Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
V laboratoři měřicí techniky na VŠCHT v Praze je v provozu nová laboratorní stanice, na níž se posluchači seznámí s funkcí kompaktního měřiče tepla. Laboratorní úloha představuje model reálné situace, se kterou se absolventi mohou setkat v praxi např. při měření dodávky či odběru tepla ve výrobních provozech, při bilancích tepla spotřebovaného na vytápění objektů nebo při měřeních souvisejících s optimalizací procesů (zjišťování tepelných ztrát) apod.
Laboratoř měřicí techniky na VŠCHT Praha je vybavena stanicemi, na kterých studenti absolvují různé úlohy z oblasti technologických měření, jako je např. měření teploty, tlaku, průtoku, hladiny a koncentrace. Nová laboratorní úloha je věnována problematice měření množství tepla. Při laboratorním cvičení se posluchači seznámí s funkcí kompaktního měřiče tepla, na laboratorním modelovém zařízení experimentálně vyhodnotí množství předaného tepla, proměří závislost tepelného výkonu na teplotě nebo průtoku teplonosného média a porovnají množství spotřebované elektrické energie s předaným množstvím tepla [1].
Princip měření předaného množství tepla
Teoretickým základem měřičů tepla předávaného teplonosnou látkou (voda, pára) je vztah pro výpočet tepelného výkonu [2]
Pq= Qm(i1 – i2) (1)
kde
Pqje tepelný výkon (W), Qmhmotnostní průtok teplonosné látky (kg·s–1), i1, i2 tepelný obsah teplonosné látky na vstupu, popř. výstupu tepelné sítě (J·kg–1).
Tepelný obsah teplonosné látky i však není možné zjistit přímým měřením, ale pouze výpočtem podle vztahu
i = cpt (2)
kde cp je měrná tepelná kapacita teplonosné látky (J∙kg–1∙K–1), t teplota teplonosné látky (°C).
Nahradí-li se hmotnostní průtok Qmprůtokem objemovým QV (m3·s–1) a podle vztahu (2) se dosadí do (1), dostane se
Pq = QV(ρ1cp1t1 – ρ2cp2t2) (3)
kde jsou ρ hustoty (kg·m–3), cp měrné tepelné kapacity a t (°C) teploty teplonosné látky na vstupu (index 1) a výstupu (index 2)
tepelné sítě.
Pokud je teplonosným médiem voda, v důsledku jejích opačných průběhů hustoty a měrné tepelné kapacity v závislosti na teplotě (obr. 2) lze v rozmezí provozních teplot považovat hodnotu součinu hustoty a měrné tepelné kapacity za velmi málo závislou na teplotě a tento součin je možné nahradit tzv. tepelným součinitelem k (J·m–3·K–1). V praxi jsou hodnoty tepelného součinitele často uloženy v paměti přístroje a není nutné je nastavovat.
S využitím tepelného součinitele má základní vztah pro tepelný výkon předávaný teplonosným médiem tvar
Pq= QVk(t1 – t2) (4)
Z teoretického vztahu (4) plyne, že ke stanovení tepelného výkonu Pqje třeba znát objemový průtok QV a rozdíl teplot t1 a t2.
Celkové odebrané teplo Qq(W·s) se získá integrací tepelného výkonu Pqza dobu Δτ (s)
(5)
Obecné zapojení přístroje pro měření tepelného výkonu a předaného tepla v oběhovém systému je schematicky znázorněno na obr. 2.
Popis laboratorní stanice
Aparatura pro laboratorní úlohu napodobuje běžnou vytápěcí soustavu používanou v praxi. Elektrický či plynový kotel je zde nahrazen elektrickým průtokovým ohřívačem vody ovládaným dvoupolohovým regulátorem teploty vody v okruhu zastupujícím termostat. Topná tělesa reprezentuje radiátor, na němž je měřeno množství předaného tepla. Součástmi aparatury jsou také další nezbytné komponenty topné soustavy, jako oběhové čerpadlo, bezpečnostní prvky (expanzní nádoba, pojišťovací ventil) atd. Schéma aparatury je na obr. 3.
Sestava aparatury
Skladbu reálné aparatury laboratorní stanice ukazuje obr. 4. Spotřebičem tepla je deskové topné těleso (radiátor) o rozměrech 50 × 50 cm. Teplonosným médiem je voda ohřívaná průtokovým ohřívačem typu MH3 o výkonu 3,5 kW. Oběh vody v aparatuře zajišťuje oběhové čerpadlo Buderus RS25. Kontrolní ukazatel na aparatuře je určen k vizuálnímu sledování teploty a tlaku v okruhu. Bezpečný provoz laboratorní úlohy je zajištěn pojistným ventilem a vypínačem napájení výkonové části aparatury (ohřívač vody, oběhové čerpadlo), který je součástí řídicí a komunikační jednotky. Hlavními komponentami laboratorní stanice jsou měřič tepla PolluStat E, řídicí a komunikační jednotka a systém ovládání prostřednictvím PC založený na softwaru Dokom CS, dále popsané podrobněji.
Ultrazvukový měřič tepla PolluStat E
Ústředním prvkem aparatury je ultrazvukový měřič tepla PolluStat E od firmy Sensus Metering Systems [3], který měří teploty t1, t2, objemový průtok QV a z nich vypočítává tepelný výkon Pqa celkové předané teplo Qq. Přístroj je určen k měření tepla ve vytápěcích, otopných nebo chladicích systémech s vodou jako teplonosným médiem. Skládá se z měřicí části a vyhodnocovací jednotky (obr. 5, obr. 6).
Měřicí jednotka měřiče je vybavena dvojicí odporových teploměrů Pt500 k měření teploty média v přiváděcím a vratném potrubí. Teploměr pro měření teploty t1 je umístěn v teplosměnné jímce v přiváděcím potrubí, teploměr pro měření teploty t2 ve vratném potrubí je součástí tělesa měřicí jednotky. Průtok média je měřen ultrazvukovým průtokoměrem založeným na principu měření doby šíření ultrazvukového signálu v proudícím médiu.
Z naměřených hodnot t1, t2 a QV vyhodnocovací jednotka měřiče vypočítává podle vztahů (4) a (5) tepelný výkon Pqa celkové předané teplo Qq. Na displeji měřiče je možné zobrazit tepelný výkon, celkové množství předaného tepla, hodnoty teplot t1 a t2 a aktuální průtok média QV. Měřič komunikuje s počítačem prostřednictvím sériového rozhraní M-Bus. Komunikační modul s rozhraním M-Bus je součástí měřiče.
Řídicí a komunikační jednotka
Řídicí a komunikační jednotka aparatury zajišťuje zejména přenos dat z měřidel do počítače a regulaci teploty v oběhovém systému. Obsahuje také ovládací a signální prvky pro manuální řízení aparatury a zdroje elektrického napětí pro její jednotlivé komponenty.
Aktivní komponenty řídicí a komunikační jednotky jsou uloženy na liště DIN v plastové rozvodné skříni (obr. 7). Základní součástí jednotky je digitální dvoupolohový regulátor teploty LD50/A (výrobce A-Elektronik), který udržuje teplotu vody v oběhovém systému měřenou teploměrem Pt100 na výstupu z průtokového ohřívače na požadované hodnotě tak, aby nedošlo k překročení kritické teploty systému, a tím k prudkému nárůstu tlaku. Regulátor podle potřeby spíná řídicí okruh polovodičového relé, které tvoří hlavní spínač průtokového ohřívače vody. Řídicí obvod polovodičového relé je napájen ze zdroje napětí 24 V DC. K manuálnímu ovládání výkonové části aparatury (oběhové čerpadlo a průtokový ohřívač) je zařazen vypínač.
Řídicí jednotka dále obsahuje elektroměr typu Delta Single (ABB), který měří množství elektrické energie spotřebované průtokovým ohřívačem vody. Naměřenou spotřebu lze zobrazit v reálném čase na PC díky komunikačnímu modulu typu CEM 05000 se zabudovaným webovým serverem. Modul CEM 05000 a elektroměr spolu komunikují přes infračervené rozhraní. Převodník RS-232/M-Bus typu PW3 zprostředkovává spojení mezi počítačem a měřičem tepla (současně lze připojit i jiné měřicí přístroje, např. vodoměr a plynoměr, což v daném případě není využito).
Software Dokom CS
Ultrazvukový měřič tepla PolluStat E lze ovládat buď manuálně ve čtyřech úrovních (uživatelská, archivační, servisní a parametrická), nebo na dálku prostřednictvím vestavěného modulu M-Bus podle ČSN EN 1434-3. Údaje naměřené měřičem tepla je možné průběžně ukládat a zobrazovat s použitím programu Dokom CS [4] nainstalovaného v monitorovacím PC. Sada programů k Dokom CS je určena k dálkovým odečtům údajů z měřičů připojených ke společné centrále M-Bus vybavené převodníkem M-Bus/RS-232. Centrála může být připojena k PC buď přímo, nebo prostřednictvím komunikačních kanálů (telefonní linka, kabelová televize). Software Dokom CS je určen k řízení dálkových odečtů z měřičů médií za účelem podrobného sledování rozvodných sítí v reálném čase. Umožňuje sbírat fakturační údaje, zjišťovat informace o okamžitých hodnotách průtoků, výkonu a teploty, o případných únicích vody či o překročení špičkových hodnot průtoku ve vodovodních rozvodech apod. Příklad zobrazení měřených a vypočítaných veličin je na obr. 8. Součástí sady jsou také programy umožňující simulovat další měřiče dodávané firmou Sensus Metering Systems. Licence programu Dokom CS je zajištěna hardwarovým klíčem.
Úkoly laboratorního cvičení
Cílem laboratorní úlohy jako celku je seznámit studenty s principem měření tepla a s příslušnou přístrojovou technikou a umožnit jim upevnit si získané znalosti vlastnoručním uskutečněním experimentu spočívajícího ve změření množství přeneseného tepla při různých teplotách a průtocích teplonosného média [5].
Studenti mají během daného laboratorního cvičení postupně za úkol:
-
seznámit se s měřičem tepla PolluStat E,
-
zkonfigurovat spojení mezi měřičem tepla a počítačem a připojit komunikační modul elektroměru,
-
seřídit regulátor teploty na zadanou hodnotu (např. 45 °C); nastavit požadovanou hodnotu průtoku a zaznamenat údaje měřiče tepla po zadané době měření (např. 45 min) se zadanou periodou odečtu (např. 10 s); vyexportovat naměřené údaje do souboru v programu Microsoft Excel a posoudit naměřené průběhy jednotlivých veličin,
-
zjistit vliv změny průtoku a teploty teplonosného média,
-
porovnat hodnoty celkového spotřebovaného tepla a elektrické energie spotřebované během celého laboratorního experimentu; vypočítat účinnost aparatury; diskutovat o chybách a nepřesnostech, které mohou ovlivnit výsledky měření.
Souhrn a závěr
V posluchačských laboratořích ústavu fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha je v provozu nová aparatura pro realizaci laboratorní úlohy měření tepla založená na moderním ultrazvukovém měřiči tepla PolluStat E. Laboratorní aparatura je sestavena z moderních komponent měřicí a řídicí techniky používaných v praxi v reálných vytápěcích systémech.
Poděkování
Práce vznikla při řešení úkolů podporovaných Výzkumným záměrem č. MSM 6046137306, rozvojovým projektem MŠMT č. 605/2004 a vnitřním grantem VŠCHT.
Literatura:
[1] Kopeck ý, D.– Kadlec , K.: Heat consumption measurement – laboratory practice. Summa r ies Volume 16th Internat iona l Conference on Process Control 07, full text on CD Proceedings 2007 No. 047. Ed. Slovak University of Technology, Bratislava, 2007.
[5] Kopeck ý, D. – Kadlec , K.:
Měření tepla – návod k laboratorní práci. Elektronické učební texty k laboratořím z předmětu měřicí technika, VŠCHT Praha, 2008. Dostupné z:
http://www.vscht.cz/ufmt/kadleck.html.
Ing. Dušan Kopecký
doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.
ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha
Obr. 1. Závislost hustoty ρ a měrné tepelné kapacity cpvody na teplotě
Obr. 2. Základní uspořádání zařízení pro měření tepelného výkonu Pqa množství předaného tepla Qq
Obr. 3. Schéma laboratorní aparatury
Obr. 4. Aparatura laboratorní stanice (1 – měřič tepla PolluStat E, 2 – radiátor, 3 – průtokový ohřívač vody, 4 – oběhové čerpadlo, 5 – řídicí a komunikační jednotka, 6 – kontrolní ukazatel, 7 – pojistný ventil, 8 – teploměr Pt100 regulátoru teploty, 9 – teploměr Pt500 měřiče tepla, 10 – škrticí ventil pro nastavení průtoku, 11 – počítač)
Obr. 5. Čelní pohled na ultrazvukový měřič tepla PolluStat E
Obr. 6. Měřicí jednotka měřiče PolluStat E (1 – vyhodnocovací jednotka s elektronickými obvody, 2 – teploměr Pt500 pro měření teploty ve vratném potrubí, 3 – ultrazvukový průtokoměr, 4 – připojovací šroubení)
Obr. 7. Řídicí a komunikační jednotka aparatury (1 – komunikační modul elektroměru, 2 – elektroměr, 3 – dvoupolohový regulátor, 4 – polovodičové relé, 5 – převodník RS-232/M-Bus, 6 – vypínač výkonové části aparatury, 7 – zdroj 24 V DC)
Obr. 8. Software Dokom CS – příklad zobrazení časových průběhů sledovaných veličin