Теплосчетчик на основе накладных датчиков
HEAT METER BASED ON OVERHEAD SENSORS

Предлагаемое изобретение относится к средствам измерений количества теплоты Q, выделяемой нагретыми жидкими, газообразными и многофазными теплоносителями в системах отопления, без нарушения их целостности.
В настоящее время значения Q обычно получают с помощью традиционных теплосчетчиков по результатам измерений расхода теплоносителя и разности температур стационарными расходомерами и термометрами, встраиваемыми в трубопроводы систем отопления. Для получения искомых значений Q при этом привлекают справочные данные по удельной теплоемкости (энтальпии) используемого теплоносителя, которые определены с приемлемой точностью только для дистиллированной воды.
Аналогом предлагаемого теплосчетчика, использующего только накладные датчики, является теплосчетчик-расходомер см. патент №UA 59567А Украина. Тепломiр з накладними сенсорами // Костильов В.В., Сорокопут В.Л., Стеценко А.А., Стеценко А.И., Чумаченко А.О.; опубл. 2003, Бюл. №9. UA 59567A, 7G01K 17/00). Для решения задачи неразрушающих измерений количества теплоты в нем используют устройство (тепломер-теплосчетчик) с накладными датчиками температуры и ультразвуковыми датчиками расхода, устанавливаемыми на трубопроводы систем отопления. При этом в устройстве также используют метод измерений, основанный на определении значений расхода воды с привлечением справочных данных по ее энтальпии и плотности. Поэтому для реализации метода необходимо располагать такими данными, которые «перед началом измерений заносят в память вычислителя в виде таблиц». Следовательно, достоверность результатов измерений, полученных таким устройством, зависит от соответствия справочных данных фактическим значениям свойств теплоносителя. При отсутствии этих данных устройство не может быть использовано для измерений количества теплоты. Другим существенным недостатком аналога является использование накладных ультразвуковых датчиков расхода, погрешность измерений которых зависит от индивидуальных свойств как используемого теплоносителя, так и материала стенок трубопровода. Это не позволяет гарантировать показатели точности результатов измерений.
В качестве прототипа взято устройство, реализующее теплометрический метод измерений тепловой мощности отопительных приборов, описанный в источнике: Зонова, А.Д., Черепанов, В.Я. Неразрушающий теплометрический метод диагностики отопительных приборов и систем / Измерительная техника, №2. - 2014. - С. 54-57.
Устройство содержит датчик теплового потока, два накладных дифференциальных термоэлектрических датчика разности температур и измеритель их сигналов. Датчик теплового потока предназначен для размещения на контрольном (расходомерном) участке подающего трубопровода и измерений выделяемой на этом участке тепловой мощности. Один датчик разности температур предназначен для установки и измерений перепада температуры на поверхности контрольного участка, а другой датчик - на входе и выходе отопительного прибора. Чтобы получить достаточные для уверенных измерений значения перепада температуры чувствительные элементы (спаи) первого датчика размещают на границах контрольного участка на возможно большем удалении друг от друга.
0
Принцип действия устройства заключается в следующем. Горячий теплоноситель, протекая по трубопроводу, подводящему теплоноситель к отопительному прибору, охлаждается. Это приводит к появлению на поверхности контрольного участка теплового потока Р, зависимость которого от параметров теплоносителя имеет вид:
0
0
S
где q, Δt - измеренные устройством значения плотности теплового потока и разности температур на поверхности контрольного участка; F - измеренное значение площади его поверхности; К - справочное значение коэффициента, учитывающего калорические свойства теплоносителя и зависящего от давления и температуры теплоносителя; G - массовый расход теплоносителя.
С учетом этого мощность отопительного прибора определяют по формуле
где ΔТ - измеренная устройством разность температур на входе и выходе отопительного прибора.
При всех достоинствах устройства-прототипа, использованного, главным образом, для демонстрации осуществимости теплометрического метода, оно имеет существенные недостатки. В частности, необходимо, чтобы контрольный участок трубопровода был прямолинейным и имел правильную цилиндрическую форму. Это необходимо для обеспечения постоянства условий теплообмена вдоль его поверхности и точного определения ее площади. При этом длина контрольного участка должна быть достаточной для надежных измерений разности температур на его границах. Кроме того, для получения достоверных результатов измерений теплового потока необходимо обеспечить равенство значений коэффициента черноты поверхностей датчика теплового потока и контрольного участка. Обеспечить выполнение этого условия практически невозможно, а его игнорирование может привести к недопустимым значениям погрешности измерений (см. Вихарева Н.А., Черепанов В.Я. Особенности измерений плотности теплового потока контактными датчиками // Измерительная техника. - 2015. - №8. - С. 45-48).
Задачей, которую решает предлагаемое изобретение, является создание простого в эксплуатации теплосчетчика, основанного на теплометрическом методе измерений, не имеющего недостатков аналога и прототипа, обеспечивающего точные и оперативные измерения фактических значений количества теплоты, выделяемой любым теплоносителем в системах отопления без нарушения их целостности.
Поставленная задача достигается тем, что, теплосчетчик на основе накладных датчиков содержит датчик теплового потока и датчики температуры поверхности, а также измеритель их сигналов. При этом датчик теплового потока установлен на контрольном участке трубопровода, а датчики температуры поверхности установлены на границах контрольного участка трубопровода и на трубопроводах у входа и выхода системы отопления. Согласно изобретению на поверхности датчика теплового потока, который полностью перекрывает поверхность контрольного участка трубопровода, установлен съемный теплообменник, состоящий из двух идентичных частей, каждая из которых содержит металлические теплопроводы, на внешней поверхности которых размещены термоэлектрические Пельтье-батареи, подключенные к источнику питания и снабженные радиаторами, охлаждаемыми электрическим вентилятором, также подключенным к источнику питания.
Технический результат, который достигается предлагаемым теплосчетчиком на основе накладных датчиков, заключается в том, что он может быть использован в качестве достаточно простого и мобильного средства измерений достоверных значений количества теплоты в системах отопления без нарушения их целостности и без привлечения справочных данных по свойствам теплоносителя.
Устройство поясняется схемами на фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 представлено устройство в разрезе (вид сбоку). На схеме показаны контрольный участок трубопровода 1, датчик теплового потока 2, металлические теплопроводы 3, термоэлектрические Пельтье-батареи 4, радиаторы 5, съемный накладной теплообменник 6, электрический вентилятор 7.
На фиг. 2. приведена схема предлагаемого устройства, поясняющая принцип его действия. На схеме показаны контрольный участок трубопровода 1, датчик теплового потока 2, металлические теплопроводы 3, термоэлектрические Пельтье-батареи 4, радиаторы 5, съемный накладной теплообменник 6, электрический вентилятор 7; 8, 15 - источники питания термоэлектрических Пельтье-батарей 4 и электрического вентилятора 7, соответственно; 9, 10, 12, 14 - датчики температуры поверхности; измеритель сигналов 11, система отопления 13, обратный трубопровод 16.
0
Устройство работает следующим образом. Нагретый теплоноситель охлаждается на контрольном участке трубопровода 1 и отдает за интервал времени Δτ в окружающую среду количество теплоты Q. При этом температура теплоносителя понижается на некоторое значение Δt, которое зависит от полной теплоемкости С теплоносителя, прошедшего за этот интервал времени, а также плотности q теплового потока на площади F поверхности датчика теплового потока 2. В этом случае справедливо равенство
Из (3) следует уравнение измерений полной теплоемкости теплоносителя, прошедшего за время Δτ:
Полная теплоемкость С теплоносителя является важнейшей физической величиной, определяющей одновременно качественную и количественную характеристики теплоносителя. Она равна произведению удельной теплоемкости с(Т, р), зависящей от температуры Т и давления p, на массу М теплоносителя, прошедшего по трубопроводу за некоторый определенный промежуток Δτ времени.
С учетом полученных значений С и результатов измерений разности ΔТ температур датчиками 12 и 14 на входе и выходе системы отопления 13 находим искомое значение Q количества теплоты:
Из полученного уравнения измерений следует, что в отличие от известных теплосчетчиков, предлагаемое устройство решает уникальную задачу измерений фактических значений количества теплоты в системах теплоснабжения для любого реального теплоносителя, без нарушения целостности этих систем и без привлечения какой-либо справочной информации о свойствах используемого теплоносителя.
Кроме этого, предлагаемый теплосчетчик, в отличие от всех известных, позволяет получить значения количества теплоты, выделяемой в системах отопления любым теплоносителем без использования сложных и дорогостоящих измерителей расхода и средств их метрологического обеспечения.
Таким образом, в соответствии с поставленной задачей, предлагаемое устройство не содержит характерных для аналогичных устройств и прототипа недостатков, отличаясь компактностью, простотой конструкции и эксплуатации, а также возможностью проводить измерения (в том числе оперативные) фактических значений количества теплоты для любых теплоносителей без нарушения целостности трубопроводов.
Подтверждением достижения технического результата является возможность применения устройства в качестве достаточно простого, в том числе и переносного, прибора, предназначенного для получения достоверных значений количества теплоты в системах отопления без нарушения их целостности и привлечения справочных данных по свойствам теплоносителя.
Такое средство измерений может быть использовано, например, при диагностике теплового режима и технического состояния систем теплоснабжения зданий и сооружений, отдельных отопительных приборов и систем; при контроле качества теплоизоляции в тепловых сетях и в магистральных нефтепроводах, а также при определении эффективности систем охлаждения на объектах атомной энергетики.