DE19737983C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Flüssigeisgemisches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Bestimmung der Konzentration eines Flüssigeis­ gemisches.

Flüssigeisgemische bestehen aus Suspensionen oder Mi­ schungen von Eiskristallen oder Eisstückchen in Flüssig­ keit (im weiteren als "Binäreisfluid" bezeichnet). Sol­ che zweiphasige Fluide dienen zum Kältetransport, zur Kältespeicherung und zur Kältenutzung. Bei diesen Flui­ den ist die genaue Kenntnis der Eiskonzentration zur Einhaltung und/oder Bestimmung aller Verfahrenspara­ meter in den Anlagen, in denen diese Flüssigeisgemische benutzt werden, wichtig. Die genaue Bestimmung der Eis­ konzentration in einem Binäreisfluid ist schwierig. Die Ermittlung der Eiskonzentration durch Messung der elek­ trischen Leitfähigkeit, wie sie aus der DE 43 25 793 C2 bekannt ist, ist nicht sehr genau und nicht auf jede Flüssigkeit anwendbar. Viskositätsmessungen sind - wenn überhaupt - schwierig durchzuführen. Auch der Druckab­ fall über eine festgelegte Entfernung ist kein geeigne­ tes Signal, da die Viskosität der Flüssigkeit auf der Temperatur, Menge und Qualität von Zusatzstoffen beruht.

Grund für die Anwendung eines Binäreisfluids ist die im Fluid enthaltene latente Energie (Schmelzenthalpie) des Eises. Diese ermöglicht die Reduzierung von Rohrlei­ tungsquerschnitten, die Verringerung von Pumpenergie, die Verkleinerung von Energiespeichern sowie die Ver­ ringerung von Wärmeaustauscherflächen.

Die Latentenergie von Binäreis kann nicht mit Tempera­ turfühlern bestimmt werden, da sich die Temperatur des Binäreises im Schmelzgebiet nicht (oder kaum) ändert. Daher wird eine andere Art der Eiskonzentrationsbestim­ mung notwendig.

Üblicherweise bestimmt man die Eiskonzentration von Binäreis nach der "kalorimetrischen" Methode. Hierbei wird ein Volumen des Binäreises gewogen und dessen Tem­ peratur bestimmt. Ein zweites Volumen hinreichend warmen Fluids (auch zum Beispiel Wassers) wird gewogen und des­ sen Temperatur bestimmt. Danach mischt man beide Volumi­ na und kann anhand der Mischungstemperatur auf die Eis­ konzentration zurückrechnen, sofern die Mischung kein Eis mehr enthält.

Diese Methode ist jedoch diskontinuierlich, zeitaufwen­ dig und eigentlich nur für eine manuelle Auswertung im Labormaßstab geeignet.

Aus der DE 43 25 794 C1 ist es bekannt, die Eiskonzen­ tration in einem Flüssigeisgemisch durch Messen des von diesem ausgeübten Drucks zu ermitteln.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Flüs­ sigeisgemisches zu schaffen, das an einer Rohrleitung angesetzt die Konzentration wenigstens in kurzen Abstän­ den bestimmen kann.

Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 bzw. durch eine mit den Merkma­ len des Anspruchs 3 gelöst.

Das vorgeschlagene Verfahren und die dazu geeignete Vor­ richtung lassen es zu, die Eiskonzentration automatisch sowie kontinuierlich oder diskontinuierlich zu bestim­ men. Dabei ist es möglich, die Eiskonzentration von Binäreis in Speichern und Rohrleitungen zu bestimmen.

Dabei wird ein Verfahren zur Bestimmung der Eiskonzen­ tration in einem Binäreisfluid verwandt, bei dem zu­ nächst ein Teilstrom aus dem zu messenden Fluß oder dem Speichervolumen ausgekoppelt wird, und dieser Auskop­ plungsstrom in einen Wärmetauscher bei gleichzeitiger Messung der Ein- und Austrittstemperaturen eingeführt wird, wo durch Erwärmung des Fluidstromes und einer wei­ teren Rückführung in den Wärmetauscher bei wiederum Mes­ sung der Ein- und Austrittstemperaturen des Rückfüh­ rungsstroms die Eiskonzentration mathematisch ermittelt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Dabei zeigt:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Eiskonzentrationsbestimmung an einer Rohrleitung, und

Fig. 2 die Anordnung der Vorrichtung von Fig. 1 an einem Speicherbehälter.

Die in der Fig. 1 dargestellte Rohrleitung 10 ist mit einer Einrichtung 12 zur Entnahme eines Teilstroms ver­ sehen, der diesen in eine Rohrleitung 14 ausbringt. Ein Temperaturfühler 15 an der Rohrleitung 14 mißt die Tem­ peratur des Binäreises. In einem Wärmetauscher 16 wird das Binäreis daraufhin aufgeschmolzen wobei die im Wär­ metauscher 16 übertragene Wärme groß genug sein muß, um das Eis völlig aufzuschmelzen. An der Ausleitung 18 ist daraufhin eisfreies Fluid vorhanden, dessen Temperatur gleich oder größer als die Temperatur am Eintritt in den Wärmetauscher 16 ist.

Ein weiterer Temperaturfühler 20 ist an der Rohrleitung am Austritt aus dem Wärmetauscher vorgesehen.

Das Fluid tritt sodann in einen zweiten Wärmetauscher 22 ein, in dem es durch eine externe Wärmequelle weiter er­ wärmt wird. Diese Wärmequelle kann z. B., wie in Fig. 1 dargestellt, ein weiterer Wasserkreislauf sein, bei dem Wasser erwärmt eintritt (Bezugszeichen 24) und entwärmt wieder austritt (Bezugszeichen 26).

Der ausgekoppelte Teilstrom wird dadurch von einer Tem­ peratur, die von dem Temperaturfühler 20 gemessen wurde, auf eine höhere Temperatur aufgewärmt, die von einem weiteren Temperaturfühler 28 vor einem Wiedereintritt in den Wärmetauscher 16 gemessen wird. Im Wärmetauscher verliert das Fluid wiederum Wärme und tritt mit einer geringeren Temperatur an einem Ort 30 aus. Der ausgekop­ pelte Teilstrom kann nun wieder über eine Einrichtung 32 in den Hauptstrom zurückgeführt werden und sich mit dem Binäreis vermischen.

Im Wärmetauscher 16 wird das erwärmte Binäreisfluid ab­ gekühlt, wobei es das gegenläufig strömende Binäreisflu­ id schmilzt (bzw. erwärmt), d. h. die Enthalpiedifferenz der Binäreisfluidströme zwischen den Punkten A und B und C und D sind gleich, obschon vom Vorzeichen verschieden.

Da der Binäreismassenstrom in der Meßapparatur unverän­ dert bleibt, ist es möglich, anhand der vier gemessenen Temperaturen die Eiskonzentrationen des Binäreises zu bestimmen. Eine Volumen- oder Massenstrommessung ist da­ bei unnötig.

Die Eiskonzentration errechnet sich hierbei nach folgen­ der Gleichung:

X_Eis = (t_C - t_D - t_B + t_A) . (cp_Fluid/h_Eis)

Dabei sind:
X_Eis die Eiskonzentration
t_C die Temperatur an der Stelle C
t_D die Temperatur an der Stelle D
t_B die Temperatur an der Stelle B
t_A die Temperatur an der Stelle A
cp_Fluid spezifische Wärmekapazität des Binäreisfluids
h_Eis die Schmelzenthalpie des Binäreises

Bei großen Rohrleitungen oder bei Eisspeichern ist eine kontinuierliche Entnahme eines kleinen Binäreismassen­ stroms zur Eiskonzentrationsbestimmung möglich, wenn die durch die Messung auftretende Energiezufuhr verhältnismä­ ßig klein ist und die Energiebilanz nicht nachhaltig stört.

Bei kleinen Rohrleitungen oder Speichern 34 kann man auf eine diskontinuierliche Messung ausweichen, wenn eine kontinuierliche Messung den Energiehaushalt zu sehr stö­ ren würde.

Die Beheizung des Wärmeaustauschers 22 kann sowohl durch erwärmtes Fluid (z. B. Wasser, ggf. Kühlwasser des Kon­ densators der Kältemaschine) oder auch elektrisch erfol­ gen.

Claims (3)

1. Verfahren zur Bestimmung der Eiskonzentration in einem Flüssigeisgemisch (Binäreisfluid), gekennzeichnet durch

• 1. Auskoppeln eines Teilstroms des Fluids und Einführen und Erwärmen des Teilstroms in einen Wärmetauscher (16) bis zum vollständigen Aufschmelzen unter Mes­ sen der Eintrittstemperatur t_A und der Austritts­ temperatur t_B,
• 2. weiteres Erwärmen des Fluidstromes des Fluids durch eine externe Wärmequelle und Rückführen des Teil­ stroms durch den Wärmetauscher (16) unter Messen der Eintrittstemperatur t_C und der Austrittstempe­ ratur t_D des rückgeführten Teilstroms, und

Berechnen der Eiskonzentration nach der Gleichung
X_Eis = (t_C - t_D - t_B + t_A) (cp_Fluid/h_Eis),
wobei
cp_Fluid die spezifische Wärmekapazität des Binäreisfluids und
h_Eis die Schmelzenthalpie des Binäreises
sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen des Eises in einem zweiten Wärme­ tauscher (22) erfolgt.

3. Vorrichtung zur Bestimmung der Eiskonzentration in einem Flüssigeisgemisch (Binäreisfluid), gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (12) zum Auskoppeln eines Teilstroms des Binäreisfluids,
einen ersten Wärmetauscher (16), durch den der Teil­ strom hindurchgeführt wird,
einen zweiten Wärmetauscher (22), in dem der durch den ersten Wärmetauscher (16) unter vollständigem Auf­ schmelzen geführte Teilstrom weiter aufgewärmt und sodann durch den ersten Wärmetauscher (16) rückgeführt wird, und
an den vier Ein- und Austrittsstellen des ersten Wärme­ tauschers (16) angeordnete Temperaturfühler (15, 20, 28, 30).