способ непрерывного измерения высшей и низшей удельной теплоты сгорания горючих газов

Формула изобретения

1. Способ непрерывного измерения высшей и низшей удельной теплоты сгорания горючих газов, заключающийся в том, что измерительную и сравнительную ячейки помещают в идентичные условия в изотермическую оболочку калориметра, рабочую смесь непрерывно подают в измерительную ячейку, где осуществляют процесс полного сжигания газа, с выделением тепловой мощности Q_х, отводят продукты сгорания и обеспечивают равенство количеств теплоты, поступающей в единицу времени с рабочей смесью в измерительную и сравнительную ячейки, причем в сравнительной ячейке непрерывно поддерживают постоянную тепловую мощность Q_о, непрерывно регистрируют тепловой поток между сравнительной и измерительной ячейками и по изменению теплового потока выравнивают тепловыделения в них, отличающийся тем, что в измерительную ячейку дополнительно подают горючий газ-стабилизатор и посредством его сжигания генерируют дополнительную тепловую мощность Q_хд, при этом меняют расход газа-стабилизатора таким образом, чтобы соотношение между дополнительной тепловой мощностью газа-стабилизатора Q_xд и тепловой мощностью исследуемого газа Q_xд/Q_х составляло не более 1,1.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительную тепловую мощность в измерительной ячейке генерируют посредством сжигания известного количества горючего газа стабилизатора: метана или этилена с удельной теплотой сгорания 33,41 и 55,2 МДж/м³.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулируют расход исследуемого газа и газа-стабилизатора горения с помощью поршневых дозаторов с шаговыми двигателями, а искомое значение удельной теплоты сгорания определяют по формуле

q_x= K_г(F_шдx; F_шдc; q_xc),

где К_г - градуировочная функция калориметра;

F_шдx, F_шдc - частоты управляющих импульсов шаговых двигателей при дозировании исследуемого газа и газа-стабилизатора горения соответственно, Гц;

q_хс - удельная теплота сгорания газа-стабилизатора горения, MДж/м³.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплофизическим измерениям, в частности к способам определения удельной теплоты сгорания горючих газов, и может быть использовано в химической, металлургической промышленности, энергетике и при научных исследованиях.

Создание автоматического калориметра для непрерывного контроля теплоты сгорания низкокалорийных газов (коксовый газ, доменный газ) является важной научно-технической задачей, связанной с созданием АСУ (автоматической системой управления) технологических процессов в металлургической и химической промышленностях.

Известен способ измерения удельной теплоты сгорания углеводородного топлива независимо от агрегатного состояния, основанный на использовании бомбового калориметра (Патент США 3460385, кл. G 01 K 17/00, 1969 года). Для данного способа характерен дискретный метод измерений, связанный со значительным объемом ручных операций, не поддающихся полной автоматизации.

Использование существующих способов непрерывного автоматического измерения удельной теплоты сгорания газообразных топлив в диапазоне (25-50) МДж/м³ связано с дополнительной погрешностью измерения, обусловленной химическим недожогом из-за низкого температурного уровня измерительной ячейки при сгорании низкокалорийного газа (8-15) МДж/м³. Для решения поставленной задачи может быть использован "Способ определения теплоты сгорания тяжелых жидких топлив" (SU Авторское свидетельство 1578613), который обеспечивает полное сжигание низкокалорийных газов. В этом случае обеспечивается периодический разогрев камеры сгорания измерительной ячейки до 870-1170 К. Однако колебания температуры измерительной ячейки вызывают разбалансировку дифференциальной тепловой схемы калориметра, что приводит к существенному увеличению погрешности измерения, обусловленному неполнотой (неточностью) компенсации в измерительной ячейке.

Следует особо подчеркнуть, что использование преимуществ равновесной дифференциальной калориметрии для определения удельной теплоты сгорания связано прежде всего с достижением стационарного теплового режима калориметрического опыта при условии полного (без химического и механического недожога) сгорания исследуемого вещества.

Более удачным решением, позволяющим обеспечить заданный температурный режим, близкий к стационарному, является "Способ непрерывного определения теплоты сгорания жидких и газообразных топлив" (SU Авторское свидетельство 1589175). Но и в этом случае изменение компенсационной тепловой мощности Q₀ в сравнительной ячейке вызывает температурные колебания дифференциальной калориметрической системы в целом.

Наиболее близким к заявляемому является "Способ непрерывного измерения высшей и низшей удельной теплоты сгорания горючих газов" (RU, Патент 2171466 С1, 13.08.2001 г.).

Способ непрерывного измерения высшей и низшей удельной теплоты сгорания горючих газов заключается в том, что измерительную и сравнительную ячейки помещают в изотермическую оболочку калориметра. Рабочую смесь непрерывно подают в измерительную ячейку, где осуществляют процесс полного сжигания газа, отводят продукты сгорания и обеспечивают равенство количеств теплоты, поступающей в единицу времени с рабочей смесью в измерительную и сравнительную ячейки. Для этого рабочую смесь предварительно подают в теплообменник, расположенный в изотермической оболочке, в котором рабочая смесь принимает температуру, близкую температуре оболочки. Далее рабочую смесь направляют в сравнительную ячейку, затем отводят в аналогичный теплообменник, где она вновь принимает температуру, близкую температуре оболочки. После этого рабочую смесь вводят в измерительную ячейку.

В сравнительной ячейке непрерывно поддерживают постоянную тепловую мощность. Тепловую мощность измерительной ячейки сравнивают с тепловой мощностью сравнительной Qo ячейки, для чего непрерывно регистрируют тепловой поток с помощью тепломеров, установленных между ячейками.

Выравнивают тепловыделения в ячейках путем регулирования тепловой мощности измерительной ячейки за счет изменения расхода исследуемого газа и поддерживают одинаковые и постоянные тепловыделения в каждой из ячеек.

Для измерения удельной теплоты сгорания низкокалорийных газов можно использовать электрический нагреватель, расположенный в зоне горения, что значительно усложняет технологические возможности способа и требует частой замены нагревателя (примерно через 1,5-2 месяца непрерывной работы калориметра), что в свою очередь связано с дополнительными затратами на внеочередную градуировку и поверку прибора.

Задачей изобретения является расширение возможностей способа за счет расширения диапазона измерения с 25-50 МДж/м³ до 8-50 МДж/м³, улучшения эксплуатационных характеристик дифференциального колориметрического метода определения удельной теплоты сгорания низкокалорийных горючих газов.

Преимуществом предлагаемого способа является расширение диапазона измерения удельной теплоты сгорания горючих газов.

Задача изобретения решается следующим образом.

Способ непрерывного измерения высшей и низшей удельной теплоты сгорания горючих газов заключается в том, что измерительную и сравнительную ячейки помещают в идентичные условия в изотермическую оболочку калориметра, рабочую смесь непрерывно подают в измерительную ячейку, где осуществляют процесс полного сжигания газа, с выделением тепловой мощности Q_x, отводят продукты сгорания и обеспечивают равенство количеств теплоты, поступающей в единицу времени с рабочей смесью в измерительную и сравнительную ячейки, причем в сравнительной ячейке непрерывно поддерживают постоянную тепловую мощность Q₀, непрерывно регистрируют тепловой поток между сравнительной и измерительной ячейками и по изменению теплового потока выравнивают тепловыделения в них. В измерительную ячейку дополнительно подают горючий газ-стабилизатор и посредством его сжигания генерируют дополнительную тепловую мощность Q_xd, при этом меняют расход газа стабилизатора таким образом, чтобы соотношение между дополнительной тепловой мощностью газа стабилизатора Q_xd и тепловой мощностью исследуемого газа Q_xd/Q_x составляло не более 1,1.

Дополнительную тепловую мощность в измерительной ячейке генерируют посредством сжигания известного количества горючего газа-стабилизатора: метана или этилена с удельной теплотой сгорания 33,41 и 55,2 МДж/м³ соответственно, аттестованные по теплоте сгорания на калориметре 1-го разряда с погрешностью 0,1-0,2%.

Расход исследуемого газа и газа - стабилизатора горения регулируют (с помощью поршневых дозаторов с шаговыми двигателями, а искомое значение удельной теплоты сгорания определяют по формуле

q_x=К_г(F_шдх; F_шдс; q_хс),

где К_г - градуировочная функция калориметра, F_шдх F_шдс - частоты управляющих импульсов шаговых двигателей при дозировании исследуемого газа и газа - стабилизатора горения соответственно, Гц, q_xc - удельная теплота сгорания газа - стабилизатора горения, MDж/м³.

На чертеже показана схема осуществления способа.

Схема содержит идентичные измерительную 1 и сравнительную 2 ячейки, расположенные в замкнутой изотермической оболочке 3, имеющей температуру Т_o. Между собой ячейки соединены через полупроводниковый преобразователь теплового потока 4.

В сравнительной ячейке за счет тепловыделения электронагревателя и выделяется постоянная тепловая мощность Q_o.

Рабочая смесь - исследуемый газ и окислитель подаются в теплообменник 5, расположенный в изотермической оболочке, где приобретает температуру, примерно равную Т_о, затем поступает в сравнительную ячейку. Вступая в теплообмен с поверхностью сравнительной ячейки, рабочая смесь нагревается примерно до температуры Т_c оболочки сравнительной ячейки, проходит теплообменник 6, где вновь приобретает температуру Т_о и наконец поступает в измерительную ячейку, полностью сгорая с выделением тепловой мощности О_х. Тепловой поток от измерительной и сравнительной ячеек при помощи тепловых стоков 7 и 8, имеющих примерно равные термические сопротивления R_x и R_o, отводятся к изотермической оболочке и рассеиваются в окружающую среду. Регулируют температуру изотермической оболочки Т_о таким образом, чтобы симметричное изменение температуры калориметрических ячеек Т_х и Т_о, непосредственно связанных с ней, обеспечивало конденсацию продуктов сгорания в измерительной ячейке при измерении высшей удельной теплоты сгорания и отсутствие конденсации при измерении низшей удельной теплоты сгорания. Продукты сгорания с температурой, примерно равной температуре оболочки измерительной ячейки Т_х, отводятся в окружающую среду. По сигналу тепломера 7, регистрирующего тепловой поток между ячейками Q_т, происходит выравнивание тепловыделений сравнительной и измерительной ячейки за счет регулирования расхода исследуемого газа.

При уменьшении измеряемого значения удельной теплоты сгорания q_x исследуемого газа менее 25 МДж/м³ в измерительную ячейку вводится дополнительная тепловая мощность Q_хд, например, за счет "подсветки" факела более калорийным газом. Наиболее целесообразно использовать чистый метан или этилен с удельной теплотой сгорания 33,41 и 55,2 МДж/м³ соответственно, аттестованных по теплоте сгорания на калориметре 1-го разряда с погрешностью 0,1-0,2%. В этом случае значение расхода исследуемого газа сохраняется постоянным, а компенсация осуществляется по средствам регулирования значения Q_хд, т.е. расхода стабилизатора горения. При этом обеспечивается минимальное соотношение Q_xд/Q_x. Данное условие позволяет по возможности сохранить метрологические характеристики калориметра в области измерения низкокалорийных газов, так как определяет соотношение фонового и измеряемого сигналов.

Наиболее целесообразно для точного дозирования газовых сред при калориметрическом опыте использовать поршневое устройство с приводом от шагового двигателя.

В этом случае искомое значение удельной теплоты сгорания определяется:

q_х=К_г(F_шдх; F_шдс; q_хс),

где К_г - градуировочная функция калориметра;

F_шдх - частота управляющих импульсов шагового двигателя при дозировании исследуемого газа, Гц;

F_шдс - то же для стабилизатора горения, Гц;

q_хс - удельная теплота сгорания газа стабилизатора горения, МДж/м³.