Измерение температуры газа

Измерение температуры газа

Определение фактической температуры газа с разумной степенью точности является весьма существенным при выборе соответствующего механизма очистки и очищающей среды.

Когда подвергающиеся очистке газы находятся в какой - либо емкости или проходят по газоходу, температура стен которого отличается от температуры газа, то измерение температуры газа должно учитывать эффект теплового излучения, присущий системе. Так, если газы холоднее окружающей их стены, то стены будут, излучать тепло в направлении теплоизмерительного элемента, и зарегистрированная температура будет выше фактической температуры газа и наоборот, для газов, более горячих, чем газоход термоизмерительный элемент будет излучать тепло в направлении окружающих стен и таким образом не достигнет реальной температуры газа. Перенос тепла излучением приводит к большой разнице температур и очень быстро растет при увеличении температуры; так, при температуре порядка 1500С разница достигает 200 - 300С. В емкости или газопроводе с теплоизоляцией, где температура внутренней стенки близка к температуре газов, температура, измеренная термочувствительным элементом, практически равна температуре газа.

Термочувствительные элементы. К ним относятся термометры и термопары. Обычные стеклянные ртутные термометры используются при температурах ниже 0°С и до 350С. Стеклянный спиртовой термометр позволяет отодвинуть нижний предел измеряемых температур до - 80С. Платиновые термометры сопротивления отличаются высокой точностью и могут применяться в пределах от - 200 до + 600С, а иногда и выше.

Термопары медь - константан используются в пределах от - 200 до + 400 С, тогда как верхний предел для других основных металлических термопар, из которых наиболее распространенной является хромель - алюмелевая, достигает 1200 С. Термопары из благородных металлов в настоящее время могут использоваться при непрерывном измерение температуры газадо температуры 2400 или при периодическом - до 2800С (например, термопара рений - вольфрам). Характеристика термопар приведена на рис. II-4.

Ниже приведены наиболее распространенные термопары, по которым проводят измерение температуры газа до 2800°С (в скобках - экстремальная температура).

При применении термопары в агрессивных средах она должна быть защищена чехлом. Для температур ниже 1000С достаточно металлического чехла, тогда как при несколько более высоких температурах можно использовать кварцевые чехлы; однако эти чехлы сами являются коррозионноопасными для термопар из благородных металлов. Чехлы из модифицированного (перекристаллизованного) оксида алюминия могут применяться вплоть до 1850 С. При более высоких температурах можно использовать оксид бериллия.

Калибрование термочувствительного элемента. Основными (первичными) реперными точками являются температура плавления льда (0С), температура кипения воды (100,0С), температура кипения серы (444,60 С) и температуры плавления серебра (960,5 С и золота (1063С). Вторичной реперной точкой служит температура плавления палладия (1552С), хотя ею может быть и температура плавления никеля (1452С).

Платина плавится при 1769 С. Для дальнейшего расширения шкалы можно использовать температуры плавления некоторых других металлов (родий - 1960С, иридий - 2443;С и т. д.). Лохман использовал эталонный оптический микропирометр для калибрования термопар из благородных металлов до 2200 С в высокотемпературной лабораторной печи. Несколько позже Цик и Тонсхоф привели детальное описание конструкции печи (до 2400 С) с вольфрамовыми стенками (рис. II-5). Были приняты специальные меры предосторожности для того, чтобы избежать эмиссионных коррекций; для этого термопару помещали внутри черного тела - молибденового цилиндра с покрытием из ВеО.

Радиационные потери от термочувствительного элемента могут быть уменьшены различными путями.

Термопары различных размеров. Радиационные потери тепла пропорциональны площади поверхности головки, образованной спаем двух проволок. В этом случае, чем меньше термопара, тем меньше потери тепла. Тогда, используя ряд термопар различных размеров и нанося на график зависимость измеренной температуры от площади поверхности термопары, можно получить кривую (которая обычно имеет вид практически прямой линии) и экстраполировать ее до температуры, соответствующей нулевой площади поверхности.

Рис. II-5. Высокотемпературная калибрационная печь для термопар:

1 - термопара; 2 - сальник; 3 - верхний электрод; 4 - изоляция; 5 - нагревательный элемент; 6 - радиационные щиты; 7 - оболочка с водяным охлаждением; 8 - температурный шов; 9 - черное тело; 10 - смотровой люк; 11 - электродный зажим; 12 - нижний электрод.

Эта величина представляет собой измеренную фактическую температуру газа. Метод особенно пригоден для замкнутых систем или для тех случаев, когда отбор больших объемов газа, необходимых для отсасывающих и пневматических пирометров, в значительной степени влияет на температуру газа.

Отсасывающие пирометры. Другим способом, по которым производят измерение температуры газа является экранирование термочувствительного элемента от излучающих стен; для этого элемент окружают так называемыми радиационными экранами и, газы при высокой скорости просасывают через термочувствительный элемент (обычно термопару), при этом увеличивается конвекционный перенос тепла к элементу. Число требуемых экранов зависит от температуры газа, а выбор конструкционных материалов - как от химических свойств газов, так и от температуры.

Так, например, инконель (75 - 80% Ni, 15 - 20% хрома, остальное - железо) может применяться при температурах до 1100 - 1200°С при условии, что в газах присутствует лишь незначительное количество оксида серы (IV).

Рис. II-6. Устройство отсасывающего пирометра (а) с внутренним (б), оребренным стальным (в) и радиационным (г) жаропрочными экранами:

1 - экран термопары (тип 4m); 2 - термопара Pt-Pt-Pd; 3 - защелкивающаяся шпилька для крепления экрана; 4 - фланец; 5 - металлический сильфон; 6 - отводы (6,35 мм) для воды; 7 - трубка на всасе (31,7 мм); 8 - катушка с запасным приводом термопары; 9, 13 - держатели; 10 - металлический экран термопары; 11 - жаропрочный экран; 12 - переход.

Таблица II-1 Эффективность термопар, экранизированных радиационными экранами из стали.

Для газов с высоким содержанием SО₂ предпочтительнее использовать нержавеющую сталь с высоким содержанием хрома; она может применяться в этом же интервале температур. Для работы при более высоких температурах экраны изготовляют из огнеупорной керамики (муллит, алунд).

Термопару обычно помещают в чехол для предотвращения ее окисления газами. Все устройства - термопара, чехол и радиационные экраны - монтируется на конце пробоотборника из нержавеющей стали, который должен охлаждаться водой, если измеряемая температура более 900 С. Типичный отсасывающий пирометр представлен на рис. II-6, где показаны три типа радиационных экранов.

Газовый поток просасывают через термопару с помощью эжектора, расход определяют с помощью измерительной диафрагмы.

Поскольку огнеупорные многослойные экраны очень хрупки, их конструкция видоизменена так, чтобы они могли быть смонтированы в кожухе отсасывающего пирометра (см. рис. II-6). Экспериментально было показано, что для отсасывающего пирометра такого типа наилучшие результаты были получены тогда, когда термопару помещали на расстоянии 35 мм от конца экранов. Если термопару передвинуть ближе к входу, возможно влияние излучения стенок через входное отверстие; если ее отодвинуть вглубь, оказывают влияние водоохлаждаемые стенки.

Точное измерение температуры газа с помощью отсасывающего пирометра зависит от фактической температуры газа, температуры окружающей среды и скорости просасывания газа через термопару. Если газ не проходит через термопару, показания температуры содержат некоторую ошибку, при увеличении скорости газового потока ошибка снижается. Степень уменьшения ошибки называется эффективностью пирометра. Эффективность отсасывающего пирометра, работавшего при скорости потока 150 м/с, была найдена для температур до 1600 °С и числа экранов свыше Ю (табл. II-1).

Эффективность пирометра при скоростях просасывания газа, отличающихся от 150 м/с, можно получить путем умножения действительного числа радиационных экранов на коэффициент, приведенный ниже:

Таблица II-2. Массоперенос воздуха.

Поскольку плотность газов при высоких температурах ниже чем при температуре окружающей среды, а массоперенос измеряется после того, как газы охладились при проходе через пробоотборник с водяным охлаждением, то при измерении скорости газового потока с помощью измерительной диафрагмы необходимо ввести поправку на плотность. Значения массопереноса воздуха приведенные в табл. II-2, позволяют оценить скорость газа у термопары с использованием данных, полученных на измерительной диафрагме.

Металлические радиационные экраны в процессе эксплуатации быстро темнеют и ведут себя как абсолютно черное тело (коэффициент излучения равен 1), тогда как экраны из огнеупорной керамики светятся при высокой температуре, и их коэффициент эмиссии меньше единицы.

Эквивалентное число других экранов может быть вычислено с помощью коэффициента f - функции отношения толщины отражающей трубки w и ее теплопроводности х (табл. II-3):

f = 4aT³ w/x (II-2)

где w - толщина трубки, мм; х - теплопроводность трубки, кал/(мм*с*°С); Т - температура,°С; а - константа.

Таблица II-3. Значения f для различных w/x .

Таблица II-4. Число простых металлических экранов, эквивалентных  жаропрочному экрану.

Для известного значения коэффициента излучения огнеупорного материала и значения f из табл. II-4 можно найти эффективное число металлических экранов, эквивалентное одному экрану из огнеупорного материала.

Для огнеупорных экранов следует сделать необходимый допуск на шероховатость поверхности, равный √2, таким образом эквивалентное число экранов следует умножить на 1,41. Если огнеупорные экраны изготовлены из набитой трубы (тип Шака), то коэффициент допуска равен 2,5. Пример, иллюстрирующий это положение, приведен в Приложении.

Для расчета эффективности всасывающего пирометра можно также использовать более быстрый метод, позволяющий получить оценочное значение реальной температуры газа. Метод основан на том, что эффективность прибора резко возрастает (от нуля) с начала ускорения газа и растет медленнее при дальнейшем увеличении скорости газа. Поэтому форма кривой скорость - температура от нулевой до реальной скорости газового потока может быть использована для определения эффективности пирометра при любой скорости потока. Для определения формы кривой необходим еще один фактор, характеризующийся температурой Т1/4, показанной прибором при скорости потока, равной одной четвертой максимальной скорости. Коэффициент формы k равен

 (II.3)

где Т₀ и Т_max температура, показанная прибором соответственно при нулевой и максимальной скорости потока.

Инерционность отсасывающих пирометров относительно невелика и зависит от материала головки. Так, для металлических готовок равновесная температура достигается в течение 2 мин, тогда как для циркониевых головок это время в два раза больше.

Если плотность газов мала (т. е. ниже плотности атмосферного воздуха), коэффициент теплопереноса от газа к термопаре мал, и при 30 кПа ошибка для обычного отсасывающего пирометра ставит около 5%. Эта ошибка может быть устранена, если спай термопары поместить в поток газа, движущийся вдоль него со скоростью звука, непосредственно за горловиной суживающегося сопла, смонтированного в конце внутреннего радиационного экрана.

Пневматический пирометр. В тех случаях, когда газ просасывается через сужение в трубе, падение давления в этом сужен является функцией его геометрии, расхода и плотности газа. Плотность, в свою очередь, зависит от абсолютного давления газа, с абсолютной температуры и состава.

В пневматическом пирометре постоянная проба горячего газа просасывается через сужение, охлаждается и затем просасывается через второе сужение, где измеряется его температура. Температуру горячего газа рассчитывают, зная перепад давления при его переходе через два сужения и температуру во втором (холодном) сужении. Расчет может быть проведен автоматически с помощью простой аналоговой вычислительной машины.

В общем случае для несжимаемого газа падение давления ∆р в сужении трубки связано с массопереносом m уравнением

∆р = km²/p  (II .4)

где k - коэффициент сужения сопла; р - плотность газа.

Из газового закона

р = MP/RT  (II.5)

где М - масса 1 моль газа; Р - общее давление газа; R - универсальная газовая постоянная.

В пневматическом пирометре сужения расположены последовательно, поэтому массоперенос одинаков для обоих сужений. Если индекс 1 относится к горячему газу, а индекс 2 - к холодному, то
 (II.6)

Если потеря давления между двумя сужениями настолько мала, что ею можно пренебречь, то Р₁ = Р₂. Далее, поскольку диссоциация молекул, например, в отходящих газах, пренебрежимо мала при температурах до 2000 °С, то М₁ = М₂. Даже для температур около 2500 °С рассчитанный эффект диссоциации составляет лишь 5% для отходящих газов типичного состава.

Необходимо также соблюдение условия, чтобы между сужениями не происходило конденсации паров и поток находился в турбулентном режиме. Тогда уравнение (II.5) может быть упрощено:

T₁ = k ∆p₂/∆p₁T₂ (II-7)

где k = k₂/k₁.

Рис. II-7 Пневматический пирометр Вентури.

1 - датчик температуры; 2 - горловина Вентури (холодная); 3 - трубка для газа; 4 - линии давления; 5 - горловина Вентури (горячая); 6 - уплотнительное кольцо; 7 - верхняя точка отбора давления; 8 - вставка Вентури.

В приборе, разработанном в лабораториях В.С.Р.И.А, этот принцип используется в пневматическом пирометре Вентури, показанном на рис. II-7.

Пробоотборник диаметром 57 мм с водяным охлаждением изготовлен из бронзы или нержавеющей стали. Его длина зависит от конкретной области применения. Разработка горячего циклона Вентури представляется весьма сложной. Он изготовлен из коррозионностойкой стали и герметично соединен со штуцером с помощью каучуковых О-образных колец.

Водоохлаждаемая трубка облицована бронзой, чтобы предотвратить конденсацию влаги, содержащейся в газах. Холодный циклон Вентури расположен за водоохлаждаемой секцией температуру газа определяют с помощью платинового термометра сопротивления, поскольку изменение сопротивления этих термометров пропорционально абсолютной температуре в рассматриваемой области температур.

Контрольно - измерительная аппаратура  должна автоматически обеспечивать решение уравнения (II.6). Для этого разность давлений ∆p₁ и ∆р₂ преобразуется в электрические сигналы с помощью датчиков давления - преобразователей Бодуэна, рассчитанных на давления от 0 до 5 кПа и питаемых переменным током кГц от транзисторного осциллографа. Каждый датчик включает в себя дифференциальный трансформатор, поэтому выходной сигнал пропорционален приложенной разности давлений. Переменный к сигнала выпрямляется с помощью кремниевого выпрямителя, затем один сигнал проходит через термометр сопротивления, а другой - поступает на подвижный контакт потенциометра. Разность потенциалов на сопротивлении подается на вход потенциометра, который показывает непосредственно абсолютную температуру горячего газа.

Это устройство гораздо проще, чем существовавшие ранее, где вместо термометров сопротивления применялись термопары.