第八章 热量测量

第八章热量测量 热流密度的测量热量及冷量的测量 第一节热流密度的测量 热流密度 单位时间内通过单位面积的热量 两等温面温差 两等温面之间的距离 m 一 工作原理 2 温差的测量采用热电偶 带入热流密度公式 热电偶系数 C下降 对于相同的热流量q 升高 灵敏度增加 C增加 对于相同的热流量q 减少 灵敏度下降 实现的方法 串联热电偶 3 热流计系数C 当热流计有单位热电势输出时 通过它的热流量 提高热阻 降低C提高灵敏度的措施 提高热电偶系数C 二 构造 平板型 圆弧型 以平板型为例 选一块 厚度为1mm的环氧树脂玻璃纤维板 将中间挖空尺寸为100 100mm 挖下的这块剪成10 100mm的小条 作为热电堆基板 在这些热电堆基板上绕制热电堆 再用环氧树脂封于边框内 将热电堆串联起来 将两端头焊在接线片上 在平板两个端面上贴上涤纶薄膜作为保护层 三 热电堆的制作 在基板上按一定间距绕以直径为0 07mm的康铜丝 将绕好的康铜丝的检测板一半浸在电镀槽中 测量范围 0 8360kJ m2h使用范围 40 150 极限200 误差 6 热电堆式热流传感器框图 四 安装 多点式热流计 测定项目 热流和温度 测定范围 热流 0 99999W m2或kcal m2h 温度 K型热电偶 200 1200 C 温度 T型热电偶 200 400 C 产品型号 HFM 215产品展商 鸿盛科仪有限公司 1 便于携带和数据处理 体积小且重量轻2 5 5英吋彩色显示屏幕 可显示热流图型 棒状图型 数字显示等 3 六个频道的测定 可储存每一秒循环之数据 共27个小时 4 数据可储存在内藏式3 5吋软盘中 5 可通过标准的网络功能储存数据 6 具有网络卡和收发电子邮件功能 7 包含充电电池和AC电源 多点式热流计 产品名称 便携式热流计产品型号 HFM 201测定项目 热流和温度 测定范围 热流 0 9999W m2或kcal m2h 温度 K型热电偶 99 9 999 9 C T型热电偶 199 9 400 C 便携式热流计 HFM 201 1 热流值和温度可切换显示 2 温度感应器可切换成铬 铝热电偶或铜 铜镍电偶 3 包含TR B热流感应器 4 可储存20组数据档案 总共100个数据 5 二种电源供应方式 干电池或AC电源 6 标准配件RS 232C界面 7 包括携带式外箱 8 可选购打印机 热量测量计量 长期以来 我国北方地区城镇居民采暖用热一般按住宅面积而不是按实际用热量计量收费 导致用户节能意识差 造成资源的浪费 显然该计量方法缺乏科学性 而欧美等发达国家在八十年代初 热量表的使用已相当普遍 热力公司以热量表作为计价收费的依据和手段 节能20 30 作为建筑节能的一项基本措施 我国国家建设部已将热量计量收费列入 建筑节能 九五 计划和2010年规划 因此 研制开发用于采暖计价的热量表势在必行 热量测量计量 热量表是一种适用于测量在热交换环路中 载热液体所吸收或转换热能的仪器 热量表用法定的计量单位显示热量 热量表又称热能表 热能积算仪 既能测量供热系统的供热量又能测量供冷系统的吸热量 将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上 流量计安装在流体入口或回流管上 流量计安装的位置不同 最终的测量结果也不同 流量计发出与流量成正比的脉冲信号 一对温度传感器给出表示温差的模拟信号 热量表采集来自三路传感器的信号 利用积算公式算出热交换系统获得的热量 第二节热量及冷量的测量 以热量表为例 Q Lm h dt 一 热量表的技术现状 主要包括叶轮式 超声波式和电磁式三种形式 叶轮式流量传感器因其测量原理和结构相对简单 价格较低 在户用表中普遍采用 流量传感器 一 热量表的技术现状 机械式热量表 采用机械式流量计的热量表的统称 机械式流量计的结构和原理与热水表类似 具有制造工艺简单 相对成本较低 性能稳定 计量精度相对较高等优点 目前在DN25以下的户用热量表当中 无论是国内还是国外 几乎全部采用机械式流量计 由于机械式热表因其经济 维修方便和对工作条件的要求相对不高 在热水管网的热计量中又占据主导地位 一 热量表的技术现状 机械式热量表 采用超声波式流量计的热量表的统称 它是利用超声波在流动的流体中传播时 顺水流传播速度与逆水流传播速度差计算流体的流速 从而计算出流体流量 对介质无特殊要求 流量测量的准确度不受被测流体温度 压力 密度等参数的影响 一般DN40以上的热量表多采用这种流量计 具有压损小 不易堵塞 精度高等特点 一 热量表的技术现状 机械式热量表 根据热量表总体结构与设计原理的不同 热量表可分为 整体式热量表指热量表的三个组成部分中 积算器 流量计 温度传感器 有两个以上的部分在理论上 而不是在形式上 是不可分割的结合在一起 比如 机械式热量表当中的标准机芯式 无磁电子式 热量表的积算器和流量计是不能任意互换的 检定时也只能对其进行整体测 一 热量表的技术现状 机械式热量表 根据热量表总体结构与设计原理的不同 热量表可分为 组合式热量表组成热量表的三个部分可以分离开来 并在同型号的产品中可以互相替换 检定时可以对各部件进行分体检测 国内外热量表叶轮式流量传感器对比 积算仪 国内外热量表积算仪对比 目前应用的主要测温敏感元件有PT电阻 热敏电阻和新型半导体测温元件 在热量表中常用的为PT1000 PT100和PT500作为配对温度传感器 无论采用何种形式的温度传感器 都需要正确配对 满足最小测量温差的要求 配对温度传感器 二 系统的硬件设计 BCLR热量表 BCLR热量表 热量表的计量原理是采用焓差法和K系数法 前者是计算时间的积分 后者是计算流量的积分 这些公式的推导都是基于下面这样一个简单的热力学基本原理 即 定义1 1升纯净的水 比热为1 温度每变化1 所吸收或放出的热量是1000卡 也就是1大卡 在热量表的实际应用中 考虑到导热介质水是流动的 并且在不同压力和温度下水的比热也是变化的 所以在具体应用定义1时 就形成了两种常用的热量计算方法 传热量一般由载热流体的质量 比热容和温度变化等因素决定 对热量表来说 进出口的焓值还与时间成比例 国内热量表一般采用焓差法计算热量 焓差法的传热公式为 为释放热量 kj或kW hqm为质量流量 kg s h为进出口焓差 kj kg k为热交换系数 kW h m3 t为时间 s 为进出口温差 qv为累积流量 m3 直接焓差法 pf Cpr为入口与出口的定压比热容 qv qm为瞬时体积流量 瞬时质量流量pf pr为入口与出口温度下的载热流体密度 f r为入口与出口的温度 该公式计算简单 只要根据实测温度 f r查表得 pf Cpr pf pr等 个常数 显然 温度测量精度越高 数据表所占的存储空间越大 并且 对于实测温度 需要采用线性插值等近似计算技术 通过搜索与其距离最近的点计算相应的焓值 从而得出瞬时热量 但这一方法会带来人为误差 分段式k系数法 式中 k是热交换系数 当压力一定时 它随温度而变化 将其按回水温度进行分类 r 2 k k3该方法将热交换系数量化为三个分段常数 在一定程度上对其进行了温度修正 式中三个关键常数凭经验来确定 而且温度区间划分较粗 温度适应性依然较差 因此 分段式k系数法仅适用于对热量计量的精度要求不高 温度变化也较小的情况 以上无论是焓差法抑或分段式k系数法都可以达到一定的精度 但是其计量方法和计量精度均达不到OIML 75国际规程和EN1434欧洲标准等国际标准的规定 k系数补偿法实现了热指数的在线温度和压力补偿 大幅度提高了热量计量的精度 OIML R75国际规程和EN1434欧洲标准都对热系数k如何计算有明确的说明 在载热介质一定的热交换回路中 热系数是压力 温度的函数 可以按下式计算 式中 q i 为入口温度或出口温度下载热流体的流量 f r为入口温度 出口温度 Cp 为简化计算 引入如下参数 式中 u c1 为比温度 p pc1 为比压力 u 为比自由焓 即吉布斯函数 Gibbsfunction c1 647 3K pc1 22120000J m3 表示载热介质为水时选取的参考温度 参考压力 参考容积 在流量计安装在回水管 压力为0 6MPa 温差为10 40 时 热系数与入水温度的关系曲线 由图2可以看出 在工作压力和温差保持不变的情况下 入口温度越高 热系数越低 入口温度保持不变时 温差越大 热系数越大 压力在允许范围内的变化对热系数的影响不大 当温度或温差一定时 热系数随压力基本保持不变 6 因为热量表的实际工作环境近似于定压状态 所以可以认为吉布斯函数近似是温度 入水与回水温度 的函数 温度和流量分别通过温度传感器和流量传感器来测量 由热量表的计算公式可以看出 无论是采用K系数法还是焓差法的热量表 为得到热量值 最终需要测量并引用如下4个参数 流量 热交换系统的体积流量 单位 M3进水温度 热交换系统的进水温度 单位 回水温度 热交换系统的回水温度 单位 压力 热交换系统的压力 单位 Mpa在上述参数中 根据设计规范 热力系统的压力一般分为 1 0Mpa和 2 5Mpa两种 而且 当系统的压力稍有波动时 其本身的变化引起的热计量误差不大 所以 热量表在生产时也分为两种类型 常温表 默认压力1 6Mpa 工作温度为4 95 高温表 默认压力是2 5Mpa 工作温度为4 150 这样 热量表在计量热量时需要进行实时测量的参数就只有流量 进水温度和回水温度了 热水流量标准检测系统主要由主标准器 供回水系统 试验管路系统和流量 温度 压力计量显示仪表等组成 其中 主标准器可选择不同的结构和类型组合 构成不同形式 不同准确度等级的热水流量检测系统 主要有质量法 含启停质量法 和标准表法 热量表的检定从原则上来说 应当尽可能模拟实际工作的状态来进行 但是热量表的实际状态是由流量和温差二个参数的任意组合而确定的 很难模拟所有的实际状态 所以 通常用下面的方法进行检测 1 整体检定法整体式热量表最好用整体检测方法进行检定 具体做法是由标准的检定