Устройство для непрерывного измерения теплоты сгорания горючих газов

 

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