Датчик точки роси, масопереносу

Корисна модель відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний як пристрій для визначення температури точки роси і визначення масопереносу пари з парогазового середовища, а також для визначення корозійної активності агресивних середовищ, наприклад димових газів, і корекції за величиною корозійної активності димових газів процесу горіння в системах автоматики горіння. За аналог прийнято датчик точки роси [А.с. №1509705, Kn.G01N25/66, 1989]. Відомо про пристрої для визначення температури точки роси агресивних середовищ, які являють собою конденсаційну поверхню з розташованими на ній двома електродами. При конденсації парів компонентів газових систем (наприклад, парів сірчаної кислоти) про температуру точки роси судять за виникненням електрорушійної сили (ЕРС) між електродами [А.с. №301604, кл. G01N25/66, 1969], або за падінням опору чи за виникненням току між ними [А.К. Внуков Надежность и экономичность котлов для газа и мазута. М. - Л.: Энергия, 1966. - с.226-230]. Існуючий спосіб вимірювання температури точки роси полягає у наступному. У потік димових газів вводиться скляний ковпачок, на поверхні якого впаяні два платинових електроди та платино-платинородієва термопара. Усередині ковпачок охолоджується повітрям, вуглекислотою. При зменшенні температури зовнішньої поверхні ковпачка до температури точки роси димових газів на його поверхні починають конденсуватися пари води або кислоти у вигляді крапель. Цей конденсат різко зменшує опір міжелектродної відстані ковпачка. У цей момент температура, що заміряна за допомогою термопари, характеризує точку роси. За [А.с. №292106, кл. G01nN25/66, 1975] запропоновано спосіб визначення температури точки роси по принципу отримання ЕРС між двома металами з різноманітними електродними потенціалами при зволоженні ізолюючого прошарку (утворюється гальванічний елемент). Вказані датчики температури точки роси не забезпечують достатньої точності вимірювань та відтворюваності результатів, а також не дозволяють оцінити масоперенос, тому що необхідно повторити заміри послідовно при кожному значенні температури ковпачка. Крім того, таким чином фіксується тільки точка роси, а не масоперенос в усьому діапазоні температур. Аналогом також є первинний перетворювач температури точки роси, який [описано у А.с. 585432]. В основу корисної моделі покладено задачу удосконалення датчика точки роси [А.с. №1509705], в якому використання розвиненої конденсаційної поверхні дозволяє збільшити кількість ділянок конденсації з різноманітними температурами, що підвищує якість вимірювань. Якість підвищується за рахунок збільшення чутливості, точності і відтворюваності при вимірюванні точки роси, а також розширення можливостей використання датчика (оцінка корозійної активності димових газів і ступені забрудненості поверхні нагріву, збільшення продуктивності при вимірюваннях, істотне зменшення витрат часу на вимірювання). Щоб одержати плавну криву даної залежності необхідно також визначити значення масопотока і на серединах висхідних і низхідних гілок кривої, тобто необхідно одночасно фіксувати як мінімум сім значень температури, отже необхідно на зовнішній поверхні мати не менше семи ділянок постійної температури, розділених виступаючими буртиками, форма яких дозволяє відводити потік газів і уникнути тим самим забруднення буртиків. Цим забезпечується їх температура вище за температуру точки роси і таким чином поверхня цих буртиків буде сухою, що чітко фіксує поверхню конденсації та електричний контакт між внутрішнім та зовнішнім електродами, а це дозволить одержати достатню точність вимірювань температури точки роси димових газів і інтенсивності масопереносу в парогазовій суміші. Датчик температури точки роси і інтенсивності масопереносу являє собою два коаксіально розташованих електроди, які створюють канал для проходу димових газів. Один з вимірювальних електродів виконаний у вигляді точкової сітки в електроізоляційному матеріалі, що розміщений на поверхні металевої перечному обмиванні труби і змінної (по ділянках) товщини, що забезпечує різну температуру зовнішньої поверхні при постійній температурі киплячого середовища усередині теплової труби. Точковий вихід сітки на поверхню виконано у вигляді точок урівень із спільною поверхнею конденсації, що розділена на ділянки постійної температури, розміри яких фіксовані буртиками. Другий електрод, закритий електроізоляційним матеріалом, розміщено навколо першого з зазором. Температуру кипіння рідини в тепловій трубі, що отримується за рахунок потужності електронагрівача і (або) за рахунок температури і витрати о холоджувальної рідини в конденсаторі, необхідно забезпечувати на рівні, при якому температура на поверхні ділянки електродів з найбільшої товщиною стінки знаходилася б на рівні температури точки роси і навіть трохи вище (максимальна температура стінки tCTmax). Тоді на роздільних ділянках електроду з меншою товщиною стінки температура на поверхні буде обов'язково нижча за точку роси і на останній вимірювальній ділянці з найменшою товщиною стінки досягається мінімальна вимірювана температура стінки tCTmin. Це і дозволить, одночасно виміривши ємності на кожній вимірювальній ділянці електродів, отримати одразу криву залежності масопотоку від температури стінки при однаковому складі парогазової суміші і умовах процесу. При зміні температури кипіння можна добитися положення, коли на ділянці з найбільшою товщиною буде набуто значення ємності, відповідного початковій (нульовій) ємності, тобто ємності сухого стан у поверхні. Це дає можливість оцінити значення точки роси не тільки чистої, але і забрудненої поверхні (відомо, що за наявності забруднень із-за процесу адсорбції пари поглинаються при температурі вище за точку роси на чистій поверхні). Тому, щоб точніше фіксува ти температуру початку конденсації, необхідно виконати ділянки з найбільшої товщиною і з невеликим її перепадом. Датчик точки роси, масопереносу (схема) представлений на рисунках (Фіг.1, Фіг.2). На рисунках Фіг.3 наведено графік залежності зміни температури конденсаційної поверхні та ємності у процесі вимірювання; на Фіг.4 - динаміка зміни ємності при різних температурах стінки; на Фіг.5 - порівняння швидкості корозії металевої поверхні образца та величини ємності. У датчика (Фіг.1, Фіг.2) два коаксіально розташованих циліндрових електроди 1 і 2, що розміщені в електроізоляційному термостійкому і кислотостійкому неадсорбуючому матеріалі, утворюють частково кільцевий канал 3, через який перпендикулярно до труби прокачується задана кількість парогазової суміші. Центральна частина датчика є киплячою частиною теплової труби 4, внутрішня металева поверхня якої електрично заземлена і служить охоронним екраном для електрода 1 з боку охолоджувача. Кипляча частина теплової труби, що внесена в потік газопарової суміші, покрита тонким шаром (для зменшення теплової інерції) електроізоляційного неадсорбуючого матеріалу, в якому урівень із зовнішньою поверхнею розміщено електрод 1, що виконаний у вигляді сітки окремих точкових металевих кнопок, які розташовані по колу і з'єднані усередині електроізоляційного матеріалу проводами малого діаметру, що забезпечує мінімально можливу зовнішню поверхню електроду 1. Кипляча частина теплової труби, що поперечно омивається парогазовою сумішшю, розділена на ділянки постійної температури. Ділянки відокремлені виступаючими буртиками 5, що забезпечує їх більш високу температуру, ви ще за температуру точки роси. Тому поверхня буртиків буде сухою і таким чином вона розділятиме ці ділянки і попередить електричний контакт з другим електродом. Передбачено буртики 5 і на зовнішніх кінцях теплової труби. Сітки електродів 1 кожної конденсаційної ділянки закінчуються безпосередньо перед буртиками. Між зовнішніми буртиками і зовнішньою стінкою передбачені зазори, а зігнутою форма буртика виконана для відведення потоку газів і запобігання тим самим забруднення (а отже, і контакт) поверхні конденсації з рештою поверхні. Другий електрод 2 ємнісного датчика розділений на окремі ділянки з постійною площею. Оскільки він виконаний у ви гляді циліндричних металевих поверхонь (в межах кожної конденсаційної ділянки на тепловій трубі) з отворами для підведення і відведення парогазового середовища і розміщений усередині зовнішньої стінки 6, виконаної з електроізоляційного неадсорбуючого матеріалу, чим забезпечується електрична ізоляція окремих частин електроду 2. Ззовні стінка закрита захисним металевим екраном 7 для захисту електродів 1 не тільки від зовнішнього електричного поля, але і за рахунок виступів екрану 8 від взаємного впливу. Для забезпечення температури зовнішньої стінки постійною і рівною температурі газів, а також для підтримки постійної температури потоку суміші уздовж поверхні омивання парогазовою сумішшю зовні за екраном 7 розміщено електропідігрівач 9. Усередині теплової труби розміщено електропідігрівач 10, який необхідний для підігріву і забезпечення кипіння рідини перед початком роботи датчика. Конденсаційна частина теплової труби з обох торців має два конденсатора-охолоджувача 11, за допомогою яких за рахунок зміни витрати і температури охолоджувальної рідини може встановлюватися різна температура кипіння рідини в тепловій трубі. Різна температура стінки для кожної ділянки вимірювання ємності додатково забезпечена різною товщиною ізоляційного матеріалу усередині труби в межах кожної вимірювальної ділянки. Роботу датчика точки роси та масопереносу можна описати так. Перед підключенням датчика до газоходу за допомогою електропідігрівача 10 і підвода певної витрати охолоджувальної рідини до конденсаційної частини теплової труби встановлюється температура кипіння (а отже, і відповідна температура поверхні електродів 1) на рівні планованої при вимірюваннях мінімальній температурі стінки tCTmin на поверхні того з електродів, де товщина ізоляційного матеріалу найменша. За допомогою електропідігрівача 9 встановлюється температура зовнішньої стінки, яка дорівнює температурі газів в місці відбору їх з газоходу котла. Завдяки цьому підігріву за рахунок підвищення температури повітря в кільцевому зазорі і теплообміну випромінюванням на вимірювальних ділянках електродів 1 з більшою товщиною встановиться вища температура стінки. При подачі на електроди 1 парогазової суміші на вимірювальних ділянках із температурою стінки нижче за температуру точки роси розпочинається конденсація пари з різною інтенсивністю. За рахунок регулювання потужності електропідігрівача 10 або регулювання витрати або температури охолоджувальної рідини в конденсаційній частині теплової труби може мінятися температура кипіння рідини в тепловій трубі, а значить і температура tCT електродів 1 (Фіг.3). Для забезпечення відтворюваності результатів вимірювання, а також враховуючи, що процес масопереносу залежить від швидкості руху газопарової суміші, при підключенні датчика до газоходу встановлюється певна, заздалегідь задана, витрата газів. На поверхні електроду 1 з боку газів, на якій розпочинається конденсація пари із парогазової суміші, різко збільшується поверхня електроду 1 за рахунок утворення плівки конденсату, що призводить до різкого збільшення ємності датчика Сg (точка А на Фіг.3). При стабільній температурі кипіння, а значить і температурі всієї поверхні кожного електроду 1, спостерігається поступова стабілізація значення ємності, темп якої залежить від величини масопотоку: чим більше масопотік, тим швидше наступає його стабільне значення. По різниці значень початкової ємності датчика Сg1 і ємності при температурі стінки нижче за точку роси С g2 можна оцінювати інтенсивність масопереносу, а отже, корозійну активність потоку димових газів. Максимальна температура поверхні, що безперервно фіксується термопарою, при якій фіксується мінімальне значення ємності, береться за температуру точки роси tтр. При стабільних різних температурах поверхонь tCT електродів 1, на яких здійснюється конденсація, протягом 15...20 хвилин при всіх температурах одночасно встановлюються стабільні значення ємностей, наведені на Фіг.4. За цими постійними значеннями ємностей, які одержані в усіх конденсаційних поверхнях (ділянках) протягом цих же 15...20 хвилин, одержуємо для всієї корозійної зони температур стінки криву залежності ємності від температури (крива 1 на Фіг.5). Ці криві одержані для потоку димових газів при спалюванні палива типу ДС з вмістом сірки 0,7%. Якщо роздільно вимірювати значення ємностей при кожній температурі стінки, то вже протягом 2...2,5 годин можна одержати ту ж криву корозійної активності потоку газів (крива масопотоку кислоти) всієї корозійно-небезпечної зони температур поверхні. Для отримання тієї ж залежності при прямих вимірюваннях швидкості корозії, як показує теорія і практика корозійних досліджень, тривалість випробувань при кожній температурі повинна складати 8... 10 годин. Отже, крива 2 на Фіг.5 може бути одержана протягом 80... 100 годин. Таким чином, продуктивність праці при дослідженні швидкості корозії значно збільшується (у сотні разів), і що важливо, за однакових умов омивання. Шляхом порівняння кривих 1 і 2 (Фіг.5) можна тарувати показники датчика не по ємності, а за швидкістю корозії. При тривалому прокачуванні димових газів через датчик фіксована поверхня електроду 1 забруднюється шаром відкладень при температурі нижче за точку роси. Інтенсивність зростання шару зволожених відкладень збільшує значення ємності при постійній температурі, що дає можливість оцінити в часі і по величині ємності інтенсивність забруднення поверхні нагріву. Графік залежності масопотоку сірчаної кислоти і відповідно швидкості корозії від температури стінки має два мінімуми і два максимуми (характер кривої підтверджено багатьма дослідженнями). Досягши точки роси на чистій поверхні або в порах частинок і між ними при пониженні температури поверхні конденсації після фіксації появи конденсату кислоти (1-й мінімум), масопотік збільшується і досягає значення 1-го максимуму при температурі стінки tCT близько 100...110°С. При подальшому пониженні tCT масопотік на поверхню знижується в зв'язку з об'ємною конденсацією пари кислоти у вигляді туману, що призводить до зменшення кількості кислоти, що конденсується на поверхні, у зв'язку з прольотом крапельок туману повз неї (2-й мінімум). З початком конденсації пари води і сірчистої кислоти при tCT близько 50°С знову розпочинається зростання масопотоку, досягаючи значення 2-го максимуму. Отже, щоб підвищити достовірність результатів досліджень необхідно визначити значення масопотоку одночасно при всіх вказаних температурах стінки при одночасній подачі однакової витрати димових газів одного складу до ділянок конденсації. Щоб отримати плавну криву даної залежності необхідно також визначати значення результатів досліджень масопотоку одночасно при всіх вказаних температурах стінки при одночасній подачі однакової витрати димових газів одного складу до ділянок конденсації. Щоб отримати плавну криву даної залежності необхідно також визначати значення масопотоку і на серединах висхідних і низхідних гілок кривої, тобто необхідно одночасно фіксувати як мінімум сім значень температури, а, отже, необхідно на зовнішній поверхні конденсації датчика мати не менше семи ділянок. Дані від всіх датчиків температури стінки і ємності на кожній вимірювальній ділянці можуть передаватися на мультиплексор, а потім обробляються за допомогою ЕОМ. Оскільки процес конденсації відбувається протягом хвилин, то з'являється можливість включити датчик в систему автоматичного регулювання горіння, щоб оцінити корозійну активність потоку димових газів при даному режимі горіння. По мінімальній корозійній активності газів з'являється можливість корегувати процес горіння, застосувавши пропонований датчик у складі системи автоматичного регулювання горіння. При зміні температури кипіння і при її постійному значенні забезпечується будь-який розподіл температур на поверхнях ділянок, на яких і вимірюватиметься значення початкової ємності (за відсутності конденсації) і кінцевої ємності (у процесі і в кінці конденсації). Перевагами датчика точки роси, масопереносу перед прототипом є те, що завдяки використанню додаткових елементів конструкції (збільшення кількості ділянок на зовнішній поверхні конденсації) з'являється можливість підвищити точність та відтворюваність результатів вимірювання температури точки роси, оцінити масопереносу сірчаної кислоти, суттєво підвищити продуктивність праці та у со тні разів скоротити витрати часу, необхідного для вимірювання.