Содержание к диссертации
Введение
1 Измерения параметров теплоносителя в системах теплоснабжения 10
1.1 Отопительные приборы и системы 10
1.2 Энтальпийный метод измерений тепловой мощности и количества теплоты в системах теплоснабжения 21
1.3 Методы и средства измер ений расхода теплоносителя 27
1.4 Анализ характеристик современных теплосчетчиков 36
1.5 Теплометрический метод измерений тепловой мощности и расхода теплоносителя 40
2 Неразрушающий теплометрический метод измерений параметров теплоносителя 46
2.1 Неразрушающие методы контроля и измерений 46
2.2 Модель объекта теплопотребления. Взаимосвязь параметров теплообмена с параметрами теплоносителей 51
2.3 Неразрушающий метод измерений тепловой мощности отопительных приборов и систем 62
2.4 Измерения тепловой мощности, выделяемой отдельными элементами системы теплоснабжения 71
3 Разработка измерителей параметров теплоносителя неразрушающим методом 78
3.1 Основные требования к измерителям параметров теплоносителя 78
3.2 Гибкие цилиндрические датчики теплового потока 82
3.3 Накладные дифференциальные датчики температуры 83
3.4 Установка для калибровки гибких цилиндрических датчиков теплового потока 85
4 Исследования и анализ погрешностей неразрушающего метода 92
4.1 Исследование неразрушающего метода измерений тепловой мощности и расхода теплоносителя 92
4.2 Методические погрешности измерений теплового потока и температуры накладными датчиками 101
4.3 Оценка погрешности измерений тепловой мощности и расхода 108
4.4 Рекомендации по внедрению результатов работы 113
Заключение 115
Список литературы 117
- Энтальпийный метод измерений тепловой мощности и количества теплоты в системах теплоснабжения
- Модель объекта теплопотребления. Взаимосвязь параметров теплообмена с параметрами теплоносителей
- Гибкие цилиндрические датчики теплового потока
- Методические погрешности измерений теплового потока и температуры накладными датчиками
Введение к работе
з
Актуальность темы исследования. Энергетические проблемы России с суровым климатом и длительным отопительным сезоном на большей части её территории приводят к объективной необходимости всё более рационального использования энергоресурсов путём внедрения энергоэффективных технологий, а также учёта фактически потребляемых тепловой энергии, холодной и горячей воды, газа и электроэнергии. Жилищно-коммунальное хозяйство является крупнейшим потребителем топливно-энергетических ресурсов (свыше 30 % выработки тепловой энергии в России). В основном в крупных городах оно ориентировано на центральное теплоснабжение с использованием систем водяного теплоснабжения. В последние два десятилетия существенно расширился круг отечественных и зарубежных производителей приборов и систем учёта тепла (теплосчётчиков), а также увеличились номенклатура и количество этой продукции. Существующие методы и средства учёта основаны на измерениях тепловой мощности и количества теплоты, выделяемых теплоносителем в системе отопления. При этом для получения значений исходных измеряемых параметров теплоносителя (расхода, температуры и давления) предусматривается использование встраиваемых в трубопроводы систем отопления первичных измерительных преобразователей, входящих в состав современных теплосчётчиков. Поэтому для определения тепловой мощности отдельного отопительного прибора при поквартирном учёте тепла или для оперативной диагностики его исправности такие теплосчётчики непригодны из-за высокой стоимости, сложности и громоздкости, а также необходимости их периодического демонтажа для технического обслуживания и поверки. Предназначенный для этих целей неразрушающий метод с накладными ультразвуковыми датчиками расхода имеет целый ряд существенных недостатков. В частности, при его реализации необходимо знать свойства материала, из которого изготовлен трубопровод, а также иметь гарантии отсутствия коррозии и накипи на его внутренней поверхности.
Степень разработанности темы. Все методы измерений тепловой мощности, основанные на использовании датчиков расхода, имеют один общий недостаток - достоверность получаемых ими результатов измерений зависит от надёжности данных по зависимостям энтальпии и плотности (для датчиков объёмного расхода) используемого теплоносителя от его температуры и давления. Эти зависимости достаточно хорошо изучены для чистой дистиллированной воды и используются в качестве основы для определения тепловой мощности в системах водяного теплоснабжения. В случае отклонения свойств реального теплоносителя от указанных зависимостей полученные результаты измерений тепловой мощности и энергии не будут соответствовать их фактическим значениям.
В связи с этим является актуальной задача разработки неразрушающего метода и реализующих его средств, позволяющих оперативно проводить измерения фактических значений выделяемой теплоносителем тепловой мощности и других его параметров без нарушения целостности отопительной системы.
Цель научного исследования - создание новых теплометрических методов и средств, обеспечивающих повышение качества теплоснабжения на основе не-разрушающих средств измерений и контроля параметров теплоносителя в приборах и системах отопления.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
на основе анализа существующих методов и средств учёта тепла, выделяемого системами теплоснабжения, предложить и разработать неразрушаю-щий метод измерений параметров теплоносителя;
для реализации метода разработать и изготовить экспериментальный образец измерителя параметров теплоносителя на основе накладных датчиков специальной конструкции;
провести теоретические и экспериментальные исследования предложенного метода;
разработать калибровочные установки и исследовать на них метрологические характеристики измерителя параметров теплоносителя.
Объектом исследования являются неразрушающие теплометрические методы и средства измерений параметров теплоносителя в системах теплоснабжения.
Предметом исследования являются теплоизмерительные системы и приборы, основанные на температурных и тепловых измерениях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложен, разработан и исследован новый теплометрический метод не-разрушающих измерений параметров теплоносителя, позволяющий определять выделяемую им в системах теплоснабжения тепловую мощность без привлечения данных по его энтальпии и плотности;
предложено, разработано и исследовано новое устройство для неразру-шающего оперативного контроля параметров теплоносителя на основе накладных датчиков температуры и теплового потока;
предложен, разработан и исследован новый метод определения метрологических характеристик гибких цилиндрических датчиков теплового потока.
Теоретическая значимость исследования:
- созданный метод позволяет определять тепловую мощность в системах
теплоснабжения без привлечения сведений по термодинамическим свойствам
теплоносителя, при этом используются измерения только двух физических ве
личин: плотности теплового потока и температуры.
Практическая значимость исследования:
разработанный неразрушающий метод является основой для создания новых портативных и недорогих теплосчётчиков, позволяющих осуществлять оперативную диагностику исправности приборов и систем отопления и определять основные параметры теплоносителя без нарушения целостности системы теплоснабжения;
разработанные метод и устройство для определения метрологических характеристик гибких цилиндрических датчиков теплового потока позволяют осуществлять их поверку и калибровку при выпуске из производства и при эксплуатации.
Методы исследований. В работе использовались методы теории теплообмена и теплопроводности, методы калориметрии, теплофизического и теплотехнического эксперимента, теоретической и прикладной метрологии.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
неразрушающий теплометрический метод и реализующее его устройство позволяют определять основные параметры теплоносителя (массовый расход, температуру, фактическую тепловую мощность, количество теплоты) без нарушения целостности системы теплоснабжения;
устройство, реализующее метод, отличается практически максимально возможной простотой конструкции и компактностью и позволяет оперативно получать данные по основным параметрам теплоносителя в приборах и системах отопления;
результаты экспериментальных исследований неразрушающего тепло-метрического метода подтверждают его пригодность для диагностики исправности и эффективности отопительных приборов, используемых в системах теплоснабжения.
Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.11.15 - «Метрология и метрологическое обеспечение» по следующим пунктам области исследований: 1 - создание новых научных, технических и нормативно-методических решений, обеспечивающих повышение качества продукции; 4 -совершенствование системы обеспечения единства измерений в стране.
Степень достоверности и апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конгрессах, конференциях и семинарах: VI, VII, VIII, IX Международных конгрессах «ГЕО-СИБИРЬ» (г. Новосибирск, СГГА, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.); VIII учебно-методическом семинаре-совещании «Эталонные и рабочие средства измерения в области теплофизики. Энергоаудит» (г. Омск, ОАО НПП «Эталон», 2010 г.); заседании технического комитета по метрологии «Температурные, те-
плофизические и дилатометрические измерения» при Управлении метрологии Росстандарта и комиссии при научном Совете РАН по комплексной проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика» (г. Обнинск, 2010 г.); Международном молодежном инновационном форуме «ИНТЕРРА-2011» (г. Новосибирск, СГГА, ФГУП «СНИИМ», 2011 г.); II Всероссийской научно-практической конференции «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты» (г. Махачкала, ДГТУ, 2010 г.); IV Всероссийской конференции по проблемам термометрии «ТЕМПЕРАТУРА-2011» (г. Санкт-Петербург, ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», 2011 г.); XIII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ РКТС-13 (г. Новосибирск, ИТФ СО РАН, 2011 г.); Научно-практическом информационно-консультационном семинаре «Поквартирный приборный учёт тепловой энергии. Цели, задачи, решения» (г. Санкт-Петербург, Конференц-центр, 2012 г.); Международной молодёжной научной конференции «Будущее науки-2013» (г. Курск, ЮЗГУ, 2013 г.).
Основные результаты работы внедрены в производственный процесс ОАО «Научно-производственного предприятия «Эталон» (г. Омск) - при подготовке производства теплометрических установок для поверки датчиков теплового потока, ФГУП «Сибирский государственный НИИ метрологии» (г. Новосибирск) - для выполнения метрологических и научно-исследовательских работ в области теплометрии, а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» (г. Новосибирск) и ФГАОУ ДПО «Академия стандартизации, метрологии и сертификации (учебная)» (Новосибирский филиал) - по дисциплинам «Метрологическое обеспечение теплотехнических измерений» и «Приборное и метрологическое обеспечение учета тепла».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 2 статьи опубликованы в изданиях, определенных перечнем российских рецензируемых научных журналов и изданий.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 122 страницы основного текста, состоит из введения, четырех разделов, заключения, 15 таблиц, 22 рисунков, списка литературы, включающего 51 наименование.
Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 002-2013.
Энтальпийный метод измерений тепловой мощности и количества теплоты в системах теплоснабжения
Жилищно-коммунальное хозяйство является крупнейшим потребителем топ-ливно-энергетических ресурсов (свыше 30 % выработки тепловой энергии в России). Ежегодная потребность в расходах на ЖКХ колеблется от 35 % до 50 % муниципальных бюджетов [31].
Реформирование ЖКХ ведет к прекращению государственного дотирования энергетических предприятий и потребителей их продукции, что обусловливает необходимость приведения тарифов на энергетическую продукцию в соответствии с фактическими затратами на ее производство.
Возникла объективная необходимость более рационального энергопользования путем повсеместного внедрения энергоэффективных технологий, учета фактически потребляемых тепловой энергии, холодной и горячей воды, газа, электроэнергии. Отсутствие должного приборного учета приводит к колоссальным потерям тепловой энергии и теплоносителя в протяженных и сильно разветвленных городских тепловых сетях, а также низкую надежность централизованных теплоснабжающих систем. По экспертным оценкам, в настоящее время утечки теплоносителя из сетей достигают 20 % транспортируемого расхода, тепловые потери в сетях доходят до 30 % отпущенной энергии.
Кроме того, конструкции отопительных установок жилых зданий существующей застройки не позволяют регулировать теплоотдачу отопительных приборов. Как правило, отсутствует регулирование отопительной нагрузки на тепловых пунктах, что приводит к перерасходу тепловой энергии в домах. Значительные перерасходы воды на горячее и холодное водоснабжение также можно связать с отсутствием приборов учета. Этому способствуют и существующие до настоящего времени способы расчета с потребителями за холодную и горячую воду – на основе нормативов.
Вопросы учёта и рационального использования тепловой энергии являются ключевыми в решении проблем энергосбережения. Важнейшую роль в этом выполняют приборы и системы, предназначенные для измерений тепловой мощности и энергии в системах теплоснабжения зданий и сооружений. В качестве таких приборов и систем используют теплосчётчики, традиционно основанные на эн-тальпийном методе.
Что же такое энтальпийный метод? Как писал Геращенко О.А. «Это метод, основанный на изменении теплосодержания жидкости (чаще всего воды) под действием теплового потока, применяется так же широко в различных областях измерительной техники, как и метод использования скрытой теплоты парообразоа-ния. По точности измерения и возможности локализации энтальпийный метод сопоставим с методом определения количества энергии по количеству испарившейся или сконденсировавшейся влаги» [8, с. 182].
Традиционный энтальпийный метод основан на использовании справочных данных по зависимостям энтальпии или теплоёмкости используемого теплоносителя от его температуры и давления в отопительной системе. В основу данного метода положена формула расчёта тепловой энергии Е, выделяемой теплоносителем [23],
На рисунке 3 представлена температурная зависимость удельной теплоёмкости ср для двух теплоносителей: воды и полиметилсилоксановой жидкости - силиконового масла (ПМС).
Из рисунка видно, что удельная теплоёмкость дистиллированной воды при давлении 0,1 и 1 МПа уменьшается в диапазоне от 0 С до 50 С на 1 %, а затем начинает возрастать на 1,3 % при 100 С и на 3 % при 150 С. Необходимо заметить, что наличие в воде растворённых солей и, особенно, воздушной или паровой газовой фазы может существенно исказить не только характер этой зависимости, но и сами значения удельной теплоёмкости. В этом случае результаты измерений тепловой мощности энтальпийным методом, использующие стандартные справочные данные по чистой воде, не будут соответствовать её фактическим значениям. Ситуация ещё более усугубляется, если при этом используют измерения не массового, а объемного расхода, когда необходимо дополнительно привлекать ещё данные по плотности теплоносителя и её температурной зависимости, которая также наиболее изучена только для чистой, без примесей, воды.
В качестве примера отличия свойств жидкостей, на рисунке 3 приведена также температурная зависимость удельной теплоёмкости силиконового масла (ПМС), как возможного теплоносителя, имеющего целый ряд преимуществ по сравнению с водой. Видно, что изменение удельной теплоёмкости в диапазоне от 0 С до 100 С составляет около 5 %. При этом её значения в 2 раза меньше удельной теплоёмкости воды.
Из (1.4) следует, что основой энтальпийного метода косвенных измерений тепловой мощности Р, а, следовательно, и количества теплоты Е, выделяемых системами теплоснабжения, являются результаты измерений массового расхода GM теплоносителя и разности значений Т его температуры на входе и выходе отопительной системы. Кроме этого, при реализации метода необходимо располагать данными по значениям коэффициента KS (Т, p) для используемого теплоносителя, а, следовательно, иметь результаты измерений его температуры Т и давления р.
Модель объекта теплопотребления. Взаимосвязь параметров теплообмена с параметрами теплоносителей
Главной задачей теплоснабжения, например, помещения, является обеспечение нормальной температуры ТО внутри этого объекта, окруженного ограждающими конструкциями [49]. Выделяемый системой теплоснабжения тепловой поток Р распределяется на тепловые утечки (тепловые потоки Q\...Qe) через стены в окружающую среду температурой ТС (рисунок 5, а).
Значение установившейся в помещении температуры ТО определяется из баланса тепловых потоков Тепловые потери объектов теплопотребления зависят от качества теплоизоляции стен и условий теплообмена на их поверхностях. Значения тепловых потоков, характеризующих потери тепла, определяются значениями эффективных коэффициентов теплоотдачи (a0i... а06) на внутренней и (aСi... ссСб) на внешней поверхностях стен, а также их теплопроводностью (kt ...Хв), площадью (F\...F6) и толщиной (dx...d6) (рисунок 5, б).
Согласно рисунку 5, б зависимость измерений тепловых потоков через ограждающие конструкции имеет вид [9]
Рисунок 5 - Объект теплопотребления, окруженный ограждающими конструкциями: а) тепловая модель; б) схема определения теплового потока через ограждающую конструкцию Для уменьшения тепловых утечек используют материалы с низкими значениями теплопроводности %І. Тепловые потоки Qt, чаще всего измеряют контактными преобразователями теплового потока или рассчитывают по измеренным значениям температур ТОi и ТС на внутренней и внешней поверхности стен, а также на основе данных по их теплопроводности Xt. Формула расчёта тепловых потоков Qi имеет вид
Рассмотрение в общем виде модели объекта теплопотребления может быть описано полями тепловых потоков (Р, Q,) и полями температур (ТО , ТС , ТОt, ТС). Связь этих главных для теплообмена физических величин осуществляется через другие физические величины: коэффициенты теплоотдачи (aОi, осС), теплопроводность (А,-) и коэффициенты теплового излучения (ЄОІ, sС).
В этом случае использование соотношения (2.2) для расчета Qt затруднено из-за неопределенности эффективных значений аОг и OCС, которые зависят от совокупности свойств (геометрических, излучательных) поверхности стен и свойств окружающей их воздушной среды (температура, давление, влажность, скорость движения, плотность).
Важно отметить, что значительный вклад в эффективные коэффициенты теплоотдачи вносит радиационная составляющая теплообмена, которая зависит от коэффициентов теплового излучения SО/ и sСt, являющихся неотъемлемой характеристикой конкретной излучающей поверхности.
В рассмотренной модели проявляется действие всех трех основных составляющих теплообмена между телами и средами, имеющими разную температуру: - кондуктивная составляющая (закон Фурье)
Таким образом для решения главных задач теплоснабжения и теплосбереже-ния необходимо обеспечить значение ТО при минимальных затратах тепла, для чего очень важно располагать достоверными данными о физических величинах, входящих в уравнение (2.11). Величины Q, ТС, X, a, s принято называть параметрами теплообмена, а величины Р, Ks, G, АТГХ - параметрами теплоносителей.
Поскольку все физические величины, входящие в основное уравнение тепло-потребления, являются параметрами, определяющими прямо или косвенно значения тепловых потоков, то их измерения можно объединить одним понятием «теплометрия», введенным О.А. Геращенко [7].
Уравнение (2.11) устанавливает взаимосвязь комфортной температуры в отапливаемом помещении при заданных характеристиках теплопередачи его стен с температурой окружающей среды и мощностью размещённой в нём отопительной системы. Необходимое значение этой мощности, как следует из (2.11), равно
Отсюда следует, что при известных значениях фактической мощности, выделяемой в помещении системой отопления, и разности температуры помещения и окружающей среды можно установить показатель эффективности его теплоизоляции:
Значение этого показателя (Вт/С) можно определить для каждого помещения, например, жилого, при вводе его в эксплуатацию, а затем при необходимости периодически его подтверждать и вносить в специальный паспорт помещения. В случае обнаружения его несоответствия установленным для данного помещения значениям проводится экспертиза исправности системы отопления или качества теплоизоляции. Однако для этого необходимо иметь результаты оперативных измерений мощности и температуры. Расчётную тепловую мощность, необходимую для отопления помещений, определяют при проектировании зданий и сооружений по формулам, аналогичным (2.12). При проектировании теплоизоляции зданий и сооружений определяют расчетную тепловую мощность, необходимую для отопления их помещений по формуле (2.12). В качестве примера рассмотрим три случая: - тепловая мощность Р для отопления комнаты в многоквартирном доме при ТО = 20 С, ТС 1 = -15 С, d1 = 0,5 м, аО1 = 8 Вт/(м2К), Х1 = 1 Вт/(мК), аС 1 = 10 Вт/(м2К), F1 = 21 м2, Q2 = Q3 = Q4 = Q5 = Q6 = 0 равна 1 кВт;
Гибкие цилиндрические датчики теплового потока
В неразрушающем теплометрическом методе, предложенном в диссертационной работе, использовались новые типы измерителей, разработанные специально для определения тепловыделения на поверхности трубопроводов отопительной системы, а именно, накладные термоэлектрические датчики разности температуры и теплового потока [15, 16]. Этот метод предусматривает определение расхода теплоносителя и тепловой мощности, выделяемой отопительными приборами, путём измерений плотности теплового потока на участке поверхности подводящего трубопровода, разности температуры на этом участке и разности температуры на входе и выходе отопительного прибора.
Для реализации метода применяют гибкие цилиндрические датчики теплового потока (ДТП). Такие датчики представляют собой пластинку (рисунок 14, а), размещаемую на поверхности тела (отопительной системы), чтобы вектор теплового потока был перпендикулярен рабочим плоскостям датчика.
Датчик теплового потока изготавливают из материала с постоянным термическим сопротивлением, например, из резиновой пластинки прямоугольной формы с коэффициентом теплопроводности = 0,5 Вт/(м-С), размеры которой составляют (90x50x1) мм. Ширина пластинки соответствует внешнему диаметру трубопровода отопительной системы. На поверхности пластинки симметрично прикрепляют 5 пар спаев последовательно соединённых дифференциальных медь-константановых термопар. Чтобы избежать возможного электрического контакта датчика с металлической поверхностью трубопровода, контакты спаев заклеивают тонкой изоляционной лентой. ДТП крепят на поверхности расходомерного участка трубы посредине между накладными датчиками разности температуры.
Дифференциальные датчики температуры изготавливают из 7 пар спаев дифференциальных медь-константановых термопар длиной 1 м, которые припаивают на подложку из фольгированного стеклотекстолита размером (90x15x0,2) мм (рисунок 14, б).
Таких датчиков в измерительном устройстве два: один из них крепят на поверхности расходомерного участка трубы, а другой - на трубопроводы вблизи входа и выхода отопительного прибора [17]. В свою очередь, спаи датчиков заклеивают тонкой изоляционной лентой, чтобы избежать электрического контакта с поверхностью трубопровода.
Затем датчики температуры изолируют от влияния окружающей среды теплоизоляционным материалом и подключают к многоканальному измерителю, например, В7-99. Измеритель предназначен для измерений ТЭДС датчиков с погрешностью не более 1 мкВ и позволяет выводить результаты как на дисплей прибора, так и, при необходимости, на монитор компьютера.
Значения разности температуры t и длины L расходомерного участка выбирают исходя из возможностей измерителя сигналов и чувствительности S датчиков температуры. Если измеритель имеет погрешность 1 мкВ, а датчик разности температуры, содержащий 7 пар спаев дифференциальных медь-константановых преобразователей с чувствительностью около 300 мкВ/С, то погрешность измерений разности температуры составит около 0,0035 С. Следовательно, при разности температуры в 0,1 С относительная погрешность её измерений составит 3,5 %.
Для реализации неразрушающего теплометрического метода применялись гибкие цилиндрические датчики теплового потока с целью определения тепловыделения на поверхности трубопроводов отопительной системы.
Однако чтобы достоверно определить плотность q теплового потока таким датчиком, необходимо знать его коэффициент преобразования K. Для этого была разработана специальная теплометрическая установка [6], предназначенная для калибровки датчиков теплового потока в диапазоне от 50 до 500 Вт/м2.
Установка, схема которой изображена на рисунке 15, представляет собой полый металлический цилиндр такого же диаметра, как и трубопровод исследуемой отопительной системы [18]. В полость цилиндра 1 в качестве источника теплового потока помещен электронагреватель 3. Внутренняя часть цилиндра заполнена окисью алюминия, которая позволяет обеспечить тепловой контакт нагревателя с датчиком.
Методические погрешности измерений теплового потока и температуры накладными датчиками
Традиционный энтальпийный метод измерений тепловой мощности в системах теплоснабжения основан на использовании справочных данных по энтальпии или теплоёмкости теплоносителя, а также по их зависимости от температуры и давления в отопительной системе. В случае использования расходомеров, измеряющих объёмный расход, необходимо привлекать также справочные данные по температурной зависимости теплоносителя.
Таким образом, достоверность результатов измерений, получаемых этим методом, зависит от надёжности данных по указанным свойствам и от их соответствия свойствам реального теплоносителя.
Очевидно, что такой метод и реализующие их устройства не могут быть использованы для решения другого важного для энергосбережения вопроса - диагностики исправности и эффективности отдельных отопительных приборов и систем, например, при энергоаудите объектов ЖКХ. Однако, чтобы достоверно оценить работу отопительной системы или прибора неразрушающим теплометриче-ским методом, необходимо провести анализ погрешностей измерений параметров теплоносителя.
Основными источниками погрешностей неразрушающего теплометрического метода измерений тепловой мощности ЪP и массового расхода SG являются методические погрешности измерений теплового потока и температуры наклад 102 ными датчиками, а также неопределённость значений Ks при определении расхода [45]. Необходимо отметить, что важной отличительной особенностью теп-лометрического метода по сравнению с энтальпийным является независимость Р от Ks.
Первый источник погрешности - измерение тепловой мощности PQ на поверхности расходомерного участка трубы (рисунок 20) накладным датчиком теплового потока, которую определяют по следующей формуле [19, 20]
В частности, для значений параметров, приведённых в таблице 12, погрешность составит около 2 %.
Не менее важно физической величиной является температура. Температура -важнейший параметр технологических процессов многих отраслей промышленности. По оценкам отечественных и зарубежных специалистов технические измерения температуры составляют соответственно 40 % и 50 % общего числа всех измерений.
На производстве и при проведении научно-исследовательских работ часто возникает необходимость в измерении температуры поверхности твердых тел различной формы и размеров. Измерение температуры поверхности в промышленных условиях необходимо для контроля и автоматизации технологических процессов. При исследовании тепловых процессов следует знать теплофизические параметры материалов, а также теплоотдачу с их поверхности в окружающую среду. Определение указанных параметров обычно производится на небольших образцах различной формы и размеров. Измерять температуру приходится на поверхностях куба, цилиндра, шара, трубы и т. д.
Измеряют температуру поверхности тел, как правило, контактными измерителями температуры (термоприёмниками), к которым относятся термопары, металлические и полупроводниковые термометры сопротивления (терморезисторы). Из указанных контактных измерителей наибольшее распространение получили термопары ввиду их простоты, малых габаритов и возможности измерять температуру практически в точке. 0 – теплоноситель; 1 – накипь; 2 – труба; 3 – эмаль; 4 – электроизолятор; 5 – чувствительный элемент датчика; 6 – теплоизолятор Рисунок 21 – Схема измерений температуры Поэтому при проведении исследований неразрушающего теплометрического метода ещё одним источником погрешности является измерение разности температуры на расходомерном участке трубы накладными датчиками (рисунок 21).
Очевидно, что слой 6 теплоизоляции снижает тепловой поток q, а, следовательно, измеренная датчиком температура Т при этом стремится к значению температуры TQ теплоносителя. В качестве примера для различных веществ и материалов в таблице 13 приведены реальные или ожидаемые значения величин, необходимые для расчёта q и Т, а именно а, Вт/(м2-С); dt 10 3, м; Xt, Вт/(м-С);
Подставляя в (4.9) и (4.11) приведённые выше значения, получают плотность теплового потока около 205 Вт/м2, а температуру чувствительного элемента -около 67 С. Откуда следует, что температура Т поверхности датчика теплового потока будет ниже температуры TQ теплоносителя. Следовательно, погрешность измерений температуры теплоносителя составит 3 С. Такая точность вполне достаточна для оценки работоспособности системы отопления.
Важно отметить, что для двух идентичных дифференциально включенных накладных датчиков 1 и 2, при условии равенства значений R0...R5/2 в формуле
(4.11), измеренная ими разность температуры на поверхности трубы и разность температуры теплоносителя равны
Таким образом, основные источники методических погрешностей, вызванные применением накладных датчиков теплового потока и разности температур, могут быть сведены к минимуму выбором оптимальных параметров их конструкции и свойств материалов для их изготовления.
Важной составляющей в определении достоверности результатов измерений параметров теплоносителя является расчёт их погрешностей, в данном случае, относительной погрешности измерений тепловой мощности 8Р и массового расхода 5G [45].
Для оценки суммарной погрешности 8Р и 5G использовались формулы, следующие из уравнений (2.22) и (2.24):
Подстановка этих значений в уравнения (4.13) и (4.14) с учётом методической погрешности измерений q даёт следующие погрешности измерений: тепловой мощности – около 5 %, массового расхода – около 6 % [21]. Полученных результатов вполне достаточно для диагностики исправности отопительных приборов и систем.
Выполненный анализ показывает, что предлагаемый метод вполне пригоден для объективной оценки качества и эффективности отопительных приборов, используемых в системах теплоснабжения.
Для оценки погрешности предлагаемого метода проведено сравнение результатов измерений тепловой мощности тремя методами: неразрушающим тепломет-рическим, методом прямых измерений и энтальпийным [17, 22, 26]. Экспериментальная установка, предназначенная для сравнения методов, представлена на рисунке 22.
