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Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmeflusses in Räumen
Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmeflusses in insbesondere
erhitzten Räumen. Unter Wärmefluß, der auch als Heizflächenbelastung oder spezifische
Wärmekapazität bezeichnet wird, versteht man die Wärmeaufnahme eines Körpers in
einer Umgebung, die eine höhere Temperatur als der Körper selbst besitzt, z. B.
in einem Feuerraum. Der Wärmefluß wird auf den Wert kcal/m2H H bezogen, d. h., auf
die Wärmemenge, welche in einer Stunde durch I m2 Heizfläche hindurchströmt.
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Bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen dieser Art wird der Wärmefluß
durch Messung der Aufwärmzeit eines Körpers bestimmt. Hierfür ist einschließlich
der Auswertung einer aufzunehmenden Aufwärmkurve eine beträchtliche Zeitspanne erforderlich.
Die zu diesem Zweck vorgeschlagenen Instrumente bestehen im Prinzip aus einem symmetrischen
Körper, in dessen geometrischer Mitte ein Thermoelement eingebaut ist. Beim Einsetzen
z. B. einer Metallkugel in die heißere Umgebung fließt die Wärme durch die Oberfläche
dieses Körpers ins Innere bis zum Thermoelement. Die Gesohwintdligkeit Ider Aufwärmung
ist ein Maß für die Temperaturdifferenz zwischen der Umgebung und dem Körper, die
einen Wärmefluß in den Körper hinein bewirkt. Wenn die Oberfläche, das Volumen und
die spezifische Wärme des Körpers bekannt sind, kann man nach Messung der Aufwärmge
sch'indigkei t diejenige Wärme bes ta mmen, die je Oberflächeneinbeit in einer bestimmten
Zeit in den Körper hineingeflossen ist. Der grundsätzliche Nachteil dieser Meßinstrumente
besteht in dem großen Zeitbedarf für die Herstellung einer brauchbaren Kurve zur
Messung der Aufwärmgeschwindigkeit. Außerdem ist eine Einrichtung erforderlich,
die die Aufwärmkurve schreiben registriert, und diese muß nach Beendigung der
Messung
mit einem Planimeter ausgewertet werden.
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Für praktische Verhältnisse ist der Auswertungsgang daher viel zu
umständlich und langwierig.
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Zur Bestimmung des von einer Wärmequelle ausgehenden Wärmeflusses
sind Strömungskalorimeter bekannt, bei welchen der Wärmefluß durch Messung der Geschwindigkeit
eines die Meßkammer des Kalorimeters durchströmenden, ständig der Wärmequelle ausgesetzten
Mittels und durch Messung des Temperaturgefälles zwischen Zu- und Abfluß der Aleßkammer
bestimmt wird. Solche Kalorimeter sind beispielsweise zur Bestimmung der Heizkraft
eines gasförmigen oder flüssigen Körpers bekannt, wobei die bei dessen Verbrennung
entstehende Wärme auf das die Meßkammer des Kalorimeters durchströmende Mittel,
z. B. Wasser übertragen wird. Derartige Strömungskalorimeter sind auch zur Bestimmung
des Wärmeflusses am menschlichen Körper bekannt, wobei das Kalorimeter als auf die
Haut aufzusetzende Meßdose ausgebildet ist. Das Temperaturgefälle und damit der
in die Meßkammer übertretende Wärmefluß wird hierbei mittels Thermosäulen gemessen,
deren Lötstellen im Zu- und Abfluß des strömenden Mittels angeordnet sind.
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Die Erfindung besteht darin, Strömungskalorimeter zur Bestimmung
des Wärmeflusses an beliebigen Meßstellen eines zu erhitzenden oder abzukühlenden
Raumes anzuwenden, indem das Strömungskalorimeter als auf den allseitigen l'ärmefluß
ansprechende Sonde ausgebildet ist, die an eine beliebige Meßstelle des Raumes gebracht
wird und den an dieser Meßstelle herrschenden Wärmefluß bestimmt. Während also bisher
Strömungskalorimeter zur Messung eines Wärmeflusses dienten, welcher von mehr oder
weniger örtlich begrenzten Wärmequellen ausgeht, wird nunmehr das Strömungskalorimeter
als Sonde an beliebigen Meßstellen eines größeren zu erhitzenden oder abzukühlenden
Raumes zur Bestimmung des in seinem Innern herrschenden Wärmefluß angeordnet.
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Hierdurch lassen sich die eingangs geschilderten, mit den bisher üblichen
Meßvorrichtungen verbundenen Nachteile vermeiden.
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Als Durchflußmittel wird vorzugsweise Wasser benutzt; jedoch können
an dessen Stelle andere ge eignete Mittel, wie Gase, Dämpfe, Öle, Quecksilber od.
dgl., treten. Die Eintrittstemperatur des Durchflußmittels muß wesentlich von der
des zu untersuchenden Raumes abweichen. Außer in hocherhitzten Räumen kann das Verfahren
mit Vorteil auch zur Untersuchung der Wärmeverhältnisse in Kühlräumen od. dgl. benutzt
werden. In diesem Falle wird zweckmäßig die Eintrittstemperatur des Durchflußmittels
höher als die des Raumes gehalten und der Temperaturabfall des Durchflußmittels
gemessen.
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Der zu messende Wärmefluß ergibt sich aus dem Quotienten zwischen
dem Produkt der je Zeiteinheit die Sonde durchströmenden Menge mit der Temperaturänderung
und der Bezugsheizfläcbe.
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Wird gemäß der Erfindung die Bezugsheizfläche sowie die Durchflußmenge
je Zeiteinheit konstant gehalten, so stellt die Temperaturänderung unmittelbar ein
Maß für den Wärmefluß dar. Die Konstanthaltung der Bezugsheizfläche wird dadurch
bewirkt, daß diese auf den Sondenkopf beschränkt wird, indem die Messung der Temperaturänderung
des Durchflußmittels an den Ein- und Austrittsenden dieses Sondenkopfes vorgenommen
wird und dadurch von dem mehr oder weniger weiten Eintauchen der Zufuhrrohre in
den MeBraum unabhängig bleibt.
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Auf diese Weise gelingt es, fast momentan für jede Stelle des zu
untersuchenden Raumes den Wärmefluß zu ermitteln und z. B. Linien und Flächen gleichen
Wärmeflusses ohne Zwischenhandhabungen schnellstens festzustellen.
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Die jeweilige Temperaturänderung kann durch in den Ab- und Zulauf
hineinragende Thermometer, z. B. Differenzthermometer, abgelesen werden.
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Wesentlich verbessert wird das Verfahren, wenn die Ermittlung und
Anzeige der Temperaturänderung durch Thermoelemente erfolgt. Bei der punktweisen
Messung innerhalb eines Feuerraumes ist es zweckmäßig, die Bezugsheizfläche so klein
wie möglich zu halten und Aufwärmungen des Durchflußmittels in der Größenordnung
von 5 bis 100 C zugrunde zu legen.
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Da b ei diesem Temperaturuntersch i d die Thermokraft eines Elementes
weniger als 0,5 mV beträgt, sind mehrere, etwa zehn Thermoelemente hintereinanderzuschalten.
Die Messung der Wärmeänderung erfolgt demgemäß durch eine Thermobatterie, deren
Kaltlötstellen im Zulauf und deren Warmlötstellen im Rücklauf liegen. Da die Spannung
der Thermobatterie nicht immer genau der Summe der Spannung der einzelnen Elemente
entspricht, ist den Messungen ein Eichvorgang vorauszuschicken.
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Bei der Anwendung des Verfahrens kann die Temperatur der Kaltlötstellen
beliebig sein, so daß es nicht erforderlich ist, die üblichen Bezugstemperaturen
(oO, 20°j anzuwenden. Vorauszusetzen ist aber dabei, daß Thermoelemente verwendet
werden, welche durch entsprechende Wahl ihres Werkstoffes, z. B. Ni-NiCr, eine von
der Temperaturhöhe der Kaltlötstelle unabhängige gradlinige Charakteristik aufweisen.
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Die zur Durchführung des Verfahrens benutzte Vorrichtung besteht
aus einer in den zu untersuchenden Raum einführbaren Sonde in Gestalt eines mit
Zu- und Ablauf für ein Durchflußmittel versehenen Hohlkörpers und einer Einrichtung
zur Messung des Temperaturunterschiedes zwischen Zu- und Ablauf sowie einer Einrichtung
zur Regulierung und Messung der Durchflußmenge.
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Zweckmäßig wird die Sonde aus einem U-förmigen Rohr gebogen, das
am vorderen Ende kreis-, spiralen- oder schraubenförmig gestaltet ist und in dessen
nebeneinanderliegenden, gradlinigen Zu- und Ablaufenden eine Thermobatterie od.
dgl. eingebaut ist.
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Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus der nlachfolPgenden Beschreilbung
eines Aus.führungsbeispieles der Erfindung. In der Zeichnung zeigt
Fig.
I einen teilweise abgebrochen gezeichneten Grundriß der Vorrichtung, Fig. 2 einen
Schnitt nach der Linie II-II der Fig. I, Fig. 3 eine Stirnansicht der Thermobatterie,
Fig. 4 eine der Fig. I entsprechende Ansicht mit einsetzbarer Eichvorrichtung und
Fig. 5 einen Gesamtgrundriß der Vorrichtung.
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Die Sonde besteht aus einem in seiner Mitte umgebogenen Rohr, z.
B. einem l/4"-Gasrohr I (Fig. 5), dessen Schenkel 2, 3 auf dem größten Teil ihrer
Länge dicht beieinanderliegen, dessen vorderer, den Sondenkopf bildender Teil 4
ringförmig gebogen ist und dessen hintere Teile mit Verschraubungen 5 für den Wasserzu-
und -abfluß versehen sind. Anschließend an den Sondenkopf 4 weisen die nebeneinanderliegenden
Wandungen der beiden Schenkel eingefräste Längsöffnungen 6 (Fig. I) auf, in die
ein Messingblock 7 für die Thermobatterie eingesetzt und dicht eingeschweißt ist.
Der Block 7 hat eine der Anzahl der verwendeten Thermoelemente entsprechende Zahl
von Bohrungen 8 (Fig. 3), in welchen sich Einsätze g aus keramischem Werkstoff befinden,
die je zwei Kapillaren II für die Aufnahme 4er Schenkel der Thermo elemente I2,
I3 (Fig. I) aufweisen. Die Doppelkapillaren 1 1 sind durch Einbettung der Drähte
der Thermoelemente in Kolophonium abgedichtet, so daß das Durchflußmittel nicht
unmittelbar durch die Kapillaren vom Zulauf in den Ablauf übertreten kann. Die Kaltlötstellen
14 (Fig. I) reichen in den Zulaufschenkel 2 der Sonde, während sich die Warmlötstellen
15 in dem Rücklaufschenkel der Sonde befinden.
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Auf diese Weise werden die Lötstellen unmittelbar von dem Durchflußmittel
umspült. Ein elektrischer Kurzschluß zwischen den Lötstellen ist nicht möglich,
da der Widerstand des Wassers so groß ist, daß dessen Leitfähigkeit vernachlässigt
werden kann. Gegenüber dem Metall der Sonde sind die Thermoelemente durch die keramischen
Einsätze isoliert.
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Die Zuführungsdrähte I6 der Thermobatterie werden mittels keramischer
Röhrchen isoliert und im Rücklaufschenkel der Sonde nach außen geführt; z. B. können
sie durch Löcher I7 (Fig. 5) eines Gummistopfens I8 aus dem Rücklaufrohr heransgeleitet
werden. Diese Stopfen I8 dienen zum Einsetzen von Thermometern, durch die die Erwärmung
des gesamten Sondenrohres und der Durchflußmenge nachgeprüft werden kann. Zum Schutz
dieser Thermometer gegen Strahlung ist auf den Rohrenden ein Schutzblech I9 aufgesetzt.
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Im Bereich der Thermobatterie weisen die Zu-und Ablaufschenkel 2,
3 (Fig. I) an den äußeren Seiten eingefräste Längsöffnungen 2I, 22 auf, durch welche
die Thermobatterie eingeführt werden kann und ein Zugang zu den Lötstellen zu Kontroll-
und Reparaturzwecken gebildet wird. Diese Öffnungen 2I, 22 werden durch Halbrohrstücke
23 abgedeckt, die mit dem Sondenrohr dicht verlötet werden. Die Öffnungen 2I, 22
dienen ferner zum Einsetzen einer Eichvorrichtung, mittels welcher dasAnzeigeinstrument
für die Thermobatterie geeicht wird. Die Eichvorrichtung besteht in entsprechenden,
an das Sondenrohr ansetzbaren Halbrohrstücken 25 (Fig. 4), welche je eine Gummitülle
26 zum Einsetzen je eines Thermometers 27 besitzen. Die Thermometer werden mit ihren
Spitzen 28 genau in der Mitte der Kaltlötstellen bzw. der Warmlötstellen I4, 15
der Thermobatterie angeordnet. Die gesamte Länge der Sonde kann je nach den Erfordernissen
mehrere Meter betragen. Bei der Eichung wird der Sondenkopf mit einer Bunsenflamme
oder einem Schweißbrenner erwärmt und zugleich von Wasser durchströmt.
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Die für die Messung maßgebliche Bezugsheizfläche ist der Teil des
Sondenrohres, der den ringförmigen Sondenkopf 4 einschließlich der im Bereich der
Tbermob.atterie liegenden Schenkel 2, 3 der anschließenden gestreckten Teile des
Sondenrohres umfaßt. Auf diese Weise wird der Einfluß der Erwärmung der nach außen
folgenden Rohrteile von der Messung ausgeschaltet.
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Die Sonde kann ohne Änderung der Meßkonstanten an jeden beliebigen
Punkt des Meßraumes geführt werden. Durch spiral- oder schraubenförmige Ausbildung
des Kopfes des Sondenrohres und Anbringung der Thermobatterie in einem beliebigen
Abstand vom Kopf kann die Bezugsheizfläche in ihrer Größe verändert werden.
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Die Durchflußgeschwindigkeit des Wassers ist so zu regeln, daß die
Austrittstemperatur des Wassers stets unterhallb des Siedepunktes bleibt. Die Messung
der Durchflußmenge je Zeiteinheit erfolgt nach einer der bekannten Methoden.
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PATENTANSPROCHE: I. Anordnung zur Bestimmung des Wärmeflusses an
beliebigen Meßstellen eines Raumes, insbesondere eines Feuer- oder Kühlraumes, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Strömungskalorimeter als auf den allseitigen Wärmefluß ansprechende
Sonde ausgebildet ist, die an eine beliebige Meßstelle des Raumes gebracht wird
und den an dieser Meßstelle herrschenden Wärmefluß bestimmt.