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Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Wärmemengen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Wärmemengen,die
von einem ein Leitungssystem durchströmenden Fluidum über eine Wärmeaustauscheranordnung
abgegeben oder aufgenommen werden sowie einen Wärmezähler zur Durchführung dieses
Verfahrens.
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Wärmezähler werden auch Wärmemengenzähler genannt.
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Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden für unterschiedliche
Zwecke benötigt und insbesondere zur Messung von Wärmemengen verwendet, die mittels
eines Wärmeträgerfluidums zu Wärmeaustauschern transportiert und über diese zur
Beheizung von Räumen oder dergleichen abgegeben werden. Als Wärmeträgerfluidum dient
sehr häufig Wasser. Bei einem bekannten Verfahren wird die umgewälzte Wassermenge
mittels eines mechanischen Wassermengenzählers fortlaufend gezählt, wobei dessen
Zählgeschwindigkeit mit der Temperaturdifferenz zwischen dem Wasser auf der Vorlauf
seite und dem Wasser auf der Rücklaufseite multipliziert wird. Zur Durchführung
dieses Verfahrens sind verhältnismäßig komplizierte und störanfällige Mess-, Multiplizier-
und Integrierwerke erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art zu schaffen, das eine einfache und genaue Messung von Wärmemengen
unter Verzicht auf durch das Wärmeträgerfluidum angetriebene Wassermengenzähler
oder dergleichen gestattet und bei dem auf zusätzliche Energiezufuhr verzichtet
werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art
dadurch gelöst, dass man von der Zulaufseite und der Rücklaufseite der Wärmeaustauscheranordnung
je einen Teilstrom des Fluidums abzweigt, daß man mit Hilfe des wärmeren Teilstromes
Verdampferflüssigkeit verdampft und mit Hilfe des kälteren Teilstromes verdampfte
Verdampferflüssigkeit kondensiert, und dass man die Menge des dabei anfallenden
Kondensats misst.
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Der grundlegende Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
darin, dass die für den Messvorgang erforderliche Energie - welche im übrigen im
Vergleich zu den im System transportierten Wärmemengen ausserordentlich gering gehalten
werden kann - vollständig aus dem Wärmeträgerfluidum erhält, so dass auf eine externe
Energiezufuhr, insbesondere auf einen elektrischen Anschluss , für den Wärmezähler
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verzichtet werden kann. Hierdurch
gewinnt man aber nicht
nur eine höhere Flexibilität hinsichtlich
der Anbringung des Wärmezählers an einem geeigneten Punkt des Systems, insbesondere
einer Heizanlage, sondern man erreicht zusätzlich den Vorteil, dass die Gefahr von
Betriebsstörungen aufgrund des Ausfalls der externen Energiequelle vermieden ist.
Weiterhin ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass der Wärmezähler zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens so aufgebaut werden kann, dass die eigentlichen
Messeinrichtungen nicht mit dem Wärmeträgerfluidum in Kontakt gelangen und somit
schädlichen Einflüssen des Fluidums vollständig entzogen sind.
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Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn man Verdampferflüssigkeit
aus einem Flüssigkeitsvorrat in einem geschlossenen System verdampft und wieder
kondensiert und wenn man das Kondensat in den Flüssigkeitsvorrat zurückleitet. Mit
einem solchen geschlossenen System lässt sich der Energiebedarf für den Messvorgang
besonders klein halten.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn man das Kondensat Charge weise sammelt
und die Anzahl der anfallenden Kondensatchargen zählt, da in diesem Fall die Messung
der anfallenden Kondensatmenge auf das Problem einer vergleichsweise einfachen Zählung
zurückgeführt ist und mit geringem technischen Aufwand zuverlässig gelöst werden
kann.
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Günstig ist es auch, wenn in einem derartigen geschlossenen System
ein bleibender Unterdruck erzeugt wird, wodurch einerseits für sämtliche Messvorgänge
definierte Ausgangsbedingungen festgelegt sind und andererseits bezüglich der Verdampfungstemperatur
geeignete Betriebsbedingungen von vornherein festgelegt werden.können.
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Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung hat sich eine
Vorrichtung bewährt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein geschlossener Behälter
vorgesehen ist, dass im Inneren des Behälters ein Flüssigkeitsvorrat mit einem darüber
befindlichen Verdampfungsraum vorgesehen ist, dass ein von dem wärmeren Teilstrom
durchflossener Messwärmeaustauscher zum Aufheizen des Flüssigkeitsvorrates auf seine
Verdampfungstemperatur vorgesehen ist, dass in dem Verdampfungsraum ein von dem
kälteren Teilstrom durchflossener Kondensator angeordnet ist, dass unterhalb des
Konmindestens densators ein Messgefäss zum Auffangen mindestens eines Teils des
von dem Kondensator abtropfenden Kondensats angeordnet ist und dass Messeinrichtungen
zum Messen der von dem Messgefäss aufgefangenen Kondensatmenge vorgesehen sind.
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Bei einem derartigen Wärmezähler durchströmt das Wärmeträgerfluidum
lediglich den Messwärmeaustauscher und den Kondensator, ohne mit den epfindlicheren
Teilen, insbesondere
den eigentlichen Nesseinrichtungen des Wärmezählers
in Kontakt zu gelangen, so dass auch bei langen Betriebszeiten keine Verfälschung
des Messergebnisses aufgrund ungünstiger Einflüsse des Wärmeträgerfluidums zu befürchten
ist, insbesondere wenn man dafür Sorge trägt, dass ggfs. zu erwartende Einflüsse
des Wärmeträgerfluidums, wie z.B. Schlammablagerungen, den Messwärmeaustauscher
und den Kondensator in gleicher Weise betreffen, so dass sich kein oder jedenfalls
nur ein geringer resultierender Einfluss auf das Messergebnis ergibt.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Messeinrichtung eine vorzugsweise einstellbare,
automatische Auslassvorrichtung am Messgefäss umfasst, mit deren Hilfe jeweils bei
Erreichen einer ersten Füllhöhe des Kondensats im Messgefäss eine vorgegebene Kondensatmenge
aus einer Auslassöffnung des Messgefässes bis zum Erreichen einer zweiten vorgegebenen
Füllhöhe ablassbar ist, wobei es günstig ist, wenn unterhalb der Auslassöffnung
eine Schale oder dergleichen vorgesehen ist, die bei Füllung mit einer Kondensatcharge
aus der Auslassöffnung kippt und sich dabei selbst entleert und wenn eine Zählvorrichtung
vorgesehen ist, die durch jeden Kippvorgang um ein Schritt fortschaltbar ist.
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Hierdurch wird die Kondensatmengenmessung auf einen einfachen Zählvorgang
zurückgeführt.
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Als günstig hat sich ferner eine Auslassvorrichtung erwiesen, die
als Ilebervorrichtung mit einem Heberrohr und mit einer bezüglich des oberen Endes
desselben in vertikaler Richtung verstellbaren Heberglocke ausgebildet ist.
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Eine derartige Auslassvorrichtung gestattet auf einfache Weise eine
Veranderung des Niveaus der zweiten Füllhöhe und damit der Kondensatmenge pro Charge.
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Ferner kann in Weiterbildung der Erfindung im Inneren des Neßgefässes
ein verstellbarer Verdrängungskörper angeordnet sein, wobei die Querschnittsabmessungen
des Verdrängungskörpers einerseits und des Messgefässes andererseits, insbesondere
derart gewählt sind, dass sich innerhalb des Verstellbereiches für den Verdrängungskörper
stets ein prismatischer Querschnitt des Messgefässes ergibt und wobei es besonders
vorteilhaft ist, wenn der Messquerschnitt in Abhängigkeit von einer vertikalen Verstellung
des Verdrängungskörpers linear veränderbar ist.
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Aufgrund der Verstellbarkeit des Verdrängungskörpers und der Hebervorrichtung
lassen sich verschiedene nichtlineare Einflüsse einfach und genau kompensieren,
so dass es möglich ist, die Nesseinrichtungen besonders einfach auszugestalten.
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In Weiterbildung der Erfindung hat es sich ferner als -en günstig
erwiesen, wenn zwei als Kippgefäße ausgebildete Meßgeräte vorgese/ sind, die zwischen
zwei Endstellungen derart um eine oemeinsame Kippachse schwenkbar sind, dass alternierend
jeweils einem von ihnen vom Kondensator abtropfendes Kondensat zuführbar ist, während
sich das andere entleert, wobei eine Kippbewegung von der einen in die andere Endstellung
jeweils dann ausgelöst wird, wenn in dem sich gerade füllenden Kippgefäß eine vorgegebene
Füllhöhe erreicht ist, und wenn mit der Kippachse eine Zählvorrichtung zur Zählung
der Kippvorgänge und damit der angefallenen Kondensatchargen verbunden ist.
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Anstelle eines einzigen Messbehälters mit einer Heberanordnung werden
also zwei Kippgefäße verwendet, die zu einem fest miteinander verbundenen Paar vereinigt
sind.
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Jeweils eines der beiden Kippgefäße befindet sich in einer Stellung,
in der es daS von dem Kondensator anfallende Kondensat bzw. einen Teil desselben
auffängt, während das andere Kippgefäß sich entleert, wobei die Entleerung beispielsweise
über ein kurzes Kapillarrohr, vorzugsweise relativ langsam erfolgt. Wenn das Kondensat
in dem sich füllenden Kippgefäß eine gewisse Füllhöhe erreicht, gelangt der Schwerpunkt
der gesamten Vorrichtung, die sich in einer ihrer stabilen Lagen befindet, über
die Kippachse hinaus, wodurch ein Kippvorgang ausgelöst wird. Nunmehr entleert sich
das zuvor gefüllte Kippgefäß, während das andere, inzwischen entleerte Kippgefäß
in die Füllstellung gelangt. Das Kippgefäß-Paar ist so dimensioniert,
dass
das Arbeitsvermögen bei jedem Kippvorgang ausreicht, um ein Zählwerk um einen Schritt
fortzuschalten. Damit diese Arbeit geleistet werden kann, ist, wie bereits erwähnt,
dafür gesorgt, dass beim Kippen des Behälterpaares das zu entleerende Kondensat
nicht mit einem Schlag wegläuft, sondern allmählich abfliesst, so dass bei jedem
Kippvorgang die Fallhöhe der gesammelten Kondensatmenge voll ausgenutzt werden kann.
Es ist vorteilhaft, die Schwenkbewegungen um die Kippachse über eine einfache Mitnehmervorrichtung
und eine Magnetkupplung auf ein ausserhalb des Behälters liegendes Zählwerk zu übertragen.
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Im Idealfall sollte die Verdampfungswärme der Verdampferflüssigkeit
innerhalb des Wärme zählers konstant sein.
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Da jedoch die Verdampfungswärme der bekannten Verdampferflüssigkeiten
innerhalb des Temperaturbereiches, in dem derartige Wärmezähler arbeiten, veränderlich
ist, ist es vorteilhaft, auch bei der Verwendung eines Paares von Kippgefäßen anstelle
eines einzigen Messbehälters Maßnahmen zu ergreifen, um temperaturabhängige Änderungen
der Verdampfungswärme der Verdampferflüssigkeit zu kompensieren. Zu diesem Zweck
ist es günstig, wenn mit der Kippachse der beiden Kippgefäße ein längs der Symmetrieachse
dieses Systems verstellbares Gewicht verbunden ist.
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Vorzugsweise wird dieses Gewicht durch ein Paket von Bimetallfedern
verstellt, so dass der Kippvorgang je nach der jeweiligen Arbeitstemperatur in Abhängigkeit
von dem unterschiedlichen Abstand des Gewichtes von der Kippachse
früher
oder später eingeleitet wird. Die Kippbewegungen des Kippgefäß-Paares werden durch
Anschläge begrenzt, die vorzugsweise ebenfalls verstellbar sind. Die Eichung des
Wärme zählers kann durch Verstellen der Anschläge erfolgen. Zusätzlich können die
Anschläge über temperaturempfindliche Fühler verstellbar sein, um die Temperaturabhängigkeit
der Verdampfungswärme der Verdampferflüssigkeit in dem Behälter zu kompensieren.
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Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Form der
Kippgefäße oder/und der Ansdiiäge zur Katpensaticn niit-/Storgrossen so gewählt
ist, dass sich ein nicht-linearer Zusammenhang zwischen der Füllhöhe zur Auslösung
eines Kippvorganges und der Arbeitstemperatur ergibt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
in Verbindung mit einer Zeichnung noch näher erläutert biw. sind Gegenstand der
Schutzansprüche. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen schematischen Querschnitt
durch einen Wärmezähler gemäß der Erfindung; Fig. 2 einen Querschnitt durch das
Messgefäß einer bevorzugten Ausführungsform eines Wärmezählers gemäß der Erfindung;
Fig.
3 eine schematische Darstellung eines KoSelmechanismus zum Verstellen eines Verdrängungskörpers
gegenüber einem Meßgefäß gemäß Fig. 2; Fig. 4 eine schematische Darstellung der
wesentlichen Teile einer abgewandelten Ausführungsform eines Wärme zählers gemäß
der Erfindung mit Einrichtungen zum Regeln des Anteils der vom Kondensator abtropfenden
Kondensatmenge, welcher dem Meßgefäß zugeführt wird; Fig. 5 eine schematische Darstellung
des Verlaufs der Füllung des Meßgefäßes des Wärmezählers gemäß Fig. 1 bis 3; Fig.
6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Konstruktion einer Siebplatte
für einen Wärmezähler gemäß der Erfindung; Fig. 7 einen Schnitt durch eine Siebplatte
für einen Wärme zähler gemäß der Erfindung;
Fig. 8 A und Fig. 8
B eine schematische Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf ein abgewandeltes Messgefäßsystem
eines Wärmezählers gemäß der Erfindung und Fig. 9 eine schematische Darstellung
eines senkrechten Schnitts durch einen Wärme zähler gemäß der Erfindung mit einem
abgewandelten Meßgefäßsystem gem. Figur 8 A und 8 B.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Wärmezähler gemäß der Erfindung, ist
ein allseits geschlossener Behälter 1 vorgesehen, in dem sich ein Flüssigkeitsvorrat
von Verdampferflüssigkeit 2 befindet. Die Verdampferflüssigkeit 2 wird von einem
Wärmetauscher
3 erwärmt, der von einem Teilstrom des Wärmeträgerfluidums auf der Zulaufseite der
Wärmetauscheranordnung durchströmt wird. Dieser Teilstrom wird nachstehend kurz
als Teilstrom des Heizungsvorlaufs bezeichnet.
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Der Behälter ist hermetisch geschlossen und soweit ausgepumpt bzw.
evakuiert, daß sich in einem oberhalb des Flüssigkeitsspiegels der Verdampferflüssigkeit
2 befindlichen Verdampfungraums 4 im wesentlichen nur noch verdampfte Verdampferflüssigkeit
2 befindet. Am oberen Ende des Verdampfungsraums 4 befindet sich ein Kondensator
5, der von dem kälteren Teilstrom von der Rücklaufseite einer wärmeabgebenden Wärmeaustauscheranordnung
durchflossen wird.
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Dieser Teilstrom wird nachstehend als Teilstrom des Heizungsrücklaufs
bezeichnet.Mbn kann im Idealfall den gesamten Strom von der Rücklaufseite dem Kondensator
der Wårmetauscher-Anordnung zufliessen lassen.
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An dem Kondensator 5 kondensiert Verdampferflüssigkeit 2, wobei der
Kondensationsvorgang den Druck im Verdampfungsraum 4 derart veningert, daß so lange
Vedampferküssigkeit nachverdampft, bis - im Idealfall - die Verdampferflüssigkeit
2 dieselbe Temperatur wie die Oberfläche des Kondensators 5 angenommen hat. Wenn
der Teilstrom vom Heizungsvorlauf, welcher den Meßwärmeaustauscher 3 durchfließt,
klein genug it, wird schließlich - wiederum im Idealfall - dieser Teilstrom auf
die Temperatur des Teilstromes des Heizungsrücklaufs abgekühlt.
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Unter der Voraussetzung, daß die Verdampfungswärme der Verdampferflüssigkeit
2 über einen weiten Temperaturbereich konstant ist, ist die am Kondensator 5 entstehende
Kondensatmenge proportional der Wärmemenge, die dem Teilstrom des Heizungsvorlaufs
entzogen wurde. Da dieser Teilstrom des Heizungsvorlaufs auf die Temperatur des
Wärmeträgerfluidums im Heizungsrücklauf abgekühlt wurde, ist die am Kondensator
5 anfallende Kondensatmenge unter den genannten Voraussetzungen derjenigen Wärmemenge
genau proportional,die dem Teilstrom im Heizungsvorlauf entzogen wurde.
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Die vom Kondensator 5 abtropfende Kondensatmenge wird von einem Meßgefäß
6 aufgefangen, das unterhalb des Kondensators 5 angeordnet ist. Wenn sich das MeßgefSß
bis auf eine erste Füllhöhe 7 gefüllt hat, wird eine automatische HebeMorrichtung
mit einer Heberglocke 8 und einem Heberrohr 9'wirksam und das Kondensat läuft aus
dem Meßgefäß 6 über das Heberrohr 9 ab, bis eine zweite Füllhöhe lo erreicht ist,
welche durch die Lage der Unterkante bzw. des unteren Randes der Heberglocke 8 bestimmt
ist.
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Das aus dem Meßgefäß auslaufende Kondensat gelangt in eine unterhalb
des Heberrohres 9 angeordnete Schale 11 oder dergl., die nach Aufnahme einer vorgegebnen
Kondensatmenge kippt und sich dabei selbst entleert. Die Schale 11 ist derart mit
einem Zählwerk 12 verbunden, daß dieses bei jedem Kippvorgang,
d.h.
also, bei Abgabe jeder einzelnenen Kondensatcharge aus dem Meßgefäß 6 um einen Schritt
weitergeschaltet wird. Durch Ablesen des Zählerstandes des Zahlwerks 12 läßt sich
somit die von der Wärmetauscheranordnung, welche bspw. durch eine Anzahl von Heizkörpern
einer Heizanlage gebildet sein kann, abgegebene Wärmemenge ablesen.
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Bei dem Wärmezähler gemäß Fig. 1 ist der größte Teil der Außenseite
des Behälters von einer Schicht 13 aus thermisch isolierendem Material umgeben.
Ferner ist auch die Innenwand des Behälters 1 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
der Verdampferflüssigkeit 2 mit einer thermischen Isolationsschicht 14 versehen,
deren oberes Ende Leitflächen 14 a zur Zuführung des Kondensats von dem Kondensator
5 zu dem Messgefäß 6 bildet Schließlich ist auch das Meßgefäß mit einer Schicht
15 aus thermisch insolierendem Material umgeben. Die isolierenden Schichten 13 bis
15 sollen verhindern, daß die Kondensation von Verdampferflüssigkeit an Stellen
stattfindet, von denen das Kondensat nicht in das Meßgefäß 6 fließen kann. Hierdurch
wird nämlich das Meßergebnis verfälscht. Ferner soll mit Hilfe der Isolierung erreicht
werden, das Wärmeverluste aus der Verdampferflüssigkeit 2 zumindest im wesentlichen
verhindert werden.
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Besonders günstig ist es, wenn der gesamte Behälter 1 von
einer
Wärmeisolation umgeben ist und wenn man die Außenseite der Wärmeisolation mit Wärmeträgerflüssigkeit
aus dem Heizungsrücklauf umspült. Die Wärmeisolation des Behälters sorgt in diesem
Fall dafür, daß möglichst kein Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeträgerfluidum des
Heizungsrücklaufs und der Verdampferflüssigkeit erfolgt, welche das Meßergebnis
verfälschen könnte. Andererseits kann bei vollkommender Umspülung des ganzen Behälters
die Temperatur der Außenseite der Wärmeisolation höchstens auf die Temperatur des
Wärmeträgerfluidums im Heizungsrücklauf absinken, so daß infolge der geringen verbleibenden
Temperaturdifferenz zwischen der Verdampferflüssigkeit 2 und dem Wärmeträgerfluidum
des Heizungsrücklaufs nur sehr wenig "Falschwärme" fließen kann, wobei zu beriicksichtigen
ist, daß wegen des thermodynamischen Gleichgewichts innerhalb des Behälters die
Verdampferflüssigkeit im Idealfall ohnehin auf der Temperatur des Wärmeträgerfluidums
im Heizungsrücklauf gehalten wird.
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Wenn die Wärmemengenmessung mit einer besonders hohen Genauigkeit
durchgeführt werden soll, ist abweichend von den oben gemachten Voraussetzungen
zu berücksichtigen, daß die Verdampfungwärme der Verdampferflüssigkeit 2 über einen
größeren Temperaturbereich nicht völlig konstant ist und daß es in der Praxis auch
nicht erreichbar ist, den vom Heizungsvorlauf abgezweigten Teilstrom völlig auf
die Temperatur des vom Heizungsrücklauf abgezweigten Teilstroms abzukühlen. Diese
Abweichungen vom Idealfall bedeuten Fehlerquellen,
die kompensiert
werden müssen, wenn eine exakte Wärmemessung durchgeführt werden soll.
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Die erforderliche Kompensation gelingt am einfachsten durch Veränderung
des Inhalts des Meßgefäßes 6. Um Klarheit zu erhalten, in welcher Weise die Kompensation
erfolgen muß, folgen nachstehend einige mathematische Betrachtungen, wobei für die
Berechnungen der stationäre Zustand vorausgesetzt ist, da die Temperaturänderungen
im allgemeinen so langsam verlaufen, daß diese Vereinfachung zulässig ist.
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Der wärmere Teilstrom vom Heizungsvorlauf soll beim Eintritt in den
Wärmezähler die Temperatur t besitzen und beim Austritt die Temperaturt2,wie dies
in Fig. t angedeutet ist.
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Ferner sei die Menge des pro Zeiteinheit in dem wärmeren Teilstrom
fließenden Wärmeträgerfluidums gleich m . Die v spezifische Wärme sei cv. Die Temperatur
des kälteren Teilstroms vom Heizungsrücklauf sei t3.
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Unter den angegebenen Voraussetzungen ist die dem wärmeren Teilstrom
in dem Wärmezähler pro Zeiteinheit entzogene Wärmemenge qv = der spezifischen Verdampfungswärme
r mal der pro Zeiteinheit in dem Wärmezähler umgesetzten bzw. verdampften Menge
m2 der Verdampferflüssigkeit. Es gilt also qvz mvCv (tl t2) - r m2 () In dieser
Gleichung (o) ist die Verdampfungwärme r eine Funktion der Temperatur t4 der Meßflüssigkeit.
Für die pro
Zeiteinheit im Wärmezähler aufgrund der Verdampfung
anfallende Kondensatmenge gilt Vz= v' 2 m2, I wobei v'2 das spezifische Volumen
des Kondensats bei der jeweiligen Arbeitstemperatur ist, die in der Nähe der Temperatur
t4 der Meßflüssigkeit liegt. Durch Umformen der Gleichung (1) erhält man m2 = (t1
- t2) = es r r Setzt man diesen Ausdruck (la) in die Gleichung (2) ein, so ergibt
sich: = v12 I (3) 2 r Unter der Voraussetzung, daß das wirksame Volumen des Meßgefäßes
6, d.h., die Volumendifferenz zwischen der ersten Füllhöhe 7 und der zweiten Füllhöhe
lo gleich VM ist, ergibt sich bei der betrachteten Anordnung eine "Entleerungsfrequenz"
f bzw. eine "Sehalthäufigkeit" gemäß folgender Gleichung:
wobei z = Zeit zwischen zwei Entleerungen und VM = Entleervolumen
des Meßgefäßes.
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Gesucht wird die wahre Wärmemenge q4 , die dem Vorlauf in der Wärmeaustauscheranordnung
entzogen wird. Mit dem Teilungsfaktor a für den wärmeren Teilstrom erhält man sehr
angenähert qH = a . mv . Cv (t1 - t3) (5) vv (Cv ist wegen (t1 - t2) * (td - t3)
im Heizungsvorlauf um ein geringes verschieden von dem im Teilstrom.) Mit G1. erhält
man
oder
Dies in G1. 4 eingesetzt ergibt
Damit f exakt proportional qH = amv Cv (td - t3) wird, muß sein f/qH = b = const.
( = Wärmekoeffizient) und damit
In G1. 4 eingesetzt ergibt das mit Cl. 6
Den zeitlichen Verlauf der Füllung des Meßgefäßes 6 innerhalb einer Meßperiode zeigt
Fig. 5.
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h ist die Füllhöhe, A der Meßquerschnitt, Vz/A die Anstieggeschwindigkeit
des Füllpegels, z die Dauer eines Meßintervalls.
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Der Einfachheit halber werde der Fall betrachtet, bei dem sich die
Meßgrößen so ändern, daß das Meßintervall z konstant bleibt. Dies tritt ein, wenn
also oder
| L =h |
| A ( lo) |
| A 1) |
| = = const. |
| f ~ = z =-const. , (11) |
Nach G1. 4 und 8 erhält man
Es muß also auch für z + const sein
Man kann also einen Teil des Audruckes auf der rechten Seite dieser Gleichung durch
Ändern des Meßquerschnittes A, den anderen durch Ändern der Füllhöhe h variieren.
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Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Meßgefäßes 6 und zugehöriger
Einricktungen,mit deren Hilfe der Meßquerschnitt A und die Füllhöhe h bzw. das Entleervolumen
veränderbar sind. Dabei wird vorausgesetzt, daß das Meßgefäß 6 senkrecht zur Schnitt
- bzw. Bildebene durchgehend eine konstante Tiefe besitzt.
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Wie Fig. 2 zeigt, ist im Inneren des Meßgefäßes 6 ein Verdrängungskörper
16 vorgesehen, der in Richtung senkrecht zur Zeichenebene eine Tiefe besitzt, die
gleich dem Abstand von parallelen Seitenwänden 47 des Meßgefäßes 6 ist. Bewegt man
den Verdrängungskörper 16 in senkrechter Richtung auf und ab, so ändert sich der
Meßquerschnitt A
zwischen der freien Seite 16 a des Verdrängungskörpers
46, den Seitenwänden 47 des Meßgefäßes 6 und der der freien Seite gegenüberliegenden
Stirnwand 48 des Meßgefäßes 6 linear mit der Lageänderung des Verdrängungskörpers
46. Dabei ist es wesentlich, daß bei der betrachteten Anordnung der eigentliche
Meßquerschnitt A bei einer Auf- und Abbewegung des Verdrängerkörpers 16 prismatisch,
insbesondere rechteckig oder quadratisch bleibt.
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Die Verstellung der Füllhöhe h erfolgt dadurch, daß man die Heberglocke
8 in senkrechter Richtung aufwärts bzw.
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abwärts bewegt. Diese Verstellung der Heberglocke 8 beeinflußt die
untere bzw. zweite Füllhöhe to und damit die Entleerungsfrequenz. Die Entleerung
der Charge des gesammelten Kondensats setzt nämlich immer dann ein, wenn innerhalb
des Meßgefäßes 6 die Flüssigkeit bis an das obere Ende des Heberrohres 9 gestiegen
ist und durch dieses abzulaufen beginnt.
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Man kann leicht nachweisen, daß die Verstellung des Meßquerschnitts
A und der Füllhöhe h nur dann voneinander unabhängig sind, wenn der Meßquerschnitt
des Meßgefäßes 6 1insbesondere bei Änderung der Lage des Verdrängerkörpers 16 in
senkrechter Richtung längs seines gesamten Verstellwegeslkonstant bleibt. Praktisch
bedeutet dies, daß das unterste Ende bzw. die Spitze 16 b des Verdrängerkörpers
16
nicht über das Niveau der Unterkante der Heberglocke 8 angehoben
werden darf.
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In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn man für die
Verstellung des Verdrängerkörpers 46 bzw.
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der Heberglocke 8 von folgenden Voraussetzungen ausgeht: Für die jeweilige
Höhenstellung des Verdrängerkörpers 16 soll gelten:
wobei der Index o der jeweiligen Ausgangs größe zugeordnet ist.
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Ferner soll für die wweillge Höhenstellung der Heberglocke 8 gelten
Die Größe des Meßgefäßes 6 und die Übersetzung zum Zählwerk 12 ergibt sich ausgehend
von den Gleichungen (54) und (45) aus dem Produkt a.b (G1. 13).
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Die Zuordnung der beiden Funktionen zu A und h läßt sich
umkehren;
die vorstehend vorgeschlagene Zuordnung hat sich jedoch als günstiger erwiesen.
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Nachstehend soll anhand der Fig. 3 eine vorteilhafte Möglichkeit für
die Erzeugung der Verstellt bewegungen für den Verdrängerkörper 16 näher erläutert
werden.
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Fig. 3 zeigt einen Koppelmechanismus aus drei miteinander verbundenen
Koppeln 20, 21 und 22. An den Enden der ersten Koppel 20 greifen Verstellelemente
insbesondere Bimetallfedern (nicht dargestellt) an, deren Auslenkung den Temperaturen
t1-t2 an der Einlaßseite bzw.
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an der Auslaßseite des Meßwärmeaustauschers 3 entspricht.
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Die Möglichkeit der Auslenkung der beiden Enden dG ersten Koppel 20
in Abhängigkeit von den Temperaturen t1 -t2 ist in Fig. 3 durch Doppelpfeile a (tal)
und 4(t2) angedeutet. Die Richtung der Auslenkung der Metallfedern ist so gewählt,
daß dann, wenn sich die beiden Temperaturen t4 und t2 gleichsinnig und um den gleichen
Betrag ändern, die Endender ersten Koppel 20 in entgegengesetzter Richtung um gleiche
Beträge verstellt werden. Damit bleibt der Mittelpunkt der ersten Koppel20 für diesen
Fall von Temperaturänderungen im Ruhezustand. Ändern sich dagegen die Temperaturen
t4 und t2 unterschiedlich, so ergibt sich am Mittelpunkt der ersten Koppel 20 eine
resultierende Bewegung, die bei geeigneter Ausgestaltung des Koppelmechar.ismus
der Temperaturdifferenz t1 - t2 proportional ist.
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Der Mittelpunkt der ersten Koppel 20 ist als Anlenkpunkt 23 für das
eine Ende ds zweiten Koppel 2t ausgebildet, an deren freiem Ende ein Verstellelement
( nicht dargestellt ) angreift, dessen Auslenkung von der Temperatur t4 der Verdampferflüssigkeit
2 beeinflußt wird. Die Möglichkeit einer temperaturabhängigen Auslenkung ist in
Fig. 3 durch den Doppelpfeil c (t4) angedeutet. Die dritte Koppel 22 ist in einem
geeignet gewählten Abstand von dem Anlenkpunkt 23 der zweiten Koppel 2 an der ersten
Koppel 20 an einem Anlenkpunkt 24 mit der zweiten Koppel 2t verbunden. An dieser
dritten Koppel 22 hängt der Verdrängungskörper 56, wie dies in Fig. 3 schematisch
angedeutet ist. Durch die temperaturabhängige Verstellung der dritten Koppel 22
und damit des Verdrängungskörpers 16 wird der Einfluß der Größe v'/r, d.h. der Einfluß
des von den genannten Temperaturen tlt t2 und t4 abhängigen Quotienten aus spezifischem
Volumen und Verdampfungswärme der Verdampferflüssigkeit auf das Meßergebnis kompensiert.
Dieser Einfluß ist zwar im allgemeinen nicht-linear, jedoch ist diese Nichtlinearität
bspw. bei Wasser als Verdampferflüssigkeit so klein, daß der Quotient v'/r als linear
verlaufend angesehen werden darf. Geht man bspw. bei Wasser von der Verdampfungwärme
bei 70°C aus, so ändert sich der Quotient v'/r bei Absinken der Temperatur auf 30°C
um minus 5,67% und bei Ansteigen der Temperatur auf looOC um plus 5,6%. Innerhalb
dieses Bereiches ist der Absolutwert der Abweichung von der Linearität geringer
als 18.
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Falls es erwünscht ist, kann auch diese geringfügige Restabweichung
von der Linearität korrigiert werden, da der
Differentialquotient
der Funktion v'/r in Abhängigkeit von der Temperatur t4 monoton und stetig verläuft.
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Bei Verwendung von Wasser als Verdampferflüssigkeit ist die Frostgefahr
zu bedenken, die zu einer Zerstörung des Wärmezählers führen könnte. Grundsätzlich
lassen sich auch andere Verdampferflüssigkeiten als Wasser verwenden. Dabei ist
bei der Wahl einer bestimmten Verdampferflüssigkeit darauf zu achten, daß die Funktionv'/r
möglichst linear verläuft und daß der kritische Punkt der Flüssigkeit einen möglichst
großen Abstand vom Meßbereich besitzt. Andererseits muß aber auch der Dampfdruck
im Meßbereich genügend groß sein, um ein einwandfreies Funktionieren der Hebervorrichtung
zu gewährleisten.
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Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Genauigkeit der Meßergebnisse
ergibt sich ausgehend von Gleichung (55), wenn man in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz
ein Kurvengetriebe betätigt, welches eine solche Bewegung der Heberglocke 8 herbeiführt,
daß die Gleichung (45) erfüllt wird. Da das Kurvengetriebe im Hinblick auf die zu
realisierende Funktion ein Hyperbel- Kurventrieb sein muß, ist es günstiger, die
Bewegung auf die Heberglocke zu übertragen, da deren Bewegung weniger auf das Meßorgan
zurückwirkt, als eine Bewegung des Auftriebskörpers 53.
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Eine andere Möglichkeit , die Gleichung (15) zu realisieren, besteht
darin, daß über dem Meßgefäß 6 ein Danaiden-
Gefäß 25 angeordnet
wird, wie dies Fig. 4 zeigt. Im Boden des Danaiden-Gefäßes 25 ist eine geradlinig
verlaufende Lochreihe vorgesehen, durch die das Kondensat bandförmig abläuft. Zwischen
dem Meßgefäß 6 und dem Danaiden-Gefäß 20 ist ferner ein als Strömungsteiler dienender
Löffel 26 vorgesehen, der in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz t-t3 der beiden
Teilströme mittels nicht dargestellter Antriebseinrichtungen hin- und herbewegbar
rist, wie dies durch den Doppelpfeil d (t-t3) angedeutet ist. Durch Verstellung
des Löffels 26 läßt sich erreichen, daß eine der Temperaturdifferenz t4 - t3 proportionale
Kondensatmengen zu dem Meßgefäß 4 fließt und von diesem aufgenommen wird.
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Die zweite gemäß Gleichung (44) erforderliche Korrektur erfolgt durch
eine entsprechende Verstellung der Heberglocke 8, so daß die Taktfrequenz f der
Entleerungen des Meßgefäßes 6 schließlich die Gleichung (9) erfüllt.
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Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel bereitet es gewisse Schwierigkeiten,
die Lochreihe so auszubilden, daß sich über die gesamte Länge derselben, pro Längeneinheit
jeweils exakt die gleichen Strömungsmengen ergeben. Diese Schwierigkeiten lassen
sich dadurch vermeiden, daß man eng nebeneinander und ggfs. gegeneinander versetzt
kurze und exakt gleich lange Abschnitte eines Rohres mit konstantem Durchmesser
in den Boden des Danaiden-Gefäßes 25 einsetzt.
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Dabei ist es unter Umständen ausreichend,im Boden des
Danaiden-Gefäßes
25 relativ wenige diskrete Öffnungen längs einer Geraden anzuordnen und die Teilungskante
27 des Löffels 26 unter einem kleinen Winkel schräg zur Lochreihe aus zurichten,
so daß einzelne Kondensatstrahlen bzw. -tropfen, die auf diese Teilungskante treffen,
von ihr geteilt werden.
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Ferner ist es zur Erzielung der gewünschten Meßaenauigkeit günstig,
wenn das Danaiden-Gefäß 25 frei pendelnd aufgehängt wird, damit der Wasserspiegel
über jeder Öffnung bzw. jedem Rohrabschnitt exakt gleich hoch bleibt, so daß durch
jede Öffnung genau die gleiche Kondensatmenge abfließt. Zur Dämpfung von Schwingungen
des frei aufgehängten Danaiden-Gefäßes 25 ist es weiterhin günstig, wenn man an
dem Danaiden-Gefäß 25 eine Fahne (nicht dargestellt) anbringt, die in die Wärmetauscherflüssigkeit
eintaucht. Wenn man beim Füllen des geschlossenen Behälters auf peinliche Sauberkeit
achtet, ist die Gefahr einer Verschmutzung der Lochreihe im Boden des Danaiden-Gefäßes
25 vernachlässigbar da in diesem Fall stets mit reinem Kondensat gearbeitet wird,
wobei allerdings darauf zu achten ist, daß zwischen der Wärmetauscherflüssigkeit
und dem Werkstoff des Danaiden-Gefäßes 25 keine chemischen Reaktionen eintreten.
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Als günstig hat es sich erwiesen, wenn man über dem Danaiden-Kondensat
Gefäß 25 eine Hilfssammelvorrichtung 28 anordnet, in der das / zunächst gesammelt
wird und aus dem es chargenweise austritt, wie dies bspw. mittels der in der Zeichnung
angedeuteten
Heberanordnung erfolgen kann. Die chargenweise Zuführung
des Kondensats zu dem Danaiden-Gefäß 25 gewährleistet, daß das Kondensat aus den
Öffnungen im Boden des Danaiden-Gefäßes 25 nicht nur abtröpfelt, sondern jeweils
richtig fließt.
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Die in dem Behälter vom Wärmetauscher 3 abgegebenen Wärmemenge geht
dem System nicht verloren, da sie über den Kondensator 5 wieder in das System zurückgeführt
wird. Es muß lediglich die vergleichsweise winzige mechanische Arbeit zur Betätigung
des Zählwerkes aufgebracht werden, bzw. diejenige Arbeit, welche notwendig ist,
um die Meßflüssigkeit über Verdampfung und Kondensation vom Pegel der Verdampferflüssigkeit
2 auf das Niveau des Kondensators 5 anzuheben.
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Der erfindungsgemäße Wärmemengenzähler arbeitet sehr genau, so lange
die Füllzeiten für das oder die Meßvolumina lang gegenüber den Entleerungszeiten
für dieselben sind.
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Wenn dies nicht der Fall ist, muß man dafür sorgen, daß die während
der Entleerung des Meßgefäßes 6 weiter zufließende Kondensatmenge zunächst zwischengespeichert
und erst nach Beendigung des Entlascungsvorganges in das Meßgefäß 6 geleitet wird.
Ferner ist es wichtig, daß die Temperaturdifferenz t-t2 nicht allzu stark von der
Temperaturdifferenz
t-t3 abweicht, damit einerseits die erforderlichen Korrekturen in Grenzen gehalten
werden können und weil andererseits die mittlere spezifische Wärme bei verschiedenen
Temperaturniveaus im Hauptstrom auf der Vorlaufseite und im abgezweigten Teilstrom
unterschiedlich wird. Andererseits sind die zu erwartenden Ungenauigkeiten gering,
da die Temperaturabhängigkeit der spsifischen Wärme klein ist.
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In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß für die Strömungsgeschwindigkeit
w im Hauptstrom unter Berücksichtigung der Gleichung (9) folgende Gleichung gilt:
Ferner sei darauf hingewiesen, daß sich der Quotient (t1-t3) /(t1-t2) in Abhängigkeit
von der Strömungseschwindigkeit und der jeweils umgesetzten Wärmemenge ändert. Wenn
man im Hinblick auf diesen Zusammenhang den Wärmetauscher groß genug und den Teilstrom
klein genug macht, dann erübrigt sich die Korrektur mit diesem Quotienten. Man erhalt
auf diese Weise relativ einfache Wärmezähler, die bspw. für die Ermittlung des Wärmeverbrauchs
in einer einzelnen Wohnung eingesetzt werden können und auf jeden Fall noch wesentlich
genauer arbeiten als die derzeit allgemein gebräuchlichen
Verdunstungszähler,
die überdies auch an jedem einzelnen Heizkörper anzubringen sind.
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Bei einem Wärmezähler gemäß der Erfindung ist es ferner wesentlich,
daß das Volumen des den Wärmetauscher 3 durchfließenden Teilstroms über einen weiten
Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten denQVolumen des Hauptstromes exakt proportional
ist. Namentlich bei kleinen Nennweiten kann man in den Rohrleitungen für Vorlauf
und Rücklauf leicht in das Ubergangsgebiet zwischen turbulenter und laminarer Strömung
kommen,in dem die Aufteilung in Teilströme mit Hilfe nur eines Blenden- oder Düsenpaares
problematisch wird. Wegen der unterschiedlichen Durchmesser dieser Blenden oder
Düsen im Haupt- und Nebenzweig kann es gerade im Übergangsgebiet zwischen turbulenter
und laminarer Strömung zu nicht vernachlässigbaren Teilungsfehlern kommen , da bei
der Bestimmung des Fehlers nicht die Nenn- Strömungsgeschwindigkeit, sondern die
jeweils herrschende Strömungsgeschwindigkeit zugrundegeleqt wird.
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In Weiterbildung der Erfindung hat es sich daher zur Erzielung einer
genauen Teilung der Ströme auf der Vorlaufseite und damit einer erhöhten Meßgenauigkeit
als günstig erwiesen, wenn auf der Vorlaufseite statt einer einzigen Blende oder
Düse eine Siebplatte mit vielen gleich große Löchern vorgesehen wird. Insbdondere
hat sich eine Siebplatte
als günstig erwiesen, bei der die einzelnen
Löcher jeweils in der Mitte eines Sechseckfeldes liegen, das Teil eines (gedachten),
sich über die gesamte Siebplatte erstreckenden Wabenmusters ist. Dieser Ausgestaltung
Segt folgende Überlegung zugrunde: Das Rohr für den Teilstrom habe einen Durchmesser,
der etwa dem Durchmesser eines der gedachtensechseckfelder der Siebplatte im Hauptstrom
entspricht. In diesem Rohr ist nun eine Blende oder Düse untergebracht, deren Offnungsdurchmesser
ebenso groß ist, wie eines der Löcher der Siebplatte im Hauptstrom. Da in jeder
der Öffnungen nun die gleiche Strömungsgeschwindigkeit herrscht und die Öffnungsdurchmesstr
alle gleich sind, ändert sich das Teilungsverha?ltnis auch bei starker Änderung
der Strömungsgeschwindigkeit im Hauptstrom nicht oder zumindest nur sehr wenig.
Außerdem ist die Gefahr der Verschmutzung derartiger Siebplatten relativ gering,
wenn man die einzelnen Löcher als Düsen entsprechend der sogenannten Normdüse ohne
nachgeschalteter.
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Diffusor ausbildet.
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Rech-nrisch ergibt sich für einen Siebplatten-Strömungsteiler folgendes:
Wählt man den Durchmesser d5 eines der gedachten regelmäßigen Sechsecke, gemessen
senkrecht zu einer der begrenzenden Kanten gleich e mal Durchmesser der Blende oder
Düse de in der fritte der betrachteten Sechseckfläche (Fig. 6), so ist gleichzeitig
der jeweilige Abstand aller benachbarten Löcher voneinander: d5 = e de (17)
Wenn
die Seitenlänge der Sechsecke gleich e ist, dann gilt
Für die Berechnung des Strömungswiderstandes benötigt man /eines außer dem Durchmesser
des Loches die Fläche S der Sechsecke. Für die Fläche S gilt:
Bei einem Durchmesser D der Siebplatte ergeben sich unter den genannten Voraussetzungen
n Löcher, wobei
Setzt man in die Gleichung (49) folgende Werte ein: D = 80 mm d1 = 3 mm und e =
3 dann ergibt sich
man erhält also etwa 72 Öffnungen. Zgt man den Teilstrom über eine der Öffnungen
bzw. Löcher ab, so ergibt sich dem.-nach ein Teilungsverhältnis von 4 : 72, bzw.
ein Teilstrcm dessen Anteil vom Hauptstrom etwa 4,4% betragt.
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Für den Druckabfall ergibt sich bei einer derartigen Anordnung in
Anlehnung an die Durchflußmeßregeln gemäß der VDI-Bestimmung 2040 bei n Öffnungen
im Durchlaß und einem Gesamtdurchmesser D der Siebplatte zunächst für das Öffnungsverhältnis
der einzelnen Öffnungen folgendes:
wobei davon ausgegangen wird, daß jeder Öffnung in der Blendenscheibe ein immaterieller
Zuflußkanal zugeordnet ist, dessen Durchmesser etwa dem Durchmesser eines der Sechsecke
entspricht, in die die Platte aufgeteilt wurde und wobei m das Öffnungsverhältnis
zwischen diesem "zugeordneten" Rohr und der Blendenöffnung ist.
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Ile durch eine der öffnungen fließende Menge q ist gleich dem Gesamtdurchfluß
qO geteilt durch die Zahl n der Offnungen, also
Gemäß den VDI-Bestimmungen 2040,Blatt 4, Abschnitt 4.4.5.3
(Seite
13 , Entwurf Oktober 5974) entsteht hinter einer Siebplatte ein stumpfes Geschwindigkeitsprofil".
Dies bedeutet, daß bei Vorschalten eines "Wabengleichrichters" der hier betrachteten
Art zum Unterdrücken eines Dralls in der Strömung eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber
Einlaufstörungen erzielt wird. Ein gleichmäßiges Strömungsprofil hinter der Siebplatte
bedeutet nämlich, daß auch unmittelbar vor der Siebplatte ein gleichmäßiges Strömungsprofil
vorhanden sein muß.
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Für den Druckabfall an der Siebplatte bei Ausbildung der einzelnen
Öffnungen als Normdüsen gilt gemaß den VDI-Bestimmungen 2040, Entwurf September
1968, Blatt 2, G1. 4 [1] folgende Zahlenwertgleichung:
Folgende Annahmen: Re = 4,255 lo (Reynoldsche Zahl) bei 1,4 m/s ; 25 mm Nennweite,
kinematische Zähigkeit von Wasser bei etwa 4o0C. qm= 2 470 kg/h; D = 80 mm; # =
1000 kg ; # p = 500 kp/m²; # = 1 (Wasser).
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Für diese Werte ergibt sich nach Gleichung (22) met = o,o4807; 4 fs
o,985; m = 0,0488; e = 1/ 6 = 4,527.
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Bei dem angenommenen kleinen Durchmesser der Sechsecke ergibt sich
uner Zugrundelegung der vorstehend angegebenen Werte: d5 = e de = 13,58 mm.
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Aus den Gleichungen (19) und (20) erhält man
Aus den Gleichungen (22) und (23) erhält man die Zahlen«tertgleichung
oder
Setzt man in diese Gleichung folgende Werte ein: n = loo,
α
= 0.985; # = 1 (Wasser); q = 2 470 kg/h;5='4 ooo kg/m und bp = 500 mmWS, so ergibt
sich d = 4,683 mm.
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Dieser Lochdurchmesser liegt für den praktischen Einsatz etwa an der
unteren Grenze. Den geeigneten Lochdurchmesser für den Einzelfall erhält man,indem
man die Gleichung (24) nach dem Differenzdruck ap auflöst. Ist der dabei errechnete
Differenzdruck # p zu klein, kann man mehrere gleichartige Siebplatten hintereinanderschalten.
Damit ergibt sich:
wobei qm in kg/h ;Sin kg/m³ und dQ in mm einzusetzen ist.
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SETZT man dZ = 3 mm,so ergibt sich # p = 402/dp4 49,53 mm WS = 485,8
Pa (= Verringert man dl auf 2,5 mm, so wird # p = 102,7 mmWS = 1007 Pa (=N/m2).
Für de = 2,74 mm wirdgp = 71,2 mmWS.
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Ersetzt man in G1.(22) # p durch den Ausdruck gemäß Gl. (25), so ergeben
sich daraus die Gleichungen (23) bzw. (19).
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Löst man diese Gleichungen nach D auf, so ergibt sich
Da man sich beim Nebenkanal gewöhnlich an eine bestimmte Nennweite halten muR, ergibt
sich zwangsläufig nach Gl. (17):
In der Praxis kann man bei der Berechnung daiin so vorgehen, daß man für einen möglichst
kleinen Lochdurchmesser (z.B. 2,5 mm) und eine genügend große Lochzahl n (7100)
einen Wert für e auswählt, der möglichst > 3 ist, bei einem welchem ds (G1.17)
/ Normdurchmesser entspricht. Der dazugehörige Differenzdruck wird dann gemäß Cl.
(25) errechnet, wobei danach der folgenden Zahlenwertgleichung gemäß den VDI-Bestimmungen
2040 nachgeprüft werden kann:(£ ist für Wasser = 1)
Diese Nachprüfung ist jedoch entbehrlich, da die zu erwartende
Abweichung
des sich tatsächlich ergebenden Differenzdruckes vom errechneten Ergebnis erfahrungsgemäß
gering ist.
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Da der Wärmezähler ohnehin wegen einer Reihe anderer Toleranzen empirisch
geeicht werden muß, kommt es auf eine eakte Einhaltung des Teilungsverhältnisses
mit Abweichungen in der Größenordnung von ein oder mehreren Prozenten nicht an.
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Mit Hilfe der G1. (26) läßt sich der Außendurchmesser D der Siebplatte
und damit der zugehörige Rohrdurchmesser leicht berechnen. Günstig ist es, wenn
man die Öffnungen aller Drosselstellen als Normdüsen mit einer guten Abrundung ausführt,
wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Derartige Düsen sind gegen Verschmutzungen praktisch
unempfindlich. Andererseits lassen sich entsprechende Siebplatten relativ einfach
und billig herstellen.
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Die Ableitung und Rückführung des Teilstromes aus dem bzw.
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in den Hauptstrom soll abweichend von den DIN-Bestimmungen 1952 ein
Stück vor bzw. hinter der Blende erfolgen, da ja im Teilstrom dieselben Verhältnisse
vorliegen. Benötigt man nur eine Siebplatte, so ist der restliche verbleibende Druckabfall
im Hauptstrom kleiner als der in den obigen Rechnungen eingesetzte Differenzdruck£
p, Schaltet man dagegen im Hauptstrom mehrere Siebplatten hintereinander, so müssen
auch im Teilstrom ebensoviVe Siebplatten hintereinander geschaltet werden. Dabei
ist es wichtig, daß die
Siebplatten im Hauptstrom so angeordnet
werden, dass die einzelnen Löcher bzw. Öffnungen miteinander fluchten. Nur in diesem
Fall erreicht man nämlich im Hauptstrom etwa dieselben Strömungsverhältnisse wie
im Nebenstrom.
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Günstig ist es, wenn man die Zahl der hintereinander zu schaltenden
Siebplatten dadurch verringert, dass man die Löcher in den einzelnen Siebplatten
gegeneinander versetzt.
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In diesem Fall müssen dann die Löcher in den vom Teilstrom durchflossenen
Blenden ebenfalls exzentrisch angebracht werden, wobei die Exzentrizität etwa ebenso
gross sein sclite wie das Maß, um welches die hintereinander liegenden Öffnungen
der Siebplatten im Hauptstrom gegeneinander versetzt sind.
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Die Figuren 8 A und 8 B zeigen schematische Darstellungen der Messgefäßanordnung
einer abgewandelten Ausführungsforir: eines Wärmezählers gemäß der Erfindung, be
welchem anstelle eines einzigen Messgefässes 6, wie es bei dem Warmezähler in Fig.
1 vorgesehen isto zwei als Kippgefäße 6a und 6b ausgebildete Messgefäße vorgesehen
sind. Die beiden Kippgefäße 6a und 6b sind um eine gemeinsame Kippachse 34 schwenkbar
und die gesamte Kippanordnung arbeitet wie folgt: Bei der in Fig. 8 A gezeigten
Stellung wird zunächst das Kippgefäß 6A mit Kondensat gefüllt, welches aus einem
unterhalb des Kondensators angeordneten Trichter 36 abtropft, in dessen Auslassöffnung
38 eine Abtropfnadel 40 angeordnet ist, um einen möglichst gleichmäßigen Kondensatstrom
zu gewährleisten. Während sich das Kippgefäß 6a
allmählich mit
Kondensat füllt, verlagert sich der Schwerpunkt der Kippanordnung von einem Punkt,
welcher in Fig. 8 A links von der Kippachse 34 liegt, allmahlich in Richtung auf
die Kippachse 34, bis er bei einer vorgegebenen Füllhöhe im Kippgefäß 6a auf die
in der Zeichnung rechte Seite der Kippachse 34 gelangt, wodurch die Anordnung zum
Kippen gebracht wird. Nunmehr befindet sich das zweite Kippgefäß 6b unter der Auslassöffnung
38 des Trichters 36,und dieses Kippgefäß 6b füllt sich allmählich,während das Kondensat
aus dem zuvor gefüllten Kippgefäß 6a durch ein Kapillarrohr 42a relativ langsam
abläuft, jedoch wesentlich schneller als der Zulauf von Kondensat erfolgt. Während
sich nun allmählich das zweite Kippgefäß 6b mit Kondensat füllt, wandert der Schwerpunkt
der Kippanordnung von rechts nach links, bis bei Erreichen einer vorgegebenen Füllhöhe
in dem zweiten Kippgefäß 6b wiederum ein Kippvorgang erfolgt, so dass die Kippanordnung
in ihre in Fig. 8 A gezeigte Lage zurückkehrt.
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Die Endstellungen der Kippanordnung werden durch Anschläge 44 bestimmt,
an welche sich die Kippgefäße 6a, 6b im Bereich ihrer Kapillarrohre 42a, 42b anlegen.
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Um bezüglich der Kippzeitpunkte eine bessere Einstellmöglichkeit zu
erhalten, ist längs der Symmetrieachse der Kippanordnung ein Gewicht 46 mit der
Kippachse 34 verbunden,dessen radialer Abstand von der Kippachse 34 mittels geeigneter
nicht näher dargestellter Einrichtungen einstellbar ist.
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Or Abstand des Gewichtes 46 von der Kippachse 34 ist ferner ausgehend
von der eingestellten Grundstellung,mit Hilfe eines schematisch angedeuteten Paketes
48 von Bimetallfedern veränderlich, um den Temperaturgang der Verdampfungswärme
des Kondensats über den Arbeitsbereich des Wärmemessers zu kompensieren. Ausserdem
können auch die Anschläge 44 temperaturabhängig verstellbar sein, um die Temperaturabhängigkeit
der Verdampfungswärme der Verdampferflüssigkeit zu kompensieren. Weiterhin besteht
die Möglich-und/oder der AnsohlaqB keit, die Form der Kippgefäße 6a und 6b/so zu
wählen, aass sich ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Füllhöhe zur Auslösung
eines Kippvorganges und der Arbeitstemperatur der Kippanordnung ergibt.
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Fig. 9 der Zeichnung zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen
Wärmemesser gemäß der Erfindung mit einer Kippanordnung gem. Fig. 8 B und 8 B. Der
Wärmemesser gemäß Fig. 9 ist im Prinzip ebenso aufgebaut wie der Wäriremesser gemäß
Fig. 1, arbeitet jedoch mit der vorstehend beschriebenen Kippanordnung, die insgesamt
mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet ist und deren Kippachse 34 nach aussen zu einer
Magnetkupplung 52 geführt ist, über die das Zählwerk 12 antreibbar ist. Ein weiterer
Unterschied zwischen den beiden Wärmemessern besteht darin, dass in das Gefäß 1
ein Dewar-Gefäß 54 eingesetzt ist, welches gewissermaßen den unteren Teil des Behälters1
bildet und den Messwärmeaustauscher 3 umschliesst, der in Fig. 9
etwas
detaillierter dargestellt ist als in Fig. 1. Die besonders hochwertige Wärmeisolation
im Bereich des tlesswärmeaustauschers 3 gewährleistet eine erhöhte Genauigkeit der
Messergehnisse, da Wärmeverluste aus dem wärmeren Teilstrom gegenüber de?uührungsbeispiel
noch weiter verringert werden. Dem gleichen Zweck dient die Maßnahme, dass die Zuleitung
56 für den wärmeren Teilstrom bis unmittelbar zu dem Behälter 1 von einem Mantel
58 umgeben ist, der von einem Schutzstrom von der wärmeren Seite der Wärmetauscheranordnung
durchflossen ist, wobei die Strömung innerhalb des Mantels 58, deren Richtung durch
Pfeile angedeutet ist, dadurch aufrechterhalten werden kann, dass man den Zulauf
zum Mantel 58 in Strömungsrichtung des Hauptstromes vor einer Blende anordnet und
den Ablauf hinter dieser Blende.
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Auch durch die vorstehend betrachtete Maßnahme werden Wärmeverluste
aus dem wärmeren Teilstrom weiter verringert.
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Abweichend von dem Wärmemesser gemäß Fig. 1 ist der Behälter 1 bei
dem Wärmemesser gemäß Fig. 9 schliesslich noch in einen äusseren Behälter 60 eingesetzt,
der den Behälter 1 allseitig im Abstand umschliesst und vom Hauptstrom auf der kälteren
Seite der Wärmeaustauscheranordnung durchströrnt wird, wobei ein Teil dieses Stromes
als kälterer Teilstrom durch den Kondensator 5 geleitet wird. Die Strömungsrichtung
für diese kälteren Strömungen ist wiederum durch Pfeile angedeutet. Insgesamt wird
dadurch, dass man den Behälter 1 vollständig mit der kälteren Strömung umspült,
eine weitere
Reduzierung von Wärmeverlusten erreicht, da ja im
Idealfall der wärmere Teilstrom im Inneren des Wärmeaustauschers auf die Temperatur
des kälteren Teilstromes abgekühlt wird, so dass bei der Anordnung gemäß Fig. 9
die Temperatur im Inneren des Behälters 1 und auf der Aussenseite desselben zumindest
im wesentlichen gleich ist.
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L e e r s e i t e