СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АДИАБАТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ И КАМЕРА СГОРАНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01N25/52 

Изобретение относится к технике измерения температуры и может быть использовано при создании устройств для сжигания газов, поскольку для расчета параметров таких устройств необходимо знание адиабатической температуры горения.

Адиабатическая температура горения газов - это максимальная температура газового пламени при отсутствии теплопотерь. Большинство известных методов измерения температуры пламени являются оптическими, основанными на пропускании луча света через пламя (Гейдон А.Г., Вольфгард Х.Г. Пламя, его структура, излучение и температура. М.: Металлургиздат, 1959, с. 218.). Преимущество оптических методов в том, что они не вносят возмущения в измеряемую среду. С другой стороны, оптические методы не являются локальными, и для пламени, имеющего большие температурные неоднородности, дают только среднее значение температуры вдоль пути луча света. Поэтому при измерении максимальной температуры пламени эти методы могут давать заниженные значения.

Известен термопарный метод измерения температуры пламени, согласно которому горючая газовая смесь сжигается на горелке и в открытое пламя вводится термопара. Этот способ является локальным и поэтому применяется для измерения адиабатической температуры горения (Зенин А.А. Об ошибках показаний термопар, проходящих через пламя. Инженерно-физический журнал, т. V, N 5, 1962, с. 70-74). Однако при измерении термопарами высоких температур газового пламени неизбежны погрешности за счет теплопотерь излучения, теплоотвода в холодные концы термопар, потерь тепла, идущего на разогрев самой термопары, и т.д. Эти причины могут приводить к ошибкам измерения адиабатической температуры горения до нескольких сот градусов. Для уменьшения величины ошибок, возникающих при термопарных измерениях, применяют термопары с минимально возможным диаметром. С другой стороны, использование сверхтонких (до 5 мкм) термопар связано с рядом технических трудностей: низкой прочностью термопар, сложностью изготовления и крепления и др.

Задачей изобретения является разработка термопарного способа измерения адиабатической температуры горения газовых смесей, позволяющего использовать термопары различного диаметра и при этом повысить точность измерения за счет устранения погрешностей, связанных с излучением, теплоотводом в концы термопары и теплопотерями на ее разогрев, а также создание камеры сгорания для осуществления способа.

Поставленная задача решается предложенным способом, сущность которого заключается в том, что исследуемую газовую смесь сжигают в инертной пористой среде при постоянной фильтрации через нее этой смеси со скоростью, обеспечивающей формирование стоячей волны горения в пределах пористой среды, и измеряют максимальную температуру пористой среды в волне горения, которая и является адиабатической температурой горения исследуемой газовой смеси.

При сравнении с прототипом видно, что общим признаком нового способа и прототипа является использование термопары, помещенной в зону горения.

Физические основы заявленного способа состоят в следующем. Если через пористую среду продувается горючая газовая смесь и она поджигается, то в пористой среде формируется волна горения газа. Эта волна может распространяться по потоку газа (спутная), против потока (встречная) или стабилизироваться на одном месте (стоячая волна) в зависимости от реакционной способности газовой смеси и скорости ее фильтрации через пористую среду. Теоретическое рассмотрение и экспериментальные исследования показывают, что температура пористой среды в спутной волне выше адиабатической температуры горения, во встречной ниже, а в стоячей в точности равна адиабатической температуре горения газовой смеси. Таким образом, для определения адиабатической температуры горения газовой смеси достаточно измерить температуру пористой среды в месте расположения стоячей волны.

Из сказанного следует, что заявленный способ измерения адиабатической температуры горения газов основан на известном процессе фильтрационного горения газа в пористой среде, который осуществляется в камере сгорания, заполненной пористой засыпкой из инертного зернистого материала. Через патрубок горючую газовую смесь пропускают через пористую среду и поджигают, инициируя волну горения. Температуру измеряют термопарой, помещенной в пористую среду (Равич М.В. Поверхностное беспламенное горение М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1949, с. 172-175).

В отличие от известной камеры сгорания, в которой осуществляется процесс фильтрационного горения газа, предлагаемая камера сгорания снабжена трубкой, запаянной с одного конца. Эта трубка выполнена из огнеупорного материала с тепловыми характеристиками, аналогичными характеристикам материала пористой засыпки. Диаметр этой трубки равен или близок диаметру зерна пористой засыпки. Трубка запаянным концом установлена в пористой среде по оси камеры сгорания. В эту трубку при проведении измерений вставляется термопара. Равенство размеров трубки и зерна пористой засыпки, а также тепловых характеристик их материалов обеспечивает условие теплового равновесия трубки с пористой средой.

Трубка может быть изготовлена из кварца или керамического материала, а в качестве пористой среды можно использовать, например, карборунд. Требуемый средний размер зерна пористой среды зависит от реакционной способности газовой смеси: чем больше нормальная скорость горения смеси, тем мельче должно быть зерно. Зерно диаметром 3-4 мм приемлемо и для быстро горящих водородно-воздушных смесей, и для медленно горящих углеводородных.

На чертеже схематично показана предложенная камера сгорания в процессе проведения измерения адиабатической температуры горения.

Камера сжигания содержит цилиндрический корпус 1 с нижним расположением входного патрубка 2. По оси камеры установлена трубка 3 с запаянным нижним концом. Все свободное пространство камеры 1 вокруг трубки 3 заполнено зернами инертного пористого материала 4. На чертеже также показаны термопара 5, расположенная в трубке 3 на уровне стоячей волны горения 6, и потенциометр 7, к которому подключают концы термопары.

Измерения проводят следующим образом. Через патрубок 2 в камеру 1 подают поток исследуемой газовой смеси Q. В верхней части камеры газовый поток поджигают открытым пламенем, и в пористой среде инициируется волна горения. После прогрева поверхности пористой среды 4 волна горения начинает распространяться по ней, что наблюдается по перемещению светящейся зоны. Варьируя расход газа Q (изменяя таким образом скорость фильтрации газовой смеси), добиваются неподвижности светящейся зоны, т.е. формирования стоячей волны горения 6. Зафиксировав этот расход Q, вводят термопару 5 в трубку 3 до уровня светящейся зоны 6. Поскольку температура в волне горения максимальна, то положение термопары можно контролировать по показаниям потенциометра 7. Температуру закрепляют в том месте, где показания потенциометра максимальны. После установления теплового равновесия (несколько секунд) регистрируют показания потенциометра, которые и характеризуют адиабатическую температуру горения сжигаемой смеси.

Пример 1. Смесь 70,4% водорода + 29,6 воздуха. В качестве камеры сгорания используют кварцевую трубку с внутренним диаметром 44 мм, которую заполняют карборундом с размером зерна 3 мм. Стоячая волна устанавливается при расходе газовой смеси Q=1,54 л/с. Измерения проводят хромель-алюмелевой термопарой с диаметром спая 200 мкм, помещая ее в кварцевый капилляр диаметром 3 мм, установленный в камере сжигания. Измеренная в стоячей волне температура 1318 К. Значение, полученное теоретическим расчетом, 1310 К (Гамбург Д.Ю. , Дубовкин Н. Ф. /Ред. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. Справочник. М.: Химия, 1989, с. 267).

Пример 2. Смесь 2,20% пропана + 97,80% воздуха. Камера сгорания и засыпка такие же, как в примере 1. Стоячая волна устанавливается при расходе газовой смеси Q=0,55 л/с. Температура, измеренная хромель-алюмелевой термопарой с диаметром спая 200 мкм, равна 1576 К. Значение, полученное теоретическим расчетом, 1575 К.

Предложенный способ позволяет заменить трудоемкие, капризные термопарные измерения в высокотемпературном газовом пламени простыми рутинными измерениями температуры в пористой среде. Это дает следующие преимущества:
устраняются погрешности измерения температуры за счет излучения, т.к. излучение экранируется близлежащими элементами пористой среды;
благодаря широкой безградиентной тепловой зоне (5-7 мм) в волне горения в пористой среде и ее инерционности устраняются погрешности измерения за счет теплопотерь в концы термопар;
за счет стабильности стоячей волны устраняются погрешности, связанные с конечным временем прогрева термопары;
снимаются ограничения на толщину термопары, что позволяет использовать достаточно толстые, механически прочные термопары;
условие теплового равновесия термопары с пористой средой достигается введением термопары в зерно пористой среды или в трубку из материала с близкими к материалу зерна тепловыми характеристиками. Это одновременно дает дополнительную защиту термопары от окисляющего действия кислорода при высоких температурах.

Изобретение относится к технике измерения температур и может быть использовано при создании устройств для сжигания газов. Газовую смесь сжигают в пористой среде при постоянной фильтрации через нее этой смеси со скоростью, при которой в пористой среде формируется стоячая волна горения, и измеряют максимальную температуру пористой среды в волне горения, которая и является адиабатической температурой горения исследуемой смеси. В процессе измерения газовую смесь подают в камеру, заполненную пористой средой из инертного зернистого материала. По оси камеры в пористой среде установлена запаянная с одного конца трубка для ввода термопары. Трубка выполнена из огнеупорного материала с тепловыми характеристиками, аналогичными характеристикам материала пористой среды, и имеет диаметр, равный диаметру ее зерна, что обеспечивает условие теплового равновесия. За счет устранения погрешностей, связанных с излучением, теплоотводом по термопаре и теплопотерями на ее разогрев, повышается точность измерения. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения адиабатической температуры горения газовых смесей с помощью термопары, помещенной в зону горения сжигаемой смеси, отличающийся тем, что сжигание смеси проводят в инертной пористой среде при постоянной фильтрации через нее этой смеси со скоростью, обеспечивающей формирование в пористой среде стоячей волны горения, и измеряют в качестве адиабатической температуры горения максимальную температуру пористой среды в стоячей волне горения. 2. Камера сгорания для измерения адиабатической температуры горения газовых смесей, содержащая корпус с патрубком для подачи газовой смеси, заполненный пористой средой из инертного зернистого материала, и термопару, отличающаяся тем, что термопара расположена в запаянной с одного конца трубке, установленной по оси камеры в пористой среде и выполненной из огнеупорного материала с тепловыми характеристиками, аналогичными тепловым характеристикам материала пористой среды, при этом диаметр трубки равен или близок диаметру зерна пористой среды.