DE2906186C2 - Vorrichtung zur Messung des Wärmeflusses in geschlossenen Wärmetransportsystemen - Google Patents
Vorrichtung zur Messung des Wärmeflusses in geschlossenen WärmetransportsystemenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Wärmeflusses in geschlossenen Wärmetransportsystemen,
bestehe Λ im wesentlichen aus einer Vorlauf-
und Rücklaufleitung für ein Wärmetransportmedium, aus einer WärmeleitstrecKe zwischen diesen beiden
Leitungen und aus Ternperaturmeßfühlern in der Vorlauf- und in der Rücklaufleitung.
Zur Zeit werden Heizanlagen in bestimmten Intervallen von Fachleuten auf optimalen Wirkungsgrad
überprüft und einreguliert. Dabei sind im allgemeinen Abgastemperaturen und -zusammensetzungen die Basis
für die Berechnung des Kesselwirkungsgrades. Die Durchführung dieser Messungen ist jedoch mit einem
erheblichen Aufwand verbunden. Der Kesselwirkungsgrad ließe sich jedoch einfach und permanent durch
Vergleich der abgegebenen Wärmemenge mit dem Brennstoffverbrauch ermitteln.
Zur Heizkostenabrechnung werden an den Heizkörpern Verdunstungswärmemengenmesser angebracht,
die extern gewartet und abgelesen werden müssen. Sie erlauben nur ein relativ ungenaues Ablesen und weisen
systematische Fehler auf. Zum Beispiel kann eine Erwärmung des Heizkörpers durch andere Quellen, wie
Sonneneinstrahlung, das Meßergebnis verfälschen. Mit Verdunstungswärmemengenmessern kann auch der
momentane Wärmeverbrauch nicht ermittelt werden. Hinzu kommt, daß die Summation des Wärmeverbrauchs
über die Wohnung nicht automatisiert durchführbar ist.
Ferner ist bekannt, zur Erfassung des Wärmeverbrauchs für ein ganzes Gebäude am Eingangspunkt
einer Fernheizung Wärmemengenzähler einzusetzen. % Sie erhalten im allgemeinen mechanische Durchfluß-
* mengenmesser in Form von Turbineinrädchen, Federscheiben,
Schwebekörpern oder Staudruckdurchflußmessern. Diese mechanischen Bauteile sind in der Regel
wenig zuverlässig. Andere bekannte Methoden der Durchflußmengenmessung, z. B. mittds Ultraschall oder
induktiv wirkenden Meßeinrichtungen, sind ohne erheblichen Aufwand nicht verwendbar.
Zur Erfassung des Wärmeflusses bzw. der Wärmemengen sind keine zufriedenstellenden Methoden oder
Vorrichtungen bekannt
Eine bekannte Vorrichtung zur meßtechnischen Ermittlung von Wärmemengen besteht aus einer
Festkörper-Brücke zwischen Vorlauf- und Rücklaufleitung und Temperaturmeßstellen auch innerhalb der
wärmeleitenden Verbindung (DE-OS 23 30 498). Die Festkörper-Brücke wird durch einen Stapel auHnanderliegender
Scheiben realisiert. Ferner sind Kalorimeter für denselben Zweck bekannt, die im wesentlichen
aus hohlen, wärmeleitenden Körpern zwischen Vorlauf- und Rücklaufleitung und in den Körpern angeordneten
Thermoelementen bestehen (DE-PS 8 84 577; US-PS 2* 33 747 und 26 33 748). Bei allen diesen Vorrichtungen
müssen Temperaturen innerhalb der Brücke, in manchen Fällen innerhalb und außerhalb der Brücke
gemessen werden, wodurch komplizierte Konstruktionen erforderlich sind. Auch ist die Genauigkeit der
Meßwerte nicht ausreichend.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine konstruktiv einfache Vorrichtung zu
schaffen, mit der der Wärmefluß lediglich durch
Messung von Temperaturen im Wärmetransportmedi-
um mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann.
Es hat sich gezeigt, daß sich diese Aufgabe lösen läßt,
wenn bei einer Vorrief-tung der eingangs genannten Art,
die Wärmeleitstrecke aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht und derart ausgebildet ist,
daß der Wärmedurchgang durch die Wärmeleitstreeke hindurch geringer ist als der Wärmeübergang an den
beiden Grenzflächen zwischen dem Wärmetransportmedium und der Wärmeleitstrecke. Vorzugsweise sind
von den vier möglichen Temperaturmeßpunkten vor und nach der Wärmeleitstrecke im Vorlauf und
Rücklauf nur drei mit einem Temperaturfühler besetzt und aus den drei Meßwerten zwei Differenzen biidbar,
die an die Auswerteeinheit gelangen.
Somit kann der Wärmefluß, d. h. die Wärmemenge
pro Zeiteinheit, ohne Verwendung mechanischer Bauteile bestimmt werden. Mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung werden ausschließlich Temperaturen bzw. Temperaturdifferenzen gemessen, die erhaltenen Informationen
direkt als elektrische Größen zur Verfugung gestellt und elektronisch in beliebiger Weise weiterverarbeitet.
Vorzugsweise werden die Meßwerte in elektrische Signale umgewandelt, n, jlog/digital gewandelt,
von einem Mikroprozessor ;echnerisch geglättet und weiterverarbeitet. Dadurch können Überwachung,
Steuerung und Abrechnung von jeder beliebigen Stelle aus vorgenommen werden.
Folgende Temperaturdifferenzen werden bestimmt durch Temperaturmessungen
a) vor und hinter der Wärmeleitstrecke am Vorlauf (T: - T2),
b) vor und hinter der Wärmeleitstreeke am Rücklauf (T,-Ti),
c) vor der Wärmeleitstreeke am Vor- und Rücklauf fTi - T4) und
d) hinter der Wärmeleitstnecke am Vor- und Rücklauf (T2-T3).
Vorzugsweise werden jedoch lediglich zwei Temperaturdifferenzen, z.B. Ti — T2 Und Ti-T4 oder T1-T1
und T2-T3 oder Ti-T2 und T2-Ti oder T4-Tj und
Ti - T4, erfaßt.
Die Wärmeleitstreeke läßt sich in verschiedener
IO
15
Weise realisieren. Es muß eine meßbare Temperaturänderung
in der Zu- bzw. Ableitung des Wännetransportsystems
erzeugt werden.
Zur Erzielung einer Proportionalität zwischen Temperaturdifferenz und zu- und/oder abgeführter Wärmemenge
wird dafür gesorgt, daß der Einfluß der Wärmeleitung höher ist als der Einfluß des Oberflächenwärmeübergangs.
Dies karji z. B. erreicht werden durch
Verwendung eines Materials, das eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist Ferner können in
der wärmeleitenden Trennwand Engpässe geschaffen werden, z. B. durch bestimmte Hohlteile oder im
Transportmedium kann die Oberfläche erhöht werden, z. B. durch Einbringen von Heiz- oder Kühlrippen.
Die erforderlichen Temperatur- bzw. Temperaturdifferenzmessungen werden vorzugsweise durch Thermoelemente,
NTC-Widerstände oder Transistoren an geeigneten Stellen der Leitungsaußenwand des Wärmetransportsystems
vorgenommen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeig', in schematischer
Vereinfachung
F i g. 1 ein Wärmetransportsystem mit einer Wärmeleitstrecke zwischen Zu- und Ableitung;
Fig.2 den Temperaturverlauf in der Zu- und
Ableitung bei Vorhandensein einer Wärmeleitstrecke und
Fig.3 eine mögliche Realisierung der Wärmeleitstrecke.
In F i g. 1 ist ein Wärmetransportsystem, das sowohl eine Warmwasserheizung als auch eine Kühlanlage sein
kann, schematisch dargestellt. Im folgenden wird der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer
Warmwasserheizung erläutert. Demzufolge ist zwischen den Punkten 1 und 2 ein Stück des Vorlaufrohres
gezeichnet, in dem das Warmwasser von 1 nach 2 fließt und sich auf dem höheren Temperaturniveau befindet.
Zwischen 3 und 4 liegt das Rücklaufrohr, in dem das Wasser von 3 nach 4 fließt und sich auf dem niedrigeren
Temperatu-niveau befindet. Zwischen Vor- und Rücklauf befindet sich die Wärmeleitstrecke die als
schraffierte Fläche gezeichnet ist. Sie kann z. B. in einem Wärmetauscher aus wärmeleitendem Material realisiert
werden, der hier der Einfachheit halber als geometrischsymmetrisch
zur Symmetrieachse S angenommen ist. Weiterhir wird vorausgesetzt, da^ das aus Vorlauf,
Rücklauf und Wärmetauscher bestehende Stück gegenüber der Umgebungstemperatur ausreichend wärmeisoliert
ist.
Beim Betrieb dieses Systems durchfließt das Warmwasser mit der Temperatur 71 den Temperaturmeßpunkt
1 urd bleibt bis zu Beginn des Wärmetausches auf dem Temperaturniveau 71. Durch die Wärmeleitstrecke
wird ab diesem Punkt eine später zu ermittelnde Wärmemenge zum Rücklauf abgeführt, so daß im
Vorlauf hinter der Wärmeleitstrecke das Wasser eine niedrigere Temperatur T2 besitzt, mit der es den
Temperaturmeßpunkt 2 durchfließt. Nach Durchlaufen der Warmwasserheizungen gelangt das Wasser zum
Temperaturmeßpunkt 3 mit der Temperatur T3. Durch die Wärmeleitstreeke erhält es vom Vorlauf eine
bestimmte Wärmemenge zugeführt, so daß es die Wärmeleitstrecke mit der höheren Temperatur 7}
verläßt, mit der es auch den Temperaturmeßpunkt 4 durchläuft. Danach wird es durch das Heizungssystem,
z. B. Heizkessel, Fernwärme usw. wieder auf die Temperatur 71 erhitzt.
Wenn die spezifische Wärme des warmen Wassers genauso groß ist wie die des kälteren Wassers, gelten
die folgenden Beziehungen:
45 A1T = T1- T2 = T4-T3
J2T= T1 - T4 = T2 -T3.
Unterstellt man, daß die Wärmeleitung ausschließlich senkrecht zur Symmetrieachse S erfolgt, was man z. B.
mit hinreichender Genauigkeit durch einen sehr geringen Abstand zwischen Vorlauf und Rücklauf an der
Wärmeleitstrecke erreichen kann, so ergibt sich der in F i g. 2 dargestellte Temperaturverlauf. Da die Temperaturdifferenz
zwischen zwei Temperaturmeßpunkten am Vorlauf und Rücklauf, die symmetrisch zur Symmetrieachse Sliegen, immer gleich ist, wird über die
Wärmeleitstrecke eine Wärmemenge
20
25
30
35
Ö.=
UT
transportiert (vereinfachte Wärmetauscherformel). ä ist
eine »Wärmedurchgangszahl« und ist die Zusammenfassung aus Wärmeübergangs- und Wärmeleitzahlen.
Sie hängt lediglich von der Geometrie ab und wird zur Erzielung der Proportionalität zwischen Temperaturdifferenz
und zu- und abgeführter Wärmemenge, wie oben erläutert, durch konstruktive Maßnahmen entsprechend
beeinflußt
Das in Punkt 4 ankommende Wasser wird vom Heizsystem auf die Temperatur 71 erhitzt Ähnlich wird
das Wasser, das in Punkt 2 ankommt, durch den Gebäudeverbrauch auf die Temperatur Ts abgekühlt.
Die an das Gebäude weitergegebene Wärmemenge ist:
Q2 = Φ -cw- A2T.
40 In dieser Gleichung ist Φ der Massenfluß (g/s°C) und
Cw Jie spezifische Wärme des Wassers (cal/g). Hierbei
wird vorausgesetzt, daß cw temperaturunabhängig ist In
anderen Fällen ist der nachfolgende Rediengang zu
verallgemeinern.
Die über die Wärmeleitstrecke abgegebene Wärmemenge Q\ reduziert aber die Temperatur des Vorlaufs
von T1 auf T2 bzw. erhöht die Temperatur des Rücklaufs
von T3 auf T4. Es gilt also auch
50 Q1= 0-cw- I1T.
(III)
Bei Berücksichtigung der Gleichung (I) erhält man I2T
Φ ■ Cw = 1
I1T ·
(IV)
Setzt man diese Beziehung in Gleichung (II) ein, so ergibt sich für den Wärmefluß
60 Q2 =
J1T
Diese Gleichung enthält außer den Temperaturdifferenzen Δ\ Tund zl27'noch die oben erklärte Konstante α.
Die Temperaturdifferenz ^iTsollte möglichst gering
sein, nicht nur um den Wärmetauscher möglichst klein
dimensionieren zu können, sondern auch um unnötig hohe Temperaturen 7j bzw. T* zu vermeiden. In der
F'.egel ist eine Temperaiurdifferenz von ca. I0C
ausreichend.
In F i g. 3 wird eine mögliche Ausführungsform für die erfindungsgemäße Wärmeleitstrecke dargestellt, die
sehr kompakt aufgebaut und so-ausgelegt ist, daß
praktisch kein Druckverlust auftritt. Dabei dient der Vorlauf zur entsprechenden Erwärmung des Rücklaufs.
Von der speziellen Wärmeleitstrecke 5 nach außen führen Anschlußstücke 1,2,3 und 4, die am Ende jeweils
Anschlüsse zur Montage in den restlichen Heizwasserkreislauf aufweisen. Die Temperaturen T\ bis T4 werden
an diesen Anschlußstücken z. B. auf der Rohraußenwand gemessen, und zwar die Temperaturen Ti und Tz \ί
relativ nahe an der Wärmeleitstrecke, die Temperaturen Ti und Ti relativ weit weg von der Wärmeleitstrecke.
Sollte es aus besonderen Gründen erforderlich sein, die Anschlußstutzen relativ kurz auszuführen, so ist jeweiis
in Flußrichtung vor der Temperaturmeßstelle durch besondere Maßnahmen, z. B. durch Vermischungseinrichtungen
an geeigneten Stellen 6, eine gute Temperaturdurchmischung zu gewährleisten. Nach außen ist das
Gesamtsystem bis zu den Anschlußstücken durch eine Wärmeisolierung 7 wärmeisoliert,
Als Temperaturmeßgeber sind NTC-Widerstände angeordnet Diese Widerstände sind entsprechend
geschaltet und werden zyklisch abgefragt Das Ergebnis der Abfragen wird in binärer Form über eine
Signalleitung an einen Rechner weitergegeben. Der Rechner prüft dann die Identität der Gleichung
und meldet einen Fehler, wenn diese Beziehung nicht innerhalb vorgegebener Toleranzen erfüllt ist. Weiterbin
berechnet er den Wärmefluß Q2 gemäß der Gleichung (V). Addiert wird dieser Wert zunächst auf
einen Speicher, der den Wärmeverbrauch summiert. Weiter wird er zur Aktualisierung des mittleren
Wärmeverbrauchs Qi verwendet, der in einem zweiten Speicher gespeichert wird, nach der folgenden Gleichung
nt) =
256
+ Δ t)
255
256
256
(VI)
so daß der Wert Qi (t+Δή einem »exponentiellen
Smoothing« entspricht. Dieser Wert wird angezeigt.
Die genannten Werte kcr.nerj zusammen mit den
anderen notwendigen Daten, wie Uhrzeit usw. auf einem Display im zyklischen Turnus zur Anzeige
gebracht werden. Das »exponentiell Smoothing« wurde hier deshalb gewählt, weil den Benutzer eine
integrale Aussage über den Wärmeverbrauch, z. B. der letzten 24 Stunden, mehr interessiert als eine Aussage
über den augenblicklichen Wärmeverbrauch. Zugleich ermöglicht das »exponentiell Smoothing« eine vierstellige
Ausgabe, während bei einer Direktanzeige des momentanen Wärmeflusses aus Gründen der Meßgenauigkeit
nur zwei Stellen angezeigt werden können.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Vorrichtung zur Messung des Wärmeflusses in geschlossenen Wärmetransportsystemen, bestehend
im wesentlichen aus einer Vorlauf- und Rücklaufleitung für ein Wärmetransportmedium, aus einer
Wärmeleitstrecke zwischen diesen beiden Leitungen und aus Temperaturmeßfühlern in der Vorlauf- und
in der Rücklaufleitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitstrecke (5) aus
einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht und derart ausgebildet ist, daß der
Wärmedurchgang durch die Wärmeleitstrecke hindurch geringer ist als der Wärmeübergang an den
beiden Grenzflächen zwischen dem Wärmetransportmedium und der Wärmeleitstrecke.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den vier möglichen Temperaturmeßpunkten
(Ti, T2, T3, T4) vor und nach der
Wärmeieitsireeke (5) im Vor- und Rücklauf (1-2;
3_4) nur drei mit einem Temperaturfühler besetzt sind und daß aus den drei Meß werten zwei
Differenzen bildbar sind und an die Auswerteeinheit gelangen.
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