СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ СТЕПЕНИ ИСЧЕРПАНИЯ ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ФИЛЬТРУЮЩЕ-ПОГЛОЩАЮЩИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2015 года по МПК G01N25/48 

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля качественного состояния фильтрующе-поглощающих изделий.

Известен способ неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и изделий (Патент РФ № 2301996, МПК G01N 25/00). Сущность способа состоит в том, что проводят тепловое воздействие линейным нагревателем термозонда на поверхность исследуемого объекта и регистрируют тестовую термограмму, по которой оценивают теплопроводность исследуемого объекта или разность среднеинтегральных температур, фиксируют время достижения установившегося теплового режима и определяют оптимальное количество тепловых импульсов, подаваемых на исследуемый объект до наступления установившегося теплового режима.

Данный способ не предназначен для определения степени исчерпания защитных свойств фильтрующе-поглощающих изделий.

Известен способ определения дефектов в изделии методом теплового неразрушающего контроля (Патент РФ № 2315983, МПК G01N 25/00). Способ включает нагрев изделия, его последующее охлаждение рабочей средой, в качестве которой используют смесь газа и жидкости, измерение температуры изделия и определение темпа охлаждения для каждой элементарной площадки поверхности изделия.

Недостатками способа являются трудоемкость и энергоемкость, а также невозможность определения степени исчерпания защитных свойств фильтрующе-поглощающих изделий.

Наиболее близким техническим решением является способ автоматизированного неразрушающего контроля теплофизических свойств фильтрующе-поглощающих систем (Патент РФ №2419783, МПК G01N 25/48). Способ включает измерение температуры, контроль теплового эффекта процесса сорбции при поглощении углеродными сорбентами газо-воздушной смеси с эталонными веществами в динамических условиях. При этом дистанционным методом компьютерной визуализации тепловых полей регистрируют изменение температуры поверхности сорбента при прохождении через него газо-воздушной смеси с поглощаемым компонентом. О защитных свойствах косвенно судят по времени от начала продувки до достижения начальной температуры (т.е. до полного остывания).

К недостаткам этого способа относятся невысокая точность, невозможность определения остаточной емкости по поглощаемому компоненту, необходимость использования эталонной газо-воздушной смеси. Способ применим только для насыпных слоев, но не для сорбентов в форме пластин.

Техническая задача изобретения - повышение точности измерения за счет определения коэффициента теплоотдачи на поверхности сорбента, а также информативности за счет количественного определения в каждый момент времени величины текущего поглощения компонента газовой смеси по измеренной мощности тепловыделений в процессе сорбции.

Сущность изобретения заключается в том, что сорбент выполняют в форме пластины, исследуемый образец (О) и плоский нагреватель помещают в условно-герметичную камеру (К) при температуре Т_с, в которой требуется регенерировать непрерывно размешиваемый вентилятором воздух (фиг. 1), на нагреватель подводят постоянное напряжение U_н и непрерывно с помощью тепловизора (Т) регистрируют температуры поверхностей сорбента и нагревателя. Измеренные данные передают на компьютер ПК. По измеренной стационарной температуре поверхности нагревателя T^∗(R_н) вычисляют число Био по формуле , где - - площадь, сопротивление, половина толщины и теплопроводность нагревателя, соответственно. По вычисленному Bi_н определяют число Био, характеризующее условия теплообмена на поверхности сорбента по формуле , где R, λ - половина толщины и теплопроводность пластины сорбента, соответственно.

Затем идентифицируют параметры W₀ и k уравнения

описывающего изменение во времени температуры поверхности сорбента, в котором в процессе сорбции действуют источники теплоты, описываемые функцией W=W₀e^-kτ, где T(R, τ) - измеренная температура поверхности пластины сорбента, - критерий Померанцева, - критерий Предводителева, Fo=aτ/R² - число Фурье, A_n µ_n - постоянные и характеристические числа задачи теплообмена неограниченной пластины при граничных условиях третьего рода.

Определяют текущую скорость сорбции:

где Hρ - произведение полного теплового эффекта сорбции компонента на его плотность. Текущее поглощение компонента газовой смеси определяют по формуле

Приведем пример практического применения способа для контроля степени исчерпания защитных свойств пластины химического сорбента диоксида углерода на основе надпероксида калия. Испытания хемосорбента осуществлялись при концентрации СО₂ 0,04%, относительной влажности воздуха - 60%, температуре среды T_с=17,6°C, толщина пластины 0,8 мм. Для определения числа Bi_н использовался нагреватель размерами 95×95 мм и толщиной 0,8 мм, на нагреватель подавалось напряжение 10 В, теплопроводность нагревателя λ_н=0,18 Вт/(мК). На фиг. 2 показана кривая изменения температуры поверхности нагревателя, зарегистрированная тепловизором T(R_н, τ). При этом, как видно из рисунка, стационарное состояние достигается за время порядка 6,5…7 мин и T^∗(R_н)=27,3°C, что позволяет вычислить Bi_н=0,08. На фиг. 3 в виде отдельных точек показана экспериментальная кривая изменения во времени среднеинтегральной температуры на поверхности пластины контролируемого хемосорбента, а сплошной линией - соответствующая расчетная кривая, полученная по (1) при W=24,67 кВт/м³ на интервале времени [0; 25) мин и при W=24,67ехр(-0,0003 τ^∗) кВт/м³ на интервале времени [25; 80] мин, причем отсчет времени τ^∗ начинают с нуля.

Расчет скорости поглощения CO₂ и величины φ/φ_max (фиг. 4) не представляет сложности. Максимальная емкость хемосорбента была заранее определена и составила 12,4 м³/м³. Столь малое значение объясняется тем, что при указанных условиях работы хемосорбентом, в основном, поглощается влага, содержащаяся в воздухе. Последнее приводит к разложению водой надпероксида калия до КОН, что снижает емкость по диоксиду углерода.

Таким образом, в отличие от прототипа, заявляемый способ дает возможность бесконтактного количественного определения степени исчерпания защитных свойств φ/φ_max хемосорбентов, работающих в условиях обдува газовоздушной смесью с поглощаемыми компонентами.

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля и может быть использовано для определения качественного состояния фильтрующе-поглощающих изделий. Согласно заявленному способу исследуемый образец, представляющий собой пластину сорбента, и плоский нагреватель такой же формы и размера помещают в камеру, в которой требуется регенерировать непрерывно размешиваемый вентилятором воздух. Непрерывно регистрируют температуры поверхностей образца и нагревателя посредством тепловизора и экспериментально определяют коэффициент теплоотдачи на поверхности сорбента. По измеренной температуре поверхности сорбента и коэффициенту теплоотдачи идентифицируют вид и параметры функции во времени мощности источников теплоты, действующих в сорбенте в процессе сорбции. В каждый момент времени определяют скорость сорбции как отношение мощности источников теплоты к полному тепловому эффекту сорбции и текущее поглощение сорбируемого компонента путем интегрирования скорости сорбции в интервале времени от начала опыта до его текущего момента. Технический результат - повышение точности измерений и информативности измерений. 4 ил.

Способ неразрушающего контроля степени исчерпания защитных свойств фильтрующе-поглощающих изделий, включающий бесконтактное измерение температуры поверхности сорбента, контроль теплового эффекта процесса сорбции, отличающийся тем, что по измеренной стационарной температуре T*(R_н) поверхности нагревателя, выполненного в виде пластины, равной по размерам пластине исследуемого сорбента, вычисляют число Био, характеризующее условия теплообмена на поверхности пластины сорбента, омываемой газо-воздушной смесью, содержащей поглощаемый компонент, по формуле , где U_н - постоянное напряжение, подаваемой на нагреватель, , r_н - площадь и сопротивление нагревателя, соответственно, T_с - температура газо-воздушной смеси, R, λ - половина толщины и теплопроводность пластины сорбента, соответственно, в заданные моменты времени τ_i определяют параметры W₀ и k закономерности W(τ)=W₀e^-kτ изменения мощности источников теплоты в процессе сорбции из уравнения

где T(R,λ) - измеренная температура поверхности пластины сорбента, - критерий Померанцева, - критерий Предводителева, Fo=aτ/R² - число Фурье, A_nµ_n - постоянные и характеристические числа задачи теплообмена неограниченной пластины при граничных условиях третьего рода, текущую скорость сорбции определяют по формуле
∂φ(τ_i)/∂τ=W(τ_i)/Hρ,
где Hρ - произведение полного теплового эффекта сорбции компонента на его плотность, текущее поглощение компонента газовой смеси, характеризующее степень исчерпания защитных свойств сорбента, определяют по формуле .