Устройство для непрерывного измерения теплоты сгорания горючих газов

. СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ РЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ п н(21) 3553676/18-25(71) Ленинградский ордена ТрудовогоКрасного Знамени технологическийинститут холодильной промышленности(56) 1. Автоматический прецизионныйкалориметр модели ЯК фирмы(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГОИ 31 ЖРЕНИЯ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ГОРЮЧИХГАЗОВ, содержащее теплоизоляционныйкорпус с установленными в нем сравнительной ячейкой с источником тепла, измерительной ячейкой с газогорелочным узлом и датчиками температуры, расположенными в местах входагорючего газа, входа окислителя и 801124210 А зш 6 01 М 25/32 Я 01 К 17/00 выхода родуктов сгорания, стокомтепла и изотермической оболочкой,а также блок подготовки и подачиисследуемого горючего газа и окислителя к измерительной ячейке, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения,изотермическая оболочка выполненав виде замкнутой камеры, сток теплавыполнен в виде дополнительной оболочки, примыкающей без зазора к внутренней поверхности иэотермическойоболочки, измерительная и сравнительная ячейки соединены с внутреней поверхностью дополнительнойоболочки. н между собой через преобразователи теплового потеха, которые электрически связаны с. входомсистемы автоматического регулирования теплового потока, выход которойсоединен с электронагревателем,установленным в сравнительной ячейке в качестве источника тепла, а газогорелочный узел охвачен рекуперативным теплообменником поверхностного типа.124210 2вк 1 юченными датчиками температурыизмерительной ячейки 21,Указанное устройство также выполнено по одноячеечной схеме, поэтомудля него характерно снижение точности измерения из-за относительно более сильного влияния окружающей среды.Кроме того, теплота сгорания определяется по изменению температуры продуктов сгорания с помощью датчикатемпературы, установленного в потокепродуктов сгорания на выходе из измерительной ячейки, при этом не учитывается зависимость температуры горения от большого числа Факторов,таких как нестационарность процессовгорения и теплообмена в ячейке, светимость факела, условия сжигания имногие другие, функциональная связьмежду которыми еще недостаточноизучена.,дополнительную погрешностьнакладывает также нестабильностьтермоэлектрических свойств материала датчика температуры в связи сработой его в условиях высокой температуры (1500-2500 С) и агрессивной среды,Наиболее близким к предлагаемомуявляется устройство для непрерывного 10Известно устройство для измерениятеплоты сгорания газов, которое содержит теплаизолированный корпус сустановленными в нем измерительнойячейкой с газогорелочным узлом, стоком тепла и рекуперативным водянымтеплаабменником поверхностного типа,окружающим измерительную ячейку, идатчиками температуры, расположенными на входе и выходе из теплообменника, а также блок подготовки и подачигорючего газа и окислителя к газогорелочному узлу измерительной ячейки 1 1,Однаячеечное конструктивное25исполнение устройства приводит квозрастанию влияния окружающей средына процесс измерения и, следовательно, к уменьшению точности результатаизмерения. Кроме того, работа с данЗОным устройствам характеризуется большой сложностью, трудоемкостью и длительностью цикла измерения, чта существенно увеличивает долю случайныхошибок и промахов и приводит,в конечном счете, к увеличению погрешностиизмерения, а также значительной термической массой и вследствие этогобольшой постоянной времени,Известно также устройство для измерения теплоты сгорания газов, содержащее теплоизолираванный корлус сустановленным в кем измерительнойячейкой с газогарелачным узлом идвумя дифференциально включеннымидатчиками температуры, расположенкыми в местах входа окислителя и выхода продуктов сгорания и стоком тепла,а также блок подготовки и подачи горючега газа и окислителя к газагорелочному узлу измерительной ячейкии клапай автоматической регулировкирасхода горючего газа, привод которого электрически связан с выходамсистемы автоматического регулирования по поддержанию постоянной измеряемой разности температур в измерительной ячейке, а вход системы электрически соединен с дифференциально 1 1Изобретение относится к теплофизическому приборостроению и мажетбыть применено в теплоэнергетике,в различных областях промышленности,используюирх теплоту сгорания газов,для работь. в автоматической системеуправления технологическими процес, сами, а также при научных исследованиях,измерения теплоты сгорания горючихгазов, содержащее теплоизолированныйкорпус с установленными в чем сравнительной с источником тепла и измерительной ячейкой с газогорелочным 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 3 .Известное устройство выполнено по двухячеечкай лифференциальной) схеме, которая совместно с изотермической оболочкой позволяет свести к минимуму потери точности, связанные с воздействием окружающей среды.Однако теплота сгорания исследуемого газа определяется по изменениютемпературы продуктов сгорания,измеряемой с помощью датчиков температуры, устаковленных в потокепродуктов сгорания, поэтому и дляэтого устройства характерны все,связанные с этим недостатки, приводя .щие к уменьшению тбчности измерения.Кроме того, необходимость постоянного сжигания эталонного газа, помимо(8) 3 11242исследуемого, приводит к ухудшениюэксплуатацнонных характеристик устройства,Цель изооретения - повышение точности измерения.Поставленная цель достигаетсятем, что в устройстве для непрерывного измерения теплоты сгорания горючих газов, содержащем теплоизолированный корпус с установленными в немсравнительной ячейкой с источникомтепла, измерительной ячейкой с газогорелочным узлом и датчиками температуры, расположенными в местах входагорючего газа, входа окислителя ивыхода продуктов сгорания, стоковтепла и изотермической оболочкой, атакже блок подготовки и подачи горючего газа и окислителя к измерительной ячейке, иэотермическая оболочка выполнена в виде замкнутой камеры, сток тепла выполнен в виде дополнительной оболочки, примыкающейбез зазора .к внутренней поверхностиизотермической оболочки, и измерительная и сравнительная ячейки соединены без зазора с внутреннейпсверхностью дополнительной оболочкии между собой .через преобразователитеплового потока, которые электрически связаны с входом системы автома 30тического регулирования тепловогопотока, выход которой соединен сэлектронагревателем, установленнымв сравнительной ячейке в качестве источника тепла, а газогорелочный узел З 5охвачен рекуперативным теплообменником поверхностного типа,Предлагаемое устройство характеризуется тепловой схемой, для которойеправедливы следующие соотношения, 4 О где 6 - тепловой поток через стоктепла от измерительной ячейки, Вт;Т - средняя температура боковойнаружной поверхности изме-арительной ячейки, К;Т 5 - средняя температура поверхности изотеомической оболочки, К;Р - суммарное термическое сопротивление для теплового потока Я , К/Вт;Я - т"пловой поток через сток,степла от сравнительной ячейки, Вт;То - средняя температура боковойнаружной поверхности сравнительной ячейки, К;До - суммарное термическое сопротивление для теплового потока Я , К/Вт;Й - тепловой поток через преобразователи теплового потока, Вт;- суммарное термическое сотпротивление для тепловогопотока йт, К/ВтрЯ - тепловой поток в измерительной ячейке, возникающейот сжигания исследуемого гага, Вт;Я - тепловой поток в сравнительной ячейке от электронагревателя, Вт,Из укаэанных соотношений можноопределить основные зависимости дляабсолютной дй = йх - Яо и относительной дЯ / Й ошибок измерений о+з)+8 - р="/о о х х Величины к , Я и Р . зависят от тепловой нагрузки Я и могут быть определены с достаточной точностью при градуировочных опытах как фучкции от Я . С учетом вышеизложенного формулу (7) можно преобразовать,ст о обозначив комплексы +1 их Р - рзчерез с о в Е(Й) соответЙственно (где Я (О) и Я(6) - известные функции от тепловой нагрузки Я, полученные при градуировочных опытах исходя из требуемой точности)Тогда- - =ЮЯ 1, +(а),о ЯоВ частности, при Йойй, что с достаточной точностью может быть(9)о оТаким образом, относительная ошибка в определении теплоты сгоранияв основном опререляется точностьюизмерения величины Я и Оо. УсловиеОР й Рт в предлагаемом устройстве конструктивно обеспечивается за счетвыполнения изотермической оболочкив виде замкнутой камеры, а стокатепла в виде дополнительной оболочки,15примыкающей без зазора к внутреннейповерхности изотермической оболочкии имеющей тепловое сопротивление0,05-2 т 1 К/Вт, при .этом одновременноизмерительная и сравнительная ячейки соединены без зазора с внутренней20поверхностью дополнительной оболочки,Указанный диапазон теплового сопротивления для стока тепла выбран иэусловия обеспечения работоспособности устройства,Принятое в предлагаемом устройст"ве соединение измерительной и сравнительной ячеек без зазоров черезпреобразователи теплового потока,которые электрически соединены с входом З 0системы автоматического регулирования теплового потока (САРТП) выходкоторой электрически связан с электронагревателем, установленным всравнительной ячейке в качестве ис, точника эталонного тепла, позволяетповысить точность определения теплоты сгорания вследствие увеличениячувствительности схемы сравненияискомой величины Я с эталонным кокличеством теплоты йо. В прототипесравнение реализуется за счет измерения разности температур уходящихпродуктов сгорания исследуемого иэталонного газов с помощью датчиковтемпературы, установленных в потокепродуктов сгорания.Вышеизложенное можно подтвердитьна основании расчета с помощью следующих зависимостей; 50%10где Вп - минимальный тепловой поток, измеряемый с помощьюпреобразователя теплового потока, Вт;О- минимально контролируе -мая величина электрического сигнала с преобразователя теплового потока или с датчика измерения температуры, В, коэффициент преобразования, характеризующий чувствительность преобразовагеля теплового потока по отношению к тепловому потоку, пронизывающему преобразователь,В/Вт;минимальный перепад температур между измерительной и сравнительной ячейками, соответствующий811 отепловому потоку Й о ,К, - тепловое сопротивлениепреобразователя теплового потока, К/Вт;- минимальный перепад температур между измерительной и сравнительнойячейками, который мокетбыть измерен с помощьюдатчика измерения темпеРатуры, К;- к оэффициент пр еобра з о в ания для датчика температуры, В/К. Величины Ки Рдля современных . преобразователей теплового потока находятся соответственно в пределах 0,1-0,8 В/Вт и 40-80 К/Вт и для наименее чувствительного из них Кп = О, 1, а йо = 40, тогда как величину Кт в среднем можно принять равной 40 10 В/К. Подстановка указанных значений Р, Кд и Кт в формулу (13) дает в результате величину оТо" /йТ " = 1,6 10, которая свидетельствует о том, что принятая в предлагаемом устройстве схема сравнения в 1,6 102 раэ чувствительнее, чем в прототипе. Указанное обстоятельство приводит к увеличению точности определения теплоты сгорания в предлагаемом, устройстве.Точность определения теплоты сгорания й в большой степени определяется точностью измерения эталонного количества тепла 4, попучаемого в сравнительной ячейке от постоянного источника, в качестве которого в предлагаемом устройстве используется электрический нагреватель, В этом случае точность определения величины Йд определяется точностью измерения электрической мощности нагревателя, которая в этом случае определяется по измеренным значениям тока и напряжения на потенциальных выводаХ нагревателя. Это обстоятельство также способствует повышению точности определения теплоты сгора-. ния по сравнению с прототипом, так как принятое в последнем измерение разности температур продуктов сгорания на выходе из измерительной и сравнительной ячеек с цомощью датчиков температуры приводит к появлению дополнительных. неучитываемых источников погрешности, обусловленных нестабильностью процесса горения и теплообмена в измерительной и сравнительной ячейках, а также нестабильностью термоэлектрических свойств материала латчиков температуры, ра - ботающих в условиях высокой температуры и агрессивной среды.Отказ от применения эталонного газа в качестве постороннего источника тепла дополнительно позволит улучшить эксплуатационные характеристики устройства. Повышение точности определения теплоты сгорания обеспечивается также за счет установки в измерительной ячейке.рекуперативного теплообменника поверхностного типа, окружающего газогорелочный узел и предназначенного для охлаждения продуктов сгорания до температуры, равной температуре газа и окислителя на входе в ячейку.В этом случае повышение точности определения теплоты сгорания достигается за счет практически полного исключения погрешности, связанной с разбалансом теплоты, вносимой в измерительную ячейку с исследуемым горючим газом и окислителем и теплоты, уходящей из нее с продуктами сгорания, величину которого можно определить из уравнения теплового баланса для измерительной ячейки(16) (17) 35С %+С еГ (18)С учетом соотношений (16)-(18)уравнение (15) имеет следующий вид;да:СЩт (1-К 1+С Ю ьт +С а дт (19)Из уравнения (19) следует, чтопри выполнении условия Тг = Т = Т 45 выполняется аТ щ дТ . = О. В этомслучае величина разбаланса 36 определяется только первым членом правойчасти уравнения (19) и,практическийвклад ее в общую погрешность опреде ления Я становится пренебрежимо мальм.Указанные обстоятельства являютсяосновными и обеспечивают увеличениеточности определения теплоты сгора ния, при этом погрешность измерениятеплоты сгорания Ф может быть уменьшена по сравнению с прототипом с3 до 1-0,1 Х. СоЮ Т +С,ЮгГг ф(14)где Тд, Тг, Т - соответственно средние температуры окис 5 лителя и исследуемо го газа на входе визмерительную ячейку и продукто сгорания на выходе из0 нее, К;С , С , С - соответственно средние объемные теплоемкости для окислителя исследуемогогаза и продуктовсгорания в интервале температур соот, ветственно О-Тд,О-Т ,О-Т ,О-Т ,Дж/нмфК;20 Ф,% Ф - соответственнообъемные расходы9-окислителя, исследуемого газа и продуктов сгорания,25. нмсИз уравнения (14) можно определитьвеличину разбаланса тепла для измерительной ячейкиЗ 0 6 =С Ф-СЮт-Сйтности для установки преобразователейтеплового потока. Измерительнаяячейка соединена с блоком 10 подготовки и подачи исследуемого газа иносителя, поддерживающим постояннымих расход, давление, влажность итемпературу Блок 10 конструктивнои функционально аналсгичен применяемому в водяном калориметре и состоит, как правило, из газового счетчика, регуляторов давления, смесительных теплообменников и водяного термостата (на чертеже не показаны).В непосредственной близости от измерительной ячейки в каналах подводаисследуемого газа 11, окислителя2 и отвода продуктов сгорания 13установлены датчики 14 температуры,необходимые для контроля за обеспечением равенства температур исследуемого газа и окислителя на входе 4 О На чертеже изображено предлагаемое ус тройство, общий вид,Устройство дЛя непрерывного измерения теплоты сгорания горючих газовимеет замкнутый жесткий металлический каркас 1 с ребрами 2 воздушногоохлаждения, который соединен с тепловыделяющими спаями полупроводниковой термобатареи 3, теплопоглощающиеспаи которой в свою очередь, нахо- Одятся в хорошем тепловом контактес массивной изотермической оболочкой4. Свободное пространство между металлическим каркасом и наружной поверхностью изотермической оболочки 15в промежутках меяду примыкающими кним полупроводниковыми термобатареями занимает теплоизоляционный корпус 5 Ко всей внутренней поверхности изотермической оболочки без зазо Оров примыкает сток 6 тепла, который,в свою очередь имеет хороший тепловой контакт и соединен без зазоровпо всей свободной внутренней поверхности с измерительной 7 и сравнитель-. 25ной 8 ячейками, соединенными межцусобой без зазоров через преобразователи 9 теплового потока. Преобразователи теплового потока электрически связаны с входом системы автоматического регулирования тепловогопотока. Измерительная и сравнительная ячейки конструктивно выполненыв виде двух одинаковых цилиндрических камер из нержавеющей стали с толщиной стенки 0,5-3 мм, на наружнойповерхности каждой из которых имеются отфрезерованные плоские поверхв измерительную ячейку температурепродуктов 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, Лля этого преобразователитеплового потока можно приклеивать специальным теплопроводным клеем к наружнымповерхностям ячеек 7, 8 или устанавливать их с помощью механического прижима, предварительно смазав контактирующие поверхности кремнийорганической теплопроводной пастой, В предлагаемом устройстве могут быть применены любые серийно выпускаемые преобразователи теплового потока, предпочти гельно с бодрим 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 Я, выделяющейся в измерительной ячейке, с эталонным количеством теплоты Йо, 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 цилиндрической поверхностью измерительной ячейки и наружной поверхностью цилиндрической выгородки 17 и предназначенный для охлаждения продуктов сгорания до темг пературы 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 установлен электрический нагреватель 18 для получения эталонного количества11 11242 т еплоты Я эл ектрич ески с оединенный через вольтметр 19 и амперметр 20 с системой САРТП. В качестве системы САРТП можно использовать серийно выпускаемый комплекс ВРТ. Электро- нагреватель выполняется из высокоомной проволоки (нихром и др.) и располагается равномерно по высоте сравнительной ячейки.Исключение погрешностей, связан ных с нестабильностью процесса горения и теплообмена в измерительной и сравнительной ячейках, а также погрешностей, обусловленных изменением термоэлектрических свойств материала 15 датчиков температуры, работающих в условиях высокой температуры и агрессивности среды, приводит к повышению точности, Кроме того, улучшаются .эксплуатационные характеристики из О за отказа от использования эталонного газа в качестве источника тепла.Соединение измерительной и сравнительной ячеек со стороны тепла истока тепла с внутренней поверхностью 25изотермической камеры выпопняетсябез зазоров либо склеиванием спомощью клея марки ТКЛ, либо способом механического прижима с предварительной смазкой контактирующихповерхностей пастой КПТ, либо любым другим способом, обеспечивающимхороший тепловой контакт в местахсоединения,Сток тепла выполняется из жестко 35го конструкционного материала с тепловым сопротивлением 0,05-20 К/Вт,например из текстолита,Изотермическую оболочку изготавливают из толстостенных медных листов с толщиной стенок 5-25 мм илииз другого конструкционного жесткого материала с высоким коэффициентом теплопроводности.В качестве полупроводниковой термобатареи используются любые изсерийно выпускаемых термоэлектрических модулей, например, типа "Селен" 10 12(С 1-16, С 2.-7, С 3-4, С 4-2, С 5-1), чтодает возможность отказаться от индивидуального проектирования специальных термоэлектрических батарей, оснастки и полупроводников различныхтипоразмеров. Отвод тепла с тепловыделяющих спаев осуществляется с помощью естественной конвекции,вслучае необходимости может быть применен любой другой способ охлаждения.Устройство работает следующим об(разом.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 спомощью газогорелочного узла 15 осуществляется процесс полного слйганияисследуемого газа с выделением теплоты сгорания 9, после чего продуктысгорания охлаждаются в теплообменнике 16.до температуры входа исследуемого газа и окислителя в измерительную.ячейку, контроль за которой ведут с помощью датчиков 14 температуры, и выводятся из измерительнойячейки по каналу 13 отвода продуктовсгорания,Одновременно с появлением теплового потока между измерительной и сравнительной ячейками на вход САРТПпоступает электрический сигнал, пропорционапьный тепловому потоку, пронизывающему преобразователи теплового потока. После чего САРТП включаетв работу электрический нагревательсравнительной ячейки и регулируетего тепловую мощность таким образом,чтобы электрический сигнал с преобра"зователей теплового потока практически стал равным нулю. Тогда искомаявеличина теплоты сгорания определяется мощностью электронагревателя поизмеренным значениям тока и напряжения на. выводах электронагревателя.1124210 Редактор Л. аказ 8271/33 Тираж 822 ПВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4 писн 5 Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная,Составитель Л. Жарковалинская Техред Л.Коцюбняк Корректор Г. Решетник