RU2395756C1 - Device for measuring heat efficiency of heat exchangers - Google Patents

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: device for measuring heat efficiency of heat exchangers includes heat-insulated housing with cover, insulators, electrodes, measuring device, heat exchanger connected to pipeline with cover and lower part of the housing, expansion bottle connected to lower part of heat-insulated housing and having the possibility of being moved in vertical direction; heat exchanger is located in horizontal plane, and area of horizontal section of expansion bottle is more than horizontal section area of the boiler body by 2…10 times.

EFFECT: increasing quick operation and accuracy of measuring result, reducing energy consumption and dependence on additional energy sources.

1 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для измерения теплового потока при определении тепловой эффективности теплообменников, например, автотракторных радиаторов.The invention relates to heat engineering and can be used to measure heat flux when determining the thermal efficiency of heat exchangers, for example, tractor radiators.

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.Known electrode boiler (see RF patent No. 2279605, F22B 1/30, 07/10/2006. Bull. No. 19), including a thermally insulated body with a cover, insulators with electrodes, a heat exchanger with pipelines and an expansion tank with a pressure gauge connected by a pipe to the bottom electrode boiler. The heat flux is measured by a measuring device (ammeter) in case of stationary heat transfer under conditions of a balance of the generated and dissipated heat flux. To increase the accuracy of measurements, the pressure drop in the system is compensated by means of a compressor.

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.The disadvantage of this electrode boiler as a heat flow meter is its significant energy consumption, the dependence of the measurement procedure on additional energy sources (compressor operation, thermal stabilization of the air in the measurement zone) and significant error, because the power generated by the electrode assembly is additionally spent on heating the displaced part of the water in the expansion vessel, where its temperature is not controlled, and the walls of the expansion vessel do not have thermal insulation. Additional sources of error are the uncontrolled supply of compressed air energy to compensate for the pressure drop in the system with a changing heat load, as well as the unevenness of the temperature field along the front of the heat exchanger at low coolant speeds.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение быстродействия и точности результата измерения, снижение энергопотребления и зависимости от дополнительных энергоисточников.The technical result of the claimed invention is to increase the speed and accuracy of the measurement result, reduce energy consumption and dependence on additional energy sources.

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.The problem is solved in that a device for measuring the heat efficiency of heat exchangers, including a thermally insulated housing with a cover, insulators, electrodes, a measuring device, a heat exchanger connected by a pipeline to the cover and the lower part of the housing, an expansion tank connected to the lower part of the insulated housing and having the ability to move along vertical, the heat exchanger is located in a horizontal plane, and the horizontal cross-sectional area of the expansion tank is 2 ... 10 times larger than the burning area the horizontal section of the boiler body.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства для измерения теплоэффективности теплообменника.The drawing shows a schematic diagram of a device for measuring the heat efficiency of a heat exchanger.

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.The device contains a sealed housing 1 with a cover 2, electrodes 3 with bushing 4. The electrodes 3 are connected to a power source of industrial frequency and voltage 220/308 (other options are possible) through a measuring device (ammeter, wattmeter) 5. The studied heat exchanger 6 is connected by flexible sleeves 7 and 8 with a cover and a lower part of the housing, respectively. The expansion tank 9 is connected by a flexible pipe 10 to the lower part of the housing. The outer surfaces of the housing 1, cover 2, expansion vessel 9 and pipelines 7, 8 and 10 are made of a material with high thermal resistance or covered with a layer of thermal insulation 11. Valve 12 (in the bottom of the housing) serves to fill the system with technical water. Valves 13 (in the heat exchanger) and 14 (in the expansion tank) are used to remove air displaced from the system.

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.The heat load on the heat exchanger 6 is simulated by a fan 15 with an electric drive 16. To reduce the energy consumption for the drive, the direction of rotation of the fan is chosen so that the forced movement of the coolant (air) coincides with its direction during natural convection.

С целью выравнивания температурного поля воздушного потока, теплообменник в рабочем положении (горизонтальном) может быть установлен на воздуховод 17 с выпрямляющей решеткой 18.In order to equalize the temperature field of the air flow, the heat exchanger in the working position (horizontal) can be installed on the duct 17 with a rectifying grid 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.The pressure control carried out in the prototype due to an autonomous or centralized source in the proposed device performs a movable expansion tank, which, in order to reduce the measurement error and speed, is performed so that its horizontal section area S _p exceeds the cross-sectional area of the boiler body S _k (recommended S _p / S _k = 2 ... 10). In this case, a change in the heat load, accompanied by a change in the liquid-vapor phase separation level in the boiler body Δh _k , will reduce the height difference Δh _{p of the} liquid in the expansion tank by the corresponding amount (2 ... 10 times). This will reduce the pressure drop when determining the heat efficiency of the heat exchanger at various heat loads from q ₀ to q _max and, accordingly, the measurement error.

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.The ratio S _p / S _k = 2 (or more) allows 2 (or more) times to reduce the error that occurs when the heat load is reduced. When the ratio S _p / S _k = 10, the error from the difference in pressure drops decreases by an order of magnitude. An increase in the ratio of the areas S _p / S _to more than 10 is possible, but will lead to an unjustified increase in the area occupied by the equipment, the consumption of materials and heat loss.

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.A device for measuring the heat efficiency of heat exchangers works as follows. Before starting work, the expansion tank 9 is set to position I (see drawing), and the heat exchanger 6 is installed vertically (position A). Moreover, the valve 13 is located at the upper point of the heat exchanger, which allows more complete displacement of air. With the valve 12 open, the system formed by the heat exchanger, expansion tank, electrode boiler and flexible hoses, process water with installed electrical conductivity is filled. Valves 13 and 14 are in the open position.

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).After complete displacement from the air system with water, valves 13 and 14 (after spilling water from it), and then 12, are closed. The heat exchanger is installed in a horizontal position B on the line of forced movement of the coolant (air).

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.Expansion tank 9 is installed at a controlled level II, which corresponds to the equality of the maximum load level of the electrode assembly q _max and the level of spillage of liquid from the expansion tank through the valve 14. For the convenience of control, it is recommended to use gauge glasses.

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.A working alternating voltage of 220 (380) V is supplied from the power source to the electrodes 3 and the water in the boiler is heated to the temperature of vaporization, as a result of which the vapor phase displaces water from all elements of the closed system located above the level of the vapor-liquid phase separation into the expansion capacity 9. In the absence of forced heat load (fan 15 with drive 16 off), the height of the working part of the electrodes will correspond to the minimum heat load q ₀ . In this case, the liquid level in the expansion tank 9, taking into account its expansion during heating, will be established on the line p ₀ .

Необходимым условием при измерении тепловой эффективности теплообменника является превышение потребляемой электрической мощности электродного узла парогенератора над максимальным значением измеряемой тепловой нагрузки на теплообменник.A necessary condition for measuring the heat efficiency of the heat exchanger is the excess of the consumed electric power of the electrode assembly of the steam generator over the maximum value of the measured heat load on the heat exchanger.

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).The time interval for preparing the device for operation in the absence of a forced heat load on the heat exchanger 6 includes heating of all structural elements of the device interacting with the heating medium to a temperature corresponding to the balance temperature of the heat and mass transfer process, which is recorded by a measuring device (wattmeter). The minimum and unchanged value of the meter readings indicates the achievement of a state of balance of generated and dissipated power (heat flux) at the investigated temperature head - the difference between the temperature of saturated steam (depending on atmospheric pressure at level Н ₀ ) and the temperature of the coolant (air from the environment or the room) . The temperature of saturated steam can be controlled by a water column of H ₀ relative to the level of the phase separation "vapor-liquid" in the boiler space q ₀ . The device is ready to work to determine the heat load when it is increased by increasing the mass flow rate of the coolant (air).

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:To measure the heat efficiency of the heat exchanger under conditions of changing heat load, it is not necessary to adjust the position of the liquid level in the expansion tank and, accordingly, the pressure affecting the temperature of the saturated vapor. For example, to measure the heat efficiency of a heat exchanger under thermal loads q ₁ and q ₂ , established by creating the studied conditions for the movement of the coolant by means of a fan electric drive, it is necessary to maintain the device after turning on its corresponding mode until a new balance state is established (for example, corresponding to levels q ₁ or q ₂ on drawing) and measure and register new values of electric power P ₁ and P ₂ that will correspond to the values of heat fluxes:

q₁=P₁ q ₁ = P ₁

q₂=Р₂ q ₂ = P ₂

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.For significantly changed measurement conditions, when the temperature head change exceeds 1 ... 3 ° C, it is enough to change the vertical position of the expansion tank. In the case of a decrease in temperature head (for example, due to heating of the coolant), it is necessary to raise the expansion capacity to a height of H ₀ + ΔH, at the rate of 0.35 m.st. ≈ 1 ° C. With an increase in temperature head, it is necessary to lower the level of the location of the expansion vessel, respectively, to a height of H ₀ -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.To ensure the equality of the initial conditions of measurement, in particular the heat pressure, measurement and (or) calculation of the heat flux, the compensation of air temperature deviations is carried out by increasing (lowering) the level of installation of the expansion tank to a height of ± ΔН. In this case, the temperature of saturated steam on the inner wall of the heat exchanger will increase (decrease) by the corresponding value ± Δt. Thus, the need for additional heating (cooling) of air in the measurement zone is eliminated.

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.Thus, in comparison with the prototype, the claimed device measures the heat flux of the studied characteristics of the heat transfer conditions without additional heat energy influences, which reduces energy consumption, improves accuracy and speed. The accuracy and speed of measurement is enhanced by minimizing energy loss in maintaining specified measurement conditions.

Claims (1)

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. A device for measuring the heat efficiency of heat exchangers, including a thermally insulated body with a cover, insulators, electrodes, a measuring device, a heat exchanger connected by a pipe to the cover and the lower part of the body, an expansion tank connected to the lower part of the insulated body and having the ability to move vertically, characterized in that the heat exchanger is located in a horizontal plane, and the horizontal sectional area of the expansion tank is 2 ... 10 times larger than the horizontal sectional area boiler housing.

Images