УСТРОЙСТВО УЧЕТА РАСХОДА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОТОПИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА И ОТОПИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР
DEVICE FOR ACCOUNTING OF THERMAL ENERGY CONSUMPTION IN HEATING APPLIANCE AND HEATING APPLIANCE

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для учета потребляемого тепла локальным потребителем, являющимся составной частью объединенной системы потребителей, например, в коммунальном хозяйстве для учета тепла, потребляемого отдельной квартирой в многоквартирном доме.
Известно устройство учета расхода тепловой энергии отопительного прибора (см. патент №2145063), содержащее термопреобразователь, интегратор дискретного действия на основе суперионного проводника, токозадающий резистор и блок считывания. Термопреобразователь, токозадающий резистор и интегратор дискретного действия соединены последовательно в замкнутую электрическую цепь. Один конец термопреобразователя является элементом установки на отопительном приборе, а второй конец термопреобразователя является элементом установки в отапливаемом помещении. Отрицательный вывод термопреобразователя соединен с поляризуемым электродом интегратора дискретного действия, блок считывания съемно подключен к интегратору дискретного действия. По разности мгновенных значений этих температур непрерывно измеряют значения термо-ЭДС, которая преобразуется в количество электричества и далее по току считывания интегратора с учетом определенного коэффициента теплоотдачи и площади поверхности отопительного прибора определяют количество тепловой энергии, отданной отопительным прибором. Термопреобразователь, являющийся основным измерительным устройством, размещен одним концом на отопительном приборе, другим в отапливаемом помещении.
Недостатками устройства учета расхода тепловой энергии являются:
- большая погрешность измерений;
- сложность определения площади поверхности теплоотдачи;
1
2
- сложность в определении коэффициентов пропорциональности K и K.
4/3
Известен способ определения расхода тепловой энергии потребителя с вертикальной и другими видами разводки теплоисточников (см. патент №2273833), включающий определение разности температур между поверхностью теплоисточника и окружающей средой. Предварительно один раз устанавливают диапазон разности температур работы теплоисточника и по таблице определяют соответствующий ему коэффициент расхода тепла, а затем определяют расход тепловой энергии по формуле Q=k·Δt·S·τ.
Известный способ не учитывает условия градуировки теплоисточника и последующие условия его службы, в частности изменяемые произвольно такие показатели, как влажность воздуха в помещении, состояние поверхности отопительного прибора, атмосферное давление, что также снижает точность измерений количества тепла, отдаваемого отопительным прибором.
Известно устройство учета расхода тепловой энергии отопительного прибора (см. «Многофункциональный тепловой счетчик» по патенту №2247340), выбранный заявителем в качестве прототипа.
Устройство учета расхода тепловой энергии отопительного прибора содержит термодатчики, соединенные с устройством вычисления, при этом устройство вычисления содержит вычислительный блок для подсчета расхода тепла, соединенный с блоком корректирующих коэффициентов.
1
Один из термодатчиков установлен на поверхности теплоисточника, а другой термодатчик установлен на уровне нижней границы, при этом расход тепла отражается на индикаторе. Вычисление теплопотребления происходит в соответствии с формулой  где Q - часть расчетных потерь теплоты зданием, возмещаемых отопительными приборами. Вычисления теплопотребления производятся по формуле, содержащей площадь поверхности конвектора, разность температур поверхности теплоисточника и воздушного потока, подходящего к нижней зоне конвектора, а также коэффициента, состоящего из теплофизических констант.
Недостатками устройства учета расхода тепловой энергии являются:
- невысокая точность измерений количества тепла, отдаваемого отопительным прибором окружающей среде из-за большой погрешности вычисления теплопотребления, не учитывающего характеристики градуировки теплоисточника и последующие условия его службы, а именно: скорости потока, температуры и других физических параметров воздуха, омывающего поверхность отопительного прибора, а также коэффициентов теплопроводности и теплоемкости материала отопительного прибора;
- сложность определения площади поверхности теплоотдачи отопительного прибора, закрытого ограждающей конструкцией.
Кроме того, перечисленные в описании к патенту теплофизические константы Прандля, Граегофа (показатель свободной конвекции, показатель степени влияния) не учитывают изменяемые произвольно такие показатели, как влажность воздуха в помещении, состояние поверхности конвектора, атмосферное давление, что также снижает точность измерений количества тепла, отдаваемого отопительным прибором.
Техническим результатом предложенных технических решений является устранение недостатка прототипа, а именно повышение точности измерений количества тепла, отдаваемого отопительным прибором окружающей среде.
Технический результат достигается тем, что в устройстве учета расхода тепловой энергии отопительного прибора, содержащем термодатчики, соединенные с устройством вычисления, один из термодатчиков, служащий для измерения температуры отопительного прибора, установлен на его поверхности, а другой, служащий для измерения температуры окружающего отопительный прибор воздуха, установлен вне отопительного прибора, согласно первому изобретению, оно дополнительно содержит термоизолированный от отопительного прибора термоанемометрический датчик скорости потока нагретого воздуха, отводящего тепло от поверхности нагревательного элемента отопительного прибора, расположенного под его кожухом, выход термоанемометрического датчика соединен с входом вычислителя, определяющего расход тепловой энергии, потраченной на обогрев помещения по отградуированному уравнению
1
r
p
2
n
m
Q=k(t-t)+k·ν,
при этом
Q - расход тепловой энергии;
1
2
k, k - коэффициенты пропорциональности, определяемые при градуировке отопительного прибора;
r
p-
t, t - температуры поверхности нагревательного элемента отопительного прибора и окружающего отопительный прибор воздуха;
ν - скорость конвективного потока воздуха, омывающего нагревательный элемент отопительного прибора;
n и m - показатели степени влияния.
Термодатчик для измерения температуры отопительного прибора, закрытого ограждающим кожухом, установлен на поверхности нагревательного элемента отопительного прибора, в расчетный расход тепловой энергии от которого включен коэффициент скорости потока воздуха, полученный при градуировке прибора на стенде в условиях обогреваемого помещения.
Термоанемометрический датчик скорости потока воздуха, отводящего тепло от поверхности отопительного прибора, установлен под кожухом отопительного прибора на кронштейне, к нижней части которого прикреплен термодатчик, служащий для измерения температуры окружающего отопительный прибор воздуха.
Вычислитель закреплен на кожухе и термоизолирован от отопительного прибора.
Термоанемометрический датчик скорости потока воздуха, отводящего тепло от поверхности нагревательного элемента отопительного прибора, электрически изолирован от корпуса отопительного прибора.
В отопительном приборе, содержащем корпус с нагревательным элементом и термодатчики, соединенные с устройством вычисления, один из термодатчиков, служащий для измерения температуры отопительного прибора, установлен на поверхности корпуса, а другой, служащий для измерения температуры окружающего отопительный прибор воздуха, установлен вне отопительного прибора, согласно второму изобретению, он дополнительно содержит термоизолированный термоанемометрический датчик скорости потока нагретого воздуха, отводящего тепло от поверхности отопительного прибора, расположенный под его кожухом, выход термоанемометрического датчика соединен с входом вычислителя, определяющего расход тепловой энергии, потраченной на обогрев помещения, при этом один термодатчик установлен на нагревательном элементе отопительного прибора, второй термодатчик установлен на кронштейне, термоанемометрический датчик и термодатчики отградуированы на стенде в условиях обогреваемого помещения с учетом скорости потока воздуха, омывающего нагревательный элемент отопительного прибора по уравнению
1
r
p
2
n
m
Q=k(t-t) +k·ν,
при этом
Q - расход тепловой энергии;
1
2
k, k - коэффициенты пропорциональности, определяемые при градуировке отопительного прибора;
r
p-
t, t - температуры поверхности нагревательного элемента отопительного прибора и окружающего отопительный прибор воздуха;
ν - скорость конвективного потока воздуха, омывающего нагревательный элемент отопительного прибора;
n и m - показатели степени влияния.
Термоанемометрический датчик скорости потока воздуха, отводящего тепло от поверхности отопительного прибора, установлен под кожухом отопительного прибора на термоизолированном кронштейне, к нижней части которого прикреплен термодатчик, служащий для измерения температуры окружающего отопительный прибор воздуха.
Вычислитель закреплен на кожухе и термоизолирован от отопительного прибора.
Термоанемометрический датчик скорости потока воздуха, отводящего тепло от поверхности отопительного прибора, электрически изолирован от кожуха и нагревательного элемента.
Известно, что тепловая энергия передается окружающему пространству посредством радиационного излучения и конвекцией. Интенсивность радиационного излучения определяется разностью температур между поверхностью отопительного прибора и окружающими предметами. Интенсивность конвекции зависит от скорости потока воздуха, охлаждающего отопительный прибор (конвектор). Если отопительный прибор снабжен оградительным кожухом, то радиационная составляющая теплоотдачи уменьшается, соответственно возрастает теплоотдача конвекцией. Чем выше скорость потока воздуха, тем интенсивнее конвективный теплообмен. Скорость потока воздуха зависит от конструкции кожуха, ограждающего нагревательный элемент.
В предлагаемом устройстве учета расхода тепловой энергии отопительного прибора установлены термодатчики, соединенные с устройством вычисления, измеряющие разность температур между поверхностью нагревательного элемента отопительного прибора и окружающим отопительный прибор воздухом. Для измерения температуры окружающего воздуха второй термодатчик установлен в нижней части термоизолированного кронштейна, который омывается поступающим в отопительный прибор холодным воздухом.
Наличие в устройстве учета расхода тепловой энергии отопительного прибора термоизолированного от отопительного прибора термоанемометрического датчика скорости потока нагретого воздуха, отводящего тепло от поверхности нагревательного элемента отопительного прибора, расположенного под кожухом, позволяет повысить точность измерений количества тепла, отдаваемого отопительным прибором окружающей среде, с учетом тепла от конвективного потока воздуха, омывающего нагревательный элемент отопительного прибора.
1
r
p
2
1
r
p
2
n
m
n
m
Соединение выхода термоанемометрического датчика с входом вычислителя, определяющего расход тепловой энергии, потраченной на обогрев помещения, и градуировка его на стенде в условиях обогреваемого помещения с учетом скорости потока воздуха по уравнению Q=k(t-t)+k·ν обеспечивает формирование сигнала, пропорционального разности температур между поверхностью отопительного прибора и воздухом в нижней части прибора, а также сигнала, пропорционального скорости потока воздуха, омывающего отопительный прибор. Данные сигналы от датчиков подаются в вычислитель, который определяет количество тепла, потраченного на обогрев помещения, т.е. расход тепловой энергии по отградуированному уравнению: Q=k(t-t)+k·ν, при этом
Q - расход тепловой энергии;
1
2
k, k - коэффициенты пропорциональности, определяемые при градуировке отопительного прибора;
r
p-
t, t - температуры поверхности нагревательного элемента отопительного прибора и окружающего отопительный прибор воздуха;
ν - скорость конвективного потока воздуха, омывающего нагревательный элемент отопительного прибора;
n и m - показатели степени влияния.
r
r
p
1
r
p
2
n
m
Установка одного из термодатчиков на поверхности нагревательного элемента, второго термодатчика на термоизолированном кронштейне и соединение их выходов с входом устройства вычисления, а также установка термоанемометрического датчика под кожухом отопительного прибора, например на кронштейне, и соединение его выхода с входом вычислителя обеспечивает формирование суммарного сигнала на вычислителе, определяющий расход тепловой энергии. Поскольку термоанемометрический датчик отградуирован на стенде в условиях обогреваемого помещения с учетом скорости потока воздуха, то сигнал на вычислителе включен в расчетный расход тепловой энергии в виде коэффициента скорости потока воздуха, полученного при градуировке прибора на стенде в условиях обогреваемого помещения. Как показали лабораторные стендовые испытания, формирование суммарного сигнала на вычислителе позволяет устранить погрешности в вычислении количества тепла отопительного прибора, поскольку термодатчики и термоанемометрический датчик заранее отградуированы на стенде в заданном режиме отопления жилых помещений. Дополнительно стенд позволяет регулировать и измерять влажность воздуха и атмосферное давление. По результатам испытаний строят графики теплопотребления Q в функции разности температур (t-t) и скорости течения нагретого воздуха под кожухом. Графики описывают уравнением теплоотдачи отопительного прибора Q=k(t-t)+k·ν, второе слагаемое в котором зависит от скорости потока воздуха, непосредственно омывающего отопительный прибор. Поскольку скорость потока воздуха зависит от его влажности, барометрического давления (плотности воздуха), введением в уравнение измерения количества тепла, отдаваемого отопительным прибором, параметров скорости конвективного потока ν, позволяет повысить точность определения количества тепла в условиях отопления жилых помещений.
Стенд установлен в помещении, в котором имеется устройство увлажнения воздуха и барометр, измеряющий атмосферное давление. Уравнение строится при относительной влажности, изменяющейся от 10% до 90% и атмосферном давлении от 94 кПа до 102 кПа.
Лабораторные стендовые испытания показали, что чем больше открыты отверстия кожуха, тем больше скорость потока воздуха и тем выше теплоотдача отопительного прибора.
Сущность заявляемых технических решений поясняется изображенным на чертеже устройством учета расхода тепловой энергии отопительного прибора и отопительным прибором.
1
r
p
2
n
m
Устройство учета расхода тепловой энергии отопительного прибора 1 содержит термодатчики 3 и 4, соединенные с вычислителем 5. Один из термодатчиков 3, служащий для измерения температуры отопительного прибора 1, установлен на поверхности нагревательного элемента 2. Другой термодатчик 4, служащий для измерения температуры окружающего отопительный прибор 1 воздуха, прикреплен к нижней части термоизолированного кронштейна 6, закрепленного на отопительном приборе 1. Устройство содержит термоизолированный от отопительного прибора 1 термоанемометрический датчик 7 скорости потока нагретого воздуха, отводящего тепло от поверхности отопительного прибора 1. Датчик 7 установлен под кожухом 1 отопительного прибора 1, выход термоанемометрического датчика 7 соединен с входом вычислителя 5, определяющего расход тепловой энергии, потраченной на обогрев помещения по отградуированному уравнению Q=k(t-t)+k·ν. Вычислитель 5 закреплен на кожухе 1 и термоизолирован от отопительного прибора 1. Термоанемометрический датчик 7 скорости потока воздуха, отводящего тепло от поверхности нагревательного элемента 2 отопительного прибора 1, электрически изолирован от отопительного прибора 1.
Отопительный прибор 1 содержит кожух 1, нагревательный элемент 2 и термодатчики 3 и 4, соединенные с вычислителем 5. Термодатчик 3, служащий для измерения температуры отопительного прибора 1, установлен на поверхности нагревательного элемента 2 отопительного прибора 1. Другой термодатчик 4, служащий для измерения температуры окружающего отопительный прибор воздуха, прикреплен к нижней части кронштейна 6 отопительного прибора 1. Устройство содержит термоизолированный термоанемометрический датчик 7 скорости потока нагретого воздуха, отводящего тепло от поверхности нагревательного элемента 2 отопительного прибора, расположенный под его кожухом 1. Выход термоанемометрического датчика 7 соединен с входом вычислителя 5, определяющего расход тепловой энергии, потраченной на обогрев помещения. При этом термоанемометрический датчик 7 отградуирован на стенде в условиях обогреваемого помещения с учетом скорости потока воздуха, омывающего нагревательный элемент 2 отопительного прибора 1 по уравнению
1
r
p
2
n
m
Q=k(t-t)+k·ν.
Заявляемые технические решения работают следующим образом.
1
r
p
2
n
m
Термодатчики 3 и 4 непрерывно измеряют температуру поверхности нагревательного элемента 2 отопительного прибора 1 и температуру окружающего воздуха. Термоанемометрический датчик 7, закрепленный под кожухом 1 отопительного прибора 1 и отградуированный на стенде в условиях обогреваемого помещения, замеряет скорость конвективного потока воздуха, омывающего нагревательный элемент отопительного прибора. На вход вычислителя 5 поступает сигнал, пропорциональный разности температур между поверхностью отопительного прибора и воздухом в его нижней части (обогреваемого помещения), а также сигнал, пропорциональный скорости конвективного потока воздуха, омывающего нагревательный элемент 2 отопительного прибора 1. По результатам измерения разности температур и скорости потока воздуха вычислитель 5 определяет расход тепловой энергии, потраченной на обогрев помещения по уравнению градуировки Q=k(t-t)+k·ν.