ТЕПЛОСЧЕТЧИК-РАСХОДОМЕР Российский патент 2000 года по МПК G01K17/08 G01F1/68 

Изобретение относится к устройствам измерения и учета тепловой энергии, передаваемой по трубам жидкими или газообразными носителями. Известны устройства, измеряющие расход теплоносителя и умножающие значение расхода на значение разности температур до и после объекта теплопотребления. Кроме того, должны быть учтены свойства теплоносителя.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому является измеритель тепловой мощности, содержащий канал в виде корпуса, на поверхности которого размещены охлаждаемые датчики теплового потока, датчики температуры на входе и выходе канала (см. DE, заявка N 3303769, A1, МКИ G 1 К 17/10, 1983). Поток теплоносителя, протекая по каналу измерителя, отдает через радиаторы часть тепловой энергии q. Средняя по сечению температура потока при этом изменится на Δt = t₁-t₂, где t₁ - температура на входе, а t₂ - на выходе. По результатом измерений q и Δt определяется расход теплоносителя по известной формуле G = q/c_p•Δt, где С_р - его удельная теплоемкость. Однако это верно лишь при t₁ = const. На практике температура теплоносителя может изменяться, например понижаться. В этом случае, в силу теплоемкости всех частей прибора (стенки канала, радиатора и пр.) температура на выходе t₂ может оказаться равной или выше t₁, несмотря на охлаждение радиаторов.

Следовательно, Δt может принимать нулевое или отрицательное значение, что значительно усложнит определение расхода.

Предлагаемое техническое решение позволяет компенсировать возможное влияние дрейфа температуры теплоносителя. Для этого в теплосчетчике-расходомере, содержащем измерительно-вычислительный блок, датчики температуры, соединенные с измерительно-вычислительным блоком, и канал расходомерной части, разделенный между входом и выходом на два одинаковых ответвления, на поверхности которых размещены датчики теплового потока с радиаторами, радиатор одного из ответвлений теплоизолирован от окружающей среды. А между ответвлениями помещен датчик разности температур.

Схематическое изображение предлагаемого теплосчетчика-расходомера представлено на чертеже. Расходомерная часть состоит из канала 1, разделяющегося на два ответвления 2 и 3, выполненных идентично. На наружных поверхностях ответвлений размещены датчики теплового потока 4 с радиаторами 5, причем один из радиаторов ответвлений теплоизолирован. Между ответвлениями помещен датчик разности температур 6. Температура теплоносителя измеряется датчиком 7, а после объекта теплопотребления - датчиком 8. Все датчики соединены с измерительно-вычислительным блоком 9.

Поток нагретого (или охлаждаемого) теплоносителя из канала 1 разделяется надвое и поступает в оба ответвления 2 и 3, причем расходы G₂ и G₃ равны, поскольку условия протекания одинаковы. В случае неизменной температуры теплоносителя t = Const температура на выходе ответвления 2 будет практически равна температуре входа, так как оно теплоизолировано со всех сторон. При этом в ответвлении 3 теплоноситель отдает (или принимает) часть тепловой энергии q через радиатор, а его средняя температура, как и в прототипе, изменяется на Δt Поскольку массовый расход определяется зависимостью G₃ = q/c_p•Δt, то, измеряя величины g и Δt, можно определить расход следующим образом. По характеристикам датчиков имеем:
E₁ = k₁ • q (для датчика 4),
E₁ = k₂•Δt (для датчика 6),
где k₁ и k₂ - коэффициенты преобразования датчиков. Отсюда следует
q = E₁/k₁; Δt = E₁/k₂
Подставляя эти величины в формулу расхода, получаем

Поскольку расход измеряется только в одном ответвлении 3, то общий расход G, будет равен сумме расходов:

Известно, что количество теплоты, передаваемой объекту теплопотребления в единицу времени, равно Q = c_p•G•ΔT, где ΔT - разность температур теплоносителя до и после объекта теплопотребления. При применении дифференциального способа измерения температур получим сигнал E₃ = k₃•ΔT, то есть ΔT = E₃/k₃. Следовательно, с учетом (1)и (2) получим, что

где

По этому алгоритму блок 9 вычислит тепловую мощность, а количество тепла определит интегрированием за время τ = τ₂-τ₁.
Разность температур Δt = t₁-t₂ можно представить и по другому, так как она является функцией f(q, G, С_р, F), где F - площадь теплообмена. То есть t₁ - t₂ = f(q, G, C_р, F). Отсюда t₂= t₁-f(q, G, C_p, F). Затем представим разность температур между выходами ответвлений в виде:

где t'₂ - на выходе 2, а t₂ - на выходе 3. При t₁ = Const t'₂ = t₁, поскольку в ответвлении 2 нет теплообмена. Поэтому имеем:

В случае же изменения температуры на входе t₁ = f₁(τ) появляется зависимость t'₂ от времени и конструкции ответвления, а именно

где С_n - теплоемкость каждой из n частей с учетом ее температуропроводности а_i и геометрии.

При этом

поскольку добавляется влияние теплообмена. Вычитая t₂ из t'₂, получим
Δt′ = f(q,G,c_p,F),
так как

по условию.

To есть сигнал датчика будет такой же, как и при t₁ = Const, независимо от изменений температуры на входе. Это значит, что ответвление 2 компенсирует всегда возможное на практике влияние дрейфа температуры теплоносителя.

Предлагаемый теплосчетчик-расходомер может быть использован как надежный и сравнительно недорогой прибор по учету тепловой энергии. Кроме того, он может быть применен просто как расходомер нагретых (или охлажденных) жидких или газообразных сред с учетом их удельной теплоемкости и инерционности самого прибора.

Изобретение относится к устройствам измерения и учета тепловой энергии, передаваемой по трубам жидкими или газообразными носителями. Теплосчетчик-расходомер содержит измерительно-вычислительный блок, датчики температуры и канал расходомерной части. Канал расходомерной части разделен между входом и выходом на два одинаковых ответвления. На поверхности ответвлений размещены датчики теплового потока с радиаторами. Радиатор одного из ответвлений теплоизолирован от окружающей среды. Датчики температуры соединены с измерительно-вычислительным блоком. Такое выполнение устройства позволяет компенсировать возможное влияние дрейфа температуры теплоносителя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Теплосчетчик-расходомер, содержащий измерительно-вычислительный блок, датчики температуры, соединенные с измерительно-вычислительным блоком, и канал расходомерной части, разделенный между входом и выходом на два одинаковых ответвления, на поверхности которых размещены датчики теплового потока с радиаторами, отличающийся тем, что радиатор одного из ответвлений теплоизолирован от окружающей среды. 2. Теплосчетчик-расходомер по п.1, отличающийся тем, что между ответвлениями помещен датчик разности температур.