Устройство для непрерывного измерения теплоты сгорания горючих газов Советский патент 1984 года по МПК G01N25/32 G01K17/00 

11 Изобретение относится к теплофизическому приборостроению и может быть применено в теплоэнергетике, в различных областях промьппленности, использующих теплоту сгорания газов, для работы в автоматической системе управления технологическими процес, сами, а также при научных исследованиях. Известно устройство для измерения теплоты сгорания газов, которое содержит теплоизолированный корпус с установленными в нем измерительной ячейкой с газогорелочным узлом, стоком тепла и рекуперативным водяным теплообменником поверхностного типа, окружающим измерительную ячейку, и датчиками температуры, расположенными на входе и выходе из теплообменни ка, а также блок подготовки и подачи горючего газа и окислителя к газогорелочно -ту узлу измерительной ячейки 1 , Одноячеечнов: конструктивное испапнение устройства приводит к возрастанию влияния окружающей среды на продесс измерения и, следовательНО} к уменьшению точности- результата измерения. Кроме того, работа с данным устройством характеризуется боль пюй сложностью, трудоемкостью и итительностью цикла измерения, что суще ственно увеличивает долю случайных ошибок и промахов и приводит,в конеч ном счете, к увеличению погрешности измерения, а также значительной тер- даческой массой и вследствие этого большой постоянной временно Известно также устройство для измерения теплоты сгорания газов, содержащее теплоизолированный кор-пус с установленными з нем измерительной ячейкой с газогорелочным узлом и двумя дифференциально включенньп-ш датчиками температуры, расположенны ми в местах входа окислителя и выхода продуктов сгорания и стоком тепла а также блок подготовки и подачи горючего газа и окислителя к газогорелочному узлу Измерительной ячейки и клапай автоматической регулировки расхода горючего газа, привод которого электрически связан с выходом -системы автоматического регулирования по поддержанию постоянной иэмеряемой разности температур в измерительной ячейке, а вход системы элект рическн соединен с дифференциально О2 включенными датчиками температуры измерительной ячейки (23. Указанное устройство также г.ыпалнено по одноячеечной схеме, поэтому для него характерно снижение точности измерения из-за относительно более сильного влияния окружающей среды. Кроме того,- теплота сгорания определяется по изменению температ фы продуктов сгорания с помощью датчика температуры, установленного в потоке продуктов сгорания на выходе из измерительной ячейки, при этом не учитывается зависимость температуры горения от большого числа факторов, таких как нестапионарность процессов горения и теплообмена в ячейке, светимость факела, условия сжигания и многие другие, функциональная связь между которыми еще недостаточно Изучена. Дополнительную погрешность накладывает также нестабильность термоэлектрических свойств материала датчика температуры в связи с работой его в условиях высокой температ ФЫ (1500-2500°С) и агрессивной среды. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для- непрерывного измерения теплоты сгорания горючих газов, содержащее теплоизолированный корпус с установленными в нем сравнительной с источником тепла и измерительной ячейкой с газогорелочным узлом и датчиками температуры, расположенными в местах входа -горючего газа, входа окислителя и выхода п.родуктов сгорания, стоком тепла и изотермической оболочкой, а также блок подготовки и подачи исследуемого горючего газа и окислителя к измерительной ячейке L3 J. Р1звестное устройство выполнено по двухячеечной (.гшфференциальной) схеме, которая, совместно с изотермической оболочкой позволяет свести к минимуму потери точности, связанные с воздействием окружающей среды. Однако теплота сгорания исследуемого газа определяется по изменению температуры продуктов сгорания, измеряемой с помощью датчиков температуры, установлеиньк в потоке продуктов сгорания, поэтому и для этого устройства характерны все связанные с этим недостатки, приводя щие к уменьшению тбчности измерения. Кроме того, необходимость постоянного сжигания эталонного газа, помимо 31 исследуемого, приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик устройства. Цель изобретения - повьшение точ ности измерения. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для непрерывного измерения теплоты сгорания горючих газов, содержащем теплоизапир ванный корпус с установленными в не сравнительной ячейкой с источником тепла, измерительной ячейкой с газо горел очным узлом и датчиками темпер туры, расположенными в местах входа горючего газа, входа окислителя и выхода продуктов сгорания, стоков тепла и изотермической оболочкой, а также блок подготовки и подачи горючего газа и окислителя к иэмерительной ячейке, изотермическая оболочка выполнена в виде замкнутой ка меры, сток тепла выполнен в виде до полнительной оболочки, примыкающей без зазора .к внутренней поверхности изотермической оболочки, и измерительная и сравнительная ячейки соединены без зазора с внутренней поверхностью дополнительной оболочк и между собой через преобразователи теплового потока, которые электриче ки связаны с входом системы автоматического регулирования теплового потока, выход которой соединен с электронагревателем, установленным в сравнительной ячейке в качестве и точника тепла, а газогорелочный узе охвачен рекуперативным теплообменни ком поверхностного типа. Предлагаемое устройство характер :зуется тепловой схемой, для которой еправедпивы следующие соотношения, а Vl т„-т„ а, о т„-т„ а,-Зо «2-«т где Q - тепловой поток через сток тепла от измерительной яче ки, Вт; TK - средняя температура боково наружной поверхности измерительной ячейки, К-, Тд - средняя температура поверхности изотермической оболочки, К; К - суммарное термическое сопротивление для теплового потока 0. , К/Вт; Qg тепловой поток через сток . тепла от сравнительной ячейки, Вт O - средняя температура боковой наружной поверхности сравнительной ячейки. К; RQ - суммарное термическое сопротивление для теплового по- тока Q, К/Вт; Q - тепловой поток через преобразователи теплового потока, Вт; Р - суммарное термическое сопротивление для теплового потока йт К/Вт-, тепловой поток в измерительной ячейке, возникающей от сжигания иселедуемого гага, Вт-, тепловой поток в сравнительной ячейке от электронагревателя, Вт, указанных соотношений можно елить основные зависимости для ютной лб QX - 8о и относиой ошибок измерений о «о о RX т личины R зависят от вой нагрузки Q и могут быть елены с достаточной точностью радуировочных опытах как функт а , С учетом вьшензложенного лу (7) можно преобразовать. ачив комплексы .., f() соответчерез (Q) и но (где (Q) и (б) - известункции от тепловой нагрузки Q, енные при градуировочных опытах я из требуемой точности), (a). о«о частности, Й , что с точной точностью может быть j1 обеспечено конструктивно, f((i)-0. В результате формулу (8) можно записать в виде (аь. Таким образом, относительная ошиб ка в определении теплоты сгорания в основном опре/хеляется точностью измерения величины (3 и 0, Условие Rg RJ, в предлагаемом устройстве кон структивно обеспечивается за счет выполнения изотермической оболочки в виде замкнутой камеры, а стока тепла в виде дополнительной оболочки примыкающей без зазора к внутренней поверхности изотермической оболочки и имеющей тепловое сопротивление 0,05-20 К/Вт, при .этом одновременно измерительная и сравнительная ячейки Соединены без зазора с внутренней поверхностью дополнительной оболочки Указанный диапазон теплового сопротивления для стокд тепла выбран из условия обеспечения работ ос пособ.ности устройства. Принятое в предлагаемом устройстве соединение измерительной и сравнительной ячеек без зазоров через преобразователи теплового потока,которые электрически соединены с входо сист-емы автоматического регулирова ния теплового потока (САРТП),, выход которой электрически связан с электронагревателем, установленным в сравнительной ячейке в качестве источника эталонного тепла, позволяет повысить точность определения теплоты сгорания вследствие увеличения чувствительности схемь: сравнения искомой величины 0. с эталонным количеством теплоты QO. В прототипе сравнение реализуется за счет измерения разности температяз уходящих продуктов сгорания исследуемого и эталонного газов с помощью датчико температуры, установленных в потоке продуктов сгорания. Вышеизложенное можно подтвердить на основании расчета с помощью следующих зависимостей: mm „minQ п п п к„ -минимальный тепловой поток, измеряемый с помощью преобразователя теплового потока, Вт; -минимально контролируемая величина электрического сигнала с преобразователя теплового потока или с датчика.измерения температуры. В; п - коэффициент преобразования, характеризующий чувствительность преобразователя теплового потока по от-ношению к тепловому потоку, пронизывающему преобразователь, В/Зт-, . - минимальный перепад температур между измерительной и сравнительной ячейками, соответствующий . тепловому-потоку QJJ ,К -тепловое сопротивление преобразователя теплового потока, K/BTJ минимальный перепад температур между измерительной и сравнительной ячейками, которьй может быть измерен с помощью датчика измерения температуры, К; р - коэффициент преобразования для датчика температуры, В/К. ичины Kf, и R для современных . разователей теплового потока ятся соответственно в пределах ,8 В/Вт и 40-80 К/Вт и для нее чувствительного из ьшх 0,1, а Rn- 0 тогда как велиК в среднем можно принять рав0 -10 В/К. Подстановка указанначений R , К и k- в формулу дает в результате величину /йт7 t.,6 10 которая свиьствует о том, что принятая в агаемом устройстве схема 1,6 10 раз чувствительнее, прототипе. Указанное обстоятво приводит к увеличению точопределения теплоты сгорания длагаемом .устройстве. 711 Точность определения теплоты сгорания QX большой степени определяется точностью измерения эталонного количества тепла QO, получаемого в сравнительной ячейке от постоян ного источника, в качестве которого в предлагаемом устройстве используется электрический нагреватель. В Этом случае точность определения величины QO определяется точностью измерения электрической мощности нагревателя, которая в этом случае определяется по измеренным значениям тока и напряжения на потенциальных вывода нагревателя. Это обстоятельство также способствует повышению точности определения теплоты сгора-. нйя по сравнению с прототипом, так как принятое в последнем измерение разности температур продуктов сгорания на выходе из измерительной и сравнительной ячеек с помощью датчиков температуры приводит к появлению дополнительных неучитываемых источников погрешности, обусловленных нестабильностью процесса горения и теплообмена в измерительной и сравни тельной ячейках, а также нестабильностью термоэлектрических свойств материала датчиков температуры, работающих в условиях высокой температуры и агрессивной среды. Отказ от применения эталонного газа в качестве постороннего источ- ника тепла дополнительно позволит улучшить эксплуатационные характеристики устройства. Повышение точности определения теплоты сгорания обеспечивается также за счет установки в измеритель ной ячейке рекуперативного теплообменника поверхностного типа, окружаю щего газогорелочный узел и предназна ченного для охлаждения продуктов сгорания до температуры, равной темпердтуре газа и окислителя на входе в ячейку. В этом случае повьшение точности определения теплоты сгорания достигается за счет практически полного исключения погрешности, связанной с разбалансом теплоты, вносимой в из.мерительную ячейку с исследуемым горючим газом и окислителем и теплоты, уходящей из нее с продуктами cro рания, величину которого можно определить из уравнения теплового балан са для измерительной ячейки ,.C,W,T, соответственно средние температуры окислителя и исследуемого газа на входе в измерительную ячейку и продуктов сгорания на выходе из нее, Kj соответственно сред - ние объемные теплоемкости для окислителя исследуемого газа и продуктов сгорания в интервале температур соот, ветст енно О-Т, 0-Т ,0-Т ,р-Т ,Дж/нм К; W,,W - соответственно ,,. объемные расходы | Q - окислителя, исследуемого газа и продуктов сгорания, нм с . Из уравнения (14) можио определить ичину разбаланса тепла для измеельной ячейки Преобразуют уравнение (15), ввоследующие обозначения: дто т.,W, С учетомсоотношений (16)-(18) внение (15) имеет следующий вид: Сд% (19) Из уравнения (19) следует, что выполнении условия Т Т Т, олняется дТ,- дТ 0. В этом чае величина разбаланса /JSj опреяется только первым членом правой ти уравнения (19) и практический ад ее в общую погрещность опредеия fij становится пренебрежимо ма. Указанные обстоятельства являются овными и обеспечивают увеличение ности определения теплоты сгора, при этом погрещность измерения лоты сгорания 6. может быть уменьа по сравнению с прототипом с о 1-0,1%. 911 На чертеже изображено г редлагаемое устройство, общий вид. Устройство для непрерывного изме рения теплоты сгорания горючих газо имеет замкнутый жесткий металлический каркас 1 с ребрами 2 воздушного охлаждения, которьй соединен с тепловыделяющими спаями полупроводнико вой термобатареи 3, теплопоглощающи спаи которой, в свою очередь, находятся в хорошем тепловом контакте с массивной изотермической оболочко 4. Свободное пространство между металлическим каркасом и наружной п-оверхностью изотермической оболочки в промежутках мелду пpимьrкaющи.lи к ним полупроводниковыми термобатарея да занимает теплоизоляционный корпус 5. Ко всей внутренней поверхнос ти изотермической оболочки без зазо ров примыкает сток 6 тепла, который в свою очередь имеет хороший тепловой контакт и Соединен без зазоров по всей свободной внутренней поверх ности с измерительной 7 и сравнительной 8 ячейками, соединенива о между собой без зазоров через преобразова тели 9 теплового потока. Преобразователи теплового потока электрически связаны с входом системы автоматического регулирования теплового потока. Измерительная и сравнительная ячейки конструктивно выполнены в виде двух одинаковьйс цилиндрических камер из нержавеющей стали с то циной стенки ОэЗ-З мм, на наружной поверхности каждой из которых имеют ся отфрезерованные плоские поверхности для установки преобразователе теплового потока. Измерительная ячейка соединена с блоком 10 подготовки и подачи исследуемого газа и носителя, поддерживающим постоянным их расход, давление, влажность и температуру. Блок 10 конструктивно и функционально аиалсгичен применяе мому в водяном калориметре и состоит, как правило, из газового счетчи ка, регуляторов давления, смеситель ных теплообменников и водяного термостата (на чертеже не показаны). В непосредственной близости от измерительной ячейки в каналах подвод исследуемого газа 11, окислителя 12 и отвода продуктов сгорания 13 установлены датчики 14 температуры, необходимые для контроля за обеспечением равенства температур исследуемого газа и окислителя на входе в измерительную ячейку температуре продуктов сгорания на выходе из нее. Соединение измерительной и сравнительной ячеек между собой через преобразователи теплового потока должно обеспечивать хороший тепловой контакт в местах их соприкосновения. Для этого преобразователи теплового потока можно приклеивать специальным теплопроводным клеем к Hap oKHb Mповерхностям ячеек 7, 8 или устанавливать их с помощью механического прижима, предварительно смазав контактирующие поверхности кр емнийор га нич ее кой т епл опро вод,ной пастой, В предлагаемом устройстве могут быть применены любые серийно вьшускает аю преобразователи теплово го потока, предпочтительно с большим коэффициентом преобразования К. Общее количество преобразователей теплового потока, которые электрически соединены последовательно, определяется исходя из допустимой тепловой нагрузки на них. Указанное схемо-конструктивное решение обеспечивает повышение точности сравнения искомой величины теплоты сгорания (2,(, выделяющейся в измерительной ячейке, с эталонным количеством теплоты (Зо, выделяющейся в сравнительной ячейке. Внутри измерительной ячейки находится газогорелочный узел 15, который состоит из системы дистанционного поджига горючей смеси горелки и камеры сгорания и рекуперативный теплообменник 16 поверхностного типа, Например, щелевого исполнения (или любой другой конструкции), образованный внутренней цил1{ндрической поверхностью измерительной ячейки и наружной поверхностью цилиндрической выгородки 17 и предназначенный для охлаждения продуктов сгорания до температуры исследуемого горючего газа и окислителя на входе в измерительную ячейку. Это позволяет увеличить точность измерения теплоты сгорания за счет практически полного исключения погрешности, связанной с разбалансом теплоты, вносимой в измерительную ячейку с исследуемым газом и окислителем, и теплоты, уходящей из нее с продуктами сгорания. Внутри сравнительной ячейки устаовлен электрический нагреватель 18 ля получения эталонного количества теплоты flfl электрически соединенный через вольтметр 19 и амперметр 20 с системой САРТП. В качестве системы САРТП можно использовать серийно вьтускаемый комплекс ВРТ-3, Электронагреватель выполняется из высокоомной проволоки (нихром и др.) и распо лагается равномерно по высоте сравнительной ячейки. Исключение погрешностей, связанных с нестабильностью процесса горения и теплообмена в измерительной и сравнительной ячейках, а также погрешностей, обусловленных изменением термоэлектрических свойств материал датчиков температуры, работающих в условиях высокой температуры и агрес сивности среды, приводит к повьпиению точности. Кроме того, улучшаются . эксплуатационные характеристики изза отказа от использования эталонно го газа в качестве источника тепла. Соединение измерительной и сравнительной ячеек со стороны тепла и стока тепла с внутренней поверхностью изотермической камеры вьтолняется без зазоров либо склеиванием с помощью клея марки ТКЛ, либо способом механического прижима с предварительной смазкой контактирующих поверхностей пастой КПТ-8, либо любым другим способом, обеспечивающим хороший тепловой контакт в местах соединения Сток тепла выполняется из жестко го конструкционного материала с теп ловым сопротивледе1ем 0,05-20 К/Вт, например из текстолита. Изотермическую оболочку изготавливают из толстостенных медных листов с толщиной стенок 5-25 мм или из другого конструкционного жесткого материала с высоким коэффициентом теплопроводности. В качестве полупроводниковой тер мобатареи иcпoльзyютqя любые из серийно выпускаемых термозлектричеС ких модулей, например, типа Селен ,(С1-16, С2-7, СЗ-4, С4-2, С5-1), что дает возможность отказаться от и.ндивидуального проектирования специальных термоэлектрических батарей, оснастки и полупроводников различных типоразмеров. Отвод тепла с тепловыделяющих спаев осуществляется с помощью естественной конвекции, в случае необходимости может быть при менен любой другой способ охлаждения. Устройство работает следующим образом. Исследуемый горячий газ и окислитель непрерывно подают в блок 10, откуда они с поддерживаемыми постоянными расходом, давлением, температурой и влажностью направляются по соответствующим каналом 11 и 12 подвода в измерительную ячейку 7, где с помощью газогорелочного узла 15 осуществляется процесс полного сжигания исследуемого газа с вьщелением теплоты сгорания Q, после чего продукты сторания охлаждаются в теплообменни- . ке 16 до температуры входа исследуемого газа и окислителя в измерительную ячейку, контроль за которой ведут с помощью датчиков 14 температуры, и вьшодятся из измерительной ячейки по каналу 13 отвода продуктов сгорания. Одновременно с появлением теплового потока между измерительной и сравнительной ячейками на вход САРТП поступает электрический сигнал, пропорциональный тепловому потоку, пронизывающему преобразователи теплового потока. После чего САРГП включает в работу электрический нагреватель сравнительной ячейки и регулирует его тепловую мощность таким образом, чтобы электрический сигнал с преобразователей теплового потока практически стал рэнным нулю. Тогда искомая величина теплоты сгорания определяется мощностью электронагревателя по измеренным значениям тока и напряжения на выводах электронагревателя.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗЖРЕНИЯ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ, содержащее теплоизоляционный корпус с установленными в нем сравнительной ячейкой с источником тепла, измерительной ячейкой с газогорелочньм узлом и датчиками температуры, расположенными в местах входа горючего газа, входа окислителя и выхода продуктов сгорания, стоком тепла и изотермической оболочкой, а также блок подготовки и подачи исследуемого горючего газа и окислителя к измерительной ячейке, о т- личающееся тем, что, с целью повьшения точности измерения, изотермическая оболочка выполнена в виде замкнутой камеры, сток тепла вьтолнен в виде дополнительной оболочки, примыкающей без зазора к внутренней поверхности изотермической оболочки, измерительная и сравнительная ячейки соединены с внутренней поверхностью дополнительной оболочки- и мезвду собой через преобразователи теплового потоха, которые электрически связаны с. входог- системы автоматического регулирования теплового потока, выход которой соединен с электронагревателем, установленным в сравнительной ячейке в качестве источника тепла, а га зогорелочный узел охвачен рекуперативным теплообменником поверхностного типа.