Что понимается под тепловой инерцией установки

Тепловая инерция датчиков температуры

Тепловая инерционность – свойство любого контактного датчика температуры. В статье рассмотрен ряд вопросов: что такое тепловая инерция, из-за чего она возникает, как влияет на процесс измерений, всегда ли нужны датчики с низкой инерционностью. На примере кабельных термопар ОВЕН продемонстрированы решения, с помощью которых тепловую инерцию датчика можно снизить.

Что такое тепловая инерция?

Широкое применение при измерении температуры получили контактные методы, когда датчики температуры находятся в непосредственном контакте с контролируемыми средами. В реальном мире стационарных тепловых потоков не существует, и на практике приходится сталкиваться с нестационарными потоками. У всех датчиков существует запаздывание выходного сигнала относительно изменения температуры измеряемой среды. Этот эффект называется «тепловой инерцией». Тепловая инерция возникает из-за заметного изменения теплового потока и температуры в разных точках потока жидкости и газа в течение времени. Все датчики температуры реагируют на колебания температуры в пространстве, только одни это делают быстрее, другие медленнее [1].

От чего зависит тепловая инерция?

Температуры различных материалов при одинаковых условиях нагревания и охлаждения изменяются с различной скоростью. Скорость изменения температуры характеризуется теплоемкостью вещества, а она в свою очередь зависит от его удельной теплоемкости и плотности. Тепловую инерцию любого материала можно найти, используя формулу:
, где
k – теплопроводность;
p – плотность материала:
c – удельная теплоемкость материала.

На рис. 1 представлены графики изменения тепловой инерции для меди и платины в зависимости от измеряемой температуры.

Рис. 1. Тепловая инерция меди и платины в зависимости от измеряемой температуры

Проволочные датчики температуры обладают некоторыми неоспоримыми преимуществами. Они нечувствительны к механическим нагрузкам, колебаниям и ударам, имеют высокое сопротивление ударной нагрузке и давлению. Это объясняется конструкцией самого датчика – платиновая проволочная спираль свободно двигается внутри керамического корпуса, заполненного алюминиевым порошком, и фиксируется только на его концах. Проволочные датчики позволяют использовать сразу два измерительных элемента – две платиновые спирали в одном керамическом корпусе для удобства эксплуатации и более широких функциональных возможностей. Проволочные терморезисторы будут правильным выбором для процессов, требующих высокой температурной стабильности, например в химической промышленности и энергетике, а также в связке с лабораторными измерительными приборами [2].

Что касается сравнения показателей тепловой инерции этих двух видов чувствительных элементов, то информации крайне мало, а экспериментальные данные фактически отсутствуют. Мы планируем провести исследования на этот счет и ответить на вопрос: у какого терморезистора, тонкопленочного или проволочного, меньше инерция?

Как конструкция датчика влияет на его инерционность?

Тепловая инерция зависит также от конструктивного исполнения датчика температуры. В частности, защитная арматура всегда увеличивает тепловую инерцию датчика (рис. 2). Причем чем толще стенка арматуры, тем больше инерция. Например, при измерении высокотемпературных и агрессивных сред, а также расплавов солей и металлов необходимо использовать термоэлектрические преобразователи (термопары) в защитных толстостенных чехлах (с толщиной стенки вплоть до 20 мм).

Рис. 2. Термоэлектрический термометр

Для снижения тепловой инерции термометров применяют засыпку между чувствительным элементом (измерительным узлом) и арматурой. В качестве засыпки служат кварцевый песок и мелкодисперсные порошки: периклаз (MgO) и электрокорунд (Al₂O₃). Такое решение позволяет уменьшить тепловую инерцию датчика на 50 %.

Для обеспечения эффективного теплового контакта термометра сопротивления и трубопровода (уменьшения влияния тепловой инерции) рекомендуется применять термопасту и укрывать датчик теплоизоляционным материалом. Конструкция термосопротивлений уже часто включает в себя термопасту, которую наносит в месте контакта ЧЭ и внутренней поверхности арматуры сам производитель. Эксплуатация термопасты допускается в среднем при температурах от –50 до 200 °C.

Следует отметить, что тепловая инерция зависит также от исполнения рабочего спая. Различают изолированный и неизолированный рабочий спай (рис. 3). Покажем это на примере кабельных термопар ОВЕН с диаметром погружной части 4,5 мм.

Рис. 3. Термоэлектрический преобразователь с изолированным и неизолированным спаем

Датчик, у которого спай не изолирован от оболочки КТМС, имеет тепловую инерцию 1 секунду, а у датчика с изолированным спаем инерция 2 секунды. Соответственно, датчик с наименьшей тепловой инерцией – датчик с неизолированным рабочим спаем.

На что влияет тепловая инерция?

Тепловая инерционность характеризуется постоянной времени. Знание значений постоянных времени термопар и возможных их отклонений необходимо для правильного подбора датчика. Если возможные отклонения постоянной времени для выбранного типа термопар превышают допустимый предел, то постоянную времени с необходимой степенью точности следует определять для каждой конкретной термопары [3]. Чем она больше, тем больше времени требуется датчику для достижения температуры контролируемой среды.

Важнейшей характеристикой любого измерительного прибора является его чувствительность. Увеличение чувствительности позволяет измерить температуру с большей точностью. Однако существует предел увеличения чувствительности, связанный с тепловой инерцией термометра. По причине тепловой инерции все термометры обладают так называемой инерционной погрешностью. В тех случаях, когда эта погрешность превышает требуемую точность измерений, дальнейшее повышение точности становится лишенным смысла.

Следует учесть, что тепловая инерция влияет не только на скорость процесса, но и на погрешность измерений соответственно. Тепловая инерция датчика, обусловленная сравнительно медленным нагревом термочувствительного элемента, приводит к запаздыванию показаний прибора, то есть при изменении измеряемой температуры до нового установившегося значения t_и показание термометра t_п постепенно достигает этого значения (рис. 4).

Рис. 4. Временные характеристики переходного процесса

Также на рис. 4 представлен ряд показателей времени переходного процесса: τ_п (время от начала реагирования, в течение которого показание прибора достигнет 63 % изменения измеряемой величины), время переходного процесса Т (время, в течение которого показание прибора достигнет 95 % изменения измеряемой величины), полное время установления показаний Т_п (время, в течение которого показание прибора достигнет 100 % изменения измеряемой величины).

Быстрые колебания температуры в контролируемой среде и минимальное реагирование датчика на эти изменения могут существенно снизить качество регулирования и привести к поломке всей системы.

Всегда ли оправданно брать датчики температуры с малой тепловой инерцией? В рассмотренном выше случае это является прямой необходимостью. Но существует и обратная задача, когда не требуется контролировать точное значение температуры в пульсирующем процессе, а нужно просто поддерживать какое-то среднее значение температуры. В таком случае правильно будет выбрать датчик с большим коэффициентом тепловой инерции, который позволит сгладить переходный процесс, следовательно, система не будет реагировать на резкие колебания температуры. Данное свойство проиллюстрировано на рис. 5.

Рис. 5. Переходные процессы с пульсацией температуры при различных постоянных времени датчиков

Более того, для большинства термических процессов рабочий ресурс термопары и ее метрологическая стабильность значительно более важны, чем время срабатывания на плавное изменение температуры [4].

1. Сорокин Д. И., Джусов О. П. Динамические характеристики термопар. М: Обнинск, 1973. С. 2.
2. Проволочные датчики температуры Heraeus // Сенсорика: [сайт]. URL: http://www.sensorica.ru/news/news113.shtml (дата обращения: 21.04.2020).
3. Сорокин Д. И., Джусов О. П. Динамические характеристики термопар. М: Обнинск, 1973. С. 3.
4. Улановский А. А. Метрологическая стабильность термоэлектрических преобразователей (термопар) для измерения высоких температур. М: Обнинск. С. 8.

Опубликовано в журнале ИСУП № 2(86)_2020

Источник

Тепловая инерция и цикличность работы систем поквартирного отопления на основе настенных газовых котлов

Для поддержания постоянных параметров микроклимата отапливаемых помещений необходимо изменять тепловую мощность котла в соответствии с изменением внешних атмосферных условий. Вопрос оптимизации алгоритмов управления автономными системами отопления, оснащённых настенными газовыми котлами, очень интересует потребителя, поскольку он непосредственно связан со стоимостью израсходованного газа.

В общем случае управляемость системы отопления связана с тепловой инерционностью всех элементов, влияющих на формирование микроклимата: ограждающих конструкций, воздушного пространства помещения, отопительного контура и приборов отопления.

Без учёта данных параметров создать эффективную схему управления системой автономного отопления при изменениях внешних атмосферных условий не представляется возможным. Влияние инерционности ограждающих конструкций на управление системой поквартирного отопления рассмотрено в работе [1]. Инерционность контура отопления зависит от конструкционных материалов деталей теплогенератора, труб и запорно-регулировочной арматуры, приборов отопления, объёмов и теплофизических свойств теплоносителя.

Оценочный расчёт объёма теплоносителя, по многочисленным рекомендациям в Интернете, например [2], можно выполнить исходя из расчёта 10 л теплоносителя на 1 кВт мощности котла. Так, объём отопительной системы с котлом мощностью 24 кВт оценивается в 240 л. В реальности данный расчёт может привести к большим ошибкам. Настенные газовые котлы часто используются в автономных системах поквартирного отопления. Площадь таких квартир составляет в основном 50–70 м². Максимальная мощность настенных котлов в большинстве случаев равна 18–24 кВт. По указанным рекомендациям объём теплоносителя в системе отопления находится в пределах от 200 до 240 л. В действительности квартира в 50–70 м² имеет три-пять отопительных приборов (радиаторов), а длина трубопроводов двухтрубной системы не превышает 25–35 м. Рекомендации по расчёту теплоносителя в системе отопления данного типа [3] определят объём теплоносителя в такой системе в размере 25–30 л.

Многие консультанты заявляют, что малая инерционность тепловых приборов отопления является положительным фактором, поскольку такие системы быстро нагревают помещение. Однако дело не только в тепловой инерционности приборов отопления, но и в инерционности всего теплового контура и работе теплогенератора.

Настенные газовые котлы конвекционного типа, доля применения которых в России составляет до 9 8 % [4], не способны работать на мощности менее 6–7 кВт·ч. Это обусловлено применением в них атмосферной горелки, которая конструктивно не может работать в режиме менее 4 0 % от максимальной заявленной тепловой мощности [5]. Для обогрева помещения площадью 50–70 м² в многоэтажном многоквартирном доме бóльшую часть времени отопительного сезона требуется не 1 кВт мощности на 10 м² отапливаемого помещения, а 0,2–0,4 кВт, поскольку температура наружного воздуха в этот период, в зависимости от региона, составляет от −5 до + 5 °C.

Кроме того, квартиры окружены отапливаемыми помещениями других жильцов и помещениями общего пользования. Суммарная мощность для отопления таких квартир в этот период времени составляет 1,5–2,4 кВт·ч. Поскольку конвекционные газовые настенные котлы не могут работать на мощности менее 6–7 кВт·ч, их использование при поквартирном отоплении всегда связано с избыточной мощностью. В результате газовый котёл работает в режиме «старт-стоп» («тактование»). Для снижения количества включений и выключений настенного котла все производители ввели в его систему управления запаздывание повторного запуска — не менее одной минуты по продолжительности. Следовательно, в режиме работы настенных котлов с избыточной минимальной мощностью возникают паузы, связанные не только с настройкой порогов температуры теплоносителя, но и с алгоритмами работы котлов.

Величина тепловой инерционности отопительного контура зависит от двух составляющих: инерционности теплогенератора, трубопроводов, регулировочной арматуры и теплоносителя; инерционности отопительных приборов автономных систем отопления (радиаторов, конвекторов, тёплого пола).

Для поквартирного отопления время нагрева элементов первой группы составляет не более одной-двух минут. А в полноценных системах автономного теплоснабжения загородного дома площадью 200–300 м² этот показатель составляет уже около десяти минут.

При рассмотрении вопросов управления теплоснабжением квартиры в многоквартирном доме ограждающие конструкции, как правило, имеют большую тепловую инерционность. Суточные колебания температуры атмосферы допускается не учитывать [1]. Теплопотери через ограждающие конструкции можно принять стационарными.

Для создания оптимальных алгоритмов управления системой отопления помещения при изменении заданной температуры внутри помещения необходимо оценить влияние инерционности объёма воздуха. Данный параметр применительно к системе отопления зависит от объёмов помещения, типа приборов отопления и их мощности. Если мы рассматриваем отопительные приборы с естественной циркуляцией воздуха (типа радиаторов или конвекторов), то инерционность объёма воздуха в помещении влияет на продолжительность нагрева, которая составляет, в диапазоне гистерезиса настройки воздушных терморегуляторов, около десяти минут.

Рис. 1. Процессы нагревания и охлаждения отопительных приборов системы водяного отопления

Что касается приборов отопления, то показатели инерционности сильно зависят от их материалов и конструкции. В общем виде процессы нагрева и остывания радиаторов отопления представлены на рис. 1. В работе [6] представлены данные по инерционности отопительных приборов, применяемых при поквартирном отоплении.

Постоянные времени отопительных приборов:

Данные приборы отопления малоинерционны. Алюминиевые и биметаллические радиаторы имеют характеристики инерционности в два-три раза больше, чем у панельных радиаторов. Чугунные радиаторы имеют показатели инерционности ещё выше — в два-четыре раза.

Если в качестве отопительных приборов используется водяной тёплый пол, то инерционность данного низкотемпературного прибора зависит от многих факторов, и в режиме установившегося колебательного процесса с амплитудой регулирования 2– 3 °C время нагрева составляет пять-десять часов.

При работе газового настенного котла малая инерционность некоторых высокотемпературных приборов отопления, с точки зрения быстроты нагрева помещения, является преимуществом. Но на длительность нагрева воздуха влияет малая инерционность контура отопления. Система встроенного защитного регулирования работы настенных конвекционных котлов основана на установлении порогов гистерезиса температуры подачи теплоносителя на выходе из котла. Данный диапазон изменения определяется заводскими настройками по отоплению в ± 5 °C и может быть заново установлен на объекте в диапазоне до ±1 5 °C.

В данном варианте поквартирного отопления с использованием конвекционных котлов период нагрева 25 л теплоносителя, при максимальной мощности котла и заводских значениях гистерезиса в 5 °C, составляет 45 секунд. При работе котла на минимально возможной мощности (7 кВт) время нагрева составляет две минуты 20 секунд. Указанное время меньше времени нагрева любых приборов отопления в несколько раз (водяной тёплый пол при поквартирном отоплении на рассматривается). Теплоноситель будет нагреваться быстро: даже малоинерционный тепловой прибор не успеет нагреться, и котёл выключится по перегреву теплоносителя. Это значит, что применяемые в рассматриваемой системе отопительные приборы не способны реализовать вырабатываемое настенным котлом тепло, если не изменены заводские установки режимов работы котла.

Чем меньше тепловая инерционность тепловых приборов, тем лучше для скорости нагрева помещения.

Но важно учитывать и инерционность самого контура отопления. Для более устойчивой работы настенного газового котла целесообразно сразу (если котёл используется для поквартирного отопления) предельно занизить максимальную мощность работы котла в режиме «зима». Необходимо выставить верхний порог давления газового клапана на уровне 400 Па. Можно также увеличить порог гистерезиса настройкой выключения температуры до 1 5 °C и установить температуру отключения отопления 6 0 °C. Режим работы такой системы отопления с избыточной мощностью теплогенератора всегда регулируется только за счёт количества циклов включения и выключения котла, но это будет происходить в два-три раза реже, чем при заводском уровне настроек.

Настенный конвекционный котёл, применяемый в поквартирном отоплении, используется для отопления помещения и подготовки горячей воды. Для подогрева проточной воды в объёме потребления одной точкой разбора (душ, ванная, кран) требуется мощность более 15 кВт·ч. Именно это является причиной того, что при поквартирном отоплении настенные котлы всегда будут работать с избыточной мощностью. И при отоплении, и при подготовке горячей воды в настенных котлах используется один и тот же основной теплообменник и атмосферная горелка, которые рассчитываются исходя из максимальной нагрузки (подготовка горячей воды).

Выводы

1. Тепловая инерционность гидравлической части контура отопления — важный показатель для правильного подбора системы автоматического управления работой котла. В системах поквартирного отопления данный показатель в несколько раз ниже, чем у любых отопительных приборов, применяемых в настоящее время в строительстве.

2. При поквартирном отоплении с использованием конвекционных газовых котлов основной режим работы отопительной системы — периодическое включение и выключение теплоагрегата. Это обусловлено значительной избыточностью тепловой мощности настенного газового котла в режиме «Отопление» даже при работе на минимальной нагрузке. Однако на практике можно значительно снизить число включений-выключений котла за счёт корректировки его заводских настроек (данные работы по настройке котла должны проводить специалисты).

3. Режим работы настенного газового конвекционного котла при поквартирном отоплении с точки зрения цикличности не соответствует номинальным условиям эксплуатации котла, установленным заводом-изготовителем для гарантийных обязательств.

Источник

Тепловая инерция

Тепловая инерция – это термин, используемый в основном в инженерном и научном моделировании теплопередачи, и обозначающий совокупность свойств материала, связанных с теплопроводностью и объёмной теплоёмкостью. Например, можно встретить выражения этот материал обладает большой тепловой инерцией, или Тепловая инерция играет важную роль в этой системе, которые обозначают то, что эффекты в динамике являются определяющими для данной модели, и расчёты в стационарном состоянии могут дать неточные результаты. Иными словами тепловая инерция характеризует способность сопротивляться изменению температуры за определённое время.

Этот термин отражает научную аналогию и не связан напрямую с термином инерция, используемым в механике.

Тепловая инерция материала может быть определена по формуле:

– теплопроводность (англ. bulk thermal conductivity), – плотность материала, – удельная теплоёмкость материала.

Произведение представляет собой объёмную теплоёмкость.

В системе СИ единицей измерения тепловой инерции является Дж м K с, иногда называемая Киффер (англ. Kieffer), [1] или более редко, тью (англ. tiu). [2]

Для материалов на поверхности планеты, тепловая инерция является ключевым свойством, определяющим сезонные и суточные колебания температур, и обычно зависит от физических свойств горных пород, находящихся возле поверхности. В дистанционном зондировании тепловая инерция зависит от сложного сочетания гранулометрического состава, богатства горных пород, выхода на поверхность тех или иных пластов и от степени отвердевания. Грубую оценку величины тепловой инерции иногда можно получить, исходя из амплитуды суточных колебаний температуры (то есть, из максимальной температуры вычесть минимальную температуру поверхности). Температура поверхностей с низкой тепловой инерцией значительно изменяется в течение дня, в то время как температура поверхностей с высокой тепловой инерцией не претерпевает радикальных изменений. В сочетании с другими данными тепловая инерция может помочь охарактеризовать материалы поверхности и геологические процессы, ответственные за формирование этих материалов.

Тепловая инерция океанов является основным фактором, влияющим на изменение климата в отдалённой перспективе (англ. climate commitment) и на степень глобального потепления.

Содержание

В строительстве

Тепловая инерция в строительстве — это свойство ограждения сохранять относительно постоянную температуру внутренней поверхности при периодических изменениях внешних тепловых воздействий (колебания температуры наружного воздуха и солнечной радиации). [3]

Характеристика тепловой инерции D определяется по формуле [4] :

,

где — сопротивление теплопередаче слоёв ограждения, a — ко­эффициенты теплоусвоения материалов отдельных слоёв за период в 24 ч.

Источник