8.2. Основні теоретичні відомості

Важливою стороною при оцінюванні експлуатаційних показників теплоенергетичного обладнання таких як: потужність, витратні показники, кількість виробленої продукції має достовірна інформація про технічний та тепловий стан теплообмінного обладнання, теплових комунікацій, промислових теплоенергетичних об’єктів, таких як парові і водогрійні котли. Технічні характеристики, визначенні під час експлуатації обладнання та за перевірками під час випробувань, дозволяють дати оцінку надійності роботи обладнання, а теплові оцінити ефективність використання палива та теплоенергоносіїв, визначити втрати. Сучасні методи вимірювання дозволяють точно визначати витратні показники, тиск, температури теплоенергоносіїв, за якими можливо приймати рішення, що до регулювання та зміни режиму технологічного процесу, визначити витрати на вироблення теплової енергії та по споживанню теплоенергонасіїв. Також можливе діагностування зовнішнього стану теплоенергетичного обладнання для яких використовуються, як контактні прилади по вимірюванню температури та густини теплового потоку, так і безконтактні прилади по вимірюванню температури. За допомогою яких можливе оперативне визначення, як температур по поверхні огороджень теплоенергетичного та теплотехнологічного обладнання, так і визначення теплових втрат в довкілля. На базі даних по витраті та споживанню теплоенергоносіїв виробництвом складається баланс, з якого визначається ефективність роботи, як підприємства так і окремої ділянки виробництва. На прикладі випарної установки та допоміжного обладнання визначимо ці складові.

Для складання теплового балансу повинні бути відомі:

1. Витрата палива та його теплота згоряння, у випадку електроспоживання ― потужність та час роботи електронагрівачів.

2. Витрати пари, або гарячої води, що подається на обладнання;

3. Температура на вході та на виході обладнання чи теплової комунікації.

4. Попередньо повинні бути розглянуті креслення і проектна документація об’єкта, а під час дослідження уточнені площі поверхонь досліджуваного об’єкту.

5. Вимірювання теплових потоків та температур повинні проводитись на працюючому обладнанні в заданому режимі.

На прикладі випарника з лабораторної роботи №7 розглянемо тепловий баланс, який визначається з рівняння:

Q= Q₁ + Q_втрі= G₁(h_п – h_к) + q _втр1∙F₁ + q _втр2∙F₂+...+ q _втр.n∙F_n , (8.1)

де Q ― теплота витрачена на установку, кВт; Q₁ ― тепловий потік від гріючої пари, кВт, розраховується за масовою витратою конденсату гріючої пари G₁, кг/с (див. пп 7.5.5); h_п, h_к ― ентальпії відповідно гріючої пари і конденсату, кДж/кг; Q_втрі ― сумарні втрати теплоти з поверхонь, кВт, q _втр ― усереднена густина теплового потоку відповідної ділянки ― 1, 2 … n, кВт/м², F― площа поверхні ділянки теплообміну 1, 2 … n (паропроводу, сепаратора, випарника тощо), м².

В ефективність роботи випарного апарата (пп 7.5.8.) входять оцінка досконалості передачі теплоти та втрати від зовнішнього охолодження, які можливо визначити за кількістю сконденсованої пари на кожусі (за паразитним конденсатом) та за зменшенням утворення конденсату гріючої пари за рахунок збільшення термічного опору на стінках трубок апарату із-за утворення накипоутворення. В рівнянні (8.1) кількість наданої теплоти можливо представити в вигляді

Q₁ = Q₂ + Q_втр.н,

де Q₂ ― теплота, що отримала вода (розчин) на підтримування процесу кипіння, та втрати апарату назовні Q_втр.н. Тоді рівняння (8.1) матиме вигляд:

Q= Q₁ + Q_втрі= Q₂ + Q_втр.н + q _втр1∙F₁ + q _втр2∙F₂+...+ q _втр.n∙F_n . (8.2)

Прилади для вимірювання густини теплових потоків.

У відділі теплометрії в Інституті технічної теплофізики НАН України вже півсторіччя розробляються прилади, які дозволяють безпосередньо вимірювати густину теплових потоків через огороджувальні конструкції будівель, холодильних камер, парових та водогрійних котлів, теплообмінних апаратів, транспортуючих трубопроводів гарячої води та пари тощо. Як правило, такі прилади складаються з одного або кількох первинних перетворювачів густини теплового потоку (ПТП) ― тепломірів та вторинної електронної апаратури, що вимірює термо- електро рушійну силу (ЕРС) і визначає сигнал в мВ. Більш сучасна апаратура перетворює сигнал мВ у візуальне значення температури і густини теплового потоку, з можливою подальшою статистичною та графічною обробкою результатів вимірювань на комп’ютері.

Найбільш поширена конструкція шаруватого тепломіра О.А.Геращенко – В.Г. Федорова, за високу чутливість, постійність градуювальних характеристик, малогабаритні розміри і невисоку вартістю. Конструктивно тепломір складається з батареї послідовно з’єднаних диференціальних термоелементів  термопар, заформованих в тіло полімерної пластинки.

Чутливий елемент виконаний з константанового дроту діаметром 0,1 мм, намотаного на корд порізаної на смужки кіноплівки завширшки 1,0 мм (для збільшення чутливості використовують смужки до 6 мм), товщиною 0,17 мм, у якого половина витка гальванічно покрито міддю завтовшки 3...3,5 мкм (див. рис. 8.1). Таким чином створюється чергуюча послідовність міді та константану ― плоска спіраль парних термоелектродів, в яких місця переходу від чистого константану до біметалу відіграє роль спаїв послідовних термопар, що знаходяться на двох різних поверхнях пластинкитепломіра. Вибір розмірів та формування пластинки-тепломіра відбувається в залежності від призначення: інтенсивності теплових потоків та температурних навантажень, розмірів та форми дослідних об’єктів тощо. За призначенням підбирається і заповнювач, яким може бути епоксидні смоли, або інші полімери, в чистому вигляді чи з барвниками та з теплопровідними, вогнетривкими та інш. домішками. Товщина тепломіра, його площа та форма пластинки кругла, прямокутна чи квадратна формується за призначенням (рис.8.2).

Дротові спіральні електроди та компаунд, що заповнює проміжки між ними, створюють термічний опір тепловому потоку, утворюючидопоміжну стінку. При проходженні крізь стінку потоку теплоти в шарі між першою і другою площинами утворюється перепад температур (рис.8.3), за яким термобатарея виробляє ЕРС пропорційну цьому перепаду і числу термоелементів, та відповідно і густині теплового потоку. Кількість таких диференціальних термопар від кількох десятків до тисячі на одному квадратному сантиметрі пластини. Їх кількість приймається в залежності від інтенсивності теплових потоків. Для надійної реєстрації потоків малої інтенсивності ― це густина теплового потоку в межах 10^2…100 Вт/м² (огородження будівель, теплова ізоляція холодильних камер, тепловиділення людиною тощо), достатньо 200−300 шт/см², для потоків середньої інтенсивності до 10³ Вт/м² (будівлі, трубопроводи з гарячою водою, паропроводи, теплообмінне обладнання тощо) кількість диференційних термопар можливо зменшити до 50−200 шт/см². Збільшення кількості диференційних термопар сприяє чутливості тепломіра, можливості вимірювання малих за інтенсивністю теплових потоків мініатюрними датчиками, але час виходу тепломіра на вимірювання зростає з 10…30 с до 1...2 хв. Таким тепломіром важко вимірювати теплові потоки на поверхнях із значним впливом конвективного та радіаційного потоку (зовнішні вимірювання на будівельних спорудах при наявності змінного вітру, сонячного випромінювання).

Важлива особливість пластинок-тепломірів, що термоелементи розташовані перпендикулярно поверхні пластинки і в процесі роботи тепломіра розташовані до потоку теплоти, що визначає спрямування (напрямок) теплового потоку та його знак «+» чи «–» (рис.).

Градуювальною характеристикою є робочий коефіцієнт або коефіцієнт перетворення ― k_q, Вт/(м²мВ), зворотній величині чутливості тепломіра. Робочий коефіцієнт є мірою пропорційності між густиною теплового потоку, що вимірюється, і термо- ЕРС ― e, мВ, що виробляє тепломір:

k_q=q/e . (8.3)

Кожен тепломір градуюється за еталонним тепломіром та має власний робочий коефіцієнт k_qі, тому залишається тільки помножити його значення на показання мілівольтметра e та визначити за рівнянням густину теплового потоку:

q_і= k_qіe_і . (8.4)

Найбільш просте кріплення тепломіра на огородженні ― це наклеювання на поверхню за допомогою двостороннього скочу, або на теплопровідну пасту з виконанням умови щільного контакту з поверхнею. Дуже важливо, що за таким кріпленням не порушується ізоляційний шар та поверхня не має механічної деформації.

Можливі випадки вимірювання густини теплового потоку тепломірами на огороджуючих конструкціях: суцільний напівобмежений масив (рис.8.4, а) і тепломірами на температуровирівнючій металевій пластині (рис.8.4, б).

а

б

Рис. 8. 4. Теплообмін при межових умовах 3-го роду.

1– огороджувальна конструкція (ОК), 2 – перетворювач густини теплового потоку ( ПТП), 3 – охоронна зона ПТП, 4 − температуровирівнююча пластина

У першому випадку (рис.8.4, а) за рахунок теплообміну огородження з довкіллям (д) формується одномірне температурне поле t_о(ОК) і густина теплового потоку що проходить через огороджувальну конструкцію (ОК) визначається з рівняння:

q_o= _o(t_д − t_о),

де _o = _ = _к + _пр ― сумарний коефіцієнт теплопередачі між довкіллям та стінкою за рахунок конвекції та теплового випромінювання; температура довкілля постійна ― t_д = const; та температура ― t_о(ОК), що встановилася на поверхні огородження.

В другому випадку (рис.8.4, б) тепломір накладається на металеву поверхню апарата, відкритий трубопровід, чи на алюмінієвий лист, що закриває теплову ізоляцію то що. Металева поверхня вирівнює температурне поле поверхні, бо метали мають значну теплопровідність.

При накладанні тепломіра на ОК, теплопровідність якого відрізняється від теплопровідності огородження, температурне поле викривляється і стає двомірним t_о(r, х). Щоб прибрати небажані похибки при вимірюванні в датчиках при виготовленні передбачена охоронна зона ― заливка з матеріалу заповнювача на додаткових 3―10 мм по краях. У випадку (рис.8.4, б) з вирівнюючою металевою поверхнею, ця охоронна зона може бути мінімальною, бо викривлення температурного поля сходить до нуля.

Вибрані для дослідження малоінерційні тепломіри виходять на режим роботи менш ніж за 30 с після закріплення їх на поверхні огородження. Їх малі розміри та товщина 1...2 мм дозволяє нехтувати гідродинамічними збуреннями, які можуть виникнути при їх розміщенні на поверхні огороджувальної конструкції. Це пов’язано з тим, що товщина рухомих теплового та гідродинамічного прошарків за вільного та вимушеного руху біля робочого теплоенергетичного обладнання зазвичай більше ніж товщина тепломіра.