7.2. Уравнения для измерения тепловой энергии

Прежде чем рассматривать уравнения измерений тепловой энергии, обратимся к понятию «тепловая энергия». Несмотря на то, что это понятие широко применяется в технической литературе, различных нормативно-правовых документах и вообще в быту, оно до сих пор не введено в ранг стандартизованных терминов. Хотелось бы пояснить, что в данном случае следует понимать под термином «тепловая энергия», исходя из целей ее учета.

Объектом измерения в узлах учета является энергия изменяющегося теплового потока теплоносителя, прошедшего по каждому трубопроводу. В качестве физической модели энергии потока может быть принята наиболее близко соответствующая целям учета величина, прямо пропорциональная массе и энтальпии теплоносителя, которая может быть названа тепловой энергией. Эта величина зависит только от состояния теплоносителя и не зависит от того, как был осуществлен переход теплоносителя из некоторого начального состояния в данное состояние. Она определяется только параметрами теплоносителя. Именно на основании измерений параметров теплоносителя (расхода или количества теплоносителя, его температуры и давления) может определяться ее значение.

В словах «тепловая энергия» определение «тепловая» указывает на вид энергии. Подобно термину «электрическая энергия» термин «тепловая энергия» хорошо воспринимается всеми специалистами. В метрологическом аспекте он наиболее точно характеризует измеряемую физическую величину.

Иногда вместо термина «тепловая энергия» применяют термин «теплота». Применение термина «теплота» в данном случае, с физической точки зрения, по-видимому, не совсем корректно, поскольку под теплотой понимается изменение энергии. Причем теплота зависит не только от изменения энергии, но и от пути, по которому осуществляется переход из одного состояния в другое. В зависимости от того, как совершен переход теплоносителя в данное состояние, «теплота может иметь любое значение». Такая величина, которая зависит не только от параметров теплоносителя, по-видимому, не может использоваться для учета и осуществления взаимных расчетов между производителями и потребителями энергии.

Математически тепловая энергия Qизменяющегося теплового потока теплоносителя, прошедшего через трубопровод за определенный интервал времени, в общем случае может быть представлена функционалом

, (7.1)

где mиh– соответственно массовый расход и энтальпия теплоносителя;

₀и₁–моменты времени, соответствующие началу () и окончанию () интервала времени измерения тепловой энергии.

Энтальпия hявляется функцией температуры и давления теплоносителя. Таким образом, тепловая энергия зависит от текущих значений параметров теплоносителя (массового расхода, температуры и давления) и интервала времени, в течение которого проходит в трубопроводе поток теплоносителя. На основании приведенного выражения обычно и получают уравнения, на основе которых строят методики, схемы и алгоритмы измерений тепловой энергии.

При реализации уравнений измерений, полученных из (7.1) в средствах измерений, методиках выполнения измерений и схемах узлов учета тепловой энергии и теплоносителя их, как правило, преобразовывают в соответствии с правилами математики. А именно: энтальпию и плотность выражают через соответствующие уравнения состояний, а интегралы заменяют так называемыми конечными суммами. Например, интеграл вида (7.1) будет представлен в виде суммы

(7.2)

где – тепловая энергия, соответствующая i-му интервалу времени;

– значение массы теплоносителя, прошедшей через трубопровод в течениеi-го интервала времени;

– энтальпия теплоносителя, соответствующая i-му интервалу времени;

n. –количество интервалов времени, соответствующее времени измерения тепловой энергии от 0 до 1.

Конечно, в этих случаях оценивают погрешность от замены интеграла на соответствующую сумму, и если она существенна, то ее указывают в технической документации на средства измерений и (или) методике выполнения измерений.

Вопрос о существенности указанной погрешности рассматривается при утверждении типа средства измерений и (или) аттестации (утверждении) методики выполнения измерений.

Основные требования к организации учета потребляемой энергии должны быть приведены в соответствующих «Правилах». Такая попытка и была принята в 1994-95 гг., когда несколькими творческими научными коллективами разрабатывались и обсуждались «Правила учета тепловой энергии и теплоносителя». Теперь приходиться констатировать, что официально была принята не лучшая их редакция. Поэтому большинство теплосчетчиков реализуют другие уравнения для расчета потребляемой тепловой энергии. Важно, чтобы эти уравнения были корректны при любой схеме подключения потребительских систем.

Универсальным уравнением расчета потребленной тепловой энергии, которое должно реализовываться в системе учета тепловой энергии, является следующее:

, (7.3)

где Q– тепловая энергия, соответствующая i-му интервалу времени;

G₁– расход теплоносителя по подающему трубопроводу;

h₁– энтальпия теплоносителя по подающему трубопроводу;

G₂– расход теплоносителя по обратному трубопроводу;

h₂– энтальпия теплоносителя по обратному трубопроводу;

h_ХВ– энтальпия холодной воды, поступающей в системы из источника водоснабжения.

В соответствии с принятой в теплотехнике терминологией все системы теплопотребления можно разделить на закрытые и открытые. Закрытой называется система, которая не обменивается веществом (массой) с окружающей средой, а открытой – система, в которой такой обмен происходит непрерывно или периодически. Универсальным уравнение (7.3) названо потому, что оно применимо как для закрытых, так и для открытых систем теплопотребления.