Федеральное агентство по образованию
Уральский государственный технический университет – УПИ
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Методические указания к лабораторным работам по дисциплинам
«Технические измерения и приборы» для студентов всех форм обучения специальности 220301 − Автоматизация технологических процессов и производств (в энергетике);
«Управление, сертификация и инноватика» для студентов всех форм обучения специальностей: 140101 − Тепловые электрические станции, 140102 − Промышленная теплоэнергетика, 140106 − Энергообеспечение предприятий
Екатеринбург
УГТУ-УПИ
2007
УДК 53.08 (075.8)
Составитель Л. В Степанов
Научный редактор проф., д-р тех. наук А. Ф. Рыжков.
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ: методические указания к лабораторным работам по дисциплинам «Технические измерения и приборы», «Управление, сертификация и инноватика»/ Сост. Л. В. Степанов. Екатеринбург : УГТУ – УПИ, 2007. 62 с.
В методических указаниях приведено описание лабораторных работ по измерениям тепловой энергии. В описание включены основные теоретические сведения о принципах и средствах измерений, используемых при построении комплексов учета тепловой энергии, схемы экспериментальных установок, методики проведения опытов.
Библиогр.: 22 назв. Табл.10. Рис. 18.
Подготовлено кафедрой « Тепловые электрические станции».
Уральский государственный
технический университет – УПИ, 2007
Оглавление
Предисловие ………………………………………………………………… 4
Общий порядок выполнения лабораторных работ ………………………. 4
1.Лабораторная работа «Измерение тепловой энергии и расхода жидкости . 5
1.1. Основы измерения тепловой энергии …………………………………. 5
1.2. Уравнения определения тепловой энергии, используемые при учете
тепловой энергии в теплосчетчиках ………………………………….. 7
1.3. Понятие теплосчетчика, состав и функции выполняемые
теплосчетчиком ……………………………………………………….. 10
1.4. Устройство тепловычислителя ………………………………………… 17
1.5. Схемы включения средств измерений теплосчетчика для измерения
параметров теплоносителя и учета тепловой энергии и
теплоносителя …………………………………………………………... 21
1.6. Описание лабораторной работы ………………………………………. 26
1.6.1. Описание лабораторной установки ……………………………. 26
1.6.2. Описание средств измерений, использованных в лабораторной
работе ……………………………………………………………… 26
1.6.2.1. Преобразователь расчетно-измерительный ТЭКОН-19 .. 26
1.6.2.2. Счетчик количества теплоты ЭЛЬФ …………………… 30
1.6.2.3. Счетчик воды ВСТ ……………………………………… 31
1.6.2.4. Преобразователь расхода ВЭПС-Т(И) ………………… 32
1.6.2.5. Измерительный преобразователь расхода …………….. 33
1.6.2.6. Счетчик жидкости акустический АС-001 ……………... 34
1.7. Порядок выполнения работы ………………………………………….. 37
1.8. Отчет о выполнении работы …………………………………………… 39
1.8.1. Результаты измерений …………………………………………. 39
1.8.2. Основные расчетные формулы по обработке результатов
измерений ……………………………………………………… 39
Результаты обработки опытных данных …………………….. 40
2.Лабораторная работа «Исследование узла учета тепловой энергии» ……… 44
2.1. Узел учета тепловой энергии 8-го учебного корпуса и принципы
работы приборов, входящих в состав узла учета ……………………. 44
2.2. Порядок выполнения лабораторной работы ………………………….. 48
Библиографический список …………………………………………… 49
Предисловие
В сборник включены методические указания к лабораторным работам по измерению количества тепла и исследованию узла учета тепловой энергии.
Студенты специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств (в энергетике)» выполняют данные лабораторные работы при изучении дисциплины «Технические измерения и приборы». Студенты специальности 140101 «Тепловые электрические станции» - при изучении дисциплины «Метрология, стандартизация и сертификация».
В методических указаниях приведены сведения, необходимые для самостоятельной подготовки студентов к лабораторным занятиям, подробные описания экспериментальных установок, методики проведения экспериментов и методики последующей обработки результатов с оценкой погрешностей.
Общий порядок выполнения лабораторных работ
Все студенты обязаны ознакомиться с правилами по технике безопасности и строго их выполнять. Студенты, нарушающие правила, удаляются из лаборатории.
Прежде чем приступить к выполнению лабораторной работы, студент обязан ознакомиться с содержанием работы по настоящим методическим указаниям.
В черновую тетрадь (журнал наблюдений) заносятся схема установки, таблицы для записи наблюдений и необходимые расчетные формулы; перед выполнением работы тетрадь предоставляется преподавателю для просмотра.
Приступая к работе, необходимо проверить готовность установки в соответствии со схемой, и после разрешения преподавателя приступить к выполнению работы.
В случае неисправности установки, каких – либо замечаний или неясностей студенты обязаны сообщить преподавателю.
Во время измерений следует производить отсчеты по приборам и без всяких перерасчетов записывать их показания в таблицу.
По данным черновых записей студентом оформляется отчет по работе. Отчет должен содержать:
номер и наименование работы;
цель работы;
схему экспериментальной установки;
таблицы с опытными и расчетными данными;
графики, построенные на основании полученных данных;
выводы по работе.
1.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И РАСХОДА ЖИДКОСТИ»
Цель работы – изучение студентами принципов и методов измерения тепловой энергии и сопутствующих параметров.
1.1. Основы измерения тепловой энергии
Понятия тепловой энергии и теплоты часто имеют неоднозначную смысловую трактовку как в литературе, так и среди специалистов. Применение термина «тепловая энергия» предполагает, что тела обладают определенным количеством тепловой энергии. Такая терминология стала использоваться в физике, когда в телах предполагали существование некоторой субстанции – теплорода. Предполагали, что увеличение или уменьшение количества теплорода приводит к повышению или понижению температуры тела. Однако последующее развитие физики заставило от теории теплорода отказаться. С точки зрения молекулярно-кинетической теории суммарная кинетическая энергия хаотического движения молекул относительно центра масс тела и суммарная потенциальная энергия взаимодействия этих молекул друг с другом называется внутренней энергией тела. Нагревание тела приводит к увеличению средней кинетической энергии молекул. При этом может изменяться не только температура, но и другие параметры (объем). В том случае, если другие параметры остаются неизменными, то внутренняя энергия тела зависит только от температуры. Если два тела, имеющие различные значения температуры, привести в соприкосновение друг с другом, то произойдет процесс теплопередачи. Естественно, что при этом тело, имеющее более высокую температуру, будет охлаждаться, а контрольное тело, имеющее низкую температуру, будет нагреваться. Изменение внутренней энергии контрольного тела от начального значения U1 до конечного значения U2 вызвано количеством теплоты Q. Таким образом
.
(1.1)
В том случае, когда помимо температуры изменяются другие параметры тела, справедливо выражение первого закона термодинамики
,
(1.2)
где L – работа совершаемая телом (или над телом) в каком-либо процессе.
Дифференциал работы определяется как произведение давления на дифференциал объема в виде
.
(1.3)
В сборнике рекомендуемых терминов [1] теплота процесса определяется как «Энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии, зависящая только от температуры этих тел и не связанная с переносом вещества от одного тела к другому».
ГОСТ 51649-2000 [2] на теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения определяет количество теплоты (тепловой энергии) как «Изменение внутренней энергии теплоносителя, происходящее при теплопередаче в теплообменных контурах (без массопереноса и совершения работы)». Таким образом, из приведенных выше рассуждений видно, что при выполнении измерения теплоты (тепловой энергии) под этими терминами фактически понимают изменение внутренней энергии тела.
Наряду с понятиями внутренней энергии, теплоты и работы широко используется такое понятие как энтальпия. Энтальпия определяется в виде суммы внутренней энергии и произведения давления на объем:
.
(1.4)
С учетом выражения (1.4) первый закон термодинамики с использованием понятия энтальпии в дифференциальной форме может быть записан в виде:
.
(1.5)
Широко используется понятия удельной внутренней энергии (u = U/M) и удельной энтальпии (h = H/M). Значения теплоты, внутренней энергии и энтальпии имеют размерность энергии (т.е. измеряются в Дж в системе единиц измерения СИ или во внесистемных единицах – калориях и производных от этих единиц). За начало отсчета внутренней энергии воды принята так называемая тройная точка воды (t = 0,01 оС, Р = 610,8 Па), значение удельной энтальпии в этой точке составляет 0,611 Дж/кг. При расчете энтальпии в теплосчетчиках используют термодинамические таблицы свойств воды и водяного пар ГСССД [3]. Как видно из выражения (1.5), в том случае, когда процессы передачи теплоты осуществляются без изменения давления тела, количество теплоты, полученное или отданное телом, равно изменению энтальпии. В дальнейшем, наряду с более строгим понятием теплота, будем использовать термин тепловая энергия, придавая им смысл, указанный выше.
Основным нормативным документом, регламентирующим организационные и технические требования к учету тепловой энергии и теплоносителя, являются «Правила учета тепловой энергии и теплоносителя» [4]. В соответствии с правилами системы теплоснабжения делятся в зависимости от типа теплоносителя на паровые и водяные. Учет тепловой энергии отличается в зависимости от того, где осуществляется учет: на источнике тепловой энергии или у потребителя. Схема учета тепловой энергии у потребителя организуется в соответствии с суммарной тепловой нагрузкой (Q) потребителя и схемой теплоснабжения. Суммарная тепловая нагрузка потребителя включает в себя нагрузку системы отопления, горячего теплоснабжения и приточно-вентиляционную нагрузку. Схема, классифицирующая учет тепловой энергии, приведена на рис. 1.1.
Учет
тепловой энергии
Теплоноситель-пар Теплоноситель - вода
Источник Потребитель Источник Потребитель
Открытая система Закрытая система
Q 0,1 Q 0,5 Q 0,5 Q 0,1 Q 0,5 Q 0,5
Гкал/ч Гкал/ч Гкал/ч Гкал/ч Гкал/ч Гкал/ч
Рис. 1.1. Схема учета тепловой энергии
Структурная схема размещения точек измерения количества тепловой энергии, массы теплоносителя и его параметров в конкретном узле учета тепловой энергии определяется положением этого узла на схеме (рис. 1.1). Некоторые структурные схемы приведены в разделе 5, полный перечень схем можно найти в правилах [4].