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Die Erfindung betrifft eine Gaszuführungsvorrichtung und ein Verfahren zum Zuführen von Gas von einer Gasvorratseinrichtung zu einer Gasverbrauchseinrichtung.
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Die Zuführung von Gas ist z. B. notwendig im Rahmen einer Flüssiggasdosierung für Heizungen oder Reformer-Brennstoffzellen-Systeme, die zur Bordstromversorgung in Freizeitfahrzeugen, Nutzfahrzeugen und Booten eingesetzt werden.
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Freizeitfahrzeuge, Nutzfahrzeuge und Boote verfügen in der Regel über eine Flüssiggasversorgung auf einem Überdruckniveau von 30 mbar (in Ausnahmen auch 50 mbar), an die Gasverbrauchseinrichtungen wie Kochherde, Heizungen, Warmwasserbereitungsanlagen, Klimaanlagen, Kühlschränke sowie Systeme zur Bordstromversorgung angeschlossen sind. Letztere können Motor-Generatorsysteme oder auch Reformer-Brennstoffzellen-Systeme sein. Die Kraftstoffbevorratung für alle Gasverbraucher erfolgt entweder über im Fahrzeug oder Boot installierte Tanks oder – weit gebräuchlicher – über handelsübliche 5- bzw. 11-kg-Flaschen. Die Gasverbrauchseinrichtungen sind über Rohrleitungen mit dem Flüssiggasvorrat verbunden. Das Flüssiggas wird in der Regel den Gasverbrauchseinrichtungen im gasförmigen Zustand zugeführt. Als Flüssiggas werden in diesem Zusammenhang Propan, Butan bzw. Gemische daraus bezeichnet.
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Flüssiggas wird grundsätzlich in unterschiedlichen Zusammensetzungen angeboten, die sich sowohl regional als auch saisonal unterscheiden können. Wird das Gas aus der Gasphase eines Behälters bzw. Tanks entnommen, tritt zusätzlich der Effekt auf, dass sich die Gaszusammensetzung während des Entleerungsvorgangs aufgrund von unterschiedlichen Dampfdrücken ändert. So werden tendenziell zunächst die Verbindungen mit höheren Dampfdrücken und im Laufe der Entleerung immer mehr Moleküle von Verbindungen mit niedrigem Dampfdruck entnommen. In der Praxis bedeutet dies, dass das entnommene Gas zu Beginn mehr Propan enthält und sich das Gleichgewicht immer weiter in Richtung Butan verschiebt. Im Extremfall muss eine Gasverbrauchseinrichtung somit mit 100% Propan sowie 100% Butan funktionieren können.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren für die Flüssiggasdosierung in Gasverbrauchseinrichtungen bekannt:
Beim Dosieren über eine Düse bzw. Drosselblende wird das Flüssiggas bei einem konstanten Vordruck (im Flüssiggas-Freizeitbereich typischerweise 30 mbar) durch eine Düse geleitet. Dies ist beispielsweise bei Flüssiggasbrennern in Heizvorrichtungen von Freizeitfahrzeugen bekannt. Durch die unterschiedlichen Gaseigenschaften wie Dichte und Viskosität ergibt sich jedoch in Abhängigkeit von den zugeführten Gasen (Propan, Butan oder Gemische daraus) ein Unterschied bei der Kohlenstoffmenge von bis zu ca. 14%. Ähnliche Abweichungen liegen bezüglich der Heizwerte der Gase vor.
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Bei einer anderen Art der Flüssiggasdosierung wird der Volumenstrom gemessen, wobei sich bei einem definierten Volumenstrom von Propan und Butan ein Unterschied in der Kohlenstoffmenge bzw. im Heizwert von bis zu ca. 36% ergeben kann. Dies resultiert vor allem aus den unterschiedlichen Dichten der Gase.
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Somit variieren die Kohlenstoffmenge und der Heizwert in Abhängigkeit von der Qualität und Zusammensetzung des zugeführten Flüssiggases erheblich.
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Ein Nachteil der hier genannten Vorrichtungen und Verfahren ist es, dass die unterschiedlichen Stoffeigenschaften des Flüssiggases, d. h. des Propan-Butan-Gemisches, nur ungenügend berücksichtigt werden. Für Heizvorrichtungen mit Flüssiggasbrennern bedeutet dies, dass die Heizleistung in Abhängigkeit von der Flüssiggaszusammensetzung variieren kann.
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Für mit Flüssiggas betriebenen Reformer-Brennstoffzellen-Systemen ist aufgrund der wechselnden Flüssiggaszusammensetzungen mit unterschiedlichen Reformatgasqualitäten, d. h. mit unterschiedlichen Wasserstoffmengen und Restgaszusammensetzungen (CO, CO2 bzw. Wasserdampf) zu rechnen. Bei verschiedenen Reformierarten wie z. B. der Wasserdampfreformierung oder der autothermen Reformierung ist das molare Verhältnis von Wasser (steam) zu Kohlenstoff (carbon) – das so genannte S/C-Verhältnis – ein charakteristischer Wert. Wenn dieser Wert bei wechselnder Gaszusammensetzung und bei gegebener Wasserführung weitgehend konstant gehalten werden soll, muss für einen definierten Kohlenstoffstrom gesorgt werden. Dies ist mit einer herkömmlichen Flüssiggasdosierung nach dem Stand der Technik nicht möglich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Flüssiggasdosiervorrichtung bzw. eine Gaszuführungsvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, wodurch ein sicherer und kontinuierlicher Betrieb einer Gas verbrauchseinrichtung mit möglichst gleich bleibender Leistung auch bei wechselnden Gaszusammensetzungen ermöglicht wird, ohne dass die Gaszusammensetzung gemessen werden muss.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Gaszuführungsvorrichtung nach Anspruch 1 und durch ein entsprechendes Verfahren nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Grundgedanke der Erfindung beruht auf der Verwendung des Prinzips der thermischen Massendurchflussmessung für die Flüssiggasdosierung, womit die oben genannten Nachteile bzw. Ungenauigkeiten beim Stand der Technik weitgehend eliminiert werden können.
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Dementsprechend weist eine Gaszuführungsvorrichtung zum Zuführen von Gas von einer Gasvorratseinrichtung zu einer Gasverbrauchseinrichtung eine zwischen der Gasvorratseinrichtung und der Gasverbrauchseinrichtung verlaufende Gasleitungseinrichtung sowie eine in der Gasleitungseinrichtung vorgesehene thermische Massendurchfluss-Messeinrichtung zum Messen der Gasmenge des in der Gasleitungseinrichtung strömenden Gases aufgrund von dessen Massenstrom auf.
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Das Prinzip der thermischen Massendurchflussmessung beruht darauf, dass ein Gasstrom über einen gekühlten oder geheizten Bereich geleitet wird. Als Folge daraus wird das Medium erwärmt bzw. abgekühlt. Abhängig von der technischen Ausführung wird von der Ausbildung eines Temperaturprofils, der eingesetzten Heiz- bzw. Kühlleistung oder aufgrund von Temperaturänderungen auf den Massenstrom des Mediums geschlossen, da der Wärmeübertrag in das Gas vom Massenstrom abhängig ist. Zudem ist die Messung von der spezifischen Wärmekapazität des zu messenden Mediums abhängig.
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Die Massendurchfluss-Messeinrichtung kann aufweisen: ein Heiz- oder Kühlelement, einen stromauf von dem Heiz- oder Kühlelement angeordneten ersten Temperatursensor, einen stromab von dem Heiz- oder Kühlelement angeordneten zweiten Temperatursensor und eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten einer von dem ersten Temperatursensor gemessenen ersten Temperatur und einer von dem zweiten Temperatursensor gemessenen zweiten Temperatur und zum Ansteuern des Heiz- oder Kühlelements. Mit Hilfe der Auswerteeinrichtung sind je nach Ausgestaltung zwei unterschiedliche Messverfahren möglich. Demnach kann bei einem ersten Messverfahren das Heiz- oder Kühlelement derart ansteuerbar sein, dass eine konstante Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor eingestellt wird, wobei aufgrund der dazu erforderlichen Heiz- oder Kühlleistung der Massenstrom ermittelt wird. Bei dem zweiten, alternativen Messverfahren ist das Heiz- oder Kühlelement auf eine vorgegebene Heiz- oder Kühlleistung einstellbar, wobei aufgrund einer daraufhin gemessenen Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor der Massenstrom ermittelt wird.
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Somit werden zwei alternative technische Ausführungen von thermischen Massendurchflussmessern angegeben. Bei der ersten Alternative kann das Heizelement auf eine konstante Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren geregelt werden, wobei aus der Heizleistung dann auf den Massenstrom geschlossen wird. Bei der zweiten Alternative werden bei einer definierten Heizleistung die auftretenden Temperaturdifferenzen zwischen den Temperaturmessstellen ausgewertet und somit auf den Massenstrom rückgeschlossen.
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In der Gasleitungseinrichtung kann eine ansteuerbare Ventileinrichtung zum Einstellen des Massenstroms in der Gasleitungseinrichtung vorgesehen sein, wobei eine Steuerung vorgesehen ist, zum Ansteuern der Ventileinrichtung in Abhängigkeit von einem Messsignal von der Massendurchfluss-Messeinrichtung.
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Die Steuerung kann derart ausgebildet sein, dass sie durch Ansteuern der Ventileinrichtung den Massenstrom des in der Gasleitungseinrichtung strömenden Gases auf einen vorgegebenen Wert konstant hält.
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Damit ist es möglich, das Messverfahren mit einem Stellglied, z. B. einem Proportionalventil oder einem Regelventil zu kombinieren, um einen Regelkreis auszubilden. Die Mess- und Regelfunktion kann dabei z. B. in einen thermischen Massendurchflussregler integriert bzw. mit diesem kombiniert werden.
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Das Verfahren ist grundsätzlich für alle Arten von Gasverbrauchseinrichtung geeignet, die mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen unterschiedlicher Gaszusammensetzungen betrieben werden. Auch können die Gasverbrauchseinrichtung und die beschriebene Gaszuführungsvorrichtung nicht nur in Freizeitfahrzeugen, Booten und Nutzfahrzeugen zum Einsatz kommen, sondern auch in allen anderen Anwendungsbereichen (stationär, mobil), in denen ein gasförmiger Kohlenwasserstoff dosiert werden soll.
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Die Massendurchfluss-Messeinrichtung (nachfolgend auch als Sensor bezeichnet) wird beim Hersteller auf ein bestimmtes Gas abgestimmt. Soll der Sensor für ein anderes Gas genutzt werden, muss ein Umrechnungsfaktor errechnet werden, der den Fluss des einen Gases in den des anderen Gases umrechnet.
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Für die Umrechnung von Propan zu Butan ergibt sich ein Umrechnungsfaktor von 0,9946. Dies bedeutet, dass mit einem thermischen Massendurchflusssensor die Massenströme von Propan und Butan mit einer Abweichung von 0,54% mit dem gleichen Sensor gemessen werden können. Bei gleichem Messsignal fließen also 0,54% weniger Butan als Propan. Diese Werte beziehen sich auf die spezifischen Wärmekapazitäten bei 298 K und 1013 hPa. Weil die Wärmekapazitäten von Propan und Butan relativ stark von der Temperatur abhängen, treten bei veränderten Gastemperaturen geringfügige Abweichungen auf.
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Das beschriebene Messprinzip kann in Gasverbrauchseinrichtungen vielfältig eingesetzt werden. So ist es möglich, bei einem Reformer-Brennstoffzellen-System eine Massenstrommessung bezogen auf den Kohlenstoff-Molenstrom durchzuführen. Bei einer Heizvorrichtung kann die Massenstrommessung bezogen auf den Heiz- bzw. Brennwert erfolgen.
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Dementsprechend ist aufgrund der gemessenen Gasmenge mit Hilfe der Massendurchfluss-Messeinrichtung ein Regeln des Kohlenstoff-Molenstroms des in der Gasleitungseinrichtung strömenden Gases möglich, wobei die Steuerung derart ausgebildet sein kann, dass sie durch Ansteuern der Ventileinrichtung den Kohlenstoff-Molenstrom des Gases im Wesentlichen auf einem vorgegebenen Wert konstant hält.
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Diese Massenstrommessung bezogen auf den Kohlenstoff-Molenstrom kann – wie oben bereits erwähnt – vorteilhaft bei einem Reformer-Brennstoffzellen-System eingesetzt werden. Dort ist je nach Reformierungsverfahren (Wasserdampfreformierung oder autotherme Reformierung) das molare Verhältnis von Wasser (steam) zu Kohlenstoff (carbon) – das so genannte S/C-Verhältnis – entscheidend für die Zusammensetzung und Qualität des erzeugten Wasserstoff-haltigen Reformatgases bzw. sogar für die ordnungsgemäße Funktionsweise und Langzeitstabilität des Reformersystems an sich. Der Regelung des S/C-Verhältnisses für solche Systeme kommt deshalb entscheidende Bedeutung zu – vor allem, wenn in der Praxis die Zusammensetzung des dem Reformer-Brennstoffzellen-System zugeführten Flüssiggases stetig wechselnde Propan- und Butananteile aufweisen kann.
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Soll der Wert des S/C-Verhältnisses bei wechselnder Gaszusammensetzung und bei gegebener Wasserzuführung weitgehend konstant gehalten werden, muss für einen definierten Kohlenstoffstrom gesorgt werden. Der Molenstrom von Kohlenstoff liegt bei gleichem Massenstrom bei Butan um etwa 1,1% höher als bei Propan. Unter Berücksichtigung der Abweichung durch die Massenstrommessung von Propan und Butan – es wird bei gleichem Messsignal der Massendurchfluss-Messeinrichtung 0,54% weniger Butan dosiert (siehe Erläuterung oben) – ergibt sich eine maximale Gesamtabweichung von Kohlenstoffmolenstrom von 0,55%. Diese Abweichung liegt somit erheblich unter den oben angegeben Abweichungen.
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Eine Flüssiggasdosierung auf dem Prinzip der thermischen Massendurchflussmessung stellt somit für ein entsprechendes Reformersystem eine geeignete Methode dar, um die Flüssiggasmenge bezüglich des S/C-Verhältnisses zu messen bzw. in Kombination mit einer Regeleinrichtung, z. B. einem Proportionalventil, zu regeln. Dabei kann die Massendurchfluss-Messeinrichtung zum Messen des Massenflusses des Flüssiggases genutzt werden.
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Bei einer alternativen Ausführungsform, die – wie oben bereits gesagt – insbesondere für eine Heizeinrichtung geeignet ist – ist aufgrund der gemessenen Gasmenge ein Heiz- oder Brennwert des in der Gasleitungseinrichtung strömenden Gases bestimmbar. Die Steuerung kann derart ausgebildet sein, dass sie durch Ansteuern der Ventileinrichtung den Heiz- und/oder Brennwert des Gases im Wesentlichen auf einem vorgegebenen Wert konstant hält.
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Diese auf den Heiz- bzw. Brennwert bezogene Massenstrommessung kann vorteilhaft bei einer Heizvorrichtung eingesetzt werden. Gemäß dem Stand der Technik erfolgt die Dosierung von Flüssiggas in Heizvorrichtungen über eine Blende oder Düse, wodurch sich je nach Dosierung von Propan und Butan Abweichungen von bis zu ca. 14% beim Heizwert ergeben können. Die Folge sind schwankende Heizleistungen der Heizvorrichtung, je nach Zusammensetzung des zugeführten Propan-Butan-Gasgemisches.
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Für die Heizwerte von Propan und Butan, jeweils bezogen auf die Masse, ergibt sich eine Abweichung von 1,3%. Unter Berücksichtigung der oben erläuterten Abweichung der Massenstrommessung von 0,54% führt dies zu einer Gesamtabweichung des Heizwertes von maximal ca. 1,85%, wenn im Extremfall 100% Butan oder 100% Propan zugeführt werden. Diese Abweichung liegt erheblich unter der beim Stand der Technik vorliegenden Abweichung von 36%.
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Das Prinzip der Flüssiggasdosierung auf Basis der thermischen Massendurchflussmessung weist deshalb eine wesentlich höhere Genauigkeit auf als das herkömmliche Dosieren über Blenden bzw. Düsen. Selbst im Extremfall der Verwendung von Rein-Propan bzw. Rein-Butan kommt es nur zu einer relativ geringen Abweichung. In Kombination mit einem Stellglied, z. B. einem Regel- oder Proportionalventil, kann auf diese Weise eine sehr genaue Regelung des Heiz- bzw. Brennwertes von Gasverbrauchseinrichtungen gewährleistet werden.
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Das System ist darüber hinaus geeignet, Schwankungen aufgrund von Druckunterschieden bei der Druckregelung auszugleichen. Oben wurde bereits ausgeführt, dass eine Flüssiggasdosierung häufig bei einem Zielwert von 30 mbar erfolgt. In der Praxis ist es jedoch ohne weiteres üblich, dass die Druckwerte zwischen 25 und 35 mbar liegen. Diese Druckschwankungen bewirken Schwankungen des Massenflusses, die bei der Massendurchflussmessung erfasst und regelungstechnisch ausgeglichen werden können, um eine konstante Heizleistung zu erreichen.
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Es kann eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen eines von der Massendurchfluss-Messeinrichtung gemessenen Massenstrom-Wertes vorgesehen sein. Dies ermöglicht es dem Bediener, seinerseits in Ergänzung zu der Steuerung oder alternativ zu der Steuerung regelnd über ein entsprechendes Ventil einzugreifen, wenn der Massenstromwert außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.
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Die Gasleitungseinrichtung kann eine Haupt-Gasleitung und eine parallel dazu vorgesehene Neben-Gasleitung aufweisen, wobei die Massendurchfluss-Messeinrichtung wahlweise sowohl in der Neben-Gasleitung als auch in der Haupt-Gasleitung angeordnet sein kann. Über entsprechende Korrekturwerte ist dann jeweils auf die Gesamtgasmenge rückzuschließen.
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Die Massendurchfluss-Messeinrichtung kann separat von der Gasverbrauchseinrichtung vorgesehen sein. Ebenso ist es möglich, die Messeinrichtung an der Gasvorratseinrichtung vorzusehen oder in die Gasverbrauchseinrichtung zu integrieren. Die Integration in die Gasverbrauchseinrichtung kann sinnvoll sein, wenn das Messverfahren mit der Ventileinrichtung kombiniert wird, um einen Regelkreis auszubilden.
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Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 den prinzipiellen Aufbau einer thermischen Massendurchfluss-Messeinrichtung;
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2 den schematischen Aufbau eines Gasverbrauchssystems mit der erfindungsgemäßen Gaszuführungsvorrichtung.
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1 zeigt in schematischer Form eine Gasleitung 1, in der ein Massenstrom m . eines Gases, z. B. eines Flüssiggases geführt wird. In der Gasleitung 1 ist ein thermischer Massendurchflussmesser 2 eingesetzt.
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Der Massendurchflussmesser 2 weist ein Heiz- oder Kühlelement 3, einen stromauf davon vorgesehenen ersten Temperatursensor 4 und einen stromab davon vorgesehenen zweiten Temperatursensor 5 auf.
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In dem Massendurchflussmesser 2 ist zudem eine Auswerteeinrichtung 6 vorgesehen. Darüber hinaus ist es noch möglich, weitere Messstellen zur Temperaturmessung vorzusehen, wenn dies die Messgenauigkeit erhöht.
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Das Heiz- oder Kühlelement 3 (je nach Anwendungsfall kann der Massenstrom aufgeheizt oder gekühlt werden) kann derart betrieben werden, dass sich eine konstante Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren 4, 5 einstellt. Dementsprechend steuert die Auswerteeinrichtung 6 das Heiz- oder Kühlelement 3 an, um diese konstante Temperaturdifferenz zu halten. Aus der dazu notwendigen Heiz- bzw. Kühlleistung kann dann in bekannter Weise auf den Massenstrom geschlossen werden.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, bei einer definierten, von der Auswerteeinrichtung 6 aufrechterhaltenen Heiz- bzw. Kühlleistung die auftretenden Temperaturdifferenzen zwischen den beiden Temperatursensoren 4, 5 auszuwerten und auf diese Weise auf den Massenstrom rückzuschließen.
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Der Massenstrom kann somit als Gasmasse pro Zeiteinheit bestimmt werden.
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2 zeigt in schematischer Form ein Gasversorgungs- bzw. -verbrauchssystem.
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Dabei verbindet die Gasleitung 1 einen als Gasvorratseinrichtung dienenden Flüssiggasvorrat 7 mit einem Gasverbraucher 8 (Gasverbrauchseinrichtung). Stromab von dem Flüssiggasvorrat 7 ist ein Druckregler 9 vorgesehen, mit dem der an dem Flüssiggasvorrat 7 anliegende, meist relativ hohe Druck auf einen geeigneten Betriebsdruck, z. B. 30 mbar geregelt wird.
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Stromab von dem Druckregler 9 ist ein Sperrventil 10, z. B. ein Magnetventil, angeordnet, das über eine Steuerung 11 ansteuerbar ist. Die Steuerung 11 vermag somit über das Sperrventil 10 die Gaszuführung zum Gasverbraucher 8 zu öffnen und zu schließen.
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Wiederum stromab von dem Sperrventil 10 ist der oben bereits erläuterte thermische Massendurchflussmesser 2 angeordnet, an den sich stromab eine über die Steuerung 11 ansteuerbare Ventileinrichtung 12 anschließt. Bei der Ventileinrichtung 12 kann es sich um ein Magnetventil, ein Regelventil (z. B. ein Proportionalventil) oder ein andersartiges Stellglied handeln.
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Stromab von der Ventileinrichtung 12 ist schließlich der Gasverbraucher 8, z. B. eine Heizung, eine Kühlvorrichtung (Klimaanlage, Kühlschrank) oder ein Reformer-Brennstoffzellen-System angeordnet. Bei dem Gasverbraucher 8 kann es sich insbesondere um Brenner (katalytisch, konventionell), Reformierreaktoren, Reaktionsräume von Brennstoffzellen oder Brennkammern von Motoren handeln.
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Wie oben bereits ausführlich erläutert, ist es möglich, mit Hilfe des Massendurchflussmessers 2 die Kohlenstoffmenge in dem über die Gasleitung 1 geführten Gas zu bestimmen und eine entsprechende Information an die Steuerung 11 zu übermitteln. Die Steuerung 11 steuert daraufhin die Ventileinrichtung 12 derart an, dass ein gewünschter Massenstrom erreicht wird. Dieser gewünschte Massenstrom wird z. B. aufgrund einer gewünschten Heizleistung (für eine Heizung) oder anhand eines gewünschten S/C-Verhältnisses für das Reformer-Brennstoffzellen-System vorgegeben.
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Die Komponenten Sperrventil 10, Steuerung 11, Massendurchflussmesser 2, Ventileinrichtung 12 und Gasverbraucher 8 können in Form eines Gasverbrauchssystems 13 integriert werden. Das Gasverbrauchssystem 13 enthält dann neben dem Gasverbraucher 8 selbst auch noch die weiteren Bestandteile, die zum Regeln des Massenstroms erforderlich sind.
