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Main Title: Heat metering with glycol-water-mixtures
Translated Title: Wärmemengenmessung mit Glykol-Wassergemischen
Author(s): Baack, Sebastian
Advisor(s): Thamsen, Paul Uwe
Referee(s): Thamsen, Paul Uwe
Frank, Stefan
Lau, Peter
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Due to its physical properties, glycol-water-mixtures cause typical heat meters to measure with increased deviations. Both the volume flow measurement and the fluid’s heat coefficient are affected. For the determination of the exchanged energy, for example in cooling or solar thermal installations, heat meters which are suitable for commonly used glycol-based heat conveying media are necessary. A joint project of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), the Verband der deutschen Wasser- und Wärmezählerindustrie e.V. (VDDW) and the Arbeitsgemeinschaft Heiz- und Wasserkostenverteilung e.V. (ARGE Heiwako) aims at gathering data and developing procedures to introduce heat meters for glycol-water-mixtures into legal metrology. In a first step, the heat transfer and flow properties for a selection of 4 glycol-based media are investigated. Traceable investigations of the physical properties density ρ(T), kinematic viscosity ν(T) and specific heat capacity cp(T) of the investigated fluids partially show deviations of up to 18 % from the manufacturer's data. Heat coefficients for glycol-based fluids are calculated with an expanded uncertainty of 1.5 % (k=2). Furthermore, preliminary investigations indicate that a review of the stability of the heat conveying medium under conditions of use (degradation) is necessary. After performing accelerated laboratory degradation procedures, heat transfer properties partially change to varying degrees (up to 5 %), depending on the glycol base. As the transferability to field conditions is currently not possible, further measurements with improved measuring instruments and in-field data acquisition is planned to confirm the experiments and further explore the field of degradation. The second step includes the determination of the specific medium’s influence on the flow measurement of heat meters. Therefore, a new volumetric testing facility at PTB’s laboratories is designed, built and validated. It has an expanded uncertainty (k=2) between 0.017 % and 0.36 %, based on the flow rate and temperature. Results of five mass-market suitable flowmeter types like ultrasonic and impeller flowmeters partially show maximum deviations that are multiple times bigger than current maximum permitted deviations (-45 % to 30 % for ultrasonic sensors; -8 % to 7 % for impeller flow sensors). However, after applying mediumspecific corrections to the sensor, the results improve drastically (± 2 %), indicating that a legal use of those sensors in near future is possible. More sophisticated sensors like Coriolis or Electromagnetic flow sensors measure within a narrow deviation range below ± 1 %. Further investigations include the evaluation of in-field use of glycol-based media as well as possible challenges and testing procedures for legal metrology purposes. Restrictions may arise due to uncertainties in the specific fluid’s composition and stability in the field. Testing and calibration of glycol-applicable sensors with water appears feasible and will be investigated further on.
Die von Wasser abweichenden physikalischen Eigenschaften von Glykol-Wasser-Gemischen bewirken erhöhte Abweichungen bei Wärmemengenzählern. Dabei sind sowohl die Messung des Volumenstroms als auch der für die Wärmemenge maßgebende Wärmekoeffizient betroffen. Eine Vielzahl von Kühl- oder Solarthemie-Anlagen sind für die Abrechnung ausgetauschter Energie auf Sensoren angewiesen, welche für gebräuchliche glykolbasierte Wärmeträger einsetzbar sind. Ein Gemeinschaftsprojekt der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), dem Verband der deutschen Wasser- und Wärmezählerindustrie e.V. (VDDW) und der Arbeitsgemeinschaft Heiz- und Wasserkostenverteilung e.V. (ARGE Heiwako) hat das Ziel, Grundlagen zu schaffen und Verfahren zu entwickeln, um Wärmemengenzähler für Glykol-Wasser-Gemische in das gesetzliche Messwesen einzuführen. In einem ersten Schritt werden die Fluideigenschaften von 4 glykolbasierten Medien untersucht. Dabei zeigen die rückgeführten Messungen der Dichte ρ(T), der kinematischen Viskosität ν(T) und der spezifischen Wärmekapazität cp(T) teilweise Abweichungen von bis zu 18 % von Herstellerangaben. Aus den gewonnenen Daten werden Wärmekoeffizienten mit einer erweiterten Messunsicherheit von 1,5 % (k=2) für eine Auswahl von 4 Wärmeträgern auf Glykolbasis berechnet. Darüberhinaus wird die Stabilität der Fluide unter Betriebsbedingungen (Alterung) untersucht. Mithilfe von beschleunigten Labortests wird ermittelt, dass sich teilweise Änderung der Wärmeträgereigenschaften um 5 % ergeben. Da die Übertragbarkeit beschleunigter Alterungsversuche im Labor auf reale Bedingungen im Feld derzeit nicht möglich ist, sind weitere Experimente sowie Probenentnahmen aus dem Feld zur Vertiefung des Kenntnisstands zum Thema Alterung geplant. Der zweite Schritt beinhaltet die Untersuchung des Mediumeinflusses auf die Volumenstrommessung. Dafür wurde ein nach dem Verdränger-Prinzip arbeitetender Prüfstand konstruiert, erbaut und validiert. Dieser hat eine erweiterte Messunsicherheit, welche je nach Temperatur und Durchfluss zwischen 0,017 % und 0,36 % (k=2) liegt. Die Ergebnisse von fünf massenmarkttauglichen Geräten auf Ultraschall- und Flügelradbasis ergeben teilweise Abweichungen, welche weit oberhalb derzeitig zulässiger Fehlergrenzen liegen (-45 % bis 30 % für Ultraschallzähler; -8 % bis 7 % für Flügelradzähler). Nach medienspezifischen Korrekturen zeigen diese Zähler deutlich niedrigere Abweichungen (bis zu ± 2 %), sodass ein gesetzlich geregelter Einsatz dieser Sensoren in naher Zukunft realistisch erscheint. Sensoren nach dem Coriolis- und Elektromagnetischen Prinzip messen den Durchfluss innerhalb von ± 1 %. Weitere Untersuchungen beinhalten die Einschätzung des Feldeinsatzes von Glykol-Wasser-Gemischen sowie mögliche Herausforderungen und Testmöglichkeiten im im Rahmen des gesetzlichen Messwesens. Einschränkungen sind aufgrund von Unsicherheiten in der Fluidzusammensetzung sowie -stabilität denkbar. Das Testen, Kalibrieren und Prüfen der korrigierten Volumensensoren mit Wasser erscheint möglich, wird jedoch weiter untersucht.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10731
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9628
Exam Date: 27-Nov-2019
Issue Date: 2020
Date Available: 14-Feb-2020
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
532 Mechanik der Fluide, Mechanik der Flüssigkeiten
Subject(s): glycol
heat metering
thermophysical properties
metrology
renewables
measurement uncertainty
volumetric displacement
volume measurement
enthalpy change
Glykol
Wärmemengenmessung
thermophysikalische Eigenschaften
Metrologie
Erneuerbare Energien
Messunsicherheit
volumetrische Verdrängung
Volumenmessung
Enthalpiedifferenz
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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