KONICA MINOLTA

Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Měření množství tepla předaného jinými kapalinami než vodou

Měření množství tepla předaného nebo odebraného kapalinou jinou než voda v mnoha případech slouží ke sledování hospodárnosti chodu významné části technologického energetického zařízení a výsledné měřené hodnoty jsou často využívány k vystavení vyúčtování za dodané nebo odebrané teplo odběrateli.

Souprava pro měření množství tepla předaného nebo odebraného kapalinou jinou než voda se významně liší od běžné soupravy pro měření tepla předaného vodou, a to zejména z důvodu odlišných fyzikálních vlastností měřené kapaliny a také vzhledem k často malému rozdílu teplot mezi potrubím s vyšší a nižší teplotou. V příspěvku jsou uvedeny základní požadavky na členy měřicí sestavy a v závěru je popsáno použití měřicí sestavy pro měření množství tepla odebraného ledové ploše.

 Úvod

Klasickou teplonosnou kapalinou je chemicky upravená voda, která se používá v teplovodech i horkovodech. Použití vody jako teplonosné kapaliny má mnoho výhod, mezi které patří zejména dostupnost, nízká cena, nízká viskozita a velká měrná tepelná kapacita.

V mnoha úlohách se může vyskytovat požadavek na provozní teplotu teplonosné kapaliny pod bodem mrazu vody a v tomto případě je použití vody jako teplonosné kapaliny nemožné. Tato situace může nastat, jde-li o uzavřený chladicí okruh a výměník tepla mezi teplonosnou kapalinou a okolím je trvale umístěn venku. Potom se používá jako teplonosná kapalina směs vody a etylenglykolu nebo propylenglykolu.

Běžný rozsah provozních teplot je 30 až 90 °C, může však nastat provozní stav, kdy je v cirkulačním okruhu nebo jeho části teplota teplonosné kapaliny pod bodem mrazu.

Další možnou úlohou je řízené chlazení výrobků nebo technologického zařízení, např. v potravinářském průmyslu, kdy je běžná provozní teplota teplonosné kapaliny pod bodem mrazu trvale. Jako teplonosná kapalina se rovněž používá směs vody a etylen­glykolu nebo propylenglykolu či směs vody a mravenčanu draselného.

V některých případech je pro měření množství tepla předaného nebo odebraného teplonosnou kapalinou požadováno použití stanoveného měřidla pro obchodní styk.

Měření množství tepla předaného nebo odebraného kapalinou jinou než voda se významně odlišuje od běžných úloh využívajících vodu jako teplonosnou kapalinu:

  • podstatně se mění viskozita i vodivost teplonosné kapaliny v závislosti na teplotě,
  • měrná tepelná kapacita teplonosné kapaliny je jiná než u vody,
  • zejména při řízeném chlazení je obvykle velmi malý rozdíl teplot mezi potrubím s nižší teplotou („přívod“) a potrubím s vyšší teplotou („vrat“).

 Základní vztahy pro měření tepla předaného nebo odebraného kapalinou a schéma měřicí sestavy

Množství tepla předaného kapalinou Q (J) se vypočítá podle vztahu:

 vzorec 1

 kde:

qm je hmotnostní průtok kapaliny (kg/s),

iH  entalpie v potrubí s vyšší teplotou (J/kg),

iL   entalpie v potrubí s nižší teplotou (J/kg),

τ    čas (s).

Obr. 1. Uspořádání měřicí sestavy pro měření množství tepla předaného teplonosnou kapalinou (nahoře varianta s průtokoměrem v potrubí s vyšší teplotou, dole v potrubí s nižší teplotou)

Měřicí sestava se skládá z matematického členu, objemového průtokoměru a dvou odporových snímačů teploty, které jsou párovány pro zajištění minimální možné nejistoty pro měření rozdílu teplot mezi potrubím s vyšší teplotou a potrubím s nižší teplotou teplonosné kapaliny (obr. 1, obr. 2).

Objemový průtokoměr může být umístěn v potrubí s vyšší teplotou nebo v potrubí s nižší teplotou a zajišťuje měření objemového průtoku teplonosné kapaliny.

Obr. 2. Uspořádání měřicí sestavy pro měření množství tepla odebraného teplonosnou kapalinou (nahoře varianta s průtokoměrem v potrubí s vyšší teplotou, dole v potrubí s nižší teplotou)

Odporové snímače teploty měří rozdíl teplot teplonosné kapaliny v potrubí s vyšší teplotou a v potrubí s nižší teplotou (autor záměrně nepoužívá běžné pojmy „přívod“ a „vrat“, protože mohou mít jiný význam pro odběratele nebo dodavatele tepla). Současně se měří i teplota teplonosné kapaliny v potrubí s průtokoměrem a tato hodnota se využívá pro výpočet hmotnostního průtoku teplonosné kapaliny.

Matematický člen zpracovává signály z průtokoměru (obvykle impulzní nebo frekvenční) a z odporových snímačů teploty (obvykle Pt100) a vypočítává hmotnostní průtok, entalpii teplonosné kapaliny v potrubí s vyšší teplotou a v potrubí s nižší teplotou a také množství tepla předaného nebo odebraného teplonosnou kapalinou v příslušných jednotkách. 

Vlastnosti teplonosných kapalin jiných než voda z hlediska měření objemového průtoku

Obr. 3. Zelená křivka ukazuje změnu měrné elektrické vodivosti směsi vody a etylenglykolu v závislosti na teplotě (šlo o skokové změny teploty směsi v rozsahu mezi 3 a 95 °C)

Pro spolehlivé měření průtoku s malou nejistotou musí být průtokoměr schopen měřit objemový průtok teplonosné kapaliny s měnící se viskozitou i elektrickou vodivostí. Obě tyto veličiny se mění s teplotou. Důležitý je požadavek na zanedbatelnou tlakovou ztrátu průtokoměru v celém rozsahu provozních teplot.

Obr. 4. Senzor ultrazvukového průtokoměru DN 150 v potrubí (před ukončením montáže tepelných izolací)

Údaje o viskozitě teplonosných kapalin na bázi etylenglykolu, propylenglykolu a mravenčanu draselného jsou dostupné v tabulkách. Podstatně se odlišují od hodnot pro vodu, např. pro provozní podmínky v rozsahu teplot –10 až +90 °C pro měření tepla předaného směsí vody a etylenglykolu s koncentrací 30 % se hustota mění v rozsahu 1 036 až 981 kg·m–3, viskozita v rozsahu 16,6 až 0,7 mPa·s a měrné teplo v rozsahu 4,8 až 3,1 kJ·kg–1·K–1.

Údaje o měrné elektrické vodivosti v závislosti na teplotě nejsou dostupné a podle zkušeností autora je neznají ani výrobci těchto kapalin. Experimentálně bylo ověřeno, že vodivost teplonosné kapaliny (v tomto případě směsi vody a etylenglykolu) silně závisí na teplotě, viz obr. 3. Proto není vhodné použít magnetickoindukční průtokoměry.

Obr. 5. Převodník ultrazvukového průtokoměru Krohne Optisonic 3400 a matematický člen Inmat 57D

Pro měření objemového průtoku je vhodný vícekanálový ultrazvukový průtokoměr, který vyhoví pro měření objemového průtoku kapalin s viskozitou až 100 mPa·s a rozsahem provozních teplot –40 až +180 °C, např. tříkanálový ultrazvukový průtokoměr Krohne Optisonic 3400, který se vyrábí v rozsahu jmenovitých světlostí DN 25 až DN 3000. 

Vlastnosti teplonosných kapalin jiných než voda z hlediska měření teploty teplonosné kapaliny

Požadavky na odporové snímače teploty se odlišují od běžného použití (s teplonosnou látkou vodou) v tom, že zejména v úlohách řízeného chlazení při teplotách okolo bodu mrazu nebo pod ním je obvykle rozdíl teplot potrubí s vyšší teplotou a v potrubí s nižší teplotou v řádu jednotek kelvinů. Při výběru odporových snímačů se proto volí robustní průmyslové provedení s měřicí vložkou přitlačovanou ke dnu jímky pružinami (spring loaded sensor). Odporové snímače teploty musí být párované a musí usnadňovat provedení tepelné izolace potrubí v místě
měření.

Matematický člen musí umožňovat naprogramování závislostí hustoty a entalpie teplonosné kapaliny na její teplotě. V úlohách řízeného chlazení musí být matematický člen schopen měřit malé rozdíly teplot teplonosné kapaliny s malou nejistotou. 

Obr. 6. Montáž odporového snímače teploty Krohne TRA S12

Měření v obchodním styku

Je-li třeba navrhnout měřicí sestavu pro měření tepla předaného nebo odebraného kapalinou v obchodním styku, musí mít všechny součásti této sestavy národní schválení typu měřidla. Průtokoměr navíc musí být schválen jmenovitě pro požadované měřené kapaliny – směsi vody a nemrznoucí kapaliny.

Sestava pro měření tepla předaného nebo odevzdaného kapalinou jinou než voda, která je stanoveným měřidlem, se může skládat např. z:

  • ultrazvukového průtokoměru Krohne Optisonic 3400,
  • párovaných odporových snímačů teploty Krohne Optitemp TRA S12,
  • matematického členu INMAT 57D, výrobce ZPA Nová Paka.

Obr. 7. Ukazatel převodníku ultrazvukového průtokoměru Optisonic 3400

V dalších odstavcích bude popsán příklad použití této měřicí sestavy, v němž se měří množství tepla odebraného ledové ploše, používané pro sportovní a rekreační účely, pro účely fakturace množství odebraného tepla („chlazení“). Základní technické parametry jsou v tab. 1.

Ultrazvukový průtokoměr Krohne Optisonic 3400 F v odděleném provedení, DN 150, PN 16, je instalován v potrubí s vyšší teplotou. Senzor průtokoměru je vyroben z korozivzdorné oceli, je celosvařovaný a ve styku s měřenou kapalinou nejsou žádné elastomery. Je tedy vyloučen možný vznik netěsností ve snímači.

Obr. 8. Diagnostické údaje převodníku ul­trazvukového průtokoměru Optisonic 3400


Odporové snímače teploty Krohne Optitemp TRA S12 jsou v provedení Pt100 třídy A, párované, s ponorem délky 100 mm, instalované v potrubí DN 200, s nástavkem, který umožňuje bezproblémovou tepelnou izolaci.

Matematický člen Inmat 57D má zákaznickou aplikaci pro měření množství tepla odvedeného směsí vody a mravenčanu draselného. Měřené hodnoty jsou přenášeny komunikací M-Bus.

Všechny členy měřicí sestavy mají platný doklad Schválení typu měřidla a byly prvotně ověřeny a instalovány montážní organizací s platným oprávněním Českého metrologického institutu. 

Kam pro další informace

Více informací o ultrazvukovém průtokoměru Optisonic 3400 od firmy Krohne a o jeho dalším možném využití v energetice zájemci získají v technických kancelářích firmy Krohne v České republice nebo na internetových stránkách firmy Krohne: www.krohne.com

Tab. 1. Technické parametry ukázkové úlohy fakturačního měření při chlazení ledovéplochy

Měřená kapalina

vodný roztok mravenčanu draselného ve vodě, koncentrace 25 %, obchodní název Freezium

Rozsah provozních teplot

–13 až +20 °C

Provozní tlak

do 400 kPa

Hustota

1 160 až 1 147 kg·m–3

Kinematická viskozita

2,9 až 1,18 cSt

Měrná tepelná kapacita

3,29 až 3,35 kJ·kg–1·K–1

Běžný provozní průtok

200 m3·h–1

Tepelný výkon

max. 400 kW

Běžná teplota potrubí s nižší teplotou

–5 °C

Běžný rozdíl teplot

2 až 3 K