Устройство для измерения температуры газа

 

Изобретение может быть использовано в пламенных нагревательных печах и позволяет повысить точность измерений за счет оптимизации условий теплообмена горячего спая. Засасываемые из рабочего пространства печи газы омывают рабочий участок термоэлектродов 2, расположенный под углом 45° от оси экранирующего чехла 1. Горячий спай 3 термопары размещен на расстоянии внутреннего радиуса чехла 1 от его входного торца. Проходящие по каналам 4 термоэлектроды 2 подключены ко вторичному прибору , измеряющему возникающую термо- ЭДС. 1 ил. а (Л Вмднои торец ОО со Ю а

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (59 4 С 01 К 13/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Входна торец

2 1 3

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3896430/24-10 (22) 15.05.85 (46) 23.08.87. Бюл. Р 31 (71) Киевский институт автоматики им.XXV съезда КПСС и Уральский политехнический институт им.С.M.Êèðoâà (72) В.Г.Лисиенко, А.Л.Гончаров, В.В.Волков, Ю.К.Маликов, Ю.В.Крюченков и А.А.Константинов (53) 536.516.2(088.8) (56) Ярьппев Н.А. Теоретические осно-! вы измерения нестационарных температур. — Л., 1967, с.217.

Авторское свидетельство СССР

_#_I 767566, кл. G 01 К 13/02, 04.08.77.

„„SU„„1332164 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА (57) Изобретение может быть использовано в пламенных нагревательных печах и позволяет повысить точность измерений за счет оптимизации условий теплообмена горячего спая. 3асасываемые из рабочего пространства печи газы омывают рабочий участок термоэлектродов 2, расположенный под углом 45 от оси экранирующего чехла о

1. Горячий спай 3 термопары размещен на расстоянии внутреннего радиуса чехла 1 от его входного торца.

Проходящие по каналам 4 термоэлектроды 2 подключены ко вторичному прибору, измеряющему возникающую термоЖ

ЭДС. 1 HJI.

1332164

Тогда выражение (4) запишем

40 4 Vyc(Tãî -T<)=f ч пD>>LT . (5)

Считая D „ + D окончательно получаем закон изменения температуры газа при его движении внутри чехла

4 ц Ьтц L

Т -Т (6)

45 го г . Чрс В

Видно, что на входе, при L =О, Т = Т погрешность измерения равт гю на нулю.

Изобретение относится к технике измерения температуры, а именно к измерению температуры газов в рабочем пространстве пламенных нагревательных печей.

Целью изобретения является повьппе I ние точности измерений за счет оптимизации условий теплообмена горячего спая.

На чертеже приведено устройство для измерения температуры газа, продольный разрез.

Устройство содержит экранирующий чехол 1, платиновые термоэлектроды 2, горячий спай 3, который находится на оси чехла l. Термоэлектроды 2 уложены в диаметрально противоположные каналы 4, а их рабочий участок растянут в линию и образует с осью экраю нирующего чехла 1 угол в 45

Безынерционная отсосная термопара работает следующим образом.

Газы из рабочего пространства пла" менной нагревательной печи отсасываются через экранирующий чехол 1 и омывают рабочий участок термоэлектродов 2 и горячий спай 3. Термоэлектроды, проходя по каналам 4 экранирующего чехла 1, затем подсоединяются к вторичному прибору (потенциометру), которым измеряется возникшая термо-ЭДС.

Точность результатов измерения температуры отсосньми термопарами, в том числе и заявляемой, зависит от скорости газов в точке осуществления измерения, расположения горячего спая относительно рабочего торца экранирующего чехла,, длины. рабочего участка термоэлектродов и их диаметра. Эти конструктивные параметры . предлагаемого устройства находились из условий минимальной погрешности измерения.

На расположение горячего спая термопары относительно ее входного торца экранирующего чехла влияют два фактора: во-первых, при прохождении горячих газов через экранирующий чехол происходит теплоотдача от газов к стенке чехла, в результате чего температура газов понижается вдоль газоотводящего тракта. Во-вторых приближение спая термоэлектродов к входному торцу экранирующего чехла приводит к увеличению радиационного теплообмена между спаем и рабочим пространством печи.

Рассмотрим эти составляющие .теплообмена. Потери тепла газом по длине чехла описываются уравнением ч22

vpc (T т )= d (т т )тнв (11 где D — внутренний диаметр чехла, м;

U — скорость течения газов в чехле, м/с;

10 .pC — удельная теплоемкость газов;

Т. — температура газа в сечении

ro рабочего торца чехла;

Тг,Т вЂ” температура газа и внутренФ ней поверхности чехла на рас15 стоянии L от рабочего торца чехла;

L — - расстояние от рабочего торца до рассматриваемого сечения, м.

20 Потери тепла чехлом обусловлены теплообменом с окружающим пространством температурой Т „

E.+,b (т "„- т " ) 1 в вн - (2) где — степень черноты поверхности ч

25 чехла

D „ — внешний диаметр чехла.

Таким образом

Q (т -т„)LIED= 1: Ь(т."„-T" )êD „т.. (3)

30 С учетом (1) имеем

Vpc(Т г,-Tг) = Я 6(Т -Т")7Рв„L (4)

В условиях работы предлагаемого устройства справедливо неравенство

Т г Т„ ) T Для оценки максимально

P возможной погрешности от влияния рассматриваемого фактора положим T„ О.

Теплообмен между горячим спаем и рабочим пространством печи описывается уравнением

„(Tо л +сч T -T ) =Fñ "с(;rî)

55 где А г, А „— ко эффициенты радиационного обмена спай-торец и спай-чехол, которые равны

Аст = Fc c ст

Ас = Fc Ec > fc

I 33: I t )4

Р с (8) где

Тпл (х,ф—

Л рс

55 разрешающие угловые коэффициенты спай-торец, спай-чехол;

Тс — температура спая; с с — коэффициент теплоотдачи конвекцией к поверхности спая;

Рс — площадь поверхности спая; степень черноты поверхности спая;

b — постоянная СтефанаБольцмана.

Угловой геометрический коэффициент с поверхности спая на поверхность торца чехла определяется теРазность температур, стоящая в правой части выражения (8), представляет собой абсолютную погрешность измерения. Минимальную погрешность имеем при максимальном значении выражения, стоящего в квадратных скобках в левой части уравнения тепло-, обмена (8)

L g 1 Ь 4 нс с 1

1- (-) + — +—

D 4 D Vpt Ec D (-) .

D (9)

Формула (9) позволяет для конкретной термопары определять оптимальное значение Ь/D. Оптимальное значение

L/D на практике лежит в пределах

О, 15-0,2.

Однако, установление турбулентного характера течения потока происходит на расстоянии 0,5D-15D . от входа в канал. При этом на участке 0-0,5D происходит ускорение потока до скорости течения в чехле. Таким образом, на расстоянии 0,5D от среза чехла течение потока ламинарное, а скорость на оси максимальна. Это условие является более существенным, так как коэффициент конвективного теплообмена с горячим спаем пропорционален корню квадратному из скорости газового потока, обтекающего спай.

Наиболее рационально принять отношение L/D равным 0,5. Результаты испытаний также показали, что при значении L=0,5D обеспечивается максимальная точность измерений. лесным углом, ограниченным корпусом с вершиной в точке расположения спая и основанием, совпадающим с торцом

„,= r)- ю- . "-.шийся телесный угол приходится на поверхность экранирующего чехла, вследствие чего из условия замкнутости процесса излучения геометрический угловой коэффициент спай-чехол равен

S ц =1-S . Малая площадь поверхности спая позволяет не учитывать переотражение в системе и принять разрешающие угловые коэффициенты равными геометрическими. Тогда уравнение теплообмена для спая с учетом выражения (6) и условия Т О запишется

Поскольку коэффициент теплоотдачи конвекцией к керамическим стенкам чехла ниже, чем к спаю, то и температура его ниже, а термоэлектроды в месте соприкосновения с чехлом приобретают его температуру. В этой связи проявляется еще одна .погрешность измерения за счет теплопроводности про 0 волоки из которой выполнены термоэлек. троды. Рабочий участок термоэлектродов можно представить в вйде стержня диаметром d, длиной 1, без тепловой изоляции боковой поверхности. Диффе35 ренциальное уравнение теплопроводности дпя стержня

1 а(Т„(х ) л а тпл (х ".j рс ах<

40 + --- F

4а п (10)

lcd текущее время; текущая координата, отсчитываемая от спая (диапазон от О до f/2, так как задача симметричная); температура платиновой проволоки в момент времени Г, в сечении, расположенном на расстоянии х; плотность подводимого к стержню теплового потока; теплопроводность платины; удельная теплоемкость платины; площадь поверхности стержня, с1 „= ttI c(Tr-T (х,7) K 5 (Т"„-T „„(х, ) ), (11) 13321б4 где р

1 F 1 — + - (-- — 1)

Ял -Рч Еч

Я вЂ, степень черноты пластины, F — площадь внутренней поверхности чехла.

Составитель Е.Рязанцев

Редактор Г .Волкова Техред g.Коданич,Корректор Н.Король

Заказ 3823/37 Тираж 77б Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие,г.ужгород,ул.Проектная,4

Поекольку Рч )) F„, то E> " Я„. Составляющую радиационного теплообмена в выражении (11) можно представить в виде .(Т., - Т„„(x, i)), (12) где Ы - коэффициент теплообмена излучения между поверхностью экранирующего чехла и платиновой проволоки.

Поскольку Т ((Т„„, радиационная составляющая потока соответствует отводу тепла от платиновой проволоки и величина может быть оценена по

I э максимуму: 1„=4 6 Е Е . Введение такой оценки позволяет динеариэовать радиационную составляющую потока

Ч„--((ñ+ л) Т = ".,", " -"3 ) . (13) сс + n

Решение дифференциального уравнения (10) известно, для стационарных условий оно имеет вид

dc+«л

ch (— — — 2х) Т (k)=T — (Т -Т ) — — — — — — (14) ЛгС

hA . 0 0 ((+д

ch(— — — - I „1 фТ + я Т ч где Т -- — — — температура о спая, соответствующая нулевой теплопроводности стержня.

Эта температура определяется расположением спая относительно среза чехла, отличием температуры газа от температуры чехла, величиной коэффициента теплоотдачи конвекпией к спаю, определяемого диаметром платиновой нити и скоростью прососа газа.

Полагая х=О из выражения (14) получаем уравнение для температуры спая (r,-T ) — -- — — — (15)

С О О Ч „+, У

ch(-- — --—

Второе слагаемое в выражении (15)

10 представляет собой ошибку за счет теплопроводности платиновой п оволо л + с ки. Причем выражение — — — — ве h личина постоянная и больше единицы, поэтому для минимизации погрешности измерения необходимо увеличить соотношение r/ Я. Следовательно, для уменьшения погрешности измерения необходимо по воэможности увеличить длину рабочего участка термоэлектродов и уменьшить их диаметр. Максимально возможная длина рабочего участка термоэлектродов с учетом условия выведенного ранее (L/D=Os5) равна D/sin45, т..е. рабочий участок термоэлектродов с осью экранирующего чехла должен образовывать угол в 45 .

Формула изобретения

Устройство для измерения темпера" туры газа, содержащее экранирующий чехол с размещенной внутри термопарой, рабочий участок термоэлектродов

° которой растянут в линию, отводящие концы уложены в диаметрально проти35 воположных каналах, проходящих в стенках экранирующего чехла, а горячий спай расположен на оси этого чехла, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет оптимизации условий теплообмена горячего спая, горячий спай термопары размещен на расстоянии внутреннего радиуса экранирующего чехла от его входного торца, а

45 рабочий участок термоэлектродов расо положен под углом 45 от оси этого чехла.