Mobiles Wärme-Energiemesssystem

Hier ein Auszug aus dem Gutachten von Univ.-Prof. DDr. Franz Adunka zu unserer neuen Messmethode

Vor-Ort-Messsysteme sind in vielen Fällen notwendig, denn klassische Wärmemesssysteme lassen keine Wärmeleistungs- bzw. Wärmeenergiemessung zu, ohne Veränderungen in der Rohrleitungsstruktur vorzunehmen. Der Autor hat dies bereits in einer Publikation der IEA District heating im Jahre 1990 bedauert [1]. Mit dem o.a. Messsystem ist dies offensichtlich nun möglich.

Eine solche Messtechnik ist hinsichtlich der Untersuchungen von Wirkungsgraden von Nah- und Fernwärmeversorgungsanlagen (klassische Fernwärmeanlagen, Hackschnitzel-, Biogas- und Strohverbrennungsanlagen etc.) wünschenswert, da mit den erzielten Messergebnissen Rückschlüsse auf deren Emissions- und Immissionwerte gezogen werden können, ein Wissen, das im Sinne des Klimaschutzes unumgänglich ist.

Im Folgenden wird daher das Messsystem hinsichtlich seiner Verwendbarkeit als Durchflusssensor in so genannter clamp-on-Technik untersucht. Weiters wird die Messung der Vor- und Rücklauftemperatur durch an Rohrleitungsoberflächen angebrachte Temperatursensoren kritisch hinterfragt, da schließlich damit nicht direkt die Temperatur des Wärmeträgers, sondern eine Ersatztemperatur erfasst wird. Dazu werden u.a. Ergebnisse herangezogen, die der Autor in [2] publiziert hat.
Diese Messtechnik ist besonders zur Analyse von Nahwärmesystemen geeignet, die in großer Zahl in Österreich - und besonders auch in Niederösterreich - zum Einsatz kommen. Sie bilden die Grundlage fur die energetische Beurteilung der Energieumwandlung.

Mit dem untersuchten System kann nun eine Wärmeleistungsmessung unter definierten Bedingungen mit einer erweiterten Messunsicherheit von U ≈ 2 % vorgenommen werden, wenn die folgenden Bedingungen eingehalten werden:

• Durchflüsse entsprechend Rohrgeschwindigkeiten von typischerweise: v = 0,2 m/s ... 5 m/s
• Temperaturdifferenzen im Bereich von typischerweise: 5 K ≤ Δt≤ 30K

Die Einsatzbereiche sind weiters durch die folgenden Parameter bestimmt:

• Rohrdimensionen: DN 50 bis im Prinzip unbegrenzt; tatsächlich werden aber kaum größere Rohr-Nennweiten als DN 600 zum Einsatz kommen
• Die typischen Vorlauftemperaturen t_V liegen meist bei 80 ºC. Die Wärmeleistung P wird meist über den Durchfluss q geregelt;
• die typischen Temperaturdifferenzen zwischen Vor- und Rücklauf Δt (Spreizungen) liegen zwischen
  Δt_min = 5 K und Δt_max = 20 K, meist aber im Intervall 5 K ≤ Δt≤ 10 K
• Es werden bevorzugt die Ergebnisse für DN 50 besprochen. Mit einem Excel-Programm können die analogen Ergebnisse für andere Nennweiten berechnet werden.

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Gutachterliche Aussage

Die Wärmeleistungs- bzw. Wärmeenergiemessung war bisher mit ausreichender Genauigkeit nur mit "klassischen" Wärmezahlern möglich, die aus einem mit dem Rohrleitungssystem fest verbundenen Durchflusssensor und durch Thermometern definiert war, die unmittelbar mit dem Wärmeträgermedium in Kontakt sind. Die Produktbildung und Intergation war und ist dabei das geringste Problem, da als einzige mit Unsicherheiten behaftete Größe der Wärmekoeffizient k ist, dessen "Unsicherheit" aber in beiden Fällen, der klassischen und der hier beschriebenen Messtechnik, gleich ist.

Im vorliegenden Gutachten wurden daher die beiden Komponenten der Wärmeenergiemessung, die Temperaturdifferenzmessung und die Durchflussmessung getrennt untersucht.

Die Frage der Temperaturdifferenzmessung mit Oberflächen-Temperatursensoren konnte durch die Wahl von extrem dünnen Platin-Widerstandsthermometern, die zumindest an zwei gegenüberliegenden Messstellen am Rohr montiert werden, positiv gelöst werden. Diese Temperatursensoren werden mittels Wärmeleitpasta an der Rohroberfläche montiert und durch Rohrleitungsisolation ausreichender Starke (Armaflex 18 mm) gegen Wärmeableitung geschützt. Aus den Ergebnissen der Kalibrierung der Temperatursensoren werden durch Aus-gleichsrechnung die Koeffizienten bestimmt, wodurch der Paarungsfehler bis auf wenige Dezikelvin (≈ 0,01 K) reduziert wird. In einem Analogmodell wurden die Variationen der Wärmewiderstände untersucht mit dem Ergebnis, dass die gewahlte Anordnung teilweise höhere Messgenauigkeiten liefert als die klassische Methode mit Temperaturfühlern, die direkt ins Wärmeträgermedium eintauchen.
Die Durchflussmessung mittels Ultraschall-Sensoren in unterschiedlicher Technologie ist seit den grundlegenden Arbeit von Carlos Knapp Boetticher bekannt [3], war aber zunächst auf fix in das Rohrleitungssystem eingebaute Durchflussmessgeräte beschränkt. Im Unterschied zum MMS sind bei den traditionellen Messsystemen, wenn sie auch nach unterschiedlichen Prinzipien wirken, die Ultraschallgeber fix im Messgerät bzw. im Rohrleitungssystem verankert. Beim beschriebenen System werden dagegen die Ultraschallgeber außen auf das Rohrleitungssystem montiert, was zunächst einige Fragen aufwirft:

• Wie genau lassen sich die Abstände zwischen Sender und Empfänger herstellen? Diese Frage konnte durch die Wirkung des mechanischen Kalibriersystems geklärt werden.
• Wie wirkt sich die innere Oberflächenbeschaffenheit des Rohres auf die Stärke des Ultraschallsignals aus, sind doch die Reflexionseigenschaften des Ultraschalls ganz entscheidend für die Amplitude des empfangenen Signals? Auch diese Frage ist geklärt, da die Wellenlängen des Ultraschalls deutlich größer sind als die Rauheit der inneren Oberfläche. Man kann sagen, dass der Ultraschall diese Unebenheiten einfach "nicht sieht"!
• Wie wirken sich Unsicherheiten im Rohr-Außendurchmesser sowie in der Rohrwandstärke aus? Dies ist deshalb wichtig, da die Rohr-Innenfläche den Zusammenhang zwischen mittlerer Geschwindigkeit v und Durchfluss q herstellt. Durch Schätzung der Unsicherheiten bei der Bestimmung dieser Größen konnte die Unsicherheit der Durchflussmessung bestimmt werden.

Letztlich wurden die im Hause Enzinger durchgeführten, nahezu zahllosen Untersuchungen zum Thema bewertet und die Rahmenbedingungen für eine präzise Messung definiert.

Aus der Sicht des Gutachters sollen damit einige Tips für die praktische Arbeit abgegeben werden, um hohe Messgenauigkeit erzielen zu können:

• Die Temperatursensoren sind mittels Wärmeleitpasta am Rohr anzubringen, wobei die Schichtdicke der Pasta nicht zu groß sein sollte (zusätzlicher Wärmeübergangswiderstand R_LP). Es sollten zumindest zwei Temperatursensoren verwendet werden, die an diametral gegenüberliegenden Punkten der Rohroberfläche zu montieren sind. Am günstigsten ist es, diese beiden Sensoren am höchsten und am tiefsten Punkt des Rohres anzubringen, da damit bei geringen Durchflüssen eine geeignete Mittelwertbildung der Wärmeträgertemperatur erfolgen kann. Nicht günstig ist eine Anordnung beider Thermometer in halber Rohrhöhe.
• Prinzipiell sollten die Rohrleitungen im Bereich der Messstelle isoliert sein. Ist dies nicht der Fall, fällt der Widerstand R_is weg, was die Temperatur des Sensors t_s sehr stark verändert, genauer erniedrigt. Hier ist ein deutlicher Nachteil des Messsystems mit Oberflächenthermometern zu sehen. Dieser Nachteil ist aber durch ausreichende Isolierung, wie im vorliegenden Fall üblich, leicht zu umgehen.
• Bezüglich der Durchflussmessung sind mehrere Dinge zu beachten:
  • Vorerst muss der Außendurchmesser im Bereich der zu montierenden Ultraschall-sensoren genau bekannt sein. Dazu sind mehrere Messungen durchzuführen, um einen maximalen und einen minimalen Durchmesser bestimmen zu können. Wie gezeigt wurde, kann mit diesen charakteristischen Durchmessern einerseits und den Rohrwandstärken andererseits der Strömungsquerschnitt und mit der mittleren Fließgeschwindigkeit der Durchfluss bestimmt werden.
  • An diesen Montagepunkten ist auch die Rohrleitungsdicke mittels eines geeigneten Ultraschall-Dickenmessgerätes zu bestimmen. Mit den vorgestellten Messgerät dürfte dies mit hoher Genauigkeit möglich sein.

Man kann abschließend feststellen, dass die Methode wissenschaftlich einwandfrei funktioniert, wenn die Randbedingungen eingehalten werden wie möglichst lange ungestörte Einlaufstrecke, ausreichende Isolierung der Rohrleitung usw. Die Messmethode setzt allerings hohes Wissen voraus und sollte nicht von ungeschultem Personal ausgeführt werden. Aber diese Rahmenbedingungen existieren auch bei der "klassischen" Messmethode, weshalb sie als gleichwertig anzusehen ist. Die vorangegangenen Analysen zeigten, dass mit dem mobilen Messsystem unter den eingangs definierten Rahmenbedingungen eine erweiterte Messunsicherheit von U ≈ 2 % realistisch ist.

Univ.-Prof. DDr. Franz Adunka

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Literaturhinweise:

1. Adunka, F.: Background study about heat meter field test equipment, in Heat meters. Report of research activities-Annex II, 1990: R10
   
2. Adunka, F.: Forschungsbericht FW 10: Einbaufehler von Widerstandsthermometern in Rohrleitungen, herausgegeben vom Fachverband der Gas- und Wärmeversorgungsunternehmungen, Wien, 1989
3. Knapp Boetticher, C.: Geschwindigkeits- und Mengenmessung strömender Flüssigkeiten mittels Ultraschall, ETH-Zürich, Dissertation, 1958