CC BY
157
АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩИМ ТЕПЛОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Анна Дмитриевна Зонова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры «Метрология, стандартизация и сертификация», тел. (383) 361-07-45, e-mail: annet-anutka@yandex.ru
Виктор Яковлевич Черепанов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры «Метрология, стандартизация и сертификация», тел. (383) 361-07-45, e-mail: cherepanov73@mail.ru
В статье рассмотрены источники погрешности измерений тепловой мощности и энергии в системах теплоснабжения. Проведена теоретическая оценка влияния методических погрешностей на результаты измерений параметров теплоносителя неразрушающим теплометрическим методом.
Ключевые слова: массовый расход, тепловая мощность, тепловая энергия, неразрушающий теплометрический метод, энтальпийный метод, погрешность измерений.
ANALYSIS OF THE SOURCES TO ERROR OF THE MEASUREMENTS OF HEAT CARRIER PARAMETERS OF A NON-DESTRUCTION HEAT MEASUREMENT METHOD
Anna D. Zonova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, senior teacher, department of metrology, standardization and certification, tel. (383) 361-07-45, e-mail: annet-anutka@yandex .ru
Victor Ya. Cherepanov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, Ph-doctor, professor, department of metrology, standardization and certification, tel. (383) 361-07-45, e-mail: cherepanov73@mail.ru
In article is considered sources to error of the measurements to heat power and energy in heat supply systems. It is organized theoretical estimation of the influence methodical errors on results of the measurements to heat carrier parameters of a non-destruction heat measurement method.
Key words: mass consumption, heat power, heat energy, a non-destruction heat measurement method, enthalpy method, error of the measurements.
Традиционный энтальпийный метод измерений тепловой мощности в системах теплоснабжения основан на использовании справочных данных по энтальпии или теплоёмкости теплоносителя, а также по их зависимости от температуры и давления в отопительной системе. В случае использования расходомеров, измеряющих объёмный расход, необходимо привлекать также справочные данные по температурной зависимости теплоносителя.
Таким образом, достоверность результатов измерений, получаемых этим методом, зависит от надёжности данных по указанным свойствам и от их соответствия свойствам реального теплоносителя. Кроме этого, теплосчётчики, реализующие этот метод, являются достаточно сложными и дорогостоящими устройствами, предназначенными для стационарной установки путём врезки датчиков в трубопроводы систем отопления.
Очевидно, что такой метод и реализующие их устройства не могут быть использованы для решения другого важного для энергосбережения вопроса -оперативного контроля исправности и эффективности отдельных отопительных приборов и систем, например, при энергоаудите объектов ЖХК. Для этого в [1] был предложен неразрушающий теплометрический метод и устройство для измерений параметров теплоносителя в системах теплоснабжения. Сущность метода заключается в следующем (рис. 1).
На поверхности участка трубопровода, соединяющего систему теплоснабжения с отопительным прибором 4, размещают накладные датчики температуры 1 и датчик теплового потока 2. Этот участок трубопровода выполняет функцию расходомерного.
Расстояние между датчиками температуры выбирают достаточным, чтобы зафиксировать малый перепад температуры At на поверхности расходомерного участка, возникающий из-за потери тепла с его поверхности в окружающую среду, которая характеризуется мощностью Р^. Кроме этого, на входе и выходе ОП также устанавливают накладные датчики температуры 3, измеряющие соответствующую разность температуры АТ
Таким образом, устройство состоит из накладных дифференциальных медь-константановых термоэлектрических датчиков температуры, теплового потока и измерительного прибора, регистрирующего их сигналы.
Тепловую мощность Рх отопительного прибора рассчитывают по формуле
РХ=РСА.Т/А1, (1)
Рис. 1. Схема устройства для реализации неразрушающего теплометрического метода
а расход G теплоносителя - по формуле
С = Ра/К8А1,
где К$ - коэффициент, учитывающий калорические свойства теплоносителя и зависящий от его давления и температуры.
Основными источниками погрешности такого неразрушающего метода измерений тепловой мощности Ър и массового расхода б<-; являются методические погрешности измерений теплового потока и температуры накладными датчиками, а также неопределённость значений К$ при определении расхода. Необходимо отметить, что, как следует из (1), важной отличительной особенностью теплометрического метода по сравнению с энтальпийным является независимость Рх от К $.
Первый источник погрешности - измерение тепловой мощности PQ на поверхности расходомерного участка трубы (рисунок 2) накладным датчиком, которую определяют по формуле
Ро=ЧоРо, (3)
где qG - плотность теплового потока на поверхности расходомерного участка трубы; FQ - его площадь.
Рис. 2. Модель измерения теплового потока с участка трубы:
1 - поверхность трубы; 2 - датчик теплового потока
В условиях конвективно-радиационного теплообмена расходомерного участка с температурой Тс, температурой среды ТСр и коэффициентом теплоотдачи а, а также с диаметром и длиной Ь трубы формула (3) принимает вид:
рО =а{Ь-Тср^О ~ТсР (4)
Следовательно, тепловая мощность на поверхности ДТП будет равна
Р = цР = -Тср 1; =а4-Тср ^£>/, (5)
где q - плотность теплового потока на внешней поверхности ДТП; F - его площадь; Т - температура его внешней поверхности; Б и I - его диаметр и ширина.
Эта тепловая мощность приведёт к равной по значению тепловой мощности на поверхности участка трубы, расположенного под ДТП:
Р = ХАТпсї(} 1/И, (6)
где АТ = Т(} -Т - разность температур на поверхностях ДТП; X и И - его теп-
лопроводность и толщина.
С учётом этого из (5) и (6) следует
А'Г=((;-'1Ср 1< + А/у / аЫ<\,
где - площадь поверхности расходомерного участка трубы под ДТП. Тогда плотность дс теплового потока, измеряемая ДТП, будет равна
qd=XAT|И = a^G-Tcp +
(7)
(8)
где В/ = ос И/Х - критерий подобия Био для системы теплообмена ДТП-среда.
Полученные результаты измерений этой плотности являются основой для расчёта значений расхода теплоносителя и выделяемой им теплоты. Погрешность её измерений является систематической и рассчитывается по формуле
Ьд = 4а-<юЪо=
(9)
Эта формула, выраженная через измеряемые или известные по исходным данным величины, принимает вид
1
Значения указанных параметров приведены в табл. 1.
Значения исходных параметров
(10)
Таблица 1
а, Вт/(м2-к) X, Вт/(м-К) О о Е-Г О О £ Іо, м сІ о, м О, м И, м
10 1 20 70 22-10-3 18-10-3 25-10-3 1-10-2
В частности, для значений параметров, приведённых в таблице 1, погрешность составит около 2 %.
Ещё одним источником погрешности является измерение разности температуры на расходомерном участке трубы накладными датчиками.
Рисунок 3. Схема измерений температуры:
0 - теплоноситель; 1 - накипь; 2 - труба; 3 - эмаль; 4 - электроизолятор; 5 -чувствительный элемент (ЧЭ) датчика; 6 - теплоизолятор
Зависимость плотности теплового потока q в слоистых структурах объекта измерений и датчика (рисунок 3) от влияющих величин имеет вид
Д — 1ср
а =-----------------------^-----------------, (11)
Кд + /^ | + К2 Д Д Д + /^5 + Яср
где Яо ...Яб и Яср - тепловые сопротивления элементов 0...6 и слоя поверхность-среда: Д)=1/ос; Д=йДД, / = 1...6; Яср =уаср, тд$ аср - коэффициент теплоотдачи на поверхности теплоизолятора; di - толщина слоёв.
Отсюда следует, что средняя температура Т элемента 5 (датчика) равна
Т = Д — Я Со Д Д Д Д Д /2 • (12)
Очевидно, что слой 6 теплоизоляции снижает тепловой поток q, а, следовательно, измеренная датчиком температура Т при этом стремится к значению температуры То теплоносителя. В качестве примера для различных веществ и материалов приведены реальные или ожидаемые значения величин, необхо-
2 _'З
димые для расчёта д и Т, а именно а, Вт/(м -°С); dj -10 , м; Д, Вт/(м-°С); Д
, °С; Тср, °С и Дг • 10“3, м2-°С/Вт.
Вода: Д = 70 , а = 100, Д = Ю . Пористая керамика (накипь): ^1=1, Д = 1 и Д=1. Для стали и полипропилена, соответственно: <Д=3; X2=50
и Д =0-25 ; Д =0,06 и Д =12. Для краски и эмали, соответственно: Д =1; Д = 0,3 и А,2 = 1; =3,33 и Д=1. Электроизолятор: 6/4 =0,2, Д=0,4
и Д=0,5. ЧЭ датчика: Д=0,5, Д=0,5 и Д=1. Теплоизолятор: Д=5, Д = 0,04 и й6= 125 . Воздух: Тср = 20, аср = 10 и Д^, = 100.
Подставляя в (11) и (12) приведённые выше значения, получают плотность теплового потока около 205 Вт/м , а температуру ЧЭ - около 67 °С. Откуда следует, что температура Т поверхности ДТП будет ниже температуры То теплоносителя. Следовательно, погрешность измерений температуры теплоносителя составит 3 °С. Такая точность вполне достаточна для оценки работоспособности системы отопления.
Важно отметить, что для двух идентичных дифференциально включенных накладных датчиков 1 и 2, при условии равенства значений Яо — Я5/2 в (12), измеренная ими разность температуры на поверхности трубы и разность температуры теплоносителя равны
П-т2=т01 -т02 (13)
Таким образом, основные источники методических погрешностей, вызванные применением накладных датчиков теплового потока и разности температур, могут быть сведены к минимуму выбором оптимальных параметров их конструкции и свойств материалов для их изготовления.
Оценка инструментальных погрешностей устройства, реализующего метод, даёт значения: около 6 % - для тепловой мощности и около 7 % - для массового расхода [2].
Выполненный анализ погрешностей измерений тепловой мощности и массового расхода теплоносителя показывает, что предлагаемый метод вполне пригоден для объективной оценки качества и эффективности отопительных приборов, используемых в системах теплоснабжения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Зонова А.Д., Черепанов В.Я. Исследование неразрушающего метода измерений тепловой мощности отопительных приборов / А.Д. Зонова, В.Я. Черепанов // Сб. матер. VI Международного научного конгресса «ГЕО-Сибирь-2010». - Новосибирск: СГГА, 2010. - С. 124-129.
2 Зонова А.Д., Черепанов В.Я. Методика экспресс-измерений тепловой мощности отопительных приборов неразрушающим методом / А.Д. Зонова, В.Я. Черепанов // Сб. матер. VIII Международного научного конгресса «ИНТЕРЭКСПО ГЕО-Сибирь-2012». - Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 166-171.
© А.Д. Зонова, В.Я. Черепанов, 2013
