УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ПРОБ ГАЗОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01N1/22 

Изобретение относится к технике пробоотбора и может быть использовано для отбора и анализа проб с целью контроля содержания твердых взвешенных механических частиц (пыли, аэрозолей) в непрерывных потоках сжатых газов (азота, гелия, аргона, неона, воздуха и других), транспортируемых для технологических процессов по газопроводам высокого давления, расположенным в помещениях.

Преимущественной областью использования изобретения является ракетно-космическая техника, конкретно наземные системы воздушного и азотного термостатирования, а также системы газоснабжения ракет-носителей (РН) и космических аппаратов (КА) на стартовой позиции.

Известно устройство для отбора проб воздуха в помещении, содержащее всасывающее устройство в виде вакуумного насоса и систему прокачивания воздуха, состоящую из зонда взятия пробы с острообрамленным входным отверстием, транзитной трубы, камеры обнаружения и измерения взвешенных в воздухе частиц, системы дозирования потока воздуха и системы выпуска (Федеральный стандарт США FED-STD-209E. Классы чистоты по взвешенным в воздухе частицам в чистовых помещениях и чистовых зонах. Приложения В, D. Сентябрь 11, 1992 г.) [1].

К достоинствам этого устройства следует отнести изокинетичность отбора пробы, отсутствие резких переходов по трассе отбора пробы и использование его при разработке Федерального стандарта 209Е, который на сегодняшний день определяет современный мировой уровень по классам чистоты воздуха и широко используется в ракетно-космической технике ряда стран: России, США, Великобритании, Франции, ФРГ и др.

К недостаткам устройства можно отнести следующее:
- отбор и анализ проб можно производить только для одного вида газа - воздуха, и то в области низких давлений (98-101)•10^-3 МПа, а использование устройства при высоких давлениях 5-40 МПа приводит к аварии и выходу из строя из-за потери прочности, что не отвечает критериям работоспособности, надежности устройства и предельно сужает область его использования;
- при работе устройства воздух из системы выпуска может снова возвращаться в помещение, что для инертных газов недопустимо из-за того, что инертные газы дыхания не поддерживают, вдыхание этих газов вызывает мгновенную потерю сознания, а увеличение содержания азота в атмосфере помещения выше 80 об.% приводит к тяжелому азотному отравлению людей. Таким образом, в данном случае устройство не гарантирует безопасность обслуживающего персонала.

Известно устройство для отбора проб сжатого газа на фильтрующее устройство с целью определения содержания твердых взвешенных частиц в потоке, содержащее газовую магистраль, зонд, запорный вентиль, манометр, термометр, ротаметр, регулирующий вентиль, фильтрующий элемент и дроссель на выходном штуцере (Байбаков Ф.Б., Шарапов В.М. Контроль примесей в сжатых газах. - М.: Химия, 1989, с.140, рис.7.17) [2].

Достоинствами этого устройства являются его конструктивная простота и быстрота отбора пробы.

Недостатками устройства являются:
- возможность изменения в процессе отбора пробы не только концентрации, но и дисперсного состава, так как более крупные частицы, как показали испытания [2], осаждаются на стенках пробоотборной трубки, а субмикронные частицы проскакивают через контрольный фильтр, что снижает точность и надежность пробоотбора, а результаты анализа из-за низкой достоверности теряют смысл;
- нарушение изокинетичности отбора проб при регулировании расхода регулировочным вентилем, в результате чего концентрация отобранных в пробе частиц не равна концентрации дисперсной фазы в основном потоке, текущем по газовой магистрали [1], что снижает надежность работы устройства;
- сброс газа после ротаметра в помещение, что в случае инертных газов представляет опасность для обслуживающего персонала.

Известно устройство для отбора проб газов, содержащее газовую магистраль, зонд, запорный вентиль, отборную трубку с теплоизоляцией, коническую камеру с закрытым основанием и боковыми отверстиями, соединенными через вентиль, и байпасную линию с ротаметром, пробоотборный патрубок, установленный соосно в конической камере с возможностью осевого перемещения и соединенный через цилиндрическую камеру и запорный вентиль с анализатором-счетчиком аэрозольных частиц (SU 819613 A, 09.04.1981) [3].

К достоинствам этого устройства могут быть отнесены: несложность конструкции, простота и быстрота отбора проб газов, а также возможность осевого перемещения пробоотборного патрубка.

К недостаткам следует отнести следующее:
- сложность оперативной регулировки расходов путем маневрирования вентилями на байпасной и анализной линиях (путем открывания, закрывания).

Помимо усложнения условий эксплуатации это обстоятельство не обеспечивает необходимую надежность работы устройства;
- перераспределение расходов и скоростей потоков при маневрировании вентилями неизбежно нарушает изокинетичность отбора пробы, а это снижает надежность работы устройства;
- осаждение частиц в объемах конической и цилиндрической камер приводит к искажению результатов анализа и снижению надежности пробоотбора.

Кроме того, газовый поток, отбираемый устройством на анализ, проходя через анализатор и ротаметр, поступает в помещение, что для инертных газов недопустимо, так как нет гарантии обеспечения безопасности обслуживающего персонала.

Дальнейший анализ патентов и научно-технической литературы показал, что наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству является устройство для отбора проб газов высокого давления, содержащее зонд, коаксиально размещенный в газопроводе, соединенную с зондом пробоотборную трубку с запорным вентилем, дроссель в виде комбинированного сопла, состоящего из последовательно соединенных входной конфузорной, цилиндрической и выходной диффузорной частей, вертикальную составную коническую камеру с верхней частью, переходящей в диффузорную часть комбинированного сопла с углом конусности β, равным углу конусности α последней и не превышающим 6^o, и нижней, открытой в основании, с углом конусности γ не более 15^o, пробозаборный патрубок, размещенный в конической камере с возможностью осевого перемещения, и анализатор пробы (RU 2152017 С 1, 17.12.1998) [4].

Это устройство выбрано нами в качестве прототипа заявляемого изобретения.

К достоинствам прототипа относятся: изокинетичность отбора пробы, использование комбинированного сопла, позволяющего не только одновременно снизить давление Р и скорость потока W от высоких значений в газопроводе (Р=5-40 МПа, W= 10-25 м/с) до допустимых на входе в анализатор пробы (Р_вх=0,1 МПа, W_вх≤0,35 м/с), но и определить критический расход газа по давлению и температуре на входе; плавное очертание проточной части устройства, исключающее причины возникновения отрывных и обратных течений.

Главными недостатками прототипа являются следующие:
- отбор проб инертных газов из газопроводов высокого давления можно осуществить только на открытом воздухе, вдали от помещений, при дистанционном управлении работой устройства (с передачей информации на пульт управления);
- при отборе проб инертных газов из газопроводов высокого давления, расположенных в помещениях, общий расход газа, отбираемый устройством на анализ, равный сумме расходов, проходящих через анализатор пробы (1,0-1,2)•10^-3 нм³/мин [2, с. 127] и нижнее основание конической камеры порядка 40•10^-3 нм³/мин, будет поступать в помещение, что недопустимо.

Эти недостатки существенно снижают надежность и безопасность работы прототипа и ограничивают область его применения.

Задачей изобретения является повышение надежности и безопасности работы устройства при отборе и анализе проб инертных и прочих газов, транспортируемых по газопроводам высокого давления, расположенным в помещениях.

Поясним вкратце поставленную задачу. Под надежностью устройства понимается его свойство сохранять рабочие параметры и другие эксплуатационные показатели в заданных пределах при данных режимах и условиях эксплуатации, а под безопасностью - непоявление в процессе эксплуатации ситуаций или дефектов, создающих опасность для жизни обслуживающего персонала. Чем выше надежность устройства, тем выше его безопасность.

Таким образом, изобретение направлено на решение одной единственной технической задачи. Попутной задачей, решаемой изобретением, является расширение области использования устройства при отборе и анализе проб инертных и прочих газов из газопроводов высокого давления, расположенных в помещениях.

Требуемый технический результат достигается благодаря тому, что устройство для отбора проб газов высокого давления, содержащее зонд, коаксиально размещенный в газопроводе, соединенную с зондом пробоотборную трубку с запорным вентилем, дроссель в виде комбинированного сопла, состоящего из последовательно соединенных входной конфузорной, цилиндрической и выходной диффузорной частей, вертикальную составную коническую камеру с верхней частью, переходящей в диффузорную часть комбинированного сопла с углом конусности β, равным углу конусности α последней и не превышающим 6^o, и нижней с углом конусности γ не более 15^o, пробозаборный патрубок, размещенный в конической камере с возможностью осевого перемещения, и анализатор пробы, снабжено соединенной с конической камерой дополнительной камерой, выполненной в виде цилиндра, на боковой поверхности которого выполнен снабженный герметичной крышкой технологический вырез, и соединенного с цилиндром усеченного конуса, а также газопроводом со сборным участком, объединяющим два ответвления, первое из которых соединено с усеченным конусом, а второе - с выходным патрубком анализатора пробы, вентилятором с электродвигателем, расположенным перед запорным вентилем, и вертикально установленным газопроводом, выведенным из помещения в безопасную зону.

Авторам предлагаемого изобретения не известны аналогичные технические решения, в связи с чем, по мнению авторов, заявляемая совокупность неразрывно связанных существенных признаков, обеспечивающих достижение требуемого технического результата, соответствует критериям изобретения "существенные отличия" и "положительный эффект".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показано устройство для отбора проб газов высокого давления.

Устройство содержит зонд 1, коаксиально (соосно) размещенный в газопроводе 2, соединенную с зондом 1 пробоотборную трубку 3 с запорным вентилем 4, дроссель в виде комбинированного сопла 5, состоящего из последовательно соединенных входной конфузорной 6, цилиндрической 7 и выходной диффузорной 8 частей, вертикальную составную коническую камеру 9 с верхней частью 10, переходящей в диффузорную часть 8 комбинированного сопла 5.

При этом угол конусности β верхней части 10 конической камеры 9 равен углу конусности α диффузорной части 8 комбинированного сопла 5 и не превышает 6⁰(β = α≤6⁰;4⁰≤α≤6⁰) Угол конусности γ нижней части 11 конической камеры 9 не более 15⁰(5⁰≤γ≤15⁰).

Пробозаборный патрубок 12 с отметками по высоте размещен в конической камере 9 с возможностью осевого перемещения и соединен с анализатором 13 пробы.

Устройство для отбора проб газов высокого давления снабжено соединенной с конической камерой 9 дополнительной камерой, выполненной в виде цилиндра 14 с внутренним диаметром Дц, равным внутреннему диаметру нижнего основания Дк конической камеры 9, то есть с отношением Дц/Дк=1, и отношением длины Lц цилиндра 14 к длине Ln пробозаборного патрубка 12 в пределах Lц/Ln≥1,2. Это позволяет в необходимых случаях свободно перемещать пробозаборный патрубок 12, начиная от уровня нижнего основания конической камеры 9 до конца ее верхней части 10.

На боковой поверхности цилиндра 14 выполнен снабженный герметичной крышкой 15 технологический вырез 16. С нижней частью цилиндра 14 соединен усеченный конус 17.

Вертикальные оси геометрической симметрии комбинированного сопла 5, конической камеры 9, пробозаборного патрубка 12 и дополнительной камеры, состоящей из цилиндра 14 и усеченного конуса 17, расположены на одной прямой, совпадающей с вертикальной осью Z-Z.

Газопровод выполнен со сборным участком 18, объединяющим два ответвления 19 и 20. Первое 19 из них соединено с усеченным конусом 17, а второе 20 - с выходным патрубком 21 анализатора 13 пробы. Вентилятор 22 (вытяжной) с электродвигателем установлен на конце сборного участка 18 перед запорным вентилем 23 (на чертеже электродвигатель условно не показан). Сборный участок 18 через вытяжной вентилятор 22 соединен с вертикально установленным газопроводом 24, выведенным из помещения через верхнее перекрытие 25 в безопасную зону.

Газопровод 24 имеет на конце защитный колпак 26. Ниже защитного колпака 26 на стенках выполнены боковые отверстия 27, через которые происходит сброс инертного газа в атмосферу на безопасном расстоянии Н от верхнего перекрытия 25 помещения. Возможен также вариант, при котором газопровод 24 соединяется с системой нейтрализации.

Перед началом работы с устройством открывают герметичную крышку 15 технологического выреза 16 и устанавливают входное сечение пробозаборного патрубка 12 в конической камере 9 на требуемой высоте (от нижнего основания конической камеры 9), пользуясь для этого отметками по высоте пробозаборного патрубка 12. Затем плотно закрывают герметичную крышку 15.

При работе устройства для отбора проб газов высокого давления включают вентилятор 22 при закрытом запорном вентиле 23, так как это повышает экономичность работы. При этом потребляемая мощность составляет 30-40% нормальной (Черкасский В. М. , Романова Т.М., Кауль Р.А. Насосы, компрессоры, вентиляторы. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1962, стр.134) [5]. Затем открывают запорный вентиль 23 на газопроводе 24 и запорный вентиль 4 на пробоотборной трубке 3.

При этом поток инертного газа с твердыми частицами в соответствии с условиями изокинетичности со скоростью, равной скорости в сечении I-I газопровода 2, поступает в зонд 1 и далее через пробоотборную трубку 3 и комбинированное сопло 5 - в коническую камеру 9, в которой поток в сечении II-II разделяется на две части. Одна часть в полном соответствии с условиями изокинетичности со скоростью, равной скорости в сечении II-II конической камеры 9, расположенном на уровне входного сечения пробозаборного патрубка 12, поступает в пробозаборный патрубок 12 и далее в анализатор 13 пробы. Другая часть потока через нижнее основание конической камеры 9 поступает в дополнительную камеру в виде цилиндра 14, соединенного с усеченным конусом 17.

Обе части потока, пройдя по первому 19 и второму 20 ответвлениям, снова соединяются в один поток на сборном участке 18 перед вентилятором 22. Далее с помощью вентилятора 22 инертный газ перемещается по газопроводу 24 и через его боковые отверстия 27 сбрасывается в атмосферу.

Измерение концентраций механических частиц в потоке производят при установившемся режиме работы устройства.

Снабжение устройства соединенной с конической камерой 9 дополнительной камерой, выполненной в виде цилиндра 14, на боковой поверхности которого выполнен снабженный герметичной крышкой 15 технологический вырез 16, и соединенного с цилиндром 14 усеченного конуса 17, а также выполнение цилиндра 14 с отношением внутреннего диаметра цилиндра Дц к внутреннему диаметру Дк нижнего основания конической камеры 9, равным Дц/Дк=1, и отношением длины Lц цилиндра 14 к длине Ln пробозаборного патрубка 12 в пределах Lц/Ln≥1,2, позволяет, во-первых, свободно перемещать пробозаборный патрубок 12 от нижнего основания конической камеры 9 до конца ее верхней части 10 и отводить часть потока в сечении II-II в дополнительную камеру с той же скоростью, что и у нижнего основания конической камеры 9, то есть без передачи возмущений в зону среза пробозаборного патрубка 12, что гарантирует сохранение изокинетичности и обеспечивает высокую надежность пробоотбора.

Во-вторых, выполнение на боковой поверхности цилиндра 14 плотно закрывающегося герметичной крышкой 15 технологического выреза 16 позволяет заранее, еще до начала работы, установить входное сечение пробозаборного патрубка 12 в конической камере 9 на такой высоте (от нижнего основания), которая по условию изокинетичности отбора пробы строго соответствует заданной величине скорости (расхода) в газопроводе 2 высокого давления.

Это не только расширяет область применения предлагаемого изобретения при различных расходах и скоростях потока в газопроводе высокого давления, что исключительно важно, но и обеспечивает точное соблюдение условий изокинетичности и повышает надежность отбора пробы, что не достигается ни в одном из аналогов [1], [2], [3] и др.

В-третьих, плотно закрывая герметичную крышку 15 технологического выреза 16, можно надежно обеспечить безопасность эксплуатации устройства в процессе отбора и анализа проб инертных и прочих газов из газопроводов высокого давления, расположенных в помещениях, чего нельзя добиться ни в аналогах, ни в прототипе.

В-четвертых, то, что вертикальные оси геометрической симметрии комбинированного сопла 5, конической камеры 9, пробозаборного патрубка 12 и дополнительной камеры, состоящей из цилиндра 14 и усеченного конуса 17, расположены на одной прямой, проходящей через их центры тяжести и совпадающей с вертикальной осью Z-Z, позволяет, во-первых, обеспечить соосное, точное их расположение, сохранить формы и размеры тракта номинальными, без выступающих частей и смещений, создать прочное, жесткое соединение, без которых немыслима надежность устройства, во-вторых, что крайне важно для пробоотбора, добиться безотрывности течения и равномерности распределения дисперсной фазы в потоке, в-третьих, повысить надежность пробоотбора в условиях гравитации.

Усеченный конус 17 является переходным элементом между цилиндром 14 и ответвлением 19. На входе в усеченный конус 17 скорость потока такая же, что и в цилиндре 14, а далее скорость плавно возрастает и на выходе становится равной скорости в ответвлении 19.

Поток движется от большего давления к меньшему, поэтому причин к возникновению вихреобразований и срывов потока в усеченном конусе нет, что повышает эффективность и надежность работы устройства. Взаимное расположение цилиндра 14 и усеченного конуса 17 обеспечивает наименьшую потерю энергии, что экономично, поскольку снижает потребную мощность вентилятора.

Благодаря ответвлениям 19 и 20 удается создать единый поток на сборном участке 18 с выравненным полем скоростей, что повышает работоспособность вентилятора и тесно связанную с ней надежность работы устройства.

Установка защитного колпака 26 на конце вертикально установленного газопровода 24 предотвращает попадание в него атмосферных осадков, что повышает надежность и долговечность устройства.

Таким образом, только благодаря неразрывной, монолитной связи подчиненных единой цели существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, предлагаемое устройство обеспечивает получение ряда положительных эффектов, главным из которых является повышение надежности и безопасности работы устройства при отборе и анализе проб инертных и прочих газов, транспортируемых для технологических процессов по газопроводам высокого давления, расположенным в помещениях.

Попутно достигаемыми эффектами являются:
- расширение области использования изобретения при отборе и анализе проб инертных и прочих газов из газопроводов высокого давления, расположенных в помещениях;
- изокинетический и представительный отбор проб газов с высокой точностью и надежностью;
- повышение эффективности и экономичности работы устройства.

Изготовление устройства для отбора проб газов высокого давления не представляет особых трудностей и может быть осуществлено в обычных производственных условиях.

Изобретение будет использовано в полном объеме в системах азотного термостатирования КА типа "Икар", "Кластер-2" и РН "Аврора".

Изобретение может быть использовано для отбора проб и их анализа для контроля содержания твердых взвешенных механических частиц в непрерывных потоках сжатых газов. Устройство содержит коаксиально размещенный в газопроводе зонд, соединенную с зондом пробоотборную трубку с запорным вентилем, дроссель в виде комбинированного сопла. Сопло состоит из последовательно соединенных входной, конфузорной, цилиндрической и выходной диффузорной частей. Устройство имеет вертикальную составную коническую камеру с верхней частью, переходящей в диффузорную часть комбинированного сопла, и нижней частью. Устройство содержит патрубок, размещенный в конической камере с возможностью осевого перемещения, анализатор пробы и дополнительную камеру, соединенную с конической камерой. Дополнительная камера выполнена в виде цилиндра, на боковой поверхности которого выполнен технологический вырез, снабженный крышкой. Устройство снабжено газопроводом со сборным участком, объединяющим два ответвления. Первое ответвление соединено с усеченным конусом. Второе ответвление соединено с выходным патрубком анализатора пробы. Устройство снабжено вентилятором с электродвигателем, расположенным перед запорным вентилем и вертикально установленным газопроводом, выведенным из помещения в безопасную зону. Устройство надежно и безопасно в работе при отборе проб инертных и прочих газов, транспортируемых по газопроводам высокого давления, расположенным в помещениях. 1 ил.

Устройство для отбора проб газов высокого давления, содержащее зонд, коаксиально размещенный в газопроводе, соединенную с зондом пробоотборную трубку с запорным вентилем, дроссель в виде комбинированного сопла, состоящего из последовательно соединенных входной конфузорной, цилиндрической и выходной диффузорной частей, вертикальную составную коническую камеру с верхней частью, переходящей в диффузорную часть комбинированного сопла с углом конусности β, равном углу конусности α последней и не превышающим 6^o, и нижней с углом конусности γ не более 15^o, пробозаборный патрубок, размещенный в конической камере с возможностью осевого перемещения, и анализатор пробы, отличающееся тем, что оно снабжено соединенной с конической камерой дополнительной камерой, выполненной в виде цилиндра, на боковой поверхности которого выполнен снабженный герметичной крышкой технологический вырез, и соединенного с цилиндром усеченного конуса, а также газопроводом со сборным участком, объединяющим два ответвления, первое из которых соединено с усеченным конусом, а второе - с выходным патрубком анализатора пробы, вентилятором с электродвигателем, расположенным перед запорным вентилем, и вертикально установленным газопроводом, выведенным из помещения в безопасную зону.