УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ДАТЧИК КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ДАТЧИК КОНТРОЛЯ И ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ,
Полезная модель относится к области контроля качества процессов горения и предназначена для контроля и управления физико-химическими свойствами технологических газовых атмосфер, например, кислородным и углеродным потенциалами, влаго- или кислородосодержанием газовых сред, а также управления соотношением топливо / окислитель в теплоэнергетических установках.
Известен датчик контроля количества кислорода в выхлопных газах автомобильных двигателей внутреннего сгорания, содержащий керамический корпус с твердоэлектролитной ячейкой, помещенные в нее измерительный, сравнительный электроды и термопару. На поверхности измерительного электрода нанесен слой катализатора, состоящий из керамики на основе пористого оксида алюминия с платиной и цирконием.
см. а.з. Японии № 1-51775, МКИ G 01 N 27/ 58, заявл. 13.12.80 , опубл. 22.06.82, ИСМ
№ 13/90.
Описанный датчик позволяет контролировать только количество остаточного кислорода в конкретных теплоэнергетических установках (двигателях внутреннего сгорания автомобилей) из-за невозможности достижения термодинамического равновесия реакции на катализаторе, размещенном непосредственно на измерительном электроде.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является датчик контроля процессов горения (зонд для измерения кислорода), состоящий из керамического корпуса (фубки с отверстием) с помещенной в него МКИ F 23 N 5  18 G 01 N  РЕГУЛИРОВАНИЯ
твердоэлектролитной ячейкой, содержащей измерительный и сравнительный электроды, термопару, а также каталитический элемент (выполненный из мелкодисперсного материала, обладающего каталитическим действием на углеводородные соединения). Причем каталитический элемент расноложен в отверстии трубки.
см. 3. ФРГ № 3422701,МКИ G 01 F 27/50, F 01 N 3/26, заявл. 19.06.84,опубл. 19.12.85
Недостатки нрототина заключаются в:
-невозможности создания универсальной конструкции (погружного и выносного вариантов) из-за влияния на его показания нежелательных воздействий (например, колебаний температуры, наличия излищней влаги, изменения расхода газовой пробы и т.д.);
сложности экснлуатации в связи с необходимостью использования дополнительных приспособлений, например, расходомеров;
-ограниченности срока службы, связанной с незащищенностью от внештатных отклонений режима горения;
-ограниченной достоверности результатов измерений, обусловленной отсутствием единого температурного поля каталитического пространства и твердоэлектролитной ячейки, что не позволяет гарантированно достигнуть равновесного состояния анализируемого газа.
Задачей настоящей нолезной модели является расширение функциональных возможностей при обеспечении достоверности результатов и повыщении срока службы универсального датчика в различных условиях его экснлуатации.
Поставленная задача рещается тем, что в известном датчике контроля и регулирования процессов горения, состоящем из керамического корпуса с помещенной в него твердоэлектролитной ячейкой, содержащей измерительный и сравнительный электроды, термопару, а также каталитический элемент, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, каталитический элемент изготовлен, из тенлопроводного газонроницаемого материала и размещен внутри корпуса перед ячейкой; снаружи корпуса в области каталитического элемента
и потенциалообразующей зоны ячейки расположен электронагреватель; корпус установлен внутри металлического кожуха и теплоизолирован от него.
Каталитический элемент изготовлен, например, в виде упруго-пористого блока из металлической нержавеющей проволочной спирали с активным платиносодержащим покрытием.
Диаметр и длина каталитического элемента связаны соотношением : D/L 1:2-1:6.
Керамический корпус изготовлен составным : высокотеплопроводным в зоне расположения электронагревателя и низкотеплопроводным в остальной части.
Конструкция предлагаемого универсального датчика необходима и достаточна для решения поставленной задачи за счет создания условий гарантированного достижения термодинамического равновесия реакции горения путем варьирования размеров каталитического пространства (элемента) при исключении влияния расходных и температурных флюктуации.
Следует отметить, что известны примеры использования деталей из упруго-пористых материалов на основе проволочных спиралей в качестве катализаторов химических реакций см., например, Д.Е.Чегодаев и др. Конструирование рабочих органов машин и оборудования из упруго-пористого материала МР, издание Самарского государственного аэрокосмического университета, 1994 год, часть I, стр. 15, часть П, стр. 78; патент РФ № 2043147, МКИ В 01 J 23/42, опубл. 10.09.95г., б. JVb 25 Катализатор для гидрирования непредельных и ароматических углеводородов и способ его приготовления ; патент РФ JVb 2063804, МКИ В 01 J 23/89, опубл. 20.07.96г., б. № 20 Катализатор для окисления углеводородсодержащих газов и способ его приготовления.
Однако, известные катализаторы не использовались для решения поставленной задачи, в частности, в датчиках контроля и регулирования процессов горения, а применялись в традиционных химических процессах по прямому назначению.
Следовательно, анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том. что заявляемая полезная модель не известна из уровня исследуемой техники и соответствует критерию новизна.
Возможность изготовления предлагаемого Универсального датчика контроля и регулирования процессов горения на отечественных предприятиях приборостроения из доступных материалов и комплектующих элементов позволяет сделать вывод о его соответствии критерию промышленная применимость.
На фиг. схематично изображен заявляемый универсальный датчик контроля и регулирования процессов горения.
Обозначения на фигуре:
1- керамический корпус
2- твердоэлектролитная ячейка
3- измерительный электрод
4- сравнительный электрод
5- термопара
6- каталитический элемент
7- электронагреватель
8- металлический кожух
9- теплоизоляция
10- отверстие для входа газовой пробы
11- отверстие для выхода газовой пробы
Предлагаемый универсальный датчик состоит из составного керамического корпуса 1, одна часть которого выполнена высокотеплопроводной (например, из бериллия), а другая часть низкотеплопроводной (например, из диоксида циркония или оксида алюминия). Внутрь корпуса 1 помещена твердоэлектролитная ячейка 2, содержащая измерительный электрод 3,
сравнительный электрод 4, термопару 5 и каталитический элемент 6. Каталитический элемент 6 изготовлен из тенлопроводного газопроницаемого материала, например, в виде упругопористого блока (1-3 штуки) из металлической нержавеющей проволочной спирали с активным платиносодержащим покрытием (аустенитная нержавеющая сталь типа 1IX 18Н10Т, ЭЙ- 708, ЭП-322; диаметр проволоки 0,03-0,3 мм, диаметр спирали 0,2-2.0 мм, блок спрессован схолодную под давлением 10-500 Мпа, платиновое покрытие нанесено путем погружения в платиносодержащий водный раствор с последующей специальной обработкой).
Каталитический элемент 6 размещен внутри корпуса 1 перед твердоэлектролитной ячейкой 2 .
Снаружи керамического корпуса 1 в области каталитического элемента 6 и потенпиалобразующей зоны ячейки 2 расположен электронагреватель 7.
Керамический корпус 1 установлен внутри металлического кожуха 8 и изолирован от него теплоизоляцией 9.
Универсальный датчик может быть установлен непосредственно внутри теплоэнергетической установки, в которой сжигается топливо, или вне ее в подачей в датчик газовой смеси еще не вступившей в реакцию горения.
Заявляемый Универсальный датчик контроля и регулирования процессов горения работает следующим образом :
Газовая проба поступает через отверстие 10 на каталитический элемент 6 универсального датчика под собственным избыточным давлением. При этом происходит ее нагрев до рабочей температуры (400 - 600 град С) и осуществляется весь комплекс каталитических реакций с достижением состояния газофазного термодинамического равновесия (расход газовой пробы не влияет на показания датчика). Равновесная (при температуре, измеряемой термопарой 5) газовая фаза омывает измерительный электрод 3, находящийся в непосредственной близости от каталитического элемента 6, обеспечивая надежную работу твердоэлектролитной ячейки 2.
Возникающая при этом разность иотенциалов в виде сигнала датчика передается через контроллер на компьютер. Отработанная газовая проба выводится из датчика через отверстие 11. Нагреватель 7 и составной керамический корпус 1 обеспечивают поддержание заданного температурного режима.
Заявляемый универсальный датчик испытывался в лабораторных и промышленных условиях Уральского региона.
ПРИМЕР 1. Испытания погружного варианта универсального датчика.
Испытания проводили на специальной микрофакельной горелке, работавшей на смеси пропан-бутана с воздухом. При этом датчик погружали в послегорелочное пространство с продуктами сгорания с координатой реакции не менее 0,9. Соотношение D/L составляло 1:2 (количество упруго-пористых блоков -1; диаметр 11 мм, длина 22 мм). Электронагреватель поддерживал постоянную температуру 400 град С. Сигнал датчика через контроллер поступал на компьютер, где фиксировали динамику значения коэффициента расхода воздуха а, равное 1,05 в виде прямой линии с погрешностью не более 1 %, что позволяло управлять процессом горения, поддерживая значение а на одном уровне.
ПРИМЕР 2. Испытания выносного варианта универсального датчика.
Испытания проводили на специальной микрофакельной горелке , перед которой размешали универсальный датчик и подавали в него холодную смесь пропан-бутана с воздухом с координатой реакции 0. Соотношение D/L состав.11яло 1:6 ( количество упруго-пористых блоков - 3; диаметр 11 мм, длина 66 мм). Электронагреватель поддерживал постоянную температуру 600 град С. Газовая проба в каталитическом пространстве полностью сгорала, достигая термодинамического равновесия, компьютер фиксировал динамику значения величины а, равную 1,05.
смесей. Было установлено, что ногрешность измерений с помощью заявляемого универсального датчика не нревышает 2%.
Одновременно проводили испытания известного погружного датчика, взятого за прототип, см. 3. ФРГ № 3422701 и установили, что погрешность измерений составляет более 15%.
Как видно из приведенных примеров использование заявляемого Универсального датчика контроля и регулирования процессов горения по сравнению с известным датчиком, взятым за прототип, см. 3. ФРГ № 3422701 обеспечивает следующие технические и общественнополезные преимущества:
-расширение функциональных возможностей (контроль, регулирование и управление процессами горения);
-повышение достоверности результатов;
-увеличение срока службы за счет применения высоконадежного металлического теплоизолированого кожуха , составного керамического корпуса и других элементов конструкции;
-возможность эффективной работы в различных условиях эксплуатации;
- простота адаптации к современным автоматизированным измерительным системам.