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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Durchflusses von dampf- oder gasförmigen Stoffen durch eine Rohrleitung.
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In Produktionsabläufen, bei denen Dampf in Form von Heiß-, Satt- oder Nassdampf benötigt wird, wird zur Dampferzeugung meist ein herkömmlicher Dampferzeuger (Schnelldampferzeuger oder Dreizugkessel) verwendet. Nach Erzeugung des Dampfes wird dieser durch geeignete Verteilsysteme zu den einzelnen Verbrauchern geführt. In einfachen Prozessabläufen genügt dabei häufig schon eine druckgeregelte Dampfentnahme aus dem Verteilsystem.
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In vielen Fällen wird jedoch eine mengenmäßige Steuerung bevorzugt, um besonders sensible Prozessabläufe optimal steuern zu können. Aber auch in einfachen Prozessen wird gerne auf die Erfassung der Dampfmassenströme zurückgegriffen, um Aussagen hinsichtlich einer möglichen Energieeinsparung bei einzelnen Verbrauchern machen zu können. Hier ist dann eine meist aufwendige Messereinrichtung erforderlich.
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Aus der Praxis ist bekannt, für die Dampfmassenstrommessung Blendenmessungen, Messungen mit Störkörpern (VORTEX-Verfahren) oder Messungen durch gezielt geformte Störkegel (V-Konus) durchzuführen. Die genannten Messeinrichtungen weisen verschiedene Vor- und Nachteile auf.
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So ist z. B. bei einer Blendemessung mittels einer festen Meßblende eine genaue Messung nur im Bereich eines Auslegungsmassenstroms der Meßblende möglich.
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Bei Messungen mit Drall- und Wirbel-Durchflussmesser nach dem VORTEX-Prinzip bereiten die durch Prozessabläufe hervorgerufenen Vibrationen auf den Rohrleitungen erhebliche Messprobleme.
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Nachteile, die alle Messverfahren gleichermaßen aufweisen, sind jedoch erst einmal der zusätzliche Kostenaufwand für die Meßblenden, Störkörpereinrichtungen und Störkegel, die zusätzlichen Montagekosten sowie ein unnötiger Druckverlust beim Verteilen des Dampfes.
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Aus der
DE 23 13 099 B2 ist Meßgerät zur Durchflußmessung von siedenden oder schwach unterkühlten Flüssigkeiten bekannt, wobei das Meßgerät eine variable Drosselstelle besitzt und der Massendurchfluß aus einer oder mehreren Wirkdruckmessungen an verschiedenen Drosselöffnungen unter Berücksichtigung der Abweichungen vom thermodynamischen Gleichgewicht bestimmt wird.
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Die
US 4,918,994 A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer Gasmenge, die durch eine Rohrleitung mit einer einstellbaren Drosselstelle fließt, die eine Anzahl an auswählbaren unterschiedlichen Drosselflächen aufweist, wobei jeder ein Paar aus einem oberen Druckdifferenz-Grenzwert und einem unteren Druckdifferenz-Grenzwert zugeordnet ist, wobei das Grenzwertepaar einen Bereich an messbaren Druckdifferenzwerten bereitstellt, umfassend Messung der Druckdifferenz über die Drosselstelle hinweg, Auswahl einer größeren oder kleineren Drosselfläche, wenn die gemessene Druckdifferenz größer oder kleiner ist als der obere Druckdifferenz-Grenzwert bzw. der untere Druckdifferenz-Grenzwert der aktuell ausgewählten Drosselfläche, und Bestimmen der Gasmenge durch Berechnung des Produkts der tatsächlichen Druckdifferenz und einem Faktor, der von der aktuell ausgewählten Drosselfläche abhängt.
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Gemäß der
DE 195 08 319 C2 sind zur Regelung von Fluidströmen Absperr- und Regelorgane wie Drehklappen oder Kugelhähne vorgesehen, die die Fluidströmung in ihrem voll geöffneten Zustand umlenkungsfrei durchlassen. Eine Steuereinrichtung steuert die Drehklappe oder den Hahn über ein Transformationsmittel und eine Antriebseinrichtung. Das Transformationsmittel kompensiert die nichtlineare Kennlinie, so daß sich aus Sicht der Steuereinrichtung eine lineare Durchlaßkennlinie ergibt. Eine solche Einrichtung wird zur Einstellung von Fluidströmen in Systemen wie bspw. einem Wärmeversorgungssystem verwendet. Das Zusammenwirken der Transformationseinrichtung mit der Drehklappe oder dem Hahn ermöglicht die Verwendung als Stellglied in einer Regeleinrichtung.
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Und aus der
US 6,065,492 A ist ein Gas-Stellventil bekannt, mit dem ein Massenstrom gemessen werden kann und bei dem ein Strömungsgleichrichter in einem Eintrittskanal, eine Röhre zum Verlängern des Eintrittskanals in das Ventil hinein, eine Ventilelement-Austrittsöffnung mit geeignet abgerundeten Kanten und ein Strömungsstabilisator in dem Ventil-Austrittskanal verwendet wird. Unmittelbar stromaufwärts des Strömungsgleichrichters und stromabwärts des Strömungsstabilisators sind Druckmessanschlüsse angeordnet. Dies ermöglicht, den Durchfluss nicht mittels der Formeln zu steuern, die herkömmlicher Weise für die Ventildimensionierung verwendet werden, sondern mittels Formeln, die von genaueren Formeln abgeleitet sind, die zur Durchflussberechnung mit Standardelementen mit einem unveränderbaren Drosseltyp verwendet werden.
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Auf den Seiten 50–53 von K. W. Bonfig, „Durchflußmessung von Flüssigkeiten und Gasen“, expert verlag, 1990, ISBN 3-818169-0654-0 ist das Prinzip von Wirkdruckverfahren beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Durchflusses von dampf- oder gasförmigen Stoffen durch eine Rohrleitung zur Verfügung zu stellen, welche eine hohe Genauigkeit ermöglichen und Kosten verringern.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 6.
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Gemäß der Erfindung ist bei einer Vorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses von dampf- oder gasförmigen Stoffen durch eine Rohrleitung, mit einer in die Rohrleitung eingebauten Drosselstelle, einem stromauf der Drosselstelle angeordneten ersten Drucksensor und einem stromab der Drosselstelle angeordneten zweiten Drucksensor, wobei der Durchfluß anhand eines Differenzdruckes zwischen dem ersten und dem zweiten Drucksensor ermittelt wird, vorgesehen, daß als Drosselstelle ein Stellventil verwendet wird, dessen Öffnungsquerschnitt über einen Stellungsmelder ermittelbar ist. Dadurch kann zur Messung auf zusätzliche Störstellen wie Meßblenden, Störkörper und Störkegel verzichtet werden, so daß auch ein mit diesen verbundener Aufwand und mit diesen verbundene Druckverluste vermieden werden. Es werden also keine zusätzlichen Messeinrichtungen in der Rohrleitung benötigt, um Dampfmassenströme zu ermitteln. Vielmehr erfolgt die Messung, insbesondere von Heiß- und Sattdampf, vorzugsweise Sattdampf über den Differenzdruck an zur Dampfverteilung vorhandenen und genutzten Stellventilen.
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Ferner ist erfindungsgemäß ein Rechenmodul vorgesehen, mit dem der aktuelle Durchfluß in Abhängigkeit vom Öffnungsquerschnitt und vom Differenzdruck von einer Auswerteeinheit berechenbar ist, wobei die Berechnung nach folgender Formel erfolgt: W = KvN6εKY[(P1 – P2)δ1]1/2[kg/h] In dieser Formel bedeuten:
- W
- = Massendurchfluß [kg/h]
- Kv
- = Durchlußkoeffizient [m3/h]
- N6
- = numerische Konstante zur Korrektur der Einheit
- εK
- = Faktor zur Geometrieanpassung
Ventil zur Einbausituation [1]
- Y
- = Expansionsfaktor [1]
- δ1
- = Fluiddichte bei P1 und t1 [kg/m3];
wobei das Rechenmodul (26) auf Daten einer Datenbank (24) zurückgreift, in der ein oder mehrere Durchfluß-Kennlinien des Stellventils abgelegt sind, derart, dass aus einem Wert für einen gegebenen Verstellweg der Kv-Wert ausgelesen werden kann, und
in der Datenbank Durchflußwerte in Abhängigkeit vom Öffnungsquerschnitt und vom Differenzdruck abgespeichert sind, wobei deren Daten mit der Auswerteeinheit auswertbar sind.
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Eine Datenbank, in der Durchflußwerte in Abhängigkeit vom Öffnungsquerschnitt und vom Druckverlust abgespeichert sind, die sich durch eine Art Eichung der Vorrichtung einfach erstellen läßt, ermöglicht es, unterschiedlichste Stellventile im Zusammenhang mit der Erfindung zu verwenden, ohne im Einzelfall das jeweilige Ventil einer genauen Analyse über seine gesamten Wirkungsweisen zu unterziehen. Um die Erfindung mit einem Stellventil nutzbar zu machen, ist lediglich eine Analyse des KVS-Wertes durchzuführen.
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Bei dem Rechenmodul, mit dem der aktuelle Durchfluß in Abhängigkeit vom Öffnungsquerschnitt und vom Differenzdruck berechenbar ist, kann auf bekannte Rechenalgorithmen zur Auslegung von Stellventilen zurückgegriffen werden.
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Vorzugsweise ist der Stellungsmelder zur Ermittlung des Öffnungsquerschnittes derart ausgestaltet, daß mit diesem eine Hubstangen- oder Spindelstellung des Stellventiles überwachbar ist. Solche Sensoren sind problemlos applizierbar und mit geringen Kosten verbunden. An ihnen läßt sich darüber hinaus deren Funktion visuell überprüfen.
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Um die Meßgenauigkeit zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein erster, vorzugsweise ein erster und ein zweiter Temperaturfühler stromauf und/oder stromab des Stellventiles angeordnet sind, deren Meßdaten von der Datenbank bzw. dem Rechenmodul berücksichtigt werden. Auch solche Temperaturfühler sind in bestehenden Verteilsystemen schon vorhanden, so daß auch deren Einsatz im Zusammenhang mit der Erfindung nur einen geringen Mehraufwand bedeutet.
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Wenn neben der Bestimmung eines Massestromes die Masse selbst bestimmt werden soll, ist es vorteilhaft, wenn an der Vorrichtung eine Zeiterfassungseinrichtung vorgesehen ist, mit der aus dem Durchfluß (Massestrom) eine Durchflußmenge ermittelbar ist.
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Grundsätzlich ist die Vorrichtung für verschiedene strömende Medien verwendbar. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, die Datenbank bzw. das Rechenmodul zur Bestimmung des Durchflusses von Sattdampf auszulegen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung des Durchflusses von dampf- oder gasförmigen Stoffen durch eine Rohrleitung, wird mit einem stromauf einer Drosselstelle angeordneten ersten Drucksensor ein erster Druckwert ermittelt, und mit einem stromab der Drosselstelle angeordneten zweiten Drucksensor ein zweiter Druckwert ermittelt, wobei der Durchfluß anhand eines aus dem ersten und dem zweiten Druckwert ermittelten Differenzdruckes zwischen dem ersten und dem zweiten Drucksensor ermittelt wird, und der Öffnungsquerschnitt eines als Drosselstelle vorgesehenen Stellventiles mit einem Stellungsmelder ermittelt wird.
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Ferner ist erfindungsgemäß ein Rechenmodul vorgesehen, mit dem der aktuelle Durchfluß in Abhängigkeit vom Öffnungsquerschnitt und vom Differenzdruck von einer Auswerteeinheit berechnet wird, wobei die Berechnung nach folgender Formel erfolgt: W = KvN6εKY[(P1 – P2)δ1]1/2[kg/h] In dieser Formel bedeuten:
- W
- = Massendurchfluß [kg/h]
- Kv
- = Durchlußkoeffizient [m3/h]
- N6
- = numerische Konstante zur Korrektur der Einheit
- εK
- = Faktor zur Geometrieanpassung
Ventil zur Einbausituation [1]
- Y
- = Expansionsfaktor [1]
- δ1
- = Fluiddichte bei P1 und t1 [kg/m3];
wobei das Rechenmodul auf Daten einer Datenbank zurückgreift, in der ein oder mehrere Durchfluß-Kennlinien des Stellventils abgelegt sind, derart, dass aus einem Wert für einen gegebenen Verstellweg der Kv-Wert ausgelesen wird; und
aus der Datenbank, in der Durchflußwerte in Abhängigkeit vom Öffnungsquerschnitt und vom Differenzdruck abgespeichert sind, der aktuelle Durchfluß ausgelesen wird.
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Insbesondere wird gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung mit dem Stellungsmelder zur Ermittlung des Öffnungsquerschnittes eine Hubstangen- oder Spindelstellung des Stellventiles überwacht.
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Die Meßgenauigkeit des Verfahrens läßt sich dadurch erhöhen, daß mit einem ersten, vorzugsweise mit einem ersten und einem zweiten Temperaturfühler stromauf und/oder stromab des Stellventiles Meßdaten ermittelt werden, die von der Datenbank bzw. dem Rechenmodul berücksichtigt werden.
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Wenn eine Zeiterfassungseinrichtung verwendet wird, läßt sich aus dem Durchfluß eine Durchflußmenge ermitteln.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen.
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Es zeigen:
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1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine schematische Darstellung eines Stellventiles gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zur Verwendung in der Vorrichtung gemäß 1,
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3 eine schematische Darstellung einer Kennlinie des Stellventiles in 2, wobei der Kv-Wert über dem Öffnungsverhältnis (Ventilhub) dargestellt ist, und
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4 eine schematische Kennlinie eines Stellventiles gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform zur Verwendung in der Vorrichtung gemäß 1.
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Die in 1 gezeigte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Bestimmung des Durchflusses von dampf- oder gasförmigen Stoffen durch eine Rohrleitung 12 verwendet ein in der Rohrleitung 12 vorhandenes Stellventil 14, dessen Öffnungsquerschnitt über eine Ventilspindel 16 einstellbar ist. Dabei wird über einen Stellungsmelder 18 der Verstellweg x der Ventilspindel 16 erfaßt und über eine Datenleitung 20 einer Auswerteeinheit 22 zugeführt.
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Die Auswerteeinheit 22 weist eine Datenbank 24 sowie ein Rechenmodul 26 auf, um aus dem ermittelten Öffnungsquerschnitt den Durchfluß zu ermitteln, was entweder durch Auslesen von Daten aus der Datenbank 24 oder durch Berechnung mittels des Rechenmodules 26 erfolgen kann wobei das Rechenmodul auch auf Daten der Datenbank 24 zurückgreifen kann. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, werden erfindungsgemäß beide Ermittlungsmethoden verwendet, wobei die sich so ergebenden Durchflußwerte gemittelt oder geeignet gewichtet miteinander verknüpft werden können.
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Die Auswerteeinheit 22 weist ferner eine Zeiterfassungseinrichtung 28 auf, mit der aus einem sich ggf. auch zeitlich ändernden Durchfluß eine Durchflußmenge ermitteln läßt.
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Um den Durchfluß gasförmiger Stoffe zu ermitteln, werden neben dem Öffnungsquerschnitt des Stellventiles 14 über einen ersten Drucksensor 30 ein erster Druck p1 stromauf des Stellventiles 14 und über einen zweiten zweiter Drucksensor 32 ein Druck p2 stromab des Stellventiles 14 ermittelt und über Datenleitungen 34, 36 der Auswerteeinheit 22 zugeführt. Ferner werden insbesondere bei der Verwendung der Vorrichtung für Wasserdampf über einen ersten und einen zweiten Temperaturfühler 38, 40 eine erste bzw. eine zweite Temperatur t1, t2 erfaßt und der Auswerteeinheit 22 über Datenleitungen 42, 44 zugeführt.
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Das in 2 im Detail gezeigte Stellventil 14 weist einen Parabolkegel 46 auf, wobei der Öffnungsquerschnitt über die Ventilspindel 16, die in einer Spindelführung 48 geführt ist, verstellbar ist.
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Der sich aus der Öffnungsstellung ergebende Durchfluß kann durch eine Art Eichvorgang bei verschiedenen Drücken und Temperaturen ermittelt und in einem oder mehreren Kennfeldern oder als Datensatz in der Datenbank 24 abgelegt werden. 3 zeigt schematisch eine Kennlinie 50 eines solchen Kennfeldes, wobei es sich um eine gleichprozentige Kennlinie mit einem Stellverhältnis 50:1 handelt. In dem Kennfeld kann mit der Kennlinie 50 aus einem Wert für den Verstellweg x, der in Prozent normiert sein kann, der Kv-Wert ausgelesen werden, der ebenfalls normiert sein kann.
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Zum Einsatz im Rahmen der Erfindung sind Einsitz-Durchgangsventile mit V-Sitzkegel oder Parabolkegel besonders geeignet. Es können jedoch auch Scheibenventile verwendet werden. Als besonders geeignet haben sich Stellventile mit Parabolkegel erwiesen. Neben den Ventilen mit gleichprozentiger Kennlinie 50, wie in 3 gezeigt, haben sich Stellventile mit einer linearen Kennlinie 52, wie in 4 gezeigt, als geeignet erwiesen. Zur Reproduzierbarkeit der Kennlinie auf verschiedene Ventil-Baugröße (DN 20/25/32 etc.) sind sowohl der KV-Wert wie auch der Hub auf 100 % normiert. Für genauere Betrachtungen, wie hier für Messzwecke, müssen diese Kennlinien jedoch für die entsprechenden Baugrößen einmalig auf einem Prüfstand ermittelt werden. Der Kv-Wert bezeichnet dabei den Durchfluss in m3/h von Wasser bzw. allg. einer Flüssigkeit der Dichte p = 1000 kg/m3 und der kinematischen Viskosität v = 10–6 m2/s, der bei einem Druckverlust von 1 bar durch das Ventil bei dem jeweiligen Stellweg hindurchgeht. Zur Berechnung des Durchflusses wird über den vom Stellungsmelder ermittelten Hub der jeweilige Kv-Wert ermittelt und damit nach Berechnungsformeln, wie der oben genannten ermittelt.
