ТЕПЛОСЧЕТЧИК И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ВОДЯНЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01K17/16 G01F1/86 

Изобретение относится к экспериментальной измерительной технике и может быть использовано в энергетике, водоснабжении, коммунальном промышленном хозяйстве.

Известен теплосчетчик для измерений тепловой энергии и объемного (массового) расхода теплоносителя в водяных системах теплоснабжения. Конструкция расходомера этого теплосчетчика содержит: канал (металлический патрубок), два измерительных термопреобразователя, два компенсационных термопреобразователя (пленочные терморезисторы), включенные в схемы неуравновешенных мостов постоянного тока с усилителями, блок управления нагревателями и вычислительный блок. Блок управления нагревателями периодически включает нагреватель, генерируя в поток тепловые метки. При включении нагревателя в вычислительном блоке реализуется команда на начало измерения времени и начинается отсчет времени переноса метки терморезисторами. Далее определяется время переноса метки по контрольному участку времени, а следовательно, и величина объемного расхода. По разности времени определяется плотность теплоносителя и затем определяют величину массы.

Такое решение позволяет измерять объемный расход теплоносителя косвенным способом (Динамический термоконвективный метод измерения массового расхода бинарных растворов жидкости «Коммерческий учет энергоносителей». Материалы 20-й Международной научно-практической конференции 23-24 ноября 2004 г., стр.150-154. Авторы: Соколов Г.А., Сягаев Н.А., Тугушев К.Р.).

Недостатки этого теплосчетчика: погрешность определения массового расхода 1,2-1,8%; затруднен контроль плотности измеряемой среды, состоящей из двух компонентов и больше, затруднена скорость измерения жидкости при разной вязкости, большая длительность времени измерения.

Известен способ определения объемного расхода теплоносителя (жидкости):

- путем анализа теплопроводности и конвекции определяют объемный расход жидкости при реализации меточного метода измерения процесса переноса теплоты от источника меток (нагревателя) в поток вещества и от потока к термопреобразователям;

- показывают, что время переноса метки по контрольному участку однозначно связано с объемным расходом и не зависит от свойств и состава измеряемой среды;

- аналитически определяют одномерные задачи о распространении теплового импульса в потоке жидкости и достигают максимума метки в зоне регистрации.

Такое решение позволяет определить объемный расход жидкости (Динамический термоконвективный метод измерения массового расхода бинарных растворов жидкости «Коммерческий учет энергоносителей». Материалы 20-й Международной научно-практической конференции 23-24 ноября 2004 г., стр.150-154. Авторы: Соколов Г.А., Сягаев Н.А., Тугушев К.Р.).

Недостатки этого способа заключаются в том, что в процессе измерения время переноса метки потоком состоит из длительности процесса кондуктивного переноса теплоты от нагревателя к потоку жидкости и от потока через стенку камеры (металлической трубы) к термопреобразователю.

Известно устройство, т.е. ПТ для измерения температуры водяных систем теплоснабжения. В качестве ПТ для теплосчетчиков рекомендован тип ТСП по ГОСТ 6651, т.к. другие средства измерений температуры по точности и стабильности метрологических характеристик не приемлемы для теплосчетчиков. К конструкциям гильз ПТ по существу предъявляются только два очень важных требования. Так, допускаемые пределы глубины погружения в потоке ПТ должны соответствовать 0,3-0,71, а наибольшее значение отношения наружного диаметра гильзы d_г к внутреннему диаметру подающего и обратного трубопроводов D установлено как d_г/D≤0,26. Поэтому в качестве гильз ТСП вполне могут применяться заглушенные с одного конца отрезки труб диаметром D_y 15 мм или D_y 20 мм, что на практике в массовых масштабах и происходит.

Такое конструктивное решение ПТ позволяет измерять температуру в водяных системах теплоснабжения (М.Н.Бурдунин, А.А.Варгин, Ю.Н.Осипов. О методах оценки прочности гильз для преобразователей температуры теплосчетчиков, стр.229-237. Коммерческий учет энергоносителей XXI-я международная научно-практическая конференция. Санкт-Петербург, 2005).

Такой ПТ обладает следующими недостатками: для улучшения температурного контакта в гильзу заливают жидкое масло. Масло запекается по-разному в подающем и обратном трубопроводах. Это, соответственно, вызывает дополнительный вклад в погрешность измерений температуры и особенно разности температур за счет того, что теплопроводности спекшихся субстанций могут существенно отличаться друг от друга и от исходного масла.

Известен способ измерения температуры в тепловом счетчике с помощью ПТ. Способ измерения температуры с помощью ПТ, содержащего гильзы, осуществляют следующим образом:

- гильзы входят в комплект поставки теплосчетчиков и в его составе проходят тепловые испытания. Кроме этого, к гильзам предъявляют следующие требования:

- устанавливают погружаемые части ТСП в трубопроводы с поточной жидкостью без прерывания ее движения;

- защищают погружаемые части ПТ от механических повреждений в процессе эксплуатации;

- не вносят искажений в показаниях ПТ при измерениях потока среды.

Далее производят прочностные расчеты, исходя из реального условия работы гильзы с некоторым допущением. Допускают, что на гильзу действует равномерная нагрузка, определяют изгибающий момент, напряжения, производят расчет гильзы на прочность гидравлическому удару и т.д.

Такой способ позволяет измерять температуру с помощью ПТ в водяных системах теплоснабжения (М.Н.Бурдунин, А.А.Варгин, Ю.Н.Осипов. О методах оценки прочности гильз для преобразователей температуры теплосчетчиков, стр.229-237. Коммерческий учет энергоносителей XXI-я Международная научно-практическая конференция. Санкт-Петербург, 2005).

Недостатком способа измерения температуры в водяных системах теплоснабжения практически совпадают с недостатками устройства, т.е. ПТ, используемых в теплосчетчике.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для определения тепловой энергии. Устройство содержит подающий, обратный подпиточный трубопроводы. Подающий трубопровод оснащен преобразователями расхода (ПР), давления (ПД), температуры (ПТ), блоками вычисления плотности теплоносителя, энтальпии, массовых расходов. Аналогичные блоки содержит обратный трубопровод. Подпиточный трубопровод содержит ПТ для измерения температуры холодной воды и блок вычисления энтальпии холодной воды. Выходы соответствующих блоков соединены с входами индикатора для вычисления тепловой энергии. Это устройство позволяет измерять температуру теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах.

Такое решение позволяет измерять температуру теплоносителя в водяных системах теплоснабжения [М.Н.Бурдунин, А.А.Варгин. К вопросу о типовых испытаниях теплосчетчиков для водяного теплоснабжения. «Коммерческий учет энергоснабжения» XXII-я Международная научно-практическая конференция. Санкт-Петербург. 2005, стр.80-89].

Недостатком этого устройства является то, что измеряют температуру теплоносителя без учета температуры окружающей среды подающего и обратного трубопроводов. Из-за этого повышается погрешность определения расхода тепловой энергии и массы теплоносителя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения тепловой энергии теплоносителя в водяных системах теплоснабжения.

Способ измерения обоснован тем, что в большинстве современных теплосчетчиков (ТС) применяют поэлементную поверку их составных частей: тепловычислителя (ТВ), счетчиков количества теплоносителя и комплекта согласованных пар термопреобразователей сопротивления.

Показывают, что одним из основных информативных параметров, учитываемым в расчете тепловой энергии, является разность Δt температур теплоносителя в прямом t₁ и обратном t₂ трубопроводах систем теплоснабжения.

При поверке современных тепловычислителей для имитации разности температур Δt=t₁-t₂ используют метод косвенной имитации разности, при котором раздельно имитируют температуры t₁, t₂ многозначными мерами электрического сопротивления класса 0,02. Показывают, что в настоящее время метод косвенного измерения разности при имитации разности температур Δt=t₁-t₂ в общем случае не соответствует требованиям действующих нормативных документов к погрешности образцовых средств измерения, используемых при поверке теплосчетчиков.

Косвенный метод измерения разности применяют для имитации разности температур Δt, превышающих 20°С. Использование его для поверки современных теплосчетчиков при регламентированных значениях Δt=(1-10)°С увеличивает брак контроля.

С учетом недостатков косвенного измерения разности переходят к прямым измерениям разности температур как:

- одним магазином сопротивления МС2 имитируют меньшую из двух температур t₂, а вторым - МС1, включенным последовательно с первым, - непосредственно разность температур Δt=t₁-t₂. Суммарное сопротивление двух магазинов имитирует температуру t₁;

- прямое измерение разности температур t₁, -t₂ выполняют не одновременно, а путем поочередного включения в общую измерительную схему тепловычислителя сначала одного ПТ сопротивления, затем другого. Предлагают принципиальные электрические схемы вычисления магазина сопротивления по методу прямого измерения разности температур;

- для применения прямого измерения разности температур при поверке тепловычислителей необходимо выполнять следующие условия:

а) обязательный учет при задании сопротивлений ПТ AR=R1-R2 начального сопротивления R_н магазинов в соответствии с эксплуатационной документацией на магазины сопротивления;

б) оптимальный выбор температур t₁, t₂ для поверочных режимов тепловычислителя с Δt<10°C.

Такое решение обеспечивает прямое измерение разности температур теплоносителя в водяных системах теплоснабжения [П.И.Зуев. Поверка тепловычислителей методом прямой имитации разности температур. Коммерческий учет энергоносителей. Материалы 15-й Международной научно-практической конференции. 2002 г. Санкт-Петербург, стр.109-119].

Недостаток известного способа состоит в том, что измерение разности температур теплосчетчика основано на отсутствии учета влияния температуры окружающей среды. Из-за этого недостатка снижается точность определения расхода тепловой энергии и массы теплоносителя.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения расхода тепловой энергии и массы теплоносителя путем прямого измерения перепада температуры на внутренней поверхности в подающем и обратном трубопроводах.

Технический результат достигается тем, что в теплосчетчике, содержащем трубопроводы подающий, обратный, подпиточный, подающий и обратный трубопроводы оснащены преобразователями температуры, электромагнитными расходомерами, блоками вычисления плотности и энтальпии теплоносителя, массы теплоносителя, подпиточный трубопровод оснащен преобразователем температуры и блоком вычисления энтальпии холодной воды, выходы преобразователей температуры соединены с входом индикатора, а выходы блоков вычисления плотности через блоки вычисления массы присоединены к входу индикатора, преобразователь температуры холодной воды через блок вычисления энтальпии соединен с индикатором, выходы электромагнитных расходомеров подающих и обратных трубопроводов через блоки вычисления массы соединены с входом индикатора, дополнительно введены три блока вычитания температуры, первый блок вычитает температуру подающего и обратного трубопроводов прямого измерения разности температуры, второй блок вычитает температуру окружающей среды подающего и обратного трубопроводов прямого измерения разности температуры, третий блок вычитает из разности температур подающего и обратного трубопроводов разность температуры окружающей среды подающего и обратного трубопроводов, выходы ПТ окружающей среды соединены с входами первого блока вычитания, выход которого соединен с входом третьего блока вычитания, выход этого блока соединен с входами блоков вычисления энтальпии и плотности в подающем и обратном трубопроводах, также выходы преобразователей температуры подающего и обратного трубопроводов соединены с входом второго блока вычитания, выход этого блока соединен с входом третьего блока вычитания.

Технический результат также достигается тем, что в способе определения тепловой энергии теплоносителя градуируют ПТ в условиях пренебрежимо малого теплообмена с окружающей средой в паровых или жидкостных термостатах неподвижной или мало подвижной среды, ПТ на трубопроводах устанавливают на достаточном удалении от местных сопротивлений и других источников, измерительные участки тщательно теплоизолируют, способом прямого измерения измеряют разность температур с помощью двух ПТ, с одним магазином сопротивления измеряют меньшую из двух температур t₂, со вторым магазином сопротивления включают последовательно первый, непосредственно определяют разность температур двух ПТ Δt=t₁-t₂, по суммарному сопротивлению двух магазинов имитируют температуру t₁, затем измеряют объемный расход теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, по результатам измерения расхода теплоносителя, температуры и заданного значения избыточного давления вычисляют плотность, энтальпию и расход массы теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, затем вычисляют тепловую энергию в системах теплоснабжения, в нем дополнительно при разной степени теплоизоляции в соответствующих сечениях и на внутренней поверхности трубопроводов неоднократно измеряют температуру, на основе полученных результатов измерений определяют расхождение температуры между сечениями и внутренней поверхностью трубопроводов, затем определяют величины поправочных коэффициентов 1,03-1,06 при хорошей изоляции трубопроводов; удовлетворительно - 1,06-1,15; плохо - 1,15-1,4, реальное значение температуры теплоносителя, измеренное ПТ, получают путем умножения измеренной температуры на внутренней поверхности трубопроводов на поправочные коэффициенты и рекомендуют для измерения температуры теплоносителя ПТ монтировать заподлицо с внутренней поверхностью трубопровода, затем в первом блоке вычитают и определяют перепад Δt₀ температур t₀₁-t₀₂ окружающей среды подающего и обратного трубопроводов, во втором блоке вычитают и определяют перепад Δt температур t₁-t₂ теплоносителя в подающем t₁ и обратном трубопроводах, на третьем блоке вычитают перепад температур Δt-t₀ в подающем, обратном трубопроводах Δt и окружающей среды Δt₀, после выполнения Δt=t₀-t_п получают разность перепада температуры теплоносителя Δt_п внутри поверхности трубопровода.

На чертеже представлена блок-схема теплосчетчика (тепловычислителя). Устройство содержит подающий 7, обратный 2 и подпиточный 3 трубопроводы. Подающий трубопровод оснащен ПТ t₁, t₀₁ 4, 8, блоками вычисления плотности ρ₁ 5, энтальпии h₁ 6, массы M₁ 7. Обратный трубопровод содержит ПТ t₂, t₀₂ 9, 10, блоки вычисления энтальпии h₂ 11, плотности теплоносителя ρ₂ 12, массы М₂ 13. Подпиточный трубопровод содержит ПТ холодной воды t_хв 14 и блок вычисления энтальпии холодной воды h_хв 15. Подающий и обратный трубопроводы оснащены объемными электромагнитными расходомерами (ОЭР). Устройство также содержит три блока вычитания температуры: первый блок вычитания 16, второй 17 и третий 18, и индикатор 19. Блоки теплосчетчика между собой соединены так: выходы ПТ 4, 9 соединены с входами второго блока вычитания температуры t₁-t₂ 17. Выход блока 17 соединен с входом второго блока вычитания 18, выходы блока 18 соединены с входами блоков 5, 6, 11, 12. Выходы блоков 6, 11 соединены с входом индикатора 19 для вычисления тепловой энтальпии, а выходы блоков 5, 12 через соответствующие блоки вычисления массы 7, 13 соединены с входами индикатора 19. Причем выходы ПТ 8, 10 соединены с входами первого блока вычитания 16, выход которого соединен с одним из входов третьего блока вычитания 18. Преобразователь температуры холодной воды 14 через блок вычисления энтальпии холодной воды 15 соединен с входом индикатора.

Три блока вычитания температуры, известные в электронной технике интегрального исполнения, выполняют следующие операции: первый блок 16 вычитает t₀₁-t₀₂=Δt₀, второй блок 17 вычитает t₁-t₂=Δt, третий блок 18 вычитает Δt-Δt₀=Δt_п, где t₁, t₂ - температура в подающем и обратном трубопроводах; t₀₁, t₀₂ - температура окружающей среды; Δt, Δt₀ - разность температуры (перепад) прямого измерения; Δt_п - перепад температуры.

Принципиальные электрические схемы включения магазина сопротивления по принципу прямого измерения разности температуры приведены на фиг.1а, 1b прототипа, стр.113. Измерительные участки хорошо теплоизолированы для сведения к минимуму теплообмена между теплоносителем и окружающей средой.

В подающем, обратном и подпиточном трубопроводах теплосчетчиков использован ПТ в большинстве из платины с номинальным сопротивлением 100, 500 Ом. Критерием выбора ПТ является стабильность, точность и стоимость. 100 Ом ПТ, с двумя токовыми и двумя потенциальными проводниками, соединяются с усилителем по 4-проводной линии связи. 500 Ом ПТ соединяются по двухпроводной схеме. При этом входное сопротивление усилителя должно быть сотни МОм. ПТ 4, 9 измеряют температуру теплоносителя, ПТ 14 измеряет температуру холодного теплоносителя. ПТ 8, 10 измеряют температуру на наружной поверхности подающего и обратного трубопроводов. Если эти трубопроводы изолированы от среды теплоизоляционным материалом, то измеряют температуру на поверхности изоляционного слоя. Зависимость выходного сигнала от температуры платиновых ПТ нелинейна. В реальности, например, погрешность измерения ПТ исходит из предела допускаемой относительной погрешности комплекта ПТ (подобранной пары) при измерении температур Δt, % δ_Δt=±(0,5+3Δt_min/Δt), где Δt - численное значение разности температуры, °С; Δt_min - нижний предел диапазона разности температур, выбирается из ряда 1, 2, 3°C в зависимости от класса применяемого комплекта ПТ.

Массовый расход или масса воды (теплоносителя) вычисляется как произведение расхода или объема на плотность теплоносителя. Вычисление плотности происходит в блоках 5, 12. Значения плотности теплоносителя определены в нормативных документах теплоснабжения, например МИ 2412-97 или в данных ГСССД 188-99. В этих источниках определено ρ_i=ρ_i(P_i, t_i) и массовый расход M_i=ρ_iq_iΔτ, h_i=h_i(P_i, t_i), где i=1, 2 - номера подающего и обратного трубопроводов, ρ_i - плотность, h_i - энтальпия теплоносителя как функция изменения давления P_i и температуры t_i Плотность деаэрированной воды существенно зависит от температуры. С изменением температуры от 0 до 150°С плотность изменяется от 0 до -10%. Зависимость изменения плотности деаэрированной воды от абсолютного давления от 30 до 11 кгс/см², плотность меняется от - 0,027 до - 0,013%.

Влияние давления на результаты измерения массового расхода теплоносителя и тепловой энергии в предлагаемом изобретении в сравнении с изменением температуры незначительно. Поэтому влиянием давления на результаты измерений пренебрегают и давление задается договорной константой. При этом прямому измерению в трубопроводах водяной системы теплоснабжения подвергаются температура и объемный расход. Счетчики объема в теплосчетчиках выполняются, как правило, на базе объемных расходомеров, а объем теплоносителя за отчетный период вычисляется интегрированием расхода по времени. По значениям температуры, давления и данным ГСССД 188-99 вычисляются значения энтальпии и плотности в измерительных сечениях каждого трубопровода. И, в конечном итоге, по соответствующему уравнению измерения вычисляется искомое значение тепловой энергии.

ОЭР 20, 21 прямого действия скорости потока с индукционной системой. Теплоноситель протекает через трубопроводы 1-2, расположенные в магнитном поле, индукция которого равна В, и электрически изолированы от трубы. Если жидкость протекает через трубопровод со средней скоростью v, то в ней индуцируется электрический заряд и образуется разность потенциалов e=vBd, где d - внутренний диаметр трубопровода. Это выражение можно представить как

где q - средний расход жидкости в мл/с. Питание переменным напряжением устраняет электролитическую поляризацию расходомера, если частота достаточно высокая, а также позволяет использовать усилитель переменного тока для усиления выходного сигнала расходомера. Выходное напряжение ОЭР не зависит от характера потока - ламинарный или турбулентный. Однако значимая осевая несимметрия потока может влиять на входной сигнал.

Ошибки при измерении ОЭР теплоносителя могут возникать из-за паразитного напряжения между электродами расходомера. Эти напряжения появляются вследствие гальванических потенциалов между электродами и другими металлическими частями, а также при поляризации расходомера напряжением постоянного тока. Величина случайных шумов, возникающих в расходомере, и влияние внешних электромагнитных полей увеличиваются с ростом сопротивления теплоносителя.

Расходомеры, используемые в теплосчетчике, стандартные, например тип КМ-5.

Тепловую энергию и массу теплоносителя, отобранного из тепловой сети, вычисляют окончательно в блоке 19.

Все выходные сигналы указанных блоков поступают на вход индикатора 19. Через индикатор управляются все блоки, подача воды, поддержание температуры. Согласно документу «Теплосчетчики электромагнитные КМ-5. Руководство по эксплуатации. Часть 1, АКП 42/8 2003» индикатор содержит преобразователи интерфейса; адаптер периферии АП-5 различных модификаций; модем; интегратор сети. Индикатор обеспечивает представление информации в следующей форме: количество теплоты Q [Гкал] и [МВт·ч] для одной или двух тепловых систем; объем V [м³] и масса М [т] теплоносителя в подающем и/или обратном трубопроводе; тепловая мощность; разность температур; время наработки теплосчетчика; давление в трубопроводах и т.д.

Выходной электрический сигнал, позволяющий получить информацию о календарном времени, времени наработки, тепловой энергии, температуре и т.д.

Режимы работы: «основной» («ЗИМА» ЛЕТО-1, ЛЕТО-2 и ЛЕТО-3) задаются вручную из меню теплосчетчика. Расход массы и объема производится согласно инструкции. Все согласующие и усилительные блоки размещены в герметично закрытом корпусе ОЭР и ПД и ПТ. Такое конструктивное оформление преобразователей защищает от любых внешних воздействий.

Установка ПТ на измерительных участках трубопроводов должна соответствовать требованию межгосударственного стандарта СНГ ГОСТ 8.563.2-97 и международным стандартам ENI434-97, МОЗМ Р75-1-2002 (OIMLR75-1).

Принцип работы устройства. При прохождении теплоносителя через подающий 1 и обратный 2 трубопроводы с определенной начальной температурой t_и1, t_и2 происходит изменение сопротивления ПТ 4, 9 от начального значения R_н1, R_н2. Приращение сопротивления ПТ, т.е. R_т1-R_н1=ΔR₁ и R_т2-R_н2=ΔR₂ и на выходе ПТ возникает термоэлектрическое напряжение, пропорциональное изменению температуры в соответствующих трубопроводах теплоносителя, где R_т1, R_т2 - текущие значения сопротивления ПТ.

Принцип работы расходомера основан на явлении электромагнитной индукции при прохождении электропроводящей жидкости через подающий 7 и обратный 2 трубопроводы, содержащие соответственно объемные ОЭР 20, 21. Жидкость, проходящая со средней скоростью через магнитное поле В, в нем наводит ЭДС. Сигнал, снимаемый с выхода ОЭР, пропорционален величине индукции В и напряжению поляризации.

Измерение температуры в теплосчетчике реализуют следующим образом.

Объектом исследований представляют подающий и обратный трубопроводы с внутренним источником тепла и распределением температуры вдоль и поперек трубопровода, являющимся функцией места и времени. Предполагают, что за каждую единицу времени выделяется определенное количество тепла, равномерно распределенное по объему стенки. Следовательно, для того, чтобы достигнуть наружной поверхности трубы, это тепло должно пройти через стенки трубопровода и часто через промежуточный слой изоляции. Всякому тепловому потоку соответствует некоторый перепад. Поэтому внутри трубопровода температура изменяется от точки к точке, достигая в некотором месте наибольшей величины.

Допускают, что течение теплоносителя является одномерным, т.е. происходит без устойчивых вихревых образований низкой частоты со значительной амплитудой пульсации параметров потока.

1-й этап. Градуировку ПТ осуществляют в условиях пренебрежимо малого теплообмена с окружающей средой в паровых или жидкостных термостатах в неподвижной или малоподвижной среде. Но в условиях их применения в тепловых сетях скорости потока и теплообмен могут быть более значительными, чем при градуировке.

2-й этап. ПТ на трубопроводах устанавливают на достаточном удалении от местных сопротивлений и других источников, способных значимо исказить тепловой градиент температуры теплоносителя, в частности за счет крупномасштабных вихрей.

3-й этап. Измерительные участки трубопроводов тщательно теплоизолируют для минимизации теплообмена с окружающей средой. Это позволяет (совместно с выполнением первого этапа) максимально приблизить профиль температуры внутри трубопровода к прямоугольному виду и тем самым повысить точность измерений. Учитывают тот факт, что в трубопроводах, кроме адиабатичности, выполняются условия того, что течение является одномерным, т.е. происходит без устойчивых вихревых образований низкой частоты со значительной амплитудой пульсаций параметров потока. Такие вихри в потоке являются серьезными поглотителями энергии и, если чувствительный элемент ПТ попадет в вихревую зону, то может возникнуть значимая погрешность измерения температуры. Следовательно, имеют в виду, что источником образования крупномасштабных вихрей служат как местные сопротивления, так и сама гильза ПТ, являющаяся с точки зрения гидродинамики плохо обтекаемым телом. Несоответствие значений измеряемой и действительной температур возникает по двум основным причинам:

- во-первых, применяют для ПТ нештатные защитные гильзы. В общем случае гильзы вносят искажения в процесс теплообмена между чувствительным элементом ПТ и измеряемой средой. В результате значимо измеряют градуировочную характеристику ПТ, что неизбежно вызовет погрешность при измерении температуры;

- вторая причина возможного несоответствия измеряемых и искомых значений температуры заключается в том, что ПТ помещают в некоторой точке поперечного сечения трубопровода, где и измеряют температуру, но в уравнение измерений тепловой энергии входит среднее по сечению значение энтальпии, которое вычисляют соответственно по значению средней по сечению температуры потока (теплоносителя). Следовательно, данную составляющую погрешности метода измерений температуры теплоносителя определяют отклонением температуры, измеренной с помощью ПТ от действительного значения средней интегральной по сечению температуры потока. Эта составляющая существенно зависит от вида искажения профиля температуры и ее отличия в измерительном сечении от прямоугольного (идеального) профиля, реализуемого при адиабатическом течении.

При разных степенях теплоизоляции (хорошее, удовлетворительное, плохое) в соответствующих сечениях и на внутренней поверхности (заподлицо) трубопроводов неоднократно измеряют температуру. На основе полученных результатов измерений определяют расхождение температуры между сечениями и внутренней поверхностью трубопроводов. Затем определяют величины поправочных коэффициентов 1,03-1,06 при хорошей изоляции трубопроводов; 1,06-1,15 при удовлетворительной; 1,15-1,4 при плохой термоизоляции. Реальное значение температуры теплоносителя (измеренное ПТ и ПТ, смонтированным заподлицо с внутренней поверхностью трубопровода) получают путем умножения поправочного коэффициента на измеренное значение температуры на внутренней поверхности трубопроводов. Измерение температуры осуществляют путем прямой имитации разности температуры для двух ПТ, установленных заподлицо и в измеряемом сечении трубопроводов. Рекомендуют, чтобы ПТ устанавливали заподлицо с трубопроводами и ПТ не нарушали течения теплоносителя и не искажали результаты измерения объемного расхода теплоносителя.

4-й этап. После выполнения п.1-2 реализуют способ имитации прямого измерения разности температур с помощью двух ПТ:

- одним магазином сопротивления имитируют меньшую из двух температур t₂ в обратном трубопроводе;

- со вторым магазином сопротивления включают последовательно первый магазин сопротивления;

- непосредственно имитируют разность температур, измеряемую двумя ПТ в подающем t₁ и обратном t₂ трубопроводах Δt=t₁-t₂;

- по суммарному сопротивлению двух магазинов имитируют температуру в подающем трубопроводе t₁.

Применение метода прямого имитирования разности температур при поверке теплосчетчиков обосновывают тем, что в большинстве теплосчетчиков измерение температуры в подающем t₁ и обратном t₂ трубопроводах выполняют одновременно. Затем поочередно включают в общую измерительную схему теплосчетчика сначала один ПТ сопротивления (или имитирующий его магазин сопротивления при поверке теплосчетчика), потом другой. На этом этапе также определяют абсолютную погрешность заданной номинальной разности сопротивления ΔR_н, соответствующей номинальной имитируемой разности температур Δt_и для магазина сопротивления типа МСР-60М и РЧ4831 кл. 0,02 в нормальных условиях применения.

5-й этап. На основе этапа 4 в первом блоке вычитания 16 определяют перепад двух температур окружающей среды подающего и обратного трубопроводов Δt₀=t₀₁-t₀₂; поступающей из ПТ 8, 10.

Во втором блоке вычитания 17 определяют разность двух температур теплоносителя Δt=t₁-t₂, поступающих с выходов ПТ 4, 9 подающего и обратного трубопроводов соответственно.

В третьем блоке вычитания 18 определяют разность двух температур. Первая разность температур определена при прямом измерении температуры окружающей среды Δt₀ в подающем и обратном трубопроводах. Вторая разность температур Δt определена прямым измерением температуры в подающем и обратном трубопроводах. После вычисления в блоке 18 Δt-t₀=t_п на его выходе получают разность перепада температуры теплоносителя внутри поверхности трубопроводов Δt_п. Значение Δt₀ и Δt на вход блока 18 подают с выходов блоков 16 и 17.

6-й этап. С выхода блока 18 перепад температуры Δt_п одновременно поступает на входы вычисления плотности 5, 12 и энтальпии 6, 11, где соответственно вычисляют значение плотности ρ_i=ρ_i(P_i, Δt_пi и энтальпии h_i=h_i(P_i, Δt_пi) как функцию давления P₁ и перепада температуры Δt_пi, где i=1; i=2 соответствуют подающему и обратному трубопроводу. Величину давления P_i задают согласно договору. Эти вычисления проводят согласно ГСССД 188-99 Вода. Удельный объем и энтальпия при температуре 0-1000°С и давлениях 0,001-1000 МПа.

7-й этап. Вычисляют массу теплоносителя по каждому трубопроводу в блоках 7 M₁=ρ₁q₁Δτ и блоке 13 М₂=ρ₂q₂Δτ, где значение плотности ρ₁ и ρ₂ поступает с выходов блоков 5, 12, значение расхода теплоносителя - с выходов 20, 21, Δτ - время, изменяющееся в интервале от Δτ₀ - начало до Δτ₁ - окончание отчетного периода.

8-й этап. В индикаторе 19 вычисляют тепловую энергию в системах теплоснабжения

где М_1i, М_2i - массы теплоносителя, поступающие с выходов блоков 7, 13; h_1i, h_2i, h_xbi - энтальпия теплоносителей, поступающих с выходов блоков 6, 11, 15.

Все виды вычислений осуществляют в индикаторе, измеренное и расчетное значения i-то параметра хранят в индикаторе согласно требованию существующих руководящих материалов.

Технико-экономический эффект теплосчетчика, используемого в сетях водоснабжения, повышается за счет прямого измерения разности двух температур (подающего и обратного трубопроводов) и измерения разности температур теплоносителя в середине сечения и на стенке трубы (перепад температур), благодаря чему снижается погрешность измерения массы теплоносителя и тепловой энергии в 15-20 раз. В расчете перепада температуры учитывают несанкционированные потери энергии, степень теплоизоляции: плохая, средняя или хорошая, правильное установление ПТ, себестоимость теплоносителя.

С этой целью в OOO «ТБН энергосервис» были проведены испытания двух комплектов платиновых ПТ типа КТСП-Р (всего ПТ - 4 шт.): два для измерения температуры окружающей среды и два для измерения температуры подающего и обратного трубопроводов градировочного стенда. Был использован магазин сопротивления типа Р4831 класса точности 0,02. Начальное сопротивление магазина сопротивления от 0,01 до 0,02 Ом, добавочное сопротивление 0,03 Ом. Для проверки ПТ задают перепад температуры Δt_п 20°C. При этом погрешность измерения расхода теплоносителя (около 50 м³/ч) составляла 1,0%. При таких же условиях при косвенном измерении погрешность измерения расхода теплоносителя равнялась 2-2,5%.

На градуировочном стенде измерительный участок трубопровода был изолирован материалом «стекловата» хорошо, удовлетворительно и плохо. Измерение температуры по сечению и внутри поверхности трубопровода было проведено 10 раз. Диапазон температуры в сечении t_c=80,3°C и на внутренней поверхности t_в=78,8°С. Поправочные коэффициенты определялись соотношением

для хорошей изоляции;

для удовлетворительной;

для плохой изоляции.

Подающий и обратный трубопроводы теплосчетчика, теплоизолированные на измерительных участках, оснащены преобразователями температуры t₁, t₂ теплоносителя, электромагнитными расходомерами, блоками вычисления плотности, энтальпии, массы теплоносителя. Подпиточный трубопровод теплосчетчика оснащен преобразователем температуры холодной воды и блоком вычисления энтальпии. Преобразователи температуры смонтированы заподлицо с внутренней поверхностью трубопровода. На наружной поверхности подающего и обратного трубопроводов установлены преобразователи температуры t₀₁, t₀₂ окружающей среды. Плотность и энтальпию теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах вычисляют как функцию давления и перепада температур Δt_п=Δt-Δt₀, где Δt=t₁-t₂. По вычисленным значениям плотности и энтальпии определяют массу теплоносителя и в индикаторе вычисляют тепловую энергию. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Теплосчетчик для определения тепловой энергии теплоносителя в водяных системах теплоснабжения, содержащий подающий и обратный трубопроводы, оснащенные преобразователями температур t₁, t₂ теплоносителя, электромагнитными расходомерами, блоками вычисления плотности, энтальпии, массы теплоносителя, и подпиточный трубопровод, оснащенный преобразователем температуры холодной воды, через блок вычисления энтальпии соединенным с индикатором, при этом выходы электромагнитных расходомеров и блоков вычисления плотности и энтальпии теплоносителя через блоки вычисления массы присоединены к соответствующим входам индикатора, отличающийся тем, что преобразователи температуры t₁, t₂ теплоносителя смонтированы заподлицо с внутренней поверхностью трубопровода и дополнительно введены установленные на наружной поверхности подающего и обратного трубопроводов преобразователи температуры t₀₁, t₀₂ окружающей среды, а также три блока вычитания температуры, при этом выходы преобразователей температуры t₀₁, t₀₂ соединены со входами первого блока вычитания для определения перепада температур Δt₀=t₀₁-t₀₂, выходы преобразователей температуры t₁, t₂ соединены со входами второго блока вычитания для определения перепада температур Δt=t₁-t₂, выходы первого и второго блоков вычитания соединены со входами третьего блока вычитания для определения перепада температур теплоносителя Δt_п внутри поверхности трубопровода Δt_п=Δt-Δt₀, соединенного со входами блоков вычисления энтальпии и плотности теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах.2. Способ определения тепловой энергии теплоносителя в водяных системах теплоснабжения, заключающийся в том, что в подающем и обратном трубопроводах измеряют объемные расходы и температуру t₁, t₂ теплоносителя, вычисляют плотность, энтальпию, массу M₁, M₂ теплоносителя, по которым определяют тепловую энергию, отличающийся тем, что теплоизолируют измерительные участки, измеряют температуру t₀₁, t₀₂ окружающей среды подающего и обратного трубопроводов, определяют перепад температур теплоносителя Δt_п внутри поверхности трубопровода Δt_п=Δt-Δt₀, где Δt=t₁-t₂, Δt₀=t₀₁-t₀₂, вычисляют плотность и энтальпию теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах как функцию давления и перепада температур Δt_п, а массу M₁, M₂ теплоносителя определяют по вычисленным значениям плотности и энтальпии.