Измерение тепловой энергии. Исследование методов измерения тепловой энергии по закрытой и открытой схеме измерения

Лабораторная работа № 4

Измерение тепловой энергии.

Цель работы: 1.  Исследование методов измерения тепловой энергии по закрытой и открытой схеме измерения. 

2. Приобретение практических навыков в работе с приборами учета тепловой энергии.

1.  Теоретическая часть

Тепловая энергия – это кинетическая энергия движения молекул вещества. Чем больше нагрето физическое тело, чем больше его температура, тем больше скорость движения молекул вещества. Тепловая энергия передается от более нагретого физического тела к более холодному. При нагреве физическое тело запасает тепловую энергию, при остывании оно отдает тепловую энергию. Из закона сохранения энергии следует: сколько тепловой энергии потрачено на нагрев тела, столько тепловой энергии выделится при его остывании. 

Способность физического тела запасать тепловую энергию называется "теплоемкость". Для измерения теплоемкости физического тела пользуются физическим понятием "Энтальпия".  Энтальпия – это количество тепловой энергии запасенное единицей массы физического тела ( в системе СИ – кг.)  при нагреве его на один градус. Единицей измерения энтальпии в системе СИ являются: Дж/кг, МВт-ч/кг и их производные единицы. Например: энтальпия кипящей воды соответствует количеству тепла, требующемуся для подогрева 1 кг воды от 273 °К  (О °С) до точки кипения при данном давлении, а энтальпия сухого насыщенного пара включает количество тепла, необходимого для ее полного испарения. Так, например, энтальпия 1 кг кипящей воды при атмосферном давлении равна 0,415 МДж/кг (99,2 ккал/кг), для испарения этой воды необходимо израсходовать дополнительно 2,259 МДж/кг (539,6 ккал/кг) и энтальпия полученного 1 кг сухого насыщенного пара будет равна 0,415 + 2,259 = 2,674 МДж/кг (638,8 ккал/кг).

Тепло, необходимое для получения 1 кг пара из кипящей воды (в данном случае 2,674 МДж), называется скрытой теплотой парообразования. Оно названо так потому, что затрачивается на подогрев 1 кг воды от 273,15 °К (О °С) до точки кипения и испарение (парообразование) воды и до полного её испарения. 

 Энтальпия физического тела зависит от его физических свойств ( химический состав, плотность, состояние вещества – твердое, жидкое, газообразное, давление окружающей среды и т.д.) и является для данного вещества и данных внешних условий (давление,  температура) величиной постоянной. 

Величину энтальпии для каждого вещества находят по стандартным справочным данным ( ССД ). ССД издаются Госстандартом и являются официальным документом к их применению.

С практической точки зрения, наибольший интерес представляют вещества, применяемые в промышленной теплоэнергетике для переноса тепловой энергии – вода и водяной пар. Для измерения тепловой энергии передаваемой водой или паром  используют специальные приборы – теплосчетчики. 

Существуют две принципиальных схемы измерения тепловой энергии, где в качестве теплоносителя используется вода:

•  Закрытая схема измерения тепловой энергии (см. рис.1).

•  Открытая схема измерения тепловой энергии (см. рис.2). 

Закрытая схема измерения тепловой энергии подразумевает, что расход теплоносителя ( сетевая вода ) в прямом и обратном трубопроводе одинаковый т.е. потери, санкционированный и не санкционированный разбор теплоносителя отсутствует. При такой схеме измерения теплосчетчик работает по следующему алгоритму:

T2

                                                              Q  = ∫G⋅ρ(h1 -h2)dT ;                                ( 1 )

T1

Где:       Q – измеряемая тепловая энергия.

G – объемный расход теплоносителя в трубопроводе ( прямом или обратном ) на котором установлен расходомер;  м³/ч.

ρ - плотность теплоносителя в трубопроводе ( прямом или обратном ) на котором установлен расходомер;  кг/м³. h₁ и h₂ – энтальпия теплоносителя в прямом и обратном трубопроводе.

Т₁ и Т₂ – время начала и конца измерения.

Энтальпия ( h ) и плотность ( ρ ) имеют следующие зависимости:

ρ = f (р_а, t^о)                                   ( 2 )                                                h = f (р_а, t^о)                                      ( 3 )

Где: р_а – абсолютное давление измеряемой среды.               t^o – температура измеряемой среды.

Т.к. вода является практически не сжимаемой средой, то для воды зависимости (2) и (3) от р_а не имеет ярко выраженного значения. Поэтому в интервале реальных рабочих давлений в теплосети от 0 до 2,0 мПа зависимости (2), (3) принимают вид:

ρ = f ( t^о)                                         ( 4 )                                                h = f ( t^о)                                          ( 5 )