Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung der von einem Strömungsmittel abgegebenen
Wärmemenge
Für die Messung der von einem Strömungsmittel abgegebenen Wärmemenge sind bereits eine Vielzahl von Verfahren und Geräten entwickelt worden, deren Aufzählung im einzelnen zu weit führen würde.
Alle bis jetzt bekannten Wärmemengenmesser haben schwerwiegende Nachteile, die sie für den Einsatz in der Praxis, insbesondere im Haushalt, ungeeignet erscheinen lassen. Entweder sind diese Geräte zu ungenau und damit nicht eichfähig, oder sie sind zu kompliziert und damit zu teuer. Andere Geräte wiederum haben eine konstante Strömungsgeschwindigkeit in den Heizungsanlagen zur Bedingung und scheiden deswegen für die grosse Mehrzahl der Anwendungsfälle aus. Nur so ist es zu erklären, dass z. B. Elektrizitätsmengen und Gasmengen in jedem Haushalt genau gemessen werden, während der Wärmeenergiebezug von Zentral- oder Fernheizungen grosse Verrechnungsschwierigkeiten bereitet. Bisher bekanntgewordene Wärmemengenzähler liegen im Anschaffungspreis mindestens um eine Zehnerpotenz über dem Preis für einen Elektrizitätszähler mit vergleichbarer Genauigkeit.
Neuerdings ist ein Verfahren zur kalorimetrischen Messung der von einem Strömungsmittel abgegebenen Wärmemenge bekanntgeworden, das bereits einen erheblichen technischen Fortschritt darstellt.
Nach diesem Verfahren, das von der bekannten Abzweigung eines dem Gesamtstrom proportionalen Teilstromes Gebrauch macht, ist ein mit einer Hilfsflüssigkeit gefülltes Kalorimetergefäss vorgesehen. In der Hilfsflüssigkeit befindet sich ein Heizwiderstand, ein Temperaturmessglied und ein Wärmeaustauscher, der von einem dem Rücklauf proportionalen Teilstrom beaufschlagt wird.
Ein zweites Temperaturmessglied befindet sich im oder am Vorlaufrohr. Bei Wärmeentnahme durch den Verbraucher tritt eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturmessgliedern auf. Durch diese Differenz wird über einen Verstärker ein Relais betätigt, das die Beheizung im Kalorimetergefäss einschaltet. Die Beheizung wird automatisch abgeschaltet, sobald die Temperatur der Hilfsflüssigkeit gleich der Vorlauftemperatur ist. Die durch den Wärmeaustauscher der Hilfsflüssigkeit entzogene Wärmemenge ist sowohl der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf als auch der Menge des Strömungsmittels proportional. Durch die Beheizung wird diese Wärmemenge und die vom Kalorimetergefäss an die Umgebung abgegebene Wärmemenge ersetzt.
Bei Vernachlässigung der Wärmeverluste an den Raum ist also die im Heizwiderstand umgesetzte elektrische Energie der verbrauchten Wärme proportional. Durch Messung des Heizstromes mit einem Wechselstromzähler erhält man ein Mass für die verbrauchte Wärmemenge.
Bei diesem Verfahren tritt folgende Schwierigkeit auf: Da die Vorlauftemperatur nicht konstant ist, schwankt auch die Temperatur der Hilfsflüssigkeit zusätzlich, das heisst ausser den Temperaturänderungen, die sie durch die Wärmeabfuhr zum Wärmeaustauscher und durch die Wärmezufuhr infolge der Beheizung erfährt. Folglich gibt auch ein gut isoliertes Kalorimetergefäss unterschiedliche Wärmemengen an die Umgebung ab, zumal deren Temperatur ebenfalls zeitlichen Änderungen unterliegt. Hierdurch entsteht ein Messfehler, der in seiner Grösse schwanken und aus diesem Grunde nicht kompensiert werden kann.
Da auch nach dem Abstellen des Wärmeverbrauchers die Vorlauftemperatur trotz fehlenden Durchflusses nicht auf die Zimmertemperatur zurückgeht, muss laufend eine gewisse Heizenergie aufgewendet werden, um die Temperatur der Hilfsflüssigkeit im Kalorimeter auf der Vorlauftemperatur zu halten. Der Zähler zeigt also auch dann einen Verbrauch an, wenn keine Wärme mehr geliefert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die störenden Einflüsse der Vorlauftemperatur und der Raumtemperatur auf die Anzeige zu eliminieren.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung der von einem Strömungsmittel abgegebenen Wärmemenge, bei welcher der Rück laufstrom eine Hilfsflüssigkeit in einem Messgefäss abkühlt, die mit einer elektrischen Beheizung auf eine Bezugstemperatur aufgeheizt wird, wobei die zugeführte Heizleistung als Mass für die dem Wärmeverbrauch proportionale Wärmemenge dient.
Das Erfindungsgemässe besteht darin, dass ein zweites durch einen dem Vorlaufstrom proportionalen Vorlaufteilstrom aufgeheiztes Messgefäss vorgesehen ist, dessen Innentemperatur als Bezugstemperatur dient.
Ausführungsbeispiele zur Erläuterung der erfindungsgemässen Vorrichtung sind in Fig. 1-3 der Zeichnung dargestellt. Einander entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist mit 1 das Vorlaufrohr, mit 2 der Heizkörper und mit 3 das Rücklaufrohr bezeichnet.
In das Vorlaufrohr 1 sind die Rohre 4 und 5 eingebaut, die einen der Durchflussmenge proportionalen Teilstrom des Vorlaufes durch den Wärmeaustauscher 6 leiten. Dieser Wärmeaustauscher befindet sich in einem Messgefäss 7, das mit einer Hilfsflüssigkeit gefüllt ist. Die wärmeleitenden Wände 8 des Messgefässes sind im Schnitt schraffiert dargestellt. Im Messgefäss 7 ist ausser dem Wärmeaustauscher 6 ein Temperaturmessglied in Form eines temperaturabhängigen Widerstandes 9 untergebracht, der über die Klemme 10 und 11 angeschlossen wird. Ein weiteres, mit Hilfsflüssigkeit gefülltes Messgefäss ist mit 12 bezeichnet. Seine schraffiert dargestellten Wände 13 bestehen aus einem Stoff, der einen mit den Wänden
8 übereinstimmenden Wärmeleitwert hat.
Das Messgefäss 12 enthält anstelle eines Wärmeaustauschers eine Heizwicklung 14 und ein Temperaturmessglied in Form eines temperaturabhängigen Widerstandes
15. Heizkörper und Temperaturmessglied sind über Leitungen mit den Klemmen 16, 17, 18, 19 verbunden. Die beiden Messgefässe 7 und 12 befinden sich in einem grösseren Behälter 20 aus gut wärme isolierendem Material. Dieser Behälter wird über die
Rohre 21 und 22, die in der Rücklaufleitung 3 münden, mit einer dem Rücklauf proportionalen Menge des strömenden Mediums beaufschlagt. Wäh rend sich im Messgefäss 7 infolge des Wärmeaustau schers 6 eine Temperatur T1 einstellt, die praktisch der Vorlauftemperatur entspricht, hat das strömende
Medium im Behälter 20 eine Temperatur T2, die nur unwesentlich über der Rücklauftemperatur liegt.
Die durch den Behälter 20 geführten Teile der Rohre 4 und 5 sind, wie mit 23 und 24 angedeutet, gut gegen Wärmeverluste isoliert, damit nicht der vom Vorlauf abgezweigte Teilstrom den Rücklaufteilstrom im Behälter 20 aufheizt.
Die beiden temperaturabhängigen Widerstände werden so an eine an sich bekannte Verstärkerschaltung angeschlossen, dass über ein Relais oder ein anderes Steuerglied die Heizwicklung 14 an Spannung gelegt wird, sobald die Temperatur T3 im Messgefäss 12 kleiner wird als die Temperatur T, im Messgefäss 7. Wenn nach einiger Zeit, zum Beispiel wenigen Sekunden, die Temperaturen T1 und T3 gleich sind, schaltet sich die Heizwicklung 14 ab. Da beide Messgefässe 7 und 12 von dem Rücklauf mit der Temperatur T umspült sind, wird beiden Gefässen bei gleichem Aufbau die genau gleiche Wärmemenge entzogen, falls die Temperaturen T1 und T3 gleich gross sind.
Die dem Messgefäss 7 zugeführte Wärmemenge entspricht also genau der dem Messgefäss 12 durch die Heizwicklung zugeführten elektrischen Arbeit, da die Temperaturen T1 und T3 einander gleich gehalten werden. Die den Messgefässen durch den Rücklauf entzogene Wärmemenge hängt ausser vom Wärmeleitwert der Gefässe von der Temperaturdifferenz Tt-T2 beziehungsweise T3-T2 und der Strömungsgeschwindigkeit des die Wärme transportierenden Mediums ab. Da die Wärmemenge der Temperaturdifferenz und ausserdem der Menge des strömenden Mediums proportional ist, ist die in dem Heizwiderstand 14 umgesetzte elektrische Arbeit der vom Verbraucher 2 abgegebenen Wärmemenge proportional.
Die Messanordnung gemäss Fig. 2 weist wiederum das Vorlaufrohr 1, den Verbraucher 2 und das Rücklaufrohr 3 auf. Auch hier wird mit Hilfe der Rohre 4 und 5 ein dem Vorlauf proportionaler Teilstrom durch den Wärmeaustauscher 6 geschickt. Wie in Fig. 1 sind hier ebenfalls zwei Messgefässe 7 und 12 vorhanden, deren Wände 8 und 13 zum Unterschied von Fig. 1 aus einem die Wärme schlecht leitenden Material bestehen. In dem Messgefäss 12 ist ein Heizwiderstand 14 untergebracht, der über die Klemmen 16 und 17 angeschlossen wird. In den Messgefässen befinden sich ausserdem temperaturabhängige Widerstände 9 und 15, die über die Klemmen 10, 11 und 18, 19 angeschlossen werden. Abweichend von Fig. 1 enthalten die Messgefässe weitere Wärmeaustauscher 25 und 26, die über die Rohrleitungen 21 und 22 mit einem dem Rücklauf proportionalen Teilstrom beaufschlagt werden.
Es empfiehlt sich, die Wärmeaustauscher 25 und 26 parallel in den Rücklaufteilstrom zu schalten, damit die Temperatur des strömenden Mediums beim Eintritt in die Wärmeaustauscher die gleiche ist. Beim Auftreten eines Wärmeverbrauchers wird die Rücklauftemperatur kleiner als die Vorlauftemperatur. In dem Messgefäss 7 stellt sich daher eine Temperatur ein, die zwischen Vor- und Rücklauftemperatur liegt. Während nun die Hilfsflüssigkeit in dem Messgefäss 7 durch den Wärmeaustauscher 6 aufgeheizt und durch den Wärmeaustauscher 25 abgekühlt wird, tritt im Messgefäss 12 zunächst nur eine Abkühlung durch den Wärmeaustauscher 26 ein. Sobald aber die Temperatur im Messgerät 12 kleiner wird als die Temperatur im Messgefäss 7, spricht wiederum die Verstärker- und Steuerschaltung an, die den Heizwiderstand 14 so lange einschaltet, bis Temperaturgleichheit erreicht ist.
Unter der Voraussetzung, dass das Material der beiden Messgefässe den gleichen Wärmeleitwert aufweist und beide Messgefässe die gleiche Grösse und Form haben, sind die Wärmeverluste an den Raum bei beiden Messgefässen genau gleich gross.
Schwankungen der Raumtemperatur wirken sich also in gleicher Weise auf die beiden Messgefässe aus und bleiben daher ohne Einfluss auf die Messgenauigkeit.
Bei einer Änderung, beispielsweise einer Erhöhung der Vorlauftemperatur, erhöht sich die Temperatur im Messgefäss 7. Da in diesem Fall über die von den Temperaturmessgliedern beeinflusste Steuerschaltung auch die Beheizung der Hilfsflüssigkeit im Messgefäss 12 verstärkt wird, erhält auch das Messgefäss 12 eine entsprechend erhöhte Temperatur. Beide Messgefässe haben nun in gleicher Weise erhöhte Wärmeverluste an die Umgebung. Zeitliche Anderungen der Vorlauftemperatur verfälschen also ebensowenig das Messergebnis wie Schwankungen der Raumtemperatur. Um das gesamte Messgerät yor willkürlicher Beeinflussung zu schützen, wird man beide Messgefässe in ein gemeinsames Blech-oder Kunststoffgehäuse einbauen.
Hierdurch wird verhindert, dass beispielsweise der Abnehmer das Messgefäss 12 aufheizt oder das Messgefäss 7 abkühlt, was in jedem Falle zu einer Verringerung der Verbrauchs anzeige führen würde. Weiterhin ist es zweckmässig, die Rohrleitungen 4, 5 und 21, 22 ebenfalls zu isolieren.
In Fig. 3 ist ein Messgerät zur Verwirklichung des dritten Verfahrens dargestellt. Dieses Gerät enthält ein Messgefäss 27, dessen Wände 28 aus einem die Wärme sehr schlecht leitenden Stoff bestehen.
Das eigentliche Messgefäss enthält einen Heizwiderstand 14 mit den Klemmen 16 und 17, einen temperaturabhängigen Widerstand 15 mit den Klemmen 18 und 19 und einen Wärmeaustauscher 29, der über die Rohre 21 und 22 mit einem dem Rücklauf proportionalen Teilstrom beaufschlagt wird.
Das Messgefäss ist wiederum mit einer Hilfsflüssigkeit gefüllt, die innerhalb des Messgefässes eine gute Wärmekonvektion und damit eine gleichmässige Temperaturverteilung gewährleistet. Das Messgefäss 27 befindet sich in einem etwas grösseren Behälter 30, der über die Rohre 4 und 5 einen dem Vorlauf proportionalen Teilstrom erhält. Der Wärmeleitwert der Wände 31 des Behälters 30 und die vom Vorlauf abgezweigte Teilmenge werden so bemessen, dass sich innerhalb des Behälters 30 eine Temperatur einstellt, die der Vorlauftemperatur im Rohr 1 etwa gleich ist. Diese Temperatur wird mit Hilfe des temperaturabhängigen Widerstandes 9 erfasst, der über die Klemmen 10 und 11 anschliessbar ist. Bei Abgabe von Wärmeenergie durch den Verbraucher 2 wird die Hilfsflüssigkeit im Messgefäss 27 mittels des Wärmeaustauschers 29 abgekühlt.
Die Temperaturmessglieder 9 und 15 sprechen bereits bei sehr kleinen Temperaturunterschieden an und schalten die Beheizung 14 so lange ein, bis die Temperaturgleichheit wieder erreicht ist. Die dem Messgefäss 27 mit Hilfe des Wärmeaustauschers 29 entzogene Wärmemenge ist 1. der Menge des strömenden Mediums und 2. der Temperaturdifferenz zwischen Vorund Rücklauf proportional. Da diese Wärmemenge ebenso gross ist wie die über den Heizwiderstand 14 zugeführte elektrische Energie, besteht also eine lineare Beziehung zwischen der Wärmeabgabe des Verbrauchers 2 und der dem Messgefäss zugeführten elektrischen Energie. Die Proportionalität ist nur dann gegeben, wenn die Wände 28 des Messgefässes 27 so gut isolieren, dass dieses Messgefäss nicht teilweise von Vorlauf geheizt wird.
Jede vom Vorlauf auf das Messgefäss übertragene Wärmemenge verringert in unzulässiger Weise die vom Heizwiderstand 14 aufzubringende Wärmemenge. Der Wärmeübergang zwischen dem Behälter 30 und dem Messgefäss 27 ist bei guter Wärmeisolation vernachlässigbar gering, weil zwischen beiden Gefässen nur eine ganz geringfügige Temperaturdifferenz auftreten kann. Es ist zweckmässig, die durch den Behälter 30 geführten Teile der Rohre 21 und 22 mit einer Wärmeisolierung 32 und 33 zu versehen, damit nicht der dem Rücklauf proportionale Teilstrom durch den Vorlauf aufgeheizt wird.
Auch die Messanordnung ist unabhängig von zeitlichen änderungen der Raumtemperatur und der Vorlauftemperatur, weil das Messgefäss ständig yon einem Medium mit Vorlauftemperatur umgeben ist und dadurch keine Wärmeverluste an die Umgebung abgeben kann.
Alle drei Ausführungsbeispiele von Wärmemengenmessern lösen die der Erfindung zu Grunde liegende gemeinsame Aufgabe, die vor allem darin besteht, die unerwünschten Einflüsse zeitlicher Änderungen der Raumtemperatur und Vorlauftemperatur auszuschalten. Darüber hinaus ergeben sich folgende weitere Vorteile für die Ausführungsbeispiele gemäss Fig. 1 und 2:
Bei dem bekannten Verfahren muss der dem Rücklauf proportionale Teilstrom auf Vorlauftemperatur aufgeheizt werden. Da die Wärmeaustauscher im Interesse eines guten Wärmeüberganges aus ziemlich langen und gewendelten Rohrleitungen bestehen, besteht bei einer Warmwasserheizung die Gefahr, dass sich beim Aufheizen des dem Rücklauf proportionalen Teilstromes Luftblasen entwickeln, die die Strömung so behindern können, dass die Proportionalität zwischen dem gesamten Rücklaufstrom und dem abgezweigten Teilstrom nicht mehr garantiert ist.
Hierdurch ergeben sich unter Umständen ganz erhebliche Messfehler. Ausserdem tritt hier eine sogenannte Thermosyphonwirkung auf, die einen Wärmeverbrauch vortäuscht. Diese beiden Fehlerquellen sind gemäss Fig. 1 dadurch beseitigt, dass die vom Rücklauf abgezweigte Teilströmung nicht durch enge Austauscherrohre fliessen muss und nur unwesentlich erwärmt wird. Bei der Anordnung gemäss Fig. 2 wird der dem Rücklauf proportionale Teilstrom ebenfalls nur auf eine Temperatur erwärmt, die wesentlich unter der Vorlauftemperatur liegt.
Damit das Prinzip des Mischkalorimeters gewährleistet ist, müssen die Wärmeaustauscher 6 in Fig. 1 und 2 sowie 29 in Fig. 3 so aufgebaut sein, dass bei allen auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten die Temperatur des Mediums beim Austritt aus dem Wärmeaustauscher der Temperatur der Hilfsflüssigkeit im jeweiligen Messgefäss gleich ist.
Bei der Messanordnung gemäss Fig. 1 kann man auch den Behälter 20 dem vollen Rücklaufstrom aussetzen.
Bei den beschriebenen Wärmemengenmessgeräten kann man als Temperaturmessglieder auch Bourdon Federn verwenden, deren Verformung beim Auftreten einer Temperaturdifferenz zum Einschalten der Beheizung benutzt wird. Auch Bimetallschalter können diese Aufgabe übernehmen.
Da die in den Messgefässen vorhandene Hilfsflüssigkeit bei Temperaturdifferenzen eine unterschiedliche Ausdehnung erfährt, kann diese Ausdehnung zur Betätigung einer Schaltmembran benutzt werden, die die Beheizung einschaltet.
Die beschriebenen Wärmemengenmesser sind so aufgebaut, dass als Transportmittel für die Wärme nicht nur Wasser, sondern auch Dampf in Frage kommt.