WO2016180650A1 - Mobile vorrichtung zur vor-ort-bestimmung des wirkungsgrades - Google Patents

Mobile vorrichtung zur vor-ort-bestimmung des wirkungsgrades Download PDF

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WO2016180650A1
WO2016180650A1 PCT/EP2016/059607 EP2016059607W WO2016180650A1 WO 2016180650 A1 WO2016180650 A1 WO 2016180650A1 EP 2016059607 W EP2016059607 W EP 2016059607W WO 2016180650 A1 WO2016180650 A1 WO 2016180650A1
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WO
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flow
measuring device
determining
measuring
efficiency
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PCT/EP2016/059607
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Torsten Thiel
Stefan Brändlin
Jürgen ABRAHAM
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Endress+Hauser Messtechnik Gmbh+Co. Kg
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Publication date
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    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/48—Automatic or computerized control
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to a mobile device for on-site determination of
  • Efficiency of a heat exchanger, a biogas plant or a pump can be determined directly on site.
  • Efficiency is a measure of the efficiency of energy conversion and energy transfer.
  • An energy transfer is generally understood to mean the exchange of energy across a system boundary. in this connection
  • the efficiency is a dimensionless quantity and describes the ratio of the useful energy obtained in a certain time to the energy supplied at the same time. For example, to be able to optimally operate a plant such as a biogas plant, it is of great help to determine the efficiency. By changing operating parameters, the efficiency can be increased and thus the efficiency can be increased. The measurement of the efficiency must not influence the system itself.
  • Heat exchanger would theoretically be possible to expand this and at a location remote from the actual destination on their efficiency
  • the invention has for its object to develop a device that determines the efficiency directly on site.
  • a mobile device for on-site determination of the efficiency of a system, in particular a heat exchanger, a biogas plant or a pump, flows through the medium at least from an input to an output, comprising: at least one flow meter for determining a flow the medium from the entrance to the exit;
  • the measuring devices are designed to determine measured values of the same physical variable
  • Data processing unit for determining the efficiency at least on the basis of the flow and the two measured values of the physical quantity.
  • Flowmeter for determining a first flow of a first medium from the first input to the first output, and a second
  • Flowmeter for determining a second flow of a second medium from the second input to the second output, wherein the first meter at the first input and the second meter is disposed at the first output, the device having a third meter at the second input and a fourth meter at the second output wherein the first, second, third and fourth measuring devices are each a temperature measuring device for determining a first, second, third and fourth temperature, and wherein the
  • the first, second, third and fourth temperature calculated the efficiency of the system.
  • the plant is a biogas plant, wherein the first and second measuring device each one
  • Temperature measuring device for determining a flow temperature and a
  • the medium is designed for transporting the heat generated by the biogas plant
  • the flow meter measures the flow of the medium
  • the medium transports the heat generated by the biogas plant
  • the device comprises a power meter, that of the biogas plant
  • the device determines a gas concentration measuring device, in particular for determining the methane content, which determines the biogas consumption of the plant, and wherein the data processing unit biogas plant efficiency based on biogas consumption, in particular depending on the methane content of the flow, the first and second temperature and power determined.
  • the biogas plant comprises a power plant, in particular a
  • the first and second measuring device are each a pressure gauge for determining a first and second pressure, wherein the device comprises a power meter, which has an electrical
  • Power consumption of the system determines, the data processing unit determines the efficiency based on the first and second pressure, the flow and the power consumption.
  • the system is preferably a pump.
  • the flow meter is a flow meter according to the ultrasonic measurement principle with a clamp-on sensor. This allows the flowmeter to existing
  • the mobile device can determine the efficiency of a system during operation. In an advantageous embodiment, it is in the
  • Gas concentration measuring device around a flow measuring device which is designed to derive a gas concentration from flow readings.
  • the temperature measuring devices are
  • the temperature measuring device can also be connected to existing lines.
  • the mobile device can determine the efficiency of a system during operation.
  • the device is designed as a compact and portable unit. The mobile device is so easy to transport.
  • FIG. 2 shows the mobile device according to the invention for determining the efficiency of a heat exchanger
  • the mobile device according to the invention in its entirety has the
  • the device 1 is compact overall and built mobile. It is transportable, in particular to carry a maximum of two people. From the dimensions of the device fits in a trunk of a car or on the back of a truck. The dimensions are about 100 x 60 x 60 cm 3 at a weight of about 60 kg. Wheels can be attached for better transportability.
  • the advantage of the device is that all operating modes presented below are carried out on site and mobile and without intervention in the process. With the mobile device it is possible to measure directly “online” and “live”, i. the instantaneous efficiency is determined.
  • the mobile system 1 comprises at least one flow meter 2 and a first and second meter 3, 4 for
  • Measuring devices 3, 4, 5, 6 and the flow meter 2 are calibrated
  • the data processing unit 7 is configured approximately as a transmitter, data manager or (digital) data recorder.
  • the flowmeter is based on the ultrasonic measurement principle with a clamp-on sensor.
  • an acoustic signal (ultrasound) is sent in both directions from one transducer to the other. Since the signal propagation speed of the sound waves against the flow direction is lower than in the flow direction, a transit time difference arises. This difference is directly proportional to
  • the measuring system always measures the speed of sound of the medium in addition to the volume flow.
  • different media can be distinguished or the
  • a first operating mode is shown in FIG. 1. Therein, the mobile device is operated in a biogas plant 10. A biogas plant 10 is used to generate
  • Biogas by fermentation of biomass In agricultural biogas plants mostly animal excrements (slurry, solid manure) and energy crops are implemented. In non-agricultural facilities, material from the bio-waste bin is used. As by-product, a fertilizer called fermentation residue is produced. In most biogas plants 10, the resulting gas is used locally in a combined heat and power plant to generate electricity and heat. The respective connections of the biogas plant 10 to the components of the mobile
  • Device 1 are shown in dashed lines.
  • Fermentation of the biomass used usually consists of manure, energy crops (especially corn, cereal and grass silage), agricultural by-products or biowaste.
  • energy crops especially corn, cereal and grass silage
  • biowaste product Unlike aerobic degradation, organisms can use only a small fraction of the energy contained in anaerobic digestion in a biogas plant 10.
  • the anaerobically unusable energy is converted as "waste product" methane.
  • the main products of the anaerobic degradation are beside the mentioned methane also carbon dioxide.Because both are gaseous, they separate from the fermentation substrate and form the main components of the
  • Biogas The biogas is fed to a combined heat and power plant connected to the biogas plant 10 for combustion to generate electricity and heat.
  • the mobile device 1 when used in a biogas plant 10 comprises a gas concentration meter 11.
  • Gas concentration meter 1 1 is about a
  • the flow signal is - as already mentioned - by alternately measuring the duration of a
  • acoustic signal is detected from one transducer to another, taking advantage of the fact that sound is faster with the flow direction
  • the volume flow is determined by sequential measurement between all sensor pairs in the array.
  • the speed of sound, temperature and chemical composition of a gas are directly related. Are two of these parameters known, the third is automatically set. The higher the gas temperature or the gas content, such as the methane content, the higher the
  • the methane content can be calculated, for example based on stored tables or functions and displayed on site without additional measuring instruments.
  • the biogas consumption is measured with methane content. Alternatively or additionally, nitrogen or fermentation gas is measured. As a result, the primary energy consumption Ei can be determined.
  • the primary energy consumption Ei is therefore the "biological energy” that has to be converted into electrical energy e e iek and thermal energy E t herm.
  • the total electric power generated E e iek is with a
  • the electrical power E e iek is the total electrical energy that was generated by the biogas plant 10, for example in a combined heat and power plant or a
  • the thermal energy Etherm is determined by means of the flowmeter 2 and the two measuring devices 3, 4 for determining a physical quantity.
  • the measuring devices 3, 4 are temperature sensors, more precisely
  • the flow meter 2 measures the flow of the medium that transports the heat generated by the biogas plant 10.
  • the flow temperature is the inlet temperature of a medium () the waste heat of the combined heat and power plant connected to the biogas plant 10.
  • the temperature sensors 3, 4 are calibrated reference devices. The efficiency is then determined by the
  • a second mode of operation is shown in FIG. 2.
  • the mobile device is operated with a heat exchanger 20.
  • a heat exchanger is an apparatus that transfers thermal energy from one material stream to another, ie, from a primary flow 21 to a secondary flow 22 (or vice versa).
  • Other words for a heat exchanger are heat exchangers or
  • Flow meter 2 determined.
  • the temperature is measured at the primary flow 21 and secondary flow 22 each at the input and output by means of the measuring device 3, 4, 5, 6.
  • the measuring devices 3, 4, 5, 6 are as
  • Temperature sensors more precisely designed as a contact temperature sensor.
  • the temperature sensors 3, 4, 5, 6 are calibrated reference devices.
  • the primary and secondary power can be calculated and thus the efficiency can be determined.
  • FIG. 3 A third mode of operation is shown in FIG. 3.
  • the mobile device is operated by a pump 30.
  • the flow rate through the pump 30 is measured.
  • the inlet and outlet side of the pressure by means of the measuring devices 31, 32 is measured.
  • the measuring devices 31, 32 are thus designed as pressure sensors.
  • the pressure sensors 31, 32 determine the
  • Pressure increase at the pump 30 The power consumption of the pump 30 is measured with the power meter 8. By the flow, the pressure increase and the electrical power, the efficiency at the operating point of the pump 30 can be determined by means of the data processing unit 7.
  • the mobile device 1 can be configured as a single device that can cover at least all three described applications.
  • Device then comprises at least: a data processing unit 7; two flowmeters 2; four temperature sensors 3, 4, 5, 6; two

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mobile Vorrichtung (1) zur Vor-Ort-Bestimmung des Wirkungsgrades einer Anlage, insbesondere eines Wärmeübertragers (20), einer Biogasanlage (10) oder einer Pumpe (30), durch die Medium zumindest von einem Eingang zu einem Ausgang fließt, umfassend: zumindest ein Durchflussmessgerät (2) zum Bestimmen eines Durchflusses des Mediums vom Eingang zum Ausgang; zumindest ein erstes Messgerät (3, 5, 31) am Eingang und ein zweites Messgerät (4, 6, 32) am Ausgang, wobei die Messgeräte (3, 4, 5, 6, 31, 32) zur Bestimmung von Messwerten ein und derselben physikalischen Größe ausgestaltet sind; und eine Datenverarbeitungseinheit (7) zum Bestimmen des Wirkungsgrades zumindest anhand des Durchflusses und den beiden Messwerten der physikalischen Größe.

Description

Mobile Vorrichtung zur Vor-Ort-Bestimmung des Wirkungsgrades
Die Erfindung betrifft eine mobile Vorrichtung zur Vor-Ort-Bestimmung des
Wirkungsgrades. Insbesondere soll anhand der mobilen Vorrichtung der
Wirkungsgrad eines Wärmeübertragers, einer Biogasanlage oder einer Pumpe direkt vor Ort bestimmt werden.
Der Wirkungsgrad ist ein Maß für die Effizienz von Energiewandlungen und Energieübertragungen. Unter einer Energieübertragung versteht man allgemein den Austausch von Energie über eine Systemgrenze hinweg. Hierbei
unterscheidet man zwischen Wärmeenergie und Arbeit. Arbeit wird von einem System„geleistet", am anderen„verrichtet", so der Sprachgebrauch in der
Thermodynamik. In der Energiewirtschaft wird Energie bzw. Wärme„geliefert" und kann durch Übertragungsverluste„verloren gehen".
Der Wirkungsgrad ist eine dimensionslose Größe und beschreibt das Verhältnis der in einer bestimmten Zeit erhaltenen Nutzenergie zur in der gleichen Zeit zugeführten Energie. Um beispielsweise eine Anlage wie eine Biogasanlage optimal betreiben zu können ist es von großer Hilfe den Wirkungsgrad zu bestimmen. Durch das Ändern von Betriebsparametern kann der Wirkungsgrad erhöht und damit die Effizienz gesteigert werden. Dabei darf die Messung des Wirkungsgrades die Anlage selbst nicht beeinflussen.
Obwohl es bei tendenziell kleineren Anlagen wie einer Pumpe oder eines
Wärmetauschers theoretisch möglich wäre, diese auszubauen und an einem vom eigentlichen Bestimmungsort entfernten Ort auf ihren Wirkungsgrad zu
untersuchen, so kann eine tatsächliche und genaue Bestimmung nur direkt vor Ort erfolgen. Bei größeren Anlagen wie einer Biogasanlage ist diese Bestimmung nur vor Ort möglich. Allerdings sind derartige Messeinrichtungen nicht bekannt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, die direkt vor Ort zuverlässig den Wirkungsgrad bestimmt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine mobile Vorrichtung zur Vor-Ort-Bestimmung des Wirkungsgrades einer Anlage, insbesondere eines Wärmeübertragers, einer Biogasanlage oder einer Pumpe, durch die Medium zumindest von einem Eingang zu einem Ausgang fließt, umfassend: zumindest ein Durchflussmessgerät zum Bestimmen eines Durchflusses des Mediums vom Eingang zum Ausgang;
zumindest ein erstes Messgerät am Eingang und ein zweites Messgerät am Ausgang, wobei die Messgeräte zur Bestimmung von Messwerten ein und derselben physikalischen Größe ausgestaltet sind; und eine
Datenverarbeitungseinheit zum Bestimmen des Wirkungsgrades zumindest anhand des Durchflusses und den beiden Messwerten der physikalischen Größe. Somit ist es möglich direkt vor Ort und ohne Eingriffe in laufende Prozesse den Wirkungsgrad zu bestimmen und anschließend gegebenenfalls die Anlage zu optimieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung fließt durch die Anlage zumindest ein Medium von einem ersten Eingang zu einem ersten Ausgang und von einem zweiten Eingang zu einem zweiten Ausgang, wobei die Vorrichtung ein erstes
Durchflussmessgerät zum Bestimmen eines ersten Durchflusses eines ersten Mediums vom ersten Eingang zum ersten Ausgang, und ein zweites
Durchflussmessgerät zum Bestimmen eines zweiten Durchflusses eines zweiten Mediums vom zweiten Eingang zum zweiten Ausgang umfasst, wobei das erste Messgerät am ersten Eingang und das zweites Messgerät am ersten Ausgang angeordnet ist, wobei die Vorrichtung ein drittes Messgerät am zweiten Eingang und ein viertes Messgerät am zweiten Ausgang umfasst, wobei das erste, zweite, dritte und vierte Messgerät je ein Temperaturmessgerät zur Bestimmung einer ersten, zweiten, dritten und vierten Temperatur ist, und wobei die
Datenverarbeitungseinheit anhand des ersten und zweiten Durchflusses, und der ersten, zweiten, dritten und vierten Temperatur den Wirkungsgrad der Anlage berechnet. Bevorzugt handelt es sich dann bei der Anlage um einen
Wärmeübertrager. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung handelt es sich bei der Anlage um eine Biogasanlage, wobei das erste und zweite Messgerät je ein
Temperaturmessgerät zur Bestimmung einer Vorlauftemperatur und einer
Rücklauftemperatur des Mediums, wobei das Medium zum Transport der von der Biogasanlage erzeugten Wärme ausgestaltet ist, wobei das Durchflussmessgerät den Durchfluss des Mediums misst, wobei das Medium die von der Biogasanlage erzeugte Wärme transportiert, wobei die Vorrichtung ein Leistungsmessgerät umfasst, das die von der Biogasanlage erzeugte elektrische Leistung bestimmt, wobei die Vorrichtung ein Gaskonzentrationsmessgerät, insbesondere zur Bestimmung des Methangehalts, umfasst, das den Biogasverbrauch der Anlage bestimmt, und wobei die Datenverarbeitungseinheit den Wirkungsgrad der Biogasanlage anhand des Biogasverbrauchs, insbesondere in Abhängigkeit vom Methangehalt, des Durchflusses, der ersten und zweiten Temperatur und der Leistung bestimmt.
Bevorzugt umfasst die Biogasanlage ein Kraftwerk, insbesondere ein
Blockheizkraftwerk zur Umwandlung des durch die Biogasanlage erzeugten Biogases in Strom und Wärme. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das erste und zweite Messgerät je ein Druckmessgerät zum Bestimmen eines ersten und zweiten Drucks, wobei die Vorrichtung ein Leistungsmessgerät umfasst, das eine elektrische
Leistungsaufnahme der Anlage bestimmt, wobei die Datenverarbeitungseinheit den Wirkungsgrad anhand des ersten und zweiten Drucks, des Durchflusses und der Leistungsaufnahme bestimmt. Bevorzugt handelt es sich bei der Anlage um eine Pumpe.
In einer bevorzugten Weiterbildung handelt es sich bei dem Durchflussmessgerät um ein Durchflussmessgerät nach dem Ultraschallmessprinzip mit Clamp-on- Messaufnehmer. Dadurch kann das Durchflussmessgerät auch an bestehende
Leitungen angeschlossen werden. Die mobile Vorrichtung kann den Wirkungsgrad einer Anlage im laufenden Betrieb bestimmen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei dem
Gaskonzentrationsmessgerat um ein Durchflussmessgerat, das dazu ausgestaltet ist eine Gaskonzentration aus Durchflussmesswerten abzuleiten. Bevorzugt handelt es sich bei den Temperaturmessgeräten um
Anlegetemperaturfühler. Dadurch kann das Temperaturmessgerät auch an bestehende Leitungen angeschlossen werden. Die mobile Vorrichtung kann den Wirkungsgrad einer Anlage im laufenden Betrieb bestimmen. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Vorrichtung als kompakte und tragbare Einheit ausgestaltet. Die mobile Vorrichtung ist also einfach zu transportieren.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
Fig. 1 die erfindungsgemäße mobile Vorrichtung zur Bestimmung des
Wirkungsgrades einer Biogasanlage,
Fig. 2 die erfindungsgemäße mobile Vorrichtung zur Bestimmung des Wirkungsgrades eines Wärmeübertragers, und
Fig. 3 die erfindungsgemäße mobile Vorrichtung zur Bestimmung des
Wirkungsgrades einer Pumpe. In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße mobile Vorrichtung in ihrer Gesamtheit hat das
Bezugszeichen 1 .
Die Vorrichtung 1 ist insgesamt kompakt und mobil gebaut. Sie ist transportabel, insbesondere von maximal zwei Personen zu tragen. Von den Abmessungen passt die Vorrichtung in einen Kofferraum eines PKWs oder auf die Ladefläche eines LKWs. Die Abmessungen sind etwa 100 x 60 x 60 cm3 bei einem Gewicht von circa 60 kg. Es können zur besseren Transportabilität Räder angebracht werden.
Der Vorteil der Vorrichtung ist, dass alle im folgenden vorgestellten Betriebsarten vor Ort und mobil und ohne Eingriffe in den Prozess durchgeführt werden. Mit der mobilen Vorrichtung ist es möglich direkt„online" und„live" zu messen, d.h. es wird der momentane Wirkungsgrad bestimmt.
Bei jeder vorgestellten Betriebsart umfasst die mobile Anlage 1 zumindest ein Durchflussmessgerät 2 und ein erstes und zweites Messgerät 3, 4 zur
Bestimmung einer ersten physikalischen Größe, sowie eine
Datenverarbeitungseinheit 7 zur Bestimmung des Wirkungsgrades. Alle
Messgeräte 3, 4, 5, 6 sowie das Durchflussmessgerät 2 sind kalibrierte
Referenzgeräte. Die Datenverarbeitungseinheit 7 ist etwa als Messumformer, Datenmanager oder (digitaler) Datenschreiber ausgestaltet.
Bei dem Durchflussmessgerät 2 handelt es sich bei dem Durchflussmessgerät nach dem Ultraschallmessprinzip mit Clamp-on-Messaufnehmer. Hierbei wird ein akustisches Signal (Ultraschall) in beiden Richtungen von einem Messaufnehmer zum andern gesendet. Da die Signalausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen gegen die Durchflussrichtung geringer ist als in Durchflussrichtung, entsteht eine Laufzeitdifferenz. Diese Differenz ist direkt proportional zur
Durchflussgeschwindigkeit. Aus dem Rohrquerschnitt und der gemessenen
Laufzeitdifferenz wird der Durchfluss bestimmt. Das Messsystem misst neben dem Volumenfluss auch immer die Schallgeschwindigkeit des Messstoffs mit. Somit können zum Beispiel verschiedene Messstoffe unterschieden oder die
Messstoffqualität überwacht werden.
Eine erste Betriebsart zeigt Fig. 1 . Darin wird die mobile Vorrichtung in einer Biogasanlage 10 betrieben. Eine Biogasanlage 10 dient der Erzeugung von
Biogas durch Vergärung von Biomasse. In landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden meist tierische Exkremente (Gülle, Festmist) und Energiepflanzen umgesetzt. In nicht-landwirtschaftlichen Anlagen wird Material aus der Biotonne verwendet. Als Nebenprodukt wird ein als Gärrest bezeichneter Dünger produziert. Bei den meisten Biogasanlagen 10 wird das entstandene Gas vor Ort in einem Blockheizkraftwerk zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt. Die jeweiligen Verbindungen der Biogasanlage 10 zu den Komponenten der mobilen
Vorrichtung 1 sind gestrichelt dargestellt.
Im Folgenden soll kurz auf die Funktionsweise eine Biogasanlage 10 eingegangen werden. In einer Biogasanlage erfolgt ein anaerober mikrobielle Abbau als
Vergärung der eingesetzten Biomasse. Dieses besteht meist etwa aus Gülle, Energiepflanzen (vor allem Mais-, Getreide- und Grassilage), landwirtschaftlichen Nebenprodukten oder Bioabfällen. Verschiedene Arten von Mikroorganismen nutzen die Biomasse, besonders Kohlenhydrate, Fette und Proteine als Nährstoff- und Energielieferanten. Anders als beim aeroben Abbau können die Organismen bei der anaeroben Vergärung in einer Biogasanlage 10 aber nur einen geringen Teil der enthaltenen Energie nutzen. Die anaerob nicht nutzbare Energie wird als „Abfallprodukt" Methan umgesetzt. Hauptprodukte des anaeroben Abbaus sind neben dem erwähnten Methan auch Kohlendioxid. Da beide gasförmig sind, trennen sie sich vom Gärsubstrat und bilden die Hauptkomponenten des
Biogases. Das Biogas wird einem an die Biogasanlage 10 angeschlossenen Blockheizkraftwerk zur Verbrennung zur Erzeugung von Strom und Wäre zugeführt.
Neben der bereits erwähnten Datenverarbeitungseinheit 7 zur Bestimmung des Wirkungsgrades umfasst die mobile Vorrichtung 1 bei der Anwendung in einer Biogasanlage 10 ein Gaskonzentrationsmessgerät 1 1 . Bei dem
Gaskonzentrationsmessgerät 1 1 handelt es sich etwa um ein
Durchflussmessgerät nach dem Ultraschallprinzip. Das Durchflusssignal wird - wie bereits erwähnt - durch abwechselndes Messen der Laufzeit eines
akustischen Signals von einem Messaufnehmer zum anderen ermittelt, wobei die Tatsache genutzt wird, dass Schall schneller mit der Durchflussrichtung
übertragen wird als gegen die Durchflussrichtung. Der Volumenstrom wird durch sequentielles Messen zwischen allen Sensorpaaren in der Anordnung ermittelt.
Schallgeschwindigkeit, Temperatur und chemische Zusammensetzung eines Gases stehen in direkter Beziehung zueinander. Sind zwei dieser Kenngrößen bekannt, ist die dritte damit automatisch festgelegt. Je höher die Gastemperatur oder der Gasanteil, etwa der Methananteil, desto höher ist die
Schallgeschwindigkeit z.B. in Biogas. Da das Messgerät sowohl die
Schallgeschwindigkeit als auch die aktuelle Gastemperatur erfasst, kann folglich der Methananteil etwa anhand hinterlegter Tabellen oder Funktionen berechnet und vor Ort ohne zusätzliche Messinstrumente angezeigt werden.
Mittels des Gaskonzentrationsmessgeräts 1 1 wird der Biogasverbrauch mit Methananteil gemessen. Alternativ oder zusätzlich wird Stickstoff oder Gärgas gemessen. Dadurch kann der Primärenergieverbrauch Ei festgestellt werden. Der Primärenergieverbrauch Ei ist also die„biologische Energie", die in elektrische Energie Eeiek und thermische Energie Etherm umzusetzen ist.
Die gesamte erzeugte elektrische Leistung Eeiek wird mit einem
Leistungsmessgerät 8 gemessen. Bei der elektrischen Leistung Eeiek handelt es sich um die gesamte elektrische Energie, die von der Biogasanlage 10 erzeugt wurde, beispielweise in einem Blockheizkraftwerk oder einem
Verbrennungsmotor. Die thermische Energie Etherm wird mittels des Durchflussmessgeräts 2 und der zwei Messgeräte 3, 4 zur Bestimmung einer physikalischen Größe bestimmt. Die Messgeräte 3 ,4 sind als Temperatursensoren, genauer als
Anlegetemperaturfühler, ausgestaltet, wobei die Temperatursensoren 3, 4 die Vorlauftemperatur und die Rücklauftemperatur eines dem Transport der von der Biogasanlage 10 erzeugten Wärme dienenden Mediums bestimmen, wobei das Durchflussmessgerät 2 den Durchfluss des Mediums misst, das die von der Biogasanlage 10 erzeugten Wärme transportiert. Die Vorlauftemperatur ist die Eingangstemperatur eines Mediums () der Abwärme des an die Biogasanlage 10 angeschlossenen Blockheizkraftwerks. Die Temperatursensoren 3, 4 sind kalibrierte Referenzgeräte. Der Wirkungsgrad wird dann von der
Datenverarbeitungseinheit 7 errechnet. Dabei ist der Wirkungsgrad n die elektrische plus die thermische Energie geteilt durch die zugeführte Primärenergie,
Figure imgf000009_0001
Eine zweite Betriebsart zeigt Fig. 2. Darin wird die mobile Vorrichtung mit einem Wärmeübertrager 20 betrieben. Ein Wärmeübertrager ist ein Apparat, der thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt, d.h. von einem Primärdurchfluss 21 auf einen Sekundärdurchfluss 22 (oder umgekehrt). Andere Worte für einen Wärmeübertrager sind Wärmetauscher oder
Wärmeaustauscher. Der Wirkungsgrad im Sinne des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik für einen Wärmeübertrager ist das Verhältnis von
aufgenommener thermischer Energie auf der kalten Seite zu abgegebener
Energie auf der warmen Seite. Da Wärmedämmung die Wärmeabgabe an die Umgebung verringert, aber nicht verhindert, geht ein Teil der nutzbaren Wärme verloren. In Abhängigkeit davon, wie groß die Temperaturdifferenz zwischen den Medien und der Umgebung ist, kann dieser Verlust mehr oder weniger groß sein. Die Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers ist dann groß, wenn er in der Lage ist, den zu erwärmenden Stoffstrom möglichst stark aufzuwärmen und den anderen Stoffstrom möglichst stark abzukühlen.
Bei dem Einsatz der mobilen Vorrichtung 1 an einem Wärmetauscher 20 wird der Primärdurchfluss und der Sekundärdurchflüsse mit je einem
Durchflussmessgerät 2 bestimmt. Zudem wird beim Primärdurchfluss 21 sowie Sekundärdurchfluss 22 je beim Eingang und Ausgang mittels des Messgeräts 3, 4, 5, 6 die Temperatur gemessen. Die Messgeräte 3, 4, 5, 6 sind als
Temperatursensoren, genauer als Anlegetemperaturfühler ausgestaltet. Die Temperatursensoren 3, 4, 5, 6 sind kalibrierte Referenzgeräte.
Dann kann mit der Datenverarbeitungseinheit 7 die Primär- und Sekundärleistung errechnet werden und somit der Wirkungsgrad bestimmt werden.
Eine dritte Betriebsart zeigt Fig. 3. Darin wird die mobile Vorrichtung mit einer Pumpe 30 betrieben. Mittels des Durchflussmessgeräts 2 wird der Durchfluss durch die Pumpe 30 gemessen. Zusätzlich wird Ein- und Auslaufseitig der Druck mittels der Messgeräte 31 , 32 gemessen. Die Messgeräte 31 , 32 sind also als Drucksensoren ausgestaltet. Die Drucksensoren 31 , 32 bestimmen die
Druckerhöhung an der Pumpe 30. Die Leistungsaufnahme der Pumpe 30 wird mit dem Leistungsmessgerät 8 gemessen. Durch den Durchfluss, die Druckerhöhung und der elektrischen Leistung kann der Wirkungsgrad am Arbeitspunkt der Pumpe 30 mittels der Datenverarbeitungseinheit 7 ermittelt werden.
Die mobile Vorrichtung 1 kann als ein einziges Gerät ausgestaltet sein, das zumindest alle drei beschriebenen Anwendungsfälle abdecken kann. Die
Vorrichtung umfasst dann zumindest: eine Datenverarbeitungseinheit 7; zwei Durchflussmessgeräte 2; vier Temperatursensoren 3, 4, 5, 6; zwei
Drucksensoren 31 , 32; ein Leistungsmessgerät 8 und ein
Gaskonzentrationsmessgerät 1 1 .
Bezugszeichenliste
1 mobile Vorrichtung
2 Durchflussmessgerät
3 Messgerät physikalische Größe
4 Messgerät physikalische Größe
5 Messgerät physikalische Größe
6 Messgerät physikalische Größe
7 Datenverarbeitungseinheit
8 Leistungsmessgerät
10 Biogasanlage
1 1 Gaskonzentrationsmessgerät
20 Wärmeübertrager
21 Primärdurchfluss
22 Sekundärdurchfluss
30 Pumpe
31 Messgerät physikalische Größe
32 Messgerät physikalische Größe
Eelek Elektrische Energie
Etherm Thermische Energie
Ei Primärenergie

Claims

Patentansprüche
Mobile Vorrichtung (1 ) zur Vor-Ort-Bestimmung des Wirkungsgrades einer Anlage, insbesondere eines Wärmeübertragers (20), einer Biogasanlage (10) oder einer Pumpe (30), durch die Medium zumindest von einem Eingang zu einem Ausgang fließt, umfassend
- zumindest ein Durchflussmessgerät (2) zum Bestimmen eines
Durchflusses des Mediums vom Eingang zum Ausgang,
- zumindest ein erstes Messgerät (3, 5, 31 ) am Eingang und ein zweites Messgerät (4, 6, 32) am Ausgang, wobei die Messgeräte (3, 4, 5, 6, 31 , 32) zur Bestimmung von Messwerten ein und derselben physikalischen Größe ausgestaltet sind, und
- eine Datenverarbeitungseinheit (7) zum Bestimmen des Wirkungsgrades zumindest anhand des Durchflusses und den beiden Messwerten der physikalischen Größe.
Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 ,
wobei durch die Anlage zumindest ein Medium von einem ersten Eingang zu einem ersten Ausgang und von einem zweiten Eingang zu einem zweiten Ausgang fließt,
wobei die Vorrichtung (1 ) ein erstes Durchflussmessgerät (2) zum
Bestimmen eines ersten Durchflusses eines ersten Mediums vom ersten Eingang zum ersten Ausgang, und ein zweites Durchflussmessgerät
(2) zum Bestimmen eines zweiten Durchflusses eines zweiten Mediums vom zweiten Eingang zum zweiten Ausgang umfasst,
wobei das erste Messgerät (3) am ersten Eingang und das zweites
Messgerät (4) am ersten Ausgang angeordnet ist,
wobei die Vorrichtung ein drittes Messgerät (5) am zweiten Eingang und ein viertes Messgerät (6) am zweiten Ausgang umfasst,
wobei das erste, zweite, dritte und vierte Messgerät (3, 4, 5, 6) je ein
Temperaturmessgerät zur Bestimmung einer ersten, zweiten, dritten und vierten Temperatur ist, und
wobei die Datenverarbeitungseinheit (7) anhand des ersten und zweiten Durchflusses, und der ersten, zweiten, dritten und vierten Temperatur den Wirkungsgrad der Anlage bestimmt.
3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 2,
wobei es sich bei der Anlage um einen Wärmeübertrager (20) handelt.
4. Vorrichtung (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei es sich bei der Anlage um eine Biogasanlage (10) handelt,
wobei das erste und zweite Messgerät (3, 4) je ein Temperaturmessgerät zur Bestimmung einer Vorlauftemperatur und einer Rücklauftemperatur des
Mediums (), wobei das Medium zum Transport der von der
Biogasanlage (10) erzeugten Wärme ausgestaltet ist,
wobei das Durchflussmessgerät (2) den Durchfluss des Mediums misst, wobei das Medium die von der von der Biogasanlage (10) erzeugte Wärme transportiert,
wobei die Vorrichtung ein Leistungsmessgerät (8) umfasst, das die von der Biogasanlage (10) erzeugte elektrische Leistung bestimmt,
wobei die Vorrichtung ein Gaskonzentrationsmessgerät (1 1 ), insbesondere zur Bestimmung des Methangehalts, umfasst, das den Biogasverbrauch der Biogasanlage (10) bestimmt, und
wobei die Datenverarbeitungseinheit (7) den Wirkungsgrad der Biogasanlage anhand des Biogasverbrauchs, insbesondere in Abhängigkeit vom
Methangehalt, des Durchflusses, der ersten und zweiten Temperatur, und der Leistung bestimmt.
5. Vorrichtung (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei das erste und zweite Messgerät (31 , 32) je ein Druckmessgerät zum Bestimmen eines ersten und zweiten Drucks ist,
wobei die Vorrichtung ein Leistungsmessgerät (8) umfasst, das eine elektrische Leistungsaufnahme der Anlage bestimmt,
wobei die Datenverarbeitungseinheit (7) den Wirkungsgrad anhand des ersten und zweiten Drucks, des Durchflusses und der Leistungsaufnahme bestimmt.
6. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 5,
wobei es sich bei der Anlage um eine Pumpe (30) handelt.
7. Vorrichtung (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei es sich bei dem Durchflussmessgerat (2) um ein Durchflussmessgerat nach dem Ultraschallmessprinzip mit Clamp-on-Messaufnehmer handelt.
8. Vorrichtung (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei es sich bei dem Gaskonzentrationsmessgerät (1 1 ) um ein
Durchflussmessgerat handelt, das dazu ausgestaltet ist eine
Gaskonzentration aus Durchflussmesswerten abzuleiten.
9. Vorrichtung (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4 und 7 bis 8, wobei es sich bei den Temperaturmessgeräten (3, 4, 5, 6) um
Anlegetemperaturfühler handelt.
10. Vorrichtung (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei die Vorrichtung als kompakte und tragbare Einheit ausgestaltet ist.
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