Способ определения расхода тепловой энергии потребителя с вертикальной и другими видами разводки теплоисточников

Изобретение относится к теплотехническим измерениям и может быть использовано для определения расхода тепловой энергии потребителями с вертикальной и другими видами разводки теплоисточников. Сущность: устанавливают диапазон разности температур работы теплоисточников. Эмпирически определяют соответствующий каждому диапазону температур коэффициент расхода тепла. С частотой 0,2-1,0 часа поочередно по всем теплоисточникам определяют разность температур между поверхностью теплоисточника и окружающей средой. Определяют расход тепловой энергии каждого теплоисточника и всего потребителя. Технический результат: упрощение определения расхода тепловой энергии, повышение точности измерений. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к теплотехнический измерениям и позволяет определить расход тепловой энергии потребителя с вертикальной и другими видами разводки теплоисточников только по одному переменному параметру - разности температур. Оно может быть использовано в городском хозяйстве для определения потребления тепловой энергии в помещениях (квартире, офисе, коттедже и т.д.), а также для измерения и контроля расхода тепловой энергии в различных технологических процессах.

В настоящее время в основном используют способ определения расхода тепловой энергии по количеству прошедшего теплоносителя и разности его температур на входе и выходе, т.е. по двум переменным параметрам (теплосчетчики). Однако указанный способ предназначен только для горизонтальной разводки отопительной системы и применение его для принятой в РФ вертикальной разводки отопительной системы нерентабельно (см. А.С. СССР №932292, G 01 K 17/06, 82 г.)

В теплотехнических измерениях известен и второй способ определения расхода тепловой энергии по формуле Ньютона-Рихмана, т.е. по разности температур поверхности теплоисточника и окружающей среды и по коэффициенту теплоотдачи, т.е. по двум переменным параметрам. Многие специалисты и изобретатели пытались упростить вычисление расхода по указанной формуле, особенно определение сложновычисляемого коэффициента теплоотдачи, который при каждом измерении вычисляют через критерии Гросгофа, Прандтля, Нуссельта, через среднюю температуру, разность температур, параметры воздуха - коэффициент теплопроводности, коэффициент вязкости, коэффициент объемного расширения и т.д., которые изменяют свои параметры при изменении температуры, но до настоящего времени эта задача не решена. Поэтому данный способ практически не используется для определения расхода тепловой энергии.

В качестве примера попыток упрощения вычисления коэффициента теплоотдачи можно рассмотреть а.с. СССР №1781563, G 01 К 17/20, 92 г. "Способ определения локального коэффициента теплоотдачи", заключающийся в установке к теплоисточнику датчика теплового потока, который нагревают импульсным током и в момент равенства температур датчика и теплоисточника по тепловому потоку, температуре окружающей среды и температуре датчика определяют величину локального коэффициента теплоотдачи.

Имеется патент RU №2095769, G 01 K 17/20, 97 г. "Устройство учета расхода тепловой энергии отопительного прибора, в котором блок вычисления коэффициента теплоотдачи определяет его по прямолинейной зависимости от разности температур с точностью всего ±5%.

Однако все попытки приводили к усложнению определения коэффициента теплоотдачи или понижению точности его определения.

Наиболее близкий по технической сущности является "Способ определения расхода тепла локальными потребителями, входящими в объединенную систему потребителей тепла". Патент RU №2138029, G 01 K 17/08, 1998 г.

Сущность этого изобретения заключается в том, что под локальным потребителем авторы понимают квартиру, а под объединенной системой потребителя - весь дом. Сначала авторы известным способом по теплосчетчику для горизонтальной разводки определяют расход тепловой энергии всего дома, а затем его распределяют по каждой квартире, но не как принято в настоящее время по площади квартир, а по формуле Ньютона-Рихмана. Для этого на каждую батарею в каждой квартире дома устанавливают термодатчики, соединенные последовательно для определения средней разности температур по квартире и по всему дому. Затем определяют суммарную площадь поверхности батарей по каждой квартире и по всему дому. По расходу тепловой энергии на весь дом, площади поверхности батарей всего дома и средней разности температур всего дома, по формуле Ньютона-Рихмана определяют средний коэффициент теплоотдачи всего дома. Затем в ту же формулу вводят значения среднего коэффициента теплоотдачи, среднюю разность температур квартиры, площадь поверхности батареи квартиры и определяют расход квартиры, т.е. посуществу это не способ определения расхода локальным потребителем, а один из способ распределения известного расхода на весь дом по каждому локальному потребителю. Для этого распределения, кроме установки большого количества термодатчиков и кабелей связи, в каждой квартире установливают блок КВП, который определяет разность температур и передает ее в блок ПК. Одновременно из домового концентратора ДК в блок ПК поступают данные о среднем коэффициенте теплоотдачи и ПК определяет расход тепловой энергии конкретного потребителя (квартиры).

Недостатками данного способа являются:

- низкая точность распределения расхода по каждой квартире, сравнимая с распределением по площади квартир, что связано с неправильным использованием формулы Ньютона-Рихмана, которая предполагает, что входящие в нее параметры используются только от одного теплоисточника, а затем полученные расходы от каждого теплоисточника можно складывать, но не наоборот, как предложил автор патента,

- сложность и дороговизна данного способа,

- большое количество и большая протяженность линий связи,

- невозможность применения данного способа, если одна или несколько квартир многоквартирного дома откажутся установить квартирный прибор определения разности температур и термодатчики на батареи и в комнатах.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что в настоящее время не существует способа определения расхода тепловой энергии для вертикальной разводки теплоисточников, т.к. определение его осуществляется с низкой точностью или вообще измерение нерентабельно. Однако правительство РФ и мэрии городов предписывают установку таких приборов, т.к. поквартирный учет тепла дает большую экономию теплоэнергоресурсов - до 30-40%.

Задачей предлагаемого изобретения является создание простого и недорогого способа определения расхода тепловой энергии потребителя с вертикальной и другими видами разводки теплоисточников и повышение точности измерения.

Сущность заявленного изобретения "Способ определения расхода тепловой энергии потребителя с вертикальной и другими видами разводки теплоисточников" заключается в следующем. Предварительно один раз устанавливают диапазон разности температур работы теплоисточников и по таблице определяют соответствующий ему коэффициент расхода тепла. После чего определение разности температур между поверхностью теплоисточника и окружающей средой ведут периодически с частотой от 0.2 до 1.0 часа поочередно по всем теплоисточникам, а затем определяют расход тепловой энергии каждого теплоисточника и всего потребителя в целом по формуле:

Q=(K·ΔТ1·S1·t)+...+(K·ΔTn·Sn·t)

где: Q - расход тепловой энергии потребителя,

ΔTn - разность температур "n" теплоисточника,

Sn - площадь поверхности "n" теплоисточника, которая отдает тепло,

K - коэффициент расхода тепла,

t - время расхода,

n - количество теплоисточников у потребителя,

таблица
диапазон ΔТ°С	коэффициент расх. тепла K
0-80	1,32
50-450	0,96
420-820	0,77
790-1190	0,65

Указанная физическая формула и таблица получена заявителей эмпирическим путем. Вначале била выведена формула функциональной криволинейной зависимости коэффициента теплоотдачи от разности температур, что повысило точность измерения. Затем вместо коэффициента теплоотдачи в формулу Ньютона-Рихмана ввели формулу его функциональной зависимости от разности температур. Анализ полученной физической формулы показал, что при изменении диапазона разности температур теплоисточника формула не изменяется, а изменяется только коэффициент расхода тепла, указанный в таблице.

Периодичность измерения разности температур с частотой от 0.2 до 1.0 часа определяется массой теплоисточника и теплоносителя, а также временем, которое требуется на опрос веек теплоисточников и расчет расхода по каждому теплоисточнику и всему потребителю.

Из вышеизложенного можно подчеркнуть следующие признаки заявленного изобретения, которые отличают его от известных изобретений.

1. Способ определения расхода тепловой энергии предназначен для потребителя с вертикальной и другими видами разводки теплоисточников.

2. Коэффициент теплоотдачи выражают через криволинейную функциональную зависимость от разности температур.

3. Формулу функциональной зависимости определяют также как коэффициент теплоотдачи для максимальной температуры диапазона, но значение разности температур оставляют в общем виде и полученную формулу вводят в формулу Ньютона-Рихмана вместо коэффициента теплоотдачи.

4. Получают только одну новую формулу для определения расхода тепловой энергии для требуемого диапазона разности температур, т.е. не требуются дополнительные формулы, например, для определения коэффициента теплоотдачи.

5. Только один раз предварительно устанавливают диапазон разности температур работы теплоисточников и выбирают соответствующий ему коэффициент расхода тепла из таблицы.

6. Определение разности температур ведут периодически с частотой от 0.2 до 1.0 часа поочередно по всем теплоисточникам.

7. Только по одному переменному параметру - разности температур определяют расход каждого теплоисточника и потребителя в целом.

8. Отдельно не определяют коэффициент теплоотдачи.

9. Повышают точность измерения за счет применения криволинейной функциональной зависимости от разности температур.

10. Изменен порядок операций вычисления, т.к. в известных изобретениях в каждом измерении сначала определяют разность температур, вычисляют коэффициент теплоотдачи, а затем их вводят в формулу Ньютона-Рихмана и производят определение расхода, а в заявленном один раз предварительно по требуемому диапазону работы теплоисточника определяют коэффициент расхода тепла, а затем в каждом измерении определяют расход только по одному переменному параметру - разности температур.

11. По отношению к прототипу заявленный способ проще, точнее и дешевле, т.е. он будет доступен для рядового квартиросъемщика. Блок-схема одного из возможных устройств, работающего по данному способу, показана на чертеже. Она состоит из микропроцессора 1, выход которого соединен с дисплеем 2, источника питания 3 (литиевая батарея) для питания микропроцессора и дисплея, а также датчиков температур от 4 до n, которые соединены по однопроводному интерфейсу со входом микропроцессора.

Предварительно перед установкой каждого датчика температур на данный теплоисточник в него записывают значение площади поверхности этого теплоисточника, а в центральный микропроцессор - заявленную формулу с требуемым коэффициентом расхода тепла.

Устройство работает следующим образом. Микропроцессор запрашивает данные, например, с датчика температуры первого теплоисточника и получает его температуру и площадь поверхности. Затем микропроцессор получает значение температуры окружающей среды и определяет разность температур между температурами поверхности теплоисточника и средой. По разности температур и площади поверхности микропроцессор вычисляет расход тепловой энергии данного теплоисточника по записанной формуле и полученный результат суммируется в памяти микропроцессора и выводится на дисплей. Затем микропроцессор запрашивает данные следующего теплоисточника и цикл повторяется до последнего теплоисточника, входящего в потребитель, а хранящаяся в памяти сумма всех расходов тепловых энергий теплоисточников является расходом тепловой энергии потребителя. Затем микропроцессор переходит в режим пониженного потребления мощности и ожидания сигнала на включение. По истечении заданного времени (от 0.2 до 1.0 часа) микропроцессор переходит в рабочий режим и весь цикл опроса получение расхода тепловой энергии теплоисточников и всего потребителя повторяется и т.д. Нажатием кнопки включения дисплея с него снимают показания расхода тепловой энергии потребителя за требуемое время. Разница между последними показаниями и предыдущими за определенное время есть расход тепловой энергии за это время.

Использование заявленного способа позволит;

- повысить точность определения расхода тепловой энергии,

- определять расход тепловой энергии непосредственным, а не косвенным способом через теплоноситель,

- определять расход тепловой энергии потребителя с любым видом разводки теплоисточников (вертикальная, горизонтальная, смешанная и т.д.), с любым видом теплоносителя (вода, пар, масло, тосол и т.д.) и других внутренних нагревов (электрического, химического, электрохимического, атомного и т.д.),

- устанавливать только одно устройство на каждый потребитель,

- элементы устройства устанавливать без врезки в отопительную систему,

- упростить устройство и значительно снизить его стоимость, чтобы он был доступен для рядового квартиросъемщика.

Способ определения расхода тепловой энергии потребителя с вертикальной и другими видами разводки теплоисточников, включающий определение разности температур между поверхностью теплоисточника и окружающей средой, отличающийся тем, что предварительно один раз устанавливают диапазон разности температур работы теплоисточников и по таблице определяют соответствующий ему коэффициент расхода тепла, после чего определение разности температур между поверхностью теплоисточика и окружающей средой ведут периодически с частотой от 0,2 до 1,0 ч поочередно по всем теплоисточникам, а затем определяют расход тепловой энергии каждого теплоисточника и всего потребителя в целом по формуле

Q=(K·ΔT₁ ^4/3·S₁·t)+...+(K·ΔT_n ^4/3·S_n·t),

где Q - расход тепловой энергии потребителя;

ΔT_n - разность температур n теплоисточника;

S - площадь поверхности n теплоисточника, которая отдает тепло;

К - коэффициент расхода тепла;

t - время расхода;

n - количество теплоисточников у потребителя.

Диапазон ΔТ°С	Коэффициент расхода тепла К
0-80	1,32
50-450	0,96
420-820	0,77
790-1190	0,65