DE2928739B1 - Verfahren und Vorrichtung zur verbrennungslosen Messung und/oder Regelung der Waermemengenzufuhr zu Gasverbrauchseinrichtungen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur verbrennungslosen Messung und/oder Regelung der Waermemengenzufuhr zu GasverbrauchseinrichtungenInfo
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Description
40 Länge zu hydraulischem Durchmesser mindestens
20 :1, vorzugsweise 200 bis 2000 :1 beträgt, und daß
jedes Einzelrohr am Eingang abgerundet und am Ende konisch erweitert ist, wobei die konische
Erweiterung einen Winkel zur Rohrachse von kleiner als 20° vorzugsweise kleiner als 10° aufweist.
20. Strömungswiderstand nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der
Turbulenzwiderstand (9) als Lochblende ausgebildet ist, deren Verhältnis von Lochdurchmesser zu Länge
größer als 2 :1 ist und vorzugsweise 5:1 bis 20 :1 beträgt.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis
20, dadurch gekennzeichnet, daß der im Strömungsweg erste Laminarwiderstand (4) mindestens teilweise
von einem Thermostaten (5) umgeben ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis
21, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eines Differenzdruckreglers (7) in bekannter Weise mit
einer Temperatur und/oder absolutdruckabhängigen Kraft beaufschlagt wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verbrennungslosen Messung und/oder Regelung der Wärmemengenzufuhr
zu Gasverbrauchseinrichtungen, insbesondere Erdgasverbrauchseinrichtungen, sowie Vorrichtungen
zur Durchführung der verschiedenen Verfahrensvarianten.
Zur Messung des Brennwertes oder anderer Eigenschaften von Brenngasen, wie Heizwert- oder Wobbe-Index,
was es bisher üblich, einen Teilstrom des Brenngases in einem geeigneten Gerät (Kalorimeter)
mit freier Flamme oder an einem Katalysator zu verbrennen und die dabei entstehende Wärme zu
messen. Der von diesen Geräten gelieferte Meßwert kann zur Anzeige der erwähnten Gaseigenschaften
oder als Signal für Regelvorgänge verwendet werden, z. B. um den Brennwert oder den Wobbe-Index eines
Gasstromes durch Zuführung anderer Gase konstant zu halten oder den Gasmengenstrom in zweckmäßiger
Weise zu verändern.
Die Notwendigkeit, einen gemessenen Teilstrom des Gases zu verbrennen, um den Brennwert oder den
Wobbe-Index zu messen, erfordert erfahrungsgemäß eine häufige Wartung der Geräte, weil sich die Flamme
durch Ansätze von Verbrennungsrückständen verändem kann bzw. weil Verbrennungskatalysatoren allmählich
an Wirksamkeit verlieren. Die erforderliche Genauigkeit von Messungen, die z. B. für Abrechnungszwecke dienen, kann nur erreicht werden, wenn diese
Geräte unter definierten und kontrollierten Bedingungen — vorzugsweise in einem klimatisierten Raum —
betrieben werden, was ebenfalls einen großen Aufwand erfordert.
Es sind auch Methoden bekannt, einen Gasstrom ohne Verbrennung kontinuierlich zu analysieren, z. B.
durch Absorption verschiedener Gasbestandteile in geeigneten Lösungsmitteln, durch Gaschromatographie
oder durch Messung der Absorption ultraroter Strahlung. Aus den kontinuierlich ermittelten Anteilen
verschiedener Gase im Gasstrom kann dann z. B. mittels eines elektronischen Rechenwerkes der Brennwert, der
Heizwert oder der Wobbe-Index des untersuchten Gases kontinuierlich angezeigt oder als Regelimpuls
verwendet werden. Diese Methoden erfordern jedoch
einen großen Aufwand an Meß- und Steuereinrichtungen.
Verfahren zur Wärmemengenmessung werden in der Praxis heute schon zu zahlreichen Zwecken verwendet.
In jüngster Zeit ist das Interesse bzw. der Bedarf an solchen Messungen aus verschiedenen Gründen erheblich
gestiegen: Bei industriellen Wärmeprozessen ist es häufig notwendig, einem Ofen eine genau definierte
Wärmemenge pro Zeiteinheit zuzuführen, um optimale Ergebnisse zu erzielen. In anderen Fällen wird
angestrebt, den Brennstoffverbrauch zu optimieren, d. h. nur die tatsächlich benötigte Wärmemenge zuzuführen,
auch wenn eine größere Wärmezufuhr den Prozeß bzw. das Produkt nicht negativ beeinflußt. Für Abrechnungszwecke wird neuerdings ebenfalls die Abrechnung auf
der Basis der gelieferten Wärmemenge derjenigen auf Volumen-Basis vorgezogen.
Für die vorstehend beispielhaft genannten Anwendungsfälle für Wärmemengenmessung ist ein umfangreicher
Bedarf u. a. dadurch entstanden, daß Brenngase, insbesondere Erdgase unterschiedlicher Herkunft, verteilt
werden, deren Zusammensetzung und Eigenschaften sich mehr oder weniger stark voneinander
unterscheiden. Nachdem Verfahren und Vorrichtungen entwickelt und erprobt worden sind, um solche Gase
trotz dieser Unterschiede in Gasverbrauchseinrichtungen einzusetzen, ohne daß bei Änderung der Gasqualität
Änderungen an den Verbrauchseinrichtungen vorgenommen werden müssen, gewinnt die Wärmemengenmessung
sowohl beim industriellen Gaseinsatz als auch für Abrechnungszwecke zunehmende Bedeutung.
Die bekannten Verfahren sind aber für die neuen Zwecke aus technischen oder Kostengründen vielfach
nicht anwendbar.
Literaturstellen:
DIN 51 850, Entwurf September 1978
DIN 1871, Februar 1978
DIN 1871, Februar 1978
D'Ans Lax, Taschenbuch für Chemiker und
Physiker, 1967
[4] VDI-Wärmeatlas, Auflage 1974
[5] DVGW-Richtlinie G 260, Januar 1973
[4] VDI-Wärmeatlas, Auflage 1974
[5] DVGW-Richtlinie G 260, Januar 1973
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messung von Brenngas-Eigenschaften wie Brennwert,
Heizwert oder Wobbe-Index ohne Verbrennung von Gas und auf einfachere Weise als mit den· bisher
bekannten verbrennungslosen Methoden durchzuführen. Eine weitere Aufgabe, die durch die Erfindung
gelöst wird, besteht darin, daß bei Änderung der Gasqualität der oder den nachgeschalteten Gasverbrauchseinrichtung(en)
eine vorgegebene Wärmemenge durch Änderung des Gasvolumenstromes weiterhin richtig zugeführt wird.
Die nachstehend beschriebene Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, daß der Wobbe-Index
von Erdgasen verschiedener Herkunft und Zusammensetzung sowie von anderen Brenngasen mit großer
Genauigkeit eine Funktion der Viskosität dieser Gase ist.
Der obere Norm-Wobbeindex WOJl und der obere
Betrieb-Wobbeindex W0 sind bekanntlich definiert
durch die Ausdrücke
W —
"·"
ο.» — .--j-
Wn =
Hn
fdv
I/ e |/ Qu.
in denen H0 „ = H0 ■ den Normbrennwert
P ' *o
(früher: oberer Heizwert)
H0 den Betriebsbrennwert dv das Dichteverhältnis des Gases, bezogen auf
Luft = 1
ρ die Gasbetriebsdichte; ρ = o„ ■
ρ die Gasbetriebsdichte; ρ = o„ ■
· T1
Po " T
die Normdichte der Luft bezeichnet.
In analoger Weise sind der untere Norm-Wobbe-Index Wu,n und der untere Betriebs-Wobbeindex Wu
definiert, die sich auf den Norm-Heizwert Hu,„ (früher:
unterer Heizwert) bzw. den Betriebsheizwert H11
beziehen.
Aus den Beziehungen (1) und (2) ist ersichtlich, daß es möglich sein sollte, den neu gefundenen Zusammenhang
zwischen Viskosität und Wobbe-Index zur Heizwertoder Brennwertbestimmung zu benützen, wenn die
Dichte des Gases bekannt ist bzw. gemessen wird. Aus diesen Erkenntnissen wurde unter Einbeziehung
an sich bekannter Methoden zur Bestimmung der Viskosität sowie der Dichte von Gasen eine Lehre zum
technischen Handeln entwickelt, die den Gegenstand dieser Erfindung bildet und die in den Ansprüchen
angegeben ist.
Die Erfindung basiert auf der allgemeinen Beziehung
aus der die empirisch gefundene allgemeine Formel
c . J-
(4)
als erste Näherung entwickelt wurde, die sich auf bestimmte Betriebsbedingungen (p, T= Konst.) bezieht.
Die in diesen Formeln verwendeten Buchstaben haben folgende Bedeutungen:
f(H) = Funktion der Reaktionswärme des Gases, ; z.B.Ho,nHu,Wo,n, Wu JnMJ/m3
a, b, c, d = Konstanten, die je nach Bedeutung von / (H) — Brenn- oder Heizwert, oberer oder
unterer Wobbe-Index — unterschiedliche Zahlenwerte haben.
η = dynamische Gasviskosität in Ns/m2 ρ = Betriebs-Gasdichte in kg/m3
Die Gültigkeit und der Streubereich der Formel (4)
wurde für zahlreiche Fälle mit unterschiedlichen Bedeutungen von f(H) z.B. für Ho,„, Hu, Wo,„, Wu
verifiziert. Dies wird später anhand von Beispielen
näher erläutert. T
Formel (4) zeigt, daß die Werte von f(H) insbesondere
durch die variablen Größen η und ρ charakterisiert
sind. Die Bestimmung dieser Größen kann grundsätzlich mit beliebigen Methoden erfolgen. — die z. Z.
bekannten Methoden erfordern z. T. einen erheblichen Aufwand.
Hier sollen erfindungsgemäß nur Bestimmungsme-
thoden betrachtet werden, denen die im folgenden aufgeführten physikalischen Gesetzmäßigkeiten bzw.
Beziehungen zugrunde liegen.
Für den Druckabfall Ap zwischen Eintritts- und Austrittsseite eines Rohres, das von einem Medium
durchströmt wird, gilt bei laminarer Strömung (/?e<2300) nach dem Hagen-Poiseulle'schen Gesetz
folgende Beziehung
Ip, =
32 · / · U1- ,,
dl
dl
(5)
deren Symbole folgende Bedeutung haben:
Re = Reynoldszahl
Ap/ = Druckdifferenz bei laminarer Strömung in N/m2
ui = mittlere Gasgeschwindigkeit in m/s / = Rohrlänge in m
dt, = hydraulischer Rohrdurchmesser in m η = dynamische Gasviskosität in Ns/m2
Bei konstanten geometrischen Bedingungen ist
wobei Vi den Volumenstrom F den Querschnitt des
Rohres bezeichnen. Daraus ergibt sich mit Gleichung (5):
(6)
10
15
30
Für die Geschwindigkeit u, des mit turbulenter
Strömung durch eine Düse fließenden Gases folgt aus dem Energieerhaltungssatz
(7)
40
45
In dieser Formel bedeuten die bisher nicht verwendeten Symbole:
k = Düsenkonstante
ix = Durchflußzahl
ε = Expansionszahl
Apt — Druckdifferenz bei turbulenter Strömung in N/m2.
ix = Durchflußzahl
ε = Expansionszahl
Apt — Druckdifferenz bei turbulenter Strömung in N/m2.
Aus Formel (7) ergibt sich für konstante geometrische Verhältnisse die Beziehung
(8)
Vf
55
Die (meßbaren) Druckdifferenzen Δρι und Apt sind
demgemäß ein Maß für die Gasviskosität η bzw. die Gasdichte ρ. Die vorstehend genannten Beziehungen
bzw. physikalischen Gesetze werden bei der Verifizierung der vorliegenden Erfindung unter Kombination
der Beziehungen (4), (6) und (8) benutzt.
(9)
Dabei bestimmen physikalische Eigenschaften in den Anordnungen z. T. die Konstanten a, b, c, c/der Formel
(9). Das Ausgangssignal dieser Anordnung approximiert
65 also mehr oder weniger genau die Formel (4) und liefert
so ein Maß für f(H).
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens muß in jedem Fall die dynamische Gasviskosität
bestimmt werden, die ein Maß für den Norm-Wobbe-Index
des Gases ist. Diese Messung erfolgt in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Strömungswiderstandes,
der eine laminare Gasströmung bewirkt und der im folgenden als Laminarwiderstand bezeichnet wird.
Nach Beziehung (6) gibt es dazu drei Möglichkeiten:
1. Der Druckabfall über dem Laminarwiderstand wird konstant gehalten, und die Durchflußmenge
wird gemessen.
2. Der Druckabfall über dem Laminarwiderstand wird gemessen, und die Durchflußmenge wird
konstant gehalten.
3. Der Druckabfall über dem Laminarwiderstand und die Durchflußmenge werden gleichzeitig gemessen.
Wenn der Heiz- oder Brennwert ermittelt werden soll, ist es außerdem erforderlich, die Dichte des Gases
zu ermitteln. Diese Messung erfolgt in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Strömungswiderstandes, der eine
turbulente Gasströmung bewirkt und der im folgenden als Turbulenzwiderstand bezeichnet wird.
Nach Beziehung (8) gibt es dafür grundsätzlich die gleichen drei Möglichkeiten, die oben für den Laminarwiderstand
angegeben sind.
Durch Kombination von Laminar- und Turbulenzwiderständen, deren Druckabfälle und Volumenströme
gemessen und/oder geregelt werden, können je nach Anwendungszweck die Ausgangsgrößen der Meßanordnungen
direkt oder nach Umrechnung als Steuer- und/oder Anzeigesignale verwendet werden.
Im folgenden werden zu einigen beispielsweise ausgewählten Meßanordnungen die zugehörenden
physikalischen Zusammenhänge ohne Berücksichtigung der Einflüsse von Temperatur und Gesamtdruck
dargestellt. Hierdurch wird eine unnötige Komplizierung der Formeln, durch die die Übersichtlichkeit leiden
würde, vermieden. Die Möglichkeiten zur Kompensation von Temperatur- und Absolutdruckeinfluß auf die
Ergebnisse werden im Anschluß an die Beschreibung der Vorrichtungen dargestellt.
Die benötigten Stoffwerte der Einzelgaskomponenten (für Qn, % HOA Huj,, WOJh W11n) und einiger
Gasgemische sind maßgeblichen Normen und Handbüchern entnommen [1 bis 4]. Für die Berechnung der
Stoffwerte weiterer Gemische sind die in [4] wiedergegebenen Formeln zugrunde gelegt. In Tabelle 1 sind
beispielhaft für 4 Gasqualitäten der Erdgasfamilie nach [5] Zusammensetzungen und Stoffwerte angegeben. Im
folgenden dient Erdgas H (siehe Tabelle 1) als Bezugsgas (Index b), d. h. das Verhalten der durch die
Anordnung strömenden Gase wird im Vergleich zum Verhalten von Erdgas H betrachtet. Damit entfallen
sonstige dimensionsbehaftete Konstanten.
Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachstehend unter Bezugnahme auf die
F i g. 1 bis 7 verschiedene beispielsweise Vorrichtungen und deren Wirkungsweisen näher beschrieben. In den
Figuren sind die einzelnen Vorrichtungsteile schematisch dargestellt. Gleiche Vorrichtungsteile sind in allen
Figuren mit übereinstimmenden Ziffern bezeichnet worden.
Wenn nur der Wobbe-Index eines Gases gemessen werden soll, genügt es, eine aus Volumenstrom-Meßoder
-Dosiereinrichtung und Laminarwiderstand beste-
030 125/443
hende Meßeinrichtung zu benutzen und entweder den Volumenstrom oder den Differenzdruck in bekannter
Weise konstant zu halten, während die andere Größe gemessen wird. Eine solche Meßanordnung ist beispielsweise
schematisch in F i g. 1 dargestellt.
Das Gas strömt in Pfeilrichtung durch die Gasleitung 1, die von einer nicht dargestellten Hauptgasleitung
abzweigt, und in der ein Druckminderer 2 vor der aus Volumenstrom-Dqsiereinrichtung 3, Laminarwiderstand
4 und Differenzdruck-Meßeinrichtung 6 bestehenden Meßanordnung angebracht ist. Die Volumenstrom-Dosiereinrichtung
3 sorgt für einen Konstanten Volumenstrom des Gases. Der gemessene Differenzdruck,
der bei konstanter Temperatur oder mit geeigneter Temperaturkompensation ein Maß für den
Norm-Wobbe-Index des momentan fließenden Gases ist, kann in bekannter Weise direkt bzw. nach
pneumatischer Verstärkung oder nach Umwandlung in elektrische Impulse auf Anzeige- und/oder Steuergeräte
übertragen werden. — Das Gas kann nach Durchströmen der Meßanordnung wieder der Hauptgasleitung
oder einer Gasverbrauchseinrichtung zugeführt werden. Die zuletzt genannte Methode empfiehlt sich beispielsweise
bei industriellen Gasverbrauchseinrichtungen, bei denen die so zugeführten Mengen im Vergleich zum
Bedarf zu vernachlässigen sind.
Das Signal der Differenzdruck-Meßeinrichtung 6 ist linear abhängig vom Norm-Wobbe-Index. Seine Größe
verringert sich bei steigendem Norm-Wobbe-Index.
Soll das Signal der Meßeinrichtung den Betriebs-Wobbe-Index
wiedergeben, so ist eine Temperatur- und Absolutdruck- (Barometerstand-) Kompensation erforderlich.
Möglichkeiten hierzu werden im Anschluß an die Beschreibung der Vorrichtung aufgezeigt.
Für die Meßanordnung gemäß Fig. 1 gilt:
I Pi
I Pub
Hh
η =
Pi.b
I Pi
(10)
(H)
Da ηι, und Apu>
bekannt und konstant sind, ist das Ausgangssignal Api direkt ein Maß für die Zähigkeit η
des unbekannten Gases, die ihrerseits aus den eingangs genannten Gründen ein hinreichend genaues Maß für
Wobbeindizes ist. Der Einfluß der Gasdichte wird hier nicht berücksichtigt, d.h. die Konstante dnach Formel
(4) ist gleich Null. Anordnungen, mit denen der Brennoder Heizwert bestimmt werden soll, müssen zusätzlich
mindestens einen Turbulenzwiderstand enthalten, damit die Dichte des Gases in das Ausgangssignal eingehen
kann, und der Ausdruck ρ^ϊη Formel (4) bzw. (12) einen
von 1 verschiedenen Wert annimmt.
Durch Einsetzen von Formel (11.) in Formel (4) ergibt
sich demnach für den Zusammenhang von Δριund Wu,„
' Pl.b
(12)
(B)
Die Konstanten a, b und c gemäß Formel (13) haber z. B. für die Anordnung gemäß F i g. 1 zur Bestimmung
von Wu,n in MJ/m3 die Werte:
a = 199,1
b = -74211
c = 0,542
b = -74211
c = 0,542
Eine andere Meßeinrichtung, die ebenfalls ein Signa für den Norm-Wobbe-Index liefert, ist in Fig.ί
to dargestellt. Hier wird das Gas durch eine analog«
Gasleitung 1 in die Meßanordnung geleitet, die au: einem Laminarwiderstand 4, dessen Druckabfall mi
Hilfe des Differenzdruckreglers 7 konstant gehaltei wird, und einer Volumenstrom-Meßeinrichtung ί
besteht. Die Temperaturen des Laminarwiderstandes < und der Volumenstrom-Meßeinrichtung 8 werdei
gemeinsam durch Thermostat 5 konstant gehalten. Statt dessen ist es möglich, die notwendige Kompensa
tion des Temperatureinflusses auf das System alleii durch Thermostatisierung eines Teiles des Laminar
Widerstandes (4) zu erreichen. —
Bei dieser Anordnung ist die Anzeige bzw. das voi der Volumenstrom-Meßeinrichtung 8 abgegebene Si
gnal ein Maß für den Norm-Wobbe-Index, wobei sie!
hier bei steigendem Norm-Wobbe-Index die strömend Gasmenge vergrößert, d. h. das Signal ändert sich i
gleichem Sinne bzw. mit gleichem Vorzeichen wie de Norm-Wobbe-Index.
Diese Anordnung kann ohne Änderung ihre
jo Wirkungsweise so modifiziert werden, daß die Volt
menstrom-Meßeinrichtung 8 in Strömungsrichtung vo dem Laminarwiderstand 4, dessen Differenzdruc
konstant gehalten wird, angeordnet ist.
Für eine Wiedergabe des Betriebs-Wobbe-Indexe
31) benötigt man wie zu F i g. 1 angegeben, eine Tempen
tür-und Absolutdruck-Kompensation. Für die Meßanordnung gemäß F i g. 2 gilt:
V1
bzw.
'/ = Hb ■ V1 h ■ —^-
(15)
Analog zur Formel (13) ergibt sich durch Einsetze von Formel (15) in Formel (4) für den Zusammenhan
von Ϋ\ und Wo,n
= α
Die Konstanten a, aund c gemäß Formel (16) habe
z. B. für die Anordnung gemäß F i g. 2 zur Bestimmui von Wo.n in MJ/m3 die Werte:
a = 113,8
b = -7,216
c = 1,425
b = -7,216
c = 1,425
108
Mit der in F i g. 3 dargestellten Vorrichtung wird d
Betriebsheizwert oder der Betriebsbrennwert ein Gases direkt gemessen, da bei dieser Anordnung auß
dem Laminarwiderstand 4 ein Turbulenzwiderstand im Gasstrom angeordnet ist. Bei dieser Vorrichtui
wird der Druckabfall über dem Laminarwiderstand mit Hilfe des Differenzdruckreglers 7 konstant gehalt«
während der Druckabfall über Turbulenzwiderstand
gemessen wird. Eine geeignete Temperaturkompensation bewirkt, daß der Temperaturgang des bei 6
gemessenen Differenzdruckes gleich dem des Betriebsheizwertes ist. Wird ein Signal für den Norm-Heizwert
oder Brennwert gewünscht, so ist eine entsprechende Temperatur- und Absolutdruck-Kompensation erforderlich.
Die in F i g. 3 dargestellte Meßanordnung eignet sich wegen der einfachen Ausführungsform u. a. besonders
gut für die Umwandlung der Volumenmessung einer Gasuhr in eine Energiemengenmessung und wegen der
exakten Wiedergabe der Abhängigkeit des Betriebsheizwertes von der Gasdichte für direkte Messungen
unter erhöhtem Druck.
Fig.4 zeigt eine Meßanordnung, bei der in der
Gasleitung 1 hinter einem Druckminderer 2 eine Volumenstrom-Meßeinrichtung 8, beispielsweise eine
Gasuhr, ein Laminarwiderstand 4 und ein Turbulenzwiderstand 9 sowie eine Temperatur-Meßeinrichtung 10
und Absolutdruck-Meßeinrichtung 11 angeordnet sind. Über beiden Strömungswiderständen wird der Druckabfall
mit entsprechenden Meßeinrichtungen 6a, 6b gemessen. Die an den Instrumenten 8,6a, 66 10 und 11
gemessenen Werte werden in bekannter Weise, z. B. nach Umwandlung in elektrische Impulse, zu dem
Kleincomputer 12 übertragen, der die Meßwerte auf Anzeige- bzw. Aufzeichnungseinrichtungen überträgt
und/oder Impulse auf Regel- bzw. Steuerorgane in der Hauptgasleitung überträgt.
Durch Verwendung des Kleincomputers 12 können bei dieser Anordnung nicht nur die unmittelbar
gemessenen Werte (Gasvolumenstrom, Differenzdrükke, Temperatur- und Absolutdruck des Gases), sondern
auch abgeleitete Werte angezeigt bzw. auf schreibende Instrumente übertragen oder als Regelimpulse abgegeben
werden, z. B. Wobbe-Indizes, Heizwert, Brennwert sowie Gasdichte und Viskositt, und zwar sowohl für
Betriebs- wie für Normbedingungen.
Diese Art der Meßanordnung eignet sich insbesondere, wenn eine Mehrzahl von Gasverbrauchseinrichtungen,
die individuell gesteuert werden müssen, der Meßanordnung nachgeschaltet sind. Die Anordnung
eignet sich gleichfalls zum Einbau in Meßstationen von Hochdruck-Gasfernleitungen, in denen der (Wärme-)
mengenfluß fortlaufend registriert wird.
Die in F i g. 5 dargestellte Meßanordnung unterscheidet sich von der in F i g. 3 beschriebenen dadurch, daß
im Gasweg ein zweiter Laminarwiderstand 46 angeordnet ist und daß mit Hilfe der Volumenstrom-Dosiereinrichtung
3 eine bestimmte Gasmenge hinter dem Laminarwiderstand 4a aus der Gasleitung abgezweigt
wird, die dieser vor dem Laminarwiderstand 4a wieder zugeführt wird, d. h. eine bestimmte Gasmenge wird auf
diese Weise im Kreislauf geführt. Dem Laminarwiderstand 4a sind der Laminarwiderstand 46 und ein
Turbulenzwiderstand 9 im Gasweg nachgeschaltet. Der Druckabfall über die beiden zuletzt genannten Strömungswiderstände
wird gemessen. Je nach Abstimmung der Widerstände zueinander ist bei konstanter Temperatur
und konstantem Barometerstand oder mit geeigneter Temperatur- und Absolutendruckkompensation
der an der Differenzdruck-Meßeinrichtung 6 gemessene Druckabfall proportional dem Norm-Wobbe-Index
(bei überwiegendem Einfluß des Laminarwiderstandes 46) oder proportional dem Betriebsbrennoder
Heizwert (bei überwiegendem Einfluß des Turbulenzwiderstandes 9).
Signale für Betriebs-Wobbe-Indizes oder Normbrenn- oder -heizwerte setzen andere geeignete Kompensationen der Einflüsse von Absolutdruck und Temperatur voraus.
Signale für Betriebs-Wobbe-Indizes oder Normbrenn- oder -heizwerte setzen andere geeignete Kompensationen der Einflüsse von Absolutdruck und Temperatur voraus.
Bei der in Fig.6 dargestellten Meßanordnung verzweigt sich die Gasleitung 1 in zwei parallele
Leitungsabschnitte, in denen je ein Laminarwiderstand 4 und ein Turbulenzwiderstand 9 angeordnet sind, wobei
sich als erster Widerstand im einen Fall ein Laminar- und im anderen Fall ein Turbulenzwiderstand in dem
ίο Leitungsabschnitt befindet. Die beiden Leitungsabschnitte
vereinigen sich hinter den Meßgeräten wieder zu einer gemeinsamen Leitung und der Differenzdruckregler
7 hält den Druckabfall über dem Gesamtbereich aller Strömungswiderstände konstant, wie aus der
Zeichnung ersichtlich ist. Die Messung eines Druckabfalles oder eines Gasvolumenstromes erfolgt bei dieser
Meßanordnung mit Hilfe entsprechender Einrichtungen 6 und 8, die in einer Brückenleitung 16 zwischen den
beiden parallelen Leitungsabschnitten — zwischen den Strömungswiderständen — angeordnet sind und die mit
Hilfe des Absperrhahnes 13 wechselweise beaufschlagt werden können.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Anzeige so einstellbar ist, daß bei einer vorbestimmten
>> Gasqualität ein Signal »Null« angezeigt wird. Bei Änderung der Gasqualität ist aus dem Signal sofort
ersichtlich, ob eine positive oder negative Änderung eingetreten ist. Außerdem sind die von der Null-Stellung
abweichenden Signale zu Beginn der Abweichung je jo nach Meßgerät relativ groß, da die Kurve der
Abweichungen insbesondere bei einfachen Meßgeräten nach zunächst starkem Anstieg asymptotisch verläuft.
Mit Hilfe der Meßanordnung, die in F i g. 7 dargestellt ist, kann ein gemessener Brenngas-Volumenstrom auf
r> den Volumenstrom eines anderen Mediums, vorzugsweise Luft, auf folgende Weise übertragen werden: Das
Brenngas strömt durch Gasleitung 1, in der sich ein Laminarwiderstand 4a befindet, dessen Druckabfall mit
Hilfe des Differenzdruckreglers 7 konstant gehalten wird, und anschließend durch eine Volumenstrom-Übertragungseinrichtung
14, welche durch Leitung 15 eine der Brenngasmenge entsprechende Luftmenge ansaugt.
In Leitung 15 ist vor der Volumenstrom-Übertragungseinrichtung 14 ein Laminarwiderstand 4b angeordnet,
j dessen Druckabfall mit der Differenzdruck-Meßeinrichtung 6 gemessen wird. Diese Meßanordnung bietet den
Vorteil, daß der bei 6 gemessene Druckabfall unabhängig von der Temperatur ist und dementsprechend
unmittelbar ein Signal für den Norm-Wobbe-Index >
<i darstellt, d. h. eine Temperaturkompensation ist bei dieser Meßanordnung überflüssig.
Die Laminarwiderstände bestehen zweckmäßig aus einem oder mehreren Rohren mit kreis- oder ringförmigem
Querschnitt, insbesondere Kapillarrohren, deren 5> Verhältnis von Länge zu hydraulischem Durchmesser
mindestens 20 :1, vorzugsweise 200 bis 2000 :1 beträgt.
Die Rohre sind am Eingang abgerundet und am Ausgang konisch erweitert. Der Winkel zwischen
Konus und Rohrachse soll kleiner als 20° t zweckmäßig w) kleiner als 10° sein. Volumenströme und Querschnitte
der Rohre sind so abgestimmt, daß die Reynoldszahl in keinem Fall den Wert 2300 überschreitet. Hierdurch
entspricht der zwischen Anfang und Ende der Kapillaren entstehende Differenzdruck weitestgehend
einer rein laminaren Strömung.
Die Turbulenzwiderstände bestehen zweckmäßigerweise aus dünnen Lochblenden, deren Verhältnis von
Lochdurchmesser zu Länge größer als 2:1 ist und
vorzugsweise 5 :1 bis 20:1 beträgt und die nahezu frei
von Reibungswiderständen sind. Hierdurch ergibt sich vor und hinter der Blende ein Differenzdruck, der
praktisch nur durch die Beschleunigung des Gases an der Blende entsteht und demnach auch bei Strömungen,
deren Reynoldszahl Re kleiner als 2300 ist, also auf eine laminare Strömung hinweist, noch weitgehend einer
rein turbulenten Strömung entspricht.
Die Temperaturkompensation kann z.B. durch Thermostatisierung mindestens eines Teiles des im
Strömungsweg ersten Laminarwiderstandes oder durch Veränderung des Differenzdruckes eines Differenzdruckreglerserfolgen.
Wird die Temperaturkompensation durch eine Thermostatisierung eines Teiles des ersten Laminarwiderstandes
vorgenommen, so ist es zweckmäßig, hierfür das Ende des Widerstandes zu benutzen, so daß
der übrige Teil des Widerstandes Umgebungstemperatur behält. Hinter dem Widerstand sorgt ein Wärmetauscher
dafür, daß die übrigen Teile der Anordnung ebenfalls Umgebungstemperatur behalten.
Bei Anordnungen mit Differenzdruckregler an einem Strömungswiderstand kann die Temperatur- und
Absolutdruckkompensation durch Veränderung der Belastung der Membran des Druckreglers in bekannter
Weise erfolgen.
Sofern bei den vorbeschriebenen Anordnungen nur ein Wert zu messen ist, kann dieser in bekannter Weise
direkt oder nach Umwandlungen in andere mechanische (z. B. Hub) oder elektrische Signale z. B. zur Konstanthaltung
des Energiestromes für eine Gasverbrauchsein-
richtung oder zur Umwandlung der Gasmengenanzeige einer Gasuhr in eine Energiestromanzeige benutzt
werden. Sind mehrere Werte zu messen, ist die Zwischenschaltung einer Recheneinrichtung erforderlieh,
die mehrere gemessene Werte zu einem Signal zusammenfassen kann.
Für die Umwandlung der Volumenstromanzeige V einer Gasuhr in einen Energiestrom ζ) ist die Beziehung
Q = H0
(17)
maßgebend. Das von einer Anordnung für die Gasbrennwert-Bestimmung vorliegende Signal verstellt
an der Gasuhr beispielsweise ein vor der Anzeige eingebautes Getriebe oder wirkt auf den Hub der Bälge
in der Gasuhr ein, so daß H0 ■ Vkonstant bleibt.
Für die Konstanthaltung der Wärmebelastung Q einer Gasverbrauchseinrichtung gilt bei konstanten
geometrischen Bedingungen, die aus den Beziehungen (1), (7) und (17) ableitbare Beziehung (18), wenn die
Gasdosierung über Düsen erfolgt,
Q = k ■ F · I ρ · Wu
(18)
Ändert sich der Wobbe-Index Wu, so bleibt Q
konstant, wenn man durch Zumischung von Inertgasen bzw. Gasen mit höherem Heizwert Wu oder durch
Einwirkung auf den Differenzdruck Ap an den Gasdüsen
]/Δρ ■ Wu oder durch Einwirkung auf den freien
jo Querschnitt F, der Gasdüse bzw. auf den Querschnitt
einer zusätzlichen Gasdüse F · Wu konstant hält.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (19)
1. Verfahren zur verbrennungslosen Messung und/oder Regelung der Wärmemengenzufuhr zu
Gasverbrauchseinrichtungen, insbesondere Erdgasverbrauchseinrichtungen,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Brenngas bzw. ein Teilstrom des Brenngases durch mindestens einen Strömungswiderstand,
der eine laminare Strömung und einen Druckabfall bewirkt, geleitet wird und daß der
Gasvolumenstrom und/oder der Druckabfall über mindestens einem Strömungswiderstand gemessen
wird, wobei die Druckabfälle und/oder Volumenströme, die nicht gemessen werden, konstant
gehalten werden, daß der Temperatureinfluß auf das System kompensiert wird, und daß die gemessene(n)
Größe(n) gemäß der in der Beschreibung definierten Beziehung(4)
ein Maß für den Wärmeinhalt des fließenden Gases ist bzw. sind, und ein Signal ergibt bzw. ergeben, daß
zur Messung und/oder Regelung dient.
2. Verfahren zur verbrennungslosen Messung und/oder Regelung der Wärmemengenzufuhr zu
Gasverbrauchseinrichtungen, insbesondere Erdgasverbrauchseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet,
daß das Brenngas bzw. ein Teilstrom des Brenngases durch mindestens zwei hintereinander geschaltete
und/oder parallel geschaltete Strömungswiderstände geleitet wird, von denen mindestens einer eine
laminare und ein anderer eine turbulente Strömung und entsprechende Druckabfälle bewirken, und daß
der Druckabfall über mindestens einen Strömungswiderstand konstant gehalten und über dem bzw.
den anderen Strömungswiderstand (-widerständen) gemessen wird oder daß der Druckabfall über allen
gemeinsam konstant gehalten und über mindestens einem Strömungswiderstand gemessen wird, daß der
Temperatureinfluß auf das System kompensiert wird, und daß die gemessene(n) Größe(n) gemäß der
in der Beschreibung definierten Beziehung (4)
ein Maß für den Wärmeinhalt des fließenden Gases ist bzw. sind und ein Signal ergibt bzw. ergeben, daß
zur Messung und/oder Regelung dient.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des Temperatureinflusses
der gemessene Gasvolumenstrom oder der von einem Strömungswiderstand erzeugte Druckabfall
dem Betrage nach auf eine analoge Meßeinrichtung übertragen wird, die von einem anderen Gas,
vorzugsweise Luft, durchströmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas außer durch laminare und
turbulente Strömungswiderstände auch durch eine Volumenstrom-Meß- oder -Dosiereinrichtung geleitet wird, mit welcher ein Volumenstrom des Gases
gemessen oder konstant gehalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas bzw. ein Teilstrom des
Gases durch zwei parallel angeordnete Gruppen von je zwei hintereinander geschalteten Strömungswiderständen geleitet wird, von denen jeweils einer
eine laminare und der zweite eine turbulente Gasströmung bewirkt, und daß bei der einen Gruppe
die laminare Strömung im ersten und bei der anderen Gruppe die laminare Strömung im letzten
Strömungswiderstand bewirkt wird, daß der Druckabfall über den beiden Gruppen gemeinsam
konstant gehalten wird, und daß der Druckabfall oder der Volumenstrom des Gases in einer zwischen
den beiden Gruppen zwischen den laminaren und K) turbulenten Strömungswiderständen angeordneten
Brücke gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen
Druckdifferenzen und Volumenströme sowie ggf.
Temperatur- und Absolutdruck-Meßwerte — um deren Einflüsse auf das System zu kompensieren —
zu einem Kleincomputer übertragen werden, der diese zu einem Regel- oder Steuerimpuls umwandelt
und/oder errechnete Werte auf Anzeige- und/oder Registriergeräte überträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem Temperatureinfluß
auch der Absolutdruckeinfluß auf das System kompensiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des
Temperatureinflusses der im Strömungsweg erste Laminarwiderstand mindestens teilweise thermostatisiert
wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des Temperatur-
und/oder Absolutdruckeinflusses die Membran des Differenzdruckreglers beeinflußt wird.
10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Brenngasleitung (1) eine Volumenstrom-Dosiereinrichtung
(3) und mindestens ein Laminarwiderstand (4) angeordnet sind, daß der Laminarwiderstand
(4) mit einer Differenzdruck-Meßeinrichtung (6) verbunden ist, und daß die Anordnung
mit einer Einrichtung zur Kompensation des Temperatureinflusses auf das System versehen ist.
11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in
einer Brenngasleitung (1) eine Volumenstrom-Meßeinrichtung (8) und mindestens ein Laminarwiderstand
(4) sowie mindestens ein Differenzdruckregler (7) zur Konstanthaltung des Druckabfalles am
Laminarwiderstand (4) angeordnet sind und daß die Anordnung mit einer Einrichtung zur Kompensation
des Temperatureinflusses versehen ist.
12. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Brenngasleitung (1) mindestens je ein Laminarwiderstand
(4) und ein Turbulenzwiderstand (9) angeordnet sind, und daß mindestens einer dieser
Strömungswiderstände mit einer Differenzdruck-Meßeinrichtung (6) verbunden ist, daß die anderen
Strömungswiderstände mit einem Differenzdruckregler (7) verbunden sind und daß die Anordnung mit
einer Einrichtung zur Kompensation des Temperatureinflusses versehen ist.
13. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in
einer Brenngasleitung (i) mindestens je ein Laminarwiderstand (4) und ein Turbulenzwiderstand (9)
angeordnet sind, und daß alle Strömungswiderstände gemeinsam mit einem Differenzdruckregler (7)
INSPECTED
verbunden sind, daß mindestens ein Strömungswiderstand mit einer Differenzdruck-Meßeinrichtung
(6) verbunden ist und daß die Anordnung mit einer Einrichtung zur Kompensation des Temperatureinflusses
versehen ist.
14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, daß zusätzlich in der Brenngasleitung (1) eine Volumenstrom-Meß- oder -Dosiereinrichtung
(8 oder 3) angeordnet ist.
15. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in
einer Brenngasleitung (1) ein Laminarwiderstand (4a^, der mit einem Differenzdruckregler (7)
verbunden ist, sowie eine Volumenstrom-Übertragungseinrichtung (14) angeordnet sind, und daß die 1 r>
Volumenstrom-Ubertragungsei.irichtung (14) außerdem mit einer Bezugsgasleitung (15) verbunden
ist, in der sich ein Laminarwiderstand (4b), der mit einer Differenzdruck-Meßeinrichtung (6) verbunden
ist, befindet. -><>
16. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in
einer Brenngasleitung (1) mindestens zwei Laminarwiderstände (4a, 4b) sowie ein Turbulenzwiderstand
(9) hintereinander angeordnet sind, und daß eine Volumenstrom-Dosiereinrichtung (3) mit mindestens
einem Laminarwiderstand (4a) und einem Differenzdruckregler (7) verbunden ist, und daß ein
weiterer Laminarwiderstand (4b) und der Turbulenzwiderstand (9) gemeinsam mit einer Differenzdruck-Meßeinrichtung
(6) verbunden sind und daß die Anordnung mit einer Einrichtung zur Kompensation des Temperatureinflusses versehen ist.
17. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in
einer Brenngasleitung (1) ein Druckminderer (2) angeordnet ist, und daß die Brenngasleitung (1)
danach in Form von zwei parallelen Teilstromleitungen ausgebildet ist, daß in jeder der Teilstromleitungen
hintereinander mindestens ein Laminarwiderstand (4a, 4b) und ein Turbulenzwiderstand (9a, 9b)
angeordnet sind, und daß in der einen Teilstromleitung der Laminarwiderstand (bzw. die Laminarwiderstände)
vor und in der anderen Teilstromleitung der Laminarwiderstand (bzw. die Laminarwiderstände)
hinter dem Turbulenzwiderstand angeordnet ist (sind), und daß ein Differenzwiderstand
angeordnet ist (sind), und daß ein Differenzdruckregler (7) vor und hinter der Aufteilung in die
Teilstromleitungen mit der Brenngasleitung (1) ->
<> verbunden ist, daß die beiden Teilstromleitungen zwischen den Laminar- und Turbulenzwiderständen
durch eine Brückenleitung (16) miteinander verbunden sind, in der eine Differenzdruck-Meßeinrichtung
(6) und/oder eine Volumenstrom-Meßeinrichtung (8) angeordnet sind, und daß die Anordnung mit einer
Einrichtung zur Kompensation des Temperatureinflusses versehen ist.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis
17, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzdruck- wi
Meßeinrichtungen (6) und die Volumenstrom-Meßeinrichtung (8) mit einem Kleincomputer (12)
verbunden sind.
19. Strömungswiderstand nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der b5
Laminarwiderstand (4) als Rohr mit kreis- oder ringförmigem Querschnitt oder als entsprechendes
Rohrbündel ausgebildet ist, dessen Verhältnis von
r>
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