В современном мире чрезвычайно актуальными являются вопросы экологической безопасности и нехватки энергоресурсов, вместе с тем возрастают и тарифы на них. Эффективным решением этих проблем является повышение энергоэффективности и энергосбережения, а действенным методом для их решения является энергоучёт и, в частности, теплоучёт.
В области теплоучёта очень важно, чтобы конечный потребитель видел экономический результат использования энергосберегающих мероприятий. Соответственно, очень важен переход от домового к поквартирному учёту тепла. При таком переходе уменьшаются значения измеряемых величин и, соответственно, возрастают требования к точности используемого измерительного оборудования. Вместе с этим одновременно возрастают требования к стоимости и компактности таких устройств, а рост требований стимулирует нахождение новых методов и решений. При создании таких приборов требуется разработка стендового оборудования и устройств для имитации реальных условий эксплуатации, соответствующих высоким требованиям по стабильности, чувствительности, точности.
Для решений столь сложных задач на этапе проведения НИОКР могут применяться различные виды инженерного анализа, но лишь некоторые из них позволяют избежать значительного количества ошибок, а также соответствуют современным требованиям эффективности и точности.
Традиционно решение производится итерационно, путём создания физических прототипов, проведения испытаний и анализа полученных результатов, что является дорогой и растянутой во времени процедурой. Куда более гибкое решение можно получить с помощью технологии цифрового прототипирования и численного анализа.
Цифровое прототипирование позволяет проверять работоспособность идеи не воплощая её в реальном исполнении, вносить изменения, оценивать альтернативы. Одним из подходов для проведения инженерных расчётов над цифровой моделью является решение задач методом конечных элементов (МКЭ) и методом конечных объёмов (МКО). Этот метод сильно упрощает процесс тестирования продукции и обработки полученных результатов с помощью ПК, позволяя производить визуализацию искомых непрерывных величин (температур, перемещений и др.) путём аппроксимации дискретной модели, способствует быстрому выводу инновационных изделий на рынок при малых затратах ресурсов.
Для нужд учёта тепловой энергии и температуры теплоносителя в рамках настоящего исследования спроектирован датчик температуры, габариты элементов которого подбирались параметрический, на основе результатов численного моделирования,также проверялась актуальность концепции в целом для поставленных задач. Так как некоторые из функций температуры термочувствительного элемента в датчике от габаритов элементов модели являлись унимодальными, то найти экстремум таких функций другими методами было бы невозможно. По результатам численных и натурных экспериментов была дополнена запатентованная концепция и скомпонованы первые рабочие образцы.
При описании течения теплоносителя, например, в системах водоснабжения, встаёт вопрос в решении задач гидрогазодинамики и конвективного теплопереноса. Для решения данной задачи целесообразно обратить внимание на один метод дискретизации уравнений гидродинамики — метод конечных объёмов, реализованный в решателях Ansys CFX и Fluent.
Для определения коэффициентов теплоотдачи с внутренних поверхностей каналов в системах отопления, водоснабжения или других систем, где происходит протекание теплоносителей, зачастую достаточно использования аналитических расчётов, но если форма этих каналов сложна, а шероховатость вносит большое влияние на формирование профиля течения, то такой расчёт выполнить аналитически может оказаться невозможно. Иногда целесообразнее путём нескольких экспериментов определить некоторые опорные точки и, подогнав их под созданную модель, отработать модель для дальнейших модернизаций и экспериментов уже в виртуальном пространстве.
В результате проведенных расчетов на этапе проведения FIHOKP получены результаты для модели вышеописанного датчика на каналах разной формы и размеров, сформированы требования к работе такого датчика.
Вторым этапом работ было проектирование установки, производящей поверку таких и подобных им датчиков. При проектировании установки было проведено численное моделирование происходящих в ней физических процессов и определены ожидаемые метрологические характеристики, а также возможные пути оптимизации её работы. Были произведены расчёты и получены результаты, позволяющие оценить максимально воспроизводимую точность измерений, определены возможности по поверке различных типов датчиков на разных диапазонах температур.
Таким образом, применение конечноэлементного моделирования при проектировании различных видов приборов и устройств теплоучета позволяет получить как оценочные данные для метрологических характеристик, так и данные по расопределению той или иной непрерывной величины в конструкциях как простых, так и сложных форм. Этот подход к проектированию способствует быстрому выполнению FTИОКР и, как следствие, позволяет снизить время на выпуск продукции, при этом увеличивая её качество.
