CZ291559B6

CZ291559B6 - Zařízení k měření tepla odevzdaného topným tělesem

Info

Publication number: CZ291559B6
Application number: CZ19942985A
Authority: CZ
Inventors: Joachim Klein
Original assignee: Techem Ag
Priority date: 1993-12-30
Filing date: 1994-11-30
Publication date: 2003-04-16
Also published as: SK148894A3; PL306592A1; HUT68865A; ATE181769T1; SK282137B6; DE4344981C2; DE59408445D1; EP0669524B1; HU215858B; DE4344981A1; DK0669524T3; ES2135522T3; EP0669524A1; CZ298594A3; SI9400457A; PL174593B1

Abstract

U za° zen s topn²m t lesem (1), kter²m prot k topn m dium, jsou v jedin sk° ni (6) um st na nejm n dv teplotn idla (7, 8), kter jsou v kontaktu s povrchem topn ho t lesa (1). Z nam °en²ch hodnot teplotn ch idel (7, 8) se v²po tem extrapoluje k°ivka, kter odpov d o ek van mu teplotn mu profilu topn ho t lesa (1). Jestli e se pou ij nejm n t°i teplotn idla (7, 8), pak se zv²Ü p°esnost m °en , nebo se teplotn idla (7, 8) vyu ij jako opat°en proti manipulaci.\

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení k měření množství tepla odevzdaného topným tělesem, protékaným topným médiem ve směru přítoku a se zpětným tokem, přičemž jsou na topném tělese umístěna nejméně dvě v kolmém směru od sebe vzdálená teplotní čidla, která jsou v tepelně vodivém spojení s topným tělesem a z jimi naměřených hodnot se přes vyhodnocovací zařízení vypočítává množství tepla odevzdaného topným tělesem.

U měřených topných těles se jedná fyzikálně o tepelné výměníky kapalina - vzduch, takže jsou v zásadě možné tři způsoby stanovení odevzdaného množství tepla, případně tepelného výkonu topného tělesa:

a) entalpická bilance na straně topného média. Z entalpické bilance topného média vyplývá za předpokladu střední tepelné kapacity c_p při konstantním tlaku topného média určující rovnice:

Q = C_p X m X (t_v - t_r)

Pomocí měření proudu topného média m a teploty na přítoku a na odtoku t_v případně t_r je tak možné přesně určit výkon topného tělesa Q. Z této závislosti se odvozují způsoby měření tepla.

b) entalpická bilance na straně vzduchu.

Hodnocení entalpie na straně vzduchu nevede k žádnému prakticky použitelnému způsobu, protože vzduch nemá vhodnou vodivost a tak je zpravidla nějaká definice nebo měření hmotnostních proudů a tlaku neproveditelná.

c) vlastnosti topného tělesa z hlediska výměny tepla.

Stanovení výkonu topného tělesa bez přímého určení objemu proudů předpokládá zjištění příjmu pomocí vlastností tepelného výměníku měřeného topného tělesa.

Známou metodou je výpočet výkonu topného tělesa z normálového tepelného výkonu pomocí charakteristiky topného tělesa, totiž na základě potenčního

Q = Qn x (---—) M

Δ τη kde Át je zvýšení teploty na topné ploše:

Átn = normové zvýšení teploty.

Charakteristika topného tělesa popisuje dobře poměry při konstantním proudu hmoty (vůči normálnímu stavu) s rozdílnými teplotami na vstupu, to znamená při relativních výkyvech teploty, které se podstatně neodlišují od normálního stavu.

V této oblasti je průběh teploty nad výškou topného tělesa lineami, takže účinná teplota topné plochy odpovídá aritmetickému středu nátokové a odtokové teploty.

Známé elektronické přístroje k rozpočtu nákladů za teplo (jednočidlové přístroje) měří teplotním čidlem teplotu topné plochy a tepelný výkon vypočítají za předpokladu teploty místnosti t₍ = 20 °C.

Odchylky měření vznikající při jiné skutečné teplotě místnosti odstraňují elektronické přístroje k rozpočtu nákladů za teplo opatřené druhým teplotním čidlem k měření teploty vzduchu v místnosti ti (přístroj se dvěma čidly).

Při silnějším škrcení proudu topného média a z toho vyplývajícím větším teplotním rozdílu se ale odchyluje průběh teploty od lineárního rozdělení. Místo charakteristiky topného tělesa se potom jedná o pole charakteristik s průtokem topného média jako parametrem.

Dosavadní stav techniky

U známých přístrojů k rozpočtu nákladů na topení zde vzniká systematická chyba měření, protože průtok topného média případně průběh rozdělení teplot není možné nijak zachytit.

Jeden příklad přístroje se dvěma čidly popisuje DE-3 123 336. Obé teplotní čidla jsou zde umístěna na topném tělese ve výši přítoku případně odtoku a sice bez jakékoli zvláštní skříně. Pro velkou vzdálenost obou čidel od sebe by také nebylo praktické umístit obě čidla do společné skříně, která by pak musela zasahovat přes celou výšku topného tělesa. Montáž čidel je ale zdlouhavá, protože se obě čidla musí montovat zvlášť. Rovněž se musí napojit vlastním vedením na společnou vyhodnocovací jednotku, což je nákladné a rovněž zdlouhavé. Je třeba zaznamenat také to, že v jednom domě se zpravidla musí odpovídajícím způsobem vybavit větší počet topných těles a to s co nej menšími náklady.

Podle článku uveřejněného v časopise „Elektronik und Maschinenbau“, ročník 97, sešit 3, 1980, strany 125-128 je možné popsat teplotu topného tělesa jako funkci teplotního rozdílu mezi přítokem a odtokem.

Pole charakteristik rozdělení teplot je pak možné známým způsobem odvodit z jedné charakteristiky, jestliže se místo aritmetického rozdílu teplot použije v potenčním zákonu logaritmický rozdíl tv - tr tv - tl

In (--------- ) tr - tl

To odpovídá jednomu vztahu uvedenému Grashoffem pro střední teplotní rozdíl u tepelných výměníků, který je empiricky doložen také pro topná tělesa (srv. DIN/4703).

Tento matematický popis využívá známý způsob se třemi čidly. Pomocí měření teploty přítoku, odtoku a teploty místnosti se vypočítá logaritmické zvýšení teploty topného tělesa a z toho pak odevzdané množství tepla při všech hmotnostních tocích a rozdílech teplot.

Nevýhodou u přístroje se třemi čidly je nákladná stavba se třemi teplotními čidly umístěnými ve značné vzdálenosti od sebe a odpovídající náklady na kabeláž. Místa měření teploty topného

-2CZ 291559 B6 média jsou stanovena vertikální výškou napojení přítoku a odtoku, takže není možné provést jednotnou, kompaktní stavbu přístroje pro rozdílná topná tělesa (srovnej dříve zmíněný

DE 31 23 336 Al). Další nevýhodou je silná závislost kvality měření na přesnosti měření teploty vzduchu v místnosti, zdroje chyb z toho vyplývající a nebezpečí manipulace.

Úkolem vynálezu je tedy navrhnout takový způsob, který při nepatrných montážních nákladech umožní pomocí kompaktního a pro všechna topná tělesa stejného měřiče k rozpočtu nákladů za teplo měřit výkon topného tělesa při všech provozních stavech topného tělesa s vysokou přesností a který je citlivý vůči vnějším vlivům.

Podstata vynálezu

Podle vynálezu se úkol řeší zařízením k měření množství tepla, které odevzdává topné těleso 1, protékané topným médiem prostřednictvím přítoku 2 a odtoku 3, přičemž je opatřeno nejméně dvěma teplotními Čidly 7, 8 umístěnými ve svislé vzdálenosti od sebe, která jsou v tepelně vodivém spojení s topným tělesem 1, přičemž výstupy teplotních čidel jsou ve spojení s vyhodnocovacím zařízením, které je vhodné k výpočtu množství tepla odevzdaného topným tělesem 1 z naměřených hodnot, poskytovaných na těchto výstupech a přičemž teplotní čidla 7, 8 se nacházejí v přímém kontaktu s povrchem topného tělesa 1, jehož podstata spočívá vtom, že svislá vzdálenost mezi teplotními čidly 7, 8 umístěnými ve společné skříni 6 je mnohokrát menší než svislá vzdálenost H mezi přítokem 2 a odtokem 3.

Způsobem podle vynálezu je tak možné extrapolovat z naměřených hodnot výpočtem křivku, která odpovídá očekávanému teplotnímu profilu topného tělesa a ze které se vypočítá množství tepla odevzdané topným tělesem, a sice s pomocí pouze dvou měrných čidel umístěných ve společné skříni (přístroj se dvěma čidly), přičemž obě měrná čidla jsou v přímém kontaktu s povrchem topného tělesa.

Z těchto naměřených hodnot lze pak usuzovat na celkový průběh teplot topných ploch, takže je možné přesně zachytit všechny možné provozní stavy.

Způsob podle vynálezu využívá zkušenost, že provozní stav topného tělesa je přesně definován určitým průběhem povrchových teplot. Když se vhodným způsobem měření zjistí, po případě zohlední teplotní pole na povrchu, může se výkon topného tělesa přesně určit bez přímé zpětné vazby na stavové hodnoty topného média.

Opatřením podle vynálezu se tak odstraní pracné a nákladné propojení tří teplotních čidel u dříve popsaného známého přístroje se třemi čidly. Kromě toho již není dále nutné umístit vždy po jednom teplotním čidle do přítoku případně odtoku topného tělesa, což je rovněž materiálově i pracovně náročné, jak tomu bylo při dosavadním stavu techniky. Místo toho se může teplotní čidlo umístit přímo na povrch topného tělesa a sice na libovolné místo, přičemž může být vzdálenost mezi teplotními čidly mnohem menší než odpovídá vzdálenosti přítoku a odtoku podle stavu techniky. Také v případě menší vzdálenosti je totiž možné z naměřených hodnot extrapolovat zmíněnou křivku s dostatečnou přesností. Z tohoto důvodu mohou být všechna teplotní čidla, která jsou v přímém kontaktu s povrchem topného tělesa, umístěna v jedné jediné skříni.

Jedno z významných provedení způsobu podle vynálezu se vyznačuje tím, že se použije ještě jedno nebo dvě dodatečná teplotní čidla 9, 10. Když se použije jedno dodatečné teplotní čidlo, rovněž v přímém kontaktu s povrchem daného topného tělesa, je tím extrapolace dané křivky přesnější a tím je také přesnější výsledek měření. Dodatečné teplotní čidlo může být ale využito také jako čidlo okolního vzduchu a tím se získá redundance, které se může případně využít ke kontrole manipulace. Rovněž může být použito druhé dodatečné měřící čidlo, přičemž tři měřící

-3CZ 291559 B6 čidla se umístí na topném tělese a čtvrté funguje jako teplotní čidlo, měřící teplotu místnosti, a tak dále.

Jako třetí parametr - v případě dvou tepelných čidel na topném tělese - může sloužit také výška obou čidel na topném tělese.

Vynález bude dále blíže vysvětlen pomocí příkladu provedení, z něhož vyplývají další důležité znaky. Obrázek ukazuje schematicky pohled na topné těleso s teplotními profily a s umístěním přístroje se dvěma čidly podle vynálezu.

Nejprve je třeba vysvětlit důležité úvahy pro předložený vynález.

Pozorujeme-li rozdělení teplot na topném tělese, vyplývají následující souvislosti:

Teplota trvale přísně monotónně klesá od přítoku k odtoku. Při normálním proudu hmoty a změnách teploty na přítoku jsou výsledkem lineární průběhy s klesající směrnicí při snižující se teplotě přítoku.

Při zachované teplotě na přítoku a změnách proudu hmoty jsou se snižujícím se proudem hmoty zprvu výsledkem přímky s větší směrnicí, s větším škrcením se objevují nelineární průběhy, při nichž se teplotní gradient snižuje k odtoku.

Každému provoznímu stavu topného tělesa tak přesně odpovídá definovaný průběh povrchové teploty topného tělesa. Pokud je průběh znám, je tak určen i tepelný výkon.

Protože provozní stav topného tělesa souvisí s určitým rozdělením teploty, není v ideálním případě přesně známého rozdělení povrchové teploty nutná znalost teploty místnosti jako výpočtové veličiny, protože účinnou změnu teploty reprezentuje průběh teploty. Tato redundance se může využít rozdílným způsobem.

Na obrázku je schematicky znázorněn pohled na topné těleso 1. Topné těleso má přítok 2, kterým proudí dovnitř topného tělesa ve směru šipky horká voda o teplotě příkladně 90 °C, odtok 3, kterým voda ve směru šipky opouští topné těleso, přičemž je ochlazena příkladně na teplotu 70 °C.

Nad topným tělesem je zanesena teplota t, vyjádřená ve °C, vpravo vedle topného tělesa jeho výška H, vyjádřená v procentech.

Již bylo zmíněno, že se při neškrceném průtoku topného média vytváří přímý teplotní profil, zde znázorněný křivkou 4, která znamená, že teplota panující v horní oblasti topného tělesa (blízko výšky 100%), která v tomto příkladu činí 90 °C, lineárně klesá na teplotu ve spodní části topného tělesa (výška H blízko 0 %), v tomto příkladu 70 °C.

Při seškrceném průtoku topného média se ale vytvoří vydutá křivka 5, která znamená, že pokles teploty již není lineární, nýbrž v horní části dochází k výraznějšímu poklesu teploty, který se potom snižuje.

Průběh příslušných křivek, odpovídajících momentálním provozním stavům, se nyní, měří způsobem podle vynálezu s pomocí měřícího přístroje naznačeného pod pol. 6.

Tento přístroj má dvě teplotní čidla 7, 8 a s výhodou jedno nebo 2 dodatečná teplotní čidla 9, 10.

Dodatečné teplotní čidlo, to je potom třetí nebo čtvrté teplotní čidlo, se může použít jako čidlo pro vzduch (není zakresleno).

-4CZ 291559 B6

S pomocí nejméně dvou teplotních čidel 7, 8 se potom může při odpovídajících provozních stavech vypočítat stávající teplotní rozdělení, to znamená křivky 4 nebo 5 a tak se získá hledané množství tepla, odevzdané topným tělesem.

Výhodné provedení vynálezu spočívá v tom, že se zjištěné povrchové teploty použijí k exportaci teploty na přítoku a odtoku média. Z těchto teplot se potom se změřenou teplotou místnosti vypočítá logaritmické zvýšení teploty a z toho tepelný výkon. Oproti známým způsobům se třemi čidly je zde výhodné, že není nutný oddělený způsob stavby a způsob je možné provést kompaktním přístrojem pro rozpočet nákladů na topení.

Měření teploty vzduchu v místnosti se přitom může nahradit zpětným odvozením z teplotního průběhu s použitím numericky stanovené teploty místnosti.

Alternativně se nemusí naměřené teploty použít k extrapolaci teploty na přítoku a odtoku, nýbrž 15 se může logaritmický vzestup teploty přímo vypočítat z naměřených teplot. To se může provádět modifikací výpočetní rovnice, použitím korekčních faktorů nebo zavedením vhodného empirického vzorce. Protože logaritmický vzestup teploty je empirickou funkcí teploty na přítoku a na odtoku, může být rovnocenná velikost zjištěna také zjiných teplot.

Jako další alternativa se použije měření teploty vzduchu místnosti spolu se zjištěnými povrchovými teplotami k numerickému stanovení průtoku topného média. Z veličin teplota přítoku, 25 teplota odtoku a průtok se stanoví tepelný výkon.

Tento způsob se může použít také k přímému stanovení tepelného výkonu na straně topného média z naměřených hodnot a teploty vzduchu v místnosti.

Další provádění způsobu podle vynálezu spočívá v tom, že se nepoužije výpočet na základě veličin topného média, nýbrž se zjištěnými teplotami nad odpovídající linií topného tělesa, kde exponent a/nebo korekční faktory jsou závislé na nelinearitě teplotního rozdělení.

Redundance zjištěná dodatečným měřením teploty vzduchu se může použít k ověření plausibility 35 teploty vzduchu místnosti, aby se tak zvýšila manipulační bezpečnost přístroje. Nebo se redundance použije ke korekci měření teploty vzduchu, aby se zvýšila přesnost měřícího přístroje. Nebo se redundance použije k přezkoušení plausibility měření teploty vzduchu v místnosti, aby se zvýšila přesnost spínacího prahu přístroje.

Přístroj se, jak je znázorněno na obrázku, s výhodou umístí asi v homí třetině topného tělesa, čímž se rovněž zlepšuje přesnost měření.

Dále budou uvedeny výpočty k dalšímu vysvětlení vynálezu.

V následujících rovnicích znamená v_v

Vr

Vl, v₂, V₃

X], x₂, x₃v_L

Ó

Κι, K₂, K.3) K4

K₅ teplota přítoku, teplota odtoku, teplota topných ploch na měřících místech 1, 2, 3, relativní, kolmá vzdálenost měřících míst od místa připojení přítoku, teplota vzduchu v místnosti, výkon topného tělesa, specifická konstanta topného tělesa, konstanta závislá na topném tělese a stavební výšce.

-5CZ 291559 B6

1) Interpolace teploty přítoku a odtoku pomocí dvou libovolných teplot na topné ploše.

[W W _ i _ta(._W = t?_L -ř ^e

I) ii)

Z měřených hodnot v_L, v_t, v₂ se vypočítají teploty přítoku a odtoku v_v, v_R.

III) ó = K_r

Z toho se vypočítá topný výkon tělesa Ó.

2) Přímý výpočet výkonu topného tělesa pomocí dvou libovolných teplot plochy a teploty vzduchu místnosti.

1. Možnost

Ó = K₂

^X1. _ln	ΙΛΑΙ			1 )_n	Vl] '
		i	\ /	•V^xi

-6CZ 291559 B6

2. Možnost

Ó = K₃

Měřené veličiny jsou vždy v_L, v_b v₂.

3) Přímý výpočet výkonu topného tělesa pomocí dvou teplot topné plochy bez měření teploty vzduchu místnosti.

f

Ko

ÍA] ^XI x,-x

= K_r- •	5. f,? 1	1 2 x₂	- 1	--ΰ · K- ¹	5	^X1	* 1 -	1 * ^ΧΓ^Χ2
^ΧΓ^Χ2 ·

	1	^ΧΓ^Χ2	- 1

specifická konstanta topného tělesa

K4

K₅ konstanta závislá na topném tělese a relativní stavební výšce.

4)

Korekční nebo srovnávací hodnota pro měřenou teplotu vzduchu elektronický přístroj na rozpočet nákladů za topení podle I) pomocí třetí teploty topné plochy v místnosti pro (měří se vi, v₂, v_L; z toho se vypočítá v_v, v_R a z toho Ó)

Korekční hodnota Á_L pro měřenou teplotu vzduchu v místnosti v_L pomocí v₃:

l^1_x3

Γ 1*31

Při správném měření teploty vzduchu v místnosti v_L je A_L = 0. To je možné použít příkladně pro kontrolu plausibility.

5) Korekční nebo srovnávací hodnota pro měřenou teplotu vzduchu v místnosti elektronickým přístrojem na rozpočet nákladů za topení podle II) pomocí třetí teploty topné plochy (měří se v_b v₂, v_L; z toho se vypočítá Ó)

-7CZ 291559 B6 ^x3

(ύ_νΛ)·^δ

I

¹ -In	ΛΑ]
^x2~^xl	AA 7

Při správném měření teploty vzduchu v místnosti v_L je A_L = 0.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Zařízení k měření množství tepla, odevzdaného topným tělesem (1), které je protékáno topným médiem přes přítok (2) a odtok (3), přičemž je opatřeno nejméně dvěma teplotními čidly (7, 8) umístěnými ve svislé vzdálenosti od sebe, která jsou v tepelně vodivém spojení s topným tělesem (1), přičemž výstupy teplotních čidel jsou ve spojení s vyhodnocovacím zařízením, které je vhodné k výpočtu množství tepla odevzdaného topným tělesem (1) z naměřených hodnot, poskytovaných na těchto výstupech a přičemž teplotní čidla (7, 8) se nacházejí v přímém kontaktu s povrchem topného tělesa (1), vyznačující se tím, že svislá vzdálenost mezi teplotními čidly (7, 8) umístěnými ve společné skříni (6) je mnohokrát menši než svislá vzdálenost (H) mezi přítokem (2) a odtokem (3).

2. Zařízení podle nároku 1,vyznačující se tím, že je opatřeno jedním nebo dvěma dodatečnými teplotními čidly (9, 10).

3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, v y z n a č u j í c í se t í m , že alespoň jedno z dodatečných teplotních čidel (9,10) je v přímém kontaktu s povrchem topného tělesa (1).

4. Zařízení podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že jedno z dodatečných teplotních čidel (9, 10) je vytvořeno jako čidlo pro měření teploty okolního vzduchu.

5. Zařízení podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že vyhodnocovací zařízení je vytvořeno tak, že z naměřených hodnot teplotních čidel (7, 8) extrapoluje hodnoty teplot povrchu topného tělesa, závislé na stávajícím průchodu topného média topným tělesem (1) odpovídající předběžně stanovenému průběhu povrchových teplot topného tělesa (1) se zřetelem na výšku (H) nad odtokem (3).

6. Zařízení podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že skříň (6) s teplotními čidly (7, 8) je umístěna v horní třetině topného tělesa (1) na topném tělese.