Інститут технічної теплофізики НАН України

Воробйов Леонід Йосипович

УДК 536.62

КОНДУКТИВНИЙ БОМБОВИЙ КАЛОРИМЕТР

ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ТЕПЛОТИ ЗГОРЯННЯ ПАЛИВА

Спеціальність 05.11.04 – прилади та методи вимірювання теплових величин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики НАН України

Науковий керівник - доктор технічних наук

Грищенко Тетяна Георгіївна

зав. відділом теплометрії Інституту технічної

теплофізики НАНУ

Офіційні опоненти - 1. доктор технічних наук

Жуков Леонід Федорович,

зав. відділом термометрії та фізико-хімічних

досліджень Фізико-технологічного інституту

металів та сплавів НАНУ,

2. кандидат технічних наук, доцент

Коваль Геннадій Михайлович,

директор Українського учбово-наукового центра по

стандартизації, метрології та якості продукції.

Провідна установа - Державний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти України, м. Львів

Захист відбудеться “ 6 “ березня 2001р. о 1400 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради К 26.224.02 в Інституті технічної теплофізики НАН України (03057, Київ-057, вул. Желябова, 2-а).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України (Київ-057, вул. Желябова, 2-а).

Автореферат розісланий “ 2 “ лютого 2000р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

канд. техн. наук_____________________________Гелетуха Г.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах гострого дефіциту енергетичних ресурсів та підвищення цін на енергоносії контроль якості палива, що видобувається в Україні та поступає по імпорту, є надзвичайно актуальним для впровадження енергозберігаючих технологій, формування обґрунтованої ціни на паливо, проведення економічних розрахунків. Вирішення проблеми економії енергоресурсів неможливе без широкого використання засобів вимірювання теплоти згоряння (калорійності) палива та підвищення метрологічної надійності цих приладів.

У високорозвинутих країнах значна увага надається достовірності та точності вимірювань теплоти згоряння палива. Так у США, в усіх контрактах на продаж газу передбачають точне вимірювання його енергоємності, причому границі допустимої похибки вимірювань теплоти згоряння дорівнюють 0,1 %.

В Україні витрати на паливо в собівартості електричної та теплової енергії, що виробляється на електростанціях та ТЕЦ, складають близько 85%. На теплових електростанціях, згідно з діючими стандартами, повинно проводитися регулярне вимірювання теплоти згоряння палива. В останні роки виникли значні труднощі у цій галузі теплотехнічних вимірювань у зв’язку з тим, що в Україні не вироблялись стандартизовані прилади для вимірювання теплоти згоряння, а водяні калориметри, що експлуатувалися у хімічних лабораторіях підприємств, морально застаріли та виробили свій фізичний ресурс. У таких калориметрах процеси вимірювань не автоматизовані і вони потребують висококваліфікованого обслуговуючого персоналу та спеціальних приміщень для експлуатації. Відносно високі ціни нових приладів (близько 78 тис. доларів США за водяні неавтоматизовані калориметри, що імпортуються з Росії і Казахстану, та 1520 тис. доларів за прилади, що виробляються в країнах дальнього зарубіжжя), низька надійність реєструючої апаратури та труднощі, пов’язані з її ремонтом, зумовлюють необхідність створення в України свого робочого засобу для вимірювання теплоти згоряння палива. Такий прилад повинен, по-перше, мати задовільні для масових технічних вимірювань метрологічні характеристики; по-друге, автоматизувати процеси підготовки до вимірювань та самих вимірювань; і, по-третє, конструкція приладу та його вузлів повинна бути пристосована до дрібносерійного виробництва, що дасть змогу задовольнити зростаючу потребу в засобах вимірювання теплоти згоряння.

Зручні для автоматизації анероїдні (безводні) калориметри характеризуються значною просторовою нерівномірністю теплових полів, а у випадку виміру високих значень енергії при обмеженні розмірів - нелінійністю характеристик, що викликає збільшення похибки вимірювань.

Тому актуальною науково-технічною задачею є синтез структури приладу, аналіз теплових процесів, що відбуваються в ньому і створення на підставі проведених досліджень робочого засобу вимірювання теплоти згоряння різних видів палива.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. У дисертаційній роботі наведені результати, отримані при виконанні держбюджетної теми Інституту технічної теплофізики НАНУ 1.7.1.499 “Розробка універсального бомбового калориметра для вимірювання теплоти згоряння різних видів палива (твердого, рідкого, газоподібного)” № ДР –198U005115.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення наукових засад проектування, розробка та дослідження робочого засобу вимірювань теплоти згоряння твердого, рідкого і газоподібного органічного палива, який за своїми метрологічними та експлуатаційними характеристиками відповідає сучасним вимогам до таких вимірювальних приладів.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувалися наступні задачі:

- на підставі порівняльного аналізу визначити метод вимірювань і структуру приладу, найбільш придатного для автоматизованого виміру теплоти згоряння твердого, рідкого і газоподібного палива;

- шляхом математичного моделювання та експериментальних досліджень визначити раціональні параметри теплової частини приладу та вторинної вимірювально - регулюючої апаратури;

- вибрати критерій оптимізації, розробити методи розрахунку та технологію виготовлення первинного вимірювального перетворювача теплового потоку;

- розробити конструкцію, виготовити, дослідити та провести метрологічну атестацію калориметра і призначеної для нього калориметричної бомби.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. На підставі результатів експериментальних досліджень і за допомогою математичного моделювання досліджена динаміка теплових процесів, просторова нерівномірність теплових полів, вплив параметрів конструкції та збурень на похибки вимірювання кондуктивного бомбового калориметра.

2. Запропоновано розрахунково-аналітичний метод оптимізації параметрів перетворювача теплового потоку за критерієм мінімальної залежності чутливості від робочої температури. Показано, що для обраної комбінації матеріалів перетворювача існує таке сполучення значень параметрів, при якому забезпечується одночасна мінімізація температурної залежності і просторової нерівномірності чутливості. Розглянуто вплив неідеалізованої вторинної електронної апаратури, яка має токи та напруги зміщення і шуму, на метрологічні характеристики вимірювальної системи на базі перетворювача теплового потоку.

3. Вдосконалено метод розрахунку енергії, що виділилася в калориметрі, за результатами екстраполяції сигналу первинного перетворювача теплового потоку в нестаціонарному режимі.

4. Визначено й експериментально досліджено джерела основних складових похибки вимірювань у кондуктивному калориметрі з теплометричною оболонкою на базі термоелектричного біметалічного перетворювача.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені, виготовлені і впроваджені на підприємствах енергетики та комунального господарства України три модифікації автоматизованих приладів для вимірювань теплоти згоряння - калориметри моделей КТС-1, КТС-2 і КТС-3. Усі розроблені прилади пройшли метрологічну атестацію в Українському центрі метрології, стандартизації і сертифікації.

Розроблені, виготовлені і впроваджені універсальні калориметричні бомби моделей БКУ-1 і БКУ-2, що дозволяють досліджувати усі види органічних палив в одному калориметрі.

Розроблено експрес-метод вимірювань теплоти згоряння, який призначений для оперативної оцінки якості палива, має задовільну для практики похибку виміру та дозволяє більш ніж у двічі скоротити тривалість експерименту.

Особистий внесок здобувача. Моделювання теплових процесів у калориметрі, аналіз методів оптимізації та розрахунок параметрів первинного перетворювача, розробка апаратних та програмних засобів для іспитів приладу, основна частина експериментальних досліджень виконані автором самостійно. Визначення напрямку досліджень, розробку конструкції, технології та схемотехнічних рішень, аналіз результатів окремих досліджень проведено у співавторстві згідно наведеного списку літератури.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися на міжнародних науково-технічних конференціях: “Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість”, Київ, 1997 р.; “Актуальні проблеми вимірювальної техніки - Вимірювання-98”, Київ, 1998 р.; “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергозберігаючих технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості”, Київ, 1999 р.; “Региональные проблемы энергосбережения в производстве и потреблении энергии”, Киев, 1999 р.

Розроблені прилади демонструвалися на міжнародних виставках-конференціях: “Енергозберігаюча техніка і технології ЕТТ/Київ-95” та “ЕТТ/Київ-96”; “Ефективність систем електроенергетики”, 1996 р.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладено у 6 статтях у наукових журналах, Міждержавному стандарті та у тезах доповідей на 4 конференціях .

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 152 найменувань та двох додатків. Дисертація містить 169 сторінок в тому числі 130 сторінок машинописного тексту, 47 рисунків та 8 таблиць на 39 сторінках. Обсяг додатків – 16 сторінок.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, вказано на її зв’язок з науковими темами, сформульовані мета та задачі досліджень, наукова новизна, практичне значення та впровадження отриманих результатів. Наведені дані про апробацію роботи та публікації по темі.

У першому розділі проведено огляд існуючих методів та приладів для визначення теплоти згоряння палив. Наведені основні розрахункові формули для визначення теплоти згоряння на підставі аналізу хімічного складу палива. Зауважено, що найбільш точну та достовірну інформацію дають прямі калориметричні методи вимірювання. Запропоновано класифікацію калориметрів згоряння, що базується на аналізі способу спалювання, принципу дії та теплового режиму, особливостей конструкції приладу та агрегатного стану робочої речовини калориметра. Розглянуто принцип дії та особливості конструкції різноманітних типів бомбових калориметрів та приладів неперервної дії. Наведені технічні характеристики сучасних приладів різних типів, що виробляються у країнах СНД та дальнього зарубіжжя.

На підставі аналізу тенденцій розвитку калориметричного приладобудування зроблено висновок про те, що для сучасного етапу характерне створення комп’ютеризованих приладів з високим рівнем автоматизації процесів вимірювання, а також поступовий перехід від рідинних (водяних) калориметрів до анероїдних приладів – масивних або кондуктивних.

Розглянуто методи моделювання, які використовуються при проектуванні та аналізі теплотехнічних приладів та конструкції, принцип дії і основні технічні характеристики первинних перетворювачів, що використовуються у калориметрії.

На підставі порівняльного аналізу розглянутих типів приладів зроблено висновок, що перспективним з точки зору створення автоматизованого робочого засобу вимірювання теплоти згоряння є розробка кондуктивного бомбового ізоперіболічного калориметра з використанням у якості первинного перетворювача гальванічної термоелектричної батареї у вигляді теплометричної оболонки.

Другий розділ присвячено моделюванню теплових процесів у кондуктивному бомбовому калориметрі, дослідженню складових похибки вимірювання та визначенню основних параметрів конструкції приладу. Спрощена модель кондуктивного бомбового калориметра може бути представлена у вигляді багатошарової циліндричної конструкції (рис. 1а).

Рис.1 Модель теплового блока калориметра (а) та еквівалентна електротеплова схема заміщення (б).

Стальна калориметрична бомба складається з масивної верхньої кришки 1, стакана 3 та ущільнення 2 і розташована у стакані калориметричної комірки 5. Між бомбою та стаканом калориметричної комірки є повітряний зазор 4. На зовнішній поверхні комірки 5 розташований перетворювач теплового потоку у вигляді циліндричної теплометричної оболонки 6. Зовнішня поверхня теплометричної оболонки контактує з масивним корпусом 7, що термостатується за допомогою електричного нагрівача та завдяки охолодженню обтікаючим потоком повітря. Торцеві поверхні калориметра захищені ефективною теплоізоляцією 8. Стакан комірки 5 та корпус 7 виконуються з матеріалу з високою теплопровідністю, наприклад, з дюралюмінію. Розглянута модель складається з двох типів елементів, перший з яких має малий термічний опір та високу теплоємність, а другий – високий термічний опір та малу теплоємність. Проведено моделювання калориметра як системи з зосередженими параметрами за методом електротеплової аналогії.

На еквівалентній схемі заміщення (рис. 1б), кожен з елементів конструкції представлений у вигляді Т-образного RC-фільтра, у якому електричний опір є аналогом термічного опору відповідного елемента, а електрична ємність – аналог повної теплоємності. Джерело струму W1 є аналогом теплової потужності, що виділяється при згорянні проби палива. Джерело W1 розділено на дві частини з ваговими коефіцієнтами g1 та g3 для врахування розподілу енергії згоряння між кришкою1 та стаканом бомби 3 (g1 + g3 = 1). Джерело W2 відповідає потужності, що виділяється спеціальним нагрівачем під час розігріву при підготовці до вимірювань. Джерела W3 та Тст відповідають тепловому режиму поверхні корпуса 7 у режимах початкового розігріву та термостабілізації, відповідно. Джерело ТВ імітує температуру повітря, що обдуває та охолоджує корпус 7. Ключі К1, К2, К3 комутують джерела енергії відповідно різним режимам роботи калориметра.

Розрахунки теплових потоків і температур проведені методом контурних токів з застосуванням операційного обчислення у області зображень по Лапласу.

Згоряння проби палива у кисневій атмосфері проходить за кілька секунд, тобто значно швидше процесів розтікання теплоти в калориметрі, а функцію тепловиділення W1(t) можна представити у вигляді імпульсної дельта-функції. у робочому режимі джерела W2 та W3 не діють. У цьому випадку функціональна залежність відносного значення теплового потоку крізь теплометричну оболонку від часу t, має вигляд :

(с-1),

де QП - енергія згоряння проби, постійні часу n визначаються параметрами моделі, а амплітуди An - початковими умовами процесу.

Досліджено вплив параметрів конструкції на форму кривої перехідного процесу. На рис.2 представлені графіки відносного теплового потоку крізь теплометричну оболонку при товщині стінки калориметричної комірки 10 мм і при товщинах повітряного зазору 0,3 мм (крива 1) та 0,1 мм (крива 2). Амплітуди сигналів суттєво різняться, однак тривалість обох процесів приблизно однакова, оскільки найбільша постійна часу процесу визначається, в основному, термічним опором оболонки та повною теплоємністю комірки з бомбою. У разі використання у калориметрі кількох бомб, внаслідок технологічного розкиду розмірів, форми кривих калориметричного досліду мають індивідуальний характер для кожної бомби. Для визначення енергії згоряння проби палива по амплітуді сигналу теплометричної оболонки, необхідно проводити індивідуальне градуювання для кожної бомби. В разі визначення енергії по інтегральному значенню сигналу за час перехідного процесу, коефіцієнт градуювання калориметра однаковий для всіх однотипних бомб.

За допомогою моделі з зосередженими параметрами досліджено вплив нестабільності температури корпусу та температурної залежності чутливості теплометричної оболонки на похибки вимірювань. Показано, що лінійна залежність чутливості оболонки від середньої температури, викликає абсолютну похибку, що пропорційна квадрату енергії згоряння проби.

1 - повітряний зазор - 0,3 мм; 2 - повітряний зазор - 0,1 мм

Рис. 2 Графіки зміни відносного теплового потоку крізь теплометричну оболонку

При дослідженні горючих газів у калориметричній бомбі процес згоряння має гомогенний характер і розподіл теплових потоків по внутрішній поверхні бомби рівномірний. При дослідженні твердих та рідких палив процес горіння гетерогенний, розподіл теплових потоків - нерівномірний. Експериментально досліджено розподіл температури на поверхні калориметричної бомби при згорянні проби твердого палива і розраховані теплові потоки на внутрішній поверхні бомби. Встановлено, що густина теплового потоку у верхній частині бомби приблизно у три рази перевищує густину теплового потоку, що діє на дно та нижню частину бомби.

Для дослідження просторового розподілу температур та теплових потоків розроблено двомірну сіточну модель ядра калориметричної системи – бомби, комірки та теплометричної оболонки. Для кожного елемента сітки за методом елементарних енергетичних балансів складено диференційне рівняння та розроблена комп’ютерна програма для вирішення системи рівнянь методом Рунге-Кутта четвертого порядку і розрахунку температур елементів моделі та теплових потоків крізь теплометричну оболонку. Проведено ряд обчислювальних експериментів при різноманітних параметрах конструкції та для різних видів палива. На рис.3 представлено розподіл температур на внутрішній поверхні теплометричної оболонки під час калориметричного експерименту при згорянні проби твердого палива (товщина стінки комірки з дюралюмінію – 10 мм). На рис. 4 представлено розподіл вздовж висоти комірки відносної енергії, що проходить під час калориметричного досліду крізь теплометричну оболонку для твердих та газоподібних палив при різних товщинах стінки комірки. При нерівномірній просторовій чутливості теплометричної оболонки різниця у розподілах теплових потоків призводить до виникнення додаткової похибки вимірювань. На підставі результатів моделювання проведено аналіз залежності цієї похибки від товщини стінки калориметричної комірки з дюралюмінію та величини технологічного розкиду чутливості ділянок теплометричної оболонки.

Рис.3 Розподіл по висоті комірки відносної температури внутрішньої поверхні теплометричної оболонки при згорянні проби твердого палива.

Аналіз теплових процесів у кондуктивному бомбовому калориметрі на підставі розроблених моделей дозволяє визначити складові похибки вимірювання при заданих розмірах та теплофізичних властивостях елементів приладу, або навпаки, по заданим складовим похибки визначити необхідні параметри конструкції.

Рис. 4 - Розподіл відносної енергії вздовж висоти комірки, для твердих (а) та газоподібних(б) палив при різних товщинах стінки комірки з дюралюмінію: 1– 6 мм; 2 – 8 мм; 3 – 10 мм; 4 – 12 мм; 5 – 15 мм; 6 – 18 мм; 7 – 20 мм.

У третьому розділі розглянуто конструкцію, методики оптимізації параметрів, технологію виготовлення та результати експериментальних досліджень перетворювача теплового потоку для калориметра згоряння. У розроблених приладах первинний перетворювач теплового потоку виконано у вигляді полої циліндричної оболонки з відкритими торцями, яка охоплює калориметричну комірку. Конструкція та параметри теплометричної оболонки відповідають вимогам Міждержавного стандарту, який розроблено за участю автора.

Стінка оболонки представляє собою батарею термоелементів, що виготовлена із заформованої у електроізоляційний компаунд плоскої спіралі з термоелектродної проволоки. На відрізки проволоки з одного боку спіралі гальванічно нанесено покриття з парного термоелектричного матеріалу. Внутрішня та зовнішня поверхні теплометричної оболонки армовані шарами тканини з бавовни. Для розрахунків коефіцієнта перетворення теплометричної оболонки Кто використовують відомі для плоских перетворювачів формули:

,

де ; ; ;

б1-2 – коефіцієнт Зеєбека пари термоелектричних матеріалів;

h - висота спіралі;

л1; л2; л3 - теплопровідності матеріалів проволоки-основи, гальванічного

покриття та компаунда, відповідно;

с1; с2 - питомі електричні опори матеріалів проволоки-основи та гальванічного покриття, відповідно;

Ф - формпараметр перетворювача, що залежить від щільності термоелементів;

F, f – повна площа циліндричної поверхні оболонки з середнім радіусом rТО та площа поверхні, що припадає на один термоелемент;

f1; f2; f3 - площі перерізу проволоки основи, гальванічного покриття та компаунду, що припадає на один термоелемент, відповідно.

для розрахунку еквівалентної площі перерізу компаунда циліндричної оболонки запропоновано формулу:

Оскільки теплопровідність та електропровідність матеріалів залежать від температури, коефіцієнт перетворення також є температурозалежною величиною. У дисертаційній роботі розглянуто три критерії оптимізації параметрів перетворювачів – по максимальній чутливості до теплового потоку при заданій густині укладки, по мінімальній залежності коефіцієнта перетворення від температури та мінімальній потужності, що виявляється. Запропоновано аналітичну методику оптимізації по мінімальній залежності від температури. Згідно методики, представляють температурозалежні властивості матеріалів як аналітичні функції у вигляді поліномів, на підставі чого отримують вираз для коефіцієнта перетворення у вигляді дрібно-раціональної ступеневої функції від температури. Дорівнюючи похідну по температурі від коефіцієнта перетворення до нуля, отримують рівняння, що пов’язує оптимальні параметри перетворювача з заданою робочою температурою.

Показано, що просторова нерівномірність чутливості, яка виникає внаслідок технологічного розкиду товщини гальванічного покриття, є мінімальною у околицях екстремуму функції К (f21). Для теплометричної оболонки калориметра згоряння необхідно одночасно забезпечити як мінімальну залежність коефіцієнта перетворення від температури, так і мінімальну просторову нерівномірність чутливості . Спільне рішення рівнянь К ТО /  = 0 та К ТО / T = 0,

дозволяє знайти значення f21 та Ф, що відповідають “найкращім” з метрологічної точки зору параметрам конструкції перетворювача. На рис. 5 представлені розраховані оптимальні параметри перетворювача на базі константан (основа) – мідної (покриття) спіралі в залежності від робочої температури. Для теплометричної оболонки, середня робоча температура якої становить 318 К, найкращими параметрами є Ф = 22 і f21 = 0,0685, а розрахункове значення коефіцієнта перетворення по густині теплового потоку при h = 1мм становить 390 Вт/(В·м2). Достовірність отриманих залежностей коефіцієнта перетворення від температури перевірено експериментально на спеціально виготовлених пробних перетворювачах з різними значеннями площі перерізу гальванічного покриття.

Рис.5 Температурні залежності оптимальних значень формпараметра Ф та відносного перерізу покриття f21.

Розглянуті джерела флуктуаційних шумів, що виникають у перетворювачі теплового потоку. Отримана розрахункова формула для густини теплового потоку, що еквівалентна потужності теплового шуму:

,

де k0 – стала Больцмана;

Д – смуга частот пропускання приладу.

Реальна вторинна апаратура завжди має власні шуми, вхідні токи та напруги зміщення, що взаємодіють з первинним перетворювачем. У роботі розглянута еквівалентна електрична схема підключення перетворювача до електронного підсилювача з кінцевим вхідним опором, джерелами вхідних шумових токів та напруг, джерелами напруги та току зміщення підсилювача. Запропонована формула для визначення спектральної густини електричних шумів у вимірювальному тракті та розроблена програма для розрахунків рівня шумів та конструктивних параметрів перетворювача, оптимальних по критерію мінімуму потужності, що виявляється.

Розглянуто технологію виготовлення теплометричної оболонки великого об’єму, запропоновано термоциклічний режим старіння оболонки, експериментально досліджено процес стабілізації властивостей під час старіння і показано, що для досягнення стабільних характеристик, старіння повинно тривати близько 80 діб. Виготовлена партія оболонок з такими параметрами: внутрішній діаметр – 66 мм, висота – 210 мм, товщина стінки – 2 мм, чутливість - не менш 25 мВ/Вт. Експериментально досліджено просторову нерівномірність чутливості оболонки і визначені напрямки поліпшення технології виготовлення, які дозволять зменшити технологічний розкид характеристик.

У четвертому розділі розглянуто конструкції розроблених калориметричних установок та їх основних функціональних блоків, а також алгоритми обробки вимірювальної інформації. Розроблені конструкції трьох моделей конструктивних бомбових калориметрів: КТС-1 – з природним повітряним охолодженням, а КТС-2 та КТС-3 – з примусовим. На рис.6 представлена конструктивна схема теплового блоку приладу КТС-3. Циліндрична бомба 1 розміщується у калориметричній комірці 2, що закривається зверху кришкою комірки 3. Комірка охоплена циліндричною теплометричною оболонкою 4 з відкритими торцями. Нижній торець оболонки закритий теплоізоляційним вкладишем з пінополіуретану, а верхній – кришкою з теплоізоляційними вкладишами.

Рис. 6. Конструктивна схема теплового блоку калориметра КТС-3.

Наріжні поверхні верхнього та нижнього вкладишів охоплені кришками з дюралюмінію, які мають добрий тепловий контакт з термостатованим корпусом 5 з того ж металу. Внутрішня поверхня корпуса 5 охоплює теплометричну оболонку, а на зовнішній у спіральних пазах розміщені нагрівач та високоомний (близько 1000 Ом) мідний термометр опору. Під калориметричною коміркою розташований відсік електронних блоків 8, де розміщені функціональні вузли вторинної апаратури, які працюють у стабільних температурних умовах для забезпечення високих метрологічних характеристик. У нижній частині теплового блоку розташований вентилятор 7, який створює потік охолоджуючого повітря у зазорі між циліндричною поверхнею термостатованого корпусу та кожухом. Розроблені дві моделі універсальних калориметричних бомб для всіх видів палива. Бомба БКУ-1 призначена для використання у калориметрах КТС-1 та КТС-2 і ущільнюється за допомогою накидної гайки, що нагвинчується зверху на стакан калориметричної бомби. Бомба БКУ-2 призначена для використання у калориметрі КТС-3 і ущільнюється гайкою з зовнішньою різьбою, яка загвинчується у стакан бомби. У кришці бомби розміщені вентилі для заповнення бомби киснем та горючим газом і випуску продуктів згоряння. Бомби мають набір ущільнюючих кілець, що забезпечують можливість роботи у самоущільнюваному варіанті при досліджені твердих та рідких палив, а також у несамоущільнюваному варіанті – при досліджені газоподібних палив.

Вторинна електронна апаратура, що входить до складу калориметричних установок, забезпечує регулювання температури у тепловому блоку, підпал проби палива у бомбі, вимірювання сигналів первинних перетворювачів, обробку інформації та індикацію результату вимірювання. Обробка інформації та керування роботою установки проводиться за допомогою мікроконтролера на базі однокристального мікропроцесора.

Розглянуті методики підготовки та проведення калориметричного експерименту, алгоритми обробки даних. Обробка даних у калориметрах КТС може провадитися різними способами за вибором оператора. Найменшу похибку вимірювань забезпечує інтегральний спосіб, який передбачає інтегрування сигналу теплометричної оболонки від моменту підпалу проби палива і до встановлення стаціонарного теплового режиму. При вимірюванні за інтегральним способом тривалість процесу підготовки, тобто встановлення початкового стаціонарного режиму, складає 1,5 – 2 години, тривалість інтегрування після згоряння палива – 1 година. Для зменшення тривалості експерименту передбачені балістичні способи вимірювань. При першому балістичному способі підпал палива проводять після встановлення початкового стаціонарного режиму, а енергію, що виділилася у бомбі, розраховують по максимальному сигналу теплометричної оболонки. При цьому способі тривалість підготовки така ж, як і при інтегральному способі, а результат вимірювання отримують через 2-3 хвилини після підпала. Для скорочення тривалості підготовки розроблено другий балістичний спосіб – експрес-метод вимірювання. Цей метод базується на використанні екстраполяції сигналу теплометричної оболонки в нестаціонарному режимі підготовки, що дозволяє скоротити загальну тривалість калориметричного експерименту приблизно у 2 рази.

Запропоновано методику проектування кондуктивних калориметрів різноманітного призначення з використанням теплометричних оболонок великого об’єму на базі термоелектричного біметалічного перетворювача. Методика містить загальні рекомендації по вибору теплотехнічної схеми приладу, сформульовані задачі та необхідні вихідні дані різних етапів проектування, розглянуто послідовність та логічний зв’язок етапів.

У п’ятому розділі подано результати досліджень характеристик розроблених приладів. Наведена структура та основні функції автоматизованої системи на базі ПЕОМ, яка розроблена для досліджень метрологічних характеристик та градуювання калориметрів. До складу системи входять стандартні вимірювальні прилади – цифровий вольтметр, комутатор, стабілізатор напруги, таймер, зразковий опір, а також спеціально розроблені блок зв’язку та градуювальний нагрівач.

Досліджено динаміку теплових процесів у розроблених приладах під час підготовки та вимірювань. Експериментально визначено рівень “базової лінії” калориметрів, для зменшення рівня випадкових флуктуацій запропоновано використовувати цифрову фільтрацію сигналу теплометричної оболонки у режимі підготовки. Середньоквадратичний рівень флуктуацій, який відповідає мінімальній потужності, що виявляється, у калориметрі КТС-2 складає 2 мВт.

Досліджена система примусового повітряного охолодження калориметра, експериментально визначені локальні коефіцієнти теплообміну на поверхні теплорозсіючого корпуса теплового блока. Для зменшення нерівномірності теплових потоків на поверхні корпуса та інтенсифікації теплообміну, запропонована система кільцевих ступінчатих турбулізаторів, які установлені на поверхні корпуса.

Проведені експериментальні дослідження та розрахунки складових похибки вимірювань. Визначені мультиплікативні складові похибки, які виникають внаслідок температурної залежності чутливості теплометричної оболонки, просторової нерівномірності чутливості, кінцевої тривалості режиму інтегрування, неконтрольованих втрат теплоти крізь торці калориметричної комірки, нестабільності коефіцієнта перетворення АЦП, похибок вимірювання інтервалів часу, а також адитивні складові похибки – похибка визначення рівня “базової лінії”, похибка визначення електричної енергії підпала проби та похибки вторинної електронної апаратури. Розрахована на підставі проведених досліджень гранична похибка вимірювання теплоти згоряння твердого та рідкого палива становить ±0,22%, а для природного газу ±0,31%.

Розглянуто методичну похибку, що виникає внаслідок відміни початкової температури калориметричного експерименту від стандартної температури 25 оС. Показано, що ця похибка може бути значно зменшена шляхом введення поправки, яка залежить від складу палива, що досліджується.

Розглянуто методики градуювання калориметрів при балістичному та інтегральному способах вимірювань, а також методика метрологічної атестації. Виготовлені прилади пройшли Державну метрологічну атестацію та допущені для використання у якості робочих засобів вимірювання теплоти згоряння палива з допускаємою граничною похибкою ±0,2 %. За допомогою виготовлених приладів досліджена теплота згоряння нетрадиційних видів палива, що виготовлені з відходів виробництва – нафтового шламу, петролатума, деревної тирси, низькосортного вугілля, а також відходів виробництва харчових продуктів та пакувальних матеріалів.

ВИСНОВКИ

1. Промисловість України має потребу у вітчизняному, зручному в експлуатації, автоматизованому робочому засобі вимірювання теплоти згоряння твердого, рідкого і газоподібного палива. Перспективним з точки зору зручності експлуатації, автоматизації процесу вимірювання та технологічності виготовлення є кондуктивний бомбовий калориметр з первинним перетворювачем на базі термоелектричного гальванічного перетворювача теплового потоку.

2. Розроблені математичні моделі адекватно описують динаміку теплових процесів у кондуктивному калориметрі при згорянні проби палива, що підтверджено задовільним узгодженням результатів моделювання та експериментальних досліджень. Моделі можуть бути використані при проектуванні калориметрів різного призначення для визначення основних параметрів конструкції, дослідження впливу збурень і розкиду технологічних параметрів на похибки вимірювання.

3. Внаслідок різниці у просторовому розподілі температур у ядрі калориметричної системи в дослідах градуювання та вимірювання, виникає додаткова складова похибки вимірювання. Досліджено залежність цієї складової похибки від параметрів конструкції калориметра і теплометричної оболонки.

4. При проведенні прецизійних калориметричних вимірювань, параметри теплометричної оболонки та вторинної вимірювальної апаратури повинні бути узгоджені для мінімізації температурної залежності чутливості, рівня шумів у вимірювальному тракті та просторової нерівномірності чутливості. Показано, що існує таке сполучення параметрів перетворювача теплового потоку, при якому забезпечується оптимізація одночасно за критеріями мінімальної температурної залежності чутливості та мінімальної просторової нерівномірності чутливості.

5. Теоретично обґрунтована та перевірена експериментально можливість використання термоелектричних гальванічних перетворювачів теплового потоку для прецизійної калориметрії (при похибці вимірювання на рівні 0,1 0,2%).

6. Експрес-метод визначення теплоти згоряння за результатами екстраполяції в часі сигналу теплометричної оболонки, розроблений для оперативної оцінки якості палива, має задовільну для практики похибку вимірювання (до 1%) і дозволяє більш ніж у двічі скоротити тривалість експерименту.

7. Розроблені моделі універсальних калориметричних бомб можуть використовуватися як у варіанті, що самоущільнюється, так і в варіанті герметизації, що несамоущільнюється, і це дозволяє досліджувати в одному калориметрі усі види органічних палив, споживаних в енергетиці.

8. Розроблена для калориметричних установок вторинна електронна апаратура побудована на базі мікропроцесорної техніки, здійснює автоматизацію підтримки температурних режимів, процесів вимірювань й обробки даних, що значно скорочує трудомісткість проведення калориметричного досліду і виключає суб'єктивні помилки при вимірюваннях.

9. Експериментально досліджені динамічні та метрологічні характеристики розроблених приладів. Визначені джерела інструментальних похибок калориметрів, проведені оцінки окремих складових і сумарної похибки вимірювань.

10. Калориметри КТС за своїми метрологічними та експлуатаційними характеристиками відповідають вимогам до сучасних робочих засобів вимірювань і можуть бути використані на підприємствах України для визначення теплоти згоряння різних видів органічного палива відповідно діючим стандартам. Метрологічні характеристики приладів підтверджені результатами державних метрологічних атестацій експериментальних зразків в Українському центрі стандартизації, сертифікації і метрології (УкрЦСМ).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Грищенко Т., Декуша Л., Воробйов Л., Мазуренко О., Самокиш А., Гайдучек А. Калориметр для вимірювання теплоти згоряння палива (КТЗ-1) // Експрес-новини: наука, техніка, виробництво (дайджест-бюлетень), УкрIНТЕI, 1996, № 1-2.- с.5.

2. Воробьев Л.И., Грищенко Т.Г., Декуша Л.В. Бомбовые калориметры для определения теплоты сгорания топлива // Инженерно-физический журнал.-1997.-том 70, №5.-с.828-839.

3. Воробйов Л., Грищенко Т., Декуша Л., Мазуренко О., Самокиш А., Гайдучек А. Теплотворна здатність палива // Харчова i переробна промисловість.- 1997.- № 10, с.28-29.

4. Воробйов Л.Й., Гайдучек А.В., Грищенко Т.Г., Декуша Л.В., Мазуренко О.Г., Самокиш А.I., Хаврюченко П.Д. Новий калориметр для вимiрювання теплоти згоряння палива // Науковi вiстi НТУУ КПI №3(4), 1998 р. - с. 22-27.

5. Воробьев Л.И., Грищенко Т.Г., Декуша Л.В. Экспериментальное исследование воздушного охлаждения калориметра // Инженерно-физический журнал.- 1999.- т.72, №3, с.405-407.

6 Мазуренко О.Г., Воробйов Л.И., Бурова З.А. Утилізація пакувальних матеріалів.- Упаковка.- 1999.-№ 2 (11). - с. 40.

7 ГОСТ 30619-98 (ДСТУ 3756-98) Энергосбережение. преобразователи теплового потока термоэлектрические общего назначения. Общие технические условия. - Киев: Держстандарт Украины, 2000.- 21 с. Разработчики: Грищенко Т.Г., Декуша Л.В., Воробьев Л.И.

8 Мазуренко О.Г., Воробйов Л.Й. Iнформацiйно-вимiрювальна система для теплотехнічних випробувань / Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість: Тези доп. Мiжнар. наук.- техн. конф.- К.: УДУХТ, 1997.- с.160

9 Мазуренко О.Г., Воробйов Л.Й. Розроблення та дослiдження калориметра згоряння палива / Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологiй та обладнання в харчову та переробну про мисловiсть: Тези доп. Мiжнар. наук.- техн. конф.- К.: УДУХТ, 1997.- с.159.

10 Vorobiev L., Grischenko Т., Dekusha L., Mazurenko O., Gajduchek A., Samokish A., Havruchenko P. The new Ukrainian calorimeter for measurement of solid and liquid fuel calorific power / Актуальнi проблеми вимiрювальної технiки "Вимiрювання-98": Збiрник праць Мiжнародної конференцiї.- Київ: НТУУ "КПI", 1998.- с.154.

11 Воробьев Л.И., Декуша Л.В., Котенко В.М. КТС-3 - бомбовый калориметр для измерения теплоты сгорания топлива// Тезисы докл. Междунар. научно-практической конф. “Региональные проблемы энергосбережения в производстве и потреблении энергии” - К.: ИТТФ НАНУ.-1999.-c.53-54.

12 О.Г. Мазуренко, Л.Й. Воробйов, Л.В. Декуша Експрес-метод вимірювання теплоти згоряння у кондуктивному калориметрі.// Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергозберігаючих технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості: Матеріали шостої міжнародної наук.-техн. конференції, 19-21 жовтня 1999 р.- У 3ч. - К.: УДУХТ, 2000. – Ч. ІІІ – С. 52-53.

13 Воробьев Л. И. динамика тепловых процессов и погрешности измерения в кондуктивном бомбовом калориметре/ Ин-т техн. теплофизики НАНУ. – Киев, 2000. – 25с. – Рус. Деп. в ГНТБ Украины 03.07. 2000, №140 - Ук2000//Библ. Описание в ж. ВИНИТИ РАН “Депонированные научные рукописи” №10(344), 2000.-с.41.-№65.

АНОТАЦІЇ

Воробйов Л.Й. Кондуктивний бомбовий калориметр для вимірювання теплоти згоряння палива – рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.04 – прилади та методи вимірювання теплових величин. – Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ, 2001 р.

Дисертацію присвячено створенню робочого засобу вимірювання теплоти згоряння різних видів палива, а саме кондуктивного ізоперіболічного бомбового калориметра. У приладі використовується термоелектричний біметалічний перетворювач теплового потоку у вигляді теплометричної оболонки. За допомогою розробленої математичної моделі досліджено динаміку теплових процесів у приладі і вплив нерівномірного розподілу температур у калориметричній бомбі на похибку вимірювань, визначено критерії оптимізації та розраховані параметри термоелектричного перетворювача. Розроблено експрес-метод вимірювання, визначені та досліджені джерела основних похибок. Розроблено три моделі калориметрів та дві моделі калориметричних бомб. Здійснено метрологічну атестацію та впровадження розроблених приладів.

Ключові слова: калориметр, теплота згоряння, перетворювач теплового потоку, термоелектричний перетворювач, калориметрична бомба, похибки вимірювання.

Воробьев Л.И. Кондуктивный бомбовый калориметр для измерения теплоты сгорания топлива. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.04 – Приборы и методы измерения тепловых величин. - Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, 2001.

Диссертация посвящена разработке рабочего средства измерения теплоты сгорания топлива – автоматизированного кондуктивного изопериболического бомбового калориметра, а также исследованию метрологических характеристик прибора. Проведен анализ методов определения теплоты сгорания и рассмотрены принципы действия и особенности конструкции современных калориметров сжигания. Установлено, что основными тенденциями в развитии калориметрии сжигания в настоящее время является переход от водяных калориметров к безводным (анеродным) приборам, а также высокий уровень автоматизации калориметрического эксперимента. На основании сравнительного анализа теплотехнических схем приборов показано, что перспективным, с точки зрения простоты автоматизации и технологичности изготовления, является кондуктивный бомбовый калориметр с использованием в качестве первичного преобразователя термоэлектрического биметаллического преобразователя теплового потока.

Экспериментально исследовано распределение температуры на поверхности калориметрической бомбы при сжигании проб различных видов топлива. Исследовано взаимное влияние на погрешность измерения прибора неравномерности распределения температур, параметров конструкции калориметрической ячейки и пространственной неравномерности чувствительности преобразователя теплового потока в виде теплометрической оболочки. Предложена модель калориметра как системы элементов с сосредоточенными параметрами, построенная по методу электротепловой аналогии. С помощью моделирования исследована динамика тепловых процессов в бомбовом кондуктивном калориметре, влияние на погрешность измерения нестабильности температуры поверхности теплорассеивающего блока, температурной зависимости чувствительности теплометрической оболочки и технологического разброса параметров конструкции.

Рассмотрены различные критерии оптимизации параметров конструкции преобразователя теплового потока – по максимальной чувствительности при заданной плотности термоэлементов, по минимальной зависимости коэффициента преобразования от температуры, по критерию минимальной обнаруживаемой мощности. Разработан аналитический метод определения параметров, обеспечивающих минимальную зависимость коэффициента преобразования от температуры. Показано, что существуют такие параметры конструкции, которые обеспечивают наилучшие метрологические характеристики – одновременную минимизацию температурной зависимости и пространственной неоднородности чувствительности. Рассчитаны оптимальные параметры оболочки на базе константан-медной гальванической спирали в диапазоне температур от 270 до 330 К.

Рассмотрены источники шумов в измерительном тракте, состоящем из преобразователя теплового потока и входного устройства вторичной электронной аппаратуры. Разработана методика и компьютерная программа расчета шумов в измерительном тракте и определены параметры преобразователя, оптимальные по критерию минимальной обнаруживаемой мощности. Разработана технология изготовления цилиндрической теплометрической оболочки большого объема, предложена методика старения оболочки с текущим контролем стабилизации характеристик преобразователя. Изготовлены теплометрические оболочки и экспериментально исследованы их метрологические параметры: температурная зависимость и пространственная неравномерность чувствительности. Основные параметры цилиндрической оболочки: внутренний диаметр – 66 мм, высота – 210 мм, толщина стенки – 2 мм, чувствительность - не менее 25 мВ/Вт.

Разработаны, изготовлены и внедрены на предприятиях энергетики три модели кондуктивных бомбовых калориметров с воздушным охлаждением – естественным и принудительным. Разработаны две модели универсальных калориметрических бомб, каждая из которых может использоваться как в самоуплотняющемся варианте при сжигании твердых и жидких топлив, так и в несамоуплотняющемся - при исследовании газообразных топлив. Предложена методика проектирования кондуктивных калориметров различного назначения с использованием теплометрической оболочки большого объема на базе термоэлектрического биметаллического преобразователя. Разработан экспресс-метод измерения, который базируется на использовании экстраполяции сигнала теплометрической оболочки в нестационарном режиме и позволяет сократить длительность проведения калориметрического эксперимента примерно в два раза.

Разработаны методики, аппаратура и программное обеспечение для проведения исследований, градуирования и метрологической аттестации калориметров сгорания. Определены и экспериментально исследованы основные источники погрешностей и предложены пути уменьшения их влияния. Проведена метрологическая аттестация и внедрение разработанных приборов.

Ключевые слова: калориметр, теплота сгорания, преобразователь теплового потока, термоэлектрический преобразователь, калориметрическая бомба, погрешности измерения.

Vorobyov L.I. The conductive bomb calorimeter for heat of fuel combustion measurement. - Manuscript.

Thesis for a candidate’s scientific degree of engineering science by speciality 05.11.04 - devices and methods