Сажевый пробоотборник Советский патент 1982 года по МПК G01N1/20 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для отбора сажи из высокотемпературных продуктов сгорания углеводородных топлив теплоэнергетических установок, в частности для исследования процессов сажеобраэования при горении в камерах сгорания авиационных двигате- , лей.

Известен пробоотборник для извлечения сажи из продуктов сгорания высокой температуры с целью определения ее концентрации в потоке, состоящий из охлаждаемого водой корпуса, входного патрубка, газоотводной труб ки и саженного фильтра til и С21.

Однако ввиду больших габаритов пробоотборников, в частности охлаждаемого входного патрубка, а также отсутствия продувки загоотводHcfro тракта пробоотборника в период, когда отбор еще не осуществляется, погрешности отбора значительные.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является пробоотборник, выполненный с двойными стенками, газоотводной тракт, состоящий из съемной трубки,, газоотвод.ной трубки, патрубка для подачи газа и ниппеля и сменного патрубка. Под

закалкой при этом понимается быстрое охлаждение продуктов сгорания с целью прекращения химического взаимодействия между -отдельными компонентами С31.

Однако в этом пробоотборнике входная часть Ю4еет большие габариты и низкую по сравнению с продуктами сгорания температуру, посколы:у она вы10полнена охлаждаемой. При введении пробоотборника в высокотемпературньй поток происходит искажение как поля скоростей, так и поля темйератур, что оказывает влияние на процесс сажеобразования и затрудняет исследование сажистых пламен. В соответствии с этим отобранная проба не адекватна составу продуктов сгорания в этой же точке при от20сутствии возмущений потока.

Кроме того, в этом пробоотборнике не предусмотрена продувка ч-азо- отводного тракта пробоотборника перед сменным фильтром, в результате чего сажа попадает во входной патрубок и на сменный фильтр еще до начала отбора продуктов сгорания, т.е. в условиях работы теплоэнергетических установок на пере30ходных режимах. Это приводит к значительным погрешностям отбора проб сажи для опре деления ее концентрации в потоке. Цель изобретения - повышен.ие точ ности количественного определения концентрации сажи в продуктах сгора НИН углеводородных тодлив. Поставленная цель достигается тем, что сажевый пробоотборник вклю чающий корпус, выполненный с двойны ми стенками, газоотводной тракт,. состоящий из съемной трубки, газоотводной трубки, патрубка для подач газа, ниппеля и слоенного фильтра, газоотводной тракт снабжен дополнительным патрубком, соединенным с па рубком для подачи газа и магистралью продувки, соединенной с газоотводным трактом перед сменным фильтром. Использование неохлаждаемого вход ного патрубка позволяет существенно уменьшить его габариты и приблизить температуру его поверхности в зоне отбора к температуре продуктов сгор ния, что существенно уменьшает иска жение полей температур и скоростей потоке, возникающие из-за введения в него пробоотборника. Замена входны патрубков дает возможность отбирать пробу из разных точек.потока и приспосабливаться к геометрии канала. по которому протекает высокотемпе.ратурный газ. Введение магистрали продувки газоотводного тракта инертным газом позволяет исключить попадание частиц сажи в пробоотборник до начала самого процесса отбора и задавать любое необходимое время отбора независимо от условий работы теплоэнер гетической установки. Выбор для продувки инертного газа (например, азота) вызван необходимостью исключения химического воздействия на высокотемпературный поток продуктов сгорания. Применение ниппельного соединени для герметизации газоотводной трубки позволяет использовать пробоотборни в широком диапазоне изменения давления в потоке от вакуума до давлений порядка 100 ат. На чертеже изображен пробоотборник сажи с частичным вырезом его ,стенки, общий вид. Пробоотборник состоит из наружной 1 и внутренней 2 стенок, - образующих охлаждаемый водой корпус, съемной трубки 3,плотно прилегающей к знутренней стенке 2 и образующей участок закалки. Фильтрующий элемент 4 установлен в гильзе 5 и образует вместе с гильзой сменный фильтр, который с помощью резьбовогО соединения закреплен на газоотводной трубке 6. Ниппельное соединение 7 служит для герметизации газоотводного тракта, состоящего из неохлаждаемого входного патрубка 8, съемной трубки 3 и газоотводной трубк} б. Неохлажда емый. входной патрубок 8 изготовлен из кварца, закреплен в гайке 9 из жаропрочного материала, которая навинчена на наружную стенку охлаждаемого входного патрубка. Полость между внутренней стенкой и газоотводной трубкой б образует магистраль 10 продувки инертным газом газоотводного тракта перед сменным фильтром. Пробоотборник работает следующим образом. До начала процесса отбора продуктов сгорания, содержащих сажистые частицы, через магистраль продувки и газоотводный тракт перед сменным фильтром вытекает в исследуемую среду инертный газ под небольшим избыточным давлением. Это препятствует преждевременному попаданию частиц сажи в газоотводный тракт пробоотборника. Газоотводный тракт после сменного фильтра для уменьшения расхода инертного газа желательно пере крытв. Процесс отбора начинается с одновременного перекрытия магистрали продувки инертным газом и открытия хазоотводного тракта. Продукты сгорания, проходя через сменный фильтр, очищаются от сажевых частиц и по газоотводной трубке б направляются на приборы контроля его параметров . В процессе отбора частицы сажи за счет сил термофореза осаждаются также на охлаждаемой съемной трубке 3 в зоне закалки, а неохлаждаемый, имеющий высокую температуру входной патрубок 8, остается чистым. После окончания отбора пробоотборник легко разбирается за счет разъединения резьбового соединения входного патрубка 8 с охлаждаемым входным патрубком и ниппельного соединения 7 газоошводной трубки б с охлаждаемым корпусом. Сменный фильтр и съемная трубка 3 используется для определения количества сажи, осажденной из продуктов сгорания. Материал. фильтрующего элеменTai4, его размеры, пористость подби, раются, исходя из конкретных условий отбора и необходимости исключения проскока сажистых частиц через фильтР5ТОЩИЙ элемент 4. Рассмотрим результаты использования сажевого пробоотборника, имеющего следующие основные размеры: диаметр корпуса 16 мм, наружный диаметр кварцевого входного патрубка 4 мм, длина входного патрубка 35 мм, длина съемной трубки (участок закалки) 56 мм, диаметр фильтра из пористой керамики 5 мм. В процессе отбора может происходить

газофикация частиц сажи при их движении по каналу входного патрубка и съемной трубки, а также на фильтре за бчет протекания реакций . С + СО, 2СО;

С + Н(О-«.СО + Н(1 ,

что приведет к появлению систематических ошибок отбора. Для оценки величины этой погрешности исполь зованы данные работы по скоростям протекания .указанных химических реакций

2,5.1о5ссо. е- °°°

1 fi -42 300/RT,

1б-10 .е,

концентрация сажи (дисперсного углерода);

газовая постоянная для продуктов сгорания;

418806

Т - температура продуктов сгорания;

- концентрация двуокиси углерода в продуктах сгорания;5 С„ д- концентрация водяных паров

в продуктах сгорания. Расчет температуры газ.ового потока по длине зоны закалки , где происходит его интенсивное охлаждение, произведено по методике расчета теплообменников типа труба в трубе . Длина съемной трубки подобрана с таким расчетом, чтобы температура газа перед сменным фильтром 5 уменьшалась до величин порядка , когда за :время отбора не происходит значительной газификации сажи согласно приведенных реакций.

Результаты расчетов представлены 2Q в таблице.

Примечание Т V Тф дС ЛС ЛСа ЛС Из таблицы видно, что даже при температурах сажистого потока поряд ка 1900 К, газификации сажи не превышает 2 %. Путем увеличения расхода охлаждающей жидкости можно достигать и более интенсивного охлаждения газового потока в канале пробоотборника. В конечном итоге температура газа перед контрольными приборами, установленными после пробоотборника, не превышает 25-30С.

Такие расчеты необходимо проводить при оценке пригодности любого пробоотборника, в том числе и известных.

Изобретение позволяет повысить точность определения концентрации сажи в продуктах сгорания, а также надежность работы и удобство эксплуатации устройства. За счет

введения магистрали продув.ки...инерттемпература продуктой сгорания на входе в пробоотборник расход охлаждающей жидкости; скорость отбора пробы; средняя температура фильтра; относительное изменение концентрации сажи по входном патрубке ; относительное изменение концентрации сажи в зоне закалки; относительное изменение концентрации сажи на фильтре; суммарное относительное изменение концентрации сажи в пробоотборнике. ным газом точность получаемых резул татов повьЛшается примерно на 30% существенный эффект должно оказать также уменьшение возмущающего SeJcTаия входного патрубка пробоотбооника на исследуемый поток. Формула изобретения Konn5 ° L ®°° ° « включающий к ° ДВОЙНЫМИ стениГ в СОСТОЯЩИЙ ки nIS газоотводной труб L ДЛЯ пода-чи газа, ниппеля, и сменный фильтр, о т А и чающийся тем, 4то, с целью повышения точности количествешйо определения концентрации сажи в продуктах сгорания углеводородных 80 Соплив, газоотводной тракт .снабжен н °Г:;Г ;: патрубком, с патрубком для подачи газа и продувки, соединенной « Источники информации принятые во вн„„ание риТспертизе ханическ -° Определение Si ханического иадожога в высокотемпе T S7irs ---рния ;„пв ° динамика горег я Г 97о °° Энер3. N.Y OXFORD-- London Paris Gas sampling and chemical Anaeysls in combustion processes. G.Tine, lytij, p 46 (прототип).