Термозонд для измерения температуры среды в технологическом агрегате с футеровкой

 

Использование: для исследования теплового состояния материалов и процессов в металлургической, химико-технологической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: термозонд содержит термопару 1, электроды 2, защитную втулку 3, заполненную электроизоляционным материалом 4 с низкой теплопроводностью, тепловоспринимающее днище 5 и зазор 6 (замазки, воздух, контактный слой). Диаметр зонда и теплофизические характеристики используемых в конструкции материалов так согласованы между собой, что обеспечивают минимальную погрешность измерения температуры. 1 ил.

Изобретение касается исследований теплового состояния материалов в металлургической, химико-технологической, нефтехимической и иных отраслях промышленности.

Известен термозонд для исследования теплового состояния материала при его получении и переработке, содержащий огнеупорный блок, выполненный в форме цилиндра из теплоизоляционного материала, покрытого термостойким плотным огнеупором, с наружным защитным чехлом из жаропрочного металла, термопару, а также держатель блока, выполненный в виде трубки, в которой расположены электроды термопары, соединяющие ее с регистрирующим прибором [1] Однако этим термозондом в ходе технологической операции получения или переработки материала измеряют температуру теплоизоляционного слоя или газовой среды в этом слое, а не температуру исследуемого материала. Кроме того, необходим прогрев огнеупорного блока от тепловоспринимающей поверхности защитного чехла до места размещения горячих спай температуры (продолжительность прогрева порядка 20 с), что повышает тепловую инерционность, продолжительность погружения в среду для достижения установившегося показания, снижает срок службы и надежность работы устройства.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является термозонд для измерения температуры среды в технологическом агрегате с футеровкой, включающий термопару, электроды и спай которой армированы соответственно в защитную втулку, заполненную электроизоляционным материалом с низкой теплопроводностью, и в ее тепловоспринимающее днище [2] Однако данный термозонд отличается отсутствием согласованности его конструктивных параметров и теплофизических характеристик используемых в конструкции материалов, обеспечивающих минимизацию (по величине допустимой погрешности измерения) влияния факторов, снижающих точность измерения (нерегулируемый теплоотвод по элементам термозонда от его тепловоспринимающей поверхности, условия внешних тепловых воздействий и др.).

Для обеспечения минимальной погрешности измерения температуры термозонд для измерения температуры среды в технологическом агрегате с футеровкой, включающий термопару, электроды и спай которой армированы соответственно в защитную втулку, заполненную электроизоляционным материалом с низкой теплопроводностью, и в ее тепловоспринимающее днище, установлен в стенке технологического агрегата с зазором, а диаметр термозонда и технологические характеристики используемых в его конструкции материалов выбраны из условия +2 + ≥ 1; C 30q_отв; ΔT_изм>ΔT_доп, где λ_т- эффективная теплопроводность термозонда; λ_о теплопроводность футеровки технологического агрегата; α_o коэффициент теплопроводности; ΔТ_доп допустимая погрешность измерения температуры; Т_т ожидаемая температура контролируемой среды; Т_с температура контролируемой среды;
ζ + коэффициент теплопередачи между термозондом и футеровкой технологического агрегата;
h_з и λ_з толщина и коэффициент теплопроводности зазора (замазки, воздуха и контактного слоя), отделяющего термозонд от футеровки технологического агрегата;
d диаметр защитной втулки термозонда;
С теплоемкость тепловоспринимающего днища;
Δ τ_изм продолжительность измерения;
q_отв тепловой поток, отводимый по термозонду.

На чертеже представлен предлагаемый термозонд.

На чертеже показаны термопара 1, электроды 2, защитная втулка 3, заполненная электроизоляционным материалом 4 с низкой теплопроводностью, тепловоспринимающее днище 5, зазор 6 (замазки, воздух, контактный слой), футеровка 7 и среда 8, для измерения температуры которой предназначено изобретение.

Размеры термозонда, место и условия его установки выбирают из условия обеспечения неискаженного влиянием термозонда на режим теплообмена футеровки технологического агрегата с защитной втулкой. Уравнение указанного теплообмена имеет вид
T_т(x)-T(x)=0;
β= 2, (1) где Т_т(х) температура в поперечном сечении термозонда на расстоянии х от внутренней поверхности футеровки технологического агрегата;
Т(х) неискаженная температура футеровки технологического агрегата;
λ_т эффективная теплопроводность термозонда;
d диаметр защитной втулки термозонда;
ζ коэффициент теплопередачи между термозондом и футеровкой технологического агрегата;
ζ= + ;
h_з и λ_з толщина и коэффициент теплопроводности зазора (замазки, воздуха, контактного слоя), отделяющего термозонд от футеровки технологического агрегата;
λ_о теплопроводность футеровки технологического агрегата.

Решение уравнения (1) при граничных условиях
=T_т(x)-T,
= , где T_т(x) температура поверхности теп- ловоспринимающего днища;
Т_с температура исследуемой среды;
α_o коэффициент теплоотдачи от исследуемой среды, воздействующей на футеровку;
q_о тепловой поток от футеровки к термозонду, дает следующее соотношение для величины погрешности
ΔT=T₁-T.

Налагая условие Δ Т ≅ Δ Т_доп где Δ Т_доп допустимая погрешность результатов измерения, получаем соотношение в соответствии с которым выбор конструктивных и теплофизических факторов обеспечивает достижение технологического результата
+2+ ≥ 1. (2)
Выражение (2) получено для процессов, у которых за достаточно большой интервал времени наблюдаемые изменения измеряемого параметра не выходят за пределы случайных погрешностей измерения, т.е. для квазистационарных процессов.

При реализации процессов, для которых такие требования не выполняются, необходимо обеспечить дополнительное условие
Cq_отв, (3) означающее, что тепловая мощность, которой термозонд обменивается с исследуемой средой, идет в основном на изменение энтальпии тепловоспринимающего днища 5, где размещена термопара 1. Влиянием нерегулируемого теплоотвода q_отв можно пренебречь, если вносимая им величина методической погрешности результатов измерений не превышает величины случайной составляющей. Исходя из этого, для большинства практических задач, достаточно выполнение условия
C30q_отв, (4) означающего, что лишь около 3% тепловой мощности, участвующей в теплообмене, отводится по элементам термозонда.

Выполнение условия (4) обеспечивают путем выбора конструктивных параметров электроизоляции 4, защитной втулки 3.

П р и м е р (технической реализации термозонда для исследования технологических сталеразливочных процессов). Исходными данными для выбора параметров термозонда являлись:
температура исследуемой среды Т_с 1300^оС;
допустимая погрешность результатов измерений Δ Т_доп 2,0^оС;
термозонд размещают в полуграфитовом футеровочном материале с λ_o 50 Вт/мК;
диаметр защитной втулки термозонда d 1˙10^-2 м, длина l ≅ 0,5 м;
коэффициент теплоотдачи от исследуемой среды к тепловоспринимающему днищу термозонда α_o 800 Вт/м²К;
между защитной втулкой термозонда и футеровочным материалом стенки технологического агрегата возможен воздушный зазор, толщина которого h_з= 1˙10^-5 м, а коэффициент теплопроводности λ_з 3,5˙10^-2 Вт/мК;
используется платина платинородиевая термопара с диаметром электродов 1˙10^-6 м;
температура противоположной торцовой поверхности термозонда на расстоянии l 0,5 м от тепловоспринимающего днища не более Т_о 50^оС
Исходя из этих условий в качестве электроизоляционного материала 4 выбран легковесный низкоплотный материал на основе волокон SiO₂ с диаметром волокон 1-10 мкм и длиной 100-1000 мкм. Коэффициент теплопроводности такого материала не превышает λ 0,1 Вт/мК, а температура плавления Т_пл 1500^оС.

Установку термопары 1 проводили в процессе изготовления тепловоспринимающего днища 5. Для этого после подготовки торцовой поверхности днища 5 на нее нанесли грунтовой слой толщиной (1-3)˙10^-4 м, одинаковый по коэффициенту термического расширения с материалом 4. После этого производили укладку термопары 1, свободные концы 2 которой вывели через электроизоляционный материал 4. После чего произвели сушку на воздухе в течение 1800 с, выравн или поверхность тепловоспринимающего днища 5 кварцевым валиком с шероховатостью поверхности, соответствующей седьмому классу чистоты, а затем произвели сушку при 400 К в течение 1000 с. После этого обжигали при 1500 К в течение 1500 с и охлаждали до комнатной температуры. Далее нанесли глазурный слой толщиной 2˙10^-4 м, содержащий 15% силиконового стекла, 75% кварцевого стекла и 10% зачерняющей добавки, провели сушку при комнатной температуре в течение 2000 с и обжиг при 1500 К в течение 1500 с, после чего охладили до комнатной температуры.

Таким образом изготавливают тепловоспринимающее днище 5, представляющее собой термостойкое покрытие с термопарой 1.

Аналогично изготавливают термостойкое покрытие на цилиндрической поверхности термозонда, которое и образует защитную втулку 3.

Эффективная теплопроводность λ_т такого термозонда, определяемая теплопроводностью электроизоляционного материала 4, защитной втулки 3 и электродов 2, не превышает значения λ_т 0,5 Вт/мК.

Для того, чтобы проверить обеспечивает ли выбор конструктивных параметров термозонда и теплофизических характеристик используемых в нем материалов выполнение условия (2) и достижение технического эффекта необходимо, в соответствии с выражением (2), определить ожидаемое измеренное значение температуры Т_т. Для этого необходимо записать уравнение теплового баланса, определяющее соответственно тепловой поток, воспринимаемый днищем 5 от среды 8, и передаваемый теплопроводностью по термозонду, которое в принятых обозначениях имеет вид
α_o(T_c-T_т) (T_т-T_o).

Отсюда имеем Т_т 1298,439^оС.

Использование соотношения (2) дает
+2+ 1,064>1.

Одновременно, поскольку тепловоспринимающее днище 5 представляет собой тонкое, теплоизолированное материалом 4 с низкой теплопроводностью, термостойкое покрытие, внутри которого размещена термопара 1, обеспечивается хорошее выполнение условия (4).

Таким образом, путем соответствующего выбора конструктивных параметров термозонда, теплофизических характеристик используемых в нем материалов обеспечивают минимизацию влияния факторов, снижающих точность получаемых результатов (нерегулируемый теплоотвод по элементам термозонда от его тепловоспринимающей поверхности, условия внешних тепловых воздействий и др.). Погрешность получаемых результатов в этом случае снижается до уровня погрешности непосредственных измерений температуры (согласно работе Гордов А.Н. и др. Точность контактных методов измерения температуры. М. Издательство стандартов, 1976, величина такой погрешности составляет 5%).

Формула изобретения

ТЕРМОЗОНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДЫ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ АГРЕГАТЕ С ФУТЕРОВКОЙ, включающий термопару, электроды и спай которой армированы соответственно в защитную втулку, заполненную электроизоляционным материалом с низкой теплопроводностью, и в ее тепловоспринимающее днище, отличающийся тем, что термозонд установлен в стенке технологического агрегата с зазором, диаметр защитной втулки термозонда и технологические характеристики используемых в его конструкции материалов выбраны из условий


ΔT_изм>ΔT_доп,
где λ_т эффективная теплопроводность термозонда;
λ_o теплопроводность футеровки технологического агрегата;
α_o коэффициент теплопроводности;
ΔT_доп допустимая погрешность измерения температуры;
T_т ожидаемя температура контролируемой среды;
T_с измеряемая температура контролируемой среды;
коэффициент теплопередачи между термозондом и футеровкой технологического агрегата;
h_з и λ_з толщина и коэффициент теплопроводности зазора (замазки, воздуха и контактного слоя), отделяющего термозонд от футеровки технологического агрегата;
d диаметр защитной втулки термозонда;
ΔT_изм отклонение температуры от начального значения температуры перед началом технологического процесса или в момент введения термозонда в контролируемую зону;
C теплоемкость тепловоспринимающего днища;
Δτ_изм продолжительность измерения;
q_отв тепловой поток, отводимый по термозонду.

РИСУНКИ

Рисунок 1