УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА
DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING FUEL COMBUSTION HEAT

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для определения теплоты сгорания топлива. В контексте настоящего документа под теплотой сгорания топлива понимается количество энергии, высвобождаемой при (полном) сгорании топлива.
Известным устройством для определения теплоты сгорания топлива является бомбовый калориметр, известный, например, из ЕР 0623818 А1. Указанный бомбовый калориметр содержит закрытый контейнер, в котором размещены точно определенная масса топлива, подлежащего измерению, кислородсодержащий газ и воспламенитель. Внутренний контейнер окружен внешним контейнером, в котором находится вода. С помощью бомбового калориметра производят поджиг топлива, подлежащего измерению вместе с кислородсодержащим газом. Топливо сгорает. Выделяемое тепло нагревает воду во внешнем контейнере. Значение теплоты сгорания топлива может быть определено путем измерения увеличения температуры воды, получаемого в результате сгорания.
Существует практическая необходимость в создании недорогой и надежной технологии измерения теплоты сгорания топлива, в частности газообразного топлива, в которой предпочтительно может использоваться удобное в управлении устройство, с помощью которого измерения могли бы выполняться на рабочих площадках, например, на новом месторождении природного газа, месторождении сланцевого газа или на территории биогазовой установки.
В связи с этим, задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованных устройства и способа определения теплоты сгорания топлива.
Чтобы решить эту задачу, в изобретении предлагается устройство, соответствующее приведенному выше описанию и содержащее
- топливоподводящий патрубок с впускным отверстием для подачи измеряемого топлива в устройство;
- газоподводящий патрубок с впускным отверстием для подачи кислородсодержащего газа в устройство;
- блок сгорания, соединенный с топливоподводящим патрубком и газоподводящим патрубком и содержащий камеру сгорания, где происходит реакция измеряемого топлива и кислородсодержащего газа в процессе реакции горения;
- газоотводящий патрубок, соединенный с камерой сгорания, для вывода отработанных газов, образованных в результате реакции горения; а также
- средства для измерения по меньшей мере значения количества энергии, выделенной в результате горения;
- блок расходомера, расположенный между впускным отверстием топливоподводящего патрубка и камерой сгорания.
При использовании устройства в соответствии с настоящим изобретением появляется возможность непрерывно подавать измеряемое топливо в устройство, смешивать указанное топливо с поступающим кислород-содержащим газом и, далее, сжигать топливо (в непрерывном режиме или с остановками), и таким образом определять теплоту сгорания топлива. Данная технология позволяет измерить колебания значения теплоты сгорания, например, обусловленные неоднородностью топлива. Также появляется возможность подавать строго необходимое количество кислород-содержащего газа для определенного количества подаваемого топлива с тем, чтобы добиться полного сгорания. Кроме этого, появляется возможность подачи относительно небольшого количества топлива в камеру сгорания, которая может быть относительно небольшой, что дает возможность использовать относительно небольшой образец топлива для определения теплоты сгорания. В результате чего, для опыта может использоваться довольно небольшое устройство, что соответствует требованиям использования устройства на рабочих площадках и решает задачу настоящего изобретения.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, о котором речь пойдет ниже, предлагается использовать устройство размерами порядка 0,1×0,1×0,1 м. Это значительное уменьшение в сравнении с известными системами, которые в некоторых случаях достигают размеров порядка 1×1×1 м. Так как размеры устройства настоящего изобретения невелики, то для проведения замеров потребуется относительно небольшой образец. Соответственно, для варианта устройства малых размеров будет достаточно скорости подачи, равной 1-2 мл в минуту, в то время как для известных крупногабаритных систем требуется расход в 5000 мл в минуту.
Устройство, описанное в настоящем изобретении, предпочтительно содержит блок расходомера для определения плотности и/или скорости подачи топлива. Подходящим блоком расходомера, например, является блок расходомера Кориолисова типа, с широко известной конструкцией и принципами работы, соответствующими документу ЕР 1719983, содержание которого в полном объеме включено в настоящую заявку посредством ссылки. Использование такого блока расходомера позволяет измерять скорость подачи (по массовому или по объемному расходу) измеряемого топлива с помощью относительно недорогой и надежной технологии. Такое измерение может происходить непосредственно перед тем, как топливо подается в камеру сгорания, что дополнительно повышает точность устройства. Кроме этого, блок расходомера Кориолисова типа подходит для определения плотности измеряемого топлива во время его подачи. Соответственно, появляется возможность проведения мгновенных замеров плотности, а следовательно, такие колебания плотности при необходимости могут учитываться при определении теплоты сгорания, что дает дальнейшее повышение точности. Использование описанного выше блока расходомера, например, Кориолисова типа, позволяет реализовать сравнительно компактный блок расходомера, вследствие чего все устройство имеет сравнительно небольшие размеры. Другой выгодный аспект - это относительно невысокая цена такого измерительного устройства. Таким образом, расходомер Кориолисова типа позволяет реализовать компактную и удобно управляемую конструкцию устройства сравнительно недорогого по цене.
Дополнительным преимуществом блока расходомера Кориолисова типа является его пригодность для измерения расхода и/или плотности как газообразного, так и жидкого топлива, а также их смеси. Это позволяет определять теплоту сгорания как газообразных, так и жидких видов топлива.
3
Если измеряется плотность измеряемого топлива, то появляется возможность эффективно измерить так называемое число Воббе WI (МДж/н.м) топлива. Число Воббе используется для сравнения теплоты сгорания газообразных видов горючего разного состава. Число Воббе рассчитывается по формуле:
3
s
где Н [МДж/н.м] - это количество тепла или, другими словами, теплота сгорания, которая выделяется во время полного сгорания определенного объема смеси горючего газа с воздухом; a G [-] - это отношение массовых плотностей газообразного топлива (например, измеряемого блоком расходомера Кориолисова типа) и воздуха при равной температуре и равном давлении. Число Воббе - это мера взаимозаменяемости различных газов для определенной горелки. Газы с равным числом Воббе дают одинаковую теплоемкость на одной горелке. У горелки, установленной для определенного газообразного топлива, сохранится теплоемкость при переходе на другой состав газа, если число Воббе газа не будет иметь значительных изменений. Если имеется довольно большая разница в числе Воббе, то горелка перестанет работать должным образом, и ее необходимо будет отрегулировать. На практике, отклонение в значении на 5% считается все еще приемлемым для промышленного использования; при бытовом использовании необходимо оставаться в диапазоне менее 2%.
3
Чтобы с помощью устройства можно было также определять число Воббе, устройство в одном из вариантов реализации настоящего изобретения включает в себя средства определения числа Воббе топлива на основании значения плотности, полученного блоком расходомера, например, Кориолисова типа. Для этого также используется описанное выше значение теплоты сгорания Н (МДж/н.м).
Предпочтительным способом определения теплоты сгорания измеряемого топлива является измерение увеличения температуры в результате горения. В одном из вариантов это реализуется за счет того, что устройство содержит по меньшей мере один элемент измерения температуры, который может располагаться в блоке горения или рядом с ним. Таким образом, средства для измерения по меньшей мере значения количества энергии, выделяемой при горении, содержат элемент измерения температуры. В одном из вариантов элемент измерения температуры располагается на некотором расстоянии от камеры сгорания таким образом, что элемент измерения температуры будет подвержен меньшему воздействию увеличения температуры. Элемент измерения температуры может быть представлен интегрированным платиновым датчиком сопротивления.
В одном из вариантов устройство включает в себя блок расходомера, например, Кориолисова типа, расположенный между впускным отверстием газоподводящего патрубка и камерой сгорания. Массовый расход кислородсодержащего газа можно определить и, при необходимости, контролировать с помощью блока расходомера. Альтернативный или дополнительный вариант предусматривают возможность определения плотности кислородсодержащего газа с помощью указанного блока, чтобы можно было более точно установить число Воббе.
Надежную технологию горения измеряемого топлива можно получить, если снабдить устройство нагревательным элементом для повышения температуры как минимум измеряемого топлива предпочтительно перед тем, как оно поступает в камеру сгорания. Нагревательный элемент, например, резисторный нагревательный элемент, позволяет выполнять предварительный нагрев измеряемого топлива и/или кислородсодержащего газа до высокой температуры, например примерно до 600°С, или до другого значения в зависимости от температуры горения измеряемого топлива. Когда топливо смешивается с кислородсодержащим газом, температуры подогрева как правило хватает для самовозгорания. Возможна также установка дополнительных внешних нагревательных элементов, которые будут дополнительно подогревать смесь, чтобы вызвать самовозгорание. Также могут быть предусмотрены другие технологии возгорания.
Очень компактный, небольших размеров вариант устройства можно получить, если устройство содержит системную интегральную схему с кремниевой подложкой на носителе, при этом системная интегральная схема снабжена блоком расходомера и/или блоком сгорания. Вариант с блоком расходомера описан, например, в ЕР 2078936, который полностью включен в настоящее изобретение путем ссылки. При таком варианте появляется возможность использования датчика с размером интегральной схемы порядка 2×2 см, в результате чего достигается значительное уменьшение размеров по сравнению с известными системами. Преимуществом является тот факт, что блок расходомера Кориолисова типа подходит для интеграции с существующей технологией в системной интегральной схеме.
В системной интегральной схеме предусмотрено отверстие, в котором находится нитридкремниевая расходомерная трубка, оба конца которой переходят через стенку отверстия в канал с нитридкремниевым покрытием в кремниевой подложке. Такое исполнение хорошо подходит для блока расходомера Кориолисова типа.
Очень компактным вариантом исполнения, который особенно подходит для измерения расхода и/или плотности газообразного топлива, является исполнение, в котором блок расходомера Кориолисова типа содержит нитридкремниевую расходомерную трубку. Так как упомянутая расходомерная трубка имеет сравнительно тонкие стенки, а масса трубки, соответственно, сравнительно мала, то также существует возможность проводить точные замеры параметров газа.
Допускается вариант, когда блок сгорания содержит нитридкремниевую расходомерную трубку, и также дополнительно возможно, чтобы нитридкремниевая расходомерная трубка содержит камеру сгорания. Нитрид кремния хорошо подходит для этой цели, так как он выдерживает температуры приблизительно до 1000°С. Это позволяет получить компактную конструкцию. Это же относится к исполнению, в котором блок расходомера Кориолисова типа также включает в свой состав нитридкремниевую расходомерную трубку, как описано выше.
Данный аспект сравнительно небольшой камеры сгорания, которая может применяться как таковая, и заявитель оставляет за собой право на защиту настоящего аспекта, например, в одной или нескольких выделенных заявках. Согласно данному аспекту, представлено устройство для определения теплоты сгорания топлива, содержащее:
- топливоподводящий патрубок с впускным отверстием для подачи измеряемого топлива в устройство;
- газоподводящий патрубкок с впускным отверстием для подачи кислородсодержащего газа в устройство;
- системную интегральную схему с кремниевой подложкой на носителе, снабженную блоком сгорания, соединенным с топливоподводящим и газоподводящим патрубками, при этом блок сгорания снабжен камерой сгорания для обеспечения в процессе реакции горения химического взаимодействия измеряемого топлива с кислородсодержащим газом;
- газоотводящий патрубок, соединенный с камерой сгорания для выпуска отработанных газов, полученных в результате реакции горения; а также
- средства для измерения по меньшей мере значения количества энергии, высвобождаемой в результате горения.
Чтобы добиться точного замера значения увеличения температуры в результате горения, камера сгорания в отверстии системной интегральной схемы может быть снабжена теплоизоляцией. Тепло, выделяемое в процессе горения, будет распространяться в блоке сгорания путем кондуктивной теплопередачи и приведет к повышению температуры в месте расположения элемента измерения температуры, который и предусмотрен для этой регистрации такого повышения. Упомянутое увеличение температуры в этом случае будет значением количества тепла, выделяемого измеряемым топливом, и будет равно теплоте сгорания.
Предпочтительным вариантом считается такой вариант, в котором происходит полное сгорание, в результате чего становится возможным точное определение теплоты сгорания и/или числа Воббе. В одном из вариантов реализации устройство для этой цели содержит смешивающий элемент для смешивания измеряемого топлива и кислородсодержащего газа.
Чтобы проверить степень сгорания, в одной из реализаций далее по технологической цепочке за камерой сгорания выполнен датчик кислорода для определения значения количества остаточного кислорода в газообразных продуктах горения. В альтернативной реализации или в варианте с дополнительными возможностями, может иметь место каталитическое определение несгоревших компонентов. Такой вариант может быть реализован в виде относительно простой и компактной конструкции.
В одном варианте устройство снабжено каталитическим элементом. С помощью каталитического элемента можно добиться значительного снижения температуры самовозгорания примерно до 300°С, в результате чего температура в устройстве и, в частности, в блоке сгорания будет ниже, что продлит срок службы устройства.
Согласно одному аспекту в изобретении предусмотрен способ определения теплоты сгорания топлива с помощью заявленного устройства, включающий в себя:
- подачу измеряемого топлива в топливоподводящий патрубок;
- определение по меньшей мере одного параметра, например, расхода и/или плотности измеряемого топлива, посредством блока расходомера, предпочтительным вариантом которого считается блок расходомера Кориолисова типа;
- подачу кислородсодержащего газа в газоподводящий патрубок;
- подачу измеряемого топлива, также как и кислородсодержащего газа, в камеру сгорания блока сгорания;
- обеспечение реакции измеряемого топлива с кислородсодержащим газом в процессе реакции горения; а также
- определение значения энергии, высвобождаемой при сгорании топлива, которая соответствует теплоте сгорания топлива.
Преимущества данного способа были описаны выше в отношении устройства.
Согласно настоящему изобретению способ в частном варианте включает в себя этап определения по меньшей мере одного параметра с помощью блока расходомера, например, Кориолисового типа. Оптимально, таким параметром является плотность, но этим параметром также может быть массовый расход, или другой параметр, а также их сочетание.
В соответствии с изобретением, возможна реализация непрерывной подачи в камеру сгорания измеряемого топлива и кислородсодержащего газа.
В еще одном варианте реализации подача топлива и кислородсодержащего газа в камеру сгорания происходит периодически. И в этом случае горение, в результате которого происходит увеличение температуры, происходит тоже периодически, а при отсутствии подачи топлива тепло теряется. Таким образом, можно эффективно контролировать температуру системы. Кроме этого, временные факторы процесса увеличения температуры позволят выявить динамические теплообменные явления при передаче тепла на датчике и могут использоваться, например, для целей калибровки.
Так, например, отношение времени между двумя последовательными периодами подачи топлива, с одной стороны, и длительностью периода подачи топлива, с другой, больше 1, в самом оптимальном случае оно находится в диапазоне от 5 до 15, или, к примеру, в диапазоне от 9 до 11.
Продолжительность подачи измеряемого топлива может составлять приблизительно 10 секунд. В соответствии с указанным выше отношением, период, когда подача топлива отсутствует, или, другими словами, время между двумя периодами подачи топлива может быть больше 10 секунд, в оптимальном случае это значение находится в диапазоне от 50 до 150 секунд, или от 90 до 110 секунд.
Также возможен вариант, когда способ включает в себя этап измерения количества остаточного кислорода в сжигаемом топливе.
Ниже приведено более подробное описание изобретения, и приводятся иллюстрации с изображением возможных вариантов выполнения изобретения. Приведены следующие иллюстрации:
Фиг. 1 - это перспективный вид устройства согласно настоящему изобретению;
Фиг. 2 - это схематическое изображение устройства согласно настоящему изобретению;
Фиг. 3 - это схематическое изображение варианта устройства согласно настоящему изобретению.
На фиг. 1 изображено устройство 1 для определения теплоты сгорания топлива. Устройство включает в себя топливоподводящий патрубок 40 с впускным отверстием, который ведет в устройство 1 через промежуточный элемент 41. Топливоподводящий патрубок может быть, например, соединен с контейнером топлива (под давлением или без давления), из которого подается топливо. Аналогичным образом, устройство имеет газоподводящий патрубок 50, который также ведет к устройству 1 через промежуточный элемент 51. Газоподводящий патрубок 50 используется для подачи в устройство кислородсодержащего газа, например кислорода, и газоподводящий патрубок 50 соединен с контейнером кислородсодержащего газа. Топливо и кислородсодержащий газ подаются в системную интегральную схему 1 с кремниевой подложкой, закрепленной в кристаллодержателе 11. В системной интегральной схеме предусмотрено несколько отдельных каналов 4, 5, через которые проходят топливо и кислородсодержащий газ. В системной интегральной схеме 1 есть блок расходомера 14, 15 (в варианте на иллюстрации представлен блок расходомера Кориолисового типа) для топливного канала 4 и для газового канала 5, соответственно. Далее за ним по технологической цепочке выполнены каналы 21, 22, которые сходятся в месте расположения блока смесителя 30, где смешиваются топливо и кислородсодержащий газ. далее по технологической цепочке за смесительным каналом выполнена камера 7 сгорания, где происходит горение. Через канал 23, выполненный далее по технологической цепочке, отработанный газ может быть выпущен в газоотводящий патрубок 8, по которому он может быть выброшен через трубку 80.
Системная интегральная схема 1 снабжена отверстием 10, в котором находится нитридкремниевая расходомерная трубка 21, 22, 23 с двумя концами, которые оба сходятся через стенку отверстия в канале с нитридкремниевым покрытием в кремниевой подложке 11. В отверстии 10 присутствует область 12, на которой располагается камера сгорания. Таким образом, камера 7 сгорания имеет термоизоляцию внутри отверстия 10 системной интегральной схемы 1.
На фиг. 2 дано схематическое изображение вида сверху варианта реализации устройства 1, описанного в изобретении. На этой фигуре изображены топливоподводящий патрубок 4 и газоподводящий патрубок 5 для подачи кислородсодержащего газа. Два подводящих патрубка 4, 5 ведут в блок расходомера 14, 15, соответственно, где проводится замер расхода и/или плотности жидкости. В предпочтительном варианте реализован блок расходомера Кориолисова типа. Далее за ним по технологической цепочке находятся нагревательные элементы 43, 53, соответственно, каждый из которых нагревает участок 42, 52 расходомерных трубок, чтобы повысить температуру топлива и кислородсодержащего газа на первом этапе. Обе расходомерные трубки сходятся в Т-образном соединении 30 или смесительном элементе, где топливо смешивается с кислородсодержащим газом. Далее за ним по технологической цепочке находится еще один нагревательный элемент 83 для нагревания смеси топлива и кислородсодержащего газа, чтобы довести смесь до температуры возгорания при поступлении ее в камеру сгорания 82. Газообразные продукты сгорания впоследствии выводятся через газоотводящий патрубок 8.
В варианте, изображенном на фиг. 2, камера сгорания 82 образует часть системной интегральной схемы, а блоки расходомера 14, 15 выполнены отдельными узлами. Таким образом, существует возможность использовать доступные на рынке расходомеры, такие как массовые расходомеры CORI-FLOW фирмы Bronkhorst. Кроме этого, аналогично варианту, изображенному на фиг. 1, возможна реализация, при которой блоки расходомеров и камера сгорания входят в состав одной системной интегральной схемы, или возможен вариант с несколькими отдельными системными интегральными схемами.
На фиг. 3 изображен альтернативный вариант устройства 1, на котором схожие компоненты обозначены схожими числами. Устройство 1 так же содержит системную интегральную схему 11, в которой выполнено отверстие 10, в котором находится камера сгорания 12 с термической изоляцией. Этот вариант устройства 1 содержит два подводящих патрубка 2 для кислород-содержащего газа, которые выполнены в виде первого трубчатого канала 4 и второго трубчатого канала 6. В указанных каналах находятся первый блок 14 расходомера и второй блок 16 расходомера, соответственно, которые в предпочтительной реализации являются расходомерами Кориолисового типа. Устройство 1 также содержит подводящий патрубок 3 для топлива, в котором находится блок расходомера (не изображенный на схеме с целью сохранения ясности иллюстрации), в предпочтительной реализации - Кориолисового типа. В предпочтительном варианте блок расходомера рассчитан на измерение плотности и/или расхода соответствующей текучей среды.
Далее по технологической цепочке за подводящими патрубками 2, 3, в месте расположения термически изолированного участка 12, каналы соединяются в месте расположения смесительного блока 30. Далее за ним по технологической цепочке расположена камера 7 сгорания, которая в проиллюстрированном варианте выполнена в виде канала.
На системной интегральной схеме также находится ряд так называемых контактных площадок 9a-9n или контактных поверхностей, которые могут использоваться, например, для подключения к нагревательному элементу, элементу измерения температуры, датчику кислорода или любому другому необходимому элементу. Контактные площадки, такие как 9f-9n, широко известны специалистам. В варианте на иллюстрации контактные площадки 9a-9f подключены к платиновым нагревательным элементам, и с их же помощью может измеряться температура. В варианте на иллюстрации контактные площадки 9h-9n подключены к температурным датчикам. Датчик кислорода (не показаны на иллюстрации) расположен внутри или рядом с отводящим патрубком 8 для измерения остаточного кислорода, но также возможен вариант, в котором указанный датчик кислорода не образует составляющую часть устройства, но соединяется с отводящим патрубком 8 и реализован в виде отдельного узла.
Для специалистов понятно, что в вышеизложенном тексте приводится описание предпочтительно варианта осуществления изобретения. Однако этим вариантом не ограничиваются все возможности реализации изобретения. Возможны различные модификации на базе основной концепции изобретения. Объем испрашиваемой правовой охраны определяется прилагаемой формулой.