Исследование влияния скорости охлаждения газа на образования токсичных компонентов в охлаждаемых зондах

Исследование процессов в трактах теплоэнергетических установок связано с определением различных параметров газового потока, в том числе и состава высокотемпературной газовой смеси. Для контроля токсичности отработавших газов установки также необходимо проводить химический анализ продуктов сгорания. В настоящее время достаточно широкое распространение получили газовые анализаторы, с помощью которых осуществляется химический анализ многокомпонентной смеси. При этом отбор газовой пробы и доставка ее к анализатору осуществляется с помощью специальных охлаждаемых зондов, вводимых в интересующие нас зоны течения. Если отбор пробы производится из высокотемпературной области тракта энергетической установки, то изменение температуры газовой пробы при ее течении в канале зонда сопровождается неравновесным протеканием химической реакции между компонентами пробы. По этой причине химический состав пробы на входе в анализатор будет отличаться от состава газовой пробы в точке ее отбора.

В связи с этим, рассмотрим следующие задачи:

1. Отбор пробы;

2. Нахождение поправочного коэффициента;

3. Анализ пробы.

1. Отбор пробы осуществляют схемой показанной на рисунке 1.

К трубопроводу или к металлическому кожуху канала, по которому движутся анализируемые газы, должно быть приварено уплотняющее устройство (рисунок 2).

При высокотемпературных процессах в газоходе 1 выше 250 ⁰С используют водоохлаждающее газоотборное устройство (рисунок 2), к которому подсоединяют резиновые рукава 11 и 12. подводящий рукав 11 подсоединяют к водопроводу, отводящий рукав 12 – к сливной воронке. Включают охлаждающую воду.

На газоотборную трубку 13 надевают резиновую трубку 14, другой конец которой надевают на заполненный стекловолокном патрон 15. К патрону 15, предназначенному для очистки газов от пыли, присоединяют трубку 16, другой конец которой надевают на отросток трехходового крана 17. На противоположный отросток трехходового крана надевают резиновую трубку 18, а другой ее конец присоединяют к нужной пипетке аспиратора 19. На третий отросток трехходового крана надевают резиновую трубку 20. Свободный конец трубки 20 выводят за пределы помещения, в котором производят отбор проб газа, или относят на расстояние 5 м в направлении ветра, если отбор проб осуществляют на открытом воздухе. Трехходовой кран устанавливают в положение «а».

Рисунок 1. Схема установки для отбора проб газа

Свинтив гайки 6 с болтом 5 уплотняющего устройства 2, снимают нажимной фланец 9, пластину 8 и асбестовую прокладку 7. Вынимают из корпуса уплотнительного устройства нажим 3.

На водоохлаждаемое газоотборное устройство 10 надевают сначала нажимной фланец 9, затем нажимное кольцо 3. Газоотборное устройство вставляют в уплотнительное устройство. На газоотборное устройство наматывают шнуровой асбест с таким расчетом, чтобы после того, как он будет вдвинут в корпус 2, вставленное вслед за ним кольцо 3 выступало из фланца 4 на 5-7 мм. Передвигая кольцо 3 по газоотборному устройству 10,вдвигают кольцо и шнуровой асбест 22 в корпус 2. Прижимают болтами фланец 9. Гайки 6 болтов5 должны быть затянуты таким образом, чтобы газоотборное устройство усилием руки нельзя было переместить в уплотнительном устройстве.

1 – труба (Ø6х1), 2 – пластина, 3 – труба (Ø22х2), 4 – центрирующая накладка, 5 – труба (Ø32х2), 6 – штуцер.

Рисунок 2. Водоохлаждаемое газоотборное устройство

Склянку 21 поднимают выше аспиратора. Открывают нижний, а затем верхний кран пипетки и заполняют ее запирающей жидкостью до верхнего крана, вытесняя воздух из пипетки в атмосферу через находящийся в положении «а» трехходовой кран и резиновую трубку 20.

Осуществляют промывку газоотборной линии отбираемым для анализа газом. Для этого склянку 21 опускают ниже аспиратора 19 и одновременно устанавливают трехходовой кран в положение «б». Запирающая жидкость перетекает из пипетки в склянку 21, а пипетка заполняется газом. Когда жидкость в пипетке приблизится к нижнему крану пипетки, склянку 21 поднимают выше аспиратора, одновременно переводя трехходовой кран в положение «а». При этом запирающая жидкость вытесняет набранный в пипетку газ в атмосферу. Промывку – отбор анализируемого газа в пипетку и вытеснение его в атмосферу – повторяют несколько раз.

Необходимое количество операций промывки определяют по формуле

M ≥ 4V_л/V_г,

где V_л – объем газоотборной линии (газоотборной трубки, патрона, резиновых трубок); V_г – объем пипетки.

Когда последний «промывочный» объем газа вытеснен из пипетки в атмосферу, отбирают пробу газа для анализа. Для этого склянку 21 опускают ниже аспиратора 19, одновременно переводя трехходовой кран в положение «б». После заполнения пипетки газом (при этом запирающая жидкость не должна опускаться до нижнего крана) закрывают ее верхний кран, склянку 21 поднимают выше аспиратора и таким образом создают в пипетке избыточное давление. Закрывают нижний кран пипетки и устанавливают трехходовой кран в положение «а», после чего резиновую трубку 18 снимают с пипетки.

После отбора проб склянку 21 устанавливают в гнездо аспиратора, аспиратор закрывают крышками и транспортируют в помещение, предназначенное для анализа. Пробы газ хранят в аспираторе при комнатной температуре. Во время хранения склянку 21 ставят выше аспиратора, а нижние краны пипеток открывают.

2. Нахождение поправочного коэффициента начнем с анализа водоохлаждающего пробоотборника.

Примем, что начальная температура охлаждающего теплоносителя не изменяется, то есть Т₁=const. Температура смеси в газоотборной линии Т в начале процесс равна Т₀ , в конце периода охлаждения равна Т_А.

Количество тепла, отнимаемое водой определяется по формуле:

(1)

где W₁ – тепловая емкость воды, - здесь К – среднее значение коэффициента теплопередачи, F – поверхность теплообмена, τ – время охлаждения.

С другой стороны, потеря тепла вызывает падение температуры смеси в газоотборнике согласно уравнению, не учитывающему тепловую емкость стенок:

(2)

где W₂ – тепловая емкость смеси.

Приравнивая правые части уравнения (1) и (2), и проинтегрировав их по времени и по температуре получим:

(3)

Из уравнения (3) находится время охлаждения τ смеси.

Будем считать, что газовая смесь в точке отбора пробы находится в состоянии химического равновесия. Тогда ее состав может быть определен при решении уравнений химического равновесия рассмотренных в работе [1]. Давление и температуру при этом считаем известными, также считаем известной температуру на входе в анализатор. Для простоты будем считать, что закон охлаждения пробы в канале зонда является известной функцией времени:

(4)

где ,– соответственно температура в точке отбора пробы и на входе в анализатор;

τ _х– время охлаждения с учетом химических реакций; , - скорость охлаждения в К/с;

Для нейтрализации концентрации оксида углерода СО в высокотемпературную газовую смесь впрыскивается водяной пар. Неравновесное протекание химических реакций между компонентами смеси описывается уравнениями химической кинетики.

(р,Т, ) (5)

где - массовая концентрация i – компоненты, р – давление, Т- температура, n- количество компонент, правая часть этого уравнения определена в работе [2]. Здесь (р,Т,) = - массовая скорость образования вещества в результате всех реакций, с молекулярным весом в ходе r – реакций.

Для уравнения химической кинетики использована конечно-разностная схема предложенная в работе [2 ].

(6)

где &#; - параметр неявности схемы (обычно &#; = 0,4), h_n – шаг интегрирования.

Таким образом, численное интегрирование системы уравнений химической кинетики (5) при заданной временной зависимости температур (4) дает нам зависимость концентрации оксида углерода от скорости охлаждения (рисунок 3). Далее находится поправочный коэффициент.

F_x=τ_x / τ (7)

где τ_x – время охлаждения, которое определяется из уравнения (4).

Рисунок 3. Зависимость весовой доли концентрации CO от температуры

продуктов сгорания

3. Концентрация оксида углерода (С_х % по объему) в рабочей дозе рассчитывается по формуле:

С_х = , (8)

где V_СО – объем введенного калибровочным микродозатором чистого оксида углерода, см³; V_Р.Д. – объем рабочей дозы, см³, F_x поправочный коэффициент.

После проведения анализа исследуемого газа, содержащего оксид углерода в неизвестном количестве С_х, замеряется высота пика на хроматограмме с учетом масштаба шкалы и по калибровочной зависимости определяется количество оксида углерода в анализируемом газе.

При использовании калибровочного газа с содержанием оксида углерода меньше 100% результат анализа, полученный при использовании калибровочной зависимости, должен быть умножен на коэффициент К = С_а/100, где С_а – концентрация оксида углерода в калибровочном газе, %.

Результат измерения должен быть представлен в следующем виде: ±δ. Здесь – среднее арифметическое значение из n-определений; δ – абсолютная погрешность измерения, характеризующая точность результата

δ = , (9)

где t – табличное значение коэффициента Стьюдента при доверительной вероятности р=0,95; n – число определений; S – среднее квадратичное отклонение по всему массиву n-определений;

, (10)

здесь Х_i – единичное определение.

Результаты, отличающиеся друг от друга более чем на ±δ, считают грубой ошибкой и исключают из рассмотрения. Значение δ надо рассчитывать для каждой серии параллельных определений. Относительная погрешность измерения ±5%.

Процентное содержание оксида углерода пересчитывают в мг/м³ (при нормальных условиях) по формуле:

С_СО = ^.1,165^.10⁴, (11)

где 1,165 – плотность оксида углерода (кг/м³) при нормальных условиях.

Литература:

1. Волков В.А. Расчет равновесного состава смеси реагирующих газов при заданном внешнем давлении. В кн. «Математические аспекты задач охраны воздушного бассейна». М.: Изд-во МАИ, 1984, с. 3-11.

2. Пирумов У.Г. Обратная задача теории сопла. М:Машиностроение, 1988, 238с.

3. Пирумов У.Г., Папуша А.И., Мусин В.Р. и др. Некоторые математические проблемы охраны воздушного бассейна. «Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа». 1981, 202 с.