Wärmemengenzählvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmemengenzählvorrichtung mit einem durch die Strömung des Wärmeträgers angetriebenen Antriebsorgan und einer damit verbundenen Kupplung, deren Abtrieb mit integrierenden Anzeigemitteln gekoppelt ist.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung der entnommenen Wärme bei Zentralheizungen.
Zur Messung der Wärmeentnahme aus einem Heizungssystem kommen zwei Methoden in Frage: Einmal kann man den Gesamtverbrauch einer Anlage nach der kalorischen Grundgleichung bestimmen, indem man die jeweils fliessende Menge des Wärmeträgers (Warm-, Heisswasser usw.) mit dem Temperaturabfall multipliziert und das Produkt fortlaufend summiert. Auch kann man statt dessen die zugeführten bzw. abgeführten Wärmemengen getrennt messen und die Differenz bilden, also zuströ made Wärmemenge Q1 c M T1 und zurückströmende Wärmemenge Q2 = c M T2, so dass sich die verbrauchte Wärmemenge zu Q = Q1 - Q2 ergibt.
Dabei bedeuten: Q = Wärmemenge (kcal/h)
M = Menge des Wärmeträgers (kg/h) c = spezifische Wärme des Wärmeträgers (kali" C/kg)
T1 = Temperatur des zuströmenden Wärme trägers (" C) Temperatur des zurückströmenden
Wärmeträgers (o C)
Die Voraussetzung hierfür ist aber eine Rohrverlegung derart, dass alle Heizkörper der Anlage von einem einzigen gemeinsamen Zur und Rücklauf aus versorgt werden. Dies trifft z. B. bei Stockwerksheizungen oder ganzen Gebäuden oder Gebäudekomplexen zu.
In vielen Fällen jedoch, insbesondere bei Schwerkraftheizungen, erfolgt die Versorgung der einzelnen Heizkörper eines Mieters mittels mehrerer vertikal hochgeführter Stränge, aus denen jeweils die Heizkörper verschiedener, übereinander wohnender Mieter gespeist werden. In diesem Falle muss daher die Wärme abgabe jedes einzelnen Heizkörpers für sich gemessen werden. Der Einsatz eines nach der obengenannten kalorischen Grundgleichung arbeitenden Gerätes scheitert an der notwendigerweise erheblichen Baugrösse und an dem mit dem höheren Aufwand verbundenen grösseren Preis.
Die zweite Methode der Wärmemessung begrün det sich auf der Strahlungsgleichung eines Heizkörpers. Sie lautet: Q = k F k.F.(Tm-Tz)kcal/h
Diese Strahlungsgleichung liefert also die Wärmeabgabe eines Heizkörpers, die von der mittleren Temperatur T,, l des Wärmeträgers im Heizkörper ab- hängt, jedoch nicht von der Menge des strömenden Mediums. Die Oberfläche F und die spezielle Ausführung k des Heizkörpers werden durch die beiden genannten Konstanten berücksichtigt. Die k-Werte sind für die verschiedenen Heizkörpertypen tabellarisch festgelegt. Die Temperatur Tz der Umgebungsluft (z. B. Zimmertemperatur) kann ebenfalls als nahezu konstant angenommen werden, da z. B. jeder Mieter die Zimmertemperatur auf etwa 200 einregulieren wird, weil jede Abweichung hiervon als lästig empfunden wird.
Ein nach der Strahlungsgleichung arbeitender Wärmezähler bringt den Vorteil einer Vereinfachung und Verbilligung gegenüber einem Gerät, das nach der ersten Methode arbeitet
Gleichwohl sind beide Methoden gleichermassen exakt und physikalisch äquivalent. Je nach dem Anwendungsfall - ob man die transportierte oder die abgegebene Wärmemenge messen will - wird maii die erste oder die zweite Methode anwenden müssen. Gerade bei der praktischen Wärmemengenmessung treten alle Varianten auf, da die Leitungsführungen bei den älteren Anlagen vertikal sind, also aus demselben Vertikalstrang mehrere Haushaltungen versorgt werden, während bei neueren Anlagen, die meistens mit Pumpen arbeiten, die horizontale Versorgung (also ähnlich wie bei der elektrischen Leitungsführung) vorgezogen wird.
Bei vertikaler Verteilung muss die Messung an jedem einzelnen Heizkörper vorgenommen werden, was zweckmässigerweise, wie schon gesagt, nach der genannten Strahlungsgleichung geschieht.
Bei horizontaler Verteilung kann eine Gesamtmessung erfolgen. Man baut hierzu den Wärmemengenmesser entweder in den Zulauf (bei auf konstante Temperatur geregeltem Rücklauf) oder in den Rücklauf (bei auf konstante Temperatur geregeltem Zulauf) oder sowohl in den Zulauf als auch in den Rücklauf, wenn beide Temperaturen beliebig schwanken können und ermittelt den Wärmeverbrauch aus der Differenz der Ablesungen. Da die modernen Systeme meist mit geregeltem Zur oder Rücklauf arbeiten, kommt man daher jedoch meistens mit einem Gerät aus. Aber selbst wenn man zwei Geräte anwenden muss, ist der Aufwand immer noch wesentlich geringer als bei den üblichen Messverfahren, bei denen die Wärmemengenmessung über komplizierte elektrische oder mechanische Einrichtungen vorgenommen wird.
Selbstverständlich könnte man auch bei dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine solche Differenzbildung durch konstruktive Vereinigung unmittelbar in einem Gerät vornehmen.
Zur Lösung dieser Probleme sind schon verschiedene Vorschläge gemacht worden. Nach einem ersten Vorschlag ist es bekannt, den Zähler mit einer ver änderbaren mechanischen Übersetzung auszurüsten, deren Änderung in Abhängigkeit von dem Wirksamwerden einer temperaturabhängigen Einrichtung, beispielsweise eines Bimetallstreifens, selbsttätig veranlasst wird.
Weiter ist ein Wärmemengenmesser bekannt, bei dem die Bildung des Produktes aus Menge und Temperaturdifferenz durch eine magnetelektrische Vorrichtung geschieht, wobei die Menge des strömenden Mediums, die zur induktiven Wirkung erforderliche, dem Durchsatz proportionale Bewegung dadurch erzeugt, dass der Kraftlinienpfad der magnetischen elektrischen Vorrichtung ganz oder teilweise aus einem magnetischen Material mit temperaturabhängiger Permeabilität besteht.
Ferner ist ein Wärmemengenzähler vorgeschlagen worden, der in der Weise arbeitet, dass ein von einem Temperaturmessglied hervorgerufener Strom zur Erzeugung eines mit der Temperatur sich ändernden Magnetfeldes dient, dessen Kraftlinien durch eine zwischen den Magneten und einem magnetischen Rückschluss angeordnete Zählerscheibe treten und die Zählerscheibe mit einem Mengenzähler mit zum Durchsatz proportionaler Drehgeschwindigkeit gekoppelt ist.
Alle diese Vorrichtungen sind aber mechanisch und elektrisch recht kompliziert in ihrem Aufbau und gewährleisten nicht immer 1000/oige Betriebssicherheit und die erforderliche Messgenauigkeit bei den so verschiedenartigen Bedingungen der Praxis, da die hier wirksamen Effekte relativ schwach sind.
Durch die vorliegende Erfindung werden diese Nachteile auf äusserst einfache Weise behoben, wobei gleichzeitig eine wesentlich höhere Messgenauigkeit bei geringen Herstellungskosten erzielt wird.
Dies wird dadurch erreicht, dass der Wärmemengenzähler eine Kupplung besitzt, die als Ma gnetkupplung ausgebildet ist, deren Abtrieb einen Rotor aufweist, der von einem zähen Medium zur Erzielung einer viskositätsabhängigen Bremswirkung umgeben ist, und dass das zähe Medium mit dem Wärmeträger im Wärmeaustausch steht, derart, dass eine Temperaturänderung des Wärmeträgers eine entsprechende Viskositätsänderung des zähen Mediums und damit eine Anderung der Rotordrehzahl zur Folge hat.
Vorteilhafterweise sind der Rotor oder Teile desselben selbst ein Teil der magnetischen Kupplung.
Nachfolgend wird an Hand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Wärmemengenzählvorrichtung im Schnitt,
Fig. 2 einen Schnitt der Fig. 1 längs der Linie A-A,
Fig. 3 eine Draufsicht des Wärmezählers,
Fig. 4 und 5 verschiedene Ausführungen des Rotors.
Ein vom strömenden Medium angetriebenes Flügelrad 1 trägt einen Magneten 2, dessen Kraftfeld zu dem im obern Teil befindlichen Rotor 4 geht, der in einer zähen Flüssigkeit 3 drehbar angebracht ist. Dieser Rotor wird nun bei Rotation des Flügelrades durch die kuppelnde Kraft des zwei- oder mehrpolig magnetisierten Magneten 2 mitgenommen, da in dem Rotor ein Mitnahmedrehmoment entsteht. Eine Vertauschung von Magnet und Rotor wäre grundsätzlich möglich, ohne dass sich die Wirkung ändern würde.
Die Umdrehungen des Rotors werden über eine Untersetzung 5 an einer integrierenden Anzeigevorrichtung, die hier als Zählwerk 6 veranschaulicht ist, gezählt und liefern bei entsorechender Eichung unmittelbar die entnommene Wärmemenge, wie nachfolgend gezeigt wird.
Es sei nun angenommen, dass das Wärmemengenzählgerät in der Mitte eines geteilten Heizkörpers angebracht ist. Bei der Strömung des Wärmeträgers dreht sich das Flügelrad 1 und setzt damit auch den Permanentmagneten 2 in Drehung, der mit dem Flügelrad fest verbunden ist. Dieser zwei- oder mehrpolig magnetisierte Permanentmagnet erzeugt bei Rotation nach der einen Ausführung des Gerätes ein konstantes Mitnahmemoment an dem im obern Teil des Gerätes in einem zähen Öl sitzenden Rotor, und zwar unabhängig von der Umlaufgeschwindigkeit des Flügelrades. Dieses lässt sich praktisch unter Ausnutzung des Hystereseeffektes dadurch realisieren, dass man den Rotor als zylindrischen oder topfförmigen Körper aus Eisen ausbildet oder ihm zur Vergrösserung des Mitnahmemomentes die Form eines Ankers aus Eisen mit einzelnen keine radiale Symmetrie aufweisende Polen gibt, z.
B. bei vierpoliger Magnetisierung des Magneten mit vier Polen (vgl. Fig. 4 und 5). Der mit dem Flügelrad umlaufende Permanentmagnet übt jedesmal, wenn seine Pole an denen des Rotors vorbeistreichen, ein Mitnahmemoment aus. Bei rascherem Umlauf des Magneten ist zwar die jeweilige Dauer der Wirkung kürzer als bei langsamem Umlauf, jedoch ist die Häufigkeit der Vorbeiläufe im gleichen Masse grösser, so dass der zeitliche Mittelwert des Mitnahmemomentes konstant und unabhängig von der Umdrehungsgeschwindigkeit ist. Entsprechend der Polzahl des Magneten ändert sich das Drehmoment während eines Umlaufes mehreremal von einem Minimal- zu einem Maximalwert. Es ist zweckmässig, die Amplitude dieser periodischen Schwankung klein zu halten, um ein Zittern des Rotors zu vermeiden. In einfacher Weise geschieht dies z.
B. dadurch, dass man die Zahl der Pole des Rotors nicht, wie in Fig. 4 und 5 ausgeführt, gleich der Polzahl des Magneten wählt, sondern kleiner oder grösser, z. B. bei einem vierpoligen Magneten drei- oder fünfoder noch höherpolig.
Die Eichung des Gerätes nimmt man zweckmässigerweise in einem magnetischen Wechselfeld vor, indem man den zunächst voll magnetisierten Permanentmagneten auf die erforderliche Magnetstärke schwächt. Ein solcher im Wechselfeld geschwächter und stabilisierter Magnet bringt ausserdem den Vorteil, dass seine Stärke dauernd unver ändert bleibt.
Es ist fernerhin ratsam, das ganze Gerät mit einem dünnen ferromagnetischen Abschirmblech hoher Permeabilität zu umgeben bzw. das Gehäuse aus einem solchen Material zu fertigen, um eine beabsichtigte Beeinflussung der Anzeige durch Fremdfelder zu verhindern.
Anstelle dieser Drehmomentenerzeugung, die nach dem Prinzip der Hysterese-Mitnahme mit einem Rotor aus ferromagnetischem Material undloder mit unsymmetrischen Polen arbeitet, bei der das entstehende Mitnahmemoment unabhängig von der Flügelraddrehzahl konstant ist, erzeugt man nach einer andern Ausführung des Gerätes ein drehzahlabhängiges Mitnahmemoment nach dem Wirbelstromprinzip. Wählt man für den Rotor ein elektrisch leitendes, nicht ferromagnetisches Material, z. B. Aluminium oder Kupfer, so erhält man ein Mitnahmemoment proportional zur Drehzahl des Flügelrades und damit proportional zur Geschwindigkeit des strömenden Wärmeträgers.
Ferner kann man durch Kombination der Hysterese-Mitnahme und der Wirbelstrom-Mitnahme ein konstantes, von der Drehzahl unabhängiges Mitnahmemoment erzeugen, dem ein der Drehzahl proportionales Mitnahmemoment überlagert wird. Dies kann beispielsweise dadurch verwirklicht werden, dass ein Rotor, der aus Aluminium oder Kupfer bestehen kann, noch zusätzlich von einem Eisendrahtring umgeben wird. Schliesslich kann man die magnetische Kupplung zwischen dem Magneten und dem Rotor durch geeignete Pol ausbildung so stark machen, dass beide synchron laufen und die Flügelraddrehzahl rückwirkend durch die Bremskraft der zähen Flüssigkeit beeinflusst wird. Hierzu werden zweckmässigerweise die Spalte zwischen dem Flügelrad und den Wandungen vergrössert, um die Abbremsung des Flügelrades zu erleichtern.
Man hat es also in der Hand, durch geringfügige Änderungen am Rotor (Material, Form) die geeignete Kupplungsart festzulegen, um eine mehr oder weniger grosse Berücksichtigung der Geschwindigkeit des strömenden Wärmeträgers zu erzielen, je nach den Erfordernissen der Heizungsanlage.
Das zähe Medium im obern Teil des Wärmemessgerätes nimmt infolge des guten Wärmekontaktes die Temperatur des strömenden Wärmeträgers an und besitzt infolgedessen eine von dieser Temperatur bestimmte Zähigkeit. Das zähe Öl bremst nun den Rotor gerade so weit ab, bis das wirksame Bremsmoment dem Mitnahmemoment das Gleichgewicht hält. Um nun z. B. eine Drehzahlabhängigkeit des Rotors proportional zur Temperatur zu erhalten, muss an die Zähigkeits-Temperaturkurve des verwendeten Bremsmediums die Bedingungsgleichung gestellt werden: g = const. wobei Tm > Tz
TmTz
Umfassende Untersuchungen mit zahlreichen Ölen bzw. Gemischen und Lösungen von Hochpolymeren haben gezeigt, dass diese Beziehung mit ausreichender Genauigkeit über eine grössere Temperaturspanne erfüllbar ist.
Dies wurde mittlerweile auch durch eine Untersuchung der Technischen Hochschule in Darmstadt bestätigt. Als besonders geeignet haben sich Silikonöle bzw. Gemische solcher Öle mit sog. Transformatoröien erwiesen. Beispielsweise erfüllt eine Mischung von Silikonöl DC 200 (5000 Centistokes bei 20 & C) mit Clophen A 50 (ein Chlordiphenyl der Bayer Werke, eingetr.
Marke) zu gleichen Teilen die obige Bedingung.
Die oben beschriebene Anordnung mit dem Einbau des Gerätes in die Heizkörpermitte stellt den Idealfall dar, denn in diesem Falle ist die Messung in der Tat vollkommen unabhängig von der strömenden Heisswassermenge. Bei langsamer Strömung (z. B. Schwerkraftheizung) ist z. B. einer angenom menen mittleren Heizkörpertemperatur von 80 Grad eine Zulauftemperatur von z. B. 90 Grad und eine Rücklauftemperatur von 70 Grad zuzuordnen. Bei z. B. vierfach schnellerer Strömung (Pumpenheizung) beträgt die Zulauftemperatur dann nur 82,5 Grad und die Rücklauftemperatur 77,5 Grad. Die vom Heizkörper abgegebene Wärmemenge ist jedoch in beiden Fällen die gleiche, die Messung mit einem
Gerät der vorliegenden Erfindung liefert ebenfalls denselben Wert.
In vielen Fällen kann jedoch das Gerät nicht in die Heizkörpermitte, sondern muss in den Zur oder Rücklauf des Heizkörpers eingebaut werden. In diesen Fällen macht man nun von der Tatsache Gebrauch, dass sowohl die Zur als auch die Rücklauftemperatur mit der an sich zu messenden mittleren Heizkörpertemperatur funktionell zusammenhängen.
Im einfachsten Fall berücksichtigt man dies durch eine entsprechend korrigierte Eichung. Bei höheren Ansprüchen muss man jedoch die Strömungsgeschwindigkeit mit berücksichtigen, denn die im Zur und Rücklauf gemessene Temperatur weicht um so weniger von der mittleren Heizkörpertemperatur ab, je schneller der Wärmeträger strömt. Die Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt mit den bereits beschriebenen Massnahmen.
In manchen Anwendungsfällen ist es vorteilhaft, den Rotor durch eine Grundbremskraft so lange zu fesseln, bis diese feste Bremskraft von der Mitnahmekraft überschritten wird.
Mit einer solchen Einrichtung lässt sich die Über- schreitung eines festgesetzten Sollwertes registrieren.
Zum Beispiel lässt sich dies dadurch realisieren, dass ein zähes Medium verwendet wird, das unterhalb einer bestimmten Temperatur fest wird, das heisst, dass das zähe Medium bei dieser Temperatur seine Fliessfähigkeit verliert. Auch lassen sich durch Verwendung eines Öls mit strukturviskosem Verhalten besondere Drehzahi-Charakteristiken erreichen, da bei strukturviskosen Stoffen nichtlineare Zusammenhänge zwischen Drehzahl und Bremskraft gegeben sind.
Das Zählwerk kann durch eine Fernzähleinrichtung ersetzt oder ergänzt werden, wobei auch mehrere oder alle einzelnen Heizkörpergeräte ihre Zählung auf ein zentrales Zählwerk weiterleiten können.
Es ist zweckmässig, in dem Gehäuse des Wassermesserteils einen Schmutzfänger vorzusehen, z. B. in Form eines SackIoches, an dessen Verschlussschraube zur Verbesserung der Wirkung noch ein Magnetstab angebracht werden kann.
Die dargelegten Zusammenhänge lassen erkennen, dass das vorliegende Messprinzip trotz der ausserordentlichen Einfachheit ein exaktes Messverfahren darstellt. Im Gegensatz zu den bekanntgewordenen Methoden der Wärmemengenmessung, die mit komplizierten mechanischen oder elektrischen Einrichtungen arbeiten, vollzieht sich nach der vorliegenden Erfindung der gesamte Prozess an einem einzigen beweglichen Teil, dem Rotor, wenn man von dem Flügelrad als dem antreibenden Element und dem Zählwerk als dem integrierenden Anzeigemittel absieht. Die Erfindung stellt daher eine ins äusserste getriebene Vereinfachung eines produktbildenden und integrierenden Messgerätes dar.
Es ist in seinem Grundaufbau sogar wesentlich einfacher als gewöhnliche Wassermesser, die im allgemeinen komplizierte Untersetzungsgetriebe, meistens sogar im strömenden Medium ( Nassläufer ) aufweisen, um vor der eingebauten kraftverzehrenden Stopfbuchsendurchführung eine ausreichende Kraftsteigerung zu erzielen. Gegenüber den bekanntgewordenen Wassermessern mit magnetischer Kupplung, die unterhalb eines bestimmten festen Temperaturwertes die Zählung blockieren, besitzt die vorliegende Erfindung den ausschlaggebenden Vorteil der kontinuierlichen und exakten Temperaturberücksichtigung.