0 前言
热量表是实施城市供热体制改革,推行按热量计量收费的关键设备。根据专利文献,中国最早研制“采暖用热量表”的是1989年山西的一位教师。热量表是通过温度和流量两种传感器分别测得的热载体的流量和进出口的温度,再经过密度和热熔值的补偿及积分计算,才能得到热量值的。是一种以微处理器和高精度传感器为基础的机电一体化产品。与建筑业过去已普遍使用的户用计量表———水表、电表、煤气表相比,有更复杂的设计和更高的技术含量。
1 热量值计算基础一热焓值与K系数的关系
热量表测量的原理是:在热交换系统中安装热量表;当水流经系统时,根据流量传感器给出的流量和配对温度传感器给出的供回水温度,以及水流经的时间,通过计算器计算并显示该系统所释放或吸收的热量。其基本原理为公式(1)。
此式的物理意义是:在一个以水为载体的热交换系统中,热量是热交换系统的进水和回水的热焓量变化在时间t期间的积分。它确定了所有的热量表的结构组成依据:进、回水温度测量设计,载体流量测量设计和依此公式的积分计算仪的设计。
热焓量取决于水的温度,压力和比热容。一个热量表可以测得的原始物理量是水的温度和流量。而现在所有的热量表采用的流量计都是体积流量而不是质量流量,况且,水的比重又因温度的不同而不同,所以,一定要进行修正。当流量计测得的一段时间内热载体水的体积流量为Vi对应的密度为pi;进水的热焓量为hf,回水的热焓量为hr时,上式可写为:
对一个封闭的热交换系统,在不考虑泄漏的情况下
这里:Vi是进水或回水的比容,与其温度相关而决定。
此式说明:无论是在进水还是在回水测得体积流量只要按照其对应的比容和热焓量之差来计算,都可以得出热量值。
当采用体积流量计算时,也可采用公式(6)计算该系统释放或吸收的热量。
式中:
热系数K在欧洲标准EN-1434-1的附录A中进行了分析论述。首先,K系数是可测物理量压力P,供水温度θf和回水温度θr的函数:
显然:K系数值取决于热量表的体积流量计是安装在进水(f)还是在回水(r)的系统中。即使在同一温差条件下,也必须研究体积流量计的安装位置。
我们所见到的欧洲先进水平的热表产品及设计方面的报导,都是采用K系数的修正来保证其精度的。即便是欧洲现在最先进的热表,因为是采用K系数来修正,热量表的安装位置规定在回水管上,就不能改装在进水管上。而且,不能直接同时用于供冷(吸热)量的计量。流量计和测温传感器的安装位置(进水,或是回水),都被严格的规定。
应该说明:式(5)中vi,hf或hr都是温度的函数,其数值都可以从国际标准确认的数据表中查出或计算出来。以上分析的结论是:
(1)热量表设计中,热量值必须根据热交换系统内水在不同温度(和压力)下的密度(或比容)和热焓值进行补偿、计算。
(2)欧洲热量表采用的K系数补偿方法,有其科学性、合理性。但不是最完美的先进的计算方法。
(3)采用不同温度(和压力)下比热焓值和密度(或比容)直接计算出热量值;理论上较K系数补偿更为直接、明确;而且,在实用上有其优越性。
2 流量计———特点、比较与选型建议
(1)理论上可用于热量表的流量计品种繁多,有些国外的户用热量表也采用了超声波流量计。热量表流量计的工作条件远不同于一般居民生活用水,选用机械式流量计不能简单地用冷水表改装,或用一般生活用热水表代用。须注意以下几个问题:
①考虑到国情,户用热量表的流量计可能要求安装在进水管道上。因此其工作温度应是在95℃以上(欧洲户用表工作温度一般是90℃)。
②机械流量计的旋翼或螺翼的转动轴和轴承,必须采用硬质合金和宝石制作。
③采用磁式干传方式提供流量信号的磁性开关传感器,如用于簧管,寿命必须在108以上。使用说明书中应告知用户:流量计前方须配置可过滤并排除铁屑、铁渣的过滤器。
④采用光电式或电磁感应式的流量信号传感器,可以避免铁锈铁屑的影响,但也失去了无须电源的优点。即使如此,过滤器也还是不可少的。
(2)超声波流量计具有精度较高,不需要在管道中设置活动部件,动态范围宽,量程大等优点,特别适用于大管径和变流量系统;但价格昂贵。
(3)作者以为比较切合实际的建议是:对于户用热量表流量计(管道口径为:15,20,25,32mm)宜采用机械式单束或多束旋翼流量计。流量计前方必配置过滤器:使用铁管的须配置可过滤并排除铁锈渣,铁屑的过滤器。而对于建筑采暖入口热量表流量计(中等口径,DN40-200mm)宜采用超声波流量计;也可以采用机械式水平或乖直螺翼流量计,并配置过滤器。热源热量表(大和中口径,DN200-400mm以上)宜采用超声波流量计。
3 测温传感器———建议使用Pt1000,注意测温头的制造要求
热量表欧洲标准第二部分“对设计的要求”中,第三条明确规定了:作为热量表的部件,温度传感器必须采用铂电阻作为测温元件,并且配对使用。”
(1)国外产品户用热量表采用的大多是Pt100或Pt500型铂电阻,这意味着:测温元件引出电缆的导线电阻在1欧时可能带来1%至0.2%的误差,因此务必要严格规定许可的电缆长度。
(2)热量表的发展将对铂电阻元件产生大量需求:在此市场前景的驱动下,国内已有几家企业投资建设采用薄膜或厚膜工艺的铂电阻元件生产线。测温传感器作为常年浸没在热水管道中工作的元件,必须用好的材料制造,以能够抗拒各种腐蚀和载热流体及包含杂质的磨损。正如欧洲标准中规定的,“直接插入探头的插入套管和温度探头保护管必须用足够坚固和耐磨的材料来制作,这种材料还须要有适当的导热率。EN108-3注明:X6CrNIMoTi17-12-2可以作适合的材料”。
(3)按照标准的规定,热量表使用的铂电阻测温元件必须达到IEC751,即JB/T8622-1997标准B或A级;制成测温探头后,不仅每一只温度传感器设计制作的套管材料、结构,温度偏差应不超过0.1℃———这本身要求制造商能测量保证;而且温度传感器必须进行配对。配对时要在三个温度点上进行测量(温度传感器的测点必须在以下温度范围上选三个检测点,其高、中、低应均布选择:5±3℃、40±5℃、70±5℃、90±5℃、130±5℃、160±5℃)。配对温度传感器的误差应满足标准的规定。
4热量积分计算器———分度精度设计及误差限和最小温差
式中(Δtmin)是最小温差的下限值,在此温差下,热量表准确度不得超过误差限。《热量表》标准中同样对热量表应能测量的进、回水口温差也规定了:“热量表的最大温差与最小温差之比应大于10,供货厂家必须提供最小温度差值,一般最小温差可为1、2、3、5和10℃,但公称直径DN≤40mm的热量表,Δtmin≤3℃。”概括而言,户用热量表积分计算器的精度应达到0.5%,而最小可测量的进、回水口温差应为3℃以下。
积分计算器是整个热量表的核心。七十年代,最早期的积分仪是机械式的,修正系数只能作为一个常数,误差很大。欧洲的热量表设计,是采用K系数的修正来保证其精度的。因为要用K系数来修正,如果最高温度为130℃,分度精度设计为1℃,在对流量汁和测温传感器的安装位置(进水,或是回水)严格的规定的情况下,内备有查表用的K系数数据应是7000个以上。而如果采用分段近似的方法计算,直接相关的就是最小温差的下限值。
本文第一章的论述,为热量表的积分计算器提供了另一种设计模式,即公式(5):
按照这一设计模式,同样在最高温度为130℃,分度精度为1℃的情况下,内存备查的只需260个数据,而且,无论是在进水还是在回水测得体积流量只要按照其对应的比容和热焓量之差来计算,都可以得出热量值。在此应说明:无论是采用K系数,还是直接用热焓差及密度计算,要达到现在标准规定的o.5%的误差限,还应进行插值计算,使分度精度达到0.1℃才能保证。
最小温差对热量表实用要求来说是一个重要的参数。在大流量、小温差下工作的热交换系统和冷暖换季时期供热系统的工况,都要求热量表能测量小温差下的热量。因此,户用热量表的允许的最小温差必须是3℃以下。上述积分计算仪的设计,能使计算精度达到最小温差可在1℃的水平上。
作者：大庆市热力公司 任中华
