Verfahren zur Stagnationserkennung und Stagnationsvermeidung in Wärmeübertragern 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 Wärmetauschern 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 Wärmeübertragermedium-Volumen weniger zur Stagnation neigt, jedoch steht dies in einem Zielkonflikt zu dem Bestreben, Heizgeräte kompakt und mit geringem Gewicht aufzubauen.
Ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder dem Oberbegriff von Anspruch 4 ist aus Dokument
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.
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.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Stagnationserkennung und Stagnationsvermeidung bereitzustellen, das diese Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass eine für das Auftreten Mikrosieden, welches dem die Stagnation bewirkenden Sieden vorausgeht, charakteristische Prozessgröße erfasst und mit einem Schwellenwert verglichen wird. Bei Überschreiten des Schwellenwerts wird ein drohendes Sieden und somit 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.
In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Varianz des Drucks des zu erwärmenden Wärmeträgermediums 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.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird beispielsweise die Varianz um den Mittelwert jeweils über Zeitabschnitte, beispielsweise über 1 s, ermittelt. Überschreitet die Varianz einem Schwellenwert, zum Beispiel 3000 mbar2, wird Mikrosieden diagnostiziert. Um ein Fehlalarm zu vermeiden, kann beispielsweise bei diagnostiziertem Mikrosieden ein Zähler inkrementiert werden, beispielsweise um 10, wobei der Zähler bei nicht diagnostiziertem Mikrosieden um den gleichen oder um einen kleineren Wert, beispielsweise um 5, dekrementiert wird. Über schreitet der Zähler einen vorgegebenen Zählerstand, beispielsweise 250, so ist dies ein Indiz dafür, dass über einen längeren Zeitraum wiederholt Mikrosieden aufgetreten ist.
Alternativ, was jedoch nicht beansprucht wird, wird durch Erfassung der Signalstreuung um den Mittelwert, beispielsweise mit Hilfe eines Hochpassfilters, das Mikrosieden erkannt. Dabei können Frequenzen oberhalb 20 Hz oder bevorzugt oberhalb 100 Hz erfasst werden. Dabei wird der Signalleistung oder der Signalpegel des hochfrequenten Anteils mit einem Schwellenwert verglichen. Alternativ wird das Verhältnis zum quasistatischen Anteil gebildet und mit einem Schwellenwert verglichen.
Alternativ oder ergänzend wird in einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die charakteristische 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 bei 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.
Aus diesen Gründen ist die zuvor beschriebene Ausführungsvariante ebenso geeignet, lokales Sieden zu erkennen.
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.
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.
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert.
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, dass 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.
Während der Temperaturverlauf 22 am Eingang des Wärmeübertragers 2 nahezu konstant ist, lässt sich aus dem Temperaturverlauf 21 am Ausgang des Wärmeübertragers 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 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.
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.