-
-
Verfahren und Vorrichtung zur kombinierten Messung
-
des Massenstroms und Wärmestroms Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur kombinierten Messung des Massenstroms eines fluiden Wärmeträgers und des in
einem Wärmetauscher von diesem Wärmeträger abgefUhrten oder ihm zugefUhrten Wärmestroms,
durch Bestimmung von Temperaturdifferenzen aus der änderung der Temperatur des ;Ermeträgers
bei Vorbeigang an einer zwischen Vorlauf- und RUcklaufleitung angebrachten wärmeleitenden
BrUcke. Sie bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur DurchfUhrung dieses Verfahrens,
bestehend im wesentlichen aus einer mit der Vorlauf- und Rücklaufleitung eines fluiden
Wärmeträgers zu verbindenden, nach außen isolierten, wärmeleitenden BrUcke und TemperaturmeßfUhlern,
wobei
der Wärmeübergangswiderstand zwischen Wärmeträger und -Wärmebrücke
kleiner ist als der Wärmeleitungswiderstand der Wärmebrücke.
-
Die meisten bekannten Methoden zur Wärmemengenbestimmung ba-5 ren
auf der getrennten Messung des Massenstroms bzv. des llrcllsatzes des fluiden Wärmeträgers
und der am Wärmeverbraucher erzeugten Temperaturdifferenz. Hierbei finden praktisch
alle technisch realisierten Verfahren der Dwrchflußmessung Anwendung, die meist
mit mechanisch bewegten Teilen ausgestattet sind, z.B. Flügelradzähler. Diese Meßgeräte
unterliegen besonders stark dem Verschleiß und liefern häufig eine zu geringe Meßgenauigkeit.
Neuentwicklungen, die bewegungsfreie Meßverfahren einschließen, z.B. magnetisch-induktive
oder Ultraschall-Verfahren, sind sehr aufwendig, fremdenergieabhängig und kostspielig.
-
Ferner sind bereits Verfahren bekannt, welche ohne bewegliche Teile
und nur auf der Basis von Temperaturmessungen durch Verwendung einer zwischen Vorlauf-
und Rücklaufleitung geschalteten Wärmehrücke arbeiten (z.B. DE-OS 29 06 186, DE-OS
23 30 498 und FR-PS 2 353 045). Diese Methoden haben jedoch den Nachteil, daß bei
Ihnen jeweils die Temperaturänderung des Wårmeträgers an der Wärmebrücke unmittelbar
im Fluid gemessen wird, was aufwendig ist, zu Einbauerschwernissen führt und hohe
Druckverluste in der Strömung bewirkt. AuBerdem wird nicht berücksichtigt, daß die
Wärmeübergangszahl und damit auch die gesamte Wärmedurchgangszahl sehr stark von
den Strömungsbedingungen, d.h. vom Durchsatz und der Fluidtemperatur, beeinflußt
werden. In der DE-OS 23 30 498 wird dieses Problem zwar erkannt, jedoch sind bei
dieser Vorrichtung mindestens 5 Temperaturfühler erforderlich. Ein weiterer Nachteil
besteht darin, daß Geräte nach den bekannten Verfahren nicht ohne Eingriff in die
Vorlauf- und RUcklaufleitung eingebaut werden können.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren
zu schaffen, welches in der Lage ist ohne mechanische bewegliche Teile und ohne
hohen Fremdenergieaufwand kombiniert den Durchsatz und den Wärmeaustausch eines
Wärmeträgers zu messen, so daß kein hoher Druckverlust auftritt und alle infrage
kommenden Strömungsbedingungen zu keinem wesentlichen Meßfehler führen. Dazu sollen
möglichst wenige Meßfühler verwendet werden und das Meßgerät soll als ganzes sehr
kompakt und nachträglich montierbar sein.
-
Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit einem Verfahren
der eingangs genannten Art lösen läßt, wenn mindestens zwei Temperaturdifferenzen
durch Messung von mindestens drei lokalen Temperaturen oder des vollständigen Temperatur
feldes innerhalb der Wärmebrücke ermittelt werden, wobei von den zwei Temperaturdifferenzen
die eine ein Maß für die Temperaturänderung des Wärmeträgers bei Vorbeigang an der
Wärmebrücke in der Vorlauf- oder Rücklaufleitung und die andere ein Maß für die
Temperaturdifferenz des Wärmeträgers zwischen Vorlauf- und Rücklaufleitung darstellt.
Erfindungsgemäß wird der Einfluß der Strömungsbedingungen auf den WärmeUbergang
zwischen dem Wärmeträger und der Wärmebrücke durch die Messung des Massenstroms
iterativ korrigiert.
-
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mindestens drei Temperaturmeßfühler
innerhalb der Wärmebrücke angeordnet und die Wärmebrücke besteht aus einem Material
mit möglichst geringer spezifischer Wärmekapazität, und der Wärmeübergangswiderstand
zwischen Vorlaufleitung und Wärmebrücke und zwischen Rücklauf-Leitung und Wärmebrücke
ist ungefähr gleich groß. Vorteilhafte Aus führ ungsformen. der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 4 bis 6 beschrieben.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorwiegend für energie-und verfahrenstechnische
Anlagen verwendbar, bei denen sowohl der Durchsatz als auch die ausgetauschte Wärmemenge
wichtige Größen zur Bilanzierung der Anlagen darstellen. naruber hinaus werden kombinierte
Durchsatz- und Wärmemengenmesser verstärkt 'L Abrechnung gelieferter bzw. verbrauchter
Wärmeleistungen, 2 m Beispiel in Heizungs- und Fernwärmesystemen, eingesetzt.
-
Die erfindungsgemäße Lösung, die auf die Nutzung der Messung des Temperaturfeldes
für die Auswertung des Massenstroms und des aufgenommenen oder abgegebenen Wärmestroms
des fluiden Wärmeträgers beruht, ist gegenüber den bekannten Methoden vorteilhaft,
da durch die Integration von z.B. nur drei Temperaturmeßfühlern in die Wärmebrücke
ein kompaktes Gerät geschaffen wird, bei dem keine Temperaturfühler in das Fluiid
hineinragen und einen Druckverlust erzeugen und welches über weite Strömungsbereiche
eingesetzt werden kann. Durch eine mehrteilige Bauart läßt sich ein solches Meßgerät
ohne Eingriff an bestehende Vorlauf- und Rücklaufleitungen montieren.
-
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg
darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen in schematischer Vereinfachung Figur 1 eine prinzipielle
Darstellung der Wärmebrücke zwischen Vorlaufleitung und Rücklaufleitung zur Erläuterung
der Größen und der Temperaturen; Figur 2 eine konstruktive Ausführungsform der Wärmebrücke,
welche mit einem Isolationsrnantel gegen den Wärmeaustausch mit der Umgebung isoliert
ist; Figur 3 den A-A-Schnitt der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung und
Figur
I eine spezielle Ausführungsform der Wärmebrücke, bei welcher nur ein Teil strom
des Rücklaufs mit der Wärmebrücke in Berührung steht.
-
Erfindungsgemäß wird eine Festkörper-Wärmehrcke zwischen Vorlauf-
und Rücklaufleitung geschaltet und das Temperaturfeld dieser Wärmebrücke gemessen
und zur Ermittlung des Wärmeträgermassenstroms und der in einem Wärmetauschersystem
abgegebenen oder aufgenommenen zeitlichen Wärmemenge ausgewertet. Die Wärmebrücke
muß nach außen hin vollständig wärmeisoliert sein. Dann ergibt die Energiebilanz
an der Wärmebrücke, daß die folgenden in Figur 1 zusammenfassend dargestellten zeitlichen
Wärmemengen gleich sind: 1. Die Enthalpieänderung des Fluids im Vorlauf = m c (T
- TF*) B w F1 2. Die zwischen Fluid und Wärmebrücke im Vorlauf ausgetauschte Wärmemenge
(Wärmeübergang) QB = α1 A1 (TF1 -TW1) 3. Die in der Wärmebrücke geleitete
Wärmemenge
4. Die zwischen Fluid und Wärmebrücke im Rücklauf ausgetauschte Wärmemenge (Wärmeübergang)
QB = α2A2 (TW2 - TF2)
5. Die Enthalpieänderung des Fluids
im Rücklauf QB m m cw(TF* - TF2 Die gesamte über die Wärmebrücke transportierte
Wärmemenge QB = k AB(TF1 - TF2) wobei
ist.
-
Hierin bezeichnen: AB die Brückenquerschnittsfläche c die spezifische
Wärmekapazität des Wärmeträgers w d die Dicke der Wärmebrücke, d.h. den Abstand
zwischen Vor- und Rücklauf k die Wärmedurchgangszahl m den Massenstrom des Wärmeträgers
T die Kelvintemperatur stromauf der Brücke T* die Kelvintemperatur strornab der
Brücke T eine über den Brückenquerschnitt definierte mittlere Temperatur die Wärmeübergangszahl
X die Wärmeleitfähigkeit der Brücke
und die Indices 1 den Vorlauf
2 den Rücklauf B die Brücke F das Wärmeträgerfluid W die vom Fluid benetzte Brückenwand.
-
Unter der Voraussetzung, daß der Massenstrom im Vorlauf und Rücklauf
gleich ist (Kontinuität), ergibt sich die einfache Auswertungdes Massenstroms z.B.
aus den Gleichungen 1 und 6 als
bzw. des am Wärmetauschers abgeführten Wärmestroms als Qv = m cw (TF1-TF2) d.h.
zur Bestimmung dieses Massenstroms müssen mindestens 5 Temperaturen oder 3 Temperaturdifferenzen
bekannt sein.
-
Die erfindungsgemäße Lösung sieht stattdessen die Nutzung des Temperaturfeldes
innerhalb der Wärmebrücke vor, welche sich aufgrund des Temperaturgefälles von TF1
nach TFL mit den entsprechenden Randbedingungen des Wärmeübergangs und der Wärmeleitung
einstellt. Es gibt dabei zwei grundsätzliche Möglichkeiten, die Messung des Temperaturfeldes
zu nutzen.
-
Innerhalb des Temperatur feldes lassen sich mindestens drei lokale
Temperaturen TB1, TB2, TB3 so finden, daß (TB2 -TB3) = K1 (TF1 -TF2) = K2 (TF1 -T
F2) 3 (TB1 -TB2) = K3(TF1 -TF1) wobei K1, K2 und K3 über weite Bereiche als Konstante,
d.h.
-
unabhängig von den Strömungsbedingungen und damit von der Wärmeübergangszahl,
anzusehen sind. Die Einsatzorte für die lokalen Temperaturmeßfühler lassen sich
experimentell oder mit Hilfe rechnerischer Simulation optimieren. Bei zu großen
Ahweichungen der Größen Kl, K2 und K3 bezüglich der Wärmeübergangszahlen läßt sich
über den Vergleich mit dem ausgewerteten Massenstrom anhand theoretischer oder empirischer
Wärmeübergangsgesetze eine iterative Korrektur vornehmen. Die Messung der drei lokalen
Temperaturen oder der zwei daraus resultierenden Temperaturdifferenzen kann mit
ansich bekannten Temperaturmeßfühlern, z.B. iderstandsthermometern, Thermoelementen,
Halbleiterwiderständen usw. vorgenommen werden, die an einer Auswertelektronik angeschlossen
sind.
-
Eine andere Möglichkeit der Nutzung des Temperaturfeldes ist die Erfassung
und Auswertung des gesamten Temperaturfeldes, z.B. durch optische oder elektro-otische
Abtastung einer mit Halbleiter- und Flüssigkristallmaterialien beschichteten Wär
mebrücke, und Verwertung bestimmter relevanter Temperaturen oder Temperaturgradienten.
-
Die Wärmebrücke selbst muß bezüglich ihrer Abmessungen, Werkstoffe
und ihrer Konstruktion optimiert und Init der Strömung und somit dem WärmeUbergang
genau abgestimmt werden, damit einerseits die auftretenden Temperaturdifferenzen
genau genug meßbar und andererseits der über die Brücke fließende Wärmestrom QR
relativ zum verbrauchten Wärmestrom 0v gering genug werden. Dies mag erfordern,
daß der Wärmeübergang vom Fluid zur Wand durch Verwirbelung der Strömung verbessert
wird und/ oder daß nur Teilströme des Vorlaufs und/oder des Rücklaufs zur Messung
ben utzt werden.
-
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die in Figuren 2 und 3 gezeigt ist, wird die Wärmebrücke 1 mit einem Isolationsmantel
2 gegen den Wärmetausch mit der Umgebung isoliert. Die Temperaturmeßstellen TB1
TB2 und TB3 sind hierbei innerhalb der Wärmebrücke 1 untergebracht. Ihre genaue
Lage muß jeweils nach den gegebenen Randbedingungen wie Strömungsbereich, Temperaturbereich,
Abmessungen und Material von Fluid und Brücke optimiert werden.
-
Vorzugsweise ist der zweite Temperaturmeßfühler TB2 von den zwei Temperaturmeßfühlern
entlang der Wärmeübergangsstrecke zum Verlauf 3 etwas weiter weg von der Wärmeübergangsstrecke
angeordnet. Zur besseren Verwirbelung des Fluids und zur Verbesserung des Wärineübergangs
zwischen Fluid und Brücke 1, wobei je nach Herstellungsverfahren auch der in der
Brücke 1 verlaufende Teil der Rohrwandung von Vorlauf 3 und Rücklauf 4 als Wärmebrücke
1 mitgerechnet wird, sind innerhalb der Rohrleitungen drallerzeugeilde schaufelartige
Rippen 5 angebracht.
-
Zur besseren Wärmeabgabe sind außerdem Vorlaufleitung 3 und Rücklaufleitung
4 von der Wärmebrücke 1 ringsherum geschlossen, wie dies in Figur 3 verdeutlicht
wird. Zur vereinfachten Anbringung der Wärmebrücke ohne Eingriff an die bestehenden
Leitungen besteht die Wärmebrücke 1 aus zwei Teilen, die miteinander befestigt werden
können.
-
Figur 4 zeigt eine spezielle Ausführungsform der Wärmebrükke 1, bei
welcher nur ein Teilstrom 6 des Rücklaufs 4 mit der Wärmebrücke 1 in Berührung ist,
so daß der über die Brücke 1 fließende Wärmestrom zwischen dem Vorlauf und dem Teilstrom
6 ausgetauscht wird. Der Teilmassenstrom 6 muß dabei für die in @eressierenden Strömungsbereiche
in einem bekannten und vorz@@@sweise konstanten Verhältnis zum Gesamtstrom stehen.
-
L e e r s e i t e