Способ контроля степени исчерпания защитных свойств сыпучего сорбента
METHOD FOR CONTROLLING THE DEGREE OF EXHAUSTION OF THE PROTECTIVE QUALITIES OF A BULK SORBENT

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля качественного состояния фильтрующе-поглощающих изделий.
Известен способ определения дефектов в изделии методом теплового неразрушающего контроля (Патент РФ N 2315983, МПК G01N 25/00). Способ включает нагрев изделия, его последующее охлаждение рабочей средой, в качестве которой используют смесь газа и жидкости, измерение температуры изделия и определение темпа охлаждения для каждой элементарной площадки поверхности изделия.
Недостатками способа являются трудоемкость и энергоемкость, невозможность определения степени исчерпания защитных свойств сорбента.
Известен способ автоматизированного неразрушающего контроля теплофизических свойств фильтрующе-поглощающих систем (Патент РФ №2419783, МПК G01N 25/48). Способ включает измерение температуры, контроль теплового эффекта процесса сорбции при поглощении углеродными сорбентами газо-воздушной смеси с эталонными веществами в динамических условиях, регистрацию изменения температуры поверхности сорбента при прохождении через него газо-воздушной смеси с поглощаемым компонентом. О защитных свойствах косвенно судят по времени от начала продувки до достижения начальной температуры (т.е. до полного остывания).
К недостаткам способа относятся невысокая точность, невозможность определения остаточной емкости по поглощаемому компоненту, необходимость использования эталонной газо-воздушной смеси.
Наиболее близким техническим решением является способ неразрушающего контроля степени исчерпания защитных свойств фильтрующе-поглощающих изделий (Патент РФ №2561014, МПК G01N 25/48). Способ включает бесконтактное измерение температур, контроль теплового эффекта сорбции, определение коэффициента теплоотдачи на поверхности сорбента, омываемой газо-воздушной смесью, содержащей поглощаемый компонент, определение мощности источников теплоты сорбции и скорости сорбции.
К недостаткам способа относится невысокая точность определения степени исчерпания защитных свойств сыпучего сорбента, обусловленная погрешностью определения коэффициента теплоотдачи на поверхности сорбента, а также погрешностью определения объемной мощности внутренних источников тепла, действующих в сорбенте. Формулы способа выведены с допущением о равномерном распределении источников тепла сорбции по толщине пластины сорбента. Данное допущение действует при толщинах пластины сорбента не более 1,5…3 мм. С увеличением толщины более 3 мм усиливается неравномерность распределения источников тепла вследствие уменьшения концентрации поглощаемого компонента в слоях сорбента, расположенных глубже от поверхности пластины. Следствием этого является уменьшение точности способа при контроле насыпного слоя сорбента.
Техническая задача изобретения - повышение точности контроля степени исчерпания защитных свойств насыпного слоя сорбента.
Данная техническая задача решается тем, что формируют стандартный образец из неотработанного сорбента и контролируемый образцы сорбента в форме плоского насыпного слоя, поочередно проводят эксперименты со стандартным и контролируемым образцами, в каждом из которых соответствующий образец размещают между источниками тепла, подводят теплоту к образцу и одновременно вводят в образец поглощаемый компонент, регистрируют температуры поверхностей образца, приведенных в тепловой контакт с источниками тепла, определяют степень исчерпания защитных свойств сорбента по формуле
0i
i
где w, k - параметры уравнения
i
0
n
1
T(R, τ) - измеренная температура поверхности образца, приведенной в тепловой контакт с источником; Т - начальная температура образца;  - число Померанцева;  - критерий Предводителева; R - половина толщины образца; λ, α - теплопроводность, температуропроводность образца соответственно;  - число Фурье;  - число Кирпичева; μ=nπ; q - плотность теплового потока от источника тепла; τ - время измерения, исчисляемое с начала измерения до момента достижения постоянной скорости изменения температуры; i=1,2 - индексы, относящиеся к стандартному и контролируемому образцам соответственно.
2
2
2
На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации способа. Образец сорбента формируют в виде насыпного слоя в форме квадратной пластины толщиной 2R со стороной  (причем ), размещая его между плоскими нагревательными элементами 2. Толщина нагревательных элементов должна быть не менее чем в 10 раз меньше 2R. Ввод газовой смеси с поглощаемым компонентом осуществляют через патрубок 3 в направлении, указанном стрелкой. При поглощении компонента газовой смеси в образце сорбента начинают действовать источники тепла. Предложенное устройство использовалось для контроля хемосорбента на основе KО, поглощаемый компонент - СО. В результате реакции хемосорбции выделяется кислород, который стравливается из устройства через патрубок 4. Для повышения точности определения плотности теплового потока от источника тепла в образец в измерительном устройстве используется два дополнительных образца сорбента 5, полностью идентичных по свойствам и размерам образцу 1. Они размещены между нагревательными элементами 2, 6, имеющими одинаковые геометрические размеры и мощность, равную U/r, где U - напряжение питания нагревательного элемента, r - сопротивление. Поэтому при равенстве мощностей нагревательных элементов 2,6 и геометрических и теплофизических свойств образцов 1,5 плотность теплового потока от нагревательных элементов 2 в образец 1 может быть вычислена по формуле  Для измерения температуры поверхностей образца 1, приведенных в тепловой контакт с источниками тепла 2 используются два термоэлектрических термометра 8, горячие спаи которых приведены в тепловой контакт с поверхностью образца 1. Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду используется теплоизоляция 7.
Способ контроля степени исчерпания защитных свойств сыпучего сорбента реализуется следующим образом.
0
1
0i
i
Поочередно проводят два эксперимента: первый - со стандартным образцом неотработанного сорбента, второй - с контролируемым образцом. Каждый из образцов формируют в виде насыпного слоя в форме квадратной пластины со стороной  и толщиной 2R. Размещают сформированный опытный (стандартный или контролируемый) образец между источниками тепла. Формируют два дополнительных образца сорбента, идентичных опытному. Размещают их между источниками тепла. Регистрируют начальную температуру Т поверхности опытного образца, приведенной в тепловой контакт с источниками тепла. Подводят постоянное напряжение U к источникам тепла и одновременно вводят в опытный и дополнительные образцы поглощаемый компонент газовой смеси. Регистрируют температуру T(R, τ) поверхности опытного образца, приведенной в тепловой контакт с источниками тепла до момента достижения постоянной скорости изменения температуры. На фиг. 2 показан пример зависимости от времени температуры поверхности стандартного (кривая Т1) и контролируемого (кривая Т2) образцов сорбента. В приведенном примере при τ>150 с скорость изменения температуры становится постоянной. По формуле (2) идентифицируют параметры w, k. По формуле (1) определяют степень исчерпания защитных свойств сорбента (фиг. 3).
Формула (1) получена следующим образом. Мощность w внутренних источников теплоты сорбции, действующих в слое сорбента (в опытном образце) пропорциональна скорости поглощения компонента и связана с ней выражением
i
где Н - суммарный тепловой эффект поглощения газового компонента; ρ - плотность газового компонента; ϕ - текущее поглощение (содержание) поглощаемого компонента в единице объема сорбента.
1
Проинтегрировав последнее выражение в интервале времени поглощения [0, τ], получим
0i
где w - объемная мощность источников тепла, действующих в сорбенте в начальный момент времени; - константа.
2
1
1
2
Степень исчерпания защитных свойств сорбента будем характеризовать величиной ν=ϕ/ϕ, где ϕ, ϕ - предельная емкость стандартного образца неотработанного сорбента и контролируемого образца, соответственно. С учетом этого получим
1
Проинтегрировав последнее выражение в интервале [0, τ] получим расчетную формулу (1).