Gerät zum Messen der in einem stromenden Medium enthaltenen Wärmemenge.
Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Messen der in einem stromenden Medium ent haltenen Wärmemenge in bezug auf eine Bezugstemperatur mit einem zur Durchfüh- rung eines thermischen Kreisprozesses be stimmten, geschlossenen System, das einen Verdampfer, der mittels eines Bruchteils der in dem strömenden Medium enthaltenen Wärmemenge erwärmt wird, sowie einen Kondensator, welcher auf eine Bezugstemperatur abgekühl. t gehalten wird, enthält, wobei die Kondensatmenge als Messgrösse dient.
GerÏte dieser Art werden oft angewandt, nm die durch die Versorgung von Gebäuden mit Wärme und Warmwasser entstehenden Kosten auf die einzelnen Verbraucher gemäss der von jedem Verbraueher verbrauehten Menge zu verteilen. Es kann dabei ein Messgerät für jeden Verbraueher oder für jede Verbrauchsstelle, z. B. einen Heizkörper oder eine Warmwasserzapfstelle, vorgesehen sein, und die Anzeige des Messgerätes dient zur Angabe der verbrauchten Wärmemenge.
Die verbrauchte Wärmemenge wird dabei auf eine Temperatur bezogen, die für alle Verbraucher gleieh ist. Verständlicherweise kann als Bezugstemperatur weder die augen blickliche Raumtemperatur gewählt werden, da diese bei den einzelnen Verbrauchern weitgehend ändert und unterschiedlich ist, noch mit ausreichender Genauigkeit die mittlere Raumtemperatur, welche ebenfalls nicht eine für alle Verbraucher gleiche Grösse hat, Bine Bezugstemperatur, die für alle Verbraucher gleich ist, ist die Temperatur des Speisewassers für die wärmeerzeugende Anlage ; doch kann diese Temperatur nur selten an der Messstelle wirksam gemacht werden.
In diesem Zusammenhang sei bemerkt, dass die Kaltwassertemperatur bei den verschiede- nen Verbrauchern nicht als Bezugstemperatur geeignet ist, da sie von der Raumtemperatur, der Lage der Wohnung, der Besonnung und andern wechselnden Faktoren abhängig ist.
In einigen Fällen, zum Beispiel bei Fernheizungsanlagen, kann man jedoch als Bezugstemperatur die Temperat. ur der Hauptrückführleitung benutzen. Diese Messmethode ist übrigens im Prinzip früher für elektrische Wärmemesser, deren Taststellen bei der Zubzw. Ableitung eines Heizkörpers angebracht werden, vorgeschlagen worden.
Bekannte GerÏte der genannten Art sind mit Mängeln im Hinblick auf die Messgenauigkeit behaftet. Es sind GerÏte der Art vorgeschlagen worden, denen eine begrenzte Menge des in dem geschlossenen System gebildeten Kondensates des Arbeitsmittels entzogen wird, um sie in einem besonderen Messglas zu messen. Das entzogene Kondensat wird nach Beendigung der Registrierperiode dem System wieder zugeführt. Bei Verwendung eines Messglases ist die registrierte Kondensatmenge und damit die Messgenauigkeit prinzipiell jedoch sehr begrenzt.
Das Kondensatmessgerät ist bei Verwendung in GerÏten mit geschlossenem System innen in dem dicht geschlossenen System, in welchem das Arbeitsmittel zirkuliert, angebracht worden. Dies hat. zur Folge, dass beim Ablesen Fehler infolge Kapillarwirkung oder Parallaxe auftreten.
Man hat versucht, diesen Nachteil durch Verwendung mechanischer Registriergeräte, die von der gesamten Kondensatmenge beeinflusst werden, zu vermeiden. Mechanische Zählwerke ertragen indessen nicht, den im System zirkulierenden Dämpfen des Arbeits- mit. tels ausgesetzt zu sein und können ausserdem infolge ihrer Anbringung innen in dem geschlossenen System nicht nachgesehen werden. Weiterhin ist es schwierig, das Messgehäuse der Scheibe gegenüber, durch welche das Zählwerk abgelesen werden soll, abzudichten.
Der zum Messen bestimmte Bruchteil der Wärmemenge in dem strömenden Mit. tel wird in der Regel dem Messgerät mittels eines Teilstromes, dessen Menge zwecks Erreichung eines genauen Messergebnisses zu jedem beliebigen Zeitpunkt ein und den gleichen Bruchteil des Hauptstromes ausmachen soll, zugeleitet. Dies bedingt, dass die Strömungsverhältnisse im Hauptstrom und Teilstrom genau gleich sein müssen. Dies ist indessen bei den bekannten Anordnungen, in denen die Strömung bei wachsender Geschwindigkeit von einer laminaren in eine turbulente Str¯mung übergeht, nicht der Fall. Direkt nach dem iTbergang von der laminaren Strömung ist die turbulente Strömung zudem sehr unregelmässig. Dies gilt in der Praxis indessen oftmals nur für den Hauptstrom, da der Teilstrom gewöhnlich laminar ist.
Sollte auch der Teilstrom turbulent werden können, so würde auch er mit wachsender Geschwindig- keit die genannten Stadien durchlaufen ; doch würde es in solchem Fall pralitisch unmöglich sein, einen genau zusammenfallenden Verlauf der Strömungszustände im Hauptstrom und Teilstrom zu erreichen.
Die bekannten Geräte schliessen somit viele Fehlerquellen ein, und es ist das'Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Gerät zu schaffen, in dem die genannten Nachteile vermieden werden. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der Widerstand einer Zweigleitung für den Teilstrom vorwiegend in dem in der Stromungsrichtung gesehen ersten Teil der Zweigleitung vorhanden ist, und dass die Enden der Zweigleitung an der Hauptstromleitung an solchen Stellen angesehlossen sind, die in der Stromungsrichtung des Hauptstromes gesehen mit Abstand voneinander und innerhalb eines Abschnittes der Hauptstromleitung liegen, in dem Mittel zur Erzwingung einer laminaren Strömung im Hauptstrom vorhanden sind,
dass ferner der Kondensator ein Kühlmittel mit konstanter Umwandlungstemperatur enthält und dass als Kondensatmessgerät ein Sehaufelrad vorhanden ist, welches derart eingerichtet ist, dass es durch reibungsfreie Wräfte in der Füllstellung festgehalten werden kann.
Die eingangs erwähnte Fehlerquelle, die bisher durch die ungleiehen Stromungazu- stände im Hauptstrom und im Teilstrom ver ursacht wurde, wird somit dadurch beseitigt, dass im Hauptstrom Mittel zur Sicherung einer laminaren Strömung über den gesamten Stromungsabschnitt, in welchem die Enden der Zweigleitung für den Teilstrom angeschlossen sind, angebracht sind und dass der überwiegende Widerstand im ersten Stück der Teilstromleitung vorhanden ist.
Hierdurch wird eine laminare Strömung in beiden Strömen bei allen vorkommenden Ge- sehwindigkeiten von Null an aufwärts erreicht, so dass die Strömung niemals im turbulenten Gebiet liegt. Man kann damit genaue Proportionalität zwischen Haupt- strom und Teilstrom erreichen.
Eine für alle Messgeräte einer Anlagte konstante Bezugstemperatur an den meus- stellen wird durch das verwendete, eine kon- stante Umwandlungstemperatur besitzende Kühlmitte] des Kondensators erreicht. Ein derartiges Kühlmittel kann aus einem chemi- schen Stoff bestehen, welcher während des Betriebes des Messgerätes beim Umwand Lungspunkt sich teils in festem, teils in flüssigem Zustand befindet.
Durch die genannten Massnahmen wird eine zum Hauptstrom des Mittels genau pro portionale Kondensatmenge des zirkulieren- den Arbeitsmittels erreicht. Die bisherigen L'ngenauigkeiten beim Messen der Konden- satmenge lassen sich durch die genannte Anordnung des Schaufelrades überwinden.
Das vom Gesa. mtstrom des Kondensates des in dem geschlossenen System zirkulierenden Arbeitsmittels betriebene Schaufelrad wird zum Beispiel in Füllstellung von einem äussern Kraftfeld festgehalten, bis die zu strömende Kondensatmenge genügend gross geworden ist, um die Wirkung des Kraftfeldes zu überwinden und das Rad einen Sehritt weiter zur nächsten Füllstellung unter Abgabe der gemessenen Kondensatmenge zu bewegen.
Das Arbeitsmittel wird somit nicht weggeführt, sondern zirkuliert unausgesetzt in dem geschlossenen System, wobei der Kon densatstrom das Messgerät beeinflusst und danach seinen Kreislauf fortsetzt. Die Kon densatmenge als solche wird dadurch die grösstmögliehe, ohne dass sie der fortgesetz- ten Teilnahme am Kreislauf entzogen wird.
Durch Anwendung eines Kraftfeldes zum Festhalten des Schaufelrades werden zudem mechanische Festhalteorgane innen im ge schlossenen System vermieden, welche Organe infolge von Reibkräften und Ver schleiss unzuverlässig sein würden.
Das äussere Kraftfeld ist vorzugsweise ein Magnetfeld, doch kann das Kraftfeld auch ein elektrisches oder ein Schwerkraft fjeld sein. Die Verwendung eines Magnetfel. des ist indessen besonders vorteilhaft in einem Gerät, bei welchem das in dem geschlossenen System angebrachte Kondensatmessgerät mittels einer magnetischen Kupplung mit einem ausserhalb des Systems angebrachten Registriergerät gekuppelt ist. In diesem Falle kann der Magnet der Kupp- lung, welcher auf dem Kondensatmessgerät angeordnet ist, auch dazu eingerichtet sein, mit einem stillstehenden Anker derart zu sammenzuarbeiten, dass das Kondensatmess- gerät während des Zulaufes des Kondensates stillgehalten wird, bis eine vorherbestimmte Menge erreicht ist.
Ausführungsbeispiele des erfindungsge- mässen Gerätes werden im folgenden unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert.
Fig. l zeigt schematisch einen Senkrecht- schnitt durch die erste Ausführungsform,
Fig. 2 das Gerät in Draufsicht,
Fig. 3 das Gerät in Seitenansicht, das heisst von rechts in Fig. 1, wobei die Vorderwand des Gehäuses entfernt ist,
Fig. 4 einen Schnitt nach Linie IV-IV in Fig. 2,
Fig. 5 ein Schaufelrad im Kondensatmessgerät in Seitenansicht und mit dem Gehäuse des Schaufelrades im Schnitt nach Linie V bis V in Fig. 6,
Fig. 6 einen Schnitt nach Linie VI-VI in Fig. 3 und 5 und
Fig. 7 sehematisch einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform des erfin dungsgemässen Gerätes.
In der in Fig. l-6 gezeigten Ausfüh rungsform hat das Gerät ein Gehäuse 10, in welchem ein Verdampfergefäss 12 und ein Kondensator 14 untergebracht sind. Im Verdampfergefäss liegt eine Rohrsehlange 16, die vollständig in ein flüssiges Arbeitsmittel eingetaucht ist, und die freien Enden der Schlange sind als Zweigleitung 20 und R ckleitung 22 mit dem Innern einer-Muffe 24 verbunden. Die Muffe 24 ist in eine nicht gezeigte Rohrleitung für das strömende Mittel, dessen Wärmemenge gemessen werden soll, eingefügt. Der Hauptstrom tritt in die Muffe durch einen Stutzen 34 ein und verlässt die Muffe durch einen Stutzen 36.
Die Muffe ist am Gehäuse 10 befestigt, wobei zwischen Afuffe und Gehäuse ein Isolierkörper 38 eingelegt ist, so dass durch WÏrmeleitung keine Wärme zwischen Muffe und Gehäuse ausgetauscht werden kann.
Der Isolierkörper 38 hat einen auskragenden Teil 40, der im grossen und ganzen das Muffeninnere ausfüllt und in dem eine Anzahl zueinander paralleler Lamellen 42 mit zwischenliegenden Kanälen festgemacht sind.
Die Mündungen der Leitungen 20 und 22 sind in der gezeigten Ausführung senkrecht zu den Ebenen der Lamelle. Die M ndung der Zweigleitung 20 ist verhältnismässig weit vom Stutzen 34 entfernt, durch den der Hauptstrom in die Muffe eintritt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Strömung an der Abzweigung laminar geworden ist. Zwischen dem Stutzen 34 und den Endkanten der lamelles ist ein Sieb 44 angebracht.
Der erste Teil der Zweigleitung 20 ist enger als die R ckleitung 22. Dadurch wird erreicht, dass Temperatur und Viskosität in dem f r den Widerstand massgebenden Stüek des Teilstromkreislaufes weitm¯glichst gleicher Grosse wie im Hauptstrom werden.
Die konstruktiven Einzelheiten der Muffe und ihrer Verbindung mit dem Verdampfer des Messgerätes können natürlich auf versehiedene Weise abgeändert werden. Auch kann ein technisches iquivalent f r die Muffe angewendet werden, zum Beispiel eine Ausweitung des Muffenquerschnittes, wodurch eine laminare Strömung im Hauptstrom in dem Abschnitt, von dem der Teilstrom abgezweigt wird, erreicht wird.
Das Verdampfungsgefäss 12 ist ein BehÏlter, von dessen Oberseite ein aufwärtsge- riehteter Stutzen 26 ausgeht, dessen oberes Ende ein Stück über dem Boden einer VorkÏmmer 28 liegt. Eine in dem Kondensator 14. vorgesehene Rohrsehlange 30 geht von der Vorkammer 28 aus, vergleiche Fig. 1. Die Sehlange kann eine wesentliche Länge senkrecht zur Figurebene haben, oder sie kann mehrteilig in Form einer Serie parallel an gebrachter Rohre sein, wie Fig. 2 zeigt.
Um die Sehlange herum ist der KondensatorbehÏlter mit einem K hlmittel gef llt.
Wenn das Kühlmittel ein einheitlieher Stoff ist, weleher bei der betreffenden Temperatur zwei Zustandsformen aufweist, dann ist die rmwandlungstemperatur gegeben, wenn der Druck konstant ist. Vorzugsweise verwendet man einen Stoff, der sich in Gleichgewicht zwisehen festem und flüssigem Zustand befin det, mit einem Schmelzpunkt, weleher etwas über der maximalen Tagesdurchschnittstempe- ratur der Umgebung, das heisst der Raumtemperatur, liegt. Man wird einen Stoff wÏhlen, der geringe spezifische Wärme in festem, cloch grosse spezifische Wärme in flüssigem Zustand hat. Weiterhin soll der Stoff eine gro¯e Schmelzwärme aufweisen.
Ein geigne- tes Kuhlmittel ist Kalziumehloridhexahvdrat mit einem Schmelzpunkt von etwa 29¯ C. Bei geeigneter Abmessung kann man bei maximaler sekundlicher Zapfmenge Warmwasser durch die Leitung ununterbrochen während etwa 11/2 Stunden zapfen, bevor die Mess- genauigkeit verringert wird, das hei¯t bevor die gesamte Masse geschmolzen ist.
Der Kondensatorbehälter 14 kann aus wärmeisolierendem Material hergestellt oder mit einer solehen Isolierung versehen sein, damit der Wärmeaustauseh mit der Umgebung in gewissem Grade unterbunden wird ; anderseits kann das Kühlmittel mit wärmeleitendem NIaterial, zum Beispiel Kupferspänen gemischt sein, so dass die ganze Masse zur Wärmeabnahme von der Sehlange 30 wirken kann.
Vom Boden der Vorkammer 28 geht ein Ablauf 27 aus, dessen anderes Ende zu einem Mess-und Registrierwerk 32 führt, das aus einem Zählwerk 31 und einem Gehäuse 33, in welehem ein Messrad 29 gelagert ist, besteht.
Vom Boden des Gehäuses 33 führt eine Rück laufleitung 15 zum Verdampferbehälter 12.
Wenn Wasser aus der Hauptleitung, in der die Muffe 24 eingeschaltet ist, gezapft wird, entsteht zwischen den Mündungen der Leitungen 20 und 22 ein Druekabfall, wodurch ein Teilstrom durch die Zweigleitung20, die Verdampferschlange 16 und die Rück- leitung 22 hervorgerufen wird. Der Teilstrom gibt seine Wärme an das flüssige Arbeitsmittel 18 im Gefäss 12 ab, und die entstehenden Arbeitsmitteldämpfe steigen durch den Stutzen 26 in die Vorkammer 28 auf.
Einige dieser DÏmpfe werden sofort kondensiert durch Ber hrung mit der Wand zwischen der Vorkammer und dem K hlmittelbehÏlter 14, und das Kondensat dieser DÏmpfe wird am Boden der Vorkammer gesammelt und lÏuft vonhierdurchdenAblauf27 zum Messrad 29.
Ein anderer Teil der Dämpfe gelangt von der Vorkammer in die Kondensatorsehlange 30 und gibt hier seine WÏrme an das Kühlmittel ab, welches dadurch teilweise schmilzt, im übrigen jedoch seine Temperatur beibehält.
Das Kondensat fliesst in der Schlange zuriiek zur Vorkammer und von hier durch den Ablauf 27 zum Messrad 29. Nachdem das Kon densat gemessen ist, fliesst es zum Gefäss 12 zurüelç und nimmt aufs neue an dem Kreis- laut teil.
In der in Fig. 4, 5 und 6 gezeigten Ausf hrungsform des Messrades weist dieses zwei um die Radachse 25 angebrachte, symmetrische Kammern 35 und 37 auf. Das Messrad wird in Füllstellung mit Hilfe eines magnetischen Kraftfeldes festgehalten. Die Achse 25 ist in der einen Stirnwand 23 des Gehäuses 33 gelagert, und an demjenigen Ende des Messrades, das gegen die andere Stirnwand 21 des Gehäuses zeigt, ist ein Magnet 11 befestigt. An der Stirnwand 21 des Gehäuses liegt ein Ring l mit zwei nach innen vorstehenden Ankern 19, die einander diametral gegenüberliegen Die zwei innern Enden dieser Vorsprünge 19 sind, wie aus Fig. 5 ersichtlich, dergestalt abgekropft, dass sie den lTagnetpolen gegenüberliegen.
WN ährend die eine der Kammern 35 oder 37 in Füllstellung unter der Mündung des Ablaufes 27 liegt, wird das Rad in der in Fig. 4 und 6 gezeigten Stellung stillgehalten, wobei die Magnetkraftlinien von den Magnetpolen zu den Ankern 19 durch den Ring 17 geschlossen sind. Wenn eine ausreichende Kon densatmenge in die naeh oben offene Kammer des Messrades geflossen ist, wird die Kraft des Magnetfeldes überwunden, und das Rad 29 dreht sieh einen Schritt weiter, wobei das zugelaufene Kondensat ausgeleert wird.
Wenn sich das Messrad um 180 gedreht hat, sind die Magnetpole von neuem vor die Anker 19 gekommen, und das Rad wird dadurch wäh- rend des nachfolgenden Füllens der andern Kammer 37 oder 35 festgehalten.
Auf der Achse 39 des Zählwerkes 31 ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich, ein zum Beispiel aus weichem Eisen gefertigter Anker 41 befestigt, der in der Nähe der Stirnwand 21 des Gehäuses 33 liegt. Der Anker 41 ist mit Hilfe einer Mutter 43 auf der Achse 39 festgehalten, und die Ankerenden sind gegen die Stirnwand 21 gebogen, um dieser und damit dem Magneten 11 so nahe wie möglich zu kommen.
Die Ausdehnung des Ankers in einer senkrecht zur Acilse 39 gelegenen Ebene ist im grossen und ganzen gleich der Diametrallänge des Magneten 11. Wenn das Messrad 29 und damit der Magnet 11 sich drehen, dann dreht das Magnetkraftfeld den Anker 41 ebenfalls, wodurch das Messrad und das Registrierwerk 31 magnetisch gekuppelt sind. Der Magnet 11 erfüllt somit eine doppelte Funktion, da er sowohl als Kupplungsmagnet wie als Festhalteorgan dient.
Die versehiedenen Teile des GerÏtes können in versehiedener Weise abgeändert werden. Bei kleineren Apparaten kann die Ausführung, zum Beispiel wie in Fig. 7 gezeigt, durch Fortlassen der Schlange 30 sowie dadurch, dass man die Kondensation ausschliesslich an der Unterseite des Kondensator- behälters 45 vor sieh gehen lϯt, vereinfacht werden. Weiterhin kann das Verdampfer- gefäss fortgelassen werden, in welchem Falle sich das flüssige Arbeitsmittel auf dem Boden des Gehäuses 10 befindet und das Messrad 29 zwischen dem Kondensator und der Verdampfersehlange angebraeht ist.