Основы измерения тепловой энергии

Понятия тепловой энергии и теплоты часто имеют неоднозначную смысловую трактовку как в литературе, так и среди специалистов. Применение термина «тепловая энергия» предполагает, что тела обладают определенным количеством тепловой энергии. Такая терминология стала использоваться в физике, когда в телах предполагали существование некоторой субстанции – теплорода. Предполагали, что увеличение или уменьшение количества теплорода приводит к повышению или понижению температуры тела. Однако последующее развитие физики заставило от теории теплорода отказаться. С точки зрения молекулярно-кинетической теории суммарная кинетическая энергия хаотического движения молекул относительно центра масс тела и суммарная потенциальная энергия взаимодействия этих молекул друг с другом называется внутренней энергией тела. Нагревание тела приводит к увеличению средней кинетической энергии молекул. При этом может изменяться не только температура, но и другие параметры (объем). В том случае, если другие параметры остаются неизменными, то внутренняя энергия тела зависит только от температуры. Если два тела, имеющие различные значения температуры, привести в соприкосновение друг с другом, то произойдет процесс теплопередачи. Естественно, что при этом тело, имеющее более высокую температуру, будет охлаждаться, а контрольное тело, имеющее низкую температуру, будет нагреваться. Изменение внутренней энергии контрольного тела от начального значения U ₁ до конечного значения U ₂ вызвано количеством теплоты Q. Таким образом

. (1.1)

В том случае, когда помимо температуры изменяются другие параметры тела, справедливо выражение первого закона термодинамики

, (1.2)

где L – работа совершаемая телом (или над телом) в каком-либо процессе.

Дифференциал работы определяется как произведение давления на дифференциал объема в виде

. (1.3)

В сборнике рекомендуемых терминов [1] теплота процесса определяется как «Энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии, зависящая только от температуры этих тел и не связанная с переносом вещества от одного тела к другому».

ГОСТ 51649-2000 [2] на теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения определяет количество теплоты (тепловой энергии) как «Изменение внутренней энергии теплоносителя, происходящее при теплопередаче в теплообменных контурах (без массопереноса и совершения работы)». Таким образом, из приведенных выше рассуждений видно, что при выполнении измерения теплоты (тепловой энергии) под этими терминами фактически понимают изменение внутренней энергии тела.

Наряду с понятиями внутренней энергии, теплоты и работы широко используется такое понятие как энтальпия. Энтальпия определяется в виде суммы внутренней энергии и произведения давления на объем:

. (1.4)

С учетом выражения (1.4) первый закон термодинамики с использованием понятия энтальпии в дифференциальной форме может быть записан в виде:

. (1.5)

Широко используется понятия удельной внутренней энергии (u = U / M) и удельной энтальпии (h = H/M). Значения теплоты, внутренней энергии и энтальпии имеют размерность энергии (т.е. измеряются в Дж в системе единиц измерения СИ или во внесистемных единицах – калориях и производных от этих единиц). За начало отсчета внутренней энергии воды принята так называемая тройная точка воды (t = 0,01 ^оС, Р = 610,8 Па), значение удельной энтальпии в этой точке составляет 0,611 Дж/кг. При расчете энтальпии в теплосчетчиках используют термодинамические таблицы свойств воды и водяного пар ГСССД [3]. Как видно из выражения (1.5), в том случае, когда процессы передачи теплоты осуществляются без изменения давления тела, количество теплоты, полученное или отданное телом, равно изменению энтальпии. В дальнейшем, наряду с более строгим понятием теплота, будем использовать термин тепловая энергия, придавая им смысл, указанный выше.

Основным нормативным документом, регламентирующим организационные и технические требования к учету тепловой энергии и теплоносителя, являются «Правила учета тепловой энергии и теплоносителя» [4]. В соответствии с правилами системы теплоснабжения делятся в зависимости от типа теплоносителя на паровые и водяные. Учет тепловой энергии отличается в зависимости от того, где осуществляется учет: на источнике тепловой энергии или у потребителя. Схема учета тепловой энергии у потребителя организуется в соответствии с суммарной тепловой нагрузкой (Q _å) потребителя и схемой теплоснабжения. Суммарная тепловая нагрузка потребителя включает в себя нагрузку системы отопления, горячего теплоснабжения и приточно-вентиляционную нагрузку. Схема, классифицирующая учет тепловой энергии, приведена на рис. 1.1.

Учет тепловой энергии

Теплоноситель-пар Теплоноситель - вода

Источник Потребитель Источник Потребитель

Открытая система Закрытая система

Q _å £ 0,1 Q _å £ 0,5 Q _å > 0,5 Q _å £ 0,1 Q _å £ 0,5 Q _å > 0,5

Гкал/ч Гкал/ч Гкал/ч Гкал/ч Гкал/ч Гкал/ч

Рис. 1.1. Схема учета тепловой энергии

Структурная схема размещения точек измерения количества тепловой энергии, массы теплоносителя и его параметров в конкретном узле учета тепловой энергии определяется положением этого узла на схеме (рис. 1.1). Некоторые структурные схемы приведены в разделе 5, полный перечень схем можно найти в правилах [4].