СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛА С ОТХОДЯЩИМИ ГАЗАМИ В ГАЗОХОДЕ Российский патент 1996 года по МПК G01K17/00 

Изобретение относится к контролю тепловых процессов в металлургической, нефтехимической, химико-технологической и других отраслях промышленности.

Известен способ измерения мощности тепловых потерь с отходящими газами, заключающийся в измерении температуры газа на входе и выходе измерительного участка газохода и вычислении на основе этих данных мощности тепловых потерь [1]
Результаты расчета по предложенной в известном способе математической зависимости без учета теплофизических параметров (теплоемкость, плотность, коэффициент теплопередачи) транспортируемого газа и его скорости, а также площади поперечного сечения газохода могут выходить за пределы реальных потерь с большей вероятностью.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ измерения мощности тепловых потерь с отходящими из электропечи газами, включающий измерение температуры и количества отходящих газов, причем мощность тепловых потерь с отходящими газами определяют по величине мощности тепловых потерь с частью отходящих газов, пропускаемой через байбас [2]
Ближайший аналог обладает высокой точностью, но сложна его реализация: способ требует установки расходомера в газоходе, сооружения обводного канала (байбаса) с дополнительным расходомеров в нем, а также установленными последовательно нагревателем и охладителем.

Однако мощность тепловых потерь с отходящими газами может быть измерена с такой же объективностью, что и ближайший аналог, но более простым и осуществляемым простыми средствами способом.

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения количества тепла с отходящими газами в газоходе, реализующего предложенный способ.

На чертеже указаны газоход 1; теплоотводящие элементы 2 и 3, изготовленные из материалов с различными коэффициентами теплопроводности; теплоизоляция 4 для создания одномерного теплового потока в теплоотводящих элементах 2 и 3; термопары 5 и 6 для измерения температуры наружной стенки газохода 1 под теплоотводящими элементами соответственно 2 и 3; термопары 7 и 8 для определения тепловых потоков q₂ и q₃ по теплоотводящим элементам 2 и 3; термопара 9 для измерения температуры внешней стенки газохода 1 вне тепловой изоляции 4; вычислительный блок 10 и указатель 11, вход которого соединен с выходом вычислительного блока 10, входы которого соединены с выходами всех термопар.

Устройство работает следующим образом.

Величина конвективной теплопередачи транспортируемого газа в практических расчетах может быть найдена с помощью известной формулы Ньютона. Применительно к теплоотводящим элементам 2 и 3 она имеет вид
q₂= α(T-T₅); (1)
q₃= α(T-T₆); (2)
где q₂ и q₃ плотности тепловых потоков; определяются по величинам температур, измеренным в заданных сечениях теплоотводящих элементов 2 и 3 термопарами соответственно 7 и 8, из решения обратной задачи теплопроводности (см. например, Алифанов О.М. Идентификация процессов теплообмена летательных аппаратов. М. Машиностроение, 1979) независимо от характера нестационарности теплового режима;
Т₅ и Т₆- температура наружной стенки газохода 1 в местах установки теплоотводящих элементов соответственно 2 и 3; по величине они отличаются, т.к. тепловые потоки q₂ и q₃, отводимые от газохода 1 различны ввиду их различных коэффициентов теплопроводности;
Т температура транспортируемого газа;
α коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности газохода 1 торцевой поверхности теплоотводящих элементов 2 и 3; зависит от ряда факторов таких, как скорость транспортируемого газа, размеров обтекаемого тела (газохода), теплопроводность, вязкость, теплоемкость и т.п. газа.

Решая систему уравнений (1) и (2), находим интересующие параметры


При вынужденном движении транспортируемого газа, когда свободная конвекция не развивается и критерий подобия Грасгофа не является определяющим, конвективный теплообмен может быть описан функциональной зависимостью критерия подобия Нуссельта NU, с одной стороны, и критериями Рейнольдса Rе и Прандля Pr, с другой, в виде

где К коэффициент пропорциональности;
С_р, μ, l,v и r удельная теплоемкость, динамический коэффициент вязкости, коэффициент теплопроводности, скорость и плотность транспортируемого газа соответственно;
l характеристический линейный размер поверхности теплообмена; для газоходов круглого сечения это диаметр, а для некруглого сечения - эквивалентный диаметр

где F и P поперечное сечение и периметр газохода.

В первом сомножителе правой части функциональной зависимости (5) из четырех параметров ρ, v, l и m три r, и l являются независимыми, т.е. m 4 3 1, а во втором сомножителе из трех параметров m, С_р и l независимыми являются два m и С_р, т.е. n 3 2 1.

Таким образом, зависимость (5) может быть записана в виде
a = KρvC_p.
Умножив обе части последнего выражения на разность температур транспортируемого газа Т и стенки газохода вне тепловой изоляции теплоотводящих элементов Т_c, а также на площадь поперечного сечения F газохода и время τ, получим

где и представляет собой количество тепла Q с отходящими газами в газоходе. Искомая зависимость запишется окончательно в виде
о

Способ измерения количества тепла с отходящими газами в газоходе может быть применен и в металлургической, химико-технологической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Способ основан на методе определения температуры и коэффициента теплоотдачи транспортируемого газа стенке газохода бесконтактным способом путем решения обратной задачи теплопроводности и установления зависимости критерия Нуссельта от критерий подобия Рейнольдса и Прандля. Приводится формула для расчета тепла с отходящими газами в газоходе. 1 ил.

Способ измерения количества тепла с отходящими газами в газоходе, включающий измерение температуры транспортируемого газа, отличающийся тем, что измеряют тепловые потоки по двум теплоотводящим элементам, изготовленным из материалов с различными коэффициентами теплопроводности, установленным перпендикулярно к поверхности газохода в двух различных точках по его периметру и окруженным теплоизоляцией, измеряют температуру стенки газохода под теплоотводящими элементами и вне указанной тепловой изоляции, температуру и коэффициент теплоотдачи транспортируемым газом газоходу и количество тепла с отходящими газами в единицу времени определяют из математического выражения

где Q количество тепла с отходящими газами;
D эквивалентный диаметр газохода;
α коэффициент теплоотдачи транспортируемым газом газоходу;
T температура транспортируемого газа;
T_c температура стенки газохода вне тепловой изоляции теплоотводящих элементов;
t время.