Термозонд для измерения температуры среды в технологическом агрегате с футеровкой

 

Использование: для исследования теплового состояния материалов и процессов в металлургической, химико-технологической, нефтехимической отраслях промышленности. Сущность изобретения: термозонд для измерения температуры в технологическом агрегате с футеровкой содержит термопару 1, электроды 2, защитную втулку 3, заполненную электроизоляционным материалом 4 с низкой теплопроводностью, тепловоспринимающее днище 5, зазор 6. 1 ил.

Изобретение относится к области исследования теплового состояния материалов в металлургической, химикотехнологической, нефтехимической и иных отраслях промышленности.

Известен термозонд для исследования теплового состояния материала при его получении и переработке, содержащий огнеупорный блок, выполненный в форме цилиндра из теплоизоляционного материала, покрытого термостойким плотным огнеупором, с наружным защитным чехлом из жаропрочного металла, термопару, а также держатель блока, выполненный в виде трубки, в которой расположены электроды термопары, соединяющие ее с регистрирующим прибором [1] Недостатки известного термозонда: в ходе технологической операции получения или переработки материала измеряют температуру теплоизоляционного слоя или газовой среды в этом слое, а не температуру исследуемого материала; необходим прогрев огнеупорного блока от тепловоспринимающей поверхности защитного чехла до места размещения горячих спаев термопары (продолжительность прогрева порядка 20 с), что повышает тепловую инерционность, продолжительность погружения в среду для достижения установившегося показания, снижает срок службы и надежность работы устройства.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является термозонд для измерения температуры среды в технологическом агрегате с футеровкой, включающий термопару, электроды и спаи которой армированы соответственно в защитную втулку, заполненную электроизоляционным материалом с низкой теплопроводностью, и в ее тепловоспринимающее днище [2] Существенный недостаток ближайщего аналога заключается в отсутствии согласованности его конструктивных параметров и теплофизических характеристик, используемых в конструкции материалов, обеспечивающих минимизацию ( по величине допустимой погрешности измерения) влияния факторов, снижающих точность измерения (нерегулируемый теплоотвод по элементам термозонда от его тепловоспринимающей поверхности, условия внешних тепловых воздействий и др).

Термозонд для измерения температуры среды в технологическом агрегате с футеровкой, включающей термопару, электроды и спай которой армированы соответственно в защитную втулку, заполненную электроизоляционным материалом с низкой теплопроводностью, и в ее тепловоспринимающее днище, установлен в стенке технологического агрегата с зазором, а диаметр термозонда и технологические характеристики используемых в его конструкции материалов определяют из условия гдe λ_т эффективная теплопроводность термозонда; λ_o теплопроводность футеровки технологического агрегата; α_o коэффициент теплопроводности; ΔT_доп допустимая погрешность измерения температуры; T_т ожидаемая температура контролируемой среды; T_c температура контролируемой среды;
коэффициент теплопередачи между термозондом и футеровкой технологического агрегата;
h_з и λ_з толщина и коэффициент теплопроводности зазора (замазки, воздуха и контактного слоя), отделяющего термозонд от футеровки технологического агрегата;
d диаметр защитной втулки термозонда;
C теплоемкость тепловоспринимающего днища;
Δτ_изм продолжительность измерения;
q_отв тепловой поток, отводимый по термозонду.

На чертеже представлен термозонд для измерения температуры среды в технологическом агрегате с футеровкой, содержащий термопару 1, электроды 2, защитную втулку 3, заполненную электроизоляционным материалом 4 с низкой теплопроводностью, тепловоспринимающее днище 5, зазор 6 (замазки, воздух, контактный слой), футеровку 7 и среду 8, измерить температуру которой предназначено изобретение.

Размеры термозонда, место и условия его установки выбирают из условия обеспечения неискаженного влиянием термозонда на режим теплообмена футеровки технологического агрегата с защитной втулкой. Уравнение указанного теплообмена имеет вид

где T_т(x) температура в поперечном сечении термозонда на расстоянии X от внутренней поверхности футеровки технологического агрегата;
T_(x) неискаженная температура футеровки технологического агрегата;
λ_т эффективная теплопроводность термозонда;
d диаметр защитной втулки термозонда;
ζ коэффициент теплопередачи между термозондом и футеровкой технологического агрегата:

h_з и λ_з толщина и коэффициент теплопроводности зазора (замазки, воздуха, контактного слоя), отделяющего термозонд от футеровки технологического агрегата;
λ_o теплопроводность футеровки технологического агрегата.

Решение уравнений (1) при граничных условиях

где температура поверхности тепловоспринимающего днища;
T_c температура исследуемой среды;
α_o коэффициент теплоотдачи от исследуемой среды, воздействующей на футеровку;
q₀ тепловой поток от футеровки к термозонду,
дает следующее соотношение для величины погрешности:

Налагая условие ΔT ≅ ΔT_доп где ΔT_доп допустимая погрешность результатов измерения, получаем соотношение, в соответствии с которым выбор конструктивных и теплофизических факторов обеспечивает достижение технического результата:

Соотношение (2) получено для процессов, у которых за достаточно большой интервал времени наблюдаемые изменения измеряемого параметра не выходят за пределы случайных погрешностей измерения, т.е. для квазистационарных процессов.

При реализации процессов, для которых такие требования не выполняются, необходимо обеспечить дополнительное условие:

означающее, что тепловая мощность, которой термозонд обменивается с исследуемой средой, идет в основном на изменение энтальпии тепловоспринимающего днища 5, где размещена термопара 1. Влиянием нерегулируемого теплоотвода q_отв можно пренебречь, если вносимая им величина методической погрешности результатов измерений не превышает величины случайной составляющей. Исходя из этого, для большинства практических задач достаточно выполнение условия

означающего, что лишь ≈ 3% тепловой мощности, участвующей в теплообмене, отводится по элементам термозонда.

Выполнение условия (4) обеспечивают путем выбора конструктивных параметров электроизоляции 4 защитной втулки 3.

Приводится конкретный пример технической реализации термозонда для исследования технологических сталеразливочных процессов.

Исходными данными для выбора параметров термозонда являлись
температура исследуемой среды T_c 1300^oC,
допустимая погрешность результатов измерений ΔT_доп 2^oC;
термозонд размещают в полуграфитовом футеровочном материале с l_o 50 Вт/мК;
диаметр защитной втулки термозонда d 1·10^-2 м, длина l≅0,5 м;
коэффициент теплоотдачи от исследуемой среды к тепловоспринимающему днищу термозонда α_o 300 Вт/м²К;
между защитной втулкой термозонда и футеровочным материалом стенки технологического агрегата возможен воздушный зазор, толщина которого h_з 1·10^-5 м, а коэффициент теплопроводности λ_з 3,5·10^-2 Вт/мК;
используется платина платинородиевая термопара с диаметром электродов 1·10^-3 м;
температура противоположной торцевой поверхности термозонда на расстояние l 0,5 м от тепловоспринимающего днища не более T 50^oC.

Исходя из этих условий в качестве электроизоляционного материала 4 выбран легковесный низкоплотный материал на основе с диаметром волокон 1-10 мкм и длиной 100-1000 мкм.

Коэффициент теплопроводности такого материала не превышает λ 0,1 Вт/мК, а температура плавления T_пл. 1500^oC.

Установку термопары 1 проводили в процессе изготовления тепловоспринимающего днища 5. Для этого после подготовки торцевой поверхности днища 5 на нее нанесли грунтовый слой толщиной (1-3)·10^-4 м, одинаковый по коэффициенту термического расширения с материалом 4. После этого производят укладку термопары 1, свободные концы 2 которой выводят через электроизоляционный материал 4. После этого производят сушку на воздухе в течение 1800 с, выравнивают поверхность тепловоспринимающего днища 5 кварцевым валиком с шероховатостью поверхности, соответствующей седьмому классу частоты, а затем производят сушку при температуре 400 K в течение 1000 с. После этого обжигают при температуре 1500 K в течение 1500 с и охлаждают до комнатной температуры. Далее наносят глазурный слой толщиной 2·10^-4 м, содержащий 15% силиконового стекла, 75% кварцевого стекла и 10% зачерняющей добавки, проводят сушку при комнатной температуре в течение 2000 с и обжиг при температуре 1500 K в течение 1500 с, после чего охлаждают до комнатной температуры.

Таким образом изготавливают тепловоспринимающее днище 5, представляющее собой термостойкое покрытие с термопарой 1.

Аналогично изготавливают термостойкое покрытие на цилиндрической поверхности термозонда, которое и образует защитную трубку 3.

Эффективная теплопроводность l_т такого термозонда, определяемая теплопроводностью электроизоляционного материала 4 защитной трубки 3 и электродов 2, не превышает значения λ_т 0,5 Вт/мК.

Для того, чтобы проверить обеспечивает ли выбор конструктивных параметров термозонда и теплофизических характеристик используемых в нем материалов выполнение условия (2) и достижение технического эффекта, необходимо в соответствии с выражением (2) определить ожидаемое измеренное значение температуры Т_т. Для этого запишем уравнение теплового баланса, определяющее соответственно тепловой поток, воспринимаемый днищем 5 от среды 8 и передаваемый теплопроводностью по термозонду, которое в принятых обозначениях имеет вид

(отсюда имеем Т_т 1298, 439^oC).

Использование соотношения (2) дает

Одновременно, поскольку тепловоспринимающее днище 5 представляет собой тонкое, теплоизолированное материалом 4 с низкой теплопроводностью, термостойкое покрытие, внутри которого размещена термопара 1, обеспечивается хорошее выполнение условия (4).

Таким образом, путем соответствующего выбора конструктивных параметров термозонда, теплофизических характеристик используемых в нем материалов обеспечивают минимизацию влияния факторов, снижающих точность получаемых результатов (нерегулируемый теплоотвод по элементам термозонда от его тепловоспринимающей поверхности, условия внешних тепловых воздействий и др.). Погрешность получаемых результатов в этом случае снижается до уровня погрешности непосредственных измерений температуры (согласно работе А.Н.Гордов и др. Точность контактных методов измерения температуры. М. Издательство стандартов, 1976, величина такой погрешности составляет 5%).

Формула изобретения

Термозонд для измерения температуры среды в технологическом агрегате с футеровкой, включающий термопару, электроды и спай которой армированы соответственно в защитную втулку, заполненную электроизоляционным материалом с низкой теплопроводностью, и в ее тепловоспринимающее днище, отличающийся тем, что термозонд установлен в стенке технологического агрегата с зазором, а диаметр защитной втулки и теплотехнические характеристики используемых в его конструкции материалов выбирают из условия


ΔT_изм > ΔT_доп,
где λ_т - эффективная теплопроводность термозонда;
λ_o - теплопроводность футеровки технологического агрегата;
α_o - коэффициент теплопередачи;
ΔT_доп - допустимая погрешность измерения температуры;
T_т ожидаемая температура контролируемой среды;
T_c фактическая температура контролируемой среды;
коэффициент теплопередачи между термозондом и футеровкой технологического агрегата;
d диаметр защитной втулки;
C теплоемкость тепловоспринимающего днища;
Δτ_изм - выбранная продолжительность измерения;
q_отв тепловой поток, отводимый по термозонду.

РИСУНКИ

Рисунок 1