scher 1 gemessen. Ein in Flussrichtung hinter dem Wärmetau- scher 1 angeordneter weiterer Temperatursensor 9 misst die Temperatur TS, Aus des aus dem Wärmetauscher 1 austretenden Servicemediums S.
Zur Überwachung des Wärmetauschers 1 in Hinblick auf Fouling werden der Durchfluss-Messwert FP und die Temperatur-Messwer- te TP, Ein, TP, Aus des Produktmediums P und der Durchfluss-Mess- wert Fs sowie die Temperatur-Messwerte TS, Ein, TS, Aus des Ser- vicemediums S an eine Vorrichtung 10 zur Ermittlung von Fou- ling übertragen. Wenn einzelne Prozessgrößen des Produktmedi- ums P oder des Servicemediums S, beispielsweise seine Ein- trittstemperatur TP, Ein bzw. TS, Ein , aufgrund von gegebenen Rah- menbedingungen festgelegt sind und daher als unveränderlich angenommen werden können, brauchen sie nicht gemessen zu wer- den.
Für die produkt- und serviceseitigen Wärmeströme und
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000019_0002
gilt:
Figure imgf000019_0003
und ·
Figure imgf000019_0004
Mit cP,p Wärmekapazität des Produktmediums, cP,S Wärmekapazität des Servicemediums, ρP Dichte des Produktmediums, ρs Dichte des Servicemediums.
Unter Vernachlässigung von Verlusten geht die gesamte von dem Servicemedium S abgegebene Wärmemenge auf das Produktmedium P über, so dass beide Wärmeströme gleich sind ·
Figure imgf000019_0005
Alternativ lässt sich der Wärmestrom auch mit folgender For- mel berechnen, die sich aus dem mechanischen Aufbau des Wär- metauschers ergibt:
Figure imgf000019_0006
Hierbei gilt: k: Wärmedurchgangskoeffizient (in W/m2K)
A: zur Verfügung stehende Fläche für Wärmeaustausch (in m2 )
ΔTm: mittlere logarithmische Temperaturdifferenz : Wärmestrom.
Die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz ΔTm ist defi- niert als
Figure imgf000019_0007
wobei ΔTA für die Temperaturdifferenz der Eingangsseite (aus Sicht des Produktmediums) und ΔTB für die der Austrittseite steht.
Damit kann der übertragene Wärmestrom in drei Varianten be- rechnet werden, als: c) Wärmestrom, der von Medium 1 abgegeben wird
Figure imgf000020_0001
b) Wärmestrom, der durch den Wärmetauscher 1 hindurchtritt
Figure imgf000020_0002
c) Wärmestrom, der von Medium 2 abgegeben wird
Figure imgf000020_0003
Daraus folgt: .
Figure imgf000020_0005
Allgemein geht man nun davon aus, dass der Fouling-Widerstand unabhängig vom Betriebspunkt ist. Der aktuelle Fouling-Wider- stand kann aus der Differenz zwischen dem aktuellen Wärme- durchgangswiderstand 1 / kist und dem Wärmedurchgangswiderstand 1 / ksoii, der im sauberen Zustand ermittelt wurde, berechnet werden.
Figure imgf000020_0004
mit sw: Wanddicke (in m) λw: Wärmeleitfähigkeit der Wand (in W/mK) αS: Wärmeübergangskoeffizient vom Servicemedium zur Wand (in W/m2K) αp: Wärmeübergangskoeffizient vom Produktmedium zur Wand (in W/m2K)
Somit lässt sich der k-Wert mit der Formel (1)
Figure imgf000021_0001
berechnen, mit
ΔTA = TP, Ein — TS, Aus und ΔTB = TP, Aus — TS, Ein für den Fall eines Gegenstromwärmetäuschers.
Bei als konstant angesehenen Werten für A, cP,P, cP,S, ρP und ps lässt sich ein relativer Wert für k somit lediglich mit Hilfe der Messwerte der ein- und ausgangsseitigen Temperatu- ren sowie der Durchflüsse der beiden Medien berechnen.
FIG 2 zeigt hierzu beispielhaft zeitliche Verläufe von Mess- werten von Durchflüssen und Temperaturen an einem industriel- len Rohrbündelwärmetauscher und FIG 3 einen mit einer Wärme- bilanz gemäß (1) daraus berechneten Verlauf des 1/k-Wertes, wobei dieser auf einen Maximalwert normiert wurde.
Der Verlauf zeigt zwar einen grundsätzlich steigenden Trend, jedoch fallen kurzfristige Schwankungen deutlich stärker als der Trend aus. Je nach Daten und Arbeitspunkt kann damit kei- ne Foulingaussage getroffen werden.
Wie sich herausgestellt hat, kann die Ermittlung des Fouling- Widerstandes dadurch genauer erfolgen, dass Durchfluss- und/oder Temperaturänderungen beim Produkt- und/oder Service- medium bei der Auswertung mitberücksichtigt werden.
Wenn die Wärme von dem Servicemedium S zu dem Produktmedium P durch eine Wand übertragen wird, dann setzt sich der k-Wert in der Theorie wie folgt zusammen:
(2)
Durchfluss- und oder Temperaturänderungen und damit Änderun- gen der Strömungsart oder innerhalb einer Strömungsart können zu Änderungen der Wärmeübergangskoeffizienten αs,p führen. Basierend auf einer thermodynamischen Modellierung und mit- hilfe von Simulationsstudien kann für beide Seiten der Wand eine Abhängigkeit der Wärmeübergangskoeffizienten α von dem Durchfluss bei geeigneter Wahl der Designparameter a, b ∈ R durch die Strukturfunktion α(F) = α•F(t)b ( 3 ) beschrieben werden, wobei F der Durchfluss des jeweiligen Me- diums und t die Zeit ist.
Wie sich weiterhin durch eine thermodynamischen Modellierung und mithilfe von Simulationsstudien herausgestellt hat, kann darüber hinaus eine Abhängigkeit der Wärmeübergangskoeffi- zienten α von der Temperatur bei geeigneter Wahl der Design- parameter a, b, c G R durch die Strukturfunktion α(T) = α·(T (t) + b)c (4) beschrieben werden, wobei T die mittlere Temperatur des je- weiligen Mediums und t die Zeit ist.
Bei gleichzeitiger Änderung von Durchfluss und Temperatur können die beiden vorstehenden Strukturen zusammengeführt werden zu der Gesamtstrukturfunktion α(F,T)= α•Fb •(T + c)d (5) mit den Designparametern a, b, c, d G R und wobei F der (zeitabhängige) Durchfluss und T die (zeitabhängig) mittlere Temperatur des jeweiligen Mediums ist. Diese Funktion be- schriebt somit eine Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffi- zienten αvon sowohl dem Durchfluss und der Temperatur.
Eine Validierung mit Hilfe von Simulationsdaten hat ergeben, dass sich mit dieser Gesamtstrukturfunktion sowohl Durch- flussabhängigkeiten als auch Temperaturabhängigkeiten sehr genau abbilden lassen.
Da der Foulingprozess eine sehr langsame Dynamik besitzt, kann der Foulingwiderstand in einer Ableitung erster Ordnung von (2) nach der Zeit vernachlässigt werden und es ergibt sich
(6)
Figure imgf000023_0001
wobei bei Einsetzen der Strukturfunktionen (3), (4) oder (5) in (6) als unbekannte Größen nur noch die jeweiligen Design- parameter enthalten sind. Die Gleichung (6) führt zur Ziel- funktion
(7)
Figure imgf000023_0002
welche bezüglich der Designparameter mithilfe eines Parame- teroptimierungsalgorithmus für vorliegende Betriebsdaten (Messwerte) des Wärmetauschers optimiert (hier minimiert) wird. Die Optimierung kann hierbei ausschließlich mit Mess- werten der Temperaturen TP, Ein, TP, Aus , TS, Ein, TS, Aus des Ser- vicemediums S und des Produktmediums P am Eingang und am Aus- gang des Wärmetauschers 1 und der Durchflüsse Fp, Fs des Ser- vicemediums S und des Produktmediums P durch den Wärmetau- scher 1 erfolgen.
Bevorzugt wird als Parameteroptimierungsalgorithmus eine Par- tikelschwarmoptimierung (PSO) oder ein Evolutionsstrategie- Algorithmus verwendet.
Das Ergebnis der Optimierung (hier Minimierung) sind die ge- suchten Designparameter. Diese können dann in die jeweilige Strukturfunktion (3), (4) oder (5) eingesetzt werden. Die jeweilige Strukturfunktion (3), (4) oder (5) mit den er- mittelten Designparamatern kann dann in (2) eingesetzt wer- den.
Bevorzugt werden nur relative Werte bzw. relative Änderungen des Foulingwiderstandes betrachtet. In (2) kann daher der konstante thermischer Widerstand Rw = sw/λw der Wand vernach- lässigt werden und der Foulingwiderstand dann durch
Figure imgf000024_0001
berechnet werden.
Der 1/k-Wert in (8) kann mit Hilfe der Wärmebilanz gemäß (1) berechnet werden. Da nur relative Werte bzw. Änderungen des Foulingwiderstandes betrachtet werden, können in (1) alle Stoffparameter der Medien S, P und alle Geometrieparameter des Wärmetauschers 1 auf 1 gesetzt werden. Der k-Wert in (8) kann mit Hilfe von (1) dann ausschließlich aus Messwerten der Temperaturen TP, Ein, TP, Aus , TS, Ein, TS, Aus des Servicemediums S und des Produktmediums P am Eingang und am Ausgang des Wärmetau- schers 1 und der Durchflüsse Fp , Fs des Servicemediums S und des Produktmediums P durch den Wärmetauscher 1 berechnet bzw. geschätzt werden.
FIG 4 zeigt hierzu beispielhaft relative zeitliche Verläufe von mit (1) ermittelten 1/k-Werten und mit (8) berechneten bzw. geschätzten Werten für den Foulingwiderstand Rf für die Messwerte von FIG 2. Es wurde dabei auf das Maximum des 1/k- Wertes normiert. Im Vergleich zum 1/k-Wert ist der Anstieg des Foulingwiderstands Rf sehr klar zu erkennen.
FIG 5 zeigt einen zeitlichen Verlauf des mit dem erfindungs- gemäßen Verfahren ermittelten normierten Foulingwiderstandes Rf von FIG 4 im Vergleich zu einem normierten Foulingwider- standes Rf,rig,der durch eine rigorose White-Box-Modellierung unter Berücksichtigung aller Stoffeigenschaften und geometri- scher Größen für die Messwerte von FIG 2 berechnet wurde. Der Vergleich zeigt die hohe Güte des erfindungsgemäßen Verfah- rens.
Die eigentliche Aufgabe der Foulingbestimmung tritt somit zu- nächst in den Hintergrund und gerade die Foulingauswirkung wird durch Ableitungsbildung kompensiert, um die Designpara- meter im obigen Ansatz zu ermitteln. Erst anschließend wird das Fouling mithilfe der Struktur bestimmt.
Selbstverständlich ist es jederzeit möglich, weitere Daten hinzuzunehmen um die Designparameter damit besser zu ermit- teln (bzw. zu schätzen).
Der große Vorteil des vorgestellten Verfahrens liegt darin, dass nur sehr wenig Informationen des Wärmetauschers benötigt werden bzw. Annahmen getroffen werden müssen. Stoff- oder Ge- ometriedaten sind nicht notwendig.
Grundsätzlich lässt sich mit und
Figure imgf000025_0001
k = X + Rf. der Fouling-Widerstand Rf berechnen durch
Rf = 1/k - x.
Dabei sind
Rf. eine das Fouling charakterisierende Größe,
1/k: eine erste Größe, die von dem Durchfluss beeinflusst ist,
X: eine zweite Größe, die nicht von dem Fouling beeinflusst ist.
Die zweite Größe X ist somit ein Maß für den Wärmeübergangs- koeffizienten zwischen dem ersten Medium und der Wand, der Wärmeleitfähigkeit der Wand und den Wärmeübergangskoeffizien- ten zwischen dem zweiten Medium und der Wand.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit Werte für die zweite Größe X ermittelt werden, mit denen dann der Ein- fluss von Durchfluss- und/oder Temperaturänderungen auf die Werte der ersten Größe, hier des aus Messwerten berechneten 1/k-Wertes, kompensiert werden kann. Hierdurch kann die Ge- nauigkeit bei der Ermittlung des Foulingwiderstandes, d.h. der das Fouling charakterisierenden Größe, erhöht werden.
Dieselben Methoden lassen sich grundsätzlich auch auf die Be- trachtung der Druckdifferenz übertragen. Auch der Strömungs- widerstand erhöht sich bei Fouling, hängt aber auch vom Durchfluss ab.
Mit diesen Methoden konnte am Beispiel eines Industrie-Wärme- tauschers ein deutlich besseres Ergebnis bei der Ermittlung von Fouling erzielt werden, als mit der konventionellen Be- rechnung. Die Ergebnisse könnten damit einen Anlagenfahrer zu einer deutlich besseren Bewertung des Fouling-Widerstandes verhelfen. Vorteilhafterweise können die Methoden nicht nur auf die Wärmebilanzen angewandt werden, sondern auch auf die Betrachtung der Druckdifferenzen und damit der Strömungswi- derstände.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann als stand-alone-Anwendung in einer Prozessanlage bereitgestellt werden oder in ein Pro- zessleitsystem einer Prozessanlage integriert werden. Es kann auch in einem lokalen oder entfernten Rechnersystem („Cloud") bereitgestellt werden, z.B. von einem Service-Anbieter als „Software as a Service".
Eine in FIG 1 beispielhaft gezeigte erfindungsgemäße Vorrich- tung 10 zur Ermittlung von Fouling umfasst
- eine Einrichtung 20 zum Empfang der Messwerte TP, Ein, TP, Aus , TS, Ein, TS, Aus , FP , FS des Wärmetauschers 1 und - eine Auswerteeinrichtung 30, die eingerichtet ist, mittels eines vorstehend beschriebenen Verfahrens aus diesen Mess- werten einen Wert für den Fouling-Widerstand Rf zu ermit- teln und auszugeben. Zusätzlich oder alternativ kann die Auswerteeinrichtung auch als Überwachungsvorrichtung fun- gieren: sie kann den ermittelten Fouling-Widerstand auf Überschreiten eines Schwellwertes überwachen und bei Über- schreiten ein Signal ausgeben, das beispielsweise eine Not- wendigkeit einer Reinigung signalisiert.
Die Auswerteeinrichtung 30 umfasst hierzu eine Prozessorein- heit 31, einen Speicher 32 zur Abspeicherung der empfangenen Messdaten, und einen Speicher 33, in dem ein Programm 34 mit Anweisungen gespeichert ist, bei deren Ausführung mittels der Prozessoreinheit 31 das vorstehend beschriebene Verfahren ausgeführt wird. Die Prozessoreinheit 31 speichert die von der Einrichtung 20 empfangenen Messwerte M in dem Speicher 32.
Eine Erfassung weiterer Größen wie beispielsweise A, cP,P, CP,S, ρP, ps, ist zwar möglich, aber nicht notwendig. Das er- findungsgemäße Verfahren geht vielmehr davon aus, dass diese nicht bekannt sind. Es können beliebige Konstanten angenommen werden, die dann zwar zu einem absolut gesehen falschen k- Wert führen werden, aber letztendlich sind die relativen Än- derungen dieses k-Wertes ausschlaggebend für die Funktions- weise und den Erfolg des Verfahrens.
Die in FIG 1 gezeigte Vorrichtung 10 kann beispielsweise als stand-alone-Anwendung in einer Prozessanlage bereitgestellt werden oder in ein Prozessleitsystem einer Prozessanlage in- tegriert werden.
Eine in FIG 6 gezeigte Vorrichtung 100 zur Ermittlung von Fouling kann dagegen durch ein lokales oder entferntes Rech- nersystem („Cloud") bereitgestellt werden, z.B. um die Er- mittlung von Fouling durch einen Service-Anbieter als „Soft- ware as a Service" anzubieten. Die Empfangseinrichtung 20 be- findet sich dabei vor Ort in der Prozessanlage des Wärmetau- schers 1 und die Auswerteeinrichtung 30 befindet sich auf ei- nem lokalen oder entfernten Rechnersystem („Cloud"). Die Emp- fangseinrichtung 20 speichert hierzu die empfangenen Messwer- te in einem Speicher 21 und sendet (z.B. in regelmäßigen zeitlichen Abständen, ereignisgesteuert oder nach Aufforde- rung durch die Auswerteeinrichtung 30) die Messwerte M (oder daraus abgeleitete Größen) mittels einer Sendeeinrichtung 22, z.B. über das Internet oder ein Intranet, an die Auswerteein- richtung 30.
Die Auswerteeinrichtung 30 umfasst eine Prozessoreinheit 31, einen Speicher 32 zur Abspeicherung der empfangenen Messda- ten, und einen Speicher 33, in dem ein Programm 34 mit Anwei- sungen gespeichert ist, bei deren Ausführung mittels der Pro- zessoreinheit 31 das vorstehend beschriebene Verfahren ausge- führt wird.
Die Prozessoreinheit 31 speichert die von der Einrichtung 20 über eine Schnittstelle 36 empfangenen Messwerte M in dem Speicher 32, sowie ggf. für weitere Eingangsgrößen, die über eine separate Schnittstelle 37 empfangen werden. Die mit dem Programm 34 ermittelten Werte der für den Fouling-Widerstand Rf, und/oder ein Signal, welches eine Notwendigkeit einer Reinigung signalisiert, werden über eine Schnittstelle 38 ausgegeben. Die Schnittstellen 36, 37 und 38 können dabei auch durch eine einzige gemeinsame Schnittstelle, zum Bei- spiel zum Intranet oder einem Intranet, bereitgestellt sein.
Durch eine nahezu EchtZeiterfassung der Messwerte und Berech- nung des Fouling-Widerstandes kann eine kontinuierliche lau- fende datenbasierte Fouling-Analyse und Überwachung des Fou- ling begleitend zum Betrieb der Anlage bzw. des Wärmetau- schers erfolgen. Es ist aber auch eine offline-Fouling- Analyse mit einem Zeitversatz zum realen Betrieb der Anlage möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung von Fouling bei einem Wärmetau- scher (1), bei dem Wärme von einem ersten Medium (S) zu einem zweiten Medium (P) durch eine Wand übertragen wird, wobei eine Funktion mit zumindest einem Parameter verwendet wird, die eine Abhängigkeit einer von dem Fouling beeinfluss- ten ersten Größe (k) von einem Durchfluss und/oder einer Tem- peratur des ersten Mediums (S) und/oder des zweiten Mediums (P), insbesondere eines gleichzeitigen Einflusses von Durch- fluss- und Temperaturänderungen auf die erste Größe (k), be- schreibt, und wobei ein Wert für den zumindest einen Parame- ter mit Hilfe von Messwerten des ersten Mediums und/oder des zweiten Mediums ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Größe (k) aus einer Wärmebilanz des Wärmetauschers (1) ermittelt wird
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wert für eine das Fouling charakterisierende Größe (Rf) aus einem Wert für die von dem Fouling beeinflussten ersten Größe (k) und einem Wert einer zweiten Größe (X), die einen Einfluss einer Abhängigkeit der ersten Größe (k) von einem Durchfluss und/oder einer Temperatur des ersten Mediums (S) und/oder des zweiten Mediums (P), insbesondere von einem gleichzeitigen Einfluss von Durchfluss- und Temperaturände- rungen auf die erste Größe (k), kompensiert, ermittelt wird, wobei der Wert der zweiten Größe (X) mit Hilfe der Funktion mit dem zumindest einen Parameter ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ermittlung des zumindest einen Parameters auf Messwerten basiert von
- Temperaturen ( TP, Ein, TP, Aus , TS, Ein, TS, Aus ) des ersten Mediums (S) und/oder des zweiten Mediums (P) und
- Durchflüssen (Fp, Fs) des ersten Mediums (S) und/oder des zweiten Mediums (P).
5.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Funktion mit dem zumindest einen Parameter für zumindest eine Seite der Wand, vorzugsweise für beide Seiten der Wand, eine Abhängigkeit eines Wärmeübergangskoeffizienten (ex) der jeweiligen Seite von dem Durchfluss und/oder der Temperatur des an der Seite der Wand jeweils vorbeigeführten ersten oder zweiten Mediums berücksichtigt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Abhängigkeit des Wär- meübergangskoeffizienten (ex) von dem Durchfluss des an der jeweiligen Wand vorbeigeführten Mediums beschrieben wird durch die Funktion α(F) = α•F(t)b wobei F der Durchfluss des Mediums an der jeweiligen Seite der Wand, t die Zeit und a, b Parameter sind.
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Abhängigkeit des Wär- meübergangskoeffizienten (ex) von der Temperatur des an der jeweiligen Wand vorbeigeführten Mediums beschrieben wird durch die Funktion α(T) = α·(T (t) + b)c, wobei T die mittlere Temperatur des Mediums an der jeweiligen Seite der Wand, t die Zeit und a, b, c Parameter sind.
8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Abhängigkeit des Wär- meübergangskoeffizienten (ex) von dem Durchfluss und/oder der Temperatur des an der jeweiligen Wand vorbeigeführten Mediums beschrieben wird durch die Funktion α(F,T)= α•Fb •(T + c)d, wo- bei F der (zeitabhängige) Durchfluss und T die (zeitabhängig) mittlere Temperatur des Mediums an der jeweiligen Seite der Wand und a, b, c, d Parameter sind.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln des zumindest einen Parameters umfasst:
- Bereitstellen einer Zielfunktion, die auf der Funktion mit dem zumindest einem Parameter basiert,
- Ermittlung des Wertes des zumindest einen Parameters durch eine Optimierung der Zielfunktion auf Basis von Messwerten von Durchflüssen und/oder Temperaturen des ersten und/oder zweiten Mediums mit Hilfe eines Parameteroptimierungsalgo- rithmus.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Zielfunktion auf ei- ner zeitlichen Ableitung zumindest erster Ordnung der Funkti- on mit dem zumindest einen Parameter basiert
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei als Parameterop- timierungsalgorithmus eine Partikelschwarmoptimierung (PSO) oder ein Evolutionsstrategie-Algorithmus verwendet wird
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wert einer das Fouling charakterisierenden Größe (Rf) oh- ne Verwendung von Stoffdaten des ersten und zweiten Mediums
(S bzw. P) oder ohne Verwendung von Geometriedaten des Wärme- tauschers (1), vorzugsweise ohne Verwendung sowohl der Stoff- daten als auch der Geometriedaten, ermittelt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wert einer das Fouling charakterisierende Größe (Rf), vorzugsweise ausschließlich, aus Messwerten von mehreren der folgenden Messgrößen ermittelt wird:
- Temperaturen ( TP, Ein, TP, Aus , TS, Ein, TS, Aus ) des ersten Mediums (S) und des zweiten Mediums (P) am Eingang und am Ausgang des Wärmetauschers (1) und
- Durchflüsse (Fp, Fs) des ersten Mediums (S) und des zweiten Mediums (P) durch den Wärmetauscher (1).
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nur relative Werte für eine das Fouling charakterisierende Größe (Rf) ermittelt werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wärmedurchgangswiderstand oder eine Wärmedurchgangsleit- fähigkeit als eine das Fouling charakterisierende Größe (Rf) verwendet wird.
16. Vorrichtung (10, 100) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend
- eine Einrichtung (20) zum Empfang von Messwerten (M) oder daraus abgeleiteten Größen des Wärmetauschers (1) und - eine Auswerteeinrichtung (30), in der eine Funktion mit zu- mindest einem Parameter gespeichert ist, die eine Abhängig- keit einer von dem Fouling beeinflussten ersten Größe (k) von einem Durchfluss und/oder einer Temperatur des ersten Mediums (S) und/oder des zweiten Mediums (P), insbesondere von einem gleichzeitigen Einfluss von Durchfluss- und Tem- peraturänderungen auf die erste Größe (k), beschreibt, wo- bei die Auswerteeinrichtung eingerichtet ist, einen Wert für den zumindest einen Parameter mit Hilfe der Messwerte oder der daraus abgeleiteten Größen des ersten Mediums und/oder des zweiten Mediums zu ermitteln.
17. Computer-Programm umfassend Anweisungen die, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 auszuführen.
PCT/EP2021/058482 2021-03-31 2021-03-31 Verfahren und vorrichtung zur ermittlung von fouling bei einem wärmetauscher WO2022207100A1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/284,885 US20240183629A1 (en) 2021-03-31 2021-03-31 Method and Device for Ascertaining Fouling in a Heat Exchanger
EP21718045.4A EP4288738A1 (de) 2021-03-31 2021-03-31 Verfahren und vorrichtung zur ermittlung von fouling bei einem wärmetauscher
PCT/EP2021/058482 WO2022207100A1 (de) 2021-03-31 2021-03-31 Verfahren und vorrichtung zur ermittlung von fouling bei einem wärmetauscher
CN202180096712.6A CN117136290A (zh) 2021-03-31 2021-03-31 用于确定换热器中的污垢的方法和设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2021/058482 WO2022207100A1 (de) 2021-03-31 2021-03-31 Verfahren und vorrichtung zur ermittlung von fouling bei einem wärmetauscher

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022207100A1 true WO2022207100A1 (de) 2022-10-06

Family

ID=75478009

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/058482 WO2022207100A1 (de) 2021-03-31 2021-03-31 Verfahren und vorrichtung zur ermittlung von fouling bei einem wärmetauscher

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20240183629A1 (de)
EP (1) EP4288738A1 (de)
CN (1) CN117136290A (de)
WO (1) WO2022207100A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021180581A1 (de) * 2020-03-09 2021-09-16 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur ermittlung von fouling bei einem wärmetauscher

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4390058A (en) 1979-12-05 1983-06-28 Hitachi, Ltd. Method of monitoring condenser performance and system therefor
US4766553A (en) * 1984-03-23 1988-08-23 Azmi Kaya Heat exchanger performance monitor
EP0470676A2 (de) 1990-08-09 1992-02-12 RICCIUS + STROSCHEN GmbH Verfahren zur Diagnose des Verschmutzungszustandes von Wärmeübertragern
DE19502096A1 (de) 1995-01-24 1996-07-25 Bergemann Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Rußbläsern in einer Kesselanlage
EP2128551A1 (de) 2008-05-29 2009-12-02 Siemens Aktiengesellschaft Überwachung von Wärmetauschern in Prozessleitsystemen
US20180051945A1 (en) * 2016-08-18 2018-02-22 The Boeing Company Model-based method and system to detect heat exchanger fouling
DE102016225528A1 (de) 2016-12-20 2018-06-21 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Verschmutzungszustands bei einem Wärmetauscher
WO2019001683A1 (de) 2017-06-26 2019-01-03 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und einrichtung zur überwachung eines wärmetauschers
US20190331336A1 (en) * 2018-04-30 2019-10-31 Suncor Energy Inc. Systems and Methods for Predicting Tube Fouling in a Fired Apparatus, and for Utilizing Tube Fouling Predictions

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4390058A (en) 1979-12-05 1983-06-28 Hitachi, Ltd. Method of monitoring condenser performance and system therefor
US4766553A (en) * 1984-03-23 1988-08-23 Azmi Kaya Heat exchanger performance monitor
EP0470676A2 (de) 1990-08-09 1992-02-12 RICCIUS + STROSCHEN GmbH Verfahren zur Diagnose des Verschmutzungszustandes von Wärmeübertragern
DE19502096A1 (de) 1995-01-24 1996-07-25 Bergemann Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Rußbläsern in einer Kesselanlage
EP2128551A1 (de) 2008-05-29 2009-12-02 Siemens Aktiengesellschaft Überwachung von Wärmetauschern in Prozessleitsystemen
US20180051945A1 (en) * 2016-08-18 2018-02-22 The Boeing Company Model-based method and system to detect heat exchanger fouling
DE102016225528A1 (de) 2016-12-20 2018-06-21 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Verschmutzungszustands bei einem Wärmetauscher
WO2019001683A1 (de) 2017-06-26 2019-01-03 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und einrichtung zur überwachung eines wärmetauschers
US20190331336A1 (en) * 2018-04-30 2019-10-31 Suncor Energy Inc. Systems and Methods for Predicting Tube Fouling in a Fired Apparatus, and for Utilizing Tube Fouling Predictions

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZOLZER K ET AL.: "Einsatz des Kessel-Diagnose-Systems KEDI im Kraftwerk Staudinger 5", VGB KRAFTWERKSTECHNIK, vol. 75, no. 9, 1 September 1995 (1995-09-01), pages 755 - 762, XP000525900, ISSN: 0372-5715

Also Published As

Publication number Publication date
CN117136290A (zh) 2023-11-28
US20240183629A1 (en) 2024-06-06
EP4288738A1 (de) 2023-12-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2128551A1 (de) Überwachung von Wärmetauschern in Prozessleitsystemen
EP4088077B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur ermittlung von fouling bei einem wärmetauscher
EP2587329B1 (de) Unterstützung der Fehlerdiagnose einer Industrieanlage
EP3631592B1 (de) Verfahren und system zur ermittlung einer verbleibenden lebensdauer eines fluiddurchströmten verfahrenstechnischen apparats
EP0559043A1 (de) Verfahren zur Regelung von Wärmeübertragern
EP1743133B1 (de) Verfahren und einrichtung zur ermittlung der leistungsfähigkeit eines wärmetauschers
DE102019135288A1 (de) System und verfahren zum überwachen eines zustands von mindestens einem objekt, das in einem rohrleitungssystem umfasst ist
DE102005055333B4 (de) Verfahren zur Leistungsbewertung von Wärmetauschern
EP4288738A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur ermittlung von fouling bei einem wärmetauscher
WO2019001683A1 (de) Verfahren und einrichtung zur überwachung eines wärmetauschers
DE3136225A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum pruefen von fluiden
DE69329307T2 (de) Dampfdurchflussmesser
EP4215257B1 (de) Verfahren zur bestimmung des verschmutzungsgrades eines filters
DE102010000755B4 (de) Anordnung zur Messung der Viskosität einer gleichmäßig temperierten Flüssigkeit
EP2725312B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen einer Kältemittelfüllmenge
DE102022213953B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Wartungsbedarfs eines Wärmetauschers
DE112018001692T5 (de) Informationsverarbeitungsvorrichtung, informationsverarbeitungsverfahren und programm
EP3850291B1 (de) Verfahren zur festigkeits- und lebensdauerberechnung eines fluiddurchströmten verfahrenstechnischen apparats
EP3441694B1 (de) Verfahren zum betreiben einer wärmetechnischen anlage
DE19504325C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur kostenorientierten Überwachung und/oder Anzeige des Betriebszustandes eines reinigbaren Wärmetauschers
DE102018116894B4 (de) Verfahren zum Kompensieren einer Fehlfunktion eines Feldgeräts in einer Anlage der Automatisierungstechnik
WO2019166375A1 (de) Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine, steuereinrichtung und brennkraftmaschine
AT526512B1 (de) Verfahren zur Überwachung einer Vorrichtung zur Temperiermedienversorgung eines Werkzeugs einer Formgebungsmaschine
DE102018130189B4 (de) Verfahren zum Betrieb einer Heizungsinstallation
EP3314336B1 (de) Verfahren zur regelung technischer prozesse mittels linearisierung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21718045

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2021718045

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021718045

Country of ref document: EP

Effective date: 20230908

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18284885

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE