DE2330498C2

DE2330498C2 - Verfahren und Vorrichtung zur meßtechnischen Ermittlung von zeitlichen Wärmemengen

Info

Publication number: DE2330498C2
Application number: DE19732330498
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 7036 Schönaich Nenning
Original assignee: Centra-Buerkle & Co 7036 Schoenaich De GmbH
Current assignee: Centra-Buerkle & Co 7036 Schoenaich De GmbH
Priority date: 1973-06-15
Filing date: 1973-06-15
Publication date: 1983-09-22
Also published as: DE2330498A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur meßtechnischen Ermittlung von zeitlichen Wärmemengen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei der Ermittlung von zeitlichen Wärmemengen bereitet es keine Schwierigkeiten, die Temperaturdifferenz des Wärmeträgers in der Vorlaufleitung und Rücklaufleitung genau zu messen. Dagegen bereitet die Messung der zeitlichen Strömungsmenge des Wärmeträgers mittels Temperaturdifferenzmessungen bisher Schwierigkeiten. So wird bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (DE-PS 8 89 845) die zeitliche Strömungsmenge des Wärmeträgers ermittelt, indem mindestens eine wärmeleitende Festkörper-Brücke an die Vorlaufleitung und/oder die Rücklaufleitung angeschlossen ist, die aus dem Wärmeträger Wärme ableitet oder ihm zuleitet, wobei an zwei verschiedenen Teilen der Festkörper-Brücke deren Temperatur gemessen und aus dieser Temperaturdiffe-

renz auf die zeitliche Strömungsmenge des Wärmetragers geschlossen wird. In diesen Meßwert geht jedoch der Wärmeübergang des immateriellen Wärmestromes vom Wärmeträger in die Festkörper-Brücke mit ein. Dieses Verfahren ist hierdurch mit einem erheblichen Unsicherheitsfaktor behaftet und schränkt überdies das Anwendungsgebiet stark ein auf nicht verunreinigte Wärmeträger und sauber bleibende Oberfläche der Festkörper- Brücke.

Es ist auch ein Verfahren zur zeitlichen Wärmemengenmessung bekannt (US-PS 26 33 748), bei welchem die zeitliche Strömungsmenge des Wärmeträgers aufgrund des physikalischen Gesetzes ermittelt wird, nach welchem der Wärmeübergang von einem strömenden Wärmeträger auf einen wärmeleitenden Körper mit der Geschwindigkeit des Wärmeträgers variiert. Bei diesem vorbekannten Verfahren werden zwei unterschiedliche Geschwindigkeiten des Wärmeträgers durch Rohrverengung erzeugt und die unterschiedlichen Wärmeübergänge durch Temperaturdifferenzmessungen erfaßt und aus ihnen auf die zeitliohe Strömungsmenge des Wärmeträgers geschl ssen. Da auch bei diesem Verfahren der Wärmeübergang des immateriellen Wärmestromes vom Wärmeträger in die wärmeleitenden Körper in die Messung eingeht, ist diese damit ebenfalls mit abhängig von dem jeweiligen momentanen Zustand der Oberflächen der wärmeleitenden Körper.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, welches trotz der Ermittlung der zeitlichen Wärmemengen aus Temperaturdifferenzen völlige Unabhängigkeit vom Wärmeübergang des immateriellen Wärmestromes auf die Festkörper-Brücke erzielt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird die zeitliche Strömungsmenge des Wärmeträgers trotz ihrer Ermittlung aus Temperaturdifferenzen unabhängig vom Wg.meübergang des immateriellen Wärmestromes auf die Festkörper-Brücke ermittelt, so daß recht genaue Messung der zeitlichen Strömungsmenge des Wärmeträgers gelingt, die unabhängig von Verschmutzungen oder sonstigen Änderungen der in Kontakt mit dem Wärmeträger stehenden Oberfläche oder Oberflächen der Festkörpe.-Brücke ist. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich so u. a. auch für Wärmezähler für Heizungs- oder Klimaeinrichtungen, bei denen der Wärmeträger normalerweise stark verschmutzt ist. ³ⁿ

Grundsätzlich geht die Erfindung hierbei von folgender Überlegung aus. Wenn man dem Wärmeträger über eine wärmeleitende Festkörper-Brücke Wärme, d. h. immaterialle Wärme entzieht oder Wärme zuführt, dann ändert sich die Temperatur des Wärmeträgers, ohne ihn in anderer Weise zu beeinflussen. Diese Tetnperaturdifferenz läßt sich genau messen. Ferner wird ebenfalls durch Temperaturmessung ermittelt, welcher Wärmestrom die Brücke durchströmt. Die zeitliche Strömungsmenge läßt sich dann durch 'Dividieren der in der Brücke gemessenen Temperatur-";differenz durch die beim Vorbeigang des Wärrneträgers an der Brücke ergebende Temperaturdifferenz berechnen. Damit spielt der Wärmeübergang an der Grenzfläche Wärmeträger/Brücke keine Rolle, denn, falls sich dieser Wärmeübergang durch Ablagerungen oder dergleichen verschl~chtern sollte, dann vermindert sich zwar die in der Brücke gemessene Temperaturdifferenz und damit der Wärmestrom in der Festkörper-Brücke, jedoch vermindert sich auch die Temperaturänderung des Wärmeträgers in proportional genau demselben Maße. 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 für die Durchführung dieses Verfahrens benötigten Teile können von robuster, unbeweglicher Bauart sein und sind auch verschmutzungsunempfindlich.

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 Temperaturmeßstellen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne weiteres von außen nicht zugänglich angeordnet werden können, sind Fälschungen nicht möglich.

Vorzugsweise verbindet die wärmeleitende Brücke die Vorlaufleitung mit der Rückltufleitung. Da die Brücke ohne Schwierigkeiten gegei. die äußere Umgebung wärmeisoliert werden kann, geht in diesem Falle an der Brücke 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 Kaliwasserleitung. In diesem Fall ist jedoch die die Brücke durchströmende Wärme Verlustwärnie.

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

Φ = kF (T₅- T₆)
Es bedeutet:

F = der Querschnitt der Brücke senkrecht zur

Richtung des Wärmestromes,
k = Wärmedurchgangszabl der Brücke,

T5, T₆ = die Temperaturen an zwei in Richtung des Wärmestromes im Abstand voneinander befindlichen Temperaturmeßstelisn innerhalb der Brücke.

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

ρ, T₁-P₂T₂
Es bedeuten:

Fk

T₅

Pi T_x -P₂T₂

(2)

spezifische Wärme des Wärmeträgers bei der Temperatur Γι bzw. T₂.
Temperatur des Wärmeträgers stromaufwärts der Brücke,

Temperatur des Wärrneträgers stromabwärts der Brücke.

Da die Wärmedurchgangszahl k nur abhängig von den geometrischen Eigenschaften der Brücke und ihrer materialbedingten Wärmeleitfähigkeit λ ist, ist k bei Anordnung der Temperaturmeßstellen innerhalb der Brücke bei konstantem λ konstant, k ist insbesondere

unabhängig von den schwer zu erfassenden und sich in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und im Laufe der Betriebszeit zusätzlich ändernden Bedingungen an den WärmeObergangsstellen zwischen Wärmeträgerund Brücke.

Da die Wärmeleitzahl λ in der Wärmedurchgangszahl k mit enthalten ist, ist es zumindest dann, wenn die Wärmeleitzahl nicht absichtlich zur Kompensation des Einflusses der temperaturabhängigen spezifischen Wärme des Wärmeträgers temperaturabhängig gewählt wird, zweckmäßig, einen Werkstoff oder Werkstoffe für die Brücke zu verwenden, die in dem in Frage kommenden Temperaturbereich des Wärmeträgers eine ungefähr konstante Wärmeleitfähigkeit haben.

Das ist beispielsweise im Bereich von 0... 100°C der Stahl Nr. 5 in der Tabelle 24112 in dem Fachbuch D¹ANS-LAX »Taschenbuch für Chemiker und Physiker«. 3. Auflage(19671. Band I.Seite 1-694.

Die spezifische Wärme ρ von Wärmeträgern, wie insbesondere von Wasser, ändert sich in den normalerweise in Frage 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 zu diesem Zweck vorsehen, daß in Abhängigkeit einer an mindestens einer Stelle der Brücke und/oder des Wärmeträgers 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.

Eine andere Möglichkeit, den Einfluß der spezifischen Wärme auf die Meßgenauigkeit zu reduzieren, 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 Strömungsmengen der aufgespaltenen Ströme mit sich. Es wird deshalb vorzugsweise der Gesamtstem des Wärmeträgers an der Brücke entlang geführt, vorzugsweise durch die Brücke hindurchgeführt, obwohl man in manchen Fällen 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 Gesamtstrom des Wärmeträgers ergibt sich dann folgende Gleichung:

Ö3 = spezifische Wärme des Wassers bei der Temperatur T₃.

Die spezifischen Wärmen οι, Qi und j>2, 03 können jeweils zu mittleren spezifischen Wärmen Qn bzw. Qn zusammengefaßt werden, so daß sich dann folgende Gleichung aus der Gleichung (3) ergibt:

£22. Pn

(T₅ - T₆)

- T₂)

Q=Fk

(T,-T^ (P₂ T₂-P₃T₃I

= Temperatur des Wärmeträgers im Heizungsrücklauf stromaufwärts der Brücke,

Im allgemeinen kann die spezifische Wärme des Wärmeträgers in den in Frage 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 Gleichen (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:

Q =Fk^J^- ■ Pia

Hierin bedeutet:

Ö34 = spezifische Wärme des Wärmeträgers bei einer Temperatur in der Mitte zwischen den Temperaturen T₁ und Tt,

7i = Temperatur des Wärmeträgers in der Rück-

IUuIiciIung actuiiiauwai ta vi^i L>t u\.rv^..

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

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

Q=Fk-

₅ -T₆) -(T₂ -T₃) -2
~ T₂) + P₃A (Ά - T₃)

(6)

Diese Gleichung macht jedoch eine weitere Tempe-

raturmeßstelle 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.

Im allgemeinen ist es erwünscht bzw. wird verlangt, daß die zeitliche 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 Rechenschalvung aufgedrückt. Die Rechenschaltung kann vorzugsweise elektronisch sein, insbesondere einen sehr hohen Eingangswiderstand haben und vorzugsweise als Änalog-Rechenschaliung 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 Wärmeträgers beim Vorbeigang an der Brücke umso kleiner ist, je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Vorrichtung ist in Anspruch 4 beschrieben.

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 meist zweckmäßig metallisch. Ggf. kann die Brücke aus mehreren Teilen unterschiedlichen Werk stoffes 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 der Vorlaufleitung zur Rücklaufleitung vorzugsweise senkrecht zur Strömungsrichtung des Wärmeträgers 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 lunkerfreier Guß 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 zwei Scheiben aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, beispielsweise abwechselnd Scheiben unterschiedlichen Werkstoffes aufeinandergesetzt werden. Hierdurch kann man die Charakteristik der Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit in irgendeiner geeigneten gewünschten Weise erreichen, insbesondere so, daß eine möglichst gute Kompensation der Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme des Wärmeträgers in dem betreffenden Temperaturbereich eintritt, oder urn über einen besonders großen Temperaturbereich eine im Mittel temperaturunabhängige Wärmeleitfähigkeit zu erreichen.

Wenn die Brücke aus Scheiben aufgebaut ist, kann es

auch zweckmäßig sein, die Scheiben gegeneinander wärmezuisolieren, beispielsweise durch zwischen sie eingefügte Kunststoffolien, Schutzüberzüge oder dergleichen. Hierdurch werden Wärmeströme parallel zur Strömungsrichtüng des Wärmeträgers in der Brücke unterdrückt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Vorlaufleitung und/oder Rücklaufleitung im Bereich der Brücke mit vorspringenden Rippen versehen ist. Hierdurch kann der Wärmeübergang vom Wärmeträger zur Brücke verbessert weiden.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, daß zumindest eine der beiden Leitungen (Vorlaufleitung bzw. Rücklaufleitung) im Bereich der Festkörper-Brücke in mehrere gegeneinander durch Zwischenwände getrennte Kanäle unterteilt ist 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 und ermöglicht auch besonders einfache Anbringungen der Temperaturfühler. Auch läßt sich eine rasche Vergleichmäßigung 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 Festkörper-Brücke vorzugsweise in jeweils mehrere getrennte Kanäle unterteilt sind, im Bereich der Festkörper-Brücke einen schraubenlinienförmigen Verlauf hat, und der schraubenünier.förrnigs 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 Brücke 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 vorteilhaft ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt in schematischer Darstellung

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig.2 eine stirnseitige Ansicht der Brücke nach F i g. 1 in vergrößerter Darstellung,

Fig.3 eine stirnseitige Ansicht einer Variante der Brücke nach F i g. 2,

F i g. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß einein weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,

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

F i g. 6 eine stirnseitige Ansicht der Vorrichtung nach F i g. 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 Vuriuuiieiiuiig iui Rückiaiificiiung oder umgekehrt strömen kann. Die Brücke 12 kann hier in Bezug auf die Bildebene zweckmäßig symmetrisch ausgebildet sein. Sie besteht in diesem Ausführungsbeispiel 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 die beiden äußeren Teile 15 und 17 angefügt sind, die jeweils einen Durchlflußkanal 19, 20 für den Wärmeträger aufweisen, wobei der Durchflußkanal 19 einen Teilbereich der Vorlaufleitung 10 und der Durchlfußkanal 20 einen Teilbereich der Rücklaufleitung 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 12 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 Röhren 22—25 sind in diesem Ausführungsbeispiel schräg zur Strömungsrichtung des Wärmeträgers geneigt angeordnet und an ihren freien Enden noch mit metallischen Verstärkungen versehen, um den Temperaturmittelwert des an ihnen vorbeiströmenden Wärmeträgers anzunehmen. Sie können jedoch auch andere Anordnungen haben oder die Temperaturfühler können direkt in die Leitungen eingesetzt sein.

In diese Röhren 22—25 werden die zur Messung der Temperaturen des Wärmeträgers benötigten Temperaturfühler eingesetzt. Und zwar herrscht in der Röhre 22 die Temperatur 7Ί, in der Röhre 23 die Temperatur Ti, in der Röhre 24 die Temperatur T₃ und in der Röhre 25 die Temperatur Ta,. Je nachdem, weiche der Gleichungen (2) bis (6) man anwendet, setzt man in die betreffenden Röhren die benötigten Temperaturfühler ein. Diese Temperaturfühler können zweckmäßig als Thermoelemente ausgebildet sein, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt ist Bei Ausbildung als Thermoelemente können sie zur Erhöhung der Empfindlichkeit vorzugsweise als Thermoelementkette ausgebildet sein, d. K daß mehrere, 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 Tempe^aturfühlerpaares 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 Ausfüh-

rungsbeispiel 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 bei-

ίο spielsweise 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 Thermoelemente26und27.

Indem man jedoch zwei Temperatur-Äquipotentia! flächender Brücke 12 jeweils mehrere Thermoelement^ zuordnet, wird einmal die Thermospannung erhöht und zum anderen ein eventuelle Unsymmetrie"! des Wärrncstromes ausgleichender Mittelwert gebildet, was die Meßgenauigkeit erhöht. Diese Thermoelemente messen die Temperaturdifferenz T₅- T_b.

Wenn beispielsweise der Messung der zeitlichen Wärmemenge Q die Gleichung (3) zugrunde gelegt wird, dann sind in den Röhren 22, 23 und 24 die strichpunktiert angedeuteten Temperaturfühler angeordnet, nämlich in den Röhren 22 und 23 ein Thermoelementenpaar zur Messung von T1 — T2 und in den Röhren 23 und 24 ein Thermoelementenpaar zur Messung von Ti— Tj. Die Röhre 25 bleibt leer 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 30 berechnet hier folglich die zeitliche Wänremenge Q nach der eingetragenen Formel.

Wie ferner aus F i g. 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.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, daß sie die zeitliche Strömungsmenge des Wärmeträgers für sich ermitteln kann, und damit für einen gegebenen Rohrleitungsquerschnitt dessen Strömungsgeschwindigkeit ermitteln läßt. Falls man einen solchen Meßwert anzeigen will, kann man dem Rechner 30 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 die ermittelte zeitliche Wärmemenge zählenden Wärmezählern vorgesehen. Wenn in dieser Verbindung ein gesonderter Ausgang für die Ausgabe der jeweils vorliegenden zeitlichen Strömungsmenge vorgesehen

t- ist kann dies beispielsweise bei der Einstellung von Heizungsanlagen erwünscht sein, da hier häufig die Messung der Strömungsgeschwindigkeit erforderlich wird.

In ί·"ί g. 3 ist die Stirnseite einer mit 12' bezeichneten Variante der Festkörper-Brücke nach F i g. 1 und 2 dargestellt Bei dieser Brücke 12' sind die Vorlaufleitung 19' und die Rücklaufleitung 20' im Bereich der Brücke 12' in jeweils sechs gegeneinander durch gleich ausgebildete Stege 37 abgetrennte gleich große 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 wesentlichem zylindrisch, besteht aus gleich ausgebildeten, zueinander parallelen, zu einem Stapel verbundenen kreisrunden Scheiben 46 und weist eine Vielzahl von gegeneinander getrennte Durchgangskanäle für den Wärmeträger auf. Die vier kreissegmentähnlichen, gleich ausgebildeten und gleichmäßig um die Längsachse der Brücke 12" verteilten inneren Kar'Sle 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 int wesentlichen radialer .'Wärmestrom in der Brücke ein und es können beispielsweise vier in Reihe geschaltete Temperaturfühler 26 zum Fühlen der Temperatur 7s und vier in Reihe geschaltete Temperaturfühler 27 zum Fühlen der Temperatur Tf, innerhalb der Brücke angeordnet sein. Es versteht sich, daß ggf. auch nur ein einziges solches Temperaturfühlerpaar ausreicht und auch andere Temperaturfühler als dargestellt vorgesehen sein können, wobei natürlich notwendig ist, daß die Fühler jedes die Temperaturdifferenz Ts-Ts fühlenden Temperaturfühlerpaares an Stellen unterschiedlicher Temperatur innerhalb der Brücke 12" 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 Ti, Tz, Ti und ggf. T\ bzw. von Tt anstelle der Temperatur Ti sind nicht eingezeichnet.

Um innerhalb der Brücke 12" den Wärmeübergang zu verbessern und eine besonders intensive Vermischung der Stromfäden unterschiedlicher Temperatur des Wärmeträgers 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 Stoßfläche zwischen zwei benachbarten, zueinander winkelversetzten Scheiben sich entsprechend kantige Obergänge 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.
Zumindest die Brücke 12" ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel nach außen wärmeisoliert. Zur Vereinfachung ist diese Wärmeisolierung in der Zeichnung weggelassen worden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur meßtechnischen Ermittlung von zeitlichen Wärmemengen, die zwischen einer Vorlauf- und einer Rücklaufleitung aus einem diese Leitungen durchströmenden Wärmeträger abgeführt oder diesem zugeführt werden, wobei diese zeitlichen Wärmemengen (Q) ermittelt werden aus der aus Temperaturdifferenzmessungen ermittelten zeitlichen Strömungsmenge (in) des Wärmeträgers multipliziert mit der Temperaturdifferenz (T-- Ts) des Wärmeträgers zwischen Vorlauf- und Rücklaufleitung und wobei mindestens eine wärmeleitende Festkörper-Brücke an die Vorlaufleitung und/oder Rücklaufleitung angeschlossen ist, die aus dem Wärmeträger Wärme ableitet oder ihm zuleitet, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Strömungsmenge (m) des Wärmeträgers aus dem Verhältnis mindestens einer innerhalb der Festkörper-Brücke in Richtung des in ihr strömenden immateriellen Wärmestromes auftretenden Temperaturdifferenz (Ti-Tb) zu mindestens einer durch den Wärmestrom der Festkörper-Brücke bedingten Änderung der Temperatur des Wärmeträgers bei dessen Vorbeigang an der Festkörper-Brücke (Ti — Tj) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch Verwendung von Werkstoff oder Werkstoffen für die Brücke, die in dem in Frage kommenden Temperaturbereich des Wärmeträgers eine ungefährkonstante Wärmeleitfähigkeit haben.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit einer an mindestens einer Stelle der b ücke und/oder des Wärmeträgers 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.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1. mit einer wärmeleitenden Festkörper-Brücke, die an die vor und/oder Rücklaufleitung des Wärmeträgers angeschlossen ist, und mit mehreren Temperaturfühlern, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Temperaturfühler (26, 27) in der Festkörper-Brücke (12^ so angeordnet sind, daß sie den Wärmestrom längs der Brücke erfassen, und je ein Temperaturfühler (22, 23) stromaufwärts und stromabwärts einer an die Vorlaufleitung (10) oder Rücklaufleitung (11) angeschlossenen Anschlußstelle der Festkörper-Brücke angeordnet sind und ein weiterer Temperaturfühler (24) an der jeweils anderen (11) der beiden Leitungen (10, 11) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, 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.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Scheiben (46) aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben gegeneinander

wärmeisoliert sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4—7, dadurch gekennzeichnet, daß von der Vorlaufleitüng (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 stromaufwä ts in der Rücklaufleitung befindlichen Temperaturfühlers mündet.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4—8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der beiden Leitungen (\ orlaufleitung 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.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4—9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlaufleitung und/oder Rücklaufleitung im Bereich der Festkörper-Brücke (12) mit vorspringenden Rippen (21) versehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4—10, dadurch gekei- <izeichnet, daß die Vorlaufleitung und/oder Rücklaufleitung, welche im Bereich der Festkörper-Brücke (12") vorzugsweise in jeweils mehrere getrennte Kanäle (41,42) unterteilt sind, im Bereich der hestkörper-Brücke einen schraubenlinienförmigen Verlauf hat. und der schraubenlinienförmige Verlauf durch Winkelversetzung von gleich ausgebildeten Scheiben (46) der Festkörper-Brücke erzielt wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4—11, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörper-Brücke (12) zusammen mit durch sie verbundenen Abschnitten der Vor- und Rücklau^F'eitung durch eine Wärmeisolation (13) nach außen wärmeisoliert sind.

13. Vorrichtung nach einem eier Ansprüche 4—11, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörper-Brücke nur mit dem in einer der beiden Leitungen (Vorlaufleitung oder Rücklaufleitung) befindlichen Wärmeträger in wärmeleitender Verbindung steht.