CC BY
42
УДК [621.565.93/.94:629.5]:536.6.081
В. А. Краснов, И. Ю. Алексанян,
В. В. Ермолаев, П. Н. Ларин, С. А. Терешонков, И. В. Балыбин
УСТАНОВКА
ДЛЯ СРАВНЕНИЯ ЭНТАЛЬПИЙНОГО И ТЕПЛОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ОТОПИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ
Определение тепловой энергии в отопительных приборах для поквартирного учёта может быть выполнено разными методами, например энтальпийным или теплометрическим. В энталь-пийном методе тепловая энергия определяется косвенно - через потерю теплоты теплоносителем, в теплометрическом - измеряется непосредственно с помощью датчиков теплового потока (ДТП), описанных в [1].
Основы теории методов
Расчётная формула энтальпийного метода получена из условия равенства количества теплоты, теряемой теплоносителем, и тепловой энергии, отдаваемой в среду. Известно [2], что
2* = О ■ С (^ - 4ых) ■ Т, (1)
где 2* - тепловая энергия на отопление, Дж; О - массовый расход теплоносителя, кг/с; с - удельная теплоёмкость теплоносителя при его средней температуре внутри отопительного прибора, Дж/(кг ■ К); (^вх - ^вых) - разность значений температуры теплоносителя на входе и выходе из отопительного прибора, К; т - время, с.
Массовый расход теплоносителя определяется с помощью расходомера, измеряющего объёмный расход теплоносителя, и плотности, зависимость которой от температуры учитывается при точных измерениях.
Удельная теплоёмкость теплоносителя также зависит от температуры. Числовое значение теплоёмкости определяется при средней температуре теплоносителя между температурами на входе и выходе из отопительного прибора и также учитывается при точных измерениях.
Энтальпийный метод позволяет определять тепловую энергию на отопление с высокой точностью. Он положен в основу ряда теплосчётчиков.
Расчётная формула теплометрического метода [3, 4] выведена из условия равенства количества тепловой энергии, отданной теплоносителем теплообменнику, количеству теплоты, переданной теплообменником с известной площадью поверхности нагреваемой среде:
2 = к ■ ^ • Е-т, (2)
где 2* - тепловая энергия на отопление, Дж; к - коэффициент преобразования ДТП, Вт/(м2 ■ мВ); Е - площадь поверхности отопительного прибора, м2; Е - полусумма термоЭДС ДТП, мВ; т - время, с.
Коэффициент преобразования ДТП определяется с помощью устройства [5], позволяющего производить градуировку в условиях, подобных условиям эксплуатации конвективных теплообменников. ТермоЭДС вырабатываются двумя ДТП, установленными на трубах входа и выхода теплоносителя из теплообменного аппарата. В вычислительном устройстве их полусумма умножается на остальные члены выражения (2).
Схема установки
Схема установки для сравнительных измерений приведена на рис. 1, где теплообменный аппарат выполнен в виде батареи отопления.
Рис. 1. Установка для сравнения энтальпийного и теплометрического методов определения тепловой энергии: 1 - термопара ?вх; 2 - ДТП1;
3 - кран (10 шт.); 4 - секции отопительного прибора; 5 - ДТП2; 6 - термопара ?вых;
7 - насос водяной; 8 - счётчик-расходомер; 9 - нагреватель
Опытный образец установки был изготовлен из полипропиленовых труб с кранами и другими элементами также из полипропилена. В качестве измерителя расхода был установлен счётчик СГВ-15, термоЭДС термопар и ДТП измерялись переносным потенциометром ПП-63.
На фотографии (рис. 2) отчётливо видны все элементы конструкции, за исключением нагревателя, насоса, термопар и датчиков теплового потока с установочными элементами и радиаторами. В качестве водяного насоса был применён газлифтный насос, работающий от микрокомпрессора. Компрессор мощностью 6 Вт обеспечил циркуляцию воды с расходом приблизительно 1 л/мин. Нагреватель мощностью 500 Вт позволил нагревать воду до 80 °С.
Рис. 2. Общий вид установки
Датчики теплового потока термоэлектрического типа были изготовлены путём намотки константанового провода на пластину из стеклотекстолита на станке (рис. 3).
У» ‘.,нуУ: <&' ., • Г .л Ь' ' » ,..сЦ_Я
■ИИЛС^Л^: ‘ .'.' '•- . ',■' . ' ...:;: Л!‘’,№!.!ЯЯ
Рис. 3. Станок для намотки константановой проволоки
Затем заготовки помещались в гальваническую ванну (рис. 4) и покрывались медью.
Рис. 4. Гальваническая ванна для покрытия константановой проволоки медью
С целью защиты от повреждений и одновременно для выравнивания температурного поля по поверхности датчики покрывались фольгированным стеклотекстолитом. Готовые ДТП представлены на рис. 5.
І г
Рис. 5. Датчики теплового потока
Градуировка ДТП проводилась с помощью устройства (рис. 6), изготовленного по патенту РФ № 95745 [5]. Погрешность градуировки была оценена по результатам ряда экспериментов в 2 %.
Рис. 6. Устройство для градуировки ДТП
Проведение экспериментов
Собранная и испытанная на работоспособность и надёжность показаний приборов установка заполнялась водой. Включением нагревателя и насоса установка приводилась в действие. Объём заливаемой воды составлял 3 л, площадь теплообменной поверхности 0,25 м2.
Через 2,5 часа наступал стационарный тепловой режим и проводились все необходимые измерения.
По формулам (1) и (2) энтальпийным и теплометрическим методами вычислялась тепловая мощность в ваттах. Сравнение показало целесообразность применения теплометрического метода определения тепловой энергии при условии учёта особенностей конвективного теплообмена. В результате серии опытов было установлено, что при использовании в качестве образцового эн-тальпийный метод необходимо в формулу (2) ввести поправочный коэффициент Ф, учитывающий одновременно следующие факторы: теплопроводность материала теплообменника, различие коэффициентов теплоотдачи на разных участках аппарата, форму и состояние поверхности теплообменного аппарата, доступность отопительного прибора для конвективного теплообмена. Для этого необходимо провести эксперименты с конкретными типами теплообменников и вычислить этот коэффициент для каждого из них. После проведения серии опытов для описанной установки он оказался равным Ф = 3,0 с погрешностью 8 %. Формула (2) приняла вид
* _____
е = к• ^• Е т-Ф. (3)
Поправочный коэффициент Ф для каждого типа отопительных приборов должен иметь определённое значение, получаемое экспериментально.
Выводы
1. Оба метода (энтальпийный и теплометрический) могут применяться для определения тепловой энергии в отопительных приборах.
2. Теплометрический метод позволяет создавать более простые и более дешёвые приборы для измерения тепловой энергии.
3. К достоинствам приборов, реализующих теплометрический метод, следует отнести также доступность в монтаже, не требующем врезки в трубопроводы для установки расходомеров и датчиков температуры теплоносителя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Геращенко О. А. Основы теплометрии. - Киев: Наук. думка, 1971. - 192 с.
2. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1973. - 344 с.
3. Пат. РФ № 71378. Устройство для учёта тепловой энергии в отопительных системах / Краснов В. А. // Бюллетень изобретений. - 2008. - № 7.
4. Краснов В. А. Теплометрический метод определения тепловой энергии в судовых теплообменных системах // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2010. - № 1. - С. 136-140.
5. Пат. РФ № 95745.Устройство для градуировки преобразователей плотности теплового потока /
Краснов В. А. // Изобретения. Полезные модели. - 10.07.10. - № 19. - С. 871.
Статья поступила в редакцию 4.04.2011
PLANT ENABLING TO COMPARE ENTHALPY AND HEAT-METRIC METHODS OF THERMAL ENERGY DEFINITION IN HEATERS
V. A. Krasnov, I. Yu. Aleksanyan, V. V. Ermolaev,
P. N. Larin, S. A. Tereshonkov, I. V. Balybin
The paper describes a plant in order to compare enthalpy and heat-metric methods of thermal energy definition in heaters. The installation scheme and also the results of preliminary experiments are shown in order to check the working
capacity of the heat-metric method and to specify the design formula. The basic
conclusions are drawn.
Key words: thermal energy, enthalpy and heat-metric methods, thermal flow sensor, correction factor.
