СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРОЦЕССА ОСАДКООБРАЗОВАНИЯ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ НА УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГОРЮЧИХ И ОХЛАДИТЕЛЯХ Российский патент 2002 года по МПК G01N25/72 G01K7/02 

Изобретение относится к области тепловых измерений, в частности, к способам замера температуры твердого тела и определению по результатам этих замеров косвенных явлений и величин. Также может быть применено в топливо-подающих и охлаждающих системах наземных, авиационных и космических энергетических установок (ЭУ) и других агрегатов одно- и многоразового использования.

Известно, что в ЭУ на жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителях [l] возникает процесс осадкообразования, из-за чего происходит резкий самопроизвольный рост температуры охлаждаемой стенки с дальнейшим ее прогаром, аварией, пожаром и взрывом [2, 3].

Известны способы контроля температуры нагрева материалов путем преобразования одного из физических параметров материала, характеризующих его температуру, в электрический сигнал, который используется для индикации текущей температуры нагреваемого материала [4]. При этом электрический сигнал, пропорциональный температуре, нормируется и поступает на индикатор. Однако известный способ не обеспечивает требуемой точности. Другой способ [5], по которому определяют разность между текущей величиной электрического сигнала и его значением в момент фазового перехода в материале, который фиксируют, например, по изменению величины производной этого сигнала по времени, также не учитывает особенностей процесса осадкообразования при работе ЭУ на жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителях.

Известны также способы определения зарастания газоходов, например, металлургических печей, косвенным путем, в частности, по приборам, определяющим тягу [5]. Однако это не позволяет точно определить место зарастания газохода без просмотра всех участков.

Наиболее близким аналогом является способ определения зарастания газоходов путем установки по длине газохода термочувствительных элементов, измерением их показаний и сравнением с показаниями термочувствительных элементов, не подвергшихся зарастанию, а по полученной разности судят о степени зарастания газохода [5].

Однако данный способ также не описывает особенности процесса осадкообразования в жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителях. Кроме того, здесь не учитывается качество и материал поверхности, влияние потока жидкости или газа на процесс зарастания осадком различных углублений искусственной шероховатости топливно-охлаждающих каналов, физические характеристики и свойства осадка, цикличность процесса осадкообразования и т.д.

Целью изобретения является повышение качества и надежности тепловых измерений в условиях процесса осадкообразования при широком изменении температуры, давления и скорости прокачки углеводородных горючих и охладителей.

Экспериментально установлено, что процесс осадкообразования возникает в первую очередь в углублениях искусственной шероховатости различного профиля и растет до уровня основной поверхности, увеличивая разность температур в среднем до 200^oС и более. Особенно опасен этот процесс в ЭУ многоразового использования (ЭУМИ) [1, 2].

На фиг. 1 показана охлаждаемая металлическая поверхность с ячеистым профилем в виде лунок, а также схема размещения (приварки, клепки и т.д.) термопар. До процесса осадкообразования (из-за турбулизации потока и интенсификации теплоотдачи) будет выполняться условие: Т₁≤Т₂; Т₃≤Т₄, где Т₁ и Т₃ - температура стенки на дне лунок;
Т₂ и Т₄ - температура основной поверхности охлаждаемой стенки.

При возникновении и росте твердого осадка (фиг.2) температура на дне лунок будет увеличиваться и начнет выполняться условие:
Т₁>Т₂; Т₃>Т₄,
из-за уменьшения интенсификации теплоотдачи по причине изменения геометрии лунок с их дальнейшим исчезновением, а также по причине малой теплопроводности твердых углеродистых отложений.

В данном изобретении приведены именно по 2 пары термопар - для обеспечения качества и достоверности контроля (см. фиг 1, 2).

На фиг. 3 показан процесс увеличения разности температур ΔТ, измеряемых на дне лунок и на основной поверхности охлаждаемой стенки в зависимости от временя работы ЭУ. По специальным тарировочно-экспериментальным графикам, построенным специально для каждой ЭУ (ЭУМИ) (рабочего участка и т.д.), можно определить толщину твердых отложений в зависимости от величины ΔТ.

Экспериментально установлено, что при определенных условиях в системах топливоподачи и охлаждения ЭУ (ЭУМИ) возникают термоакустические автоколебания (ТAAK) давления, которые способствуют удалению твердых отложений, а значит, уменьшают разность замеряемых температур Т, что наглядно показано на фиг.4, где 1 - процесс удаления (уменьшения) осадка, 2 - процесс его очередного зарождения и роста. Из фиг.4 также видно, что этот процесс носит цикличный характер, а ТААК давления можно принять за очередное средство борьбы с отложившимся твердым углеродистым осадком. В свою очередь, начало удаления осадка от воздействия ТААК давления (линия 1 на фиг.4) и его рост (линия 2 на фиг.4), т.е. цикличность процесса, может являться сигналом для включения в работу различных систем очистки горючего (охладителя), находящихся далее по потоку.

Эксперименты показали, что цикличный процесс роста и удаления осадка происходит в широком диапазоне параметров по температуре, давлению, скорости прокачки углеводородного горючего (охладителя) как в земных, так и в космических условиях.

Итак, за аналог-прототип данного изобретения можно принять способ обнаружения процесса осадкообразования в энергетической установке на углеводородах горючих и охладителях.

Предлагаемый способ отличается тем, что:
- на охлаждаемой металлической поверхности с ячеистым профилем в виде лунок размещают термопары, по результатам измерения разности температур, измеряемых на дне лунок и на основной поверхности охлаждаемой стенки, и по тарировочно-экспериментальным графикам определяют толшину твердых отложений в любой момент времени работы энергетической установки;
- размещают не менее двух пар рабочих термопар;
- его применяют как в наземных, так и в космических энергетических установках одно- и многоразового использования;
- резкое циклическое уменьшение и рост разности температур являются сигналом на включение в работу систем очистки горючего или охладителя, находящихся далее по потоку.

Применение данного изобретения будет способствовать повышению надежности, экономичности и экологичности наземных, авиационных, аэрокосмических и космических ЭУ (ЭУМИ) и других систем на жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителях[6].

Источники информации
1. Современные проблемы аэрокосмической науки и техники Сб.тез. докл. Международ. науч.-техн.конф. молодых ученых и специалистов. Жуковский - Москва: ЦАГИ, 2000, с. 253-254.

2. ЗРЕЛОВ B.Н., ПИСКУНОВ В.А. Реактивные двигатели и топливо. М.: Машиностроение, 1968, 312 с.

3. ДУБОВНИК Н.Ф., МАЛАНИЧЕВА В.Г. и др. Физикохимические и эксплуатационные свойства реактивных топлив. Справочник. М.: Химия, 1985, 240 с.

4. Авторское свидетельство СССР 359538, кл. 01 К 7/02, заявл. 15.01.71, опубл. 21.11.72.

5. Авторское свидетельство СССР 296963, кл. 01 К 7/02, заявл. 15.09.69, опубл. 02.03.71.

6. Алтунин В.А. Особенности теплоподачи к углеводородным горючим в энергоустановках аэрокосмических систем многоразового использования//Изв. Вузов. Авиационная техника, 2001, 4, с. 38-41.

Изобретение относится к области тепловых измерений. Сущность изобретения заключается в том, что по разности температур, измеряемых термопарами на греющей стенке и в углублениях искусственной шероховатости, например, в виде лунок, определяется наличие в них твердого углеродистого осадка, а также его толщина. Резкое циклическое уменьшение и рост разности температур являются сигналом на включение в работу систем очистки горючего или охладителя, находящихся далее по потоку. Технический результат - повышение качества и надежности тепловых измерений в условиях процесса осадкообразования. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ обнаружения процесса осадкообразования в энергетической установке на углеводородных горючих и охладителях, отличающийся тем, что на охлаждаемой металлической поверхности с ячеистым профилем в виде лунок размещают термопары, по результатам измерения разности температур, измеряемых на дне лунок и на основной поверхности охлаждаемой стенки, и по тарировочно-экспериментальным графикам определяют толщину твердых отложений в любой момент времени работы энергетической установки. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что размещают не менее двух пар рабочих термопар. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что его применяют как в наземных, так и в космических энергетических установках одно-и многоразового использования. 4. Способ по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что резкое циклическое уменьшение и рост разности температур являются сигналом на включение в работу систем очистки горючего или охладителя, находящихся далее по потоку.