автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Разработка и исследование теплометрических методов и средств неразрушающих измерений параметров теплоносителя в системах теплоснабжения

На правах рукописи

Зонова Анна Дмитриевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩИХ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

05.11.15 - «Метрология и метрологическое обеспечение»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

\1 СЕН 2013

Новосибирск - 2013

005532912

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»).

Научный руководитель - доктор технических наук

Черепанов Виктор Яковлевич.

Официальные оппоненты: Серов Анатолий Фёдорович,

доктор технических наук, ФНБУ «Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН», главный научный сотрудник лаборатории автоматизированных систем научных исследований;

Могильницкий Бронислав Сергеевич, кандидат физико-математических наук, ФГАОУ ДПО «Академия стандартизации, метрологии и сертификации» (Новосибирский филиал), заведующий кафедрой теплотехнических и физико-технических измерений

Ведущая организация — Федеральное государственное унитарное пред-

приятие «Сибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт метрологии» (ФГУП «СНИИМ»), г. Новосибирск.

Защита состоится 30 сентября 2013 г. в 12-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.01 при ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ауд. 402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СГГА».

Автореферат разослан 29 августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Чесноков Д.В.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 26.08.2013. Формат 60 х 84 1/16. Печ. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ В.Й . Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10. Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 8.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Энергетические проблемы России с суровым климатом и длительным отопительным сезоном на большей части её территории приводят к объективной необходимости всё более рационального использования энергоресурсов путём внедрения энергоэффективных технологий, а также учёта фактически потребляемых тепловой энергии, холодной и горячей воды, газа и электроэнергии. Жилищно-коммунальное хозяйство является крупнейшим потребителем топливно-энергетических ресурсов (свыше 30 % выработки тепловой энергии в России). В основном в крупных городах оно ориентировано на центральное теплоснабжение с использованием систем водяного теплоснабжения. В последние два десятилетия существенно расширился круг отечественных и зарубежных производителей приборов и систем учёта тепла (теплосчётчиков), а также увеличились номенклатура и количество этой продукции. Существующие методы и средства учёта основаны на измерениях тепловой мощности и количества теплоты, выделяемых теплоносителем в системе отопления. При этом для получения значений исходных измеряемых параметров теплоносителя (расхода, температуры и давления) предусматривается использование встраиваемых в трубопроводы систем отопления первичных измерительных преобразователей, входящих в состав современных теплосчётчиков. Поэтому для определения тепловой мощности отдельного отопительного прибора при поквартирном учёте тепла или для оперативной диагностики его исправности такие теплосчётчики непригодны из-за высокой стоимости, сложности и громоздкости, а также необходимости их периодического демонтажа для технического обслуживания и поверки. Предназначенный для этих целей неразрушающий метод с накладными ультразвуковыми датчиками расхода имеет целый ряд существенных недостатков. В частности, при его реализации необходимо знать свойства материала, из которого изготовлен трубопровод, а также иметь гарантии отсутствия коррозии и накипи на его внутренней поверхности.

Степень разработанности темы. Все методы измерений тепловой мощности, основанные на использовании датчиков расхода, имеют один общий недостаток — достоверность получаемых ими результатов измерений зависит от надёжности данных по зависимостям энтальпии и плотности (для датчиков объёмного расхода) используемого теплоносителя от его температуры и давления. Эти зависимости достаточно хорошо изучены для чистой дистиллированной воды и используются в качестве основы для определения тепловой мощности в системах водяного теплоснабжения. В случае отклонения свойств реального теплоносителя от указанных зависимостей полученные результаты измерений тепловой мощности и энергии не будут соответствовать их фактическим значениям.

В связи с этим является актуальной задача разработки неразрушающего метода и реализующих его средств, позволяющих оперативно проводить измерения фактических значений выделяемой теплоносителем тепловой мощности и других его параметров без нарушения целостности отопительной системы.

Цель научного исследования — создание новых теплометрических методов и средств, обеспечивающих повышение качества теплоснабжения на основе не-разрушающих средств измерений и контроля параметров теплоносителя в приборах и системах отопления.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

— на основе анализа существующих методов и средств учёта тепла, выделяемого системами теплоснабжения, предложить и разработать неразрушаю-щий метод измерений параметров теплоносителя;

- для реализации метода разработать и изготовить экспериментальный образец измерителя параметров теплоносителя на основе накладных датчиков специальной конструкции;

- провести теоретические и экспериментальные исследования предложенного метода;

— разработать калибровочные установки и исследовать на них метрологические характеристики измерителя параметров теплоносителя.

Объектом исследования являются неразрушающие теплометрические методы и средства измерений параметров теплоносителя в системах теплоснабжения.

Предметом исследования являются теплоизмерительные системы и приборы, основанные на температурных и тепловых измерениях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложен, разработан и исследован новый теплометрический метод не-разрушающих измерений параметров теплоносителя, позволяющий определять выделяемую им в системах теплоснабжения тепловую мощность без привлечения данных по его энтальпии и плотности;

- предложено, разработано и исследовано новое устройство для неразру-шающего оперативного контроля параметров теплоносителя на основе накладных датчиков температуры и теплового потока;

- предложен, разработан и исследован новый метод определения метрологических характеристик гибких цилиндрических датчиков теплового потока.

Теоретическая значимость исследования:

- созданный метод позволяет определять тепловую мощность в системах теплоснабжения без привлечения сведений по термодинамическим свойствам теплоносителя, при этом используются измерения только двух физических величин: плотности теплового потока и температуры.

Практическая значимость исследования: • - разработанный неразрушающий метод является основой для создания новых портативных и недорогих теплосчётчиков, позволяющих осуществлять оперативную диагностику исправности приборов и систем отопления и определять основные параметры теплоносителя без нарушения целостности системы теплоснабжения;

- разработанные метод и устройство для определения метрологических характеристик гибких цилиндрических датчиков теплового потока позволяют осуществлять их поверку и калибровку при выпуске из производства и при эксплуатации.

Методы исследований. В работе использовались методы теории теплообмена и теплопроводности, методы калориметрии, теплофизического и теплотехнического эксперимента, теоретической и прикладной метрологии.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- неразрушающий теплометрический метод и реализующее его устройство позволяют определять основные параметры теплоносителя (массовый расход, температуру, фактическую тепловую мощность, количество теплоты) без нарушения целостности системы теплоснабжения;

- устройство, реализующее метод, отличается практически максимально возможной простотой конструкции и компактностью и позволяет оперативно получать данные по основным параметрам теплоносителя в приборах и системах отопления;

- результаты экспериментальных исследований неразрушающего тепло-метрического метода подтверждают его пригодность для диагностики исправности и эффективности отопительных приборов, используемых в системах теплоснабжения.

Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.11.15 — «Метрология и метрологическое обеспечение» по следующим пунктам области исследований: 1 - создание новых научных, технических и нормативно-методических решений, обеспечивающих повышение качества продукции; 4 -совершенствование системы обеспечения единства измерений в стране. '

Степень достоверности и апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конгрессах, конференциях и семинарах: VI, VII, VIII, IX Международных конгрессах «ГЕО-СИБИРЬ» (г. Новосибирск, СГГА, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.); VIII учебно-методическом семинаре-совещании «Эталонные и рабочие средства измерения в области теплофизики. Энергоаудит» (г. Омск, ОАО НПП «Эталон», 2010 г.); заседании технического комитета по метрологии «Температурные, те-

плофизические и дилатометрические измерения» при Управлении метрологии Госстандарта и комиссии при научном Совете РАН по комплексной проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика» (г. Обнинск, 2010 г.); Международном молодежном инновационном форуме «ИНТЕРРА-2011» (г. Новосибирск, СГГА, ФГУП «СНИИМ»); II Всероссийской научно-практической конференции «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты» (г. Махачкала, ДГТУ, 2010 г.); IV Всероссийской конференции по проблемам термометрии «ТЕМПЕРАТУРА-2011» (г. Санкт-Петербург, ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», 2011 г.); XIII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ РКТС-13 (г. Новосибирск, ИТФ СО РАН, 2011 г.); Научно-практическом информационно-консультационном семинаре «Поквартирный приборный учёт тепловой энергии. Цели, задачи, решения» (г. Санкт-Петербург, Конференц-центр, 2012 г.); Международной молодёжной научной конференции «Будущее науки-2013» (г.Курск, ЮЗГУ,2013 г.).

Основные результаты работы внедрены в производственный процесс ОАО «Научно-производственного предприятия «Эталон» (г. Омск) - при подготовке производства теплометрических установок для поверки датчиков теплового потока, ФГУП «Сибирский государственный НИИ метрологии» (г. Новосибирск) — для выполнения метрологических и научно-исследовательских работ в области теплометрии, а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» (г. Новосибирск) и ФГАОУ ДПО «Академия стандартизации, метрологии и сертификации (учебная)» (Новосибирский филиал) — по дисциплинам «Метрологическое обеспечение теплотехнических измерений» и «Приборное и метрологическое обеспечение учета тепла».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 2 статьи опубликованы в изданиях, определенных перечнем российских рецензируемых научных журналов и изданий.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 122 страницы основного текста, состоит из введения, четырех разделов, заключения, 15 таблиц, 22 рисунков, списка литературы, включающего 51 наименование.

Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 002-2013.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении раскрыта актуальность работы, сформулированы цель и задачи, методы исследований, новизна, теоретическая и практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе приведен обзор и анализ современных методов и средств измерений параметров теплоносителя - расхода, температуры, тепловой мощности и энергии и их метрологического обеспечения, а также рассмотрены их достоинства и недостатки.

В настоящее время существует несколько методов измерения тепловой мощности в водяных системах отопления. Главным образом, используют метод, для которого необходимо нарушать целостность отопительной системы с целью установки в неё датчиков температуры и расхода. В качестве таких приборов и систем используют теплосчётчики, традиционно основанные на эн-тальпийном методе, при котором тепловую энергию Е, выделяемую теплоносителем, определяют по формуле

где т, И, ср(Т) - масса, удельные энтальпия и теплоёмкость теплоносителя, охлаждаемого от температуры Т2 до Тх при давлении р; КБ - коэффициент, учитывающий калорические свойства теплоносителя и зависящий от его давления р и

Г Т2 Г,

Е = т(И2-Их)=т \ср(Т)<ГГ- \срс1Т = 0 0

0

Т2

= т \ср(т}1Т = тК8(Т2-Т1),

П

0)

температуры Т. Его значения хорошо известны только для чистой дистиллированной воды. Несмотря на это их используют и для реальной воды, которая является теплоносителем в различных системах водяного теплоснабжения.

С учётом этого формула для определения тепловой мощности Р как количества теплоты (тепловой энергии), выделяемой теплоносителем в единицу времени, имеет вид

Р = «К/А = К5 (Т2 - Ц )ат/ах = К5 ОмАТ, (2)

где См - производная массы т теплоносителя по времени т (его массовый расход); АТ — изменение температуры теплоносителя при охлаждении от температуры Т2 до Т].

Из формулы (2) следует, что основой энтальпийного метода косвенных измерений тепловой мощности Р, а, следовательно, и количества теплоты Е, выделяемых системами теплоснабжения, являются результаты измерений массового расхода См теплоносителя и разности значений ДГ его температуры на входе и выходе отопительной системы. Кроме этого, при реализации метода необходимо располагать данными по значениям коэффициента (Г, р) для используемого теплоносителя, а, следовательно, иметь результаты измерений его температуры Т и давления р.

Необходимо отметить, что значительная часть расходомеров в составе теплосчётчиков измеряет объёмный расход, который связан с массовым расходом соотношением

См =<1т/с1х = р(1У1ат = (>8у = рСу, (3)

где р, V - плотность и объём теплоносителя; 5 - площадь сечения потока; V — скорость течения; Су— объёмный расход.

Таким образом, традиционный энтальпийный метод основан на использовании справочных данных по зависимостям энтальпии или теплоёмкости используемого теплоносителя от его температуры и давления в отопительной системе. Для расходомеров, измеряющих объёмный расход, необходимо также контролировать изменение площади поперечного сечения их рабочего участка

и привлекать справочные данные по плотности теплоносителя и её температурной зависимости. Это является серьёзным недостатком энтальпийного метода. Кроме этого, для определения тепловой мощности отдельного отопительного прибора такой метод непригоден из-за необходимости встраивать используемые при его реализации датчики расхода, температуры и давления в отопительную систему, а также из-за их высокой стоимости и громоздкости.

Теплометрический метод (Пат. 2124188 Российская Федерация МПК651 в01К 17/10, С01Р 1/68; Теплосчётчик-расходомер / С. С. Баталов, В. Я. Черепанов. - 96118544/28; заявл. 18.09.1996; опубл. 27.12.1998, Бюл. №36. - 4 с.) основан на измерениях теплового потока О, на поверхности специального теплообменника, также встроенного в трубопровод отопительной системы. При измерениях плотности ц теплового потока используют датчики теплового потока — тепломеры.

Массовый расход теплоносителя рассчитывают по соотношению

См=в/К3А{. (4)

где Дг - перепад температуры.

Эта формула положена в основу принципа действия теплометрических расходомеров. Их достоинством является возможность измерений массового расхода без необходимости учёта изменений площади поперечного сечения расходомерного участка, а недостатком - необходимость знания коэффициента используемого теплоносителя.

Полную мощность, выделяемую системой отопления, определяют по формуле

Р = 2Д77Дг, (5)

где ДТ— разность значений температуры на входе и выходе системы.

Соотношение (5) положено в основу теплометрического метода измерений тепловой мощности в системах теплоснабжения и принципа действия тепло-метрических теплосчётчиков. Главной особенностью и достоинством этого метода, как следует из формулы (5), является независимость результатов измерений тепловой мощности от точности измерений расхода, а также от наличия

данных по калорическим свойствам теплоносителя и их зависимости от температуры и давления.

Однако необходимо отметить, что реализация теплометрического метода в виде такого теплосчётчика-расходомера предусматривает изготовление специального устройства, содержащего теплообменник с датчиками и радиаторами. Устройство необходимо встраивать в трубопровод отопительной системы (при этом нарушается её целостность и непрерывность работы) и периодически проводить демонтаж для подтверждения его метрологических характеристик. Очевидно, что такое устройство может быть использовано только для стационарной установки и непригодно, в частности, для поквартирного учёта тепла или диагностики исправности отопительных приборов.

Для этих целей предложен теплосчётчик (Пат. иА59567 Украина 7(51) С01К 17/00; Тепломер с накладными сенсорами / В. В. Костильов [и др.]. -2002086526; заявл. 15.09.2000; опубл. 15.09.2003, Бюл. №9.-6 е.), предназначенный для неразрушающих измерений количеств теплоты и теплоносителя эн-тальпийным методом. Он состоит из накладных ультразвуковых расходомеров, накладных датчиков температуры и вычислителя. Прибор традиционно основан на измерениях объёмного расхода теплоносителя и на достоверности данных по температурным зависимостям его удельной энтальпии и плотности. Поэтому перед началом измерений в память вычислителя вводят данные по этим зависимостям.

К недостаткам такого теплосчётчика, использующего ультразвуковой расходомер с накладными датчиками, следует отнести необходимость иметь сведения о свойствах материала трубопроводов и покрытий на их внешней поверхности. Кроме этого, должна отсутствовать накипь на внутренней поверхности трубопроводов, что практически нельзя установить без нарушения их целостности. При несоблюдении указанных требований невозможно оценить показатели точности получаемых значений расхода, а, следовательно, и тепловой мощности, выделяемой теплоносителем в системах и приборах отопления.

Поэтому актуальной является задача разработки нового неразрушающего теплометрического метода, основанного на использовании только накладных датчиков разности температуры (ДРТ) и датчиков теплового потока (ДТП), что позволяет оперативно проводить измерения фактических значений выделяемой теплоносителем тепловой мощности и других его параметров без нарушения целостности отопительной системы.

Второй раздел посвящен теоретическому обоснованию и разработке неразрушающего теплометрического метода измерений параметров теплоносителя в системах теплоснабжения.

Сущность метода состоит в следующем (рисунок 1). На поверхности участка трубопровода, соединяющего систему теплоснабжения с отопительным прибором 4, размещают накладные датчики разности температуры 1 и датчик теплового потока 2. Этот участок трубопровода выполняет функцию расходо-мерного. Расстояние между датчиками температуры выбирают достаточным, чтобы зафиксировать малый перепад А! температуры на расходомерном участке, обусловленный выделением тепла с его поверхности, которое характеризуется плотностью д теплового потока, измеряемой датчиком 2. Кроме этого, устройство содержит накладные датчики разности температуры 3, измеряющие разность ДТ её значений на входе и выходе системы или прибора отопления. Сигналы всех датчиков поступают на измерительный прибор 5.

1 — накладные ДРТ на расходомерном участке трубы;

2 - накладной дифференциальный ДТП;

3 - накладные ДРТ на входе и выходе отопительного прибора;

4 - отопительный прибор;

5 - измерительный прибор

Рисунок 1 - Схема устройства для реализации неразрушающего теплометрического метода

Измеряя электрический сигнал ДТП, рассчитывают плотность теплового потока по формуле

Ч=КЕ, (6)

где К - коэффициент преобразования ДТП, определяемый экспериментальным путём; Е - электрический сигнал датчика.

Нагретый теплоноситель, проходя по подающему трубопроводу, отдаёт часть тепловой энергии. При этом на его поверхности создаётся тепловой поток плотностью <7, а температура теплоносителя понижается на некоторое значение Д/. В этом случае массовый расход теплоносителя См будет равен

= Я Е/Кз Д*, (7)

где Г - площадь поверхности расходомерного участка.

Тепловую мощность, выделяемую теплоносителем в замкнутой системе отопления или в отопительном приборе, определяют по формуле

Р = дЕАТ/Ы. (8)

Как видно из соотношения (8), в расчётную формулу тепловой мощности не входит коэффициент учитывающий калорические свойства теплоносителя, что является важным достоинством устройства по сравнению с известными устройствами, в которых используют стандартные справочные данные по этому коэффициенту, соответствующие чистой дистиллированной воде, которые в действительности индивидуальны для каждого конкретного теплоносителя. Поэтому данный метод пригоден для любых теплоносителей и не требует знания их свойств.

Таким образом, эффективность работы, например, отопительного прибора можно определять путём измерений теплового потока и разности температуры на расходомерном участке, а также на входе и выходе отопительного прибора с помощью накладных датчиков.

Полученные уравнения измерений (7) и (8) позволяют рассчитать тепловую мощность и расход теплоносителя для реально действующих в конкретном помещении приборов и систем отопления. Для примера на рисунке 2 приведена

схема расположения датчиков при определении мощности, выделяемой отдельными элементами системы теплоснабжения помещения в целях диагностики её исправности.

1 - отопительный прибор;

2,4 - трубопроводы;

3 - датчик теплового потока;

5 - байпас-перемычка; А-Н - места установки датчиков температуры

Рисунок 2 - Схема расположения датчиков при диагностике отопительных приборов и систем

Тепловую мощность Pcd, выделяемую теплоносителем на участке CD, рассчитывают по формуле

PcD=KSGMAtCD. (9)

где Aícd - изменение температуры на участке CD.

Измерения перепада температуры Д TAf на отопительном приборе в точках А и F позволяют определить его мощность Paf по формуле

PAF=qFATAF/AtCD. (10)

Значения разности температуры ATaf зависят от мощности отопительного прибора и составляют обычно более 1 °С. Поэтому их измерения имеют меньшую погрешность по сравнению с погрешностью измерений Дico-

Измерения перепада температуры Д ТВа в точках В и G позволяют определить мощность, выделяемую теплоносителем в системе «отопительный прибор - байпас». Через такую систему теплоноситель частично или полностью (в случае перекрытия или сильного загрязнения отопительного прибора) протекает по перемычке. При этом ДTbg может изменяться от максимального значения, соответствующего теплоотдаче с полной поверхности исправной батареи и поверхности перемычки, до минимального значения, соответствующего теплоотдаче

ЛВС 3 D Е

1 1 1 If "■ " .........'"" ! M- f

1 1 t t t F G H

только с поверхности перемычки. Эти значения будут соответствовать выделяемой в такой системе тепловой мощности, рассчитанной по формуле

Рво=дГАТво/А(со. (11)

Измерения разности температуры Д Тен в точках £ и Я позволяют определить мощность Рен> выделяемую теплоносителем во всей системе отопления, представленной на рисунке 2 (отопительный прибор - байпас — трубопроводы):

РЕн=ЯРАТЕН1Агсо. (12)

Таким образом, главным преимуществом рассмотренного неразрушающего метода, как и теплометрического метода с встраиваемым в трубопровод измерительным теплообменником, является отсутствие необходимости привлекать данные по энтальпии (теплоёмкости) теплоносителя, так как они не используются при расчёте мощности. Поэтому данный метод пригоден для измерений тепловой мощности в системах теплоснабжения с любым теплоносителем. Отличительной особенностью неразрушающего метода является простота и мобильность устройств, реализующих его, которые при минимальной комплектации могут содержать всего лишь два датчика: теплового потока и разности температуры, а также измеритель их сигналов.

Третий раздел посвящен разработке и изготовлению нового типа измерителей параметров теплоносителя.

Важным преимуществом предложенного и разработанного устройства для неразрушающего контроля параметров теплоносителя является возможность его применения в качестве компактного переносного прибора, как при аудите систем теплоснабжения, так и при диагностике состояния отдельных отопительных приборов.

Устройство представляет собой систему накладных дифференциальных термоэлектрических датчиков температуры и теплового потока и измерительного прибора, регистрирующего их сигналы. В качестве ДТП использовались специально разработанные и изготовленные термоэлектрические датчики типа «вспомогательной стенки». Они представляют собой гибкую пластинку (рису-

нок 3), на поверхностях которой размещены спаи дифференциальных термопреобразователей 2.

1 - слой материала с постоянным термическим сопротивлением;

2 - многоспайный дифференциальный термоэлектрический термопреобразователь

Рисунок 3 - Устройство чувствительного элемента контактного преобразователя теплового потока

В качестве материала с постоянным термическим сопротивлением использовалась резиновая пластинка прямоугольной формы с коэффициентом теплопроводности А. = 0,5 Вт/(м-°С), размеры которой составляют (90 х 50 х 1) мм. Ширина пластинки соответствует внешнему диаметру трубопровода отопительной системы помещения. На слой резинового материала симметрично прикрепляют 5 пар спаев дифференциальных медь-константановых термопреобразователей. Контакты спаев заклеивают тонкой изоляционной лентой, чтобы избежать возможного электрического контакта датчика с металлической поверхностью трубопровода.

Для калибровки используемых датчиков теплового потока в диапазоне от 50 до 500 Вт/м2 разработана специальная теплометрическая установка (рисунок 4). Установка представляет собой полый металлический цилиндр такого же диаметра, как и трубопровод исследуемой отопительной системы.

В полость цилиндра 1 в качестве источника теплового потока помещен электронагреватель 3. Внутренняя часть цилиндра заполнена окисью алюминия, которая позволяет обеспечить тепловой контакт нагревателя с датчиком.

С обоих торцов цилиндр закрыт теплоизоляционным материалом 5, через который выведены токоподводы нагревателя 3, соединённые со стабилизированным источником регулируемого постоянного напряжения. Для учёта утечек

тепла через торцевую теплоизоляцию на её внутренней поверхности устанавливают контрольные датчики 4 теплового потока. На внешнюю поверхность цилиндра накладывают поверяемый датчик теплового потока 2, который подсоединяют к милливольтметру, измеряющему его сигнал Е. Напряжение на нагревателе ин и напряжение и0 на мере электрического сопротивления Ко определяют с помощью мультиметра, подсоединяемого к потенциальным выводам нагревателя и меры сопротивления.

1 - цилиндр;

2 - поверяемый датчик теплового потока;

3 - электронагреватель;

4 - контрольные датчики теплового потока кольцевой формы;

5 - теплоизоляционный материал

-I +

Рисунок 4 - Принципиальная схема установки для определения коэффициента преобразования гибких цилиндрических датчиков теплового потока

Полагая, что вся мощность нагревателя с учётом незначительных тепловых утечек, определяемых торцевыми датчиками, преобразуется в тепловой поток, а калибруемый датчик полностью закрывает собой контактную поверхность цилиндра, рассчитывают его коэффициент преобразования К по следующему соотношению:

к = -

(13)

лс1 И Я^ Е

где с/ и к - диаметр и высота цилиндра.

Таким образом, разработанная калибровочная установка позволяет определять действительные значения основной метрологической характеристики

датчиков — их коэффициента преобразования в условиях, близких к условиям их эксплуатации.

Датчики разности температуры изготавливают из 7 пар спаев дифференциальных медь-константановых термопар, которые припаивают на подложку из фольгированного стеклотекстолита размером (90x15x0,2) мм. Таких датчиков в измерительном устройстве два: один прикрепляют на поверхность расходомер-ного участка, а другой - на трубопроводы вблизи входа и выхода отопительного прибора. Спаи датчиков заклеивают тонкой изоляционной лентой, чтобы избежать электрического контакта с поверхностью трубопровода.

Затем датчики изолируют от влияния окружающей среды теплоизоляционным материалом и подключают к многоканальному измерителю В7-99, с помощью которого измеряют их ТЭДС. Измеритель позволяет выводить измеренные значения как на дисплей прибора, так и, при необходимости, на монитор компьютера. Значения разности температуры А/ и длины Ь расходомерного участка выбирают исходя из возможностей измерителя сигналов и чувствительности 5 датчиков температуры.

Значения разности температуры, измеряемые такими датчиками, рассчитывают по формулам

А/ = Ае/щ 5,, (14)

АТ=АЕ/п232, (15)

где Де и ДЕ - ТЭДС датчиков, расположенных на расходомерном участке и отопительном приборе, соответственно; щ,п2 - общее число пар спаев в датчиках температуры; 5\,Б2 - чувствительность одиночных термопар, используемых в этих датчиках.

Подставляя выражения (6), (14) и (15) в формулу (5) при условии, что щ = п2, 51=52, получают искомое значение тепловой мощности, выделяемой теплоносителем на поверхности отопительного прибора:

Р = К Епс! ЬАЕ/Ае, (16)

где с1- диаметр трубопровода.

Массовый расход теплоносителя определяют по формуле

=КЕпс1Ь/К5А1. (17)

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований и анализ погрешностей предложенного неразрушающего теплометриче-ского метода.

Исследования неразрушающего теплометрического метода проводились на специально разработанной малогабаритной расходометрической установке. Её схема приведена на рисунке 5.

1 - блок управления расходом; 2 - электронасос; 3 - регулятор температуры теплоносителя; 4 - электронагреватель; 5 - контрольный датчик температуры; 6 - эталонные термопреобразователи; 7 - измеритель температуры; 8 - накладные датчики разности температуры; 9 - накладные датчики теплового потока; 10 - отопительный прибор; 11 - переключатель; 12 - милливольтметр; 13 - манометр; 14 - эталонный расходомер; 15 - вентиль

Рисунок 5 - Принципиальная схема малогабаритной расходометрической установки

Установка состоит из электронасоса 2 с блоком управления расходом 1, регулятора 3 температуры теплоносителя с контрольным датчиком температуры 5 и электронагревателем 4, расходомерного участка с накладными датчиками разности температуры 8 и теплового потока 9, эталонных термопреобразователей 6 и эталонного расходомера 14 с манометром 13 и измерителя темпера-

туры 7, а также из отопительного прибора 10, переключателя 11, милливольтметра 12 и вентиля 15 для регулирования расхода теплоносителя.

Электронасос 2 с помощью блока управления расходом 1 обеспечивает циркуляцию теплоносителя в измерительном контуре. Значение температуры теплоносителя задаётся по показаниям термометра 5 и поддерживается постоянным с помощью регулятора 3 путём изменения мощности электронагревателя 4. Эталонные термопреобразователи 6 с измерителем температуры 7 обеспечивают точное измерение температуры теплоносителя, а эталонный расходомер 14 обеспечивает точное измерение расхода.

Результаты проведённых измерений параметров теплоносителя в реальных условиях на рассмотренной малогабаритной установке показывают, что расхождения результатов измерений тепловой мощности ОП, полученных с помощью накладных датчиков и контрольного теплосчётчика, составляют около 7 %, расхода теплоносителя - около 5 %, что связано с разными методами определения параметров теплоносителя.

По результатам проведённых исследований можно сделать вывод, что предложенный метод позволяет определять эффективность работы отопительной системы по измеренным параметрам теплоносителя и, в частности, может быть использован для экспресс-измерений тепловой мощности неразрушаю-щим методом и определения работоспособности отопительных приборов.

Главными источниками погрешности рассматриваемого метода являются методические погрешности измерений малой разности температуры А/ и плотности д теплового потока накладными датчиками. При рассмотрении датчиков как дополнительных стенок на поверхности трубопровода проведена теоретическая оценка этих погрешностей. Расчёт, выполненный на основании полученных соотношений, показывает, что погрешность Д/ стремится к нулю для идентичных конструкций чувствительных элементов датчика разности температуры и их условий теплообмена, а погрешность измерений плотности д составляет около 2 % для используемых значений параметров конструкции датчика и его теплообмена.

Для оценки суммарной погрешности 5Р и 8С использовались формулы, следующие из уравнений (16) и (17):

8Р = 1,1 + 8| + + б| + ъ\е + 5де ; (18)

= 1,1 ^ + б| + + б£ + + , (19)

где 8К, 8Е, 8с/, 5£, 5Д£-, 5Де, , 8Д( - относительные погрешности измерений К, Е, с1, Ь, АЕ, Ае, К& Д/. Оценочные значения этих погрешностей приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения погрешностей измеряемых параметров

ък,% 8е,% 8d,% 5 L.% 8Ае,% 8ÁÍ,%

2,0 0,02 1,0 1,0 0,05 3,5 1,0 4,5

Подстановка этих значений в уравнения (18) и (19) с учётом методической погрешности измерений ц даёт следующие погрешности измерений: тепловой мощности — около 5 %, массового расхода - около 6 %. Полученных результатов вполне достаточно для диагностики исправности отопительных приборов и систем.

Для практического использования этого устройства разработана методика измерений в соответствии с ГОСТ Р 8.563-20091, содержащая описание совокупности операций, направленных на получение значений измеряемых величин с заданной точностью.

В качестве примера в таблице 2 приведены результаты измерений тепловой мощности и расхода двух одинаковых (9 секций) типичных батарей отопления, отличающихся сроком эксплуатации (5 и 25 лет).

1 ГОСТ Р 8.563-2009. Методики (методы) измерений: нац. стандарт РФ. - Введ. 15.12.2009, № 1253-ст. - Взамен ГОСТ Р 8.563-96. - М: Стандартинформ, 2010. - 27 с. - (Государственная система обеспечения единства измерений).

Таблица 2 - Результаты измерений параметров теплоносителя

Батарея отопления - 5 лет Батарея отопления - 25 лет

Д 1,°С Д Т, "С Ч' 1 Вт/м2 Р, Вт йм, кг/с М, °С Д Т,°С Ч' 2 Вт/м2 Л Вт йм, кг/с

0,135 5,80 275 1010 0,040 0,130 2,35 298 450 0,045

Из таблицы видно, что при близких значениях расхода тепловая мощность, выделяемая более новой батареей, примерно в 2 раза превышает мощность батареи с большим сроком эксплуатации. При этом падение температуры ДТ на первой батарее также примерно в два раза больше, чем на второй. Это свидетельствует о неисправности (загрязнении) более старой батареи, которую (неисправность) можно оперативно диагностировать с помощью разработанных метода и устройства без вмешательства в целостность отопительных приборов и систем по сравнению с другими методами измерений.

Таким образом, полученные результаты показывают, что разработанный неразрушающий теплометрический метод даёт возможность оперативно измерять фактические значения тепловой мощности, а также массового расхода теплоносителя в системах теплоснабжения без нарушения их целостности. Это открывает перспективы использования метода для решения многих задач в сфере рационального использования теплоэнергетических ресурсов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулированы основные результаты работы: - по результатам анализа существующих методов и средств измерений параметров теплоносителя в системах теплоснабжения предложен, разработан и исследован неразрушающий теплометрический метод, позволяющий проводить диагностику исправности приборов и систем отопления без нарушения их целостности;

- разработано и исследовано устройство, реализующее разработанный метод с использованием накладных датчиков теплового потока и разности температуры специальной конструкции, позволяющее оперативно определять параметры теплоносителя и теплоотдачу с поверхности отопительных приборов и систем с погрешностью 5 %-7 %;

- разработан и реализован в виде устройства новый метод калибровки гибких цилиндрических датчиков теплового потока, позволяющий определять коэффициент преобразования таких датчиков в реальных условиях эксплуатации;

- на основании экспериментальных исследований определены метрологические характеристики созданных метода и средств измерений параметров теплоносителя, которые с достаточной для практических приложений точностью соответствуют требованиям, предъявляемым к рабочим средствам тепломет-рии.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

1 Вихарева, Н. А. Разработка и исследование новых методов и эталонных средств метрологического обеспечения теплометрии / Н. А. Вихарева, А. Д. Зо-нова [и др.] // Приборы. - 2012. - № 10 (148). - С. 1-8.

2 Зонова, А.Д. Теплометрические метод и средства измерений параметров теплоносителя / А.Д. Зонова, В.А. Краснов, В.Я. Черепанов // Приборы. — 2013. — №7 (157).-С. 1-7.

3 Зонова, А. Д. Исследование неразрушающего метода измерений тепловой мощности отопительных приборов / А. Д. Зонова, В. Я. Черепанов // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 2. - С. 124-129.

4 Зонова, А. Д. Исследование теплометрического метода неразрушающего контроля параметров теплоносителя в системах теплоснабжения / А. Д. Зо-

нова, В. Я. Черепанов // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр.: сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 2.-С. 247-251.

5 Зонова, А. Д. Методика экспресс-измерений тепловой мощности отопительных приборов неразрушающим методом / А. Д. Зонова, В. Я. Черепанов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля

2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 158-163.

6 Зонова, А.Д. Анализ источников погрешности измерений параметров теплоносителя неразрушающим теплометрическим методом / А.Д. Зонова, В.Я. Черепанов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 2. - С. 46-51.

7 Зонова, А. Д. Особенности неразрушающего теплометрического метода измерений параметров теплоносителя в системах теплоснабжения / А. Д. Зонова // Будущее науки-2013: материалы Междунар. молодёж. науч. конф., 23-25 апр.

2013 г. - Курск: ЮЗГУ, 2013. - Т. 3. - С. 188-192.

8 Зонова, А. Д. Разработка новых средств метрологического обеспечения измерений плотности теплового потока / А. Д. Зонова [и др.] // Сб. докладов II Всерос. научно-практ. конф. «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты», 08-10 дек. 2010 г. -Махачкала, 2010.

9 Зонова, А. Д. Метод измерений мощности отопительных приборов на основе накладных датчиков / А. Д. Зонова // Сб. науч. труд, аспирантов и молодых учёных СГГА. - Новосибирск: СГГА, 2010. - № 7. - С. 74-78.

10 Зонова, А. Д. Экспериментальные исследования теплометрического метода и прибора для измерений параметров теплоносителя / А. Д. Зонова // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 3 (19). - С. 116-123.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

(ФГБОУ ВПО «СГГА»)

04201361814 На пРавах рукописи

Зонова Анна Дмитриевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩИХ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

05.11.15 - «Метрология и метрологическое обеспечение»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, Черепанов Виктор Яковлевич

Новосибирск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

1 ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ................................................................................................10

1.1 Отопительные приборы и системы....................................................................10

1.2 Энтальпийный метод измерений тепловой мощности и количества теплоты в системах теплоснабжения..................................................................................21

1.3 Методы и средства измерений расхода теплоносителя...................................27

1.4 Анализ характеристик современных теплосчетчиков......................................36

1.5 Теплометрический метод измерений тепловой мощности и расхода теплоносителя......................................................................................................40

2 НЕРАЗРУШАЮЩИЙ ТЕПЛОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ.......................................................................46

2.1 Неразрушающие методы контроля и измерений..............................................46

2.2 Модель объекта теплопотребления. Взаимосвязь параметров теплообмена с параметрами теплоносителей............................................................................51

2.3 Неразрушающий метод измерений тепловой мощности отопительных приборов и систем...............................................................................................62

2.4 Измерения тепловой мощности, выделяемой отдельными элементами системы теплоснабжения...................................................................................71

3 РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩИМ МЕТОДОМ.........................................................................78

3.1 Основные требования к измерителям параметров теплоносителя.................78

3.2 Гибкие цилиндрические датчики теплового потока.........................................82

3.3 Накладные дифференциальные датчики температуры....................................83

3.4 Установка для калибровки гибких цилиндрических датчиков теплового потока...................................................................................................................85

4 ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО МЕТОДА......................................................................................................................92

4.1 Исследование неразрушающего метода измерений тепловой мощности и

расхода теплоносителя.......................................................................................92

4.2 Методические погрешности измерений теплового потока и температуры накладными датчиками.........................................................................................101

4.3 Оценка погрешности измерений тепловой мощности и расхода..................108

4.4 Рекомендации по внедрению результатов работы.........................................113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................115

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................117

ВВЕДЕНИЕ

Энергетические проблемы России с суровым климатом и длительным отопительным сезоном на большей части её территории приводят к объективной необходимости всё более рационального использования энергоресурсов путём внедрения энергоэффективных технологий, а также учёта фактически потребляемых тепловой энергии, холодной и горячей воды, газа и электроэнергии. Жилищно-коммунальное хозяйство является крупнейшим потребителем топливно-энергетических ресурсов (свыше 30 % выработки тепловой энергии в России). В основном в крупных городах оно ориентировано на центральное теплоснабжение с использованием систем водяного теплоснабжения. Однако в свете проводимых реформ жилищно-коммунального хозяйства весьма актуальным и до сих пор нерешённым остаётся вопрос учёта потребления тепла отдельными потребителями в многоквартирном жилом доме.

В последние два десятилетия существенно расширился круг отечественных и зарубежных производителей приборов и систем учёта тепла (теплосчётчиков), а также увеличились номенклатура и количество этой продукции. Существующие методы и средства учёта основаны на измерениях тепловой мощности и количества теплоты, выделяемых теплоносителем в системе отопления. При этом для получения значений исходных измеряемых параметров теплоносителя (расхода, температуры и давления) предусматривается использование встраиваемых в трубопроводы систем отопления первичных измерительных преобразователей, входящих в состав современных теплосчётчиков. Поэтому для определения тепловой мощности отдельного отопительного прибора при поквартирном учёте тепла или для оперативной диагностики его исправности такие теплосчётчики непригодны из-за высокой стоимости, сложности и громоздкости, а также необходимости их периодического демонтажа для технического обслуживания и поверки. Предназначенный для этих целей неразрушающий метод с накладными ультразвуковыми датчиками расхода имеет целый ряд существенных недостатков. В частности, при его реализации необходимо знать свойства материала, из которого изготовлен

трубопровод, а также иметь гарантии отсутствия коррозии и накипи на его внутренней поверхности.

Кроме этого, все методы измерений тепловой мощности, основанные на использовании датчиков расхода, имеют один общий недостаток - достоверность получаемых ими результатов измерений зависит от надёжности данных по зависимостям энтальпии и плотности (для датчиков объёмного расхода) используемого теплоносителя от его температуры и давления. Эти зависимости достаточно хорошо изучены для чистой дистиллированной воды и используются в качестве основы для определения тепловой мощности в системах водяного теплоснабжения. В случае отклонения свойств реального теплоносителя от указанных зависимостей, полученные результаты измерений тепловой мощности и энергии не будут соответствовать их фактическим значениям.

Во многих европейских странах существует метод поквартирного учёта потреблённого тепла с использованием регистраторов расхода тепла. Регистратор расхода тепла - это устройство, позволяющее определить долю потребления тепла комнатным отопительным прибором в общедомовом потреблении тепла. Показания регистратора пропорциональны количеству теплоты, отданной отопительным прибором (ОП). Значение коэффициента пропорциональности (радиаторного коэффициента) зависит от типа ОП, его размеров, способа подачи теплоносителя через ОП, места монтажа регистратора, погрешности измерений температуры термопреобразователями и от ряда других условий. Радиаторный коэффициент для каждого типа отопительного прибора определяют экспериментально при стендовых испытаниях. Экспериментальный стенд используют только для исправных ОП, не содержащих отложений накипи и засорений.

В России использование подобного метода учёта потребления тепла является одним из возможных решений данной проблемы. Однако из-за достаточно существенных отличий в конструкциях и режимах работы систем отопления между зарубежными и российскими зданиями, необходимо провести оценку влияния различных режимных параметров на значение радиаторного коэффициента.

В связи с этим является актуальной задача разработки неразрушающего метода и реализующих его средств, позволяющих оперативно проводить измерения фактических значений выделяемой теплоносителем тепловой мощности и других его параметров без нарушения целостности отопительной системы.

Цель научного исследования - создание новых теплометрических методов и средств, обеспечивающих повышение качества теплоснабжения на основе нераз-рушающих средств измерений и контроля параметров теплоносителя в приборах и системах отопления. ,

Для достижения этой цели необходимо на основе анализа существующих методов и средств учёта тепла, выделяемого системами теплоснабжения, предложить и разработать неразрушающий метод измерений параметров теплоносителя; для реализации метода решить задачи разработки и изготовления экспериментального образца измерителя параметров теплоносителя на основе накладных датчиков специальной конструкции; теоретических и экспериментальных исследований предложенного метода; разработки калибровочных установок и исследования на них метрологических характеристик измерителя параметров теплоносителя.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложен, разработан и исследован новый теплометрический метод не-разрушающих измерений параметров теплоносителя, позволяющий определять выделяемую им в системах теплоснабжения тепловую мощность без привлечения данных по его энтальпии и плотности;

-предложено, разработано и исследовано новое устройство для неразрушающего оперативного контроля параметров теплоносителя на основе накладных датчиков температуры и теплового потока;

-предложен, разработан и исследован новый метод определения метрологических характеристик гибких цилиндрических датчиков теплового потока.

Результаты теоретических исследований положены в основу разработки технических средств метрологического обеспечения измерений поверхностной плотности теплового потока, разности температуры и расхода теплоносителя, а также

тепловой мощности, выделяемой отопительным прибором или системой теплоснабжения. Используемые в работе методы теории теплообмена и теплопроводности, методы калориметрии, теплофизического и теплотехнического эксперимента, теоретической и прикладной метрологии помогли:

- создать новый теплометрический метод, позволяющий определять тепловую мощность в системах теплоснабжения без привлечения сведений по термодинамическим свойствам теплоносителя и использующий при этом измерения только двух физических величин: плотности теплового потока и температуры;

- разработать неразрушающий метод, который является основой для создания новых портативных и недорогих теплосчётчиков, позволяющих осуществлять оперативную диагностику исправности приборов и систем отопления и определять основные параметры теплоносителя без нарушения целостности системы теплоснабжения;

- разработать конвективный теплометрический метод и устройство для определения метрологических характеристик гибких цилиндрических датчиков теплового потока, позволяющий осуществлять их поверку и калибровку при выпуске из производства и при эксплуатации.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- неразрушающий теплометрический метод и реализующее его устройство позволяют определять основные параметры теплоносителя (массовый расход, температуру, фактическую тепловую мощность, количество теплоты) без нарушения целостности системы теплоснабжения;

- устройство, реализующее метод, отличается практически максимально возможной простотой конструкции и компактностью и позволяет оперативно получать данные по основным параметрам теплоносителя в приборах и системах отопления;

- результаты экспериментальных исследований неразрушающего тепломет-рического метода подтверждают его пригодность для диагностики исправности и эффективности отопительных приборов, используемых в системах теплоснабжения.

Основные результаты работы внедрены в производственный процесс: «Научно-производственного предприятия «Эталон» (г. Омск) - при подготовке производства теплометрических установок для поверки датчиков теплового потока; ФГУП «Сибирский государственный НИИ метрологии» (г. Новосибирск) - для выполнения метрологических и научно-исследовательских работ в области тепло-метрии, а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» (г. Новосибирск) и ФГАОУ ДПО «Академия стандартизации, метрологии и сертификации (учебная)» (Новосибирский филиал) - по дисциплинам «Метрологическое обеспечение теплотехнических измерений» и «Приборное и метрологическое обеспечение учета тепла».

Степень достоверности и апробация результатов исследования

Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на следующих Международных и Всероссийских конгрессах, конференциях и семинарах:

- VI, VII, VIII, IX Международных конгрессах «ГЕО-СИБИРЬ» (г. Новосибирск, СГГА, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.);

- VIII учебно-методическом семинаре-совещании «Эталонные и рабочие средства измерения в области теплофизики. Энергоаудит» (г. Омск, НЛП «Эталон», 2010 г.);

- заседании технического комитета по метрологии «Температурные, тепло-физические и дилатометрические измерения» при Управлении метрологии Госстандарта и комиссии при научном Совете РАН по комплексной проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика» (г. Обнинск, 2010 г.);

- Международном молодежном инновационном форуме «ИНТЕРРА-2011» (г. Новосибирск, СГГА, ФГУП «СНИИМ»);

- II Всероссийской научно-практической конференции «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты» (г. Махачкала, ДГТУ, 2010 г.);

- IV Всероссийской конференции по проблемам термометрии «ТЕМПЕРАТУРА-2011» (г. Санкт-Петербург, ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева», 2011 г.);

- XIII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ РКТС-13 (г. Новосибирск, ИТФ СО РАН, 2011 г.);

- научно-практическом информационно-консультационном семинаре «По-квартирный приборный учёт тепловой энергии. Цели, задачи, решения» (г. Санкт-Петербург, Конференц-центр, 2012 г.);

- Международной молодёжной научной конференции «Будущее науки-2013» (г. Курск, ЮЗГУ, 2013 г.).

Диссертация содержит 122 страницы основного текста, состоит из введения, четырех разделов, заключения, 15 таблиц, 22 рисунков, списка литературы, включающего 51 наименование.

1 ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В СИСТЕМАХ

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Отопительные приборы и системы

Отопительный прибор - устройство для обогрева помещения путём передачи теплоты от теплоносителя, поступающего от источника теплоты, в окружающую среду [10]. Ещё одно из определений, что же такое «отопительный прибор» (его правильно называть именно отопительным, а не «нагревательным» прибором) - это один из основных элементов системы отопления, предназначенный для передачи теплоты от теплоносителя в обогреваемые помещения.

Каждый отопительный прибор должен иметь определённую площадь нагревательной поверхности ¥оп, м2, рассчитываемую в соответствии с требуемой тепловой мощностью прибора. Для обеспечения необходимой тепловой мощности в прибор должно поступать определённое количество теплоносителя в единицу времени С^, кг/с (кг/ч), называемое массовым расходом теплоносителя.

К отопительным приборам, как и к другому оборудованию, входящему в состав системы отопления и устанавливаемому в обогреваемых помещениях, предъявляется ряд требований:

а) санитарно-гигиенические - относительно пониженная температура поверхности; ограничение площади горизонтальной поверхности приборов и ее гладкость для уменьшения отложения пыли; доступность и удобство очистки от пыли поверхности приборов и пространства вокруг них;

б) теплотехнические - передача максимального теплового потока от теплоносителя в помещение через определённую площадь поверхности прибора при прочих равных условиях (расход и температура теплоносителя, температура воздуха, место установки и т.д.); обеспечение надлежащего обогрева рабочей зоны помещения; управляемость теплоотдачи приборов. Для выполнения этого требования отопительный прибор должен обладать повышенным значением коэффициента теплопередачи коп\

в) экономические - минимальная стоимость прибора; минимальный расход металла, идущего на изготовление прибора;

г) архитектурно-строительные - соответствие внешнего вида прибора интерьеру помещений; компактность прибора, т.е. его строительные глубина и длина, приходящиеся на единицу теплового потока, должны быть наименьшими;

д) производственно-монтажные - механизация изготовления и монтажа приборов для повышения производительности труда; достаточная механическая прочность приборов;

е) эксплуатационные - управляемость теплоотдачи отопительных приборов, зависящая от их тепловой инерции; температурная устойчивость и водонепроницаемость стенок при предельно допустимом в рабочих условиях гидростатическом давлении внутри приборов.

Все отопительные приборы по преобладающему способу теплопередачи делятся на три группы [4, 25]:

а) радиационные приборы, передающие излучением не менее 50 % общего теплового потока (потолочные отопительные панели и излучатели);

б) кон