PL174593B1 - Urządzenie do pomiaru ilości ciepła oddawanego przez element grzejny - Google Patents

Abstract

1. Urzadzenie do pomiaru ilosci ciepla oddawanego przez element grzejny, przez który przeplywa od doplywu do odplywu czynnik grzejny, przy czym przewidziane sa co najmniej dwa czujniki termometryczne, usytuowane w pewnym wzajemnym odstepie w kierunku pionowym, które to czujniki termometryczne sa polaczone z elementem grzejnym w sposób przewodzacy cieplo, przy czym urzadzenie posiada jednostke przetwarzajaca do obliczania ilosci ciepla od- dawanego przez element grzejny, znamien- ne tym, ze pionowy odstep pomiedzy umieszczonymi we wspólnej obudowie (6) czujnikami termometrycznymi (7, 8) jest wielokrotnie mniejszy, niz pionowy odstep (H) pomiedzy doplywem (2) i odplywem (3). PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru ilości ciepła oddawanego przez element grzejny, przez który przepływa od dopływu do odpływu czynnik grzewczy.

W podlegających pomiarom elementach grzejnych rozchodzi się w sensie fizycznym o wymienniki ciepła ciecz/powietrze, tak że do określenia oddawanej ilości ciepła względnie wydajności elementu grzejnego mogą być zastosowane urządzenia, których działanie polega w praktyce na dwóch różnych, użytecznych zasadach.

Pierwsza z tych zasad to bilans entalpii od strony czynnika grzewczego. Bilans entalpii czynnika umożliwia otrzymanie, przy uzasadnionym założeniu średniej pojemności cieplnej przy stałym ciśnieniu czynnika grzewczego, równania określającego doprowadzenie ciepła do elementu grzejnego, po czym może być ono dokładnie wyznaczone przy pomocy pomiaru strumienia czynnika grzejnego i temperatury dopływu oraz odpływu.

Druga zasada opiera się na właściwościach wymiennika ciepła elementu grzejnego. Określenie wydajności elementu bez bezpośredniego wyznaczenia strumieni objętościowych wymaga ustalenia lub założenia odnośnie właściwości wymiennika ciepła mierzonego elementu grzejnego.

Znaną metodą jest obliczenie wydajności elementu grzejnego z normalnej wydajności cieplnej za pomocą krzywej charakterystycznej według reguły potęgowej, w którą wchodzi różnica temperatur względem powierzchni grzejnej, normalna wydajność cieplna i normalna nadwyżka temperatury.

Krzywa charakterystyczna elementu grzejnego pokazuje dobrze zależności w porównaniu ze stanem normalnym przy stałym przepływie masowym z różnymi temperaturami dolotowymi, to znaczy przy względnych odchyłkach temperaturowych, które w sposób istotny nie odstają od stanu normalnego. W tym obszarze przebieg temperatur przez element grzejny jest liniowy, tak

174 593 że skuteczna temperatura powierzchni grzejnej odpowiada średniej arytmetycznej temperatury wlotowej i powrotnej.

Znane elektroniczne urządzenia do pomiaru ilości ciepła (rozdzielnik kosztów ogrzewania) z czujnikiem termometrycznym mierzą temperaturę powierzchni grzejnej i obliczają wydajność cieplną przy założeniu, że temperatura pomieszczenia wynosi t1 = 20°C. Powstająca przy nierównomiemościach rzeczywistych temperatur w pomieszczeniach odchyłka pomiarowa zostaje usunięta przez urządzenia elektroniczne to znaczy rozdzielniki kosztów ogrzewania za pomocą drugiego czujnika termometrycznego do pomiaru temperatury powietrza t1 w pomieszczeniu.

Przy silniejszym dławieniu strumienia czynnika grzejnego i wynikającymi stąd większymi nierównomiemościami temperatury, przebieg tej temperatury odchyla się jednak od podziału liniowego. Na miejsce krzywej charakterystycznej elementu grzejnego wchodzi wtedy rodzina charakterystyk z natężeniem przepływu czynnika grzejnego jako parametrem.

W znanych urządzeniach stanowiących rozdzielniki kosztów ogrzewania powstaje systematyczna odchyłka pomiarowa, ponieważ nie można ustalić natężenia przepływu czynnika grzejnego względnie przebiegu rozdziału temperatur.

Przykład wykonania urządzenia z dwoma czujnikami termometrycznymi w rodzaju opisanym na wstępie jest przedstawiony w opisie DE 31 23 336 A1. Obydwa czujniki temperaturowe są tam umieszczone na elemencie grzejnym na wysokości wlotu względnie powrotu bez oddzielnej obudowy. Ze względu na duży odstęp między obydwoma czujnikami nie byłoby praktyczne umieszczanie tych czujników w jednej obudowie, która musiałaby się rozciągać przez całą wysokość elementu grzejnego. Montaż czujników jest wtedy kłopotliwy, ponieważ obydwa czujniki muszą być montowane oddzielnie . Muszą one być także połączone własnymi przewodami ze wspólnąjednostką przetwarzającą, co jest kosztowne i również skomplikowane. Należy tutaj zwrócić uwagę także na to, że w jednym domu z reguły musi być odpowiednio wyposażona duża liczba elementów grzejnych i to możliwie jak najmniejszym kosztem.

Czasopismo Elektronik und Maschinenbau rocznik 97, zeszyt 3, 1980, strony 125-128, przytacza i opisuje temperaturę elementu grzejnego jako funkcję wahań temperatury pomiędzy dopływem i odpływem czynnika grzejnego.

Rodzina charakterystyk podziału temperatur może być, jak wiadomo, sprowadzona na powrót dojednej krzywej charakterystycznej, jeżeli na miejsce arytmetycznej różnicy temperatur zostanie wprowadzona do reguły potęgowej logarytmiczna nadwyżka temperatury. Odpowiada ona pojęciu podanym przez Grashofa dla średniej różnicy temperatur w wymiennikach ciepła, która także dla elementów grzejnych dobierana jest empirycznie (por. DIN/4703).

W układzie tym jest wykorzystana znana metoda trzech czujników. Za pomocą pomiaru temperatury dopływu, odpływu i pomieszczeń zostaje obliczona logarytmiczna różnica temperatur elementu grzejnego i stąd oddawanej ilości ciepła przy wszelkich przepływach czynnika i wahaniach temperatur.

Niedogodnością urządzenia z trzema czujnikami jest kosztowna budowa, ponieważ czujniki termometryczne są usytuowane w dużym odstępie i z odpowiednim okablowaniem. Miejsca pomiaru temperatury czynnika grzejnego są osadzone na pionowej wysokości przyłącza dopływu i odpływu, tak że prosta, zwarta budowa dla różnych elementów grzejnych nie jest realna, o czym wspomniano w przytoczonym uprzednio opisie DE 31 23 336 A1. Dalszą niedogodnością jest duża zależność jakości pomiarów od dokładności pomiaru powietrza w pomieszczeniu a także wynikające stąd źródła błędów i zagrożenia manipulacyjne.

W przeciwieństwie do tego celem wynalazku jest zaproponowanie urządzenia, umożliwiającego określenie wydajności elementu grzejnego przy wszelkich jego stanach eksploatacyjnych z dużą dokładnością oraz uniezależnienie od wpływów zewnętrznych przy niewielkich nakładach na montaż za pomocą zbudowanego w sposób zwarty jednolitego licznika kosztów ogrzewania dla różnych elementów grzejnych.

Cel ten został osiągnięty dzięki urządzeniu do pomiaru ilości ciepła oddawanego przez element grzejny, którego istota polega na tym, że pionowy odstęp pomiędzy umieszczonymi

174 593 we wspólnej obudowie czujnikami termometrycznymi jest wielokrotnie mniejszy, niż pionowy odstęp pomiędzy dopływem i odpływem.

Zgodnie z wynalazkiemjest tym samym możliwe obliczeniowe ekstrapolowanie wielkości temperatury powierzchni elementu grzejnego, które odpowiadają oczekiwanemu profilowi temperatury tego elementu grzejnego i z których zostaje obliczona oddana przez element grzejny ilość ciepła, a mianowicie przy pomocy zaledwie dwóch czujników pomiarowych (przyrząd z dwoma czujnikami), przy czym obydwa czujniki stykają się bezpośrednio z powierzchnią elementu grzejnego.

W oparciu o te wartości pomiarowe może być wtedy zakończony sumaryczny przebieg temperatury powierzchni grzejnych, tak że wszystkie pojawiające się stany eksploatacyjne zostają równomiernie i dokładnie określone.

Urządzenie według wynalazku wykorzystuje fakt, że stan eksploatacyjny elementu grzejnego jest dokładnie ustalony przez określony przebieg temperatury jego powierzchni. Jeżeli za pomocą odpowiedniej metody pomiaru pole temperatury na powierzchni zostanie uwzględnione lub też wyznaczone, wtedy wydajność grzejnika może zostać dokładnie ustalona, pomijając bezpośrednie konkluzje odnośnie wartości stanu czynnika grzejnego.

Według korzystnej odmiany wykonania urządzenia według wynalazku liczba zabudowanych w tym urządzeniu czujników termometrycznych wynosi trzy lub więcej.

Również zgodnie z korzystną odmianą urządzenia według wynalazku, co najmniej jeden z dodatkowych czujników termometrycznych ma bezpośredni kontakt z powierzchnią elementu grzejnego. Jeżeli trzeci lub kolejny czujnik zostanie również umieszczony bezpośrednio na powierzchni odnośnego elementu grzejnego, to ekstrapolacja odpowiedniej krzywej jest dokładniejsza, a tym samym wynik pomiaru.

Według dalszej, korzystnej odmiany wynalazku, trzeci lub jeden z dodatkowych czujników termometrycznych stanowi czujnik powietrzny, przeznaczony do pomiaru powietrza otaczającego. Otrzymuje się wtedy redundancję, która może być wykorzystana na przykład do kontroli manipulacyjnej. W ten sposób może być także zastosowany także czwarty czujnik pomiarowy, przy czym trzy czujniki pomiarowe umieszczone są na elemencie grzejnym, a czwarty jest wykonany jako czujnik termometryczny, który mierzy temperaturę w pomieszczeniu, i tak dalej z ewentualnym dalszym układem czujników.

Zgodnie z wynalazkiem przewidziane jest, że do czujników termometrycznych dołączony jest układ obliczeniowy, ekstrapolujący krzywe temperaturowe każdorazowo w zależności od natężenia przepływu czynnika przez element grzejny. Ekstrapolacja ta odpowiada oczekiwanemu profilowi temperaturowemu elementu grzejnego.

Korzystne skutki techniczne stosowania urządzenia według wynalazku polegają na tym, że zapobiega się pracochłonnemu odrutowaniu trzech czujników termometrycznych, tak jak w znanych urządzeniach z trzema czujnikami, opisanych na wstępie. Oprócz tego nie jest już konieczne umieszczanie każdorazowo czujnika termometrycznego na dopływie lub odpływie elementu grzejnego, co również wymaga nakładów na aparaturę i robociznę. Zamiast tego czujniki termometryczne mogą być umieszczone bezpośrednio na powierzchni elementu grzejnego i to w dowolnym miejscu, przy czym odstęp między czujnikami termometycznymi może być dużo mniejszy, aniżeli taki sam odstęp w urządzeniach znanych. Także przy odpowiednio mniejszym odstępie można ekstrapolować z uzyskanych wartości pomiarowych wspomnianą krzywą z dostateczną dokładnością. Z tego też powodu wszystkie czujniki termometryczne, będące w bezpośrednim kontakcie z powierzchnią elementu grzejnego mogą być umieszczone w jednej obudowie.

Wynalazek jest dokładniej objaśniony poniżej w oparciu o przykład wykonania, z którego wynikają dalsze jego cechy. Rysunek przedstawia schematycznie element grzejny w widoku ogólnym z profilami temperatur oraz z układem przyrządu według wynalazku z dwoma czujnikami.

Zgodnie z wynalazkiem na rysunku pokazany jest schematycznie element grzejny 1. Posiada on dopływ 2, przez który wpływa do tego elementu grzejnego 1 w kierunku strzałki gorąca woda o temperaturze na przykład 90°C, jak również odpływ 3, przez który woda opuszcza

174 593 element grzejny 1 także w kierunku odpowiedniej strzałki, przy czym jest ona ochłodzona do temperatury na przykład 70°C.

Ponad elementem grzejnym jest naniesiona temperatura t, wyrażona w °C, a po prawej stronie obok elementu grzejnego jego wysokość H, wyrażona w procentach.

Jak już wspomniano, przy niedławionym przepływie czynnika grzejnego uzyskuje się prosty profil temperatury, pokazany za pomocą krzywej 4, która wyjaśnia, że temperatura panująca w górnym obszarze elementu grzejnego tzn. na wysokości blisko 100%, oraz w danym przykładzie wykonania 90°C, opada liniowo do temperatury w dolnym obszarze tego elementu grzejnego tzn. na wysokość H prawie 0%, a w danym przykładzie wykonania do 70°C.

Przy dławionym przepływie czynnika grzejnego powstaje jednak wybrzuszona krzywa 5, która pokazuje, że spadek temperatury nie jest liniowy, lecz stanowi w górnym obszarze większy spadek tej temperatury, który następnie zostaje zmniejszony.

Przebieg odnośnej krzywej, przedstawiającej chwilowe stany eksploatacyjne, zostaje zmierzony zgodnie z wynalazkiem za pomocą urządzenia pomiarowego 6.

Dalszy czujnik termometryczny, to znaczy trzeci albo czwarty czujnik termometryczny może stanowić czujnik powietrzny, który nie został pokazany na rysunku.

Przy pomocy co najmniej dwóch czujników termometrycznych 7, 8 można obliczyć panujący rozdział temperatur w poszczególnych stanach eksploatacyjnych, to znaczy wartości temperatur powierzchni elementu grzejnego według krzywej 4 względnie 5, w wyniku czego otrzymuje się poszukiwaną ilość ciepła oddaną przez ten element grzejny.

Zgodnie z wynalazkiem do czujników termometrycznych 7,8 dołączony jest nie pokazany na rysunku układ obliczeniowy, ekstrapolujący krzywe temperaturowe 4, 5 każdorazowo w zależności od natężenia przepływu czynnika przez element grzejny 1.

W korzystnej odmianie wykonania urządzenia według wynalazku wyznaczone temperatury powierzchni zostają uwzględnione przy ekstrapolacji temperatury dopływu i odpływu czynnika grzejnego. Z tych danych zostaje wtedy obliczona, razem z pomierzoną temperaturą pomieszczenia, logarytmiczna nadwyżka temperatury i stąd wydajność cieplna. W przeciwieństwie do znanych urządzeń z trzema czujnikami wynika tutaj korzyść polegająca na tym, że rozwiązany już, znany typ konstrukcji nie jest potrzebny w porównaniu z przedstawionym, zwartym licznikiem kosztów ogrzewania.

Pomiar temperatury pomieszczenia może być przy tym zastąpiony także konkluzją z przebiegu temperatury i zastosowaniem temperatury pomieszczenia, określonej numerycznie.

Alternatywnie, pomierzone temperatury mogą nie zostać użyte do ekstrapolacji temperatur dopływu i odpływu, natomiast z tych pomierzonych temperatur zostaje bezpośrednio obliczona logarytmiczna nadwyżka temperatury. Może to być także wykonane przez modyfikację równania obliczeniowego, zastosowanie współczynników niedopasowania lub też wprowadzenie odpowiedniego empirycznego układu równań. Ponieważ logarytmiczna nadwyżka temperatury z temperatur dopływu i odpływu jest funkcją empiryczną, wielkość równoważna może być zestawiona także w innych temperatur.

Pomiar powietrza w pomieszczeniu może być przy tym zastąpiony także konkluzją z przebiegu temperatury i zastosowaniem temperatury pomieszczenia, określonej numerycznie.

Także alternatywnie pomiar powietrza w pomieszczeniu jest ponownie stosowany razem z wyznaczonymi temperaturami powierzchni elementu grzejnego do numerycznego określenia przepływu czynnika grzejnego. Z tych wielkości określających temperaturę dopływu, temperaturę odpływu i przepływ zostaje określona wydajność cieplna.

Urządzenie według wynalazku może być także stosowane do bezpośredniego wyznaczenia wydajności cieplnej od strony czynnika grzejnego z wartości pomiarowych i powietrza w pomieszczeniu.

Dalsza odmiana urządzenia według wynalazku polega na tym, aby nie stosować drogi obliczeniowej przez wielkości czynnika grzejnego, lecz z wyznaczonymi temperaturami przez dopasowaną krzywą charakterystyczną elementu grzejnego, przy której wykładnik i/lub współczynniki korekcyjne są zależne od nieliniowości rozdziału temperatury.

174 593

Redundancja osiągnięta przez dodatkowy pomiar powietrza w pomieszczeniu może być zastosowana do tego, aby ten pomiar powietrza w pomieszczeniu przebadać odnośnie możliwości zwiększenia pewności manipulacyjnej urządzenia. Albo też redundancja zostanie do tego użyta w celu korygowania pomiaru powietrza w pomieszczeniu dla zwiększenia dokładności przyrządu pomiarowego. Również redundancja może być stosowana do korygowania pomiaru powietrza w pomieszczeniu odnośnie możliwości zwiększenia dokładności progu włączania przyrządu.

Według wynalazku obudowa 6 urządzenia z czujnikami temperaturowymi jest umieszczona korzystnie, jak to zostało uwidocznione na rysunku, mniej więcej w górnej trzeciej części elementu grzejnego 1, dzięki czemu zostaje również polepszona dokładność pomiaru.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 2,00 zł

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do pomiaru ilości ciepła oddawanego przez element grzejny, przez który przepływa od dopływu do odpływu czynnik grzejny, przy czym przewidziane są co najmniej dwa czujniki termometryczne, usytuowane w pewnym wzajemnym odstępie w kierunku pionowym, które to czujniki termometryczne są połączone z elementem grzejnym w sposób przewodzący ciepło, przy czym urządzenie posiadajednostkę przetwarzającą do obliczania ilości ciepła oddawanego przez element grzejny, znamienne tym, że pionowy odstęp pomiędzy umieszczonymi we wspólnej obudowie (6) czujnikami termometrycznymi (7,8)jest wielokrotnie mniejszy, niż pionowy odstęp (H) pomiędzy dopływem (2) i odpływem (3).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że liczba zabudowanych czujników termometrycznych (7, 8) wynosi trzy lub więcej.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że co najmniej jeden z dodatkowych czujników termometrycznych (7, 8) ma bezpośredni kontakt z powierzchnią elementu grzejnego (1).
4. 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że jeden z dodatkowych czujników termometrycznych stanowi czujnik powietrzny, przeznaczony do pomiaru powietrza otaczającego.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że do czujników termometrycznych (7, 8) dołączony jest układ obliczeniowy, ekstrapolujący krzywe temperaturowe (4, 5) każdorazowo w zależności od natężenia przepływu czynnika przez element grzejny (1).