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

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) К_Х (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];

К_Х (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 К_Х (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 К_Х (T, р), (2)

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

G - массовый расход теплоносителя [кг/сек];

Δt - понижение температуры теплоносителя [°С];

К_Х (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 К_Х (T, р) = Q₀/Δt =KEF/Δt, (4)

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

Q_Х = 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

$$W=K\cdot F{\displaystyle \underset{{\tau }_1}{\overset{{\tau }_2}{\int }}Ed\tau ,}$$ (7)

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

F - суммарная площадь теплоотдающей поверхности датчиков [м²];

[τ₁, 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.

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.

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.