Устройство для отбора проб из дисперсного высокотемпературного двухфазного потока

Изобретение предназначено для использования в машиностроительной, энергомашиностроительной, авиационной, ракетно-космической, нефтяной, химической и других отраслях промышленности для отбора проб из дисперсного высокотемпературного двухфазного потока. Устройство для отбора проб из дисперсного высокотемпературного двухфазного потока содержит заборный насадок в виде полой трубки, средства автоматики и средства фильтрации. Во входной части заборного насадка установлена калиброванная шайба с неизменным проходным сечением. За выходной частью заборного насадка последовательно установлены и соединены газовой магистралью запорный клапан, циклонная камера и барботажная камера. Последняя частично заполнена антикоагуляционной жидкостью и имеет свободный объем. Этот объем соединен через командный клапан и тарировочную шайбу с фильтром тонкой очистки. Проходное сечение тарировочной шайбы меньше проходного сечения калиброванной шайбы. Внутренняя поверхность заборного насадка выполнена из сублимирующего материала на длине не менее 10 диаметров проходного сечения калиброванной шайбы. В газовой магистрали между запорным клапаном и барботажной камерой расположена система наддува нейтральным газом. Изобретение направлено на повышение представительности взятых для анализа проб дисперсного высокотемпературного двухфазного потока. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение может быть использовано в машиностроительной, энергомашиностроительной, авиационной, ракетно-космической, нефтяной, химической и других отраслях промышленности для отбора проб из дисперсного высокотемпературного двухфазного потока.

Известно прямоточное устройство для отбора дисперсной фазы в высокотемпературных и высокоскоростных двухфазных потоках (патент RU № 2108559, МПК G 01 N 1/22, опубл. 10.04.98 г., БИ № 3). Устройство содержит охлаждаемый принудительно инертным газом полый заборный насадок, соединенный с клапаном-прерывателем, выполненным в виде подпружиненного поршня, в котором выполнено сопло. На конце штока клапана - прерывателя имеются плоские лыски, предназначенные для исключения поворота поршня вокруг оси при его перемещении под действием сжатого воздуха, подаваемого под днище подвижного поршня. При перемещении клапана-прерывателя в рабочее положение образуется прямоточный канал: заборный насадок - сопло клапана - прерывателя - фильтровальный узел, в котором также имеется сопло, формирующее выход из устройства. При работе такого устройства представительность результатов отбора проб дисперсной фазы снижается из-за влияния вдува инертного газа в канал заборного насадка, что искажает изокинетичность процесса, а также наличие перемещающегося под действием сжатого воздуха поршня, обеспечивающего прямоточный канал даже до момента полного открытия проходного сечения сопла. Следует отметить сложность в изготовлении и ненадежность работы конструкции клапана - прерывателя, содержащего поршневую подпружиненную систему.

Наиболее близким, принятым за прототип, является устройство для отбора дисперсной фазы в высокотемпературных и высокоскоростных двухфазных потоках (AIAA-83-0245. Particle Sampling of Solid Rocket Motor (SRM) Exhausts in High Altitude Tst Cells. P.T.Girata, Jr. and W.K.McGregor, Sverdrup Technology, Inc., Arnold AFS, TN, AIAA 21 st Aerospace Sciences Meeting, January 10-13, 1983/ Reno, Nevada).

Устройство включает заборный насадок, выполненный в виде полой изогнутой под углом 90° трубки из нержавеющей стали с водяной рубашкой охлаждения и связан специальной трубкой с агрегатами автоматики и с тремя пробоотборными сосудами со столиками и предметными стеклами. Течение через устройство поддерживается с помощью трубки обратного тока, которая соединена с камерой низкого давления (Р_к=0,25 мПа).

Работа устройства проходит в автоматическом режиме по заданной циклограмме. В канал заборного насадка поступает струйка двухфазного потока и через специальный изогнутый трубопровод начинает поступать в один из трех пробоотборных сосудов, где дисперсные частицы осаждаются на предметный столик. Отфильтрованный газ через выходной патрубок вытекает в выхлопную систему устройства. Далее в заданное циклограммой время заборный насадок подключается к следующему пробоотборному сосуду, дисперсные частицы осаждаются на предметный столик этого сосуда, отфильтрованный газ, как и ранее, вытекает в выхлопную систему.

Это устройство имеет существенные недостатки, главными из которых являются:

- открытое входное отверстие заборного насадка не имеет ни механического, ни газодинамического затвора. Во время пребывания его в выхлопном факеле работающей энергетической установки заборный насадок наполнен двухфазной средой с неконтролируемым количеством дисперсных частиц, влияющих на представительность пробы;

- среди частиц взятой пробы могут быть частицы в расплавленном или частично расплавленном состоянии, которые при входе в заборное устройство могут дробиться, коагулировать, прилипать (оседать) на стенки как самого заборного насадка, так и газовой магистрали, что влияет на представительность пробы.

Расчеты показали, что частицы более 7 мкм соударяются со стенками заборного насадка. Частицы более 16 мкм могут быть собраны 45° поворотом только в первые два сосуда. Считается, что весь спектр частиц, в том числе и более крупных фракций, может быть собран в третьем сосуде в случае ориентации этого сосуда против потока, а также с помощью впрыска отфильтрованной и деминирализованной воды (душеванием потока) в заборное устройство на расстоянии 4 дюйма от входного отверстия. Все это усложняет конструкцию устройства, снижает надежность его работы и представительность результатов.

Целью изобретения является повышение представительности взятых для анализа проб дисперсного высокотемпературного двухфазного потока.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для отбора проб из дисперсного высокотемпературного двухфазного потока содержит заборный насадок в виде полой трубки, средства автоматики и средства фильтрации, в соответствии с нашим изобретением, во входной части заборного насадка установлена калиброванная шайба с неизменным проходным сечением, а за выходной частью заборного насадка последовательно установлены и соединены газовой магистралью запорный клапан, циклонная камера и барботажная камера, частично заполненная антикоагуляционной жидкостью и имеющая свободный объем, соединенный через командный клапан и тарировочную шайбу с фильтром тонкой очистки, при этом проходное сечение тарировочной шайбы меньше проходного сечения калиброванной шайбы, кроме того внутренняя поверхность заборного насадка выполнена из сублимирующего материала на длине не менее 10 диаметров проходного сечения калиброванной шайбы, а в газовой магистрали между запорным клапаном и барботажной камерой расположена система наддува нейтральным газом. В качестве сублимирующего материала используется полиметилметакрилат.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема установки для отбора проб из дисперсного высокотемпературного потока.

Установка содержит заборный насадок 1, внутренняя поверхность которого на длине L облицована сублимирующим материалом 2 (например, полиметилметакрилатом) и имеет внутренний диаметр d₁ (мм). Во входной части заборного насадка 1 установлена калиброванная шайба 3 (например, из графита) проходным диаметром d₁ (мм). Запорный клапан 4, с помощью переходника 5 соединяется с циклонной камерой 6, которая соединяется с барботажной камерой 7, частично заполненной антикоагуляционной жидкостью 8. В переходник 5 врезан тройник 9, соединяющий устройство с системой наддува. Система наддува включает в себя трубопровод 10, командный клапан 11, источник сжатого нейтрального газа 12. На выходе из барботажной камеры 7 установлен командный клапан 13, тарировочная шайба 14 с проходным диаметром d₂ (мм) и фильтр тонкой очистки 15.

Устройство работает в автоматическом режиме. В зависимости от особенностей исследуемого потока (закрытая емкость, из которой истекает двухфазный поток, или стационарный поток в магистрали) заборный насадок может быть установлен в емкость до начала истечения газа или введен в магистраль непосредственно перед началом отбора пробы. Закрыты командный 13 и запорный 4 клапаны. Подается сигнал на работу системы наддува. Для этого открывается командный клапан 11 системы наддува и из источника сжатого нейтрального газа (азота) 12 по трубопроводу 10 и тройнику 9 часть устройства от запорного клапана 4, установленного перед циклонной камерой 6, до командного клапана 13, на выходе из барботажной камеры 7, наддувается до давления, превышающего давление в исследуемом двухфазном потоке газа (Р_над>Р_ср). По циклограмме подается сигнал на открытие командного клапана 13 и азот из наддутой системы начинает истекать через командный клапан 13, тарировочную шайбу 14 и фильтр тонкой очистки 15. При практически выравненном давлении в устройстве и исследуемом потоке (Р_над=Р_ср) открывается запорный клапан 4 и открывает проходное сечение заборного насадка 1. Часть исследуемого потока дисперсного газа через заборный насадок 1, калиброванную шайбу 3, запорный клапан 4 поступает в циклонную камеру 6. В циклонной камере 6 оседают крупные частицы дисперсного потока. Газ со средней и мелкой фракцией частиц поступает далее в антикоагуляционную жидкость 8 барботажной камеры 7. Антикоагуляционная жидкость 8 занимает часть объема и представляет собой смесь воды со спиртом или другим средством, обеспечивающим дальнейшее охлаждение потока и предотвращающим слипание частиц в более крупные фракции, а прошедший очистку газ поднимается вверх в свободный объем и через открытый командный клапан 13 и тарировочную шайбу 14 проходит фильтр тонкой очистки 15 и удаляется из устройства либо может быть собран в емкость для дальнейших исследований.

Габариты канала заборного насадка выбираются из условия обеспечения отбора необходимого для дальнейшего анализа количества газа или дисперсных частиц в пробе. (В настоящее время, согласно существующим методикам, минимальное количество частиц в пробе должно быть 0,2 г).

Из соотношения ,

где Q - расход газа в потоке;

d₁ - диаметр канала (калиброванной шайбы);

V_г - скорость потока;

можно определить минимальный диаметр канала заборного насадка или калиброванной шайбы. При этом следует иметь в виду, что для исключения ошибки при отборе пробы необходимо обеспечить изокинетический режим течения в заборном насадке (Л.Я.Градус. "Руководство по дисперсионному анализу методом микроскопии" М.: Химия, 1979 г.), т.е. скорость газа в потоке должна быть равна скорости газа в заборном насадке. Длина заборного насадка определяется тепловым расчетом из соображений охлаждения расплавленных частиц до температуры затвердевания при разложении сублимирующего материала внутренней теплоизоляции заборного насадка. Так, при температуре потока газа 3400К, содержащего ˜ 33% частиц расплавленной окиси алюминия, сублимирующий материал с температурой сублимации 650К и эффективной теплотой разрушения ˜ 900 кДж/кг на длине ˜ 3 калибра - диаметра проходного сечения обеспечивает снижение температуры частиц до температуры начала кристаллизации, а на длине 10 калибров температура частиц снижается до ˜ 800К, при этом расход продуктов сублимации не превышает 25% от расхода потока продуктов в заборном насадке. Далее охлажденный поток поступает в циклонную камеру 6. В ней сепарируются крупные дисперсные частицы из потока, а обедненный частицами поток поступает в антикоагуляционную жидкость 8 барботажной камеры 7, антикоагуляционная жидкость 8 может быть 50% водным раствором спирта или моющего средства. В антикоагуляционной жидкости 8 происходит резкое охлаждение потока и частицы, обладающие большей инертностью, чем газ, оседают в ней, не растворяясь и не коагулируя. Очищенный газ поднимается вверх и проходит через командный клапан 13 и тарировочную шайбу 14. Тарировочная шайба 14 имеет площадь проходного сечения, меньшую, чем площадь проходного сечения калиброванной шайбы 3. Изокинетичность процесса в потоке и заборном насадке 1 обеспечивается автоматическим выравниванием давления в устройстве и в потоке двумя расходными шайбами 3 и 14, установленными - первая в заборном насадке, а вторая за командным клапаном, на выходе барботажной камеры. Последовательность установки запорного клапана 4 и калиброваной шайбы 3 регламентируется газодинамическими условиями, равно как и тарировочной шайбы 14 и командного клапана 13. По команде клапаны 4 и 13 закрываются и устройство оказывается изолированным от потока исследуемого газа.

1. Устройство для отбора проб из дисперсного высокотемпературного двухфазного потока, содержащее заборный насадок в виде полой трубки, средства автоматики и средства фильтрации, отличающееся тем, что во входной части заборного насадка установлена калиброванная шайба с неизменным проходным сечением, а за выходной частью заборного насадка последовательно установлены и соединены газовой магистралью запорный клапан, циклонная камера и барботажная камера, частично заполненная антикоагуляционной жидкостью и имеющая свободный объем, соединенный через командный клапан и тарировочную шайбу с фильтром тонкой очистки, при этом проходное сечение тарировочной шайбы меньше проходного сечения калиброванной шайбы, кроме того, внутренняя поверхность заборного насадка выполнена из сублимирующего материала на длине не менее 10 диаметров проходного сечения калиброванной шайбы, а в газовой магистрали между запорным клапаном и барботажной камерой расположена система наддува нейтральным газом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве сублимирующего материала используется полиметилметакрилат.