DE2856288A1

DE2856288A1 - Verfahren und vorrichtungen zur ermittlung von enthalpiegroessen, wie feuchtegrad von gasen, dampfnaesse oder enthalpie trockenen dampfes

Info

Publication number: DE2856288A1
Application number: DE19782856288
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Phys Bahner; Harry Dipl Ing Pleva
Original assignee: Babcock BSH AG
Current assignee: Grenzebach GmbH and Co KG
Priority date: 1978-12-27
Filing date: 1978-12-27
Publication date: 1980-07-17
Also published as: IT7951208A0; US4358208A; FR2445524A1; FR2445524B1; DE2856288C2

Description

Krefeld, den 21.. Dezember 1978 PAT - HR/wey Akte H 78/11

BABCOCK-BSH AKTIENGESELLSCHAFT
vormals Büttner-Schilde-Haas AG,
4150 Krefeld-üerdingen

Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung von Enthalpiegrößen , wie Feuchtegrad von Gasen, Dampfnässe oder Enthalpie trockenen Dampfes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung von Enthalpiegrößen, wie Feuchtegrad von Gasen, Dampfnässe oder Enthalpie trockenen Dampfes, bei dem ein mengenmäßig erfaßtes bzw. dosiertes gas- bzw. dampfförmiges Medium unter der Messung der Eingangs- und Ausgangstemperatur durch ein Zustandsänderungssystem, wie Kühler bzw. Trockner, geführt und die am Zustandsänderungssystem abgegebene Wärme gemessen und die gesuchte Größe über die Wärmebilanzgleichung ermittelt wird.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der DE-PS 22 35 853 beschrieben. Hierin wird der Meßgasstrom mit Hilfe eines kontinuierlich arbeitenden Gegenstromkühler s unter den Taupunkt abgekühlt, die mit dem Kühler ausgetauschte Wärmeleistung gemessen, die Temperatur des Meßgasstromes vor und nach der Abkühlung gemessen und der Feuchtegehalt über die Wärmebilanzgleichung ermittelt.

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Die zur Durchführung dieses Verfahrens, dienende Vorrichtung besitzt eine den Meßgasstrom durch den Gegenstromkühler saugende Pumpe und eine gemeinsam mit dieser Pumpe durch einen Motor angetriebene, einen Kühlmittelstrom durch den Kühler fördernde zweite Pumpe, wobei im Gaseintritt und Gasaustritt sowie im Kühlwassereintritt und Kühlwasseraustritt Temperaturfühler angeordnet sind, deren Meßwerte in einer Rechenschaltung gemäß der Wärmebilanzgleichung verknüpfbar sind.

Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren und dieser bekannten Anordnung ist es jedoch, daß zur Messung der an das Zustandsänderungssystem (Kühler) abgegebenen Wärme stets ein Kühlmittelstrom aufrechterhalten werden muß, so daß ein hiermit betriebenes Gerät nur stationär verwendbar ist.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es nun, das bekannte Verfahren wesentlich zu vereinfachen und mannigfach anwendbar zu gestalten.

Erreicht wird dies bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch, daß die am Zustandsänderungssystem abgegebene oder aufgenommene Wärme über eine Wärmestrom-Meßeinrichtung erfaßt wird.

Die Luftfeuchtemessung nach dem genannten Verfahren erfolgt in der Weise, daß das zu untersuchende Gas nacheinander eine Zuleitung mit Dosierdüse, einen Massenstrommesser, bestehend aus einem Eingangstemperaturmeßpunkt, Wärmestrommeßelement mit eingebauter. Heizung und Ausgangstemperaturmeßpunkt und ein weiteres. Warmestrommeßelement mit eingebautem Kühler und gegebenenfalls Zusatzkühler mit Ausgangstemperaturmeßpunkt durchströmt.

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_ /■ _β

Durch geringfügige Änderung der Anordnung der Grundelemente entsteht eine Vorrichtung zur Dampfnässemessung. Hierbei tritt der nasse Dampf/ dessen Temperatur im Dampfraum ermittelt wurde, in eine Wärmestrom-Meßeinrichtung ein, in die mittig oder konzentrisch eine Heizung eingebaut ist. Der "getrocknete" Dampf wird über eine Temperaturmeßkammer und eine Dosierdüse und/oder einen thermischen Massenstrommesser der oben beschriebenen Art abgesaugt.

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Eine Vorrichtung zur Enthalpiebestimmung erhält man, wenn der Dampf aus dem Dampfraum über eine Dosierdüse in einen mit Kühler versehenen Wärmeflußmesser strömt, dort kondensiert und hierbei die Temperatur des Kondensates gemessen wird und schließlich eine Vorrichtung zur Konstanthaltung des Kondensatspiegels vorsieht.

Die Auswertung der einzelnen Meßergebnisse erfolgt in an sich bekannter Weise durch eine geeignete elektronische Rechenschaltung, welche zur Lösung der jeweiligen Wärmebilanzgleichung geeignet ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung seien nun anhand der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 den Vertikalschnitt durch ein Luftfeuchtemeßgerät mit eingebauten Wärmestrom-Meßeinrichtungen nach der Erfindung;

Fig. 2 den Vertikalschnitt durch ein Dampfnässemeßgerät nach der Erfindung;

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Fig. 3 den Vertikalschnitt durch ein Meßgerät zur Bestimmung der Enthalpie eines Dampfes mit eingebauter Wärmestrom-Meßeinrichtung nach der Erfindung .

Im folgenden wird nachstehende Nomenklatur verwendet:

N	Heizleistung
k	Proportionalitätsfaktor
m =	Massenstrom
c =	spezifische Wärme
*i -	Eintrittstemperatur
TT₂ -	Austrittstemperatur
	Temperaturdifferenz
m_f	Ge s amtmas senstrom
	Dampfnässe
r =	Verdampfungswärme
^CD -	spezifische Wärme des Dampfes
h.	Enthalpie des Dampfes
^cw ⁼	spezifische Wärme des Wassers
h"	Verdampfungswärme
q«	überhitzungswärme

Das Luftfeuchtemeßgerät gemäß der Fig. 1 besteht aus einem langgestreckten Rohr 1, aus einem geeigneten Material, wie korrosionsbeständiges Metall, Durch die Rqhrwandungen greifen die Temperaturmeßfühler 2, 3 und 4 in den Innenraum des Rohres und den darin geführten Meßgasstrom ein. Am oberen Ende des Rohres 1 befindet sich ein Massenstrommesser 5, der hier'als ein einen Wärmestrommesser 6 enthaltenen, thermischer Massenstrommesser ausgebildet ist. Die Massenstrommessung könnte auch mit einem der bekannten Meßverfahren erfolgen, z.B. Differenzdruckmessung, oder könnte entfallen, wenn man. dafür sorgt, daß der Mengenstrom z.B. über eine Dosiereinrichtung konstant gehalten wird. Weiterhin ist das Rohr 1 von einem

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ebenfalls mit einem Wärmestrommesser 6' integrierten Kühlsystem 7, 8 umgeben, von dem beispielsweise die Kühlrippen eines Luftkühlers 7 und der Peltier-Elemente enthaltene Peltier-Kühler 8 dargestellt sind. Außerhalb der oben genannten Teile 5 bis 8 ist das Rohr 1 von wärmeisolierenden Hüllen 9, 10, 11 umgeben. Durch diese Hüllen sind die elektrischen Anschlüsse für die Temperaturmeßfühler 2, 3, 4. und der Wärmestrommesser 6 bzw. 6^f geführt. Die Wärmestrommesser 6 und 6¹ bestehen aus konzentrisch um das Rohr 1 gewickelte elektrisch isolierte Drahtwicklungen 12, 13 bzw. 12', 13', aus einem • thermischen (temperaturabhängigen) Widerstandsmaterial, zwischen denen sich jeweils eine thermisch mäßig leitende Schicht 14 bzw. 14' von definierter Dicke als "Wärmewiderstand" befindet. Der Massenstrommesser 5 enthält weiterhin noch eine innerhalb des Rohres 1 angeordnete elektrische Heizung 15, deren Stromversorgungsanschlüsse durch die Wandungen des Rohres 1 und durch die Hülle 9 geführt sind.

Die Meßausgänge der Temperaturmeßfühler 2, 3 und 4 sowie die Enden der Wicklungen 12, 13 bzw. 12', 13' der Wärmestrommesser sind mit einem nicht dargestellten elektronischen Rechner zur Lösung der Wärmebilanzgleichung ver-5 bunden.

Die Zuleitungen 8¹ des Peltier-Kühlers 8 sind mit einer geeigneten Stromquelle verbunden.

Die Wirkungsweise dieses Gerätes ist folgende:

Mit Hilfe des Temperaturmeßfühlers 2 wird die Eingangstemperatur t?l des Meßgases festgestellt. Der durch die Wandung des Rohres 1 fließende Wärmestrom verursacht zu beiden Seiten des Wärmewiderstandes 14 in den Wicklungen 12. und 13 einen Temperaturunterschied δ is*, welcher

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zu unterschiedlichen Widerstandsänderungen in diesen Wicklungen führt und damit detektiert wird. Mit der fernerhin durch den Temperaturmeßfühler 3 gemessenen Ausgangstemperatur Z^, ergibt sich der Massenstrom m mit Hilfe der Wärmebilanz

N - k -

m =

worin N die Heizleistung, der Heizung 15, k eine Gerätekonstante und c die spezifische Wärme des zu untersuchenden Gases bedeuten, c ist jedoch nur näherungsweise bekannt, da eine Abhängigkeit von der gesuchten Feuchte besteht. Ebenso enthält m den Feuchtegrad, da πι = m (1 + χ )

ist. Hierin ist x., der gesuchte Eintrittsfeuchtegrad, Αι J-i

der trockene Massenstrom. Die Lösung muß daher durch Iteration erfolgen, indem zunächst die spezifische Wärme der trockenen Luft c_ eingesetzt wird und m = m_ gesetzt

JJ -U

wird, der Feuchtegrad mit der weiter unten angegebenen Gleichung bestimmt wird und anschließend sämtliche Rechnungen wiederholt werden.

Das Meßgas wird weiter durch das Kühlsystem 7, 8 geführt und gibt dabei Wärme ab. Der über dieses Kühlsystem abgeführte Wärmestrom wird durch die Wärmestrom-Meßeinrichtung 6¹, bestehend aus den Wicklungen 12', 13' und dem Wärmewiderstand 14', in der gleichen Weise wie bei der oben beschriebenen Wärmestrom-Meßeinrichtung durchgeführt. Ist der hier gemessene Temperaturunterschied gleich ΔΖ^, so ist die durch die Wärmestrom-Meßeinrichtung ermittelte in den Kühler abgeführte Wärmeleistung gleich k · Δ z^,

wobei k ebenfalls, eine Gerätekonstante ist. ο

Weiterhin wird mit Hilfe des Temperaturmeßfühlers 4 die Lufttemperatur ifc, im Austritt gemessen. Die Kühlung wird so durchgeführt,- daß die Luft im Austritt mit Wasser gesättigt ist. Die gesuchte Feuchte X₁ erhält man durch die

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■ "- το -

Aufstellung und Lösung folgender Wärmebilanzgleichung:

k_o . ^ + (X₂ - X₃) ^₃ . m_L

^L * I ^CD ^{V2 - »3^{} + r}o ^(X1 - ^X3^{) + C}D

Hierin bedeuten außer, der. eingangs genannten Nomenklatur k_Q ' δι** die durch den Wärmeflußmesser 6' ermittelte und an das Kühlsystem 7, 8 abgeführte Wärmeleistung. (x₂ - X₃) ^₃ · ff^ ist die vom Kondensat abgeführte Wärme menge. Die rechte Seite der Gleichung ist die Enthalpiedifferenz zwischen Lufteintritt und Luftaustritt.

Die Berechnung der Feuchte erfolgt automatisch durch ein Mikroprozessorsystem. Die Meßdaten ^ , </t, Λ,Δ'%άΔ^' werden automatisch erfaßt, gespeichert und verrechnet.

In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Dampfnässemeßgerätes nach der Erfindung dargestellt. Hierin ist mit 20 ein Dampfraum angedeutet, durch dessen Wandung 21 einerseits ein Temperaturmeßfühler 22 und andererseits eine Wärmestrom-Meßeinrichtung 6'' in den Dampfraum eingreifen. Die Wärmestrom-Meßeinrichtung ist in gleicher Weise wie die anhand der Fig. 1 beschriebene Wärmestrom-Meßeinrichtung aufgebaut. Mit 12'' und 13'' sind die entsprechenden Wicklungen und mit 14'' der entsprechende Wärmewiderstand bezeichnet. Die Wärmestrom-Meßeinrichtung 6¹' umgibt ein Rohr 23,.in deren Innern eine beispielsweise konusförmig geformte elektrische Heizung 24 angeordnet ist. Weiterhin greift ein weiterer Temperaturmeßfühler 25 oberhalb des beheizten Teiles in das Rohr ein. Schließlich endet das Rohr 23 in eine Vorrichtung zur Konstanthaltung der Dampfmenge, hier eine Turbulenzdüse 26 und eine Vakuumpumpe 27 dargestellt. Anstelle der letztgenannten Teile könnte auch ein thermischer Massenstrommesser, wie er anhand der Fig. 1 beschrieben

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. wurde,, verwendet werden. Mit 28 ist eine wärmedämmende Hülle bezeichnet. Sämtliche Einbauteile der. Vorrichtung sind an der Wand 21 lösbar, hier als Schraubverbindungen dargestellt, befestigt .und die Durchtrittsstellen abgedichtet. Außerdem sind wieder sämtliche Meßstellen mit einem nicht dargestellten Rechner verbunden.

Bei dem oben beschriebenen Gerät tritt der nasse Dampf, nachdem seine Eingangstemperatiar lh. mit Hilfe des Temperaturmeßfühlers 22 ermittelt wurde, in die Wärmestrom-Meßeinrichtung 6¹' ein. Hierin wird wiederum die durch den Wärmestrom verursachte Temperaturdifferenz /LU* ermittelt. Durch die Heizung 24 wird der Dampf getrocknet. Er tritt überhitzt in die Temperaturmeßkammer 29 ein, in der mittels des Temperaturmeßfühlers 25 die Austrittstemperatur ir~ des überhitzten Dampfes gemessen wird.

Zur Bestimmung der Dampfnässe ist die Wärmebilanz zu erstellen. Die von der Heizung 24 abgegebene konstante Wärmeleistung N wird verbraucht durch die Wärmeverluste (diese ermittelt der Wärmestrommesser), durch die Verdampf ungswärme zum Verdampfen der Wassertröpfchen und die Wärme zum überhitzen des Dampfes. Die Wärmebilanzgleichung lautet also:

N = k · Ai* + m_f

( J

MI-X) · r + c_D (^. - ^₁) j

Hierin ist nur die Dampfnässe χ unbekannt. Die Verdampfungswärme r und die spezifische Wärme c_D des Dampfes kann Tabellen entnommen werden. N ist eine konstante Heizleistung. ΔΙ'ist die ermittelte Temperaturdifferenz des Wärmestrommessers mit der Eichkonstante k. vi. ist die Eintrittstemperatur des Naßdampfes, ifa die Austrittstemperatur des überhitzten Dampfes.

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Die in der Fig. 3 dargestellte Vorrichtung dient zur Bestimmung der Enthalpie trockenen Dampfes.

Aus dem Dampfraum 30 strömt der Dampf mit der Enthalpie h = h" + q... durch eine Dosierdüse 31 in die von einer Kühleinrichtung 32 umgebene Wärmestrom-Meßeinrichtung 6'¹¹ Diese Wärmestrom-Meßeinrichtung ist im. Aufbau und in der Wirkungsweise gleich den anhand der vorigen Fig. beschriebenen Wärmestrom-Meßeinrichtungen. Im Kühler 32 wird die Wärmemenge N abgeführt, und der Dampf verläßt den Kühler 32 als Kondensat, dessen Temperatur iß⁴ mit Hilfe des Temperaturmeßfühlers 33 gemessen wird. Dem Kühler 32 ist ein Kondensatableiter 34 nachgeschaltet. Die Ausgänge sämtlicher Temperaturmeßstellen sind wiederum mit einem elektronischen Rechner zur Lösung der Wärmebilanzgleichung verbunden.

In vorliegendem Falle lautet nun die Wärmebilanzgleichung: m · h = N + m · c_w » z/°

Vergleiche hierzu auch die eingangs angegebene Nomenklatur.

Die Ermittlung des Dampfmassenstromes m kann auf verschiedene Weise erfolgen. Es kann z.B. hinter die Dosierdüse 31 ein thermischer Massenstrommesser, wie anhand der Fig. 1 beschrieben, benutzt werden. Da das kritische Druckverhältnis in den meisten Anwendungen überschritten ist, hängt der Durchfluß nur. vom Dampfdruck vor der Dosierdüse 31 ab. Es ist deshalb am einfachsten, den Durchfluß aus dem Dampfdruck zu errechnen.

Die Bezeichnung thermischer bzw. temperaturabhängiger Widerstand bezieht sich auf ein Material mit einem Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit.

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Claims

Krafvsld, den 21. Dezember 1978 9 3.HR/wey - Akte H 78/11

BABCOCK-BSH AKTIENGESELLSCHAFT
vormals Büttner-Schilde-Haas AG

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Patentansprüche:

Verfahren zur Ermittlung von Enthalpiegrößen/ wie .. Feuchtegrad von Gasen, Dampf nässe oder Enthalpie trockenen Dampfes, bei dem ein mengenmäßig erfaßtes bzw. dosiertes gas- bzw. dampfförmiges Medium unter, der Messung der Eingangs- und Ausgangstemperatur durch ein Zustandsänderungssystem, wie Kühler bzw. Trockner, geführt und die am Zustandsänderungssystem abgegebene Wärme gemessen und die gesuchte.Größe über die Wärmebilanzgleichung ermitttelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die am Zustandsänderungssystem abgegebene bzw. aufgenommene Wärme über eine Wärmestrom-Meßeinrichtung erfaßt wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, insbesondere zur Feuchtemessung von Gasen, gekennzeichnet durch ein das zu untersuchende Gas führendes Leitungssystem (1) mit.eingebautem Massen-. Strommesser (5) und/oder Dosierdüse, mindestens zwei einem Kühlsystem (7,8) vor- bzw. nachgeordneten Temperaturmeßsteilen (3,4) und einem mit dem Kühlsystem (7,8) integrierten Wärmestrommesser, bestehend aus zwei konzentrisch auf einem Trägerrohr aufge wickelte elektrisch isolierte Drahtwicklungen (12', 13') aus einem thermischen Widerstandsmaterial, welche durch eine thermisch mäßig leitende Schicht (14') von definierter Dicke voneinander getrennt sind.

² ORKSiMAL !NSPKTED

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenstrommesser (5) aus einem an seinen Endstellen mit Temperaturmeßfühlern (2,3) versehenen Rohr (1) besteht, an dessen Außenseite zwei konzentrische Drahtwicklungen (12,13) aus einem thermischen Widerstandsmaterial aufgewickelt sind, welche durch eine thermisch mäßig leitende Schicht (14) von definierter Dicke voneinander getrennt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem (7,8) einen Peltier-Kühler (8) enthält.
5. Vorrichtung- zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, insbesondere zur Dampfnässemessung, gekennzeichnet durch einen mit einem Temperaturmeßfühler (22) versehenen Dampfraum (20), eine mit einer Heizung (24) versehenen Wärmestrommeßeinrichtung, bestehend aus einem Trägerrohr (23), an dessen Außenseite zwei konzentrische Drahtwicklungen (13", 15") aus einem thermischen Widerstandsmaterial aufgewickelt sind, welche durch eine thermisch mäßig leitende Schicht (14") von definierter Dicke voneinander getrennt sind, eine Temperaturmeßkammer (29) mit einem Temperaturmeßfühler (25) , eine Dosierdüse (26) und/oder einen Mas s ens trommes s er.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung (24) elektrisch betrieben wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung (24) konisch geformt ist.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur-

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meßfühler (22) und die Wärmestrommeßeinrichtung (6") nebst den sich, daran anschließenden Teilen durch die Wandung des Dampfraumes (20) eingeführt und dort auswechselbar befestigt sind.
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9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, insbesondere zur Messung der Enthalpie trockenen Dampfes, gekennzeichnet durch eine an dem Dampfraum (30) anschließbare Dosierdüse (31), einer nachfolgenden Kühleinrichtung (32), welche eine Wärmestrom-Meßeinrichtung/ bestehend aus einem Trägerrohr (35), an dessen Außenseite zwei konzentrische Drahtwicklungen (13'"·, 15"') aus einem thermischen Widerstandsmaterial aufgewickelt sind, welche durch eine thermisch mäßig leitende Schicht (14"ü von definierter Dicke voneinander getrennt sind/ einem nachgeschalteten Temperaturmeßfühle (33) und einem Kondensatableiter (34). .

Patentbeschreibung:

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