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Dokumentenidentifikation DE19918273A1 26.10.2000
Titel Verfahren zur Bestimmung der in zumindest einem Kälteverbraucher durch einen Kälteträger aufgenommenen Wärme und/oder zur Bestimmung der durch einen Kälteträger in zumindest einem Eisproduzenten abgegebenen Wärme in einer Binäreisanlage
Anmelder CREAVIS Gesellschaft für Technologie und Innovation mbH, 45772 Marl, DE
Erfinder Mathäa, Michael, Dipl.-Phys., 45721 Haltern, DE
DE-Anmeldedatum 22.04.1999
DE-Aktenzeichen 19918273
Offenlegungstag 26.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2000
IPC-Hauptklasse G01N 25/02
IPC-Nebenklasse G01N 21/17   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der in zumindest einem Kälteverbraucher durch einen Kälteträger aufgenommenen Wärme und/oder zur Bestimmung der durch einen Kälteträger in zumindest einem Eisproduzenten abgegebenen Wärme in einer Binäreisanlage. Bei herkömmlichen Binäreisanlagen, die die Wärmeeinspeisung eines Kälteverbrauchers über die Stromaufnahme der vorgeschalteten Kälteanlage ermitteln, ist es nicht möglich, die durch die einzelnen Kälteverbraucher eingespeiste Wärmemenge zu ermitteln. Das vorliegende Verfahren bedient sich eines optischen Verfahrens, mit welchem die eingespeiste Wärmemenge nach jedem Kälteverbraucher bestimmt werden kann. Bei diesem optischen Verfahren wird durch Messung der Lichtintensität die Anzahl bzw. Größe der im Binäreis vorhandene Eiskristalle optisch ermittelt. Durch Kalibrierung und Verwendung jeweils einer Meßapparatur vor und nach dem Kälteverbraucher läßt sich die durch den Kälteträger aufgenommene Wärmeenergie ermitteln.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann eingesetzt werden, um verschiedenen Kälteverbrauchern in Kälteanlagen die Kühlleistung in Rechnung stellen zu können. Es kann außerdem vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren zum Optimieren der Kälteverbraucher einzusetzen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der in zumindest einem Kälteverbraucher durch einen Kälteträger aufgenommenen Wärme und/oder zur Bestimmung der durch einen Kälteträger in zumindest einem Eisproduzenten abgegebenen Wärme in einer Binäreisanlage.

Binäreisanlagen sind eine relativ neue Entwicklung, bei der wäßrige Lösungen von niederen Alkoholen als Kälteträger eingesetzt werden. Die wäßrigen Lösungen der niederen Alkohole können mit eigenschaftsverbessernden Stoffen versetzt sein. Solche Kälteträger werden z. B. in DE 196 29 578 beschrieben.

In diesen Binäreisanlagen wird eine Lösung von 70 bis 95 Vol.-% Wasser, die 5 bis 30 Vol.-% eines niederen Alkohols, wie z. B. Ethanol, Methanol, oder Isopropanol, enthält, verwendet. Zu dieser Lösung können eine oder mehrere Verbindungen aus der Gruppe der Polycarbonsäuren, der Sorbinsäurederivate, der mehrwertigen Alkohole, der aliphatischen Säuren, der anionischen Tenside, der Salze, wie z. B. Natriumchlorid, oder der schwefelfreien Triazolverbindungen hinzugefügt werden. Der Einsatz dieser Verbindungen reduziert die mittlere Teilchengröße der Eiskristalle. Beim Abkühlen der Lösung in einem Eiserzeuger gibt die Lösung siel Wärme ab, daß ein Teil des Wassers in Form feiner Eiskristalle vorliegt. Die bei der Kristallisation abgegebene Kristallisationswärme bewirkt eine Kühlleistung des Kälteträgers, die höher ist als die einphasiger Kälteträger. Das so entstehende Zweiphasensystem, auch als Flüssigeis oder Binäreis bezeichnet, wird in geschlossenen Sekundärkreisläufen geführt und ist pumpbar.

Der Kälteträger, welchem in einer oder mehreren Kälteanlagen ein Teil der Wärmeenergie entzogen wurde, kann durch Rohrleitungen zu einem oder mehreren Kälteverbrauchern geführt werden, wo die Lösung z. B. über Wärmetauscher Wärmeenergie aufnimmt und somit die Umgebung abkühlt. Solche Kälteverbraucher können z. B. Kühltruhen, Luftkühler oder ähnliches sein. In Kälteanlagen werden die Eisproduzenten auch als Eisgeneratoren bezeichnet.

Zur Zeit wird in Binäreisanlagen der Energieverbrauch von Kälteverbrauchern über die Stromaufnahme der vorgeschalteten konventionellen Kälteanlage ermittelt. Mit dieser Art der Ermittlung des Energieverbrauchs ist es aber nicht möglich, die verbrauchte Kälteenergie (bzw. die abgegebene Wärmeenergie) den einzelnen Kälteverbrauchern in einem System, welches aus einer Kälteanlage und mehreren Verbrauchern besteht, zuzuordnen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb ein Verfahren zu finden, welches in der Lage ist, die Wärmeabgabe zumindest eines Kälteverbrauchers in einer Binäreisanlage zu bestimmen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Verfahren zur Bestimmung der in zumindest einem Kälteverbraucher durch einen Kälteträger aufgenommenen Wärme und/oder zur Bestimmung der durch einen Kälteträger in zumindest einem Eisproduzenten abgegebenen Wärme in einer Binäreisanlage, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die aufgenommene und/oder abgegebene Wärme durch Ermittlung und Vergleich des Eisgehalts im Kälteträger vor und nach zumindest einem Kälteverbraucher und/oder Eisproduzenten ermittelt wird.

Ebenfalls ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung der in zumindest einem Kälteverbraucher durch einen Kälteträger aufgenommenen Wärme und/oder zur Bestimmung der durch einen Kälteträger in zumindest einem Eisproduzenten abgegebenen Wärme in einer Binäreisanlage, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Vorrichtung zumindest zwei Meßapparaturen, die mit einer Auswerteeinheit verbunden sind, aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß auch bei Kältesystemen, die einen oder mehrere Erzeuger von Binäreis und/oder einen oder mehrere Kälteverbraucher aufweisen, jedem Erzeuger und/oder Verbraucher die verbrauchte bzw. erzeugte Kälteenergie zugeordnet werden kann. Auf diese Weise kann auf einfache Art und Weise den Kälteverbrauchern die verbrauchte Kälteenergie in Rechnung gestellt werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß die Effektivität eines Wärmetauschers auf einfache Weise überprüft werden kann. Aufgrund der Ergebnisse einer solchen Effektivitätsmessung kann durch Anpassung konstruktiver oder verfahrenstechnischer Parameter die Effektivität des Wärmetauschers gesteigert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden beispielhaft erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.

Üblicherweise bestehen Binäreisanlagen bzw. -systeme aus zumindest einer Apparatur, z. B. einer Kälteanlage, welche dem verwendeten Kälteträger durch Abkühlen Wärmeenergie entzieht. Die entzogene Wärmeenergie bedingt die zumindest teilweise Kristallisation des Wassers im Kälteträger. Der Kälteträger weist nach Abgabe der Wärmeenergie, also im Zustand mit der höchsten Kühlleistung, Eiskristalle auf. Des weiteren weist eine Binäreisanlage zumindest einen Kälteverbraucher auf. Dieser Kälteverbraucher kann z. B. ein Wärmetauscher sein. In diesem Wärmetauscher erwärmt sich der Kälteträger in dem er der Umgebung Wärmeenergie entzieht. Des weiteren können Binäreisanlagen mit einem oder mehreren Reservoirs ausgestattet sein, in welchen der mit Eis beladene Kälteträger gespeichert werden kann. Die im Wärmetauscher aufgenommene Energie hängt im wesentlichen von der Menge der aufgeschmolzenen Eiskristalle im Kälteträger ab. wobei eine Tonne Eis einer Energie von ungefähr 82 kWh entspricht.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt diesen Zusammenhang zwischen Energieinhalt und Eisgehalt. Erfindungsgemäß wird der Verbrauch an Kälteenergie, also die Aufnahme an Wärmeenergie im Verbraucher dadurch bestimmt, daß die Konzentration der Eiskristalle bzw. der Eisgehalt vor und nach dem Verbraucher im Kälteträger bestimmt wird. Diese Bestimmung kann erfindungsgemäß dadurch erfolgen, daß die Konzentration an Eiskristallen bzw. der Eisgehalt in dem Kälteträger durch optische Messungen bestimmt wird.

Da im Binäreis der überwiegende Teil der Kälteenergie in latenter Form als Eiskristalle vorliegt, entspricht die Konzentration an Eiskristallen bzw. die Größe der Eiskristalle im Kälteträger der aufgenommenen Wärmeenergie bzw. der abgegebenen Kälteenergie. Je mehr Wärmeenergie der Kälteträger aufgenommen hat, desto weniger Eiskristalle bzw. desto kleinere Eiskristalle liegen im Kälteträger vor. Die Konzentration der Eiskristalle kann optisch ermittelt werden, indem der Zusammenhang genutzt wird, daß die Größe und Anzahl der Eiskristalle einen Einfluß auf die Transmission einer Strahlung bzw. elektromagnetischen Welle durch den Kälteträger bzw. auf die Reflexion einer Strahlung bzw. elektromagnetischen Welle, die auf den Kälteträger trifft, hat. Sind im Kälteträger mehr Eiskristalle bzw. größere Eiskristalle vorhanden, so wird die Intensität, die die Strahlung einer Strahlungsquelle nach Durchstrahlen eines Weges durch ein bestimmtes Volumen des Kälteträgers aufweist, geringer sein als wenn kleinere, weniger oder keine Eiskristalle im Kälteträger vorhanden sind. Die Intensität der Transmissionsstrahlung verhält ich also umgekehrt proportional zum Eisgehalt in dem Kälteträger. Die Veränderung der Strahlungsintensität bzw. der Transmissionsleistung der Strahlung kann mittels optischer Messungen ermittelt werden. Die Konzentration an Eiskristallen bzw. der Eisgehalt kann aber auch mittels der Intensität der an den Eiskristallen reflektierten Strahlung einer Strahlung, die in ein bestimmtes Volumen, welches den Kälteträger aufweist, eingestrahlt wird, bestimmt werden. Bei der Verwendung dieses auf der Reflexion von Strahlung basierenden Systems verhält sich die Intensität der reflektierten Strahlung proportional zum Eisgehalt im Kälteträger. Sind also im Kälteträger mehr oder größere Eiskristalle vorhanden, so wird die Intensität der reflektierten Strahlung größer sein als wenn weniger, kleinere oder auch keine Eiskristalle im Kälteträger vorhanden sind. Auch diese Veränderung der Strahlungsintensität kann mittels optischer Messungen bestimmt werden.

Zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung des Eisgehalts in einem Kälteträger kann es vorteilhaft sein, die Intensität einer Transmissionsstrahlung und die Intensität der reflektierten Strahlung gleichzeitig zu ermitteln. Auf diese Weise können Effekte, welche durch Verunreinigungen entstehen würden, vermieden werden.

Die optischen Messungen werden vorzugsweise an einem, gegenüber der verwendeten Strahlung zumindest teilweise transparenten, von Kälteträger durchflossenen Bauteil, welches im Fall von Licht im sichtbaren Bereich als verwendete Strahlung z. B. aus Glas, Quarzglas, Kunststoff oder anderen geeigneten Materialien bestehen kann, durchgeführt. Eine Strahlungsquelle und ein Strahlungssensor sind vorzugsweise so angeordnet, daß sich Quelle und Sensor in bezug auf den Bauteilquerschnitt gegenüberliegen. Als transparentes Bauteil wird vorzugsweise ein transparentes Rohrstück verwendet. Es kann ebenso vorteilhaft sein, ein Bauteil zu verwenden, welches nicht transparent gegenüber der verwendeten Strahlung ist. In diesem Fall muß die Strahlungsquelle und der Strahlungssensor so in das Bauteil eingebracht werden, daß die Strahlung nur durch den Kälteträger strahlen muß. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß in das Bauteil zwei Löcher gebohrt werden, in welche der Sensor bzw. die Quelle gesteckt werden oder daß der Sensor und die Quelle im Inneren des Bauteils angebracht werden. Durch geeignete Maßnahmen, wie z. B. Kleben oder Schweißen können diese Stellen des Bauteils wieder abgedichtet werden. Die Verwendung eines solchen Bauteils, vorzugsweise eines Rohrstückes, welches z. B. aus Metallen oder Legierungen, wie z. B. Stahl oder Kupfer, oder aus Kunststoff, wie z. B. PVC, bestehen kann, hat den Vorteil, daß keine Fremdstrahlung die Genauigkeit der Messung beeinflussen kann.

Die transparenten oder nicht transparenten Bauteile sind vorzugsweise in Doppelmantelbauweise ausgeführt, damit ein Temperatureffekt seitens der Strahlungsquelle aber auch ein Beschlagen und/oder Vereisen ausgeschlossen werden kann. Diese Effekte könnten zu systematischen Meßfehlern führen und sind deshalb auszuschließen. Als Strahlungsquelle können z. B. Lichtquellen verwendet werden, die Licht im sichtbaren Bereich abgeben. Es können aber auch Strahlungsquellen verwendet werden, die nicht sichtbare elektromagnetische Strahlung emittieren. Als Lichtquelle kann jede beliebige Lichtquelle wie z. B. Lampen, LEDs oder Laser verwendet werden. Das Licht der Lichtquelle kann durch eine vorgeschaltete Linse fokussiert werden. Besonders bevorzugt wird als Lichtquelle eine LED oder ein Laser verwendet, wobei die Verwendung eines Lasers besonders dann vorteilhaft ist, wenn große Rohrdurchmesser durchstrahlt werden sollen. Ganz besonders bevorzugt werden Lichtquellen verwendet, die monochromatisches Licht im sichtbaren Bereich ausstrahlen. Es können aber auch Strahlungsquellen verwendet werden, die nicht sichtbare monochromatische Strahlung, wie z. B. Infrarot-, Röntgen- oder Ultraviolettstrahlung, emittieren. Als Strahlungs- bzw. Lichtsensor kann der Photosensor bzw. jede Photodiode verwendet werden, vorzugsweise wird eine Siliciumdiode verwendet. Es kann vorteilhaft sein, den Meßaufbau aus Strahlungsquelle und Strahlungssensor über einen Zerhacker fremdlichtentstört auszuführen so daß die Messung auch bei Strahlungsschwankungen in der Umgebung reproduzierbar bleibt.

Über eine Verstärkerschaltung nach dem Strahlungssensor wird die abgegebene Spannung des Strahlungssensors als Meßgröße verwendet. Durch die Verwendung der Spannung als Meßgröße werden Meßfehler durch elektrische Widerstände in den Zuleitungen verhindert. Es kann vorteilhaft sein, die Strahlungssensoren so zu kalibrieren, daß bei 100%iger Transmissionsleistung ein Ausgangssignal von 1 Volt zur Verfügung gestellt wird. Der Meßbereich liegt bei dieser Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens also in einem Bereich von 0 bis 1 Volt mit einer Auflösung von 12 bit. Der Spannungsbereich kann aber auch größer gewählt werden, wobei die Obergrenze durch die maximale von dem Sensor zur Verfügung gestellten Spannung vorgegeben ist. Diese Obergrenze liegt bei handelsüblichen Siliziumdioden z. B. bei 3,47 Volt.

Vorzugsweise erfolgen die Messungen in der Weise, daß pro Zeiteinheit mehrere Messungen durchgeführt werden und diese Messungen über einen Zeitraum gemittelt werden. Ganz besonders bevorzugt erfolgen die Messungen in der Weise, daß pro Sekunde von 0,1 bis 200, vorzugsweise von 1 bis 60 und ganz besonders bevorzugt von 30 bis 60 Messungen pro Sekunde durchgeführt werden. Die in einer Sekunde erhaltenen Meßwerte werden gemittelt und als Meßwert ausgegeben. Vorzugsweise wird ein PC, ein Prozeßleitsystem oder eine andere geeignete Apparatur zur elektronischen Datenverarbeitung mit einer Auswertesoftware zum Erfassen der Meßwerte verwendet, welche die pro Sekunde anfallenden Meßwerte mittelt. Es kann vorteilhaft sein, wenn alle Messungen der verschiedenen Meßapparaturen einer Binäreisanlage von dieser Auswertesoftware erfaßt werden. Auf diese Weise können die Meßwerte der Meßapparaturen eines Kälteverbrauchers, wobei eine Meßapparatur vor dem Kälteverbraucher und eine Meßapparatur nach dem Kälteverbraucher angebracht wird, in Korrelation zu einander gebracht werden. Zu diesem Zweck kann es vorteilhaft sein, wenn als Meßapparaturen, welche ein transparentes Meßrohr, einen Strahlungssensor und eine Strahlungsquelle aufweisen, solche verwendet werden, die mit gleichen Bauteilen ausgerüstet sind. Auf diese Weise erhält man direkt vergleichbare Meßgrößen. Durch Vergleich der Spannung und damit der Transmissions- oder Reflexionsleistung der Meßapparaturen vor und nach dem Kälteverbraucher kann die Wärmeaufnahme im Kälteverbraucher ermittelt werden. Da es sich hierbei um Differenzmessungen handelt ist dieses Meßverfahren unempfindlich gegen Verunreinigungen.

Werden in einer Binäreisanlage unterschiedliche Bauteile, wie z. B. Rohre mit unterschiedlichem Durchmesser, verwendet, kann es vorteilhaft sein, Faktoren in der Auswertesoftware vorzusehen, welche einen direkten Vergleich der Meßwerte wieder ermöglichen.

Werden Meßapparaturen vor und nach jedem Eiserzeuger und Kälteverbraucher eingerichtet, lassen sich außerdem Stellen im Kältesystem ermitteln, an welcher, z. B. durch Wärmebrücken, dem Kälteträger unbeabsichtigt Wärmeenergie aus der Umgebung zugeführt wird.

Da es in Binäreisanlagen vorkommen kann, daß der Kälteträger mehr Wärme aufnimmt, als Eiskristalle vorhanden sind, kann es vorteilhaft sein, vor und nach einem Kälteverbraucher und/oder -erzeuger, vorzugsweise in direkter Nachbarschaft zur erfindungsgemäßen optischen Meßapparatur, eine Apparatur vorzusehen, die in der Lage ist die Temperatur des Kälteträgers zu bestimmen, wie z. B. Thermometer, Thermoelemente oder ähnliches. Durch diese besondere Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Bestimmen der im Wärmetauscher von dem Kälteträger aufgenommenen Wärme auch dann möglich, wenn alles Eis im Kälteträger geschmolzen ist und die aufgenommene Wärme den Kälteträger erwärmt. Die vom Kälteträger aufgenommene Gesamtwärmemenge läßt sich in diesem Fall aus der Summe der durch das Schmelzen aufgenommenen Wärme und der durch Temperaturerhöhung des Kälteträgers aufgenommenen Wärme berechnen. Zu diesem Zweck kann es vorteilhaft sein, wenn die Meßapparaturen zur Bestimmung der Temperatur des Kälteträgers ebenfalls mit der elektronischen Datenverarbeitung, dem PC oder dem Prozeßleitsystem verbunden sind, und die von diesen Meßapparaturen gelieferten Meßwerte ebenfalls in der Auswertesoftware verarbeitet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Binäreisanlagen angewendet werden, die nicht nur aus einem Kälteerzeuger bzw. Eiserzeuger oder -generator und einen Kälteverbraucher bestehen, sondern auch in Systemen, in denen mehrere Eiserzeuger und/oder Kälteverbraucher vorhanden sind. Das erfindungsgemäße Verfahre ist ebenfalls anwendbar in Binäreissystemen, in welchen ein oder mehrere Reservoirs vorhanden sind, in denen der mit Eis beladene Kälteträger gespeichert werden kann. Solche Reservoirs erweisen sich häufig als vorteilhaft, wenn die Eiserzeugung nicht kontinuierlich sondern nur zu Zeiten erfolgt, in welchen der bei der Eiserzeugung benötigte Strom billiger ist, z. B. nachts. Zur Überwachung der erzeugten und/oder verbrauchten Kälteenergie in Binäreisanlagen, die aus mehreren Eiserzeugern, Kälteverbrauchern und/oder Reservoirs bestehen, kann es vorteilhaft sein, wenn vor und nach jedem Kälteverbraucher, Eiserzeuger und/oder Reservoir Meßapparaturen angebracht sind, und zwar vorzugsweise sowohl Meßapparaturen zur optischen Bestimmung der erzeugten bzw. verbrauchten Kälteenergie als auch Meßapparaturen zur Bestimmung der Temperatur des Kälteträgers. Vorzugsweise werden die von diesen Meßapparaturen zur Verfügung gestellten Meßwerte an eine elektronische Datenverarbeitung, einen Computer oder ein Prozeßleitsystem übermittelt, mit welchem die Meßwerte mittels einer Auswertesoftware gemittelt und/oder ausgewertet und zur Anzeige gebracht werden können.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet. Diese Vorrichtung zur Bestimmung der in zumindest einem Kälteverbraucher durch einen Kälteträger aufgenommenen Wärme und/oder zur Bestimmung der durch einen Kälteträger in zumindest einem Eisproduzenten abgegebenen Wärme in einer Binäreisanlage, zeichnet sich dadurch aus, daß die Vorrichtung zumindest zwei Meßapparaturen, die mit einem Anzeigegerät und/oder einem Computer verbunden sind, aufweist.

Die Meßapparaturen weisen jeweils zumindest ein in Bezug auf die verwendete Strahlung zumindest teilweise transparentes Bauteil, eine Strahlungsquelle und zumindest einen Strahlungssensor auf. Als transparentes Bauteil wird vorzugsweise ein zumindest doppeltummanteltes Bauteil verwendet. Bei Verwendung von Licht als Strahlung, insbesondere von monochromatischem Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich als Strahlung, werden bevorzugt transparente oder zumindest teilweise transparente Bauteile aus Glas, Quarz oder Kunststoff verwendet. Besonders bevorzugt wird ein doppeltummanteltes Rohr als transparentes Bauteil verwendet. Der Strahlungssensor und die Strahlungsquelle sind bei dieser Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise außen am transparenten Bauteil angebracht. Das Anbringen der Strahlungsquelle bzw. des Strahlungssensors kann auf verschiedene, dem Fachmann bekannte Arten erfolgen, z. B. durch Kleben oder Schrauben. Je nachdem wie die Messungen erfolgen sollen bzw. welches Meßverfahren angewendet werden soll, können der Strahlungssensor und die Strahlungsquelle direkt nebeneinander am oder auf den gegenüberliegenden Seiten transparenten Bauteil angeordnet sein. Bei der Anordnung von Quelle und Sensor nebeneinander wird vorzugsweise die Eiskonzentration durch das Reflexionsverfahren, bei der Anordnung von Quelle und Sensor auf den gegenüberliegenden Seiten des Bauteils wird die Eiskonzentration durch das Transmissionsverfahren bestimmt. Bei gleichzeitiger Bestimmung der Transmissionsstrahlung und der reflektierten Strahlung ist es vorteilhaft, wenn ein Sensor neben der Quelle und ein Sensor gegenüber der Quelle am oder im Bauteil angebracht wird.

In einer besonderen Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auf die Verwendung von für die verwendete Strahlung transparenten oder teiltransparenten Bauteile verzichtet werden. Bei dieser Verwendung von nicht transparenten Bauteilen, vorzugsweise Rohren, die z. B. aus Metallen oder Legierungen, wie z. B. Kupfer oder Stahl, oder aus Kunststoffen, wie z. B. PVC, bestehen können werden die Strahlungsquelle und der Strahlungssensor so angebracht, daß die Strahlung das Bauteil nicht durchstrahlen muß sondern nur den Kälteträger. Dies kann z. B. dadurch realisiert werden, daß die Quelle und der Sensor auf der Innenseite des vom Kälteträger durchflossenen Bauteils angebracht wird. Ebenso können Quelle und Sensor durch Bohrungen, die in das Bauteil eingelassen sind, gesteckt werden. Die Meßstellen können auf eine dem Fachmann bekannte Weise z. B. durch Löten, Schweißen oder Kleben verschlossen und abgedichtet werden.

Als Lichtquelle kann jede beliebige Strahlungsquelle, die elektromagnetische Strahlung emittiert, verwendet werden. Vorzugsweise werden Lichtquellen wie z. B. Lampen, LEDs oder Laser verwendet. Das Licht der Lichtquelle kann durch eine vorgeschaltete Linse fokussiert werden. Besonders bevorzugt wird als Lichtquelle eine LED oder ein Laser verwendet, wobei die Verwendung eines Lasers besonders dann vorteilhaft ist, wenn der Durchmesser des Bauteils relativ groß ist. Ganz besonders bevorzugt werden Strahlungsquellen verwendet, die Licht im sichtbaren Bereich emittieren. Es können aber auch Strahlungsquellen verwendet werden, die nicht sichtbare Strahlung, wie z. B. ultraviolettes Licht, Infrarotstrahlung oder Röntgenstrahlung emittieren verwendet werden. Als Strahlungs- bzw. Lichtsensor kann jeder beliebige Photosensor bzw. jede beliebige Photodiode verwendet werden. Vorzugsweise wird als Strahlungs- oder Lichtsensor eine Siliciumdiode verwendet. Es kann vorteilhaft sein, den Meßaufbau aus Strahlungsquelle und Strahlungssensor über einen Zerhacker fremdstrahlungsentstört auszuführen, so daß die Messung auch bei Strahlungsschwankungen in der Umgebung reproduzierbar bleibt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorzugsweise eine Verstärkerschaltung auf. Über diese Verstärkerschaltung nach dem Strahlungssensor wird die abgegebene Spannung des Strahlungssensors als Meßgröße verwendet. Durch die Verwendung der Spannung als Meßgröße werden Meßfehler durch elektrische Widerstände in den Zuleitungen verhindert. Es kann vorteilhaft sein, die Strahlungssensoren so zu kalibrieren, daß bei 100%iger Transmissionsleistung ein Ausgangssignal von 1 Volt zur Verfügung gestellt wird. Der Meßbereich liegt also in einem Bereich von 0 bis 1 Volt mit einer Auflösung von 12 bit. Der Spannungsbereich kann aber auch größer gewählt werden, wobei die Obergrenze durch die maximale von dem Sensor zur Verfügung gestellten Spannung vorgegeben ist. Diese Obergrenze liegt bei handelsüblichen Siliziumdioden z. B. bei 3,47 Volt.

Die pro Zeiteinheit erhaltenen Meßwerte einer Meßapparatur werden gemittelt und als Meßwert ausgegeben, an einen Computer übertragen oder mit einem geeigneten Anzeigegerät zur Anzeige gebracht. Um die in einem Kälteverbraucher bzw. Kälteerzeuger an den Kälteträger abgegebene bzw. vom Kälteträger aufgenommene Wärmemenge bestimmen zu können, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest zwei solcher Meßapparaturen auf. Diese beiden Meßapparaturen sind vorzugsweise so miteinander verschaltet, daß die Meßwerte zueinander in Korrelation gebracht werden können. Durch bilden der Differenz der Eiskonzentration vor und nach einem Kälteverbraucher bzw. Eiserzeuger kann die durch diesen Kälteverbraucher entnommene bzw. durch den Eiserzeuger erzeugte Kühlleistung ermittelt werden. Die Differenzbildung erfolgt vorzugsweise über eine geeignete Auswerteeinheit, wie z. B. ein programmierbares Anzeigegerät, ein Prozeßleitsystem oder durch einen PC. Die durch den Kälteverbraucher entnommene Kühlleistung kann direkt auf einem geeigneten Anzeigegerät angezeigt werden oder auf einem PC bzw. in einem Prozeßleitsystem angezeigt oder weiterverarbeitet werden. Durch die Differenzbildung wird außerdem erreicht, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung weitestgehend unempfindlich gegen im Kälteträger vorhandene Verunreinigungen ist.

Vorzugsweise wird ein PC, ein Prozeßleitsystem oder eine elektronische Datenverarbeitung mit einer Auswertesoftware zum Erfassen der Meßwerte verwendet, welche die pro Sekunde anfallenden Meßwerte mittelt. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Messungen der verschiedenen Meßapparaturen einer Binäreisanlage von dieser Auswertesoftware erfaßt werden. Auf diese Weise können die Meßwerte der Meßapparaturen eines Kälteverbrauchers, wobei eine Meßapparatur vor dem Kälteverbraucher und eine Meßapparatur nach dem Kälteverbraucher angebracht wird, in Korrelation zu einander gebracht werden und mit den Meßwerten anderer Kälteverbraucher oder Eiserzeuger abgeglichen werden. Zu diesem Zweck kann es vorteilhaft sein, wenn als Meßapparaturen, welche ein transparentes Bauteil, einen Strahlungssensor und eine Strahlungsquelle aufweisen, solche verwendet werden, die mit gleichen Bauteilen ausgerüstet sind. Auf diese Weise erhält man direkt vergleichbare Meßgrößen. Durch Vergleich der Spannung der Strahlungssensoren und damit der Transmissions- bzw. Reflexionsleistung der Meßapparaturen vor und nach dem Kälteverbraucher kann die Wärmeaufnahme im Kälteverbraucher ermittelt werden.

In einer besonderen Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist am erfindungsgemäßen Bauteil, an oder in welchem der Strahlungssensor und die Strahlungsquelle installiert sind, zusätzlich eine Meßapparatur vorhanden, die in der Lage ist die Temperatur des Kälteträgers zu bestimmen. Dies kann z. B. ein Thermoelement oder ein Thermometer sein. Diese Meßapparaturen werden ebenfalls mit dem Computer, dem Prozeßleitsystem oder der elektronischen Datenverarbeitung verbunden.

Vorzugsweise sind in einer Binäreisanlage alle Kälteverbraucher, Eiserzeuger und/oder Reservoirs mit den erfindungsgemäßen Meßapparaturen ausgerüstet. Die Meßergebnisse all dieser Meßapparaturen werden in einer Datenverarbeitung, einem Computer oder einem Prozeßleitsystem gesammelt und mit Hilfe einer Auswertesoftware ausgewertet. Auf diese Weise ist es möglich, die durch die Meßwerte ermittelte erzeugte oder verbrauchte Kälteenergie einem oder mehreren Kälteverbrauchern, Eiserzeugern oder Reservoirs zuzuordnen.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen beispielhaft Ausführungsarten des erfindungsgemäßen Verfahrens, ohne daß dieses auf diese beschränkt ist.

Fig. 1 zeigt ein transparentes Rohr R durch welches das Binäreis E geleitet wird. An der Oberseite des Rohres ist ein Strahlungssensor S angebracht. Auf der Unterseite des Rohres ist eine Strahlungsquelle Q angebracht, die eine Strahlung L in Richtung des Strahlungssensors S ausstrahlt.

Fig. 2 zeigt ein transparentes Rohr R durch welches das Binäreis E geleitet wird. An der Oberseite des Rohres sind ein Strahlungssensor S und eine Strahlungsquelle Q angebracht. Die Strahlung L aus der Strahlungsquelle wird von den Eiskristallen im Binäreis reflektiert, und die reflektierte Strahlung L' wird vom Strahlungssensor detektiert.

Fig. 3 zeigt ein transparentes Rohr R durch welches das Binäreis E geleitet wird. An der Oberseite des Rohres ist ein Strahlungssensor S angebracht. Auf der Unterseite des Rohres ist eine Strahlungsquelle Q angebracht, die eine Strahlung L in Richtung des Strahlungssensors S ausstrahlt. Zusätzlich ist ein Thermoelement T in der Nähe der Strahlungsquelle installiert. Die Meßwerte des Strahlungssensors und des Thermoelements werden über Kabel einem Prozeßleitsystem P zugeführt, in welchem die Meßwerte verarbeitet werden und zur Anzeige gebracht werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden Beispiel beschrieben, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Beispiel 1 Messung der Wärmeaufnahme eines Kälteverbrauchers in einem Kältesystem aus einem Eiserzeuger und einem Kälteverbraucher

In einer Binäreisanlage, die aus einem Eiserzeuger (Typ R, Firma Integral Energietechnik) und einem Wärmetauscher als Kälteverbraucher besteht, wurden 0,2 m3/h Kälteträger, welcher 90 Gew-% Wasser und 10 Gew.-% Ethanol aufweist, im Kreis gepumpt. Der Eiserzeuger verbrauchte pro Stunde etwa 1,3 kWh Strom. Die aufgenommene Strommenge entsprach einer Kälteenergie von 2 kWh. Die Transmissionsleistung der Meßapparatur vor dem Kälteverbraucher lag bei 50%, bezogen auf eine Transmissionsleistung von 100%, wenn keine Eiskristalle im Kälteträger vorhanden sind. Die Transmissionsleistung der Meßapparatur nach dem Kälteverbraucher lag bei 55%, bezogen auf eine Transmissionsleistung von 100%, wenn keine Eiskristalle in dem Kälteträger vorhanden sind. Die im Eiserzeuger erzeugte Kälteenergie von 2 kWh, die im Wärmetauscher durch die Abgabe einer äquivalenten Menge an Wärmeenergie an den Kälteträger verbraucht wurde, entspricht also einer Erhöhung der Transmissionsleistung in der Meßapparatur nach dem Wärmetauscher im Vergleich zur Transmissionsleistung in der Meßapparatur vor dem Wärmetauscher um 5%.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Bestimmung der in zumindest einem Kälteverbraucher durch einen Kälteträger aufgenommenen Wärme und/oder zur Bestimmung der durch einen Kälteträger in zumindest einem Eisproduzenten abgegebenen Wärme in einer Binäreisanlage, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgenommene und/oder abgegebene Wärme durch Ermittlung und Vergleich des Eisgehalts im Kälteträger vor und nach zumindest einem Kälteverbraucher und/oder Eisproduzenten ermittelt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem Kälteträger aufgenommene und/oder abgegebene Wärme mittels optischer Bestimmung des Eisgehalts in einem Binäreisgemisch ermittelt wird.
  3. 3. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisgehalt mittels des Intensitätsverlustes den eine Strahlung erleidet, die eine Strecke durch ein bestimmtes Volumen, welches den Kälteträger aufweist, durchstrahlt, bestimmt wird.
  4. 4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisgehalt mittels der Intensität der an den Eiskristallen eines Kälteträgers reflektierten Strahlung, einer Strahlung, die in ein bestimmtes Volumen, welches den Kälteträger aufweist, eingestrahlt wird, bestimmt wird.
  5. 5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem Kälteträger abgegebene und/oder aufgenommene Wärme aus der Differenz des mittels optischer Messungen ermittelten Eisgehalts in einem Binäreisgemisch vor und nach einem Kälteverbraucher und/oder einem Eiserzeuger ermittelt wird.
  6. 6. Vorrichtung zur Bestimmung der in zumindest einem Kälteverbraucher durch einen Kälteträger aufgenommenen Wärme und/oder zur Bestimmung der durch einen Kälteträger in zumindest einem Eisproduzenten abgegebenen Wärme in einer Binäreisanlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zumindest zwei Meßapparaturen, die mit einer Auswerteeinheit verbunden sind, aufweist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßapparaturen jeweils zumindest ein für die jeweils verwendete Strahlung transparentes, teiltransparentes oder nicht transparentes Bauteil, eine Strahlungsquelle und zumindest einen Strahlungssensor aufweist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als transparentes, teiltransparentes oder nicht transparentes Bauteil ein doppelt ummanteltes Bauteil eingesetzt wird.
  9. 9. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungssensor eine Siliziumdiode verwendet wird.
  10. 10. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle eine Lampe, eine LED oder ein Laser vorhanden ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle eine Lichtquelle verwendet wird, die Licht im sichtbaren Bereich emittiert.
  12. 12. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlungsquelle und Strahlungssensor auf oder an gegenüberliegenden Seiten des transparenten, teiltransparenten oder nicht transparenten Baureils angeordnet sind.
  13. 13. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlungsquelle und Strahlungssensor auf oder an der gleichen Seite des transparenten, teiltransparenten oder nicht transparenten Bauteils angeordnet sind.
  14. 14. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Strahlungssensor auf oder an der der Strahlungsquelle gegenüberliegenden Seite des transparenten, teiltransparenten oder nicht transparenten Bauteils angeordnet ist und zumindest ein weiterer Strahlungssensor auf oder an der gleichen Seite des transparenten, teiltransparenten oder nicht transparenten Bauteils wie die Strahlungsquelle angeordnet ist.
  15. 15. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Meßapparaturen so miteinander verschaltet sind, daß die Meßergebnisse in Korrelation zueinander gebracht werden können.
  16. 16. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den zumindest zwei Meßapparaturen zumindest eine Apparatur zur Bestimmung der Temperatur des Kälteträgers vorhanden ist, die ebenfalls mit der Auswerteeinheit verbunden ist.
  17. 17. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Auswerteeinheit eine elektronische Datenverarbeitung, ein Prozeßleisystem oder ein Computer eingesetzt wird.






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