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Vorrichtung zur meßtechnischen
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Ermittlung von Wärmemengen (Zusatz zu Patent ......... Patentanmeldung
P 23 30 498.5) Die Erfindung betrifft eine Vorrichtuna zur meßtechnischen Ermittlung
von Wärmemengen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Diese Vorrichtung eignet
sich vorzugsweise als Wärmemengenzähler für Heizungsanlagen, kann jedoch auch andere
Anwendungsgebiete
haben, bei denen ein gasförmiger oder flüssiger Wärmeträger vorhanden ist.
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Diese Vorrichtung nach dem }:auptnatent ... (Patentanmelduna P 23
30 498.5) hat u. a. den Vorteil, daß die zeitliche Strömungsmenge des Wärmeträsers
durch Temperaturdifferenzmessungen ermittelt wird und das Meßergebnis unabhangig
von Änderungen des Wärmeüberganges zwischen dem Wärmeträger und der Festkörper-Brücke
ist, so daß diese Vorrichtung auch dann recht genaue Meßergebnisse liefert, wenn
der Wärmeträger verschmutzt ist und sich an der Festkcrper-Brücke an ihrer Grenzfläche
zum Wärme träger im Laufe der Betriebszeit Schmutzschichten oder sonstiae den Wärmeübergang
verschlechternden Niederschläge ansamineln beziehungsweise bilden, wie es insbesondere
bei Heizungsanlagen normalerweise der Fall ist.
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Die vom Wirmeträger zwischen der Vorlaufleitung und der Rücklaufleitung
an einer oder mehreren Wärmeverbraucherstellen oder Wärmeufnahmestellen, bei denen
es sich vorzugsweise um Wärmetauscher, wie Heizkörper, Kühlkörper oder dergleichen
handelt, abgegebene beziehungsweise aufgenommene Wärmemenge wird dahei dadurch ermittelt,
daß der Meßwert für die zeitliche Strömungsmenge des Wärmeträgers multipliziert
wird mit der Temperaturdifferenz des in der Vorlauf- und der Rücklaufleitung strömenden
Wärmeträers . Die so ermittelten Wärmemengen können dann über beliebig lange Zeiträume,
beispielsweise über jeweils eine Heizperiode gezählt werden beispielsweise zum Zweck
der Heizkostenermittlung.
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Im Hauptpatent ... (Patentanmelduna P 23 30 4n8.5) ist hereits beschrieben,
daß die durch den immateriellen Wärmestrom, we]cher die Festkörper-Brücke durchströmt,
verursachte Temperaturdifferenz in der Festkörper-Brücke zweckmäPig mittels einer
Thermoelementkette gefühlt werden kann, wodurch die resultierende elektrische Thermospannung
vergrößert wird. Unter einer Thermoelementkette ist die Reihenschaltung mehrerer
Thermoelemente verstanden. Thermoelementketten bezeichnet man auch als Thermoketten
oder Thermosulen. Die wärmere und kühleren Verbindungsstellen (Lötstellen, Schweißstellen)
der Leiterpaare einer solchen Thermoelementkette fühlen i Zuge der Reihenschaltung
abwechselnd aufeinanderfolgend höhere und niedrigere Temperaturen jn der Festkörper-Brücke.
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Fs ist eine Aufgabe der Frfindung, die Festkörper-Brücke mit der Thermoelementkette
so auszubilden, daß sie haulich einfach ist und eine besonders hohe Meßgenauigkeit
bezüglich des die Festkörper-Brücke durchströmenden imateriellen Wärmestromes auf
betriebssicbere Weise erreicht wird.
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Dies gelingt durch die in Anspruch 1 angegebene Erfindung.
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Bei dieser Aushildung der Festkörper-Brücke entstehen an den einen
die dicken Metallstücke bildenden Leitern der als Thermoelementkette In Reihe geschalteten
Thermoelemente die zu messenden Temperaturdifferenzen und hierdurch wird der die
Festkörper-Brücke durchströmende Wärmestrom
mit besonders hoher
Meßgenauigkeit durch die vhermoelementkette gefühlt und durch sie eine zu ihm proportionale
elcktrische Thermospannung erzeugt. Auch läßt sich eine solche Festkörper-Brückte
billig und robust herstellen und ist äußerst betriebssicher und wartungsfrei.
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Bevorzugt kann voraesehen sein, daß alle metallischen Teile der Festkörper-Brücke
nur durch die Leiter der Thermoelementkette selbst gebildet sind, so daß man ohne
weiteres erreichen kann, daß der gesamte Wärmestrom, der di Festkörper-Prücke durchströmt
zumindest nahezu vollständig durch die dicken Mettalstücke dieser Thermoeleme.ntkette
hindurchströmt, was optimal hohe Meßgenauigkeit auf einfachste Weise ergibt.
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Pevorzugt können die di cken Metallstücke gemäß Anspruch 2 angeordnet
sein. Doch sind auch andere Anordnungen möglich.
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So ist es z. B. möglich, vorzusehen, daß die Reihe der dicken Mettalstücke
quer oder schräg zur Längsachse des betreffenden Leitungsabschnittes der Vorlaufleitung
und/ oder Rücklaufleitung verläuft. Bevorzugt kann die Festkörper-Prücke einen Längsbschnitt
der Vorlauflei tung und/oder Rücklaufleitung bilden beziehungsweise mit bilden.
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Ganz besonders vorteilhaft ist, vorzusehen, daß die Metallstiicke
und die Verbindungsglieder der Thermoelementkette ein Rohr bi]den, welches vorzugsweise
durch einen dünnen Emailüberzug oder dergleichen elektrisch gegen den flüssigen
oder
gasförmigen Wärmeträger isoliert ist und dieses Rohr bildet dann einen Leitungsabschnitt
der Vorlaufleitung oder Rücklauf leitung, wobei bevorzugt vorgesehen sein kann,
daß dieses Rohr das Innenrohr von durch zwei zueinander konzentrische Rohre gebildeten
Längsabschnitten der Rücklaufleitung und Vorlaufleitung ist. Hierdurch werden u.a.
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die Meßgenauigkeit beeinträchtigende, unkontrollierte Wärmeströme
an der Festkörper-Messbrücke vorbei auf einfachste Weise mit Sicherheit vermieden.
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Es sind jedoch auch andere Ausbildungen und Anordnungen der Festkörper-Brücke
möglich. Es kann beispielsweise in manchen Fällen vorgesehen sein, daß die Festkörper-Brücke
eine axiale Trennwand in einem aus sehr gut wärmeisolierendem Material bestehenden
und ggfs. nach aussen noch zusätzlich wärmeisoliertem Rohr bildet, die dieses Rohr
in zwei axiale und zueinander parallele Durchflußkanäle für den im Vorlauf und den
im Rücklauf strömenden Wärmeträger unterteilt. Es ist auch möglich, daß die Festkörper-Brücke
nur in wärmeleitendem Kontakt mit den im Vorlauf oder im Rücklauf strömenden Wärmeträger
ist, bei dem es sich beispielsweise um in einer Heizungsanlage umgewälztes Wasser
handeln kann, und ihre von diesem Wärmeträger abgewendete Seite im Wärmeaustausch
mit Umgebungsluft oder dergleichen steht,doch ist dann die die Festkörper-Brücke
durchströmende Wärme Verlustwärme, so daß es normalerweise günstiger ist, die Festkörper-Brücke
als Trennwand zwischen einem Abschnitt des Vorlaufes und des Rücklaufes des Wärmeträgers
anzuordnen.
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Besonders günstig ist es, wenn die dicken Metallstücke aus Kupfer
oder Eisen bestehen, wobei Eisen den Vorteil der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit
hat> so daß die an ihm sich ausbildenden Temperaturdifferenzen größer sind als
bei
Verwendung eines Metalles höherer Wärmeleitfähigkeit, z.
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upfer. Die Verbindungsglieder können vorzugsweise aus Konstantan bestehen.
Fs kommen natürlich auch andere Metallsüaarungen für die elektr-ischen Leiter (Metallstükke
und metallische rerbindungsglieder)der Thermoelerrentkette infrage, jedoch hat die
Verwendung von Eisen und Konstantan auch den Vorteil besonders geringer Kosten für
die Metalle.
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Zweckmäßig kann vorgesehen sein, daß alle dicken Metallstücke unter
sich gleich ausgebildet sind und vorzugsweise auch die Verbindungsglieder unter
sich gleich ausgebildet sind. Dies verbilligt die Herstellung und erhöht auch die
Meßgenauigkeit.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsheispiel der Erfindung dargestellt.
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Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch je einen Abschnitt
einer Vorlaufleitung 10 und einer hierzu konzentrischen Rücklaufleitung 11 für den
vorzugsweise flüssigen oder gegebenenfalls auch gasförmigen Wärmeträger, wobei das
eine Trennwand zwischen einem Abschnitt des Vorlaufs und des Rücklauf des beispielsweise
aus Wasser bestehenden Wärmeträgers bildende Innenrohr 12 eine Festkörper-Brücke
12 gemaß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.
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Diese rotationssyanetrische rohrförmige Festkörper-Brükke 12 ist vorteilhaft
zylindrisch und enthält ein als
Thermoelemenkette ausgebildetes
metallisches Rohr 13, welches durch einen Oberzug 14 aus einem isolierenden Verkstoff,
vorzugsweise Email gegen den gemäß den eingezeichneten Strömungspfeilen im Gegenstrom
im Vorlauf ] O und Rücklauf 11 strömenden Wärmeträger elektrisch isoliert ist. Diese
rohrförmige Thermoelementkette 1 3 besteht aus mehreren, in dieser Ausführungsbeispiel
vier dickwandigen kteiszylindrischen Rohrstükken 15, die achsgleich zueinander angeordnet
sind. Diese dickwandigen Rohrstücke 15 können vorzugsweise aus Eisen bestehen. Doch
kommen gegebenenfalls auch andere Metalle infrage, vorzugsweise Kupfer. Diese Rohrstücke
15 sind durch dünnwandige, kurze rotationssyrrmetrische Pohrstücke 1<; aus einem
anderen Metall, vorzuasweise Konstantan, elektrisch leitend miteinander verbunden.
Diese diinnwandigen Rohrstücke 16 bilden die Berbindungsglieder 16, d.h., die einen
Leiter der Thermopaare dieser Thermoelementkette 13, deren anderen Leiter die dickwandiaen
Rohrstücke 15 biden. Jeses dünnwandige Rohrstück 16 weist zwei zylindrische Stutzen
17, 18 auf, die wesentlich kürzer als die Rohrstücke 15 sind und durch einen kegelstumpfförmigen
Rohebereich 19 einstückig miteinander verbunden sind. Der Stutzen 17 hat einen Außendurchmesser,
der dem Innendurchmesser des dickwandigen Rohrstückes 15 entspricht und ist in dieses
eingeschoben und mit ihm verlötet. Der Stutzen 18 hat einen Innendurchmesser, der
dem Außendurchmesser des dickwandigen Pohrstükbes 15 entspricht und Ist auf dieses
aufgeschoben und mit ihm verlötet. Bevorzugt ist die axiale Länge der mit
den
Rohrstücken 15 verlöteten Stutzen 17, 1R wie dargestellt wesentlich kürzer als die
Länge der Rohrstücke 15, doch kann auch vorgesehen werden, diese Rohrstücke 17,
18 länger zu machen gegebenenfalls jeden Stutzen 17, 18 er die volle Länge des betreffenden
Rohrstükkes 15 zu erstrecken Diese dünnwandigen Rohrstücke 16 können vorzugsweise
aus Konstantan bestehen. Es verstellt sich, dar auch andere Metallpaarungen ffir
die Leiter 15, 16 dieser Thermoelementkette 13 infrage komme n.
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In der Zeichnung ist der Abstand zwischen den Rohrstükken 15 relativ
groß und der Überzug 14 relativ dick dargestellt. Doch ist es besonders zweckmäßig,
den Überzug 14 ünn und den Abstand zwischen den Rohrstücken 15 sehr klein zu halten,
um am Überzug 14 kein großes Temperaturgefälle entstehen zu lassen und um die Spalte
zwischen den dickwandigen und dünnwandigen Rohrstücken 15, 16 besonders einfach
und sicher mit dem elektrischen Isolationsmaterial wie Email oder dregleichen ohne
Schwierigkeiten ausfüllen zu können. Der Überzug 14, z. B. Email, hat erheblich
geringere Wärmeleitfähigkeit als die Metalle der Thermoelementkette 13, so daß praktisch
der gesamte Wärmestrom, der diese Festkörper-Brücke radial durchströmt, durch die
dickwandigen Rohrstücke 15 hindurchgeht und damit ist die e von dieser Thermoelementkette
13 erzeugte elektrische Thermospannung ein Maß für den gesamten, diese Festkörper-Brücke
12 durchströmenden Wärmestrom,
was die Meßgenauigkeit zusätzlich
erhöht.
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Diese rohrförmige Festkörper-Brücke 12 ist mit beiden Längsenden in
zwei zylindrische Rohrleitunosstücke 20 mittels Dichtungen 21 abgedichtet einsesetzt.
Die Rohr leitungsstücke 20 bilden einen Teil der Vorlaufleitung 10 der hetreffenden
Heizungsanlage, Klimaanlage oder sonstigen Anlagen, bei welcher eine Wärmemengenzählung
vorgenommen werden soll. Die Außenseite der Festkörper-Brücke 12 ist im Abstand
von einem koaxialen, kreiszylindrischen Rohr 22 umfaßt, dessen beiden Stirnenden
mit Innenflanschen 23 versehen sind, die, wie dargestellt, auf die Festkörper-Brücke
12 mittels Dichtungen 24 abgedichtet aufgeschoben sind. Der durch den Außenumfang
der Festkörper-Brücke 12 und dieses Außenrohr 22 gebildete ringförmige Hohlraum
26 bildet einen Abschnitt des Innenraumes der Rücklaufleitung 11 des Wärmeträgers
und wird vorzugsweise im Gegenstrom zu der Strömungsrichtung des Wärmeträgers im
Innenraum des Rohres 12 axial durchströmt. Die für den Durchfluß des l^T;irmetr-iaers
er forderlichen Zufluß- und Abflußöffnungen dieses Ringraumes 26 sind nicht dargestellt.
Sie können beispielsweise durch Lochungen der Innenflansche 23 des Außenrohres 22
oder durch umfangsseitig nahe dessen Stirnenden ein-und ausmündende Öffnungen oder
durch Pinakanale usw. gebildet sein. Auch käme infrage, die Stirnflansche 2) wegzulassen
und das Außenrohr 22 nach beiden Seiten zu verlängern usw. Das Rohr 22 kann zweckmäßig
aus wärmeisolierendem Material bestehen oder nach aussen wärmeisoliert sein.
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Die diinne elektrische Isolierung 14 der Festkörper-Brükke 12 verhindert,
daß die Thermoelementkette 13 durch den Wärmeträger kurzqeschlossen wird. Auch schützt
sie diese rette gegen Korrosion und sonstige schädlichen Einflüsse. Die Thermospannung
der Thermoelementkette 13 ist proportional zu T5 - T6, wo T5 die Temperatur an den
lötstellen der Stutzen 17 und T6 die Temperatur an den Lötstellen der Stutzen 18
ist.
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Die elektrischen Anschlüsse der Thermoelementkette sind in diesen
Ausführungsbeispiel durch an die beiden äußeren dickwandigen Pohrstücke 15 angelötete
leitungen 27 aus Kupfer oder dergleichen gebildet. Diese Leitungen 27 sind an zwei
Eingänge eines Rechners 29 angeschlossen, der auch zwei Eingänge hat, an die die
beiden in die Rohrleitungsstücke 20 eingesetzten Lötstellen 30, 31 eines Thermoelementes
32 angeschlossen sind. Dieses Thermoelement 39 liefert eine elektrische Thermospannung,
die proportional der Temperaturdifferenz T1 - T2 des in der Vorlaufleitung 10 strömenden
Wärmeträgers an den beiden Lötstellen 30, 31 ist. Diese vor und hinter der Brücke
12 gemessene Temperaturdifferenz ist proportional zur die Festkörper-Brücke 12 durchströmenden
immateriellen Wärreziprok zu mestrom und/der zeitlichen Strömungsmenge m in der
Vorlaufleitung 10 des Wärmeträgers. Der Rechner 29 herechnet die zeitliche Strömungsmenge
m dieses Wärmeträgers gemäß folgender Gleichung: T5 - T6 m = c1 T1 - T
C1
ist ein Proportionalitätsfaktor, der u. a. abhängig ist von den geometrischen Abmessungen
der Festkörper-Brücke 12 und ihrer Wärmedurchgangszahl und der spezifischen Wärme
des Wärmeträgers.
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Die Vorlaufleitung 10 führt, wie strichpunktiert angedeutet, zu einer
oder mehreren Wärmetauschern 40, an denen der Wärmeträger Wärme abgibt oder aufnimmt,
z. B. zu Heizkörpern einer Heizungsanlage, Kühlkörper einer Klimaanlage oder dergleichen
und strömt dann in der Rücklaufleitung 11 zurück, beispielsweise zu einem Heizkessel.
Die Vorlaufleitung 10 kann auch als Rücklaufleitung und entsprechend dann die Rücklaufleitung
11 als Vorlaufleitung dienen.
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Dem Rechner 29 wird ferner eine Thermospannung eingegeben, die proportional
zu der mittels der beiden Lötstellen 34, 35 eines weiteren Thermoelementes 36 gefühlten
Differenz T2 - T3 zwischen der Temperatur T2 des Wärmeträgers in der Leitung 10
stromabwärts des Rohres 12 und der Temperatur in der Leitung 11 stromaufwärts des
Rohres 22 ist.
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Der Rechner 29 multipliziert m mit c2 (Tz - T3), wo c2 ein Proportionalitätsfaktor
ist. Das hierdurch erhaltene Prcdukt entspricht der momentanen Wärmemenge (T5 -
T6) (T2 3 Q c2 T1 ~ T2 die von dem Wärmeträger an dem oder den Wärmetauschern 40
abgegeben oder aufgenommen wurde,
d.h. , zwischen der Vorlaufleitung
In und der Rücklauf leitung 11 abgegeben bzw. aufgenommen wurde. Ein beispielsweise
nach dem Dual-Slope-Verfahren arbeitender Integrator 17 integriert diese Wärmemenge
@ und bei jedesmaligen Frreichen eines vorbestimmten Integrationswertes schaltet
er ein Zählwerk 38 um einen Zählschritt weiter und beginnt wieder mit der nächsten
Integration Die in der Zeichnung voll auzgezogen dargestellte Vorrichtung bildet
also einem Wärmemengenzähler, dessen Fühler ausschließlich durch Temperaturfühler
gebildet sind.
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Falls die Wärmeleitfhähigkeit der Festkörper-Prücke 12 sich in Zbhängigkeit
der Temperatur des Wärmeträgers und/oder die elektrische Thermospannung der Thermoelementkette
nicht nur von der gefühlten Temperaturdifferenz, sondern auch vom Absolutwert der
Temperatur störend abhängig sein soll, kann man ferner mittels strichpunktiert eingezeichneten
Widerstandsthermometern 41, 42 oder Heißleitern die Temperaturen des Wärmeträgers
im Vorlauf und Rücklauf 10 und 11 messen und den Mittelwert dieser beiden Temperaturen
in einem Mittelwertbildner 43 bilden und die Mittelwert dem Rechner 29 als Forrekturfaktor
zur Kompensation dieser temperaturabhängigen Veränderlichkeit oder Wärmeleitfähigkeit
der Festkörper-Brükke und/oder Thermospannung der Thermoelemente eingeben. Desgleichen
kann man, wenn die Temperaturabhängigkeit
der spezi fischen Wärme
des Wärmeträgers mit beriicklsi chti gt werden soll, dem Rechner @9 aiich entsprechende
Korrekturfaktoren beispielsweise mittels der riihler 41, 42 oder des Mittelwertbildners
43 eingeben.
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Und zwar ist in den beiden oben erwähnten Gleichungen für m und @
die spezifische Wärme des Wärmeträgers nicht explizit eingesetzt, sondern näherungsweise
angenommen, daß die spezifische Wärme im auftretenden Temperaturbereich hinreichend
konstant ist, um ihre Temperaturabhängigkeit vernachlässigen zu können. Falls dies
nicht zulässig ist, ist die Temperaturabhängi gkei t der spezi fischen Wärme mit
zu berücksichtigen, wie es in dem Hauptpatent ......(Patentanmeldung P 23 30 498.5)
dargelegt ist und deshalb hier keiner näheren Erläuterung bedarf.
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Es versteht sich, daß dem Rechner 29 anstatt einem zur Temperaturdifferenz
T1 - T2 proportionalen Signal auch ein zur Temperaturdifferenz T4 - T3 proportionales
Cignal-wo T4 die Temperatur des Wärmeträgers in der Leitung 11 stromabwärts der
Festkörper-Brücke 12 i st-oder ein zur Summe beider Temperaturdifferenzen (T1 -
T2) + (74 - T3) proportionales Signal eingegeben werden kann, wobei, falls erwünscht,
auch die Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme des Wärmeträgers mit berücksichtigt
werden kann. Auch diese Möglichkeiten sind in dem Hauptpatent .... (Patentanmeldung
P 23 30 98.5) erwähnt und bedürfen deshalb keiner weiteren Erläuterung.
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Anstatt die Messungen am Gesamtstrom des Wärmeträgers vorzunehmen,
kann man sie auch an Teilmengen des Wärmeträgers vornehmen.
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L e e r s e i t e