Спосіб визначення часу затримки займання та часу горіння зразка твердого палива

Реферат: Спосіб визначення часу затримки займання та часу горіння зразка твердого палива включає вимірювання двома термоелектричними перетворювачами температури поверхні зразка та газу біля поверхні. Додатково застосовується спеціальний пристрій попередньої обробки даних, завдяки якому водночас з вимірюванням температури визначають відповідні часові похідні температури; моменти займання і погасання зразка фіксуються, коли часова похідна сягає максимального або мінімального значення. UA 92111 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ЧАСУ ЗАТРИМКИ ЗАЙМАННЯ ТА ЧАСУ ГОРІННЯ ЗРАЗКА ТВЕРДОГО ПАЛИВА UA 92111 U UA 92111 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, а саме, до визначення часових характеристик горіння (часу затримки займання та часу горіння) зразків твердого палива і може використовуватися в енергетичній галузі, а також для оцінки пожежної небезпеки матеріалів. В останні роки в зв'язку з різким зростанням цін на нафту і природний газ поширюється використання низькосортних та альтернативних палив, таких як торф, високозольне вугілля, горючі сланці, паливні брикети та пелети з відходів (тирси, соломи, лушпиння соняшника та інш.). Для спалювання таких речовин бажано використовувати спеціальні пристрої, але також можливо застосовувати звичайні твердопаливні котли за умови корегування режимних параметрів залежно від горючості палива. Необхідно зазначити, що фізико-хімічні властивості низькосортних та альтернативних палив можуть варіюватися в досить широких межах, тому для забезпечення як найбільшої повноти згорання потрібно контролювати такі характеристики палива, як час затримки займання та час горіння частинок або гранул в кожній партії. Як відомо, горіння твердих палив зазвичай супроводжується виділенням газоподібних летких речовин та їх горінням у суміші з повітрям. Водночас відбувається горіння коксового залишку. Загальна тривалість горіння кожної частинки складається з часу горіння летючих речовин та часу горіння коксового залишку. Останній складає приблизно 2/3 загального часу горіння. Тому необхідно вимірювати сумарну тривалість горіння летких речовин та коксового залишку. Також зазначимо, що виміряні часові характеристики горіння зразку визначаються не тільки фізико-хімічними властивостями речовини, а також залежать від його питомої поверхні, температури і складу середовища, тиску. Окрім того, отримані експериментальні дані суттєво залежать від методики вимірювання та характеристик вимірювального устаткування. На сьогодні відсутній єдиний підхід до визначення часових характеристик горіння. Дослідники обирають метод залежно від конкретного завдання та наявності обладнання, тому отримані результати можуть помітно відрізнятися. Таким чином, існує попит на зручний та надійний метод визначення часу затримки займання та часу горіння, який базується на єдиному науковому критерії спалахування та погасання. Досягнутий рівень техніки в галузі діагностики високотемпературних процесів для визначення часових характеристик горіння твердих палив (частинок та зразків) характеризують наступні публікації. Найбільш поширені способи визначення часу затримки займання і часу горіння базуються на реєстрації теплового випромінювання палаючих зразків. Завдяки безконтактному характеру та малій інерційності оптичні методи є незамінними для діагностики швидкоплинних високотемпературних процесів. Насамперед, слід відзначити відомий "метод треків", розроблений на кафедрі теплофізики ОНУ ім. І.І. Мечникова під керівництвом професора Федосеева (В.А. Федосеев, В.Е. Глушков, Л.А. Соколов. Воспламенение частиц магния в различных средах // Физика аэродисперсных систем, 6, 1975, С. 83-88). Метод треків базується на фотографуванні скрізь стробоскоп рухомих палаючих частинок. Обробка зображень треків частинок дає змогу визначити швидкість руху, час затримки займання та час горіння окремих частинок. Додаткове застосування двокольорової пірометрії (S.G. Orlovskaya, F.F. Karimova, M.S. Shkoropado. Diagnostics of burning tungsten particles by two-color imaging pyrometry // Proceedings of European Aerosol Conference 2013, Prague) дозволяє отримати розподіл температури вздовж траєкторії розжареної частинки. Таким чином метод треків є досить інформативним і саме тому він залишається незамінним для діагностики рухомих частинок. Наприклад, в роботі Е. L. Dreizin (Y. Aly, M. Schoenitz, E. L. Dreizin. Ignition and combustion of mechanically alloyed Al-Mg powders with customized particle sizes//Combustion and Flame, 2013, V.160, P. 835-842) вивчено характеристики горіння частинок алюмомагнієвого сплаву зі застосуванням методу треків. Встановлено, що інтенсивність випромінювання змінюється немонотонно протягом горіння частинки. Методом двокольорової пірометрії знайдено профіль температури частинки уздовж її траєкторії. Головним недоліком даного методу є методична похибка визначення моментів займання і погасання, що пов'язана, по-перше, з уривчастістю треків і дорівнює і/v, де v - частота переривання треку. Друга складова похибки пов'язана з характеристиками камери (чутливість, робоча область спектру та динамічний діапазон), тому її слід оцінювати окремо в конкретному експерименті. В роботі Y. Liu (Y. Liu, M. Geier, A. Molina, C. Shaddix. Pulverized coal stream ignition delay under conventional and oxy-fuel combustion conditions // Int. J. Greenhouse Gas Control, 2011, 5S, S36-S46) вивчено горіння диспергованого вугілля в кисні за власною методикою. Випромінювання факела реєстрували за допомогою CCD камери. Моментом займання вважали час, коли сигнал від частинки сягав рівня 0,5 від його максимального значення. Автори 1 UA 92111 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 відзначили, що отримані дані декілька менші, ніж при використанні критерію максимального нахилу залежності часової інтенсивності випромінювання. Тобто автори визначали момент займання за власним, недостатньо обґрунтованим критерієм. Таким чином, оптичні методи визначення часових характеристик горіння є дуже зручними та в деяких випадках незамінними, але вони мають певні обмеження, а саме: реєстрація власного теплового випромінювання частинок неможлива при наявності помітного фонового випромінювання, наприклад від стінок печі, або у задимленому середовищі; інтенсивність теплового випромінювання нелінійно залежить від температури, тому потрібна додаткова процедура калібрування приймача для знаходження співвідношення між зареєстрованою інтенсивністю випромінювання частинки та її температурою; методична похибка визначення моментів займання та згасання значною мірою залежить від характеристик приймача випромінювання (чутливість, робочий діапазон спектру). Необхідно вказати, що існують інші підходи для визначення часових характеристик горіння. Насамперед, в разі горіння в замкнутому об'ємі (наприклад, в двигуні внутрішнього згорання) момент займання визначається по різкому зростанню тиску. У своїй роботі автор Коротких А.Г. вимірював час затримки займання заряду за допомогою іонізаційного датчика (Коротких А. Г. Влияние дисперсности порошка алюминия на процессы зажигания и нестационарного горения гетерогенных конденсированных систем. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора фіз.-мат. наук. 2012). Електроди датчика розташовували на відстані З мм від поверхні зразка, та подавали напругу 600 В. При появі полум'я сигнал з іонізаційного датчика поступав на частотомір. За даними частотоміра знаходили час затримки займання заряду. Методична похибка вимірювання часу затримки займання tign за оцінкою авторів складала 1 %. Відзначимо, що даний метод не є універсальним оскільки досі не встановлено однозначного зв'язку між процесами горіння та іонізацією середовища. Тому для застосування даного методу необхідні попередні дослідження у кожному конкретному випадку. Таким чином можна зробити висновок, що коректний метод визначення часу затримки займання та часу горіння зразка повинен базуватися на єдиному науковому критерії займання і погасання. Найближчим аналогом є спосіб визначення умов теплового займання речовин та матеріалів, схожий на методику, що рекомендована Державним стандартом України (ГОСТ 12.1.044-89). Даний метод полягає в термостату ванн і досліджуваної речовини при фіксованій температурі і встановленні залежності між температурою займання зразку, його розміром і часом затримки займання. Такий підхід є цілком виправданий, коли досліджується горючість речовин з точки зору пожежної небезпеки. Таким чином було досліджено характеристики займання листя і хвої різних порід дерев в роботі S. Liodakis (S. Liodakis, D. Vorisis, I.P. Agiovlasitis. A method for measuring the relative particle fire hazard properties of forest species // Thermochimica Acta, 437, 2005, p.150-157). Для цього автори розміщували зразок в піч, температуру якої плавно збільшували зі швидкістю 0,5 °C/хв. до температури 500 °C. Температурний режим процесу контролювали за допомогою трьох швидкодіючих прецизійних термопар хромель/алюмель (час реагування 24 мс, похибка не перевищує 0,3 °C). Одну термопару розміщували всередині зразка, іншу у пічний простір, за допомогою третьої контролювали температуру повітря у кімнаті. В процесі нагріву температуру зразку вимірювали кожні 5 секунд. Температура печі, при якій зразок розжарювався до 400 °C, була визначена як відносна температура самозаймання, і, відповідно, час досягнення зразком вказаної температури було визначено як відносний час затримки займання. Для знаходження часу горіння використовували експериментальну залежність збільшення температури зразка за секунду (ΔT/Δt) від температури печі, де Δt=5 с, та ΔT - приріст температури зразка за кожні п'ять секунд. Час горіння зразка знаходили як проміжок часу, коли часова похідна температури зразка відрізнялася від темпу зростання температури печі (0,5 °C/хв.). Описаний підхід дозволяє визначати відносні характеристики горіння однотипних матеріалів по стандартній методиці. Суттєвим недоліком даного методу є обмеженість сфери застосування, а також відносний характер отриманих результатів. Окрім того точність визначення часових характеристик є недостатньою: похибка визначення часу горіння обмежена інтервалом між вимірами 5 с, тому вказаний метод є зручним для визначення характеристик горіння речовин, що горять повільно, але він є непридатним для палив, які горять швидко. В основу корисної моделі поставлено задачу розробки науково-обґрунтованого та зручного способу визначення часових характеристик горіння твердого палива: часу затримки займання та часу горіння зразку, яка досягається завдяки технічному ефекту внаслідок застосування 2 UA 92111 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 єдиного наукового критерію займання та погасання, а також спеціально розробленого пристрою для збору та обробки даних від двох термоелектричних перетворювачів. Поставлена задача вирішується способом визначення часу затримки займання та часу горіння зразка твердого палива, який полягає в тому, що температури поверхні зразка та газу біля його поверхні безперервно вимірюються двома термоелектричними перетворювачами і відрізняється тим, що містить спеціальний пристрій попередньої обробки даних, завдяки якому водночас з вимірюванням температури, визначаються відповідні часові похідні температури; моменти займання і погасання зразка фіксуються, коли часова похідна сягає максимального або мінімального значення. Випробування запропонованого способу здійснювалося в лабораторії НДЛ-5 Одеського національного університету імені 1.1. Мечникова. Схема установки наведена на фіг. 1. Спосіб здійснюється наступним чином: вуглецеву частинку (1) закріплюють на термопарі (5) та швидко вводять в розжарену піч (3). Температуру поверхні частинки вимірюють другою хромель-алюмелевою термопарою (2), яку щільно притискають до поверхні частинки. Температуру повітря в печі також контролюють хромельалюмелевою термопарою (4). Сигнали з термопар на поверхні та всередині частинки після попередньої обробки блоком АЦП (6) передаються на персональний комп'ютер (7), де дані накопичуються і обробляються: на екран монітору виводяться залежності T(t) та dT/dt(t). Як відомо з теплової теорії горіння в момент займання частинки часова похідна температури сягає максимальної величини, та відповідно в момент погасання вона є мінімальною. Тому для визначення часових характеристик горіння фіксуються точки екстремумів часової похідної температури зразка. Аналіз отриманих графіків T(t) та dT/dt(t) дає змогу точно зафіксувати моменти займання та погасання частинки, та визначити час затримки займання і час горіння частинки. Час затримки займання дорівнює проміжку від початку нагріву частинки до його займання. Час горіння частинки дорівнює проміжку часу від моменту займання до моменту погасання. Приклад використання способу. За допомогою пропонованого способу досліджено високотемпературне окислення і горіння частинок з вугілля та графіту. На фіг. 2 приведено графіки часових залежностей температури та її часової похідної для вуглецевої частинки (початковий діаметр d=0,53 см) при температурі повітря у печі T g=1033 K. Згідно отриманим даним час затримки займання tign=30 секундам та час горіння tb=290 секунд. Оцінка похибки визначення часу затримки займання та часу горіння запропонованим способом. Похибка визначення точок екстремумів залежності (dT/dt)(t) визначається часом реагування термопари τ та частотою вибірки сигналу з термопари ν: 2 2 1/2 Δt=[(τ) +(1/ν) ] . Як відомо, час реагування термопари визначається діаметром термоелектродів та діаметром спаю і може варіюватися у широких межах (0,12 с). В умовах нашого експерименту τ  0,5 с та ν=18, тому абсолютна похибка визначення моментів займання та погасання складає Δtign  0,5 с, відносна похибка визначення часу затримки займання δtign0,02 та відносна похибка визначення часу горіння δtb=0,002. Таким чином, точність вимірювань є цілком задовільною. Комплект устаткування для реалізації запропонованого способу включає: набір термоелектричних перетворювачів, трубчасту піч, пристрій для збору та обробки даних, персональний комп'ютер. Для найближчого аналогу необхідно окрім вказаного обладнання використання програмного регулятора температури, наприклад ПР-04, вартість якого складає близько 2 тисяч гривень. Таким чином, вартість устаткування для запропонованого способу помітно нижча, ніж для найближчого аналогу. Запропонований спосіб був використаний при виконанні держбюджетної теми № 450 та в учбовому процесі на кафедрі теплофізики. Розробник уживає заходів для промислового впровадження корисної моделі, тому що запропонований спосіб дозволяє точніше визначати часові характеристики горіння зразків твердого палива, ніж інші методи, які використовуються в даний час, і завдяки цьому підвищити повноту згорання палива. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Спосіб визначення часу затримки займання та часу горіння зразка твердого палива, який полягає в тому, що температури поверхні зразка та газу біля поверхні безперервно вимірюються двома термоелектричними перетворювачами, який відрізняється тим, що додатково застосовують спеціальний пристрій попередньої обробки даних, завдяки якому водночас з вимірюванням температури визначають відповідні часові похідні температури; 3 UA 92111 U моменти займання і погасання зразка фіксуються, коли часова похідна сягає максимального або мінімального значення. Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4