АНАЛИЗАТОР ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ

Полезная модель относится к области аналитической техники, а именно, к средствам измерения теплоты сгорания горючих газов.
Известен анализатор теплоты сгорания горючих газов (Фарзане Н.Г. и др. Технологические системы и приборы. М.: Высш. шк., 1989. с. 291-292), представляющий собой камеру, стенки которой являются теплообменником, промываемым охлаждающей средой, и имеющую отверстие для отвода из нее продуктов сгорания, внутри которой расположена горелка для сжигания в ней анализируемого газа. Данный анализатор позволяет автоматически измерять высшую объемную удельную теплоту сгорания газов, которая пропорциональна разности температур, входящего в теплообменник и выходящего из него потоков охлаждающей среды.
Недостатком такого анализатора является то, что он позволяет измерять только высшую теплоту сгорания газообразных горючих газов, которая не является основной газовой характеристикой, а также сложность его конструкции.
Для определения низшей объемной удельной теплоты сгорания горючих газов, являющейся основной характеристикой их качества, с помощью данного анализатора необходимо осуществлять дополнительные измерения количества конденсата, образовавшегося при сгорании анализируемого газа.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является анализатор теплоты сгорания горючих газов (Измерения в промышленности. Справочник. Под ред. П. Профоса. М.: Металлургия, 1980. с. 440-441, рис. 3.9-4.6), содержащий линию анализируемого газа, на который установлен стабилизатор давления, камеру сгорания, во внутренней полости которой по оси симметрии расположена газовая горелка, батарею термопар, размещенную над горелкой, и измеритель сигнала батареи термопар. Измерение низшей объемной удельной теплоты сгорания таким анализатором осуществляется путем непрерывной подачи при постоянном давлении анализируемого газа в горелку и измерения температуры продуктов сгорания с помощью батареи термопар и измерителя сигналов этих термопар.
Недостатком такого анализатора является низкая точность измерения (погрешность составляет ±2-2,5%), что определяется тем, что при используемой в нем системы подачи анализируемого газа, сигнал анализатора зависит не только от теплоты сгорания, но и от его плотности, которая может существенно изменяться.
Задачей полезной модели является уменьшения влияния на сигнал изменения плотности анализируемого газа.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерения теплоты сгорания горючих газов.
Поставленная задача, и, как следствие, технический результат достигаются тем, что анализатор теплоты сгорания горючих газов, содержит линию анализируемого газа, на который установлен стабилизатор давления, камеру сгорания, во внутренней полости которой по оси симметрии расположена газовая горелка, батарею термопар, размещенную над горелкой, и измеритель сигнала батареи термопар. Согласно полезной модели анализатор теплоты сгорания дополнительно содержит два электропневматических преобразователя с электромагнитами, один из которых имеет замыкающий, а другой - размыкающий пневматический контакты, пневматическую емкость, генератор прямоугольных электрических импульсов и тройник, причем вход электропневматического преобразователя с замыкающим пневматическим контактом соединен с выходом стабилизатора давления, выход этого преобразователя подключен через тройник к пневматической емкости и к входу электропневматического преобразователя с размыкающим пневматическим контактом, при этом выход этого преобразователя соединен с входом горелки, а электромагниты обоих электропневматических преобразователей подключены к выходу генератора прямоугольных электрических импульсов.
Такая конструкция позволяет увеличить точность измерения теплоты сгорания газа за счет использования двух электропневматических преобразователей и пневматических емкостей, которые обеспечивают поочередное замыкание и размыкание пневматических контактов по сигналу генератора и тем самым создают стабильный объемный расход потока анализируемого газа в газовую горелку, независимый от значения плотности газа. Это обеспечивает однозначную связь между температурой продуктов сгорания и теплотой сгорания газа.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и взаимном их расположении.
Схема анализатора теплоты сгорания горючих газов представлена на фиг. 1.
Анализатор теплоты сгорания горючих газов содержит линию анализируемого газа 1, на которой установлен стабилизатор 2 давления, камеру сгорания 3, во внутренней полости 4 которой по оси 5 симметрии расположена газовая горелка 6, батарею термопар 7, размещенную над газовой горелкой 6 и измеритель 8 сигнала батареи термопар 7.
Анализатор также содержит два электропневматических преобразователя 9 и 10 с электромагнитами 11 и 12. Электропневматический преобразователь 9 имеет замыкающий 13, а электропневматический преобразователь 10 размыкающий 14 пневматические контакты. В составе анализатора также имеется пневматическая емкость 15, генератор 16 прямоугольных электрических импульсов и тройник 17. Вход 18 электропневматического преобразователя 9 соединен с выходом 19 стабилизатора 2 давления, выход 19 этого преобразователя подключен через тройник 17 к пневматической емкости 15 и к входу 20 электропневматического преобразователя 10, а выход 21 преобразователя 10 соединен со входом 22 горелки 6. Электромагниты 11 и 12 электропневматических преобразователей 9 и 10 подключены к выходу генератора 16 прямоугольных электрических импульсов. Камера 3 сгорания снабжена диффузорам 23, через который в нее поступает воздух. На линии, соединяющей выход 21 электропневматического преобразователя 10 с горелкой 6, установлена пневматическая емкость 24, служащая для сглаживания небольших колебаний расхода газа, вызванных пульсацией потока анализируемого газа.
Анализатор теплоты сгорания горючих газов работает следующим образом.
Непрерывно к нему подается анализируемый горючий газ по линии 1, давление которого поддерживается постоянным с помощью стабилизатора давления 2. При поступлении от генератора 16 очередного прямоугольного импульса замыкается пневматический контакт 13 пневмоэлектрического преобразователя 9. При этом поток газа начинает поступать через вход 18 и замкнутый пневматический контакт 13 на выход 19 в тройник 17 и пневматическую емкость 15. За время импульса в пневматической емкости 15 накапливается пневматический заряд, т.е. некоторое постоянное по объему количество газа, которое не зависит от его плотности. В это время пневматический контакт 14 преобразователя 12 разомкнут.В этот период, анализируемый газ, накопленный в пневматической емкости 24, постепенно вытекает в горелку 6. При исчезновении прямоугольного электрического импульса от генератора 16 электромагниты 11 и 12 переключают электропневматические преобразователи 9 и 10 так, что размыкается контакт 13 и замыкается контакт 14. При этом анализируемый газ начинает поступать из пневматической емкости 15 через пневматический контакт 14 в пневматическую емкость 24 и горелку 6. При появлении нового прямоугольного импульса все описанные операции повторяются. Таким образом, за один период работы импульсного генератора 16 из линии 1 в горелку 6 перетекает строго определенный объем анализируемого газа, значение которого не зависит от его плотности.
Все сказанное ниже описывается приведенными выражениями: Число молей анализируемого газа, которое накапливается в пневматической емкости 15 при замкнутом контакте электропневматического преобразователя 9, описывается выражением:
1
где P - абсолютное давление в линии подачи газа;
R - универсальная газовая постоянная;
T - абсолютная температура газа;
V - объем пневматической емкости.
Число молей анализируемого газа, которое остается в пневматической емкости 15 после исчезновения импульса от генератора, описывается выражением:
В результате за время одного периода колебаний генератора число молей в пневматической емкости 15 изменяется на ΔN, т.е. из одной линии в другую проходит количество газа, равное:
Этот количество газа не зависит от плотности и вязкости, оно прямо пропорционально перепаду давлений на входе и выходе стабилизатора расхода.
С учетом выражения (1) и (2), а также частоты прямоугольных колебаний, поступающих от генератора, объемный расход может быть описан выражением (Фудим Е.В. Пневматическая вычислительная техника. М.: Наука, 1973. с. 191-195):
где
f - частота подачи импульсов генератора, определяющая частоту передачи порций газа;
м
V - молярный объем анализируемого газа.
1
2
Из формулы (4) видно, что если разность давлений P и P постоянна, то объемный расход анализируемого газа будет постоянным.
Таким образом, при постоянной частоте (0.5-1 Гц) следование электрических импульсов, поступающих от генератора 16, в описанном анализаторе поддерживается постоянный объемный расход анализируемого газа. Возникающие при этом некоторые пульсации анализируемого газа во многом сглаживаются наличием емкости 24. Дополнительные сглаживания выходного сигнала обеспечиваются еще и тем, что время реакции термопар описанного анализатора составляет порядка 15 секунд.
Экспериментально установлено, что погрешность низшей объемной удельной теплоты сгорания с помощью предложенного анализатора составляет ±1%.
Преимуществом предлагаемого технического решения является:
- большая (по сравнению с прототипом) точность измерений низшей объемной удельной теплоты сгорания горючих газов;
-
простота конструкции.
Предлагаемый анализатор теплоты сгорания горючих газов может быть реализован на базе существующего анализатора теплоты сгорания при введении в его конструкцию дополнительных элементов: стандартных электропневматических преобразователей, пневмоемкостей и генератора прямоугольных импульсов, собранного на базе распространенных схем и кварцевого генератора.
Анализатор теплоты сгорания горючих газов может найти применение для контроля качества газообразных топлив на предприятиях нефтегазодобывающей, нефтегазоперерабатывающей промышленности и в коммерческих операциях с природным газом.