Введение
В настоящее время в РФ ведется работа по гармонизации существующей методики измерения теплового потока отопительных приборов ГОСТ Р 53583 [1] с международным стандартом ISO 24365-2022 [2]. Актуальность гармонизации диктуется необходимостью создания равных конкурентных условий для производителей отопительных приборов, для которых номинальный тепловой поток является основной характеристикой, по которой сравниваются радиаторы и конвекторы. К сожалению, существующий стандарт [1] допускает значительные расхождения в измеренной величине теплового потока в разных лабораториях. В комплексе с необходимостью развития несырьевого неэнергетического экспорта, о чем в своем выступлении говорил Президент Российской Федерации В.В. Путин [3], наиболее эффективным вариантом доработки стандарта [1] является его гармонизация с международными стандартом[2], являющимся практически
полным аналогом EN 442-2 [4]
Постановка проблемы и пути решения
Основные отличия международного стандарта [2] от действующей методики [1] заключаются в следующем:
- Единые размеры испытательных камер 4х4х3 м.
- Увеличенное количество охлаждаемых поверхностей в камере.
- Отмена ограничения по перепаду температур «стенка камеры-воздух».
- Изменение подхода к каталожным испытаниям, с применением методики «типового прибора».
- Переход от измерения при постоянном расходе 0,1 кг/с , к переменному расходу при постоянном перепаде «вход-выход» на приборе в 10 °С.
Если первые четыре пункта не вызывают значительных вопросов, то переход на переменный расход, особенно при использовании весового метода измерения, вызывает ряд малоизвестных проблем, подходы к решению которых рассматриваются в данной статье. Это обусловлено тем, что в РФ традиционным методом измерения тепловой мощности отопительных приборов являлся «электрический метод». В отдельных случаях, применяется «водяной метод» с электромагнитными или кориолисовыми расходомерами.
В случае перехода на международную методику с поддержанием разницы «вход-выход» в 10⁰С, и малых расходах теплоносителя, такое решение не обеспечивает необходимой точности.
Схема установки приведена на рисунке 1.
Большая часть воды циркулирует (зеленый контур) с помощью насоса 6 через электрический котел 4 и смешивающее устройство 3, расположенное в расходном баке постоянного уровня 2. (расход воды в этом циркуляционном контуре должен превышать расход через измеряемый приборе не менее чем в 5 раз). Часть воды, минуя котел, по кольцевому зазору коаксиальной трубы поступает в перелив 1, где замедляется в конусном расширении и переливается в расходный бак. Вода, используемая в испытании в качестве теплоносителя (красный контур), поступает через перелив 1 в испытуемый отопительный прибор 8, а затем - в измерительный сосуд 9 или в нижний резервуар.
Основные проблемы, возникающие при попытке реализации весового метода
измерения теплового потока отопительного прибора.
1. Отсутствие в свободной продаже готовых устройств взвешивания.
2. Имеющиеся аналоги устройств взвешивания в виде проливочных установок не предназначены для работы с горячей водой и малыми расходами. При этом усиленное испарение при сливе и в измерительной емкости ведет к ошибкам в измерении массы воды
3. Из-за низких скоростей течения возникают неравномерности температуры воды по длине трубы, так называемые «тепловые полосы»[5], что не позволяет достичь требований методики по стационарности процесса.
4. Из-за низких скоростей течения смесители потока перед термометром типа «тройник на поворот» не обеспечивают достаточного выравнивания температуры по сечению трубопровода.
Решением проблем 1 и 2 является самостоятельное изготовление лабораторией устройство взвешивания, которое представляет собой аналог проливной установки для поверки расходомеров, с тем отличием, что измеряемая среда имеет высокую температуру и достаточно малый диапазон расходов от 17 до 400 кг/ч.
Устройство взвешивания в общем виде состоит из трубопроводной насадки, формирующей плоскую струю (обычно именуемую «лейкой»), отклоняющего устройства, накопительной емкости весоизмерительного устройства со сливным клапаном, весов, таймера и управляющей автоматики. Схема устройства приведена на рис 2.
Для уменьшения ошибки при измерении времени наполнения приемного бака, время переключения должно быть минимальным. Это реализуется путем быстрого движения отклоняющего устройства относительно тонкой плоской струи жидкости, формируемой щелевой насадкой. При этом за счет наличия свободной струи, отклоняющее устройство не влияет на характеристики потока в трубопроводе. Отклоняющее устройство, представленное на рисунке 2, сконструировано по схеме качающегося штанообразного тройника. Перемещение (качание) тройника осуществляется соленоидами.
Приемный бак весоизмерительного устройства должен иметь вместимость на период налива не менее 30с на максимальном расходе. Система опорожнения бака обязательно должна иметь контроль герметичности запорного устройства, в виде визуально контролируемого разрыва струи, прозрачного шланга или индикатора протока.
Применяемые весы должны иметь точность не хуже чем 2 г на 10 кг. Коррекция на архимедову силу (buoyancy correction) не учитывается, так как в заданных диапазонах измерений она сравнима с погрешностью весов и будет одинакова для всех лабораторий.
Погрешность таймера не должна превышать 0,015с. Начало и окончание набора воды, определяется по прохождению качающимся тройником средней (осевой) линии, с помощью оптических датчиков.
Для уменьшения испарения при взвешивании, в схеме в обязательном порядке должен быть предусмотрен теплообменник-охладитель п.11 рис.1. Также при конструировании взвешивающего устройства следует минимизировать площадь открытой поверхности жидкости, а само
устройство следует размещать в замкнутом объеме (застекленный шкафчик).
Вариант реализации устройства взвешивания представлена на рис.3.
Измерение расхода весовым методом заключатся в следующем:
- определяют исходную массу бака вместе с некоторым количеством оставшейся жидкости;
- поток с помощью отклоняющего устройства, которое запускает таймер для измерения времени заполнения, направляют в приемный бак, до тех пор, пока в нем не соберется достаточное для получения желаемой точности количество жидкости. После этого отклоняющее устройство переключает поток в внешний баки останавливает таймер;
- после затухания колебаний жидкости в баке, определяют конечную массу бака с содержащейся в нем жидкостью;
− затем на основе полученных сведений о собранной массе жидкости, времени сбора определяют величину расхода.
Для повышения точности измерения на расходах от 20 до 100 кг/ч желательно время набора увеличивать до 90с. Также, заложенные в стандарт [2] требования к весам и таймеру достаточно низки, и имеющиеся на рынке РФ средства измерения значительно точнее. Так погрешность взвешивания возможно принять 0,5 г, а погрешность измерения времени 0,001 с. Ожидаемая погрешность измерения расхода, расcчитаная по [5] для требования стандарта и для СИ представленных на рынке приведена на рис. 4.
Стабильность расхода теплоносителя протекающего через отопительный прибор обеспечивается постоянством высоты водяного столба, где нижняя точка – лейка отклоняющего устройства, а верхняя – зеркало воды в переливной воронке верхнего бака.
При этом точка забора воды на радиатор расположена непосредственно в воронке, а уходящая вниз к радиатору труба коаксиальна (труба в трубе). Причина данного технического решения заключается в выравнивании температурных полос, возникающих при нагреве медленно текущей жидкости на ТЭНе.
На рис.5 представлен график температур на выходе из котла и на входе в прибор при расходе 90 кг/ч. При эксперименте мощность котла оставалась постоянной, с точностью поддержании 0,1%. Верхний (красный) график – температура на выходе из котла, нижний (пурпурный) график – температура на входе в испытываемый прибор.
Как видно из рисунка, колебания температуры составили около ±0,22 °С, что не позволяет считать процесс стационарным по требованиям как ГОСТ, так и EN (должно быть менее ±0,1 °С). При этом при расходе 360 кг/с (ГОСТ) данные колебании менее 0,05 С.
Процесс, вероятно, связан с неравномерностью парообразования пузырьков пара на поверхности ТЭНа и соответственно скачкообразным изменением коэффициента теплоотдачи. Хаотичный характер процесса не позволяет надежно компенсировать его автоматическими регуляторами.
В источнике [5] для высокоточных измерений температуры в медленнотекущей жидкости рекомендуется установить теплообменник типа «труба в трубе», что и реализовано в предлагаемой схеме стенда.
На рисунке 6 представлен колебания при установке теплообменника длинной 0,5 м между котлом и отопительным прибором при тех же условиях (расход 90 кг/ч, мощность котла постоянная). При этом диапазон колебаний температуры на входе в отопительный прибор становится становиться менее 0,03°С.
Также на стабильность температуры в измерительном контуре значительно влияет возврат воды, прошедшей устройство взвешивания, так как возвращаемая вода имеет температуру, существенно более низкую, чем в циркуляционном контуре. При этом из-за особенности работы взвешивающего устройства, поступление воды в приемный бак неравномерное. Путей решения этой проблемы два, которые могут быть применены совместно:
1) Стабилизация расхода воды поступающей из приемного бака в циркуляционный контур. В этом случае с помощью PID регулятора на трубопроводе возврата воды поддерживается постоянный уровень воды в приемном баке, а сам бак проектируется с достаточной большим зеркалом воды, чтобы выравнивать неравномерность поступления теплоносителя от взвешивающего устройства.
2) Вода из приемного бака поступает в промежуточный бак с подогревом или проточный котел, в котором её температура доводится температуры в циркуляционном контуре, после чего осуществляется подпитка.
Так же, как уже говорилось выше, расход воды в циркуляционном контуре должен превышать расход воды через измеряемый прибор не менее 5 раза выше, что также снижает влияние «холодной» воды после измерительного контура.
Еще одной проблемой является сложность измерения средней по сечению трубопровода температуры при низких скоростях течения воды. Так смесители потока перед термометром типа «тройник на поворот» не обеспечивают достаточного выравнивания температуры, что требует создания специальных смешивающих устройств, на основе спиральных завихрителей рис.7 или плохообтекаемых тел сложной формы рис 8 , а также их проверка на равномерность перемешивания в соответствии с приложением [2]
Альтернативным вариантом используемая в лаборатории решения проблемы является схема стенда, Миланского политехнического университета.
Преимуществом данной схемы является постоянная циркуляция воды до входа в прибор с высоким и регулируемым расходом (красная линия), что обеспечивает хорошее перемешивание воды по сечению трубопровода, и соответственно её точное измерение. Также данный вариант схемы не требует большого запаса горячей воды в напорном баке, поскольку основной запас воды хранится в баке 1, что облегчает строительную конструкцию. Также особенностью схемы является подпитка водой подогретой в отдельном котле, что обеспечивает стабильность температуры в циркуляционном контуре, ускоренное достижение стационарного состоянии и легкость его поддержания.
Заключение:
Гармонизация ГОСТ Р 53583 с международным стандартом ISO 24365-2022 позволит повысит точность измерения тепловой мощности отопительных приборов, создать равные конкурентные условия на рынке, создать предпосылки для экспорта отопительных приборов российского производства. Ключевым моментом является переход к методике измерения с переменным расходом при постоянном перепаде «вход-выход» на приборе в 10°С., при этом референтым будет является весовой метода. Его техническая реализация, как показано в статье, вполне достижима, несмотря на трудоемкость, необходимость изготовления новых отдельных элементов стенда и необходимость дополнительных вложений.
Список литературы:
1. ГОСТ Р 53583-2009 «Приборы отопительные. Методы испытаний»
2. ISO 24365-2022 «Radiators and convectors Methods and rating for determining the heat output»
3. http://kremlin.ru/events/president/news/75179
4. DIN EN 442-2 Radiatoren und Konvektoren – Teil 2: Prüfverfahren und Leistungsangabe; Deutsche Fassung EN 442-2:2014
5. Rolf Diemer u.a. Auf der Hannover Messe 89 vorgestellt: Temperaturmessung in strömenden Flüssigkeiten mit hoher Genauigkeit // HLKBrief – 1989. – № 1. – P. 11-12.
6. МИ 2083-9 0 « Измерения косвенные. Определение результатов измерений и оценивание их погрешностей
Авторы:
Д.А. Плотников, канд. тех. наук, заместитель начальника испытательной теплотехнической лаборатории по научной работе, ОАО «НИТИ «Прогресс»
С.И. Стыценко, заместитель генерального директора, начальник испытательной теплотехнической лаборатории, ОАО «НИТИ «Прогресс»