Устройство для измерения температуры газа Советский патент 1987 года по МПК G01K13/02 

11

Изобретение относится к технике измерения температуры, а именно к измерению температуры газов в рабочем пространстве пламенных нагреватель- ных печей.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет оптимизации условий теплообмена горячего спая.

На чертеже приведено устройство для измерения температуры газа, про- дольный разрез.

Устройство содержит экранирующий чехол 1, платиновые термоэлектроды 2 горячий спай 3, который находится на Оси чехла 1. Термоэлектроды 2 уложены в диаметрально противоположные ка йалы 4, а их рабочий участок растянут в линию и образует с осью экра- нирующего чехла 1 угол в 45 .

Безынерционная отсосная термопара работает следующим образом.

Газы из рабочего пространства пламенной нагревательной печи отсасыва- ются через экранирующий чехол 1 и омьгоают рабочий участок термоэлектродов 2 и горячий спай 3. Термоэлектроды, проходя по каналам 4 экранирующего чехла 1, затем подсоединяют- ся к вторичному прибору (потенциометру) , которым измеряется возникшая термо-ЭДС.

Точность результатов измерения температуры отсосными термопарами, в Том числе и заявляемой, зависит от скорости газов в точке осуществления Измерения, расположения горячего спая относительно рабочего торца экранирующего чехла, , дпины рабочего участка термоэлектродов и их диаметра. Эти конструктивные параметры предлагаемого устройства находились из условий минимальной погрешности измерения.

На расположение горячего спая термопары относительно ее входного торца экранирующего чехла влияют два фактора: во-первых, при прохождении горячих газов через экранирующий че- хол происходит теплоотдача от газов к стенке чехла, в результате чего температура газов понижается вдоль газоотводящего тракта. Во-вторых приближение спая термоэлектродов к входному торцу экранирующего чехла приводит к увеличению радиационного теплообмена между спаем и рабочим пространством печи.

642

Рассмотрим эти составляющие теплообмена. Потери тепла газом по длине чехла описываются уравнением

- 2

р Vpc (Т,, -T,),(T,-T,)L«D (I

где D - внутренний диаметр чехла, м; V - скорость течения газов в

чехле, м/с;

.рс - удельная теплоемкость газов; Т- - температура газа в сечении

рабочего торца чехла; Tj. ,Т.- температура газа и внутренней поверхности чехла на расстоянии L от рабочего торца чехла;

L - расстояние от рабочего торца до рассматриваемого сечения, м.

Потери тепла чехлом обусловлены теплообменом с окружающим пространством температурой Т р

4б(Тч- т;;) о.б„ъ, (2)

где ц - степень черноты поверхности

чехла; Da.,- внешний диаметр чехла.

РП

Таким образом

c/,(T,,-T,)LTD Е,й(Т.:; -Т-;, )7rDgHL. (3) С учетом (1) имеем

|5 vi c(T,,-T,) ,d(,,L. :(4)

В условиях работы предлагаемого устройства справедливо неравенство Т 7 Tj Tf,. Для оценки максимально возможной погрешности от влияния рассматриваемого фактора положим .

(TD

Тогда выражение (4) запишем

(T,,-T,)f,,,LT;;.

(5)

. Считая В„„ i D окончательно полуО

чаем закон изменения температуры газа при его движении внутри чехла

(6)

4 &ч ( ти L

го г vpc D Видно, что на входе, при L 0, Т.. , погрешность измерения равна нулю.

Теплообмен между горячим спаем и рабочим пространством печи описывается уравнением

АсгСт , -Т„)-Ае, ()Е, ,(Т,-Т,)С7)

где А.,, сч коэффициенты радиационного обмена спай-торец и спай-чехол, которые равны

АСТ fcT ;

АСЧ ° FC 6с fc4 э

СТ

СЧ

Те

dc

разрешающие угловые коэффициенты спай-торец, спай-чехол; температура спая; коэффициент теплоотдачи конвекцией к поверхности спая;

FC - площадь поверхности

спая;

с степень черноты поверхности спая; d - постоянная Стефана- Бол ьцмана.

Угловой геометрический коэффииент с поверхности спая на поверхость торца чехла определяется те,6(

2 1 . L 4 D V

Разность температур, стоящая в правой части выражения (8), представляет собой абсолютную погрешность измерения. Минимальную погрешность имеем при максимальном значении выражения, стоящего в квадратных скобках в левой части уравнения тепло-. обмена (8)

4Ен. . L 5

Нф Ч 5-урсес

f (5).(9)

Формула (9) позволяет для конкрет

ной термопары определять оптимальное значение L/D. Оптимальное значение L/D на практике лежит в пределах 0,15-0,2.

Однако, установление турбулентного характера течения потока происходит на расстоянии 0,5D-15D- . от входа в канал. При этом на участке 0-0,5D происходит ускорение потока до скорости течения в чехле. Таким образом, на расстоянии 0,5D от среза чехла те- чение потока ламинарное, а скорость на оси максимальна. Это условие является более существенным, так как коэффициент конвективного теплообмена с горячим спаем пропорционален корню квадратному из скорости газового потока, обтекающего спай.

Наиболее рационально принять отношение L/D равным 0,5. Результаты испытаний также показали, что при значении ,5D обеспечивается максимальная точность измерений.

1332164

лесным углом, ограниченным корпусом с вершиной в точке расположения спая и основанием, совпадающим с торцом

чехла S,, (L/D) +1/4-L/D, ОставС Т

шийся телесный угол приходится на поверхность экранирующего чехла, вследствие чего из условия замкнутости процесса излучения геометрический угловой коэффициент спай-чехол равен . Малая площадь поверхности спая позволяет не учитывать переотражение в системе и принять разрешающие угловые коэффициенты равными геометрическими. Тогда уравнение теплообмена для спая с учетом выражения (6) и условия Тр ХО запишется

-1 D J

TV (Тгв-Тс).

(В)

25

Поскольку коэффициент теплоотдачи конвекцией к керамическим стенкам чехла ниже, чем к спаю, то и температура его ниже, а термоэлектроды в месте соприкосновения с чехлом приобретают его температуру. В этой связи проявляется еще одна .погрешность из- мерения за счет теплопроводности проволоки из которой выполнены термоэлек тродь. Рабочий участок термоэлектродов можно представить в виде стержня диаметром d, длиной 1, без тепловой изоляции боковой поверхности. Диффе- 35 ренциальное уравнение теплопроводности для стержня

30

. i Тпл ( i t PC эх

+ F fed

(10)

0

где г - текущее время;

X - текущая координата, отсчитываемая от спая.(диапазон от О до /2, так как задача симметричная);

Тпл(х, 0- температура платиновой проволоки в момент времени Г, в сечении, расположенном на расстоянии х;

q - плотность подводимого к стержню теплового потока;

А - теплопроводность платины;

рс - удельная теплоемкость платины;

Fp - площадь поверхности стержня,

(Тг-Тпл(х, Г)(,(х,С)),

(11)

де

5

Ее.

1332164

10

г

„ м

Sf, - степень черноты пластины; F - плб14адь внутренней поверхности чехлаПос кольку F Ff,, то ,,„. Сосвляющую фад иационного теплообмена вьфажений (11) можно представить виде

(Т,.- Тпл(хЛ)), (12) е коэффициент теплообмена изчения между поверхностью экраниющего чехла и платиновой провоки.

луч спа

15

ки.

пре теп

лич поэ изм нош уме обх дли дов мал уча ло ра те че

Поскольку Т Т , радиационная составляющая потока соответствует отводу тепла от платиновой проволоки и величина может быть оценена по максимуму: . Введение такой оценки позволяет динеаризовать радиационную составляющую потока

q,-((/...)I - 5- i-Jj4). (13)

Решение дифференциального уравнения (10) известно, дпя стационарных условий оно имеет вид

Тпл(.-(Т,-Т,)

ch ( 2х)

,b(/7Iifr.,

(14)

где Т,

- температура

1г.(

° спая, соответствующая нулевой теплопроводности стержня.

Эта температура определяется расположением спая относительно среза чехла, отличием температуры газа от температуры чехла, величиной коэффициента теплоотдачи конвекцией к спаю определяемого диаметром платиновой нити и скоростью прососа газа.

Редактор Г . Волкова

Составитель Е.Рязанцев

Техред м.Ходанич .Корректор Н.Король

Заказ 3823/37 Тираж 776Подписное

ВНИШИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие,г.Ужгород,ул,Проектная,4

6

Полагая из вьфажения (14) получаем уравнение для температуры спая

1

,(То-Т)

,

и

(15)

ки. Причем выражение

Второе слагаемое в выражении (15) представляет собой ошибку за счет теплопроводности платиновой проволоj

у-.

личина постоянная и больше единицы, поэтому дпя минимизации погрешности измерения необходимо увеличить соотношение E/Vd. Следовательно, для уменьшения погрешности измерения необходимо по возможности увеличить длину рабочего участка термоэлектродов и уменьшить их диаметр. Максимально возможная длина рабочего участка термоэлектродов с учетом условия выведенного ранее (,5) равна D/sin45 , т.е. рабочий участок термоэлектродов с осью экранирующего чехла должен образовывать угол в 45.

Формула изоб. ретения

Устройство ,Ц1Я измерения температуры газа, содержащее: экранирующий чехол с размещенной внутри термопарой, рабочий участок термоэлектродов, которой растянут в линию, отводящие концы уложены в диаметрально противоположных каналах, проходящих в стенках экранирующего чехла, а горячий спай расположен на оси этого чехла, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет оптимизации условий теплообмена горячего спая, горячий спай термопары размещен на расстоянии внутреннего радиуса экранирующего чехла от его входного торца, а рабочий участок термоэлектродов расположен под углом 45 от оси этого чехла.

Изобретение может быть использовано в пламенных нагревательных печах и позволяет повысить точность измерений за счет оптимизации условий теплообмена горячего спая. Засасываемые из рабочего пространства печи газы омывают рабочий участок термоэлектродов 2, расположенный под углом 45° от оси экранирующего чехла 1. Горячий спай 3 термопары размещен на расстоянии внутреннего радиуса чехла 1 от его входного торца. Проходящие по каналам 4 термоэлектроды 2 подключены ко вторичному прибору, измеряющему возникающую термо- ЭДС. 1 ил. а (Л Вмднои торец ОО со Ю а