Установка для контроля и создания влажности парогазовых смесей в диапазоне микроконцентрации

В соответствии с основными направлениями экономического развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года задача повышения качества промышленной продукции определена как важнейшая.

В технологических процессах различных промышленных производств важным параметром, влияющим на качество продукции, является влажность парогазовой среды / I, 2 /.

Контроль и регулирование влажности воздуха и газов необходимы на машинои приборостроительных предприятиях для предотвращения коррозии металлических изделий, создания необходимых условий при сборке и испытаниях приборов, а также при изготовлении полупроводниковых приборов. Аналогичные задачи выдвигает современные электровакуумная промышленность и металлургия, где нередко необходимо измерять влажность газов в пределах сотых долей процента.

Применение защитных атмосфер при различных термических процессах обработки стальных деталей дает возможность получать необходимую структуру стали в деталях при высоком качестве их поверхности. Для нормального протекания процесса важной задачей является точное поддержание заданного состава защитной атмосферы по ее температуре точки росы в печах хшико-термической обработки изделий / 3 /.

Весьма важное значение имеют данные о термодинамических условиях влаги в природном газе при эксплуатации технологического оборудования, магистральных газопроводов и компрессорных станций.

С целью повышения качества подготовки природного газа основным контролируемым параметром транспортной кондиционности газа установлена температура точки росы / 4 /. Строгое поддержание заданных сочетаний температуры и влажности воздуха в хранилищах и складах необходимо для обеспечения длительного хранения и правильного учета количества зерна, мяса и других пищевых продуктов / 5 /.

Точность измерения влажности газов в области отрицательных температур актуальна в метеорологии при зондировании высоких слоев атмосферы, в авиационной и космической технике / 6 /.

Оценка метрологических характеристик разрабатываемых гигрометров может быть проведена только при наличии поверочного оборудования. Отсюда вытекает актуальность разработки методов и средств метрологического обеспечения гигрометров для измерения влажности газа в широком диапазоне температур и влажности.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка и исследование методов и средств создания парогазовых смесей с заданной влажностью в диапазоне микроконцентрации водяного пара при низких температурах. йшолнение работ предполагает решение следующих задач:

— разработка метода измерения влажности газа в диапазоне микроконцентрации и низких температур;

— теоретические и экспериментальные исследования фазового равновесия в процессах вымораживания пара из смеси и насыщения паром смеси при низких температурах;

— создание на базе проведенных исследований исходной образцовой установки для метрологического обеспечения гигрометров точки росы.

Научная новизна. Получены следующие научные результаты:

— Впервые разработан метод измерения влажности газа, основанный на динамическом фазовом равновесии в процессах вымораживания пара и насыщения паром смеси в диапазоне температур 170−270 К, позволяющий создавать парогазовую смесь с заданной влажностью без предварительной градуировки.

— Проведены теоретические исследования процессов фазовых переходов при вымораживании и насыщении в области равновесного состояния, на основе которых получены уравнения, позволяющие рассчитать концентрацию паров воды в смеси и оптимизировать условия достижения термодинамического равновесия.

— Разработана методика тепломассообменного расчета образцового генератора влажного газа, определяющая его оптимальные конструктивные параметры и обеспечивающая высокую точность воспроизведения точки росы газа.

— Разработана методика и проведены экспериментальные исследования влияния различных параметров на достижение фазового равновесия в процессах вымораживания и насыщения, позволяющие оценить метрологические и эксплуатационные характеристики образцового генератора влажного газа.

— Впервые создана исходная образцовая аппаратура, состоящая из генератора влажного газа и устройств его связи с измерительными гигрометрами, предназначенная для исследований и аттестации их в широком диапазоне влажности при низких температурах.

Практическая ценность работы заключается в том, что на базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований создан комплекс исходной образцовой аппаратуры для метрологического обеспечения вновь создаваемых и серийно выпускаемых промышленностью гигрометров, работающих в диапазоне влажности, характеризуемой температурой точки росы 170−270 К.

Промышленная реализация. Разработанный образцовый динамический генератор влажного газа «Полюс-I» прошел государственные испытания и выпускается серийно.

Образцовый динамический генератор влажного газа «Полюс-2» с расширенным диапазоном измерения до 170 К и установка относительной влажности «Полюс-3», предназначенная для исследований и аттестации датчиков влажности в диапазоне I — 20% относительной влажности при низких температурах, прошли метрологическую аттестацию и внедрены в НПО «ШИШ им. Д.И.Менделеева» и в раде других предприятий.

Экономический эффект от внедрения разработанного комплекса исходной образцовой аппаратуры составляет I млн.руб.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались:

— на Всесоюзной конференции «Совершенствование методов определения влагосодержания в различных средах на основе применения новых влагомерных приборов», г. Киев, 1970 г.

— на «Всесоюзной конференции по влагометрии», г. Кутаиси, 1973 г.

— на Всесоюзном научно-техническом совещании «Аналитическое приборостроение. Методы и приборы для анализа жидких сред», г. Тбилиси, 1975 и 1980 гг.

— на I конференции по анализу неорганических газов, г. Ленинград, 1983 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ. Получено 3 авторских свидетельства.

За разработку установки автор награжден бронзовой медалью ВДНХ.

Работа состоит из: Введения, 4-х глав, выводов и приложений. В первой главе проводится обзор состояния метрологического обеспечения гигрометров, проведен анализ существующих методов и средств получения газа с заданной влажностью.

Обосновывается необходимость разработки и исследования нового метода получения газа с заданной влажностью.

Обосновывается преимущество предложенного метода фазового равновесия.

Во второй главе проведены теоретические исследования метода поучения газа с заданной влажностью по температуре точки росы путем вымораживания и насыщения.

Исследованы факторы, влияющие на интенсификацию массообме-на. Выведены расчетные уравнения для определения текущей концентрации пара в смеси в процессе тепло-массообмена.

Выведено расчетное уравнение для определения значения коэффициента Льюиса, обеспечивающего равновесное изменение концентрации при заданном конечном температурном напоре.

Разработана методика теплового расчета тепломассоо Пленного аппарата. Проведен анализ источников погрешностей измерения температуры точки росы.

В третьей главе рассматривается конструкция генератора влажного газа, созданного на основе теоретических исследований, проведенных во второй главе.

Основными узлами генератора являются азотная холодильная камера, тепломассооСменный аппарат, командный терморегулятор.

В четвертой главе приведено экспериментальное подтверждение выдвинутых во второй главе теоретических положений и расчетов.

Проведены экспериментальные исследования по определению влияния различных параметров на значение влажности, получаемой на установке и исследования ее метрологических характеристик.

Проведен расчет погрешности установки.

Приведены результаты исследований установки относительной влажности.

Дана методика определения примеси влаги в основных промышленных газах с помощью разработанных установок.

Представлены материалы по внедрению и перспективам применения разработанного метода.

Основные результаты работы даны в выводах.

2.10. Выводы.

1. Предложен новый способ приготовления и измерения концентрации парогазовых смесей, основанный на состоянии термодинамического равновесия, достигаемого в процессах вымораживания и насыщения пара, позволяющий измерять концентрацию водяного пара с погрешностью ±0,15 К точки росы.

2. Теоретически обоснована абсолютность предложенного метода получения газа с влажностью, заданной по температуре точки росы, базирующаяся на том, что процесс насыщения, так и в процессе вымораживания величина изменения концентрации пара от изменения температуры может быть только положительной.

В необратимом самопроизвольном процессе теплообмена при отсутствии внешних сил термодинамическая система не может перейти через состояние термодинамического равновесия, т. е. в процессе вымораживания концентрация пара в смеси не может оказаться ниже равновесной, определяемой температурой стенки, а в процессе насыщения выше, т.к. это противоречит второму началу терло динамики.

3. Взведено расчетное уравнение для определения необходимого значения коэффициента Льюиса, обеспечивающего равновесное изменение концентрации при заданном конечном температурном напоре.

4. Получено уравнение для расчета степени пересыщения пара в процессах насыщения и вымораживания, на основе анализа которых определены условия, обеспечивающие фазовый переход при максимальном приближении к равновесному состоянию.

5. Разработана методика и сделан тепломассообменный расчет, определивший конструкцию установки, в котором температура влажного газа отличается от температуры охлаждающей поверхности на 0,001 К для широкого диапазона расходов.

6. Проведен анализ погрешности установки. Выведены уравнения для расчета систематической и случайной погрешности измерения концентрации пара.

Глава 3. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ УСТАНОВКИ.

Проведенные теоретические исследования легли в основу разработки конструкции экспериментальной и промышленной моделей установки, общий вид которой показаны на рис. 3.1 и 3.2. Основной ее блок — генератор состоит из азотной холодильной камеры АХК, тепломассообменного аппарата ТМА, командного терморегулятора КТР.

3.1. Азотная холодильная камера.

Азотная холодильная камера обеспечивает охлаждение тепломассообменного аппарата и поддержание заданного температурного режима в диапазоне 173*273 К.

Охлаждение объектов основано на принципе поглощения тепла жидким азотом, испаряющимся в рабочем объеме камеры.

Количество испаряющегося в камере жидкого азота регулируется командным терморегулятором КТР, воздействующим на электромагнитный клапан.

В левой половине корпуса расположена рабочая камера с обтекателем и вентилятор с электродвигателем постоянного тока мощностью 75 Вт.

Рабочая камера теплоизолируется слоем пенопласта толщиной в 70 мм. Теплоизоляция рабочей камеры изготавливается отдельным узлом в виде полого цилиндра с днищем, а в корпус камеры устанавливается на кронштейнах.

Между обечайкой рабочей камеры и тепловой изоляцией сделан кольцевой зазор в 25 мм для организации циркулирующего внутри камеры потока паров азота, создаваемого вентилятором.

Сверху рабочий объем закрывается откидной крышкой, теплоизолированной пробковой крышкой.

В рабочем объеме камеры, над вентилятором, расположен распылитель, к которому подводится жидкий азот из сосуда Дьюара, установленного в правой половине корпуса камеры (рис. 3.3).

В стандартный сосуд Дьюара с жидким азотом вставляется испаритель с герметизирующей пробкой, испарительной трубкой, нагревателем, запорной, измерительной и предохранительной арматурой.

Испаритель трубкой диаметром 5 мм соединяется с дозирующим органом жидкого азота, а затем с рабочим объемом камеры.

Управление дозирующим вентилем осуществляется командным терморегулятором КТР в зависимости от заданной температуры.

3.2. Тепломассообменный аппарат.

Тепломассообменный аппарат состоит из предварительного и основного теплообменников. Предварительный теплообменник предназначен для уменьшения температурного напора между газом и охлажденной поверхностью, с которой он контактирует на начальном участке генератора.

Согласно проведенному анализу в разделе 2.4 с увеличением влажности на входе и разности температур между газом и поверхностью вымораживания при прочих равных условиях увеличивает пересыщение на выходе.

При непосредственной подаче влажного газа с Т = 293 К на охлажденную до Т = 213 К поверхность возможно значительное пересыщение, в несколько раз превышающее критическое, что может вызвать появление тумана и получение на выходе из установки пересыщенного газа.

7 В.

Рис. 3.3. Схема испарителя.

I — трубка забора жидкого азота- 2, 3 — азотопровод- 4 — уплотнительная пробка- 5 — траверка- 6 — винт. грузовой- 7 — манометр- 8 — предохранительный клапан- 9 — нагреватель.

При работе в режиме вымораживания наличие предварительного теплообменника позволяет провести охлаждение поступающего газа с небольшим температурным напором (не более 10 К) относительно охлажденной поверхности основного теплообменника и тем самым избежать появления тумана даже при значительной влажности поступающего газа.

При работе в режиме насыщения предварительный теплообменник позволяет охладить сухой газ, подаваемый в нижнюю зону основного теплообменника, что обеспечивает, в дальнейшем, процесс постепенного увлажнения газа при повышении температуры.

Конструктивно предварительный теплообменник представляет собой тороид с прямоугольным сечением 70×80 мм и средним диаметром 250 мм. Теплообменник имеет внутреннее оребрение с переменным шагом (большой шаг на входной части), что обеспечивает необходимую полноту осаждения инея на поверхности ребер и исключает возможность закупорки начального участка при большой влажности поступающего газа. Небольшой температурный напор по длине тракта обеспечивается наружной тепловой изоляцией.

В экспериментальной модели генератора для контроля температурного перепада между потоком газа в предварительном теплообменнике и его поверхностью используются медь — константовые термопары (диаметр проволоки — 0,1 мм) в шести точках по длине тракта. Схема расположения термопар представлена на рис. 2.2, В каждой из шести точек замера рабочий спай одной термопары входит через ниппель непосредственно в поток газарабочий спай другой зачеканен в стенке на расстоянии 6 мм от ниппеля, а идущие от спая проволоки уложены в канавку в стенке и залиты смолой. Таким образом, обеспечено основное требование к заделке термопар (на длине 20 калибров температурные проволоки находятся в измеряемой зоне), что гарантирует измерение действительной температуры в данной точке.

Основной теплообменник предназначен для вымораживания влаги из газа или насыщение влагой путем контакта газа с развитой поверхностью, имеющей постоянную заданную температуру. В режиме насыщения эта поверхность предварительно покрывается слоем льда. Основным теплообменником в экспериментальной модели генератора является теплообменник, конструкция которого описана в разделе 2.3. Контроль температуры по тракту основного теплообменника осуществляется термопарами гр Ж с диаметром проволок 0,1 мм. Как показано на рис. 2.2 температура поступающего в основной теплообменник газа и выходящего из него газа регистрируется термопарами № 12 и 3, введенными непосредственно в поток газатемпература стенки измеряется двумя термопарами № 8 и 9, заделанными аналогично термопарам в стенке предварительного теплообменника.

Для контроля температуры на внутренней поверхности теплообменника (поверхность проволок) равномерно по высоте цилиндра расположены четыре термопары № 14, 15, 16, I. Рабочий спай каждой из них припаян к поверхности проволоки (в углубление), а прилегающая к нему часть проволок приклеена к поверхности на длине 10 мм.

Интенсивная вентиляция паров азота в рабочей камере генератора и развитая поверхность теплообменника при высоком коэффициенте теплопроводности, несомненно, выравнивают температурное поле в радиальном направлении.

Небольшой градиент температуры возможен только по высоте камеры за счет нижнего расположения азотных форсунокэтот градиент и контролируется термопарами Л 14, 15, 16, I. Неравномерность температуры по длине проволоки можно определить по разности показаний термопар на стенке и на конце проволоки.

Так как дно основного теплообменника находится в зоне наиболее низкой температуры, оно изолировано пенопластовой оболочкой, а температура его регистрируется термопарой № 2.

Вынос из основного теплообменника вымороженной влаги в виде частиц льда и снега предотвращается мелкоячейстыми фильтрами в нижней части теплообменника.

В процессе вымораживания влаги выходящий из основного теплообменника газ поступает вначале в короткий, хорошо теплоизолированный патрубок, имеющий с внутренней поверхностью теплообменника одинаковую температуру, затем выходит через отводящую трубку, соединенную с патрубком текстолитовым переходником и имеющую температуру более высокую, чем поверхность теплообменника.

Таким образом, проходящий через основной теплообменник газ нигде не контактирует с поверхностью, имеющей более низкую температуру, чем заданная.

Тепломассообменный аппарат промышленной модели генератора (рис. 3.1) представляет собой плоскую панельную конструкцию с короткими прерывистыми ребрами. Основной теплообменник включает в себя шесть плоских пластинчатых секций с внутренними продольными прерывистыми ребрами, два сборных коллектора, фильтры. Трубопроводы от фильтров выведены к штуцерам на боковую панель камеры, выходной сборный коллектор и выходной трубопровод оснащены теплоизолированным покрытием. В нижнем сборном коллекторе монтируется платиновый термометр сопротивления.

3.2.1. Тепловой расчет предварительного теплообменника.

Согласно рассмотренной выше конструкции, ТМА промышленной модели генератора представляет собой противоточный рекуперативный теплообменник с внутренним оребрением. Расчет его проводится для режима работы ТМА Т = 213 К.

Определен коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности ТМА. Внешняя поверхность ТМА омывается газообразным азотом. Вентилятор, установленный под ТМА, обеспечивает объемный расход азота: cl = 0,4 м3/с, которому соответствует скорость обдува поверхности ТМА:

UJCL = II М/С при площади проходных сечейний (между секциями ТМА).

F = 37,5.Ю~3'м2 Соответствующее критериальное уравнение.

0,032 £б>°'8 (3.1) при iPg = 550. IO3 (за определяющий размер принята высота основного теплообменника) позволяет определить коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности ТМА: сСя = 78,5 Вт/(м2.К).

Целью расчета предварительного теплообменника является определение температуры газа на выходе предварительного теплообменника при максимальном расходе через него (VI.I0″ 3 м3/с) при заданной поверхности теплообмена:

F = 0,21 м², образованной стенками и ребрами предварительного теплообменника.

При скорости потока газа г= 1.7 м/с, которой соответствует 1700, используя известное критериальное уравнение: можно получить.

Лп = 18,1 Вт/(м2.К) По <£в и 0С/7 определяется коэффициент теплопередачи в предварительном теплообменнике:

Кп = 14,8 Вт/(м2.К) Полагая, в первом приближении, температуру поверхности предварительного теплообменника постоянной, можно считать, что вдоль поверхности теплообменника температурный напор меняется по экспоненциальному закону: лТх = л T’ezp (-mtcFx) (з.з) где Л Т= Т0″ ТС — начальный температурный напор;

74- i.

И/8 VVa отсюда, при F = 0,21 м².

3,6 К, т. е. при температуре 293 К поступающего в предварительный теплообменник газа на выходе из него газ приобретает температуру 216,6 К, которая является также температурой газа на входе в основной теплообменник (расчет произведен с допущением постоянства температуры стенки предварительного теплообменника).

3.2.2. Тепловой расчет основного теплообменника.

Для определения внутреннего коэффициента теплоотдачи используется критериальное уравнение для плоских прерывистых ребер:

— 90.

Q, 0S7 Re Рг.

3.4) где.

— еС СрМ 0,08? Ср М (3.5).

По oCg и оСи определяется коэффициент теплопередачи для основного теплообменника:

KQ = 17,5 Вт/(м2.К).

Для обеспечения основной абсолютной погрешности генератора за счет пересыщения (не более 0,01 К по температуре точки рои сы) конечный температурный напор Л Т не должен превышать в ТМА 0,01 К. Задаваясь различными значениями начального темпеI ратурного напора д Т, можно определить величину потребной площади основного теплообменника (полная площадь поверхности составляет 1,56 м2).

Изменением температуры поверхности основного теплообменника можно пренебречь, т.к. она практически равна температуре паров азота, омывающего наружную поверхность ТМА (водяной эквивалент азота значительно превышает эквивалент газа).

Из приведенной таблицы 3.1 видно, что охлаждение газа до 213,01 К происходит на начальном участке поверхности основного теплообменника (22 $), который не превышает 30 $ полной поверхности даже в том случае, если начальный температурный напор в 4 раза превышает расчетный.

Таким образом, результаты теплового расчета ТМА показывают, что охлаждение газового потока до температуры поверхности гарантируется с приближением до 0,01 К.