JPH0528335B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、熱量計測装置に関し、詳しくは熱エ
ネルギーを輸送するための熱伝達媒体（以下で熱
媒という）を循環させる循環路に熱媒加熱器と共
に配設され、循環路の特定区間、あるいは循環系
を構成する機器等における熱交換量、集熱量、放
熱量、熱損失量、回収熱量、予熱量等の熱量（以
下で単に被測熱量という）を計測する熱量計測装
置に関する。

［従来の技術］ 従来の熱媒循環系に設けられた熱媒加熱器の熱
量計測装置は、例えば第４図のように構成されて
いた。ここで、１は測定の対象となる被測定加熱
器（以下で被測体という）であり、２は熱媒の循
環路３に設けられた熱負荷熱交換器、４はフイル
タ、５は熱媒循環用のポンプであつて、循環させ
られる熱媒の流量が流量計６によつて計量され、
更に被測体１の熱媒入口および出口側においては
それぞれにおける温度T₁およびT₂が温度計によ
つて計測される。

いま、このような熱量計測定装置にあつては、
流量計６を通過する熱媒の体積流量Ｇおよび被測
定加熱器１の出入口温度差（T₂−T₁）を計測し、
通過熱媒の物性値（比熱：Cp、密度；ρ）を用
いて次式により被測体１内で熱媒により捕捉され
た単位時間当りの被測熱量Quを算出することが
できる。

Qu＝Cp・ρ・Ｇ・（T₂−T₁） ……(1) しかし、このような熱量計測装置においては、
下記のような問題点が存在するために実用上測定
精度の長期維持が困難であつた。

すなわち、まず第１に、熱媒の粘性は、温度に
よつて変化し、しかも経時的に変化するために、
粘性に敏感な体積流量Ｇの計測精度を常時同じ状
態に維持するには、測定計器係数の校正を高頻度
に行わねばならず、手間がかかるのみならず容易
でない。

第２に、比熱も温度によつて変化し、且つ、長
期に亘る計測の場合は経時変化を伴うために、定
期的な検査によつて計器係数の温度特性曲線を校
正しなければならぬ煩雑さがある。

第３に、熱媒密度も温度によつて変化し、圧力
によつても変化する。特に、熱媒が気体、または
気液二相流体になりやすいような温度および圧力
の条件下で使用される熱媒循環系では、計測値に
温度や圧力が与える影響が大きく、計測信頼度が
低い。

上述の如く、従来技術による熱量計測は、熱媒
の物性値によつて影響を受けることを承知の上で
行われており、特に、熱媒の温度が高い場合や、
系の温度変化が大きい場合は計測信頼性が低いの
が実状である。

そこで、このような問題点を解決するために、
熱量計を用いた熱量計測装置として例えば、W.
Dickinson氏他により“Solar Energy
Technology Handbook，PartA，Marcel
Dekker社1980Newyork”に開示されたものがあ
る。

本例は、第５図に示すように、断熱材７で周囲
の温度環境から十分に断熱された熱量計８を循環
路３の供試体１より上流側に設け、熱量計８に入
力された電力と、熱量計８の出入口温度差（T₄
−T₃）および供試体１の出入口温度差（T₂−
T₁）を測定して供試体１に入力された熱量を算
出するもので、ここで、９Ａおよび９Ｂは温度差
計、１０は熱量計８に供給する電力の調整器、１
１は電力計、更に１２は熱放熱器である。

すなわち、供試体１に入力される単位時間当り
の熱量Quおよび熱量計８に入力される単位時間
当りの熱量Qcはそれぞれ次式であらわされる。

Qu＝mC（T₂−T₁） ……(2) Qc＝mC（T₀₂−T₀₁） ……(3) ここで、 ｍ：熱媒の質量流量 Ｃ：熱媒の比熱 よつて、式(2)および(3)から次式(4)が得られる。

Qu＝QcT₂−T₁／T₄−T₃ ……(4) そこで、本例によれば断熱が十分である限り、
熱量Qcをヒータ８Ａの消費電力から精度よく測
定することができるので、熱媒の物性値や流量に
かかわりなく、熱量の測定評価が得られる筈であ
る。しかしながら、第５図のような熱量計測装置
では、被測定加熱器１の出入口平均温度と、熱量
計８の出入口平均温度とが異なるために、熱媒の
比熱も厳密には異なつており式(4)を正確に書直す
と次のようになる。

Qu＝QcC₁₂／C₃₄T₂−T₁／T₄−T₃ ……(5) ここで、 C₁₂；T₁＋T₂／２における熱媒の比熱 C₃₄；T₃＋T₄／２における熱媒の比熱 従つて、熱量Quを求めるためには熱媒の比熱
が温度によつてどう変化するかという温度依存性
に関する情報が必要であり、このような情報の入
力がない限りこのような装置の特色が十分に生か
されないという点があつた。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、上記の点に鑑みて根本的に上記の問
題点を解決するために、熱媒の物性値に左右され
ず、また熱媒の流量を絶対的な独立した値として
使用することなく、相対的な分流比として計測
し、且つ、広い流量範囲に対応することのできる
熱量計測装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明は、熱媒
の循環路の熱量測定の対象となる供試被測定区域
または被測体（以下でこれらを被測部という）が
配設され、被測部に入力される熱量を測定するよ
うにした熱量計測装置において、被測部の下流に
設け、熱媒を測定分流路と主循環路とに分流させ
る分流手段と、測定分流路に直列に配置され、測
定分流路に導かれた熱媒から受取る熱量および熱
媒に供給する熱量の調整手段を有する冷却器およ
び熱量計と、熱量計の加熱手段に供給する電力お
よびその積算電力を表示する手段と、分流手段を
介して分岐させた測定分流路と主循環路との熱媒
の流量比を所定の値に保持させるように制御する
第１制御手段と、熱量計の出口および入口におけ
る熱媒の温度を被測部の出口および入口における
熱媒の温度にそれぞれ一致させるように制御する
第２制御手段とを具え、第１制御手段により流量
比を制御し、第２制御手段により熱媒の温度を制
御して、熱量計の加熱手段によつて消費された電
力量と流量比とから被測部に入力された熱量を測
定するようにしたことを特徴とする。

［作用］ このように構成した熱量計測装置は、測定分流
路と主循環路とに分流された熱媒の流量比を一定
に保たせるように制御し、かつ、測定分流路に設
けた熱量計の出入口温度を被測部の出入口温度と
一致させるように制御して熱量計に加えられた熱
量を電気的に計測することにより、物性値の変化
に影響されることなく、長期的な計測を含め広い
熱量計測分野に適用することができる。

［実施例］ 以下に、図面に基づいて本発明の実施例を詳細
かつ具体的に説明する。

第１図は本発明の一実施例を原理的に示すもの
で、本例では、ポンプ５によつて圧送された熱媒
が例えば燃焼式加熱器や太陽エネルギー集熱器で
代表される被測体１で加熱されて昇温し、発電用
蒸気発生器などの熱負荷熱交換器２にその熱エネ
ルギーを輸送するが、このような循環路３を主循
環路とする構成において、本例の熱量計測装置２
０はその主循環路３に分流槽（分流ヘツダー管）
２１を設け、計測用の分流路２２を分岐させるよ
うにするもので、分流槽２１の分岐直後の主循環
路３および計測分流路２２に流量計測手段として
例えばオリフイス２３Ａおよび２３Ｂを配設し、
オリフイス２３Ａおよび２３Ｂの前後間の差圧を
差圧計２４Ａおよび２４Ｂによつて検出する。か
くして差圧計２４Ａおよび２４Ｂからの出力ΔP
およびΔP′を比率差動増幅器２５に供給すること
によつて差動増幅器２５からの信号によりサーボ
モータ２６を駆動し、主循環路３と計測分流路２
２とにおける流量比率が設定比率ａに等しくなる
よう三方調節弁２７を駆動させる。

更にまた計測分流路２２には冷却器２８および
熱量計２９を直列に接続する。冷却器２８は、冷
却能力の制御が可能なように熱媒温度を必要に応
じて調節するためのフアン３０、または冷却媒体
を供給する熱交換コイル３１を具えている。また
熱量計２９は内部に電気ヒータ２９Ａを有し、電
気調節器３２により熱量計２９に供給する加熱量
を調整制御することができる。熱量計２９の消費
電力は指示出力機能のある電力計３３と一定時間
の積算値を計測する積算電力計３４とにより計測
される。３５はこれらの電力を供給する商用電源
である。

更にまた、３６は温度制御器であり、温度制御
器３６は被測体１の出口および入口側に設けた温
度検出器３６Ａおよび３６Ｂと、熱量計２９の出
口および入口側に設けた温度検出器３６Ｃおよび
３６Ｄとからの検出温度が入力され、これらの検
出温度T₁およびT₂とT₀₁およびT₀₂とにより冷却
器２８における冷却能力と電力調節器３２を介し
熱量計２９に入力される熱量とを制御することが
できる。

また、３７は乗算器であり、後述するようにし
て被測体１に入力される熱量を演算し、計測信号
を出力させることができる。

ついで、このように構成した熱量計測装置２０
における作用について述べることとする。まず、
差圧計２４Ａおよび２４Ｂからの検出信号は比率
差動増幅器２５に供給されるが、増幅器２５では
あらかじめ設定した比率ａでその出力信号が零に
なるようにヒツトされる。そこで差動増幅器２５
においては差圧計の検出差の関係が所定の比率ａ
よりずれると増幅器２５から、サーボモータ２６
に駆動信号が出力され、サーボモータ２６により
三方調節弁２７を動作させて、主循環路３と計測
分流路２２との分配開度を調節させる。なおその
制御については所定の流量比に収斂する方向に動
作させ、流量配分を設定値に維持させるように制
御させる。以下でこの制御動作をＧ制御と略して
呼び、設定値に保持される条件をＧ条件と呼ぶ。

次に加熱器１により熱媒が加熱される熱量、す
なわち、熱源としての被測体１の熱供給能力測定
を例に説明する。被測定区間となる加熱器１の入
口および出口の温度検出器３６Ａおよび３６Ｂな
らびに熱量計２９の入口および出口の温度検出器
３６Ｃおよび３６Ｄにおける温度条件は T₁＜T₂ T₀₁＜T₀₂ である。

そこで、温度制御器３６にそれぞれの温度検出
器からの出力を供給して冷却器２８の冷却能力を
フアン３、熱交換コイル３１に供給する冷却媒体
を調節し、温度T₀₁をT₁に一致させるように制御
させる。

この温度追従制御をＣ制御と呼び、条件をＣ条
件と呼ぶ。

更にまた、熱量計２９の加熱能力を電力調節器
３２により調節して、温度T₀₂を温度T₂に一致さ
せるように制御させる。

この温度追従制御をＨ制御と呼び、条件をＨ条
件と呼ぶ。

かくしてＣ条件およびＨ条件が維持されている
状態では被測定区間の加熱器１内の熱媒と計測分
流路２２の熱量計２９内の熱媒とは、温度、その
他の物性値等が同じ条件にあり、かつ、これらの
条件に加えてＧ条件が満されていると、加熱器１
内の流量と熱量計２９内の流量との比が（１＋
ａ）：１の関係に保持されることになる。

そこで、加熱器１の熱供給能力は、熱量計２９
の内部発熱体の消費電力の（１＋ａ）倍に等しい
ことになり、電力計３３および積算電力計３４の
指示を（１＋ａ）倍した目盛で直読するかもしく
は乗算器３７によつて電力計３３および積算電力
計３４の出力から比測定区間の熱量を演算させる
ことにより加熱器に加えられた熱量を検知するこ
とができる。

これを下記の式で示す。

Qg＝Cp′・ρ′・G′（T₂−T₁） ……(6) Q₀＝Cp・ρ・Ｇ（T₀₂−T₀₁） ……(7) しかるにここで上式(6)および(7)においてＣ制御
とＨ制御とにより T₁＝T₀₁ T₂＝T₀₂ よつてCp′・ρ′＝Cp・ρ ……(8) またＧ制御により G′＝（１＋ａ）Ｇ ……(9) 故に以上の式から Qg＝（１＋ａ）Q₀ ……(10) なお、式(6)〜(10)において、、 Qg；加熱器の単位時間当りの熱供給熱量 Q₀；熱量計の単位時間当りの内部発熱量 Cp、Cp′；熱媒の比熱 ρ、ρ′；熱媒の密度 T₂；加熱器の出口温度 T₁；加熱器の入口温度、 T₀₂；熱量計の出口温度 T₀₁；熱量計の入口温度 Ｇ；熱量計の体積流量 G′；加熱器の体積流量 ａ；流量分流比 ａ＝分流後の主循環路流量／計測分流路の流量＝√Δ
P′／√ΔP……(11) 式(11)において、 ΔP′；差圧計２３Ｂの検出差圧 ΔP；差圧計２３Ａ検出差圧 そこで、次に、温度制御器３６にそれぞれの温
度検出器出力T₁，T₂，T₃およびT₄を入力して、
冷却器２８の冷却能力を調節し、T₀₁をT₄に一致
させるように制御させる（Ｃ条件）。

更にまた、熱量計２９の加熱能力を電力調節器
３２により調節して、T₀₂をT₃に一致させるよう
に制御させる（Ｈ条件）。

かくしてＣ制御により、Ｃ条件が維持され、Ｈ
制御により、Ｈ条件が維持され、且つＧ制御によ
りＧ条件が満されている状態では、熱負荷熱交換
器２の内部熱媒条件が、熱量計２９の内部熱媒条
件に等しくなるために、熱負荷熱交換器２の消費
熱量は熱量計２９の内部で消費される電力量の流
量比(a)倍に等価となる、 Qu＝Cp′・ρ′・G′（T₃−T₄） ……(13) Qo＝Cp・ρ・Ｇ（T₀₂−T₀₁） ……(14) ここで T₄＝T₀₁ ……Ｃ制御 T₃＝T₀₂ ……Ｈ制御 によつて、 Cp′・ρ′＝Cp・ρ G′＝ａ・Ｇ Ｃ……制御 ゆえに Qu＝aQo ここで、 Qu：熱負荷熱交換器２の単位時間当りの消費熱
量 Qo；熱量計１の単位時間当りの内部発熱量 Cp、Cp′；熱媒の比熱 ρ、ρ′；熱媒の密度 T₃；熱負荷熱交換器の入口温度 T₄；熱負荷熱交換器の出口温度 G′；熱負荷熱交換器の体積流量 T₀₁；熱量計の入口温度 T₀₁；熱量計の出口温度 Ｇ；熱量計の体積流量 ａ；流量比 ａ＝√ΔP′／√ΔP ΔP′；差圧計２４Ｂの検出差圧 ΔP；差圧計２４Ａの検出差圧 以上述べてきたように、本発明の特徴の一つ
は、主循環回路３と計測分流路２２とにおける流
量比を一定に維持する制御機構にある。

すなわち、熱媒の温度、粘性、密度、圧力、比
熱等の変動ならびに経時的な物性値の変化や不純
物の混入等が熱量計測に影響することに対し、本
発明では分流槽２１に接続された主循環路用オリ
フイス２３Ａと計測分流路用オリフイス２３Ｂと
が同じ物理的条件にあるためにこれらのオリフイ
ス２３Ａおよび２３Ｂを介して得られる差圧比の
平方根は常に流量比に等しい。かくして流量を絶
対値として計測していない点に特徴がある。

そこで、上記の条件のもとにあつて、冷却器２
８と熱量計２９における出入口温度条件とを温度
制御器３６によつて制御することにより熱量計２
９の消費電力と流量比とから被測定区間の熱量増
分あるいは熱量減分を計測することを可能とする
ものである。

また、本発明に適用する熱量計２９は内部に電
気ヒータ２９Ａを有する熱媒通過型であるが、熱
媒の出入口温度の計測精度を高くするために熱量
計２９の出入口近くに図示しない熱媒温度計測溜
り、乱流促進部品、熱電対の複数個を直列に接続
した部材等を負荷して構成することができる。

更にまた、熱量計２９には外壁に十分な断熱保
護の施工を行うが、外部に放出する熱損失を補償
するために必要に応じて外壁の断熱材中間層に均
熱板と補償ヒータ等を設け、内部からの損失を零
に近くするため、均熱板の温度を内部容器壁の温
度と等温にする温度制御器を付加するようにして
もよい。

また、流量の比を計測する手段として、オリフ
イス２３Ａ，２３Ｂに代えて例えばピトー管やそ
の他の差圧検出手段で構成することができるのは
いうまでもない。

なお上述した例は熱供給源である加熱器１の熱
供給量を計測する場合に使用した例であり、かつ
熱負荷熱交換器２の熱消費量を計測する例でもあ
つたが被計測区間を例えば配管路の一部としその
区間の出入口温度レベルと温度差に合せて制御を
行うことにより配管路の熱損失（正または負につ
いても可能）を本発明の適用によつて計測するこ
とができる。

第２図は本発明の他の実施例を示し、本例は温
度の比較的低い熱エネルギー、例えば平板型の太
陽集熱器やソーラボンド型集熱装置、または産業
排熱を回収して有効に利用する排熱回収器等の熱
供給源１００から熱エネルギーを集め、ヒートポ
ンプ５０により昇温し、熱負荷熱交換器２００に
熱エネルギーを輸送して熱利用する循環路３にお
いて、例えば、排熱の回収量、あるいは熱負荷の
熱消費量、配管路の熱損失、熱量授受の定量計測
ならびに監視を行う例である。すなわち、本例で
は被計測区間の出入口温度レベルと温度差に合せ
た制御を行うことによつて上述したようなそれぞ
れの目的熱量を計測し得る。

更にまた、第３図は本発明の更に他の実施例を
示し、本例は一般の熱媒循環圧縮式ポンプ型ある
いはターボ型の冷房装置においてその凝縮器３０
０における熱放出量あるいは冷房膨張器４００に
おける熱吸収量（冷房熱量に等価）を計測する例
である。

なお、第２図および第３図において４０は膨張
弁である。

これらの例における計測動作についても、先に
述べた手順の制御にしたがうものであるが、これ
らの例では更に冷却器２８の入口温度T₀₃および
出口温度T₀₄について下記のような制御を実施す
る。すなわち、凝縮器３００の熱放出量を計測す
る場合は、Ｇ制御により所定の流量比を保持し、
更にＣ制御により温度間にT₀₄＝T₀₁＝T₂の関係
が保たれるようになし、Ｈ制御によりT₀₂＝T₁と
なるように制御することにより（T₁−T₂）＝（T₀₂
−T₀₁）の関係を保持させ、電力計３３および積
算電力計３４からの読取りを流量比率倍（１＋
ａ）することによつて放出熱量を計測することが
できる。

同様にして温度条件がT₀₁＝T₃およびT₀₂＝T₄
に保たされるようにＣ制御およびＨ制御を実施し
更にＧ制御によつて限定した流量比を保持させる
ようにすることにより、冷房熱量を熱量計２９の
電力計３３および積算電極計３４の読みから先に
述べた手順により知ることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、熱媒を
使用した熱輸送循環系において、その主要な構成
機器の熱量的性能の評価ならびに運転中の熱量的
性能の監視、更には配管路の熱損失等を定量的に
表示したり、記録を連続的に計測することが長期
にわたり可能となる。

更にまた本発明熱量計測装置を導入した熱プラ
ントにおいては、各部の熱量的性能を正確に把握
することができると共に、全体の熱管理を計器の
監視によつて可能となし、経済的に最適化を図る
ための適切なデータが取得でき技術的に効率の低
下状況を適確に判断するための熱量データが取得
できるので、補修や交換時期の判定にも貢献でき
るものである。

例えば、熱交換器の交換熱量を計測することに
よつて熱エネルギーの伝達効率がい低下した状況
を適確に認知することができれば、そのまま使用
した場合のプラント効率低下による熱損失費と改
修交換費とを比較して交換時期を適切に設定する
ことができる。また、循環経路の断熱性能につい
ても同様に補修部分の検出と補修時期の判定を適
正に決定し得るものである。

更にまた、本発明による熱量計測によつて熱媒
による熱エネルギー（高温熱、低温熱）の授受に
関し、定量的な計測が長期にわたり可能となり、
循環経路においてなされた熱エネルギーの授受に
対して適正な代価や課税評価を得ることができ
る。

また、本発明の熱量計測装置によれば熱プラン
トの構成機器の性能改善や高性能化に必要な改良
のための情報が得られ、エネルギーの高効率利用
技術等に対する波及効果が大きく、更に、経済性
改善に必要な熱管理面の情報が得られることによ
り産業界にも好ましい影響を与える。更には排熱
公害の逓減を促すことも貢献し社会的にもその発
明の効果は高く評価できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明熱量計測装置の構成の一例を示
すブロツク図、第２図および第３図は本発明を熱
媒循環系に適用した場合の実施例として、その構
成をそれぞれ示すブロツク図、第４図および第５
図は従来の熱量計測装置の構成をそれぞれ示すブ
ロツク図である。 １……加熱器（被測体）、２，２００……熱負
荷熱交換器、３……循環路、４……フイルタ、
５，５０……ポンプ、６……流量計、７……断熱
材、８……熱量計、９Ａ，９Ｂ……温度差計、１
０……電力調整器、１１……電力計、１２……熱
放出器、２０……熱量計測装置、２１……分流
槽、２２……分流路、２３Ａ，２３Ｂ……オリフ
イス、２４Ａ，２４Ｂ……差圧計、２５……比率
差動増幅器、２６……サーボモータ、２７……三
方調節弁、２８……冷却器、２９……熱量計、２
９Ａ……ヒータ、３０……フアン、３１……熱交
換コイル、３２……電力調節器、３３……電力
計、３４……積算電力計、３５……電源、３６…
…温度制御器、３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄ
……温度検出器、３７……乗算器、１００……集
熱器、３００……凝縮器、４００……冷房器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱媒の循環路に熱量測定の対象となる被測部
   が配設され、、該被測部に対して入力または出力
   される熱量を測定するようにした熱量計測装置に
   おいて、 前記被測部の下流に設け、前記熱媒を測定分流
   路と主循環路とに分流させる分流手段と、 前記測定分流路に直列に配置され、該測定分流
   路に導かれた前記熱媒から受取る熱量および該熱
   媒に供給する熱量の調整手段を有する冷却器およ
   び熱量計と、 該熱量計の加熱手段に供給する電力およびその
   積算電力を表示する手段と、 前記分流手段を介して分岐させた前記測定分流
   路と前記主循環路との熱媒の流量比を所定の値に
   保持させるように制御する第１制御手段と、 前記熱量計の出口および入口における熱媒の温
   度を前記被測部の出口および入口における熱媒の
   温度にそれぞれ一致させるように制御する第２制
   御手段とを具え、 前記第１制御手段により前記流量比を制御し、
   前記第２制御手段により前記熱媒の温度を制御し
   て、前記熱量計の加熱手段によつて消費された電
   力量と前記流量比とから前記被測部に入力された
   熱量を測定するようにしたことを特徴とする熱量
   計測装置。