Wärmezähler für Zentralheizungsanlagen, insbesondere in Wohnbauten
Es sind bereits Wärmezähler für Zentralheizungsanlagen bekannt, bei denen ein im Zulaufrohr des Wärmeträgers angebrachtes und durch die strömende Flüssigkeit in Drehung versetztes Flügelrad ein Zählwerk tenter Vermittlung eines Untersetzungsgetriebes treibt, welches durch Flüssigkeitsthermometer selbsttätig verändert wird, die im Zu-und Ab flu# des Wärmeträgers angeordnet sind. Dieser schon sehr alte Vorschlag hat sich aber nieht in der Praxis eingeführt, weil er mit viel zu störanfälligen Teilen, insbesondere einem Reibradgetriebe, arbeitet.
Ein anderer Vorsehlag sucht die Mängel des mechanischen Untersetzungsgetriebes da durci zu beheben, da# er dieses durch eine Flüssigkeitskupplung ersetzt. Dabei bilden ineinandergreifende Plattensätze auf den Enden einer Antriebs-und einer Abtriebswelle einen im Sehnitt mäanderformigen Raum, der mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Die Drehzahl der Abtriebswelle bleibt hinter der Drehzahl der Antriebswelle zuriiek. Dureh eine konstante Dämpfung der Abtriebswelle soll dieser Sehlupf für gleiche Temperaturen konstant gehalten werden.
Wird diese Flüssig- keitskupplung der Temperatur des Wärme trigers ausgesetzt, so bleibt die Umdrehungs- zahl der Abtriebswelle um so mehr hinter der Drehzahl der Antriebswelle zurüek, je hoher die Temperatur des Wärmeträgers ist, aller coings in nieht linearer Abhängigkeit. Die Differenz der Umdrehungszahlen der Antriebsund der Abtriebswelle wird als genähertes AIass für die zu ermittelnde Wärmemenge genommen. Um die nichtlineare Abhängigkeit der Zähigkeit der Flüssigkeit von der Tem peratur zu beseitigen, wird nach dem gleichen Vorsehlag die Kupplung beider Wellen sehr stark, das heisst der Querschnitt des Fliissigkeitsraumes sehr klein gemacht.
Man sieht ohne weiteres, dass eine derartige Anordnung keine genaueren Ergebnisse liefern und dass die enge Kupplung nur zu häufigen Störungen führen kann. Auch derartige Wärmezähler haben sich in der Praxis nicht eingeführt.
Im Gegensatz zu diesem bekannten Wärmezähler betrifft die vorliegende Erfindung einen Wärmezähler für Zentralheizungs- anlagen, insbesondere in Wohnbauten, der das Produkt aus der durch die Heizungsanlage strömenden Menge des Wärmeträgers und der Temperaturdifferenz zwischen Zu-und Abfluss der Heizanlage in der Weise misst, dass ein im Zuflussrohr angeordnetes Flügelrad als Mengenmesser über eine Flüssigkeitskllpp- lung ein Zählwerk antreibt, weleher Wärme- zähler sich nach der Erfindung dadurch auszeichnet, dass das Fliigelrad einen Hohlzylinder antreibt, dessen Drehung bei Vorliegen einer obengenannten Temperaturdifferenz durch die Flüssigkeit auf einen zweiten,
das Zählwerk antreibenden Zylinder übertragen wird, und dass die Flüssigkeitsstandhöhe zwi sehen beiden Zylindern in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz im Zu- und Abfluss des Wärmeträgers in der Heizanlage veränder- lich ist. Die Standhöhe der Flüssigkeit wird z. B. durch je ein Luftthermometer im Zu-und Abflussrohr des Wärmeträgers gesteuert. Als Gegenkraft dient zweckm#ig ein Bremsmoment, das durch einen den Antriebszylinder des Zählverkes umgebenden ruhenden Zylinder über die Kupplungsflüssigkeit auf den Antriebszylinder des Zählwerkes ausgeübt wird. Teilweise kann der ruhende Bremszylinder auch durch die Gefässwand gebildet, sein.
Ferner kann sich der feststehende Zylinder oder die Gefässwand streckenweise verengen oder erweitern, um die Niehtlinearität der Drehzahl des angetriebenen Zylinders in Ab hängigkeit von der Temperaturdifferenz des Zu-und Abflusses auszugleichen. Der Antrieb des Antriebszylinders durch das Flügelrad wird zweckmässig durch eine magnetische Kupplung durch die Gefässwand hindureh bewirkt, damit das Gefäss der Flüssigkeitskupplung vollkommen gesehlossen gehalten werden kann und auf die Dauer nie ganz dichtblei- bende Wellendurchführungen vermieden werden.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbei- spiel des Erfindungsgegenstandes dar. In einem geschlossenen Gefäss 1 sind zwei koaxiale Hohlzvlinder 2 und 3 drehbar gelagert.
Der innere Zylinder 3 ist kürzer als der äussere Zylinder 2 und mit dem untern Ende 4 seiner Achse in einer Spitzenlagerung 5 am Boden des äussern Zylinders 2 drehbar. Ein oberes Spitzenlager 6 nimmt das obere Achsen- ende 7 auf, auf dem ein Dauermagnet 8 sitzt.
Der äussere Zylinder 2 besitzt ebenfalls ein Spitzenlager 9 als Spurlager. Sein oberes Aehsenende ist ein kurzes, dünnes Rohr 10, welches die Achse 7 umgibt und eine Schneeke 11 tram, die über ein Sehneekenrad 12 oder ein Getriebe ein Rollenzählwerk 13 antreibt, das in Wärmeeinheiten geeicht ist. Der Magnet 8 und mit ihm der innere Zylinder 3 werden durch einen ausserhalb des Gefä#es 1 am Ende einer starren oder biegsamen Welle 14 sitzenden Dauermagneten 15 angetrieben.
Die Welle ist direkt oder über ein Getriebe mit der Welle des nicht gezeigten Flügelrades im Zu-und Ablauf des Wärmeträgers gekuppelt, dessen Drehzahl ein Ma# für die durchgeflossene Menge des Wärmeträgers ist. Das Gefäss 1 ist das eine zweier kommunizierender Gefässe, die mit einer Flüssigkeit 16 teilweise gefüllt sind. Der Luftraum des zweiten GLefäRes 17 ist mittels eines Rohres 18 mit einem geschlossenen Luftraum als Wärmefühler in der Zuleitung des Wärmeträgers verbunden. Ein Rohr 19 verbindet den Luftraum des GefäBes 1 ebenfalls mit einem geschlossenen Luftraum als Wärmefühler in der Ableitung des Wärme- trägers.
Wird in der Ileizanlage keine Wärme verbraucht, steht die Flüssigkeit 16 in beiden Gefä3en 1 und 17 gleich hoch auf der Hoche der gestrichelten, mit Null bezeichneten Linie und zugleich am untern Rand des innern Zy- linders. Wird dagegen Wärme in der Heizanlage abgegeben, dehnt sich die Luft im Wärmefühler der Zuleitung und damit im Gefäss 17 aus und drüekt die Flüssigkeit in dem Gefäss 1 und dureh die Öffnung 20 im Zylin- der 2 und in dem Zwischenraum zwischen den Zylindern 2 und 3 hoch. Gleichzeitig wird der Zylinder 3 durch das Flügelrad im Zulauf der Heizanlage über die Welle 14 und die Magnete 15 und 8 in Umdrehung versetzt.
Die beispielsweise bis zur eingezeichneten Hoche h angestiegene Flüssigkeit 16 bildet dann eine Kupplung zwischen beiden Zylindern 3 und 2 und versetzt aueh den letzteren in Drehung.
Je hoher die Flüssigkeit steigt, um so stärker ist diese Kupplung und um so grosser das von dem Zylinder 3 auf den Zylinder 2 übertragene Drehmoment in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz im Zu- und Ablauf des Wärmeträgers. Die Umdrehungszahl des Zylinders 3 ist genau gleich oder proportional der Umdrehungszahl des Flügelrades im Strome des Wärmeträgers. Somit gehen zwar sowohl die Menge des zugeflossenen Wärme- trägers wie die Temperaturdifferenz zwischen seinem Zu-und Abfluss in die Zählung des Zählwerkes 13 ein ; es ist aber erforderlich, dass die Umdrehungszahl des Zylinders 2 auch der genannten Temperaturdifferenz propor tional ist.
Nach dem Newtonschen Gesetz ist das von dem Zylinder 3 auf den Zylinder 2 übertragene Drehmoment gegeben durch M1 = C1 (#3-w20#h##, (1) worin cl eine Konstante, @2 und oo3 die Win kelgeschwindigkeiten der Zylinder 2 und 3, h die gemeinsame Flüssigkeitshohe im Zwiselienraum und k die Viscositätskonstante der
Flüssigkeit bedeuten.
Diesem Antriebs- moment auf den Zylinder 2 steht ein Drehmoment Mg gegenüber, das von der ruhenden Wandungl auf den Zylinder 2 ausgeübt wird und das sich entsprechend ergibt zu ifs=es'0)3---,(2) worin II die gemeinsame Flüssigkeitshohe der Wandung'und des Zylinders 2 ist. Die Dreh gesehwindigkeit des Zylinders 2 stellt sieh nun jeweils so ein, dass ZU1 = -M@ ist, wenn man von den ebenfalls bremsenden, aber geringen Reibungskräften im Zählwerk absieht.
Es ergibt sich also der glückliche Umstand, dass die stark temperaturabhängige Zähigkeit der Flüssigkeit herausfällt, die Drehzahl also unabhängig von der Raumtemperatur ist.
Aus Mi =-M2 folgt c1#h #2 = ##3. (3) c1#h + c2 H II setzt sich zusammen aus dem konstanten h0 + h (Fig. 1), so dass Gleichung (3) übergeht in c1#h #2 = ##3, (3a) c3#h + c4 wenn man die Konstanten cl + c2 zu c3 und k0#c2 zu c4 zusammenfa#t. Damit #2 sowohl der Winkelgeschwindigkeit Mg als auch der Temperaturdifferenz d T zwischen Zu-und Abflu# des Wärmeträgers proportional Warmetr4gers muss die Bedingungsgleichung c1#h = #T (4)
c3#h + c4 erfüllt sein. Das lässt sich praktisch in versehiedener Weise verwirklichen, beispielsweise dadurch, dass der Querschnitt des Gefässes 17 nicht über die ganze Höhe konstant gehalten wird, sondern dass er sich mit der Fiche nach einer geeigneten Funktion ändert. Ist h1 die Länge, um welche die Flüssigkeit 16 im Ge fäss 17 abgesunken ist, während sie im Gefäss 1 um die Länge h angestiegen ist, so ist die Druckdifferenz auf die Flüssigkeitsoberflä- chen in den Gefässen 1 und 17 #p = # (h1 + h) = c5##T, (5) wenn p die Dichte der Flüssigkeit und c5 eine weitere Konstante ist.
Aus (4) und (5) folgt :
C1#h c6#h # (h1 + h) = c5 = c3#h + c4 c3#h + c4 (6) wenn c1#c5 = c6 gesetzt wird, und hieraus c6 h1 = h ( - 1) (7) # (c3#h + c4) Da das in das Gefäss 1 eintretende Flüssig keitsvolumen stets gleich dem aus dem Gefäss 17 austretenden Flüssigkeitsvolumen ist, gilt ferner
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wenn F der überall gleiche freie Flüssigkeitsquerschnitt im Gefäss I und Fi der Länge h1 entsprechend versehieden grosse Querschnitt im Gefäss 17 ist.
Setzt man den sich aus (S) für h ergebenden Ausdruck in Gleichung (7) ein, so erhält man nach graphischer Integration die Grosse des Querschnittes Fi als Funktion von hl, da die Konstanten c3, c4, c6 und F aus den Abmessungen der Gefässe und die Dichte p der Flüssigkeit bekannt sind.
In entspreehender Weise kann man die Proportionalität zwischen der Temperaturdifferenz der beiden Wärmefühler und der Drehzahl des Wärmezählers herstellen, indem man den freien Querschnitt des Gefässes 17 längs der Hohe gleichbleibend und den freien Querschnitt des Gefässes 1 längs der Hoche h zu-oder abnehmen lässt. Den gleichen Erfolg kann man erzielen, wenn man die freien Querschnitte beider Gefässe längs ihrer Höhen konstant lässt und dafür den Zwischenraum zwischen den Zylindern 2 und 3 längs der Aehse veränderlich macht, was in ähnlicher Weise wie oben zu errechnen ist.
Schliesslich kann man in das Gefä 1 einen besonderen feststehenden Bremszylinder 21 einsetzen und den zylindrischen Spalt zwischen dem Bremszylinder und dem Zylinder 2 in sinngemässer Weise gestalten.
Heat meters for central heating systems, in particular in residential buildings
There are already known heat meters for central heating systems, in which an impeller mounted in the inlet pipe of the heat carrier and set in rotation by the flowing liquid drives a counter through a reduction gear, which is automatically changed by liquid thermometers that flow in the inflow and outflow of the heat carrier are arranged. This very old proposal has never been implemented in practice because it works with parts that are far too susceptible to failure, in particular a friction gear.
Another suggestion seeks to remedy the shortcomings of the mechanical reduction gearing by replacing it with a fluid coupling. Interlocking plate sets on the ends of a drive shaft and an output shaft form a space which is meandering in section and which is filled with a liquid. The speed of the output shaft remains behind the speed of the drive shaft. Through constant damping of the output shaft, this slip should be kept constant for the same temperatures.
If this fluid coupling is exposed to the temperature of the heat trigger, the speed of the output shaft remains behind the speed of the drive shaft, the higher the temperature of the heat transfer medium, all coings not linearly dependent. The difference in the number of revolutions of the drive shaft and the output shaft is taken as an approximate value for the amount of heat to be determined. In order to eliminate the non-linear dependence of the viscosity of the liquid on the temperature, the coupling of the two shafts is made very strong, i.e. the cross-section of the liquid space is made very small, according to the same recommendation.
One can readily see that such an arrangement does not provide any more precise results and that the tight coupling can only lead to frequent malfunctions. Such heat meters have not been introduced in practice either.
In contrast to this known heat meter, the present invention relates to a heat meter for central heating systems, especially in residential buildings, which measures the product of the amount of heat transfer medium flowing through the heating system and the temperature difference between the inflow and outflow of the heating system in such a way that a Impeller arranged in the supply pipe as a quantity meter drives a counter via a liquid coupling, which heat meter is characterized according to the invention in that the impeller drives a hollow cylinder, the rotation of which when there is an above-mentioned temperature difference through the liquid to a second,
the cylinder driving the counter is transmitted, and that the liquid level between the two cylinders is variable depending on the temperature difference in the inflow and outflow of the heat transfer medium in the heating system. The level of the liquid is z. B. controlled by an air thermometer each in the inlet and outlet pipe of the heat transfer medium. A braking torque, which is exerted by a stationary cylinder surrounding the drive cylinder of the meter via the coupling fluid on the drive cylinder of the meter, is expediently used as the counterforce. The stationary brake cylinder can also be partially formed by the vessel wall.
Furthermore, the stationary cylinder or the vessel wall can narrow or widen in some sections in order to compensate for the near linearity of the rotational speed of the driven cylinder as a function of the temperature difference of the inflow and outflow. The drive of the drive cylinder by the impeller is expediently effected by a magnetic coupling through the vessel wall so that the vessel of the liquid coupling can be kept completely closed and shaft feedthroughs that never remain completely sealed are avoided in the long run.
The drawing shows an exemplary embodiment of the subject matter of the invention. Two coaxial hollow cylinders 2 and 3 are rotatably mounted in a closed vessel 1.
The inner cylinder 3 is shorter than the outer cylinder 2 and rotatable with the lower end 4 of its axis in a point bearing 5 on the bottom of the outer cylinder 2. An upper point bearing 6 accommodates the upper axle end 7 on which a permanent magnet 8 is seated.
The outer cylinder 2 also has a point bearing 9 as a thrust bearing. Its upper Aehsenende is a short, thin tube 10, which surrounds the axis 7 and a Schneeke 11 tram, which drives a roller counter 13 via a Sehneekenrad 12 or a transmission, which is calibrated in thermal units. The magnet 8 and with it the inner cylinder 3 are driven by a permanent magnet 15 located outside the vessel 1 at the end of a rigid or flexible shaft 14.
The shaft is coupled directly or via a gear to the shaft of the impeller (not shown) in the inlet and outlet of the heat transfer medium, the speed of which is a measure of the amount of heat transfer medium that has flowed through. The vessel 1 is one of two communicating vessels that are partially filled with a liquid 16. The air space of the second glass jar 17 is connected by means of a pipe 18 to a closed air space as a heat sensor in the supply line of the heat carrier. A pipe 19 also connects the air space of the vessel 1 with a closed air space as a heat sensor in the discharge of the heat carrier.
If no heat is consumed in the heating system, the liquid 16 in both vessels 1 and 17 is at the same level on the level of the dashed line labeled zero and at the same time on the lower edge of the inner cylinder. If, on the other hand, heat is emitted in the heating system, the air expands in the heat sensor of the supply line and thus in the vessel 17 and presses the liquid in the vessel 1 and through the opening 20 in the cylinder 2 and in the space between the cylinders 2 and 3 high. At the same time, the cylinder 3 is set in rotation by the impeller in the inlet of the heating system via the shaft 14 and the magnets 15 and 8.
The liquid 16, which has risen, for example, to the drawn height h, then forms a coupling between the two cylinders 3 and 2 and also sets the latter in rotation.
The higher the liquid rises, the stronger this coupling and the greater the torque transmitted from cylinder 3 to cylinder 2 as a function of the temperature difference in the inflow and outflow of the heat transfer medium. The number of revolutions of the cylinder 3 is exactly the same as or proportional to the number of revolutions of the impeller in the flow of the heat carrier. Thus, both the amount of the inflowing heat carrier and the temperature difference between its inflow and outflow are included in the count of the counter 13; but it is necessary that the number of revolutions of the cylinder 2 is proportional to the temperature difference mentioned.
According to Newton's law, the torque transmitted from cylinder 3 to cylinder 2 is given by M1 = C1 (# 3-w20 # h ##, (1) where cl is a constant, 2 and oo3 are the angular velocities of cylinders 2 and 3, h is the common liquid level in the space and k is the viscosity constant of
Mean liquid.
This drive torque on the cylinder 2 is offset by a torque Mg which is exerted on the cylinder 2 by the stationary wall and which results accordingly to ifs = es'0) 3 ---, (2) where II is the common liquid level the wall and the cylinder 2 is. The speed of rotation of the cylinder 2 is now set so that ZU1 = -M @, if you disregard the braking, but low friction forces in the counter.
So there is the fortunate circumstance that the highly temperature-dependent viscosity of the liquid falls out, so the speed is independent of the room temperature.
From Mi = -M2 follows c1 # h # 2 = ## 3. (3) c1 # h + c2 H II is composed of the constant h0 + h (Fig. 1), so that equation (3) changes into c1 # h # 2 = ## 3, (3a) c3 # h + c4 if you combine the constants cl + c2 to c3 and k0 # c2 to c4. So that # 2 both the angular velocity Mg and the temperature difference d T between the inflow and outflow of the heat carrier proportional to the heat carrier, the equation c1 # h = #T (4)
c3 # h + c4 must be fulfilled. This can practically be achieved in different ways, for example in that the cross section of the vessel 17 is not kept constant over the entire height, but rather that it changes with the fiche according to a suitable function. If h1 is the length by which the liquid 16 has sunk in the vessel 17 while it has increased in the vessel 1 by the length h, then the pressure difference on the liquid surfaces in the vessels 1 and 17 is #p = # (h1 + h) = c5 ## T, (5) if p is the density of the liquid and c5 is another constant.
From (4) and (5) it follows:
C1 # h c6 # h # (h1 + h) = c5 = c3 # h + c4 c3 # h + c4 (6) if c1 # c5 = c6 is set, and from this c6 h1 = h (- 1) (7) # (c3 # h + c4) Since the liquid volume entering the vessel 1 is always the same as the liquid volume exiting the vessel 17, the following also applies
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if F is the same free cross-section of liquid everywhere in vessel I and Fi of length h1 is correspondingly different large cross-section in vessel 17.
If the expression resulting from (S) for h is used in equation (7), after graphic integration the size of the cross-section Fi is obtained as a function of hl, since the constants c3, c4, c6 and F are derived from the dimensions of the vessels and the density p of the liquid are known.
In a corresponding way, the proportionality between the temperature difference of the two heat sensors and the speed of the heat meter can be established by letting the free cross-section of the vessel 17 remain constant along the height and the free cross-section of the vessel 1 along the height h to increase or decrease. The same success can be achieved if the free cross-sections of both vessels are kept constant along their heights and the space between the cylinders 2 and 3 is made variable along the axis, which is to be calculated in a similar way as above.
Finally, a special stationary brake cylinder 21 can be inserted into the vessel 1 and the cylindrical gap between the brake cylinder and the cylinder 2 can be designed in a similar manner.