WO2023126244A1 - System for determining the remaining service life of the heat exchanger of water heaters - Google Patents

System for determining the remaining service life of the heat exchanger of water heaters Download PDF

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WO2023126244A1
WO2023126244A1 PCT/EP2022/086886 EP2022086886W WO2023126244A1 WO 2023126244 A1 WO2023126244 A1 WO 2023126244A1 EP 2022086886 W EP2022086886 W EP 2022086886W WO 2023126244 A1 WO2023126244 A1 WO 2023126244A1
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heat transfer
volume
line
temperature sensor
heat exchanger
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PCT/EP2022/086886
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Seyit Ahmet Kuzucanli
Ceren Vatansever
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Bosch Termoteknik Isitma ve Klima Sanayi Ticaret Anonim Sirketi
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    • F24H15/10—Control of fluid heaters characterised by the purpose of the control
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a system for determining the remaining service life of water heaters.
  • the invention relates to a system for detecting blockages and the remaining service life of the heat exchanger of combination water heaters.
  • Water heaters in particular combination water heaters, are connected to a central heating circuit and to a domestic water pipe. They heat the liquid in the central heating circuit and the water in the domestic water pipe. The water in the central heating circuit is fed into the water heater, heated by a heating cell and fed back into the central heating circuit. Heating components such as radiators in the central heating circuit ensure that the rooms are heated.
  • the water in the domestic water pipe is heated in that a heat transfer is carried out between the water from the central heating circuit after it has been heated and the water from the domestic water pipe using a heat exchanger.
  • the heat exchanger comprises a first volume through which the water from the central heating circuit flows and a second volume through which the water from the domestic water line flows.
  • the first volume and the second volume exchange heat via a heat transfer medium. In this case, heat is transferred from the water heated by a heating cell in the first volume of the central heating circuit to the water in the second volume of the domestic water pipe.
  • German patent application DE102009042994 a system is disclosed which makes it possible to take temperature measurements at different points of the plate heat exchanger and to generate a warning signal to prevent possible heat-related damage to the heat exchanger if the temperature measurements exceed a certain threshold.
  • the present invention relates to a system for determining the remaining life of a water heater in order to eliminate the above disadvantages and to provide new advantages in the relevant technical field.
  • An object of the invention is to provide a system for determining the remaining life of heat exchangers of water heaters.
  • Another object of the invention is to provide a system for detecting blockages in heat exchangers.
  • the present invention relates to a system for detecting a blockage in the first volume of the heat exchanger of a water heater, comprising a first line hydraulically connected to a central heating circuit and a second pipe hydraulically connected to a domestic water pipe; a heating cell connected to the first line for heating the liquid in the first line; and a heat exchanger for heat transfer between the first line and the second line, comprising a first volume hydraulically connected to the first line, a second volume hydraulically connected to the second line, and a heat transfer element connected between the first Volume and the second volume is provided.
  • the system is characterized in that it comprises a first temperature sensor for measuring the temperature of the liquid entering the first volume; a second temperature sensor for measuring the temperature of the liquid exiting the first volume; a third temperature sensor for measuring the temperature of the liquid entering the second volume; a fourth temperature sensor for measuring the temperature of the liquid exiting the second volume; a flow meter for measuring the mass flow of the liquid in the first line or in the central heating circuit; a control unit arranged to receive temperature and flow measurements from the first temperature sensor, the second temperature sensor, the third temperature sensor, the fourth temperature sensor and the flow meter, the control unit being configured to use the received temperature and stores flow measurements in a storage unit by associating the received temperature and flow measurements with their times of receipt; determining a heat transfer rate of the first volume according to measurements received from the first temperature sensor, the second temperature sensor, and the flow meter and according to a specific calorific value; determine a logarithmic mean temperature difference for the heat exchanger according to measurements received from the first temperature sensor, the second temperature sensor, the third temperature sensor
  • the blockage on the central heating circuit side of the heat exchanger can be detected.
  • the service life of the heat exchanger is determined. Users can use this remaining life information to take precautions before clogging occurs. The user is less exposed to the negative effects of constipation.
  • the feature of a possible embodiment of the invention is that the aging model is a stochastic machine learning model trained with stored heat transfer coefficients. In this way, a blockage in the heat exchanger can be detected with higher accuracy.
  • control unit is configured to determine the heat transfer coefficient by multiplying the flow measurement, the specific heat value and the difference in the temperature measurements of the first temperature sensor and the second temperature sensor.
  • the feature of another possible embodiment of the invention is that it comprises a user interface controlled by means of a control unit, which control unit is configured to monitor the lifetime on the user interface. This allows the user to track the lifespan of the heat exchanger on the user interface.
  • control unit is configured to generate a warning signal when the lifetime exceeds a first lifetime threshold. This alerts the user that the heat exchanger needs to be replaced.
  • control unit is configured to display the warning signal on the user interface. In this way, the user is informed when the lifespan of the heat exchanger reaches a certain value.
  • the invention also relates to a water heater comprising a system as described above.
  • the feature of another possible embodiment of the invention is that the water heater is a combination water heater. So the user can keep track of the remaining life of the combi water heater with this system.
  • the invention is further a method of detecting clogging in the first volume of a heat exchanger of a water heater comprising a first line hydraulically connected to a central heating circuit and a second line hydraulically connected to a domestic water line; a heating cell connected to the first line for heating the liquid in the first line; and a heat exchanger for heat transfer between the first conduit and the second conduit comprising a first volume hydraulically connected to the first conduit, a second volume hydraulically connected to the second conduit, and a heat transfer element interposed between the first volume and the second volume is provided.
  • control unit is configured to carry out the following method steps
  • the feature of another possible embodiment of the invention is that the aging model is a stochastic machine learning model trained with stored heat transfer coefficients. In this way, the remaining service life of the heat exchanger can be determined with greater accuracy.
  • the feature of another possible embodiment of the invention is that it is configured to issue a warning signal when the lifetime exceeds a first lifetime threshold. In this way, the user is informed when the lifespan of the heat exchanger reaches a certain value.
  • Figure 1 shows a representative view of the water heater.
  • Figure 2 shows a representative view of the system.
  • the invention relates to a system (200) for detecting a blockage in a heat exchanger (150) of a water heater (100) and thus the remaining service life of the heat exchanger (150).
  • the water heater (100) includes a first line (110) hydraulically connected to a central heating circuit (310) and a second line (120) hydraulically connected to a domestic water line.
  • the circulating fluid from the Central heating circuit (310) enters the first line (110) where it is heated, then exits and re-enters the central heating circuit (310).
  • the tap water coming from a pipe such as the municipal water supply is introduced into the second pipe (120) and after being heated it is introduced into the domestic water pipe to be used by the consumers via components such as faucets etc.
  • the liquid in the first line (110) can be water or another liquid used for heating purposes.
  • the first line (110) may also include a pump for moving the liquid.
  • the water heater (100) includes a heating cell (130) for heating the liquid in the first line (110).
  • the heater cell (130) supplies heat by consuming energy elements such as electricity, gas and the like.
  • the heater cell (130) can be controlled by thermostat-like devices or a control unit (210). In other words, the cycles in which the heater cell (130) is turned on and off can be controlled by these components.
  • the water heater (100) includes a heat exchanger (150) to ensure heat transfer between the heated liquid in the first line (110) and the water in the second line (120) without mixing with each other.
  • the heat exchanger (150) comprises a first volume (151) receiving the liquid in the first line (110), a second volume (152) receiving the liquid in the second line (120), and a heat transfer medium (153) for heat transfer between the first volume (151) and the second volume (152).
  • the heat transfer element (153) is made of a thermally conductive material.
  • the heat exchanger (150) may be of a type known in the art as a plate type.
  • the innovation in the system (200) according to the invention consists in determining a lifetime of the heat exchanger (150) as a function of the state of clogging in the first volume (151) of the heat exchanger (150).
  • the system (200) includes a first temperature sensor (221) for measuring the temperature of the liquid entering the first volume (151) of the heat exchanger (150).
  • the first temperature sensor (221) measures the temperature of the liquid in the first line (110) before entering the first volume (151).
  • the first temperature sensor (221) is provided at the inlet of the first volume (151).
  • the system (200) also includes a second temperature sensor (222) for measuring the temperature of the liquid exiting the first volume (151).
  • the second temperature sensor (222) measures the temperature at which the liquid exits the first volume (151) in the first line (110).
  • the second temperature sensor (222) is provided at the outlet of the first volume (151).
  • the system (200) includes a third temperature sensor (231) for measuring the temperature of the liquid entering the second volume (152) of the heat exchanger (150).
  • the third temperature sensor (231) measures the temperature of the liquid in the second line (120) before it enters the second volume (152).
  • the third temperature sensor (231) is provided at the inlet of the second volume (152).
  • the system (200) further includes a fourth temperature sensor (232) for measuring the temperature of the liquid exiting the second volume (152).
  • the fourth temperature sensor (232) measures the temperature at which the liquid exits the second volume (152) in the second line (120).
  • the fourth temperature sensor (232) is provided at the outlet of the second volume (152).
  • the system (200) includes a flow meter (240) which is provided in the first line (110) or in the central heating circuit (310).
  • the flow measuring device (240) measures the mass or volume flow of the liquid in the first line (110) or in the central heating circuit (310).
  • the flow measuring device (240) measures the mass flow of the liquid in the first line (110) or in the central heating circuit (310).
  • the flow measuring device (240) measures the volume flow of the liquid in the first line (110) or in the central heating circuit (310).
  • the flow meter (240) may be an electromagnetic, ultrasonic, vortex, spiral or other flow meter known in the art.
  • the system (200) includes a control unit (210) that receives the temperature and flow measurements.
  • the control unit (210) includes a Processor unit (211) for receiving temperature and flow measurements from a first temperature sensor (221), a second temperature sensor (222), a third temperature sensor (231), a fourth temperature sensor (232) and a flow meter (240).
  • the control unit (210) comprises a memory unit (212) which is assigned to the processor unit (211) in such a way that the processor unit (211) can read data and record data.
  • Said processor unit (211) may be a microprocessor on which software codes are executed.
  • the control unit (210) stores the received temperature and flow measurements in the memory unit (212) by associating them with their times of reception.
  • the control unit (210) determines a heat transfer rate of the first volume (151) according to the measurements received from the first temperature sensor (221), the second temperature sensor (222) and the flow meter (240) and according to a specific calorific value.
  • the specific heat referred to herein refers to the amount of heat energy required to raise the temperature of a unit mass of the fluid circulating in the central heating circuit (310) or in the first line (110).
  • the control unit (210) determines a logarithmic mean temperature difference for the heat exchanger (150) according to the measurements received from the first temperature sensor (221), the second temperature sensor (222), the third temperature sensor (231) and the fourth temperature sensor (232).
  • Said logarithmic mean temperature difference is an average of the temperature changes in the first volume (151) and in the second volume (152) of the heat exchanger (150) according to the measurements received from the temperature sensors.
  • the control unit (210) determines a heat transfer coefficient according to the logarithmic mean temperature difference and the heat transfer rate calculated depending on the heat transfer area of the heat exchanger (150).
  • the heat transfer area refers to the surface area of the heat transfer element (153) provided between the first volume (151) and the second volume (152).
  • the control unit (210) periodically calculates the heat transfer coefficient and stores it in the storage unit (212).
  • the system (200) includes a user interface (260) through which a user can track the measurements or calculated values received from the control unit (210).
  • the controller (210) monitors the heat transfer coefficient on the user interface (260).
  • the User interface (260) can be located on the water heater (100). In one possible embodiment, the user interface (260) can be located in a room remote from the water heater (100) and enable wired or wireless communication with the control unit (210).
  • the controller (210) determines a lifetime when the heat transfer coefficient exceeds a first threshold. This lifetime is calculated based on the stored heat transfer coefficients using an aging model. Life refers to the remaining life of the heat exchanger (150) after the heat transfer coefficient has exceeded a second threshold.
  • the service life mentioned here refers to the estimated remaining service life of the heat exchanger (150) without falling below a certain level of efficiency. If the heat exchanger (150) falls below the stated efficiency, sufficient heat transfer between the first volume (151) and the second volume (152) cannot be guaranteed and more energy than necessary is consumed.
  • the aging model mentioned is a software algorithm.
  • the aging model is a stochastic machine learning model trained with stored heat transfer coefficients.
  • the controller (210) determines the aging model of the heat exchanger (150) based on the previous heat transfer coefficients.
  • the detection of a decrease in the heat transfer coefficient may indicate a clogging in the heat exchanger (150).
  • the aging model trained with the stored heat transfer coefficients shows a decreasing trend in the heat transfer coefficient. Accordingly, if the heat transfer coefficient exceeds a first threshold, the remaining life of the heat exchanger (150) may be calculated as a result of exceeding a second threshold.
  • the controller (210) is configured to generate a warning signal when the lifetime exceeds a first lifetime threshold.
  • the first lifetime threshold is related to a specific period of time.
  • the first lifetime threshold can be set during production or by the user. If the first lifetime threshold For example, if set to 90 days, the control unit (210) generates the warning signal when the lifetime falls below 90 days.
  • the warning signal is monitored by the control unit (210) on the user interface (260).
  • a second lifetime threshold can be determined. If the second lifetime threshold is exceeded, the controller (210) may stop operation of the water heater (100).
  • the control unit (210) receives the temperature and flow measurements in real time.
  • the processor unit (211) continuously processes the received measured values.
  • the heat transfer rate is calculated from the following formula (1).
  • the logarithmic mean temperature difference is calculated by the following formula (2).
  • LMTD logarithmic mean temperature difference
  • T stands for temperature
  • CH stands for the central heating circuit (310)
  • DHW stands for the domestic water line (320);
  • inlet stands for the inlet;
  • outlet stands for the outlet.
  • the heat transfer coefficient is calculated by the following formula (3).
  • a lifetime calculation is performed when the heat transfer coefficient exceeds a first threshold.
  • the main purpose of using the first threshold is to give the processing unit (211) time to get enough data.
  • the lifetime refers to the estimated remaining lifetime of the heat exchanger (150) after the heat transfer coefficient has exceeded a second threshold.

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Abstract

A system (200) for identifying a blockage in the first volume (151) of a heat exchanger (150) of a water heater (100) is disclosed, the water heater comprising: a first line (110), which is hydraulically connected to a central heating circuit (310), and a second line (120), which is hydraulically connected to a domestic water line (320); a heating cell (130) connected to the first line (110) for the purposes of heating the liquid in the first line (110); and a heat exchanger (150) for transferring heat between the first line (110) and the second line (120), the heat exchanger comprising a first volume (151), which is hydraulically connected to the first line (110), a second volume (152), which is hydraulically connected to the second line (120), and a heat transfer element (153), which is provided between the first volume (151) and the second volume (152). The system is accordingly characterised in that the heat exchanger (150) comprises a control unit (210) that is configured to carry out the following method steps: determining a heat transfer coefficient on the basis of a logarithmic mean temperature difference and determining a heat transfer rate on the basis of the heat transfer surface area of the heat exchanger; and determining the service life using an aging model on the basis of the stored heat transfer coefficient if the heat transfer coefficient overshoots a first threshold value and the heat transfer coefficient overshoots a second threshold value.

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION
SYSTEM ZUM BESTIMMEN DER RESTLEBENSDAUER DES WÄRMETAUSCHERS VON WASSERHEIZERN SYSTEM FOR DETERMINING THE REMAINING LIFE OF THE HEAT EXCHANGER OF WATER HEATER
TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA
Die Erfindung betrifft ein System zum Bestimmen der Restlebensdauer von Wasserheizern. Im Einzelnen betrifft die Erfindung ein System zur Erkennung von Verstopfungen und der Restlebensdauer des Wärmetauschers von Kombi- Wasserheizern. The invention relates to a system for determining the remaining service life of water heaters. In particular, the invention relates to a system for detecting blockages and the remaining service life of the heat exchanger of combination water heaters.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Wasserheizer, insbesondere Kombi-Wasserheizer, sind an einen Zentralheizkreislauf und an eine Hauswasserleitung angeschlossen. Sie erwärmen die Flüssigkeit im Zentralheizkreislauf und das Wasser in der Hauswasserleitung. Das Wasser im Zentralheizkreislauf wird in den Wasserheizer geleitet, durch eine Heizzelle erwärmt und wieder in den Zentralheizkreislauf zurückgeleitet. Durch Heizkomponenten wie Heizkörper im Zentralheizkreislauf wird dafür gesorgt, dass die Räume geheizt werden. Water heaters, in particular combination water heaters, are connected to a central heating circuit and to a domestic water pipe. They heat the liquid in the central heating circuit and the water in the domestic water pipe. The water in the central heating circuit is fed into the water heater, heated by a heating cell and fed back into the central heating circuit. Heating components such as radiators in the central heating circuit ensure that the rooms are heated.
Das Wasser in der Hauswasserleitung wird dadurch erwärmt, dass zwischen dem Wasser aus dem Zentralheizkreislauf nach dessen Erhitzen und dem Wasser aus der Hauswasserleitung anhand eines Wärmetauschers eine Wärmeübertragung durchgeführt wird. Der Wärmetauscher umfasst ein erstes Volumen, durch welches das Wasser aus dem Zentralheizkreislauf fließt, und ein zweites Volumen, durch welches das Wasser der Hauswasserleitung fließt. Das erste Volumen und das zweite Volumen tauschen Wärme über ein Wärmeübertragungsmittel aus. Dabei erfolgt eine Wärmeübertragung aus dem durch eine Heizzelle erwärmten Wasser in dem ersten Volumen des Zentralheizkreislaufes auf das Wasser in dem zweiten Volumen der Hauswasserleitung. The water in the domestic water pipe is heated in that a heat transfer is carried out between the water from the central heating circuit after it has been heated and the water from the domestic water pipe using a heat exchanger. The heat exchanger comprises a first volume through which the water from the central heating circuit flows and a second volume through which the water from the domestic water line flows. The first volume and the second volume exchange heat via a heat transfer medium. In this case, heat is transferred from the water heated by a heating cell in the first volume of the central heating circuit to the water in the second volume of the domestic water pipe.
Bei einer Verstopfung im Wärmetauscher wird das Wasser in der Hauswasserleitung nicht ausreichend erwärmt oder der Wasserdruck sinkt. Dadurch wird der Komfort der Benutzer negativ beeinflusst. Eine Verstopfung kann in den nachfolgenden Schritten den Wärmetauscher schädigen und einen Flüssigkeitsdurchlass zwischen den beiden Volumina des Wärmetauschers verursachen. Die Verstopfung des Wärmetauschers führt dazu, dass das Wasser nicht auf die gewünschte Temperatur erwärmt wird, was den Nutzungskomfort verringert und den Energieverbrauch erhöht. If there is a blockage in the heat exchanger, the water in the domestic water pipe is not heated sufficiently or the water pressure drops. This negatively affects user comfort. A blockage can damage the heat exchanger and a liquid passage between the two volumes of the heat exchanger in the following steps cause. The clogging of the heat exchanger leads to the fact that the water is not heated to the desired temperature, which reduces the comfort of use and increases energy consumption.
In der deutschen Patentanmeldung DE102009042994 wird ein System offenbart, das es ermöglicht, Temperaturmessungen an verschiedenen Stellen des Plattenwärmetauschers vorzunehmen, und ein Warnsignal zu erzeugen, um mögliche hitzebedingte Schäden am Wärmetauscher zu verhindern, wenn die Temperaturmessungen einen bestimmten Schwellenwert überschreiten. In the German patent application DE102009042994 a system is disclosed which makes it possible to take temperature measurements at different points of the plate heat exchanger and to generate a warning signal to prevent possible heat-related damage to the heat exchanger if the temperature measurements exceed a certain threshold.
All die oben genannten Probleme haben eine Innovation in dem betreffenden technischen Gebiet erforderlich gemacht. All of the above problems have required innovation in the related technical field.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Bestimmen der Restlebensdauer eines Wasserheizers, um die oben genannten Nachteile zu beseitigen und neue Vorteile auf dem relevanten technischen Gebiet zu schaffen. The present invention relates to a system for determining the remaining life of a water heater in order to eliminate the above disadvantages and to provide new advantages in the relevant technical field.
Ein Ziel der Erfindung ist es, ein System zum Bestimmen der Restlebensdauer von Wärmetauschern von Wasserheizern bereitzustellen. An object of the invention is to provide a system for determining the remaining life of heat exchangers of water heaters.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein System zur Erkennung von Verstopfungen in Wärmetauschern bereitzustellen. Another object of the invention is to provide a system for detecting blockages in heat exchangers.
Um alle oben erwähnten und sich aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung ergebenden Aufgaben zu erfüllen, betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Erkennung einer Verstopfung im ersten Volumen des Wärmetauschers eines Wasserheizers, umfassend eine erste Leitung, die hydraulisch mit einem Zentralheizkreislauf verbunden ist, und eine zweite Leitung, die hydraulisch mit einer Hauswasserleitung verbunden ist; eine mit der ersten Leitung verbundene Heizzelle zum Erwärmen der Flüssigkeit in der ersten Leitung; und einen Wärmetauscher für die Wärmeübertragung zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung, umfassend ein erstes Volumen, das hydraulisch mit der ersten Leitung verbunden ist, ein zweites Volumen, das hydraulisch mit der zweiten Leitung verbunden ist, und ein Wärmeübertragungselement, das zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen vorgesehen ist. Dementsprechend ist das System dadurch gekennzeichet, dass es einen ersten Temperatursensor zur Messung der Temperatur der in das erste Volumen eintretenden Flüssigkeit; einen zweiten Temperatursensor zur Messung der Temperatur der aus dem ersten Volumen austretenden Flüssigkeit; einen dritten Temperatursensor zur Messung der Temperatur der in das zweite Volumen eintretenden Flüssigkeit; einen vierten Temperatursensor zur Messung der Temperatur der aus dem zweiten Volumen austretenden Flüssigkeit; eine Durchflussmesseinrichtung zur Messung des Massenstroms der Flüssigkeit in der ersten Leitung oder im Zentralheizkreislauf; eine Steuereinheit, die so angeordnet ist, dass sie Temperatur- und Durchflussmessungen von dem ersten Temperatursensor, dem zweiten Temperatursensor, dem dritten Temperatursensor, dem vierten Temperatursensor und der Durchflussmesseinrichtung empfängt, umfasst, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie die empfangenen Temperatur- und Durchflussmessungen in einer Speichereinheit speichert, indem sie die empfangenen Temperatur- und Durchflussmessungen ihren Empfangszeiten zuordnet; eine Wärmeübertragungsrate des ersten Volumens gemäß Messungen, die von dem ersten Temperatursensor, dem zweiten Temperatursensor und der Durchflussmesseinrichtung empfangen werden, und gemäß einem spezifischen Wärmewert bestimmt; eine logarithmische mittlere Temperaturdifferenz für den Wärmetauscher gemäß Messungen, die von dem ersten Temperatursensor, dem zweiten Temperatursensor, dem dritten Temperatursensor und dem vierten Temperatursensor empfangen werden, bestimmt; in Abhängigkeit von der Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers einen Wärmeübertragungskoeffizienten gemäß der logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz und der Wärmeübertragungsrate bestimmt; den Wärmeübertragungskoeffizienten periodisch berechnet und in der Speichereinheit speichert, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie folgende Verfahrensschritte ausführt: In order to achieve all the objects mentioned above and which will become apparent from the detailed description below, the present invention relates to a system for detecting a blockage in the first volume of the heat exchanger of a water heater, comprising a first line hydraulically connected to a central heating circuit and a second pipe hydraulically connected to a domestic water pipe; a heating cell connected to the first line for heating the liquid in the first line; and a heat exchanger for heat transfer between the first line and the second line, comprising a first volume hydraulically connected to the first line, a second volume hydraulically connected to the second line, and a heat transfer element connected between the first Volume and the second volume is provided. Accordingly, the system is characterized in that it comprises a first temperature sensor for measuring the temperature of the liquid entering the first volume; a second temperature sensor for measuring the temperature of the liquid exiting the first volume; a third temperature sensor for measuring the temperature of the liquid entering the second volume; a fourth temperature sensor for measuring the temperature of the liquid exiting the second volume; a flow meter for measuring the mass flow of the liquid in the first line or in the central heating circuit; a control unit arranged to receive temperature and flow measurements from the first temperature sensor, the second temperature sensor, the third temperature sensor, the fourth temperature sensor and the flow meter, the control unit being configured to use the received temperature and stores flow measurements in a storage unit by associating the received temperature and flow measurements with their times of receipt; determining a heat transfer rate of the first volume according to measurements received from the first temperature sensor, the second temperature sensor, and the flow meter and according to a specific calorific value; determine a logarithmic mean temperature difference for the heat exchanger according to measurements received from the first temperature sensor, the second temperature sensor, the third temperature sensor, and the fourth temperature sensor; depending on the heat transfer area of the heat exchanger, determines a heat transfer coefficient according to the logarithmic mean temperature difference and the heat transfer rate; periodically calculates the heat transfer coefficient and stores it in the storage unit, wherein the control unit is configured to carry out the following method steps:
- Überwachung der Wärmeübertragungskoeffizienten, - monitoring of heat transfer coefficients,
- Bestimmen der Lebensdauer mittels eines Alterungsmodells gemäß den gespeicherten Wärmeübergangskoeffizienten, wenn der Wärmeübertragungskoeffizient einen ersten Schwellenwert überschreitet und der Wärmeübertragungskoeffizient einen zweiten Schwellenwert überschreitet. Auf diese Weise kann die Verstopfung auf der Zentralheizkreislaufseite des Wärmetauschers erkannt werden. Entsprechend der festgestellten Verstopfung wird die Lebensdauer des Wärmetauschers bestimmt. Die Benutzer können anhand dieser Informationen über die verbleibende Lebensdauer Vorkehrungen treffen, bevor die Verstopfung auftritt. Der Nutzer wird den negativen Auswirkungen der Verstopfung weniger ausgesetzt. - determining the lifetime using an aging model according to the stored heat transfer coefficients when the heat transfer coefficient exceeds a first threshold and the heat transfer coefficient exceeds a second threshold. In this way, the blockage on the central heating circuit side of the heat exchanger can be detected. According to the detected clogging, the service life of the heat exchanger is determined. Users can use this remaining life information to take precautions before clogging occurs. The user is less exposed to the negative effects of constipation.
Das Merkmal einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist, dass das Alterungsmodell ein stochastisches maschinelles Lernmodell ist, das mit gespeicherten Wärmeübertragungskoeffizienten trainiert wird. Auf diese Weise kann eine Verstopfung im Wärmetauscher mit höherer Genauigkeit erkannt werden. The feature of a possible embodiment of the invention is that the aging model is a stochastic machine learning model trained with stored heat transfer coefficients. In this way, a blockage in the heat exchanger can be detected with higher accuracy.
Das Merkmal einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist, dass die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie den Wärmeübertragungskoeffizienten durch Multiplikation der Durchflussmessung, des spezifischen Wärmewertes und der Differenz der Temperaturmessungen des ersten Temperatursensors und des zweiten Temperatursensors bestimmt. The feature of another possible embodiment of the invention is that the control unit is configured to determine the heat transfer coefficient by multiplying the flow measurement, the specific heat value and the difference in the temperature measurements of the first temperature sensor and the second temperature sensor.
Das Merkmal einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist, dass sie eine Benutzerschnittstelle umfasst, die mit Hilfe einer Steuereinheit gesteuert wird, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie die Lebensdauer auf der Benutzerschnittstelle überwacht. So kann der Benutzer die Lebensdauer des Wärmetauschers auf der Benutzerschnittstelle nachverfolgen. The feature of another possible embodiment of the invention is that it comprises a user interface controlled by means of a control unit, which control unit is configured to monitor the lifetime on the user interface. This allows the user to track the lifespan of the heat exchanger on the user interface.
Das Merkmal einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist, dass die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie ein Warnsignal erzeugt, wenn die Lebensdauer einen ersten Lebensdauerschwellenwert überschreitet. So wird der Benutzer darauf hingewiesen, dass der Wärmetauscher ausgetauscht werden muss. The feature of another possible embodiment of the invention is that the control unit is configured to generate a warning signal when the lifetime exceeds a first lifetime threshold. This alerts the user that the heat exchanger needs to be replaced.
Das Merkmal einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist, dass die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie das Warnsignal auf der Benutzerschnittstelle anzeigt. So wird der Benutzer informiert, wenn die Lebensdauer des Wärmetauschers einen bestimmten Wert erreicht. The feature of another possible embodiment of the invention is that the control unit is configured to display the warning signal on the user interface. In this way, the user is informed when the lifespan of the heat exchanger reaches a certain value.
Die Erfindung betrifft auch einen Wasserheizer, der ein System wie oben beschrieben umfasst. Das Merkmal einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist, dass der Wasserheizer ein Kombi-Wasserheizer ist. So kann der Benutzer die verbleibende Lebensdauer des Kombi-Wasserheizers mit diesem System nachverfolgen. The invention also relates to a water heater comprising a system as described above. The feature of another possible embodiment of the invention is that the water heater is a combination water heater. So the user can keep track of the remaining life of the combi water heater with this system.
Die Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Erkennung der Verstopfung im ersten Volumen des Wärmetauschers eines Wasserheizers, umfassend eine erste Leitung, die hydraulisch mit einem Zentralheizkreislauf verbunden ist, und eine zweite Leitung, die hydraulisch mit einer Hauswasserleitung verbunden ist; eine mit der ersten Leitung verbundene Heizzelle zum Erwärmen der Flüssigkeit in der ersten Leitung; und einen Wärmetauscher für die Wärmeübertragung zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung umfassend ein erstes Volumen, das hydraulisch mit der ersten Leitung verbunden ist, ein zweites Volumen, das hydraulisch mit der zweiten Leitung verbunden ist, und ein Wärmeübertragungselement, das zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen vorgesehen ist. The invention is further a method of detecting clogging in the first volume of a heat exchanger of a water heater comprising a first line hydraulically connected to a central heating circuit and a second line hydraulically connected to a domestic water line; a heating cell connected to the first line for heating the liquid in the first line; and a heat exchanger for heat transfer between the first conduit and the second conduit comprising a first volume hydraulically connected to the first conduit, a second volume hydraulically connected to the second conduit, and a heat transfer element interposed between the first volume and the second volume is provided.
Dementsprechend ist das Verfahren dadurch gekennzeichet, dass die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie folgende Verfahrensschritte ausführt;Accordingly, the method is characterized in that the control unit is configured to carry out the following method steps;
- Bestimmen der Temperatur der in der ersten Leitung befindlichen und in das erste Volumen eintretenden Flüssigkeit, der Temperatur der in der ersten Leitung befindlichen und aus dem ersten Volumen austretenden Flüssigkeit, des Massenstroms der Flüssigkeit im Zentralheizkreislauf und einer Wärmeübertragungsrate des ersten Volumens gemäß einem spezifischen Wärmewert - determining the temperature of the liquid in the first line and entering the first volume, the temperature of the liquid in the first line and exiting the first volume, the mass flow of the liquid in the central heating circuit and a heat transfer rate of the first volume according to a specific heat value
- Bestimmen einer logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz für den Wärmetauscher gemäß den Temperaturen der in den Wärmetauscher eintretenden und aus ihm austretenden Flüssigkeiten - determining a logarithmic mean temperature difference for the heat exchanger according to the temperatures of the liquids entering and leaving the heat exchanger
- Bestimmen eines Wärmeübertragungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers gemäß der logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz und der Wärmeübertragungsrate; zeitabhängiges Speichern des besagten Wärmeübertragungskoeffizienten in einer Speichereinheit; - determining a heat transfer coefficient depending on the heat transfer area of the heat exchanger according to the logarithmic mean temperature difference and the heat transfer rate; storing said heat transfer coefficient over time in a storage unit;
- Überwachen des Wärmeübertragungskoeffizienten - Monitoring the heat transfer coefficient
- Bestimmen der Lebensdauer mittels eines Alterungsmodells gemäß den gespeicherten Wärmeübergangskoeffizienten, wenn der Wärmeübertragungskoeffizient einen ersten Schwellenwert überschreitet und der Wärmeübertragungskoeffizient einen zweiten Schwellenwert überschreitet. So kann die Restlebensdauer des Wärmetauschers bestimmt werden. - Determining the lifetime using an aging model according to the stored heat transfer coefficients when the Heat transfer coefficient exceeds a first threshold and the heat transfer coefficient exceeds a second threshold. In this way, the remaining service life of the heat exchanger can be determined.
Das Merkmal einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist, dass das Alterungsmodell ein stochastisches maschinelles Lernmodell ist, das mit gespeicherten Wärmeübertragungskoeffizienten trainiert wird. So kann die Restlebensdauer des Wärmetauschers mit höherer Genauigkeit bestimmt werden. The feature of another possible embodiment of the invention is that the aging model is a stochastic machine learning model trained with stored heat transfer coefficients. In this way, the remaining service life of the heat exchanger can be determined with greater accuracy.
Das Merkmal einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist, dass sie so konfiguriert ist, dass sie ein Warnsignal ausgibt, wenn die Lebensdauer einen ersten Lebensdauerschwellenwert überschreitet. So wird der Benutzer informiert, wenn die Lebensdauer des Wärmetauschers einen bestimmten Wert erreicht. The feature of another possible embodiment of the invention is that it is configured to issue a warning signal when the lifetime exceeds a first lifetime threshold. In this way, the user is informed when the lifespan of the heat exchanger reaches a certain value.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUR BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURE
Figur 1 zeigt eine repräsentative Ansicht des Wasserheizers. Figure 1 shows a representative view of the water heater.
Figur 2 zeigt eine repräsentative Ansicht des Systems. Figure 2 shows a representative view of the system.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In dieser ausführlichen Beschreibung wird ein System (200) zum Bestimmen der Restlebensdauer von Wasserheizern (100), das Gegenstand der Erfindung ist, nur anhand von nicht einschränkenden Beispielen zum besseren Verständnis des Gegenstandes beschrieben. In this detailed description, a system (200) for determining the remaining life of water heaters (100), which is the subject of the invention, is described only by way of non-limiting examples for a better understanding of the subject.
Die Erfindung betrifft ein System (200) zur Erkennung einer Verstopfung in einem Wärmetauscher (150) eines Wasserheizers (100) und damit der Restlebensdauer des Wärmetauschers (150). Wie in Figur 1 dargestellt, umfasst der Wasserheizer (100) eine erste Leitung (110), die hydraulisch mit einem Zentralheizkreislauf (310) verbunden ist, und eine zweite Leitung (120), die hydraulisch mit einer Hauswasserleitung verbunden ist. Die zirkulierende Flüssigkeit aus dem Zentralheizkreislauf (310) tritt in die erste Leitung (110) ein, wo sie erwärmt wird, tritt dann aus und wieder in den Zentralheizkreislauf (310) ein. Das Leitungswasser, das aus einer Leitung wie der städtischen Wasserversorgung kommt, wird in die zweite Leitung (120) eingeleitet und nach dem Erhitzen in die Hauswasserleitung eingeführt, um von den Verbrauchern über Komponenten wie Wasserhähne usw. genutzt zu werden. Die Flüssigkeit in der ersten Leitung (110) kann Wasser oder eine andere für Heizzwecke verwendete Flüssigkeit sein. Die erste Leitung (110) kann auch eine Pumpe für das Bewegen der Flüssigkeit umfassen. The invention relates to a system (200) for detecting a blockage in a heat exchanger (150) of a water heater (100) and thus the remaining service life of the heat exchanger (150). As shown in Figure 1, the water heater (100) includes a first line (110) hydraulically connected to a central heating circuit (310) and a second line (120) hydraulically connected to a domestic water line. The circulating fluid from the Central heating circuit (310) enters the first line (110) where it is heated, then exits and re-enters the central heating circuit (310). The tap water coming from a pipe such as the municipal water supply is introduced into the second pipe (120) and after being heated it is introduced into the domestic water pipe to be used by the consumers via components such as faucets etc. The liquid in the first line (110) can be water or another liquid used for heating purposes. The first line (110) may also include a pump for moving the liquid.
Der Wasserheizer (100) umfasst eine Heizzelle (130) zur Erwärmung der Flüssigkeit in der ersten Leitung (110). Die Heizzelle (130) liefert Wärme durch den Verbrauch von Energieelementen wie Elektrizität, Gas und dergleichen. Die Heizzelle (130) kann durch thermostatähnliche Einrichtungen oder eine Steuereinheit (210) gesteuert werden. Mit anderen Worten können die Zyklen, in denen die Heizzelle (130) ein- und ausgeschaltet wird, durch diese Komponenten gesteuert werden. The water heater (100) includes a heating cell (130) for heating the liquid in the first line (110). The heater cell (130) supplies heat by consuming energy elements such as electricity, gas and the like. The heater cell (130) can be controlled by thermostat-like devices or a control unit (210). In other words, the cycles in which the heater cell (130) is turned on and off can be controlled by these components.
Der Wasserheizer (100) umfasst einen Wärmetauscher (150), um eine Wärmeübertragung zwischen der erwärmten Flüssigkeit in der ersten Leitung (110) und dem Wasser in der zweiten Leitung (120) zu gewährleisten, ohne dass diese sich miteinander vermischen. Der Wärmetauscher (150) umfasst ein erstes Volumen (151), das die Flüssigkeit in der ersten Leitung (110) aufnimmt, ein zweites Volumen (152), das die Flüssigkeit in der zweiten Leitung (120) aufnimmt, und ein Wärmeübertragungsmittel (153) zur Wärmeübertragung zwischen dem ersten Volumen (151) und dem zweiten Volumen (152). Das Wärmeübertragungselement (153) ist aus einem wärmeleitenden Material hergestellt. Der Wärmetauscher (150) kann von einem Typ sein, der im Stand der Technik als Plattentyp bekannt ist. Die Neuerung in dem erfindungsgemäßen System (200) besteht darin, eine Lebensdauer des Wärmetauschers (150) in Abhängigkeit vom Zustand der Verstopfung im ersten Volumen (151) des Wärmetauschers (150) zu bestimmen. The water heater (100) includes a heat exchanger (150) to ensure heat transfer between the heated liquid in the first line (110) and the water in the second line (120) without mixing with each other. The heat exchanger (150) comprises a first volume (151) receiving the liquid in the first line (110), a second volume (152) receiving the liquid in the second line (120), and a heat transfer medium (153) for heat transfer between the first volume (151) and the second volume (152). The heat transfer element (153) is made of a thermally conductive material. The heat exchanger (150) may be of a type known in the art as a plate type. The innovation in the system (200) according to the invention consists in determining a lifetime of the heat exchanger (150) as a function of the state of clogging in the first volume (151) of the heat exchanger (150).
Das System (200) umfasst einen ersten Temperatursensor (221) zur Messung der Temperatur der Flüssigkeit, die in das erste Volumen (151) des Wärmetauschers (150) eintritt. Der erste Temperatursensor (221) misst die Temperatur der Flüssigkeit in der ersten Leitung (110) vor dem Eintritt in das erste Volumen (151). In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Temperatursensor (221) am Einlass des ersten Volumens (151) vorgesehen. Das System (200) umfasst ferner einen zweiten Temperatursensor (222) zur Messung der Temperatur der aus dem ersten Volumen (151) austretenden Flüssigkeit. Der zweite Temperatursensor (222) misst die Temperatur, mit der die Flüssigkeit in der ersten Leitung (110) aus dem ersten Volumen (151) austritt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Temperatursensor (222) am Auslass des ersten Volumens (151) vorgesehen. The system (200) includes a first temperature sensor (221) for measuring the temperature of the liquid entering the first volume (151) of the heat exchanger (150). The first temperature sensor (221) measures the temperature of the liquid in the first line (110) before entering the first volume (151). In a preferred embodiment of the invention, the first temperature sensor (221) is provided at the inlet of the first volume (151). The system (200) also includes a second temperature sensor (222) for measuring the temperature of the liquid exiting the first volume (151). The second temperature sensor (222) measures the temperature at which the liquid exits the first volume (151) in the first line (110). In a preferred embodiment of the invention, the second temperature sensor (222) is provided at the outlet of the first volume (151).
Das System (200) umfasst einen dritten Temperatursensor (231) zur Messung der Temperatur der in das zweite Volumen (152) des Wärmetauschers (150) eintretenden Flüssigkeit. Der dritte Temperatursensor (231) misst die Temperatur der Flüssigkeit in der zweiten Leitung (120), bevor sie in das zweite Volumen (152) eintritt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der dritte T emperatursensor (231 ) am Einlass des zweiten Volumens (152) vorgesehen. Das System (200) umfasst ferner einen vierten Temperatursensor (232) zur Messung der Temperatur der aus dem zweiten Volumen (152) austretenden Flüssigkeit. Der vierte Temperatursensor (232) misst die Temperatur, mit der die Flüssigkeit in der zweiten Leitung (120) aus dem zweiten Volumen (152) austritt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der vierte Temperatursensor (232) am Auslass des zweiten Volumens (152) vorgesehen. The system (200) includes a third temperature sensor (231) for measuring the temperature of the liquid entering the second volume (152) of the heat exchanger (150). The third temperature sensor (231) measures the temperature of the liquid in the second line (120) before it enters the second volume (152). In a preferred embodiment of the invention, the third temperature sensor (231) is provided at the inlet of the second volume (152). The system (200) further includes a fourth temperature sensor (232) for measuring the temperature of the liquid exiting the second volume (152). The fourth temperature sensor (232) measures the temperature at which the liquid exits the second volume (152) in the second line (120). In a preferred embodiment of the invention, the fourth temperature sensor (232) is provided at the outlet of the second volume (152).
Das System (200) umfasst eine Durchflussmesseinrichtung (240), die in der ersten Leitung (110) oder im Zentralheizkreislauf (310) vorgesehen ist. Die Durchflussmesseinrichtung (240) misst den Massen- oder Volumenstrom der Flüssigkeit in der ersten Leitung (110) oder im Zentralheizkreislauf (310). In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung misst die Durchflussmesseinrichtung (240) den Massenstrom der Flüssigkeit in der ersten Leitung (110) oder im Zentralheizkreislauf (310). In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung misst die Durchflussmesseinrichtung (240) den Volumenstrom der Flüssigkeit in der ersten Leitung (110) oder im Zentralheizkreislauf (310). Die Durchflussmesseinrichtung (240) kann ein elektromagnetischer, ein Ultraschall-, ein Wirbel-, ein Spiral- oder ein anderer in der Technik bekannter Durchflussmesser sein. The system (200) includes a flow meter (240) which is provided in the first line (110) or in the central heating circuit (310). The flow measuring device (240) measures the mass or volume flow of the liquid in the first line (110) or in the central heating circuit (310). In a preferred embodiment of the invention, the flow measuring device (240) measures the mass flow of the liquid in the first line (110) or in the central heating circuit (310). In a possible embodiment of the invention, the flow measuring device (240) measures the volume flow of the liquid in the first line (110) or in the central heating circuit (310). The flow meter (240) may be an electromagnetic, ultrasonic, vortex, spiral or other flow meter known in the art.
Das System (200) umfasst eine Steuereinheit (210), die die Temperatur- und Durchflussmessungen empfängt. Die Steuereinheit (210) umfasst eine Prozessoreinheit (211) zum Empfang von Temperatur- und Durchflussmessungen von einem ersten Temperatursensor (221), einem zweiten Temperatursensor (222), einem dritten Temperatursensor (231), einem vierten Temperatursensor (232) und einer Durchflussmesseinrichtung (240). Die Steuereinheit (210) umfasst eine Speichereinheit (212), die der Prozessoreinheit (211) derart zugeordnet ist, dass die Prozessoreinheit (211) Daten lesen und Daten aufzeichnen kann. Die genannte Prozessoreinheit (211) kann ein Mikroprozessor sein, auf dem Softwarecodes ausgeführt werden. Die Steuereinheit (210) speichert die empfangenen Temperatur- und Durchflussmessungen in der Speichereinheit (212) indem sie diese ihren Empfangszeiten zuordnet. Die Steuereinheit (210) bestimmt eine Wärmeübertragungsrate des ersten Volumens (151) gemäß den von dem ersten Temperatursensor (221), dem zweiten Temperatursensor (222) und der Durchflussmesseinrichtung (240) empfangenen Messungen und gemäß einem spezifischen Wärmewert. Der hier genannte spezifische Wärmewert bezieht sich auf die Menge an Wärmeenergie, die für einen Temperaturanstieg einer Masseneinheit der im Zentralheizkreislauf (310) oder in der ersten Leitung (110) zirkulierenden Flüssigkeit erforderlich ist. Die Steuereinheit (210) bestimmt eine logarithmische mittlere Temperaturdifferenz für den Wärmetauscher (150) gemäß den vom ersten Temperatursensor (221), dem zweiten Temperatursensor (222), dem dritten Temperatursensor (231) und dem vierten Temperatursensor (232) empfangenen Messungen. Die genannte logarithmische mittlere Temperaturdifferenz ist ein Mittelwert der Temperaturänderungen im ersten Volumen (151) und im zweiten Volumen (152) des Wärmetauschers (150) gemäß den von den Temperatursensoren empfangenen Messungen. Die Steuereinheit (210) bestimmt einen Wärmeübertragungskoeffizienten gemäß der logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz und der Wärmeübertragungsrate, die in Abhängigkeit von der Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers (150) berechnet wird. Die Wärmeübertragungsfläche bezieht sich auf die Oberfläche des Wärmeübertragungselements (153), das zwischen dem ersten Volumen (151) und dem zweiten Volumen (152) vorgesehen ist. Die Steuereinheit (210) berechnet periodisch den Wärmeübertragungskoeffizienten und speichert diesen in der Speichereinheit (212). The system (200) includes a control unit (210) that receives the temperature and flow measurements. The control unit (210) includes a Processor unit (211) for receiving temperature and flow measurements from a first temperature sensor (221), a second temperature sensor (222), a third temperature sensor (231), a fourth temperature sensor (232) and a flow meter (240). The control unit (210) comprises a memory unit (212) which is assigned to the processor unit (211) in such a way that the processor unit (211) can read data and record data. Said processor unit (211) may be a microprocessor on which software codes are executed. The control unit (210) stores the received temperature and flow measurements in the memory unit (212) by associating them with their times of reception. The control unit (210) determines a heat transfer rate of the first volume (151) according to the measurements received from the first temperature sensor (221), the second temperature sensor (222) and the flow meter (240) and according to a specific calorific value. The specific heat referred to herein refers to the amount of heat energy required to raise the temperature of a unit mass of the fluid circulating in the central heating circuit (310) or in the first line (110). The control unit (210) determines a logarithmic mean temperature difference for the heat exchanger (150) according to the measurements received from the first temperature sensor (221), the second temperature sensor (222), the third temperature sensor (231) and the fourth temperature sensor (232). Said logarithmic mean temperature difference is an average of the temperature changes in the first volume (151) and in the second volume (152) of the heat exchanger (150) according to the measurements received from the temperature sensors. The control unit (210) determines a heat transfer coefficient according to the logarithmic mean temperature difference and the heat transfer rate calculated depending on the heat transfer area of the heat exchanger (150). The heat transfer area refers to the surface area of the heat transfer element (153) provided between the first volume (151) and the second volume (152). The control unit (210) periodically calculates the heat transfer coefficient and stores it in the storage unit (212).
Das System (200) umfasst eine Benutzerschnittstelle (260), über die ein Benutzer die von der Steuereinheit (210) empfangenen Messungen oder berechneten Werte nachverfolgen kann. Die Steuereinheit (210) überwacht den Wärmeübertragungskoeffizienten auf der Benutzerschnittstelle (260). Die Benutzerschnittstelle (260) kann auf dem Wasserheizer (100) angeordnet sein. In einer möglichen Ausführungsform kann sich die Benutzerschnittstelle (260) in einem vom Wasserheizer (100) entfernten Raum befinden und einen drahtgebundenen oder drahtlosen Datenaustausch mit der Steuereinheit (210) ermöglichen. The system (200) includes a user interface (260) through which a user can track the measurements or calculated values received from the control unit (210). The controller (210) monitors the heat transfer coefficient on the user interface (260). The User interface (260) can be located on the water heater (100). In one possible embodiment, the user interface (260) can be located in a room remote from the water heater (100) and enable wired or wireless communication with the control unit (210).
Die Steuereinheit (210) bestimmt eine Lebensdauer, wenn der Wärmeübertragungskoeffizient einen ersten Schwellenwert überschreitet. Diese Lebensdauer wird auf der Grundlage der gespeicherten Wärmeübertragungskoeffizienten mit Hilfe eines Alterungsmodells berechnet. Die Lebensdauer bezieht sich auf die Restlebensdauer des Wärmetauschers (150), nachdem der Wärmeübertragungskoeffizient einen zweiten Schwellenwert überschritten hat. Die hier genannte Lebensdauer bezieht sich auf die geschätzte Restbetriebsdauer des Wärmetauschers (150), ohne dass ein bestimmter Wirkungsgrad unterschritten wird. Wenn der Wärmetauscher (150) den genannten Wirkungsgrad unterschreitet, kann keine ausreichende Wärmeübertragung zwischen dem ersten Volumen (151) und dem zweiten Volumen (152) gewährleistet werden und es wird mehr Energie als nötig verbraucht. Das erwähnte Alterungsmodell ist ein Software-Algorithmus. Das Alterungsmodell ist ein stochastisches maschinelles Lernmodell, das mit gespeicherten Wärmeübertragungskoeffizienten trainiert wird. Dementsprechend bestimmt die Steuereinheit (210) das Alterungsmodell des Wärmetauschers (150) auf der Grundlage der vorherigen Wärmeübertragungskoeffizienten. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Feststellung einer Abnahme des Wärmeübertragungskoeffizienten auf eine Verstopfung im Wärmetauscher (150) hinweisen. Hier zeigt das mit den gespeicherten Wärmeübertragungskoeffizienten trainierte Alterungsmodell einen Abnahmetrend des Wärmeübertragungskoeffizienten. Wenn der Wärmeübertragungskoeffizient einen ersten Schwellenwert überschreitet, kann dementsprechend die Restlebensdauer des Wärmetauschers (150) als Ergebnis der Überschreitung eines zweiten Schwellenwertes berechnet werden. The controller (210) determines a lifetime when the heat transfer coefficient exceeds a first threshold. This lifetime is calculated based on the stored heat transfer coefficients using an aging model. Life refers to the remaining life of the heat exchanger (150) after the heat transfer coefficient has exceeded a second threshold. The service life mentioned here refers to the estimated remaining service life of the heat exchanger (150) without falling below a certain level of efficiency. If the heat exchanger (150) falls below the stated efficiency, sufficient heat transfer between the first volume (151) and the second volume (152) cannot be guaranteed and more energy than necessary is consumed. The aging model mentioned is a software algorithm. The aging model is a stochastic machine learning model trained with stored heat transfer coefficients. Accordingly, the controller (210) determines the aging model of the heat exchanger (150) based on the previous heat transfer coefficients. As a non-limiting example, the detection of a decrease in the heat transfer coefficient may indicate a clogging in the heat exchanger (150). Here, the aging model trained with the stored heat transfer coefficients shows a decreasing trend in the heat transfer coefficient. Accordingly, if the heat transfer coefficient exceeds a first threshold, the remaining life of the heat exchanger (150) may be calculated as a result of exceeding a second threshold.
Die Steuereinheit (210) ist so konfiguriert, dass sie ein Warnsignal erzeugt, wenn die Lebensdauer einen ersten Lebensdauerschwellenwert überschreitet. Der erste Lebensdauerschwellenwert bezieht sich auf eine bestimmte Zeitspanne. Der erste Lebensdauerschwellenwert kann während der Produktion oder durch den Benutzer festgelegt werden. Wenn der erste Lebensdauerschwellenwert beispielsweise auf 90 Tage eingestellt ist, erzeugt die Steuereinheit (210) das Warnsignal, wenn die Lebensdauer unter 90 Tage fällt. In einer möglichen Ausführungsform wird das Warnsignal von der Steuereinheit (210) auf der Benutzerschnittstelle (260) überwacht. In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung kann ein zweiter Lebensdauerschwellenwert bestimmt werden. Wenn der zweite Lebensdauerschwellenwert überschritten wird, kann die Steuereinheit (210) den Betrieb des Wasserheizers (100) stoppen. The controller (210) is configured to generate a warning signal when the lifetime exceeds a first lifetime threshold. The first lifetime threshold is related to a specific period of time. The first lifetime threshold can be set during production or by the user. If the first lifetime threshold For example, if set to 90 days, the control unit (210) generates the warning signal when the lifetime falls below 90 days. In one possible embodiment, the warning signal is monitored by the control unit (210) on the user interface (260). In a possible embodiment of the invention, a second lifetime threshold can be determined. If the second lifetime threshold is exceeded, the controller (210) may stop operation of the water heater (100).
Die Steuereinheit (210) empfängt die Temperatur- und Durchflussmessungen in Echtzeit. Die Prozessoreinheit (211) verarbeitet die empfangenen Messwerte kontinuierlich. Die Wärmeübertragungsrate wird nach der folgenden Formel (1) berechnet.
Figure imgf000013_0001
The control unit (210) receives the temperature and flow measurements in real time. The processor unit (211) continuously processes the received measured values. The heat transfer rate is calculated from the following formula (1).
Figure imgf000013_0001
Dabei ist
Figure imgf000013_0002
die Wärmeübertragungsrate im Zentralheizkreislauf (310);
Figure imgf000013_0003
ist der Massenstrom im Zentralheizkreislauf (310);
Figure imgf000013_0004
, ist der spezifischethere is
Figure imgf000013_0002
the heat transfer rate in the central heating circuit (310);
Figure imgf000013_0003
is the mass flow in the central heating circuit (310);
Figure imgf000013_0004
, is the specific
Wärmewert der Flüssigkeit in der ersten Leitung
Figure imgf000013_0005
jje Temperaturdifferenz der Flüssigkeit am Einlass und Auslass des ersten Volumens (151). Heat value of the liquid in the first line
Figure imgf000013_0005
jje temperature difference of the liquid at the inlet and outlet of the first volume (151).
Die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz wird nach der folgenden Formel (2) berechnet.
Figure imgf000013_0006
The logarithmic mean temperature difference is calculated by the following formula (2).
Figure imgf000013_0006
Dabei steht "LMTD" für die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz; "T" steht für die Temperatur; "CH" steht für den Zentralheizkreislauf (310); "DHW" steht für die Hauswasserleitung (320); "inlet" steht für den Einlass; "outlet" steht für den Auslass. "LMTD" stands for the logarithmic mean temperature difference; "T" stands for temperature; "CH" stands for the central heating circuit (310); "DHW" stands for the domestic water line (320); "inlet" stands for the inlet; "outlet" stands for the outlet.
Der Wärmeübertragungskoeffizient wird nach der folgenden Formel (3) berechnet.
Figure imgf000014_0001
The heat transfer coefficient is calculated by the following formula (3).
Figure imgf000014_0001
Dabei ist "II" der Wärmeübertragungskoeffizient;
Figure imgf000014_0002
diewhere "II" is the heat transfer coefficient;
Figure imgf000014_0002
the
Wärmeübertragungsrate im Zentralheizkreislauf (310); "A" dieheat transfer rate in the central heating circuit (310); "A" the
Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragungselements (153); "LMTD" die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz. heat transfer surface of the heat transfer element (153); "LMTD" the logarithmic mean temperature difference.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird eine Lebensdauerberechnung durchgeführt, wenn der Wärmeübertragungskoeffizient einen ersten Schwellenwert überschreitet. Der Hauptzweck der Verwendung des ersten Schwellenwerts besteht darin, der Prozessoreinheit (211) Zeit zu geben, um genügend Daten zu erhalten. Die Lebensdauer bezieht sich auf die geschätzte Restlebensdauer des Wärmetauschers (150), die verbleibt, nachdem der Wärmeübertragungskoeffizient einen zweiten Schwellenwert überschritten hat. In an exemplary embodiment, a lifetime calculation is performed when the heat transfer coefficient exceeds a first threshold. The main purpose of using the first threshold is to give the processing unit (211) time to get enough data. The lifetime refers to the estimated remaining lifetime of the heat exchanger (150) after the heat transfer coefficient has exceeded a second threshold.
Der Schutzumfang der Erfindung ist in den Ansprüchen in der Anlage angegeben und kann nicht auf das beschränkt werden, was in dieser detaillierten Beschreibung zum Zweck der Angabe von Beispielen erläutert wird. Es ist offensichtlich, dass der Fachmann auf dem technischen Gebiet im Lichte der obigen Erläuterungen ähnliche Ausführungsformen erstellen kann. The scope of the invention is indicated in the appended claims and should not be limited to what is explained in this detailed description for the purpose of giving examples. It is obvious that the person skilled in the technical field can create similar embodiments in the light of the above explanations.
DIE IN DEN FIGUREN ANGEGEBENEN REFERENZNUMMERN THE REFERENCE NUMBERS INDICATED IN THE FIGURES
100 Wasserheizer 100 water heaters
110 Erste Leitung 110 First line
120 Zweite Leitung 120 second line
130 Heizzelle 130 heater cell
150 Wärmetauscher 150 heat exchangers
151 Erstes Volumen 151 First volume
152 Zweites Volumen 152 Second Volume
153 Wärmeübertragungselement 153 heat transfer element
200 System 200 systems
210 Steuereinheit 210 control unit
211 Prozessoreinheit 211 processor unit
212 Speichereinheit 212 storage unit
221 Erster Temperatursensor 221 First temperature sensor
222 Zweiter Temperatursensor 222 Second temperature sensor
231 Dritter Temperatursensor 231 Third temperature sensor
232 Vierter Temperatursensor 232 Fourth temperature sensor
240 Durchflussmesseinrichtung 240 flow meter
260 Benutzerschnittstelle 260 user interface
310 Zentralheizkreislauf 310 central heating circuit
320 Hauswasserleitung 320 domestic water pipe

Claims

ANSPRÜCHE EXPECTATIONS
1. System (200) zur Erkennung einer Verstopfung im ersten Volumen (151) eines Wärmetauschers (150) eines Wasserheizers (100), umfassend eine erste Leitung (110), die hydraulisch mit einem Zentralheizkreislauf (310) verbunden ist, und eine zweite Leitung (120), die hydraulisch mit einer Hauswasserleitung (320) verbunden ist; eine mit der ersten Leitung (110) verbundene Heizzelle (130) zum Erwärmen der Flüssigkeit in der ersten Leitung (110); und einen WärmetauscherA system (200) for detecting an obstruction in the first volume (151) of a heat exchanger (150) of a water heater (100), comprising a first line (110) hydraulically connected to a central heating circuit (310) and a second line (120) hydraulically connected to a domestic water line (320); a heater cell (130) connected to the first conduit (110) for heating liquid in the first conduit (110); and a heat exchanger
(150) für die Wärmeübertragung zwischen der ersten Leitung (110) und der zweiten Leitung (120), umfassend ein erstes Volumen (151), das hydraulisch mit der ersten Leitung (110) verbunden ist, ein zweites Volumen (152), das hydraulisch mit der zweiten Leitung (120) verbunden ist, ein Wärmeübertragungselement (153), das zwischen dem ersten Volumen (151) und dem zweiten Volumen (152) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass es einen ersten Temperatursensor (221) zur Messung der Temperatur der in das erste Volumen(150) for heat transfer between the first line (110) and the second line (120), comprising a first volume (151) hydraulically connected to the first line (110), a second volume (152) hydraulically connected connected to the second line (120), a heat transfer element (153) provided between the first volume (151) and the second volume (152), characterized in that it comprises a first temperature sensor (221) for measuring the temperature of the into the first volume
(151) eintretenden Flüssigkeit; einen zweiten Temperatursensor (222) zur Messung der Temperatur der aus dem ersten Volumen (151) austretenden Flüssigkeit; einen dritten Temperatursensor (231) zur Messung der Temperatur der in das zweite Volumen (152) eintretenden Flüssigkeit; einen vierten Temperatursensor (232) zur Messung der Temperatur der aus dem zweiten Volumen (152) austretenden Flüssigkeit; eine Durchflussmesseinrichtung (240) zur Messung des Massenstroms der Flüssigkeit in der ersten Leitung (110) oder im Zentralheizkreislauf (310); eine Steuereinheit (210), die so angeordnet ist, dass sie Temperatur- und Durchflussmessungen von dem ersten Temperatursensor (221), dem zweiten Temperatursensor (222), dem dritten Temperatursensor (231), dem vierten Temperatursensor (232) und der Durchflussmesseinrichtung (240) empfängt, umfasst, wobei die Steuereinheit (210) so konfiguriert ist, dass sie die empfangenen Temperatur- und Durchflussmessungen in einer Speichereinheit (212) speichert, indem sie die empfangenen Temperatur- und Durchflussmessungen ihren Empfangszeiten zuordnet; eine Wärmeübertragungsrate des ersten Volumens (151) gemäß Messungen, die von dem ersten Temperatursensor (221), dem zweiten Temperatursensor (222) und der Durchflussmesseinrichtung (240) empfangen werden, und gemäß einem spezifischen Wärmewert bestimmt; eine logarithmische mittlere Temperaturdifferenz für den Wärmetauscher (150) gemäß Messungen, die von dem ersten Temperatursensor (221), dem zweiten Temperatursensor (222), dem dritten Temperatursensor (231) und dem vierten Temperatursensor (232) empfangen werden, bestimmt; in Abhängigkeit von der Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers (150) einen Wärmeübertragungskoeffizienten gemäß der logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz und der Wärmeübertragungsrate bestimmt; den Wärmeübertragungskoeffizienten periodisch berechnet und in der Speichereinheit (212) speichert, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie folgende Verfahrensschritte ausführt: (151) incoming liquid; a second temperature sensor (222) for measuring the temperature of the liquid exiting the first volume (151); a third temperature sensor (231) for measuring the temperature of the liquid entering the second volume (152); a fourth temperature sensor (232) for measuring the temperature of the liquid exiting the second volume (152); a flow meter (240) for measuring the mass flow of the liquid in the first line (110) or in the central heating circuit (310); a control unit (210) arranged to receive temperature and flow measurements from the first temperature sensor (221), the second temperature sensor (222), the third temperature sensor (231), the fourth temperature sensor (232) and the flow measuring device (240 ) receives, wherein the control unit (210) is configured to store the received temperature and flow measurements in a storage unit (212) by associating the received temperature and flow measurements with their times of receipt; one heat transfer rate of the first volume (151) determined according to measurements received from the first temperature sensor (221), the second temperature sensor (222) and the flow meter (240) and according to a specific heat value; determining a logarithmic mean temperature difference for the heat exchanger (150) according to measurements received from the first temperature sensor (221), the second temperature sensor (222), the third temperature sensor (231), and the fourth temperature sensor (232); depending on the heat transfer area of the heat exchanger (150), determining a heat transfer coefficient according to the logarithmic mean temperature difference and the heat transfer rate; periodically calculates the heat transfer coefficient and stores it in the storage unit (212), the control unit being configured to carry out the following method steps:
- die Überwachung der Wärmeübertragungskoeffizienten, - monitoring of heat transfer coefficients,
- Bestimmen der Lebensdauer mittels eines Alterungsmodells gemäß den gespeicherten Wärmeübergangskoeffizienten, wenn der Wärmeübertragungskoeffizient einen ersten Schwellenwert überschreitet und der Wärmeübertragungskoeffizient einen zweiten Schwellenwert überschreitet. - determining the lifetime using an aging model according to the stored heat transfer coefficients when the heat transfer coefficient exceeds a first threshold and the heat transfer coefficient exceeds a second threshold.
2. System (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Alterungsmodell ein stochastisches maschinelles Lernmodell ist, das mit gespeicherten Wärmeübertragungskoeffizienten trainiert wird. 2. System (200) according to claim 1, characterized in that the aging model is a stochastic machine learning model trained with stored heat transfer coefficients.
3. System (200) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (210) so konfiguriert ist, dass sie den Wärmeübertragungskoeffizienten durch Multiplikation der Durchflussmessung, des spezifischen Wärmewertes und der Differenz der Temperaturmessungen des ersten Temperatursensors (221) und des zweiten Temperatursensors (222) bestimmt. 3. System (200) according to claim 1, characterized in that the control unit (210) is configured to calculate the heat transfer coefficient by multiplying the flow measurement, the specific heat value and the difference in the temperature measurements of the first temperature sensor (221) and the second temperature sensor (222) determined.
4. System (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Benutzerschnittstelle (260) umfasst, die von einer Steuereinheit (210) gesteuert wird, wobei die Steuereinheit (210) so konfiguriert ist, dass sie die Lebensdauer auf der Benutzerschnittstelle (260) überwacht. 4. System (200) according to claim 1, characterized in that it comprises a user interface (260) controlled by a control unit (210), the control unit (210) being configured to display the lifetime on the user interface ( 260) monitored.
5. System (200) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (210) so konfiguriert ist, dass sie ein Warnsignal erzeugt, wenn die Lebensdauer einen ersten Lebensdauerschwellenwert überschreitet. 5. System (200) according to claim 1, characterized in that the control unit (210) is configured so that it generates a warning signal when the lifetime exceeds a first lifetime threshold.
6. System (200) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (210) so konfiguriert ist, dass sie das Warnsignal auf der Benutzerschnittstelle (260) anzeigt. 6. System (200) according to claim 1, characterized in that the control unit (210) is configured to display the warning signal on the user interface (260).
7. Wasserheizer (100) umfassend ein System (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6. 7. Water heater (100) comprising a system (200) according to any one of claims 1 to 6.
8. System (200) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserheizer (100) ein Kombi-Wasserheizer ist. 8. System (200) according to claim 7, characterized in that the water heater (100) is a combination water heater.
9. Verfahren zur Erkennung einer Verstopfung im ersten Volumen (151) eines Wärmetauschers (150) eines Wasserheizers (100), umfassend eine erste Leitung (110), die hydraulisch mit einem Zentralheizkreislauf (310) verbunden ist, und eine zweite Leitung (120), die hydraulisch mit einer Hauswasserleitung (320) verbunden ist; eine mit der ersten Leitung (110) verbundene Heizzelle (130) zum Erwärmen der Flüssigkeit in der ersten Leitung (110); und einen Wärmetauscher (150) für die Wärmeübertragung zwischen der ersten Leitung (110) und der zweiten Leitung (120) umfassend ein erstes Volumen (151), das hydraulisch mit der ersten Leitung (110) verbunden ist, ein zweites Volumen (152), das hydraulisch mit der zweiten Leitung (120) verbunden ist, ein Wärmeübertragungselement (153), das zwischen dem ersten Volumen (151) und dem zweiten Volumen (152) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (210) so konfiguriert ist, dass sie folgende Verfahrensschritte ausführt; A method of detecting a blockage in the first volume (151) of a heat exchanger (150) of a water heater (100), comprising a first line (110) hydraulically connected to a central heating circuit (310) and a second line (120) which is hydraulically connected to a domestic water line (320); a heater cell (130) connected to the first conduit (110) for heating liquid in the first conduit (110); and a heat exchanger (150) for heat transfer between the first line (110) and the second line (120) comprising a first volume (151) hydraulically connected to the first line (110), a second volume (152), which is hydraulically connected to the second line (120), a heat transfer element (153) which is provided between the first volume (151) and the second volume (152), characterized in that the control unit (210) is configured such that it performs the following procedural steps;
- Bestimmen der Temperatur der in der ersten Leitung (110) befindlichen und in das erste Volumen (151) eintretenden Flüssigkeit, der Temperatur der in der ersten Leitung (110) befindlichen und aus dem ersten Volumen (151) austretenden Flüssigkeit, des Massenstroms der Flüssigkeit im Zentralheizkreislauf (310) und einer Wärmeübertragungsrate des ersten Volumens (151) gemäß einem spezifischen Wärmewert - determining the temperature of the liquid in the first line (110) and entering the first volume (151), the temperature of the liquid in the first line (110) and exiting the first volume (151), the mass flow of the liquid in the central heating circuit (310) and a heat transfer rate of the first volume (151) according to a specific calorific value
- Bestimmen einer logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz für den Wärmetauscher (150) gemäß den Temperaturen der in den Wärmetauscher (150) eintretenden und aus ihm austretenden Flüssigkeiten - Bestimmen eines Wärmeübertragungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers (150) gemäß der logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz und der Wärmeübertragungsrate; zeitabhängiges Speichern des besagten Wärmeübertragungskoeffizienten in einer Speichereinheit (212); - determining a logarithmic mean temperature difference for the heat exchanger (150) according to the temperatures of the liquids entering and leaving the heat exchanger (150). - determining a heat transfer coefficient depending on the heat transfer area of the heat exchanger (150) according to the logarithmic mean temperature difference and the heat transfer rate; storing said heat transfer coefficient over time in a storage unit (212);
- Überwachen des Wärmeübertragungskoeffizienten - Monitoring the heat transfer coefficient
- Bestimmen der Lebensdauer mittels eines Alterungsmodells gemäß den gespeicherten Wärmeübergangskoeffizienten, wenn der Wärmeübertragungskoeffizient einen ersten Schwellenwert überschreitet und der Wärmeübertragungskoeffizient einen zweiten Schwellenwert überschreitet. - determining the lifetime using an aging model according to the stored heat transfer coefficients when the heat transfer coefficient exceeds a first threshold and the heat transfer coefficient exceeds a second threshold.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Alterungsmodell ein stochastisches maschinelles Lernmodell ist, das mit den gespeicherten Wärmeübertragungskoeffizienten trainiert wird. 10. The method according to claim 9, characterized in that the aging model is a stochastic machine learning model that is trained with the stored heat transfer coefficients.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es so konfiguriert ist, dass ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn die Lebensdauer einen ersten Lebensdauerschwellenwert überschreitet. 11. The method of claim 9, characterized in that it is configured to issue a warning signal when the lifetime exceeds a first lifetime threshold.
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