Устройство для прямых измерений тепловой мощности и количества теплоты в независимых системах отопления Российский патент 2020 года по МПК G01K17/06 G01N25/20 

Описание патента на изобретение RU2726898C2

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области теплотехнических измерений, осуществляемых при учете тепловой энергии в системах теплоснабжения.

Уровень техники

Предлагаемое устройство относится к средствам измерений тепловой мощности (теплового потока) и тепловой энергии (количества теплоты), выделяемых нагретыми жидкими, газообразными и многофазными теплоносителями в независимых трубопроводных системах теплоснабжения. Традиционно значения этих величин получают с помощью теплосчетчиков, реализующих косвенные методы определения по результатам измерений расхода и температуры теплоносителя расходомерами и термометрами, встраиваемыми в трубопроводы систем отопления, по формуле

Q = G (T1 - T2) КХ (T, р), W = QΔτ, (1)

где Q - тепловая мощность (тепловой поток) [Вт];

G - массовый расход теплоносителя [кг/сек];

T1 и Т2 - значения его температуры на входе и выходе объекта теплопотребления [°С];

КХ (T, р) - коэффициент, учитывающий калорические свойства теплоносителя в зависимости от температуры и давления [Дж/кг⋅°С];

W - тепловая энергия (количество теплоты) [Дж];

Δτ - интервал времени измерений [сек].

Кроме измерений расхода и температуры для получения искомых значений тепловой мощности и количества теплоты привлекают справочные данные по удельной энтальпии или теплоемкости (коэффициент КХ (Т, р) используемого теплоносителя. Достоверность результатов измерений, полученных такими устройствами, зависит от соответствия справочных данных фактическим свойствам используемого теплоносителя.

Аналог устройства

Свободным от указанных недостатков является выбранный в качестве аналога теплосчётчик, реализующий прямой теплометрический метод, использующий для измерений тепловой мощности датчики теплового потока (Патент №2124188 Российская Федерация / Баталов С.С., Черепанов В.Я. // Бюллетень изобретений № 36. - 1998. - 2 с.). В устройстве-аналоге используют встраиваемый в трубопровод системы отопления специальный теплообменник, на боковых поверхностях которого устанавливают пластины с размещёнными на них накладными датчиками теплового потока (тепломерами) и радиаторами, охлаждаемыми внешней средой или термобатареями Пельтье. На входе и выходе теплообменника устанавливают дополнительный малогабаритный датчик теплового потока, который выполняет функцию высокочувствительного дифференциального датчика малых значений разности температуры между входом и выходом теплообменника.

Принцип действия такого устройства заключается в том, что нагретый теплоноситель, проходя по такому теплообменнику охлаждается, создавая на его поверхности тепловой поток. При этом температура теплоносителя понижается. В соответствии с (1) этот тепловой поток равен:

Q0 = GΔt КХ (T, р), (2)

где Q0 - тепловой поток на поверхности теплообменника [Вт];

G - массовый расход теплоносителя [кг/сек];

Δt - понижение температуры теплоносителя [°С];

КХ (T, р) - коэффициент, учитывающий свойства теплоносителя [Дж/кг⋅°С].

При этом датчики теплового потока выдают электрический сигнал

E=Q0/KF, (3)

где Е - электрический сигнал [мВ];

Q0 - тепловой поток на поверхности теплообменника [Вт];

К - коэффициент преобразования датчиков [Вт/ (м2⋅мВ)];

F - суммарная площадь теплоотдающей поверхности датчиков [м2].

Это позволяет определить, входящее в классическую формулу (1), фактическое значение произведения

G КХ (T, р) = Q0/Δt =KEF/Δt, (4)

С учётом этого, из (1) и (2) следует уравнение измерений тепловой мощности, выделяемой системой отопления объекту теплопотребления:

QХ = Q0 (T1 - T2) /Δt = KEF (T1 - T2) /Δt, (5)

В эту формулу не входят значения расхода теплоносителя, а также коэффициент, учитывающий его свойства в зависимости от температуры и давления. Это является главным достоинством предложенного устройства. Недостатком устройства-аналога является необходимость измерений малой разности температуры с высокой точностью, которая трудно достигается несмотря даже на высокую чувствительность используемого для этой цели специального датчика. Поэтому такое устройство может быть успешно реализовано только для измерений на трубопроводах малого диаметра, на которых можно получить достаточные для точных измерений значения перепада температуры на его входе и выходе.

Прототип устройства

Дальнейшее развитие идеи использования прямых измерений тепловой мощности и количества теплоты, с помощью измерительного теплообменника, содержится в устройстве для поверки теплосчетчиков, предлагаемом в качестве прототипа к заявляемому изобретению (Патент RU № 2152008 / Баталов С.С, Черепанов В.Я. Устройство для поверки теплосчетчиков // Бюллетень изобретений №18. - 2000. - 3 с.). Устройство содержит замкнутый контур трубопроводов с нагретым теплоносителем и участком испытаний поверяемых теплосчётчиков, а также дополнительный замкнутый контур трубопроводов с охлаждённым теплоносителем. Теплообмен между контурами осуществляет теплообменник, между рабочими поверхностями пластин которого, установлен датчик теплового потока, связанный с измерительно-вычислительным устройством.

Изобретение - прототип предлагает оригинальную схему (способ) поверки теплосчётчиков, основанную на использовании измерительного теплообменника. Однако устройство и конструкция измерительного теплообменника, как и входящих в его состав специальных датчиков теплового потока, в описании изобретения не рассмотрены. Это является существенным недостатком устройства-прототипа, не позволяющим реализовать его в качестве высокоточного измерителя тепловой мощности и энергии.

Описание изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства-теплосчётчика на основе измерительного теплообменника, свободного от недостатков аналога и прототипа и обеспечивающего прямые измерения тепловой мощности и энергии в независимых системах теплоснабжения без привлечения данных по расходу, температуре и свойствам теплоносителя.

Решение поставленной задачи достигается тем, что для измерений тепловой мощности и количества теплоты, выделяемых независимой системой отопления, устройство (фиг. 1) содержит разборный пластинчатый теплообменник с теплоизоляцией, установленный между контуром подачи тепла и контуром его потребления. Теплообменник состоит из набора чередующихся друг с другом камер 3 с “горячим” теплоносителем 5, поступающим в них из распределителя потока 4 из контура подачи тепла, и камер 10 с “холодным” теплоносителем 11, который через распределитель потока 12 поступает в контур потребления тепла. Камеры снабжены штуцерами для подачи и отвода теплоносителя и закрыты снаружи слоем теплоизоляции 9, а их полости разделены друг от друга датчиками теплового потока 1, которые контактируют с теплоносителем и отделены от каркаса камер эластичными уплотнителями 2. Герметичность теплообменника обеспечивает прижимное устройство 14, содержащее стойки 6, опоры 7 основание 8 и прижимные пластины 13. Каркас камеры (фиг. 2) теплообменника 15 имеет форму прямоугольной рамки с расположенными по её внутреннему периметру канавками для уплотнителя 16, обеспечивающего герметичность камер. Внутри каркас снабжён выступами 18, формирующими зигзагообразную траекторию потока теплоносителя 17 и одновременно являющимися упорами, предотвращающими прогиб поверхности датчиков теплового потока 1, обусловленный разностью давлений теплоносителя в соседних камерах.

Датчики выполнены в виде сэндвича (фиг. 3), состоящего из двух, скреплённых между собой винтами 20 и снабженных термоэлектрическими датчиками температуры (термопарами) 24, плоских металлических пластин 19 и 23, снабжённых канавками 22 для укладки термоэлектродов термопар, и разделенных тепловым сопротивлением 21 в виде прокладки из материала с низкой теплопроводностью.

Предложенная конструкция датчиков теплового потока с одной стороны, обеспечивает эффективную тепловую связь между камерами теплообменника, а с другой стороны - формирует достаточный для уверенных измерений электрический сигнал, пропорциональный плотности теплового потока. Конструкция датчиков позволяет гарантировать их взаимозаменяемость и идентичность метрологических характеристик. Соотношение сигнала датчиков с плотностью теплового потока предварительно устанавливают и периодически подтверждают с помощью эталонных теплометрических установок, прослеживаемых к первичному эталону поверхностной плотности теплового потока, путем нахождения коэффициента преобразования датчиков:

К = q/Е, (6)

где q - плотность теплового потока [Вт/м2];

Е - сигнал датчиков теплового потока [мВ].

Количество теплоты, проходящих через датчики теплообменника в контур теплопотребления, определяют по формуле

W=KF τ 1 τ 2 Edτ, (7)

где W - тепловая энергия (количество теплоты) [Дж];

F - суммарная площадь теплоотдающей поверхности датчиков [м2];

1, τ2] - интервал времени измерений количества теплоты [сек];

Е - сигнал датчиков в этом интервале времени [мВ].

Достигаемый технический результат

Предлагаемое устройство для прямых измерений количества теплоты в системах теплоснабжения на основе измерительных теплообменников позволяет повысить точность учета тепла в независимых системах теплоснабжения без привлечения данных по расходу, температуре и свойствам теплоносителя. Это способствует дальнейшему совершенствованию обеспечения единства измерений тепловой мощности и количества теплоты в системах теплоснабжения. Устройство может быть также широко использовано для коммерческого учета тепла в системах теплоснабжения зданий и сооружений с любыми типами теплоносителей, в том числе, используемых на объектах атомной энергетики.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Устройство с теплообменником: 1 - датчики теплового потока, 2 - эластичные уплотнители, 3 - камеры для «горячего» теплоносителя, 4 - распределитель «горячего» потока, 5 - «горячий» теплоноситель, 6 - стойки, 7 - опоры, 8 - основание, 9 - теплоизоляция, 10 - камеры для «холодного» теплоносителя, 11 - «холодный» теплоноситель, 12 - распределитель «холодного» потока, 13 - прижимная пластина, 14 - прижимное устройство.

Фиг. 2. Каркас камеры теплообменника: а) 1 - датчики теплового потока (верхний, нижний), 15 - каркас камеры с выступом, 16 - уплотнитель, 17 - теплоноситель; б) вид сверху без верхнего датчика теплового потока, 18 - выступы для формирования траектории теплоносителя.

Фиг. 3. Датчик теплового потока: 19 - верхняя контактная пластина, 20 - крепёж, 21 - тепловое сопротивление, 22 - канавки, 23 - нижняя контактная пластина, 24 - термопары.

Похожие патенты RU2726898C2

название год авторы номер документа
Теплосчетчик на основе накладных датчиков 2016
  • Зонова Анна Дмитриевна
  • Черепанов Виктор Яковлевич
RU2631007C1
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ С АВТОМАТИЧЕСКИМ ЗАДАТЧИКОМ 2007
  • Масов Максим Николаевич
RU2348061C1
Система центрального отопления и горячего водоснабжения, управления режимом работы и контроля расхода тепла 2020
  • Гимпельсон Владимир Григорьевич
RU2761689C2
ТЕПЛОСЧЕТЧИК И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ВОДЯНЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ 2006
  • Теплышев Вячеслав Юрьевич
  • Бурдунин Михаил Николаевич
  • Варгин Александр Александрович
RU2300088C1
СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ТЕПЛА В ТЕПЛОВОЙ СЕТИ ПРИ ДВУХКОНТУРНОЙ СИСТЕМЕ ОТОПЛЕНИЯ 2006
  • Кричке Владимир Оскарович
  • Карцев Владимир Викторович
  • Бермышев Александр Анатольевич
  • Кричке Виктор Владимирович
  • Громан Александр Оттович
RU2325591C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛИ ПОТРЕБЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОТДЕЛЬНЫМ ПОТРЕБИТЕЛЕМ ПРИ ОТОПЛЕНИИ МНОГОКВАРТИРНОГО ДОМА С ДВУХТРУБНОЙ СИСТЕМОЙ ОТОПЛЕНИЯ И СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2009
  • Сурнов Сергей Иванович
  • Сурнов Григорий Сергеевич
  • Бычковский Игорь Анатольевич
RU2403541C1
СИСТЕМА СНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЯ ТЕПЛОМ И ХОЛОДНОЙ ВОДОЙ (СИСТЕМА 3 Т) 2005
  • Аничхин Александр Глебович
RU2287743C1
СПОСОБ ЛОКАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ И УЧЕТА ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ 1995
  • Аксенов Андрей Константинович
  • Аксенов Константин Федорович
RU2105958C1
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ОТОПИТЕЛЬНОЙ КОТЕЛЬНОЙ С ВОДОГРЕЙНЫМИ КОТЛАМИ 2007
  • Кричке Владимир Оскарович
  • Галицков Станислав Яковлевич
  • Волков Юрий Вениаминович
  • Кияченко Иван Семенович
  • Серветник Павел Шепович
  • Ермаков Владислав Николаевич
  • Кричке Виктор Владимирович
  • Громан Александр Оттович
  • Попов Игорь Андреевич
  • Введенский Владимир Юрьевич
RU2340835C2
ОТОПИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА 2010
  • Кристьянссон Хальдор
RU2507453C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 726 898 C2

Реферат патента 2020 года Устройство для прямых измерений тепловой мощности и количества теплоты в независимых системах отопления

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерений тепловой мощности и количества теплоты, выделяемых жидкими, газообразными и многофазными теплоносителями в системах отопления. Предложено устройство, обеспечивающее прямые измерения тепловой мощности и энергии в независимых системах теплоснабжения без привлечения данных по расходу, температуре и свойствам теплоносителя. Для решения этой задачи устройство содержит разборный пластинчатый теплообменник с теплоизоляцией, состоящий из чередующихся и находящихся в тепловом контакте друг с другом теплообменных камер, подключенных соответственно в контур подачи тепла и в контур его потребления с помощью распределителей потоков. Теплообменные камеры отделены друг от друга датчиками теплового потока, подключенными к измерителю сигналов. Технический результат - повышение точности учета тепла в независимых системах теплоснабжения без привлечения данных по расходу, температуре и свойствам теплоносителя, что способствует дальнейшему совершенствованию обеспечения единства измерений тепловой мощности и количества теплоты в системах теплоснабжения. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 726 898 C2

Устройство для измерений тепловой мощности и количества теплоты, выделяемых жидкими, газообразными и многофазными теплоносителями в системах отопления, содержащее разборный пластинчатый теплообменник с теплоизоляцией, состоящий из чередующихся и находящихся в тепловом контакте друг с другом теплообменных камер, установленных соответственно в контур подачи тепла и в контур его потребления, герметичность которых обеспечивает прижимное устройство, содержащее стойки, опоры, основание и прижимные пластины, отличающееся тем, что подключенные с помощью штуцеров к распределителям потоков теплоносителя теплообменные камеры представляют собой металлические каркасы, выполненные в форме прямоугольных рамок с внутренними выступами, формирующими зигзагообразную траекторию потока теплоносителя и одновременно являющимися упорами, предотвращающими обусловленный разностью давлений теплоносителя в соседних камерах прогиб съемных датчиков теплового потока, которые с помощью эластичных уплотнителей герметично отделяют теплообменные камеры друг от друга и выполнены в виде сэндвича, состоящего из двух скрепленных между собой винтами плоских металлических пластин с высокой теплопроводностью, разделенных слоем материала с высоким тепловым сопротивлением и снабженных термоэлектрическими датчиками температуры, размещенными в канавках и подключенными к измерителю их сигналов.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2020 года RU2726898C2

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЕРКИ ТЕПЛОСЧЕТЧИКОВ 1997
  • Баталов С.С.
  • Черепанов В.Я.
RU2152008C1
ТЕПЛОСЧЕТЧИК-РАСХОДОМЕР 1996
  • Баталов С.С.
  • Черепанов В.Я.
RU2124188C1
Датчик теплового потока 1979
  • Максимов Евгений Александрович
  • Страдомский Михаил Валерьянович
SU830156A1
Калориметр 1985
  • Страдомский Михаил Валерьянович
  • Максимов Евгений Александрович
  • Маляров Виталий Семенович
SU1281928A1
US 4538925 A 03.09.1985
US 4595297 A1 17.06.1986.

RU 2 726 898 C2

Авторы

Бадашов Евгений Яковлевич

Черепанов Виктор Яковлевич

Шейнин Эрих Моисеевич

Даты

2020-07-16Публикация

2018-08-16Подача