Aktuální vydání

celé číslo

12

2019

Automatizace v energetice a pro efektivní využívání energie

Bezpečnost strojů a zařízení, bezpečnostní PLC moduly

celé číslo

Měření množství tepla

Měření množství tepla je základním předpokladem pro platby za odebrané teplo nebo pro hodnocení ekonomiky určité části provozu či pro optimální provoz a řízení zdroje tepla a horkovodu. Z dlouhodobého hlediska měření tepla poskytuje informace pro posouzení velikosti tepelných ztrát a technického stavu zařízení.

 

1. Principy měřičů přeneseného tepla

 
Teoretickým základem měřičů tepla, které je předávané teplonosnou látkou (voda, pára), je vztah pro výpočet tepelného výkonu
 
Pq= Qm(h1h2)          (1)
 
kde
Pqje tepelný výkon (W),
Qmhmotnostní průtok teplonosné látky (kg/s),
h1, resp. h2 měrné entalpie teplonosné látky na vstupu, resp. na výstupu tepelné sítě (J/kg).
 
Tepelný výkon Pq je tedy vypočten ze součinu hmotnostního průtoku teplonosné látky Qm a rozdílu měrných entalpií teplonosné látky na vstupu a na výstupu tepelné sítě h1 a h2. Měrnou entalpii teplonosné látky h však není možné zjistit přímým měřením, ale pouze výpočtem ze vztahu
 
h = cp(t tref)          (2)
 
kde
cpje měrná tepelná kapacita teplonosné látky (J/(kg∙K)),
t teplota teplonosné látky (°C),
tref referenční teplota (obvykle 0 °C) [1].
 
Stejný princip, který je využíván k měření předaného tepla, lze využít i k měření chladu předávaného prostřednictvím vhodného média.
 

1.1 Měření tepla přenášeného kapalným médiem

Jestliže je hmotnostní průtok Qm nahrazen průtokem objemovým QV (m3/s) a podle vztahu (2) je dosazen do vztahu (1), získá se
 
Pq= QV(ρ1 cp1 t1ρ2 cp2 t2)          (3)
 
kde ρ a cpjsou hustoty (kg/m3) a měrné tepelné kapacity (J/(kg∙K)) teplonosné látky na vstupu (index 1) a výstupu (index 2) tepelné sítě. Hustota a měrná tepelná kapacita obecně závisejí na teplotě.
 
Je-li teplonosným médiem voda, v důsledku opačných průběhů hustoty a měrné tepelné kapacity v závislosti na teplotě (obr. 1) lze v určitém rozmezí provozních teplot považovat hodnotu součinu hustoty a měrné tepelné kapacity za velmi málo závislou na teplotě a tento součin je pak možné nahradit tzv. tepelným součinitelem k (J/(m3∙K)). V praxi jsou hodnoty tepelného součinitele uloženy v paměti vyhodnocovací jednotky a není nutné je nastavovat.
 
S využitím tepelného součinitele se pak získá základní vztah pro tepelný výkon předávaný vodou jako teplonosným médiem
 
Pq= QVk (t1t2)           (4)
 
Z tohoto teoretického vztahu plyne, že pro vyhodnocení tepelného výkonu Pqje třeba měřit objemový průtok QVa teplotní rozdíl (t1t2).
 
Celkové odebrané teplo Qq(J nebo W·s) se získá integrací tepelného výkonu Pqza časový interval od τ1 do τ2.
 
rovnice 5          (5)
 
Zjednodušený výpočet podle vztahu (4) lze využít jen při měření v teplovodních sítích. V horkovodních sítích by zjednodušení znamenalo zanesení poměrně velkých chyb, protože jak hustota vody, tak její měrná tepelná kapacita se s teplotou značně mění. V těchto případech je nutné při výpočtu závislosti na teplotě postupovat v souladu se vztahem (3).
 
Schéma na obr. 2 ukazuje obecné zapojení zařízení pro měření tepelného výkonu a spotřebovaného tepla předávaného kapalným teplosměnným médiem (nejčastěji vodou).
 
Základní součásti, které tvoří zařízení pro měření tepla přenášeného vodou, jsou: snímač průtoku FI 03, párované teploměry TI 01 a TI 02 a vyhodnocovací jednotka, která vypočítává tepelný výkon a předané teplo podle vztahů (4) a (5).
 
Jako snímače teploty se nejčastěji používají párované odporové teploměry Pt100 nebo Pt500 ve čtyřvodičovém zapojení. Průtok se měří ve větvi s ochlazenou vodou a k měření se u kompaktních měřičů využívají průtokoměry lopatkové nebo turbínové, ultrazvukové a indukční (za předpokladu dostatečné elektrické vodivosti vody), u výkonnějších průmyslových měřičů tepla se používají průtokoměry se škrticími orgány (se clonou), ultrazvukové a vírové.
 
Mikroprocesorem řízená vyhodnocovací jednotka (kalorimetrické počítadlo) vyhodnocuje množství tepla při zohlednění hustoty a měrné tepelné kapacity teplosměnného média, popř. pomocí tepelného součinitele k. Vyhodnocovací jednotka je vybavena displejem, na kterém se zobrazují aktuální hodnoty tepelného výkonu, množství předaného tepla, dále je možné zobrazit momentální průtok média, teploty na vstupu a výstupu, maximální hodnoty apod.
 
Na obr. 3 je schéma zapojení měřiče tepla a příklad kompaktního elektronického měřiče tepla s lopatkovým průtokoměrem PolluCom E [2].
 
Průtokoměry pro průmyslové měření tepla musí splňovat mnoho požadavků: musí mít malou nejistotu měření, dlouhodobou stabilitu a opakovatelnost měření i při náročných provozních podmínkách. Takovým požadavkům vyhovují např. ultrazvukové průtokoměry. Na obr. 4 je ultrazvukový průtokoměr Krohne UFM 3030 s velmi dobrými metrologickými parametry zapojený do měřicí tratě při měření tepla [3].
 
Na obr. 5a je příklad vyhodnocovací jednotky měřidla tepla EngyCal RH33 [4], kterou lze použít k měření tepla přenášeného kapalnými médii, jako je voda, směsi vody s glykolem, tepelné oleje apod. Velmi přesně počítá entalpii, tepelný výkon, hustotu a objemový průtok. Jednotka je vybavena univerzálními vstupy, které umožňují připojit různé průmyslové snímače. Pro průtokoměry se využívá proudový signál 4 až 20 mA, popř. pulzní, pro snímače tlaku a teploty 4 až 20 mA, popř. vstupy pro odporové teploměry Pt100, Pt500 nebo Pt1000. Na obr. 5b je vyhodnocovací jednotka měřiče tepla a chladu INMAT 57D s mnoha možnostmi použití [5].
 
V zahraniční literatuře je možné se setkat s označením BTU-flowmeter; je to přístroj k měření energetického obsahu v tekoucí kapalině udávaného v BTU (British thermal unit).
 

1. 2 Měření tepla přenášeného vodní párou

Pro tepelný výkon předávaný přehřátou a následně kondenzující párou Pqplatí
 
Pq= Qmcpáry (tptk) + QmΔvýpH + Qmcvody (tktkv)          (6)
 
kde
Qmje hmotnostní průtok páry nebo vody,
cpáry, cvody měrné tepelné kapacity páry a vody (obecně závisejí na teplotě),
ΔvýpH měrná výparná entalpie (měrné skupenské teplo kondenzační),
tp teplota přehřáté páry v přiváděcím potrubí tepelné sítě,
tk teplota kondenzace (≈100 °C),
tkv teplota kondenzátu ve vratném potrubí tepelné sítě.
 
Jednotlivé členy v rovnici (6) představují tepelné výkony předávané:
a) ochlazením přehřáté páry z teploty tp na teplotu kondenzace tk ≈ 100 °C,
b) kondenzací páry při teplotě tk,
c) ochlazením vody na teplotu odcházejícího kondenzátu tkv.
 
Parametry, které se měří, jsou vyznačeny ve schématu na obr. 6. Jsou to teplota tp a tlak pp přehřáté páry, teplota tkv kondenzátu a průtok Q teplonosného média. Je možné měřit buď průtok páry (přímá metoda) [6], nebo průtok kondenzátu (nepřímá metoda) [7]. Měří-li se objemové průtoky, jsou jejich hodnoty ve výpočetní jednotce přepočteny na hmotnostní průtoky.
 
Při poklesu hodnot parametrů páry pod mez sytosti (mokrá pára) se pro výpočet množství tepla používá tzv. náhradní metoda, při které se výpočet doplňuje korekčním součinitelem dohodnutým mezi dodavatelem a odběratelem tepla [6], [7].
 
K měření teploty se obvykle používají párované odporové teploměry ve čtyřvodičovém zapojení. Průtok bývá měřen měřidly se škrticími orgány, ultrazvukovými a vírovými průtokoměry.
 
Výpočetní jednotka obsahuje matematický člen pro výpočet tepelného výkonu, množství přeneseného tepla na základě měřených parametrů a pro provádění potřebných korekcí měrných tepelných kapacit a hustoty v závislosti na provozní teplotě a tlaku. Mikroprocesorem řízená výpočetní jednotka poskytuje na displeji údaje o tepelném výkonu, množství tepla, průtoku a proteklém množství teplonosného média, teplotách, tlaku i o příslušných součinitelích a konstantách.
 
Na obr. 7 obr. 9 jsou ukázky přístrojové techniky využívané k měření množství tepla předávaného v parních tepelných sítích.
 
Na obr. 7 je ultrazvukový měřič kondenzátu Ultraheat UH50 s vyhodnocovací jednotkou pro měření množství tepla. Na obr. 8 je vírový průtokoměr s integrovanou tlakovou a teplotní kompenzací Optiswirl 4070 C [9]. K měření tedy nejsou zapotřebí další snímače pro měření tlaku a teploty páry; jako výstup je k dispozici i údaj o hmotnostním průtoku. Na obr. 9 je ukázáno clonové měřidlo průtoku s integrovaným snímačem teploty Rosemount 3051SFC [10]. Přístroje pro měření tepla v páře a přístroje pro měření tepla a chladu rovněž vyrábí a dodává firma ELIS Plzeň [6], [7].
 

2. Použití měřičů tepla

Měřiče tepla pro kapalná teplonosná média je možné využít k měření tepla nebo chladu. Nacházejí uplatnění v komunálních teplárenských sítích, při vytápění a chlazení průmyslových objektů a využívají se zejména jako fakturační měřidla. Měřiče tepla přenášeného párou lze využít při používání páry k čištění a sterilizaci v potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Investice do měření tepla se vyplatí, protože umožní efektivněji využívat teplonosná média, a tím snižovat provozní náklady.
 
Některé přístroje jsou vybaveny záznamníkem dat (datalogger), který umožňuje ukládat naměřené hodnoty do paměti v požadovaném formátu včetně časového údaje, důležitého např. při fakturaci. Používá-li se měřidlo pro fakturaci, musí to být stanovené pracovní měřidlo ve smyslu § 3 zákona o metrologii č. 505/1990 Sb. Tato měřidla podléhají povinnému úřednímu ověření.
 
Měřidla tepla bývají vybavena komunikačním rozhraním (Ethernet, Modbus nebo M-Bus) a díky tomu lze měřidlo integrovat do řídicího a informačního systému závodu nebo teplárenské sítě.
 
Text článku vychází z kapitoly 10 Měření množství tepla v knize Měření a řízení v potravinářských a biotechnologických výrobách (editoři Kadlec K., Kmínek M., Kadlec P.), Ostrava, Key Publishing, 2015.
 
Literatura:
[1] KADLEC, K.: Měření množství tepla. In: Měření a řízení v potravinářských a biotechnologických výrobách (editoři Kadlec K., Kmínek M., Kadlec P.). Ostrava, Key Publishing, 2015.
[2] JSP: Kompaktní měřič tepla PolluCom E [on-line]. [cit. 31. 1. 2016]. Dostupné z: www.jsp.cz/cz/sortiment/seznam_dle_kategorii/merice_prutoku_a_tepla/kompaktni-meric-tepla-pollucom-e.html
[3] KOMP, P.: Měření průtoku horké vody v průmyslu v soupravách pro měření množství tepla. Automa, 2010, č. 11, s. 46–47.
[5] ZPA Nová Paka: Měřič tepla a chladu, vyhodnocovací jednotka průtoku plynu INMAT 57D [on-line]. [cit. 31. 1. 2016]. Dostupné z: www.zpanp.cz/meric-tepla-a-chladu-vyhodnocovaci-jednotka-prutoku-plynu-inmat-57d-280.html
[6] ELIS Plzeň: Měření tepla v páře přímou a náhradní metodou STEAMTHERM ST 4000 [on-line]. [cit. 31. 1. 2016]. Dostupné z: www.elis.cz/cs/produkty/merice-tepla-v-pare/system-mereni-tepla-v-pare-steamtherm-st4000.html
[7] ELIS Plzeň: Měření tepla v páře nepřímou a náhradní metodou STEAMTHERM ST 5000 [on-line]. [cit. 31. 1. 2016]. Dostupné z: www.elis.cz/cs/produkty/merice-tepla-v-pare/system-mereni-tepla-v-pare-steamtherm-st5000.html
[8] JSP: Ultrazvukový měřič tepla a kondenzátu Ultraheat UH50 [on-line]. [cit. 1. 2 . 2 016]. Dostupné z: www.jsp.cz/cz/sortiment/seznam_dle_kategorii/merice_prutoku_a_tepla/ultrazvukovy-meric-kondenzatu-ultraheat-uh50.html
[9] KROHNE: Vírový průtokoměr OPTISWIRL 4070 [on-line]. [cit. 1. 2. 2016]. Dostupné z: http://cz.krohne.com/cs/vyrobky/mereni-prutoku/virove-prutokomery/optiswirl-4070/
[10] EMERSON: Rosemount Compact Orifice Flowmeters [on-line]. [cit. 1. 2. 2016]. Dostupné z: http://www2.emersonprocess.com/en-us/brands/rosemount/flow/dp-flow-products/compact-orifice-flowmeters/pages/index.aspx
 
doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.,
ústav fyziky a měřicí techniky
VŠCHT Praha
 
Obr. 1. Závislost hustoty a měrné tepelné kapacity vody na teplotě
Obr. 2. Základní uspořádání zařízení k měření tepla předávaného vodou
Obr. 3. Elektronický měřič tepla: a) obecné schéma, b) kompaktní měřič tepla PolluCom E [2]
Obr. 4. Ultrazvukový průtokoměr Krohne UFM 330 v potrubí při měření tepla [3]
Obr. 5. Vyhodnocovací jednotky měřidel tepla: a) jednotka EngyCal RH33 [4], b) jednotka INMAT 57D [5]
Obr. 6. Základní uspořádání zařízení k měření tepla předávaného párou
Obr. 7. Ultrazvukový měřič kondenzátu Ultraheat UH50 [8]
Obr. 8. Vírový průtokoměr s integrovanou tlakovou a teplotní kompenzací Optiswirl 4070 C [9]
Obr. 9. Průřezový kompaktní průtokoměr s integrovaným snímačem teploty Rosemount 3051SFC [10]