Способ определения температуры газа в технологическом агрегате Советский патент 1993 года по МПК G01K13/02 

Ё

Сущность изобретения: в технологический агрегат через сопло вдувают струю газа, не реагирующего с газовой средой в агрегате, при отсутствии контакта струй с поверхностями раздела фаз в нем на начальном участке струй, длина которого не меньше 8-12 или 43-60 диаметров ее сечения на срезе сопла соответственно для дозвукового и сверхзвукового режимов истечения. Параметры истечения поддерживают постоянными. Измеряют характерную частоту f в спектре шума струй, по значению которой определяют температуру газа из приводимой формулы. В качестве газовой струи используют одну из струй технологического агрегата. 6 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано в агрегатах, где в связи с технологическими особенностями необходим контроль температуры газовой фазы.

Цель изобретения - повышение точности в условиях быстрого изменения температуры среды в технологическом агрегате.

При истечении струй в окружающее пространство формируется слой смешения их с .окружающей средой, который представляет собой набор вихревых структур (мод), конвертируемых вдоль струи с характерной скоростью и которым соответствуют определенные частоты в спектре шума струи. Следовательно, по информации об изменении спектра шума струи можно судить о поведении вихревых структур и слоя смешения струи в целом. Развитие слоя смешения струи является отображением параметров струи на срезе сопла - с одной стороны и параметров окружающей среды - с другой. При неизменных параметрах струи на срезе сопла (температуре торможения, полном располагаемом перепаде давления и составе истекающего газа) по изменению слоя смешения струи, т.е. по изменению спектра шума последней, можно судить об изменении параметров окружающей среды, например, ее температуры. Для этого в амплитудно-частотном спектре шума струи необходимо выделить характерную частоту и следить за изменением последней при изменении температуры среды Тс, куда истекает струя с неизменными параметрами (на срезе сопла).

Таким образом, зная величину характерной частоты спектра шума струи fro, по крайней мере при одной любой известной температуре газовой фазы агрегата Тго, с

00

о VJ

Os

ел

помощью замера нового значения этой характерной частоты fr акустического спектра струи при неизменных параметрах ее истечения (температуры торможения, полного располагаемого перепада давления и состава истекающего газа) в газовую фазу агрегата, можно определить температуру последней из выражения

(fr/fro)3.

На начальном участке струи генерируется максимальный уровень шума. При контакте его с поверхностями раздела фаз (сплошные поверхности газ-жидкость или газ-твердое) возможно изменение, например, подавление интенсивности характерной частоты в спектре шума струи, что существенно затрудняет контроль частоты по спектру и может привести к неприемлемым погрешностям измерений. Кроме того, при произвольно изменяющемся расстоянии от начального сечения струи до поверхности раздела фаз (например, при колебании уровня расплава в.сталеплавильном агрегате, перемещении слитков в на- гревающей печи и т.Д) данные по изменению характерной частоты не поддаются строгому учету.

Как показали проведенные экспериментальные исследования, длина начального участка струи, не контактирующего с поверхностями раздела фаз, зависит от начальных условий и режимных параметров их истечения. Однако, если длина этого участка составляет не менее 8-12 диаметров начального сечения для дозвуковых струй и 43-60 - для сверхзвуковых, то наличие (даже изменяющей свое положение во времени) преграды в струе не приводит к искажению спектра шума свободной струи.

Определение характерной частоты акустического спектра струи при условиях изотермического истечения последней (при температуре газовой фазы ТГо, равной температуре торможения струи) позволяет провести тарировку вне агрегата, например, в лабораторных условиях,

При использовании для определения температур по предлагаемому способу дозвуковых газовый струй, обычно имеющих максимальную интенсивность шума порядка 100 ДБ, контроль характерной частоты в спектре их шума затруднен, т.к. общий уровень шума некоторых технологических агрегатов имеет более высокую интенсивность. Более того, при использовании дозвуковых струй контроль температуры может осуществляться только по частоте, соответствующеймаксимальной величине

интенсивности общего уровня шума. Использование сверхзвуковых струй, интенсивность шума (особенно дискретных тонов) которых гораздо выше интенсивности об- щего шума агрегата, позволяет повысить надежность контроля.

При определении температуры газовой фазы по предлагаемому способу в качестве

характерной частоты может быть выбрана любая частота, соответствующая ярко выраженной (точечной) амплитуде в спектре, по которой удобно осуществлять контроль с необходимой точностью, Кроме частоты,соответствующей максимальной интенсивности общего уровня шума, в качестве характерной частоты в спектре шума сверхзвуковой струи для этих целей может быть использована также частота, соответствующая максимальной

интенсивности широкополосного шума скачков уплотнений, или частота любого высокого тона (дискретного тона) с интенсивностью, превышающей уровень шума на близких частотах в спектре.

в случае использования в агрегате помимо контрольной струи также других струй, связанных с технологическим процессом и работающих в определенном диапазоне амплитудно-частотного спектра с

соизмеримой интенсивностью шума, для разделения и устойчивого сложения за характерной частотой контрольной струи необходимо, чтобы спектры шумов контрольной и технологических струй находились в различных диапазонах частот.

Попадание второй фазы (твердых или жидких частиц) в струю (на начальном ее участке) неизбежно приводит, как к искажению, так и к подавлению интенсивности шума характерных частот и акустического спектра в целом. Поэтому для обеспечения необходимой точности измерения темпера- . туры газовой фазы в агрегате, во время замера желательно приостанавливать

технологические процессы, связанные с выбросами в область начального участка контрольной струи частиц второй фазы.

В случае использования- в агрегате струи, инертной по отношению к газовой

фазе и имеющей постоянные параметры истечения, эта технологическая струя может быть использована для контроля температуры газовой фазы по предлагаемому способу. Способ осуществляется следующим рбразом.

В технологическом агрегате дополнительно устанавливают стационарное лп хпериодически вводимое в него сопло или используют одно из существующих (техно- логических) сопел, через которое в газовую

фазу агрегата вдувают струю инертного по отношению к последней газа, не контактирующую с поверхностями раздела фаз на расстоянии 8-12 диаметров ее сечения на срезе для дозвуковых режимов истечения или 43 - 60 диаметров - для сверхзвуковых. По одной любой температуре газовой фазы в агрегате Тго с помощью известного измерительного блока (например, датчика и анализатора спектра) измеряют характерную частоту в полученном спектре шума струи. Затем, при тех же параметрах истечения (температуры торможения, полного располагаемого перепада и состава истекающего газа) для определения искомого значения температуры Тг газовой фазы в агрегате по приведенной выше формуле, приводят замен значения характерной частоты во вновь полученном амплитудно-частотном спектре шума струи, который зависит от определяв- мой температуры Тг. Тем самым осуществляется необходимый постоянный или периодический контроль за температурой газовой фазы агрегата.

П р и м е р 1. Для контроля температуры газовой фазы в термической печи для нагрева металла в полости печи было установлено калиброванное коническое сопло Лаваля (с числом Маха сопла ,0), защищенное от эрозийного и теплового воздействия при помощи водяного охлаждения. Сверхзвуковая струя газа (азота), инертная по отношению к газовой фазе печи, свободно (без контакта с поверхностями раздела фаз) истекала в последнюю. Полный располагав- мый перепад давлений поддерживался постоянным в процессе измерения и составлял ,0, температура торможения струи . При условии изотермического истечения (при ) частота дискретно- го тона fro (тона с интенсивностью, превышающей уровень шума на близких частотах в спектре), выбранная в качестве характерной и замеренная с помощью микрофона PFT МК-301, который устанавли- вался в водоохлаждаемом волноводе, с последующим анализом сигнала на анализаторе спектра СК4-58, составила 26,3 кГц. В процессе нагрева печи производился периодический замер частоты fr дискретно- го тона, по которой определялась температура газовой фазы Т в агрегате. Одновременно контроль этой температуры в области замера проводился с помощью отсосной термопары, подключенной через измерительную схему ко вторичному прибору КСП-4.

Отклонения значений температуры газа, полученных по предложенному способу.

не выходят за пределы диапазона погрешности при измерении термопарой.

П р и м е р 2. Для контроля температуры газовой фазы использовалась сверхзвуковая струя - одна из технологических струй горелки - струя воздуха, при отключенной подаче природного газа в горелочный туннель, не контактирующая с поверхностью раздела фаз в печи на расстоянии 50 диаметров начального сечения струи. Полный располагаемый перепад давления составлял .2 и поддерживался постоянным в процессе измерения. Температура торможения струи К. При условии изотермического истечения частота fro, соответствующая максимальной величине общего уровня шума струи, составила ,8 кГц. После нагрева печи и отключения подачи природного газа, частота fr и температура Тг,измеренная с помощью термопары, соответственно, составили ,9 кГц и К. Рассчитанная по fr температура газовой фазы составила К.

Данный способ обеспечивает высокую точность определения температуры газа, благодаря отсутствию необходимости постоянного определения и учета в расчетах геометрических и режимных параметров струи и может использоваться в широком диапазоне значений температур газовой фазы, перекрывающем соответствующие рабочие диапазоны для большинства технологических агрегатов.

Формула изобретения

(fr/fro)3,

где fro - характерная частота в спектре шума струи при начальной, заданной температуре газа Тго в агрегате.

изотермических условиях при равенстве на-используют частоту, соответствующую макчальной температуры газа в агрегате темпе-симальной интенсивности широкополосноратуре торможения струи.5 го шума скачков уплотнений.

шума струи.10 от диапазона частот шума струй технологи4. Способ по пп.1 и 2, от л и чающий-ческого агрегата.

с я тем, что в качестве характерной частоты7. Способ по пп.1 и2,отличающийиспользуют частоту любого тона с интенсив-с я тем, чтов качестве газовой струи испольностью, превышающей уровень шума назуют одну из струй технологического агрегаблизких ей частотах в спектре шума струи.15 та.