Раздел 2. Разработка и исследование методов
контроля СОСТАВА дымовых газов
2.1. Теоретическое обоснование термокаталитического метода контроля содержания
кислорода в дымовых газах
Выполненный нами анализ методов и средств контроля содержания параметров
дымовых газов котлоагрегатов, показал, что при разработке газоанализаторов
кислорода и газов недожога следует ориентироваться на термокаталитический
метод.
Сущность термокаталитического метода измерения кислорода состоит в том, что
реакцию гетерогенно-каталитического окисления горючего ведут при лимитирующем
содержании окислителя [32]. В таком случае выходной сигнал термокаталитического
датчика является пропорциональным содержанию кислорода. Впервые этот метод был
предложен для измерения содержания кислорода в воздухе [23]. Учитывая то, что
концентрация кислорода в дымовых газах существенно меньше, чем в атмосфере, а
также существенное отличие состава дымовых газов, их плотности, влажности,
теплопроводности, теплоемкости, наличие аэрозольных частиц и др. их
особенности, вопрос использования термокаталитического метода для контроля
кислорода в дымовых газах требует проведения дополнительных исследований.
При небольшой концентрации горючего и протекании реакции окисления на рабочем
элементе термокаталитического датчика в диффузионной области количество тепла,
выделяющегося на рабочем элементе, пропорционально потоку горючего к
поверхности элемента и низшей теплоте его сгорания [22]. При большой
концентрации горючего и недостатке кислорода скорость реакции будет
определяться потоком кислорода к поверхности элемента, который линейно зависит
от концентрации кислорода в реакционной камере и эффективной диффузионной
проводимости элемента [22]
, (2.1)
где – эффективная диффузионная проводимость элемента, м3/с;
– концентрация кислорода в реакционной камере, кг/м3.
В свою очередь концентрация кислорода в камере
, (2.2)
где – концентрация кислорода в дымовых газах, кг/м3;
– коэффициент передачи датчика по концентрации;
– диффузионная проводимость фильтра, через который дымовые газы поступают в
реакционную камеру, м3/с.
Тепловыделение на рабочем элементе, обусловленное реакцией окисления горючего
кислородом, содержащимся в дымовых газах, в таком случае равно
, (2.3)
где ;
- низшая теплота сгорания горючего, Дж/кг;
n – количество молей кислорода необходимое для сгорания одного моля горючего.
Рассмотрим два граничных возможных режима работы термокаталитических датчиков:
режим неограниченной диффузии контролируемого газа в реакционную камеру и режим
сильного ограничения этой диффузии.
При конструировании датчика кислорода так, чтобы подача кислорода в реакционную
камеру практически не ограничивалась, то есть выполнялось условие
тепловыделение, а, следовательно, и выходной сигнал термокаталитического
датчика будет определяться эффективной диффузионной проводимости элемента и
массовой концентрацией кислорода в дымовых газах
(2.4)
При выборе конструктивных параметров датчика кислорода так, чтобы диффузионная
проводимость фильтра была значительно меньше эффективной диффузионной
проводимости элемента тепловыделение, а, следовательно, и выходной сигнал
термокаталитического датчика фактически определяется диффузионной проводимостью
фильтра и массовой концентрацией кислорода в дымовых газах
(2.5)
Преимуществом режима неограниченной диффузии является большая мощность
тепловыделения (2.4) и, следовательно, высокая чувствительность
термокаталитического датчика. Эффективная диффузионная проводимость элемента в
общем случае зависит от площади элемента, эффективности окисления горючего на
его поверхности скорости диффузии кислорода через пограничный слой к
поверхности термоэлемента датчика. В [22] ее величину определяют исходя из
выражения
(2.6)
где - – коэффициент эффективности реакции окисления;
– коэффициент массопередачи, м/с;
– площадь поверхности элемента, м2.
При применении высокоэффективных платино-палладиевых катализаторов, ведении
реакции в диффузионной области и большой пористости поверхности термоэлемента
весь кислород, достигающий поверхности катализатора, вступает в реакцию с
горючим и на поверхности катализатора наблюдается нулевая его концентрация. В
этом случае и влияние на тепловыделение на рабочем элементе параметров
контролируемой среды фактически будет определяться их влиянием на величину
коэффициента массопередачи и объемную концентрацию кислорода.
При переносе кислорода к термоэлементу в условиях естественной конвекции
коэффициент массопередачи исходя из теории подобия [33] может быть определен
как
, (2.7)
где - диффузионное число Нуссельта;
- коэффициент молекулярной диффузии кислорода в газе, м2/с;
- определяющий размер термоэлемента, м.
Индекс m в выражении (2.7) означает, что отмеченные им величины вычисляются при
средней температуре пограничного слоя:
, (2.8)
где - температура поверхности термоэлемента, 0К;
- температура газа внутри реакционной камеры за пределами пограничного слоя,
0К;
Число Нуссельта является функцией чисел Грасгофа Gr и диффузионного числа
Прандтля PrD
(2.9)
Число Грасгофа, характеризующее взаимодействие сил молекулярного трения и
подъемной силы, определяется уравнением
, (2.10)
где - коэффициент кинематической вязкости среды, м2/с.
Диффузионное число Прандтля характеризует физические свойства среды и
способность распространяться в ней диффундирующего компонента:
(2.11)
Для термоэлемента сферической формы при значении числа диффузионное число
Нуссельта рекомендуется определять по выражению [22]
(2.12)
Величина коэффициента молекулярно
- Київ+380960830922