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

И

Сущность изобретения: через сопло вдувают в агрегат струю газа, в качестве которого используют газ, не реагирующий со средой в агрегате. Поддерживают постоянными режимы истечения струи. Измеряют характерную частоту в спектре шума струи и одновременно состав газа в агрегате. По измеренным значениям определяют температуру газовой среды. В качестве газа струи может быть использован газ того же состава, что и газовая смесь в агрегате. Вдувание газ.а может приводиться в изотермических условиях. 5 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к технике, связанной с определением температуры газа, и может быть использовано в технологических агрегатах и устройствах, где в связи с особенностями их работы Необходим контроль температуры газовой фазы;

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

Поставленная цель достигается тем, что в качестве газа струи используют газ, не реагирующий с газовой средой в агрегате, при отсутствии контакта струи с поверхно- стью раздела фаз в нем на начальном участке струи, длина которого не меньше 8-12 или 43-60 диаметров ее сечения на срезе сопла соответственно для дозвукового и сверхзвукового режимов истечения, параметры которых поддерживают постоянными, одновременно с измерением характерной частоты измеряют состав газа

в агрегате, а температуру газа определяют по формуле

Тг Тго г Кг ( fr )3 Mro Kro fro

где. ,, Kro, Кг - молекулярный вес и показатель адиабаты, определяемые по составу газа в технологическом агрегате соответственно при начальной, заданной температуре газа ив момент, измерения характерной частоты в спектре шума струи;

fro - характерная частота в спектре шума при температуре Тго.

Вдувание газовой струи могут проводить в изотермических условиях при равенстве начальной температуры газа в агрегате температуры торможения струи. В качестве газа струи может использоваться газ того же

00

to

о

го со

N0

состава, что и газовая среда в технологическом агрегате.

В качестве характерной частоты акустического спектра струи используют частоту, соответствующую максимальной величине общего уровня шума струи, частоту, соответствующую максимальной интенсивности широкополосного шума скачков уплотнений, частоту любого тона с интенсивностью, превышающей уровень шума на близких частотах в спектре шума струи.

При истечении струй в окружающее пространство формируется слой смешения их с окружающей средой, который представляет собой набор вихревых структур (мод), конвертируемых вдоль струи с характерными скоростью и масштабом, который соответствует определенной частоте в спектре шума струи. Развитие слоя смешения струи является отражением параметров струи на срезе сопла и параметров окружающей среды. При неизменных параметрах струй на срезе сопла (температуреторможения, полном располагаемом переладе давления и состава истекающего газа) по изменению слоя смешения струи, т.е. по изменению спектра шума последней, можно судить об изменении параметров окружающей среды, например ее температуры.

ЗНая величину характерной частоты fro акустического спектра при известных температуре Тго и составе firo и Кто газовой фазы в любой момент времени т0 и С помощью замера нового значения этой характерной частоты fr акустического спектра струи в момент времени т при неизменных параметрах ее истечения (температуры торможения, полного располагаемого перепада давления и составе истекающего газа) и определения состава газовой фазы /иг и Кг в этот момент времени, можно определить температуру газовой фазы из выражения

Тг

& ftto

Кг ( fr чЗ Kro V fro }

На начальном участке струи генерируется максимальный уровень шума. При кон такте его с поверхностью раздела фаз (сплошные поверхности газ-жидкость или газ-твердое), а также в случае протекания химических реакций, например горения, на этом участке струи возможно изменение, например, подавления интенсивности характерной частоты в спектре шума струи, что существенно затрудняет контроль частоты по спектр у-и-может привести с неприемлемым погрешностям измерений.

Как показали проведенные экспериментальные исследования, длина начального участка струи газа, не реагирующего с газовой фазой и не контактирующего с поверхкостями 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

0 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 аку- ,

5 стйческого спектра струи при условиях изо- термического истечения последней ,(при температуре газовой фазы Тго. равной температуре торможения струи) позволяет провести тарировку вне агрегата например в

0 лабораторных условиях.

При использовании для определения температур по предлагаемому способу дозвуковых газовых струй, обычно имеющих максимальную интенсивность шума поряд5- ка 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

0 струй контроль температуры может осуществляться только по частоте, соответствующей максимальной величине интенсивности общего уровня шума. Использование сверхзвуковых струй, интенсивность шума (осо5 бенно дискретных тонов), которые гораздо выше интенсивности общего шума агрегатов, позволяют повысить и надежность кон- , троля. .

При определении температуры газовой

0 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 не5 обходимой точностью. Кроме частоты, соответствующей максимальной интенсивности общего уровня шума, в качестве характерной частоты в спектре шума сверхзвуковой струи для этих целей может быть исполь0 зована также частота, соответствующая максимальной интенсивности широкополосного шума скачков уплотнений, или частота любого высокого тона (дискретного тона) с интенсивностью, превышающей уро5 вень шума на близких частотах в спектре.

Предлагаемый способ определения температуры газа осуществляется следующим образом. :

В технологическом агрегате устанавли- . вают стационарное или периодически вводимое в .него сопло или используют одно из существующих (технологических) 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 сопла до дозвуковых режимов истечения или 43-60 диаметров для сверхзвуковых.

В любой момент времени Г0 , при котором известны температура Тго и состав (мот лекулярный вес-pro и показатель адиабаты Кго) газовой фазы агрегата с помощью микрофона и анализатора спектра шума измеряют .значение fro характерной частоты в спектре шума струи. Для определения нового значения температурыТг газовой фазы в любой другой момент времени г с помощью указанного известного устройства измеряют значение fr этой характерной частоты в спектре шума струи при неизменных параметрах ее истечения (температуры торможения, полного располагаемого перепада давления и состава истекающего газа);

Одновременно С замером fr с помощью известного устройства, например газоанализатора, производят замер состава газовой фазы. По известному составу газовой фазы с помощью известных зависимостей или таблиц справочных данных определяют ее молекулярный вес цг и показатель адиабаты Кг (без учета его зависимости оттемпе- ратуры). По указанной формуле определяют значение температуры TY и затем, используя известную температурную зависимость Кг от Тг, по этой же формуле определяют значение Тг методом последовательного приближения до необходимой степени точности. Использование микропроцессорной техники позволяет осуществить .совокупность приведенных операций за доли секунды. .

Приме р. Для контроля температуры газовой фазы по предлагаемому способу в газоотводящем тракте кислородного конвертера, где был установлен стационарный пробоотборник газа масс-спектрометра (погрешность определения 11 компонентов газа 0,5%) с вмонтированной хромель- алюмелевой термопарой для определения температуры газов, было установлено калиброванное коническое сопло Лаваля (с числом Маха сопла Ма 2,0), защищенное от эрозийного и теплового воздействия при .помощи водяного охлаждения. Сверхзвуковая струя воздуха свободно (без контакта с поверхностями раздела фаз) истекала в последнюю. Полный располагаемый перепад давлений поддерживался постоянным в

процессе измерения и составлял П0 7, температура торможения струи Т0 ЗООК. При условии изотермического истечения (То Тг) сверхзвуковой струи в газ того же 5 состава (воздух) частота дискретного тока ffo, выбранная в качестве характерной и измеренная с помощью микрофона, который устанавливался в водоохлаждаемом волноводе, с последующим анализом сигна0 ла на анализаторе составила 26 кГц.

Замеренные частоты fr. температура Тг и состав (молекулярный вес/4- и показатель адиабаты Кг) с помощью масс-спектрометра в области начального сечения струи

5 составили fr 39,1 кГц; Тг 1204 К;

//г 31,2 кг/кмоль; Кг 1,288. Рассчитанная

no fr температура газовой фазы составила

ТГ 1195К.

. Предлагаемый способ обеспечивает

0 точное определение температуры агрессивных газовых сред благодаря исключению необходимости постоянного учета геометрических и режимных параметров струи и может использоваться в широком диапазо5 не значений температур газовой фазы, перекрывающем соответствующие рабочие диапазоны для большинства технологических агрегатов.

Форм у л а и з о б ре т е н и я

0 1. Способ определения температуры газа в технологическом агрегате, включающий вдувание в него через сопло газовой струи и измерение характерной частоты fr в спектре шума струи, о т ли чающийся тем,

5 что. с целью повышения точности в условиях быстрого изменения температуры среды в технологическом агрегате, в качестве газа струи используют газ, не реагирующий с газовой средой в агрегате, при отсутствии

0 контакта струи с поверхностью раздела фаз в нем на начальном участке струи, длина которого не меньше 8-12 или 43-60 диаметров ее сечения на срезе сопла, соответственно для дозвукового и сверхзвукового

5 режимов истечения, параметры которых поддерживают постоянными с измерением характерной частоты измеряют состав газа в агрегате, а температуру газа Тг определяют по формуле

0

Кг

Кг ., fr

/ т у ( fro

где fin ,, Кго, Кг - молекулярная масса и показатель адиабаты, определяемые по составу газа в технологическом агрегате соответственно, при начальной, заданной температуре ТГо газа и в момент измерения характерной частоты в спектре шума струи;

f0 - характерная частота в спектре шумаиспользуют частоту, соответствующую мак- струи при температуре Тто.симальной спектральной интенсивности

тем, что вдувание газовой струи проводят . Способ по пп. 1-3, о т л и ч а ю щи йизотермических условиях при равенстве на- 5с я тем, что в качестве характерной частоты

чальной температуры газа в агрегате темпе-используют частоту, соответствующую макратуре торможения струи.симальной интенсивности широкополосно3. Способ по пп. 1 и 2, от л и ч а ю щи-го шума скачков уплотнений,

и с я тем, что в качестве газа струи исполь-6. Способ по пп. 1-3, отличаю щийзуют газ того же состава, что и газовая среда 10с я тем, что в качестве характерной частоты

в технологическом агрегате.йспояьзуютчастоту любого тона с интенсив4.Способ по пп.1-3, отличающий-ностью, превышающей уровень шума на

с я тем, что в качестве характерной частотыблизких ей частотах в спектре шума струи.