NL7902313A - Warmtehoeveelheidsmeter. - Google Patents

Description

' ' I? ff- t H.O. 27.279 '-1', H.V. tot Keuring van Elektrotechnische Materialen, te Arnhem,

Aanvraagster noemt als uitvinders: E.H.J.Beuse, H.R.van Iterson, J.W. Jansen, P.H.M.Wichern. Tfènntehoevee lhe idsmet er.

De uitvinding heeft betrekking op een warmtehoe-veelheidsmeter voor klein verbruik welke bijvoorbeeld bij gebruikers in stadsverwarmingsnetten geplaatst kan worden.

In de ‘toekomst zullen in steeds meer steden en wijken stadsverwarmingsnetten worden toegepast, waarbij elk huis 5 in plaats van een eigen cv-kete-1 een aansluiting krijgt op een openbaar verwarmingsnet· Hieruit krijgt de verbruiker rechtstreeks of via een warmtewisselaar het warme water voor zijn huisverwarmingsinstallatie en tapwatervoorzie-ning. Duidelijk is gebleken dat bij deze stadsverwarming 10 het totale gebruik afneemt wanneer er per afzonderlijke verbruiker de hoeveelheid afgenomen warmte wordt gemeten.

De verbruiker heeft dan aan de hand van de warmtehoeveel-heidsmeter een inzicht in de kosten van zijn verwarming.

Om deze reden vindt men het nuttig om warmtehoeveelheids- 15 meters voor klein verbruik te installeren.

De bestaande meters hebben alle het nadeel dat zij niet nauwkeurig genoeg zijn zoals bijvoorbeeld ver-dampingsmeters of dat zij te .duur in aanschaf en/of onderhoud zijn zoals meters met turbine-edementen danwel elek- 20 tromagnetische stroomsnelheidsmeters.

De uitvinding beoogt een warmtehoeveelheidsmeter aan te geven die bovengenoemde nadelen niet heeft onder meer door het geheel ontbreken van bewegende delen in de stromende)vloeistof, waardoor er ook geen obstruktie in de 25 7002313 \

Ji 1 2 aanvoer en terugvoerleidingen aanwezig is en waarbij de meter ook geen onderhoud nodig beeft. Dit wordt volgens de uitvinding bereikt doordat de werking van de warmtehoe-veelbeidsmeter berust op de meting van een aantal temperaturen, waarbij deze metingen principieel afwijken van de 5 tot nu toe toegepaste technieken waarbij de stroming rechtstreeks gemeten wordt. Hierbij wordt gebruik gemaakt van het feit dat de warmte-overdracht tussen de warmtedra-ger of stromende vloeistof en een lichaam waarin of waarlangs deze vloeistof getransporteerd wordt, afhankelijk is 10 onder meer van de stroomsnelheid van de vloeistof.

Naarmate deze stroomsnelheid toeneemt zal de warmteweerstand kleiner worden. Men beoogt nu deze warmte-weerstand te meten. Aangezien dit niet rechtstreeks kan gebeuren heeft men een warmtestroom laten ontstaan die van 15 de warmteoverdrachtscoëfficiënt afhankelijk is. Men heeft daartoe tussen de aanvoer en afvoer of retourleiding een energieverbinding of in het bijzonder een thermische verbinding aangebracht. In het meer algemene geval van een energieverbinding zal naast warmtestroom door geleiding, 20 ' straling of convectie ook een warmtetransport kunnen plaatsvinden door Peltiereffecten als de verbinding elektrisch geleidend is. De voor dit geval mogelijk door het Seebeck-effect opgewekte benodigde -kringstroom is een maat voor deze vorm van energieoverdracht. Deze energiestroom be- 25 paalt op zijn beurt de beoogde warmtestroomo In deze ver-binding onstaat een warmtestroom die afhankelijk is van het verschil in temperatuur tussen het warme water in de aanvoerleiding en het afgekoelde water in de afvoerleiding, en van de totale warmteweerstand. Deze totale warmteweer- 50 stand bestaat uit een vaste component die bepaald wordt door de thermische verbinding eventueel samen met de wanden van de leidingen, en uit een variabele component die voornamelijk bepaald wordt door de stromingen van de vloeistof in de thermische grenslagen. 35 7902313 . 3 ‘ *

De component van de totale warmteweerstand in de dwarsverbinding kan lineair zijn, maar kan ook niet-li-neair verlopen om overige niet-lineariteiten bijvoorbeeld van de warmteweerstand in de grenslagen geheel of gedeeltelijk te compenseren. cj

De grootte van de afgetakte warmtestroom kan gemeten worden door middel van een temperatuurverschilme-ting over het ingebouwde constante deel van de totale warmteweerstand,aangezien de warmtestroom door de verbinding gepaard gaat met een temperatuurval over deze ver- 10 binding. Deze temperatuurval is mede afhankelijk van de stroomsnelheid van de vloeistofstroming en kan samen met behulp van een meting van het temperatuurverschil tussen de warme vloeistof in de aanvoerleiding en de afgekoelde vloeistof in de afvoerleiding het momentele warmteverbruik 15 van de aangesloten verbruikersinstallatie aangeven.

In het geval van het door het Peltiereffect veroorzaakte warmtetransport kan de hiervoor opgewekte en benodigde kringstroom gemeten worden bijvoorbeeld met een Hall-element. 20

De absolute temperaturen van beide vloeistofstromen zijn ook van belang, aangezien de relevante stofcon-stantes, zoals de warmtegeleidingscoëfficiëni; ^ , de soortelijke warmte C zwak-, en de viscositeit-1Π sterk tempe-ratuurafhankelijk zijn.Mede om deze temperatuur-afhanke- 25 lijke stofconstantes in de overdrachtsfunctie te betrekken wordt de absolute temperatuur van de warme of van de afgekoelde vloeistofstroming gemeten.

De door de temperatuur-opnemers Mgegeven signalen worden door een elektronische eenheid volgens een em- 30 pirisch bepaald verband bewerkt tot een warmtehoeveelheid pertijdseenheid of warmtestroomsignaal.

De bovenaangegeven warmtehoeveelhe'idsmeter is in feite een vermogensmeter. Door in de elektronische eenheid gebruik te maken van een integrerende of sommerende scha- 35 7*02313 4 i i i keling kan meö tot egn totaal per gekozen tijdsperiode doorgevoerde warmtehoeveelheid komen.

De uitvinding zal aan de hand van een uitvoerings-voorbeeld nader toegelicht worden met verwijzing naar de figuren, waarin: ^ fig. 1a een aanzicht geeft van de leidingsstukken met een thermische dwarsverbinding van de warmtehoeveel-heidsmeter; fig.1b een zijaanzicht geeft van een gedeelte van een leidingstuk met daarop via een ringaansluiting 10 bevestigde dwarsverbinding in staafvorm; • fig.2 een aanzicht geeft van een uitvoeringsvorm van de warmtehoeveelheidsmeter; fig.3a,b en·,c een aanzicht geven van drie varianten van de aansluiting van de dwarsverbinding op een lei- 15 dingstuk; en fig.4 een zijaanzicht geeft' van een coaxiaal opgesteld koppellichaam aan het einde van cfe dwarsverbinding in een leidingstuk.

Fig. 1a geeft een principeschets van de meter, 20 waarin met 1 de aanvoerleiding, met 2 de afvoerleiding en met 3 de thermische dwarsverbinding in staafvorm is aangeduid. De temperatuurverschillen kunnen worden gemeten met opnemers, zoals thermokoppels, waarop een gevoelige versterker wordt aangesloten. De thermokoppels kunnen op of ^ in het materiaal zijn gesoldeerd.

De warmtestroom door de dwarsverbinding, die bijvoorbeeld van koper kan zijn, wordt onder andere bepaald door de vloeistofstroomsnelheid ter plaatse van de thermische aansluitingen aan de toe- en afvoerleiding. Deze 30 warmtestroom wordt bepaald aan de hand van de temperatuur-val &T Shunt ' over dwarsverbinding. De stroomsnelheid van de vloeistof, die water kan zijn, met zijn invloed op de temperatuurval is tevens parameter van de pas serende hoeveelheid warmte per tijdseenheid of warmte- ^ 790 2 3 1 3 5 Z -f stroom.

Er bestaat daardoor een verband tussen iö? , .en . shunt

Qin, welk verband empirisch vastgelegd kan worden. Uit het verband blijkt de temperatuurval h over de dwarsverbinding niet alleen van de stromingssnelheid en de ver- 5 schiltemperatuur tussen beide vloeistofstromen afhangt maar ook van de absolute temperatuur ^a^s· Deze drie parameters bepalen het verband tussen en cLe passerende netto warmtestroom.

Behalve de voor de elektronische eenheid afzonde:?* Ί0 lijk toe te voeren hoeveelheid vermogen wordt in de ther-mische verbinding ook een warmtestroom Qg^unt gevoerd. Deze heeft een zeer minieme daling van de temperatuur van de warme vloeistof wanneet het de warmtehoeveelheidsmeter passeert, tot gevolg. Ί5

De warmte-energie zelf gaat niet verloren. De warmteshunt verlate hoewel minimaal de hoeveelheid nuttig te gebruiken warmte, zodat de aan de uitgang van de warmte-meter af gegeven = ^aal - Qshunt (zie figuur 1).

ïen aanzien van de korte aanstr ooms tukken van de 20 pijpwanden waar de warmte naar en van de shunt wordt overgedragen, de begrenzing van de aanstroomstukken door de pijpwanddikte en de variërende stroomsterkte is een duidelijk-en bruikbaar empirisch verband tussen de parameters aanwezig. 25

Bij deze warmtehoeveelheidsmeter, die ook wel als een zogenaamde grenslaagdebietmeter aangeduid kan worden, is het empirisch geconstateerde verband tussen warmteoverdracht via de thermische verbinding en stroomsnelheid van de vloeistofstroming onderzocht. 30 te

Enige van belang achten parameters zijn onder meer: 1 afmetingen van het warmte overdragend oppervlak binnen de vloeistofleiding; 2 de invloed van vreemde bestanddelen in het cir- 35 culerende water.

7902313 r ι ; > ’ 6

Ad. 1. Het vlak waarin de thermische verbinding op de leidingwand aansluit is begrensd. Het warmtetransport door de verbinding wordt niet alleen ter plaatse van dit aansluitvlak voortgezet, maar ook via de omringende leidingwand buiten dit vlak vindt nog enige warmte-overdracht 5 plaats. De invloed van dit randeffekt is afhankelijk van de leidingwanddikte, de warmtegeleidingscoëfficiënt van het leidingmateriaal, en de warmte-overdrachtscoëfficiënt tussen wand- en strometad medium;

In fig. 1b is een zijaanzicht gegeven van een door- 10 snede door de ringverbinding van de thermische verbinding 3 met één der leidingen 1 of 2. In de laminaire grenslaag 7 kan de gehele snelheidsgradiënt van de buisstroom gelokaliseerd gedacht worden. levens kan in deze grenslaag het grootste gedeelte van de temperatuurgradiënt gedacht wor- 15 den. Met A is een aansluiting van de temperatuurversch.il-opnemer aangegeven. Deze temperatuurverschilopnemer kan ook uit twee afzonderlijke absolute- temperatuuropnemers bestaan.

In fig. 2 is een mogelijke uitvoeringsvorm van de 20 warmtehoeveelheidsmeter volgens de uitvinding aangegeven.

Hierin zijn met 1 en 2 respectievelijk weer de aanvoer- en afvoerleidingen, met 10 het huis van de meter, met 8 de elektronische verwerkingseeheid, met 9 de elektrische voe-dingseenheid en met 11 het afleespaneel aangegeven. 25

In fig. 3a en b zijn twee voorbeelden aangegeven van een leidingstuk met een daarop via puptaansluiting bevestigde dwarsverbinding, en een leidingstuk met een via een ringaanluiting bevestigde dwarsverbinding 3. In fig.

3c is een verdere variant van de ringaassluiting aangege- 30 ven waarbij de dwarsverbinding 3 een blokvorm heeft. De dwarsverbinding 3 kan hier van roestvrij staal zijn.

Randeffekten zullen in beide uitvoeringsvormen verschillend inwerken. Zo is de verhouding randlengte/door-voeroppervlakte voor de puntaansluiting groter dan voor de 35 ringaansluiting. Bovendien heeft de puntaansluiting randen 7902313 * r' * 7 in langsrichting van de stroming, terwijl de ringaanslui-ting alleen randen in de dwarsrichting heeft.

3?ig. 4- geeft een zijaanzicht van een coaxiaal in een leidingstuk 1,2 opgesteld koppellichaam 6 aan een uiteinde van de thermische verbinding 3· De coaxiale opstel- 5 ling heeft het voordeel dat in het midden van de leiding de stroomsnelheid het meest bijdraagt aan het debiet. Tevens kan de aanstroomvorm van het koppellichaam zodanig gekozen zijn dat er tussen het warmtetransport in de leiding en het gemeten temperatuurverschil over de thermi- 10 sche verbinding een gewenst verband bestaat. Duidelijk is hierbij aangegeven dat tussen de thermische verbinding 3 en de wand van de leiding 1,2 een thermische isolatiering 5 kan zijn aangebracht om eventuele warmteoverdracht vanaf of naar de wand van de leiding tegen te gaan. 15 ad 2. Aan het circulerende water van de stadsverwarming worden stoffen toegevoegd om erosie te bestrijden en om met minder stuwkracht van de pomp toe te kunnen.

Vast staat dat sommige stoffen invloed hebben op de warm-teoverdrachtseigenschappen van de buisstroom naar de wan- 20 den. Deze effekten kunnen invloed hebben op de optimale geometrie van de warmteshunt en op de meterconstanten.

Aan de hand van aan grondmodellen uitgevoerde series metingen zijn een aantal krommen bepaald die het verband tussen de en de netto-warmtehoeveelheid per 25 tijdseenheid aangeven.

Gebleken is dat al deze krommen benaderd worden door een formule van de vorm « = Kc&ip x tp(Tin> tstx) x toshSr

Hierin zijn de parameters K en B geen constanten, maar funkties van de verschiltemperatuur en de absolute temperatuur (abs). De parameter r kan een geheel cf* tgpbroken getal zijn,.;

Bij het laatste prototype is gebleken dat de to- 7902313

f .I

8...

tale formule voor liet verbruik bij benadering gelijk is aan:

p = 78,9 . f_JO_ *» 7AtA

'(0,0325 ^(^*11,7)^· shunti

De elektronische eenheid moet in staat zijn om aan de hand van de ingevoerde uitgai§3signalen van de tem- 5 peratuuropnemers bovenstaande berekeningen uit te voeren.

Dit houdt in: a het vermenigvuldigen van variabelen met een constante faktor; b het optellen van een vast getal bij een bewerkte varia- 10 bele; c het vormen van reciproke waarde van een variabele; d het vermènigvuldigen van twee variabelen; e het verheffen van een variable term tot de vierde macht.

Voor a en b kunnen operationele versterkers ge- 15 bruikt worden waarmee optel- en vermenigvuldigfunkties eenvoudig gerealiseerd kunnen worden. Voor c en d kan een vermenigvuldiger gebruikt worden die ook nog een deelingang heeft. Voor e kan een module (de 4-33J van Analog Devices) gebruikt worden welke machtsverheffen, delen en vermenig- 20 vuldigen mogelijk maakt met behulp van de formule: (.m uz J , waarin

UJ

u = uitgangsspanning; u , u , u ingansspanningen zijn en O fjr Zi λ m de macht is die met twee weerstanden ingesteld kan worden. 25

De in de boven gegeven beschrijving aangegeven thermokoppels als temperatuuropnemers vereisen een referentie, de zogenaamde koude las eventueel gerealiseerd met koude lascompensatieschakelingen.

Er zijn evenwel andere opnemers die zonder koude 30 lascompensatie kunnen werken, zoals micro-platinaweerstan-den, halfgeleiderjuncties, miniatuur NTC's en thermistors.

7902313

Claims (15)

1. Warmtehoeveelheidsmeter voor klein verbruik t 5 voor de meting van de warmtehoeveelheid ontrokken aan een stromende vloeistof door een verbruikersinstallatie welke meter opgenomen is tussen de aan- en afvoerleidingen van de installatie, bestaande uit een huis voorzien van een leidingstuk voor de warme en een leidingstuk voor de afge- 10 koelde vloeistof, tussen welke leidingstukken een verbinding bestaat en uit twee temperatuurverschilopnemers, waarvan de ene tussen beide leidingstukken en de andere over een deel van de verbinding is aangebracht, en uit een op één van beide leadingstukken aangesloten absolute-tem- 15 peratuuropnemer en uit een elektronische eenheid voor het verwerken van de uitgaiêsignalen van de temperatuuropne-mers.

2. Warmtehoeveelheidsmeter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de verbinding een ther- 20 mische verbinding is waarin een thermische energie-of warmtestroom ontstaat.

5. Warmtehoeveelheidsmeter volgens conclusie 1 of 2 m e t het kenmerk, dat een of beide temperatuurverschilopnemers uit twee absolute-temperatuuropne- 25 mers bestaan.

4. Warmtehoeveelheidsmeter volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de thermische verbinding via een ringaansluiting aan de leidingstukken bevestigd is.

5- Warmtehoeveelheidsmeter volgens conclusie 2, 50 met het kenmerk, dat de thermische verbinding via een puntaansluiting aan de leidingsükken bevestigd is.

6. Warmtehoeveelheidsmeter volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de 7902313 ( »-1 ΊΟ thermische verbinding al of niet thermisch geïsoleerd van de leidingwanden contact maakt met één of beide vloeistof-stromen.

7· Warmtehoeveelheidsmeter volgens één der voorgaande conclusies 2-6, met het kenmerk, dat 5 de temperatuuropnemers in het materiaal van de leiding-. stukken en/of van de thermische verbinding ingebracht zijn.

8. Warmtehoeveelheidsmeter volgens één der voorgaande conclusies 2-7, met het kenmerk, dat de temperatuuropnemer van het temperatuurverschil tussen Ί0 de warme en afgekoelde vloeistof aan de distributienetzij-de van de thermische verbinding tussen de leidingstukken aangebracht is.

9. Warmtehoeveelheidsmeter volgens één der voorgaande conclusies 2-7, met het kenmerk, dat 15 de temperatuuropnemer van het temperatuurverschil tussen de warme en afgekoelde vloeistof aan de verbruikerszijde van de thermische verbinding tussen de leidingstukken aangebracht is.

10. Warmtehoeveelheidsmeter volgens één der voor- 20 gaande conclusies 2-9, met het kenmerk, dat de temperatuuropnemer voor de absolute temperatuur op de aanvoerleiding voor de thermische verbinding is aangebracht.

11. Warmtehoeveelheidsmeter volgens één der voor- 25 gaande conclusies 2-10, m .e t het kenmerk, dat de thermische verbinding een lineaire warmteweerstand heeft.

12. Warmtehoeveelheidsmeter volgens één der voorgaande conclusies 2-10, met het kenmerk, dat 30 de thermische verbinding een niet-lineaire warmteweerstand heeft om overige niet-lineairiteiten geheel of gedeeltelijk te compenseren.

13. Warmtehoeveelheidsmeter volgens één der voorgaande conclusies, met liet kenmerk, dat de 35 7902313 > . . Γ , temperatuuropnemers elektronisch waarneembare grootheden moduleren of afgeven.

14. Warmtehoeveelheidsmeter volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de elektronische eenheid een integrerende telschakeling heeft 5 om de gepasseerde warmtehoeveelheid aan te geven.

15· Warmtehoeveelheidsmeter volgens één der voor-- gaande conclusies voor toepassing hij een verbruiker in een stadsverwarmingsnet met water. 790 23 1 3