DE2330498A1

DE2330498A1 - Verfahren und vorrichtung zur messtechnischen ermittlung von waermemengen

Info

Publication number: DE2330498A1
Application number: DE19732330498
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Nenning
Original assignee: CENTRA BUERKLE KG ALBERT
Current assignee: CENTRA BUERKLE KG ALBERT
Priority date: 1973-06-15
Filing date: 1973-06-15
Publication date: 1975-01-09
Also published as: DE2330498C2

Description

Dr.-ing. DipL-Phye. OSKAR KÖNIG Patentanwalt Deutsche Bank AG Stuttgart Telefon: (07 H) 62 85 64 Konto Nr. 89 / 00 300 Telegramm: Koenigpat ?000 8TUTTGART-1, Klüpfeletraße 6 Poetecfaeck 8tgt. 84919

Postfach 51

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ZENTRA Albert Bürkle Kommanditgesellschaft Schönaich

Verfahren und Vorrichtung zur messtechnischen Ermittlung von Wärmemengen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur messtechnischen Ermittlung von Wärmemengen, die zwischen einer Vorlauf- und Rücklaufleitung aus einem diese Leitungen durchströmenden Wärmeträger abgeführt oder diesem zugeführt werden, wobei diese Wärmemengen ermittelt werden aua der zeitlichen Strömungsmenge

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des Wärmeträgers multipliziert mit der Temperaturdifferenz des Wärmeträgers in der Vorlauf- und Rücklaufleitung, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Dieses Verfahren wird normalerweise in Verbindung mit Wärmezählern angewendet, bei denen die ermittelte-zeitliche Wärmemenge über längere Zeiträume, beispielsweise während einer Heizungsperiode, d. h. im allgemeinen über mehrere Monate hinweg integriert bzw. summiert und mittels eines Zählers angezeigt wird.

Es ist bekannt, die zeitliche Strömungsmenge des Wärmeträgers mittels Flügelrad- oder Turbinenzählern zu ermitteln, und den jeweiligen Meßwert mittels eines Rechenwerkes mit der Temperaturdifferenz des Wärmeträgers in der Vorlauf- und Rücklaufleitung zu multiplizieren und den Multiplikationswert fortlaufend zu zählen. Nachteilig ist die relativ große üngenauigkeit derartiger Vorrichtungen, die sich im Laufe der Zeit noch beträchtlich erhöhen kann, indem die Lagerung des Flügelrades oder der Turbine schwergängiger wird oder durch Ablagerungen in den Messquerschnitten, deren lichte Weite sich ändert. Mangels ähnlich kostengünstiger Wärmezähler der vorgenannten Art haben sie sich trotz ihrer erheblichen Mängel in größerem Umfange eingeführt. Es ist für WärmemengeηζMhler, die sehr große Wärmemengen zu zählen haben, auch bekannt, anstelle des Flügelrades oder der Turbine einen induktiven Durchflussmesser vorzusehen, der jedoch sehr teuer ist und überdies störanfällig gegen vagabundierende Ströme und magnetische Störfelder ist.

überdies liegt das Hauptanwendungsgebiet von Wärmezählern auf dem Gebiet der Heizungs- und Klimatechnik, wo der Wärmeträger in der Regel Wasser ist, welches durch Leitungskorrosion und dergleichen im Laufe der Zeit sehr stark verschmutzt und auch in dieser Hinsicht Schwierigkeiten bei der Schaffung genauer Messvorrichtungen bereitet.

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Bei der Ermittlung der zeitlichen Wärmemenge bereitet es keine Schwierigkeiten, die Temperaturdifferenz des Wärmeträgers in der Vorlaufleitung und Rücklaufleitung genau zu messen. Mit diesem Messwert muß jedoch in einer Rechenschaltung oder mittels eines Rechenwerkes die zeitliche Strömungsmenge des Wärmeträgers multipliziert werden. Die Multiplikation bereitet auch keine Schwierigkeiten, jedoch bereitet es Schwierigkeiten, diese zeitliche Strömungsmenge genau genug zu ermitteln, insbesondere bei Wärmezählern für Heizungs- oder Klimaeinrichtungen, wo die Verschmutzung des Wärmeträgers und damit der Messvorrichtung bei den bekannten Verfahren zu beträchtlichen Fehlern führen kann.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Möglichkeit zu schaffen, um bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die zeitliche Strömungsmenge auf betriebssichere, verschmutzungsunempfindliche Weise verhältnismäßig genau zu ermitteln.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die zeitliche Strömungsmenge des Wärmeträgers aus Temperaturdifferenzen ermittelt wird, näm-

, , , „ , „ ,vprzuasweise. der Gesamtmenge lieh aus der Änderung der Temperatur des wSrmetragers befvorbeigang oder bei Durchgang durch eine wärmeleitende Festkörper-Brücke, die von einem immateriellen Wärmestrom durchströmt wird, der vorzugsweise zwischen Vorlauf- und Rücklaufleitung strömt und ferner durch mindestens eine in der Festkörper-Brücke in Richtung des Warmestromes auftretende Temperaturdifferenz.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird die zeitliche Strömungsmenge ausschließlich aus einfach zu messenden Temperaturdifferenzen ermittelt, wobei diese Temperaturdifferenzen in eine Rechenschaltung oder ein Rechenwerk eingegeben werden, die sie rechnerisch verarbeiten. Einige geeignete Gleichungen sind weiter unten aufgeführt.

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Grundsätzlich geht die Erfindung hierbei von folgender Überlegung aus. Wenn man dem Wärmeträger über eine die Wärme leitende Festkörper-Brücke, d. h. immateriell: Wärme entzieht oder Wärme zuführt, dann ändert sich die Temperatur des Wärmeträgers, ohne ihn in anderer Weise zu beeinflussen. Die Temperaturdifferenz läßt sich genau messen. Falls man dann noch ebenfalls durch Temperaturmessung ermittelt, welcher Wärmestrom die Brücke durchströmt, dann kann man auch diese Größe dank der Temperaturmessung recht genau ermüteln und es läßt sich rechnerisch zeigen, daß sich aus diesen Temperaturdifferenzen die zeitliche Strömungsmenge des Wärmeträgers berechnen läßt. Damit ist eine einfache und recht genaue Ermittlung der zeitlichen Strömungsmenge durch das erfindungsgemäße Verfahren gegeben, ohne daß diese Meßvorrichtung bewegliche Teile oder störungsempfindliche Teile haben muß, sondern alle fürjdie Durchführung dieses Verfahrens benötigten Teile können von robuster, unbeweglicher Bauart sein und sind auch verschmutzungsunempfindlich, da die zeitliche Strömungsmenge, wie nachfolgend noch abgeleitet wird, sich durch Dividieren der in der Brücke gemessenen Temperaturdifferenz durch die beim Vorbeigang des Wärmeträgers an der Brücke ergebende Temperaturdifferenz berechnen läßt. Damit spielt der Wärmeübergang an der Grenzfläche Wärmeträger/Brücke keine Rolle, denn, falls sich dieser Wärmeübergang durch Ablagerungen oder dergleichen verschlechtern sollte, dann vermindert sich zwar die in der Brücke gemessene Temperaturdifferenz und damit der Wärmestrom, jedoch vermindert sich auch die Temperaturänderung des Wärmeträgers in proportional genau demselben Maße.

Dieses Verfahren ist damit auch fälschungssicher. Und zwar besteht bei Wärmezählern an sich die Gefahr, daß Benutzer versuchen, die !Einrichtung so zu beeinflussen, daß sich ein zu niedriger Zählwert wegen der Abrechnung ergibt. Da die Temperaturmesstellen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne weiteres

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von außen nicht zugänglich angeordnet werden können, sind Fälschungen nicht möglich.

Vorzugsweise verbindet die wärmeleitende Brücke die Vorlaufleitung mit der Rücklaufleitung. Da die Brücke ohne Schwierigkeiten gegen die äußere Umgebung wärmeisoliert werden kann, geht in diesem Falle keine Wärme in dem betreffenden Kreislauf des Wärmeträgers verloren.

Das Verfahren läßt sich jedoch ggf. - wenn auch im allgemeinen weniger günstig - so ausführen, daß die Brücke nicht zur Rücklaufleitung führt, sondern beispielsweise frei in einem Gebäuderaum, Kellerraum oder dergleichen oder an einer sonstigen Stelle endet, beispielsweise an einer Kaltwasserleitung. In diesem Fall ist jedoch die die Brücke durchströmende Wärme Verlustwärme.

Die die Brücke in der Zeiteinheit, z. B. in einer Stunde durchströmende Wärmemenge φ ergibt sich bekanntlich zu:

(1) φ β kF (T₅ - T₆)

Es bedeuten: F « der Querschnitt der Brücke senkrecht zur

Richtung des Wärmestromes k = Wärmedurchgangszahl der Brücke Tg, Tg β die Temperaturen an zwei in Richtung des Wärmestromes im Abstand voneinander befindlichen Temperaturmeßstellen innerhalb der Brücke.

Die zeitliche Strömungsmengeφ ergibt sich dann für den Fall einer Temperaturdifferenzmessung am in der Vorlaufleitung strömenden Wärmeträger zu:

409882/0150 " ⁶ "

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<²> ft β : Fk

^Tl ^r <?2 ^Τ2 ?1 ^Τ1 - f2 ^T2

Es bedeuten:

fir P2 — spezifische Wärme des Wärmeträgers bei der Temperatur T, bzw. T₂.

T^ = Temperatur des Wärmeträgers stromaufwärts der Brücke, T₂ = Temperatur des Wärmeträgers stromabwärts der Brücke»

Da die Wärmedurchgangs ζ ah], k nur abhängig von den geometrischen Eigenschaften der Brücke und ihrer materialbedingten Wärmeleitfähigkeit λ ist, 1st k bei Anordnung der Temperaturmeßstellen innerhalb der Brücke konstant und unabhängig von den schwer zu erfassenden und sich in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und im Laufe der Betriebszeit zusätzlich ändernden Bedingungen an den Wärmeübergangsstellen zwischen Wärmeträger und Brücke.

Die spezifische Wärme- von Wärmeträgern, wie insbesondere von Wasser, ändert sich in den normalerweise infrage kommenden Temperaturbereichen nur sehr geringfügig, so daß man die spezifische Wärme im allgemeinen als konstant ansetzen kann. Falls man den Einfluß der Änderung der spezifischen Wärme oder aber auch eine ggf. vorhandene Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit der Brücke von der Temperatur jedoch ganz oder teilweise kompensieren will, kann man dies unter entsprechender Vergrößerung des baulichen Aufwandes dadurch tun, indem man mindestens einen Absolutwert einer Temperatur des Wärmeträgers uöd/oder der Brücke mißt und in Abhängigkeit dieses Temperaturwertes in die Rechenschaltung eine oder mehrere geeignete, von dieser Temperatur abhängigen Korrekturgrössen eingibt.

Eine andere besonders vorteilhafte Möglichkeit, den Einfluß der spezifischen Wärme auf die Meßgenauigkeit zu reduzieren,

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besteht darin, für den oder die Werkstoffe der Brücke Materialien auszuwählen, deren Wärmeleitzahl so abhängig von der Temperatur ist, daß sich eine zumindest teilweise Kompensation der Auswirkung der temperaturabhängigen Änderung der spezifischen Wärme auf das Meßergebnis ergibt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch deshalb gute Messgenauigkeiten erzielen, weil es nicht notwendig ist, nur einen abgespaltenen Teilstrom des Wärmeträgers an der Brücke entlang zu führen. Jede solche Abspaltung bringt

Ungenauigkeiten im Verhältnis der zeitlichen Strömungsmenge des abgespaltenen Stromes des Wärmeträgers zu dem restlichen Strom mit sich.. . Es wird deshalb vorzugsweise der Gesamtstrom des Wärmeträgers an der Brücke entlang geführt, vorzugsweise durch die Brücke hindurchgeführt, obwohl man in manchenJFällen auch mit Teilströmen arbeiten kann. Die die zeitliche Strömungsmenge des Wärmeträgers ergebenden Temperaturdifferenzen sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durcheinander zu dividieren, siehe Gleichung (2). Um die zeitliche Wärmemenge Q zu ermitteln, muß ferner die rechte Seite der Gleichung (2) noch mit der Temperaturdifferenz des Wärmeträgers in der Vor- und Rücklaufleitung multipliziert

werden, im Falle der vorzugsweise vorgesehenen Messung am Gesasitstrom des Wärmeträgers ergibt sich dann folgende Gleichung:

(3) _n _ «_ ^(T5 - ^T6> < ?2 ^T2 - {3

Fk-

f 1 ^Tl - f2 ^T2

■ Temperatur des Wärmeträgers im Heizungsrücklauf stromaufwärts der Brücke

■ spezifische Wärme des Wassers bei der Temperatur T₃

Die spezifischen Wärmen ^₁, P₂ ^und f2' f 3 ^können jeweils zu mittleren spezifischen Wärmen £>₁₂ bzw. P ₂₃ zusammengefaßt werden, so daß sich dann folgende Gleichung aus der Gleichung (3)

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ergibt

φ= . Pk

(O₂₃ (T₅ - T₆) (T₂ - T₃)

12 (T₁ - T₂)

Im allgemeinen kann die spezifische Wärme des Wärmeträgers in den infrage kommenden Temperaturbereichen näherungsweise jeweils konstant angesetzt und, sofern sie in den Gleichungen sowohl oberhalb als auch unterhalb eines Bruchstriches durcheinander dividierbar auftritt, kann dieses Verhältnis in der Regel ohne nennenswerten Fehler gleich 1 gesetzt werden, wodurch in den Gleichungen (3) bis (6) sich die spezifische Wärme heraushebt, d. h. nicht mehr auftritt.

Für den Fall, daß die Brücke in wärmeleitender Verbindung mit dem Wärmeträger in der Rücklaufleitung steht, kann anstelle der Gleichung (4) auch eine Messung gemäß folgender Gleichung vorgenommen werden:

^₂₃ (T₅ - T₆) (T₂ - T₃)

Hierin bedeuten: ^34 ^β spezifische Wärme des Wärmeträgers

bei einer Temperatur in der Mitte zwischen den Temperaturen T₃ und T4

T4 s= Temperatur des Wärmeträgers in der

Rücklaufleitung stromabwärts der Brücke,

Auch hier können die spezifischen Wärmen des Wärmeträgers in der Regel als konstant und vorzugsweise in ihrem Verhältnis gleich 1 angesetzt werden.

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Es ist natürlich auch nöglich, wenn die Brücke die Vorlauf leitung mit der Rücklaufleitung verbindet, gemäß folgender Gleichung zu messen und rechnen:

(6) _{Q Πί} f 23 <^T5 - V <^T2 -

" ^T2> + f 34

Diese Gleichung machtj^doch eine weitere Temperaturmeßstelle erforderlich, da die Änderung der Temperatur des Wärmeträgers beim Vorbeigang an der Brücke sowohl in der Vorlaufleitung als auch in der Rücklaufleitung gemessen wird. Es sind deshalb die Gleichungen (4) bzw. (5) an sich günstiger, - auch wenn, wie bevorzugt vorgesehen, die Brücke Vor- und Rücklaufleitung verbindet - da hier die Änderung der Temperatur des Wärmeträgers beim Vorbeigang an der Brücke nur in der Vorlaufleitung bzw. nur in der Rücklaufleitung gemessen wird.

In der Wärmedurchgangszahl k ist die Wärmeleitzahl Λ mit enthalten. Es ist deshalb zumindest dann, wenn die Wärmeleitzahl nicht absichtlich temperaturabhängig zur Kompensation des Einflusses der temperaturabhängigen spezifischen Wärme des Wärmeträgers temperaturabhängig gewählt wird, zweckmäßig, einen Werkstoff oder Werkstoffe für die Brücke zu verwenden, deren Wärmeleitfähigkeit in dem in Frage kommenden Temperaturbereich konstant ist, d. h. nicht temperaturabhängig ist.

Das ist beispielsweise im Bereich von O...1OO⁰ C der Stahl Nr. 5 in der Tabelle 241X2 in dem Fachbuch D¹ANS-LAX "Taschenbuch für Chemiker und Physiker", 3. Auflage (1967), Band I, Seite 1 - 694.

Im allgemeinen ist es erwünscht bzw. wird verlangt, daß die

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Wärmemenge über längere Zeiträume gezählt wird. Dies kann auf irgendeine übliche Weise erfolgen, beispielsweise mittels eines Integrators, dessen Integrationswert bei Erreichen einer bestimmten oberen Grenze unter Zurückstellung auf 0 einen Zähler um einen Schritt weiterschaltet oder mittels eines nach dem Dual-Slope-Verfahren integrierenden Integrators, welcher zwischen zwei Grenzwerten abwechselnd aufwärts und abwärts integriert, wobei sowohl beim oberen Grenzwert als auch beim unteren Grenzwert ein Zähler jeweils um einen Schritt weitergeschaltet wird. Dem Eingang solcher Integratoren wird der der zeitlichen Wärmemenge entsprechende Ausgang einer nach einer geeigneten Gleichung, insbesondere nach einer der Gleichungen (3) bis (6) arbeitenden Rechenschaltung aufgedrückt. Die Rechenschaltung kann vorzugsweise elektronisch sein, insbesondere einen sehr hohen Eingangswiderstand haben und vorzugsweise als Analog-Rechenschaltung ausgebildet sein. Es versteht sich, daß auch andere Rechenschaltungen verwendet werden können, beispielsweise digital arbeitende Rechner usw.. Da die Rechnertechnik heute keinerlei Problem mehr bietet, braucht hierauf nicht näher eingegangen zu werden. Es sei lediglich darauf hingewiesen, daß eine relativ hohe Rechengenauigkeit des Rechners anzustreben ist, da das neuartige Meßverfahren die Erzielung recht hoher Genauigkeiten erlaubt. Bei Anwendung von Analog-Rechnern kann deshalb zweckmäßig mit Zerhackern gearbeitet werden, um driftfreie Verstärkungen auch bei kleinen Meßgrößen zu erreichen, da die Änderung der Temperatur des Wärraeträgers beim Vorbeigang an der Brücke umso kleiner ist, je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Vorrichtung ist mit Temperaturfühlern zum Fühlen der Temperaturdifferenz des Wärmeträgers in der Vor- und Rücklaufleitung ver-

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sehen und erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine in wärmeleitender Verbindung mit dem in der Vorlauf- und der Rücklaufleitung strömenden Wärmeträger stehende wärmeleitende Festkörper-Brücke und ferner durch mindestens ein Temperaturfühlerpaar zur Nessung mindestens einer durch die Festkörperbrücke verursachten Temperaturänderung des Wärmeträgers und durch mindestens ein Temperaturfühlerpaar in der Festkörperbrücke.

Als Temperaturfühler eignen sich besonders Thermoelemente, wobei es in vielen Fällen zumindest für das eine oder andere Temperaturfühlerpaar zweckmäßig sein kann, wenn jeder Temperaturfühler aus mehreren hintereinander geschalteten Thermoelementpaaren besteht.

Der Werkstoff der Brücke ist wegen der Wärmeleitfähigkeit i»e.sfc zweckmässig metallisch. Ggf. kann die Brücke aus mehreren Teilen unterschiedlichen Werkstoffes zusammengesetzt sein. Die Brücke kann massiv sein. In vielen Fällen kann sie vorteilhaft aus einem Stapel aufeinanderliegender Scheiben bestehen, deren Scheibenebenen sich in Richtung von derVorlaufleitung zur Rücklaufleitung vorzugsweise senkrecht zur Strömungsrichtung des Wämeträgers erstrecken. Dies hat u. a. herstellungstechnische Vorteile, da man solche Scheiben aus homogenen Blechen stanzen kann und damit ein lunkerfreier Zustand der Brücke gewährleistet ist, wobei die Brücke gleichmäßige wärmeleitende Eigenschaften erhält. Auch andere Ausbildungen der Brücke sind möglich. Wenn sie massiv ist, sollte zweckmässig möglichst lunker freisjbuss oder die Herstellung aus einem Block durch Fliesspressen, spanabhebende Bearbeitung oder dergleichen vorgesehen sein.

In manchen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, daß bei Herstellung der Brücke aus Scheiben mindestens eine Scheibe einen unterschiedlichen Werkstoff als mindestens eine weitere Scheibe

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hat, beispielsweise abwechselnd Scheiben unterschiedlichen Werkstoffes aufeinandergesetzt werden. Hierdurch kann man die Charakteristik der Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit in irgend einer geeigneten gewünschten Weise erreichen, insbesondere so, das eine möglichst gute Kompensation der Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme des Wärmeträgers in dem betreffenden Temperaturbereich eintritt, oder um über einen besonders groSen Temperaturbereich eine im Mittel temperaturunabhängige Wärmeleitfähigkeit zu erreichen.

Wenn die Brücke aus Scheiben aufgebaut ist, kann es auch zweckmäßig sein, die Scheiben gegeneinander wärmezulsolieren, beispielsweise durch zwischen sie eingefügte Kunststoffolien, Schutzüberzüge oder dergleichen. Hierdurch werden Wärmeströme parallel zur Strömungsrichtung desWärmeträgers in der Brücke unterdrückt.

Bei einer bevorzugten Aueführungeform ist vorgesehen, dafi die Vorlaufleitung und/oder Rücklaufleitung in Bereich der Brücke alt vorspringenden Rippen versehen 1st. Hierdurch kann der Wärmeübergang vom Wärmeträger zur Brücke verbessert werden.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dafi zumindest eine der beiden Leitungen (Vorlaufleitung bzw. Rücklaufleitung} im Bereich der Festkörper-Brücke in mehrere gegeneinander durch Zwischenwände getrennte Kanäle unterteilt 1st und daß die Kanäle der einen Leitung kranzförmig um den oder die Kanäle der anderen Leitung herum angeordnet sind.

Dies ergibt unter anderem eine besonders kompakte Bauart der Vorlaufleitung und Rücklaufleitung Im Bereich der Brücke und der Brücke selbst und hat auch Vorteile in Bezug auf eine gute wärmeleitende Verbindung zwischen Vorlaufleitung und Rücklaufleitung and ermöglicht auch besonders einfache Anbringungen der Temperaturfühler. Auch läßt eich eine rasche Vergleich-

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roäßigung der Temperatur des Wärmeträgers erreichen, so daß der oder die jeweils stromabwärts der Brücke befindlichen Temperaturfühler direkt am Ende der Brücke oder relativ nahe am stromabwärtigen Ende der Brücke angeordnet werden können.

Auch kann es in vielen Fällen besonders vorteilhaft sein, daß die Vorlaufleitung und/oder Rücklaufleitung, welche im Bereich der Peetkörper-Brücke vorzugsweise in jeweils mehrere getrennte Kanäle unterteilt sind, im Bereich der Festkörper-Brücke einen schraubenlinienförmigen Verlauf hat, wobei vorzugsweise der schraubenlinienförmige Verlauf durch Winkelversetzung von gleich ausgebildeten Scheiben der Festkörper-Brücke erzielt wird. Durch einen solchen Verlauf der Vorlaufleitung und/oder Rücklaufleitung im Bereich der Brücke bzw., falls diese Leitung oder Leitungen durch jeweils mehrere getrennte Kanäle im Bereich der Bücke gebildet sind, läßt sich ein sehr guter Wärmeübergang in die Brücke und eine sehr intensive Vermischung der Stromfäden unterschiedlicher Temperatur innerhalb der Brücke erzielen. Damit können der oder die stromabwärtigen Temperaturfühler ebenfalls in der Nähe des oder der jeweils stromabwärtigen Enden der Brücke, ggf. direkt an diesen Enden angeordnet werden. Die Winkelversetzung der gleich ausgebildeten Scheiben ergibt, daß die schraubenförmigen Kanäle durch eine Mehrzahl von zueinander winkelversetzten Kanten seitlich begrenzt sind; was sich als vorteilhaft erwiesen hat.

In der Zeichnung sind Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung dargestellt ι
Es zeigen in schottischer Darstellung:

Fig. 1 - «Inen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

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Pig. 2 - eine stirnseitige Ansicht der Brücke nach Fig. 1 in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 - eine atirnseitige Ansicht einer Variante der Brücke nach Fig. 2,

Fig. 4 - eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 - eine Vorderansicht einer einzelnen Scheibe der Brücke nach Fig. 4 in vergrößerter Darstellung,

Fig. 6 - eine stirnseitige Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 4 in vergrößerter Darstellung.

In der Zeichnung sind sich entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 ist eine Vorlaufleitung 10 für ein als Wärmeträger dienendes Heizmittel oder Kühlmittel mit einer Rücklaufleitung 11 für diesen Wärmeträger mittels einer metallischen und damit wärmeleitenden Festkörper-Brücke 12 verbunden. Der Wärmeträger ist normalerweise Wasser, kann jedoch auch eine andere Flüssigkeit oder in manchen Fällen auch gas- oder dampfförmig sein. In dem dargestellten Bereich sind die Vorlaufleitung 10 und die Rücklaufleitung 11 zusammen mit der Brücke 12 allseitig durch eine beispielsweise aus Schaumstoff bestehende Wärmeisolierung 13 vollkommen- nach außen wärmeisoliert, so daß der die Brücke 12 durchströmende immaterielle Wärmestrom ausschließlich von der Vorlaufleitung zur Rücklaufleitung oder umgekehrt strömen kann. Die Brücke 12 kann hier in Bezug auf die Bildebene zweckmässig symmetrisch auige-}■_,

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billet sein. Sie besteht in diesem Ausführungebeispiel aus drei Teilen 15,16,17, wobei das mittlere Teil 16 aus einem quaderförmigen Block besteht, an dessen, bezogen auf Fig. 1 obere und untere Quaderseite in Kontakt diepeiden äußeren Teile 15 und 17 angefügt sind, die jeweils einen Durchflußkanal 19,20 für den Wärmeträger aufweisen, wobei der Durchflußkanal 19 einen Teilbereich der Vorlauf leitung 10 und der Durchflußkanal 2O einen Teilbereich der Rücklauf leitung 11 bildet. Um eine intensive Verwirbelung des Wärmeträgers bei Durchströmen der Brücke 12 zu erzielen, sind deren Kanäle 19,20 mit nach einwärts vorspringenden, in diesem Ausführungsbeispiel ringförmigen Rippen 21 versehen. Alle drei Teile 15,16,17 der Brücke können aus demselben Werkstoff oder auch aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. In die Vorlauf- und Rücklaufleitung sind insgesamt vier metallische Röhren 22 - 25 eingesetzt, welche der Aufnahme von Temperaturfühlern dienen.

Diese ROhren 22 - 25 sind in diesem Ausführungebeispiel schräg zur Strömungerichtung des Wärmeträgere geneigt angeordnet und an ihren freien Enden noch mit metallischen Verstärkungen versehen, um den Temperaturmittelwert dee an ihnen vorbei strömenden WflAmeti.Hym.il anzunehmen. Sie können jedoch auch andere Anordnungea haben oder die Temperaturfühler können direkt in die Leitungen elngeaetzt sein.

In dieee Röhren 22-25 werden die zur Messung der Temperaturen dee Wärmeträgers benötigten Temperaturfühler eingesetzt. Und zwar herrscht in der Röhre /ate Temperatur T₁, in der Röhre/die Temperatur T₂, in der Röhre/die Temperatur T₃ und in der Röhre die Temperatur T^. Je nachdem, welche der Gleichungen (2) ble (6) man anwendet, setzt man in die betreffenden Rühren die be-nötigten Temperaturfühler ein. Dleee Temperaturfühler können zweckmäßig al· Thermoelemente auegebildet sein, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt ist. Bei Auebildung alsJThermoelemente können sie zur Erhöhung der Empfindlichkeit vorzugsweise ale'Thermoelementkette ausgebildet .sein, d. h., daß mehrere,

ftlfOASO _ ₁₆ .

BAD ORIGINAL

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vorzugsweise viele Thermoelementpaare in Reihe geschaltet sind, wobei jeweils die übernächsten Verbindungsstellen der Drähte unterschiedlicher Werkstoffe den einen Temperaturfühler und die anderen Verbindungsstellen den anderen Temperaturfühler des betreffenden_/eine Temperaturdifferenz messenden Temper aturfühle^rpaares bilden.

Um den in der Brücke 12 auftretenden Wärmestrom zu messen, sind in diese Brücke mindestens zwei in Richtung des Wärmestromes im Abstand voneinander angeordnete Thermoelemente - in diesem Ausführungsbeispiel an den beiden Temperatur-Äquipotentialflächen bildenden Kontaktflächen der drei Teile 15 - 17 jeweils drei Thermoelemente 26 bzw. 27 -, eingesetzt, die in der strichpunktiert angedeuteten Reihenschaltung angeordnet sind. Die Thermoelemente können beispielsweise NiCr - Ni Elemente sein. Selbstverständlich können auch andere Metallpaarungen für die Thermoelemente vorgesehen sein. Es sei erwähnt, daß normalerweise zwei Thermoelemente in der Brücke ausreichen, beispielsweise die mittleren der Thermoelemente 26 und 27.

Indem man jedoch zwei Temperatur-Äquipotentialflächen der Brücke 12 jeweils mehrere Thermoelemente zuordnet, wird einmal die Thermospannung erhöht und zum anderen ein eventuelle Unsymmetrien des Wärmestromes ausgleichender Mittelwert gebildet, was sich günstig auf die Genauigkeit auswirkt. Diese Thermoelemente messen die Temperaturdifferenz T₅-Tg.

Wenn beispielsweise der Messung der Wärmemenge Q die Gleichung (3) zugrunde gelegt wird, dann sind in den Röhren 22,23 und die strichpunktiert angedeuteten Temperaturfühler angeordnet, nämlich in den Röhren 22 und 23 ein Thermoelemehtenpaar zur Messung von Tj_ - T2 und in den Röhren 23 und 24 ein Thermoelementenpaar zur Messung von T₂ - T₃. Die Röhre 25 bleibt leer

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40 9 m/(M

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und kann auch weggelassen werden. Die Anschlußleitungen sämtlicher Temperaturfühler werden gemäß der strichpunktierten Einzeichnung einem gemäß Gleichung (3) unter Vernachlässigung eventueller geringfügiger Änderungen der spezifischen Wärme des Wärmeträgers arbeitenden Rechner 30 zugeführt, dessen Ausgang einem Integrator 31, beispielsweise einen nach einem nach dem Dual-Slope-Verfahren arbeitenden Integrator zugeführt wird, der seinerseits ein Zählwerk 32 zum Zählen der Wärmemenge betätigt. Der Rechner; berechnet hier folglich Q nach der eingetragenen Formel.

Wie ferner aus Fig. 1 ersichtlich ist, führt von der Vorlaufleitung 10 stromabwärts der Röhre 23 noch innerhalb der Wärmeisolation 13 eine Bypassleitung 33 relativ geringen Querschnitts in die Rücklaufleitung 11 stromaufwärts der Röhre 24. Durch diese Bypassleitung 33 wird bei ganz oder nahezu abgestellten Wärmeverbrauchern die Messgenauigkeit verbessert.

Das erfindungsgemäße Ver&hren und die Vorrichtung schaffen prinzipiell auch die Möglichkeit, die zeitliche Menge des Wärmeträgers für sich zu ermitteln und damit für einen gegebenen Rohrleitungsquerschnitt dessen Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln. Falls man einen solchen Meßwert anzeigen will, kann man dem Rechner . statt eine der Temperaturdifferenz T₂ - T₃ proportionale Spannung eine feste "Maßstabs"-Spannung zuführen, so daß er diesen Meßwert ausgibt und beispielsweise einem Anzeigegerät aufdrückt. Hauptsächlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung jedoch in Verbindung mit Wärmezählern vorgesehen. Auch in dieser Verbindung kann ein gesonderter Ausgang für die Ausgabe der jeweils vorliegenden zeitlichen Wärmemenge selbstverständlich vorgesehen sein, was beispielsweise bei der Einstellung von Heizungsanlagen erwünscht sein kann, da hier häufig die Messung der Strömungsgeschwindigkeit erforderlich wird.

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In Fig. 3 ist die Stirnseite einer mit 12* bezeichneten Variante der Festkörper-Brücke nach Fig. 1 und 2 dargestellt. Bei dieser Brücke 12· ist die Vorlaufleitung 19* und die Rücklaufleitung 20' im Bereich der Brücke 12· in jeweils sechs gegeneinander durch gleich ausgebildete Stege 37 abgetrennte gleichgroße Kanäle 38 bzw. 39 ungefähr kreissegmentförmigen Querschnittes unterteilt.

Die Brücke 12' kann massiv sein oder in vielen Fällen besonders zweckmäßig aus zueinander parallelen, zweckmässig gleich ausgebildeten Scheiben zusammengesetzt sein.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4-6 ist die Festkörper-Brücke 12" im wesentlichen zylindrisch, besteht aus gleich ausgebildeten, zueinander parallelen, zu einem Stapel verbundenen/Scheiben 46 und weist eine Vielzahl von gegeneinander getrennte Durchgangskanäle für den Wärmeträger auf. Die vier kreissegmentähnlichen, gleich ausgebildeten und gleichmassig um die Längsachse der Brücke 12·' verteilten inneren Kanäle 41 verbinden die beiden Rohre 10», 10" der Vorlaufleitung, so daß diese Kanäle 41 den im Vorlauf befindlichen Wärmeträger führen. Die gleiche Querschnitte aufweisenden, im gleichen radialen Abständen von der Längsachse der Brücke 12'' und in gleichmäßigen Winkelabständen um die Kanäle 41 einen Kranz bildenden sechzehn runden Kanäle 42 dienen dem Durchfluß des Wärmeträgers im Rücklauf, d. h. sie verbinden die beiden Rücklaufrohre 11', 11". Im Betrieb stellt sich damit ein im wesentlichen radialer Wärmestrom in der Brücke ein und es können beispielsweise vier in Reihe geschaltete Temperaturfühler 26 zum Fühlen der Temperatur T₅ und vier in Reihe geschaltete Temperaturfühler 27 zum Fühlen der Temperatur Tg innerhalb der Brücke angeordnet sein. Es versteht sich, daß ggf. auch nur ein einziges solches Temperatutfühlerpaar ausreicht und auch andere

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Temperaturfühler als dargestellt vorgesehen sein können, wobei natürlich notwendig ist, daß die Fühler jedes die Temperaturdifferenz T5 - T₆ fühlenden Temperaturfühlerpaares an Stellen unterschiedlicher Temperatur innerhalb der Brücke angeordnet sind, d. h. in Richtung des Wärmestromes versetzt zueinander angeordnet sind.

Diese Fühler brauchen dabei nicht auf einem gemeinsamen Radiusstrahl angeordnet sein, sondern können auch in Umfangsrichtung der Brücke zueinander winkelversetzt sein, da die Brücke weitgehend symmetrisch ist.

Die Temperaturfühler zum Messen der Temperaturen T₁, T₂, T₃ und ggf. T^ bzw. von T^ anstelle der Temperatur T₁ sind nicht eingezeichnet.

Um innerhalb der Brücke den Wärmeübergang zu verbessern und eine besonders intensive Vermischung der Stromfäden unterschiedlicher Temperatur zu erzielen, kann zweckmäßig vorgesehen sein, daß die Scheiben 46 zwecks einfacher Herstellung an sich gleich ausgebildet sind, jedoch winkelversetzt zueinander angeordnet sind, so daß sich z. B. für die Vorlaufleitungskanäle 41 und/ oder die Rücklaufleitungskanäle 42 ein schraubenlinienförmiger Verlauf ergibt, wobei an der Stoßftäche zwischen zwei benachbarten, zueinander winkelversetzten Scheiben sich entsprechend kantige übergänge ergeben. Zum Beispiel könnte die Winkelversetzung von Scheibe zu Scheibe etwas weniger oder etwas mehr (oder in manchen Fällen gleich groß) wie der Winkelabstand zwischen den Mitten zweier benachbarter Rücklaufkanäle 42 sein, so daß sich für die Vorlaufleitungskanäle 41 ein wesentlich stärker gekrümmter schraubenlinienförmiger Verlauf als für die Rücklaufkanäle ergibt.

Selbstverständlich ist zumindest die Brücke auch bei diesem Ausführungsbeispiel nach außen wärmeisoliert. Zur Vereinfachung., ist diese Wärmeisolierung in der Zeichnung weggelassen worden.

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Claims

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Patentansprüche

( 1./ Verfahren zur messtechnischen Ermittlung von Wärmemengen, die zwischen einer Vorlauf- und Rücklaufleitung aus einem diese Leitungen durchströmenden Wärmeträger abgeführt oder diesem zugeführt werden, wobei diese Wärmemengen ermittelt werden aus der zeitlichen Strömungsmenge des Wärmeträgers multipliziert mit der Temperaturdifferenz des Wärmeträgers in der Vorlauf- und Rücklaufleitung, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Strömungsmenge des Wärmeträgers aus Temperaturdifferenzen ermittelt wird,

vorzugsweise der Gesamtmenge nämlich aus der Änderung der Temperatur/äes Wärmeträgers bei Vorbeigang oder bei Durchgang durch eine wärmeleitende Festkörper-Brücke, die von einem immateriellen Wärmestrom durchströmt wird, der vorzugsweise zwischen Vorlauf- und Rücklaufleitung strömt und ferner durch mindestens eine in der Festkörper-Brücke in Richtung des Wärmestromes auftretende Temperaturdifferenz.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Temperatur des Wärmeträgers beim Vorbeigang an der Brücke nur bezüglich der Vorlaufleitung oder nur bezüg lich der Rücklaufleitung gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Temperatur des Wärmeträgers beim Vorbeigang an der Brücke sowohl bezüglich der Vorlaufleicung als auch dar Rücklauf leitung geir^e^en wird.
4. Verfahren nach einem dar vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung von Werkstoff oder Werkstoffen für die Brücke, die in dem in Frage kommenden ^:''*nrperaturbereich

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des Wärmeträgers eine ungefähr konstante Wärmeleitfähigkeit haben.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängige Änderung der spezifischen Wärme des Wärmeträgers bei der messtechnischen Ermittlung mit berücksichtigt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Verwendung von Brückenwerkstoff oder Brückenwerkstoffen, deren Wärmeleitfähigkeit sich in Abhängigkeit der Temperatur so ändert, daß die Auswirkung der temperaturabhängigen Änderung der spezifischen Wärme des Wärmeträgers zumindest teilweise kompensiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit einer an mindestens einer Stelle der Brücke gemessenen Temperatur ein Faktor zur Korrektur des durch Veränderlichkeit der spezifischen Wärme des Wärmeträgers

sich ergebenden Fehlers und/oder zur Korrektur der Veränderlichkeit der Wärmeleitfähigkeit der Brücke gebildet wird.
8. Vorrichtung mit Temperaturfühlern zum Fühlen der Temperaturdifferenz des Wärmeträgers in der Vor-^: und Rücklaufleitung, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine in wärmeleitender Verbindung mit dem in der Vorlauf- und der Rücklaufleitung strömenden Wärmeträger stehende wärmeleitende Festkörper-Brücke (12;12';12·') und ferner durch mindestens ein Temperaturfühlerpaar zur Messung mindestens einer durch die Festkörperbrücke verursachten Temperaturänderung des Wärmeträgers und durch mindestens ein Temperaturfühlerpaar in der Festkörper-Brücke .

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9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturfühler Thermoelemente dienen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörper-Brücke (12*') aus einem Stapel aufeinander liegender Scheiben (46) besteht, deren Scheibenebenen sich in Richtung von der Vorlaufleitung zur Rücklaufleitung, vorzugsweise senkrecht zur Strömungsrichtung des Wärmeträgers erstrecken.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Scheibe aus einem anderen Werkstoff als mindestens eine weitere Scheibe besteht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben gegeneinander wärmeisoliert sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-12, dadurch gekennzeichnet, daß von der Vorlaufleitung (10) stromabwärts der Festkörper-Brücke (12) und der in der Vorlaufleitung befindlichen Temperaturfühler eine Bypassleitung (33) geringen Querschnittes zur Rücklaufleitung (11) führt, die in die Rücklaufleitung stromaufwärts der Festkörper-Brücke und des am weitesten stromaufwärts in der Rücklaufleitung befindlichen Temperaturfühlers mündet.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der beiden Leitungen (Vorlaufleitung bzw. Rücklaufleitung) im Bereich der Festkörper-Brücke in mehrere gegeneinander durch Zwischenwände getrennte Kanäle (41,42) unterteilt ist und daß die Kanäle (42) der einen Leitung kranzförmig um den oder die Kanäle (41) der anderen Leitung herum angeordnet sind.

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15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlaufleitung und/oder Rücklaufleitung im Bereich der Festkörper-Brücke (12) mit vorspringenden Rippen (21) versehen ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlaufleitung und/oder Rücklaufleitung, welche im Bereich der Festkörper-Brücke (12¹¹X vorzugsweise in jeweils mehrere getrennte Kanäle (41,42) unterteilt sind, im Bereich der Festkörper-Brücke einen schraubenlinienförmigen Verlauf hat, wobei vorzugsweise der schraubenlinienförmige Verlauf durch Winkelversetzung von gleich ausgebildeten Scheiben (46) der Festkörper-Brücke erzielt wird.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörperßrücke nur mit dem in einer der beiden Leitungen (Vorlaufleitung oder Rücklaufleitung) befindlichen Wärmeträger in wärmeleitender Verbindung steht.

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