1. Експериментальні дослідження процесу тепломасообміну і хімічних реакцій вуглецю з газами.
Для отримання найбільш простого експериментального рішення і проведення суворого аналізу процесу горіння та газифікації вуглецю необхідно вивчати процес горіння на тілах певної геометричної форми. Існують різні методи дослідження: метод каналу, засипки, метод сферичної частинки і т.д.
При використанні методу каналу скрутна точна оцінка так званого «внутрішнього» горіння вуглецю, яке спостерігається в різних температурних умовах і яке при високих температурах зажадає особливої уваги. Тому дослідження було проведено на сферичної частинки. Частинки правильної геометричної форми у вигляді кулі виточувалися на токарному верстаті з блоків графитизированного вуглецю марки ЕГ-14 (d = 0,015 м) щільністю
Найбільш складною і відповідальною частиною роботи було отримання дуже високих температур в широкому діапазоні. Був використаний метод високочастотного нагріву, який, як нам видається, досить добре себе виправдав, про що свідчать роботи. В даний час цей метод набув поширення.
Завдяки тому що вуглець, як і вугілля, є провідником, хоча і з високою питомою опором, він може бути дуже легко нагрітий у високочастотному електромагнітному полі. Негативний температурний коефіцієнт і можливість варіювання параметрів високочастотного генератора та індуктора в широких межах принципово не обмежують досяжного верхнього температурного межі. Головними параметрами, які визначають кількість теплоти, що виділяється на 1 * 10 -4 м 2 поверхні, глибину прогрівання об'єкта і розподіл струму по поверхні, є потужність генератора, його частота, геометричні розміри індуктора, куди поміщається нагрівається об'єкт, і електричні властивості нагрівається об'єкта. Геометричні параметри індуктора - співвідношення між розміром індуктора і об'єкта, співвідношення між діаметром індуктора і його висотою-визначають значною мірою ККД системи.
Градієнт температури в об'ємі сферичної частинки при ВЧ-нагріванні неминучий, як і при будь-якому іншому методі нагріву. Він визначається передусім характером реакції - її ендотермікой або екзотермікой і теплообміном з навколишнім середовищем. Якісних відмінностей в характер розподілу температур метод ВЧ-нагріву внести не може, оскільки джерело теплоти (струми Фуко) знаходиться у вузькому поверхневому шарі. Глибина проникнення струмів Фуко σ = 5030
Експериментально на прикладі реакції З + 0 2 для 1800 До показано, що метод нагрівання не вносить особливостей протікання реакції.
Індукційний метод нагріву пред'являє певні вимоги до системи реєстрації зміни маси. Для забезпечення високої точності спостереження за процесом зразок, що нагрівається в індукторі високочастотного генератора, не повинен зміщуватися по висоті індуктора при зміні його маси. Внаслідок існуючої неоднорідності розподілу напруженості електромагнітного поля по висоті індуктора зсув зразка буде приводити до зміни температурного рівня нагріву і електродинамічної сили, що діє на зразок в індукторі. Відповідно до цих вимог експериментальна установка була забезпечена прецизійної автоматичної ваговій системою. Було вжито заходів до автоматичної стабілізації температури і до створення умов нагрівання зразка з мінімально можливим градієнтом температури на його поверхні (див. нижче). Потужність робочого генератора становила 5 * 10 4 Вт
Установка (рис.1.1) складається з наступних вузлів: 1. експериментальної камери високого тиску з нагрівальним елементом і реакційної трубкою;
2. камери високого тиску з ваговим механізмом;
3. високочастотного генератора;
4. системи вимірювання, регулювання і стабілізації температури;
5. системи приготування та подачі газової суміші в реакційну трубку;
6. пультів управління, регулювання і реєстрації температури тіла, тиску, витрати газу і вимірювання маси випробуваного матеріалу.
Експериментальна камера і камера вагового пристрою встановлювалися на спільному стенді одна над іншою. Камера з ваговим пристроєм може переміщатися вертикально по двох напрямних стібкам за допомогою підйомного механізму. Останній складається з електродвигуна, редуктора, групи шестерень і черв'яка, жорстко скріпленого у вертикальному положенні з ваговій камерою. Вертикальне переміщення ваговій камери передбачено для зміни зразків випробуваного матеріалу і введення їх в експериментальну камеру.
Обидві камери з'єднуються трубопроводом нижнього фланця ваговій камери, всередині якого проходить підвіска вагового механізму; на ньому кріпиться зразок досліджуваного матеріалу. З'єднання герметизується ущільненням плунжерного типу, що знаходяться у верхньому фланці експериментальної камери.
Рис. 1.1. Схема експериментальної установки (а) і реакційної камери (б) 1-експериментальна камера, 2 - вагова камера, 3-з'єднувальний трубопровід, 4 - підйомний; механізм, 5-до високочастотного генератора, 6 - електричний пірометр до пульта управління ваг, 9 - блок генератора високої частоти (ГВЧ);. Ю - регулятор температури "редмети-201", 11 - блок конденсаторів контуру індуктора; 12-водяне охолодження; 13 - скидання газу з камери; 14 - введення газу в камеру; 15 - кран скидання газу; 16 - редуктори, 17 - осушення газу ; 18 - очищення газу від О 2; 19 - голчасті крани регулювання рас-• ходу газу; 20 - фільтр; 21 - надзвукове сопло; 22 - дифманометр ДТ-150 з вимірювальною діафрагмою, 23 - зразковий манометр, 24 - змішувач, 25 - система приготування та подачі газової суміші; 26 - введення газу в реакційну трубку; 27 - відбивний екран; 28 - змійовик водяного охолодження; 29 - кварцовий ділянку підвіски, 30 - гайка плунжерного ущільнення; 31 - верхній фланець експериментальної камери з водяним охолодженням, 32 - плунжерні ущільнення; 33-пристрій для підвішування зразка; 34 - графітовий ділянку підвіски, 35 - кварцова реакційна трубка; 36-вуглецева частка; 37-оглядове вікно; 38-індуктор; 39 - металевий ділянку реакційної трубки; 40 - оптичне скло; 41 -введення індуктора; 42-фланець для вводів індуктора з водяним охолодженням.
Експериментальна камера високого тиску являє собою циліндр з нержавіючої сталі з привареними до нього фланцями. Внутрішній діаметр камери 0,130 м, висота 0,400 м. Верхній знімний фланець забезпечений водяним охолодженням для зменшення підведення теплоти до вагового механізму.
У центральній частині камери поміщена реакційна кварцова трубка, поєднана нижнім кінцем з металевою трубкою нижнього фланця камери. Осесиметричної кварцовою трубці розташований індуктор високочастотного генератора, вводи якого для подачі високочастотного напруги проходять через спеціальний фланець, розташований на бічній стінці камери. Вводи індуктора ретельно герметизовані і електроізольовані.
У кварцову трубку симетрично щодо індуктора поміщається випробуваний зразок на графітової підвісці, прикріпленою до підвіски вагового механізму.
Особливої уваги вимагає нагрівальний елемент - високочастотний індуктор. Від правильного вибору його конфігурації і розмірів, а також робочої частоти генератора для заданих форми і розмірів тіла, що нагрівається в значній мірі залежить ККД нагрівається пристрою. Це, у свою чергу, визначає максимально досяжну температуру при даній потужності генератора і характер її розподілу по поверхні і глибині тіла, що нагрівається.
Розподіл виділюваної теплоти в тілі і відповідно температури залежать від розподілу індукованих струмів по поверхні і глибині тіла, що нагрівається, а також від його теплопровідності і умов теплообміну на кордоні тіла. Відомо, що для сферичного тіла, що нагрівається в циліндричному індукторі, розподіл настилу потоку забезпечує максимальне тепловиділення відповідно температуру на екваторі.
Експериментальні результати сублімації вуглецю були отримані на циліндричному індукторі з розсунутими витком. Індуктор був виготовлений з мідної трубки прямокутного перерізу розміром 6 х 4 * 10 -3 м Висота індуктора 0,042 м, діаметр 0,018 м; відстань між розсунутими витками 0,014 м.
Досліди по взаємодії вуглецю з СО 2 при підвищених тисках були проведені з бочкоподібним семи віткових індуктором з мідної трубки прямокутного перерізу 6-10 -3 х4-10 -3 м з товщиною стінки 5 • 10 -3 м з крайніми витками d = 1,5 • 10 -2 м і середнім витком d = 3,5-10 -2 м.
Максимально допустима частота, необхідна для отримання достатньо високого ККД індукційного нагріву тіла сферичної форми, оцінювалася за формулою
f доп> 4 * 10 8 ρ / r 2,
де r - радіус тіла, що нагрівається; ρ - його питомий опір. Для сферичного зразка з полікристалічного графіту діаметром d = 1,25 • 10 -2 м і ρ = 1,0 • 10 -5 Ом • м f доп> 1 МГц. В якості робочої була обрана часта 1,8 МГц найближча дозволена по радіоперешкод.
Застосування обраного індуктора при вказаних параметрах високочастотного генератора (потужність 5,0 * 10 4 Вт і частота 1,8 МГц) дозволило при нагріванні сферичної вуглецевої частинки діаметром 1,5 * 10 -2 - 1,25 * 10 -2 м досягати температури 3500 К. Ця межа лімітував більше властивостями міцності графіту, ніж параметрами нагрівальної системи.
Коромисло ваг двуплечего з двома підвісками. Ліва підвіска служить для підвішування зразка і має гирьовий планку з компенсаційними гирями для розширення діапазону реєстрованого зміни маси, права також має гирьовий планку з гирями, призначеними для тарування ваг перед початком роботи. Накладення гир проводиться за допомогою спеціальних гирьових механізмів.
Автоматичний принцип роботи ваг з безперервною компенсацією зміни маси здійснюється шляхом перетворення відхилення коромисла в електричний сигнал. Це перетворення здійснюється за допомогою високочастотного датчика кута відхилення, що представляє собою алюмінієву пластину (рис. 1.2.), Жорстко закріплену на коромиле ваг і розташовану між двома котушками, кожна з яких включена в контур високочастотного генератора (ГВЧ) синусоїдальних коливань. Переміщенню пластини відповідає зміна добротності контурів генератора, що приводить до зміни напруги на його виході, яке в результаті випрямлення і посилення перетвориться в сигнал постійного струму. Цей сигнал одночасно надходить на потенціометр, шкала якого відповідним чином проградуйована в одиницях маси, і на компенсаційні котушки магнітоелектричного перетворювача, всередині яких можуть вільно переміщатися постійні магніти, жорстко пов'язані з коромислом ваг. Отклвненіе коромисла ваг реєструється на діаграмі автоматичного потенціометра ЕГШ-09-М2Д
Рис. 1.2. Схема реєструючих ваг з системою автоматичного зрівноважування коромисла.
1-датчик кута відхилення, 2-коромисло терезів,
3-котушка магнітного перетворювача,
4-постійні магніти, 5-котушки індуктивності контурів генератора високої частоти, 6-поценціометр.
Ваги забезпечені також системою тарировки, яка проводиться дискретно по 2 * 10 -5 кг у межах до 2 * 10 -4 кг за допомогою механізму накладення гир, керованого вручну з пульта управління за допомогою спеціального кнопкового пристрою.
На пульт управління ваг винесені самописець, блоки радіоелектронної схеми, за винятком генератора високої частоти, прикріпленого безпосередньо до ваговій камері, блоки виконавчих реле системи управління, прилади регулювання і налаштування. Панель управління містить перемикач діапазонів чутливості, перемикач режиму з трьома положеннями (автоматичного арретірованія і дискретної компенсації зміни маси в діапазоні до 5 * 10 -4 кг, примусового арретірованія натисканням спеціальної кнопки, примусового скидання накладених гир), системи автоматичної компенсації, кнопки примусового арретірованія і тарировки цифровий ламповий покажчик скомпенсованого зміни маси.
Для забезпечення роботи ваг при високій температурі зразка застосована підвіска з термостійкого матеріалу з малим коефіцієнтом теплового розширення.
1.4. Експериментальні дослідження процесу горіння та газифікації вугільної частинки.
Розглянемо основні результати експериментальних досліджень процесу горіння та газифікації вугільної частинки;
Перші досліди з дослідження горіння вугільної частинки в потоці повітря методом безперервного зважування було проведено радянським вченим В. І. Бліновим і американським дослідником Г.К. Хоттелем і співробітниками.
Г. К. Хоттель і співробітники проводили досліди з вугільним кулею діаметром 2,5 см, підвішеним до чутливих ваг. Швидкість горіння заміряли за умови невеликої зміни діаметра частинок при різних температурах, 'концентраціях кисню і витрати дуття. Аналіз дослідів був зроблений з урахуванням швидкості хімічної реакції.
У дослідах В. І. Блінова було досліджено горіння сферичних частинок діаметром 5 мм при різному вмісті кисню (від 21% і вище) і разнььх швидкостях потоку (від 1,9 до 27,4 см / сек), при температурах 700-800 ° . Швидкості горіння частинок вимірювали за допомогою чутливих ваг оптичним відліком. Температуру поверхні частки вимірювали за допомогою оптичного пірометра. У момент займання спостерігалося виникнення блакитного полум'я СО, яке в подальшому брало характер ореолу навколо частинки, що вказувало на вміст СО у продуктах згоряння.
Аналіз дослідів В. І. Бліновим також був зроблений з урахуванням швидкості хімічної реакції. У подальшій роботі В. І. Блінов і С. Е. Хайкіна досліджували горіння вугільної частки при зміні тиску повітря в межах від 1 до 7 ата, причому було виявлено, що швидкість горіння залежить тільки від вагової швидкості потоку повітря, тобто від твори%. У дослідженні В. І. Блінова, Є. С. Головіної і С. Е. Хайкін вивчався процес горіння вугільної частки при низьких температурах.
На рис. 1.4 показаний графік, який ілюструє результати дослідів. З нього видно, що питома швидкість горіння спочатку зі збільшенням діаметра частинки зростає, а потім зменшується. Максимум кривої пояснюється переходом реакції (у міру збільшення розміру частки) з внутрішнього кінетичного в зовнішній кінетичний режим і нарешті в дифузійний режим.
Теоретичний аналіз впливу летких на швидкість вьгоранія частки у зв'язку із зміною тиску, зроблений Б. В. Канторовичем, В. В. Єсін і М. М. Шігаевьш, показує, що у зв'язку з спільним горінням летких та коксової частки гальмування швидкості її горіння проявляється тільки на відомому ділянці, величина якого залежить від ряду чинників: виходу летких, температури, швидкості потоку та ін
В. В. Єсін і М. М. Шігаевьш за участю автора зроблений експеримент, з якого з'ясовано вплив летючих на швидкість вигоряння подрібнених палив. Опипи проводилися з торф'яної пилом з різним виходом летких (від 13 до 64%). Пил спалювали у бомбі при зміні тиску від 2,68 до 15 ата. Час вигоряння визначали. По індикаторної діаграмі за допомогою пьезокварцевого датчика і осцилографа. Експериментальні криві залежності часу τ горіння частинок від тиску p, відповідають теоретичної залежності. Для отримання найбільш простого експериментального рішення і проведення суворого аналізу процесу горіння та газифікації вуглецю необхідно вивчати процес горіння на тілах певної геометричної форми. Існують різні методи дослідження: метод каналу, засипки, метод сферичної частинки і т.д.
При використанні методу каналу скрутна точна оцінка так званого «внутрішнього» горіння вуглецю, яке спостерігається в різних температурних умовах і яке при високих температурах зажадає особливої уваги. Тому дослідження було проведено на сферичної частинки. Частинки правильної геометричної форми у вигляді кулі виточувалися на токарному верстаті з блоків графитизированного вуглецю марки ЕГ-14 (d = 0,015 м) щільністю
Найбільш складною і відповідальною частиною роботи було отримання дуже високих температур в широкому діапазоні. Був використаний метод високочастотного нагріву, який, як нам видається, досить добре себе виправдав, про що свідчать роботи. В даний час цей метод набув поширення.
Завдяки тому що вуглець, як і вугілля, є провідником, хоча і з високою питомою опором, він може бути дуже легко нагрітий у високочастотному електромагнітному полі. Негативний температурний коефіцієнт і можливість варіювання параметрів високочастотного генератора та індуктора в широких межах принципово не обмежують досяжного верхнього температурного межі. Головними параметрами, які визначають кількість теплоти, що виділяється на 1 * 10 -4 м 2 поверхні, глибину прогрівання об'єкта і розподіл струму по поверхні, є потужність генератора, його частота, геометричні розміри індуктора, куди поміщається нагрівається об'єкт, і електричні властивості нагрівається об'єкта. Геометричні параметри індуктора - співвідношення між розміром індуктора і об'єкта, співвідношення між діаметром індуктора і його висотою-визначають значною мірою ККД системи.
Градієнт температури в об'ємі сферичної частинки при ВЧ-нагріванні неминучий, як і при будь-якому іншому методі нагріву. Він визначається передусім характером реакції - її ендотермікой або екзотермікой і теплообміном з навколишнім середовищем. Якісних відмінностей в характер розподілу температур метод ВЧ-нагріву внести не може, оскільки джерело теплоти (струми Фуко) знаходиться у вузькому поверхневому шарі. Глибина проникнення струмів Фуко σ = 5030
Експериментально на прикладі реакції З + 0 2 для 1800 До показано, що метод нагрівання не вносить особливостей протікання реакції.
Індукційний метод нагріву пред'являє певні вимоги до системи реєстрації зміни маси. Для забезпечення високої точності спостереження за процесом зразок, що нагрівається в індукторі високочастотного генератора, не повинен зміщуватися по висоті індуктора при зміні його маси. Внаслідок існуючої неоднорідності розподілу напруженості електромагнітного поля по висоті індуктора зсув зразка буде приводити до зміни температурного рівня нагріву і електродинамічної сили, що діє на зразок в індукторі. Відповідно до цих вимог експериментальна установка була забезпечена прецизійної автоматичної ваговій системою. Було вжито заходів до автоматичної стабілізації температури і до створення умов нагрівання зразка з мінімально можливим градієнтом температури на його поверхні (див. нижче). Потужність робочого генератора становила 5 * 10 4 Вт
Установка (рис.1.1) складається з наступних вузлів: 1. експериментальної камери високого тиску з нагрівальним елементом і реакційної трубкою;
2. камери високого тиску з ваговим механізмом;
3. високочастотного генератора;
4. системи вимірювання, регулювання і стабілізації температури;
5. системи приготування та подачі газової суміші в реакційну трубку;
6. пультів управління, регулювання і реєстрації температури тіла, тиску, витрати газу і вимірювання маси випробуваного матеріалу.
Експериментальна камера і камера вагового пристрою встановлювалися на спільному стенді одна над іншою. Камера з ваговим пристроєм може переміщатися вертикально по двох напрямних стібкам за допомогою підйомного механізму. Останній складається з електродвигуна, редуктора, групи шестерень і черв'яка, жорстко скріпленого у вертикальному положенні з ваговій камерою. Вертикальне переміщення ваговій камери передбачено для зміни зразків випробуваного матеріалу і введення їх в експериментальну камеру.
Обидві камери з'єднуються трубопроводом нижнього фланця ваговій камери, всередині якого проходить підвіска вагового механізму; на ньому кріпиться зразок досліджуваного матеріалу. З'єднання герметизується ущільненням плунжерного типу, що знаходяться у верхньому фланці експериментальної камери.
Рис. 1.1. Схема експериментальної установки (а) і реакційної камери (б) 1-експериментальна камера, 2 - вагова камера, 3-з'єднувальний трубопровід, 4 - підйомний; механізм, 5-до високочастотного генератора, 6 - електричний пірометр до пульта управління ваг, 9 - блок генератора високої частоти (ГВЧ);. Ю - регулятор температури "редмети-201", 11 - блок конденсаторів контуру індуктора; 12-водяне охолодження; 13 - скидання газу з камери; 14 - введення газу в камеру; 15 - кран скидання газу; 16 - редуктори, 17 - осушення газу ; 18 - очищення газу від О 2; 19 - голчасті крани регулювання рас-• ходу газу; 20 - фільтр; 21 - надзвукове сопло; 22 - дифманометр ДТ-150 з вимірювальною діафрагмою, 23 - зразковий манометр, 24 - змішувач, 25 - система приготування та подачі газової суміші; 26 - введення газу в реакційну трубку; 27 - відбивний екран; 28 - змійовик водяного охолодження; 29 - кварцовий ділянку підвіски, 30 - гайка плунжерного ущільнення; 31 - верхній фланець експериментальної камери з водяним охолодженням, 32 - плунжерні ущільнення; 33-пристрій для підвішування зразка; 34 - графітовий ділянку підвіски, 35 - кварцова реакційна трубка; 36-вуглецева частка; 37-оглядове вікно; 38-індуктор; 39 - металевий ділянку реакційної трубки; 40 - оптичне скло; 41 -введення індуктора; 42-фланець для вводів індуктора з водяним охолодженням.
Експериментальна камера високого тиску являє собою циліндр з нержавіючої сталі з привареними до нього фланцями. Внутрішній діаметр камери 0,130 м, висота 0,400 м. Верхній знімний фланець забезпечений водяним охолодженням для зменшення підведення теплоти до вагового механізму.
У центральній частині камери поміщена реакційна кварцова трубка, поєднана нижнім кінцем з металевою трубкою нижнього фланця камери. Осесиметричної кварцовою трубці розташований індуктор високочастотного генератора, вводи якого для подачі високочастотного напруги проходять через спеціальний фланець, розташований на бічній стінці камери. Вводи індуктора ретельно герметизовані і електроізольовані.
У кварцову трубку симетрично щодо індуктора поміщається випробуваний зразок на графітової підвісці, прикріпленою до підвіски вагового механізму.
1.2.НАГРЕВАТЕЛЬНИЙ ЕЛЕМЕНТ
Нагрівальний елемент - індуктор харчується від лампового високочастотного генератора, змонтованого на базі промислового генератора типу ІО.60.011. Для збільшення його потужності в схему включені паралельно дві генераторні лампи типу Г-452. Потужність в робочому контурі генератора складає 50 * 10 3 Вт. Контур індуктора з'єднаний з робочим контуром генератора за двоконтурною схемі з середньою нульовою точкою індуктора і зворотним зв'язком по сітці генераторних ламп.Особливої уваги вимагає нагрівальний елемент - високочастотний індуктор. Від правильного вибору його конфігурації і розмірів, а також робочої частоти генератора для заданих форми і розмірів тіла, що нагрівається в значній мірі залежить ККД нагрівається пристрою. Це, у свою чергу, визначає максимально досяжну температуру при даній потужності генератора і характер її розподілу по поверхні і глибині тіла, що нагрівається.
Розподіл виділюваної теплоти в тілі і відповідно температури залежать від розподілу індукованих струмів по поверхні і глибині тіла, що нагрівається, а також від його теплопровідності і умов теплообміну на кордоні тіла. Відомо, що для сферичного тіла, що нагрівається в циліндричному індукторі, розподіл настилу потоку забезпечує максимальне тепловиділення відповідно температуру на екваторі.
Експериментальні результати сублімації вуглецю були отримані на циліндричному індукторі з розсунутими витком. Індуктор був виготовлений з мідної трубки прямокутного перерізу розміром 6 х 4 * 10 -3 м Висота індуктора 0,042 м, діаметр 0,018 м; відстань між розсунутими витками 0,014 м.
Досліди по взаємодії вуглецю з СО 2 при підвищених тисках були проведені з бочкоподібним семи віткових індуктором з мідної трубки прямокутного перерізу 6-10 -3 х4-10 -3 м з товщиною стінки 5 • 10 -3 м з крайніми витками d = 1,5 • 10 -2 м і середнім витком d = 3,5-10 -2 м.
Максимально допустима частота, необхідна для отримання достатньо високого ККД індукційного нагріву тіла сферичної форми, оцінювалася за формулою
f доп> 4 * 10 8 ρ / r 2,
де r - радіус тіла, що нагрівається; ρ - його питомий опір. Для сферичного зразка з полікристалічного графіту діаметром d = 1,25 • 10 -2 м і ρ = 1,0 • 10 -5 Ом • м f доп> 1 МГц. В якості робочої була обрана часта 1,8 МГц найближча дозволена по радіоперешкод.
Застосування обраного індуктора при вказаних параметрах високочастотного генератора (потужність 5,0 * 10 4 Вт і частота 1,8 МГц) дозволило при нагріванні сферичної вуглецевої частинки діаметром 1,5 * 10 -2 - 1,25 * 10 -2 м досягати температури 3500 К. Ця межа лімітував більше властивостями міцності графіту, ніж параметрами нагрівальної системи.
1.3 ВАГОВЕ ПРИСТРІЙ
Як вагового пристрою використовувалися реєструючі автоматичні ваги РАВ-10.Він складаються з наступних основних частин: камери високого тиску з ваговим механізмом, електронної стежить схеми автоматичного зрівноважування коромисла і пульта управління з самописцем для реєстрації зміни маси.Коромисло ваг двуплечего з двома підвісками. Ліва підвіска служить для підвішування зразка і має гирьовий планку з компенсаційними гирями для розширення діапазону реєстрованого зміни маси, права також має гирьовий планку з гирями, призначеними для тарування ваг перед початком роботи. Накладення гир проводиться за допомогою спеціальних гирьових механізмів.
Автоматичний принцип роботи ваг з безперервною компенсацією зміни маси здійснюється шляхом перетворення відхилення коромисла в електричний сигнал. Це перетворення здійснюється за допомогою високочастотного датчика кута відхилення, що представляє собою алюмінієву пластину (рис. 1.2.), Жорстко закріплену на коромиле ваг і розташовану між двома котушками, кожна з яких включена в контур високочастотного генератора (ГВЧ) синусоїдальних коливань. Переміщенню пластини відповідає зміна добротності контурів генератора, що приводить до зміни напруги на його виході, яке в результаті випрямлення і посилення перетвориться в сигнал постійного струму. Цей сигнал одночасно надходить на потенціометр, шкала якого відповідним чином проградуйована в одиницях маси, і на компенсаційні котушки магнітоелектричного перетворювача, всередині яких можуть вільно переміщатися постійні магніти, жорстко пов'язані з коромислом ваг. Отклвненіе коромисла ваг реєструється на діаграмі автоматичного потенціометра ЕГШ-09-М2Д
Рис. 1.2. Схема реєструючих ваг з системою автоматичного зрівноважування коромисла.
1-датчик кута відхилення, 2-коромисло терезів,
3-котушка магнітного перетворювача,
4-постійні магніти, 5-котушки індуктивності контурів генератора високої частоти, 6-поценціометр.
Ваги забезпечені також системою тарировки, яка проводиться дискретно по 2 * 10 -5 кг у межах до 2 * 10 -4 кг за допомогою механізму накладення гир, керованого вручну з пульта управління за допомогою спеціального кнопкового пристрою.
На пульт управління ваг винесені самописець, блоки радіоелектронної схеми, за винятком генератора високої частоти, прикріпленого безпосередньо до ваговій камері, блоки виконавчих реле системи управління, прилади регулювання і налаштування. Панель управління містить перемикач діапазонів чутливості, перемикач режиму з трьома положеннями (автоматичного арретірованія і дискретної компенсації зміни маси в діапазоні до 5 * 10 -4 кг, примусового арретірованія натисканням спеціальної кнопки, примусового скидання накладених гир), системи автоматичної компенсації, кнопки примусового арретірованія і тарировки цифровий ламповий покажчик скомпенсованого зміни маси.
Для забезпечення роботи ваг при високій температурі зразка застосована підвіска з термостійкого матеріалу з малим коефіцієнтом теплового розширення.
1.4. Експериментальні дослідження процесу горіння та газифікації вугільної частинки.
Розглянемо основні результати експериментальних досліджень процесу горіння та газифікації вугільної частинки;
Перші досліди з дослідження горіння вугільної частинки в потоці повітря методом безперервного зважування було проведено радянським вченим В. І. Бліновим і американським дослідником Г.К. Хоттелем і співробітниками.
Г. К. Хоттель і співробітники проводили досліди з вугільним кулею діаметром 2,5 см, підвішеним до чутливих ваг. Швидкість горіння заміряли за умови невеликої зміни діаметра частинок при різних температурах, 'концентраціях кисню і витрати дуття. Аналіз дослідів був зроблений з урахуванням швидкості хімічної реакції.
У дослідах В. І. Блінова було досліджено горіння сферичних частинок діаметром 5 мм при різному вмісті кисню (від 21% і вище) і разнььх швидкостях потоку (від 1,9 до 27,4 см / сек), при температурах 700-800 ° . Швидкості горіння частинок вимірювали за допомогою чутливих ваг оптичним відліком. Температуру поверхні частки вимірювали за допомогою оптичного пірометра. У момент займання спостерігалося виникнення блакитного полум'я СО, яке в подальшому брало характер ореолу навколо частинки, що вказувало на вміст СО у продуктах згоряння.
Аналіз дослідів В. І. Бліновим також був зроблений з урахуванням швидкості хімічної реакції. У подальшій роботі В. І. Блінов і С. Е. Хайкіна досліджували горіння вугільної частки при зміні тиску повітря в межах від 1 до 7 ата, причому було виявлено, що швидкість горіння залежить тільки від вагової швидкості потоку повітря, тобто від твори%. У дослідженні В. І. Блінова, Є. С. Головіної і С. Е. Хайкін вивчався процес горіння вугільної частки при низьких температурах.
На рис. 1.4 показаний графік, який ілюструє результати дослідів. З нього видно, що питома швидкість горіння спочатку зі збільшенням діаметра частинки зростає, а потім зменшується. Максимум кривої пояснюється переходом реакції (у міру збільшення розміру частки) з внутрішнього кінетичного в зовнішній кінетичний режим і нарешті в дифузійний режим.
Теоретичний аналіз впливу летких на швидкість вьгоранія частки у зв'язку із зміною тиску, зроблений Б. В. Канторовичем, В. В. Єсін і М. М. Шігаевьш, показує, що у зв'язку з спільним горінням летких та коксової частки гальмування швидкості її горіння проявляється тільки на відомому ділянці, величина якого залежить від ряду чинників: виходу летких, температури, швидкості потоку та ін
Представляють інтерес експериментальні дослідження процесу горіння окремої вугільної частинки, що рухається в потоці газу. Такого роду досліди проводили Н. І. Сиромятніков і 3.І.Леонтьева. Після запалення частки спостерігалося уповільнення швидкості її руху. Це явище пояснюється нерівномірним вигорянням частинки, причому найбільше вигоряння виходить з боку, зверненої до потоку повітря. При цьому утворюються продукти згоряння рухаються назустріч кисню, дифундують до поверхні частки, і створюють зворотний (так званий Стефановський) потік, в результаті чого виходить сила реакції, величина якої визначається з відомої теореми: імпульс сили дорівнює зміні кількості руху. Ця сила може бути дорівнює нулю тільки за двох обставин: симетричному вигорянні частки та освіті. Тільки одного оксиду ОС 2.
В останньому випадку швидкість результуючого потоку дорівнює нулю, оскільки зміна кількості молекул при утворенні двоокису вуглецю дорівнює нулю.
При симетричному вигорянні частинки, що можна припускати наприклад у випадку руху дрібних пилинок в потоці повітря, реактивна сила також відсутня, оскільки в цьому випадку результуюча швидкість газифікованих молекул дорівнює нулю або пренебрежимо мала в порівнянні зі швидкістю самої частки.
3. І. Леонтьєвої були сфотографовані падаючі "гарячі вугільні частинки в зустрічному потоці повітря. Рух палаючої вугільної частки в силу зміни її маси і виділення газоподібних продуктів реакції вже не визначається звичайним рівнянням руху. У цьому випадку слід застосовувати рівняння рухомого тіла змінної маси, виведене російським ученим І.В. Мещерських. В. М. Третьяковим проводилися дослідження процесу займання вугільного пилу з підмосковного, худого вугілля та антрациту, а також з коксу підмосковного і худого вугілля з частинок розміром від 75 до 105 μ. Швидкість повітря в камері при нормальних умовах складала 86 см / сек, температура стінок камери-від 500 до 1100 °. Час перебування частинок визначалося за швидкістю газу в камері при даній відрегульованої температурі стінок.
2. Теоретичні дослідження кінетики хімічних реакцій і масообміну пористих вуглецевих частинок з газами з урахуванням ендотермічної реакції і Стефановського течії.
2.1. Кінетика паралельних і послідовних реакцій вуглецевої частинки з газами.
Тепломасообмін (ТМО) твердого або рідкого тіла з газами протікає взаємопов'язано з хімічними реакціями і фазовими перетвореннями (випаровування, конденсація), які є джерелами (стоками) енергії і нових мас газів (продуктів реакції). Поява або зникнення газових мас на поверхні твердого тіла є причиною появи Стефановського течії, спрямованого в першому випадку від поверхні тіла, а у другому до поверхні, додатково приймає участь в перенесенні тепла і газоподібних компонент [1 - 4]. У цілому ряді випадків необхідно враховувати пористу структуру твердого тіла і, отже, внутрішню дифузію і кінетику хімічних реакцій на поверхнях пір. Так само необхідно враховувати, що за певних умов можливо перебіг гомогенних хімічних реакцій у просторі близько частинки. Найкращим прикладом є реагування вуглецю (графіт, електродний вугілля, кокс різних палив) з газами. Відомо [1, 5], що на поверхні вуглецю протікають паралельно екзотермічні хімічні реакції
С + О 2 = СО 2 +
а так само послідовна ендотермічна хімічна реакція
З + СО 2 = 2СО-
де
У газовій фазі можливо перебіг екзотермічної гомогенної хімічної реакції
2СО + О 2 = 2СО +
де
Якщо швидкість гомогенної реакції (ІV) менше швидкості масопереносу (критерій Дамкелера (Damkohier) або критерій Семенова)
де d - діаметр вуглецевої частинки, м;
Проведений аналіз тепломасообміну і кінетики хімічних реакцій (І), (ІІ), (ІІІ) вуглецевої частинки з газами показав на необхідність врахування Стефановського течії і дозволив отримати аналітичні вирази якісно вірно описують вплив умов і властивостей на газовий склад продуктів реакції, швидкість хімічного перетворення вуглецю , щільності теплових і масових потоків на поверхні частинки [3]. Однак, нехтування внутрішнім реагуванням призвело до розбіжності експериментальних і розрахункових результатів по швидкості хімічного перетворення вуглецевої частки при різних її температурах і діаметрах.
Завданням цієї роботи є виявлення ролі внутрішнього реагування і Стефановського течії в процесах ТМО та хімічних реакцій пористої вуглецевої частинки з газами з урахуванням вимушеної і природної конвекції в залежності від температури і діаметра частинки.
Швидкість хімічного перетворення вуглецю в газоподібні компоненти визначається швидкістю хімічної реакції на зовнішній поверхні частки і всередині частки на поверхнях пір
де
Швидкість хімічного перетворення вуглецю на поверхні частки визначається кінетикою реакцій (I), (II) і (III)
де
Енергії активації та предекспоненціальние множники реакцій (I), (II) і (III) пов'язані між собою [1]:
де
Вираз для швидкості хімічного перетворення вуглецю в результаті хімічних реакцій на поверхнях пір всередині обсягу частки виходить з рішення задачі внутрішньої дифузії і може бути представлено у вигляді
де
Коефіцієнт внутрішньої дифузії виражається через порозность частки [1, 5]
де
Сумарна швидкість хімічного перетворення вуглецевої частинки і щільність хімічного тепловиділення
де Q 1, Q 2 - теплові ефекти хімічних реакцій (I) і (II), розраховані на одиницю маси кисню, Дж / кг; Q 3 - тепловий ефект реакції (III), розрахований на одиницю маси вуглекислого газу, Дж / кг;
2.2. Взаємовплив кінетики хімічних реакцій і масообміну пористих вуглецевих частинок з газами.
Вплив відносної швидкості руху частки на кінетику хімічних реакцій і тепломасообмін враховується радіусом наведеної плівки
де
Залежності відносних масових концентрацій кисню (
(10)
де
Припускаючи, що коефіцієнти дифузії компонент газової суміші рівні
де Wc визначається формулою (6),
Для вирішення (10) задамо граничні умови
і введемо безрозмірні координати
Враховуючи (8) і (9), отримаємо, що безрозмірна швидкість Стефановського течії на поверхні частинки
де
Рішення (10) і (11) представимо у вигляді
Швидкість хімічного перетворення вуглецю в газоподібні компоненти може впливати на інтенсивність теплообміну поверхні частинки з газом. Для визначення щільності теплового потоку, що характеризує теплообмін частинки з газом, скористаємося припущенням про квазістаціонарності поля температури газової фази і частки. У цьому випадку (
З урахуванням рівняння нерозривності (11) представимо у вигляді
Задаючи граничні умови
При
Так як
або
Отримано, що щільність теплового потоку
Підставивши (13) в ліві частини рівнянь (10) і, вважаючи
(14)
Позначивши
Підставляючи (15) і (16) в перше і друге рівняння системи (10) при r = r s, отримаємо трансцендентне рівняння для визначення безрозмірної швидкості Стефановського течії на поверхні частинки
Чисельні розрахунки показують, що
де
Підставляючи (20) в (15) при
У припущенні, що
Використовуючи формули (23) і (24), проведемо аналіз впливу температури на
При невисоких температурах і діаметрах частинки, для яких (
Враховуючи, що за цих умов (3) прийме вигляд
Підставляючи (23) і (24) в (6), отримаємо, що для кінетичної області
Тобто при протіканні реакції в кінетичній області
В області проміжних температур і діаметрів ( 
У цій області температур, в результаті дії ендотермічної реакції (III), в певному діапазоні розмірів частинки, зі зростанням температури відбувається зниження
Подальше підвищення температури і діаметра частинки може призвести до зміщення кінетики хімічних реакцій у дифузійну область, в якій виконуються умови
Використовуючи умову
При протіканні реакцій в дифузійній області, з (23) - (26) з урахуванням (21), отримаємо вирази для поверхневих концентрацій
де
Підставляючи (30) і (31) в (7) отримаємо, що при протіканні хімічних реакцій в дифузійній області щільність хімічного тепловиділення
Враховуючи, що теплові ефекти реакцій (I) - (III) пов'язані між собою
отримаємо, що щільність хімічного тепловиділення в дифузійній області визначається тепловим ефектом реакції (II)
Швидкості хімічного перетворення вуглецевої частинки
З урахуванням (29) і (34) отримаємо, що сумарна швидкість хімічного перетворення вуглецю при високій температурі визначається швидкістю хімічної реакції 2С + О 2 = 2СО (ІІ), що протікає в дифузійній області
3. Аналіз впливу температури і діаметра частинки на кінетику хімічних реакцій і тепломасообмін вуглецевої частинки з газами.
3.1. Вплив температури при заданому діаметрі частинки.
Розрахунки швидкостей хімічних реакцій (
при наступних параметрах:
Рис.1. Температурні залежності швидкостей хімічних реакцій пористої вуглецевої частинки в повітрі, густин хімічного тепловиділення, констант швидкостей хімічних реакцій, коефіцієнта масообміну, ефективної константи внутрішнього реагування та швидкості Стефановського течії
а) 1 -
б) 1 -
в) 1 -
г) 1 -
3.2. Вплив діаметра частинки на швидкості хімічного перетворення і тепломасообмін.
На рис. 2 (а-в) представлені криві
а) Т = 1000 К
б) Т = 1500 К
в) Т = 2000К
Рис2. Залежності швидкості хімічного перетворення вуглецю від розміру частки (1 -
Подальше підвищення температури до 2000 До приводить до зсуву реакції на зовнішню поверхню. При великих диметром переважним продуктом реакції стає СО. На кривій
ЛІТЕРАТУРА
1. Основи практичної теорії горіння / Под ред. В.В. Померанцева. - Л.: Вища школа, 1986. - 312 с.
2. Франк-Каменецький Д.А. Дифузія і теплопередача в хімічній кінетиці. - М.: Наука, 1987. - 502 с.
3. Калінчак В. В. Вплив Стефановського течії і конвекції на кінетику хімічних реакцій тепломасообміну вуглецевих частинок з газами / / Інженерно-фізичний журнал. - 2001. - Т. 74, № 2. - С. 51 - 56.
4. Калінчак В.В., Орловська С.Г., Калінчак А.І., Дубинський А.В. Високо-і низькотемпературний тепломасообмін вуглецевої частинки з повітрям при обліку Стефановського течії та тепловтрат випромінюванням / / Теплофізика високих температур. - 1996. - Т.34, № 1. - С. 83 - 91.
5. Головіна Є.С. Високотемпературне горіння і газифікація вуглецю, - М., 1986. - 176 с.
6.Букатий В.І., Суторіхін І.А. Високотемпературне горіння вуглецевих частинок у полі лазерного випромінювання / / Фізика горіння і вибуху. - 1988. - Т.24, № 3.-С.9-11.
7. Калінчак В.В., Орловська С.Г., Мандель А.В. Стійкі і критичні режими тепло-і масообміну частки, що знаходиться в полі лазерного випромінювання / / Фізика горіння та взрива.-1999.-Т.35, № 6.-С.1-6.
8. Калінчак В. В., Орловська С. Г., Гулевата О. М. Високотемпературний тепломасообмін нагрівається лазерним випромінюванням вуглецевої частинки з урахуванням Стефановського течії на її поверхні / / Фізика аеродисперсних систем. - 2001. - Т. 38. - С. 158 - 169.
9. Калінчак В.В., Садковський В.І., Харлампієва Н.А. Вплив внутрішньої дифузії на критичні умови та характеристики високо-і низькотемпературних станів вуглецевої частки / / Теплофізика високих температур. -1997. - Т.35, № 1 .- С.73-79.
10. Нігматулін Р. І. Динаміка багатофазних середовищ. Частина перша. - М.: Наука, 1987. - 464 с.
11. Канторович Б.В. Введення в теорію горіння та газифікації твердого палива. - М.: Держ-ное Н.-Т. вид-во літератури з чорної й кольорової металургії, 1960 .- 356с.
У цій області температур, в результаті дії ендотермічної реакції (III), в певному діапазоні розмірів частинки, зі зростанням температури відбувається зниження
Подальше підвищення температури і діаметра частинки може призвести до зміщення кінетики хімічних реакцій у дифузійну область, в якій виконуються умови
Використовуючи умову
При протіканні реакцій в дифузійній області, з (23) - (26) з урахуванням (21), отримаємо вирази для поверхневих концентрацій
де
Підставляючи (30) і (31) в (7) отримаємо, що при протіканні хімічних реакцій в дифузійній області щільність хімічного тепловиділення
Враховуючи, що теплові ефекти реакцій (I) - (III) пов'язані між собою
отримаємо, що щільність хімічного тепловиділення в дифузійній області визначається тепловим ефектом реакції (II)
Швидкості хімічного перетворення вуглецевої частинки
З урахуванням (29) і (34) отримаємо, що сумарна швидкість хімічного перетворення вуглецю при високій температурі визначається швидкістю хімічної реакції 2С + О 2 = 2СО (ІІ), що протікає в дифузійній області
3. Аналіз впливу температури і діаметра частинки на кінетику хімічних реакцій і тепломасообмін вуглецевої частинки з газами.
3.1. Вплив температури при заданому діаметрі частинки.
Розрахунки швидкостей хімічних реакцій (
при наступних параметрах:
Рис.1. Температурні залежності швидкостей хімічних реакцій пористої вуглецевої частинки в повітрі, густин хімічного тепловиділення, констант швидкостей хімічних реакцій, коефіцієнта масообміну, ефективної константи внутрішнього реагування та швидкості Стефановського течії
а) 1 -
б) 1 -
в) 1 -
г) 1 -
3.2. Вплив діаметра частинки на швидкості хімічного перетворення і тепломасообмін.
На рис. 2 (а-в) представлені криві
а) Т = 1000 К
б) Т = 1500 К
в) Т = 2000К
Рис2. Залежності швидкості хімічного перетворення вуглецю від розміру частки (1 -
Подальше підвищення температури до 2000 До приводить до зсуву реакції на зовнішню поверхню. При великих диметром переважним продуктом реакції стає СО. На кривій
ЛІТЕРАТУРА
1. Основи практичної теорії горіння / Под ред. В.В. Померанцева. - Л.: Вища школа, 1986. - 312 с.
2. Франк-Каменецький Д.А. Дифузія і теплопередача в хімічній кінетиці. - М.: Наука, 1987. - 502 с.
3. Калінчак В. В. Вплив Стефановського течії і конвекції на кінетику хімічних реакцій тепломасообміну вуглецевих частинок з газами / / Інженерно-фізичний журнал. - 2001. - Т. 74, № 2. - С. 51 - 56.
4. Калінчак В.В., Орловська С.Г., Калінчак А.І., Дубинський А.В. Високо-і низькотемпературний тепломасообмін вуглецевої частинки з повітрям при обліку Стефановського течії та тепловтрат випромінюванням / / Теплофізика високих температур. - 1996. - Т.34, № 1. - С. 83 - 91.
5. Головіна Є.С. Високотемпературне горіння і газифікація вуглецю, - М., 1986. - 176 с.
6.Букатий В.І., Суторіхін І.А. Високотемпературне горіння вуглецевих частинок у полі лазерного випромінювання / / Фізика горіння і вибуху. - 1988. - Т.24, № 3.-С.9-11.
7. Калінчак В.В., Орловська С.Г., Мандель А.В. Стійкі і критичні режими тепло-і масообміну частки, що знаходиться в полі лазерного випромінювання / / Фізика горіння та взрива.-1999.-Т.35, № 6.-С.1-6.
8. Калінчак В. В., Орловська С. Г., Гулевата О. М. Високотемпературний тепломасообмін нагрівається лазерним випромінюванням вуглецевої частинки з урахуванням Стефановського течії на її поверхні / / Фізика аеродисперсних систем. - 2001. - Т. 38. - С. 158 - 169.
9. Калінчак В.В., Садковський В.І., Харлампієва Н.А. Вплив внутрішньої дифузії на критичні умови та характеристики високо-і низькотемпературних станів вуглецевої частки / / Теплофізика високих температур. -1997. - Т.35, № 1 .- С.73-79.
10. Нігматулін Р. І. Динаміка багатофазних середовищ. Частина перша. - М.: Наука, 1987. - 464 с.
11. Канторович Б.В. Введення в теорію горіння та газифікації твердого палива. - М.: Держ-ное Н.-Т. вид-во літератури з чорної й кольорової металургії, 1960 .- 356с.