Исследование теплометрического метода неразрушающего контроля параметров теплоносителя в системах теплоснабжения

УДК 681.1:006

А.Д. Зонова, В.Я. Черепанов

СГГА, ФГУП «СНИИМ», Новосибирск

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

В статье приведены результаты экспериментальных исследований неразрушающего теплометрического метода измерений расхода теплоносителя и тепловой мощности, выделяемой им в системах теплоснабжения. Метод основан на использовании накладных датчиков температуры и теплового потока.

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 HEAT MEASUREMENTS METHOD OF A NONDESTRUCTION CHECKING OF HEAT CARRIER PARAMETERS IN HEAT SUPPLY SYSTEMS

In article are given the results of the experimental researches of a nondestruction heat measurements method of the heat-carrier consumption and heat power, selected by them in heat supply systems. The method is based on use of additional sensors of the temperature and the heat flow.

В настоящее время учёт эффективности теплоснабжения в зданиях и сооружениях осуществляется с помощью теплоизмерительных приборов и систем. Использование этих средств измерений предусматривает определение параметров теплоносителя - расхода, температуры, тепловой мощности и энергии с помощью стационарных измерительных преобразователей (датчиков), как правило, встроенных в трубопроводы систем теплоснабжения. Предложенный в [1] теплометрический метод измерений тепловой мощности и расхода также предполагает «врезку» используемых при реализации метода датчиков в трубопровод.

В данной статье приводятся результаты исследования теплометрического метода, основанного на использовании накладных датчиков разности температуры и теплового потока (ДТП) [2, 3]. Эффективность работы, например, отопительного прибора (ОП), определяется путём измерений теплового потока и разности температуры на расходомерном участке, представляющим собой участок трубопровода, а также измерений разности

температуры на входе и выходе ОП. При реализации такого метода датчики закрепляют на поверхности трубопроводов. При этом не требуется нарушать целостность отопительной системы. За счёт этого обеспечиваются неразрушающие измерения параметров теплоносителя.

Мощность Ро , выделяемую отопительной системой на расходомерном участке трубопровода, подводящего теплоноситель к отопительному прибору, и

мощность Рх, выделяемую ОП, определяют по формулам

Ра=К8ОМ,

РХ=К8САТ,

где К8 - коэффициент, учитывающий калорические свойства

теплоносителя (для воды его часто называют коэффициентом Штука) и зависящий от давления и температуры теплоносителя; С - массовый расход теплоносителя; № - разность температуры на расходомерном участке; АТ -разность температуры на ОП.

Расход теплоносителя, как следует из (1), определяют по формуле

0 = -^—.

Значение Рс определяют путём измерений теплового потока на поверхности расходомерного участка с помощью накладных ДТП.

Измеряя электрический сигнал ДТП, можно рассчитать искомое значение Р(3 по формуле

РС=К ЕР,

Л

где К - коэффициент преобразования ДТП, Вт/(м •мВ); Е -электрический сигнал датчика; Р - площадь поверхности расходомерного участка.

Подставляя значение расхода О в формулу (2), получаем искомое значение мощности, выделяемой ОП,

А?

Свойства реального теплоносителя могут отличаться от свойств дистиллированной воды, которые принято учитывать коэффициентом Штука К8. Однако в теплометрическом методе этот коэффициент не участвует при расчёте мощности, выделяемой ОП. Поэтому данный метод пригоден для любых теплоносителей и не требует знания их свойств.

Разности температуры, измеряемые термоэлектрическими датчиками, рассчитывают по формулам

АТ = ^>

щ ^

=

п2 $2

где АЕ и Ае - значения электрических сигналов (термо-э.д.с.) датчиков, расположенных на расходомерном участке и ОП соответственно; щ ,П2 - общее число пар спаев дифференциальных термопар в датчиках; ,Б 2 -

чувствительность термопар.

Подставляя выражения (4), (6) и (7) в формулу (5), получаем КЕЕ АЕп2 £2

Х С Л ' ^ '

щ Ае

При условии, что щ = п2 , = 54 , получают уравнение измерений

тепловой мощности, выделяемой теплоносителем на поверхности ОП,

К Е Е АЕ

Рх= .

х Ае

На рис. 1 приведена принципиальная схема расходометрической установки, которая использовалась для экспериментальных исследований предлагаемого метода. Установка состоит из электронасоса 2 с блоком управления расходом 1, регулятора 3 температуры теплоносителя с контрольным датчиком температуры 5 и электронагревателем 4, расходомерного участка с накладными датчиками разности температуры 8 и теплового потока 9, эталонных термопреобразователей 6 и эталонного расходомера 14 с манометром 13 и измерителя температуры 7, а также из отопительного прибора 10, переключателя 11, милливольтметра 12 и вентиля 15 для регулирования расхода теплоносителя.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки

Электронасос 2 с помощью блока управления расходом 1 обеспечивает циркуляцию теплоносителя в измерительном контуре. Температура

теплоносителя задаётся и поддерживается постоянной с помощью регулятора 3 путём изменения мощности электронагревателя 4. Эталонные

термопреобразователи 6 с измерителем температуры 7 обеспечивают точное измерение температуры теплоносителя, а эталонный расходомер 14 обеспечивает точное измерение расхода.

Работа на установке начинается с монтажа накладных датчиков разности температур и теплового потока. Затем включается электронасос 2 и регулировкой блока управления 1 задаётся необходимый расход нагревающей жидкости в контуре, определяемый по показаниям эталонного расходомера 14. Значение температуры теплоносителя задаётся по показаниям термометра 5 с помощью регулятора 3 путём изменения мощности нагревателя 4.

На рис. 2 приведены результаты предварительных исследований зависимости разностей температуры на расходомерном участке и на входе и выходе ОП, плотности теплового потока, мощности и расхода от заданной температуры теплоносителя и при трёх значениях его расхода.

а)

б)

О, кг/с

0,40 - -А

0,10

0,00 Т,°С

в)

г)

д)

Рис. 2. Зависимости разности температуры на расходомерном участке (а); разности температуры на входе и выходе ОП (б); плотности теплового потока д (в); расхода О (г) и мощности Р (д) от температуры теплоносителя

Анализ полученных данных подтверждает работоспособность метода и реализующего его измерительного устройства. Однако значительные расхождения результатов измерений расхода, превышающие 10 %, полученных с помощью накладных датчиков и рассчитанных по показаниям эталонных датчиков, приводят к большим погрешностям определения тепловой мощности. Основной причиной такого расхождения при измерениях расхода, по-видимому, является, прежде всего, погрешность измерений малой разности температуры на расходомерном участке. Возможность повышения точности этих измерений является первоочередной задачей дальнейших исследований. Кроме этого, требуют дополнительного изучения причины зависимости расхода от температуры, приведённой на рис. 2, г.

В целом исследования показали, что разработанный метод позволяет определять эффективность работы отопительной системы по измеренным параметрам теплоносителя и, в частности, работоспособности отопительных приборов без нарушений рабочего режима и целостности системы теплоснабжения.

Это открывает перспективы использования метода для решения многих задач в сфере рационального использования теплоэнергетических ресурсов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент № 2124188 Российская Федерация. Теплосчётчик-расходомер [Текст] / С.С. Баталов, В.Я. Черепанов // Опубл. 1998, Бюл. № 36. Яи 2124188 С1, 6 О 01 К 17/10, О 01 Б 1/68, 1998.

2. Зонова, А.Д., Черепанов, В.Я. Исследование неразрушающего метода измерений тепловой мощности отопительных приборов [Текст] / А.Д. Зонова,

В.Я. Черепанов // ГЕО-Сибирь-2010. - Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч. 2: сб.матер. VI Международного научного конгресса «ГЕО-Сибирь-2010», 1929 апреля 2010 г. - Новосибирск: СГГА, 2010. - С.124-129.

3. 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, 2011