DE2745232C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln des Einflusses der künstlichen Aufheizung von Flußwasser durch Einleiten von Abwärme in das Flußwasser auf dessen Temperaturverhalten - Google Patents

Description

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 Temperaturverhal-C ten.

Es ist bekannt, daß die Flüsse industrialisierter Länder durch Einleiten von Abwärme aus Industrieanlagen, insbesondere aus Kraftwerken, aufgeheizt werden. Dies ist für das ökologische Gleichgewicht im Fluß und in der Flußlandschaft nicht unbedenklich. So sind z. B. bestimmte Fischarten schon bei einer Erhöhung der Flußwassertemperatur um wenige Grade über die natürliche Temperatur nicht mehr lebensfähig. Eine Temperaturerhöhung 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 zulässi-

gen 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 entspre-

35. chend 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 Gessnmemperaturverhalten 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 natürliehe Temperatur deswegen nicht ohne weiteres meßbar ist, weil die Flüsse stromabwärts von der ersten Wärmeeinleitung nicht mehr die natürliche Temperatur haben. 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 Gewässer« 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.

2. Aus den meteorologischen und hydrologischen Daten des betreffenden Ortes wird die Wärmebilanz ^(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 gehen. Aus der Lufttemperatur, der Wassertemperatur, der Taupunkttemperatur (oder relativer Feuchte), der Windgeschwindigkeit, dem Bedeckungsgrad und der Globalstrahlung werden Strahlungsanteil, Konvektionsanteil 5 und Verdunstungsanteil der ausgetauschten Wärme berechnet Die Summe ergibt die Wärmebilanz.

3. Unter der Annahme, daß der Wärmeaustausch nur über die Wasseroberfläche stattfindet und deF Fluß homotherm ist, wird nun aus der Wärmebilanz W und der mittleren Wassertiefe H die Temperaturänderung und daraus die neue Temperatur nach 3 Stunden berechnet. Diese neue Temperatur gilt für einen Ort, der entsprechend der Fließgeschwindigkeit weiter flußabwärts liegt

4. Aufbauend auf der neuen Temperatur wird nun mit den aktuellen meteorologischen und hydrologischen Daten an dem neuen Meßort (Mittelwerte) die Rechnung analog weitergeführt

Bei künstlicher Wärmeeinleitung wird die Temperatur als sprunghaft angenommen. Sie wird aus der aktuellen Abflußmenge und der z.B. be'; einem Kraftwerk aus elektrischer Leistung und Wirkungsgrad ermittelten Wärmeleistung errechnet
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.

Bei diesem bekannten Verfahren, bei dem also die maßgeblichen Größen (Temperaturen, Wärmebilanz) errechnet werden, ergeben sich folgende Schwierigkeiten:

— es sind zahlreiche meteorologische Daten erforderlich;

— der Einfluß der Windgeschwindigkeit kann nur ungenau angegeben werden;

— der Einfluß von Reflektion und Horizontabschattung bei der Globalstrahlung muß abgeschätzt werden;

— die Bestimmung des Bedeckungsgrades ist teilweise subjektiv und deshalb ungenau.

Es hat sich daher gezeigt, daß die auf diese Weise gewonnenen Ergebnisse eine mehrhundertprozentige Unsicherheit haben können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ekle Vorrichtung zum Ermitteln des Einflusses der künstlichen Aufheizung von Flußwasser durch Einleiten von Abwärme in das Flußwasser auf das Temperaturverhalten zu schaffen, das bei verringertem Aufwand eine erheblich genauere Abschätzung dieses Einflusses ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Verfahren gemäß der Erfindung die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 vorgesehen.

Die Erfindung stellt also auf die Ermittlung lediglich der sich zeitlich verändernden Temperaturdifferenzen zwischen der aufgeheizten und der nicht aufgeheizten 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 Wasserteöchen 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 einstrHen. 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 erhalten werden konnten. Dies bedeutet einen enormen Fortschritt weil die bisher stets die Resultate verfälschenden meteorologischen Bedingungen, insbesondere der die Verdunstungsquote stark beeinflussende Wind, nicht eingehen und deshalb gar nicht mehr beachtet zu werden brauchen. Aus den gemessenen Temperaturdifferenzen kann nun durch Einsetzen in eine einfache bekannte e-Funktion. welche die Abkühlung des FluBwassers in Abhängigkeit" von der Zeit mit guter Näherung beschreibt berechnet werden.

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 Einflössen frei ausgesetzte Oberseite hat und ein Heizelement enthält und daß zwei in Reihe geschaltete Thennoelemente 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.

Bei einer bevorzugten Vorrichtung gemäß der Erfindung ist auch die Oberseite des anderen Gefäßes offen und beide Oberseiten sind den meteorologischen Einflüssen ausgesetzt Jn 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

AT(O

t>t₀.

Die Zeitkonstante r läßt sich aus der Beziehung

ermitteln, worin h die mittlere Tiefe der Gefäße, c eine Konstante und K = d W/dTdie einzige Unbekannte ist. Durch Auflösen von Gleichung (1) erhält man die Zeitkonstante τ

t\ -to

Δ Τ (*,)

Der gefundene Wert stellt einen Mittelwert über die Zeitspanne 1ι — to dar.

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:

K = Δν/ΙΔΤ

bilden. Hiermit läßt sich also auch in diesem Fall die Zeitkonstante tf wie oben beschrieben errechnen und daraus der zeitliche Verlauf der Übertemperaturdifferenz errechnen.

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 Tc:

= r

(4)

Der Fluß kühlt sich z. B. bei H/h = 10/1 lOfach langsamer ab als das Wasser im beheizten Gefäß. Zur Elimination von statistischen Fehlern sollten Mittelwerte verwendet werden, die jeweils aus mehreren Meßwerten mit Hilfe eines Mikrocomputers automatisch gebildet werden können. Um eine verläßliche Aussage zu erhalten, sollte der absolute Fehler der Temperaturmessung kleiner als 0,01⁰C sein, was mit den heutigen meßtechnischen Mitteln ohne Schwierigkeiten zu erreichen ist.

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 von einem Regler gesteuert die 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.

Der Wärmeinhalt der Wassermenge mw hat sich in der Zeit von to bis U um

Cw mw (ΔΤ(ί_χ) - ΔΤ(ίο)

geändert, worin Cw die spezifische Wärme des Wassers ist Zugeführt warde die Wärmemenge P (t\ — to). Die Differenz der Wärmemengen wurde im wesentlichen über die Wasseroberfläche abgegeben. Dies entspricht einer Wärmebilanz von

-to

(5) Die Meßanordnung gemäß der zuletzt beschriebenen Vorrichtung eröffnet also die Möglichkeit zur zusätzlichen Ermittlung der Wärmebüanz und der Gleichge-Wichtstemperatur.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen zweier unterschiedlicher Vorrichtungen zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schema einer ersten Meßanordnung;

F i g. 2 eine Erläuterung des Arbeitens mit der Vorrichtung nach Fig. 1 anhand eines Temperaturdifferenz-Zc !.'.-Diagramms;

F i g. 3 eine zweite Meßanordnung und

Fig.4 ein Temperaturdifferenz-Zeitdiagramm zur Erläuterung der Funktion der Meßanordnung nach Fig. 3.

Die Meßanordnung nach F i g. 1 umfaßt zwei gleich große Gefäße 1, 2, deren Oberseiten 3,4 offen und den

35. 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 Durchmischung der darin enthaltenen Flußwassermengen 9,10 vorgesehen. Das Gefäß 1 enthält außerdem eine Heizvorrichtung 11.

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 ΔΤ der in den beiden Gefäßen enthaltenen gleichen Wassermengen proportionale Spannung ΔU abgeben.

Mit der Meßanordnung nach F i g. 1 wird wie folgt gearbeitet:
Unmittelbar oberhalb einer Aufheizstelle, an welcher Abwärme, z. B. von einem Kraftwerk in einen Fluß, eingeleitet wird, werden die beiden Wassermengei. 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

Man erhält also in diesem Fall einen Näherungswert für die Wärmebilanz, wobei jedoch zu beachten ist daß sich die meteorologischen Einflüsse deshalb nicht herausheben, weil das unbeheizte Gefäß den meteorologischen Einflüssen nicht ausgesetzt ist Macht man nun Messungen mit zwei Meßpaaren, d. h. Temperaturmessungen in jeweils zwei verschiedenen Zeitabständen, so lassen sich zwei unterschiedliche Werte für die Wärmebilanz W bei unterschiedlichen Temperaturdifferenzen und daraus die Größe

T_a(i)+ /ITft)

abgeschaltet und zur Zeit to (siehe F i g. 2) die Temperaturdifferenz ΔΤ {to) gemessen. Diese Messung wird in kurzen Abständen mehrfach wiederholt und es werden unter Einsatz eines Rechners Mittelwerte gebildet Weitere Messungen werden zur Zeit ii gemacht Alternativ können auch Temperaturdifferenzmessungen während des Aufheizens mit gegebener Leistung durchgeführt werden, die zu analogen Ergebnissen führen würden.

7 8

Die erhaltenen Meßwerte werden wie oben erläutert
zur Bestimmung der Zeitkonstante r, tf der zeitlichen
Änderung der Übertemperatur mit Hilfe der Gleichungen (1) bis (4) verwendet.

Die Meßanordnung nach Fig.3 stimmt weitgehend 5
mit derjenigen nach F i g. 1 überein, und es sind gleiche
Bezugszeichen für übereinstimmende Teile verwendet,
die piiüt nochmals beschrieben werden. Unterschiedlich
ist, daß das zweite, nicht beheizte Gefäß 22 vollständig
wärmeisoliert ist und eine Kühl- und Heizvorrichtung io
23 aufweist, die über einen Regler 24, du ein Istsignal
für einen Temperaturfühler 25 erhält und ein Stellglied
26 für die kombinierte Kühl- und Heizvorrichtung beaufschlagt, so verstellt wird, daß die Temperatur Tj_S, | nicht mehr als 0,OPC von einer vorgegebenen Solltem- 15 I peratur Γ«,;/abweicht. χ

Mit der Meßanordnung gemäß F i g. 3 wird wie folgt |

gearbeitet (vgl. auch Fig.4): Unmittelbar stromauf- f|

die Wassermengen 9,10 entnommen und in die Gefäße 20 H

1,22 gefüllt. Darauf wird die Wassermenge 9 im Gefäß 1 l|

mit dem Heizelement konstanter Leistung /"aufgeheizt jtj

und in Zeitabständen fo und t\, die mindestens 1 Stunde \i

betragen, die Temperaturdifferenzen zwischen den bei- |!

den Gefäßen gemessen. Die so erhaltenen Meßwerte 25 I

werden mit den oben beschriebenen Gleichungen (1) bis ja

(6) ausgewertet. '}\

Auch in diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn um die '·?

Zeiten fo und Λ herum mehrere Messungen vorgenom- ;v:

men und mit Hilfe eines Mikrocomputers gemittelt wer- 30 r^;i

den. $

Insbesondere bei der Meßanordnung nach F i g. 3 ist M

es zweckmäßig, die Wassermengen 9, 10 nach etwa |j

3 Stunden auszutauschen und eine neue Meßserie zu j|

beginnen, um den geänderten meteorologischen Ver- 35 iSJ

hältnissen Rechnung zu tragen. |

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

40

60

65

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren, zum Ermitteln des Einflusses der künstlichen Aufheizung von Flußwasser durch Einleiten von Abwärme in das Flußwasser auf dessen Temperaturverhalten, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Temperaturdifferenzen zwischen der Temperatur in einer ersten, stets die gleichen Wasserteilchen enthaltenden, analog der künstlichen Wärmeeinleitung aufgeheizten Wassermenge des Flußwassers und der Temperatur in einer zweiten, ebenfalls stets die gleichen Wasserteilchen enthaltenden, künstlich nicht aufgeheizten Wassermenge des Flußwassers gemessen und ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wassermengen gleich groß sind und dem Flußwasser an einem Meßort stromaufwärts von der künstlichen Wärmeeinleitung entnommen werden und zur Durchführung der Messung stationär gehalten werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Wassermengen den am Meßort des Flusses herrschenden meteorologischen Bedingungen (Lufttemperatur- und feuchtigkeit, Strahlung, Wind u. dgL) ausgesetzt werden, daß die erste Wassermenge mit einer Leistung aufgeheizt wird, welche der Abwärmeeinleitung in den Fluß analog ist, daß die Heizung abgeschaltet wird und daß die Temperaturdifferenzen zwischen den beiden Wassermengen in verschiedenen Zeitabständen vom Zeitpunkt der Heizuugsabsthaltung gemessen werden.

4. Verfahren nach Anspruc.i 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wassermenge, welche den meteorologischen Bedingungen am Meßort des Flusses ausgesetzt wird, mit konstanter Leistung aufgeheizt wird, daß die zweite Wassermenge auf konstanter Temperatur gehalten wird, daß die Temperaturdifferenzen zu mindestens zwei Zeiten gemessen werden und daß die erhaltenen Temperaturdifferenzen zur Berechnung der Wärmebilanz (W) verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenzen in Zeiträumen von nicht weniger als 1 Stunde, vorzugsweise zwischen 1 und 3 Stunden, gemessen werden und daß eine folgende Meßreihe in zwei anderen, dem Meßort am Fluß frisch entnommenen gleichen Wassermengen vorgenommen wird.

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleich große Gefäße (1, 2; 1,22) zur Aufnahme gleich großer Wassermengen vorgesehen sind, daß mindestens ein Gefäß (1) eine offene (3) hat und ein Heizelement (11) enthält, und daß zwei in Reihe geschaltete Thermoelemente (12,13) vorgesehen sind, von denen je eines in ein Gefäß taucht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefäße (1,2; 1,22), abgesehen von der mindestens einen offenen Oberseite, gut wärmeisoliert sind.

,

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Gefäß (1, 2; 22) eine Mischvorrichtung (7,8) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Oberseite (4) des anderen Gefäßes (2) offen ist

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Gefäß (22) vollständig geschlossen ist und eine Temperaturkonstanthaltevorrichtung (23 bis 26) aufweist