Способ определения расхода тепла, приносимого потоком нагретой среды

 

Р5 14?01О

Класс 42 1?о2

СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Подписная ардиса Л3 158

В. С. Каханович

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ТЕПЛА, ПРИНОСИМОГО

ПОТОКОМ НАГРЕТОЙ СРЕДЫ, И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА

Заявлено 27 января 1961 г. за Ме 695008j26 в Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Миниегров СССР

Опубликовано в «Бюллетене изобретений» No 9 за 1962 г.

Известны способы определения расхода тепла, приносимого потоком нагретой среды, с коррекцией по удельному весу, теплосодержанию, коэффициенту расхода, коэффициентам расширения среды, а также сужающего устройства и трубопровода. Известны также устройства для осуществления подобных способов, в которых умножение величин, входящих в уравнение расхода тепла, производится путем пх преобразования в электрические величины с последующим умножением и регистрацией результатов умножения с помощью электрического счетчика. Подобные способы и устройства сложны и малоэффективны.

В предлагаемом способе величины удельного веса, теплосодержания и .коэффициент расхода вводятся в выражение для определения расхода тепла потоком, нагретой среды в виде произведений постоянного коэффициента на два сомножителя, один из которых зависит только от температуры, другой же только от давления, а коэффициенты расширения среды .и сужающего устройства с трубопроводом вводятся в это же выражение в виде произведения постоянных коэффициентов на сомножители, зависящие соответственно от температуры и давления, что достигается применением в устройстве для осуществления способа потенциометрических датчиков расхода, давления и температуры, соединенных в множительно-делительную схему. Это позволяет увеличить точность определения тепла потока нагретой среды и упростить ввод коррекции на изменение указанных величин вследствие изменения температуры и давления.

На чертеже приведена принципиальная электрическая множительно-делительная схема, поясняющая описываемый способ.

Расход тепла методом учета теплосодержания и расхода теплоносителя (пара, газа) по перепаду давления на сужающем устройстве в общем случае определяется следующей зависимостью:

Q = Ол = К а.е.К,лРл 1I"/рТ, кка г час, (1) № 147010 где 6 — действительный расход теплоносителя, кг/час; — теплосодержание теплоносителя в рабочем состоянии, т. е. при действительном давлении и температуре, ккал/кг;

К, — коэффициент, зависящий от среды, заполняющей дифманометр,,и среды, находящейся в импульсных трубах; а — коэффициент расхода; е — поправочный множитель на расширение;

К вЂ” поправочный множитель на тепловое расширение материала сужающего устройства и трубопровода;

d — диаметр отверстия сужающегося устройства при температуре 20, мм;

h — перепад давления на сужающем устройстве, измеряемый дифманометром, мм рт. ст.;

; — удельный вес теплоносителя, соответствующий его состоянию перед сужающим устройством, кг/м .

Теплосодержание i является сложной функцией температуры и давления теплоносителя.

Удельный вес сухих газов и пара выражается уравнением

J T0, кг/м, Ро.Т К (2) К . /: — G, i y, ккал/час, о î t, To (3) где ао, ео, К о — значения коэффициентов а, е, К при ратуре 4 и давлении Ро, принятых жающего устройства; бо — значение расхода теплоносителя без ряемое дифма нометром, кг/час.

Объединяя постоянные величины, выражение (3)

Q = Кг, а . е . A<: бо i p/ 1., расчетных темпепри расчете сукоррекции, измеперепишется: (4) 1 где Кг—

"о о К о (5) где то — удельный вес теплоносителя при расчетном давлении Ро и расчетной температуре То, например, принятых при расчете сужающего устройства, кг/м, P — действительное давление теплоносителя перед сужающим устройством, кг/см, Т вЂ” действительная температура теплоносителя перед сужающим устройством, К;

К вЂ” коэффициент, характеризующий отклонения теплоносителя от законов для идеального газа, или коэффициент сжимаемости.

Удельный вес у является сложной функцией температуры и дав.ления теплоносителя, поскольку коэффициент сжимаемости К в выражении (2) также зависит от температуры;и давления.

При правильно выбранном сужающем устройстве коэффициенты а и е в большинстве случаев измерения расхода тепла практически остаются постоянными.

Уравнение расхода тепла (1) с коррекцией по всем величинам, зависящим от параметров теплоносителя (давления и температуры), в оощем виде запишется:

¹ 147010

Величины выражения (4), зависящие как от температуры, так и от давления теплоносителя, а именно;, 1, а, можно условно представить в следующем виде:

/ ю:!

; =К, у,„,„кг,.,г (6) (7

/ = К4 . г, i,, ккал! кг оР Ро (8) К5 i p, I о где К5, К4, К5 — постоянные коэффициенты; — соответственно значения давлении P и расчетной температуре to, т. е.

i, при любом, 1, а = f(P) при t = const;

i, при любой — соответственно значения о1 температуре t и расчетном давлении Р,, т. е.

;, 1, а = f(t) при Р = const.

Если представить Величины;, i, а по предлагаемому способу при расчетнык параметрах теплоносителя !о, Р,, то значения коэффициентов 5 К4 К5

1 1 9) hB .Ы

l i,,p (10) «кол кг

1 . cps

К-,-=

5 1 г

ГдЕ !,, — 3112ЧЕНИЕ ТЕ11ЛС=ОдЕржаНИя ТЕПЬЛОНОСИТЕЛЯ ПрИ расЧЕТНЫХ П".р2,Ie.:ра. tÄ. PI, кка1, кг.

Лиа:!ение коэффициента К! в Выражениях (1), (3), (1) зависит тслько От тем по ватуpL!, 2 зна lcll:.IE 1 ;Оэффициента E пр2! тически зависит от давления и величины расхода измеряемого теплочосителя.

Способ представления удельного веса теплоносителя (пара, газов) даcт .3"11 lчительно меньшую погppшно Tь по ср2ВHE.. 11110 с Выр2жением (2), если считать в нем коэффициент К постоянным.

1 !3 выражений (6), (7), (8) Ви но, что при отклонениях от рВсчетного значения только температуры или только давлен:1я тспло11осптсля предлагасмыш способ представления у, 1, а погрсш.I"cтп совсем пе впоспт. Величl!Иы 3пачс:lий у, 1, Q разбивают на два сомпожителя, каждыЙ из котopb;x 32Висит только От темпеэатуpbl или только от давления теплоносителя, что дает возможность вводить I opр;. Ilö!410 В значение pBc::Ода тепла на изменения удельного Веса !, тсплосодержапия i, коэффициентов а, Е, К, раздельно по температуре и давлению теплоносителя, а также позволяет значительно упростпгь расчет схем автоматической коррекции. № 147010

С учетом (6), (7), (8) выражение (4) в общем виде перепишется

Я=К4х а t. - К,. G, it i p>- . ккал час, (12)

4 оР Ро " ор Ро it(,Ð Ро(1 где К,=К ) K, К,, К„,= (13)

220 =- Kt "о 10

Для случаев измерения расхода тепла, когда значения,коэффициентов а, в в уравнениях (3), (4) можно принять постоянными, выражение (12) примет вид

Q=К-, О, it,р i»,t. К, 11;, „;,, ккал;час,, 14) 1 где К-,—

К,;, io (15}

Выражение 2 о, = 1 р 1 т, р является функцией давления тепло/ носителя

zt » -.- 1 |. ;< „, — — 1(Р) (16) р(К 1 )1 "1 р1=1 (1) (17) Значения выражений (16) и (17} известны при любых температуре и давлении. Они подсчитываются, исходя пз табличных значений сооТветствующих величин, входящих в этп выражения.

Допуская незначительную дополнительную погрешность зависимо(16) > (17) 13 пределах 13130+el коррекции> AID?I> .Ho IIpepcT 11311Th: (18) / р =--it,р ) "1ор =K„.— K, 1 о > 1 с 1» t 1 1»

Kilt

19, С учетом выражений (18), (19) уравнение (12) принимает вид:

К„. КP

Q = К; G„ " ", к1гал час.

К,„1ь, t, (2О) Пр11меп:1тельно и ура13нению (1-1) вырви ения (18), (19), соответтвенно запишутся

1; 1> ; 1 ) — К г, »>. 1 .Р>

121}

К1 1»,1. 1: 1 t,,1 = —.——

Ki > -, - 1,; (22) С i.>icòoì (21), (22) 1 раппcilис (! 41 примет 1 .!l,,:

-- - К, P

Q -- К-, G„ - " 1л а z час.

К,;- -К,.-

i 23) МпОжите:!ы10-делите:!ы1ая с .C >ia. Боспроиз130д1!шая завпспмость-, описываемую уравнением (20) или (23), приведена на чертеже.

ВыРажение р 1. К »„1),, является функцией температуры теплоносителя № 147010

Напряжение Uq, пропорциональное действительному расходу тепла, г

1+ P Kn (1 Кп)) R Rpn+ R где И, — балластное сопрогивление, Rp — переменное сопротивление датчика; R»n — сопротивление реостатйого датчика первичного или вторичного прибора — манометра: R — термометр сопротивления— датчик температуры теплоносителя; Ra, — переменное сопротивление датчика, пропорциональное расходу теплоносителя без коррекции:

R, — компенсационное cGIlpoTHBëåíèå; Rap — сопротивление реостатного датчика вторичного прибора — расходомера; U — напряжение питания; Ua,— напряжение, пропорциональное расходу теплоносителя без коррекции, Rao

К» =

Rp Ran (25) — относительное перемещение движка переменного сопротивления Rao.

Rp+ Ran

Rp+ Ran (26) RtwRpn+ Rr

Ra коэффициент нагрузки сопротивления Rao. (27) 7 н RI + Rpn + RI> oN

Uä=U С Kn Р, 8

Т Rp/T + Rl (28) Чтобы погрешность от нагрузки сопротивления Ran не превышала допустимую „„, например +0,1%, необходимо выполнить следующие соотношения: (29) (30) (31) Rp = 0,37 Ran, ом р = 0,08

С = 0,982.

Б„= = 17,12 Ran, ол .

Ran

0,73) (32) Выражение (28) пропорционально выражениям (20), (23) (ЗЗ) + Rpn+ K» t

При расчете схемы исходят из величины сопротивления термометра сопротивления Rl стандартной градуировки; при этом определению подлежат RI, Rрп, Ran, Rp.

Выражение в квадратных скобках (24) характеризует погрешность нагруженного сопротивлением Й„потенциометра. Для уменьшения этой погрешности при относительно малых значениях сопротивления R „ можно изменить масштаб питающего >напряжения (в с раз), ограничив перемещение движка переменного сопротивления R сопротивлением Rp

При этом выражение (24) можно переписать

¹ 147010

Если принять линейную аппроксимацию кривой, описываемой уравнением расхода тепла, в зависимости от изменения температуры, а также принять, что уравнение прямой принимает значения действительного расхода тепла Qp, и Я при температуре Т, и Т соответствующих нижнему (T,) и верхнему (T2) пределам ввода коррекции по температуре, то уравнение аппроксимирующей прямой запишется (проходящей через две заданные точки) 2 p„t, — i p,.t., р„t, — p„t ккал у

Т, — Ti Т вЂ” Т, час (34) Подставляя в выражение (34) значение (12) при Р = Ро, получим в общем виде: п t G (Т РА t р„ I р,А р„1

Т вЂ” Т, х К ;р — К р

Т, — Т, ккал час, (35) 1 put р4

Т» — Т, где р,, р,,, К,, К,; р,, р,,, -,р — соответственно значения данных величин при расчетном давлении Р„и температурах (Т)) и tq (Т2), Изменение расхода тепла Qp за счет изменения температуры T в уравнении (35) должно соответствовать изменению напряжения Ко в выражении (20) за счет изменения сопротивления термометра R .

Для этого необходимо, чтобы тангенс угла наклона аппроксимирующей прямой, описываемой уравнением (35), был численно равен относительному изменению сопротивления нагрузки Р„схемы за счет изменения

Rt, т. е. рА t,, t, ip„t р,t. t p„t рА

T — Т, Tt — Т, где Rt,, Rt,,— соответственно значения сопротивления термометра при температуре Т, и Т,.

Из выражения (36) следует значение масштабного коэффициента сопротивления К:о, связывающего сопротивления схемы с ординатой

Qp.t в уравнении (35) прп изменении температуры. (37) ар .At .t >1 -, < --up< К .it 1; < кхалчас.

Значение сопротивления нагрузки Р,„, (при -емпературе Ti) плп

К„„(при T ) определяют из выражения (35) при подстановке в него значения масштабного коэффициента К „вместо масштабного коэффициента расхода К G .

¹ 147010

При этом вместо Т подставляется соответственно Т или Т, Rt — Rt, Rn

"р 4, ОЛ р„1, Р1, 1 V;t., (38) а или

Rt — Rt. К гр,,Г ) "-, олю (39) (41) Я„= R„— Rt — Rt, о.и.

Применяя аналогичные преобразования в отношении уравнения расхода тепла в зависимости от давления Р, получим

Pï (и, 11), ом (42) Rp t1—

Р()+ „ а „„° =V а е .1. /

t„V "р ipvi л

" р р . р 1

t г

7 (,,р1 а р яр где Рц — предел измерения по давлению датчика давления, ата;

Р,, Р, — соответственно ниж ий и верхний, пределы ввода коррекции по давлению, ата.

Значение сопротивления Ri определяегся из выражения: (43) Ry = RH — Rt — Rprt Ом.

Величина сопротивления датчика давления Rv при любом давлении P определится: (44) R = "" Р=К Р оя.

Значения сопротивлений Р „и Rp определятся, исходя из известного сопротивления R и допустимой погрешности =д,,, от нагрузки потенциометра RGf1 При о д„, — — 0,1 pip Яоо и Rp определяются ио выражениям (29), (32).

При изменении величины Р„(из-за изменения Rt) возникает дополнительная погрешность (изменяется коэффициент С в уравнении 28).

Однако эта погрешность незначительна и может быть скомпенсирована уменьшением од,„.

В качестве компенсационного сопротивления Rp может быть использовано внутреннее сопротивление источника питания измерительной схемы.

По известному Р„или Я„определяют значение Р„(при 7 = Т,,).

Я„HJIH R„ (40) № 147010

Для большинства случаев измерения расхода тепла коэффициенты а и е остаются практически постоянными. В этом случае выражения (38), (42) принимают вид

Rt, — Rt

Vt ty р,;t — 1

+t. р„t, р„1 (45) Р (й Rt ) рП—, ом.

P +

2 1

i р (р, i Р Tt р., (46) Остальные элементы схемы рассчитываются по выражениям (40), (41), (43), (44), (29), (32) .

Значение масштабного коэффициента расхода К 1 —— в выраA в женин (33), связывающего расход тепла Q с выходным напряжением

Up схемы, определится из уравнений (33) и (28) при 4 и Ðî.

Ri + R, нкал

К,, QoO К„,,=-ОКfl U

R„ «ас (47) откуда

io Go f1 ккал «ас

R, +R

073 С. U н„ (48) — .О - 4R >+RVÄ

-о %41/ э я. = к, у 5

1 100, %, (49) 1-.- =

:с н„

4Rр =Rр R о-ю

ДР(— - R/ — R(, Ол. (50) где (5) ) где G

Qor — расход тепла, соответствующии 6,а, ккал «ас, +ll лоыс максимальное перемещение движка потенциометра R Gll (согласно выраже,ням (25), (29) равно 0,73).

Разность между расходом тепла, определенным по выражению (33) с учетом К ь и действительным расходом тепла (выражение 3), отнесенная к действительному расходу тепла, представляет погрешность о измерительной схемы. В результате математи;еских преобразований получим № 147010

Выражение — 0 Кг 1 1 100 6 (52) в уравнении (49) представляет собой погрешность в измерении расхода тепла дифманометром-расходомером за счет отклонения параметров теплоносителя от расчетных при отсутствии схемы коррекции.

Наибольшие погрешности по выражению (49) получаются при значениях параметров теплоносителя соответствующих пределам ввода коррекции, т. е. при t = ti, t = 4; Р = Р,; Р =P>. При этом, в зависимости от принятых пределов ввод:t коррекции, могут получиться неравные наибольшие погрешности обоих знаков. Для получения равных погрешностей необходимо выбрать коэффициент К» таким образом, чтобы была допущена некоторая погрешность о,1 соответствующего знака при расчетных параметрах теплоносителя: о о .о о — (! (53) где, -.", абсолютные значения наибольших погрешностей разных знаков 1 ) ) ",, рассчитанных по выражению (49) для различных комбинаций изменения параметров теплоносителя, соответстзугощих пределам ввода коррекции (, i, t2, Р,, РД.

Знак погрешностг! " Всег 111 протиВОП010жен знаlоу ПО" pcHIHoсти -. .

С учетом значения б11 Выражс:!lfP (-(го) примет вид: гека г час

100 (54) Окончательно расход тепла Выразится через напряжение (- q измерительной схемы:

UQ го хогг

Я= Uq г1г= 1--, ) —, гп аг гас.

100 )0 (,. А! -- RP,, 1г.о (55) С учетом (53) м акс11 мал ьll". я погрешность I3MopifTc IbHo! f схемы 32 счет отклонения параметров тепло1оситсля от расчетных в пределах

Ввода коррекции составит: (Зб) ЗН2ЧСНИ11 о1;- H03C×ÈTÛH2IOTCH дЛЯ ЗНЗЧСНИЙ ТсмпераТурь1 .1 даВ ICHif!I Те; 70НОСНТР. 711, СОО! Ветств 1 lоlцих Прсде,72%I ВВОда коррекции (/,; tq, Pi., P>) при различных co lcT2!lifHx 0TI Ioii liifH.

ДлЯ icT2 додо 1HHTcëüHÎH ОшifÎK!f 0Т 111! il!, зки 10Th .Иииометр 1 ROгг

ПСООX03,:,I!IO К 3112ЧЕ11ИЯМ ПОГPE LIHOCTCII, ВЫЧИСЛЕ:IHbfX ИО ВЫ172ЖЕ11И!О (56), 1обавить величину О,i, принятую при рас IOTC схемы.

В множительно-делительной схеме вместо рсосT2THblx датчиков расхОда тсплоносителЯ и даВлен11Я л10Г1 т ifcпользозатьсЯ бесконт11кт нъ|е инд1 кциоlгные датчики и линеипые Вращающ:Iеся -:р211сфорл1аторы, что значительно повышает надежность устройства. — 10 —— № 147010

Предмет изобретения

l. Способ определения расхода тепла, приносимого потоком нагретой среды, с коррекцией по удельному весу, теплосодержанию, коэффициенту расхода, коэффициентам расширения среды, а также сужающего устройства и трубопровода, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности определения тепла, потока нагретой среды и упрощения ввода коррекции на изменение указанных величин вследствие изменения температуры и давления, величины удельного веса, теплосодержания и коэффициент расхода вводятся в выражение для определения рас. ода тепла потоком нагретой среды в виде произведений постоянного коэффициента на два сомножителя, один из которых зависит только от температуры, другой же только от давления, а коэффициенты расширения среды и сужающего устройства с трубопроводом вводятся в это же выражение в виде произведения постоянных коэффициентов на сомножителп, зависящие соответственно от температуры и да влен ия.

2. Устройство для ос гществления способа по п. 1, отл и ч а ю ще ес я тем, что, с целью увеличения точности измерений расхода тепла с автоматической коррекцией изменения удельного веса, коэффициента расхода, теплосодержания, а также коэффициентов расширения нагретой среды и су>кающего устройства с трубопроводом вследствие измекения температуры и давления потока нагретой среды, в нем применены потенциометрические датчики расхода, давления и температуры, соединенные в множительно-делительную схему.

R, ( ( ( (Rco

Состав:((ã. i(. В. С. Ко";!.o!:

Р(дактор H. С. Когаи 1ехред А. А. Камышиикова Коро(к(ор Г. Е. Опарииа

Поди. к печ. 14/V — 64 г. Формат бум. 70;<108(, i(; Оовем О,Я7 изд. д.

Заказ 3137/10 Тираж 500 (1еиа ) I(o;i

11ИИИПИ Государственного ком(итега ио дедам иаобр(теll;1!i и;ткрмт i Е C. P

Москва, Цс(ггр, ilp Серова, д. 4

Тииогр((фии, i:ð. Сii:((и(ова, 2