CN103201606B - 确定源自热传输流体的热流量 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定源自热传输流体（12）的热流量(dQ/dt)的方法，该热传输流体（12）是至少两种不同流体的混合物，且经过流动空间（11）从具有第一温度（T1）的第一位置流动到具有由于热流量(dQ/dt)而比第一温度（T1）低的第二温度(T2)的第二位置，借此，通过测量所述流体中的声速来确定所述热传输流体（12）的密度和比热，且所述热传输流体（12）的密度和比热被用于确定热流量(dQ/dt)。

Description

确定源自热传输流体的热流量
技术领域
本发明涉及测量热量的技术。其涉及用于根据权利要求1前序部分来确定源自热传输流体的热流量的方法。
背景技术
两种流体的二元混合物通常被用于尤其涉及加热、冷却或空调等的终端系统中。众所周知的二元流体是水/防冻流体混合物，尤其是以水/乙二醇混合物的形式。当这样的混合物或二元流体传输热能并将此能量在循环液体系统的点处输送时，当所输送的能量应当从系统处的特定测量中被计算时，有必要了解热传输流体的实际混合率。
令人遗憾的是,这样的二元液体或其他流体混合物的混合率随时间而变化,例如因为水可从系统中蒸发，或水被重新填充，从而改变了混合率。
文献DE102005043699公开了一种用于车辆的传感单元，其确定车辆的流体系统中防腐蚀介质的含量。为确定混合率，测量流体内的声速。
文献DE19533927将容量测量和声速测量进行组合，来确定和控制清洗流体内洗涤剂的浓度。
文献DE3741577中公开了一种用于通过引导微波信号穿过所述液体来测量二元流体的混合率的方法和系统。
所引用的文件未提及关于源自热传输流体的热流量的确定，该热传输流体为不同流体的混合物。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于确定源自热传输流体的热流量的方法，该热传输流体为不同流体的混合物。
本发明的进一步的目的是提供用于执行所述方法的热流量测量装置。
这些以及其他的目的由根据权利要求1的方法和根据权利要求13的热流量测量装置所获得。
根据本发明的方法包括以下步骤：
a)测量所述第一温度和所述第二温度之间的温差； 在所述第一和/或第二位置附近的所述流动空间的预定位置处测量所述热传输流体内的声速；
c)             在所述预定位置处测量热传输流体的绝对温度；
d)             在所述预定位置处测量体积流量；
e)             从所述测量的绝对温度和所述测量的声速，确定所述热传输流体的混合率；
f)              从所述测量的绝对温度和所述热传输流体的所述确定的混合率，确定所述热传输流体的密度和比热；以及
g)             从所述测量的温差、所述测量的体积流量、所述确定的密度和所述确定的比热，确定源自所述热传输流体的热流量。
根据本发明性方法的一个实施例，所述热传输流体是两种流体的二元混合物。
特别地，所述热传输流体是水和防冻流体的混合物。
更具体地，所述热传输流体是水/乙二醇混合物。
根据本发明性方法的另一个实施例,借助于用于特定热传输流体的声速、绝对温度与混合率之间关系的数据表，从所述测量的绝对温度和所述测量的声速确定所述热传输流体的混合率。
替代地，可以借助于特定热传输流体的声速、绝对温度与混合率之间的数学关系，从所述测量的绝对温度和所述测量的声速确定所述热传输流体的混合率。
根据本发明的另一个实施例，借助于超声测量装置来测量所述热传输流体内的声速。
更具体地，超声测量装置包括放置在所述流动空间的第一侧处的第一超声换能器和放置在所述流动空间的第二侧处的第二超声换能器，使得在所述第一和第二超声换能器之间行进的超声信号经过所述流动空间内的流体。
特别地，将所述第一和第二超声换能器相对于所述流动空间内的流体流进行布置，使得在所述第一和第二超声换能器之间行进的超声信号具有在所述流体流的方向上的速度分量，在所述第一和第二超声换能器之间的相反方向上测量声速，以及从所述相反方向上测量的不同声速得到体积流量。
当使用用于声速测量的特殊装置时，可从声速的两个不同测量，即流动方向上和与流动方向相反的方向上的两个不同测量，确定流体的流动速度。然后可以从流动速度和流动空间或管的横截面积计算出体积流量。然而，根据本发明的另一实施例，借助于单独的流量计来测量所述体积流量。
根据另一实施例，声速的测量基于测量超声脉冲在所述第一和第二超声换能器之间行进的渡越时间。
更具体地，根据声循环(sing-around)方法来完成声速的测量。
根据本发明的热流量测量装置包括：
a)             第一装置，用于测量所述第一温度和所述第二温度之间的温差；
b)             第二装置，用于在所述第一和/或第二位置附近的所述流动空间的预定位置处测量所述热传输流体内的声速；
c)             第三装置，用于在所述预定位置处测量热传输流体的绝对温度；
d)              第四装置，用于在所述预定位置处测量体积流量；
借此，所述第一、第二、第三、第四装置被连接到评价单元，该评价单元基于其从所述第一、第二、第三、第四装置接收的数据来确定所述热流量。
根据本发明性热流量测量装置的一个实施例，用于测量温差的所述第一装置包括放置于第一位置处的第一温度探测器和放置于所述第一位置下游的所述第二位置处的第二温度探测器。
更具体地，用于在所述流动空间的预定位置处测量所述热传输流体内的声速的所述第二装置，包括被连接到超声控制单元的超声测量装置。
基本上，可从第一和第二温度探测器的所测量的第一和第二温度确定绝对温度。然而，根据本发明的另一个实施例，用于在所述预定位置处测量热传输流体的绝对温度的所述第三装置，包括在流动方向上被放置在所述第一和第二温度探测器之间的第三温度探测器。
根据另一个实施例，用于在所述预定位置处测量体积流量的所述第四装置，包括单独的流量计。
根据又一个实施例，提供用于特定热传输流体的声速、绝对温度与混合率之间关系的数据表，且评价单元可以访问所述数据表。
根据本发明的另一个实施例，所述超声测量装置包含至少两个超声换能器，布置所述至少两个超声换能器，使得在所述至少两个超声换能器之间行进的超声信号穿过所述热传输流体。
更具体地，将所述至少两个超声换能器相对于所述热传输流体的流动方向进行布置，使得所述至少两个超声换能器之间的测量轨道与所述流动方向以斜角相交。
附图说明
现在将借助于不同实施例以及参照附图来更加详细地解释本发明。
图1示出了根据本发明的一个实施例的热流量测量装置；以及
图2示出了针对具有0、20、40和60%的乙二醇馏分的二元水/乙二醇混合物，声速对温度的相关性的一组曲线特性，当声速和绝对温度已知时，其可被用于确定混合率。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一个实施例的热流量测量装置10。装置的中央部分为流动空间11，例如管。流体12，尤其以二元流体的形式，更具体地是以水/防冻流体混合物的形式，或者甚至更具体地是以水/乙二醇混合物的形式，流经具有由图1中的箭头组所限定的流动方向的所述流动空间11。
在流动空间11的左侧处，流体12具有第一温度Tl，在流动空间11的右侧处，具有低于Tl的第二温度T2。温度差或温差ΔT = T1-T2是源自流体12并离开流动空间11的热流量dQ/dt的结果（见图1中的宽箭头）。可由散热器或热交换器等引起热流量dQ/dt。
根据基本的物理原理（参见例如文献US4440507），可以使用下面的方程来确定热流量dQ/dt：
ρ是流体密度；是流体的体积流量，而C是其热容量。通过在上面给出的位置处测量T1和T2，可容易地测量温差ΔT。可以从流体12的流动速度和流动空间11的横截面积，容易地确定体积流量dV/dt。然而，对于密度ρ和热容量C，情况是不同的。当流体12是至少两种不同流体的混合物时，特别是水和如乙二醇的防冻流体的混合物（这通常是加热和空调领域中的情况）时，这两个因素不仅取决于绝对温度，还取决于流体12的混合率。如果防冻流体的种类和混合率是已知的，则将正确的（T相关）因子ρ和C放到上面的方程（1）中是相当简单的。
然而，通常的情况是，流体12的混合率例如通过水从循环流体的系统中的蒸发，或添加水到循环流体的系统而在时间上变化，使得因子ρ和C改变其值，且借助于方程（1）的热流量dQ/dt的确定结果变得不正确。因此，必须至少不时地确定混合率以确保热流量计算的结果是正确的。
现在，现有技术中已知的是（参见例如文献DE102005043699，尤其是第[0024]段），可从所述混合物内测量的声速确定流体混合物的混合率。当已经在这样的流体中测量了声速时，参数（算法）之间的校准测量或数学关系可被用来确定实际的混合率。图2示出了针对具有0、20、40和60%的乙二醇馏分的二元水/乙二醇混合物，表征声速Vs对温度T的相关性的一组曲线。虽然只示出了四条示例性曲线，显然，为了混合率的精确确定，需要相邻曲线之间具有很窄距离的更多曲线。
采用图2中的示图，对于给定的绝对温度T和给定的声速vs，可通过在所述示图中找到交叉点来确定混合率。此交叉点位于那些曲线中的一个上，这给出了对应于所述曲线的相应混合率。显然，这种示图可被变换成含有所涉及参数的离散值的数据表。当绝对温度T和声速vs的对应值为已知时，计算机可容易地访问这种数据表来找到混合率的正确值。
图1的热流量测量装置10包括超声测量装置13，其不仅可被用来测量流动空间11的流体12内的声速vs，还可被用来测量或确定流经流动空间11的流体12的体积流量dV/dt。超声测量装置13包括第一超声换能器14和第二超声换能器15。换能器14和15两者都限定了流动空间11内的整个长度位于流体12中的测量轨道。测量轨道与流体12的流动方向以斜角相交。
超声换能器14和15能够发送和接收沿测量轨道行进的超声脉冲。当第一换能器14发射被第二换能器15接收的超声脉冲时，此脉冲在那些换能器间行进，具有下游时间tl, 其可被表达为：
，
其中L是测量轨道的长度，而（a·vf）为流体12的流动速度vf平行于测量轨道方向的分量。
当在第二换能器15发射被第一换能器14接收的超声脉冲时，此脉冲在那些换能器间行进，具有上游时间t2, 其可被表达为：
通过方程（2）和（3）的差组合，可消去声速vs，使得流体12的流动速度vf为：
其中实验确定的校准因子k不仅含有上面的因子a，还包含与非理想测量情况（流态（flow profile），副作用等）连接的效果。
从流动速度vf和流动空间或管11的已知横截面积A，体积流量dV/dt可被确定如下：
通过方程（2）和（3）的和组合，可消去流动速度vf，来给出声速vs：
具有前面所描述种类的另一个校准因子k'。
当使用所谓的“声循环”方法（参见例如JP2003302270）时，可提高声速确定的精度。在图1的热流量测量装置10中，通过从换能器14发送超声脉冲到换能器15来建立声循环环路。脉冲被接收并被反馈到超声控制单元19中，该超声控制单元19然后激发从换能器14开始的新的超声脉冲。保持此环路若干次，且超声控制单元19测量完成这若干个声循环环路所花费的总时间。然后通过将总时间除以已经穿过的环路的数目，来确定脉冲沿测量轨道行进一次所花费的时间。
因此，具有其换能器14和15以及用于控制换能器14和15的超声控制单元19的超声测量装置13，能够测量和确定流体12和流动空间11内的声速vs以及体积流量dV/dt。然而，借助于现有技术中可能是众所周知的一种单独的流量计24来直接测量体积流量dV/dt也是可能的。这些测量和确定的结果被发送到含有计算和/或确定流体12的实际混合率所必需的计算机能力的中央评价单元20。
当使用像图2中所示出的示图的数值等效的数据表21时，评价单元20取得声速vs和绝对温度T的实际值，并从数据表21中读出混合率的对应值。借助于位于超声测量装置13的测量轨道附近的温度探测器17，来测量绝对温度T。通过使用适当的算法，而不是使用数据表21，可以评价混合率。替代地，绝对温度T可被确定为温度T1和T2的平均值。
这样确定的混合比率可以以不同方式被使用。首先，当混合率跨过预设限度时，可借助被连接到评价单元20并被评价单元20驱动的光学或声学信令单元22来发出信号。在防冻流体的最低含量对避免系统冻结是必需的情况下，例如在寒冷的冬天，当防冻流体含量变得小于预设下限时，可发出信号。
此外，所确定或估计的混合率可与测量的绝对温度T和所涉及的防冻流体的种类和参数的知识一起被使用，来确定二元流体12的实际密度ρ和热容量C。然后使用方程（1）和温差ΔT的测量（利用温度探测器16和19），可评价实际热流量dQ/dt。
此评价的热流量dQ/dt一方面可随时间被积分来指定从循环流体系统中输送的热能的量，以用于加热成本计费目的。另一方面，借助于被连接到评价单元20的热流量控制23，评价的热流量dQ/dt可被用来控制对流体系统进行循环和热能的输送。
参考标记列表
10         热流量测量装置
11         流动空间（例如管）
12         流体（特别是二元的）
13         超声测量装置
14、15     换能器（超声）
16、17、18 温度探测器
19         超声控制单元
20         评价单元
21         数据表
22         信令单元
23         热流量控制
24         流量计
T、T1、T2  温度
ΔT         温差
dQ/dt      热流量
dV/dt      体积流量
vf         流动速度
Vs          声速

Claims (20)

1.用于确定源自热传输流体（12）的热流量(dQ/dt)的方法，该热传输流体（12）是至少两种不同流体的混合物，且其经过流动空间（11）从具有第一温度（T1）的第一位置流动到具有由于热流量(dQ/dt)而比所述第一温度（T1）低的第二温度(T2)的第二位置，所述方法包括以下步骤：
a）测量所述第一温度(Tl) 和所述第二温度(T2) 之间的温差（ΔT）；
b）在所述第一和/或第二位置附近的所述流动空间（11）的预定位置处测量所述热传输流体（12）内的声速（vs）；
c）在所述预定位置处测量热传输流体（12）的绝对温度(T)；
d）在所述预定位置处测量体积流量(dV/dt)；
e）从所述测量的绝对温度（T）和所述测量的声速(vs)，确定所述热传输流体(12)的混合率；
f）从所述测量的绝对温度（T）和所述热传输流体(12)的所述确定的混合率，确定所述热传输流体 (12)的密度和比热；以及
g）从所述测量的温差（ΔT）、所述测量的体积流量(dV/dt)、所述确定的密度和所述确定的比热，确定源自所述热传输流体(12）的热流量 (dQ/dt)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述热传输流体(12）是两种流体的二元混合物。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于所述热传输流体(12）是水和防冻流体的混合物。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于所述热传输流体(12）是水/乙二醇混合物。
5.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，借助于用于特定热传输流体(12)的声速(vs)、绝对温度(T)与混合率之间的关系的数据表（21），从所述测量的绝对温度(T)和所述测量的声速(vs)确定所述热传输流体(12）的混合率。
6.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于借助于特定热传输流体(12)的声速(vs)、绝对温度(T)与混合率之间的数学关系，从所述测量的绝对温度(T)和所述测量的声速(vs)确定所述热传输流体(12)的混合率。
7.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于借助于超声测量装置（13）来测量所述热传输流体(12)内的声速(vs)。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，超声测量装置（13）包括放置在所述流动空间（11）的第一侧处的第一超声换能器（14）和放置在所述流动空间（11）的第二侧处的第二超声换能器（15），使得在所述第一和第二超声换能器（14、15）之间行进的超声信号经过所述流动空间（11）内的流体（12）。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，将所述第一和第二超声换能器（14、15）相对于所述流动空间（11）内的流体流进行布置，使得在所述第一和第二超声换能器（14、15）之间行进的超声信号具有在所述流体流的方向上的速度分量，在所述第一和第二超声换能器（14、15）之间的相反方向上测量声速(vs)，以及从在所述相反方向上测量的不同声速(vs)得到体积流量(dV/dt)。
10.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，借助于单独的流量计(24)来测量所述体积流量(dV/dt)。
11.根据权利要求8或9的方法，其特征在于，声速(vs)的测量基于测量超声脉冲在所述第一和第二超声换能器(14、15)间行进的渡越时间。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，根据声循环方法来完成声速(vs)的测量。
13.用于执行根据权利要求1至12之一的方法的热流量测量装置（10），所述热流量测量装置（10）包括：
第一装置(16、18)，用于测量所述第一温度（T1）和所述第二温度（T2）之间的温差（ΔT）；
第二装置（13、19），用于在所述第一和/或第二位置附近的所述流动空间（11）的预定位置处测量所述热传输流体（12）内的声速(vs)；
第三装置（17），用于在所述预定位置处测量热传输流体（12）的绝对温度（T）；
第四装置（13、24），用于在所述预定位置处测量体积流量(dV/dt)；
借此，所述第一、第二、第三、第四装置(13、16、17、18、19、24)被连接到评价单元（20），所述评价单元（20）用于基于其从所述第一、第二、第三和第四装置(13、16、17、18、19、24)接收的数据来确定所述热流量(dQ/dt)。
14.根据权利要求13的热流量测量装置，其特征在于，用于测量温差（ΔT）的所述第一装置包括放置于所述第一位置处的第一温度探测器（16）和放置于所述第一位置下游的所述第二位置处的第二温度探测器（18）。
15.根据权利要求14的热流量测量装置，其特征在于，用于在所述流动空间(11)的预定位置处测量所述热传输流体(12)内的声速(vs)的所述第二装置，包括被连接到超声控制单元(19)的超声测量装置(13)。
16.根据权利要求15的热流量测量装置，其特征在于，用于在所述预定位置处测量热传输流体(12)的绝对温度(T)的所述第三装置，包括在流动方向上被放置在所述第一和第二温度探测器(16、18)之间的第三温度探测器(17)。
17.根据权利要求15或16的热流量测量装置，其特征在于，用于在所述预定位置处测量体积流量（dV/dt）的所述第四装置包括单独的流量计（24）。
18.根据权利要求13至16之一的热流量测量装置，其特征在于，提供用于特定热传输流体(12)的声速(vs)、绝对温度(T)与混合率之间的关系的数据表（21），并且评价单元（20）能够访问所述数据表（21）。
19.根据权利要求15的热流量测量装置，其特征在于，所述超声测量装置（13）包括至少两个超声换能器（14、15），布置所述至少两个超声换能器（14、15），使得在所述至少两个超声换能器（14、15）之间行进的超声信号穿过所述热传输流体(12)。
20.根据权利要求19的热流量测量装置，其特征在于，将所述至少两个超声换能器（14、15）相对于所述热传输流体(12)的流动方向进行布置，使得所述至少两个超声换能器（14、15）之间的测量轨道与所述流动方向以斜角相交。
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