CC BY
29
МЕТОДИКА ЭКСПРЕСС-ИЗМЕРЕНИЙ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ ОТОПИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ НЕРАЗРУШАЮЩИМ МЕТОДОМ
Анна Дмитриевна Зонова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры «Метрология, стандартизация и сертификация», тел. (383) 361-07-45, email: annet-anutka@yandex.ru
Виктор Яковлевич Черепанов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Метрология, стандартизация и сертификация», тел. (383) 361-07-45, e-mail: cherepanov73@mail.ru
В статье рассмотрена методика экспресс-измерений тепловой мощности отопительных приборов неразрушающим методом. Приведён пример обработки результатов и рассчитаны относительные погрешности измерений.
Ключевые слова: накладные датчики, отопительная система, неразрушающий метод, методика измерений, тепловая мощность, массовый расход, относительная погрешность измерений.
EXPRESS-MEASUREMENTS METHODS OF HEAT POWER HEATING INSTRUMENT OF A NON-DESTRUCTION METHOD
Anna D. Zonova
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo, Novosibirsk, 630108, postgraduate student of department «Metrology, standardization and certification», tel. (383) 361-07-45, e-mail: annet-anutka@yandex .ru
Victor Ya. Cherepanov
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo, Novosibirsk, 630108, Ph-doctor, professor, director of department «Metrology, standardization and certification», tel. (383) 361-07-45, e-mail: cherepanov73@mail.ru
In article is considered express-measurements methods of heat power heating instrument of a non-destruction method. It’s given the example of processing results and calculated relative errors.
Key words: additional sensors, heating system, a non-destruction method, methods of the measurements, performing the measurements, heat power, mass consumption, relative error.
В настоящее время существует несколько методов измерения тепловой мощности в водяных системах отопления. Главным образом, используют метод, для которого необходимо нарушать целостность отопительной системы с целью установки в неё датчиков температуры и расхода. Использование таких «врезных» средств измерений позволяет провести измерения параметров теплоносителя и рассчитать тепловую мощность, выделяемую отопительной системой. Для определения тепловой мощности отдельного отопительного
прибора такой метод непригоден из-за высокой стоимости используемых средств измерений. Поэтому актуальной является задача разработки новых неразрушающих методов и средств определения эффективности работы отопительных приборов, позволяющих оперативно оценивать их работоспособность на основе использования накладных датчиков. Используемый 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] неразрушающий теплометрический метод, основанный на использовании накладных датчиков температуры и теплового потока (ДТП), не имеет указанных недостатков. Сущность метода заключается в следующем (рисунок 1).
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 Pq . Кроме этого, на входе и выходе отопительного прибора (ОП) также устанавливают накладные датчики температуры 6.
Тепловую мощность Pq , выделяемую на расходомерном участке, определяют по известной формуле [2]
Pq = KSQ At, (1)
где Kg - коэффициент, учитывающий калорические свойства теплоносителя (для воды его часто называют коэффициентом Штука) и зависящий от давления и температуры теплоносителя; G - массовый расход теплоносителя.
С другой стороны тепловая мощность Р^ связана с плотностью теплового потока q соотношением
Pq = qF = KEF = KEndlQ (2)
где Р - площадь поверхности расходомерного участка; К - коэффициент
'у
преобразования ДТП, Вт/(м мВ); Е - электрический сигнал датчика; й -диаметр трубы; О - длина расходомерного участка.
С учётом этого из (1) следует, что значение длины О расходомерного участка равно
= КА^ (3)
О КЕпй
Значения разности температуры & и длины О расходомерного участка выбирают исходя из возможностей измерителя сигналов и чувствительности £ 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 её измерений составит 3,5 %.
Мощность Рх отопительного прибора определяют по формуле,
аналогичной (1):
Рх - К8в АТ, (4)
где АТ - разность температуры на входе и выходе ОП.
Расход теплоносителя (в данном случае массовый расход), как следует из (1), определяют по формуле Рг
О = ~Р^Г. (5)
КБ А
Таким образом, подставляя значения массового расхода О и тепловой мощности Ро в формулу (4), получают искомое значение выделяемой ОП тепловой мощности
Рх - ИоМ. - ^. (6)
At At
На этом методе основано устройство для неразрушающего контроля параметров теплоносителя в системах теплоснабжения, которое может быть использовано в качестве стационарного средства измерений, например, при поквартирном учёте тепла, или переносного прибора для экспресс-измерений при энергоаудите систем отопления. Устройство представляет собой систему накладных дифференциальных медь-константановых термоэлектрических датчиков и измерительного прибора, регистрирующего их сигналы. Для практического использования этого устройства для измерений тепловой мощности отопительных приборов разработана методика, которая, в соответствии с ГОСТ Р 8.563-2009 [3], должна содержать описание
совокупности операций, направленных на получение значений измеряемых величин с заданной точностью. 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.
При подготовке к выполнению измерений проводят следующие операции. В первую очередь, проверяют условия измерений, а также рабочее состояние и настройку используемого измерительного прибора в соответствии с руководством по эксплуатации. Затем на прямолинейный расходомерный участок трубопровода, а также на трубопроводах непосредственно перед входом и после выхода из отопительного прибора устанавливают датчики согласно рисунку 1. 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 температуры, рассчитывают по формулам АЕ
АТ - —, (7)
А --^-, (8)
«2 52
где АЕ и Ае - ТЭДС датчиков, расположенных на расходомерном участке и отопительном приборе, соответственно; щ, «2 - общее число пар спаев в датчиках температуры; Б\, £2 - чувствительность одиночных термопар,
используемых в этих датчиках.
Подставляя выражения (2), (7) и (8) в формулу (6), получают КЕТ АЕ«2 £ 2 (9)
«151 Ае
При условии, что «1 - «2, £1 - 52, уравнение измерений тепловой мощности, выделяемой теплоносителем на поверхности отопительного прибора, принимает вид
_КЕЕ АЕ _КЕпй\О АЕ
Рх - 7 — 7 . (10)
Ае Ае
Массовый расход теплоносителя определяют по формуле
„ КЕЕ КЕжй1О ....
О -------------------. (11)
К5 At К5 At
Обработку измеренных значений электрических сигналов датчиков осуществляют способом электронного регистрирования в документе MS Ехсе1. При этом выполняется автоматическая подстановка этих значений в уравнения измерений (10) и (11) с указанием в данном документе необходимых дополнительных параметров (чувствительность £ и общее число пар спаев « дифференциальных термопар, значения температуры в помещении tпом. и на
улице tсред'), а также с представлением полученных результатов в графическом виде. Результаты измерений оформляют в следующем виде (табл. 1).
Важной составляющей в определении достоверности результатов измерений является расчёт их погрешностей, в данном случае, относительной погрешности измерений тепловой мощности др и массового расхода до [4].
X
Таблица 1. Измеряемые параметры и полученные результаты
Де, мкВ ДЕ, мкВ Е, мВ Д1, °С Д н ° С д, Вт/м2 Р, Вт G, кг/с
38,6 765 0,903 0,123 2,43 181 247 0,024
Доп. параметры
п ^, мкВ/°С 315 К, Вт/(м2хмВ) 200 1 °С 1пом.? С +22
^, м2 0,07 Кз, Дж/(кг*К) 4200 С ° "О -15
Из уравнения (10) следует, что относительная погрешность измерений тепловой мощности равна
дрх = 1,1д~д^д+д^дЕ+д1, (12)
где дк - погрешность измерений коэффициента К; дЕ - погрешности измерений Е; да - погрешность измерений d; д/ -погрешность измерений О; д\Е - погрешность измерений ДЕ; дде - погрешность измерений Де, соответственно.
Из уравнения (11) рассчитывают относительную погрешность массового расхода теплоносителя
до = 1,1 д/дК + д2Е +д2а + д£ + дД , (13)
где дд^ - погрешность измерений Дt на расходомерном участке. Значения указанных погрешностей приведены в табл. 2.
дк,% дЕ,% да,% д/о ,% дДЕ >% дДе > % ддг,%
5,0 0,02 1,0 1,0 0,05 0,3 3,5
Эти значения при подстановке в уравнения (12) и (13) дают следующие оценки погрешностей: тепловой мощности - около 6 %, массового расхода -около 7 %.
Полученные значения погрешности измерений тепловой мощности и массового расхода теплоносителя вполне достаточны для экспертной оценки работоспособности 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 Исаченко, В.П., Осипова, В.А., Сукомел, А.С. Теплопередача. Учебник для вузов / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел // М.: Изд-во «Энергия», 1975. - 488 с.
3 ГОСТ Р 8.563-2009. Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений // Введ. 2009 - 12 - 15, № 1253-ст. - М.: Стандартинформ, 2010. - 27 с.
4 РМГ 29-99. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения // Введ. 2001 -01 - 01. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000. - 146 с.
© А.Д. Зонова, В.Я. Черепанов, 2012
