DE2743132C2

DE2743132C2 - Einrichtung zur Überwachung des Strömungszustandes eines durch ein Rohr strömenden flüssigen Mediums

Info

Publication number: DE2743132C2
Application number: DE2743132A
Authority: DE
Inventors: Javier Dipl.-Ing. 4005 Meerbusch Gutierrez; Klaus Ing.(grad.) 4150 Krefeld Hillen
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1977-09-24
Filing date: 1977-09-24
Publication date: 1984-11-22
Also published as: FR2404204A1; IT1098871B; FR2404204B1; IT7827874A0; AT362969B; ATA584378A; NL7809498A; BE870152A; DE2743132A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung des Strömungszustandes eines durch ein Rohr strömenden flüssigen Mediums, die einen metallischen Körper hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, der mit der Rohrwand gut wärmeleitend verbunden ist und eine Wärmequelle sowie einen Temperaturfühler enthält.

Die Ermittlung des Strömungszustandes, also die Strömungsüberwachung, ist dort besonders wichtig, wo aus betrieblichen Gründen oder aus Sicherheitsgründen eine Änderung oder Unterbrechung des Flüssigkeitsdurchsatzes nicht zugelassen werden darf. Dies gilt besonders für tiefsiedende verflüssigte Gase.

Der hohe Temperaturunterschied zwischen der warmen Umgebung und dem tiefkalten flüssigen Gas verursacht eine unvermeidbare Wärmezufuhr in das flüssige Gas. Hierdurch wird der Wärmeinhalt des Gases vergrößert. Wenn sich das flüssige Gas im Siedezustand befindet,, verursacht jede Zunahme des Wärmeinhaltes die Verdampfung eines entsprechenden Teiles der Flüssigkeit. Dies kann zwar durch eine Erhöhung des Verfahrensdruckes ausgeglichen werden, doch ist vielfach aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen eine derartige Erhöhung nicht möglich.

Die durch Teilverdampfung entstandenen Gasmengen können bei der Förderung von tiefsiedenden verflüssigten Gasen durch Rohrleitungen erhebliche Schwierigkeiten verursachen. So entsteht infolge der Flüssigkeitsverdampfung eine Zweiphasenströmung, die eine wesentliche Zunahme der Druckverluste und damit eine Minderung oder sogar eine Unterbrechung der Versorgung bewirken kann.

Sofern zur Förderung Kreisel- oder Kolbenpumpen eingesetzt werden, bewirkt die Gasbildung im Bereich der Förderorgane eine spürbare Minderung dor Förderleistung. Ferner verursacht der kavitierende Pumpenbetrieb einen erhöhten Verschleiß der Laufräder bzw. Pumpenventile. Bei Kolbenpumpen führt das Trockenlaufen des Kolbens zur Überhitzung und Zerstörung der Abdichtelemente.

Die Überwachung des Strömungszustandes, insbesondere bei der Förderung tiefsiedender verflüssigter Gase, ist daher unerläßlich. Es ist zwar eine Vielzahl von Geräten bekannt die zur Mengenüberwachung oder Durchflußbestimmung von flüssigen oder gasförmigen Medien dienen, welche nach den verschiedensten Prinzipien arbeiten. Diese Geräte besitzen jedoch Eigenschaften, die ihre Verwendung bei der Förderung tiefsiedender verflüssigter Gase beeinträchtigen oder ganz unmöglich machen.

So gibt es Überwachungsgeräte, deren Funktionsprinzip auf Änderungen des Druckes oder der Dichte des Mediums basiert, die mit Hilfe mechanischer oder elektrischer Vorrichtungen erfaßt und signalisiert werden. Die Nachteile dieser Geräte sind im wesentlichen die Schwierigkeiten ihrer Anpassung an die tiefen Temperaturen und die Hochdruckbedingungen, die im allgemeinen eine aufwendige und empfindliche Ausführung erforderlich machen.

Andere Überwachungssysteme, deren Funktionsprinzipien unabhängig von der Temperatur des strömenden Mediums und unabhängig vom Druck sind, wie z. B. jene, die auf der Abhängigkeit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Schallwellen mit der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums basieren, erfordern komplizierte Meßvorrichtungen, die in vielen Fällen unwirtschaftlich sind.

Es gibt weiterhin Meß- bzw. Überwachungsgeräte, die nach dem elektrokalorischen Meßprinzip funktionieren. Hierbei werden die durch Zuführung einer bekannten Wärmemenge hervorgerufene Temperaturänderung des Mediums, oder die Änderung des Widerstandswertes eines von der strömenden Flüssigkeit gekühlten Heizelementes als Meßwerte zur Bestimmung des Strömungszustandes verwendet. Derartige Überwachungsgeräte sind beispielsweise bekannt aus der DE-PS 8 54 105 und aus den DE-AS 10 53 201 und 12 62 625. Diese Geräte stellen ein an sich einfaches und unempfindliches Meßsystem dar. Ihr Hauptnachteil ist aber die hohe Energiezufuhr, die erforderlich ist, um die thermische Trägheit und die damit verbundene Ansprechverzögerung dieses Meßprinzips zu kompensieren. Man strebt daher bei nach dem elektrokalorischen Meßprinzip arbeitenden Geräten an, den Wärmefluß von der Wärmequelle in die Rohrleitung möglichst zu erleichtern. So umgibt man die gesamte Rohrleitung mit einem Metallblock, der das Gerät enthält, wie es beispielsweise die DE-OS 19 23 216 zeigt. Oder es werden gemäß der DE-OS 23 18 561 gut wärmeleitende Bleche und Pasten verwendet. Nach dem DE-GM 72 45 666 wird das Gerät mittels einer Hülse direkt im Strömungsquerschnitt der Rohrleitung angeordnet. Alle diese Maßnahmen widersprechen aber dem bei tiefsiedenden verflüssigten Gasen anzustrebenden Ziel, jegliche Wärmezufuhr soweit wie nur irgend möglich zu unterbinden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein auf dem elektrokalorischen Meßprinzip beruhendes Strömungsüberwachungsgerät zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau nur eine geringe thermische BeIa-

stung des Mediums neben einer ausreichenden Anjprechgeschwindigkeit aufweist

Bei einer Einrichtung zur Überwachung des Strömungszustandes eines durch ein Rohr strömenden flüssigen Mediums, die einen metallische:; Körper hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, der mit der Rohrwand gut wärmeleitend verbunden ist und eine Wärmequelle sowie einen Temperaturfühler enthält, wird dies gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß das flüssige Medium aus tiefsiedendem verflüssigten Gas besteht, der Temperaturfühler in einem zwischen der Wärmequelle und der Rohrwand befindlichen Hohlraum angeordnet ist und der metallische Körper zur Erzielung einer großen Temperaturdifferenz zwischen Rohrwand und Wärmequelle mit einer möglichst kleinen wärmeübertragenden Auflagefläche an der Rohrwand montiert ist.

Vorzugsweise besteht dabei der metallische Körper aus dem gleichen Material wie das Rohr, durch welches das tiefsiedende verflüssigte Gas strömt Gut geeignete Materialien sind Aluminium oder Kupfer.

Um eine gute wärmeleitende Verbindung zwischen dem metallischen Körper und dem Rohr sicherzustellen, ist es zweckmäßig, den metallischen Körper an dem Rohr mittels einer Schweiß- oder Lötverbindung zu befestigen. Diese Befestigungsart hat den weiteren Vorteil, daß der metallische Körper und damit die erfindungsgemäße Einrichtung ohne Schwierigkeiten an beliebigen Stellen in bereits vorhandenen Anlagen angebracht werden kann. Es sind jedoch auch beliebige andere Verbindungen möglich, z. B. kann der metallische Körp?r auch in die Rohrwand eingeschraubt werden. Er kann dabei auch die Rohrwand durchdringen und direkten Kontakt mit dem tiefsiedenden verflüssigten Gas haben.

Wenn der metallische Körper auf die Rohrwand aufgeschweißt wird, ist es für eine gute Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung erforderlich, daß der Temperaturfühler nahe der Kontaktfläche zwischen dem metallischen Körper und der Rohrwand angeordnet wird.

Als Wärmequelle dient zweckmäßigerweise ein elektrischer Widerstand, der beispielsweise in einem Hohlraum des metallischen Körpers angeordnet werden kann.

Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung beruht auf der Tatsache, daß die von einer Wandung auf ein Medium übertragene Wärmemenge von den physikalischen Eigenschaften des Mediums, dem S;römungszustand, dem Temperaturunterschied zwischen Medium und Wandung und der Größe der wärmeübertragenden Wandfläche abhängt. Es gilt die Beziehung

Q= F- » ■ At

X=C-W

Darin ist

Q = übertragene Wärmemenge

F = wärmeübertragende Wandfläche

a = Wärmeübergangszahl

At = Temperaturunterschied zwischen Wandfläche

und strömendem Medium

c = Stoffwert

iv = Geschwindigkeit

η = Potenzfaktor

Für ein bestimmtes Medium mit einem bestimmten Strömungszustand ergibt sich, sofern wie bei der erfindungsgemäßen Einrichtung die zugeführte und übertragene Wärmemenge konstant ist, demnach ein bestimmter Temperaturunterschied At zwischen Wandfläche und strömendem Medium, der lediglich von der Wärmes Übergangszahl λ abhängt
Aus der Beziehung

Q = F ■ c ■ w" · At

ίο folgt, daß bei Q = konstant und F = konstant eine Änderung des Stoffwerts c oder der Geschwindigkeit w eine Änderung der Temperaturdifferenz bewirkt

Bei tiefsiedenden verflüssigten Gasen als strömenden Medien ist die Temperatur konstant Sie entspricht der Siedetemperatur beim jeweiligen Speicherdruck im Flüssiggasspeicher. Jede Änderung der Temperaturdifferenz ist daher gleichbedeutend mit einer Änderung der Temperatur der Wandfläche. Der Temperaturfühler der erfindungsgemäßen Einrichtung wird daher mögliehst nahe an der wärmeübertragenden Fläche angeordnet Die Änderung der Wandtemperatur bedingt eine Verschiebung der Isothermen zwischen Wärmequelle und mediumdurchströmter Rohrleitung, die durch den Temperaturfühler erfaßt wird.

Aus der Beziehung

Q = Fa-At

folgt ferner, daß bei konstanten Werten von Q und χ der Temperaturunterschied umgekehrt proportional zu der wärmeübertragenden Fläche ist. Da aus meßtechnischen Gründen (Genauigkeit, schnelle Ansprechgeschwindigkeit) ein großer Temperaturunterschied angestrebt werden muß, ist daher die wärmeübertragende Fläche möglichst klein zu halten.

Das erfindungsgemäße Überwachungsgerät basiert im Wesentlichen auf den dargestellten Zusammenhängen, d. h. es genügt zur Feststellung der Änderung des Strömungszustandes eines durch eine Leitung strömenden tiefsiedenden verflüssigten Gases die Messung der Temperaturänderung an einer beliebig kleinen thermisch belasteten Fläche der Rohrwand. Die für die Gewährleistung einer ausreichenden Ansprechgeschwindigkeit erforderliche Wärmebelastung des tiefsiedenden verflüssigten Gases ist unbedeutend, da die wärmebelastete Rohrfläche möglichst klein gehalten wird.

Die Zeichnungen veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es zeigt
F i g. 1 einen Schnitt durch eine Rohrleitung mit der

so erfindungsgemäßen Einrichtung entlang der Linie A-B in F i g. 2,

Fig.2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Einrichtung gemäß Fig. 1,
F i g. 3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung mit Darstellung des Verlaufs der Isothermen.

Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Überwachungsgerät gemäß der Erfindung besteht aus einem metallischen Körper 1 aus gut wärmeleitendem Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Der metallische Körper 1 ist mittels der Schweißverbindung 3 auf der Rohrwand 2 gut wärmeleitend angeordnet. Die Rohrwand 2 besteht aus dem gleichen Material wie der metallische Körper 1.

Der metallische Körper \ besitzt in seinem oberen Teil einen Hohlraum 4, in welchem als Wärmequelle 5 ein elektrischer Widerstand angeordnet ist Die Wärmequelle 5 liefert eine konstante Wärmeleistung.

Im unteren Teil des metallischen Körpers 1 befindet sich nahe der Kontaktfläche zwischen dem metallischen Körper 1 und der Rohrwand 2 ein weiterer Hohlraum, in welchem ein Temperaturfühler 6 angeordnet ist. Die Widerstandsänderung des Temperaturfühlers 6 dient als Eingangsgröße zur Messung der Temperaturänderung mittels einer Brückenschaltung 7. Anstelle einer Widerstandsänderung kann in entsprechender Weise die Spannungsänderung eines Thermoelements als Eingangsgröße zur Messung der Temperaturänderung verwendet werden.

Beim Durchströmen eines tiefkalten verflüssigten Gases durch das Rohr erreicht die Rohrwand 2 eine Temperatur, die nahe an der Temperatur des flüssigen Gases liegt. Der an der äußeren Wand des Rohres angebrachte metallische Körper 1 erreicht ebenfalls eine Temperatur, die nahe an dieser Temperatur liegt. Beim Einschalten der Wärmequelle 5 fließt die erzeugte Wärme durch den metallischen Körper 1 über die Kontaktfläche in die Rohrwand 2, wo sie vom tiefsiedenden verflüssigten Gas aufgenommen wird. Wegen der kleinen wärmeübertragenden Kontaktfläche stellt sich im metallischen Körper 1 in der Nähe der Kontaktfläche eine verhältnismäßig hohe Temperatur gegenüber der Temperatur ein, die an der Innenwand des Rohres herrscht Die Temperatur, die sich an diesem Punkt einstellt, wird vom Temperaturfühler an das Meßsystem übertragen. Sofern die Stoffwerte der Flüssigkeit und deren Geschwindigkeit konstant bleiben, bleibt auch die Temperaturverteilung zwischen der Wärmequelle 5 und der inneren Rohrwand konstant

Die durch die Wärmezufuhr bedingte Verschiebung der Isothermen zwischen der Wärmequelle 5 und der vom tiefsiedenden verflüssigten Gas durchströmten Rohrleitung ist in Fig.3 dargestellt. Die Isothermen sind durch gestrichelte Linien wiedergegeben, der Wärmefluß durch ausgezogene Linien. Die rechte Seite der F i g. 3 zeigt den Verlauf der Isothermen bei ausgeschalteter Wärmequelle 5, die linke Seite dagegen bei eingeschalteter Wärmequelle 5.

Tritt nun ein Zweiphasenströmungszustand ein, oder verringert sich die Geschwindigkeit des strömenden tiefsiedenden verflüssigten Gases, so verkleinert sich der Wert der Wärmeübergangszahl. Dadurch erhöht sich die Temperatur an der wärmebelasteten Stelle der Rohrinnenfläche. Die Temperaturerhöhung wird von der Meßeinrichtung registriert Falls die Temperaturerhöhung zu groß wird, erfolgt ein Warnsignal oder ein selbsttätiges Abschalten der Anlage.

Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung bestehen neben der geringen Wärmebelastung des strömenden tiefsiedenden verflüssigten Gases und der schnellen Ansprechgeschwindigkeit vor allem darin, daß die Einrichtung jederzeit von außen und an beliebiger Stelle bestehender Anlagen angebracht werden kann, ohne daß irgendein Umbau erforderlich wird. Ferner ist nur eine äußerst einfache Meßvorrichtung erforderlich. Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung ist daher besonders vorteilhaft für Hochdruckanlagen, in denen der Einsatz von Strömungsüberwachungsgeräten sehr aufwendig ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

65 §ä

Claims

Patentansprüche:

!. Einrichtung zur Überwachung des Strömungszustandes eines durch ein Rohr strömenden flüssigen Mediums, die einen metallischen Körper hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, der mit der Rohrwand gut wärmeleitend verbunden ist und eine Wärmequelle sowie einen Temperaturfühler enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Me- dium aus tiefsiedendem verflüssigten Gas besteht, daß der Temperaturfühler (6) in einem zwischen der Wärmequelle (5) und der Rohrwand (2) befindlichen Hohlraum angeordnet ist und daß der metallische Körper (1) zur Erzielung einer großen Temperaturdifferenz zwischen Rohrwand (2) und Wärmequelle (5) mit einer möglichst kleinen wärmeübertragenden Auflagefläche an der Rohrwand (2) montiert ist

1. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Körper (1) aus dem gleichen Material wie das Rohr besteht

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Körper (t) an dem Rohr mittels einer Schweiß- oder Lötverbindung befestigt ist

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (6) nahe der Kontaktfläche zwischen dem metallischen Körper (1) und der Rohrwand (2) angeordnet ist

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (5) ein in einem Hohlraum des metallischen Körpers (1) angeordneter elektrischer Widerstand ist.