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热量表的热量计量及传感器选型

时间:2011/7/22 10:29:30 点击:2373

  核心提示:热量表起源于欧洲。20世纪60年代的能源危机使北欧和西欧不得不改变福利性供暖的传统,对热量进行计量收费,热量表便应运而生。80年代初,欧美对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根据和手阿段,可节能20%~30%。而中国现行的供热收费制度是按面积收费,收费与热量消耗无关,一定程度上造...

  热量表起源于欧洲。20世纪60年代的能源危机使北欧和西欧不得不改变福利性供暖的传统,对热量进行计量收费,热量表便应运而生。80年代初,欧美对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根据和手阿段,可节能20%~30%。而中国现行的供热收费制度是按面积收费,收费与热量消耗无关,一定程度上造成了热能的浪费。作为建筑节能的一项基本措施,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》。目前在中国市场的国外热量表技术成熟,标准化程度高,但是价格昂贵。中国对热量表的需求量大,因此,研制开发低成本、符合国际标准的热量表是大势所趋。

  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[1]。热量表(热表)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,而热量表采集来自3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。热量表系统原理如图1所示。

图1 热量表热量计量系统原理示意

  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.焓差法的传热公式如下

   

  (1)

  式(1)也可以表示为

   

 (2)

  式中:Q———释放热量,kJ或kWh;
  qm———质量流量,kg•s-1;
  Δh———进出口焓差,kJ•kg-1;
  k———热交换系数,kWh•(m3K)-1;
  t———时间,s;
  Δθ———进出口温差,℃;
  V———累积流量,m3

  2 热量计量方法

  目前,国产热量表的热量计量方法基本可以分为以下4种。

  2.1 直接焓差法

    

  (3)

  式中:cpf,cpr———入口与出口的定压比热容;
  qv,qm———瞬时体积流量和瞬时质量流量;
  ρf,ρr———入口与出口温度下的载热流体密度;
  θf,θr———入口与出口的温度。

  通过计算同一时刻流入与流出用户的热能值的差,求得用户获得的瞬时热量.该公式计算简单,只要根据实测温度θf,θr查表求得cpf,cpr,ρf,ρr等4个常数,代入式(3)即可。显然,温度测量精度越高,数据表所占的存储空间就越大。例如,实测温度最小单位为0.01℃,令温度变化范围为0~110℃,则所建数据表应以0.01℃为温度间隔,存储大约11000组数据。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.该实现方法简单,人为误差小。

  2.2 常系数焓差法

  

 (4)

  式中:cp———定压比热容,视为常数;
  qm,qv———载热流体的质量流量和体积流量。

  该方法计算简便,cp为常数,使得程序的计算量减少,而且计算速度大大加快。但是由于流体的密度ρ是温度的函数,所以必须对密度ρ进行温度修正,否则qm会有较大计算误差。如表1所示[3]。

  例如,设流量计安装在入水口,设定ρ0=965.531(θ=90℃),则当入水温度在40~110℃变化时可产生的最大误差为:

   

  在1标准大气压下,当温度在10~100℃之间变化时,水的定压比热cp的变化量约为20℃的定压比热值(4.1868kg•m-3)的1%。当供暖系统的入水与出水的温差较小,且相对稳定时,该方法可直接用于户用型热表热量计量的计算公式。但是,常系数焓差法的温度适应性较差,不能对cp进行在线温度补偿。尤其当入回水的温差较大时,其计算误差较大,不适合于作为户用型热表的热量计算方法。

  2.3 分段式k系数法

    

  (5)

  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[4]:

   

  该方法将热交换系数量化为3个分段常数,在一定程度上对其进行了温度修正,并且热量计算方法简单。式中3个关键常数凭经验来确定,但因温度区间划分较粗,温度适应性依然较差,当温度变化范围较大时,产生明显的计算误差。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或入回水温度变化较小,温差变化也较小的情况。例如,供热系统的稳定性高,用户间的相互影响小的建筑;楼层数不高住宅区;由小型热力站单独供热的单幢建筑;供回水系统分户独立的住宅建筑等。

  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的精度均达不到OIML2R75国际规程和EN1434欧洲标准等国际标准的规定。

  2.4 k系数补偿法

  k系数补偿法,引入以比温度和比压力为自变量的吉布斯函数,定量分析温度和压力对k系数的影响。k系数补偿法实现了热系数的在线温度和压力补偿,大幅度提高了热量计量的精度。OIML2R75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。

  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:V(θi)———(入口温度或出口温度下)载热流体的流量;
  θf,θr———入口温度和出口温度;
  CP(θ)———某温度下的定压热容.

  为简化计算,引入如下参数:

    

  (7)

  式中:u———比温度,u=θ/θc1;
  β———比压力,β=P/Pc1;
  ζ(u,β)———比自由焓,即吉布斯函数(Gibbsfunction);
  θc1———载热介质为水时选取的参考温度,θc1=647.3K;
  Pc1———载热介质为水时选取的参考压力,Pc1=2212000J•m-3;
  Vc1———载热介质为水时选取的参考容积,Vc1=0.00317m3[5].

  由式(6)和式(7),并引入相应的比参数,热系数为:

   

  根据吉布斯函数及其导数,由式(8)和式(9)或式(10)可得到不同温度和压力下的热系数。图2和图3为热系数随压力的变化曲线.其中图2为流量计安装在回水管,进出口温差保持10℃,进口温度从60~90℃变化的情况;图3表示流量计安装在回水管,进口温度保持50℃,温差从10~40℃变化时,热系数与压力的关系曲线。

图2 热系数随压力的变化曲线1

  由图2和图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,所以我们可以认为吉布斯函数近似是温度(入水与回水温度)的函数。温度和流量分别通过温度传感器和流量传感器来测量。

图3 热系数随压力的变化曲线2

  图4给出了在流量计安装在回水管,压力为0.6MPa,温差为10~40℃时,热系数与入水温度的关系曲线。

图4 热系数随入水温度的变化曲线

  由图4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。值得注意的是,K系数补偿法应用于变流量供热系统中会产生误差。当给流量系统施加一个阶跃变化时,散热量是一个与流量、温度和时间相关的函数。假如在两次稳态间的过渡时间间隔足够长,采用K系数法计算将会产生较大的误差,当系统流量稳定后,误差就会消失。因此,这是一种瞬态误差,当系统处于瞬态的时间过长(超过30min),必须进行补偿,即应在热量计算软件中添加瞬态热量计算程序。

  3 传感器

  3.1 温度传感器

  目前热量表用温度传感器均采用铂热电阻,主要有Pt100,Pt500,Pt1000.国外户用热量表采用的大多是Pt100或Pt500型铂电阻,而Pt1000铂薄膜电阻更适应中国的国情,在国产热量表中得到广泛应用。

  相对于Pt100或Pt500,Pt1000的测量电阻增加了2~10倍,使测量灵敏度大幅度提高,测量电流减小,系统功耗降低.此外,由于电缆长度也有一定的延长,使Pt1000的安装更为灵活,满足了国内建筑结构的复杂性。

  在0~630.75℃的温度范围内,铂电阻Pt1000的阻值与温度的关系式为

   

  式中:a=3.96847×10-3℃-1;
  b=3.96847×10-7℃-1.

  显然,由Pt电阻的阻值很难直接求解出温度值,可以使用表格法和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Rnn+1时停止比较。此时Rn所对应的温度值θn为所测温度的整数部分.而温度的小数部分

  

    3.2 流量传感器

  流量传感器是热量表最主要的部件,也是最敏感的组件,热量表的分类实际上是指流量传感器的分类。流量传感器由液体流量计和液体流量转换器组成,液体流量计计量用户使用液体的多少,而液体流量转换器再将流量转换成电脉冲,供微处理器计算热量。流量传感器按其测量原理,可以分为叶轮式、超声波式和电磁式3类。

  涡轮式流量计是叶轮式流量计的主要品种,其精度高,一般可达到指示值的0.2%~0.5%,而且在线性流量范围内,即使流量变化也不会降低累积精度。当载热流体流过涡轮时,磁电转换设备把涡轮转数转换成电脉冲。单位时间内的脉冲数和累计脉冲数反映瞬时流量和累积流量。测量时将来自流量计的脉冲信号经脉冲整形电路后,成为具有一定幅度的矩形波信号,然后接入微控制器的I/O口,并进行计数。首先标定出流量计的仪表常数k′,若脉冲数为P,则流量为V=P/k′。

  当涡轮式流量计使用时的温度和校验时的温度悬殊时,要将常温下校验的仪表常数加以修正,其具体的修正公式为

   

  式中:k′,k′0———使用温度和校验温度下的仪表常数;
  λR,λH———涡轮材料、机壳材料的温度膨胀系数;
  θ0,θi———流量计校验和使用时的流体温度(i=rorf)。

  流量计安装的位置(入口或出口)决定了θi是入口温度θf还是出口温度θr。

  4 结束语

  随着科学发展观和节能减排国策的不断深入实践,作为能量计量手段之一的热量表,其计量原理和方法的科学性及其计量精度愈发重要,本文所介绍的K系数补偿法对于热量表的研发和国产化具有一定的参考价值。

  参考文献:

  [1]王树铎.关于热能表的设计和选用[J].区域供热,2000,(1):18220.
  [2]汪滢,袁德成,辛晓宁,等.智能热能表的研制[J].自动化与仪表,2001,16(2):527.
  [3]李元章.热水锅炉热量计量工作[J].北京节能,2000,(5):36237.
  [4]齐世清,齐世明.微功耗热量表的研制[J].仪表技术与传感器,2000,(12):13215.
  [5]欧洲标准化委员会.热量表标准EN1434(HeatMeters)[S].1997.
  [6]金志军,邱萍.热量表计量中热交换系数的分析与确定[J].现代计量测试,2001,(2):52254.

作者:佚名 来源:不详
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