Komfortable Temperaturmessung auf der Rohroberfläche

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1 Komfortable Temperaturmessung auf der Rohroberfläche Vergleich zu invasiven Verfahren REITZE TEC 2011, Bremen, Dr. Thomas Köster Leiter Entwicklung LABOM Mess- und Regeltechnik GmbH

2 LABOM Mess- und Regeltechnik GmbH Produkte Lösungen zur Messung von Druck, Temperatur und abgeleiteten Messgrößen Besonderheit technologisch hochwertige Lösungen für anspruchsvolle Messaufgaben Produktmodifikationen und Sonderlösungen nach Kundenwunsch 2

3 Was Sie erwartet 1. Vor- und Nachteile der invasiven Temperaturmessung im Vergleich mit der Messung der Rohroberflächentemperatur 2. Rohroberflächen-Temperaturmessung als nicht-invasives Messverfahren a) Einführung und theoretischer Hintergrund b) Anwendungsfelder und erreichbare Genauigkeiten c) Technische Anforderungen an Geräte für dieses Verfahren 3. Ausführungsbeispiel für eine Gerät zur Messung der Rohrtemperatur 4. Zusammenfassende Gegenüberstellung der Verfahren und deren Einsatzbereiche 3

4 Invasive Temperaturmesstechnik Messgerät Messspitze ist vom Medium umspült Rohr Vorteile Bewährte, robuste Technik Bestmögliche Genauigkeit Breite Produktvielfalt Etablierte Kalibrierverfahren Nachteile Fließbehinderung oder Durchmesseraufweitung (niedrigere Fließgeschwindigkeiten) Risiko von Toträumen Aufwändige Prozessadaption (hohe Systemkosten) Mindestrohrdurchmesser DN10 4

5 Rohroberflächen-Temperaturmessung Beispiel 1: Beispiel 2: Messeinsätze Gehäuseelemente Rohr Vorteile Kein Eingriff in den Prozess, damit vollständig totraum- und spaltfrei Einfache Installation Für kleinste Rohrdurchmesser geeignet Nachträgliche Verschiebung der Messstelle möglich Nachteile Erzielbare Genauigkeit hängt von den Prozessbedingungen ab Anfälliger für Montagefehler und unsaubere Rohroberflächen Höhere Anforderungen in der konstruktiven Umsetzung Je nach Ausführung nicht mit Standardverfahren kalibrierbar 5

6 Theoretische Betrachtung für Rohrmessungen Die Oberflächentemperatur von Rohren hängt, neben der Mediumtemperatur, von drei thermischen Widerständen ab: 1. Widerstand zwischen der Rohrmitte und der Rohrinnenwand 2. Thermischer Widerstand in der Rohrwand 3. Widerstand zwischen der äußeren Rohrwand und der Umgebung T Medium T Rohr_i 1 2 T Rohr_a 3 idealer Verlauf Wärmefluss T Umg. Nur wenn die Summe der ersten beiden Widerstände im Vergleich zum dritten (Rohr außen zur Umgebung) sehr klein ist, hat die Rohroberfläche annähernd Mediumtemperatur! 6

7 Rohreinfluss auf die Rohraußentemperatur Für ein Rohr in unbewegter Luft (Innenraumanwendung) hängt der Temperaturverlust in der Rohrwand ( T Rohr ) von drei Faktoren ab: T Rohr T Medium T Rohr_a T Umg. Treibende Temperaturdifferenz Rohrgeometrie Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials Wärmefluss Wärmeleitfähigkeitswerte λ in W/(m K) Silber ~ 400 Kupfer ~ 320 Aluminium ~ 230 Edelstahl ~ 15 Wärmeleitpaste ~ 5 Wasser ~ 0,6 Kunststoffe ~ 0,2 0,4 Öl ~ 0,15 Luft ~ 0,03 Dämmstoffe ~ 0,02.. 0,05 7

8 Beispielrechnung für den Rohreinfluss Randbedingungen Umgebung: 20 C, ruhende Luft Rohrinnentemperatur: 120 C ( T = 100 K) stationärer Zustand Referenzrohr: 13,5 mm x 1,6 mm T Rohr 120 C 100 K Edelstahl (Wärmeleitfähigkeit λ = 15 W/mK ) Luft 20 C Berechnete Temperaturverluste ( T Rohr ) aufgrund des Rohres Referenzrohr 0,13 K Wandstärke 3,2 mm statt 1,6 mm 0,32 K Bewegte Luft (5 m/s ~ 3 Bft) statt ruhender Luft 1,19 K Kunststoff (PC, λ=0,21 W/mK) statt Edelstahl 8,79 K Oberflächenmessung erfordert Metallrohr, zudem möglichst unbewegte Luft oder Isolierung 8

9 Mediumeinfluss auf Rohrtemperatur Die Temperatur an der Rohrinnenseite hängt maßgeblich von der Strömungsart (laminar/turbulent) ab. Laminare Strömung Bewegung der Fluidpartikel nur in Strömungsrichtung Wärmeübertragung quer zum Rohr nur durch Wärmeleitung Großer Geschwindigkeits- und Temperaturgradient Äußere Schichten kühlen durch langsamere Fließgeschwindigkeit leichter aus Turbulente Strömung Ungeordnete Bewegung der Fluidpartikel Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und -transport Weitgehend gleichmäßige Temperaturverteilung aufgrund der Durchmischung (bis auf Randbereich) Weitere Einflussfaktoren des Mediums Wärmekapazität und -leitfähigkeit Strömungsgeschwindigkeit 9

10 Beispielrechnung für Einfluss des Mediums Randbedingungen Umgebung: 20 C, ruhende Luft stationärer Zustand Rohr Wandstärke 0,0 mm (um Rohreinfluss auszuschließen) Durchmesser 13,5 mm T Medium 20 C Medium T Medium Bemerkung Wasser 50 C 2 m/s 0,10 K Kaum Temperaturverlust Methanol 50 C 2 m/s 0,25 K Wärmeleitfähigkeit schlechter Glycerin 50 C 2 m/s 3,99 K Viskosität -> Strömungs- und Temperaturprofil im Medium Luft 120 C 20 m/s 12,8 K Geringe Wärmekapazität bei Gasen Sattdampf 120 C 20 m/s 0,11 K Sonderfall Kondensation Die Oberflächentemperaturmessung ist besonders für Wasser, wässrige Lösungen und Sattdampf geeignet. 10

11 Beispielrechnung für Gesamtsystem Randbedingungen Medium: Sattdampf Mediumtemperatur: 120 C T ges Umgebungstemperatur: 20 C Rohr: Edelstahl, 13,5 mm x 1,6 mm Temperaturunterschiede Medium / Rohroberfläche ( T ges ) Rohr ohne Isolierung Mit Kunststoffmantel 1 cm PVDF λ = 0,17 W/(m K) Mit Isolierung 1 cm PU-Schaum λ = 0,03 W/(m K) Ruhende Luft 0,28 K 0,29 K 0,09 K Bewegte Luft (1 m/s) 0,87 K 0,48 K 0,11 K Bewegte Luft (5 m/s) 2,45 K 0,61 K 0,12 K Bei geeigneten Prozessen und Bedingungen weicht die Rohroberflächentemperatur kaum von der Mediumtemperatur ab. 11

12 Technische Messung der Rohroberflächentemperatur 1/2 Bei einer technischen Messung der Rohroberfläche sind folgende thermische Widerstände zusätzlich zu betrachten: Wärmeübergang vom Rohr auf das Gerät 2. Wärmeleitung von der Kontaktstelle zwischen Rohr und Gerät zum Sensor 3. Wärmeleitung vom Sensor zur Geräteoberfläche 4. Wärmeübergang vom Gerät zur Umgebung Sensor (z.b. Pt100) Sensorträger Gerätegehäuse 12

13 Technische Messung der Rohroberflächentemperatur 2/2 Zu beachtende konstruktive Aspekte bei der Geräteauswahl: Gute thermische Anbindung ans Rohr Kleine thermische Masse des Sensorträgers Integration von isolierenden Elementen im Gerätegehäuse Ausgleich von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen und konstanter Anpressdruck des Sensorträgers Eignung für eine Kalibrierung Einfache Demontage des Messfühlers Lösungen für die Aufnahme des Messfühlers im Kalibrator Sensor (z.b. Pt100) Sensorträger Gerätegehäuse 13

14 Ausführungsbeispiel (LABOM GA 2610) wechselbarer Messeinsatz elektrischer Anschluss Feder für konstante Anpresskraft thermische Isolierung (PEEK) Silberspitze mit Pt 100 Manschette Rohr Befestigungsschrauben Vibrationssicherung 14

15 Beispielhafte Testmessungen Genauigkeit Prinzipbedingt etwas schlechter als invasive Lösung; Abhängig von den beschriebenen Einflussfaktoren sind unter optimalen Bedingungen Abweichungen von 0,5% erreichbar Ansprechzeit Bei sehr kleiner thermischer Masse des Sensorträgers und guter thermischer Anbindung des Sensors gleich oder besser als invasive Lösung mit Schutzrohr t 90 = s* 0,5.. 1 %* Medium invasiv nichtinvasiv * für metallisches Rohr und Wasser oder Sattdampf 15

16 Gegenüberstellung invasiv / nicht-invasiv Medium Sattdampf Wasser Alkohole Öle Gase Genauigkeitsanforderung Rohrdurchmesser Rohrwandstärke Hygienische Anforderungen Systemkosten (mit Installation) klein klein gering gering gering groß groß hoch hoch hoch invasiv nicht-invasiv 16

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fragen? 17