СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСШЕЙ И НИЗШЕЙ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ Российский патент 2001 года по МПК G01N25/32 

Изобретение относится к определению теплофизических свойств веществ, а именно высшей и низшей удельной теплоты сгорания горючих газов, и может быть использовано в газодобывающих и газотранспортирующих отраслях, в теплоэнергетике, а также в различных областях промышленности, использующих теплоту сгорания газов и, кроме того, при научных исследованиях.

Известен способ измерения теплоты сгорания горючих газов (Авторское свидетельство N 1126853, G 01 N 25/32, 1984).

Способ заключается в том, что измерительную и сравнительную ячейки помещают в оболочку калориметра, на поверхности которой поддерживают постоянную температуру. В измерительную ячейку непрерывно подают исследуемую смесь (горючий газ с окислителем) и осуществляют процесс полного сжигания газа, при этом в измерительной ячейке выделяется тепловая мощность Q_x. Продукты сгорания отводят из измерительной ячейки с помощью выводного патрубка в атмосферу. Полученную тепловую мощность Q_x сравнивают с тепловыделением в сравнительной ячейке Q₀. Для этого непрерывно регистрируют тепловой поток между ячейками. Между ячейками включают полупроводниковые преобразователи теплового потока (тепломеры). Тепловой поток регистрируют по величине пропорционального ему электрического сигнала с тепломера, по которому выравнивают тепловыделения в ячейках путем регулирования тепловой мощности сравнительной ячейки, измеряют величину компенсирующей тепловой мощности в сравнительной ячейке и по известным зависимостям определяют теплоту сгорания. Тепловой поток Q_t = 0, и Q₁ = Q_x = Q₀ = Q₂, где Q₁ и Q₂ - тепловые потоки через соответствующие термические сопротивления, что реализуется с помощью установки в сравнительной ячейке электронагревателя. Величина компенсирующей тепловой мощности определяется по измеренным значениям тока и напряжения на ветвях электронагревателя.

Известен способ непрерывного определения теплоты сгорания горючих газов. (Авторское свидетельство N 1288567, G 01 N 25/32, 1987).

Способ реализуется аналогично описанному выше. Для выравнивания температур рабочей смеси на входе в измерительную и сравнительную ячейки в изотермической оболочке установлен рекуперативный теплообменник, в котором рабочая смесь принимает температуру, равную температуре оболочки. В измерительной ячейке выделяется искомое количество тепла Q_x, которое сравнивают c тепловыделением в сравнительной ячейке Q₀, для чего регистрируют тепловой поток между ячейками по величине пропорционального ему электрического сигнала.

Задачей изобретения является уменьшение погрешности и времени измерения высшей и низшей удельной теплоты сгорания.

Способ непрерывного измерения высшей и низшей удельной теплоты сгорания горючих газов заключается в том, что измерительную и сравнительную ячейки помещают в изотермическую оболочку калориметра. Рабочую смесь непрерывно подают в измерительную ячейку, где осуществляют процесс полного сжигания газа, отводят продукты сгорания и обеспечивают равенство количеств теплоты, поступающей в единицу времени с рабочей смесью в измерительную и сравнительную ячейки. Для этого рабочую смесь предварительно подают в теплообменник, расположенный в изотермической оболочке, в котором рабочая смесь принимает температуру, близкую температуре оболочки. Далее рабочую смесь направляют в сравнительную ячейку, затем отводят в аналогичный теплообменник, где она вновь принимает температуру, близкую температуре оболочки. После этого рабочую смесь вводят в измерительную ячейку.

В сравнительной ячейке непрерывно поддерживают постоянную тепловую мощность Тепловую мощность измерительной ячейки сравнивают с тепловой мощностью сравнительной ячейки, для чего непрерывно регистрируют тепловой поток с помощью тепломеров, установленных между ячейками. Выравнивают тепловыделения в ячейках путем регулирования тепловой мощности измерительной ячейки за счет изменения расхода исследуемого газа и поддерживают одинаковые и постоянные тепловыделения в каждой из ячеек.

Регулируют расход исследуемого газа с помощью поршневого дозатора с шаговым двигателем, частота управляющих импульсов которого F будет функционально связана с искомой удельной теплотой сгорания q_x. В этом случае q_x=f(F), где f - функция, определяемая в процессе градуировки.

Наиболее перспективной для реализации предлагаемого способа является использование анероидной конструкции калориметра на основе дифференциальной тепловой схемы с компенсацией по тепловому потоку, которая представлена на чертеже.

На чертеже изображены измерительная 1 и сравнительная 2 ячейки, помещенные в изотермическую оболочку 3. Идентичность условий достигают путем симметричного расположения обеих ячеек в изотермической оболочке, а также путем связи ячеек с оболочкой через одинаковые термические сопротивления R_ч = R₀, К/Вт. Сами ячейки должны быть в максимальной степени одинаковы по конструктивному исполнению.

В измерительную ячейку непрерывно подают рабочую смесь (исследуемый горючий газ с окислителем) и осуществляют процесс полного сжигания газа, при этом в измерительной ячейке выделяется тепловая мощность Q_x, Вт. Продукты сгорания отводят в атмосферу.

Для обеспечения равенства количеств теплоты, поступающей в единицу времени с рабочей смесью в измерительную и сравнительную ячейки Q_p.c., Вт, например рабочую смесь предварительно подают в теплообменник 4, расположенный в изотермической оболочке, в котором рабочая смесь принимает температуру, близкую температуре оболочки. Далее рабочую смесь направляют в сравнительную ячейку, затем отводят в аналогичный теплообменник 5, где она вновь принимает температуру, близкую температуре оболочки. После этого рабочую смесь вводят в измерительную ячейку.

В сравнительной ячейке непрерывно поддерживают постоянную тепловую мощность Q₀=const, Вт, например, за счет электронагревателя 6. Тепловую мощность Q_x сравнивают с Q₀, для этого непрерывно регистрируют тепловой поток Q_т между ячейками с помощью тепломеров, с термическим сопротивлением R_т. По величине электрического сигнала с тепломеров выравнивают тепловыделения в ячейках путем регулирования тепловой мощности Q_x таким образом, чтобы Q_т = 0. В этом случае для стационарного состояния калориметрической системы необходимое условие Q_x= Q₀=const, которое может быть обеспечено, например, за счет регулирования расхода исследуемого газа с помощью поршневого дозатора с шаговым двигателем, частота управляющих импульсов которого F, Гц, будет функционально связана с искомой удельной теплотой сгорания q_x, MДж/м³. В этом случае q_x=f(F), где f - функция, определяемая в процессе градуировки.

Соблюдение условия Q_x=Q₀=const позволяет уменьшить время измерения q_x за счет поддержания постоянного температурного состояния дифференциальной калориметрической системы вследствие значительного сокращения влияния переходных тепловых процессов.

Одновременно можно регулировать любым известным способом температуру наружной поверхности измерительной ячейки таким образом, чтобы при измерении высшей удельной теплоты сгорания в ней происходила полная конденсация водяных паров продуктов сгорания (при известности состава газа, температура оболочки должна соответствовать температуре точки росы), а при измерении низшей удельной теплоты сгорания конденсация водяных паров не возникала. Температуру наружной поверхности ячейки контролируют с помощью датчика 7.

При измерении удельной теплоты сгорания метана в воздушной среде расход подаваемого газа составлял 4-6 л/час. Время измерения 6 минут. Удельная низшая теплота сгорания составила q_x.н. = 33,4 MДж/м³ при температуре окружающей среды 10-40^oC.

Как показывает опыт исключение влияния переходных процессов в дифференциальной калориметрической системе позволяет практически в 8-10 раз уменьшить время измерения высшей и низшей теплоты сгорания.

Изобретение относится к области теплофизики. Сущность: способ непрерывного измерения высшей и низшей удельной теплоты сгорания горючих газов заключается в том, что измерительную и сравнительную ячейки помещают в идентичные условия в оболочку калориметра. В сравнительной ячейке непрерывно поддерживают постоянную тепловую мощность, тепловую мощность измерительной ячейки сравнивают с тепловой мощностью сравнительной ячейки. В процессе измерения поддерживают одинаковые и постоянные тепловые мощности каждой из ячеек. Технический результат - уменьшение погрешности и времени измерения. 3 з. п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ непрерывного измерения высшей и низшей удельной теплоты сгорания горючих газов, заключающийся в том, что измерительную и сравнительную ячейки помещают в идентичные условия в оболочку калориметра, рабочую смесь непрерывно подают в измерительную ячейку, где осуществляют процесс полного сжигания газа, отводят продукты сгорания и обеспечивают равенство количеств теплоты, поступающей в единицу времени с рабочей смесью в измерительную и сравнительную ячейки, отличающийся тем, что в сравнительной ячейке непрерывно поддерживают постоянную тепловую мощность, тепловую мощность измерительной ячейки сравнивают с тепловой мощностью сравнительной ячейки, для чего непрерывно регистрируют тепловой поток и по изменению теплового потока выравнивают тепловыделения в ячейках путем регулирования тепловой мощности измерительной ячейки за счет изменения расхода исследуемого газа, при этом в процессе измерения поддерживают одинаковые и постоянные тепловые мощности каждой из ячеек. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируют расход исследуемого газа с помощью поршневого дозатора с шаговым двигателем, частота управляющих импульсов которого F функционально связана с искомой удельной теплотой сгорания q_x, при этом q_x = f(F), где f - функция, определяемая в процессе градуировки. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения равенства количеств теплоты, поступающей в единицу времени с рабочей смесью в измерительную и сравнительную ячейки, рабочую смесь предварительно подают в теплообменник, который устанавливают в изотермической оболочке, рабочая смесь принимает температуру, близкую температуре оболочки, далее рабочую смесь направляют в сравнительную ячейку, затем отводят в аналогичный теплообменник, где она вновь принимает температуру, близкую температуре оболочки, после этого рабочую смесь вводят в измерительную ячейку,
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменяют температуру наружной поверхности измерительной ячейки таким образом, чтобы при измерении высшей удельной теплоты сгорания в ней происходила полная конденсация водяных паров продуктов сгорания, а при измерении низшей удельной теплоты сгорания она не возникала.