WO1999012023A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der konzentration eines flüssigeisgemisches - Google Patents

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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the concentration of a liquid ice mixture.
  • Liquid ice mixtures consist of suspensions or mixtures of ice crystals or pieces of ice in liquid (hereinafter referred to as "binary ice fluid"). Such two-phase fluids are used for cold transport, cold storage and cold use. With these fluids, it is important to have a precise knowledge of the ice concentration in order to maintain and / or determine all process parameters in the plants in which these liquid ice mixtures are used. The exact determination of the ice concentration in a binary ice fluid is difficult. The determination of the ice concentration by measuring the electrical conductivity, as is known from DE 43 25 793 C2, is not very precise and cannot be applied to any liquid. Viscosity measurements are difficult - if at all - to be carried out. The pressure drop over a specified distance is also not a suitable signal, since the viscosity of the liquid is based on the temperature, quantity and quality of additives.
  • the reason for using a binary ice fluid is the latent energy (enthalpy of fusion) of the ice contained in the fluid. This enables the reduction of pipe cross sections, the reduction of pump energy, the reduction of energy storage and the reduction of heat exchanger surfaces.
  • the latent energy of binary ice cannot be determined with temperature sensors, since the temperature of the binary ice in the melting area does not (or hardly changes). A different type of ice concentration determination is therefore necessary.
  • ice concentration of binary ice is determined according to the "calorimetric" method.
  • a volume of the binary ice is weighed and its temperature is determined.
  • a second volume of sufficiently warm fluids is weighed and its temperature is determined. Then you mix both volumes and can use the mixing temperature to calculate the ice concentration if the mixture no longer contains ice.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for determining the concentration of a liquid ice, which is attached to a pipeline and can determine the concentration at least at short intervals. According to the invention, this is achieved by a method with the features of claim 1 or 2 and by a device with the features of claim 3.
  • the proposed method and the suitable device allow the ice concentration to be determined automatically, continuously or discontinuously. It is possible to determine the ice concentration of binary ice in storage tanks and pipelines.
  • a method for determining the ice concentration in a binary ice fluid in which a partial stream is first coupled out of the flow to be measured or the storage volume, and this outcoupling stream is introduced into a heat exchanger while measuring the inlet and outlet temperatures, where heating of the Fluid flow and a further return to the heat exchanger when again measuring the inlet and outlet temperatures of the return flow, the ice concentration is determined mathematically.
  • Fig. 1 shows the cal atic structure of a device for ice concentration determination on a pipe
  • Fig. 2 shows the arrangement of the device of Fig. 1 on a storage container.
  • the pipeline 10 shown in FIG. 1 is provided with a device 12 for withdrawing a partial stream which discharges it into a pipeline 14.
  • a temperature sensor 15 on the pipe 14 measures the temperature of the binary ice.
  • the binary ice is then melted in a heat exchanger 16, the heat transferred in the heat exchanger 16 having to be large enough to completely melt the ice.
  • Another temperature sensor 20 is provided on the pipeline at the outlet from the heat exchanger.
  • the fluid then enters a second heat exchanger 22 in which it is further heated by an external heat source.
  • This heat source can e.g. B., as shown in Fig. 1, be a further water cycle in which heated water enters (reference numeral 24) and exits again heated (reference numeral 26).
  • the outcoupled partial flow is thereby warmed up from a temperature measured by the temperature sensor 20 to a higher temperature, which is measured by a further temperature sensor 28 before it re-enters the heat exchanger 16.
  • the fluid in turn loses heat in the heat exchanger and exits at a lower temperature at a location 30.
  • the outcoupled partial flow can now be returned to the main flow via a device 32 and mixed with the binary ice.
  • the heated binary ice fluid is cooled in the heat exchanger 16, the binary ice ice flowing in the opposite direction being fluid melts (or warms), ie the enthalpy difference of the binary ice fluid flows between points A and B and C and D are the same, although different from the sign.
  • the ice concentration is calculated using the following equation:
  • x E (tc - t D - t B + t A ) • (cp fluid / h ice )
  • a discontinuous measurement can be used if a continuous measurement would disturb the energy balance too much.
  • the heat exchanger 22 can be heated both by heated fluid (for example water, possibly cooling water of the condenser of the refrigerator) or also electrically.
  • heated fluid for example water, possibly cooling water of the condenser of the refrigerator

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Eiskonzentration in einem Flüssigeisgemisch (Binäreisfluid), mit den Schritten: Auskoppeln eines Teilstroms des Fluids und Einführen und Erwärmen des Teilstroms in einem Wärmetauscher (16) bis zum vollständigen Aufschmelzen unter Messen der Eintrittstemperatur (t>A<) und der Austrittstemperatur (t>B<), weiteres Erwärmen des Fluidstromes des Fluids durch eine externe Wärmequelle und Rückführen des Teilstroms durch den Wärmetauscher (16) unter Messen der Eintrittstemperatur (t>C<) und der Austrittstemperatur (t>D<) des rückgeführten Teilstroms, und Berechnen der Eiskonzentration nach der Gleichung X>Eis<=(t>C<-t>D<-t>B<+t>A<) . (cp>Fluid< / h>Eis<), wobei cp>Fluid< die spezifische Wärmekapazität des Binäreisfluids und h>Eis< die Schmelzenthalpie des Binareises sind.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Flüssigeisge isches
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Flüssigeisgemisches.
Flüssigeisgemische bestehen aus Suspensionen oder Mischungen von Eiskristallen oder Eisstückchen in Flüssigkeit (im weiteren als "Binäreisfluid" bezeichnet). Solche zweiphasige Fluide dienen zum Kältetransport, zur Kältespeicherung und zur Kältenutzung. Bei diesen Fluiden ist die genaue Kenntnis der Eiskonzentration zur Einhaltung und/oder Bestimmung aller Verfahrensparameter in den Anlagen, in denen diese Flüssigeisgemische benutzt werden, wichtig. Die genaue Bestimmung der Eiskonzentration in einem Binäreisfluid ist schwierig. Die Ermittlung der Eiskonzentration durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit, wie sie aus der DE 43 25 793 C2 bekannt ist, ist nicht sehr genau und nicht auf jede Flüssigkeit anwendbar. Viskositätsmessungen sind - wenn überhaupt - schwierig durchzuführen. Auch der Druckabfall über eine festgelegte Entfernung ist kein geeignetes Signal, da die Viskosität der Flüssigkeit auf der Temperatur, Menge und Qualität von Zusatzstoffen beruht.
Grund für die Anwendung eines Binäreisfluids ist die im Fluid enthaltene latente Energie (Schmelzenthalpie) des Eises. Diese ermöglicht die Reduzierung von Rohrleitungsquerschnitten, die Verringerung von Pumpenergie, die Verkleinerung von Energiespeichern sowie die Verringerung von Wärmeaustauscherflächen.
Die Latentenergie von Binäreis kann nicht mit Temperaturfühlern bestimmt werden, da sich die Temperatur des Binäreises im Schmelzgebiet nicht (oder kaum) ändert. Daher wird eine andere Art der Eiskonzentrationsbestimmung notwendig.
Üblicherweise bestimmt man die Eiskonzentration von Binäreis nach der "kalorimetrischen" Methode. Hierbei wird ein Volumen des Binäreises gewogen und dessen Temperatur bestimmt. Ein zweites Volumen hinreichend warmen Fluids (auch zum Beispiel Wassers) wird gewogen und dessen Temperatur bestimmt. Danach mischt man beide Volumina und kann anhand der Mischungstemperatur auf die Eiskonzentration zurückrechnen, sofern die Mischung kein Eis mehr enthält.
Diese Methode ist jedoch diskontinuierlich, zeitaufwendig und eigentlich nur für eine manuelle Auswertung im Labormaßstab geeignet.
Aus der DE 43 25 794 Cl ist es bekannt, die Eiskonzentration in einem Flüssigeisgemisch durch Messen des von diesem ausgeübten Drucks zu ermitteln.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Flüssigeisge isches zu schaffen, das an einer Rohrleitung angesetzt, die Konzentration wenigstens in kurzen Abständen bestimmen kann. Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 oder 2 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.
Das vorgeschlagene Verfahren und die dazu geeignete Vorrichtung lassen es zu, die Eiskonzentration automatisch sowie kontinuierlich oder diskontinuierlich zu bestimmen. Dabei ist es möglich, die Eiskonzentration von Binäreis in Speichern und Rohrleitungen zu bestimmen.
Dabei wird ein Verfahren zur Bestimmung der Eiskonzentration in einem Binäreisfluid verwandt, bei dem zunächst ein Teilstrom aus dem zu messendem Fluß oder dem Speichervolumen ausgekoppelt wird, und dieser Auskopplungsstrom in einen Wärmetauscher bei gleichzeitiger Messung der Ein- und Austrittstemperaturen eingeführt wird, wo durch Erwärmung des Fluidstromes und einer weiteren Rückführung in den Wärmetauscher bei wiederum Messung der Ein- und Austrittstemperaturen des Rückführungsstroms die Eiskonzentration mathematisch ermittelt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Dabei zeigt:
Fig. 1 den sche atischen Aufbau einer Vorrichtung zur Eiskonzentrationsbestimmung an einer Rohrleitung, und
Fig. 2 die Anordnung der Vorrichtung von Fig. 1 an einem Speicherbehälter. Die in der Fig. 1 dargestellte Rohrleitung 10 ist mit einer Einrichtung 12 zur Entnahme eines Teilstroms versehen, der diesen in eine Rohrleitung 14 ausbringt. Ein Temperaturfühler 15 an der Rohrleitung 14 mißt die Temperatur des Binäreises. In einem Wärmetauscher 16 wird das Binäreis daraufhin aufgeschmolzen wobei die im Wärmetauscher 16 übertragene Wärme groß genug sein muß, um das Eis völlig aufzuschmelzen. An der Ausleitung 18 ist daraufhin eisfreies Fluid vorhanden, dessen Temperatur gleich oder größer als die Temperatur am Eintritt in den Wärmetauscher 16 ist.
Ein weiterer Temperaturfühler 20 ist an der Rohrleitung am Austritt aus dem Wärmetauscher vorgesehen.
Das Fluid tritt sodann in einen zweiten Wärmetauscher 22 ein, in dem es durch eine externe Wärmequelle weiter erwärmt wird. Diese Wärmequelle kann z. B., wie in Fig. 1 dargestellt, ein weiterer Wasserkreislauf sein, bei dem Wasser erwärmt eintritt (Bezugszeichen 24) und entwärmt wieder austritt (Bezugszeichen 26) .
Der ausgekoppelte Teilstrom wird dadurch von einer Temperatur, die von dem Temperaturfühler 20 gemessen wurde, auf eine höhere Temperatur aufgewärmt, die von einem weiteren Temperaturfühler 28 vor einem Wiedereintritt in den Wärmetauscher 16 gemessen wird. Im Wärmetauscher verliert das Fluid wiederum Wärme und tritt mit einer geringeren Temperatur an einem Ort 30 aus. Der ausgekoppelte Teilstrom kann nun wieder über eine Einrichtung 32 in den Hauptstrom zurückgeführt werden und sich mit dem Binäreis vermischen.
Im Wärmetauscher 16 wird das erwärmte Binäreisfluid abgekühlt, wobei es das gegenläufig strömende Binäreis- fluid schmilzt (bzw. erwärmt) , d. h. die Enthalpiedifferenz der Binäreisfluidströme zwischen den Punkten A und B und C und D sind gleich, obschon vom Vorzeichen verschieden.
Da der Binäreismassenstrom in der Meßapparatur unverändert bleibt, ist es möglich, anhand der vier gemessenen Temperaturen die Eiskonzentrationen des Binäreises zu bestimmen. Eine Volumen- oder Massenstrommessung ist dabei unnötig.
Die Eiskonzentration errechnet sich hierbei nach folgender Gleichung:
x Eis = (tc - tD - tB + tA) • (cpFluid / hEis) Dabei sind:
XEls die Eiskonzentration tc die Temperatur an der Stelle C tD die Temperatur an der Stelle D tB die Temperatur an der Stelle B tA die Temperatur an der Stelle A c Fiuid spezifische Wärmekapazität des
Binäreisfluids hEjs die Schmelzenthalpie des Binäreises.
Bei großen Rohrleitungen oder bei Eisspeichern ist eine kontinuierliche Entnahme eines kleinen Binäreismassen- stroms zur Eiskonzentrationsbesti mung möglich, wenn die durch die Messung auftretene Energiezufuhr verhältnismäßig klein ist und die Energiebilanz nicht nachhaltig stört.
Bei kleinen Rohrleitungen oder Speichern 34 kann man auf eine diskontinuierliche Messung ausweichen, wenn eine kontinuierliche Messung den Energiehaushalt zu sehr stören würde.
Die Beheizung des Wärmeaustauschers 22 kann sowohl durch erwärmtes Fluid (z. B. Wasser, ggf. Kühlwasser des Kondensators der Kältemaschine) oder auch elektrisch erfolgen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Bestimmung der Eiskonzentration in einem Flüssigeisgemisch (Binäreisfluid) , gekennzeichnet durch
Auskoppeln eines Teilstrom des Fluids und Einführen und Erwärmen des Teilstroms in einen Wärmetauscher (16) bis zum vollständigen Aufschmelzen unter Messen der Eintrittstemperatur tA und der Austrittstemperatur tB,
weiteres Erwärmen des Fluidstromes des Fluids durch eine externe Wärmequelle und Rückführen des Teilstroms durch den Wärmetauscher (16) unter Messen der Eintrittstemperatur tc und der Austrittstemperatur tD des rückgeführten Teilstroms, und
Berechnen der Eiskonzentration nach der Gleichung
Xεis = (tc - D - tB + tA) • (cpFlu5d / hEl s) , wobei
cPpiuid ^ie spezifische Wärmekapazität des Binäreisfluids und
hEis die Schmelzenthalpie des Binareises sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen des Eises in einem zweiten Wärmetauscher (22) erfolgt.
3. Vorrichtung zur Bestimmung der Eiskonzentration in einem Flussigeisgemisch (Binäreisfluid) , gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (12) zum Auskoppeln eines Teilstroms des Binäreisfluids,
einen ersten Wärmetauscher (16) , durch den der Teilstrom hindurchgeführt wird,
einen zweiten Wärmetauscher (22) , in dem der durch den ersten Wärmetauscher (16) unter vollständigem Aufschmelzen geführte Teilstrom weiter aufgewärmt und sodann durch den ersten Wärmetauscher (16) rückgeführt wird, und
an den vier Ein- und Austrittsstellen des ersten Wärmetauschers (16) angeordnete Temperaturfühler (15, 20, 28, 30).
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