УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ПРОБЫ ИЗ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ХИМИЧЕСКИ РЕАГИРУЮЩЕГО ПОТОКА

Полезная модель относится к газовому анализу и может быть использована при исследовании состава высокотемпературных газовых и плазменных потоков.
Известно устройство для отбора пробы газа из высокотемпературного химически реагирующего потока [SU 1700431 A1, МПК5 G01N 1/22, G01N 1/24, опубл. 23.12.1991], содержащее корпус, в котором размещены отверстие для отбора пробы, два продольных канала подвода потоков инертного газа, канал отбора пробы и продольный канал отвода смеси газов на анализ. В продольных каналах подвода потоков инертного газа, ориентированных навстречу друг к другу, установлены пористые вставки. Канал отбора пробы размещен перпендикулярно продольным каналам подвода потоков инертного газа. Канал отбора пробы, после прохода каналов подвода потоков инертного газа через область их уплотнения, соединен с продольным каналом отвода смеси на анализ. При этом канал отбора пробы ориентирован перпендикулярно продольному каналу отвода смеси на анализ.
Недостатки устройства: значительное разбавление пробы инертным газом, что затрудняет определение количества компонентов с малым содержанием; конструкция устройства приводит к появлению газодинамических возмущений, вызывающих изменение относительных скоростей химических реакций в высокотемпературной среде, поэтому результаты анализа пробы не соответствуют составу анализируемого высокотемпературного химически реагирующего потока.
Известно устройство для отбора пробы из высокотемпературного химически реагирующего потока [J.L. Beal, J.T. Grey. Sampling and Analysis of Combustion Gases, Journal of American Rocket Society, 23, 1953, p. 174], выбранное в качестве прототипа, которое содержит размещенные по одной оси сопло Лаваля, для охлаждения высокотемпературного потока до температуры прекращения химических превращений, и канал отвода отбираемой пробы, соединенный с вакуумным насосом. Диаметр выходного сечения сопла Лаваля меньше диаметра канала отвода отбираемой пробы. Устройство снабжено холодильником, в котором канал для ввода хладагента связан с жидкостным насосом, соединенным с резервуаром для хладагента. В устройстве выполнен канал подачи гелия, расположенный концентрически между каналом отвода отбираемой пробы и холодильником.
За счет разбавления пробы инертным газом затруднено определение компонентов с малым содержанием, поэтому результаты анализа пробы не соответствуют составу анализируемого высокотемпературного химически реагирующего потока.
Задачей полезной модели является расширение арсенала средств аналогичного назначения.
Устройство для отбора пробы из высокотемпературного химически реагирующего потока, также как в прототипе, содержит размещенные по одной оси сопло Лаваля, канал отвода отбираемой пробы, соединенный с вакуумным насосом, при этом диаметр выходного сечения сопла Лаваля меньше диаметра канала отвода отбираемой пробы, холодильник снабжен каналом для ввода хладагента, который связан с жидкостным насосом, соединенным с резервуаром для хладагента.
Согласно полезной модели диффузор и конфузор сопла Лаваля выполнены в форме усеченных конусов, канал отвода отбираемой пробы одним концом соединен герметично с соплом Лаваля, а другим концом соединен с вакуумным насосом системы анализа химического состава, причем холодильник установлен в канале отвода отбираемой пробы, касаясь его поверхности, и выполнен из трубы, часть которой изогнута спиралевидно и соединена с каналом ввода хладагента, а другая часть, изогнутая под прямым углом, соединена с каналом отвода хладагента.
Выполнение холодильника в виде трубы, часть которой изогнута спиралевидно, исключает образование застойных зон в его объеме при любой ориентации оси устройства отбора пробы относительно вертикали, в отличие от устройства со сплошным цилиндрическим холодильником. Расположение холодильника внутри канала отвода отбираемой пробы позволяет увеличить скорость теплоотвода от потока отбираемой пробы, причем эффективность охлаждения потока отбираемой пробы близка к максимальной и выше чем в прототипе, а температура отбираемой пробы после холодильника ниже. Поэтому, в отличие от прототипа, не требуется подача инертного газа для дополнительного разбавления и охлаждения отбираемой пробы до температуры прекращения химических превращений.
Выполнение диффузора и конфузора сопла Лаваля в форме усеченных конусов проще при изготовлении и позволяет более точно задавать изменение температуры отбираемой пробы после прохождения сопла Лаваля. Это гарантирует достижение температуры прекращения химических превращений отбираемой пробы в канале отвода отбираемой пробы после прохождения холодильника.
Герметичное соединение одного конца канала отвода отбираемой пробы с соплом Лаваля, а другого конца - с вакуумным насосом системы анализа химического состава отбираемой пробы в предлагаемом устройстве позволяет исключить разбавление пробы инертным газом.
Таким образом, предложенное устройство позволяет отбирать пробу того же состава, что и высокотемпературный химически реагирующий поток в области отбора, а также не требует разбавления пробы инертным газом.
По сравнению с прототипом, конструкция предложенного устройства проще и имеет меньшие размеры.
На фиг.1 приведена схема устройства для отбора пробы из высокотемпературного химически реагирующего потока.
Устройство для отбора пробы из высокотемпературного химически реагирующего потока содержит корпус 1 (фиг.1), внутри которого расположены канал отвода 2 отбираемой пробы, диффузор 3 и конфузор 4 сопла Лаваля. Канал отвода 2 отбираемой пробы образован внутренней поверхностью корпуса 1 и имеет цилиндрическую форму. Диффузор 3 и конфузор 4 сопла Лаваля выполнены в виде усеченных конических поверхностей. Диффузор 3 сопла Лаваля соединен в своем наибольшем осевом сечении с каналом отвода 2 отбираемой пробы. Сечение канала отвода 2 отбираемой пробы больше, чем наибольшее осевое сечение диффузора 3 сопла Лаваля в месте его присоединения. В канале отвода 2 отбираемой пробы установлен холодильник 5, выполненный в виде трубы, одна часть которой изогнута спиралевидно и выведена в канал ввода 6 хладагента, а другая часть - изогнута под прямым углом и выведена в канал отвода 7 хладагента. Холодильник 5 установлен в канал отвода 2 отбираемой пробы, касаясь его поверхности. Каналы ввода 6 и отвода 7 хладагента выполнены на конце корпуса 1. Канал ввода 6 хладагента соединен с выходным патрубком жидкостного насоса, который соединен входным патрубком с резервуаром для хладагента. Канал отвода 7 хладагента соединен с резервуаром для хладагента. В конце канала отвода 2 отбираемой пробы размещен штуцер 8 для подключения к вакуумному насосу системы анализа химического состава.
Корпус 1 изготовлен из крошки кварцевого стекла прессованием. В качестве холодильника 5 использована медная трубка. В качестве хладагента использована вода.
Устройство для отбора пробы из высокотемпературного химически реагирующего потока устанавливают при помощи держателя, размещенного неподвижно на штативе, соосно с реактором, в котором формируют высокотемпературный химически реагирующий поток, пробу которого отбирают.
При работе устройства для отбора пробы из высокотемпературного химически реагирующего потока с помощью жидкостного насоса, например, ТР4000Е, хладагент из резервуара непрерывно подают в канал ввода 6 хладагента и выводят его через канал отвода 7 хладагента в резервуар.
При помощи вакуумного насоса системы анализа химического состава, например, 2НВР-250Д, в канале отвода 2 отбираемой пробы создают давление в диапазоне 2-8 мм рт.ст. Напускают в конфузор 4 сопла Лаваля пробу в виде части высокотемпературного химически реагирующего потока за счет перепада давления между каналом отвода 2 отбираемой пробы и объемом, в котором распространяется высокотемпературный химически реагирующий поток. За счет движения в конфузоре 4 и диффузоре 3 сопла Лаваля проба разгоняется до сверхзвуковых скоростей и охлаждается до температуры ниже температуры прекращения химических превращений.
Охлажденную пробу, прокачивают через канал отвода 2 отбираемой пробы и дополнительно охлаждают с помощью холодильника 5, а затем подают через штуцер 8 в вакуумный насос системы анализа химического состава, например, масс-спектрометра ЭМГ-20-9.
Таким образом, осуществляют газовый анализ при исследовании состава высокотемпературных газовых и плазменных потоков.