СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ В НАПРАВЛЕНИИ, ПРОДОЛЬНОМ ПОТОКУ ОЖИЖАЮЩЕГО ГАЗА Российский патент 2021 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к измерительной технике в области теплофизических свойств веществ, материалов и изделий и может быть использовано при диагностике эффективности работы промышленных аппаратов, основанных на принципе псевдоожижения зернистого материала восходящим потоком газа, например, обжиговых печей и сушильных аппаратов кипящего слоя.

На современном уровне развития науки и техники известны следующие способы измерения температуропроводности.

Известен способ измерения коэффициента температуропроводности, который заключается в нагревании поверхности исследуемого объекта, при этом нагрев поверхности исследуемого объекта осуществляют посредством теплоносителя, поступающего в теплообменник, внешняя поверхность которого, кроме поверхности, примыкающей к участку поверхности исследуемого объекта, снабжена тепловой изоляцией, при измерениях находят зависимость от времени температуры теплоносителя на входе в теплообменник первым измерителем температуры, измеряют зависимость температуры от времени вторым измерителем температуры, размещенным между теплообменником и тепловой изоляцией, а коэффициент температуропроводности находят расчетным путем (патент РФ №2322662, МПК G01N 25/18, опубл. 20.04.2008, БИ №11).

Недостаток указанного способа - невозможность его применения для измерения температуропроводности псевдоожиженного слоя.

Известен способ определения температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме, включающий предварительное нагревание твердого тела, использование термопреобразователей в качестве средств измерений теплового режима твердого тела, отличающийся тем, что нагрев твердого тела осуществляют бесконтактным тепловым воздействием на переднюю лицевую поверхность твердого тела с помощью источника инфракрасного излучения, температурное поле твердого тела регистрируют в течение нестационарного теплового режима, определяемого расчетным способом, по экспериментальным данным строят одномерное нестационарное температурное поле твердого тела, по которому решают дифференциальное уравнение теплопроводности и из него находят искомую температуропроводность (патент РФ №2502989, МПК G01N 25/18, опубл. 27.12.2013, БИ №36). Недостаток данного способа аналогичен недостатку предыдущего способа и заключается в невозможности его применения для измерения температуропроводности псевдоожиженного слоя.

Известен способ измерения эквивалентной температуропроводности верхнего слоя донных осадков морских акваторий, который включает измерение и регистрацию температуры на двух горизонтах в донных осадках и температуры придонного слоя воды в течение 12-15 час, с последующим расчетом эквивалентного коэффициента температуропроводности по расчетной формуле (патент РФ №2579547, МПК G01N 25/18; G01K 13/00, опубл. 10.04.2016, БИ №10). Суть данного способа заключается в использовании морских приливов в качестве естественного источника тепла, температура которого периодически изменяется во времени, доставляя в максимуме прилива более холодную придонную воду из больших глубин в менее глубокие районы акваторий. По сути, морские приливы в данном способе играют роль источника периодического теплового воздействия на измерительную базу, сосредоточенную между двумя слоями донных осадков. Данный принцип -принцип периодического теплового воздействия на заданную измерительную базу - является общим для большинства методов измерения температуропроводности, и пригоден, в том числе, для измерения температуропроводности псевдоожиженного, однако сам способ для этих целей применен быть не может.

Известен способ определения коэффициента температуропроводности тонких слоев материалов, включающий импульсное тепловое воздействие на поверхность плоского образца и регистрацию зависимости температуры поверхности образца, противоположной подвергнутой нагреву, от времени с момента начала теплового воздействия с последующим расчетом коэффициента температуропроводности, при этом тепловой импульс воздействует на кольцевую периферийную область поверхности образца, регистрируют время достижения половины максимального значения температуры в центре образца с последующим расчетом значения коэффициента температуропроводности по заданной формуле (патент РФ №2589760, МПК G01N 25/18, опубл.27.09.2016, БИ №27). Данный способ непригоден для измерения температуропроводности псевдоожиженного слоя.

Известен способ определения температуропроводности твердотельного материала, в котором предварительно выполняют калибровку измерительного устройства путем установки эталона температуропроводности в качестве образца твердого материала, облучают эталон двумя когерентными пучками света от импульсного лазера, направленными под заданным углом друг к другу и формирующими интерференционную картину в плоскости эталона в виде чередующихся светлых и темных полос, возбуждают тепловую динамическую решетку в объеме или на поверхности эталона за счет его пространственно-периодического нагрева, зондируют пятно возбуждения эталона пучком света от непрерывного лазера, фотометрируют пучок, дифрагированный в первый порядок, измеряют значения периода решетки эталона и времени релаксации сигнала дифракции эталона при различных значениях угла для построения калибровочного линейного графика эталона, в откалиброванное измерительное устройство помещают исследуемый образец, возбуждают в нем тепловую динамическую решетку с заданным периодом, определяют время релаксации сигнала дифракции в исследуемом образце и вычисляют искомую величину температуропроводности по заданному соотношению (патент республики Беларусь №16130 (BY), МПК G01N 25/18, опубл. 30.06.2012). Данный способ непригоден для измерения температуропроводности псевдоожиженного слоя.

Известен способ определения теплопроводности и температуропроводности твердого тела, заключающийся в воздействии на поверхность твердого тела тепловым потоком, регистрации температуры исследуемого твердого тела и расчетном определении коэффициентов теплопроводности и температуропроводности твердого тела, при этом воздействие на поверхность твердого тела осуществляют нагретым жидким теплоносителем со скоростью истечения струи, обеспечивающей обновление теплопередающего слоя, при этом температуру твердого тела регистрируют на его обратной, по отношению к воздействующему тепловому потоку, стороне поверхности (патент республики Казахстан №30616 (KZ), МПК G01N 25/18, опубл. 16.11.2015, БИ №11). Данный способ непригоден для измерения температуропроводности псевдоожиженного слоя.

Наиболее близким к предлагаемому способу является нестационарный способ, основанный на экспериментальном измерении времени релаксации, за которое температура в точке с заданными координатами достигает своего максимального значения после приведения испытуемой среды в соприкосновение с нагретым зондом, выполненным из того же материала, что и испытуемая среда (Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.: Физматгиз, 1962, 456 с. С. 211). Известная разновидность данного способа, применяемая для измерения температуропроводности псевдоожиженного слоя, заключается в разделении с помощью передвижной перегородки объема псевдоожиженного слоя на две части: горячую и холодную, быстром удалении перегородки и непрерывной регистрации температуры холодной части в заданной точке, определении времени до наступления ее температурного максимума и последующем расчете искомой температуропроводности по заданному соотношению (Бородуля В.А., Тамарин А.И. Использование нестационарных тепловых источников для исследования перемешивания частиц в псевдоожиженных слоях // Инженерно-физический журнал, 1962, Т. 11, С. 102-104; Пахалуев В.М. Исследование процесса теплового переноса в заторможенных кипящих слоях. Автореф. канд. дис. Свердловск, 1969). Недостаток способа-прототипа - невозможность его использования в крупногабаритных псевдоожиженных слоях, например, промышленного масштаба, а также недостаточная точность.

Технический результат изобретения - повышение точности измерений и расширение номенклатуры измеряемых объектов.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что в псевдоожиженный слой вводят твердое тело, создают заданную разность температуры твердого тела и псевдоожиженного слоя, для чего используют либо принудительное охлаждение твердого тела, либо его принудительный нагрев, в течение заданной длительности времени одновременно регистрируют мгновенные температуры двух заданных участков поверхности, расположенных на заданном базовом расстоянии друг от друга последовательно в направлении, продольном потоку ожижающего газа, по зарегистрированным температурам определяют частоту собственных гравитационных колебаний псевдоожиженного слоя и временной сдвиг между одноименными изменениями температуры заданных участков поверхности, а искомую температуропроводность находят расчетным путем, для этого используют соотношение:

где

ΔL - заданное базовое расстояние между заданными участками поверхности твердого тела,

Δτ - временной сдвиг между одноименными изменениями температуры заданных участков поверхности твердого тела,

f₀ - частота собственных гравитационных колебаний псевдоожиженного слоя.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлена графическая интерпретация физической модели теплообмена, положенной в основу способа измерения: 1, 2 - термопреобразователи, 3 - твердое тело, 4 -плотная фаза псевдоожиженного слоя (пакет частиц), 5 - разреженная газовая фаза псевдоожиженного слоя (газовый пузырь). На фиг. 2 представленная идеализированная временная диаграмма температур T1, T2 термопреобразователей 1, 2, соответственно, поясняющая уравнение измерения способа.

Сущность изобретения заключается в следующем. В теоретическую основу предлагаемого способа положено следующее. Теплообмен твердого тела 3, погруженного в псевдоожиженный слой (ПС), описывают физической моделью, согласно которой плотная фаза псевдоожиженного слоя 4, или т.н. пакет частиц, из объема ПС подходит к поверхности твердого тела 3 и соприкасается с ней в течение некоторого времени т, затем уходит в объем слоя, сменяясь разреженной газовой фазой 5, или т.н. газовым пузырем. При этом частота смены разреженной газовой и плотной фаз у поверхности твердого тела 3 равна частоте собственных гравитационных колебаний псевдоожиженного слоя f₀, а основной вклад в теплообмен вносят пакеты частиц, теплообмен же с газовым пузырем пренебрежимо мал. При поочередном прохождении пакетов частиц температура в любой заданной точке или участке поверхности твердого тела 3 изменяется синхронно с движением пакетов частиц, что вызвано изменением условий теплообмена: при прохождении пакета частиц - теплообмен интенсивный, при прохождении газового пузыря - интенсивность теплообмена существенно ниже. При этом, в результате своего движения вдоль поверхности твердого тела 3, пакеты частиц создают температурную волну, распространяющуюся вдоль поверхности твердого тела 3 в направлении X движения пакетов частиц. Данное изменение температуры T_W(τ) в любой точке поверхности твердого тела 3 описывают следующим законом:

где

T₀ - среднее значение температуры поверхности твердого тела 3,

f₀ - частота собственных гравитационных колебаний псевдоожиженного слоя,

А - амплитуда колебаний температуры поверхности твердого тела 3 в заданной точке, причем величина данной амплитуды прямо пропорциональна разности среднего значения температуры поверхности твердого тела T₀ и температуры самого псевдоожиженного слоя T_B: чем больше данная разница, тем больше и амплитуда А.

Так как вклад в теплообмен газового пузыря мал, поэтому для математического описания данного процесса рассматривают только теплообмен поверхности с пакетом частиц. Для описания процесса теплообмена использована тепловая модель при распространении температурных волн в стержне или полупространстве в регулярном режиме третьего рода (Кондратьев Г. М. Тепловые измерения. М.: Машгиз, 1957. С. 102-107). При этом роль стержня в данной тепловой модели выполняет пакет частиц, обладающий конкретными значениями теплопроводности и температуропроводности. Также принято, что движется не пакет частиц, а создаваемая им температурная волна, которая движется вдоль поверхности тела в направлении X, изменяя при этом свою амплитуду и фазу. Температура T_W(τ) поверхности твердого тела 3, как функция расстояниями времени т, должна иметь вид:

где

F(X)=0÷1 - некоторая функция, задающая закон изменения амплитуды температурной волны от расстояния (координаты конкретно взятой точки поверхности твердого тела 3), ϕ(х))=0÷2π - некоторая функция, задающая закон изменения фазы температурной волны от расстояния (координаты конкретно взятой точки поверхности твердого тела 3).

Обозначим:

где

ϑ - функция, описывающая закон изменения амплитуды температурной волны в точке с координатой X.

Функция ϑ должна удовлетворять двум условиям: соответствовать уравнению теплопроводности Фурье и начально-граничному условию при X=0.

Уравнение Фурье:

где

- температуропроводность псевдоожиженного слоя в направлении движения пакетов частиц, т.е. в направлении, продольном потоку ожижающего газа. Второе условие формулируется в виде:

и означает равенство амплитуды колебаний в точке с координатой Х=0 (на кромке поверхности твердого тела 3) в любой момент времени.

Общее решение уравнения (4) с учетом начально-граничного условия (5) имеет вид:

Здесь множитель характеризует степень затухания температурной волны. Для псевдоожиженного слоя такое затухание отсутствует, амплитуда температурной волны ϑ есть величина постоянная и равная A, т.е. ϑ_max=const=A, поэтому:

Из (7) получаем уравнение для температуропроводности псевдоожиженного слоя в направлении, продольном потоку ожижающего газа:

В соотношении (8) отношение X²/τ² - есть не что иное, как скорость распространения температурной волны и она численно равна скорости движения пакетов частиц V_P в направлении продольном потоку ожижающего газа. Соотношение (8) положено в основу способа измерения искомой температуропроводности псевдоожиженного слоя, уравнение измерения которого имеет окончательный вид:

где

ΔL - расстояние между двумя заданными точками (участками) поверхности твердого тела 3, например, расстояние между двумя термопреобразователями 1, 2, регистрирующими температурную волну,

Δτ - временной сдвиг между одноименными изменениями температуры в заданных точках (участках) поверхности твердого тела 3, т.е. - между одноименными сигналами термопреобразователей 1, 2 (фиг. 2).

Для реализации способа достаточно иметь два термопреобразователя 1, 2, размещенные на поверхности тела 3 на заданном базовом расстоянии ΔL друг от друга. Конструкция измерительной ячейки (фиг. 1) является определяющей при реализации предлагаемого способа и должна удовлетворять следующим основным требованиям:

- термопреобразователи 1, 2 должны иметь тепловую постоянную времени τ_ТП, много меньшую периода гравитационных колебаний псевдоожиженного слоя, т.е. τ_ТП<<1/f₀, например, не более, чем 0,1/f₀. При этом ожидаемое значение периода гравитационных колебаний псевдоожиженного слоя, характеризуемое его частотой f0, которую рассчитывают по известному соотношению (Тодес О.М., Цитович О.Б. Аппараты с кипящим зернистым слоем. Л.: Химия, 1981. 296 с.):

где

H₀ - насыпная высота псевдоожиженного слоя.

g - ускорение свободного падения;

- размеры термопреобразователей 1, 2 должны быть много меньше размера пакетов частиц 4, но много более диаметра частиц, из которых состоит псевдоожиженный слой;

- термопреобразователи 1, 2 в наименьшей степени должны искажать гидродинамику псевдоожиженного слоя, поэтому, рекомендательно, они должны выполняться в планарном виде;

- термопреобразователи 1, 2 должны находиться при средней температуре T0, существенно отличающейся от температуры псевдоожиженного слоя. Это продиктовано соотношением (2) и необходимо для того, чтобы обеспечить надежную регистрацию температурной волны;

- твердое тело 3, на поверхности которого располагают термопреобразователи 1, 2, должно быть достаточно объемным и массивным, чтобы обеспечить размещение указанных термопреобразователей и требуемую теплоемкость для создания требуемой средней температуры T₀.

Примеры осуществления способа

Пример 1. Пусть, например, требуется измерить температуропроводность псевдоожиженного слоя в направлении продольном потоку ожижающего газа в серийной промышленной обжиговой печи псевдоожиженного слоя КС-450, предназначенной для обжига пирита (серного колчедана). Данное измерение температуропроводности необходимо для оптимизации теплового режима печи путем подбора наиболее подходящего расхода ожижающего газа и высоты слоя, и оно позволяет повысить выход конечного продукта - процентного содержания сернистого газа в отработанных газах на выходе печи. При этом считается, что чем выше значение температуропроводности, тем лучше организован процесс, тем выше его к.п.д. Псевдоожиженный слой имеет следующие размеры: насыпная высота слоя H₀=1 м, диаметр слоя D=9 м, слой состоит из твердых частиц пирита диаметром d_P=0,5 мм. Температура псевдоожиженного слоя составляет T_B=780°С. Для измерения температуропроводности в слой вводят водоохлаждаемый зонд - твердое тело 3, выполненное, например, из жаропрочной нержавеющей стали, при этом на поверхности данного тела (зонда) последовательно в направлении потока ожижающего газа (фиг. 1) на расстоянии ΔL=50 мм друг от друга установлены два термопреобразователя 1,2, например, платиновые термометры сопротивления. Размеры зонда много меньше ожидаемого размера пакетов частиц, который соизмерим с насыпной высотой слоя (H₀=l м) и, в то же время, много больше размера частиц, образующих псевдоожиженный слой (dP=0,5 мм). Тепловая постоянная времени термопреобразователей составляет τ_ТП=0,1 с. При этом ожидаемое значение частоты собственных гравитационных колебаний псевдоожиженного слоя, рассчитанное по соотношению (10), составляет f₀=0,5 с^-1, поэтому ранее сформулированное условие к постоянной времени теромопреобразователей τ_ТП<<1/f₀ (0,1 с<<2 с) полностью выполняется. За счет интенсивного охлаждения водой поверхность твердого тела 3 (зонда) имеет среднюю температуру T₀=410°С. При выполнении измерений непрерывно одновременно регистрируют сигналы с термопреобразователей и получают их временные зависимости, аналогичные представленным на фиг. 2. Из указанных зависимостей находят значения параметров Δτ и 1/f₀, по которым с помощью уравнения измерения (9) рассчитывают искомую температуропроводность. При этом, так как в реалии пакеты частиц всегда различны друг от друга, равно как и создаваемые ими температурные волны у поверхности тела 3 всегда отличаются друг от друга, поэтому при обработке данных используют несколько пиковых сигналов термопреобразователей, например 10 или более, после чего их осредняют и затем используют для расчета по соотношению 9. Пусть, например, в результате обработки измеренных исходных данных получены следующие осредненные значения: Δτ=0,12 с, 1/f₀=2,4 с, расчет по соотношению (9) дает значение температуропроводности =0,033 м²/с.

Пример 2. Пусть, например, требуется измерить температуропроводность псевдоожиженного слоя в направлении продольном потоку ожижающего газа в лабораторной установке с поперечным сечением псевдоожиженного слоя 0,2×0,2 м, насыпной высотой слоя H₀=0,12 м. Слой образован частицами кварцевого песка диаметром d_P=0,7 мм и эксплуатируется при комнатной температуре (T_B=20°С). Для измерения температуропроводности в слой вводят нагреваемый с помощью встроенного электрического нагревателя зонд -твердое тело 3, выполненное, например, из меди, при этом на поверхности твердого тела 3 (зонда) последовательно в направлении потока ожижающего газа (фиг. 1) на расстоянии ΔL=10 мм друг от друга установлены два термопреобразователя 1, 2, например, медные термометры сопротивления. Размеры зонда много меньше ожидаемого размера пакетов частиц, который соизмерим с насыпной высотой слоя (H₀=0,12 м) и, в то же время, много больше размера частиц, образующих псевдоожиженный слой (d_P=0,7 мм). Тепловая постоянная времени термопреобразователей составляет τ_ТП=0,01 с. При этом ожидаемое значение частоты собственных гравитационных колебаний псевдоожиженного слоя, рассчитанное по соотношению (10), составляет f₀=1,44 с^-1, поэтому ранее сформулированное условие к постоянной времени теромопреобразователей τ_ТП<<1/f₀ (0,01 с<<0,7 с) полностью выполняется. За счет нагрева твердое тело 3 (зонд) имеет среднюю температуру Т₀=47°С. При выполнении измерений непрерывно одновременно регистрируют сигналы с термопреобразователей и получают их временные зависимости, аналогичные представленным на фиг. 2. Из указанных зависимостей находят значения параметров Δτ и 1/f₀, по которым с помощью уравнения измерения (9) рассчитывают искомую температуропроводность. Пусть, например, в результате обработки измеренных исходных данных получены следующие осредненные значения: Δτ=0,05 с, 1/f₀=0,65 с, расчет по соотношению (9) дает значение температуропроводности =0,002 м /с.

Предложенный способ, в отличие от способов-аналогов, легко реализуем в условиях работы крупных промышленных аппаратов, следовательно, имеет более широкую номенклатуру применения при одновременно высокой достигаемой точности измерений.

Изобретение относится к измерительной технике в области теплофизических свойств веществ, материалов и изделий и может быть использовано при диагностике эффективности работы промышленных аппаратов, основанных на принципе псевдоожижения зернистого материала восходящим потоком газа, например обжиговых печей и сушильных аппаратов кипящего слоя. Способ заключается в том, что в псевдоожиженный слой вводят твердое тело, создают заданную разность температуры твердого тела и псевдоожиженного слоя, для чего используют либо принудительное охлаждение твердого тела, либо его принудительный нагрев в течение заданной длительности времени. Одновременно регистрируют мгновенные температуры двух заданных участков поверхности, расположенных на заданном базовом расстоянии друг от друга последовательно в направлении, продольном потоку ожижающего газа. По зарегистрированным температурам определяют частоту собственных гравитационных колебаний псевдоожиженного слоя и временной сдвиг между одноименными изменениями температуры заданных участков поверхности, а искомую температуропроводность находят расчетным путем. Предложенный способ, в отличие от способов-аналогов, легко реализуем в условиях работы крупных промышленных аппаратов, имеет более широкую номенклатуру применения при одновременно высокой достигаемой точности измерений. Технический результат - повышение точности измерений и расширение номенклатуры измеряемых объектов. 2 ил.

Способ измерения температуропроводности псевдоожиженного слоя в направлении, продольном потоку ожижающего газа, заключающийся в том, что в псевдоожиженный слой вводят твердое тело, создают заданную разность температуры твердого тела и псевдоожиженного слоя, для чего используют либо принудительное охлаждение твердого тела, либо его принудительный нагрев, в течение заданной длительности времени одновременно регистрируют мгновенные температуры двух заданных участков поверхности, расположенных на заданном базовом расстоянии друг от друга последовательно в направлении, продольном потоку ожижающего газа, по зарегистрированным температурам определяют частоту собственных гравитационных колебаний псевдоожиженного слоя и временной сдвиг между одноименными изменениями температуры заданных участков поверхности, а искомую температуропроводность находят расчетным путем, для этого используют соотношение

где

ΔL - заданное базовое расстояние между заданными участками поверхности твердого тела,

Δτ - временной сдвиг между одноименными изменениями температуры заданных участков поверхности твердого тела,

f₀ - частота собственных гравитационных колебаний псевдоожиженного слоя.