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Wärmemengenmesser für strömende Medien
Die Erfindung betrifft einen Wärmemengenmesser für strömende Medien und insbesondere einen nach dem Flügelradprinzip arbeitenden Wärmemengenmesser, bei welchem die Drehzahl eines Durchflussmes- sers in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums gemessen wird.
Bei der Heizung von Mietshäusern oder bei der Heisswasserversorgung der verschiedenen Wohnungsinhaber ist es erwünscht, die Energiekosten auf die einzelnen Mieter im Verhältnis des Verbrauchs aufzu-
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räume u. dgl. gemeinsam versorgen.
Es sind Wärmemengenzähler bekannt geworden, die auf dem Verdunstungsprinzip arbeiten, indem die in einem Messröhrchen enthaltene Flüssigkeit je nach Verbrauch entsprechend abnimmt. Derartige Geräte sind zwar für Heizkörper gut geeignet, jedoch ist ihre Verwendung für den Warmwasserverbrauch beispiels- weise im Badezimmer oder Küche kaum geeignet. Auch lassen sich diese Geräte nicht zur Fernanzeige verwenden und sind darüber hinaus dem Eingriff von Unberechtigten ausgesetzt.
Mit der Erfindung wird ein im Leitungssystem fest eingebauter und nach dem Flügelradprinzip arbei- tender Wärmemengenmesser vorgeschlagen, der im wesentlichen den Warmwasserverbrauch misst, aber auch für Heizkörper verwendet werden kann. Das erfindungsgemässe Gerät hat den Vorteil, dass es sofort anspricht und ohne Verzögerung arbeitet, wobei jede über einem Mindestwert liegende Wärmemenge proportional der Temperatur und Wassermenge gemessen wird, und wobei dieses Gerät einfach herzustellen ist und auch bei geringer Temperatur und geringster Wasserentnahme eine vorzügliche Messgenauigkeit erreicht.
Es sind bereits Durchlaufzähler zur Messung von Flüssigkeiten bekannt (deutsche Patentschrift Nr. 966729), bei denen das von dem strömenden Medium angetriebene Messorgan des Zählers mit dem
Zählwerk magnetisch gekuppelt ist und die magnetische Kupplung durch temperaturabhängige Mittel unterhalb einer gegebenen Mindesttemperatur des Mediums unwirksam gemacht ist. Bei diesen Geräten sind Bimetallanordnungen vorgesehen, welche zur Anpassung an die jeweils gegebene Mindesttemperatur in ihrer Lage zu den Kupplungsgliedern zwischen Messorgan und Zählwerk von aussen einstellbar sind. Derartige Geräte sind jedoch nur reine Warmwasserzähler und können nicht als Wärmemengenmesser angesprochen werden.
Nach Überschreitung einer bestimmten Mindesttemperatur wird die durchlaufende Wassermenge gemessen, u. zw. gleichgültig, ob es sich um heisses, warmes oder nur halbwarmes Wasser handelt.
'Da aber letztlich die Messung der verbrauchten Energie und nicht die der sehr viel weniger interessanten Wassermenge von einer bestimmten Mindesttemperatur massgebend ist, ist das Gerät gemäss der deutschen Patentschrift Nr. 966729 kaum oder nur beschränktgebrauchsfähig und arbeitet bezüglich der Kalorienmes- sung nur als "Ein-Aus"- Gerät, d. h. nach Überschreiten einer bestimmten Temperatur wird die verbrauchte Wassermenge erfasst, jedoch unabhängig von etwaigen unterschiedlichen Temperaturgraden. Darüber hinaus wird der Durchflussmesser abgebremst, wodurch das Gerät eine gewisse Trägheit besitzt und nicht sofort anspricht.
Weiterhin sind Kalorienzähler (deutsche Patentschrift Nr. 964106) bekannt, bei welchen ein Balancier entsprechend der Stellung von Bimetallthermometern gesteuert wird. Die Herstellung und Eichung derartig komplizierter Messwerke ist äusserst umständlich und kostspielig, so dass sie sich nicht zur Wärme- mengenmessung geeignet erwiesen haben.
Aus der deutschen Patentschrift Nr. 927834 ist ein Wärmemengenmesser bekannt, welcher dadurch
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gekennzeichnet ist, dass die Drehzahl eines. Durchflussmessers durch eine temperaturabhängige magnetische Wirbelstrombremse beeinflusst wird. Bei diesem Gerät wird die Drehbewegung eines Flügelradzählers durch ein Magnetfeld gebremst, welches entweder unmittelbar auf den vom Wasser beaufschlagten Rotor des Zählers oder auf eine damit gekuppelte Bremsscheibe oder Bremstrommel wirkt. Bei diesem Gerät ist die Drehzahl des Durchflussmessers unverändert und nur von der durchlaufenden Wassermenge und nicht von der Temperatur abhängig. Dieses Gerät hat sich als nachteilig erwiesen, da bei einer geringen Heisswasserentnahme durch den entstehenden Schlupf des Wassers überhaupt keine Drehung des Zählers erfolgt.
Der Druck des strömenden Wassers reicht nicht aus, um die abgebremste Welle des Flügelrades-in Drehung zu versetzen. Dieses bekannte Gerät wird also bei geringer Wasserentnahme und bei Temperaturen um etwa 300 praktisch keinen Verbrauch anzeigen, was gerade in den Übergangszeiten zu beachtlichen Fehlern führen wird. Wird dagegen sehr heisses Wasser verwendet, so wirkt das Gerät als Wärmespeicher und wird durch die grosse spezifische Wärme der Wirbelstrombremse bei Nachlassen der Wassertemperatur eine noch zu geringe Bremskraft auf den Durchflussmesser ausüben. Schliesslich sind magnetische Wirbelstrombremsen weitaus teurer in der Herstellung als Bimetallspiralen, zumal die Eichung der letzteren leichter ist.
Letztlich sind Wirbelstrombremsen meist ausserhalb des strömenden Mediums angebracht, während die Bimetallspirale in der Flüssigkeit liegt und demzufolge weitaus schneller anspricht.
Zur Behebung der oben genannten Nachteile wird nun ein Wärmemengenmesser vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass eine bei Warmwasserzählern an sich bekannte, zwischen Zähl- bzw.
Messwerk und Flügelrad eingeschaltete, durch temperaturabhängige Lageänderung eines Bimetallgliedes unmittelbar beeinflusste und unterhalb einer Mindesttemperatur unwirksame magnetische Kupplung derart angeordnet ist, dass sich das Bimetallglied oberhalb der Mindesttemperatur an dem Kupplungsteil mehr oder weniger schlüssig anlegt, so dass der Magnet der das Zähl-bzw. Messwerk treibenden magnetischen Kupplung von dem Bimetallglied auf einen grösseren oder kleineren, von der jeweiligen Temperatur abhängenden Teil jeder Umdrehung des Flügelrades mitgenommen wird.
Diese erfindungsgemässe Vorrichtung unterscheidet sich also von dem zuletzt erwähnten bekannten Wärmemengenmesser dadurch, dass nicht die Drehzahl des Durchflussmessers beeinflusst wird-etwa in dem Sinne : je heisser das Wasser, desto geringer die Bremskraft - sondern es wird das Zählwerk selbst mehr oder weniger angetrieben in dem Sinne, dass sich dieses über die Kupplung bei heisserem Wasser mehr mitdreht. Dabei ist die Drehzahl des Durchflussmessers unverändert bzw. nur von der durchlaufenden Wassermenge und nicht von der Temperatur abhängig. Vielmehr erfolgt bei dem erfindungsgemässen Gerät die Beeinflussung zu einem späteren Zeitpunkt, nämlich bei Übertragung der Drehmomente auf die Kupplung selbst, indem diese je nach Temperatur und Lage des Berührungspunktes mehr oder. weniger mitgenommen wird.
Ist beispielsweise bei kaltem durchfliessendem Wasser die Bimetallspirale stark aufgerollt, so berührt sie den Kupplungsmagneten überhaupt nicht ; sie dreht sich also frei an der Kupplung vorbei.
Bei etwas erhöhter Temperatur ist die Ausbiegung der Bimetallspirale schon so gross, dass sie die Kupplung etwa 3 mm berührt ; dadurch wird die Kupplungsscheibe um einen geringen Betrag mitgedreht, worauf die restliche Drehung der Bimetallspirale ungehindert ohne Mitnahme der Kupplung erfolgt, bis eine Umdrehung vollendet ist und wieder ein Eingriff von etwa 3 mm erfolgt. Bei heisserem durchlaufendem Wasser ist die Ausbiegung der Bimetallspirale noch grösser, die Kupplung wird an einem früheren Berührungspunkt, z. B. etwa in einem Bereich von 9 mm, von der Bimetallspirale berührt und um etwa den dreifachen Betrag mitgenommen. Der Antrieb des Zähl- oder Messwerkes erfolgt also direkt proportional der Temperatur des strömenden Wassers und ebenfalls direkt proportional der durchlaufenden Wassermenge.
Vorzugsweise ist der erfindungsgemässe Wärmemengenmesser so ausgebildet, dass das Bimetallglied als Spirale ausgebildet und an der Achse des Flügelrades befestigt ist und sich ständig proportional zur abgezapften Wassermenge mitdreht und entsprechend der temperaturabhängigen Umfangsvergrösserung an den sich proportional zur Wassertemperatur verlagernden Berührungspunkten am Kupplungsmagneten mit der äusseren Spiralwindung angreift und diesen mehr oder weniger mitnimmt. Als Kupplungsmagnet wird vorzugsweise ein radial polarisierter permanenter Scheibenmagnet verwendet, der im Gehäuse angeordnet ist und mit einem weiteren Magneten zusammenarbeitet, der an ein Stellwerk angeschlossen ist.
Selbstverständlich lässt sich der erfindungsgemässe Wärmemengenmesser auch an ein Fernanzeigegerät anschliessen, was insbesondere bei industrieller Verwendung von Vorteil ist.
Bei einem bevorzugten Beispiel hat es sich als zweckmässig erwiesen, die Vorrichtung so auszubilden, dass das Flügelrad in axialer Richtung eine zylindrische Verlängerung aufweist, an welcher das eine Ende der Bimetallspirale befestigt ist, und dass die magnetische Kupplung aus zwei Scheibenmagneten besteht, von denen der eine ausserhalb des Gehäuses mit einem. Zählwerk verbunden ist, während der andere in einer von Wasser durchflossenen Innenkammer des Gehäuses angeordnet ist und in arbeitsmässiger Zu-
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ordnung proportional zur Wassertemperatur mit der Bimetallspirale steht.
Vorzugsweise ist der im Innengehäuse angeordnete Magnet auf einer Grundplatte angebracht, deren zylindrischer Flansch über die zylindrische Verlängerung des Flügelrades und über die Bimetallspirale greift und zu dieser mit Abstand und exzentrisch angeordnet ist. Vorteilhaft ist es bei einer beispielhaf- ten Ausführung, dass sich die Grundplatte des im Innengehäuse angeordneten Magneten auf einer Welle dreht, die sich an ihrem einen Ende an der Innenwand des äusseren Gehäuses abstützt, während das an- dere Ende der Welle in einer Vertiefung eines Kopfstückes einer T-förmigen, frei drehbaren Welle des
Flügelrades gelagert ist.
Bei einem weiteren, besonders bevorzugten abgewandelten Ausführungsbeispiel ist das Bimetallglied als Finger ausgebildet und ist sich in etwa axialer Richtung erstreckend mit einem Ende an der Flügelrad- achse befestigt, während das andere Ende an dem als Eingriffszahnrad ausgebildeten und exzentrisch zur
Flügelradachse angeordneten Kupplungsteil entsprechend der temperaturabhängigen Ausbiegung eingreift.
Als Kupplungsmagnet sind bei dieser Ausführungsform zwei an der Achse des Eingriffszahnrades befestigte
Magnete vorgesehen, während der Magnet des Zählwerkes aus einem Ankermagneten besteht, welcher aber eine Ankerschnecke das Zählwerk antreibt.
Im folgenden soll an Hand von Zeichnungen ein erfindungsgemässer Wärmemengenmesser beschrie- ben werden ; es zeigen : Fig. 1 : einen Längsschnitt durch einen nach dem Flügelradprinzip arbeitenden Wär- memengenmesser, der erfindungsgemäss mit einer Bimetallspirale versehen ist ; Fig. 2 : einen Längsschnitt durch einen Teil der Achse des Flügelrades mit daran befestigter Bimetallspirale und durch einen mit einem
Magnet versehenen Mitnehmer ; Fig. 3 : einen Querschnitt längs der Linie U-II durch die in Fig. 2 gezeigte
Vorrichtung, wobei die Bimetallspirale nicht in Eingriff ist ; Fig. 4a : einen Schnitt gemäss Fig. 3, wobei die Bimetallspirale bei einer Wassertemperatur von etwa 800 mit dem Mitnehmer in Eingriff steht ;
Fig, 4b : einen Schnitt gemäss Fig. 4a, jedoch bei niedriger Wassertemperatur von etwa 300 mit dem Mitnehmer in geringerem Eingriff ; Fig. 5 : einen Längsschnitt analog Fig. 1 durch einen abgewandelten Wärmemengen- messer mit fingerartigem Bimetallglied ; Fig. 6 : einen Längsschnitt gemäss der Linie A-A durch die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung.
Der in Fig. 1 gezeigte, nach dem Flügelradprinzip arbeitende Wärmemengenmesser besteht aus einem
Gehäuse 2 mit einem Zuflussstutzen 4 und einem Abflussstutzen 6. Zur besseren Beaufschlagung des Flügel- rades 10 ist in dem Gehäuse 2 ein Innengehäuse 8 vorgesehen, welches radialgerichtete Zuflussöffnungen
12 und Abflussöffnungen 14 besitzt, die vorzugsweise abwechselnd und in verschiedener Winkelstellung derart angeordnet sind, dass an der einen Seite eines Flügels des Flügelrades ein Wasserdruck und an der andern Seite des gleichen Flügels ein Sog entsteht.
Das Flügelrad 10 ist frei drehbar auf einer im Schnitt etwa T-formig ausgebildeten Welle 1ö angeordnet ; an einer Seite des Flügelrades ist eine sich in axialer Richtung erstreckende, etwa zylindrische
Verlängerung 18 vorgesehen, auf welcher eine Bimetallspirale 20 mit ihrem einen Ende angebracht ist. Dieses Ende kann entweder in einen Schlitz der zylindrischen Verlängerung eingeklemmt oder aber mit einem Stift 22 an dieser befestigt sein.
Über diese zylindrische Verlängerung 18 mit Bimetallspirale 20 ist ein ebenfalls zylindrisch ausgebildeter Mitnehmer 24 gesttilpt, der jedoch gegenüber der Verlängerung 18 und der Bimetallspirale 20 einen gewissen Abstand aufweist und der ausserdem zu diesen beiden Elementen exzentrisch angeordnet ist. Sowohl die zylindrische Verlängerung mitbimetallspirale als auch der Mitnehmer sind in einer erweiterten Kammer 26 des Innengehäuses 8 angeordnet, die von Wasser durchflossen wird.
Der Mitnehmer 24 besteht im einzelnen aus einer runden Grundplatte mit zylindrischem Flansch 28.
In der Mitte der Grundplatte ist ein permanenter Scheibenmagnet 30 angebracht, der mit einem ausserhalb des Gehäuses 2 drehbar angebrachten weiteren Scheibenmagneten 40 des Zählwerkes zusammenarbeitet. Vorzugsweise werden radial polarisierte Scheibenmagneten verwendet.
Der Mitnehmer 24 dreht auf einer Welle 32, die mit ihrem einen Ende in einer Sicke 34 gelagert ist.
Diese Sicke 34 ist in den Kopfteil der T-förmigen Welle 16 eingelassen. Die den Mitnehmer 24 tragende Welle 32 ist an ihrem andern Ende in einer entsprechenden Vertiefung 36 des äusseren Gehäuses 2 gelagert.
Sämtliche Gehäuseteile und das Flügelrad sowie der Mitnehmer können aus beliebigem Material gefertigt sein ; es hat sich jedoch besonders vorteilhaft die Verwendung von Kunststoff, beispielsweise von Polyamidkunststoff, erwiesen.
Die Arbeitsweise des Warmwasserzählers ist wie folgt : Beim Durchströmen von kaltem Wasser bleibt die Bimetallspirale unverändert, und es dreht sich zwar das Flügelrad zusammen mit der zylindrischen Verlängerung entsprechend der entnommenen Wassermenge, jedoch bleibt der Mitnehmer unverändert
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stehen. Erst beim Durchströmen von warmem oder heissem Wasser biegt sich die Bimetallspirale entspre- chend aus und berührt mit dem abgebogenen freien Ende die Innenseite des zylindrischen Flansches 28 des
Mitnehmers 24. Je nach Grad der Ausbiegung, also je nach Temperatur des durchströmenden Wassers, wird der Mitnehmer auf Grund der Exzentrizität gegenüber der die Bimetallspirale tragenden zylindrischen Veri längerung entsprechend mitgedreht.
Dieses ist in den Fig. 4a und 4b wiedergegeben, während Fig. 3 die Stellung der Teile bei kaltem Was- serdurchlauf zeigt. Bei heissem Wasser (Fig. 4a) von etwa 800 wird der Bimetallstreifen verhältnismässig stark abgebogen und dreht den Mitnehmer bei einer vollständigen Kreisbewegung etwa um 140 Winkel- grade. Durch Veränderung der exzentrischen Lage des Mitnehmers gegenüber der zylindrischen Verlängerung des Flügelrades kann das Ausmass der Mitnahme eingestellt werden. Bei einem Warmwasserzähler mit einem Gehäusedurchmesser von etwa 10 cm betrug der Durchmesser der zylindrischen Verlängerung etwa 3,5 cm, der Innendurchmesser des Mitnehmers etwa 4,2 cm und die Exzentrizität etwa 0, 1-0, 2 cm.
Bei Verwendung einer Bimetallringfeder aus"Thermoflex 2001"ergaben sich die folgenden Mitnahmewe- ge, berechnet in Winkelgraden gegenüber den unten aufgeführten Wassertemperaturen :
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<tb>
<tb> Wassertemperatur <SEP> Mitnahme <SEP> in <SEP> Winkelgrad
<tb> 20 <SEP> 0
<tb> 25 <SEP> 0
<tb> 30 <SEP> 50
<tb> 40 <SEP> 70
<tb> 50 <SEP> 88
<tb> 60 <SEP> 110
<tb> 70 <SEP> 122
<tb> 80 <SEP> 140
<tb>
Selbstverständlich kann man durch Änderung der Bimetallspirale und der Exzentrizität den Zähler auch so- einstellen, dass bei einer bestimmten Höchsttemperatur der Mitnehmer ständig umläuft, d. h. dass der Eingriff überhaupt nicht gelöst wird.
Der Magnet 30 des Mitnehmers arbeitet mit einem Magneten 40 eines Zählwerkes zusammen, welches die einzelnen Umdrehungen aufzeichnet.-Es ist hier jedes Zählwerk denkbar, beispielsweise die üblichen mechanisch arbeitenden Schrittzählwerke. Es können aber auch unter Verwendung von Zusatzeinrichtungen und eines Impulsgebers eine elektrisch gesteuerte Fernanzeige betätigt werden.
Der in Fig. 5 und 6 gezeigte Wärmemengenmesser besteht aus einem Gehäuse 102, Zuflussstutzen 104, Abflussstutzen 106, einem Innengehäuse 108 und einem sich in diesem Innengehäuse um eine Achse 116 drehenden Flügelrad 110. An dem Rumpf 117 der Flügelradachse 116 ist das fingerartige Bimetallglied 120 bei 119, vorzugsweise mittels einer Justierschraube, befestigt. Das andere Ende des fingerförmigen Bimetallgliedes befindet sich in Höhe eines Eingriffzahnrades 124, welches um eine Achse 132 dreht, die ge- genüber der Flügelradachse 116 exzentrisch angeordnet ist. Je nach Auslenkung des Bimetallgliedés 120 greift dieses auf seiner Umlaufbahn 121 (Fig. 6) mehr oder weniger in die Zähne des Eingriffszahnrades 124 ein, um dieses mitzunehmen.
An der Achse 132 sind zwei Scheibenmagneten 130 befestigt, welche in dem Masse mitgedreht werden, wie das Eingriffszahnrad 124 von dem Bimetallfinger 120 mitgenommen wird. Das Eingriffszahnrad 124, die Scheibenmagneten 130 und das freie Ende des Bimetallfingers 120 befinden sich in einer erweiterten Kammer 126, welche ebenfalls von dem Innengehäuse 108 umschlossen wird.
Die Scheibenmagneten 130 betätigen einen ausserhalb des Gehäuses 102 angebrachten Ankermagneten 140, welcher mit einer Ankerschnecke 142 verbunden ist, die das Zählwerk 144 antreibt.
Die Arbeitsweise dieser abgewandelten Vorrichtung entspricht der des in Fig. 1-4 gezeigten Wärmemengenmessers. Durch Veränderung der Lage des Bimetallfingers wird das Eingriffszahnrad beispielsweise bei höherer Temperatur des durchströmenden Wassers mehr mitgenommen, während bei kälterem Wasser der Bimetallfinger nur einen geringen oder gar keinen Eingriff besitzt. Auch hier ist ein Anschluss an eine elektrische Fernanzeigeanlage möglich.