DE3303769A1

DE3303769A1 - Waermeleistungsmesser

Info

Publication number: DE3303769A1
Application number: DE19833303769
Authority: DE
Inventors: Miran 61000 Ljubljana Zgonik
Original assignee: LJUBLJANA AVTOMONTAZA
Current assignee: LJUBLJANA AVTOMONTAZA
Priority date: 1982-03-18
Filing date: 1983-02-04
Publication date: 1983-09-29
Also published as: US4538925A; IT1158009B; HU190064B; IT8268540A0; CS254314B2; AT388246B; CH665286A5; JPS58206940A; YU42759B; DE3303769C2; CS67983A2; ATA72183A; YU59182A; CH666751A5; JPH0115006B2; DD209518A5

Description

AVIOMONTAZA LJUBLJANA n.uuh.o
Tovarna yospodarskih vozLL,
trgovina in servis motornih vozi.1,
TOZD Tovarna grelnih naprav n.sub.o. Ziherlova 4
61000 Ljubljana
Jugoslawien

Wärmeleistungsmeßgerät.

Die Erfindung betrifft ein Wärmeleistungsmeßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein genaues kontinuierliches Messen der Wärmeleistung, die in einer Wärmeanlage mit flüssigem oder gasförmigem Medium ausgetauscht wird, ist ein anspruchsvolles Problem. Dabei muß der Massendurchfluß und die Temperaturdifferenz am Eintritt und am Austritt (T -Ί') kontinuierlich gemessen und die mittlere spezifische Wärme C (T_n,T_rJ des Mediums in

ρ Λ tv.

diesem Temperaturbereich bekannt sein, damit die nachstehende Grundgleichung verwendet werden kann, mittels welcher die ausgetauschte Wärmeleistung beispielsweise elektronisch berechnet werden kann:

dQ ₌ I¹JL. . c (τ ,τ) . (T -T)

dt dt P Λ L LA

Zum Unterschied von genauer Messung der Temperaturdifferenzen (T -Τ_Λ), Weis bekanntermaßen besonders in einer Differenzia]verbindung von Temperatursensor^ kein Problem ist, stellt kontinuierliches Messen des Massendurchflusses ^m

dt eine sehr anspruchsvolle Maßnahme dar, weshalb man in der Praxis vorzugsweise Volumendurchflüsse mißt und dabei die Dichte des Mediums berücksichtigt. Wenn aber das Medium verschmutzt, zusammendrückbar, zweiphasig (-tropfbare Flüssig-

keit mit Gasblasen oder Gas mit Flüssigkeitstropfen) oder pulsierend ist, dann lassen sich auch Volumendurchflüsse nur mit erheblichem Aufwand präzise messen. Ein besonderes Problem stellt das Messen geringer Durchflüsse in Röhren größerer Abmessungen dar, wo die Geschwindigkeiten gering und in Bezug auf den Röhrenquerschnitt veränderbar sind.

Die Geräte zum unmittelbaren Messen von Volumendurchflüssen, z.B. Gasometer sind für kontinuierliche Durchflüsse, insbesondere wenn die Durchflüsse nicht stationär sind, nicht geeignet. Insbesondere die Wellen und Lager der auf dem Prinzip verschiedener Räder (Voltmann-Rad), Zahnräder, elliptischer Zahnräder, Ringe, Schaufelräder, Klappen, o.dgl. basierenden indirekten Volumenmeßgeräte sind gegen Verunreinigungen empfindlich. Die Spalte zwischen den beweglichen und unbeweglichen Teilen werden infolge von Verunreinigungen, von Niederschlägen, von Rost und von Verschleiß kleiner oder größer, so daß die deklarierte Genauigkeit mit der Benutzungsdauer absinkt. Auch sind diese bekannten Räder für zusammendrückbar, zweiphasige Medien und schnelle Durchflußänderungen nicht geeignet.

Es gibt indirekte Geräte zum Messen des Volumendurchflusses, die zweimal mittelbar messen. Sie messen eine Größe, die von der Geschwindigkeit abhängig ist; die Geschwindigkeit hängt jedoch selbst vom Volumendurchfluß und vom Querschnitt ab. Die Geschwindigkeit ist natürlich gemäß dem Querschnitt nicht konstant, was die Genauigkeit dieser Meßmethode grundsätzlich beeinträchtigt. Geschwindigkeitsmessungen mit Hilfe von Druckdifferenzen benutzen Meßblenden, Venturi-Rohre, Rohrbogen u.dgl. Anstatt mittels Druckdifferenzen kann die Geschwindigkeit auch durch Vergleichen der Wärmeübertragung, z.B. mit einem heißen Draht ("hot wire") oder mit einem erwärmten Zapfen gemessen werden. Ein Nachteil dieser Meßungen besteht darin, daß das Ansprechen des Meßgeräts von Niederschlägen am jeweiligen Sensor, von Verschmutzungen, Tempera-

türen, Turbulenzen, Blasen usw. abhängig ist. Alle diese Einflußfaktoren beeinträchtigen die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit.

Durch die Anwendung der Elektronik sind mittelbare Geschwindigkeitsmessungen bekannt geworden, wie z.B. die Verwendung des Dopplereffektes mit Hilfe von Ultraschall oder Laserstrahlen, das Messen der Dauer der Wanderung von Karman'sehen Wirbeln oder Blasen im Rohr, die !Compensations vergleichsmethode der Wärmedurchgangszahl in Kombination mit dem Venturirohr, magnetostriktive und induktive Methoden, sowie Methoden der axialen oder radialen Ionisierung. Die meisten dieser Methoden erfordern eine aufwendige Elektronik und sind nur unter den begrenzten deklarierten Bedingungen genau.

Um die Wärmeleistung -Jp auszumessen, müssen die Meßgeräte noch die spezifische Wärme C berücksichtigen. Diese hängt vom Material, von der Temperatur und auch vom Druck ab. Bei der automatischen oder manuellen Berechnung der Wärmeleistung oder der in einem gewissen Zeitraum ausgetauschten Wärmeenergie muß man bei den vorstehend beschriebenen Messungen meistens die Dichte des Mediums berücksichtigen. Deshalb summieren sich die Fehler sehr schnell.

Herkömmliche Wärmeleistungsmeßgeräte und Wärmemengenzähler mit beweglichen Elementen zum Messen des Massendurchflusses eines Mediums unterliegen einem Verschleiß und sind gegen Verunreingungen empfindlich. Meßgeräte ohne bewegliche Teile werden dagegen ungenau, wenn es zur Ansammlung von Niederschlagen kommt, wenn die Durchflußbedingungen beispielsweise durch Turbulenzen geändert werden, und wenn das Medium mehrphasig ist. Diese zuletzt genannten Meßgeräte sind für geringe Durchflußmengen nicht geeignet und gelten nur für das jeweils angegebene Medium.

Deshalb liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,

ein Wärmeleistungsrneßgcrät zur Verfügung zu stellen, das keine beweglichen oder abnutzbaren Teile; aufweist, das auch für geringe Durchflußmengen geeignet ist, das von der Ansammlung von Niederschlagen und Verunreinigungen als auch von Turbulenzen und von einer Mehrphasigkeit des durchströmenden Mediums unabhängig ist, und das für verschiedene Medien verwendet werden kann.

Diese Aufabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches I gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das erfindungsgemäße Wärmeleistungsmeßgerät mit Ausnahme der Temperatursensoren aus einem Stück, beispielsweise gegossen hergestellt werden kann. Gemäß seiner Eigenschaften ist es für Dauermessungen der verbrauchten Wärme einzelner Radiatoren oder Einrohrsysteme geeignet. In einem solchen Fall kann es einfach al_Kein Element des Radiators ausgeführt werden. Da das orfindungsgemäße Wärmeleistungsmeßgerät keine beweglichen Teile aufweist, kann bei sorgfältig eingebauten Temperatursensoren, die in das Material eingegossen sind und keine Verbindung mit dem Medium oder der Atmosphäre haben, eine quasi unbegrenzte Lebensdauer des Geräts angenommen werden. Außerdem benötigt es keine besondere Wartung. Niederschläge, Korrosion, Verschmutzungen, Blasen u.dgl. üben keinen Einfluß auf das Meßergebnis aus, da eine Wärmeübertragung nicht auftritt. Das Meßgerät verbraucht Energie nur zum Messen von Temperaturdifferenzen, wobei dieser Verbrauch in Kombination mit einem entsprechenden Schaltkreis äußerst gering ist. Für das Ablesen selbst wird überhaupt keine Energie verbraucht, wenn als Temperatursensoren Thermoelemente verwendet werden. Das Meßprinzip ist auch für sehr kleine Leistungen geeignet, da das Meßgerät in Miniaturausführung hergestellt werden kann. Das

beschriebene Wärmelexstungsnießgerdt kann auch in Laboratorien und in Reguliersystemen und für die verschiedenen Medien, wie beispielsweise Wasser, Luft, Öl, Kühlmittel u.dgl. verwendet werden.

Das Wesen der Erfindung liegt in einem Meßgerät, welches das Problem des Messens der Wärmeleistung aus dem Stand der Technik in ein Problem des Messens von drei Temperaturdifferenzen umwandelt, so daß der Einfluß von Verschmutzungen, Turbulenzen, der absoluten Temperatur, von Blasen, Niederschlägen usw. eliminiert ist und es nicht nötig ist, die spezifische Wärme C des Mediums zu kennen.

Dieses Ziel ist durch das Zusammenwirken von vier Maßnahmen erreichbar:

- Das die Wärmeenergie fördernde Medium wird im Meßgerät entlang einer nicht isolierten Wand geführt, über welche ein kleinerer Teil der im folgenden Meßwärmeleistung genannten Wärmeleistung zu- oder abgeleitet wird, weswegen aufgrund der Enthalpieänderung im Medium eine vom Durchfluß, von der spezifischen Wärme und von der Leistung der ausgetauschten Meßwärmeenergie abhängige Temperaturdifferenz entsteht. Diese Temperaturdifferenz wird gemessen.

- Zum Austausch der Meßwärmeleistung wird das Energiepotential, d.h. die Temperaturdifferenz zwischen der Zulauf- und der Rücklaufleitung oder zwischen einer der beiden Leitungen und der Umgebung oder zwischen einer der beiden Leitungen und einer anderen Wärmesenke oder -quelle, beispielsweise einer Wasserleitung verwendet.

- Die Meßwärmeleistung wird dadurch ausgemossen, daß sie über ein Material von bekanntem Querschnitt und bekannter Wärmeleitfähigkeit geleitet wird, in weiches zwei oder mehrere Temperatursensoren in verschiedenen Abständen eingebaut sind. Dio Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren hängt von der Meßwärmeleistung, von der bekannten Geometrie und von der bekannten Wärmeleitfähigkeit

des Materials ab. Auch diese Temperaturdifferenz wird gemessen.

- Es wird noch die HaupttemperaturdiffGrenz zwischen dem Eintritt und dem Austritt des Mediums gemessen.

Der Energiesatz führt zur Feststellung, daß in der Formel für die Wärmeleistung -^M des Mediums die spezifische Wärme C

wegfällt, bzw, daß es für das Meßgerät einerlei ist, wovon es durchströmt wird. Die Wärmeleistung kann somit, aus nur drei Temperaturdifferenzen und einer von der Konstruktion und dem Material des Meßgeräts abhängigen Konstanten ausgedrückt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und verschiedene Anschlußarten sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisch veranschaulichtes, zwischen einem Objekt dessen Wärmeleistung gemessen werden soll, und dem übrigen Teil eines Strömungskreises, der im vorleigenden Schema eine Quelle oder einen Wärmeverbraucher bedeutet, eingebautes Wärmeleistungsmeßgerät im vertikalen Schnitt,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt ähnlich wie in Fig. 2, jedoch in einer anderen Ausführungsvariante,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform des Wärmeleistungsmeßgeräts im Längsschnitt,

Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie V-V der Fig. 4,

Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie VI-VI der Fig. 4,

Fig. 7 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie VIT-VIl der Fig. 4,

Fig. 8 eine achsensymmetrische Ausführungsform eines

Wärmeleistungsmeßgeräts im Schnitt,

Fig. 9 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie IX-IX der Fig. 8,

Fig. 10 einen Strornungskruis ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten, mit eimern eingebauten Wärmeleistungsmeßgerät,

Fig.11 eine Ausfuhrungsform des Meßgeräts der Fig. IO teilweise geschnitten,

Fig.12 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie XII-XII der Fig. 11,

Fig.13 eine Kombinationsmeßanordnung gemäß Fig. 1 und Fig. 1.0,

Fig.14 eine scheibenartige Ausführung eines Wärmeleistungsmeßgerätes im Schnitt,

Fig.15 einen Schnitt entlang der Linie XV-XV der Fig. 14, und

Fig.16 eine weitere Variante eines Wärmeleistungsmeßgerätes .

Fig. 1 zeigt schematisch eine einfache Ausführungsform eines Wärmeleistungsmeßgerätes, bei dem die Meßwärmeleistung, d.h. die Wärmeleistung, mit deren Hilfe gemessen wird, zwischen wärmerer und kühlerer Leitung eines Strömungskreises nur auf einer Seite ausgetauscht wird und der Meßgerätkörper 1 einstückig ausgeführt ist. Dabei ist ein Moßgerätkörper 1 mit zwei Längskanälen l' und 1" ausgebildet- und nach außen mit einer Isolation 2 umgeben. Die Langskanäle 1' und 1" weisen im Bereich der Isolation 2 Anschlüsse 3 und 5 auf, welche mit aus dem zu messenden Objekt MO und zu ihm führenden Leitungen verbunden sind, und die Anschlüsse 4 und 6 auf, die mit der Zulauf- und Rücklaufleitung des nicht gemessenen Strömungskreises IP verbunden sind. Die Anschlüsse 3,4,5 und G sind an den Meßgerätkörper 1 mittelbar über wärmeisolierende Dichtungen 7 angeschlossen. Ein Gehäuse 8 umschließt das Wärmeleistungsmeßgerät.

Mit den Temperatursensoren Λ und B wird die in der Strömung des Mediums auftretende Temperaturdifferenz zwischen den Anschlüssen 3 und 4 des Kanals 1' gemessen. Mit den Temperatursensoren C und D wird die Temperaturdifferenz im Material des Meßgerätkörpers 1 zwischen den Kanälen 1' und 1" gemessen. Mit den Temperatursensoren E und F wird die Temperaturdifferenz zwischen der Zulauf- und der Rücklaufleitung des zu messenden Objektes MO gemessen.

Die Ausführung des Meßgerätkörpers 1 ist in Fig. 2 weiter konkretisiert, wobei jedoch die Möglichkoit einer Ausführung des Meßgerätkörpers 1 als gewöhn]j eher Quader mit parallelen Ausbohrungen auf gegenüberliegenden Seiten nicht ausgeschlossen ist. Im Anschluß 3 befinden sich die Temperatursensoren A und E, im Anschluß 4 befindet sich der Temperatursensor B und im Anschluß 5 befindet sich der Temperatursensor F. Der Anschluß 6 weist keinen Temperatursensor auf. Die Temperatursensoren A,B und E,F stellen Paare dar, mit denen nur Temperaturdifferenzen gemessen werden. Es ist nicht notwendig, absolute Temperaturen zu messen. Deshalb sind die Temperatursensoren differential miteinander verbunden und ermitteln die Werte (T_A -T_ß) und (T„-T„). Die Temperatursensoren A,B,E und F sind derart eingesetzt, daß sie gute Durchschnittswerte messen. Es ist auch möglich, eine größere Anzahl von Temperatursensoren zu verwenden.

Da das zu messende Objekt MO entweder eine Quelle oder ein Verbraucher der Wärmeleistung ist und der Durchfluß des Mediums eine endliche Größe darstellt, besteht außer wenn die Wärmeleistung des zu messenden Objekts MO gleich Null ist, zwischen den Leitungen eine bestimmte Temperaturdifferenz. Infolge dieser Temperaturdifferenz wird über das wärmeleitende Material des Meßgerätkörpers I eine Meßwärme leistung ausgetauscht. Die Menge dieser Meßwärmeleistung hängt von den konstruktiven Abmessungen des Meßgerätkörpers, von der Wärmeleitfähigkeit des Materials, von der Temperaturdifferenz

und vom Durchfluß des Mediums ab. Da jedoch die Meßwärmeleistung kein Teil der gemessenen Wärmeleistung ist, ist ihre Menge für die Messung unwesentlich, wenn das Meßgerät entsprechend der Fig. 1 angeschlossen ist. Infolge der Wärmeleitung durch das Material des Meßgerätkörpers 1 entsteht im Meßgerätkörper 1 eine als Temperaturgradient bezeichnete Temperaturdifferenz in dem durch die Temperatursensoren C und D bestimmten Abstand. Dieser Temperaturgradient wird mittels des Sensorpaares C und D bestimmt. Auch die Anzahl dieser Temperatursensoren C und D kann größer sein, wobei sie in einem bestimmten gegenseitigen Abstand L derart angeordnet sind, daß sie den Durchschnittswert des Temperaturgradienten bestens ausmessen. Gerade wegen dieser Forderung ist der Meßgerätkörper 1 aus Fig. 2 zwischen den Temperatursensoren C und D verjüngt. Man kommt zu demselben Ergebnis, wenn der Meßgerätkörper 1 mit mehreren Bohrlöchern o.a. ausgebildet ist, oder wenn eine schlechter wärmeleitfähige Schicht Ic mit einer Wandstärke (T zwischen den Bohrlöchern für die Temperatursensoren C und D eingelegt ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Hier ist der Meßgerätkörper ι aus zwei Metallteilen la und Ib zusammengesetzt, während die schlecht wärmeleitende Schicht Ic z.B. das Klebemittel zwischen den Metallteilen la und Ib sein kann. Der Abstand L zwischen den Temperatursensoren C und D kann größer, gleich oder kleiner als die Wandstärke S der Schicht ic sein, was von der Wahl der Temperatursensoren C und D abhängt. In Abhängigkeit von den Temperaturdifferenzen (T -T), (T-T_n) und (Τ,-,-Τγ,) ergeben die entsprechend gespeisten Temperatursensoren A und B, C und D, bzw. E und F drei elektrische Größen in Form von von der Art der gewählten Sensoren abhängigen Spannungen, Strömen, Widerständen, Frequenzen, o.a., die man unmittelbar mißt oder in eine elektronische Einheit eingibt und daraus die Wärmeleistung nach der folgenden Formel berechnet:

dQ . ⁽VV^VV .

dt ^{= k}' (τ^τρ ⁱⁿ

Um günstigere Abmessungen des Meßgeräts zu erhalten, können die Innenflächen, an welchen das Medium entlangströmt, mit Rippen versehen sein. Derartige Rippen sind jedoch vor allem bei relativ langen Ausführungen mit kleinem Durchmesser entbehrlich. Auch die Form der Räume im Meßgerätkörper 1 - im gegebenen Fall der Kanäle 1' und 1", durch welche das Medium strömt - kann im Prinzip beliebig sein und ist so entworfen, daß der Wärmestrom pro Flächeneinheit zwischen den Temperatursensoren C und D konstant ist. Die Anschlüsse 3,4,5 und 6 können ein Bestandteil des Meßgerätkörpers 1 sein. Das Meßgerät weist jedoch eine größere Genauigkeit auf, wenn die Anschlüsse 3,4,5 und 6 am Meßgerätkörper 1 derart befestigt sind, daß sich dazwischen eine Wärmeisolationsdichtung 7 befindet. Das Meßgerät ist mit einer Isolation 2 umgeben, um die Wärmeverluste in die Umgebung zu verringern, wodurch die Genauigkeit verbessert wird. Die Isolation 2 ist jedoch nicht unbedingt nötig.

Der Körper 1 des Meßgeräts kann auch derart ausgeführt sein, daß die Wärme nicht nur in einer Richtung, sondern auf zwei Seiten, wie in Fig. 4 dargestellt, oder auf mehreren Seiten abfließen kann.

Das Extrembeispiel eines derartigen mehrseitigen Wärmeabflusses ist eine achsensymmetrische, konzentrische Ausführung des Meßgerätkörpers 1 entsprechend Fig.9, bei welcher die Meßwärmeleistung in alle radialen Richtungen fließt. Verfahrenstechnisch schwer realisierbar, jedoch theoretisch möglich ist auch eine kugelförmige Ausführung.

Der Meßgerätkörper ] gemäß Fig. 4 und Fig. 5 ist einschließlich der Anschlüsse 3,4,5 und 6 einstückig beispielsweise als Gußstück ausgeführt. Die Moßwärmeleistung wird auf zwei Seiten abgeleitet·. Die· Oberflächen ontl.HK) welchen dne Medium

in dia eine und in die andere Richtung fließt, sind gerippt. Das Meßgerät ist auf die gleiche Weise wie in Fig. 1 angeschlossen. Das zu messende Objekt MO wird mit dem Anschluß in dessen Bereich die Temperatursensoren A und E angeordnet sind, und mit dem Anschluß 5 in dessen Nähe sich der Temperatursensor F befindet, verbunden. Der übrige Srömungskreis IP wird indessen mit dem Anschluß 4, in dessen Bereich sich der Temperatursensor B befindet, und mit dem Anschluß 6 verbunden. An die Temperatursensoren A,E und B entsprechend den Anschlüssen 3 und 4 wird prinzipiell die wärmere Leitung angeschlossen, so daß die WärmeVerluste an die Umgebung möglichst klein sind und die Messung so wenig wie möglich beeinflussen. Bei guter Isolierung kann es jedoch auch umgekehrt sein. In diesem Fall tritt das kühlere Medium wegen einer leichteren Entlüftung an der äußeren unteren Seite beim Anschluß 6 ein und strömt entlang den Rippen bis zum anderen Ende des Meßgerätkörpers 1, gelangt durch zwei Bohrlöcher auf die obere Seite und fließt an den Rippen vorbei beim Sensor F und dem Anschluß 5 aus dem Meßgerät. Die Anschlüsse können aber auch derart ausgeführt werden, daß der äußere Strom an beiden Seiten parallel ist, was für das Funktionieren des Meßgerätes nicht wesentlich ist. Die Meßwärmeleistung, die durch die gerippte Oberfläche der Durchflußkanäle l" und 1" auf den Meßgerätkörper 1 übertritt, wird auf zwei Seiten nach außen - in Fig. 4 nach oben und nach unten - geleitet. Diese Wärmeströmung wird von den Temperatursensoren C und D registriert, die an beiden Seiten des mittleren Kanals 1' in Bohrungen, die parallel zur Oberfläche der Rippenwurzeln und senkrecht zur Längsachse verlaufen, im gegenseitigen Abstand L_n eingelegt sind. Sie können auch parallel zur Achse eingelegt sein. Die Anzahl der Temperatursensoren C,D hängt von der gewünschten Genauigkeit ab, mit welcher man den durchschnittlichen Temperaturgradienten ausmessen möchte. Eis können auch nur zwei Paare von Temperatursensoren , auf jeder Seite eines, vorhanden sein. Die Temperatursensoren eines Paares sind dif-

ferenzial verbunden, so daß direkt die entsprechende Temperaturdifferenz meßbar ist. Die Anzeige mehrerer Paare werden jedoch addiert oder man ermittelt den Durchschnittswert mit einer anderen bekannten Methode.

Analog wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. ] messen auch hier die Temperatursensoren A und B die Temperaturdifferenz, die im Strom des Mediums infolge der ausgetauschten Meßwärmeleistung entsteht. Die Temperatursensoren E und F messen dagegen die Temperaturdifferenz zwischen dem Eintritt in das zu messende Objekt und dem Austritt daraus. Aufdie selbe Weise wie vorstehend angegeben, errechnet man aus diesen Meßwerten die Wärmeleistung und daraus durch Integration über die Zeit die Wärmemenge, welche im gemessenen Objekt während einer bestimmten Zeit verbraucht oder erzeugt wurde.

Die Temperatursensoren A,B und E,F sind bei dieser Ausführungsform als in die Ansätze der Anschlüsse 3,4 und 5 eingeschraubte Nippel dargestellt, wobei in die Nippel temperaturempfindliche Elemente wie Thermoelemente, Widerstände, Dioden, Transistoren, IC's, Kondensatoren o.dgl. eingelegt und zwecks größerer Dauerstandsfestigkeit vergossen werden. Die Temperatursensoren können auch auf andere in der Wärmetechnik übliche Weisen ausgeführt sein.

Die Verbindung zwischen der einen und der anderen Seite - in Fig.4 zwischen dem oberen und dem unteren Kanal 1" - ist im Fall von Fig.4 mittels zweier seitlich neben dem Kanal 1' angeordneter, symmetrisch liegender, lotrechter Bohrlöcher einfach durch Gießen ausgeführt. Zwischen den Wänden der Anschlüsse, wo sich das kältere Medium befindet, und den Wänden, wo sich das wärmere Medium befindet, soll es kein gut leitendes Material geben, sondern - wie dargestellt - eine Isolation. Wenn aus welchen Gründen auch immer, zwischen den zuletzt genannten Wänden dennoch ein gut leitendes Material vorliegt, müssen auch dort Temperatursensoren C,D eingebaut

werden, damit auch dort der ausgetauschte Teil der Meßwärmeleistung berücksichtigt werden kann. Die Meßwärmeleistung darf nur dort durchgeleitet werden, wo sie auch gemessen wird.

Wie im Ausführungsbeispiel nach Fig.] können auch bei der Variante gemäß Fig. 4 die Ansätze der Anschlüsse und die Rohrverbindungen zwischen den äußeren Seiten anstatt in einem einzelnen gegossenen Stück auch aus getrennten Teilen gefertigt sein, wobei schlecht leitende Dichtungen zwischen die einzelnen Teile gelegt werden können. Dadurch wird die Genauigkeit des Meßgeräts erhöht. Auch der Meßgerätkörper kann aus mehreren Teilen mit einer Zwischenschicht im Bereich der Temperatursensoren C und D und mit Bohrlöchern oder QuerschnittsVerjüngung ausgeführt sein, mit welchen die Temperaturdifferenz (T_C~T)vergrößert oder die Durchschnittsbestimmung verbessert wird, wie schon bei der Beschreibung der Fig. 1 und der Fig. 3 angegeben wurde. In diesem Fall ist die Isolation nicht so notwendig wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1, da die Möglichkeit der die Meßgenauigkeit beeinflussenden WärmeVerluste, welche nur auf den Seiten, d.h. auf einem kleinen Toil der Oberfläche, besteht.

Die Fig. 8 zeigt eine konzentrische, achsensymmetrische Variante des Meßgeräts, welches außen und innen gerippt ist. Das Meßgerät könnte auch ohne Rippen funktionieren, wenn es wesentlich länger dimensioniert wärt;. Der Meßgerätkörper 1 einschließlich der Ansätze für die Anschlüsse 5 und 6 ist einstückig hergestellt. Die Anschlüsse 3 und 4 sind gesondert ausgeführt und auf dem Meßgerät körper 1 über starke Isolationsdichtungen 7 befestigt. Der Strom des äußeren Mediums teilt sich nach dem Anschluß 5 in zwei parallele Ströme, fließt entlang den Ringrippen des Meßgerätkörpers und vereinigt sich vor dem Anschluß 6 wieder. Anstatt der parallelen Teilung des Mediumstromes könnte man auch eine andere Form, z.B. eine Schraubenlinie wählen. Die angegebene

Teilung ist am einfachsten. Der wärmere Zweig ist aus den bereits erwähnten Gründen prinzipiell mittig angeschlossen. Die Meßwärmeleistung wird in diesem Fall entlang einer zylindrischen Wand geleitet, was in der Konstante der Formel für die Wärmeleistung ~ berücksichtigt wird. Die Meßwärmeleistung wird von den Temperatursensoren C und D gemessen, die auf verschiedenen Durchmessern der zylindrischen Wand eingebaut sind. Als Sensorelemente sind in Fig.8 Widerstandsdrähte eingezeichnet, die in achsparallele Bohrlöcher eingelegt sind. Es könnte auch irgendeinandercr der vorher erwähnten Temperatursensoren eingelegt werden. Wenn der Meßgerätkörper 1 aus zwei oder mehreren Teilen besteht, kann der Draht des Temperatursensors auch einfach am Umfang umgewickelt werden. Den Extremfall einer zusammengesetzten konzentrischen Ausführung eines Meßgerätkörpers 1 stellt ein Rohr in einem Rohr mit Zwischenschichten für die Messung des Temperaturgradienten dar. Die Arbeitsweise, die Ausführung und der Einbau der Temperatursensoren sind in Fig.8 analog wie bei der Ausführungsform nach Fig.4.

Fig. 10 zeigt schematisch und Fig.11 konkret eine weitere Ausführungsform eines Wärmeleistungsmeßgeräts mit der Ableitung der Meßwärmeleistung in die Umgebung. Zum Unterschied von den vorstehend angegebenen Varianten gibt das Wärmeleistungsmeßgerät nach Fig.10 die Meßwärmeleistung nicht in eine kühlere Leitung, sondern in die Umgebung ab. Die Anschlüsse und die Wirkungsweise des Wärmeleistungsmeßgerätes sind analog wie oben; ein wesentlicher Unterschied besteht nur darin, daß die Meßwärmeleistung so lange ausgetauscht wird, wie es eine Temperaturdifferenz zwischen dem Medium, welches durch das Meßgerät strömt, und der Umgebung gibt, ohne Rücksicht auf die Temperaturdifferenz zwischen dem wärmeren und dem kälteren Strom des Mediums. Die Forme] für die Wärmeleistung ~ bleibt unverändert. Der Anschluß, in welchem sich der Temperatursensor F befindet, ersetzt die oben genannten Anschlüsse 5 und 6 und ist im allgemeinen ge-

trennt vom Hauptmeßgerät angebracht. Deshalb hat er in Fig. 10 und 11 eine besondere Positionsziffer 9. Zwecks größerer Genauigkeit ist der Anschluß 9 mit einer Isolation 2 umgeben. Der Meßgerätkörper 1 kann nur auf der äußeren Seite, auf beiden Seiten - wie dargestellt - oder überhaupt keine Rippen aufweisen, was von der zulässigen Länge des Meßgerätes, vom Durchflußbereich und vom Bereich der absoluten Temperaturen, in dem gearbeitet wird, abhängt. Die Temperatursensoren C und D sind hier als Schichten ausgeführt, die beispielsweise in Widerstandssiebdrucktechnik,-Aufdampftechnik,o.a. aufgebracht werden.

Wenn ein Meßgerät nach Fig. 10 bzw. I'iij. 11, jedoch ohne Temperatursensor F gewählt wird, so daß dor Temperatursensor E die Temperaturdifferenz gegenüber einer Referenztemperatur, beispielsweise gegenüber 20 C Raumtemperatur mißt, welche von einem den Temperatursensor entsprechenden, ins Meßgerät oder an einem anderen Ort eingebauten temperaturunabhängigen Element simuliert werden kann, dann kann ein solches Meßgerät auch dort verwendet werden, wo keine Rückleitung vorliegt. Solche Fälle sind z.B. Sanxtarwarmwasseranlagen und Warmluftheizungen. Die mit der Formel

dQ , CD E Re r . , _r

dt

W

ermittelte Wärmeleistung stellt die Wärmeleistung des gemessenen Durchflusses in Bezug auf die Referenztemperatur dar.

Fig. 13 zeigt das Schema einer Variante dos Wärmeleistungsmeßgcräts aus Fig.] für don FaU, daß die Meßwärmeleistung in einen anderen Verbraucher abgeführt:, bzw. aus einer anderen Wärmequelle zugeführt wird. Beispiel hierfür ist eine Wasserleitung bzw. ein Verbrennungsgas für die zuletzt genannte Möglichkeit. Eine solche andere Quölle oder ein derartiger anderer Verbraucher der Wärmeleistung ist in Fig.13

mit MD bezeichnet. Als Meßgerät kann außer der dargestellten jede andere aus den Figuren 1 bis 9 bekannte Variante verwendet werden. Der einzige Unterschied besteht darin, daß der Temperatursensor F außerhalb des Meßgerätes in die Rückleitung eingebaut ist, wie das bei der Variante der Fig.10 bzw. Fig.11 der Fall ist. Die Anschlüsse 5 und 6 des Meßgeräts werden jedoch mit der vorher erwähnten anderen Quelle oder mit dem erwähnten anderen Verbraucher verbunden. Für das Funktionieren des Meßgerätes ist eine Temperaturdifferenz zwischen dem Medium im Meßgerät und dem durch die andere Quelle oder den anderen Verbraucher strömenden Medium erforderlich.

Ein besonderes Anwendungsbeispiel stellt die Verwendung eines Meßgeräts zum Messen des Massendurchflusses eines Mediums, dessen spezifische Wärme bekannt ist, dar, das nach irgendeiner Variante, jedoch ohne das Temperatursensorpaar E und F hergestellt ist. Man verwendet die Formel

dm k ^(Tc"^TD⁾

^dt V ^(ta-V

wobei der Einbau des Meßgeräts dem obigen analog ist. Der Unterschied liegt nur in der elektronischen Einheit, die aus den Anzeigen den gemessenen Massendurchfluß errechnen muß, wenn das nicht manuell vorgenommen wird.

Bei der Anwendung des gemäß irgendeiner der beschriebenen Varianten hergestellten und entsprechend Fig.10 und Fig.13 angeschlossenen Meßgeräts, das jedoch weder den Anschluß noch die Temperatursensoren Α,Β,Ε und F aufweist, verbleiben nur die Temperatursensoren C und D. Ein solches Meßgerät ist in Fällen verwendbar, wo die Medien getrennt· sind und die Wärmeleistung gemessen wird, die in ihrer Gesamtheit im Meßgerät ausgetauscht wird. Für diese Anwendung ist die Ausführung gemäß Fig.4 am besten geeignet, wenn sie wie es

schematisch aus Fig. 14 und Fig. Iü ersichtlich ist, zu einer Platte mit Kaskaden erweitert ist. Man kann auch mehrere Platten verwenden, die entweder parallel oder in Reihe - wie aus Fig.16 ersichtlich - angeordnet sind. Bei dieser Anwendung wird das Meßgerät bis zu solchen Abmessungen vergrößert, daß die Meßwärmeleistung der gemessenen Wärmeleistung gleich ist. Das Meßgerät wird zum Wärmeaustauscher zwischen zwei getrennten Medien, die in Fig.14 mit den Buchstaben P und S bezeichnet sind. Es ist jedoch so ausgeführt, daß sich die Wärme nur über jenen Querschnitt austauschen kann , in dem der Wärmefluß mit den Temperatursensoren C und D auf bereits erwähnte Art gemessen wird. Da das Medium die gesamte Wärmeleistung, die gemessen wird, im Meßgerät und nicht im gemessenen Objekt abgibt oder aufnimmt, ist die Temperatur dort, wo der Temperatursensor B sein müßte, gleich der Temperatur die sonst mit dem Temperatursensor F gemessen würde. Die Temperaturen der Sensoren A und E stellen ohnehin denselben gemessenen Punkt dar. Somit sind die Temperatursensoren A,B,E und F nicht mehr notwendig und können entfallen. Aus der zuletzt erwähnten Formel für -J— erhält man

dt

(T -T).(T -T)
QQ _ τ, CD EF _ , . _ .

^K " ^{C D}

dt ~ ^K· (T_A-^TB^{) C D}

Die im Meßgerät zwischen zwei getrennten Medien ausgetauschte Wärmeleistung wird in ihrer Gesamtheit aus dem Temperaturgradienten mit einem oder mehreren Paaren von Temperatursensoren C und D ausgemessen, deren Anzeigen pro einzelne Kaskade und Platte addiert werden.

Das Wärmeleistungsmeßgerä : ii..ch dieser Variante vereinigt die Funktionen eines Wärmeaustauschers und eines Wärmeleistungsmeßgeräts bzw. mit einer elektronischen Einheit verbunden, die über einen bestimmten Zeitintervall integriert, die Funktion eines Wärmeaustauschers und eines Meßgeräts

der ausgetauschten Menge an Wärmeenergie innerhalb der bestimmten Zeit, d.h. eines Wärmezählcrs. Das Meßgerät kann mit oder ohne Rippen, in Kaskaden oder ohne Kaskaden, gerade oder konzentrisch, mit allen bereits erwähnten Konstruktionen ausgeführt sein. Unbeeinträchtigt bleibt auch das Ziel der Erfindung, ein Wärmeleistungsmeßgerät ohne bewegliche Teile zur Verfügung zu stellen. Verschmutzungen und Niederschläge üben keinen negativen Einfluß auf die Messungen aus. Außerdem ist es nicht wichtig, welche zwei Medien miteinander die Wärme austauschen, und das Meßgerät ist auch für sehr kleine Durchflüsse geeignet.

Wird die Kaskadenausführung gemäß Fig.14 und 15 verwendet, dann ist es angebracht, daß sich an den äußeren Wänden jenes Medium befindet, dessen Wäremverluste durch die Isolation in die Umgebung keine Meßfehler verursachen, d.h. das kühlere Medium wenn man mißt, wieviel Wärme das wärmere Medium abgegeben hat, bzw. das wärmere Medium wenn gemessen wird, wieviel Wärme das kühlere Medium aufgenommen hat.

Claims

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61000 Ljubljana
Jugoslawien

PATENTANSPRÜCHE:

. 1.j Wärmeleistungsmeßgerät zum Messen der ausgetauschten V^arraeleistung zwischen einer Zulauf- und einer Rücklaufleitung einer Wärmeanlage, in welcher die Wärme mit der Strömung eines flüssigen, gas- oder staubförmigen Mediums übertragen wird, vorzugsweise für eine kontinuierliche Wärmeleistungsmessung von Erhitzern, Wärmeaustauschern, Radiatoren, Kühlanlagen, Sanitärwarmwasseranlagen, Klimaanlagen und anderen Wärmeanlagen, ergänzt mit einem Zähler und einem Integrator im elektronischen Teil des Meßgerätes als Zähler der verbrauchten oder gelieferten Wärmeleistung und/oder als kontinuierlicher MassendurchfLuftmesser für Flüssigkeiten, Gase und staubförmige Materialien, bei dem zwischen der Zulauf- und der Rücklaufleitung oder zwischen einer von beiden und der Umgebung bzw. einer anderen Wärmesenke eine Temperaturdifferenz besteht,

dadurch gekennzeichnet,

daß ein ein- oder mehrteiliger, gut- wärmeleitender Meßgerätkörper (1) mit zwei Kanälen (1',]") zum Durchfluß jeweils eines wärmeren und eines kühleren Mediums zwischen dem zu messenden Objekt (MO) und einer nicht gemessenen Wärmeinstallation (IP) anordenbar ist, daß die Kanäle (l',l") mit je zwei Rohranschlüssen (3,4,5,6) versehen sind, die gegenüber dem Meßgerätkörper (1) mittels Dichtungen (7) wärmeisoliert sind, daß die aus dem Meßgerätkörper (1) und den Rohranschlüssen (3,4,5,6) gebildete Einheit nach außen mit einer Isolation (2) umgeben und mit einem Gehäuse (8) geschlossen ist-, und daß in die Anschlüsse (3,4) der wärmeren Leitung ein Temperatursensorpaar (A,B), in den Meßgerätkörper (1) zwischen die Kanäle (J',1") ein zweites Temperatursensorpaar (C,D) und in den Anschluß (3) sowie in den Anschluß (5), welche mit dem zu messenden Objekt (MO) verbunden sind, ein drittes Temperatursensorpaar (E,F) eingebaut ist, so daß die Wärmeleistung mittels dreier Temperaturdifferenzen meßbar ist, und zwar aus der Temperaturdifferenz im Medium zwischen dem Eintritt und dem Austritt derselben Leitung, in der Wand bzw. dem eigentlichen Meßgerätkörper (1), durch das die Meßwärmeleistung geleitet wird, und zwischen den Rohranschlüssen (3,5), die zum zu messenden Objekt (MO) führen, wobei für die Überleitung der Meßwärme die Temperaturdifferenz zwischen den Leitungen ausgenutzt wird.
2. Wärmeleistungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgerätkörper (1) als ein monolithischer Block mit zwei parallel verlaufenden Kanälen (l',l") und mit quer dazu angeordneten Temperatursensoren (C,D) ausgeführt ist, so daß die Meßwärme nur in einer Richtung fließt. (Fig. 1,2)
3. Wärmelei stungsnießgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgerätkörper (1) im Bereich zwischen den Temperatursensoren (C,D) geteilt ist und zwischen den

Teilen (la,Ib) eine weniger leitfähige Schicht (ic), vorzugsweise eine Bindemittelschicht: eingelegt ist. (Fig. 3)
4. Wärmeleistungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgerätkörpor (1) als Block mit drei übereinander angeordneten flachen Kanälen (]',!") ausgeführt ist, von denen vorzugsweise der mittlere Kanal (1') der wärmste ist, darüber ein kühlerer Kanal (1") und darunter der kühlste Kanal (1") vorgesehen ist, wobei die Kanäle (1") untereinander mit zwei vertikalen Verbindungskanälen verbunden und mit Anschlüssen (5,6) versehen sind, die rechtwinklig zu den Anschlüssen (3,4) des ersten Kanals (1') gerichtet sind, und alle drei Kanäle (J* ,1") vorzugsweise gerippt sind, wobei die Temperatursensoren (C,D) paarweise in zwei Reihen zwischen dem mittleren Kanal (J') und den beiden äußeren Kanälen (1") angeordnet sind, so daß die Meßwärme in zwei Richtungen fließt. (Fig. 4)
5. Wärmeleistungsnießgcrät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Teil des Meßgerätkörpers (1) als nach innen gerippte Nabe mit einem inneren Kanal (1") ausgeführt ist, nach außen aber ringförmige Rippen verlaufen, wobei die äußeren Rippen über den übrigen Rippen geschlossen sind und einen äußeren Strömungskanal (1") mit den Anschlüssen (5,6) umfassen, die rechtwinklig zu den Anschlüssen (3,4) des wärmeren Mediums gerichtet sind, die an die nach innen gerippte Nabe (1) mittelbar über Wärmeisolationsringe (7) befestigt ist, wobei die Nabe (.1) an den gegenseitig koaxialen zylindrischen Flächen mit zwei Reihen von paarweise angeordneten, längsverlaufenden Temperatursensoren (C,D) versehen ist, so daß die Meßwärme nur in einer Richtung radial nach außen oder nach innen fließt. (Fig.8,9)
6. Wärmeleistungsmeßgerät zur Verwendung in Anlagen, bei denen die Rücklaufleitung gesondert ist oder bei denen keine Rücklaufleitung vorliegt, insbesondere für Sanitärwasseran-

lagen und Warmluftheizungen, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei getrennte Baugruppen umfaßt, von denen die erste aus drei koaxialen, ineinander eingeschobenen Rohrelementen (la, Ib,lc), das mit einem AnschLuß (3) zur Zufuhr des Mediums versehen ist, in welchen zwei Tomperatursensoren (A,E) eingebaut sind, und das mit einem Anschluß (4) zur Abfuhr des Mediums versehen ist, in welchen ein Temperatursensor (B) eingebaut ist, und das Zwischenrohrelement (Ic) ein schichtförmiger Temperatursensor (C) und zwischen das Zwischenrohrelement (Ic) und das äußere Rohrelement (Ib) ein weiterer schichtförmiger Temperatursensor (D) eingebaut ist, wobei das innere Rohrelement (la) gegebenenfalls innen in axialer Richtung gerippt ist und das äußere Rohrelement (Ib) an seiner äußeren Mantelfläche mit Ringrippen ausgeführt ist, und daß die zweite Baugruppe aus einem einzelnen, nach außen wärmeisolierten Rohranschlußstück (9) besteht, in welches ein Temperatursensor (F) eingebaut ist, wobei diese zweite Baugruppe in die Rohrrücklaufleitung der Installation eingebaut ist, und die Meßwärme in einer Richtung radial nach außen in die Umgebung abgeführt wird. (Fig.10,11)
7. Wärmeleistungsmeßgerät nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwärmeieistung in den Verbraucher (MD) abgeführt wird, der keine kühle Rücklaufleitung ist, und daß die zweite Baugruppe mit dem Temperatursensor (F) in die Rücklaufleitung zwischen das zu messende Objekt (MO) und die nicht gemessene Wärmeini; t a 1 lation (IP) eingebaut ist. (Fig.13)
8. Wärmeleistungsmeßgerät- nach einem dor vorhergenannten Ansprüche zur Messung der Massendurchströmung eines Mediums mit bekannter spezifischer Wärme, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperatursensorpaar (E,F) am wärmsten bzw. kühlsten Anschluß (3,5) aus der Konstruktion eliminiert ist.
9. Wärmeleistungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite der beiden voneinander getrennten Baxigruppen mit dem Anschlußstück (9) aus der Anlage eliminiert ist, und daß nur die Temperatursensoren (C,D) innerhalb des Meßgerätkörpers (1) eingebaut sind, wobei der Wärmestrom zwischen den getrennten Medien ausgetauscht wird und die gesamte gemessene Wärmeleistung im Meßgerät selbst ausgetauscht wird, was durch eine Kaskadenausführung des Meßgeräts ermöglicht ist. (Fig.14,]5,16)