DE2906186C2

DE2906186C2 - Vorrichtung zur Messung des Wärmeflusses in geschlossenen Wärmetransportsystemen

Info

Publication number: DE2906186C2
Application number: DE19792906186
Authority: DE
Inventors: Günther Dipl.-Chem.Dr.phil.nat. 6380 Bad Homburg Weisser
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1979-02-17
Filing date: 1979-02-17
Publication date: 1986-04-17
Also published as: DE2906186B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Wärmeflusses in geschlossenen Wärmetransportsystemen, bestehe Λ im wesentlichen aus einer Vorlauf- und Rücklaufleitung für ein Wärmetransportmedium, aus einer WärmeleitstrecKe zwischen diesen beiden Leitungen und aus Ternperaturmeßfühlern in der Vorlauf- und in der Rücklaufleitung.

Zur Zeit werden Heizanlagen in bestimmten Intervallen von Fachleuten auf optimalen Wirkungsgrad überprüft und einreguliert. Dabei sind im allgemeinen Abgastemperaturen und -zusammensetzungen die Basis für die Berechnung des Kesselwirkungsgrades. Die Durchführung dieser Messungen ist jedoch mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Der Kesselwirkungsgrad ließe sich jedoch einfach und permanent durch Vergleich der abgegebenen Wärmemenge mit dem Brennstoffverbrauch ermitteln.

Zur Heizkostenabrechnung werden an den Heizkörpern Verdunstungswärmemengenmesser angebracht, die extern gewartet und abgelesen werden müssen. Sie erlauben nur ein relativ ungenaues Ablesen und weisen systematische Fehler auf. Zum Beispiel kann eine Erwärmung des Heizkörpers durch andere Quellen, wie Sonneneinstrahlung, das Meßergebnis verfälschen. Mit Verdunstungswärmemengenmessern kann auch der momentane Wärmeverbrauch nicht ermittelt werden. Hinzu kommt, daß die Summation des Wärmeverbrauchs über die Wohnung nicht automatisiert durchführbar ist.

Ferner ist bekannt, zur Erfassung des Wärmeverbrauchs für ein ganzes Gebäude am Eingangspunkt einer Fernheizung Wärmemengenzähler einzusetzen. % Sie erhalten im allgemeinen mechanische Durchfluß- * mengenmesser in Form von Turbineinrädchen, Federscheiben, Schwebekörpern oder Staudruckdurchflußmessern. Diese mechanischen Bauteile sind in der Regel wenig zuverlässig. Andere bekannte Methoden der Durchflußmengenmessung, z. B. mittds Ultraschall oder induktiv wirkenden Meßeinrichtungen, sind ohne erheblichen Aufwand nicht verwendbar.

Zur Erfassung des Wärmeflusses bzw. der Wärmemengen sind keine zufriedenstellenden Methoden oder Vorrichtungen bekannt

Eine bekannte Vorrichtung zur meßtechnischen Ermittlung von Wärmemengen besteht aus einer Festkörper-Brücke zwischen Vorlauf- und Rücklaufleitung und Temperaturmeßstellen auch innerhalb der wärmeleitenden Verbindung (DE-OS 23 30 498). Die Festkörper-Brücke wird durch einen Stapel auHnanderliegender Scheiben realisiert. Ferner sind Kalorimeter für denselben Zweck bekannt, die im wesentlichen aus hohlen, wärmeleitenden Körpern zwischen Vorlauf- und Rücklaufleitung und in den Körpern angeordneten Thermoelementen bestehen (DE-PS 8 84 577; US-PS 2* 33 747 und 26 33 748). Bei allen diesen Vorrichtungen müssen Temperaturen innerhalb der Brücke, in manchen Fällen innerhalb und außerhalb der Brücke gemessen werden, wodurch komplizierte Konstruktionen erforderlich sind. Auch ist die Genauigkeit der Meßwerte nicht ausreichend.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe

zugrunde, eine konstruktiv einfache Vorrichtung zu

schaffen, mit der der Wärmefluß lediglich durch

Messung von Temperaturen im Wärmetransportmedi-

um mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann.

Es hat sich gezeigt, daß sich diese Aufgabe lösen läßt, wenn bei einer Vorrief-tung der eingangs genannten Art, die Wärmeleitstrecke aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht und derart ausgebildet ist, daß der Wärmedurchgang durch die Wärmeleitstreeke hindurch geringer ist als der Wärmeübergang an den beiden Grenzflächen zwischen dem Wärmetransportmedium und der Wärmeleitstrecke. Vorzugsweise sind von den vier möglichen Temperaturmeßpunkten vor und nach der Wärmeleitstrecke im Vorlauf und Rücklauf nur drei mit einem Temperaturfühler besetzt und aus den drei Meßwerten zwei Differenzen biidbar, die an die Auswerteeinheit gelangen.

Somit kann der Wärmefluß, d. h. die Wärmemenge pro Zeiteinheit, ohne Verwendung mechanischer Bauteile bestimmt werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden ausschließlich Temperaturen bzw. Temperaturdifferenzen gemessen, die erhaltenen Informationen direkt als elektrische Größen zur Verfugung gestellt und elektronisch in beliebiger Weise weiterverarbeitet. Vorzugsweise werden die Meßwerte in elektrische Signale umgewandelt, n, jlog/digital gewandelt, von einem Mikroprozessor ;echnerisch geglättet und weiterverarbeitet. Dadurch können Überwachung, Steuerung und Abrechnung von jeder beliebigen Stelle aus vorgenommen werden.

Folgende Temperaturdifferenzen werden bestimmt durch Temperaturmessungen

a) vor und hinter der Wärmeleitstrecke am Vorlauf (T: - T₂),

b) vor und hinter der Wärmeleitstreeke am Rücklauf (T,-Ti),

c) vor der Wärmeleitstreeke am Vor- und Rücklauf fTi - T₄) und

d) hinter der Wärmeleitstnecke am Vor- und Rücklauf (T₂-T₃).

Vorzugsweise werden jedoch lediglich zwei Temperaturdifferenzen, z.B. Ti — T₂ Und Ti-T₄ oder T₁-T₁ und T₂-T₃ oder Ti-T₂ und T₂-Ti oder T₄-Tj und Ti - T₄, erfaßt.

Die Wärmeleitstreeke läßt sich in verschiedener

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Weise realisieren. Es muß eine meßbare Temperaturänderung in der Zu- bzw. Ableitung des Wännetransportsystems erzeugt werden.

Zur Erzielung einer Proportionalität zwischen Temperaturdifferenz und zu- und/oder abgeführter Wärmemenge wird dafür gesorgt, daß der Einfluß der Wärmeleitung höher ist als der Einfluß des Oberflächenwärmeübergangs. Dies karji z. B. erreicht werden durch Verwendung eines Materials, das eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist Ferner können in der wärmeleitenden Trennwand Engpässe geschaffen werden, z. B. durch bestimmte Hohlteile oder im Transportmedium kann die Oberfläche erhöht werden, z. B. durch Einbringen von Heiz- oder Kühlrippen.

Die erforderlichen Temperatur- bzw. Temperaturdifferenzmessungen werden vorzugsweise durch Thermoelemente, NTC-Widerstände oder Transistoren an geeigneten Stellen der Leitungsaußenwand des Wärmetransportsystems vorgenommen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeig', in schematischer Vereinfachung

F i g. 1 ein Wärmetransportsystem mit einer Wärmeleitstrecke zwischen Zu- und Ableitung;

Fig.2 den Temperaturverlauf in der Zu- und Ableitung bei Vorhandensein einer Wärmeleitstrecke und

Fig.3 eine mögliche Realisierung der Wärmeleitstrecke.

In F i g. 1 ist ein Wärmetransportsystem, das sowohl eine Warmwasserheizung als auch eine Kühlanlage sein kann, schematisch dargestellt. Im folgenden wird der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Warmwasserheizung erläutert. Demzufolge ist zwischen den Punkten 1 und 2 ein Stück des Vorlaufrohres gezeichnet, in dem das Warmwasser von 1 nach 2 fließt und sich auf dem höheren Temperaturniveau befindet. Zwischen 3 und 4 liegt das Rücklaufrohr, in dem das Wasser von 3 nach 4 fließt und sich auf dem niedrigeren Temperatu-niveau befindet. Zwischen Vor- und Rücklauf befindet sich die Wärmeleitstrecke die als schraffierte Fläche gezeichnet ist. Sie kann z. B. in einem Wärmetauscher aus wärmeleitendem Material realisiert werden, der hier der Einfachheit halber als geometrischsymmetrisch zur Symmetrieachse S angenommen ist. Weiterhir wird vorausgesetzt, da^ das aus Vorlauf, Rücklauf und Wärmetauscher bestehende Stück gegenüber der Umgebungstemperatur ausreichend wärmeisoliert ist.

Beim Betrieb dieses Systems durchfließt das Warmwasser mit der Temperatur 71 den Temperaturmeßpunkt 1 urd bleibt bis zu Beginn des Wärmetausches auf dem Temperaturniveau 71. Durch die Wärmeleitstrecke wird ab diesem Punkt eine später zu ermittelnde Wärmemenge zum Rücklauf abgeführt, so daß im Vorlauf hinter der Wärmeleitstrecke das Wasser eine niedrigere Temperatur T₂ besitzt, mit der es den Temperaturmeßpunkt 2 durchfließt. Nach Durchlaufen der Warmwasserheizungen gelangt das Wasser zum Temperaturmeßpunkt 3 mit der Temperatur T₃. Durch die Wärmeleitstreeke erhält es vom Vorlauf eine bestimmte Wärmemenge zugeführt, so daß es die Wärmeleitstrecke mit der höheren Temperatur 7} verläßt, mit der es auch den Temperaturmeßpunkt 4 durchläuft. Danach wird es durch das Heizungssystem, z. B. Heizkessel, Fernwärme usw. wieder auf die Temperatur 71 erhitzt.

Wenn die spezifische Wärme des warmen Wassers genauso groß ist wie die des kälteren Wassers, gelten die folgenden Beziehungen:

45 A₁T = T₁- T₂ = T₄-T₃

J₂T= T₁ - T₄ = T₂ -T₃.

Unterstellt man, daß die Wärmeleitung ausschließlich senkrecht zur Symmetrieachse S erfolgt, was man z. B. mit hinreichender Genauigkeit durch einen sehr geringen Abstand zwischen Vorlauf und Rücklauf an der Wärmeleitstrecke erreichen kann, so ergibt sich der in F i g. 2 dargestellte Temperaturverlauf. Da die Temperaturdifferenz zwischen zwei Temperaturmeßpunkten am Vorlauf und Rücklauf, die symmetrisch zur Symmetrieachse Sliegen, immer gleich ist, wird über die Wärmeleitstrecke eine Wärmemenge

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35 Ö.=

UT

transportiert (vereinfachte Wärmetauscherformel). ä ist eine »Wärmedurchgangszahl« und ist die Zusammenfassung aus Wärmeübergangs- und Wärmeleitzahlen. Sie hängt lediglich von der Geometrie ab und wird zur Erzielung der Proportionalität zwischen Temperaturdifferenz und zu- und abgeführter Wärmemenge, wie oben erläutert, durch konstruktive Maßnahmen entsprechend beeinflußt

Das in Punkt 4 ankommende Wasser wird vom Heizsystem auf die Temperatur 71 erhitzt Ähnlich wird das Wasser, das in Punkt 2 ankommt, durch den Gebäudeverbrauch auf die Temperatur Ts abgekühlt. Die an das Gebäude weitergegebene Wärmemenge ist:

Q₂ = Φ -c_w- A₂T.

40 In dieser Gleichung ist Φ der Massenfluß (g/s°C) und Cw Jie spezifische Wärme des Wassers (cal/g). Hierbei wird vorausgesetzt, daß c_w temperaturunabhängig ist In anderen Fällen ist der nachfolgende Rediengang zu verallgemeinern.

Die über die Wärmeleitstrecke abgegebene Wärmemenge Q\ reduziert aber die Temperatur des Vorlaufs von T₁ auf T₂ bzw. erhöht die Temperatur des Rücklaufs von T₃ auf T₄. Es gilt also auch

50 Q₁= 0-c_w- I₁T.

(III)

Bei Berücksichtigung der Gleichung (I) erhält man I₂T

Φ ■ C_w = 1

I₁T ·

(IV)

Setzt man diese Beziehung in Gleichung (II) ein, so ergibt sich für den Wärmefluß

60 Q₂ =

J₁T

Diese Gleichung enthält außer den Temperaturdifferenzen Δ\ Tund zl27'noch die oben erklärte Konstante α.

Die Temperaturdifferenz ^iTsollte möglichst gering sein, nicht nur um den Wärmetauscher möglichst klein

dimensionieren zu können, sondern auch um unnötig hohe Temperaturen 7j bzw. T* zu vermeiden. In der F'.egel ist eine Temperaiurdifferenz von ca. I⁰C ausreichend.

In F i g. 3 wird eine mögliche Ausführungsform für die erfindungsgemäße Wärmeleitstrecke dargestellt, die sehr kompakt aufgebaut und so-ausgelegt ist, daß praktisch kein Druckverlust auftritt. Dabei dient der Vorlauf zur entsprechenden Erwärmung des Rücklaufs. Von der speziellen Wärmeleitstrecke 5 nach außen führen Anschlußstücke 1,2,3 und 4, die am Ende jeweils Anschlüsse zur Montage in den restlichen Heizwasserkreislauf aufweisen. Die Temperaturen T\ bis T₄ werden an diesen Anschlußstücken z. B. auf der Rohraußenwand gemessen, und zwar die Temperaturen Ti und Tz \ί relativ nahe an der Wärmeleitstrecke, die Temperaturen Ti und Ti relativ weit weg von der Wärmeleitstrecke. Sollte es aus besonderen Gründen erforderlich sein, die Anschlußstutzen relativ kurz auszuführen, so ist jeweiis in Flußrichtung vor der Temperaturmeßstelle durch besondere Maßnahmen, z. B. durch Vermischungseinrichtungen an geeigneten Stellen 6, eine gute Temperaturdurchmischung zu gewährleisten. Nach außen ist das Gesamtsystem bis zu den Anschlußstücken durch eine Wärmeisolierung 7 wärmeisoliert,

Als Temperaturmeßgeber sind NTC-Widerstände angeordnet Diese Widerstände sind entsprechend geschaltet und werden zyklisch abgefragt Das Ergebnis der Abfragen wird in binärer Form über eine Signalleitung an einen Rechner weitergegeben. Der Rechner prüft dann die Identität der Gleichung

und meldet einen Fehler, wenn diese Beziehung nicht innerhalb vorgegebener Toleranzen erfüllt ist. Weiterbin berechnet er den Wärmefluß Q₂ gemäß der Gleichung (V). Addiert wird dieser Wert zunächst auf einen Speicher, der den Wärmeverbrauch summiert. Weiter wird er zur Aktualisierung des mittleren Wärmeverbrauchs Qi verwendet, der in einem zweiten Speicher gespeichert wird, nach der folgenden Gleichung

nt) =

256

+ Δ t)

255
256

(VI)

so daß der Wert Qi (t+Δή einem »exponentiellen Smoothing« entspricht. Dieser Wert wird angezeigt.

Die genannten Werte kcr.nerj zusammen mit den anderen notwendigen Daten, wie Uhrzeit usw. auf einem Display im zyklischen Turnus zur Anzeige gebracht werden. Das »exponentiell Smoothing« wurde hier deshalb gewählt, weil den Benutzer eine integrale Aussage über den Wärmeverbrauch, z. B. der letzten 24 Stunden, mehr interessiert als eine Aussage über den augenblicklichen Wärmeverbrauch. Zugleich ermöglicht das »exponentiell Smoothing« eine vierstellige Ausgabe, während bei einer Direktanzeige des momentanen Wärmeflusses aus Gründen der Meßgenauigkeit nur zwei Stellen angezeigt werden können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung des Wärmeflusses in geschlossenen Wärmetransportsystemen, bestehend im wesentlichen aus einer Vorlauf- und Rücklaufleitung für ein Wärmetransportmedium, aus einer Wärmeleitstrecke zwischen diesen beiden Leitungen und aus Temperaturmeßfühlern in der Vorlauf- und in der Rücklaufleitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitstrecke (5) aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht und derart ausgebildet ist, daß der Wärmedurchgang durch die Wärmeleitstrecke hindurch geringer ist als der Wärmeübergang an den beiden Grenzflächen zwischen dem Wärmetransportmedium und der Wärmeleitstrecke.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den vier möglichen Temperaturmeßpunkten (Ti, T₂, T₃, T₄) vor und nach der Wärmeieitsireeke (5) im Vor- und Rücklauf (1-2; 3_4) nur drei mit einem Temperaturfühler besetzt sind und daß aus den drei Meß werten zwei Differenzen bildbar sind und an die Auswerteeinheit gelangen.