DE3430947A1

DE3430947A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der in einem waermetauscher ausgetauschten waermemenge

Info

Publication number: DE3430947A1
Application number: DE19843430947
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. 8000 München Alexander
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-08-22
Filing date: 1984-08-22
Publication date: 1986-03-06

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der in
einem Wärmetauscher ausgetauschten Wärmemenge Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ermittlung der von einem strömenden Heiz- oder Kühlmedium in einem Wärmetauscher pro Zeiteinheit ausgetauschten Wärmemenge.
Bei der Abgabe oder Aufnahme einer Wärmemenge Q durch die Masse mA eines Heiz- oder Kühlmediums A tritt eine Änderung seiner Temperatur von T1 auf T2 ein. Ist CpA die spezifische Wärme des Mediums A, so gilt (1) Q = mA- inA C (T - T pA 1 2 Diese Beziehung gilt auch für die von einem strömenden Heiz- oder Kühlmedium mit seiner Umgebung ausgetauschte Wärmemenge. Auch in diesem Falle muß neben (T1 - T2) und CpA noch die Masse mA bekannt sein, wenn man die in einem gewissen Zeitraum ausgetauschte Wärmemenge Q ermitteln will.
Soll beispielsweise bei einer Warmwasser-Heizung die von einem Heizkörper an die umgebende Raumluft abgeführte Wärmemenge Q ermittelt werden, so genügt hierfür bei bekanntem CpA des Wassers nicht die bloße Messung der Wassertemperatur T1 vor dem Heizkörper und der Wassertemperatur T2 nach dem Heizkörper, wenn nicht außerdem der Wasserdurchsatz mA durch den Heizkörper bekannt ist. Bei gleichmäßiger, regelbarer Strömung (wie bei Zen- tralheizungen üblich) müßte man also zusätzlich noch die Volumen- bzw. Massengeschwindigkeit WA des Heizwassers im Heizkörper kennen. Für eine gewisse Zeit t ergibt sich dann die Masse mA: (2) mA = wA t Aus (1) und (2) folgt (3) Q = WA t Cp (T1 - T2) Hieraus ergibt sich die im System pro Zeiteinheit ausgetauschte Warme (4) Q - w.C A pA . (T1 - T2) Das Problem bei der Bestimmung der pro Zeiteinheit in einem Wärmetauscher von einem strömenden Heiz-oder Kühlmedium ausgetauschten Wärmemenge liegt also in der Ermittlung der Massengeschwindigkeit WA.
Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und Gasen sind bereits verschiedene Methoden bekannt. Sie arbeiten vielfach mit in der Strömung angeordneten bewegten Elementen. Sollen jedoch Meßvorrichtungen zur Ermittlung des Wärmeverbrauches in Warmwasser-Zentralheizungen verwendet werden, so ist zu berücksichtigen, daß in solchen Anlagen üblicherweise jeder Heizkörper einzeln geregelt wird und daher mit einer eigenen Meßeinrichtung ausgestattet sein muß. Derartige Meßeinrichtungen müssen deshalb sehr preiswert sein und möglichst wartungsfrei über Jahre betrieben werden können. Sie müssen außerdem genügend genau und zuverlässig arbeiten, um als Grundlage für die Verteilung von Heizkosten auf mehrere Verbraucher verwendet werden zu können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 vorausgesetzten Art sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung so auszubilden, daß eine genaue Messung der in einem Wärmetauscher pro Zeiteinheit ausgetauschten Wärmemenge mit einfachen und wartungsfrei arbeitenden Mitteln (insbesondere ohne bewegte Teile) möglich ist, wobei weiterhin die Meßdaten in einer Form anfallen, die von einer elektronischen Datenerfassungsanlage verarbeitet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Eine zweckmäßig ausgestaltete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Anspruches 2.
Der Erfindung liegt folgende Erkenntnis zugrunde: In der Zuström- und Abströmleitung eines Wärmetauschers sind identische Massenströme unterschiedlicher Temperatur vorhanden. WUrde man diese Massen- ströme in einem genügend großen weiteren Wärmetauscher miteinander zum Wärmeaustausch bringen, so würde sich für beide Massenströme dieselbe Endtemperatur (nach diesem weiteren Wärmetauscher) einstellen, nämlich der Mittelwert der beiden Ausgangstemperaturen. Verwendet man jedoch für den Wärmeaustausch zwischen diesen beiden Massenströmen einen Meßwärmetauscher mit kleiner Austauschkapazität, so wird die erzielte Temperaturänderung (positiv oder negativ, je nach der betrachteten Strömungsrichtung) bei genügender Wärmeisolierung des Meßwärmetauschers gegenüber der Umgebung allein durch die Strömungsgeschwindigkeit der beiden Massenströme bestimmt, die auf diese Weise ermittelt werden kann.
Sind keine zusätzlichen Wärmeverluste zu berücksichtigen, so ist wegen der geringen Temperaturabhängigkeit von CpA bei einem derartigen Wärmeaustausch für alle Strömungsgeschwindigkeiten die Temperaturerniedrigung (des dem Hauptwärmetauscher zuströmenden Mediums) ebenso groß wie die Temperaturerhöhung (des vom Hauptwärmetauscher abströmenden Mediums).Für nicht zu geringe Strömungsgeschwindigkeiten besteht dabei eine fast lineare Beziehung zwischen dem Logarithmus der Temperaturänderung /tT und der Massengeschwindigkeit wA.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann damit die pro Zeiteinheit in einem Wärmetauscher ausgetauschte Wärmemenge durch die Messung von drei Temperaturen bestimmt werden, was mit einfachen, handelsüblichen Temperaturmeßelementen erfolgen kann, ohne daß für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums bewegte Teile erforderlich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich damit durch eine besondere Einfachheit und absolute Wartungsfreiheit der Meßeinrichtung - bei. großer Zuverlässigkeit - aus, wobei die von den drei Temperaturmeßelementen gelieferten Daten in einer Form anfallen, die für eine Weiterverarbeitung in einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage unmittelbar geeignet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigen Fig.l eine Schemadarstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig.2, 3 Diagramme zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig.l zeigt einen Wärmetauscher 1, der in Wärmeaustausch mit der Umgebung steht, beispielsweise einen Heizkörper einer Warmwasser-Zentralheizung.
Diesem Wärmetauscher 1 ist ein Meßwärmetauscher 2 von kleinem Wärmetauschvermögen vor- bzw. nachgeschaltet.
Er enthält in einem gegenüber der Umgebung weitgehend wärmeisolierten Gehäuse 3 zwei Wärmetauscherelemente 4 und 5. Hiervon ist das Wärmetauscherelement 4 in die Zuströmleitung 6 zum Wärmetauscher 1 eingeschaltet, während das Wärmetauscherelement 5 in der Abströmleitung 7 des Wärmetauschers 1 liegt.
Ein Temperaturmeßelement 8 ist in der Zuströmleitung 6 zwischen dem Wärmetauscherelement 4 des Meßwärmetauschers 2 und dem Wärmetauscher 1 angeordnet.
Es mißt die Temperatur T1 des strömenden Mediums auf der Zuströmseite des Wärmetauschers 1.
Ein Temperaturmeßelement 9 ist in der Abströmeitung 7 zwischen dem Wärmetauscher 1 und dem Wärmetauscherelement 5 des Meßwärmetauschers 2 angeordnet.
Es mißt die Temperatur T2 des strömenden Mediums auf der Abströmseite des Wärmetauschers 1.
Ein weiteres Temperaturmeßelement 10 ist auf der Abströmseite des Meßwärmetauschers 2 angeordnet.
Es mißt die Temperatur T3.
Schließlich kann - statt des Temperaturmeßelementes 10 oder zusätzlich zu diesem - auf der Zuströmseite des Meßwärmetauschers 2 noch ein Temperaturmeßelement 11 angeordnet sein, das die Temperatur T0 mißt.
Das Diagramm gemäß Fig.2 veranschaulicht die Änderung der in der Ordinate aufgetragenen Temperatur T des strömenden Mediums in Abhängigkeit vom Strömungsweg durch den Wärmetauscher 1 und den Meßwärmetauscher 2. Auf der Zuströmseite zum Wärmetauscherelement 4 des Meßwärmetauschers 2 herrscht die Temperatur Tot auf der Abströmseite die Temperatur T1. Das längs des Wärmetauscherelementes 4 auftretende Temperaturgefälle T0 - T1 ist mit Z T bezeichnet. Im Wärmetauscher 1 fällt dann die Temperatur des strömenden Mediums von T1 auf T2. Der Mittelwert dieser beiden Temperaturen ist mit Tm bezeichnet. Im Wärmetauscherelement 5 des Meßwärmetauschers 2 steigt dann die Temperatur des strömenden Mediums von T2 auf T3, d.h. wieder um AT.
Ermittelt man zum Zwecke der Eichung des Meßwärmetauschers 2 den Zusammenhang zwischen und der Massengeschwindigkeit wA, so ergibt sich in logarithmischer Darstellung der Ordinate die in Fig.3 veranschaulichte Beziehung zwischen lg8T und wA Die verschiedenen Kurven in Fig.3 gelten dabei für unterschiedliche Werte der Mitteltemperatur Tm.
Hat man einmal durch Eichung des Meßwärmetauschers 2 die Beziehung gemäß Fig.3 ermittelt, so genügt es für die Bestimmung der im Wärmetauscher 1 pro Zeiteinheit ausgetauschten Wärmemenge, die Temperaturen T1, T2 und T3 (oder T1, T2, T0) zu messen.
Aus T2 - T3 (bzw. Tg T1) ergibt sichnT und hieraus über die Eichkurve gemäß Fig.3 die Massengeschwindigkeit wA.
An die drei Temperaturmeßelemente 8, 9, 10 wird daher ein Rechner angeschlossen, der die Werte T sowie bildet, der hieraus über m die dem Rechner eingegebene Eichkurve (Fig.3) die Massengeschwindig]ceit wA bestimmt und der sodann den sich hierausergebenden WertA Q/tt über den Meßzeitraum integriert.
Bei einer Warmwasser-Zentralheizung mit einer Vielzahl von einzeln regelbaren Verbrauchs stellen können somit die drei Temperaturmeßelemente jeder Verbrauchsstelle an eine zentrale elektronische Datenverarbeitungsanlage angeschlossen werden, die den Wärmeverbrauch laufend registriert und auf die einzelnen Verbraucher verteilt.
Der Meßwärmetauscher 2 sowie die drei Temperaturmeßelemente 8, 9, 10 (bzw. 11) können entweder gesonderte Elemente sein oder sie können in den Wärmetauscher 1 integriert werden.
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Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Ermittlung der von einem strömenden Heiz- oder Kühlmedium in einem Wärmetauscher pro Zeiteinheit ausgetauschten Wärmemenge gemäß der Beziehung #Q #t = WA # CpA # (T1 - T2), dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Massengeschwindigkeit WA das dem Wärmetauscher (1) zuströmende und das vom Wärmetauscher (1) abstömende Medium in einem Meßwärmetauscher (2) mit kleinem Wärmetauschvermögen in Wärmetausch miteinander gebracht werden und die beim Wärmetausch im Meßwärmetauscher (2) im zuströmenden und/oder abströmenden Medium auftretende Temperaturdifferenz AT gemessen wird; hierbei bedeuten: dQ = im Wärmetauscher (1) pro Zeiteinheit at ausgetauschte Wärmemenge, WA = Massengeschwindigkeit des Mediums, CpA = spezifische Wärme des Mediums, T1 = Temperatur des Mediums auf der Eintrittsseite des Wärmetauschers (1), T2 = Temperatur des Mediums auf der Abströmseite des Wärmetauschers (1), = T = Temperaturdifferenz im zuströmenden und/oder abströmenden Medium zwischen der Eintritts- und Austrittsseite des Meßwärmetauschers (2).
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch a) einen gegenüber der Umgebung isolierten Meßwärmetauscher (2) von kleinem Wärmetauschvermögen, der ein in der Zuströmleitung (6) des Wärmetauschers (1) liegendes Wärmetauscherelement (4) und ein in der Abströmleitung (7) des Wärmetauschers (1) liegendes Wärmetauscherelement (5) enthält, die miteinander in Wärmetausch stehen, b) ein die Temperatur (T1) des strömenden Mediums auf der Zuströmseite des Wärmetauschers (1) ermittelndes erstes Temperaturmeßelement (8), c) ein die Temperatur (T2) des strömenden Mediums auf der Abströmseite des Wärmetauschers (1) ermittelndes zweites Temperaturmeßelement (9), d) ein die Temperatur (To) des strömenden Mediums auf der Zuströmseite des Meßwärmetauschers (2) oder die Temperatur (T3) des strömenden Mediums auf der Abströmseite des Meßwärmetauschers (2) ermittelndes drittes Temperaturmeßelement (11 bzw. 10), e) einen Rechner zur Bildung der Temperaturdifferenzwerte (T1 - T2 sowie a T) sowie zur Integration von#Q/#t über den Meßzeitraum.