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Wärmezähler für Zentralheizungs -Anlagen, insbesondere in Wohnbauten
Es sind bereits Wärmezähler für Zentralheizungs-Anlagen bekannt, bei denen ein im
Zulaufrohr des Wärmeträgers angebrachtes und durch die strömende Flüssigkeit in
Drehung versetztes Flügelrad ein Zählwerk unter Vermittlung eines Untersetzungsgetriebes
treibt, welches durch Flüssigkeitsthermometer selbsttätig verändert wird, die im
Zu- und Abfluß des Wärmeträgers angeordnet sind. Dieser schon sehr alte Vorschlag
hat sich aber nicht in der Prasis eingeführt, weil er mit viel zu störanfälligen
Teilen, insbesondere einem Reibradgetriebe, arbeitet.
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Ein anderer Vorschlag sucht die Mängel des mechanischen Untersetzungsgetriebes
dadurch zu beheben, daß er dieses durch eine Flüssigkeitskupplung ersetzt. Dabei
bilden ineinandergreifende Plattensätze auf den Enden einer Antriebs- und einer
Abtriebswelle einen im Schnitt mäanderförmigen Raum, der mit einer Flüssigkeit gefüllt
ist. Die Drehzahl der Abtriebswelle bleibt hinter der Drehzahl der Antriebswelle
zurück. Durch eine konstante Dämpfung der Abtriebswelle soll dieser Schlupf für
gleiche Temperaturen konstant gehalten werden. Wird diese Flüssigkeitskupplung der
Temperatur des Wärmeträgers ausgesetzt, so bleibt die Umdrehungszahl der Abtriebswelle
um so mehr hinter der Drehzahl der Antriebswelle zurück, je höher die Temperatur
des Wärmeträgers ist, allerdings in nichtlinearer Abhängigkeit. Die Differenz der
Umdrehungszahlen der Antriebs- und der Abtriebswelle wird als genähertes Maß für
die zu ermittelnde Wärmemenge genommen. Um die nichtlineare Abhängigkeit der Zähigkeit
der Flüssigkeit von der Temperatur zu beseitigen,
wird nach dem
gleichen Vorschlag die Kupplung beider Wellen sehr stark, d. h. der Querschnitt
des Flüssigkeitsraumes sehr klein gemacht. Man sieht ohne weiteres, daß eine derartige
Anordnung keine genaueren Ergebnisse liefern und daß die enge Kupplung nur zu häufigen
Störungen führen kann.
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Auch derartige Wärmezähler haben sich in der Praxis nicht eingeführt.
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Nach der Erfindung wird zwar die mechanische Ubersetzung des ersten
obenerwähnten Vorschlages ebenfalls durch eine Flüssigkeitskupplung ersetzt, die
jedoch von der Temperaturdifferenz im Zu- und Abfluß der Heizanlage unmittelbar
abhängig ist und die im zweiten Vorschlag zur Messung benutzte, stark temperaturabhängige
Zähigkeit der Kupplungsflüssigkeit eliminiert. Hierdurch ergeben sich einfache,
durch Rechnung genau zu verfolgende Abhängigkeiten und folgende Vorteile eines erfindungsgemäßen
Wärmezählers: a) Niedriger Preis infolge einfachen Aufbaues, b) ausreichende Genauigkeit,
c) lineare Charakteristik, d. h. Unabhängigkeit von der Zuflußtemperatur des Wärmeträgers,
d) Unabhängigkeit von fremden Energiequellen, e) Unabhängigkeit der Anzeige von
der Temperatur des Raumes, in dem der Wärmezähler eingebaut ist.
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Nach der Erfindung treibt das Flügelrad im Rohr im Zulauf der Heizanlage
einen Zylinder an, dessen Drehung durch eine Kupplungsflüssigkeit auf einen zweiten,
das Zählwerk antreibenden Zylinder übertragen wird, wobei die Flüssigkeitsstandhöhe
zwischen beiden Zylindern in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz im Zu-und
Abfluß des Wärmeträgers in der Heizanlage veränderlich ist. Die Standhöhe der Flüssigkeit
wird z. B. durch je ein Luftthermometer im Zu-und Abflußrohr des Wärmeträgers gesteuert.
Als Gegenkraft dient ein Bremsmoment, das durch einen den Antriebszylinder des Zählwerks
umgebenden ruhenden Zylinder über die Kupplungsflüssigkeit auf den Antriebszylinder
des Zählwerks ausgeübt wird. Teilweise kann der ruhende Bremszylinder auch durch
die Gefäßwand gebildet sein.
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Ferner kann sich der feststehende Zylinder oder die Gefäßwand streckenweise
verengen oder erweitern, um die Nichtlinearität der Drehzahl des anangetriebenen
Zylinders in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz des Zu- und Abflusses auszugleichen.
Der Antrieb des Antriebszylinders durch das Flügelrad wird zweckmäßig durch eine
magnetische Kupplung durch die Gefäßwand hindurch bewirkt, damit das Gefäß der Flüssigkeitskupplung
vollkommen geschlossen gehalten werden kann und auf die Dauer nie ganz dichtbleibende
Wellendurchführungen vermieden werden.
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Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. In
einem geschlossenen Gefäß I sind zwei koaxiale Hohlzylinder 2 und 3 drehbar gelagert.
Der innere Zylinder 3 ist kürzer als der äußere Zylinder 2 und mit dem unteren Ende
4 seiner Achse in einer Spitzenlagerung 5 am Boden des äußeren Zylinders 2 drehbar.
Ein oberes Spitzenlager 6 nimmt das obere Achsenende 7 auf, auf der ein Dauermagnet
8 sitzt. Der äußere Zylinder 2 besitzt ebenfalls ein Spitzenlager g als Spurlager.
Sein oberes Achsenende ist ein kurzes dünnes Rohr I0, welches die Achse 7 umgibt
und eine Schnecke II trägt, die über ein Schneckenrad 12 oder ein Getriebe ein Rollenzählwerk
I3 antreibt, das in Wärmeeinheiten geeicht ist. Der Magnet 8 und mit ihm der innere
Zylinder 3 wird durch einen außerhalb des Gefäßes I am Ende einer starren oder biegsamen
Welle 14 sitzenden Dauermagneten 15 angetrieben. Die Welle ist direkt oder über
ein Getriebe mit der Welle des Flügelrades im Zu- oder Ablauf des Wärmeträgers gekuppelt,
dessen Drehzahl ein Maß für die durchgeflossene Menge des Wärmeträgers ist. Das
Gefäß I ist das eine zweier kommunizierender Gefäße, die mit einer Flüssigkeit I6
teilweise gefüllt sind. Der Luftraum des zweiten Gefäßes I7 ist mittels eines Rohres8
mit einem geschlossenen Luftraum als Wärmefühler in der Zuleitung des Wärmeträgers
verbunden. Ein Rohr 19 verbindet den Luftraum des Gefäßes 1 ebenfalls mit einem
geschlossenen Luftraum als Wärmefühler in der Ableitung des Wärme. trägers. Wird
in der Heizanlage keine Wärme verbraucht, steht die Flüssigkeit I6 in beiden Gefäßen
I und I7 gleich hoch auf der Höhe der gestrichelten, mit Null bezeichneten Linie
und zugleich am unteren Rand des inneren Zylinders.
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Wird dagegen Wärme in der Heizanlage abgegeben, dehnt sich die Luft
im Wärmefühler der Zuleitung und damit im Gefäß I7 aus und drückt die Flüssigkeit
I6 in dem Gefäß I und durch die Öffnungen 20 im Zylinder 2 und in dem Zwischenraum
zwischen den Zylindern 2 und 3 hoch. Gleichzeitig wird der Zylinder 3 durch das
Flügelrad im Zulauf der Heizanlage über die Welle 14 und die Magneten 15 und 8 in
Umdrehung versetzt. Die beispielsweise bis zur eingezeichneten Höhe h angestiegene
Flüssigkeit I6 bildet dann eine Kupplung zwischen beiden Zylindern 3 und 2 und versetzt
auch den letzteren in Drehung. Je höher die Flüssigkeit steigt, um so stärker ist
diese Kupplung und um so größer das von dem Zylinder 3 auf den Zylinder 2 übertragene
Drehmoment in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz im Zu- und Ablauf des Wärmeträgers.
Die Umdrehungszahl des Zylinders 3 ist genau gleich oder proportional der Umdrehungszahl
des Flügelrads im Strome des Wärmeträgers. Somit gehen zwar sowohl die Menge des
zugeflossenen Wärmeträgers wie die Temperaturdifferenz zwischen seinem Zu- und Abfluß
in die Zählung des Zählwerkes 13 ein, es ist aber erforderlich, daß die Umdrehungszahl
des Zylinders 2 auch der genannten Temperaturdifferenz proportional ist. Nach dem
Newtonschen Gesetz ist das von dem Zylinder 3 auf den Zylinder 2 übertragene Drehmoment
gegeben durch Mj = c1 (wgw2) ' h 8 ' (I) worin cl eine Konstante, w, und C03 die
Winkelgeschwindigkeiten der Zylinder 2 und 3, h die gemeinsame Flüssigkeitshöhe
im Zwischenraum und 7 die Viskositätskonstante der Flüssigkeit bedeuten.
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Diesem Antriebsmoment auf den Zylinder 2 steht ein Bremsmoment M2
gegenüber, das von der ruhenden Wandung I auf den Zylinder 2 ausgeübt wird und das
sich entsprechend ergibt zu M2 = m2 II Ce)2 H . #, (2) worin H die gemeinsame Flüssigkeitshöhe
der Wandung und des Zylinders 2 ist. Die Drehgeschwindigkeit des Zylinders 2 stellt
sich nun jeweils so ein, daß Mit = M2 ist, wenn man von den ebenfalls bremsenden,
aber geringen Reibungskräften im Zählwerk absieht. Es ergibt sich also der glückliche
Umstand, daß die stark temperaturabhängige Zähigkeit der Flüssigkeit herausfällt,
die Drehzahl also unabhängig von der Raumtemperatur ist.
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Aus M, = M2 folgt
H setzt sich zusammen aus dem konstanten h0 + h (Fig. I), so daß Gleichung (3) übergeht
in
wenn man die Konstanten c1 - c2 zu C3 und ho c2 zu c4 zusammenfaßt. Damit w2 bzw.
Co3 der Temperaturdifferenz T zwischen Zu- und Abfluß des Wärmeträgers proportional
werden, muß die Bedingungsgleichung
erfüllt sein. Das läßt sich praktisch nach der weiteren Erfindung in verschiedener
Weise verwirklichen, beispielsweise dadurch, daß der Querschnitt des Gefäßes I7
nicht über die ganze Höhe konstant gehalten wird, sondern daß er sich mit der Höhe
nach einer geeigneten Funktion ändert. Ist h1 die Länge, um welche die Flüssigkeit
I6 im Gefäß I7 abgesunken ist, während sie im Gefäß 1 um die Länge h angestiegen
ist, so ist die DruckdiKerenz auf die Flüssigkeitsoberflächen in den Gefäßen I und
I7 dp=e (ht+h) =cs dT, (5) wenn Q die Dichte der Flüssigkeit und c5 eine weitere
Konstante ist.
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Aus (4) und (5) folgt:
wenn c1 c5 = c6 gesetzt wird, und hieraus
Da das in das Gefäß I eintretende Flüssigkeitsvolumen stets gleich dem aus dem Gefäß
I7 austretenden Flüssigkeitsvolumen ist, gilt ferner
wenn F der überall gleiche freie Flüssigkeitsquerschnitt im Gefäß I und F der längs
h1 verschieden große Querschnitt im Gefäß I7 ist. Setzt man den sich aus (8) für
h ergebenden Ausdruck in Gleichung (7) ein, so erhält man nach graphischer Integration
die Größe des Querschnitts F1 als Funktion von ht, da die Konstanten C3, C4, c6
und F aus den Abmessungen der Gefäße und die Dichte Q der Flüssigkeit bekannt sind.
1 In entsprechender Weise kann man die Proportionalität zwischen der Temperaturdifferenz
der beiden Wärmefühler und der Drehzahl des Wärmezählers herstellen, indem man den
freien Querschnitt des Gefäßes I7 längs der Höhe gleichbleibend und den freien Querschnitt
des Gefäßes I längs der Höhe h zu- oder abnehmen läßt. Den gleichen Erfolg kann
man erzielen, wenn man die freien Querschnitte beider Gefäße längs ihrer Höhen konstant
läßt und dafür den Zwischenraum zwischen den Zylindern 2 und 3 längs der Achse veränderlich
macht, was in ähnlicher Weise wie oben zu errechnen ist. Schließlich kann man in
das Gefäß I einen besonderen festen Bremszylinder 2I einsetzen und den zylindrischen
Spalt zwischen dem Bremszylinder und dem Zylinder 2 in sinngemäß er Weise gestalten.