устройство для определения параметров воспламенения и горения твердых материалов

Формула изобретения

Устройство для определения параметров воспламенения и горения твердых материалов, содержащее камеру с окнами, источник излучения, держатель образца, регулятор мощности, датчики температуры и блок определения кинетических параметров горения, отличающееся тем, что оно снабжено компьютером и системой очистки дымовых газов; камера с окнами, расположенными в верхней и боковой частях, выполнена в виде вертикального цилиндра; держатель образца выполнен в виде съемной горизонтальной колосниковой решетки; датчики температуры установлены непосредственно в зоне горения, на входе и выходе из камеры; источник излучения выполнен в виде двух нагревательных элементов, расположенных, соответственно, в цилиндрической стенке камеры и под горизонтальной колосниковой решеткой; блок определения кинетических параметров горения выполнен в виде двух расположенных у наблюдательных окон видеокамер, подключенных к компьютеру, датчиков температуры, регулятора мощности и датчика давления, также соединенных с компьютером через аналогово-цифровой преобразователь, а система очистки дымовых газов выполнена в виде последовательно соединенных барботера, насадочного абсорбера и сепаратора, снабжена блоком отбора проб, линией циркуляции абсорбента, включающей в себя приемную ванну, вентиль, расходомер, форсунку, перекачивающий насос, и системой откачки дымовых газов состоящей из вентиля, ротаметра и вентилятора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике исследования процесса горения твердых топлив и может быть использовано при измерении параметров процесса горения твердых топлив, исследовании механизма их горения, создании математической модели горения твердых топлив и прогнозировании ее важнейших характеристик.

Известно устройство для определения температуры воспламенения твердых углеродистых материалов (см. а.с. СССР №690373, МКИ G 01 N 25/50, 1979, Б.И. №37). Устройство состоит из помещенного в электропечь реактора, в нижней части которого помещен металлический блок с проточками, внутренняя поверхность выполнена в форме логарифмической спирали и имеет область сужения, в дне реактора имеется штуцер для подвода воздуха, а в крышке штуцер для отвода дымовых газов и отверстия для термопар.

Недостатками этого устройства являются низкая точность измерений, отсутствие возможности визуального наблюдения и продолжительность фазы прогрева реактора до воспламенения.

Известен также экспериментальный стенд (см. Найденов В.И., Отрашевский Ю.В. Теоретическое и экспериментальное исследования выгорания древесных частиц. // Переработка и энергоиспользование низкокачественной древесины. Труды ЦНИИМЭ, 1989. С.93-100) для проверки теоретических выводов о влиянии геометрических размеров щепы на динамику сушки, термолиза и горения. Стенд состоит из муфельной печи, температура в которой регулируется автотрансформатором, термопары, защитного экрана, тензоусилителя. Исследуемый образец подвешивается на термостойкую нить, прикрепленную к тензодатчикам.

Недостатком данного экспериментального стенда является отсутствие регулируемой подачи окислителя в зону горения и возможности визуального контроля, вследствие чего снижается точность и усложняется определение стадий процесса горения.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство для определения параметров воспламенения и горения материалов (см. а.с. СССР №635415, МКИ G 01 N 25/50, 1978, Б.И. №44) содержащее камеру с окнами, источник излучения, держатель образца, пусковое устройство, датчики температуры и устройство определения кинетических параметров горения.

Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности измерения температуры внутри образца и недостаточная точность проводимых исследований.

Целью изобретения является повышение точности при расширении области определения условий горения.

Поставленная цель достигается за счет того, что предлагаемое устройство для определения параметров воспламенения и горения твердых материалов, содержащее камеру с окнами, источник излучения, держатель образца, регулятор мощности, датчики температуры и блок определения кинетических параметров горения, согласно изобретению, снабжено компьютером и системой очистки дымовых газов, камера с окнами, расположенными в верхней и боковой части, выполнена в виде вертикального цилиндра, держатель образца выполнен в виде съемной горизонтальной колосниковой решетки, датчики температуры установлены непосредственно в зоне горения, на входе и выходе из камеры, источник излучения выполнен в виде двух нагревательных элементов, расположенных, соответственно, в цилиндрической стенке камеры и под горизонтальной колосниковой решеткой, блок определения кинетических параметров горения выполнен в виде двух расположенных у наблюдательных окон видеокамер, подключенных к компьютеру, кроме того датчики температуры и регулятор мощности соединены с компьютером, а система очистки дымовых газов выполнена в виде насадочного абсорбера, снабженного блоком отбора проб.

Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что оно снабжено компьютером и системой очистки дымовых газов, камера с окнами, расположенными в верхней и боковой части, выполнена в виде вертикального цилиндра, держатель образца выполнен в виде съемной горизонтальной колосниковой решетки, датчики температуры установлены непосредственно в зоне горения, на входе и выходе из камеры, источник излучения выполнен в виде двух нагревательных элементов, расположенных, соответственно, в цилиндрической стенке камеры и под горизонтальной колосниковой решеткой, блок определения кинетических параметров горения выполнен в виде двух расположенных у наблюдательных окон видеокамер, подключенных к компьютеру, кроме того датчики температуры и регулятор мощности соединены с компьютером, а система очистки дымовых газов выполнена в виде насадочного абсорбера, снабженного блоком отбора проб.

Наличие системы очистки дымовых газов с блоком отбора проб, позволяет вести анализ продуктов горения, дает возможность оценить степень химического взаимодействия испытуемых образцов с окислителем при горении, а также выбрать экологически рациональный режим горения данного топлива.

Расположение окон в верхней и боковой части позволяет наблюдать за горением образца в двух проекциях. Держатель образца, выполненный в виде съемной горизонтальной колосниковой решетки, позволяет обеспечить возможность установки колосниковых решеток с различными геометрическими показателями. Расположение датчиков непосредственно в зоне горения, на входе и выходе из камеры, позволяет получить более точные данные о температурном режиме горения. Выполнение источника излучения в виде двух нагревательных элементов позволяет увеличить воспроизводимость экспериментов за счет постоянства температурного режима в камере.

Блок определения кинетических параметров горения, позволяет осуществлять регистрацию процесса горения с частотой до 30 кадров в секунду, с помощью цифровых видеокамер. Причем полученные кадры сохраняются в базе данных компьютера с заданным интервалом времени. Связь температурных датчиков с компьютером дает возможность регистрировать значения температуры с высокой частотой при подключении большого количества температурных датчиков. Соединение регулятора мощности с компьютером позволяет программно управлять излучателем и обеспечить стабильность температурного режима в зоне горения. Причем температурные датчики, регулятор мощности и видеокамеры работают синхронно. Регистрируемые датчиками параметры сохраняются в базе данных и обрабатываются в режиме реального времени.

В результате обработки данных с видеокамер и с термодатчиков, определяется изменение линейных размеров горящего образца, характер и продолжительность фаз горения: сушки, термолиза и выгорания коксового остатка.

Все вышеизложенные признаки позволяют получать более точные значения исследуемых параметров и полную картину процесса горения при автоматизации процесса обработки результатов.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из герметичной цилиндрической камеры с окнами 1, компьютера 2, блока определения кинетических параметров, системы очистки дымовых газов 3, блока отбора проб 4.

Камера с окнами 1 включает в себя питатель 5, входной патрубок 6, патрубок отвода продуктов сгорания 7, датчик давления 8, горизонтальную колосниковую решетку 9. Камера с окнами снабжена крышкой 10, содержащей окно 11. Зона горения 12 камеры с окнами футерована огнеупорным материалом 13. Камера с окнами снабжена источником излучения, который состоит из нагревательного элемента 14, расположенного в стенке, ограничивающей зону горения, и нагревательного элемента 15, установленного под колосниковой решеткой 9. Подвод окислителя в зону горения вентилятором 16 происходит через ротаметр 17, счетчик 18, вентиль 19 и входной патрубок 6. В нижней боковой части камеры 1 установлено окно 20.

Блок определения кинетических параметров процесса горения, управляемый компьютером, состоит из аналогово-цифрового преобразователя 21, регулятора мощности 22, термодатчиков 23, 24, 25, цифровых видеокамер 26, 27 и датчика давления 8.

Система очистки дымовых газов 3 состоит из последовательно соединенных барботера 28, насадочного абсорбера 29 и сепаратора 30. Абсорбент по линии циркуляции, состоящей из приемной ванны 31, вентиля 32, расходомера 33 и форсунки 34, перекачивается насосом 35. Откачка дымовых газов из системы очистки через вентиль 36 и ротаметр 37 осуществляется с помощью вентилятора 38.

Блок отбора проб 4 состоит из вентилей 39, 40, 41, 42, капсулы с адсорбентом 43, расходомера 44 и вакуумного насоса 45.

Устройство работает следующим образом. Образец 46 помещается в камеру с окнами 1 на колосниковую решетку 9. При включенном компьютере 2 с блоком определения кинетических параметров горения, вентиляторах 16, 38, насосе 35 и открытых вентилях 19 и 36 осуществляется прогрев камеры с окнами электронагревателями 14, 15. Расход окислителя устанавливается вентилем 19 и фиксируется ротаметром 17, а температура его регистрируется с помощью датчика температуры 23, соединенного с блоком определения кинетических параметров горения. Коэффициент избытка воздуха рассчитывается с учетом показаний счетчика 18, датчика температуры 23 и времени горения образца. Температура образца 46 и в зоне горения 12 замеряется с помощью датчиков температуры 24, 25, а полученные значения для обработки передаются через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 21 в компьютер. Давление в камере фиксируется с помощью датчика 8, и передается через АЦП в компьютер. Заданная температура в камере во время эксперимента поддерживается с помощью электронагревателя 14, управление которым осуществляется программно с компьютера с помощью регулятора мощности 22. Фазы процесса горения (прогрев, термолиз, выгорание коксового остатка) и изменение линейных размеров образца с точностью до 0,2 мм фиксируются цифровыми видеокамерами 26, 27, причем запись изображения производится на компьютер. Программный анализ полученных изображений позволяет получить кинетическую кривую изменения линейного размера частицы во времени.

Данное устройство позволяет также осуществить исследование кинетики процесса горения древесных частиц в слое в зависимости от влажности, геометрических размеров, состава топлива, коэффициента избытка воздуха и давления в камере. При исследовании кинетики горения древесных частиц в слое загрузка осуществляется непрерывно питателем 5. Отбор проб дымовых газов осуществляется блоком отбора 4 из контрольных точек I, II, III, IV при включенном вакуумном насосе 45. Дальнейший анализ проб проводится в аналитической лаборатории.

Выполнение системы очистки дымовых газов в виде автономных съемных элементов: барботера, насадочного абсорбера и сепаратора - позволяет оценить степень влияния каждого из них, а также выработать рекомендации повышения эффективности работы всей системы очистки в зависимости от характеристик топлива.

Таким образом, применение данной установки в исследовательских целях позволяет повысить точность исследований при расширении области определения условий горения.