Теплоэнергетика, 2021, № 10, стр. 82-86

Энергосбережение является одним из приоритетов государственной политики Казахстана. В стратегии “Казахстан-2050” представлена программа социально-экономического развития республики, нацеленная на повышение энергетической безопасности. За последнее десятилетие в связи с ростом численности населения и стремительным развитием промышленности в стране расходование энергии возросло более чем в 2 раза. Дефицит энергии приводит к нарушению социально-экономической стабильности и ухудшению развития государства в целом. Основные энергетические проблемы, обусловленные экономическим ростом, чрезмерно и крайне неравномерным использованием энергетических ресурсов, энергетической нагрузкой инфраструктуры на окружающую среду, связаны с теплоэнергетикой. В теплоэнергетике потребляется до 45% энергоресурсов, вырабатываемых в стране, и больше половины этих ресурсов приходится на коммунальные службы, являющиеся основополагающей составляющей развития экономики и главным фактором обеспечения нормальной жизнедеятельности граждан [1, 2].

Разработка и создание высокоточных измерителей теплового потока позволят повысить эффективность проведения теплотехнических измерений на промышленных объектах, проводить диагностику их состояния, своевременно обнаруживать технологические дефекты и оперативно определять причины их возникновения [3, 4]. Многочисленные исследования показывают, что всем требованиям технической диагностики состояния подземных трубопроводов тепловых сетей наиболее удовлетворяют методы неразрушающего контроля, которые основаны на наблюдении за температурным фоном теплопроводов [5].

В лаборатории “Измерение теплофизических величин” кафедры инженерной теплофизики им. профессора Ж.С. Акылбаева физико-технического факультета Карагандинского университета им. академика Е.А. Букетова разработан измеритель теплового потока, который работает по методу вспомогательной стенки (рис. 1) [6]. Теплометрический блок содержит термоэлектрический преобразователь теплового потока с батарейным термоэлектрическим датчиком. Термоэлектрический датчик выполнен в форме ограниченного цилиндра, одно основание которого служит рабочей поверхностью, второе основание имеет тепловой контакт с телом, контактирующим с окружающей средой. Встроенные нагреватели позволяют создавать тепловой поток через термоэлектрический датчик в направлениях, перпендикулярных его основаниям.

Рис. 1.

Схема измерителя теплового потока. 1 – нагревательный элемент; 2 – термобатарея; 3 – термоэлектрический батарейный преобразователь теплового потока; 4 – термоэлектрический холодильник; 5 – радиатор; 6 – электронный блок

При оптимальной плотности потока теплового излучения 20–120 Вт/м² необходимая чувствительность теплочувствительного элемента обеспечивается при его высоте 1.0 мм и диаметре приемной площадки 50 мм. Значение коэффициента преобразователя должно быть равно 5.0–10.0 Вт/(м² · мВ), электрическое сопротивление преобразователя 15–18 кОм [7]. Градуировка ИТП была выполнена с помощью медь-константановой термопары относительно температуры 20°С. Данные градуировки приведены в таблице.

Значение термоЭДС ИТП Δε_ИТП превышает норму примерно в 20 раз по сравнению со стандартными градуировочными значениями термоЭДС Δε_ст. Это вызвано тем, что при чувствительности ИТП суммарное значение термоЭДС в контуре термобатареи больше, чем в отдельном термоэлектрическом преобразователе, т.е. увеличивается чувствительность датчика [8]. Значение коэффициента термоЭДС приблизительно одинаково для всех температур (α_ср = 0.7824 мB/K), что дает возможность определять температуру любого исследуемого вещества (рис. 2).

Рис. 2.

Зависимость термоЭДС стандартной (1) и термоЭДС ИТП (2) от изменения температуры

Влияние температур теплоносителя в теплосети и окружающей среды, глубины залегания трубопроводов и их технических параметров на распределение плотности теплового излучения с поверхности грунта над теплосетью изучали с помощью экспериментального стенда (рис. 3). При выполнении экспериментов исследовали температурное поле деревянного короба длиной 10.0 м и высотой 1.5 м, наполненного песком. Внутри короба был размещен U-образный трубопровод (теплообменник) длиной 20 м, наружным диаметром 32 мм и толщиной стенки 3.5 мм, в который поступал теплоноситель (вода). Общий вид лабораторной установки показан на рис. 4.

Рис. 3.

Схема экспериментального стенда. 1 – U-образный трубопровод (имитатор подземной тепловой сети); 2 – регулятор давления; 3 – переключатель термопар; 4 – грунт; Т₁–Т₅ – термопары в грунте; Т_п, Т_о – термопары прямой и обратной воды; 5 – насос; 6 – термостат; 7 – компьютер; 8 – ИТП

Рис. 4.

Общий вид лабораторной установки

Температуру грунта t контролировали с помощью термопар Т₁–Т₅ на разных расстояниях h относительно глубины залегания трубопровода (0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 м). Температуру теплоносителя на входе в трубопровод и на выходе из него контролировали с помощью термопар Т_п и Т_о. Температуру поверхности грунта определяли с помощью измерителя теплового потока.

Температура воды, подаваемой в трубопровод, составляла 50°С. Показания термопар Т₁–Т₅, ИТП и мультиметра фиксировали через равные промежутки времени (10 мин) в слое грунта (рис. 5). По полученным экспериментальным данным видно, что температура поверхности грунта начинает повышатьтся через 60 мин. Вблизи от трубопровода температура песка повышается быстро, чем больше расстояние от трубопровода, тем медленнее изменяется температура песка.

Рис. 5.

Зависимость температуры песка от времени эксперимента τ. Термопары: 1 – Т₁; 2 – Т₂; 3 – Т₃; 4 – Т₄; 5 – Т₅; 6 – ИТП; 7 – мультиметр DT-838L; h, м: 1 – 0.1; 2 – 0.2; 3 – 0.3; 4 – 0.4; 5 – 0.5; 6, 7 – 1.0

По мере увеличения толщины грунта определить температуру с помощью термопар Т₁–Т₅ становится труднее. Температура грунта 7, измеренная с помощью стандартного прибора (мультиметра DT-838L), расположенного на расстоянии 1 м от теплообменника, вообще не изменилась (из-за низкой чувствительности прибора). Температура поверхности грунта, измеренная с помощью ИТП, начала повышаться через 60 мин, что свидетельствует о более высокой чувствительности ИТП по сравнению со стандартным мультиметром DT-838L с хромель-алюмелевой термопарой.

Для апробации ИТП была проведена диагностика участка теплосетей района Кендала (г. Караганда) и определены места повреждения теплоизоляционной конструкции. Обследования выполняли в конце отопительного периода. Для оценки данных, полученных с помощью ИТП, был использован акустический датчик “Eureka-2R” компании “Теплотранзит-Караганда”.

На рис. 6 показано распределение температуры поверхности грунта по длине l участка теплосети. Максимальная температура наблюдалась на расстоянии 18–20 м от тепловых камер, зона термического воздействия трубопровода составила 3–4 м. Полученная зависимость температуры поверхности грунта позволяет судить о месте повреждения трубопровода, что было подтверждено при вскрытии участка тепловой сети.

Рис. 6.

Температура поверхности грунта по длине участка теплосети

Апробация измерителя теплового потока доказала его надежную работу и высокую чувствительность. Результаты проведенных измерений подтверждают принципиальную возможность использования предложенного прибора коммунальными эксплуатационными службами тепловых сетей.