CC BY
42
МЕТРОЛОГИЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
УДК 681.1:006
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА И ПРИБОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Анна Дмитриевна Зонова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пла-хотного, 10, аспирант кафедры метрологии, стандартизации и сертификации, тел. (913)782-60-87, e-mail: annet_zonova@mail.ru
В статье приведены результаты экспериментальных исследований теплометрического метода измерений параметров теплоносителя. Описаны схемы накладных датчиков и измерительной установки. Подтверждена работоспособность теплометрического метода.
Ключевые слова: накладные датчики, отопительная система, теплометрический метод, измерительная установка, теплоноситель, тепловая мощность, массовый расход.
EXPERIMENTAL RESEARCHES HEAT-METER METHOD AND DEVICE FOR MEASURING OF HEAT CARRIER PARAMETERS
Anna D. Zonova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, postgraduate student of department «Metrology, standardization and certification», tel. (913)782-60-87, e-mail: annet_zonova@mail.ru
In article are given the results of the experimental researches of the heat measurements method of heat carrier parameters. Described scheme of additional sensors and measuring system. Confirmed performance of the heat-meter method.
Key words: additional sensors, heating system, a heat-meter method, measuring system, heat carrier, heat power, mass consumption.
За последние 3-4 года значительно расширился круг отечественных производителей энергосберегающего оборудования и увеличилась номенклатура этой продукции. Однако информация об отечественных и импортных технических средствах носит, как правило, лишь рекламный характер. Систематизированной объективной информации, доступной широкому кругу потребителей, до настоящего времени практически нет, в то время как жилищно-коммунальное
116
Метрология и метрологическое обеспечение
хозяйство (ЖКХ) является крупнейшим потребителем топливно-
энергетических ресурсов (свыше 30 % выработки тепловой энергии в России).
Однако реформирование ЖКХ ведет к прекращению государственного дотирования энергетических предприятий и потребителей их продукции, что обусловливает необходимость приведения тарифов на энергетическую продукцию в соответствии с фактическими затратами на ее производство.
Таким образом, возникла объективная необходимость более рационального использования энергоресурсов путем повсеместного внедрения энергоэффективных технологий, учета фактически потребляемых тепловой энергии, холодной и горячей воды, газа, электроэнергии. В связи с этим было предложено разработать новый неразрушающий теплометрический метод и типы измерителей на его основе, позволяющие проводить измерения параметров теплоносителя без нарушения целостности отопительной системы. В данном случае такими измеряемыми величинами являются, прежде всего, мощность отопительного прибора, а также другая важная для энергоаудита физическая величина -расход теплоносителя в системе отопления. Используемый же для этих целей ультразвуковой метод с накладными датчиками имеет существенный недостаток. При его реализации необходимо знать свойства материала, из которого изготовлен трубопровод. Кроме этого, стенки трубопровода не должны содержать коррозии и накипи.
Предложенный в [1] теплометрический метод неразрушающих измерений, основанный на использовании накладных датчиков температуры и теплового потока (ДТП), не имеет указанных недостатков. На рис. 1 представлена схема устройства, реализующего этот метод.
Рис. 1. Схема устройства для реализации неразрушающего контроля параметров теплоносителя в системах теплоснабжения
На поверхности участка трубопровода 1, соединяющего систему теплоснабжения 2 с отопительным прибором 3, размещают накладные датчики температуры 4 и датчик теплового потока 5. Этот участок трубопровода выполняет функцию расходомерного. Расстояние между датчиками температуры выбирается 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 PG .
117
Метрология и метрологическое обеспечение
Кроме этого, на входе и выходе отопительного прибора также устанавливают накладные датчики температуры 6.
Зная электрический сигнал, измеренный с помощью датчика теплового потока, рассчитывают плотность теплового потока по формуле
q = KE , (1)
где K - коэффициент преобразования ДТП, Вт/(м мВ), зависящий от значений его теплового сопротивления и чувствительности дифференциальных термопреобразователей, который определяют экспериментальным путем; E - электрический сигнал датчика, измеряемый милливольтметром.
Нагретый теплоноситель, проходя по подающему трубопроводу, отдает часть тепловой энергии. При этом на его поверхности создается тепловой поток плотностью q, а температура теплоносителя понижается на некоторое значение At. В этом случае массовый расход теплоносителя G будет равен
G
q ■ F KS At ,
(2)
где F - площадь поверхности трубопровода между участками, на которых размещен датчик разности температуры; KS - коэффициент, учитывающий калорические свойства теплоносителя (для воды его часто называют коэффициентом Штука).
Подставляя рассчитанные по показаниям прибора значения q и At в формулу (2) с учетом известных данных по F и KS , получают искомое значение расхода теплоносителя в отопительной системе.
Тепловую мощность, выделяемую системой отопления, рассчитывают по формуле [2]
P _ KSG AT, (3)
где AT - разность измеренных значений температуры поверхностей трубопроводов на входе и выходе системы отопления.
Затем, подставляя выражения (1) и (2) в формулу (3), получают искомое значение тепловой мощности, выделяемой отопительной системой (отопительным прибором):
P _ qF AT _ KEF AT _ KE ж dlG AT At At At
(4)
где F - площадь поверхности расходомерного участка; d - диаметр трубы; lG - длина расходомерного участка [3].
118
Метрология и метрологическое обеспечение
Как видно из (4), в расчетную формулу тепловой мощности не входит коэффициент , учитывающий калорические свойства теплоносителя, что является важным достоинством устройства по сравнению с известными устройствами, в которых используют стандартные справочные данные по этому коэффициенту, соответствующие чистой дистиллированной воде, которые в действительности индивидуальны для каждого конкретного теплоносителя.
Значения разности температурыА t и длины 1а расходомерного участка выбирают исходя из возможностей измерителя сигналов и чувствительности S датчиков температуры. Если измеритель имеет погрешность 1 мкВ, а датчик разности температуры, содержащий 7 пар спаев дифференциальных медь-константановых преобразователей, - чувствительность около 300 мкВ/°С, то погрешность измерений разности температуры составит около 0,0035 °С. Следовательно, при разности температуры в 0,1 °С относительная погрешность ее измерений составит 3,5 %.
Важным преимуществом измерительного устройства является возможность его применения в качестве компактного переносного прибора, как при аудите систем теплоснабжения, так и при диагностике состояния отдельных отопительных приборов.
Устройство представляет собой систему накладных дифференциальных медь-константановых термоэлектрических датчиков и измерительного прибора, регистрирующего их сигналы. В качестве датчиков теплового потока использовались термоэлектрические датчики, называемые «датчиками типа вспомогательной стенки». Такие датчики представляют собой пластинку (рис. 2), размещаемую на поверхности отопительной системы, чтобы вектор теплового потока был перпендикулярен рабочим плоскостям датчика.
Рис. 2. Устройство чувствительного элемента контактного преобразователя теплового потока:
1 - слой материала с постоянным термическим сопротивлением; 2 - дифференциальный термопреобразователь
В качестве материала с постоянным термическим сопротивлением использовалась резиновая пластинка прямоугольной формы с коэффициентом тепло-
119
Метрология и метрологическое обеспечение
проводности X = 0,5 Вт/(м°С), размеры которой составляют 90 х 50 х 1 мм. Ширина пластинки соответствует внешнему диаметру трубопровода отопительной системы помещения. На слой резинового материала, как показано на рис. 2, симметрично прикрепляют 5 спаев дифференциальных медь-
константановых термопреобразователей. Контакты спаев ДТП заклеивают лейкопластырем, чтобы избежать электрического контакта датчика с металлической поверхностью трубы.
Датчики температуры изготавливают из 7 пар спаев дифференциальных медь-константановых термопар, которые припаивают на подложку из фольги-рованного стеклотекстолита размером 90 х 15 х 0,2 мм (рис. 3). Таких датчиков в измерительном устройстве два: один прикрепляют к поверхности расходомерного участка трубопровода, а другой - на трубопровод вблизи входа и выхода отопительного прибора. В свою очередь, спаи датчиков также заклеивают лейкопластырем, чтобы избежать прямого контакта с металлической поверхностью трубы.
Затем датчики температуры изолируют от влияния окружающей среды теплоизоляционным материалом и подключают к многоканальному измерителю, например, В7-99. Измеритель предназначен для измерений ТЭДС датчиков с погрешностью не более 1 мкВ и позволяет выводить результаты как на дисплей прибора, так и, при необходимости, на монитор компьютера.
Значения разности температуры, измеряемые датчиками, рассчитывают по формулам
Рис. 3. Схема устройства датчика температуры
(5)
(6)
120
Метрология и метрологическое обеспечение
где Ле и ЛE — ТЭДС датчиков, расположенных на расходомерном участке и отопительном приборе, соответственно; пг, п2 — общее число пар спаев дифференциальных термопреобразователей; у, S2 — чувствительность одиночных термопар.
Подставляя выражения (1), (5) и (6) в формулу (4), получают значение выделяемой отопительным прибором мощности
P
KEFЛЕп S п2 S2 Ле
(7)
При условии, что n = п2, S1 = S2, уравнение измерений тепловой мощности, выделяемой теплоносителем на поверхности отопительного прибора, принимает вид
P
KEF ЛЕ Ле
KEndlG ЛЕ Ле
(8)
Массовый расход теплоносителя определяют по формуле
KEF KEndlG KS Лt KS Лt
(9)
Полученные уравнения измерений (8) и (9) позволяют рассчитать тепловую мощность и расход теплоносителя для реально действующей отопительной системы конкретного помещения.
Измеренные значения электрических сигналов датчиков и полученные результаты представлены в табл. 1 с указанием необходимых дополнительных параметров (чувствительность S и общее число пар спаев n дифференциальных термопар, значения температуры в помещении гиом и на улице t). Приведенные в таблице значения получены на действующей отопительной системе в одной из лабораторий ФГУП «СНИИМ».
Таблица 1
Измеряемые параметры и полученные результаты
Доп. параметры
п • S, мкВ/°С 315 К, Вт/(м2*мВ) 200 О 2 О о +22
F, м2 0,07 Ks, Дж/(кгхК) 4 200 t °С *сред. 5 ^ -15
Измеряемые параметры Рассчитанные параметры
Ле, мкВ ЛЕ, мкВ Е, мВ О о 'кГ < О О Е-Г < q, Вт/м2 P, Вт G, кг/с
37,3 357 0,83 0,119 1,13 165 136 0,029
46,8 325 0,88 0,149 1,03 176 104 0,024
39,0 294 0,78 0,124 0,93 156 100 0,026
37,5 305 0,84 0,119 0,97 167 117 0,029
121
Метрология и метрологическое обеспечение
Полученные результаты показывают, что разработанный теплометрический метод дает возможность измерять количество теплоты, выделяемой системой теплоснабжения, накладными датчиками без нарушения ее целостности. Это открывает перспективы использования метода для решения многих задач в сфере рационального использования теплоэнергетических ресурсов.
Кроме этого, было предложено провести исследования разности температуры A t, плотности теплового потока q и массового расхода G при разных значениях температуры и расхода теплоносителя. Для этого была собрана измерительная установка (рис. 4).
Рис. 4. Схема измерительной установки
На поверхности участка трубопровода, соединенного с термостатом 1, размещают накладные датчики температуры 3 и датчик теплового потока 4. Этот участок, так же как и на рис. 1, выполняет функцию расходомерного. Нагретый теплоноситель закачивается в трубопровод из термостата с помощью насоса 2. Расход жидкости, протекающей по трубе, регулируется с помощью вентиля 6, а его показания отображаются на циферблате расходомера 7. Датчики, размещенные на расходомерном участке, подключают к милливольтметру 5. По результатам ТЭДС датчиков в соответствии с формулами (1), (2) и (5) рассчитывают исследуемые параметры теплоносителя.
В табл. 2 приведены результаты испытаний при заданных значениях температуры tjj теплоносителя и расходе G = 0,204 м3/ч (G = 0,057 кг/с).
Таблица 2
Измеряемые параметры и полученные результаты при разных значениях температуры и расхода теплоносителя
Доп. параметры
а1- о 2 О о + 22 n • S, мкВ/°С 315 К, Вт/(м2 х мВ) 200
F, м2 0,07 Ks, Дж/(кг х К) 4 200
Заданная tв., °С Измеряемые параметры Рассчитанные параметры
Ае, мкВ Е, мВ О о 'кГ < q, Вт/м2 G, кг/с
+ 30 12,7 0,174 0,041 34,8 0,012
17,8 0,173 0,056 34,7 0,009
122
Метрология и метрологическое обеспечение
Окончание табл. 2
Доп. параметры
О 2 О о + 22 n • S, мкВ/°С 315 К, Вт/(м2 х мВ) 200
F, м2 0,07 Ks, Дж/(кг х К) 4 200
Заданная А, °С Измеряемые параметры Рассчитанные параметры
Де, мкВ Е, мВ О о 'кГ < q, Вт/м2 G, кг/с
+ 40 46,4 0,405 0,147 81,1 0,008
53,6 0,494 0,170 98,8 0,008
+ 50 76,5 0,740 0,243 148 0,009
97,7 0,890 0,310 178 0,008
+ 60 123 1,15 0,39 230 0,008
129 1,26 0,41 251 0,009
+ 70 143 1,61 0,45 322 0,010
163 1,75 0,52 351 0,010
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что предложенный метод позволяет определять эффективность работы отопительной системы по измеренным параметрам теплоносителя и, в частности, может быть использован для экспресс-измерений тепловой мощности неразрушающим методом и определения работоспособности отопительных приборов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Зонова А.Д., Черепанов В.Я. Исследование неразрушающего метода измерений тепловой мощности отопительных приборов // Сб. матер. VI Международного научного конгресса «ГЕО-Сибирь-2010». - Новосибирск: СГГА, 2010. - С. 124-129.
2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: учеб. для вузов. - М.: Энергия, 1975. - 488 с.
3. Зонова А.Д., Черепанов В.Я. Методика экспресс-измерений тепловой мощности отопительных приборов неразрушающим методом // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. научн. конгресс, 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск: Междунар. научн. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии: сб. материалов в 2 т. Т. 2. - Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 166-171.
Получено 07.09.2012
© А.Д. Зонова, 2012
123
