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Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln des Einflusses der künst-
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Lichten Aufheizung von Fiusswosser durch Einleiten von Abwärme in
das Flusswasser auf dessen Tempera tu rverha 1 ten Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Ermitteln des Einflusses der künstlichen Aufheizung von
Flusswasser durch Einleiten von Abwärme in das Flusswasser auf dessen Temperaturverhalten.
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Es ist bekannt, dass die Flüsse industrialisierter Länder durch Einleiten
von Abwärme aus Industrieonlagen, insbesondere aus Kraftwerken, aufgeheizt werden.
Dies ist für das ökologische Gleichgewicht im Fluss und in der Flusslandschaft nicht
unbedenklich.
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So sind z B. bestimmte Fischarten schon bei einer Erhöhung der Flusswassertemperatur
um wenige Grade über die naturliche Temperatur nicht mehr lebensfähig. Eine Temperoturerhöhung
des Flusswassers kann die Verdunstung und den Grundwasserspiegel in unerwünschter
Weise beeinflussen. Die Gesetzgeber in vielen industrialisierten Ländern streben
deshalb die Festlegung maximal zulässiger Aufheizwerte an, z.B. in Form einer maximal
zulässigen absoluten Temperatur und/oder einer zulässigen Übertemperatur über der
natürlichen Temperatur. Wenn solche Maximalwerte einmal festgelegt sind,
können
diese Maximalwerte nur dadurch eingehalten werden, dass bei einer Annäherung an
die Maximalwerte die in einen Fluss eingeleiteten Abwärmemengen entsprechend gedrosselt
werden oder sogar für bestimmte Zeiträume eine Wärmeeinleitung ganz eingestellt
wird. Hierzu ist es erforderlich, den Einfluss der jeweiligen künstlichen Aufheizung
durch die verschiedenen Abwärmeeinspeisungen auf das Gesamttemperaturverhalten des
Flusses zu ermitteln. Dieses Problem ist deshalb schwierig, weil die "natürliche"
Temperatur der Flüsse ständigen zeitlichen und örtlichen Änderungen aufgrund der
meteorologischen und hydrologischen Bedingungen unterworfen ist und weil ausserdem
diese natürliche Temperatur deswegen nicht ohne weiteres messbar ist, weil die Flüsse
stromabwärts von der ersten Wärmeeinleitung nicht mekr die natürliche Temperatur
haben.
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Es sind bereits Überlegungen angestellt worden, wie man den genannten
Einfluss ermitteln kann. Allgemein sei hierzu auf das Buch "Wärmeeinleitung in Strömungen",
Technischer Verlag Resch KG, 1975 verwiesen, welches eine Reihe von Beiträgen namhafter
Wissenschaftler auf diesem Gebiet enthält. Insbesondere sei auf den Aufsatz "Wärmeaustauschvorgänge
an der Oberfläche stehender und fliessender Gewosser" von F.D. Heidt, S. 143 bis
167 verwiesen. Danach wird derzeit folgendes Verfahren angewendet: 1. Die Flußwassertemperatur
wird an einer Stelle gemessen, wo im wesentlichen noch eine natürliche Wassertemperatur
zu erwarten ist.
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2. Aus den meteorologischen und hydrologischen Daten des betreffenden
Ortes wird die Wärmebilanz W (Wärmeaustausch je Zeit- und Flächeneinheit) in Form
von Mittelwerten über ein Zeitintervall zwischen 1 und 3 Stunden errechnet.Die Mittelwerte
der Wärmebilanzen sollten dabei so bestimmt werden, daß sie auch für die während
des Zeitintervalls durchflossene Strecke gelten. Aus der Lufttemperatur1 der Wassertemperatur,
der Taupunkttemperatur (oder relativer Feuchte), der Windgeschwindigkeit, dem Bedeckungsgrad
und der Globalstrahlung werden Strahlungsanteil, Konvektions-und anteil/ Verdunstungsanteil
der ausgetauschten Wärme berechnet. Die Summe ergibt die Wärmebilanz.
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3. Unter der Annahme, dass der Wärmeaustausch nur über die Wasseroberfläche
stattfindet und der Fluss homotherm ist, wird nun aus der Wärmebilanz W und der
mittleren Wassertiefe H die Tempernturönderung und daraus die neue Temperatur nach
3 Stunden berechnet. Diese neue Temperatur gilt für einen Ort, der entsprechend
der Fliessgeschwindigkeit weiter flussabwärts liegt.
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4. Aufbauend auf der neuen Temperatur wird nun mit den aktuellen meteorologischen
und hydrologischen Daten an dem neuen Messort (Mittelwerte) die Rechnung analog
weitergeführt.
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Bei kUnstlict er Wärmeeinleitung wird die Temperatur als sprunghaft
angenommen.
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Sie wird aus der aktuellen Abflussmenge und der z.B. bei einem Kraftwerk
aus elektrischer Leistung und Wirkungsgrad ermittelten Wrmeleistung errechnet.
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Auch der zeitliche bzw. örtliche Verlauf der durch die Wärmeeinleitung
erhöhten Temperatur muss analog zur natürlichen Wassertemperatur berechnet werden,
damit beide Werte, deren Differenz die interessierende Aufwärmung ist, den gleichen
methodischen und messtechnischen Fehler aufweisen und damit überhaupt erst vergleichbar
werden.
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Bei diesem bekannten Verfahren, bei dem also die massgeblichen Grössen
(Temperaturen, Wörmebilanz) errechnet werden, ergeben sich folgende Schwierigkeiten:
- Er sind zahlreiche meteorologische Daten erforderlich; - Der Einfluss der Windgeschwindigkeit
kann nur ungenau angegeben werden; - Der Einfluss von Reflektion und HorizonhbschatEung
bei der Globalstrahlung muss abg«chätzt werden; - Die Bestimmung des Bedeckungsgrades
ist teilweise subjektiv und deshalb ungenau.
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Es hat sich daher gezeigt, dass die auf diese Weise gewonnenen Ergebnisse
eine mehrhundertprozentige Unsicherheit haben können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Ermitteln des Einflusses der künstlichen Aufheizung von Flusswasser durch Einleiten
von Abwdrme in das Flusswasser auf das Temperaturverhalten zu schaffen, das bei
verringertem Aufwand eine erheblich genauere Abschätzung dieses Einflusses ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Verfahren gemäss der Erfindung
die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 vorgesehen.
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Die Erfindung stellt also auf die Ermittlung lediglichvder sich zeitlich
verändernden Temperaturdifferenzen zwischen der aufgeheizten und der nicht augeheizten
Temperatur, das ist die Übertemperatur, ab und begnügt sich damit, die zeitliche
Änderung dieser Übertemperatur mit zunehmendem Abstand von der Wärmeeinleitstelle
zu ermitteln. Dies kann relativ einfach dadurch bewerkstelligt werden, dass die
beiden vorzugsweise gleich grossen Wassermengen im Flusswasser an einem Messort
unmittelbar stromaufwärts von der künstlichen Wärmeeinleitung entnommen werden.
Vorzugsweise wird die erste Wassermenge mit einer Leistung aufgeheizt, welche der
Abwärmeeinleitung in den Fluss analog ist, die Heizung wird abgeschaltet, und die
Temperaturdifferenzen zwischen den beiden Wassermengen in verschiedenen Zeitabständen
vom Zeitpunkt der Heizungsabschaltung werden gemessen. Bei einem solchen Vorgehen
macht sich die Erfindung den Gedanken zunutze, dass die "in der fliessenden Welle",
d.h. in einer stets die gleichen Wasserteilchen enthaltenden Wassermenge in verschiedenen
Zeitabständen gemessenen Temperaturdifferenzen unter der Voraussetzung etwa gleichbleibender
meteorologischer Bedingungen denjenigen Temperaturdifferenzen gleich sein müssen,
welche sich zwischen einer entsprechend der Wärmeeinleitung an dem Messort aufgeheizten
stationären Wassermenge und einer unaufgeheizten Wassermenge nach Abschaltung der
Aufheizung einstellen. Ein solches Verfahren gestaltet sich überaus einfach und
schaltet insbesondere dann, wenn beide Wassermengen den am Messort des Flusses herrschenden
meteorologischen Bedingungen ausgesetzt sind, die meteorologischen Einflüsse praktisch
aus. Dies ergibt gemessene Temperaturdifferenzen hoher Annäherung an die wirklichen
Verhältnisse und damit viel genauere und verläßlichere Daten, als sie bisher durch
die Rechnung erholten werden konnten.Dies bedeutet einen enormen Fortschritt, weil
d;e
s;sile stets de Resultate ve.-c.tschenden meteorologischen Bedingungen, insbesondere
der beachter zu werden bre die Verdunstungsquote stark beeinflussende Wind,nicht
eingehen und deshalb gar nicht menr/ Aus den gemessenen Temperaturdifferenzen kann
nun durch Einsetzen in eine einfache bekannte e-Funktion, welche die Abkühlung des
Flusswassers in Abhängigkeit von der Zeit mit guter Näherung beschreibt, berechnet
werden.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei gleich grosse Gefässe zur Aufnahme gleich
grosser Wassermengen vorgesehen sind, dass mindestens ein Gefäss eine offene, den
meteorologischen Einflüssen frei ausgesetzte Oberseite hat und ein Heizelement enthält
und dass zwei in Reihe geschaltete Thermoelemente vorgesehen sind, von denen je
eines in ein Gefäss taucht. Die Gefässe sind vorteilhaft abgesehen von der mindestens
einen offenen Oberseite gut wärmeisoliert und können je eine Mischvorrichtung wie
einen Ventilator enthalten, um eine gute Durchmischung des in den Gefässen enthaltenen
Wassers sicherzustellen.
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Bei einer bevorzugten Vorrichtung gemäss der Erfindung israuch die
Oberseite des anderen Gefässès offen und beide Oberseiten sind den meteorologischen
Einflüssen ausgesetzt. In diesem Fall heben sich bei der Messung der Temperaturdifferenzen
die meteorologischen Einflüsse vollständig heraus, können also das Messergebnis
nicht verfälschen. Dieses Messergebnis wird wie folgt ausgewertet. Die Temperaturdifferenz
zwischen beiden Wassermengen ändert sich mit guter Näherung gemäss der e-Funktion
Die Zeitkonstante t lässt sich aus der Beziehung
ermitteln, worin h die mittlere Tiefe der Gefässe, c eine Konstante und K = dW/
o( T die einzige Unbekannte ist.
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Durch Auflösen von Gleichung (1) erhält man die Zeitkonstante T
Der gefundene Wert stellt einen Mittelwert über die Zeitspanne tl t1 tO dar.
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Die ermittelte Zeitkonstante gilt für die Gefässtiefe h. Um die Zeitkonstante
für das Abkühlverhalten des Flusswassers zu ermitteln, muss man auf die mittlere
Flusstiefe H umrechnen:
Der Fluß kühlt sich z. B. bei H,/h=10/1 10-fach langsamer ab als das Wasser im beheizten
Gefäss.
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Zur Elimination von statistischen Fehlern sollten Mittelwerte verwendet
werden, die jeweils aus mehreren Messwerten mithilfe eines Mikrocomputers automatisch
gebildet werden können. Um eine verläßliche Aussage zu erhalten, sollte der absolute
Fehler der Temperaturmessung kleiner als 0,01°C sein, was mit den heutigen messtechnischen
Mitteln ohne Schwierigkeiten zu erraichen ist.
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Bei einer Abwandlung einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemässen
Verfahrens hat nur ein Gefäss eine offene, den meteorologischen Einflüssen frei
ausgesetzte Oberseite, während das andere Gefäss vollständig geschlossen ist und
eine Temperaturkonstanthaltevorrichtung, z.B. in Form einer kombinierten Kühl- und
Heizvorrichtung die von einem Regler gesteuert\ Temperatur in dem Gefäss konstant
hält. Auch in diesem Fall taucht je ein Thermoelement eines in Reihe geschalteten
Thermoelementenpaares in die beiden Gefässe ein. In diesem Fall wird das aufgeheizte
Gefäss mit konstanter Leistung geheizt. Gemessen wird die Temperaturdifferenz nach
verschiedenen Zeitabständen.
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Der Wärmeinhalt der Wassermenge mW hat sich in der Zeit von t0 bis
t1 um CW . mW (T (t1) - T (t0)) geändert, worin cW die spezifische Wärme des Wassers
ist . Zugeführt wurde die Wärmemenge P (t1 - to) Die Differenz der Wärmemengen wurde
im
wesentlichen über die Wasseroberfläche abgegeben. Dies entspri
cht einer Wärmebilanz von
Man erhält also in diesem Fall einei Näherungswert für die Wärmebilanz, wobei jedoch
zu beachten ist, d<.ß sich die meteorologischen Einflüsse deshalb nicht herausheben,
weil das unbeheizte Gefäss den meteorologichen Einflüssen nicht ausgesetzt ist.
Macht man nun Messungen mit zwei Messpaaren, d.h. Temperaturmessungen in jeweils
zwei verschiedenen Zeit jbständen, so lassen sich zwei unterschiedliche Werte für
die Wärmebilanz W bei unterschied ichen Temperaturdifferenzen und daraus die Größte
K = W/ /ÄT bilden.
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Hiermit lässt sich also auch in diesem Fall die Zeitkonstante F wie
oben beschrieben errechnen und daraus der zeitliche Verlauf der Über temperaturdifferenz
errechnen.
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Aus den Grössen W und K kann man nun näherungsweise diejenige Temperatur
berechnen, auf welche die momentan herrschende Temperatur unter der Annahme hinstrebt,
dass die meteorologischen Bedingungen konstant bleiben, die sogenannte Gleichgewichtstemperatur
Die Messanordnung gemäss der zuletzt beschriebenen Vorrichtung eröffnet also die
Möglichkeit zur zusätzlichen Ermittlung der Wärmebilanz und der Gl ei chgewichtstemperatur.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an
Ausführungsbeispielen zweier unterschiedlicher Vorrichtungen zum Durchführen des
erfindungsgemässen Verfahrens mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema einer ersten Messanordnung gemäss der Erfindung; Fig. 2 eine Erläuterung
desArbeitens mit der Vorrichtung nach Fig. 1 anhand eines Temperaturdifferenz-Zeit-Diagrammes;
Fig. 3 eine zweite Messanordnung gemäss der Erfindung und Fig. 4 ein Temperaturdifferenz-Zeitdiagramm
zur Erläuterung der Funktion der Messanordnung nach Fig. 3.
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Die Messanordnung nach Fig. 1 umfasst zwei gleich grosse Gefässe 1,2,
deren Oberseiten 3,4 offen und den meteorologischen Einflüssen am Messort eines
Flusses frei ausgesetzt sind, während ihre übrigen Wandungen 5,6 aus gut wärmeisolierendem
Material bestehen. In beiden Gefässen sind Ventilatoren 7,8 zum Gewährleisten einer
guten Durchmis.-hung der darin enthaltenen Flusswassermengen 9,10 vorgesehen.
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Das Gefäss 1 enthält ausserdem eine Heizvorrichtung 11.
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In jedes Gefäss taucht je ein Thermoelement 12,13 ein, wobei die beiden
Thermoelemente 12,13 in Reihe geschaltet sind und also eine der Temperaturdifferenz
nT der in den beiden Gefässen enthaltenen gleichen Wassermengen proportionale Spannung
lzU abgeben.
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Mit der Messanordnung nach Fig. 1 wird wie folgt gearbeitet: Unmittelbar
oberhalb einer Aufheizstelle, an welcher Abwärme, z.B. von einenKrnftwerk in einer,
Fluss, eingeleitet wird, werden die beiden Wassermengen 9,10 entnommen und in die
Gefässe gefüllt. Die Wassermenge 9 im Gefäss 1 wird mittels der Heizvorrichtung
entsprechend der Kraftwerksleistung und der in den Fluss eingeleiteten Abflussmenge
an aufgeheiztem Kühlwasser aufgeheizt und nach Erreichen einer entsprechenden Temperatur
T (t) + BT (t) abgeschaltet und zur Zeit t0 n (t) + #T (t) abgeschaltet und zur
Zeit t0 (s. Fig. 2) die Temperaturdifferenz twT (t0) gemessen. Diese Messung wird
in kurzen Abständen mehrfach wiederholt, und es werden unter Einsatz eines Rechners
Mittelwerte gebildet. Weitere Messungen werden zur Zeit t1 gemacht Alternativ können
auch Temperaturdifferenzmessungen während des Aufheizens mit gegebener Leistung
durchgeführt werden, die zu analogen Ergebnissen führen würden.
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Die erhaltenen Messwerte werden wie oben erläutert zur Bestimmung
der Zeitkonstante der zeitlichen Änderung der Übertemperatur mithilfe der Gleichungen
(1) bis (4) verwendet.
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Die Messanordnung nach Fig. 3 stimmt weitgehend mit derjenigen nach
Fig. 1 überein, und es sind gleiche Bezugszeichen für übereinstimmende Teile verwendet,
die nicht nochmals beschrieben werden. Unterschiedlich ist, dass das zweite, nicht
beheizte Gefäss 22 vollständig wärmeisoliert ist und eine Kühl- und Heizvorrichtung
23 aufweist,
die über einen Regler 24, der ein Istsignal für einen
Temperaturfühler 25 erhält und ein Stellglied 26 für die kombinierte Kühl- und Heizvorrichtung
beaufscnlagt, so verstellt wird, dass die Temperatur T;st nicht mehr als 0,010C
von einer vorgegebenen Solltemperatur TSol abweicht.
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Mit der Messanordnung gemäss Fig. 3 wird wie folgt gearbeitet (vgl.
aucn Fig.4): Unmittelbar stromaufwärts von einer Wärmeeinleitstelle in den Fluss
werden die Wassermengen 9,10 entnommen und in die Gefässe 1,22 gefüllt Darauf wird
die Wassermenge 9 im Gefäss 1 mit dem Heizelement konstanter Leistung P aufgeheizt
und in Zeitabständen t0 und t1 die mindest xns 1 Stunde betragen, die Temperaturdifferenzen
zwischen den beiden Gefässen gemessen. Die so erhaltenen Messwerte werden mit den
oben beschriebenen Gleichungen (1) bis (6) ausgewertet.
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Auch in diesem Fall ist es zweckmäßig, wenry/gr'e Zeiten t0 und t1
herum mehrere Messungen vorgenommen und mithilfe eines Mikrocomputers gemittelt
werden.
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Insbesondere bei der Messanordnung nach Fig. 3 ist es zweckmässig,
die Wassermengen 9,10 nach etwa 3 Stunden auszutauschen und eine neue Messerie zu
beginnen, um den geänderten meteorologischen Verhältnissen Rechnung zu tragen.
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