Рассматривать будем топливосжигающие устройства - печки, теплогенераторы, тепловентиляторы, котлы.
Если рассмотреть любое из этих устройств по физике проистекающих процессов, то их можно разделить на несколько этапов, и особенности этих этапов.
1. Сжигание топлива. Может осуществляться с "потерями топлива в провале" - когда по каким то причинам остается не сгоревшее топливо - это применимо к твердотопливным устройствам, может с химическим недожогом - когда в уходящих газах есть не прореагировавшее топливо - это применимо ко всем устройствам, включая газовые и жидкотопливные, с разным коэффициентам избытка воздуха, как меньше 1 - тогда гарантирован недожог, так и больше 1 - но это вовсе не гарантирует отсутствие недожога.
2. Передача тепловой энергии от горящего топлива. Передача может осуществляться излучением (камин, жаровня, костер), конвективно (поток разбавленных или нет газов) и их комбинация.
3. Передача тепловой энергии вторичному теплоносителю - воде или воздуху. Это осуществляется в котлах или тепловентиляторах.
Начнем с котлов с водяным теплоносителем. Здесь все очень просто - прямо идеальная ситуация для замеров. Если котел установлен в отдельном помещении, то с отапливаемым объектом он соединен только трубами теплоносителя - прямая и обратка. Полезное тепло - то, которое приходит с этим теплоносителем и оставляет его в обогреваемом объекте. Количество тепловой энергии в этом случае считается так:
Тепловая энергия = (количество теплоносителя - масса) х (температурный перепад теплоносителя) х (теплоемкость теплоносителя)
Если левую и правую часть отнесем ко времени (разделим на время) то получим тепловую мощность.
Тепловая мощность = (массовый расход теплоносителя) х (температурный перепад теплоносителя) х (теплоемкость теплоносителя).
Пример: Теплоноситель - вода. Теплоемкость воды - 1 кал/г*градус. Количество - 1 м3 - 1000 л - 1 000 000 мл (г). Нагрев - на 1 градус Цельсия (или Кельвина, но не Фаренгейта - там размер градуса другой).
Энергия при нагреве или охлаждении куба воды на 1 градус - 1 000 000 калорий, или 1 000 ккал, или 1 Мкал, или 0,001 Гкал (гигакалория - величина, известная в бытовой практике, когда надо платить за отопление).
Если мы этот нагрев осуществили за 1 час, то получаем 1 Мкал/ч, или, что более понятно и известно 0,001 Гкал/ч
1 кал = 4,19 Дж. 1 Мкал = 4,19 МДж. В системе Си 1 Дж за 1 с равняется 1 Вт.
Если мы наш кубометр воды нагреем на 1 градус за одну секунду, то подводимая мощность 4,19 МВт (4190 кВт). Если за 2 секунды - то вполовину меньше. Если за час - 1,16 кВт.
Отсюда просто для понимания - 1 Мкал/ч = 1,16 кВт, или 1 Мкал = 1,16 кВт*ч. Для более грубых расчетов можно просто убрать дробную часть и тогда 1 Мкал/ч приблизительно равна 1 кВт.
Далее совсем просто - для грубых расчетов тепловой мощности достаточно расход в м3/ч достаточно помножить на температурный перепад в градусах и получить тепловую мощность в киловаттах. Для большей точности (или более въедливых) полезно помнить коэффициент 1,16.
Температурный перепад можно брать хоть на этапе производства тепловой энергии - вход и выход из котла - или на этапе потребления - вход и выход теплоносителя в тепловую нагрузку. Температура измеряется различными (достаточно простыми устройствами) сравнительно точно.
С расходом теплоносителя - сложнее. Лучший вариант - если установлен теплосчетчик. Он измеряет расход теплоносителя, температурный перепад (датчики температуры устанавливаются обязательно на прямой и обратке), считает мощность, энергию, записывает температурный график и график мощности и делает все остальное, что придумали и заложили в него разработчики.
Если нет теплосчетчика, но есть расходомер - ситуация почти аналогична, только арифметические действия и фиксацию параметров нужно делать "вручную". Получаются результаты достаточно точные.
Если нет теплосчетчика или расходомера то мы переходим в область неточностей - больших или меньших.
Допустим, у нас есть два манометра, установленные в непосредственной близости от циркуляционного насоса - до него и после него. Тогда мы можем измерить перепад давления на насосе. Затем в паспорте насоса найти характеристику - зависимость давления от расхода.
По перепаду давления определяем расход, а далее считаем мощность по вышеприведенной схеме.
Если манометров нет, тогда можно воспользоваться номинальным расходом, который указывается для данного насоса. Но в данном случае точность значительно ниже - расход может быть как меньше номинального (который обычно 60% от максимального) при большом сопротивлении системы, так и больше номинального при очень маленьком сопротивлении системы.
Расход теплоносителя (как воды, так и большинства "незамерзаек") практически не зависит от температуры в их рабочем диапазоне - 40-90 градусов Цельсия. Поэтому, если в системе нет каких либо переключений, достаточно один раз измерить или рассчитать расход, а затем считать его величиной постоянной. После этого, в процессе испытаний и замеров. достаточно фиксировать перепад температур и рассчитывать полученную мощность.
В результате, для котла (теплоноситель вода) замер полезной мощности:
1. Тем или иным способом измерить (или оценить) расход теплоносителя в м3/ч (т/ч).
2. Замерить перепад температур, в градусах, одно значение в какой то один момент времени или ряд значений в течении интервала времени.
3. Перемножив расход в кубах в час на температурный перепад в градусах получим примерную мощность в киловаттах (или точную м Мкал/ч).
4. Умножив полученный результат на 1,16 получим точную мощность (в пределах точности расхода) в киловаттах.
Если котел и система отопления с естественной циркуляцией, то оценить расход теплоносителя сложно, и величина его меняется в зависимости от температурного перепада. Крыльчатый расходомер создает большое сопротивление, установка его сильно тормозит естественную циркуляцию. Накладной ультразвуковой расходомер на малых скоростях работает плохо. Потому здесь прямой способ замера мощности на действующей системе не работает. Нужно или собирать отдельный стенд того или иного типа и подключать в него котел, или оценить косвенно.
Теперь про КПД.
В случае водяного теплоносителя здесь все так же гораздо проще. Если смотреть обобщенно, то картинка примерно такая:
Вся энергия, содержащаяся в топливе, только частично идет в полезную энергию (полезное тепло). Вторая часть идет в потери. Если мы можем измерить полезную энергию (или полезную мощность) - о чем мы выше говорили, то нам остается только узнать количество энергии, содержащейся в топливе.
Самый точный вариант в этом случае - это непосредственное измерение теплотворной способности топлива и измерить его количество - массу.
С массой все достаточно просто, хотя и требует вполне определенных усилий. А вот с теплотворной способностью - все серьезнее. Для ее измерения требуется специальное устройство - так называемая калориметрическая бомба:
Дополнительно - ряд сопутствующего оборудования и материалов, подготовленные специалисты и четкое соблюдение методики. С измерениями теплотворной способности одновременно проводятся замеры зольности и влажности.
Так что это достаточно хлопотное дело, и, например, в Тверском политехе, переименованном в университет, который исходно был торфяным институтом - такого устройства нет.
Косвенное следствие сложности измерений теплотворной способности - проведение исследования одного образца топлива в специализированной организации стоит от 200 евро.
Поэтому приходится пользоваться справочными данными и косвенными расчетами по замерам влажности и зольности топлива.
Для древесного топлива, из за малой его влажности и почти постоянного химического состава можно пользоваться упрощенной формулой:
Теплотворная способность = 4400-50*W (ккал/кг), где W - относительная влажность в процентах.
Другие статьи по этой тематике можно найти здесь: Содержание канала.
