Устройство для измерения теплового потока

Изобретение относится к теплотехнике и позволяет повысить быстродействие и точность результата измерения, снизить энергопотребление и зависимость от дополнительных энергоисточников.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения теплового потока, включающем теплоизолированный корпус с крышкой, изоляторы, электроды, теплообменник, соединенный трубопроводом с крышкой и нижней частью корпуса, расширительную емкость, соединенную с нижней частью теплоизолированного корпуса, расширительная емкость соединена с теплоизолированным корпусом с возможностью перемещения по вертикали, причем, расширительная емкость теплоизолирована, а площадь ее в 110 раз больше площади сечения теплоизолированного корпуса.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для измерения теплового потока.

Известен электродный котел (см. патент РФ 2279605, F22B 1/30, 10.07.2006. Бюл. 19), включающий теплоизолированный корпус с крышкой, изоляторы с электродами, теплообменник с трубопроводами и расширительную емкость с манометром, соединенную патрубком с нижней частью электродного котла. Измерение теплового потока производится измерительным прибором (амперметром) при стационарной теплоотдаче в условиях баланса генерируемого и рассеиваемого теплового потока. Для повышения точности измерений производится компенсация падения давления в системе посредством компрессора.

Недостатком данного электродного котла, как измерителя теплового потока, является энергозависимость процедуры измерения от дополнительных источников (работа компрессора, термостабилизация воздушной среды в зоне измерения) и значительная погрешность, т.к. генерируемая электродным узлом мощность дополнительно расходуется на нагрев вытесняемой части воды из расширительной емкости, где ее температура не контролируется, а стенки расширительной емкости не имеют теплоизоляции. Дополнительным источником погрешности является неконтролируемое поступление энергии сжатого воздуха на компенсацию падения давления в системе при изменяющейся тепловой нагрузке.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение быстродействия и точности результата измерения, снижение энергопотребления и зависимости от дополнительных энергоисточников.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения теплового потока, включающем теплоизолированный корпус с крышкой, изоляторы, электроды, теплообменник, соединенный трубопроводом с крышкой и нижней частью корпуса, расширительную емкость, соединенную с нижней частью теплоизолированного корпуса, расширительная емкость соединена с теплоизолированным корпусом с возможностью перемещения по вертикали, причем, расширительная емкость теплоизолирована, а площадь ее в 110 раз больше площади сечения теплоизолированного корпуса.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства для измерения теплового потока.

Устройство содержит теплоизолированный корпус 1 с крышкой 2, электроды 3 с проходными изоляторами 4. Исследуемый теплообменник 5 присоединен трубопроводами 6 и 7 с крышкой 2 и нижней частью корпуса 1 соответственно. Расширительная емкость 8 соединена гибким трубопроводом 9 с нижней частью корпуса 1. Наружные поверхности корпуса 1 с крышкой 2, расширительной емкости 8 и трубопроводов 6,7 и 9 покрыты слоем теплоизоляции 10. Вентиль Ив днище корпуса 1 служит для заполнения системы водой. Вентили 12 (в теплообменнике 5) и 13 (в расширительной емкости 8) служат для удаления вытесняемого из системы воздуха.

Моделирование тепловой нагрузки на теплообменник 5 осуществляется вентилятором 14 с электроприводом 15. Для энергопитания устройство подсоединено к источнику питания переменного тока напряжением 220/380 В промышленной частоты (возможны варианты), а для его измерения используется амперметр 16. Функцию контроля за изменением давления, осуществляемую в прототипе манометром, в предлагаемом устройстве выполняет подвижная расширительная емкость 8, которую для снижения погрешности измерения выполняют таким образом, чтобы ее площадь превышала площадь сечения теплоизолированного корпуса 1 (рекомендуется: S_p/S_K=110). В этом случае, изменение тепловой нагрузки, сопровождающееся изменением уровня рабочей жидкости в корпусе 1, будет уменьшать высоту жидкости в расширительной емкости 8 на соответствующую величину (в 110 раз). Это снизит разницу давлений и, соответственно, погрешность измерения. Уменьшение соотношения площади менее единицы будет увеличивать уже и без того возникающую погрешность. Увеличение соотношения площадей более 10 приведет к неоправданно высоким значениям площади, занимаемой оборудованием. Погрешность от разницы в давлениях при этом будет снижена на порядок.

Устройство для измерения теплового потока работает следующим образом. Перед началом работы с помощью вентиля 11 систему заполняют технической водой с известной электрической проводимостью, причем вентили 12 и 13 оставляют в открытом положении, а расширительную емкость 8 устанавливают в положение I, при котором уровень расположения ее днища будет соответствовать уровню слива заполняемой воды из теплообменника 5 через вентиль 12 (на чертеже обозначено пунктирной линией Б). После полного вытеснения воздуха водой вентили 11 и 12 закрывают. С помощью источника питания на электроды 3 подают рабочее переменное напряжение 220 (380) В. Производят нагрев воды до температуры парообразования, в результате чего паровая фаза вытесняет воду из всех элементов замкнутой системы, расположенных выше уровня рабочей части электродов 3 (например, по чертежу линия q₁) в расширительную емкость 8. Необходимым условием измерения теплового потока является превышение потребляемой электрической мощности заявляемого устройства над измеряемой тепловой нагрузкой на теплообменник 5.

Временной интервал подготовки устройства к работе в отсутствии принудительной тепловой нагрузки на теплообменник 5 включает прогрев всех взаимодействующих с греющей средой конструктивных элементов устройства до температуры, соответствующей температуре насыщенного пара при давлении в системе, регулируемом водяным столбом АН. Полная готовность устройства для измерения теплового потока определяется состоянием баланса между генерируемым и рассеиваемым тепловым потоком при установившихся исходных, фиксированных параметрах состояния: давлении р ₀, температуре насыщенного пара t₀" и объеме насыщенного пара V₀" внутри замкнутого контура, обозначенного на чертеже линией q₁.

При измерении расширительную емкость 8 с вытесненным при парообразовании объемом воды переводят в положение II, при котором совмещают линии уровня жидкостей q₁ в теплоизолированном корпусе 1 и установившимся в результате нагрева воды и вытеснения паром объема воды расширительной емкости (возможна установка водомерных стекол) до уровня р₁.

Регистрируют значение электрического тока I₁ в состоянии баланса и по известной формуле

P₁=I₁ ·U

определяют значение теплового потока

q₁=P₁

Для измерения теплового потока в состоянии принудительной нагрузки на теплообменник 5 с параметрами, устанавливаемыми путем создания исследуемых условий движения охлаждаемой среды посредством вентилятора 14 и электропривода 15, необходимо после включения привода вентилятора 14 выдержать устройство до установления нового состояния баланса (например, соответствующего уровню q₂ на чертеже) и произвести регистрацию значения электрического тока I₂ из которого вычисляется значение теплового потока q₂ .

q₂=P₂=I₂·U

В случае температурных колебаний в зоне измерения в пределах нескольких градусов (например, суточные колебания температуры окружающей среды редко превышают ±13°С) необходимо компенсировать это приращение за счет изменения уровня расположения расширительной емкости, используя зависимость температуры насыщенного пара от давления. Известно, что давление р и температура насыщенного пара t" находятся в жесткой зависимости и определяются по справочным данным. Для обеспечения одинаковых условий измерения, в частности, равенства теплового напора, и вычисления теплового потока компенсацию отклонений температуры воздуха производят повышением (понижением) уровня установки расширительной емкости на высоту ±Н. При этом температура насыщенного пара на внутренней стенке теплообменника повысится (понизится) на соответствующую величину ±t. Таким образом, исключается необходимость дополнительного подогрева (охлаждения) воздуха в зоне измерения.

Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемое устройство производит измерения теплового потока исследуемых характеристик условий теплообмена без дополнительных энергетических воздействий, что повышает точность и быстродействие, снижает энергозатраты. При этом точность измерения повышается вследствие минимизации тепловых и неучтенных потерь и корректировки измеренных значений на величину поправки от разницы параметров состояния в интервале возможных значений тепловой нагрузки.

Устройство для измерения теплового потока, включающее теплоизолированный корпус с крышкой, изоляторы, электроды, амперметр, теплообменник, соединенный с крышкой и нижней частью теплоизоляционного корпуса, отличающееся тем, что расширительная емкость соединена с корпусом с возможностью перемещения по вертикали, причем расширительная емкость теплоизолирована.