Способ измерения расхода теплоносителя

 

Использование в области техники измерения расхода жидкостей и газов, в частности сухого насыщенного пара. Сущность изобретения: в диаметральном сечении трубы измеряют температуру стенки и среднемассовую температуру теплоносителя или давления в случае течения сухого насыщенного пара, определяют плотность теплового потока с использованием градуировочной характеристики по показаниям дифференциальной термопары со спаями, расположенными на противоположных сторонах гибкого пояса - тепломера из малотеплопроводного электроизоляционного материала, размещенного на поверхности трубы, а расход теплоносителя при турбулентном режиме течения его в трубе определяют по математическим зависимостям для жидкости и сухого насыщенного водяного пара.

Изобретение относится к области техники измерения расхода жидкостей и газов, в частности сухого насыщенного пара.

Известны способы измерения расхода текучих сред, основанные на определении перепада давления в сужающем устройстве, на определении скорости потока, на использовании принципа электромагнитной индукции, на явлении смещения звукового колебания движущейся средой, на определении времени перемещения тепловой метки на определенном участке пути, на зависимости от мощности встроенного в канал нагревателя среднемассовой разности температур потока [1] Недостатком способов является необходимость размещения рабочих органов измерительных устройств внутри канала, где перемещается среда.

Известен термоконвективный способ измерения расхода жидкости и газа, заключающийся в измерении при стационарных динамических и тепловых условиях мощности теплового потока, передаваемого движущейся среде от стенки канала путем конвективного теплообмена, измерении разности температур наружной поверхности стенки на участке включающем в селя нагреватель, последующем определении искомого расхода по предварительно полученной градуировочной характеристике установки с использованием измеренных величин [2] Недостаток известного способа заключается в том, что точность и надежность измерения расхода сильно зависят от правильности выбора длины нагревателя и расположения относительно него термообразователей, измеряющих температуру стенки канала. Устройство для осуществления способа может быть использовано для измерения расхода только той среды, для которой предварительно получена градуировочная характеристика. Наличие нагревателя и необходимость подвода извне энергии для нагрева движущейся среды, а также максимально возможного уменьшения потерь теплоты в окружающее пространство и исключения влияния внешних тепловых возмущений обусловливают значительное усложнение устройства. Затруднено, а подчас невозможно измерение расхода теплоносителей, температура которых значительно превышает температуру окружающей среды.

Цель изобретения состоит в повышении надежности, универсальности по отношению к свойствам текучих сред, в упрощении и удешевлении измерения расхода теплоносителей за счет исключения нагрева движущейся среды.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения расхода теплоносителя, заключающемся в измерении теплового потока, передаваемого через стенку трубы, и температуры наружной поверхности стенки трубы при стационарных динамических и тепловых условиях, последующем определении расхода по градуировочной характеристике установки с использованием измеренных величин, согласно изобретению, в диаметральном сечении трубы измеряют температуру стенки и среднемассовую температуру теплоносителя или давление в случае течения сухого насыщенного пара, а плотность теплового потока определяют с использованием градуировочной характеристики по показаниям дифференциальной термопары со спаями, расположенными на противоположных сторонах гибкого пояса тепломера из малотеплопроводного электроизоляционного материала, размещенного на поверхности трубы, а расход теплоносителя при турбулентном режиме течения его в трубе определяют по зависимости где D внутренний диаметр трубы, м; q плотность теплового потока, Вт/м²; t_n среднемассовая температура теплоносителя, ^oC; t_ст температура наружной поверхности стенки трубы, ^oC; δ_ст толщина стенки трубы, м; λ_ст коэффициент теплопроводности материала стенки при температуре t_ст, Вт/(м·^oC);
μ динамический коэффициент вязкости теплоносителя при температуре t_п, Па·с;
l коэффициент теплопроводности теплоносителя при температуре t_п, Вт/(м·^oC);
Pr число Прандтля теплоносителя при температуре t_п,
причем для случая турбулентного течения в трубе сухого насыщенного водяного пара при давлении в интервале 0,1 1,6 МПа расход определяют по зависимости

где t_s температура насыщения пара при измеренном его давлении в трубе, ^oC.

В отличие от известного способа измерение температур теплоносителя и стенки трубы, а также плотности теплового потока в диаметральном сечении трубы позволяет достичь поставленную цель. Повышение надежности определения расхода достигается за счет пространственного уменьшения области, где осуществляются измерения первичных величин, что дает возможность максимально исключить влияние внешних тепловых воздействий. Использование в качестве одного из первичных параметров при измерении расхода теплоносителя плотности теплового потока от стенки в окружающую среду позволяет упростить и удешевить измерение, так как отпадает необходимость во внешнем нагревателе, размещаемом на станке трубы, и в затратах энергии на нагрев. Градуировочная характеристика, отражающая связь термо-ЭДС дифференциальной термопары пояса тепломера и плотности теплового потока, проходящего через этот пояс, независима от физических параметров движущейся в трубе среды, что обусловливает универсальность предлагаемого способа по отношению к свойствам текучих сред.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Известны технические решения [1] в которых расход текущей среды определяют на основании его связи с мощностью встроенного в канал нагревателя и разности среднемассовых температур потока до и после нагревателя. Известные решения имеют невысокие надежность и точность, потребляют при работе извне энергию в количестве тем большем, чем больше измеряемый расход и поперечный размер канала.

Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличия".

Предлагаемый способ измерения расхода теплоносителя реализуется следующим образом.

На прямом трубопроводе, в котором протекает теплоноситель, выбирается свободный от теплоизоляции участок, отстоящий не меньше, чем на пятнадцать калибров вниз по течению теплоносителя от места последнего изменения сечения, отвода или поворота трубопровода. На участке вокруг трубопровода накладывается гибкий пояс тепломер из малотеплопроводного и электронепроводящего материала, снабженный дифференциальной термопарой и термопарами для измерения температуры наружной поверхности стенки. Спаи последних, а также одна группа спаев дифференциальной термопары размещены на стороне пояса, плотно контактирующей с поверхностью трубы, а вторая группа спаев дифференциальной термопары размещена на противоположной стороне пояса, обращенной к окружающей среде. Пояс-тепломер должен иметь градуировочную характеристику, показывающую связь плотности теплового потока, проходящего через пояс, с термо-ЭДС дифференциальной термопары.

В процессе определения расхода теплоносителя при стационарных тепловых и динамических условиях измеряется среднемассовая температура теплоносителя в области размещения пояса тепломера или же, если в трубе протекает сухой насыщенный пар, эта температура находится по таблицам насыщенного пара по известному давлению в трубе. Измеряется с помощью термопар, установленных на поясе тепломере температуры наружной поверхности стенки, а также термо-ЭДС дифференциальной термопары. Последний параметр служит для определения по градуировочной характеристике плотности теплового потока от теплоносителя через стенку трубы в окружающую среду.

Найденная величина плотности теплового потока может быть записана выражением

где α локальный коэффициент теплообмена теплоносителя со стенкой трубы Вт/м²·K);
t_п среднемассовая температура теплоносителя, ^oC;
t_ст измеренная температура поверхности стенки, ^oC;
d_ст толщина стенки, м;
λ_ст коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м · ^oC).

Так как коэффициент теплообмена связан с расходом теплоносителя известными зависимостями, описывающими теплообмен, то совместное их рассмотрение с выражением (1) позволяет получить расчетную формулу для расхода теплоносителя. При турбулентном режиме течения в трубе, например локальный коэффициент теплообмена определяется уравнением [3]

где Re = G^*D/μ число Рейнольдса;
Pr число Прандтля при температуре t_п;
l коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/(м · ^oC), при температуре t_п;
G^* плотность потока массы теплоносителя, кг/(м² · c);
m динамический коэффициента вязкости, Па·с, теплоносителя при t_п.

Совместное рассмотрение формул (1) и (2) позволяет получить для расхода теплоносителя

Если теплоносителем является сухой насыщенный пар, что встречается весьма часто в промышленных технологиях, то первый сомножитель в квадратных скобках уравнения (3) может быть представлен как функция температуры насыщения пара t_s и в этом случае уравнение (3) упрощается. Для водяного пара, например, в интервале t_s 100 200^oC имеем

Предлагаемый способ определения расхода теплоносителя с использованием формул (3) или (4) наиболее эффективно может быть применен в действующем теплотехническом оборудовании, которое в силу каких-либо причин не может быть остановлено для монтажа на трубопроводах подачи теплоносителей стандартных расходомеров известных конструкций. Способ найдет применение при определении эффективности энергосберегающих мероприятий.

Использование предлагаемого способа измерения расхода теплоносителя обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
1. Простота аппаратурного оформления, ограниченное число и однородность измеряемых первичных параметров, повышенная, в связи с этим, надежность измерений.

2. Достаточно большая универсальность и возможность использования в широком интервале изменения температур и физических свойств теплоносителей.

3. Легко адаптируется для измерений при различных рабочих условиях.

4. Практическая независимость точности измерений от влияния внешних тепловых воздействий.

5. Отсутствие потребления энергии извне на осуществление измерения расхода.

Формула изобретения

Способ измерения расхода теплоносителя, заключающийся в измерении теплового потока, передаваемого через стенку трубы, и температуры наружной поверхности стенки трубы при стационарных динамических и тепловых условиях, последующем определении расхода по градировочной характеристике установки с использованием измеренных величин, отличающийся тем, что в диаметральном сечении трубы измеряют температуру стенки и среднемассовую температуру теплоносителя или давление в случае течения сухого насыщенного пара, а плотность теплового потока определяют с использованием градуировочной характеристики по показаниям дифференциальной термопары со спаями, расположенными на противоположных сторонах гибкого пояса-тепломера из малотеплопроводного электроизоляционного материала, размещенного на поверхности трубы, расход теплоносителя при турбулентном режиме течения его в трубе определяют по зависимости

где D внутренний диаметр трубы, м;
q плотность теплового потока, Вт/м²;
t_п среднемассовая температура теплоносителя, ^oС;
t_ст температура наружной поверхности стенки трубы, ^oС;
δ_ст толщина стенки трубы, м;
λ_ст коэффициент теплопроводности материала стенки при температуре t_ст, Вт/(м·^oС);
μ динамический коэффициент вязкости теплоносителя при температуре t_п, Па·с
l коэффициент теплопроводности теплоносителя при температуре t_п, Вт/(м·^oС);
P_ч число Прандтля теплоносителя при температуре t_п,
а для случая турбулентного течения в трубе сухого насыщенного водяного пара при давлении в интервале 0,1 1,6 МПа расход определяют по зависимости

где t_s температура насыщения пара при измеренном его давлении в трубе, ^oС.