Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Постановка аналитических задач. Обзор современных методов и средств созда ния парогазовых смесей с заданной влажно стью 14
1.1. Требования, предъявляемые к образцовым средствам измерения влажности газа 14
1.1.1лиз состояния парка приборов влажности 17
1.2. Аналитический обзор климатических камер и гигростатов
1.3. Анализ методов и средств получения газа с заданной влажностью 26
1.3.1. Метод двух давлений 26
1.3.2. Метод двух температур 29
1.3.3. Метод насыщенных растворов солей. 31
1.3.4. Гравиметрический метод 32
1.3.5. Метод смешения потоков 34
1.4. Обоснование выбранного направления работы
1.5. О стандартизации зависимости давления насыщенного пара воды от температуры 36
1.6. Анализ литературных данных по влиянию различных факторов на процессы фазовых переходов 40
1.6.1. Влияние формы поверхности 41
1.6.2. Влияние слоя инея 42
1.7. Выводы 44
Глава 2. Теоретическое обоснование и исследование метода фазового равновесия 45
2.1. Теоретический анализ процессов тепло-мас-сооомена в двухфазных парогазовых потоках. 2.2. йдвод расчетных уравнений 51
2.3. Методика теплового расчета генератора владного газа 53
2.4. Исследование влияния начальной концентрации пара на степень пересыщения 61
2.5. Расчет температурного поля поверхности с учетом слоя инея 64
2.6. Расчет концентрации и степени пересыщения пара по тракту тепло-массооомена 69
2.7. Оценка возможности получения газа с заданной температурой точки росы путем смешения потоков 72
2.8. Анализ источников погрешностей генератора.
2.8.1. Отклонение действительной концентрации пара от равновесного состояния насыщения . 72
2.8.2. Погрешность измерения температуры. 73
2.8.3. Погрешность измерения давления 74
2.8.4. Отклонение свойств реального газа от идеального 75
2.9. йівод уравнения для расчета систематичес кой и случайной погрешности 75
2.10. Впзоды 78
Глава 3. Конструктивные особенности установки 80
3.1. Азотная холодильная камера 80
3.2. Тепломассообменный аппарат 83
3.2.1. Тепловой расчет предварительного теплообменника 88
3.2.2. Тепловой расчетосновного теплообменника 88
3.3. Командный терморегулятор 91
3.4. Выводы 91
Глава 4. Экспериментальные исследования метода и аппаратуры 95
4.1. Задачи экспериментов 95
4.2. Аппаратура и техника экспериментов 95
4.2.1. Принцип работы генератора в режиме вымораживания 98
4.2.2. Принцип работы генератора в режиме насыщения 100
4.2.3. Принцип работы генератора в режиме смешения 102
4.2.4. Контрольно-измерительная аппаратура.
4.3. Методика и результаты экспериментальных
исследований ЮЗ
4.3*1. Исследование влияния изменения на
чальной концентрации пара 103
4.3.2. Исследование влияния расхода газа. 107
4.3.3. Исследование влияния изменения температуры газа 109
4.3.4. Определение стабильности поддержания температуры 110
4.3.5. Исследование температурного поля 111
4.3.6. Исследования, связанные с проверкой абсолютности метода фазового равновесия 113
4.3.7. Сравнительные измерения с конденсационным, кулонометрическим, гравиметрическим методами 115
4.3.8. Определение времени выхода на режим 116
4.4. Расчет погрешности измерения концентрации пара на установке 117
4.5. Разработка установки относительной влажности 120
4.6. Методика контроля концентрации паров воды в чистых промышленных газах
4.6.1. Перспективы применения метода фазового равновесия 130
4.7. Выводы 131
Выводы 133
Литература 138
Приложения 148
- Анализ методов и средств получения газа с заданной влажностью
- Исследование влияния начальной концентрации пара на степень пересыщения
- Тепломассообменный аппарат
- Аппаратура и техника экспериментов
Введение к работе
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 машино- и приборостроительных предприятиях для предотвращения коррозии металлических изделий, создания необходимых условий при сборке и испытаниях приборов, а также при изготовлении полупроводниковых приборов. Аналогичные задачи вндвигает 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 химико-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 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-1" 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 "ВЕШИМ им. Д.И.Менделеева" и в ряде 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 получения 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 тешю-массообмена.
Выведено расчетное уравнение для определения значения коэффициента Льюиса, обеспечивающего равновесное изменение концентрации при заданном конечном температурном напоре.
Разработана методика теплового расчета тепломассоо сменного 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, тепломассоо сменный 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.
Анализ методов и средств получения газа с заданной влажностью
Наиболее перспективными в качестве образцовых поверочных средств представляются специальные устройства, именуемые "генераторами влажного газа", позволяющие получить парогазовые смеси с заданными и точно известными значениями влажности. Эти значения определяются по результатам измерения параметров, характеризующих парогазовую смесь (давления, температуры) в различных узлах генератора, для чего уже существует достаточно точные средства. Иными словами, после всестороннего исследования и аттестации "генераторов влажного газа", получаемые при их помощи парогазовые смеси могут использоваться в качестве гра-дуировочных при поверках и исследований гигрометров без необходимости дополнительного измерения влажности смесей образцовым прибором /21, 22, 23, 24 /.Проведем анализ существующих методов получения газа с заданной влажностью.
Сущность метода заключается в том, что газ насыщается в устройстве для насыщения (сатураторе), а затем изотермически расширяется до более низкого (обычно атмосферного) давления в рабочем объеме. Значение влажности в рабочем объеме определяется соотношением давлений в сатураторе и в этом объеме. Этот принцип основан на том, что упругость насыщенных водяных паров, в диапазоне выбранных давлении в сатураторе зависит только от температуры. При выходе газа из сатуратора объем его увеличивается пропорционально понижению давления, а влажность в той же мере уменьшается относительно получаемой при насыщении.
Таким образом, чем выше давление в сатураторе, тем ниже получаемая влажность.Генератор влажного газа на принципе двух давлений Национального Бюро Эталонов США, использующийся для калибровки приборов влажности, может создавать поверочные среды с температурой точки росы в диапазоне от 263 до 293 К с погрешностью 0,5$. Данный генератор работает следующим образом / 25 /.
Сжатый газ, обычно атмосферный воздух, очищается, осушается проходит через наружный сатуратор, в котором температура поддерживается на 10-15 К выше желаемой температуры насыщения. Затем газ проходит последовательно через три сатуратора с теплообменниками, которые погружены в термостатированную жидкостную ванну. Изс&ток воды конденсируется. Газ выходит из последнего сатуратора насыщенным, причем пар находится в равновесии с жидкой или с твердой фазой дистиллированной воды (в зависимости от температуры) при абсолютном давлении Р и температуре Т. Затем газ проходит через расширительный клапан в испытательную камеру, в которой поддерживается более низкое абсолютное Рс при той же температуре Т и, наконец, выходит в окружающую атмосферу. Измерениями температуры и давления внутри последнего сатуратора, а также в испытательной камере определяется содержание влаги в калибровочном газе. Калибровки проводятся с помощью генератора влажного газа, используя различные выражения для определения количества водяного пара, содержащегося в влажном газе:1) отношение смеси;2) температуру точки росы;3) относительную влажность;4) отношение объемов. (I.I)молекулярный вес газа; - давление насыщенного пара над плоской поверхностью воды ри температуре Т; - функция давления и температуры для данной системы пар-газ. Имея экспериментальные, формульные или табличные данные по функции и известную упругость насыщенного пара f , и измерив давление Рс и температуру Тс сатуратора, можно вычислитьОтносительную влажность в испытательной камере генератора определяют / 29 /:
Как ошечают авторы / 25 / в процессе калибровки приборов, чтобы установить определенную температуру или перейти от одной температуры к другой, требуется много времени, так как приходится нагревать или охлаждать жидкостную ванну емкостью, примерно 300 л. Установление или изменения давления осуществляется вращением ручки регулятора давления. Влажность, создаваемая генератором влажности ВИБЭ, представляет собой вычисленное количество, величина которого базируется на одном или более измеренных количествах и обычно на одной или более физических констант и функции. Генератор в свою очередь калибруется по эталонному гравиметрическому гигрометру НБЭ.
Отечественный генератор влажного газа на принципе двух давлений "родник" представляет собой лабораторный динамический прибор, который обеспечивает получение парогазовых смесей с относительной влажностью от 10 до 99$ при температуре от 278 до 328 К с абсолютной погрешностью, не превышающей ±1% относительной влажности / 30 /.
Точность получения заданного значения влажности зависит от погрешности измерения давления, степени постоянства температуры системы в различных точках, а также от величины поправок на отличное от идеальных газов поведении смесей воздух-водяной пар. Источниками погрешностей могут быть неполное насыщение градиенты температуры и давления в рабочем объеме, абсорбция влаги стенками и испытываемыми приборами.
Метод двух давлений применим в области больших влагосодержа-ний, использование его для получения весьма низких значений влажностей наталкивается на ряд существенных трудностей. Так, для получения влажности газа с температурой точки росы 223 К при температуре насыщения 293 К необходимо, чтобы давление в момент насыщения и давление после дросселирования отличались в 20000 раз, что представляет крайние трудности в реализации метода.
Исследование влияния начальной концентрации пара на степень пересыщения
С целью определения влияния начальной влажности газа на степень пересыщения оыли проведены расчеты степени пересыщения для различных режимов работы теплообменника. Переменными параметрами являлись начальная температура газа Т0 и влажность газа Тр0 на входе в теплообменник с температурой Тс, которой также придавались различные значения. Результаты исследований приведены на рис.2.5, где показано изменение степени пересыщения при постоянных температурах поверхности.
Анализ кривых показывает, что при большом начальном температурном напоре Л Т = 70 К начальная влажность газа, соответствующая Тр0 = 273 К приводит к максимальному пересыщению Sp мах = б при достижении Т = 233 К, что может превысить S/7 кр и вызвать появление тумана. Снижение начальной температуры точки росы до Тр0 в 253 К позволяет провести вымораживание при eSn мах = 1,32, что явно меньше лкр. Конечные величины степени пересыщения на указанных режимах вымораживания даны в таблице 2.2.
Таким образом, из приведенного анализа следует, что увеличение влажности газа на входе и разности температур между газом и поверхностью вымораживания при прочих равных условиях увеличивает пересыщение на выходе. На рис.2.6 графически представлена зависимость С = j (Т) в процессе насыщения, когда в качестве сухого газа используется газообразный азот, получаемый испарением жидкого азота и принимается С0 = 0, Т0 = 100 К. Пересыщение достигает величины Sn = 85 в начале процесса и резко снижаясь, становится равным единице при Т = Тст.
Так как опасности появления тумана здесь нет, большие значения 5л не имеют значения. При насыщении газ должен перемещаться над поверхностью инея, постепенно нагреваясь и насыщаясь, при этом полнота насыщения определяется конечным минимальным температурным напором.
В ранее изложенных результатах расчетов конечных температурных напоров в теплообменнике - и конечных величин степени пересыщения за основу принималась "первичная" поверхность, т.е. влияние слоя инея не учитывалось. Для достоверности окончательных выводов требуется оценить влияние слоя инея. Для отдельных участков поверхности можно определить среднюю где дС - изменение концентрации пара на участке1-2, V - объемный расход влажного газа, % - время работы вымораживателя, J - плотность инея, р - поверхность вымораживания. Принимая для расчета средние физические данные инея / 53 / и используя приведенные на рис.(2.4) расчетные поля температуры газа и концентрации пара при V" = 2.10 м3/с, Тр0 = 273 К и Тр0 = 253 К, можно рассчитать толщину инея на проволоках по длине теплообменника при различной влажности на входе. Результаты расчета (за рабочее время = 8 час) приведены на рис.2.7, из которого следует, что даже при высокой начальной влажности (кривая I, Тр0 = 273 К) основная масса инея выпадает в начале теплообменника, а на длине участка более 140 мм Оц ОД мм. Однако, при высокой начальной влажности и равномерном распределении ребер возможно забивание инеем входного участка теплообменника, целесообразно поэтому делать внутреннее оребрение с переменным шагом, большим на начальном участке. Принятая ранее наиболее оптимальная начальная влажность, соответствующая Тр0 = 253 К, дает распределение Оа — 4 ( ) по кРивой 2. Толщина инея за 8 часов работы не превышает 1,2 мм на начальном участке и менее 0,1 мм при и = 160 мм. Влияние слоя инея на температурное поле поверхности вымораживания можно качественно проанализи
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.
При работе в 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 х 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 газа; рабочий 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 на ходятся 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 газа; температура 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 форсунок; этот градиент ж контролируется термопарами J 14, 15, 16, І. Нерав номерность 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.йшос из основного теплообменника вымороженной влаги в виде частиц льда и снега предотвращается мелкоячеистыми 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.
Тешюмассообменный 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.
Аппаратура и техника экспериментов
Изучение процессов вымораживания и насыщения для паровоздушной смеси проводилось на экспериментальной модели. Основными узлами генератора являются тепломассообменный аппарат и азотно-холодильная камера. Конечная температуре в камере - АХК задается с помощью установочного лимба терморегулятора и поддерживается с точностью 0,1 К в диапазоне температур от 120 273 К. Измерение температуры осуществляется с помощью находящегося в рабочей камере термометра сопротивления и милливольтметра М-24. На рис.4.1 представлена принципиальная схема испытательного стенда, согласно которой проводились исследования. При этом к генератору были подключены: 1. Источник сжатого воздуха I, обеспечивающий расход от 2.I0""4 до 2.КГ3 м3/с с давлением от ОД до 0,12 МПА. 2. Осушительная колонка 2, обеспечивающая осушку воздуха до температуры точки росы 208 К. 3. Увлажнитель 3, обеспечивающий увлажнение воздуха до температуры точки росы, равной температуре окружающего воздуха. Путем смешения увлажненного и осушенного потоков воздуха можно изменять начальную влажность поступающего в генератор воздуха. 4. Фальтр воздушный За. 5. Манометр 4 образцовый с диапазоном измерения до 0,15 МПа для измерения избыточного давления воздуха на входе в генератор. 6. Термометр 5 для измерения температуры воздуха на входе в генератор. 7. Гигрометр 6, обеспечивающий измерение температуры точки росы на входе в генератор. 8. Термостат 7. 9. Расходомер 8. 10. Манометр образцовый класса не ниже 0,2 для измерения избы точного давления воздуха в ТМА. . Потенциометр 10 для измерения температуры газа, выходящего из тепломассообменного аппарата. При работе генератора в режиме вымораживания (рис.4.2) влажный газ, имеющий более высокую температуру точки росы, чем заданная, очищается от механических примесей и масла в фильтре тонкой очистки, фильтр двухступенчатый: предварительная фильтрация газа осуществляется при прохождении двух слоев стекловолокна, окончательная фильтрация - отделение мельчайших частиц - аэрозолей - осуществляется прохождением предварительно очищенного газа через фильтрующую ткань Петряновая ШП. Очищенный газ подается в предварительный теплообменник, где влага из него частично вымораживается. Температура точки росы газа перед теплообменником контролируется вспомогательным гигрометром ЕГ-3. После предварительного теплообменника газ, имеющий температуру на 5 7 К выше заданной Т поступает по теплоизолированному трубопроводу в верхнюю часть основного теплообменника. Температура поверхности теплообменника поддерживается равной Т с помощью азотной холодильной камеры. При движении газа по основному теплообменнику сверху вниз в результате длительного контакта его с развитой поверхностью происходит окончательное вымораживание влаги, температура газа становится равной Т, соответственно температура точки росы газа Тр приближается к Т, при этом сохраняется условие Тр \ Т. Направление газа (сверху вниз) в основном теплообменнике выбрано с учетом возможного градиента температур по его высоте. При любой величине этого градиента более низкую температуру имеет нижняя зона и ее температура является определяющей для точки росы выходящего газа. йкодящий из основного теплообменника газ через фальтр направляется к гигрометрам. При работе генератора в режиме насыщения (рис.4.3) основным требованием к генератору является создание условии, при которых проходящий по тракту газ вплоть до выхода из основного теплообменника не будет иметь температуру выше Т. При этих условиях газ будет насыщаться влагой до Тр Т. Поток сухого газа, т.е. поток газа с температурой точки росы ниже требуемой проходит через предварительный теплообменник для частичного увлажнения. Предварительный теплообменник позволяет охладить газ до желавши температуры, равной температуре в азотной холодильной камере, прежде чем газ придет в контакт со льдом в основном теплообменнике. После предварительного теплообменника газ, имеющий температуру на 3+5 К ниже заданной Т, поступает по теплоизолированному трубопроводу в нижнюю часть основного теплообменника, являющегося в данном процессе сатуратором. Проходя через теплообменник и контактируя с его поверхностью, покрытой слоем льда и инея, газ насыщается влагой, температура точки росы его приближается к заданной температуре Т, но при этом сохраняется условие Тр Т. Генерируемый газ направляется к гигрометрам. Принцип работы генератора заключается в смешении двух потоков, получаемых вымораживанием влаги в одном потоке и насыщением влагой другого потока до определенной, наперед заданной температуры точки росы, путем пропускания потоков над одной и той же развитой поверхностью, имеющей строго зафиксированную температуру. В данном режиме основной теплообменник разделен на два отсека, как показано на рис.4.3, в первом отсеке ведется процесс вымораживания; во втором отсеке, поверхность которого предварительно покрыта слоем льда и инея, ведется одновременно процесс насыщения. В смесителе происходит смешение двух потоков. Полученный газ с заданной температурой точки росы направляется к гигрометрам. Во всех режимах работы генератора, давление насыщенного пара Рн , соответствующая заданной температуре Т в генераторе, находится по таблице "Давление насыщенного водяного пара надо льдом" / 51 /. Для измерения температуры в генераторе использовались медь-конетантановые термістора с диаметром электродных проволок 0,1 мм в тефлоновой изоляции. В качестве измерительного прибора использовался потенциометр постоянного тока низкоом-ной типа ППТН-І с зеркальным гальванометром постоянного тока типа МТ7/6, обеспечивающий измерение ЭДЗ термопар с погрешностью 0,001 мв. Для контроля и измерения влажности газа в процессе исследования были использованы следующие приборы: 1. Образцовый гигрометр точки росы / 84 /. диапазон измерений 233 313 К. Основная абсолютная погрешность +0,4 К т.р. 2. Образцовый кулонометрический измеритель влажности газа / 85 /. 3. диапазон измерений 0,03-20000 рр . Основная приведенная погрешность 2,5$. 4. Кулонометрический измеритель влажности газа. Диапазон измерений 0-1000 Основная приведенная погрешность А%. 5. Гигрометр сорбвдонный фирмы "Панаметрикс" (США). Диапазон измерений температуры точки росы 163 293 К т.р. Основная абсолютная погрешность +0,5 К т.р. 6. Гигрометр точки росы / 86 /. Диапазон измерений 253-1-293 К т.р. Основная абсолютная погрешность +1 К т.р. 7. Гигрометр точки росы / 87 /. Диапазон измерений 203 293 К т.р. Основная абсолютная погрешность +2 К т.р. 4.3. Методика и результаты экспериментальных исследований 4.3,1. Исследование влияния изменения начальной концентрации пара Влияние изменения влажности поступающего газа на значение влажности, получаеюй на генераторе определялось в режимах вымораживания и насыщения. Методика испытаний Испытания проводились по схеме, приведенной на рис.4.1, дополнительно подключив на выходе из генератора контрольные гигрометры. При установившемся температурном режиме и неизменном расходе попеременно подавали в генератор газ с различными начальными влажностями. Испытания проводили в диапазоне температур 213 295 К и в диапазоне расходов газа 3.IQ"4 2.10 м3/с. Температуру точки росы газа на входе в генератор на каждом режиме изменяли от (Тр +5) до (Тр +20) К. Влажность газа на вхо-де контролировали конденсационным гигрометром. В режимах испытаний 278 К, 243 К влажность газа на выходе из генератора регистрировались гигрометрами точки росы, а также кулонометрическим измерителем влажности. В режиме испытания 213 К влажность газа на выходе измеряли гигрометром "Панамет-рикс". В режиме задаваемой влажности Тр = 223 К при постоянной температуре через каждые 40 мин скачкообразно изменяли влажность поступающего газа Тр0 = 236 К, 253 К, 275 К, 295 К. В данном эксперименте влажность газа на выходе из генератора контролировали кулонометрическим измерителем влажности и конденсационным гигрометром. В данном эксперименте влажность газа на выходе из генератора контролировали кулонометрическим измерителем влажности и конденсационным гигрометром. Результаты испытаний представлены на рис.4.4 и в таблице 4.1, в которой приведены значения влажности воздуха по показаниям контрольных приборов в процессе испытаний. Как показывает рис.4.4, значительное изменение влажности на входе (на 54 К по температуре точки росы) не оказывает заметного
