СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСШЕЙ И НИЗШЕЙ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ Российский патент 2002 года по МПК G01N25/32 

Описание патента на изобретение RU2190210C1

Изобретение относится к теплофизическим измерениям, в частности к способам определения удельной теплоты сгорания горючих газов, и может быть использовано в химической, металлургической промышленности, энергетике и при научных исследованиях.

Создание автоматического калориметра для непрерывного контроля теплоты сгорания низкокалорийных газов (коксовый газ, доменный газ) является важной научно-технической задачей, связанной с созданием АСУ (автоматической системой управления) технологических процессов в металлургической и химической промышленностях.

Известен способ измерения удельной теплоты сгорания углеводородного топлива независимо от агрегатного состояния, основанный на использовании бомбового калориметра (Патент США 3460385, кл. G 01 K 17/00, 1969 года). Для данного способа характерен дискретный метод измерений, связанный со значительным объемом ручных операций, не поддающихся полной автоматизации.

Использование существующих способов непрерывного автоматического измерения удельной теплоты сгорания газообразных топлив в диапазоне (25-50) МДж/м3 связано с дополнительной погрешностью измерения, обусловленной химическим недожогом из-за низкого температурного уровня измерительной ячейки при сгорании низкокалорийного газа (8-15) МДж/м3. Для решения поставленной задачи может быть использован "Способ определения теплоты сгорания тяжелых жидких топлив" (SU Авторское свидетельство 1578613), который обеспечивает полное сжигание низкокалорийных газов. В этом случае обеспечивается периодический разогрев камеры сгорания измерительной ячейки до 870-1170 К. Однако колебания температуры измерительной ячейки вызывают разбалансировку дифференциальной тепловой схемы калориметра, что приводит к существенному увеличению погрешности измерения, обусловленному неполнотой (неточностью) компенсации в измерительной ячейке.

Следует особо подчеркнуть, что использование преимуществ равновесной дифференциальной калориметрии для определения удельной теплоты сгорания связано прежде всего с достижением стационарного теплового режима калориметрического опыта при условии полного (без химического и механического недожога) сгорания исследуемого вещества.

Более удачным решением, позволяющим обеспечить заданный температурный режим, близкий к стационарному, является "Способ непрерывного определения теплоты сгорания жидких и газообразных топлив" (SU Авторское свидетельство 1589175). Но и в этом случае изменение компенсационной тепловой мощности Q0 в сравнительной ячейке вызывает температурные колебания дифференциальной калориметрической системы в целом.

Наиболее близким к заявляемому является "Способ непрерывного измерения высшей и низшей удельной теплоты сгорания горючих газов" (RU, Патент 2171466 С1, 13.08.2001 г.).

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 Qo 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.

Для измерения удельной теплоты сгорания низкокалорийных газов можно использовать электрический нагреватель, расположенный в зоне горения, что значительно усложняет технологические возможности способа и требует частой замены нагревателя (примерно через 1,5-2 месяца непрерывной работы калориметра), что в свою очередь связано с дополнительными затратами на внеочередную градуировку и поверку прибора.

Задачей изобретения является расширение возможностей способа за счет расширения диапазона измерения с 25-50 МДж/м3 до 8-50 МДж/м3, улучшения эксплуатационных характеристик дифференциального колориметрического метода определения удельной теплоты сгорания низкокалорийных горючих газов.

Преимуществом предлагаемого способа является расширение диапазона измерения удельной теплоты сгорания горючих газов.

Задача изобретения решается следующим образом.

Способ непрерывного измерения высшей и низшей удельной теплоты сгорания горючих газов заключается в том, что измерительную и сравнительную ячейки помещают в идентичные условия в изотермическую оболочку калориметра, рабочую смесь непрерывно подают в измерительную ячейку, где осуществляют процесс полного сжигания газа, с выделением тепловой мощности Qx, отводят продукты сгорания и обеспечивают равенство количеств теплоты, поступающей в единицу времени с рабочей смесью в измерительную и сравнительную ячейки, причем в сравнительной ячейке непрерывно поддерживают постоянную тепловую мощность Q0, непрерывно регистрируют тепловой поток между сравнительной и измерительной ячейками и по изменению теплового потока выравнивают тепловыделения в них. В измерительную ячейку дополнительно подают горючий газ-стабилизатор и посредством его сжигания генерируют дополнительную тепловую мощность Qxd, при этом меняют расход газа стабилизатора таким образом, чтобы соотношение между дополнительной тепловой мощностью газа стабилизатора Qxd и тепловой мощностью исследуемого газа Qxd/Qx составляло не более 1,1.

Дополнительную тепловую мощность в измерительной ячейке генерируют посредством сжигания известного количества горючего газа-стабилизатора: метана или этилена с удельной теплотой сгорания 33,41 и 55,2 МДж/м3 соответственно, аттестованные по теплоте сгорания на калориметре 1-го разряда с погрешностью 0,1-0,2%.

Расход исследуемого газа и газа - стабилизатора горения регулируют (с помощью поршневых дозаторов с шаговыми двигателями, а искомое значение удельной теплоты сгорания определяют по формуле
qxг(Fшдх; Fшдс; qхс),
где Кг - градуировочная функция калориметра, Fшдх Fшдс - частоты управляющих импульсов шаговых двигателей при дозировании исследуемого газа и газа - стабилизатора горения соответственно, Гц, qxc - удельная теплота сгорания газа - стабилизатора горения, MDж/м3.

На чертеже показана схема осуществления способа.

Схема содержит идентичные измерительную 1 и сравнительную 2 ячейки, расположенные в замкнутой изотермической оболочке 3, имеющей температуру Тo. Между собой ячейки соединены через полупроводниковый преобразователь теплового потока 4.

В сравнительной ячейке за счет тепловыделения электронагревателя и выделяется постоянная тепловая мощность Qo.

Рабочая смесь - исследуемый газ и окислитель подаются в теплообменник 5, расположенный в изотермической оболочке, где приобретает температуру, примерно равную То, затем поступает в сравнительную ячейку. Вступая в теплообмен с поверхностью сравнительной ячейки, рабочая смесь нагревается примерно до температуры Тc оболочки сравнительной ячейки, проходит теплообменник 6, где вновь приобретает температуру То и наконец поступает в измерительную ячейку, полностью сгорая с выделением тепловой мощности Ох. Тепловой поток от измерительной и сравнительной ячеек при помощи тепловых стоков 7 и 8, имеющих примерно равные термические сопротивления Rx и Ro, отводятся к изотермической оболочке и рассеиваются в окружающую среду. Регулируют температуру изотермической оболочки То таким образом, чтобы симметричное изменение температуры калориметрических ячеек Тх и То, непосредственно связанных с ней, обеспечивало конденсацию продуктов сгорания в измерительной ячейке при измерении высшей удельной теплоты сгорания и отсутствие конденсации при измерении низшей удельной теплоты сгорания. Продукты сгорания с температурой, примерно равной температуре оболочки измерительной ячейки Тх, отводятся в окружающую среду. По сигналу тепломера 7, регистрирующего тепловой поток между ячейками Qт, происходит выравнивание тепловыделений сравнительной и измерительной ячейки за счет регулирования расхода исследуемого газа.

При уменьшении измеряемого значения удельной теплоты сгорания qx исследуемого газа менее 25 МДж/м3 в измерительную ячейку вводится дополнительная тепловая мощность Qхд, например, за счет "подсветки" факела более калорийным газом. Наиболее целесообразно использовать чистый метан или этилен с удельной теплотой сгорания 33,41 и 55,2 МДж/м3 соответственно, аттестованных по теплоте сгорания на калориметре 1-го разряда с погрешностью 0,1-0,2%. В этом случае значение расхода исследуемого газа сохраняется постоянным, а компенсация осуществляется по средствам регулирования значения Qхд, т.е. расхода стабилизатора горения. При этом обеспечивается минимальное соотношение Q/Qx. Данное условие позволяет по возможности сохранить метрологические характеристики калориметра в области измерения низкокалорийных газов, так как определяет соотношение фонового и измеряемого сигналов.

Наиболее целесообразно для точного дозирования газовых сред при калориметрическом опыте использовать поршневое устройство с приводом от шагового двигателя.

В этом случае искомое значение удельной теплоты сгорания определяется:
qхг(Fшдх; Fшдс; qхс),
где Кг - градуировочная функция калориметра;
Fшдх - частота управляющих импульсов шагового двигателя при дозировании исследуемого газа, Гц;
Fшдс - то же для стабилизатора горения, Гц;
qхс - удельная теплота сгорания газа стабилизатора горения, МДж/м3.

Похожие патенты RU2190210C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСШЕЙ И НИЗШЕЙ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ 2000
  • Шуринов С.Г.
  • Волков А.П.
  • Горелко С.М.
  • Голубев А.А.
RU2171466C1
Устройство для непрерывного измерения теплоты сгорания газообразных и жидких топлив 1990
  • Соловьев Вячеслав Иванович
  • Волков Алексей Платонович
  • Рыков Владимир Алексеевич
  • Шуринов Сергей Георгиевич
SU1742694A1
Устройство для определения теплоты сгорания жидких и газообразных топлив 1988
  • Соловьев Вячеслав Иванович
  • Рыков Владимир Алексеевич
  • Волков Алексей Платонович
  • Григорьев Юрий Васильевич
SU1689829A1
Способ непрерывного определения теплоты сгорания жидких и газообразных топлив 1988
  • Соловьев Вячеслав Иванович
  • Рыков Владимир Алексеевич
  • Волков Алексей Платонович
  • Упадышев Василий Вениаминович
SU1589175A1
Способ измерения теплоты сгорания горючих газов 1984
  • Соловьев Вячеслав Иванович
  • Шуринов Сергей Георгиевич
  • Яковлева Марина Владимировна
  • Карпов Владимир Гаврилович
SU1126853A1
Способ непрерывного определения удельной теплоты сгорания горючих газов 1986
  • Соловьев Вячеслав Иванович
  • Карпов Владимир Гаврилович
  • Шуринов Сергей Георгиевич
  • Упадышев Василий Вениаминович
SU1390557A1
Устройство для определения теплоты сгорания жидких топлив 1990
  • Соловьев Вячеслав Иванович
  • Волков Алексей Платонович
  • Рыков Владимир Алексеевич
  • Григорьев Юрий Васильевич
SU1755153A1
Способ определения теплоты сгорания жидких топлив и устройство для его осуществления 1989
  • Соловьев Вячеслав Иванович
  • Волков Алексей Платонович
  • Григорьев Юрий Васильевич
  • Шуринов Сергей Георгиевич
SU1689830A1
Способ непрерывного определения удельной теплоты сгорания горючих газов 1985
  • Соловьев Вячеслав Иванович
  • Карпов Владимир Гаврилович
  • Шуринов Сергей Георгиевич
  • Упадышев Василий Вениаминович
SU1288567A1
Устройство для непрерывного измерения теплоты сгорания горючих газов 1983
  • Соловьев Вячеслав Иванович
  • Карпов Владимир Гаврилович
  • Шуринов Сергей Георгиевич
  • Шамсонов Андрей Анатольевич
SU1124210A1

Реферат патента 2002 года СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСШЕЙ И НИЗШЕЙ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в энергетике. Способ заключается в том, что измерительную и сравнительную ячейки помещают в идентичные условия в изотермическую оболочку калориметра, рабочую смесь непрерывно подают в измерительную ячейку, где осуществляют процесс полного сжигания газа с выделением тепловой мощности Qх, отводят продукты сгорания и обеспечивают равенство количеств теплоты, поступающей в единицу времени с рабочей смесью в измерительную и сравнительную ячейки, причем в сравнительной ячейке непрерывно поддерживают постоянную тепловую мощность Qо, непрерывно регистрируют тепловой поток между сравнительной и измерительной ячейками и по изменению теплового потока выравнивают тепловыделения в них. В измерительную ячейку дополнительно подают горючий газ-стабилизатор и посредством его сжигания генерируют дополнительную тепловую мощность Qxd, при этом меняют расход газа-стабилизатора таким образом, чтобы соотношение между дополнительной тепловой мощностью газа-стабилизатора Qxd и тепловой мощностью исследуемого газа Qxd/Qx составляло не более 1,1. Технический результат заключается в расширении диапазона измерения удельной теплоты сгорания горючих газов. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 190 210 C1

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 изотермическую оболочку калориметра, рабочую смесь непрерывно подают в измерительную ячейку, где осуществляют процесс полного сжигания газа, с выделением тепловой мощности Qх, отводят продукты сгорания и обеспечивают равенство количеств теплоты, поступающей в единицу времени с рабочей смесью в измерительную и сравнительную ячейки, причем в сравнительной ячейке непрерывно поддерживают постоянную тепловую мощность Qо, непрерывно регистрируют тепловой поток между сравнительной и измерительной ячейками и по изменению теплового потока выравнивают тепловыделения в них, отличающийся тем, что в измерительную ячейку дополнительно подают горючий газ-стабилизатор и посредством его сжигания генерируют дополнительную тепловую мощность Qхд, при этом меняют расход газа-стабилизатора таким образом, чтобы соотношение между дополнительной тепловой мощностью газа-стабилизатора Q и тепловой мощностью исследуемого газа Q/Qх составляло не более 1,1. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительную тепловую мощность в измерительной ячейке генерируют посредством сжигания известного количества горючего газа стабилизатора: метана или этилена с удельной теплотой сгорания 33,41 и 55,2 МДж/м3. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулируют расход исследуемого газа и газа-стабилизатора горения с помощью поршневых дозаторов с шаговыми двигателями, а искомое значение удельной теплоты сгорания определяют по формуле
qx= Kг(Fшдx; Fшдc; qxc),
где Кг - градуировочная функция калориметра;
Fшдx, Fшдc - частоты управляющих импульсов шаговых двигателей при дозировании исследуемого газа и газа-стабилизатора горения соответственно, Гц;
qхс - удельная теплота сгорания газа-стабилизатора горения, MДж/м3.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2002 года RU2190210C1

СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСШЕЙ И НИЗШЕЙ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ 2000
  • Шуринов С.Г.
  • Волков А.П.
  • Горелко С.М.
  • Голубев А.А.
RU2171466C1
Способ непрерывного определения теплоты сгорания жидких и газообразных топлив 1988
  • Соловьев Вячеслав Иванович
  • Рыков Владимир Алексеевич
  • Волков Алексей Платонович
  • Упадышев Василий Вениаминович
SU1589175A1
Способ определения теплоты сгорания тяжелых жидких топлив 1988
  • Соловьев Вячеслав Иванович
  • Упадышев Василий Вениаминович
  • Рыков Владимир Алексеевич
  • Карпов Владимир Гаврилович
  • Шуринов Сергей Георгиевич
  • Волков Алексей Платонович
SU1578613A1
US 3460385, 12.04.1969.

RU 2 190 210 C1

Авторы

Волков А.П.

Даты

2002-09-27Публикация

2001-06-26Подача