В предыдущей части мы рассмотрели измерение тепловой мощности и КПД в агрегатах с жидким (чаще всего вода) теплоносителем. Здесь рассмотрим теплоноситель воздух.
Воздушные отопительные и технологические агрегаты по своей схеме близки к водогрейным котлам. Сгорающее топливо отдает тепло металлической стенке, а та, в свою очередь нагревает теплоноситель - в данном случае смесь газов, которой является воздух.
Но воздух почти в 1000 раз менее плотный чем вода - 1 м3 воды весит 1000 кг, а 1 м3 воздуха при комнатной температуре - примерно 1,2 кг.
Кроме различия по плотности воздух и вода различаются по теплоемкости - воздух имеет теплоемкость примерно 1 кДж/кг*К, а вода в четыре раза больше, примерно 4 кДж/кг*К.
Воздух может немного компенсировать свое "отставание" за счет большего температурного перепада, но здесь так же существует "верхнее ограничение" в 120 гр. Ц.
Потому, проигрыш воздуха по массовой теплоемкости составляет примерно 4 раза, а объемной - почти 4000 раз. Тепловая энергия от котла мощностью в 100 кВт легко передается по трубе Ду 50 (внутренний диаметр 50 мм) и даже меньше, а для тепловентилятора такой же мощности нужен воздуховод диаметром не менее 250 мм. Разница в площади поперечного сечения в 25 раз (а не в 4000 как можно было бы подумать, сравнив объемную теплоемкость) - но это легко объяснимо. Скорости жидкости в трубе редко превышают 1 м/с, а воздух в воздуховоде со скоростью 10 м/с - вполне рядовое явление, бывает и значительно больше. Температурный перепад на котле - 25 градусов или меньше, для воздуха перепад в 100 градусов - вполне норма.
Так как воздух - смесь газов, то при нагреве он увеличивает свой объем (и снижает плотность) по известному закону Менделеева - Клапейрона - pV=vRT. Увеличенный объем дает большую скорость. Сопротивление, создаваемое воздушными каналами теплообменника и воздуховодами, пропорционально квадрату скорости. Одновременно с нагревом воздуха изменяется его вязкость. Потому, расход воздуха на холодном газовоздушном теплообменнике, и на нагретом, может отличаться.
Кроме того, достаточную сложность представляет и сам замер расхода воздуха. Расходомер, который пропускает через себя весь объем воздуха (как для воды) на тепловентилятор не поставишь - по причине отсутствия такого если не совсем в природе, то хотя бы в доступности. Приходится выбирать подходящий прямой участок воздуховода (лучший случай) или просто удобное сечение и там снимать поле скоростей. Затем пересчитывать по средней скорости объемный расход, а по температуре и плотности - массовый расход.
Замер скорости то же не прост. Для этого может использоваться трубка Пито и микроманометр (или диф-манометр) - это классика подобных измерений. Не быстро, не очень удобно, требует пересчета - поскольку измеряется не скорость, а перепад между полным и статическим давлением - но достаточно точно при аккуратной работе. На малых скоростях точность становится низкой.
Для малых скоростей могут использоваться различные виды анемометров - крыльчатый, чашечный, термоанемометр.
Если решен вопрос с замером скорости, то замер температурного перепада не составляет никакой сложности. Даже проще, чем с водяным теплоносителем. Можно использовать любой измеритель температуры с нужным диапазоном и нужной скоростью.
В результате, для тепловентилятора (теплоноситель - воздух) замер полезной тепловой мощности (вариант не высокой точности, но быстрый) выглядит так:
1. Измеряем входное сечение вентилятора (диаметр) и вычисляем площадь в м2.
2. На работающем в нужном режиме теплогенераторе замеряем крыльчатым анемометром поле скоростей - как правило, 5 точек - одна по центру и четыре по кругу, минимально от краем - примерно 1/5 диаметра.
3. Вычисляем среднюю скорость.
4. Умножив среднюю скорость (в м/с) на площадь (в м2) получаем секундный расход (м3/с).
5. Умножив секундный расход на 1,2 (если температура окружающего воздуха +5 - +20) получаем массовый расход в кг/с.
6. Измеряем температурный перепад - вход в вентилятор, или температура в месте установки агрегата, и температура на выходе теплообменника.
7. Перемножив расход в кг/с на температурный перепад в градусах, и на теплоемкость (которая равна 1 - можно не умножать) получаем мощность в киловаттах.
Более точный замер полезной тепловой мощности.
Все делается примерно так же, но:
1. Расход воздуха замеряем на прямом участке воздуховода длиной не менее 5 диаметров (или поперечных размеров, если воздуховод квадратный. Для этого, возможно, придется использовать специально изготовленный воздуховод на входе вентилятора, или удлиненный на выходе.
2. Для замера скоростей используется трубка Пито или термоанемометр.
3. Точек замера большее количество.
4. Учитывается изменение плотности от температуры - как при замере скорости, так и при пересчете из объемного в массовый расход.
5. Для увеличения точности проводят большое количество замеров, с последующей обработкой результатов.
КПД.
Расчет КПД по полученной полезной тепловой мощности (или тепловой энергии) и расходу топлива и его теплотворной способности ведется аналогично котлу с водяным теплоносителем, как это было рассмотрено в предыдущей части - Измерение тепловой мощности и КПД.