Устройство для измерения теплоэффективности теплообменников

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для измерения теплового потока при определении тепловой эффективности теплообменников, например, автотракторных радиаторов. Устройство для измерения теплоэффективности теплообменников, включающее теплоизолированный корпус с крышкой, изоляторы, электроды, измерительный прибор, теплообменник, соединенный трубопроводом с крышкой и нижней частью корпуса, расширительную емкость, соединенную с нижней частью теплоизолированного корпуса и имеющую возможность перемещения по вертикали, теплообменник расположен в горизонтальной плоскости, а площадь горизонтального сечения расширительной емкости в 2…10 раз больше площади горизонтального сечения корпуса котла. Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение быстродействия и точности результата измерения, снижение энергопотребления и зависимости от дополнительных энергоисточников. 1 ил.

 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для измерения теплового потока при определении тепловой эффективности теплообменников, например, автотракторных радиаторов.

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 значительное энергопотребление, зависимость процедуры измерения от дополнительных энергоисточников (работа компрессора, термостабилизация воздушной среды в зоне измерения) и значительная погрешность, т.к. генерируемая электродным узлом мощность дополнительно расходуется на нагрев вытесняемой части воды в расширительной емкости, где ее температура не контролируется, а стенки расширительной емкости не имеют теплоизоляции. Дополнительными источниками погрешности являются неконтролируемое поступление энергии сжатого воздуха на компенсацию падения давления в системе при изменяющейся тепловой нагрузке, а также неравномерность температурного поля по фронту теплообменника при малых скоростях теплоносителя.

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

Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения теплоэффективности теплообменников, включающее теплоизолированный корпус с крышкой, изоляторы, электроды, измерительный прибор, теплообменник, соединенный трубопроводом с крышкой и нижней частью корпуса, расширительную емкость, соединенную с нижней частью теплоизолированного корпуса и имеющую возможность перемещения по вертикали, теплообменник расположен в горизонтальной плоскости, а площадь горизонтального сечения расширительной емкости в 2 …10 раз больше площади горизонтального сечения корпуса котла.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства для измерения теплоэффективности теплообменника.

Устройство содержит герметизированный корпус 1 с крышкой 2, электроды 3 с проходными изоляторами 4. Электроды 3 подключены к источнику питания промышленной частоты и напряжения 220/308 (возможны другие варианты) через измерительный прибор (амперметр, ваттметр) 5. Исследуемый теплообменник 6 соединен гибкими рукавами 7 и 8 с крышкой и нижней частью корпуса, соответственно. Расширительная емкость 9 соединена гибким трубопроводом 10 с нижней частью корпуса. Наружные поверхности корпуса 1, крышки 2, расширительной емкости 9 и трубопроводов 7, 8 и 10 выполнены из материала с высоким термическим сопротивлением или покрыты слоем теплоизоляции 11. Вентиль 12 (в днище корпуса) служит для заполнения системы технической водой. Вентили 13 (в теплообменнике) и 14 (в расширительной емкости) служат для удаления вытесняемого из системы воздуха.

Моделирование тепловой нагрузки на теплообменник 6 осуществляется вентилятором 15 с электроприводом 16. Для снижения энергозатрат на привод направление вращения вентилятора выбирают таким образом, чтобы принудительное движение теплоносителя (воздуха) совпадало с его направлением при естественной конвекции.

С целью выравнивания температурного поля воздушного потока, теплообменник в рабочем положении (горизонтальном) может быть установлен на воздуховод 17 с выпрямляющей решеткой 18.

Регулирование давления, осуществляемое в прототипе за счет автономного или централизованного источника, в предлагаемом устройстве выполняет подвижная расширительная емкость, которую для снижения погрешности измерения и быстродействия выполняют таким образом, чтобы площадь ее горизонтального сечения S_p превышала площадь поперечного сечения корпуса котла S_к (рекомендуется S_р/S_к=2…10). В этом случае изменение тепловой нагрузки, сопровождающееся изменением уровня раздела фаз «жидкость-пар» в корпусе котла Δh_к, будет уменьшать перепад высоты Δh_р жидкости в расширительной емкости на соответствующую величину (в 2…10 раз). Это снизит перепад давлений при определении теплоэффективности теплообменника на различных тепловых нагрузках от q₀ до q_мах и, соответственно, погрешность измерения.

Соотношения S_р/S_к=2 (и более) позволяет в 2 (и более) раза снизить погрешность, возникающую при снижении тепловой нагрузки. При соотношении S_р/S_к=10 погрешность от разницы в перепадах давления снижается на порядок. Увеличение соотношения площадей S_р/S_к более 10 возможно, но приведет к неоправданному увеличению площади, занимаемой оборудованием, расходу материалов и теплопотерям.

Устройство для измерения теплоэффективности теплообменников работает следующим образом. Перед началом работы расширительную емкость 9 устанавливают в положение I (см. чертеж), а теплообменник 6 - вертикально (положение А). Причем вентиль 13 находится в верхней точке теплообменника, что позволяет более полно вытеснить воздух. При открытом вентиле 12 заполняют систему, образованную теплообменником, расширительной емкостью, электродным котлом и гибкими рукавами, технической водой с установленной электрической проводимостью. Вентили 13 и 14 находятся в открытом положении.

После полного вытеснения из системы воздуха водой вентили 13 и 14 (после пролива из него воды), а затем 12 - закрывают. Теплообменник устанавливают в горизонтальное положение Б на линии принудительного движения теплоносителя (воздуха).

Расширительную емкость 9 устанавливают на контролируемом уровне II, который соответствует равенству уровня максимальной нагрузки электродного узла q_max и уровня пролива жидкости из расширительной емкости через вентиль 14. Для удобства контроля рекомендуется использовать водомерные стекла.

От источника питания на электроды 3 подают рабочее переменное напряжение 220 (380) В и производят нагрев воды в котле до температуры парообразования, в результате чего паровая фаза вытесняет воду из всех элементов замкнутой системы, расположенных выше уровня раздела фаз «пар-жидкость» в расширительную емкость 9. В отсутствие принудительной тепловой нагрузки (вентилятор 15 с приводом 16 выключены) высота рабочей части электродов будет соответствовать минимальной тепловой нагрузке q₀. При этом уровень жидкости в расширительной емкости 9 с учетом ее расширения при нагреве, установится на линии р₀.

Необходимым условием при измерении тепловой эффективности теплообменника является превышение потребляемой электрической мощности электродного узла парогенератора над максимальным значением измеряемой тепловой нагрузки на теплообменник.

Временной интервал подготовки устройства к работе в отсутствии принудительной тепловой нагрузки на теплообменник 6 включает прогрев всех взаимодействующих с греющей средой конструктивных элементов устройства до температуры, соответствующей температуре баланса тепломассообменного процесса, который регистрируется измерительным прибором (ваттметром). Минимальное и неизменное значение показаний ваттметра свидетельствует о достижение состояния баланса генерируемой и рассеиваемой мощности (теплового потока) при исследуемом температурном напоре - разнице между температурой насыщенного пара (зависящего от атмосферного давления при уровне Н₀) и температурой теплоносителя (воздуха из окружающей среды или помещения). Температура насыщенного пара может регулироваться водяным столбом Н₀ относительно уровня раздела фаз «пар-жидкость» в котловом пространстве q₀. Устройство готово к работе для определения тепловой нагрузки при ее повышении за счет увеличения массового расхода теплоносителя (воздуха).

Для измерения теплоэффективности теплообменника в условиях изменения тепловой нагрузки не требуется корректировки положения уровня жидкости в расширительной емкости и, соответственно, давления, влияющего на температуру насыщенного пара. Например, для измерения теплоэффективности теплообменника при тепловых нагрузках q₁ и q₂, устанавливаемых путем создания исследуемых условий движения теплоносителя посредством электропривода вентилятора, необходимо после включения его соответствующего режима выдержать устройство до установления нового состояния баланса (например, соответствующего уровням q₁ или q₂ на чертеже) и произвести измерение и регистрацию новых значений электрической мощности P₁ и Р₂, которые будут соответствовать значениям тепловых потоков:

q₁=P₁

q₂=Р₂

Для существенно изменившихся условий проведения измерений, когда изменение температурного напора превышают 1…3°С, достаточно изменить положение расширительной емкости по вертикали. В случае снижения температурного напора (например, вследствие нагрева теплоносителя) необходимо расширительную емкость поднять на высоту Н₀+ΔН, из расчета 0,35 м. в.ст.≈1°С. При увеличении температурного напора необходимо понизить уровень расположения расширительной емкости соответственно на высоту Н₀-ΔH.

Для обеспечения равенства исходных условий измерения, в частности теплового напора, измерения и (или) вычисления теплового потока, компенсация отклонений температуры воздуха производится повышением (понижением) уровня установки расширительной емкости на высоту ±ΔН. При этом температура насыщенного пара на внутренней стенке теплообменника повысится (понизится) на соответствующую величину ±Δt. 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 теплоэнергетических воздействий, что снижает энергозатраты, повышает точность и быстродействие. Точность и быстродействие измерения повышается вследствие минимизации потерь энергии на поддержание заданных условий измерения.

Устройство для измерения теплоэффективности теплообменников, включающее теплоизолированный корпус с крышкой, изоляторы, электроды, измерительный прибор, теплообменник, соединенный трубопроводом с крышкой и нижней частью корпуса, расширительную емкость, соединенную с нижней частью теплоизолированного корпуса и имеющую возможность перемещения по вертикали, отличающееся тем, что теплообменник расположен в горизонтальной плоскости, а площадь горизонтального сечения расширительной емкости в 2…10 раз больше площади горизонтального сечения корпуса котла.