Untersuchungen zur Messbeständigkeit, Messabweichung und Messunsicherheit von Wärmezählern beim Einsatz mit Glykol-Wasser-Lösungen

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Hermann Baumgartner
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1 Untersuchungen zur Messbeständigkeit, Messabweichung und Messunsicherheit von Wärmezählern beim Einsatz mit Glykol-Wasser-Lösungen Forschungsvorhaben in Kooperation mit der ARGE HKV, dem VDDW und der PTB

2 Überblick Einleitung Vorstellung des Forschungsvorhabens Untersuchung physikalischer Eigenschaften Volumetrischer Prüfstand Alterung

3 Einleitung Gebrauch von anderen Wärmeträgern als Wasser bei Einsatztemperaturen unterhalb von 0 C Häufig verwendete Frostschutzmittellösungen auf Basis von: Ethylenglykol Propylenglykol bei 20 C, 1 bar: Wasser Ethylengl. Propylengl. c p [kj/kg K] ~4,182 ~2,4 ~2,5 Dichte [kg/m³] ~1000 ~1113 ~1036 dyn.viskos. [mpas] ~1 ~21 ~55 Wärmeträger- sowie Strömungseigenschaften weichen je nach Lösung stark von denen von Wasser ab

4 Einleitung Arbeiten zu diesem Thema, sowohl von Adunka als auch March zeigen, dass Messrichtigkeit von WMZ gestört wird Quelle: Adunka, Handbuch der Wärmeverbrauchsmessung Quelle: March, PTB-Bericht ThEx-14 =>Forschungsvorhaben in Kooperation mit VDDW und ARGE HKV

5 Vorstellung des Forschungsvorhabens Techn. Arbeitsgleichung eines WMZ: W k( p, T, T ) T F R V WMZ besteht prinzipiell aus 3 Funktionsgruppen: Temperaturfühlerpaar, Rechenwerk, Volumenmessteil Einfluss auf Rechenwerk Wärmekoeffizient k (abhängig von Dichte, spez. Wärmekapazität) Einfluss auf Volumenstrommessung Physikalische Grundlagen der Rohrströmung (Dichte, Viskosität) Prüfstand für Untersuchungen am Messzähler

6 Untersuchung physikalischer Eigenschaften Frostschutzmittelmarkt bietet große Anzahl an Produkten (~50) 4 Lösungen exemplarisch ausgewählt (2 x Fertigprodukte, 2 x Konzentrate) und in folgenden Mischverhältnissen in Laboren der PTB in Braunschweig untersucht: Glykol Basis Mischungsverhältnis in % Tyfocor LS Propylenglykol 100 (Fertigmischung) Antifrogen Sol HT Tyfocor L Antifrogen N Höher siedende Glykole Propylenglykol Ethylenglykol 100 (Fertigmischung)

Dichte in kg/m³ Dichte Bestimmung Dichte in Abhängigkeit von Temperatur und Mischungsverhältnis: Messunsicherheit: 0,05 kg/m³ 1120 1110 1100 1090 1080 1070 1060 1050 1040 1030 1020 1010 1000 990 980

7 Dichte in kg/m³ Dichte Bestimmung Dichte in Abhängigkeit von Temperatur und Mischungsverhältnis: Messunsicherheit: 0,05 kg/m³ Temperatur T in C

8 Dichte in kg/m³ Dichte Bestimmung Dichte in Abhängigkeit von Temperatur und Mischungsverhältnis: Messunsicherheit: 0,05 kg/m³ 1110, , ,00000 Leitungswasser Tyfocor LS 1050,00000 Antifrogen Sol HT Tyfocor L 25 Tyfocor L ,00000 Tyfocor L 35 Tyfocor L ,00000 Antifrogen N 20 Antifrogen N 25 Antifrogen N ,00000 Antifrogen N 35 Antifrogen N , ,00000 Temperatur in C

9 Abweichungen zu Herstellerangaben in % Dichte Dichteunterschiede zu Herstellerangaben bis zu ~4 kg/m³ 0,4 % 0,3 0,2 0,1 Tyfocor LS 0-0,1-0,2-0, Antigrogen SOL HT Tyf L 25 Tyf L30 Tyf L 35 Tyf L 40 Antif N 20 Antif N 25 Antif N 30 Antif N 35 Antif N 40-0,4-0,5 Temperatur t in C

10 Dichte in kg/m³ Dichte Lösungen für Frostschutz bis ca. -20 C im Vergleich: Dichteunterschiede zu Wasser im Mittel zwischen ~3 % und ~8 % Leitungswasser Tyfocor LS Antifrogen Sol HT Tyfocor L 40 Antifrogen N Temperatur T in C

11 spez. Wärmekapazität in kj/kg*k Spez. Wärmekapazität Spezifische Wärmekapazität (laut Herstellerangaben!), wird derzeit untersucht 4,2 4 3,8 3,6 3,4 3,2 Leitungswasser Tyfocor LS Antifrogen Sol HT Tyfocor L 25 Tyfocor L 30 Tyfocor L 35 Tyfocor L 40 Antifrogen N 20 Antifrogen N 25 Antifrogen N 30 Antifrogen N 35 Antifrogen N Temperatur in C

12 Wärmekoeffizient k in kwh/m³ K Wärmekoeffizient k Ermittlung des Wärmekoeffizienten k nach Adunka: Spez. Dichte Spez. Wärmekapazität (wird derzeit untersucht) in Polynomform 1,2 Wärmekoeffizient k im Vorlauf bei Vorlauftemperatur 50 C 1,15 1,1 1,05 1 0,95 Leitungswasser Tyfocor LS Antifrogen Sol HT Tyfocor L 25 Tyfocor L 30 Tyfocor L 35 Tyfocor L 40 Antifrogen N 20 Antifrogen N 25 Antifrogen N 30 Antifrogen N 35 Antifrogen N 40 0, Rücklauf-Temperatur

kinetische Viskosität in mm²/s Viskosität Untersuchung der kinematischen Viskosität in Abhängigkeit von Temperatur und Mischungsverhältnis: Messunsicherheit: ca.

13 kinetische Viskosität in mm²/s Viskosität Untersuchung der kinematischen Viskosität in Abhängigkeit von Temperatur und Mischungsverhältnis: Messunsicherheit: ca. 1 % Strömungszustand, Reibungswiderstand Temperatur T in C

14 kinetische Viskosität in mm²/s Viskosität Untersuchung der kinematischen Viskosität in Abhängigkeit von Temperatur und Mischungsverhältnis: Messunsicherheit: ca. 1 % 90 Strömungszustand, Reibungswiderstand Leitungswasser Tyfocor LS Antifrogen Sol HT Tyfocor L 25 Tyfocor L 30 Tyfocor L 35 Tyfocor L 40 Antifrogen N 20 Antifrogen N 25 Antifrogen N 30 Antifrogen N 35 Antifrogen N Temperatur T in C

15 Abweichungen in % Viskosität Abweichungen der Herstellerangaben in %: Tyfocor LS Antifrogen Sol HT Tyfocor L 25 Tyfocor L 30 Tyfocor L 35 Tyfocor L 40 Antifrogen N 20 Antifrogen N 25 Antifrogen N 30 Antifrogen N 35 Antifrogen N Abweichungen: Konzentrate ~5% Fertigmischungen bis zu ~18 % Temperatur in C

16 Reynoldszahl Viskosität Untersuchung des Strömungszustands: Kinematische Viskosität (Re v d ) Re bei 200l/h und DN 15 Leitungswasser Tyfocor LS Antifrogen Sol HT Tyfocor L 40 Antifrogen N bei 50 C Strömungszustand: Wasser Antifrogen N 40 Tyfocor LS Tyfocor L 40 Antifrogen SOL HT turbulent Übergangsbereich laminar 2000 Re krit Temperatur in C

17 Schallgeschwindigkeit c in m/s Schallgeschwindigkeit Messungen zwischen 4 und 50 C: Tyfocor L 25 % Tyfocor L 30 % Tyfocor L 35 % Tyfocor L 40 % Wasser Antifrogen Sol HT Antifrogen N 20 Antifrogen N 25 Antifrogen N 30 Antifrogen N 35 Antifrogen N Temperatur T in C

18 Kub. Ausdehnungskoeffizient γ in 1/K Kompressibilität κ in 1/Pa Schallgeschwindigkeit Schallgeschwindigkeit birgt im Zusammenhang mit der Dichte hohen Informationsgehalt Korreliert mit Dichte ρ und Kompressionsmodul K (K=c²*ρ) Änderung der Dichte unter Druck (gering, aber messbar) Aussagen über stoffliche Zusammensetzung (Stichwort Alterung) theoretisch Bestimmung von c p möglich mit: kubischem Ausdehnungskoeffizient γ und Kompressibilität κ=1/k Leitungswasser Tyfocor LS Antifrogen Sol HT Tyfocor L 25 Tyfocor L 30 Tyfocor L 35 Tyfocor L 40 Antifrogen N 20 Antifrogen N 25 Antifrogen N 30 Antifrogen N 35 Antifrogen N 40 0,001 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002 Wasser Tyfocor LS Tyfocor L 25 % Tyfocor L 30 % Tyfocor L 35 % Tyfocor L 40 % Antifrogen Sol HT Antifrogen N 20 Antifrogen N 25 Antifrogen N 30 Antifrogen N 35 Antifrogen N 40-1,00E-24-1,00E-10-2,00E-10-3,00E ,00E ,0002-5,00E-10 Temperatur in C Temperatur in C

19 Volumetrischer Prüfstand- Eckdaten Realisierbarer Volumenstrom zwischen 6 l/h und 3600 l/h Temperaturen zwischen -20 C und 110 C Druck: im Normalfall zwischen 3-4 bar 1. Auswahl: Hubspindel 2. Stempel 3. Zylinder Messstrecke 5. Temperierung

Volumetrischer Prüfstand - Grundprinzip Prüfstand mit volumetrischer Rückführung Basiert auf Verdrängerprinzip Koordinatenmesstechnisch erfasster Körper (Volumennormal)

20 Volumetrischer Prüfstand - Grundprinzip Prüfstand mit volumetrischer Rückführung Basiert auf Verdrängerprinzip Koordinatenmesstechnisch erfasster Körper (Volumennormal) wird mit definiertem Vorschub in Behälter eingeführt Hochgenau bestimmbarer Volumenstrom wird erzeugt Prüfung der WMZ erfolgt per Vergleich der Volumenstromanzeige

21 Volumetrischer Prüfstand - Aufbau Messtechnik Temperatur L L P T P 5 x Pt100 in Vierleitertechnik 3 x Druck Längenmessung T Mitutoyo und Drehgeber Leitfähigkeit LF T MID MID P T

22 Volumetrischer Prüfstand Arbeiten der PTB Fertigung der meisten Komponenten in hauseigener Werkstatt Drehen, Fräsen, Schweiß- und Montagearbeiten Umbaumaßnahmen Rückbau alter Anlagenteile, Ziehen einer Wand, Deckenarbeiten

Volumetrischer Prüfstand - Validierung Vergleichsmessungen des Prüfstands mit bestehender Anlage der PTB Messungen mit MID-Vergleichsnormalen (siehe Temperatur- und

23 Volumetrischer Prüfstand - Validierung Vergleichsmessungen des Prüfstands mit bestehender Anlage der PTB Messungen mit MID-Vergleichsnormalen (siehe Temperatur- und Durchflussspreizung) nach Validierung Einmessen der Zähler(DN15)mit Wasser (Vergleich) Temperaturen in C Durchfluss in l/h

Alterung Glykol-Wasser-Gemische enthalten Inhibitoren und Puffersubstanzen, um neben dem Frostschutz noch anderen Zwecken zu dienen: Korrosionsschutz für ausgewählte Metalle (Stahl, Cu, Al, Lot)

24 Alterung Glykol-Wasser-Gemische enthalten Inhibitoren und Puffersubstanzen, um neben dem Frostschutz noch anderen Zwecken zu dienen: Korrosionsschutz für ausgewählte Metalle (Stahl, Cu, Al, Lot) Pufferwirkung zur Neutralisierung von Säuren (Säurekorrosion) je nach Zusammensetzung, Einsatztemperatur und Sauerstoffzufuhr tritt Alterung auf Moderne, geschlossene Heizungssysteme => unproblematisch Einsatz in Solaranlage (Stagnationstemperaturen bis 300 C) führt zur Verdampfung der Lösungsbestandteile => problematisch Quelle: Hillers, Schrimpf, Korrosionsschutz und thermische Belastbarkeit

25 Alterung Grundsätzliche Eigenschaften der Lösungen werden beeinträchtigt: ph-wert sinkt => Korrosionsschutz lässt nach/versagt vollkommen Entstehung von Ablagerungen (Kristallisation der Inhibitoren nach Verdampfen) Verfärbungen, Geruchsbildung Säurebildung, wenn Puffervermögen aufgeraucht ist => beschleunigte Korrosion an Anlagenteilen?Wirkung auf Strömungszustand (Dichte, Visk.) und Wärmekoeffizient?

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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