СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕПЛООТДАЧИ ОТОПИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА Российский патент 2015 года по МПК G01K17/00 

Название изобретения

Способ измерения сопротивления теплоотдачи отопительного прибора.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области теплофизических измерений, в частности для определения тепловых характеристик отопительных приборов.

Уровень техники

Описание изобретения

Сопротивление теплоотдачи является одной из важных характеристик отопительных приборов. Оно позволяет:

- оценить эффективность процесса теплоотдачи;

- вычислить тепловую мощность, отдаваемую отопительным прибором.

Сопротивление теплоотдачи можно определить из закона Ньютона-Рихмана, согласно которому тепловая мощность P_тепл., отдаваемая отопительным прибором, пропорциональна разности между средней температурой отопительного прибора Т_ист и средней температурой воздуха помещения Т_в:

$$P_{тепл}=G_{ист}\cdot \left(T_{ист}-T_{в}\right),\left(1\right)$$

где G_ист - коэффициент теплоотдачи отопительного прибора [Вт/°С].

Величина, обратная коэффициенту теплоотдачи, называется сопротивлением теплоотдачи (тепловое сопротивление) R_ист:

$$R_{ист}=\frac{1}{G_{ист}}.\left(2\right)$$

В стационарном режиме при выполнении теплового баланса P_тепл=P_вх, где Р_вх - тепловая мощность, поступающая в отопительный прибор:

$$P_{тепл.}=P_{вх.}=G_{ист}\cdot \left(T_{ист}-T_{в}\right).\left(3\right)$$

Известен способ определения значений радиаторных коэффициентов для чугунных радиаторов экспериментально из стендовых испытаний путем измерений температур воды на входе и выходе из радиатора, расхода воды, времени и количества тепла, которое отдает теплоноситель в отопительном приборе с помощью теплосчетчика, установленного на трубопроводе теплоносителя, измерений температуры поверхности радиатора и температуры воздуха около радиатора с помощью регистратора расхода тепла и нахождения средней температуры поверхности радиатора с помощью медь-константановой термопары, при этом используется балансовое уравнение: Q/S=K·∑, где Q - количество тепла, отданное радиатором; S - площадь поверхности радиатора;

∑ - показания регистратора; К - коэффициент, который определялся из эксперимента, его удобно представить в виде K=k·k_H, где k - радиаторный коэффициент, а k_н - номинальный условный коэффициент теплопередачи отопительного прибора (Низовцев М.И., Терехов В.И., Чепурная З.П. Влияние физических параметров на радиаторные коэффициенты регистраторов расхода тепла отопительных приборов // Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. - 2005. - №5. - С.36-40).

Этот способ базируется на экспериментальных исследованиях в лабораторных условиях, не учитывает индивидуальных особенностей каждого отопительного прибора и изменение его характеристик в процессе эксплуатации. Применение в измерениях теплосчетчика требует врезки в трубопровод и вносит значительные погрешности.

Известно устройство учета расхода тепловой энергии отопительного прибора, содержащее блок вычисления коэффициента теплоотдачи, вычисляемого по прямолинейной зависимости от разности температур согласно формуле (1) (RU №2095769, МПК G01К 17/20, 10.11.1997).

Однако все попытки приводили к усложнению определения коэффициента теплоотдачи или понижению точности его определения.

Известно устройство для определения коэффициента теплоотдачи при неустановившемся процессе, содержащее чувствительные датчики температуры поверхности и электронную схему измерения коэффициента, согласно следующей зависимости: α=N/FΔt; где Q=N=αF(t_p-t_v)=αFΔt; α - коэффициент теплоотдачи; N - тепловая энергия; F - площадь поверхности; (t_p-t_v) - разность температурных поверхностей (CS №217269, МПК G01N 25/20, 26.03.1982).

Недостатком данного технического решения является необходимость измерения тепловой энергии, что усложняет измерительную систему (требует применения расходомера и двух термодатчиков, требует врезки в трубопроводы), что в свою очередь не позволяет получить достаточную точность измерений.

Известно также устройство для измерения теплового сопротивления, содержащее источник тепловой энергии, измеритель температуры, электронный блок обработки, при этом выход измерителя температуры соединен с входом электронного блока обработки, причем дополнительно содержит наружный теплообменник, внутренний теплообменник, входной трубопровод, первый соединительный трубопровод, второй соединительный трубопровод, третий соединительный трубопровод, выходной трубопровод, устройство для прокачивания теплоносителя, второй, третий, четвертый, пятый и шестой измерители температуры, при этом выход входного трубопровода соединен с входом наружного теплообменника, выход наружного теплообменника соединен с входом первого соединительного трубопровода, выход первого соединительного трубопровода соединен с входом устройства для прокачивания теплоносителя, выход устройства для прокачивания теплоносителя соединен с входом второго соединительного трубопровода, выход второго соединительного трубопровода соединен с входом источника тепловой энергии, выход источника тепловой энергии соединен с входом третьего соединительного трубопровода, выход третьего соединительного трубопровода соединен с входом внутреннего теплообменника, выход внутреннего теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, наружная поверхность наружного теплообменника снабжена тепловой изоляцией, кроме примыкающей к наружной поверхности исследуемого объекта наружной поверхности наружного теплообменника, наружная поверхность внутреннего теплообменника снабжена тепловой изоляцией, кроме примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта наружной поверхности внутреннего теплообменника, измеритель температуры размещен внутри входного трубопровода, второй измеритель температуры размещен на не снабженной тепловой изоляцией наружной поверхности наружного теплообменника, третий измеритель температуры размещен внутри первого соединительного трубопровода, четвертый измеритель температуры размещен внутри третьего соединительного трубопровода, пятый измеритель температуры размещен на не снабженной тепловой изоляцией наружной поверхности внутреннего теплообменника, шестой измеритель температуры размещен внутри выходного трубопровода, выход второго измерителя температуры соединен с вторым входом электронного блока обработки, выход третьего измерителя температуры соединен с третьим входом электронного блока обработки, выход четвертого измерителя температуры соединен с четвертым входом электронного блока обработки, выход пятого измерителя температуры соединен с пятым входом электронного блока обработки, а выход шестого измерителя температуры соединен с шестым входом электронного блока обработки, кроме того, внутренний теплообменник содержит соединенные змеевик и пластину, либо внутренний теплообменник содержит N параллельно соединенных теплообменников, где N - натуральное число, причем 0<N<∞, либо что наружный теплообменник содержит соединенные змеевик и пластину, либо наружный теплообменник содержит N параллельно соединенных теплообменников, где N - натуральное число, причем 0<N<∞ (RU №52186, МПК G01N 25/18, 10.03.2006).

Недостатком данного решения является его сложность, невозможность использования в условиях эксплуатации зданий и сооружений. Это устройство не может учитывать индивидуальные особенности каждого теплового прибора и изменение его характеристик в процессе эксплуатации. В связи с этим значение теплового сопротивления для каждого отдельного прибора будет иметь большой разброс по отношению к измерениям, выполненным в лабораторных условиях для эталонного образца. Из практики эксплуатации тепловых приборов известно, что этот разброс достаточно высок.

Известно устройство для измерения теплового сопротивления отопительной системы отдельного помещения, содержащее m датчиков для измерения средней температуры воздуха помещения и n датчиков для измерения средней температуры внутреннего ограждения помещения, а также датчик температуры внешней среды и датчик температуры теплового источника, выходы которых связаны с входами микропроцессорного контроллера для сбора и передачи информации, шина связи которого подключена к входной шине устройства обработки данных (RU №115472, МПК G01K 17/00, 04.05.2011) (прототип). Всего в данном устройстве измеряются значения четырех температур.

В основе этого изобретения лежит способ динамического изменения теплового режима помещения во времени, когда температуры воздуха и внутренних ограждений помещения принудительно меняются во времени, например, путем охлаждения помещения. В данном способе измерения теплового сопротивления учитываются индивидуальные особенности отопительного прибора, но возникают недостатки: наличие избыточных измерений температур (четыре измерения вместо двух), что понижает точность вычисления теплового сопротивления; возникновение погрешности из-за низкого перепада величин температур воздуха и внутренних ограждений помещения; для измерения теплового сопротивления необходимо проводить сложный эксперимент, связанный с охлаждением помещения.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является измерение сопротивления теплоотдачи отопительного прибора с учетом индивидуальных особенностей отопительной системы отдельного помещения при повышении точности измерения.

Это достигается тем, что в отличие от известных технических решений, которые используют стационарный тепловой режим (3), тепловой режим помещения, в котором находится отопительный прибор, приводится в нестационарное во времени состояние путем включения или выключения отопительного прибора. При этом вместо стационарного уравнения (3) используется следующее уравнение:

$$\frac{C_{ист}\cdot d{T}_{ист}}{dt}=P_{вх.}-G_{ист}\cdot \left(T_{ист}-T_{в}\right),\left(4\right)$$

где С_ист - теплоемкость отопительного прибора [Дж/°С];

t - текущее время [сек].

В отличие от прототипа вместо четырех измерений температур измеряются поведения во времени средней температуры отопительного прибора и средней температуры воздуха в помещении, при этом нестационарное состояние обеспечивается прекращением процесса нагревания отопительного прибора (Р_вх=0). Измеренные значения температур Т_ист, Т_в и скорости изменения (градиента) температуры источника dT/dt подставляются в уравнение (4), из которого находится сопротивление теплоотдачи:

$$R_{ист}=\frac{1}{G_{ист}}=\frac{T_{ист.}-T_{в}}{C_{ист}\cdot \frac{d{T}_{ист}}{dt}}\left(5\right)$$

Сравнение предлагаемого изобретения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает совокупностью новых существенных признаков (учет индивидуальных особенностей отопительного прибора в условиях эксплуатации, простая процедура измерений, повышение точности измерений), которые совместно с известными признаками позволяют успешно достигнуть поставленной цели.

Осуществление изобретения

Описание процедуры измерений в процессе эксплуатации на объекте

В помещении на отопительные приборы устанавливаются цифровые датчики для измерения температур воздуха и отопительной системы. Показания приборов автоматически передаются в центр обработки с последующим статистическим усреднением и вычислением сопротивления теплоотдачи по формуле (5).

Предлагаемое техническое решение может быть использовано в системах мониторинга, контроля, учета и управления теплопотреблением как отдельного помещения, так и здания в целом.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения тепловых характеристик отопительных приборов. Согласно заявленному способу тепловой режим помещения, в котором находится отопительный прибор, приводится в нестационарное во времени состояние, измеряется поведение во времени средней температуры отопительного прибора, средней температуры воздуха в помещении, средней температуры внутренних ограждений и температуры внешней среды. Нестационарное состояние обеспечивается выключением отопительного прибора. Используется нестационарное уравнение теплового баланса для самого отопительного прибора. Технический результат - повышение точности измерений.

Способ измерения сопротивления теплоотдачи отопительного прибора, заключающийся в том, что тепловой режим помещения, в котором находится отопительный прибор, приводится в нестационарное во времени состояние, измеряется поведение во времени средней температуры отопительного прибора, средней температуры воздуха в помещении, средней температуры внутренних ограждений и температуры внешней среды, при этом измеренные значения температур подставляются в нестационарное уравнение теплового баланса помещения для воздуха помещения и внутренних ограждений, из которых находится это сопротивление теплоотдачи, отличающийся тем, что с целью упрощения процедуры измерений и вычислений и повышения точности измерений нестационарное состояние обеспечивается включением или выключением отопительного прибора и используется нестационарное уравнение теплового баланса для самого отопительного прибора, при этом сопротивление теплоотдачи в случае выключения отопительного прибора находится следующим образом:
$$R_{ист}=\frac{T_{ист.}-T_{в}}{C_{ист.}\cdot \frac{d{T}_{ист}}{dt}}$$ ,
где R_ист - сопротивление теплоотдачи отопительного прибора [°С/Вт];
$$T_{ист}=\frac{T_{вх}+T_{вых}}{2}$$ - средняя температура поверхности отопительного прибора [°С];
Т_в - средняя температура воздуха в помещении [°С];
С_ист - теплоемкость отопительного прибора [Дж/°С];
t - текущее время [сек].