Устройство для непрерывного измерения теплоты сгорания горючих газов

Устройство для непрерывного измерения теплоты сгорания горючих газов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗЖРЕНИЯ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ, содержащее теплоизоляционный корпус с установленными в нем сравнительной ячейкой с источником тепла , измерительной ячейкой с газогорелочньм узлом и датчиками температуры , расположенными в местах входа горючего газа, входа окислителя и выхода продуктов сгорания, стоком тепла и изотермической оболочкой, а также блок подготовки и подачи исследуемого горючего газа и окислителя к измерительной ячейке, о тличающееся тем, что, с целью повьшения точности измерения, изотермическая оболочка выполнена в виде замкнутой камеры, сток тепла вьтолнен в виде дополнительной оболочки , примыкающей без зазора к внутренней поверхности изотермической оболочки, измерительная и сравнительная ячейки соединены с внутренней поверхностью дополнительной оболочкии мезвду собой через преобразователи теплового потоха, которые электрически связаны с. входогсистемы автоматического регулирования теплового потока, выход которой соединен с электронагревателем, установленным в сравнительной ячейке в качестве источника тепла, а га зогорелочный узел охвачен рекуперативным теплообменником поверхностного типа.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ . СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3553676/18-?5 (22) 11.02.83 (46) 15.11.84. Бюл. У 42 (? 2) В.И. Соловьев, В. Г. Карпов, С.Г.Шуринов и А.АЛамсонов (71) Ленинградский ордена Трудового

Красного Знамени технологический институт холодильной промышленности (53) 536.275 (088.8) (56) 1. Автоматический прецизионный калориметр модели SK фирмы

"ЮНКАЛОР". — "Немецкий эксперт", 1965, И 24, с. 34-35.

2. Патент США У 3393562, кл. G 01 К 17/00, 1980.

3. Патент США В 3460385, кл. G О1 К 17/00, 1978 (прототип).

° (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО

И31ЖРЕНИЯ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ГОРЮЧИХ

ГАЗОВ, содержащее теплоизоляционный корпус с установленными в нем сравнительной ячейкой с источником тепла, измерительной ячейкой с газогорелочным узлом и датчиками температуры, расположенными в местах входа горючего газа, входа окислителя и..SU„1124210 А

3Ш (; 01 N 25/32 G 01 К 17/00 выхода продуктов сгорания, стоком тепла и изотермической оболочкой, а также блок подготовки и подачи исследуемого горючего газа и окислителя к измерительной ячейке, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, изотермическая оболочка выполнена в виде замкнутой камеры, сток тепла выполнен в виде дополнительной оболочки, примыкающей без зазора к внутренней поверхности иэотермической оболочки, измерительная и сравнительная ячейки соединены с внутренней поверхностью дополнительной оболочки н между собой через преобразователи теплового потеха, которые электрически связаны с входом системы автоматического регулирования теплового потока, выход которой соединен с электронагревателем, установленным в сравнительной ячейке в качестве источника тепла, а газогорелочный узел охвачен рекуперативным теплообменником поверхностного типа.

124210 2 вк1 юченными датчиками температуры измерительной ячейки (2 3. указанное устройство также r:bïîëнено по одноячеечной схеме, поэтому для него характерно снижение точности измерения из-за относительно более сильного влияния окружающей среды.

Кроме того,. теплота сгорания определяется по изменению температуры продуктов сгорания с помощью датчика температуры, установленного в потоке продуктов сгорания на выходе из измерительной ячейки, при этом не учитывается зависимость температуры горения от большого числа факторов, таких как нестационарность процессов горения и теплообмена в ячейке, светимость факела, условия сжигания и многие другие, функциональная связь между которыми еще недостаточно изучена.,дополнительную погppIIIHocòü накладывает также нестабильность термоэлектрических свойств материала датчика температуры в связи с работой его в условиях высокой температуры (1500-2500 С) и агрессивной среды.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для непрерывного измерения теплоты сгорания горючих газов, содержащее теплоизолированный корпус с установленными в чем сравнительной с источником тепла и измерительной ячейкой с. газогорелочным узлом и датчиками температуры, расположенными в местах входа горючего

Известно устройство для измерения теплоты сгорания газов, которое содержит теплоизолированный корпус с установленными в нем измерительной ячеикои с газогорелочным узлом, сто ком тепла и рекуперативным водяным теплообменником поверхностного типа, окружающим измерительную ячейку, и датчиками температуры, расположенными на входе и выходе из теплообменника, а также блок подготовки и подачи горючего газа и окислителя к газогорелочному узлу измерительной ячейки (1 ).

Одноячеечное конструктивное

25 исполнение устройства приводит к возрастанию влияния окружающей среды на процесс измерения и, следовательно, к уменьшению точности результата измерения. Кроме того, работа с данЗО ным устройством характеризуется большой сложностью, трудоемкостью и длительностью цикла измерения, что существенно увеличивает долю случайных ошибок и промахов и приводит, в конечном счете, к увеличению погрешности измерения, а также значительной термической массой и вследствие этого большой постоянной времени.

Известно также устройство для измерения теплоты сгорания газов, содержащее теплоизолированный корлус с установл енньп я в нем измерит ельной ячейкой с газогорелочным узлом и двумя дифференциально включенными датчиками температуры, расположенны- 5 ми в местах входа окислителя и выхода продуктов сгорания и стоком тепла, а также блок подготовки и подачи горючего газа и окислителя к газогорелочному узлу измерительной ячейки и клапай автоматической регулировки расхода горючего газа, привод которого электрически связан с выходом

-системы автоматического регулирования по поддержанию постоянной изме- 55 ряемой разности температур в измерительной ячейке, а вход системы электрически соединен с дифференциально

1 1

Изобретение относится к теплофизическому приборостроению и может быть применено в теплоэнергетике, в различных областях промышленности, используют к теплоту сгорания газов, для работь. в автоматической системе управления технологическими процес, сами, а также при научных исследованиях. газа, входа окислителя и выхода продуктов сгорания, стоком тепла и изотермической оболочкой, а также блок подготовки и подачи исследуемого горючего газа и окислителя к измерительной ячейке 3 ).

Известное устройство выполнено

rrо двухячеечной (лифференциальной) схеме, которая совместно с изотермической бболочкой позволяет свести к минимуму потери точности, связанные с воздействием окружающей среды.

Однако теплота сгорания исследуемого газа определяется по изменению температуры продуктов сгорания, измеряемой с помощью датчиков температуры, установленных в потоке продуктов сгорания, поэтому и для этого устройства характерны все ,связанные с этим недостатки, приводя-щие к уменьшению тбчности измерения.

Кроме того, необходимость постоянного сжигания эталонного газа, помимо

Я IC 5

Т„-Т

Х

o s

2 R

Tк Т0 т р

45 (21

50. й„=й„+Qт, (4) 0 1 2 т (8) з 11242 исследуемого, приводит к ухудшению эксплуатацнонных характеристик устройства.

Цель изооретения — повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для непрерывного измерения теплоты сгорания горючих газов, содержащем теплоизолированный корпус с установленными в нем сравнительной ячейкой с источником тепла, измерительной ячейкой с газогорелочным узлом и датчиками температуры, расположенными в местах входа горючего газа, входа окислителя и выхода продуктов сгорания, стоков тепла и изотермической оболочкой, а также блок подготовки и подачи го— рючего газа и окислителя к измерительной ячейке, иэотермическая оболочка выполнена в виде замкнутой камеры, сток тепла выполнен в виде дополнительной оболочки, примыкающей без зазора .к внутренней поверхности изотермической оболочки, и измерительная и сравнительная ячейки соединены без зазора с внутренней псверхностью дополнительной оболочки и между собой через преобразователи теплового потока, которые электрически связаны с входом системы автома30 тического регулирования теплового потока, выход которой соединен с электронагревателем, установленным в сравнительной ячейке в качестве источника тепла, а газогорелочный узел 35 охвачен рекуперативным теплообменником поверхностного типа.

Предлагаемое устройство характериз уетс я т еплов ой схемой, для к о тор ой праведливы следующие соотношения 4О где 6„ — тепловой поток через сток тепла от измерительной ячей- 55 ки, Вт;

Т„ - средняя температура боковой наружной поверхности изме-

4 рительной ячейки, К;

Т вЂ” средняя температура поверхности изотеомической оболочки, К;

P„— суммарное термическое сопротивление для теплового потока Я, К/Вт;

82 — т"пловой поток через сток . с тепла от сравнительной ячейки, Вт;

То — средняя температура боковой наружной поверхности сравнительной ячейки, К;

R0 — суммарное термическое сопротивление для теплового потока а2, K/ ò;

8 — тепловой поток через преобразователи теплового потока, Вт; — суммарное термическое сот противление для теплового потока йт, К/Вт

Я вЂ” тепловой поток в измерительной ячейке, возникающей от сжигания исследуемого гага, Вт;

Я вЂ” тепловой поток в сравнительной ячейке от электронагревателя, Вт.

Из укаэанных соотношений можно определить основные зависимости для абсолютной ай„= Q)(— Яо и относительной д Я / 9„ошибок измерений ее=6 (— вез)+8 р х; (1) / х о О х х

Величины о кх и Р» зависят от тепловой нагрузки Й и могут быть определены с достаточной точностью при градуировочных опытах как фучкции от ()(. С учетом вышеизложеннбго формулу (7) можно преобразовать, т о обозначив комплексы т +1 и

Rx

R — рх через f (Й) в f (É) соответ((х ственно (где f (9) и f((6) — известные функции от тепловой нагрузки 9, полученные при градуировочных опытах исходя из требуемой точности) °

Тогда =ю(в,„ +z (a) .

0 0

В частности, при Й0= R„, что с достаточной точностью может быть

5 обеспечено конструктивно, f (3j О.

В результате формулу (8) можно записать в виде

ДТ " Т 1 и т

R К и т - L >) и

rain р 1п п и и

Т min min

U т К (1г1

= 5 (81 т (9) (о о

Таким образом, относительная ошибка в определении теплоты сгорания в основном определяется точностью измерения величины Я и Qo. Условие !

О и Р в предлагаемом устройстве конструктивно обеспечивается за счет выполнения изотермической оболочки в виде замкнутой камеры, а стока тепла в виде дополнительной оболочки, l5 примыкающей без зазора к внутренней поверхности изотермической оболочки и имеющей тепловое сопротивление

0,05-20 К/Вт, при .этом одновременно измерительная и сравнительная ячейки соединены без зазора с внутренней

20 поверхностью дополнительной оболочки.

Указанный диапазон теплового сопротивления для стока тепла выбран иэ условия обеспечения работоспособности устройства, Принятое в предлагаемом устройст" ве соединение измерительной и сравнительной ячеек без зазоров через преобразователи теплового потока,которые электрически соединены с входом З0 системы автоматического регулирования теплового потока (САРТП)„ выход которой электрически связан с электронагревателем, установленным в сравнительной ячейке в качестве ис- 35 . точника эталонного тепла, позволяет повысить точность определения теплоты сгорания вследствие увеличения чувствительности схемь. сравнения искомой величины Я с эталонным ко - 40 к личеством теплоты 9О. В прототипе сравнение реализуется за счет измерения разности температур уходящих продуктов сгорания исследуемого и эталонного газов с помощью датчиков температуры, установленных в потоке продуктов сгорания.

Вышеизложенное можно подтвердить на основании расчета с помощью следующих зависимостей: 50 ,U о К

ITlj n где Вп — минимальный тепловой поток, измеряемый с помощью преобразователя теплового потока, Вт;

U Ä Ä вЂ” минимально контр олир уе— мая величина электрического сигнала с преобразователя теплового потока или с датчика.измерения температуры, В, коэффициент преобразования, характеризующий чувствительность преобразовагеля теплового потока по отношению к тепловому потоку, пронизывающему преобразователь, В/Вт; минимальный перепад температур между измерительной и сравнительной ячейками, соответствующий

llll tl тепловому потоку 8 д, К, — тепловое сопротивление преобразователя теплового потока, К/Вт; — минимальный перепад температур между измерительной и сравнительной ячейками, который мскет быть измерен с помощью датчика измерения температуры, К;- коэффициент пр еобра з о в ания для датчика температуры, В/К.

Величины К и Рп для современных . преобразователей теплового потока находятся соответственно в пределах

0,1-0,8 B/Âò и 40-80 К/Вт и для наименее чувствительного из них

Кп = О, 1, а Rд = 40, тогда как величину К в среднем можно принять равной 40 10 В/К. Подстановка указанных значений Р„, К„и Кт в формулу (13) дает в результате величину оТ о " /йТ " = 1,6 10, которая свидетельствует о том, что принятая в предлагаемом устройстве схема сравнения в 1,6 102 раэ чувствительнее, чем в прототипе. Указанное обстоятельство приводит к увеличению точности определения теплоты сгорания в предлагаемом, устройстве.

1124210

Точность определения теплоты сгорания Ы» в большой степени определяется точностью измерения эталонного количества тепла Qz, попучаемого в сравнительной ячейке от постоянного источника, в качестве которого в предлагаемом устройстве используется электрический нагреватель. В этом случае точность определения величины Йд определяется точностью измерения электрической мощности нагревателя, которая в этом случае определяется по измеренным значениям тока и напряжения на потенциальных выводаХ нагревателя. Это обстоятельство также способствует повышению точности определения теплоты сгора-. ния по сравнению с прототипом, так

-как принятое в последнем измерение разности температур продуктов сгорания на выходе из измерительной и сравнительной ячеек с цомощью датчиков температуры приводит к появлению дополнительных. неучитываемых источников погрешности, обусловленных нестабильностью процесса горения и теплообмена в измерительной и сравнительной ячейках, а также нестабильностью термоэлектрических свойств материале латчиков температуры, ра— ботающих в условиях высокой температуры и агрессивной среды.

Отказ от применения эталонного газа в качестве постороннего источника тепла дополнительно позволит улучшить эксплуатационные характеристики устройства.

Повышение точности определения теплоты сгорания обеспечивается также за счет установки в измерительной ячейке.рекуперативного теплообменника поверхностного типа, окружающего газогорелочный узел и предназначенного для охлаждения продуктов сгорания до температуры, равной температуре газа и окислителя на входе в ячейку.

В этом случае повышение точности определения теплоты сгорания достигается за счет практически полного исключения погрешности, связанной с разбалансом теплоты, вносимой в измерительную ячейку с исследуемым горючим газом и окислителем и теплоты, уходящей из нее с продуктами сгорания, величину которого можно определить из уравнения теплового баланса для измерительной ячейки!

Преобразуют уравнение (15), вводя следующие обозначения:

dT Т„- T (16) (17) 35 ьт =т -т.;

С а+с%

К г Г 0 (18)

Ch В„

С учетом соотношений (16)-(18) уравнение (15) имеет следующий вид ; ьЯ„=I Ч/„Т (g-к +С Ю„ь „+С % ЬТ (19)

Из уравнения (19) следует, что при выполнении условия Т = Т = Т

45 выполняется dT ЬТО = О. В этом случае величина разбаланса d9» определяется только первым членом правой части уравнения (19) и,практический вклад ее в общую погрешность опреде50 ления Q» ñòàíîâèòñÿ пренебрежимо мальм.

Указанные обстоятельства являются основными и обеспечивают увеличение точности определения теплоты сгора55 ния, при этом погрешность измерения теплоты сгорания Ik» может быть уменьшена по сравнению с прототипом с

3 до 1-0, 1Х.

С Т =CewoTorC Ю Т {14) где Тд, Т, Т вЂ” соответственно средние температуры окис5 лителя и исследуемо го газа на входе в измерительную ячейку и продуктов сгорания на выходе из

10 нее, К;

С, С, С вЂ” соответственно средние объемные теплоемкости для окислителя исследуемого газа и продуктов сгорания в интервале температур соот, ветственно О-тд, О-т,о-т,о-т,д/ к;

20 Wz, W„, 9f — соответственно

* объемные расходы окислителя, исследуемого газа и продуктов сгорания, 25. нм

l с

Из уравнения (14) можно определить величину разбаланса тепла для измерительной ячейки

30 88 =С N Т -С NТ вЂ” С N T (15) 1124210

На чертеже изображено предлагаемое ус тройство, общий вид.

Устройство для непрерывного измерения теплоты сгорания горючих газов имеет замкнутый жесткий металлический каркас 1 с ребрами 2 воздушного охлаждения, который соединен с тепловыделяющими спаями полупроводниковой термобатареи 3, теплопоглощающие спаи которой., в свою очередь, нахо- 10 дятся в хорошем тепловом контакте с массивной иэотермической оболочкой

4. Свободное пространство между металлическим каркасом и наружной поверхностью изотермической оболочки 15 в промежутках меяду примыкающими к ним полуп роводниковыми термобатареями занимает теплоизоляционный корпус 5.- Ко всей внутренней поверхности изотермической оболочки без зазо- 2п ров примыкает сток 6 тепла, к отор ый, в свою очередь имеет хороший тепловой контакт и соединен без зазоров по всей свободной внутренней поверхности с измерительной 7 и сравнитель- 25 ной 8 ячейками, соединенными между собой без зазоров через преобразователи 9 теплового потока. Преобразователи теплового потока электрически связаны с входом системы автоматического регулирования теплового потока. Измерительная и сравнительная ячейки конструктивно выполнены в виде двух одинаковых цилиндрических камер из нержавеющей стали с толщиной стенки 0,5-3 мм, на наружной поверхности каждой из которых имеются отфрезерованные плоские поверхности для установки преобразователей теплового потока. Измерительная ячейка соединена с блоком 10 подготовки и подачи исследуемого газа и носителя, поддерживающим постоянным их расход, давление, влажность и температуру„Блок 10 конструктивно и функционально аналсгичен применяемому в водяном калориметре и состоит, как правило, из газового счетчика, регуляторов давления, смесительных теплообменников и водяного термостата (на чертеже не показаны).

В непосредственной близости от измерительной ячейки в каналах подвода исследуемого газа 11, окислителя !

2 и отвода продуктов сгорания 13 установлены датчики 14 температуры, необходимые для контроля за обеспечением равенства температур исследуемого газа и окислителя на входе в измерительную ячейку температуре продуктов сгорания на выходе из нее.

Соединение измерительной и сравнительной ячеек между собой через преобразователи теплового потока должно об еспечиват ь хороший т епловой контакт в местах их соприкосновения. Для этого преобразователи теплового потока можно приклеивать специальным теплопроводным клеем к наружным поверхностям ячеек 7, 8 или устанавливать их с помощью механического прижима, предварительно смазав контактирующие поверхности кремнийорганической теплопроводной пастой. В предлагаемом устройстве могут быть применены любые серийно выпускаемые преобразователи теплового потока, предпочти гельно с бодрим коэффициентом преобразования К„.

Общее количество преобразователей теплового потока, которые электрически соединены последовательно, определяется исходя из допустимой тепловой нагрузки на них. Указанное схемо-конструктивное решение обеспечивает повышение тсчности сравнения искомой величины теплоты сгорания

Я„, выделяющейся в измерительной ячейке, с эталонным количеством теплоты Йо, выделяющейся в сравнительной ячейке.

Внутри измерительной ячейки находится газогорелочный узел 15, который состоит из системы дистанционного поджига горючей смеси горелки и камеры сгорания и рекуперативный тепе лообменник 16 поверхностного типа, например, щелевого исполнения (или любой другой конструкции), образованный внутренней цилиндрической поверхностью измерительной ячейки и наружной поверхностью цилиндрической выгородки 17 и предназначенный для охлаждения продуктов сгорания до температуры исследуемого горючего газа и окислителя на входе в измерительную ячейку. Это позволяет увеличить точность измерения теплоты сгорания за счет практически полного исключения погрешности, связанной с разбалансом теплоты, вносимой в измерительную ячейку с исследуемым газом и окислителем, и теплоты, уходящей из нее с продуктами сгорания.

Внутри сравнительной ячейки установлен электрический нагреватель 18 для получения эталонного количества

11 11242 т еплоты Qz эл ектрич ески с оединенный через вольтметр 19 и амперметр 20 с системой САРТП. В качестве системы

САРТП можно использовать серийно выпускаемый комплекс ВРТ-3. Электронагреватель выполняется из высокоомной проволоки (нихром и др.) и располагается равномерно по высоте сравнительной ячейки.

Исключение погрешностей, связанных с нестабильностью процесса горения и теплообмена в измерительной и сравнительной ячейках, а также погрешностей, обусловленных изменением термоэлектрических свойств материала датчиков температуры, работающих в условиях высокой температуры и агрессивности среды, приводит к повышению точности, Кроме того, улучшаются эксплуатационные характеристики из- 2О за отказа от использования эталонноro газа в качестве источника тепла.

Соединение измерительной и сравнительной ячеек со стороны тепла и стока тепла с внутренней поверхностью Zg изотермической камеры выпопняется без зазоров либо склеиванием с помощью клея марки ТКЛ, либо способом механического прижима с предварительной смазкой контактирующих поверхностей пастой КПТ-8, либо любым другим способом, обеспечивающим хороший тепловой контакт в местах соединения, Сток тепла выполняется из жестко35

ro конструкционного материала с тепловым сопротивлением 0,05-20 К/Вт, например из текстолита.

Изотермическую оболочку изготавливают из толстостенных медных листов с толщиной стенок 5-25 мм или из другого конструкционного жесткого материала с высоким коэффициентом теплопроводности.

В качестве полупроводниковой тер- 4 мобатареи используются любые из серийно выпускаемых термоэлектрических модулей, например, типа "Селен"

10 12

° (С 1-16, С2.-7, С3-4, С4-2, Ñ5-1), чт о

l дает возможность отказаться от индивидуального проектирования специальных термоэлектрических батарей, оснастки и полупроводников различных типоразмеров. Отвод тепла с тепловыделяющих спаев осуществляется с помощью естественной конвекции, в случае необходимости может быть применен любой другой способ охлаждения.

Устройство работает следующим об( разом.

Исследуемый горячий газ и окислитель непрерывно подают в блок 10, откуда они с поддерживаемыми постоянными расходом, давлением, температурой и влажностью направляются.по соответствующим каналом 11 и 12 подвода в измерительную ячейку 7, где с помощью газогорелочного узла 15 осуществляется процесс полного сжигания исследуемого газа с выделением теплоты сгорания Q после чего продукты сгорания охлаждаются в теплообменнике 16.до температуры входа исследуемого газа и окислителя в измерительную.ячейку, контроль за которой ведут с помощью датчиков 14 темпера,туры, и выводятся из измерительной ячейки по каналу 13 отвода продуктов сгорания.

Одновременно с появлением теплового потока между измерительной и сравнительной ячейками на вход САРТП поступает электрический сигнал, пропорционапьный тепловому потоку, пронизывающему преобразователи теплового потока. После чего САРТП включает в работу электрический нагреватель сравнительной ячейки и регулирует

его тепловую мощность таким образом, чтобы электрический сигнал с преобра" зователей теплового потока практически стал равным нулю. Тогда искомая величина теплоты сгорания определяется мощностью электронагревателя по измеренным значениям тока и напряжения на. выводах электронагревателя.

Составитель Л. Жаркова

Редактор Л. Пчелинская Техред Л.Коцюбняк Корректор Г. Решетник

Заказ 8271/33 Тираж 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4