CC BY
80
УДК 681.1:006
А.Д. Зонова, В.Я. Черепанов
СГГ А, ФГУП «СНИИМ», Новосибирск
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ ОТОПИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
В статье приведены результаты экспериментальных исследований теплометрического метода измерений теплового потока на поверхности отопительных приборов. Метод основан на использовании накладных датчиков теплового потока и температуры.
A.D. Zonova, V.Ya. Cherepanov
Siberian Scientific-Research Institute of Metrology (SSRIM) 4 Dimitrova, Novosibirsk, 630004, Russian Federation; Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
RESEARCH OF A NON-DESTRUCTOIN METHOD OF HEATED DEVICES HEAT POWER MEASUREMENTS
In article are given the results of the experimental researches of the heat measurements method of the heat flow on surfaces heated devices. The method is based on use of additional sensors of the heat flow and the temperature.
Неразрушающие методы измерений количества теплоты и теплового потока (тепловой мощности) в системах водяного теплоснабжения, например, ультразвуковые, имеют целый ряд преимуществ:
- Нет необходимости встраивать расходомерный участок в трубу;
- Исключены потери давления на расходомерном участке;
- Датчики расхода не погружены в измеряемую среду, а значит, они не загрязняются, и на них не образуется осадок;
- Возможность использования датчиков там, где нежелательно вмешательство в измеряемую среду.
Однако при реализации ультразвукового метода необходимо выполнить ряд требований, которые обязательны при монтаже накладных датчиков. Для этого необходимо соблюдать следующие правила:
- Необходимо убедиться, что верно подобраны датчики под конкретные условия эксплуатации, то есть с необходимыми размерами и рабочей частотой;
- Крепление датчиков к трубе должно производиться очень тщательно, с учётом точного позиционирования;
- Длина прямого участка, предшествующего расходомерному, должна быть не менее 20 Dy;
- Желательно избегать установки накладных датчиков на участках, где есть двойные и тройные колена, либо ставить датчики как можно дальше от этих местных сопротивлений;
- Необходимо иметь точные знания о свойствах измеряемой среды, а также размерах, материале и состоянии трубы, по которой она протекает.
Теплометрический метод неразрушающих измерений, рассматриваемый в данной работе, также основан на использовании накладных датчиков, но не ограничен необходимостью выполнения таких требований и, кроме того, имеет ряд преимуществ. Мощность Р, выделяемая отопительной системой, на расходомерном участке трубопровода, подводящего теплоноситель к отопительному прибору, определяется по формуле [1,2]:
Р0=К80 £Х, (1)
где К$ - коэффициент, учитывающий калорические свойства
теплоносителя (для воды его часто называют коэффициентом Штука) и зависящий от давления и температуры теплоносителя; С - массовый расход теплоносителя; & - разность температур на расходомерном участке. Аналогично рассчитывается мощность, выделяемая ОП:
Рх=К8ОАТ, (2)
где АТ - разность температур на ОП.
Расход теплоносителя, как следует из (1), определяется по формуле:
С = -^—. (3)
Подставляя значение расхода С в формулу (2), получаем: р'-^- (4)
А?
Свойства реального теплоносителя могут отличаться от свойств дистиллированной воды, которые принято учитывать коэффициентом Штука К$. Из выражения (4) видно, что этот коэффициент не участвует при расчёте мощности, выделяемой отопительным прибором. Следовательно, теплометрический метод неразрушающих измерений пригоден для любых теплоносителей и не требует знания их свойств.
Таким образом, эффективность работы ОП можно определять путём измерений теплового потока и разности температур на расходомерном участке, а также на входе и выходе ОП с помощью накладных датчиков.
В качестве датчиков теплового потока использовались термоэлектрические датчики, называемые «датчиками типа вспомогательной стенки» [3, 4]. Такие датчики представляют собой пластинку (рис. 1), размещаемую на поверхности тела (отопительной системы), чтобы вектор теплового потока был перпендикулярен рабочим плоскостям датчика.
Зная электрический сигнал, измеренный с помощью преобразователя теплового потока, который часто называют контактным тепломером, можно рассчитать плотность теплового потока по формуле:
Ч = КЕ, (5)
Л
где К - коэффициент преобразования, Вт/(м •мВ), зависящий от значений теплового сопротивления и чувствительности дифференциальных
термопреобразователей, который определяют экспериментальным путём; Е -электрический сигнал датчика, измеряемый милливольтметром.
Рис. 1. Устройство чувствительного элемента контактного преобразователя
теплового потока:
1 - слой материала с постоянным термическим сопротивлением; 2 -дифференциальный термопреобразователь
На рис. 2 приведена принципиальная схема расходомерной установки, которая была собрана в ФГУП «СНИИМ» для экспериментальных исследований предлагаемого метода. На поверхность контрольного (расходомерного) участка трубы, подходящей к ОП, прикрепляются накладные датчики разности температур и теплового потока, которые подсоединяются к милливольтметру с помощью переключателя.
Разности температур для датчиков 7 в соответствии с рис. 2 можно рассчитать по формулам:
= (6) щ ^
= (V)
п2 $2
где АЕ и Ае - значения электрических сигналов (термо-э.д.с.) датчиков, расположенных на расходомерном участке и ОП соответственно; п\ ,п2 - общее число пар спаев дифференциальных термопар в датчиках; ^£2 -
чувствительность термопар.
Подставив выражения (5), (6) и (7) в формулу (4), получим: р =дЕАТ = КЕРАЕп2 £2
* At щ 5^ Ае ’
где F - площадь поверхности расходомерного участка.
Рис. 2. Принципиальная схема экспериментальной установки:
1 - блок управления расходом; 2 - насос; 3 - регулятор температуры; 4 -нагреватель; 5 - контрольный датчик температуры; 6 - эталонные термопреобразователи № 1 и № 2; 7 - измерительно-вычислительный комплекс;
8 - накладные датчики разности температур; 9 - датчик теплового потока; 10 -
отопительный прибор; 11 - переключатель; 12 - милливольтметр; 13 -манометр; 14 - эталонный расходомер; 15 - вентиль
При условии, что «1 = «2 5 ^1 = ^2 > получаем уравнение измерений мощности, выделяемой теплоносителем на поверхности ОП:
(9)
Ае
Результаты проведённых измерений параметров теплоносителя в реальных условиях на рассмотренной экспериментальной установке приведены в табл. 1 и 2.
Значения электрических сигналов накладных датчиков позволяют рассчитать разность температур каждого датчика по формулам (6) и (7), а также плотность теплового потока по формуле (5), расход теплоносителя по формуле (3) и мощность, выделяемую отопительным прибором, по формуле (9).
Из анализа табл. 2 следует, что расхождение результатов измерений тепловой мощности ОП, полученных с помощью накладных датчиков и контрольного теплосчётчика, составляет 6,83 %, а расхождение результатов измерений расхода составляет 19,45 %.
Таблица 1. Значения термо-э.д.с. датчиков разности температур и теплового потока (при температурах в помещении + 25°С, на улице - 5°С)
Значения термо-э.д.с. датчиков, мкВ
Датчик разности температур на расходомерном участке Датчик разности температур на ОП Датчик теплового потока
Значения термо-э.д.с. датчиков с заданными температурой + 70°С и расходом 0,284 кг/с
15,50 225,00 3,80
15,00 222,50 3,80
15,00 222,00 3,80
15,50 224,50 3,80
15,00 222,50 3,75
15,00 222,00 3,75
15,50 225,00 3,80
15,50 225,00 3,80
Таблица 2. Разность температур, плотность теплового потока, расход теплоносителя и мощность, выделяемая отопительным прибором
Разность температур на расходомерном участке, °С Разность температур на ОП, °С Плотность теплового потока, Вт/м Расход теплоносителя, кг/с Мощность, выделяемая ОП, Вт
Значения термо-э.д.с. датчиков с заданными температурой + 70°С и расходом 0,284 кг/с
0,055 0,804 760 0,226 761,226
0,054 0,795 760 0,233 777,860
0,054 0,793 760 0,233 776,112
0,055 0,802 760 0,226 759,534
0,054 0,795 750 0,230 767,625
0,054 0,793 750 0,230 765,900
0,055 0,804 760 0,226 761,226
0,055 0,804 760 0,226 761,226
Средние значения
0,055 0,80 757,50 0,23 766,34
Таким образом, можно сделать вывод, что предлагаемый метод позволяет:
- С достаточной для практических приложений точностью измерять мощность, выделяемую ОП, и расход теплоносителя в отопительной системе;
- В целом определять эффективность работы отопительной системы по измеренным параметрам теплоносителя и, в частности, может быть использован для экспресс-определений работоспособности отопительных приборов.
Рассмотренный в статье теплометрический метод даёт возможность измерять количество теплоты, выделяемой системой теплоснабжения, накладными датчиками без нарушения её целостности. Это открывает перспективы использования метода для решения многих задач в сфере рационального использования теплоэнергетических ресурсов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Черепанов, В. Я. Метрологическое обеспечение измерений основных параметров теплообмена и теплоносителя: Материалы 3-й Международной научно-практической конференции «Теплосиб-2004». - Новосибирск, 2004. - С. 67 - 76.
2. Черепанов, В. Я. Методы и средства метрологического обеспечения измерений параметров теплообмена и теплоносителей: дис. док.техн.наук / Черепанов Виктор Яковлевич. - Новосибирск, 2005. - 276 с.
3. Геращенко, О.А. Основы теплометрии. - Киев: Наукова думка, 1971. - 192 с.
4. ГОСТ 30619-98. Энергосбережение. Преобразователи теплового потока термоэлектрические общего назначения. Общие технические условия. - Введ. 2006 - 01 - 01. - Киев: Госстандарт Украины, 2000. - 21 с.
© А.Д. Зонова, В.Я. Черепанов, 2010
