AT514681B1

AT514681B1 - Verfahren zur Erkennung und Vermeidung von Sieden in Wärmeübertragern

Info

Publication number: AT514681B1
Application number: ATA622/2013A
Authority: AT
Original assignee: Vaillant Group Austria Gmbh
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-06-15
Also published as: EP2840331A1; AT514681A1; EP2840331B1; ES2710150T3

Abstract

Das Verfahren zur Erkennung und Vermeidung von Sieden und Stagnation in Primär-Wärmeübertragern (2) in Heizgeräten (1), insbesondere Brennwert-Heizgeräten, erfasst das dem Sieden vorausgehende Mikrosieden, wobei eine oder mehrere das Mikrosieden charakterisierende Prozessgrößen (21, 22, 31, 32, 33) erfasst und mit einem Schwellenwert verglichen werden. Bei Überschreiten des Schwellenwerts wird zumindest ein Betriebsparameter geändert, der einem Sieden entgegenwirkt. Als charakterisierende Prozessgrößen kommen der hochfrequente Anteil des Drucks (31, 32) des zu erwärmenden Wärmeträgermediums, gemessen am Wärmeübertrager (2) und/oder als Anlagendruck (8), und/oder der zeitliche Abfall der Temperaturerhöhung des Wärmeträgermediums zwischen Ein- und Ausgang (22, 21) des Wärmeübertragers (2) im quasistationären Betrieb infrage. Als Gegenmaßnahme kann der Brenner (3) abgeschaltet oder die Brennerleistung reduziert werden, kann die Pumpendrehzahl der Pumpe (4) erhöht werden oder kann eine Bypassstrecke (10) geöffnet (9) werden. Beim Starten des Brenners kann kurzzeitig der Massenstrom des Wärmeträgermediums durch Erhöhung der Pumpendrehzahl der Pumpe (4) erhöht werden.

Description

Beschreibung

VERFAHREN ZUR STAGNATIONSERKENNUNG UND STAGNATIONSVERMEIDUNG IN WÄRMEÜBERTRAGERN

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und Vermeidung von Stagnation in Wärmeübertragern, insbesondere in Primär-Wärmeübertragern in Heizgeräten, insbesondere in Brennwert-Heizgeräten, die die Wärme des Brennstoffs auf das zu heizende Wasser übertragen und in denen eine Strömungsführung durch mehrere parallel geschaltete Rohre erfolgt. Unter Stagnation im Zusammenhang mit Wärmetauscher wird ein lokales oder globales Sieden des Wärmeübertragermediums verstanden. Dies kann zu einer partiellen Überhitzung und Beschädigung des Wärmeübertragers in einem oder mehreren der parallel geschalteten Rohre führen. Daher ist es wichtig, Stagnation zu vermeiden und für den Fall, dass sie auftritt, zuverlässig zu erkennen, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Es ist zwar bekannt, dass ein Wärmetauscher mit einem großen Wärmeübertragenmedium-Volumen weniger zur Stagnation neigt, jedoch steht dies in einem Zielkonflikt zu dem Bestreben, Heizgeräte kompakt und mit geringem Gewicht aufzubauen.

[0002] Daher ist es bekannt, Geräte mit einem Überströmventil auszustatten, das bei Vorliegen eines zu geringen Volumenstroms durch die Anlage einen Teilstrom direkt zwischen Vor- und Rücklauf vorsieht.

[0003] Da hohe Volumenströme mit einer hohen elektrischen Stromaufnahme für die Umwälzpumpe verbunden sind, ist dies energetisch ungünstig. Zudem führen Überströmventile zu einer Beimischung von Wärmeträgermedium aus dem Vorlauf in den Rücklauf und schmälern somit bei Brennwertgeräten die Kondensationsrate, was zu einer verringerten Effizienz führt.

[0004] Aus der Patentschrift JP 3862856 B ist es bekannt, bei einem Durchlauferhitzer mit Wärmetauscher und Temperatursensor partielles Sieden zu erkennen und durch eine Steuerung zu vermeiden.

[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Stagnationserkennung und Stagnationsvermeidung bereitzustellen, das die obigen Nachteile nicht aufweist.

[0006] Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass eine für das Auftreten von Stagnation charakterisierenden Prozessgröße erfasst und mit einem Schwellenwert verglichen wird. Bei Überschreiten des Schwellenwerts wird eine Stagnation erkannt und zumindest ein Betriebsparameter so geändert, dass der Stagnation entgegengewirkt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Nachteile eines höheren Energieverbrauchs der Pumpe oder einer schlechteren Effizienz des Heizgeräts nur dann auftreten, wenn eine Stagnation droht. Im Normalbetrieb hingegen kann das Heizgerät effizient betrieben werden. Erfindungsgemäß wird zur Erfassung einer charakterisierenden Prozessgröße die Streuung des Drucks des zu erwärmenden Wärmeträgermedium erfasst und mit einem Schwellenwert verglichen. Dieser Verfahrensschritt macht sich die Tatsache zu Nutze, dass dem Sieden ein so genanntes Mikrosieden vorausgeht, bei dem im Bereich der Grenzschicht der Strömung kleine Gasblasen gebildet werden, die nach kurzer Zeit in kälteren Regionen wieder kollabieren. Dieser Mechanismus führt zu einer Erhöhung des Rauschwerts auf dem Drucksignal des Anlagendrucksensors. Durch Erfassung der Signalstreuung um den Mittelwert, beispielsweise mit Hilfe eines Hochpassfilters, wird dieses Mikrosieden erkannt. Alternativ oder ergänzend wird erfindungsgemäß zur Erfassung einer charakterisierenden Prozessgröße der negative Gradient der Temperaturspreizung zwischen Ein- und Ausgang für das zu erwärmenden Wärmeträgermedium des Wärmeträgers. Um die Temperaturspreizung zuverlässig messen zu können, erfolgt dies in quasistationären Betrieb. Die Ausführung macht sich die Tatsache zu Nutze, dass bei Auftreten von Stagnation der Wärmeübergang auf das Wärmeträgermedium beeinträchtigt wird, da sich ein einem oder mehreren der parallel geschaltete Rohre kein oder ein deutlich reduzierter Umlauf einstellt. Dies führt bezüglich des Gesamtvolumenstromes an den Verteil- bzw. Mischungspunkten im Wärmeübertrager zu einer geringeren Temperaturspreizung, die erfindungsgemäß erfasst und mit einem Schwellenwert verglichen wird. Ein weiterer Effekt ist, dass unter quasistationären Betriebsbedingungen, also bei konstanter Brennerbelastung und konstantem Wasserumlauf, die Stagnation bei mehreren parallelgeschalteten Rohren zu einer Volumenstromerhöhung der nicht von dem Sieden betroffenen Rohre führt. Dies bedeutet, dass in den verbleibenden Rohren die Temperaturspreizung zwischen Ein- und Ausgang des Wärmetauschers sinkt. Überschreitet der negative Gradient der Temperaturspreizung den Schwellenwert, wird entweder die Stagnation erkannt und eine Maßnahme eingeleitet oder es wird ein weiterer Betriebsparameter herangezogen.

[0007] Aus diesen Gründen ist die zuvor beschriebene Ausführungsvariante ebenso geeignet, lokales Sieden zu erkennen.

[0008] Erfindungsgemäß werden alternativ oder ergänzend mehrere Maßnahmen zur Vermeidung von Stagnation eingesetzt, nachdem diese erkannt wurde. Dies ist zum einen das Erhöhen des Massenstroms, indem die Pumpendrehzahl erhöht wird oder indem ein Bypass zwischen Aus- und Eingang des Wärmeübertragers geschaltet wird. Dadurch wird einerseits mehr Wärme abgeführt und andererseits ein Ausspülen der Dampfblasen bewirkt. Zusätzlich oder alternativ wird der Brenner abgeschaltet bzw. die Brennerleistung reduziert.

[0009] In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vor dem Starten des Brenners des Heizgeräts der Massenstrom des zu erwärmenden Wärmeträgermediums kurzzeitig erhöht. Dadurch werden gegebenenfalls im Wasserkreis vorhandene Gasblasen aus dem Wärmeübertrager ausgetrieben und mittels der in der Pumpe vorliegenden turbulenten Strömungsbedingungen in kleinere Blasen zerteilt, die aufgrund der geringeren Auftriebskräfte eine deutlich verminderte Stagnationsneigung aufweisen.

[0010] Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert.

[0011] Figur 1 zeigt schematisch ein Heizgerät zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Heizgerät 1 umfasst einen Brenner 3 mit einem Wärmeübertrager 2, mit dem die von dem Brenner 3 gewonnene Wärme auf ein Wärmeträgermedium übertragen wird. Das Wärmeübertragermedium ist in der Regel Wasser, das in einem Kreislauf von einer Pumpe 4 umgewälzt wird. Das Heizgerät 1 ist mit einer Wärmesenke 5 verbunden, die von dem Heizgerät 1 mit Wärme versorgt wird. In dem Wärmeübertrager 2 kann Stagnation aufgrund von siedendem Wasser auftreten. Um dies zu erkennen und zu vermeiden, ist ein Steuergerät 11 vorgesehen, welches mit Temperatursensoren 6, 7 und/oder einem Drucksensor 8 verbunden ist. Mittels der Sensoren erkennt das Steuergerät auf der Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens die eintretende bzw. die sich ankündigenden Stagnation und vermeidet das Eintreten der Stagnation durch Eingriff in die Drehzahl der Pumpe 4, in den Betrieb des Brenners 3 und/oder in die Stellung des Ventils 9.

[0012] Figur 2 zeigt im Temperaturverlauf 20 den zeitlichen Verlauf der Temperaturen 21, 22 am Aus- und Eingang des Wärmeübertragers 2 aus Figur 1, der mit den Temperatursensoren 6 und 7 aufgenommen wurde, sowie im Druckverlauf 30 den zeitlichen Verlauf des mit dem Drucksensor 8 aus Figur 1 gemessenen Anlagendruck 32, dessen Varianz 33 sowie den direkt am Wärmeübertrager 2 gemessenen Druck 31.

[0013] Anhand der Kurvenverläufe wird nachfolgend das Auftreten und Erkennen von Sieden erläutert. Der Verlauf des Drucks 31 am Wärmeübertrager 2 weist bei 478 s einen einsetzenden hochfrequenten Anteil auf. Dieser schwächt sich bei 480 s ab, um dann bei 498 s sehr stark anzusteigen. Dies ist auf ein bei 478 s einsetzendes Mikrosieden zurückzuführen, das dann bei 498 s zu einem Sieden übergeht. Die Druckschwankungen sind auf die Bildung und insbesondere auf das Kollabieren von Dampfblasen zurückzuführen. Der Verlauf des Anlagendrucks 32 weist diese hochfrequenten Anteile ebenfalls auf, allerdings in geringerer Amplitude. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Drucksensor 8 für den Anlagendruck in einem gewissen Abstand vom Wärmeübertrager vorgesehen ist. Dennoch kann durch eine Ermittlung der Varianz des Anlagendrucks, deren Verlauf in der Kurve 33 dargestellt ist, das Mikrosieden und das Sieden deutlich erkannt werden. Durch Vergleich mit einem Schwellenwert kann somit das

Mikrosieden und das Sieden erkannt werden und eine Maßnahme zur Vermeidung von Stagnation eingeleitet werden. In vorteilhafter Weise kann diese Schwelle so gelegt werden, dass bereits das Mikrosieden erkannt wird. Hier ist jedoch das Risiko einer Fehlerkennung gegeben. Daher kann optional oder alternativ der Verlauf des Drucks als weiteres Kriterium mit herangezogen werden. In jedem Fall ist bei Überschreiten einer höheren Schwelle das Sieden, wie es im Bereich ab 498 s auftritt, und damit die Stagnation sicher erkennbar.

[0014] Während der Temperaturverlauf 22 am Eingang des Wärmeübertragers 2 nahezu konstant ist, lässt sich aus dem Temperaturverlauf 21 am Ausgang des Wärmeübertragers 2 Mikrosieden und Sieden erkennen. Zunächst steigt die Temperatur im Bereich zwischen 475 und 477 s an. Dies ist auf einen Aufheizvorgang zurückzuführen und ist für die hier beschriebene Erkennung ohne Belang. Ab ca. 480 s fällt jedoch die Temperatur ab, was aufgrund der zuvor beschriebenen Mechanismen ein Indiz für das Auftreten von Sieden ist. Somit ist der Gradient zwischen den Temperaturen an der Ausgangsseite des Wärmeübertragers und der Eingangsseite negativ. Dies wird erfindungsgemäß überwacht, indem der negative Gradient im quasistationären Betrieb mit einem Schwellenwert verglichen wird, und für die Erkennung der Stagnation herangezogen. Ergänzend sei bemerkt, dass der sprungartige Temperaturanstieg bei 500 s auf eine Dampfblasenbildung zurückzuführen ist, durch die das erhitzte Wasser heraus gedrückt wird. Grundsätzlich ist es möglich, auch solche Kurvenverläufe zum Erkennen der Stagnation auszuwerten.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 Heizgerät 2 Wärmeübertrager 3 Brenner 4 Pumpe 5 Wärmesenke 6 Temperatursensor am Ausgang 7 Temperatursensor am Eingang 8 Drucksensor 9 Ventil 10 Bypass 11 Steuergerät 12 Temperaturverlauf 13 Temperatur am Ausgang des Wärmeübertragers 14 Temperatur am Eingang des Wärmeübertragers 15 Druckverlauf 16 Druck am Wärmeübertrager 17 Anlagendruck 18 Varianz des Anlagendrucks

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Erkennung und Vermeidung von Sieden in Primär-Wärmeübertragern (2) in Heizgeräten (1), insbesondere Brennwert-Heizgeräten, wobei das dem Sieden vorausgehende Mikrosieden erfasst wird, wobei eine oder mehrere das Mikrosieden charakterisierende Prozessgrößen (21, 22, 31, 32, 33) erfasst und mit einem Schwellenwert verglichen werden und wobei bei Überschreiten des Schwellenwerts zumindest ein Betriebsparameter geändert wird, der einem Sieden entgegenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die charakterisierende Prozessgröße der hochfrequente Anteil des Drucks (31, 32) des zu erwärmenden Wärmeträgermediums, gemessen am Wärmeübertrager (2) und/oder als Anlagendruck (8), ist und/oder dass die charakterisierende Prozessgröße der zeitliche Abfall der Temperaturerhöhung des Wärmeträgermediums zwischen Ein- und Ausgang (22, 21) des Wärmeübertragers (2) im quasistationären Betrieb ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Betriebsparameters das Verringern des Verhältnisses zwischen zugeführter und abgeführter Wärmemenge ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung des Verhältnisses zwischen zugeführter und abgeführter Wärmemenge dadurch erreicht wird, dass der Brenner (3) abgeschaltet wird oder die Brennerleistung reduziert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Betriebsparameters dadurch erreicht wird, dass der Massenstrom des zu erwärmenden Wärmeträgermediums erhöht wird, insbesondere durch Erhöhung der Pumpendrehzahl der das zu erwärmende Wärmeträgermedium fördernden Pumpe (4).
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Betriebsparameters dadurch erreicht wird, dass eine Bypassstrecke (10) zwischen Aus- und Eingang für das zu erwärmende Wärmeträgermedium des Wärmeübertragers (2) geöffnet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten des Brenners (3) des Heizgeräts (1) der Massenstrom des zu erwärmenden Wärmeträgermediums kurzzeitig erhöht wird, insbesondere durch Erhöhung der Pumpendrehzahl der das zu erwärmende Wärmeträgermedium fördernden Pumpe (4). Hierzu 2 Blatt Zeichnungen