NIEBE RALF (DE)
HEPPER RONALD (DE)
NIEBE RALF (DE)
US3918300A | 1975-11-11 | |||
US4766553A | 1988-08-23 | |||
US20030075314A1 | 2003-04-24 | |||
US5992505A | 1999-11-30 | |||
DE4313351A1 | 1994-10-27 | |||
DE4331314C1 | 1994-09-08 | |||
US5976461A | 1999-11-02 |
1. | Verfahren zum Ermitteln eines Zustandes einer Wärmeübertragungs einrichtung, durch die wenigstens zwei Wärmemedien strömen und in der in einem Wärmeübertragungsvorgang eine Wärmeübertragung zwi¬ schen den wenigstens zwei Wärmemedien stattfindet, bei dem a) während des Wärmeübertragungsvorganges wenigstens eine physikali¬ sche Messgröße wenigstens eines der Wärmemedien gemessen wird, b) aus den Messwerten oder Messsignalen der Messgröße(n) ein zugehö¬ riger Wert wenigstens einer von der oder den Messgröße(n) abhängi¬ gen und den Zustand der Wärmeübertragungseinrichtung charakteri¬ sierenden oder beschreibenden physikalischen Zustandsgröße ermit¬ telt wird. |
2. | Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Temperatur als Messgröße wenigstens eines der Wärmemedien vorgesehen ist oder wird. |
3. | Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem als Messgröße wenigstens eines der Wärmemedien ein Volumenstrom des Wärmeme¬ diums oder eine mit dem Volumenstrom des Wärmemediums in ein¬ deutiger Beziehung stehende physikalische Große, beispielsweise ein Differenzdruck oder Druck in dem Wärmemedium, vorgesehen ist o der wird. |
4. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eines der Wärmemedien gasförmig ist und/oder im Wesentlichen aus Luft und Wasser besteht und/oder Luft aus der Erdatmosphäre ist. |
5. | Verfahren nach Anspruch 4, bei dem als Messgröße die relative Feuchte oder die absolute Feuchte oder eine mit der relativen Feuchte oder der absoluten Feuchte in eindeutigem Zusammenhang stehende physikalische Größe, insbesondere die Taupunkttemperatur, des oder jedes gasförmigen Wärmemediums vorgesehen ist oder wird. |
6. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eines der Wärmemedien flüssig ist und/oder we¬ nigstens überwiegend aus Wasser besteht. |
7. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine Messgröße wenigstens eines der Wärmeme¬ dien sowohl vor Durchströmen der Wärmeübertragungseinrichtung als auch nach dem Durchströmen der Wärmeübertragungseinrichtung gemessen wird. |
8. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als den Zustand der Wärmeübertragungseinrichtung, insbe¬ sondere den Wärmeübertragungsvorgang in der Wärmeübertragungs¬ einrichtung, charakterisierende oder beschreibende Zustandsgröße ein TemperaturWirkungsgrad ermittelt wird, der vorzugsweise dem Quo¬ tienten aus der Differenz des gemessenen Temperaturwertes des Wärmemediums, auf das die Wärme übertragen wird, vor dem Durch¬ strömen der Wärmeübertragungseinrichtung und des gemessenen Temperaturwertes dieses Wärmemediums nach Durchströmen der Wärmeübertragungseinrichtung einerseits und der Differenz des Tem¬ peraturwertes des Wärmemediums, von dem die Wärme abgezogen wird, vor dem Durchströmen der Wärmeübertragungseinrichtung und des Temperaturwertes dieses Wärmemediums nach Durchströmen der Wärmeübertragungseinrichtung andererseits entspricht. |
9. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als den Zustand der Wärmeübertragungseinrichtung, insbe¬ sondere den Wärmeübertragungsvorgang in der Wärmeübertragungs¬ einrichtung, charakterisierende oder beschreibende Zustandsgröße ein WärmemengenWirkungsgrad ermittelt wird, der vorzugsweise dem Quotient aus der mit dem, vorzugsweise dichtekompensierten, Mas¬ senstrom des Wärmemediums, auf das die Wärme übertragen wird, nach dem Durchströmen der Wärmeübertragungseinrichtung multipli¬ zierten Differenz der Enthalpie des Wärmemediums, auf das die Wärme übertragen wird, vor dem Durchströmen der Wärmeübertra¬ gungseinrichtung und der Enthalpie dieses Wärmemediums nach Durchströmen der Wärmeübertragungseinrichtung einerseits und der mit dem, vorzugsweise dichtekompensierten, Massenstrom des Wär¬ memediums, von dem die Wärme abgezogen wird, nach dem Durch¬ strömen der Wärmeübertragungseinrichtung multiplizierten Differenz der Enthalpie des Wärmemediums, von dem die Wärme abgezogen wird, nach dem Durchströmen der Wärmeübertragungseinrichtung und der Enthalpie dieses Wärmemediums vor Durchströmen der Wärmeübertragungseinrichtung andererseits entspricht. |
10. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als den Zustand der Wärmeübertragungseinrichtung, insbe¬ sondere den Wärmeübertragungsvorgang in der Wärmeübertragungs¬ einrichtung, charakterisierende oder beschreibende Zustandsgröße die übertragene Wärmeleistung ermittelt wird, die vorzugsweise dem Pro¬ dukt aus dem dichtekompensierten Massenstrom des Wärmemediums, auf das die Wärme übertragen wird, einerseits und der Differenz der Enthalpie dieses Wärmemediums vor Durchströmen der Wärmeüber¬ tragungseinrichtung und der Enthalpie dieses Wärmemediums nach Durchströmen der Wärmeübertragungseinrichtung andererseits ent¬ spricht. |
11. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als den Zustand der Wärmeübertragungseinrichtung, insbe¬ sondere den Wärmeübertragungsvorgang in der Wärmeübertragungs¬ einrichtung, charakterisierende oder beschreibende Zustandsgröße die übertragene Wärmearbeit, vorzugsweise durch Integration oder Sum mation der Wärmeleistung über die Zeit, ermittelt wird. |
12. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem aus den Messwerten der Temperatur und der relativen oder absoluten Feuchte eines oder jedes gasförmigen Wärmemediums die Enthalpie des Wärmemediums ermittelt wird. |
13. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem aus den Messwerten der Temperatur und der relativen Feuch¬ te eines oder jedes gasförmigen Wärmemediums die absolute Feuchte des Wärmemediums ermittelt wird. |
14. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem aus den Messwerten der Temperatur und der absoluten oder relativen Feuchte eines oder jedes gasförmigen Wärmemediums die Dichte des Wärmemediums ermittelt wird. |
15. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem aus den Messwerten der Temperatur und der absoluten oder relativen Feuchte eines oder jedes gasförmigen Wärmemediums die Taupunkttemperatur des Wärmemediums ermittelt wird. |
16. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem aus den Messwerten der Temperatur und der absoluten oder relativen Feuchte einerseits und des Volumenstromes oder der mit dem Volumenstrom des Wärmemediums in eindeutiger Beziehung ste¬ henden physikalischen Größe, insbesondere dem Differenzdruck oder Druck, andererseits ein dichtekompensierter Volumenstrom oder Massenstrom eines oder jedes gasförmigen Wärmemediums ermittelt wird. |
17. | Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der dichtekompensierte Volu¬ menstrom dem Quotienten aus dem gemessenen Volumenstrom oder dem aus der entsprechenden gemessenen physikalischen Größe, insbe sondere dem Differenzdruck oder Druck, ermittelten Volumenstrom einerseits und der Quadratwurzel aus der Dichte, insbesondere der ermittelten Dichte, proportional ist oder ermittelt wird. |
18. | Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der dichtekompensierte Mas¬ senstrom dem Produkt aus dem gemessenen Volumenstrom oder dem aus der entsprechenden gemessenen physikalischen Größe, insbeson¬ dere dem Differenzdruck oder Druck, ermittelten Volumenstrom ei¬ nerseits und der Quadratwurzel aus der Dichte, insbesondere der er¬ mittelten Dichte, proportional ist oder ermittelt wird. |
19. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Leckage, insbesondere ein Bruch oder Riss, in der Wär¬ meübertragungseinrichtung erkannt wird, insbesondere durch Auswer¬ tung der absoluten Feuchte und/oder des, vorzugsweise dichtekom¬ pensierten, Massenstromes wenigstens eines der Wärmemedien vor und nach Durchströmen der Wärmeübertragungseinrichtung. |
20. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Menge, insbesondere der, vorzugsweise dichtekompen¬ sierte, Massenstrom, von in der Wärmeübertragungseinrichtung ent¬ stehendem Kondensat wenigstens eines Wärmemediums, insbesondere des Wärmemediums, von dem die Wärme abgezogen wird, aus den, insbesondere dichtekompensierten, Massenströmen dieses Wärmeme¬ diums vor und nach Durchströmen der Wärmeübertragungseinrich¬ tung ermittelt wird. |
21. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur von in der Wärmeübertragungseinrichtung entstehendem Kondensat wenigstens eines Wärmemediums, insbeson¬ dere des Wärmemediums, auf das die Wärme übertragen wird, durch Auswertung der Temperatur und relativen Feuchte dieses Wärmeme¬ diums ermittelt wird oder direkt gemessen wird. |
22. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Messwerte wenigstens einer Messgröße und/oder die er¬ mittelten Werte wenigstens einer den Zustand der Wärmeübertra gungseinrichtung charakterisierenden oder beschreibenden Zustands größe und/oder die ermittelten Werte wenigstens einer aufgrund der Messwerte oder Messsignale ermittelten physikalischen Größe auf we¬ nigstens einer Anzeigeeinrichtung, insbesondere eines Prozessleitsys tems oder einer Leitwarte oder Überwachungs und/oder Kontroll¬ warte, während des Wärmeübertragungsvorganges angezeigt oder dar¬ gestellt werden. |
23. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Messgröße(n) in einer Vielzahl von Messvorgängen wäh¬ rend eines Wärmeübertragungsvorganges gemessen wird bzw. werden und bei dem vorzugsweise die Messwerte oder Messsignale aus mehre¬ ren Messvorgängen gespeichert werden und zum Bewerten des Zu standes der Wärmeübertragungseinrichtung zur Verfügung gestellt o der ausgewertet werden. |
24. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Verschmutzung oder Verstopfung in der Wärmeübertra¬ gungseinrichtung durch Messung eines Differenzdruckes wenigstens eines der Wärmemedien an der Wärmeübertragungseinrichtung er¬ kannt oder ermittelt wird. |
25. | Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die jeweils dem Produkt aus der Wärmekapazität und dem ermittelten, vorzugsweise dichtekompensierten, Massenstrom entspre¬ chenden Wärmestromkapazitäten der beiden Wärmemedien im We¬ sentlichen gleich zueinander eingestellt werden durch Stellen wenigs¬ tens eines der Massenströme. |
26. | Verfahren zum Konditionieren eines Prozessbereiches, bei dem a) dem Prozessbereich wenigstens ein fluides Zuführmedium zugeführt wird und b) wenigstens ein fluides Abführmedium aus dem Prozessbereich abge¬ führt wird, c) das Zuführmedium und das Abführmedium durch wenigstens eine Wärmeübertragungseinrichtung geführt werden und in der Wärme¬ übertragungseinrichtung Wärme von dem Abführmedium in das Zu¬ führmedium oder von dem Zuführmedium in das Abführmedium ü b ertragen wird, d) ein Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An¬ sprüche zum Ermitteln des Zustandes der Wärmeübertragungseintich tung durchgeführt oder verwendet wird. |
27. | Verfahren nach Anspruch 26, bei dem das Zuführmedium und/oder das Abführmedium gasförmig ist. |
28. | Verfahren nach Anspruch 27, bei dem das Zuführmedium und/oder das Abführmedium Wasser oder Feuchtigkeit enthalten. |
29. | Vorrichtung zum Ermitteln eines Zustandes einer Wärmeübertra¬ gungseinrichtung, durch die wenigstens zwei Wärmemedien strömen und in der in einem Wärmeübertragungsvorgang eine Wärmeübertra¬ gung zwischen den wenigstens zwei Wärmemedien stattfindet, umfas¬ send a) wenigstens eine Messeinrichtung zum Messen wenigstens einer physi¬ kalische Messgröße wenigstens eines der Wärmemedien während des Wärmeübertragungsvorganges, b) wenigstens eine Auswerteeinrichtung, die mit jeder Messeinrichtung verbunden ist und aus deren Messwerten oder Messsignalen der Mess größe(n) wenigstens einen zugehörigen Wert wenigstens einer von der oder den Messgröße(n) abhängigen und den Zustand der Wärmeüber tragungseinrichtung charakterisierenden oder beschreibenden physika¬ lischen Zustandsgröße ermittelt. |
30. | Vorrichtung nach Anspruch 29 zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 28. |
31. | Vorrichtung nach Anspruch 29 oder Anspruch 30, bei der die Mess¬ einrichtung a) eine einem Eingang der Wärmeübertragungseinrichtung für ein erstes der Wärmemedien zugeordnete erste Sensoreinrichtung zum Messen wenigstens einer Messgröße des ersten Wärmemediums vor Durch¬ strömen der Wätmeübertragungseinrichtung, b) eine einem Ausgang der Wärmeübertragungseinrichtung für das erste Wärmemedium zugeordnete zweite Sensoreinrichtung zum Messen wenigstens einer Messgröße des ersten Wärmemediums nach Durch¬ strömen der , c) eine einem weiteren Eingang der Wärmeübertragungseinrichtung für ein zweites der Wärmemedien zugeordnete dritte Sensoreinrichtung zum Messen wenigstens einer Messgröße des zweiten Wärmemediums vor Durchströmen der Wärmeübertragungseinrichtung und d) eine einem Ausgang der Wärmeübertragungseinrichtung für das zweite Wärmemedium zugeordnete vierte Sensoreinrichtung zum Messen we¬ nigstens einer Messgröße des zweiten Wärmemediums nach Durch¬ strömen der Wärmeübertragungseinrichtung umfasst. |
32. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31 mit wenigstens einer Anzeigeeinrichtung, insbesondere eines Prozessleitsystems oder einer Leitwarte oder Überwachungs und/oder Kontrollwarte, zum Anzei¬ gen der aktuellen Werte der Zustandgröße(n) , Messgröße(n) und/oder aus den Messgröße(n) abgeleiteter physikalischer Größe(n). |
33. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 32, bei der wenigstens zwei Wärmeübertragungseinrichtungen hintereinander in den Strö¬ mungsweg eines der Wärmemedien geschaltet sind und jede Wärme¬ übertragungseinrichtung diesem Wärmemedium Wärme entzieht und auf ein anderes Wärmemedium überträgt. |
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Zustandes einer Wärmeübertragungseinrichtung.
Wärmeübertragungseinrichtungen, auch Wärmeübertrager oder Wärmetau¬ scher genannt, sind in vielfältigen Ausführungsformen und in einer Vielzahl von Anwendungen bekannt. In einer Wärmeübertragungseinrichtung wird Wärme von einem durch die Wärmeübertragungseinrichtung strömenden gasförmigen oder flüssigen Wärmemedium auf ein anderes, ebenfalls durch die Wärmeübertragungseinrichtung strömendes gasförmiges oder fluides Wärmemedium übertragen. Zur Wärmeübertragung können alle Wärmetrans¬ portmechanismen, also Wärmeleitung, Wärmekonvektion und/oder Wärme¬ strahlung zum Einsatz kommen, wobei bei der Konvektion zusätzlich eine Phasenumwandlung oder Aggregatzustandsänderung durch Verdampfen oder Kondensation zum Einsatz kommen kann.
In der Praxis sind als Wärmeübertragungseinrichtungen hauptsächlich drei Typen von Wärmetauschern in Gebrauch, nämlich sogenannte Rekuperato¬ ren oder rekuperative Wärmetauscher, Regeneratoren oder regenerative Wärmetauscher und Direktkontakt-Wärmetauscher. Regenerative Wärme¬ übertrager werden in der Regel für einen diskontinuierlichen Betrieb ver¬ wendet, während Rekuperatoren überwiegend für den kontinuierlichen Be¬ trieb zum Einsatz kommen.
Bei Rekuperatoren ist eine Trennwand oder Wärmeübertragungsfläche zwi¬ schen den beiden Strömen der Wärmemedien angeordnet, so dass eine Wär¬ meübertragung durch die Wärmübertragungsfläche stattfindet. Als rekupera¬ tive Wärmetauscher werden hauptsächlich Rohrwärmetauscher oder Platten- Wärmetauscher eingesetzt. Bei einem Rohrwärmetauscher werden mehrere Röhren in der Regel parallel zueinander angeordnet und eines der Wärme¬ medien wird durch das Innere der Röhren geleitet. Das andere Wärmemedi¬ um strömt dagegen außerhalb an den Röhren entlang. Bei einem Platten- Wärmetauscher sind einzelne Platten parallel zueinander angeordnet und ei¬ nes der Wärmemedien strömt durch einen für dieses Wärmemedium vorge¬ sehenen Teil der Zwischenräume zwischen den Platten und das andere Wär¬ memedium durch den anderen Teil der Zwischenräume zwischen den Plat¬ ten. Als Wärmeübertragungsflächen dienen bei dem Rohrwärmtauscher die Wandungen der Röhren und bei dem Plattenwärmtauscher die Platten selbst. Als Werkstoffe für die rekuperativen Wärmeübertrager kommen Materialien in Betracht, die korrosionsbeständig sind und glatte Oberflächen haben, bei¬ spielsweise Glas, kunststoffbeschichtete Metalle und Edelstahle.
Bei einem Kreuzstromwärmetauscher werden die Ströme der beiden Wär¬ memedien gekreuzt oder orthogonal zueinander gerichtet, bei einem Gleich¬ stromwärmetauscher in gleicher Richtung und bei einem Gegenstromwärme- tauscher in entgegengesetzten Richtungen.
Bei der regenerativen Wärmeübertragung in Regeneratoren werden Spei¬ chermassen benutzt, die abwechselnd mit dem wärmeabgebenden und dem wärmeaufnehmenden Medium, beispielsweise dem Fortluftstrom und dem Zuluftstrom, in Berührung gebracht werden. Üblicherweise wird die Spei¬ chermasse dazu kontinuierlich gedreht, beispielweise in einem zylindrischen Rotor untergebracht, der von einem Motor angetrieben ist. Die beiden flui¬ den Wärmemedien durchströmen, meist im Gegenstrom, die Speichermasse des Regenerators und werden vor und nach dem Wärmetauscher in getrenn¬ ten Kanälen geführt.
Eine der wichtigsten Anwendungen von Wärmeübertragungseinrichtungen ist die Wärmerückgewinnung, insbesondere im Bereich der Industrie. Dabei wird Restwärme oder Abwärme oder Fortwärme in einem von einem, insbe¬ sondere industriellen, Prozess abströmenden Wärmemedium, beispielweise Abgas oder Fortluft, zur Eigennutzung im Prozess oder auch zur Fremdnut¬ zung in anderen Prozessen oder zu Heizzwecken wenigstens teilweise rück¬ gewonnen. Die häufigste Eigennutzung im Prozess ist die Vorerwärmung des anderen Wärmemediums, beispielsweise der Zuluft, welches dann im Prozess verwendet wird.
In der Wärmeübertragung und Wärmerückgewinnung von Fortluft ist immer das Vorhandensein von Wasser oder Feuchtigkeit in der Luft zu beachten, das zur Kondensation von Wasser in dem Wärmetauscher führen kann und für die sogenannte Austauschzahl der Wärmerückgewinnung zu berücksichti¬ gen ist. Die Austauschzahl definiert bei der Wärmerückgewinnung die Inten¬ sität oder die Effizienz oder den Wirkungsgrad der Übertragung von Wärme und Feuchte von dem einen Medium, z. B. Fortluft, auf das andere Medium z. B. Zuluft.
Bei der Wärmerückgewinnung aus Fortluft sind die drei physikalischen Grö¬ ßen Temperatur, Enthalpie und Feuchte der Zuluft einerseits und der Fort¬ luft andererseits für den übertragenen Wärmestrom von Bedeutung. Man unterscheidet zwischen den Austauschzahlen für die Enthalpie, für die Tem- peratur und für die Feuchte. Die Austauschzahl für die Enthalpieübertragung entspricht dem Quotienten aus der Differenz aus der Enthalpie der Zuluft nach dem Wärmetauscher und der Enthalpie der Zuluft vor dem Wärmetau¬ scher einerseits und der Differenz der Enthalpie der Fortluft vor dem Wär¬ metauscher und der Enthalpie der Fortluft nach dem Wärmetauscher ande- rerseits. Die Austauschzahl für die Temperaturübertragung, d.h. der Tempe¬ ratur-Wirkungsgrad, ist definiert als Quotient aus der Differenz der Tempe¬ ratur der Zuluft nach dem Wärmetauscher und der Temperatur der Zuluft vor dem Wärmetauscher einerseits und der Differenz der Temperatur der Fortluft vor dem Wärmetauscher und der Temperatur der Fortluft nach dem Wärmetauscher andererseits. Entsprechend ist die Austauschzahl für die Feuchteübertragung definiert als Quotient aus der Differenz der Feuchtebe¬ ladung der Zuluft nach dem Wärmetauscher und der Feuchtebeladung der Zuluft vor dem Wärmetauscher einerseits und der Differenz der Feuchtebe- ladung der Fortluft vor dem Wärmetauscher und der Feuchtebeladung der Fortluft nach dem Wärmetauscher andererseits.
Der Wärmeaustausch zwischen den Wärmemedien in der Wärmeübertra- gungseinrichtung ist umso effizienter je näher die Austauschzahl an 1 liegt. Bei vernachlässigbarem Austausch gehen die Austauschzahlen gegen 0 und bei idealem Austausch gegen 1. Die Größe der Austauschzahlen hängt von der Art des Wärmeübertragers ab sowie auch von der Strömungsführung.
Die Austauschzahlen werden bei der Auslegung von Wärmetauschern zur Optimierung von deren Effizienz und Wärmeübertragungsverhalten einmalig festgelegt. Ein einmal ausgelegter Wärmetauscher wird jedoch im Betrieb dann nicht mehr hinsichtlich seines Wärmeübertragungsverhaltens oder sei¬ ner aktuellen Austauschzahl überprüft oder überwacht. Dadurch kann es bei einer Verschlechterung der Effizienz eines Wärmetauschers bei einem Wär¬ merückgewinnungssystem zu erheblichen Energieverlusten kommen. Eine solche Verschlechterung der Effizienz kann beispielweise durch Verschmut¬ zung oder Verstopfung im Wärmetauscher oder einer Leitung oder einen Bruch oder Riss in einer Glasröhre eines Rohrwärmtauschers oder durch Alterung oder auch Materialverschleiß oder Korrosion erfolgen
Diese Problematik wird aber in der Praxis der industriellen Wärmerückge¬ winnung entweder überhaupt nicht wahrgenommen oder in Kauf genommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren einer Vorrichtung zum Ermitteln eines Zustande einer Wärmeübertragungseinrichtung an¬ zugeben.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des An- Spruchs 1 bzw. des Anspruchs 29.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, den Zustand und/oder das Wär¬ meübertragungsverhalten eines Wärmeübertragers während des Betriebs durch Messung von ausgewählten Messgrößen der an der Wärmeübertragung beteiligten Wärmemedien und Auswertung der erhaltenen Messwerte oder Messsignale festzustellen und somit dem Benutzer Werte von Kenngrößen für den Zustand, insbesondere das Wärmeüb er tragungs verhalten, des Wär- meübertragers während des Betriebs oder während des Wärmeübertragungs¬ vorganges zur Verfügung zu stellen.
Beim Stand der Technik kann eine einmal eingestellte oder ausgelegte Wär¬ meübertragungscharakteristik eines Wärmeübertragers während des Betriebs nicht mehr festgestellt oder überprüft werden und damit kann die tatsächli¬ che Wärmeübertragungscharakteristik von der gewünschten Charakteristik oder der Ist-Zustand des Wärmeübertragers von seinem Soll-Zustand erheb¬ lich abweichen, ohne dass dies quantitativ analysiert werden könnte.
Die Erfindung ermöglicht dagegen erstmalig eine quantitative Bewertung oder Analyse des Ist-Zustands oder der Ist-Charakteristik eines Wärme¬ übertragers während seines Einsatzes oder Betriebs, beispielsweise in der Wärmerückgewinnung.
Der Benutzer kann nun direkt „online" die aktuellen Werte der Kenngrößen auf einer Anzeigeeinheit, beispielsweise seines Prozessleitsystems oder seiner Prozessleitwarte, angezeigt bekommen (Visualisierung). Ferner können die ermittelten Werte oder Verläufe der Kenngrößen oder auch der primären Messwerte und Messignale über vorgegebene, längere Zeiträume gespeichert werden („Historien") und mit diesen gespeicherten Verläufen auch im Nach¬ hinein oder Auswertungen oder Analysen der Wärmeübertragungssysteme vorgenommen werden. Mit diesen Maßnahmen ist eine fortlaufende Über¬ prüfung und Überwachung der Wärmeübertragungs- oder -rückgewinnungs- anlage während deren gesamter Betriebsdauer möglich, insbesondere im Rahmen von Prozessleitaufgaben bzw. in einem vorhandenen Prozessleitsys- tem für eine Gesamtanlage, in der die Wärmeübertragungs- oder Wärme¬ rückgewinnungsanlage als ein Bestandteil integriert ist. Schließlich ist es mit Hilfe der Erfindung auch möglich, das Wärmeübertragungsverhalten eines Wärmeübertragers auch noch im Betriebs (wieder) zu optimieren durch Ver¬ ändern von Stellgröße(n) derart, dass die Kenngröße(n) wieder in einem ge¬ wünschten Bereich liegt bzw. liegen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie Anwendungen des Verfahrens und der Vorrichtung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 bzw. 29 jeweils abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren FIG 1 ein Wärmerückgewinnungssystem in einem Prozessluftsystem in einem schematischen Schaubild, FIG 2 die Berechnung von physikalischen Größen eines Luftstromes ge¬ mäß FIG 1 aus dessen Messgrößen Temperatur und relative Feuchte in einem Schaubild, FIG 3 die Berechnung des Temperatur-Wirkungsgrades eines Wärmetau¬ schers des Wärmerückgewinnungssystems gemäß FIG 1 in einem Schaubild, FIG 4 die Berechnung eines kompensierten Volumenstroms oder Massen- Stroms der Luftströme gemäß FIG 1 in einem Schaubild, FIG 5 die Berechnung des Wärmemengen-Wirkungsgrades eines Wärme¬ tauschers gemäß FIG 1 in einem Schaubild, FIG 6 die Berechnung der übertragenen Wärmeleistung und der übertra¬ genen Wärmemenge eines Wärmetauschers gemäß FIG 1 in einem Schaubild die Berechnung des Wärmemengen- Wirkungsgrades ei¬ nes Wärmetauschers gemäß FIG 1 in einem Schaubild, FIG 7 die Berechnung der Temperatur von im Wärmetauscher gemäß FIG 1 entstehendem Kondensat in einem Schaubild, FIG 8 die Berechnung des Massenstromes von im Wärmetauscher gemäß FIG 1 entstehendem Kondensat in einem Schaubild, FIG 9 die Erkennung eines Glasröhrenbruchs im Wärmetauscher gemäß FIG 1 durch Auswertung von Feuchtebeladungen in einem Schau¬ bild und FIG 10 die Erkennung eines Glasröhrenbruchs im Wärmetauscher gemäß FIG 1 durch Auswertung von Massenströmen in einem Schaubild
jeweils schematisch dargestellt sind. Einander entsprechende Teile und Grö- ßen sind in den FIG 1 bis 10 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In FIG 1 ist ein Prozessluftsystem dargestellt, das einem Prozessbereich 2 über einen Zulufteinlass 3 Zuluft ZL zuführt und von dem Prozessbereich 2 über einen Abluftauslass 4 Abluft ABL abführt.
Ein Zuluftventilator 5 saugt dazu Außenluft AL aus einem Außenraum, in der Regel Atmosphärenluft oder Hallenluft, an, die an einem Eingang 21 in einen Wärmetauscher 10 strömt und den Wärmetauscher 10 durchströmt, und an einem Ausgang 22 als Zuluft ZL wieder ausströmt zum Zuluftventila- tor 5. In wenigstens einer Heizeinrichtung 31 wird die Zuluft ZL, nach dem Zuluftventilator 5 und vor dem Zulufteinlass 3 auf eine vorbestimmte Tem¬ peratur aufgeheizt, die für eine Konditionierung oder Versorgung des Pro¬ zessbereichs 2 mit Prozessluft gewünscht ist.
Der Prozessbereich 2 kann beispielsweise eine Papier- oder Zellstoffmaschi¬ ne sein und die Zuluft ZL zum Trocknen der Papier- oder Zellstoffbahnen in der Maschine eingesetzt werden. Dabei werden üblicherweise Lufttempe¬ raturen der Zuluft ZL von 110 0C bis 120 0C eingestellt. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt.
Gleichzeitig zum Zuführen der Zuluft ZL in den Prozessbereich 2 wird von dem Prozessbereich 2 über den Abluftauslass 4 die Abluft ABL mittels eines Fortluftventilators 6 abgesaugt und über einen weiteren Eingang 23 des Wärmetauschers 10 in den Wärmetauscher 10 eingeleitet, durch diesen ge- führt und an einem weiteren Ausgang 24 des Wärmetauschers 10 als Fortluft FL wieder ausgeleitet zum Fortluftventilator 6 hin. Die Abluft ABL beinhaltet immer noch eine beträchtliche Restwärme. Bei einer Papiermaschine hat die Abluft ABL typischerweise Temperaturen von zwischen 70 0C und 90 °C.
Die in der Abluft ABL enthaltene Abwärme wird nun wenigstens teilweise in dem Wärmetauscher 10 zurückgewonnen, indem sie zum Vorwärmen oder Erwärmen der Außenluft AL bzw. zum Bereitstellen von vorgewärmter Zu¬ luft ZL, die dann von der Heizeinrichtung 31 auf die endgültige Temperatur gebracht wird, verwendet wird. So kann beispielsweise die Außenluft AL von einer Außentemperatur von typischerweise - 15 °C bis + 30 °C auf eine Vor¬ temperatur von + 50 °C bis + 70 °C gebracht werden, die sie dann als Zuluft ZL beim Austritt aus dem Wärmetauscher 10 aufweist.
Der Wärmetauscher 10 ist beispielsweise als Kreuzstrom-Rohrwärmetauscher ausgebildet, in dessen vertikalen Glasröhren der Abluftstrom ABL senkrecht von unten nach oben geführt wird und außen an den Glasröhren entlang der Außenluftstrom AL horizontal geführt wird. In dieser Ausführung kann Kondensat der Abluft ABL leichter nach unten abfließen. Jedoch sind auch andere Arten und Ausbildungen von Wärmetauschern verwendbar.
Zusätzlich kann zur Steigerung der Energieeffizienz noch weitere Restwärme der aus dem Wärmetauscher 10 austretenden, üblicherweise noch 60 0C bis 65 0C warmen Fortluft FL in einem weiteren Wärmerückgewinner 30, bei¬ spielsweise einem Luft/Wasser/Wärmetauscher mit einem Wasserkreislauf 32 mit einer Pumpe, entzogen werden. Diese im Wärmerückgewinner 30 rückgewonnene Wärme der Fortluft FL kann beispielsweise zum Heizen und /oder für eine Klimatisierung der Hallen- oder Gebäudeluft verwendet wer¬ den.
Dem Wärmetauscher 10 sind nun vier Sensoreinrichtungen 11 bis 14 zuge¬ ordnet. Die Sensoreinrichtung 11 ist vor den Eingang 21 des Wärmetau¬ schers 10 in den Strömungsweg der Außenluft AL geschaltet und misst Messgrößen der Außenluft AL. Die Sensoreinrichtung 12 ist dem Ausgang 22 des Wärmetauschers 10 nachgeschaltet in dem Strömungsweg der Zuluft ZL angeordnet und misst Messgrößen der Zuluft ZL. Die Sensoreinrichtung 13 ist vor den Eingang 23 des Wärmetauschers 10 in den Strömungsweg der Abluft ABL geschaltet und misst Messgrößen der Abluft ABL. Die Sensor- einrichtung 14 schließlich ist hinter dem Ausgang 24 des Wärmetauschers 10 in den Strömungsweg der Fortluft FL geschaltet und misst Messgrößen der Fortluft FL.
Dem Wasserkreislauf 32 des optionalen Wärmerückgewinners 30 ist ebenfalls eine Sensoreinrichtung 16 zugeordnet zur Messung von Messgrößen des Wassers. Ferner ist dem optionalen Wärmerückgewinner 30 im Strömungs¬ weg der Fortluft FL eine weitere Sensoreinrichtung 17 nachgeschaltet zur Messung von Messgrößen der Fortluft FL nach Durchströmen des Wärme¬ tauschers 30.
Die Sensoreinrichtungen 11 bis 14 und 16 können analoge oder digitale Sen¬ soren aufweisen. Bei analogen Sensoren werden deren Sensor- oder Messsig¬ nale vorzugsweise digitalisiert und in Form digitaler Signale weiterverarbei¬ tet. Grundsätzlich ist natürlich auch eine analoge Signalverarbeitung der ana- logen Messsignale möglich. Bei digitalen Sensoren stellen diese gleich digita¬ le Messsignale oder Messwerte an ihren Ausgängen zur Verfügung.
Die, vorzugsweise digitalen, Ausgänge der Sensoreinrichtungen 11 bis 14 und 16 und 17 sind jeweils mit Eingängen einer Auswerteeinrichtung (oder: Auswerteeinheit) 7 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 7 kann mit einer oder mehreren Sensoreinrichtungen 11 bis 14 in einer Einheit integriert sein oder auch als eigene bauliche Einheit und/oder autark betrieben werden.
Die Auswerteeinrichtung 7 wertet die von den Sensoreinrichtungen 11 bis 14 erhaltenen Messwerte oder Messsignale aus und ermittelt daraus physikali¬ sche Größen, zumindest physikalische Kenngrößen für das aktuelle Wärme¬ übertragungsverhalten und/oder den Zustand des Wärmetauschers 10. Eben¬ so wertet die Auswerteeinrichtung 7 die Messwerte oder Messignale der Sen- soreinrichtungen 16 und 17 aus und ermittelt daraus eine oder mehrere Kenngröße(n) des Wärmerückgewinners 30. Zur Auswertung umfasst die Auswerteeinrichtung 7 im Allgemeinen wenigstens einen digitalen Signalpro¬ zessor oder Mikroprozessor und zugeordnete Speicher zum Speichern von ermittelten Daten und hinterlegten Steuer- und Rechenprogramme sowie ggf. von Wertetabellen.
Die Auswerteergebnisse, also die ermittelten digitalen, insbesondere binären, Werte der Kenngrößen, überträgt die Auswerteeinrichtung 7 über einen Da- tenbus oder eine Busschnittstelle an ein übergeordnetes Prozessleitsystem 8. Hier kann Standard-Bustechnologie wie Ethernet (TCP/IP) oder Profibus eingesetzt werden. Ferner sind auch Verbindungen über Leitungsnetze wie Internet oder Telefonverbindungen und/oder Modem und/oder auch draht¬ lose Verbindungen beispielsweise über Funk, Mobilfunk und/oder Satelliten möglich. Natürlich ist alternativ auch eine analoge Signalverarbeitung und/oder -Übertragung der Messsignale möglich.
Das Prozessleitsystem 8 ist nur für das Wärmerückgewinnungssystem oder für das gesamte Prozessluftsystem oder aber auch für den gesamten Prozess, hier beispielsweise den Papier- oder Zelluloseherstellungsprozess in der Pa¬ pier- oder Zellulosemaschine, vorgesehen.
Auf einer Anzeigeeinrichtung (oder: Anzeigeeinheit) 9 des Prozessleitsys- tems 8 und/oder bei oder in der Auswerteeinrichtung 7, im Allgemeinen ei- nem grafischen Bildschirm (Display), beispielsweise einem Computermoni¬ tor, werden die von der Auswerteeinrichtung 7 erhaltenen Werte der Kenn¬ größen des Wärmetauschers 10 und ggf. des Wärmerückgewinners 30 wenigstens zum Teil visualisiert oder grafisch dargestellt, insbesondere in Form von Zahlen hinter zugehörigen Bezeichnern oder physikalischen Sym- bolen oder auch in Form von Kurven, Diagrammen oder ähnlichen an sich bekannten Anzeigearten. Der Benutzer erhält somit auf der Anzeigeeinrichtung 9 fortlaufend Infor¬ mationen über wichtige Kenngrößen des die Wärmerückgewinnung betref¬ fenden Teils seiner Anlage und kann den Zustand des Wärmetauschers 10 und ggf. des Wärmerückgewinners 30 bewerten und überwachen sowie ggf. optimieren oder korrigieren. Für den Anlagenbetreiber oder Benutzer wird das Wärmerückgewinnungssystem transparent und die Anlagenverfügbarkeit erhöht, können Analysen zur Wirtschaftlichkeit des Systems erstellt und Entscheidungen hinsichtlich einer Energieoptimierung unterstützt werden sowie eine bedarfsgerechte Wartung erleichtert werden. In Prozessleitsyste- men kann das Know-How über Wärmerückgewinnungssysteme verfügbar gemacht und kann in Gesamtkonzepte integriert werden. Wärmerückgewin¬ nungssysteme selbst werden mit der intelligenten Auswertung aufgewertet
Die Sensoreinrichtungen 11 bis 14 für den Wärmetauscher 10 umfassen vor- zugsweise einzelne Sensoren zur Messung der Temperatur t, der relativen Feuchte φ und des Volumenstromes oder des Druckes, insbesondere Diffe¬ renzdruckes, insbesondere Staudruckes, des zugehörigen Luftstromes. Hier kann bewährte Sensortechnologie der Temperatur-, Feuchte-, Volumen¬ strom- und Druckmesstechnik eingesetzt werden.
Für die Temperaturmessung können beispielsweise Widerstands- Temperaturfühler eingesetzt werden. Für die direkte Volumenstrommessung können Durchflussmesser, beispielsweise Ultraschall-, Wirbelfrequenz- In- duktions- oder Anemometer-Durchflusssensoren, Staudruck- oder Drossel- messgeräte verwendet werden.
Bei Verwendung von Staudruckmesseinrichtungen zum Messen von Volu¬ menströmen insbesondere eines gasförmigen Wärmemediums wie Luft kann zusätzlich eine S elbstreinigungs Vorrichtung oder -funktion vorgesehen sein. Dabei wird über zeitgesteuerte Ventile, insbesondere Magnetventile, Druck¬ luft durch die Staudruckeinrichtung geblasen, wobei vorzugsweise der Drucksensor weggeschaltet und der Messwert fixiert wird. Für die Druckmessung oder Differenzdruckmessung können piezoelektri¬ sche, induktive und/oder mechanische Sensoren, Membran- oder Federwerk- Drucksensoren zum Einsatz kommen.
Zum Messen der relativen Feuchte werden beispielsweise kapazitive Feuch¬ tesensoren verwendet. Man kann aber auch anstelle der oder zusätzlich zur relativen Feuchte die absolute Feuchte oder Feuchtebeladung x messen, bei¬ spielsweise direkt mittels eines LiCl-Feuchtegebers, dessen Umwandlungs- temperatur von der absoluten Feuchte abhängt, oder auch indirekt mittels eines Taupunkttemperatursensors, beispielsweise eines Taupunktspiegels.
Der Wassergehalt der Luft umfasst im noch nicht gesättigten Zustand im Wesentlichen Wasserdampf (oder: Feuchte, Anteil des Wassers in gasförmi- gern Zustand) und im übersättigten Zustand zusätzlich auch mitgeführte o- der schwebende Wassertröpfchen (oder: Wasser in flüssiger Form). Bei Sät¬ tigung oder dem zugehörigen Sättigungsdruck herrscht bei einer konstanten Temperatur Gleichgewicht zwischen einer Flüssigkeit und ihrem Dampf in einem vorgegebenen beliebigen Volumen.
Die absolute Feuchte oder der absolute Wasserdampfgehalt oder die Feuch¬ tebeladung x entspricht dem Quotienten aus der in der Luft enthaltenen Masse des Wasserdampfes (Dampfmasse), gemessen beispielsweise in Gramm (g), und der Masse der trockenen Luft (Trockenluftmasse), übli- cherweise angegeben in kg, wobei beide Massen in demselben Gasvolumen, beispielsweise einen Kubikmeter (1 m3), bei derselben Temperatur und bei demselben Druck bestimmt werden. Der absolute Dampfgehalt oder die Feuchtebeladung X ist also eine dimensionslose Größe.
Der relative Wasserdampfgehalt oder die relative Feuchte φ wird bezogen auf den Sättigungszustand und ist definiert als Quotient aus der Partialdichte oder Konzentration des Wasserdampfes bei der vorgegebenen Temperatur, beispielsweise gemessen in g/m3, und der Sättigungspartialdichte des Was- serdampfes, die sich bei Erreichen des Sättigungspartialdruckes des Wassers, bei gleicher Temperatur einstellt oder einstellen würde und ebenfalls gemes¬ sen wird in g/m3. Die relative Feuchte entspricht auch dem Quotienten aus dem aktuellen Dampfpartialdruck und dem Sättigungsdampfpartialdruck. Die relative Feuchte ist dimensionslos und wird üblicherweise in Prozent (%) angegeben, wobei im untersättigten Zustand die relative Feuchte unter 100 % liegt und im gesättigten Zustand 100 % beträgt. Mit höherer Temperatur nimmt die relative Feuchte bei gleichbleibender absoluter Feuchte ab.
Aus den von den Sensoreinrichtungen 11 bis 14 gemessenen physikalischen Messgrössen Temperatur, Feuchte (rel.) und Volumenstrom/Druck können eine Vielzahl von weiteren, von diesen Messgrößen abhängigen physikali¬ schen Größen des Wärmerückgewinnungssystems mit dem Wärmetauscher 10 von der Auswerteeinrichtung 7 numerisch errechnet werden, beispielswei- se mit hinterlegten analytischen Funktionen, Gleichungen, Formeln oder mit Fitfunktionen oder Interpolation, oder aufgrund vorgegebener Wertetabellen oder Kennlinien oder Diagrammen zugeordnet werden.
FIG 2 zeigt in einem Schaubild, wie aus den Messgrößen Temperatur t und relative Feuchte φ jedes einzelnen Luftstromes mit zugehörigem Wasserge¬ halt aufgrund von sich an dem Mollier-Diagramm (oder: hx-Diagramm) ori¬ entierender oder darin dargestellter Beziehungen andere physikalische Grö¬ ßen wie • die Feuchtebeladung ( = absoluter Wassergehalt) x, • die Dichte p, • die Enthalpie (Energieinhalt) h und • die Taupunkttemperatur tt, berechnet oder bestimmt werden können.
Im Mollier-Diagramm ist die Enthalpie h des feuchten Gases, üblicherweise feuchte Luft, über dessen Feuchtebeladung x aufgetragen (deswegen: hx- Diagramm), wobei auf zwei orthogonalen Achsen des Diagramms auf der Abszisse die Feuchtebeladung x und auf der Ordinate auch die Temperatur t abgelesen werden kann. Es sind Isothermen ausgehend von den entspre¬ chenden Temperaturwerten auf der Ordinate als Geraden mit mit der Tem¬ peratur zunehmender Steigung eingezeichnet. Ferner enthält das Mollier- Diagramm Isenthalpen, die nach rechts unten verlaufende parallele Geraden mit der Steigung der negativen Verdampfungsenthalpie sind, sowie außerdem konvex gekrümmte Parameterkurven gleicher relativer Feuchte φ, wobei die Sättigungskurve für φ = 100 % am Weitesten unten liegt und oberhalb dieser Sättigungskurve die Kurven für φ < 100 %, also das Gebiet der Untersätti¬ gung und unterhalb das Gebiet der Übersättigung oder Nebelgebiet liegen.
Die im Mollier-Diagramm grafisch dargestellten Beziehungen werden im Folgenden in Form der entsprechenden Gleichungen oder Formeln angege¬ ben.
Vorgegebene oder vorgebbare Konstanten oder konstante Systemgrößen: Systemdruck: psys = const. Wärmekapazität Luft: cpl = const. Verdampfungswärme Wasser; r = const. Wärmekapazität Wasserdampf: cpd = const.
Sättigungsdruck Wasserdampf: ps(t) wird aus Temperatur t ermittelt ge¬ mäß hinterlegter Tabelle (mit Interpolation)
absolute Feuchte : x = 622 * Ψ Ps{t)
Enthalpie: h = c≠ * t + x * (r + cpd * t)
Partialdruck Dampf: pD = ^^ + χ * psys 0,6222 Partialdruck Luft: Pi = 0,6222 + x ' P1 sys
Dichte: p = 0,00348 * Si. + 0,00217 * ^A. t t
sys A(O = 622 Taupunkttemperatur: ■ + φ φ = 100% (Sättigung) x mit ps,t) in Tabelle => tt
Mit den vier Temperaturwerten tAL der Sensoreinrichtung 11, tZL der Sensor¬ einrichtung 12 , tABL der Sensoreinrichtung 13 und tFL der Sensoreinrichtung 14 wird gemäß FIG 3 nun von der Auswerteeinrichtung 7 als erste Kenngrp- ße für die Wärmeübertragung im Wärmetauscher 10 der aktuelle Temperatur- Wirkungsgrad (oder: thermische Wirkungsgrad, Temperatur-Austauschzahl) ηth des Wärmetauschers 10 als Quotient aus der Differenz tZL - tAL und der Differenz tABL - tFL ermittelt und zum Prozessleitsystem 8 zur Darstellung auf der Anzeigeeinrichtung 9 übertragen.
FIG 4 zeigt, wie zunächst aus dem von einer der Sensoreinrichtungen 11 bis 14 oder 16 und 17 gemessenen Differenz druck im entsprechenden strömen¬ den Wärmemedium ein unkompensierter Volumenstrom des Mediums mit den vorgegebenen Parametern der Strömungsquerschnittfläche A und der Proportionalitätskonstante k der Sensoreinrichtung (des Messorgans) be¬ rechnet wird und dann mit der gemäß FIG 3 ermittelten Dichte p des Medi¬ ums dieser Volumenstrom dichtekompensiert wird und auch ein entspre¬ chend dichtekompensierter Massenstrom bestimmt wird.
Die kompensierten Volumenströme oder Massenströme der Medien, z.B. AL, ZL, ABL, FL, gemäß FIG 1 werden nun vorteilhaft von der Auswerteeinrich¬ tung 7 zur Berechnung weiterer auf der Anzeigeeinrichtung 9 darzustellender Kenngrößen des Wärmetauschers 10 verwendet und können auch selbst auf der Anzeigeeinrichtung 9 dargestellt werden.
So wird gemäß FIG 5 der aktuelle Wärmemengen-Wirkungsgrad ηQ des Wärmetauschers 10 berechnet aus den vier gemäß FIG 3 ermittelten Enthal¬ pien hAL der Außenluft AL, hZL der Zuluft ZL, hABL der Abluft ABL und hFL der Fortluft FL gemäß FIG 1 und den gemäß FIG 4 ermittelten Massenströ¬
men mzL der Zuluft ZL und TTIFL der Fortluft FL.
FIG 6 zeigt die Berechnung der von der Abluft ABL auf die Außenluft AL
übertragenen Wärmeleistung Q und der durch numerische Sumtnation oder
Integration über die Wärmeleistung Q über der Zeit erhaltenen übertragenen Wärmeenergie Q des Wärmetauschers 10.
Durch die Abkühlung der Abluft ABL im Wärmetauscher 10 kann Konden¬ sat entstehen. Gemäß vorgegebenen für den jeweiligen Wärmetauschprozess spezifischen Beziehungen kann nun die Kondensattemperatur von im Wär¬ metauscher gemäß FIG 1 entstehendem Kondensat gemäß FIG 7 aus den Messwerten für die Temperatur und die relative Feuchte und mit Hilfe des hx-Diagramms bestimmt werden. Dazu wird vorzugsweise einfach die Tau¬ temperatur tt als Kondensattemperatur herangezogen.
FIG 8 zeigt die Berechnung des Massenstromes von im Wärmetauscher ge¬ mäß FIG 1 entstehendem Kondensat oder der abzuführenden Kondensat- menge als Differenz aus dem Massenstrom der Abluft ABL am Eingang 23 des Wärmetauschers 10 und dem Massenstrom der Fortluft FL am Ausgang 24 des Wärmetauchers 10.
FIG 9 und 10 zeigen nun Ausführungsformen, bei der ein Glasröhrenbruch in einem Glasröhren-Wärmetauscher 10 von der Auswerteeinrichtung 7 er¬ kannt und auf der Anzeigeinrichtung 9 angezeigt werden kann. Dabei wird ausgenutzt, dass ein Glasröhrenbruch zu einem Austritt von Abluft ABL o- der darin enthaltenem Wasserdampf führt, der messtechnisch erfasst werden kann.
Bei einem auf der Druckseite des Abluftventilators angeordneten Wärmetau¬ scher 10 werden vorzugsweise gemäß FIG 9 die ermittelten absoluten Feuch¬ tebeladungen xAL der Außenluft AL und xZL der Zuluft FL verglichen oder mit einer Formel bilanziert, um einen Bruch oder Riss der Glasröhre(n) zu erkennen.
Bei einem saugseitig vom Fortluftventilator 6 angeordneten Wärmetauscher 10 werden vorzugsweise die ermittelten Massenströme von Außenluft AL und Zuluft ZL bilanziert mit einer Formel, wie in FIG 10 dargestellt.
Durch die Überwachung der Glasröhren kann eine unzulässige Auffeuchtung der trockenen Prozesszuluft durch die hochbeladene Abluft bei einem Glas¬ röhrenbruch vermieden.
Alle Messwertberechnungen sind vorzugsweise druck- und temperaturkom- pensiert.
Mit den in der Auswerteeinrichtung 7 oder dem Prozessleitsystem 8 langfris¬ tig aufgezeichneten Daten kann das Wärmerückgewinnungs System zusätzlich hinsichtlich seiner Effizienz bewertet, ggf. optimiert bzw. erneuert werden.
Optional kann auch eine Verschmutzung und/oder Verstopfung am oder im Wärmetauscher 10 auf beiden Übertragungsseiten anhand von Systemveränderungen überwacht werden, dazu wird wenigstens ein zusätzli¬ cher Differenzdrucksensor zum Messen einer Druckdifferenz zwischen dem Eingang 21 und dem Ausgang 22 oder vorzugsweise zwischen dem Eingang 23 und dem Ausgang 24 des Wärmetauschers 10 vorgesehen, vorzugsweise in den Sensoreinrichtungen 11 und 12 bzw. 13 und 14. Somit wird die Verfüg¬ barkeit und Wartungsplanung verbessert. In einer Optimierungsfunktion für die Luft-Luft- Wärmerückgewinnung im Wärmetauscher 10 als zusätzlicher Option kann mit Hilfe der berechneten Daten eine Optimierung der Wärmestromkapazitäten von der Auswerteein- richtung 7 durchgeführt werden. Somit ist in jedem Betriebspunkt eine op¬ timale Energieausnutzung gewährleistet.
In einer optionalen Optimierungsfunktion für die Luft-Wasser-Wärmerück¬ gewinnung im Wärmetauscher30 kann mit Hilfe der berechneten Daten und unter zusätzlichem Einsatz von Volumenstrommesstechnik im Wasserkreis¬ lauf 32 (z.B. Ultraschallmessgerät) eine Optimierung der Wärmestromkapazi¬ täten von der Auswerteeinrichtung 7 durchgeführt werden. Somit ist in je¬ dem Betriebspunkt eine optimale Energieausnutzung gewährleistet.
Insbesondere kann der Wirkungsgrad oder die Wärmeübertragung dadurch optimiert werden, dass die Wärmestromkapazität des einen Wärmemediums, also AL bzw. ZL im Wärmetauscher 10 oder Wasser im Wasserkreislauf 32 des Wärmetauschers 30, einerseits und die Wärmestromkapazität des andern Wärmemediums, also ABL bzw. FL, andererseits gleich zueinander einge- stellt werden. Die Wärmestromkapazität entspricht dem Produkt aus Wär¬ mekapazität und Massenstrom des Wärmeträgermediums. Als Stellgröße für die Optimierung dient deshalb der Massenstrom wenigstens eines Mediums, z.B. AL oder das Wasser, während der Massenstrom des anderen Medium, z.B. ABL, durch den Prozess geführt sein kann.
Die numerische Berechnung muss natürlich in allen Aus führungs formen nicht der schrittweisen Folge der physikalischen Formeln folgen, sondern kann zur Reduzierung von Rundungs fehlem auch gleich nach den Eingangs¬ größen, beispielsweise der Temperatur t oder der relativen Feuchte φ aufge- löste Gleichungen verwenden. Bezugszeichenliste
2 Prozessbereich 3 Lufteinlass 4 Luftauslass 5 Zuluftventilator 6 Fortluftventilator 7 Auswerteeinrichtung 8 Prozessleitsystem 9 Anzeigeeinrichtung 10 Wärmetauscher 11 bis 14 Sensoreinπchtung 16, 17 Sensoreinrichtung 21 Eingang 22 Ausgang 23 Eingang 24 Ausgang 30 Wärmetauscher 32 Wasserkreislauf AL Außenluft ZL Zuluft ABL Abluft FL Fortluft