超声波热量表的热量计量原理及计算
超声波热量表的热量计量原理及计算 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2030. 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。 热量表一般应具备以下技术要求: ? 总体精度达到OIML一R75规定的4级标准 ? 流量计部分的精度误差3 ? 温度传感器采用铂电阻测温元件符合IEC一751标准并精确配对当供回水的温度差在6?以内时测量误差01? ? 热量表具备热焰和质量密度修证的功能误差小于05 ?微功耗的设计内藏电池可以连续工作5年。 现在中国市场上的国外热量表技术成熟标准化程度高但是价格昂贵。我国对热量表的需求量大研制开发低成本、符合国际标准的热量表是大势所趋。本文以热量表热量计量原理为基础介绍了几种常用的热量计量方法分析比较了各自的优缺点详细讨论了具有k系 数补偿功能的热量计量方法该方法实现了k系数的温度和压力在线补偿因而具有较高的精度。 1热量计量原理 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。热量表系统原理图如图1所示。 图l热量表热量计量系统原理图 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 也可以表示为 式中为释放热量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 目前国产热量表的热量计量方法基本可以分为以下几种 ?直接焓差法 式中pfCpr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 为入口与出口温度下的载热流体密度 为入口与出口的温度 该公式计算简单只要根据实测温度 与 查表得pfCpr 和 等个常数代入式即可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 ?常系数焓差法 式中p为定压比热宿容Cp为常数使得程序的计算量减少计算速度大大加快但是由于流体的密度 进行温度修正同时由于不能对Cp进行在线温度补偿该方法的温度适应性较差不适宜于作为户用型热表的热量计算方法 ?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 1 kk1 1 r 2 kk2 r 2
kk3 . 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OIML75国际规程和EN1434欧洲标准等国际标准的规定。 ?k系数偿法 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。
OIMLR75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1。 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Gibbs function c1647. 3Kpc122120000J/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5。由式6、式7并引入相应的比参数热系数为 或 式中q i/qc1 / ui ir or
f。 10 比自由焓 u 的函数关系式如下 其中 均为常系数取值参见文献5。根据吉布斯函数见式11以及9和式10即可得到不同温度、压力下的热系数。例如已知压力为1标准大气压入口温度70?、出口温度65?流量计安装在回水管时对应的热系数具体计算如下 比温度 u 0.5224 比压力 0. 00458 代入以上公式解得 k1. 141117kW ? h ? m3 ??1 图2给出了在流量计安装在回水管压力为0.6MPa 温差为1040?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。 图2压力为0.6KPa时热系数k随进、出口温度变化曲线 图3a表示流量计安装在回水管进口温度保持50?、温差在1040?时热系数与压力关系曲线图3b为流量计安装在回水管进出口温差保持10?进口温度在6090?变化情况。由图3可以看出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。温度和流糠直鹜露却衅骱土髁看衅骼床饬俊?图3 热系数随压力的变化曲线 2 传感器 21温度传感器 温度敏感元件采用铂电阻Pt500或Pt1000在0630.75?的温度范围内铂电阻的阻值与温度的关系式为 RtR01a b2 式中a3. 96847×103/?b5. 847×107/?2。显然由铂电阻的阻值很难直接求解出温度值可以使用
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法线性插值法进行温度的标度变换。即将测得的电阻值与表格内电阻值进行比较直到Rn
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