УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННИКОВ
DEVICE FOR MEASURING HEAT EFFICIENCY OF HEAT EXCHANGERS

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для измерения теплового потока при определении тепловой эффективности теплообменников, например, автотракторных радиаторов.
Известен электродный котел (см. патент РФ №2279605, F22B 1/30, 10.07.2006. Бюл. №19), включающий теплоизолированный корпус с крышкой, изоляторы с электродами, теплообменник с трубопроводами и расширительную емкость с манометром, соединенную патрубком с нижней частью электродного котла. Измерение теплового потока производится измерительным прибором (амперметром) при стационарной теплоотдаче в условиях баланса генерируемого и рассеиваемого теплового потока. Для повышения точности измерений производится компенсация падения давления в системе посредством компрессора.
Недостатком данного электродного котла, как измерителя теплового потока является значительное энергопотребление, зависимость процедуры измерения от дополнительных энергоисточников (работа компрессора, термостабилизация воздушной среды в зоне измерения) и значительная погрешность, т.к. генерируемая электродным узлом мощность дополнительно расходуется на нагрев вытесняемой части воды в расширительной емкости, где ее температура не контролируется, а стенки расширительной емкости не имеют теплоизоляции. Дополнительными источниками погрешности являются неконтролируемое поступление энергии сжатого воздуха на компенсацию падения давления в системе при изменяющейся тепловой нагрузке, а также неравномерность температурного поля по фронту теплообменника при малых скоростях теплоносителя.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение быстродействия и точности результата измерения, снижение энергопотребления и зависимости от дополнительных энергоисточников.
Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения теплоэффективности теплообменников, включающее теплоизолированный корпус с крышкой, изоляторы, электроды, измерительный прибор, теплообменник, соединенный трубопроводом с крышкой и нижней частью корпуса, расширительную емкость, соединенную с нижней частью теплоизолированного корпуса и имеющую возможность перемещения по вертикали, теплообменник расположен в горизонтальной плоскости, а площадь горизонтального сечения расширительной емкости в 2 …10 раз больше площади горизонтального сечения корпуса котла.
На чертеже изображена принципиальная схема устройства для измерения теплоэффективности теплообменника.
Устройство содержит герметизированный корпус 1 с крышкой 2, электроды 3 с проходными изоляторами 4. Электроды 3 подключены к источнику питания промышленной частоты и напряжения 220/308 (возможны другие варианты) через измерительный прибор (амперметр, ваттметр) 5. Исследуемый теплообменник 6 соединен гибкими рукавами 7 и 8 с крышкой и нижней частью корпуса, соответственно. Расширительная емкость 9 соединена гибким трубопроводом 10 с нижней частью корпуса. Наружные поверхности корпуса 1, крышки 2, расширительной емкости 9 и трубопроводов 7, 8 и 10 выполнены из материала с высоким термическим сопротивлением или покрыты слоем теплоизоляции 11. Вентиль 12 (в днище корпуса) служит для заполнения системы технической водой. Вентили 13 (в теплообменнике) и 14 (в расширительной емкости) служат для удаления вытесняемого из системы воздуха.
Моделирование тепловой нагрузки на теплообменник 6 осуществляется вентилятором 15 с электроприводом 16. Для снижения энергозатрат на привод направление вращения вентилятора выбирают таким образом, чтобы принудительное движение теплоносителя (воздуха) совпадало с его направлением при естественной конвекции.
С целью выравнивания температурного поля воздушного потока, теплообменник в рабочем положении (горизонтальном) может быть установлен на воздуховод 17 с выпрямляющей решеткой 18.
p
к
р
к
к
р
0
мах
Регулирование давления, осуществляемое в прототипе за счет автономного или централизованного источника, в предлагаемом устройстве выполняет подвижная расширительная емкость, которую для снижения погрешности измерения и быстродействия выполняют таким образом, чтобы площадь ее горизонтального сечения S превышала площадь поперечного сечения корпуса котла S (рекомендуется S/S=2…10). В этом случае изменение тепловой нагрузки, сопровождающееся изменением уровня раздела фаз «жидкость-пар» в корпусе котла Δh, будет уменьшать перепад высоты Δh жидкости в расширительной емкости на соответствующую величину (в 2…10 раз). Это снизит перепад давлений при определении теплоэффективности теплообменника на различных тепловых нагрузках от q до q и, соответственно, погрешность измерения.
р
к
р
к
р
к
Соотношения S/S=2 (и более) позволяет в 2 (и более) раза снизить погрешность, возникающую при снижении тепловой нагрузки. При соотношении S/S=10 погрешность от разницы в перепадах давления снижается на порядок. Увеличение соотношения площадей S/S более 10 возможно, но приведет к неоправданному увеличению площади, занимаемой оборудованием, расходу материалов и теплопотерям.
Устройство для измерения теплоэффективности теплообменников работает следующим образом. Перед началом работы расширительную емкость 9 устанавливают в положение I (см. чертеж), а теплообменник 6 - вертикально (положение А). Причем вентиль 13 находится в верхней точке теплообменника, что позволяет более полно вытеснить воздух. При открытом вентиле 12 заполняют систему, образованную теплообменником, расширительной емкостью, электродным котлом и гибкими рукавами, технической водой с установленной электрической проводимостью. Вентили 13 и 14 находятся в открытом положении.
После полного вытеснения из системы воздуха водой вентили 13 и 14 (после пролива из него воды), а затем 12 - закрывают. Теплообменник устанавливают в горизонтальное положение Б на линии принудительного движения теплоносителя (воздуха).
max
Расширительную емкость 9 устанавливают на контролируемом уровне II, который соответствует равенству уровня максимальной нагрузки электродного узла q и уровня пролива жидкости из расширительной емкости через вентиль 14. Для удобства контроля рекомендуется использовать водомерные стекла.
0
0
От источника питания на электроды 3 подают рабочее переменное напряжение 220 (380) В и производят нагрев воды в котле до температуры парообразования, в результате чего паровая фаза вытесняет воду из всех элементов замкнутой системы, расположенных выше уровня раздела фаз «пар-жидкость» в расширительную емкость 9. В отсутствие принудительной тепловой нагрузки (вентилятор 15 с приводом 16 выключены) высота рабочей части электродов будет соответствовать минимальной тепловой нагрузке q. При этом уровень жидкости в расширительной емкости 9 с учетом ее расширения при нагреве, установится на линии р.
Необходимым условием при измерении тепловой эффективности теплообменника является превышение потребляемой электрической мощности электродного узла парогенератора над максимальным значением измеряемой тепловой нагрузки на теплообменник.
0
0
0
Временной интервал подготовки устройства к работе в отсутствии принудительной тепловой нагрузки на теплообменник 6 включает прогрев всех взаимодействующих с греющей средой конструктивных элементов устройства до температуры, соответствующей температуре баланса тепломассообменного процесса, который регистрируется измерительным прибором (ваттметром). Минимальное и неизменное значение показаний ваттметра свидетельствует о достижение состояния баланса генерируемой и рассеиваемой мощности (теплового потока) при исследуемом температурном напоре - разнице между температурой насыщенного пара (зависящего от атмосферного давления при уровне Н) и температурой теплоносителя (воздуха из окружающей среды или помещения). Температура насыщенного пара может регулироваться водяным столбом Н относительно уровня раздела фаз «пар-жидкость» в котловом пространстве q. Устройство готово к работе для определения тепловой нагрузки при ее повышении за счет увеличения массового расхода теплоносителя (воздуха).
1
2
1
2
1
2
Для измерения теплоэффективности теплообменника в условиях изменения тепловой нагрузки не требуется корректировки положения уровня жидкости в расширительной емкости и, соответственно, давления, влияющего на температуру насыщенного пара. Например, для измерения теплоэффективности теплообменника при тепловых нагрузках q и q, устанавливаемых путем создания исследуемых условий движения теплоносителя посредством электропривода вентилятора, необходимо после включения его соответствующего режима выдержать устройство до установления нового состояния баланса (например, соответствующего уровням q или q на чертеже) и произвести измерение и регистрацию новых значений электрической мощности P и Р, которые будут соответствовать значениям тепловых потоков:
1
1
q=P
2
2
q=Р
0
0
Для существенно изменившихся условий проведения измерений, когда изменение температурного напора превышают 1…3°С, достаточно изменить положение расширительной емкости по вертикали. В случае снижения температурного напора (например, вследствие нагрева теплоносителя) необходимо расширительную емкость поднять на высоту Н+ΔН, из расчета 0,35 м. в.ст.≈1°С. При увеличении температурного напора необходимо понизить уровень расположения расширительной емкости соответственно на высоту Н-ΔH.
Для обеспечения равенства исходных условий измерения, в частности теплового напора, измерения и (или) вычисления теплового потока, компенсация отклонений температуры воздуха производится повышением (понижением) уровня установки расширительной емкости на высоту ±ΔН. При этом температура насыщенного пара на внутренней стенке теплообменника повысится (понизится) на соответствующую величину ±Δt. Таким образом, исключается необходимость дополнительного подогрева (охлаждения) воздуха в зоне измерения.
Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемое устройство производит измерения теплового потока исследуемых характеристик условий теплообмена без дополнительных теплоэнергетических воздействий, что снижает энергозатраты, повышает точность и быстродействие. Точность и быстродействие измерения повышается вследствие минимизации потерь энергии на поддержание заданных условий измерения.