Защитный экран для термопары

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН ДЛЯ ТЕРМОПАРЫ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Гринчук Павел Семенович Долидович Александр Федорович Торопов Виктор Владимирович Ознобишин Александр Николаевич Якутович Николай Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Защитный экран для термопары, включающий трубчатый металлический корпус,располагаемый на определенном расстоянии вокруг помещаемой в футерованную нагревательную печь термопары, отличающийся тем, что трубчатый металлический корпус выполнен в виде коаксиально расположенных друг относительно друга цилиндрических элементов, один из которых выполнен с возможностью неподвижного закрепления в футеровке нагревательной печи, а другой установлен внутри неподвижного цилиндрического элемента с возможностью перемещения относительно него, а также с возможностью вращения относительно термопары, причем наружный торец подвижного элемента экрана выполнен скошенным и снабжен по всей длине отклоняющими лопатками. 14951 1 2011.10.30 2. Экран по п. 1, отличающийся тем, что толщина стенки неподвижного элемента составляет от 3 до 5 мм, толщина стенки подвижного элемента составляет не менее 2 мм,длина неподвижного элемента равна толщине теплоизоляционной футеровки печи, а длина подвижного элемента составляет сумму 2/3 длины неподвижного элемента, длины выступа термопары за пределы футеровки и расстояния выходаподвижного элемента за пределы термопары, выбранного из соотношения 35,где- диаметр термопары. 3. Экран по п. 1 или 2, отличающийся тем, что длина скошенной торцевой части подвижного элемента и соответственно отклоняющих лопаток составляет 0,5 длины подвижного элемента, минимальная длина выходящей за пределы термопары скошенной части подвижного элемента равна длине окружности термопары, а максимальная длина скошенной части равна длине окружности подвижного элемента, при этом отклоняющие лопатки выполнены с возможностью смещения от попадания на термопару линии тока радиационной и конвективной составляющих факела горелки, установленной в нагревательной печи. Изобретение относится к устройствам термометрии для измерения высоких температур термопарами, включенными в систему автоматического регулирования и контроля температурных условий в ограниченном объеме, в частности для измерения температуры в нагревательных печах или реакторах со сжиганием топлива в газопламенных горелках и может быть использовано в металлургической, металлообрабатывающей и других отраслях промышленности. Известно 1, что для измерения температур окружающей среды в промышленных объектах в диапазоне 600 С-1500 С используются хромель-алюмелевые термопары в соответствующей армировке. Армировка электрически изолирует термоэлектроды, защищает их от соприкосновения и воздействия измеряемой среды, придает термопаре механически прочную форму, удобную для погружения в измеряемую среду и для присоединения к измерительному прибору. На точность измерений такой термопарой большое влияние могут оказывать различные факторы - способ и место ее установки в измеряемом объеме, прямое воздействие радиационных, кондуктивных и конвективных составляющих теплообмена и т.д. Особое значение имеет выбор места установки и защиты от радиационных и конвективных потоков для термопар, включенных в автоматическую систему контроля и управления температурой нагревательных печей, имеющих ограниченный объем 2. Особенность работы такой термопары состоит в том, что она должна точно измерять среднюю температуру атмосферы внутри печи и в зависимости от этой температуры и заданного темпа нагрева обрабатываемых изделий включать или выключать горелочные устройства, расположенные на боковых стенках или своде печи. Однако при включенных горелках в силу ограниченности объема печи радиационная составляющая факела пламени горелки попадает на головку термопары и вследствие этого искажает измеряемую термопарой локальную температуру в месте ее установки в сторону ее существенного увеличения. В то же время, при выключении горелки из ее сопла в объем печи начинает поступать холодный воздух, конвективный поток которого также попадает на головку термопары, существенно искажая истинную температуру среды в печи в сторону ее существенного уменьшения. Таким образом, в обоих случаях показания такой не защищенной от радиационных и конвективных потоков термопары вследствие указанных искажений не характеризуют истинное тепловое состояние нагревательного агрегата и не могут служить исходными данными для поддержания в объеме печи соответствующего температурного режима нагрева металла с целью достижения в нем необходимых структурных преобразований. В ряде случаев измерен 2 14951 1 2011.10.30 ная такой незащищенной термопарой температуры среды в печи была на сотню градусов ниже температуры нагреваемого металла, что, в принципе, быть не может. Поэтому для исключения подобных погрешностей измерений термопары снабжают защитными устройствами. Известно достаточно много защитных устройств для термопар в виде защитных труб,колпачков, экранов, гнезд, наконечников, кожухов, чехлов и т.д. различного конструктивного исполнения и функционального назначения. Так, например, известно защитное устройство зонда для измерения температуры среды в процессах, сопровождающихся высокой температурой, высоким давлением и высокой скоростью набегающего потока 3,включающее закрепленный на стенке реактора трубчатый полый корпус с расположенной внутри него термопарой, головка которой несколько выступает из корпуса, имеющим кольцеобразную щель заданной длины и ширины, и закрыта привариваемым колпачком,внутренний диаметр которого вдвое больше ширины кольцеобразной щели. Такое конструктивное исполнение защитного устройства позволяет регистрировать быстрые изменения температуры при высоком давлении, высоких температурах и высокой скорости реагентов, однако оно неспособно предотвращать погрешности измерений средней температуры среды, вызванные ее локальными пульсациями. Известно также защитное устройство термочувствительного датчика для измерения температуры окружающей его воздушной среды, предотвращающее влияние на точность показаний прямого воздействия конвективных потоков и содержащихся в потоке твердых или жидких включений 4. Это защитное устройство представляет собой массивный цилиндрический кожух из нержавеющей стали, окружающий термопару, в котором для подвода к ней измеряемого воздушного потока выполнено множество наклонно высверленных аспирационных отверстий, предотвращающих прямое воздействие конвективных потоков и посторонних включений на спай термопары. Эти отверстия расположены на равных расстояниях друг от друга по длине и диаметру защитного кожуха и могут выполняться как со сдвигом, так и без сдвига от осевой линии, а угол сверления является функцией толщины кожуха. Несмотря на такую достаточно сложную конструкцию защитного устройства, обеспечивающую смешение отдельных струй и осреднение температуры измеряемого воздушного потока до их попадания на спай термопары, оно, к сожалению, не способно предотвратить искажений показаний термопары при наличии и под воздействием остро направленных на защитное устройство холодных или горячих конвективных потоков. Общим функциональным недостатком известных устройств является их явная непригодность для защиты термопар, включенных в систему автоматического контроля и управления, от конвективных и радиационных потоков в нагревательных устройствах ограниченного объема. Наиболее близким по своему функциональному назначению и технической сущности к предлагаемому защитному экрану является устройство 5, в котором элемент защиты от теплового излучения (защитный экран) включает расположенный вокруг термопары трубчатый металлический корпус с противоположно расположенными отверстиями для прохода к нему измеряемого газа, окруженный экраном в виде множественной спиралеобразной намотки из тонкой теплопроводной фольги, также имеющей отверстия для прохода газа к спаю термопары, в воздушных зазорах которой за счет многократного отражения диссипирует значительная часть радиационного тепла. Этот спиралеобразный защитный экран для обеспечения достаточной жесткости конструкции приваривают к колоколообразному основанию, который в свою очередь путем приварки присоединяют к трубчатому металлическому корпусу. В связи с этим такое защитное устройство из-за необходимости многократной сварки представляет собой достаточно сложную при сборке массивную конструкцию, которая вследствие своей значительной массы не способна обеспечить высокое быстродействие термопары к изменению температуры. Соответственно, у него низкая эффективность при защите от конвективных и радиационных потоков в нагревательных футерованных печах ограниченного объема. Таким образом, недостатком указанного защитного экрана является сложность его конструк 3 14951 1 2011.10.30 ции, трудности монтажа на месте установки внутри нагревательной печи и, главное, - низкая эффективность защиты от радиационно-конвективных потоков газовых горелок, расположенных на боковых стенках или своде печи. Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности защиты термопар особенно при защите от конвективных и радиационных потоков в нагревательных печах ограниченного объема. Задача решается следующим образом. Известный защитный экран для термопары, помещенный в футерованную нагревательную печь, представляет собой трубчатый металлический корпус, расположенный вокруг термопары на определенном от нее расстоянии. Согласно предлагаемому техническому решению, трубчатый металлический корпус выполнен в виде двух, расположенных коаксиально друг относительно друга цилиндрических элементов, один из которых, внешний, выполнен с возможностью неподвижного закрепления в футеровке стенки нагревательной печи, а другой, внутренний, - установлен внутри неподвижного цилиндрического элемента с возможностью продольного перемещения относительно него и термопары, а также с возможностью вращения относительно термопары, причем наружный торец подвижного элемента экрана выполнен скошенным и снабжен по всей длине отклоняющими лопатками. Это обеспечивает термопаре, в которой тепловое излучение вблизи термочувствительного элемента минимизировано, быстродействие, точность и эффективность защиты ее от конвективных и радиационных потоков в нагревательных устройствах ограниченного объема. Кроме того, толщина стенки неподвижного элемента 1 составляет от 3 до 5 мм, толщина стенки подвижного элемента 2 - не менее 2 мм, длина неподвижного элементаравна толщине теплоизоляционной футеровки печи, а длина подвижного элемента 1 составляет сумму 2/3 длины неподвижного элемента , длины выступа термопары за пределы футеровки 1 и расстояниявыхода подвижного элемента за пределы защищаемой термопары, выбранного из соотношения 35, где- диаметр защищаемой термопары. Длина скошенной торцевой части подвижного элемента 3 и соответственно отклоняющих лопаток составляет 0,5 длины подвижного элемента, минимальная длина выходящей за пределы термопары скошенной части подвижного элемента 2 равна длине окружности термопары, а максимальная длина скошенной части равна длине окружности подвижного элемента, при этом отклоняющие лопатки выполнены с возможностью их углового и продольного смещения от попадания на термопару линий тока радиационной и конвективной составляющих факела горелки, установленной в нагревательной печи. На фиг, 1 показана схема общего вида предлагаемого защитного экрана, установленного на стенке нагревательной печи с указанием направлений движения радиационных и конвективных потоков, а также измеряемой атмосферы печи. На фиг. 2 показаны неподвижный и подвижный элементы защитного экрана в разрезе с указанием размеров определяющих параметров. На фиг. 3 показаны неподвижный и подвижный элементы защитного экрана с указанием размеров определяющих параметров. На фиг. 4 показано сечение по - защитного экрана термопары с отклоняющими лопатками и распределением радиационного и конвективного потоков, а также измеряемой атмосферы печи. На фиг. 5 показана развертка подвижного элемента защитного экрана. Как показано на фиг. 1, термопара 1 неподвижно закреплена на стенке 7 нагревательной печи (крепежные элементы не показаны), футерованной высокотемпературной волокнистой теплоизоляцией 6. Неподвижный цилиндрический элемент 2 защитного экрана жестко крепится в окне 8, выполненного внутри футеровки 6, и установлен коаксиально термопаре 1. Внутренний диаметр окна 8 соответствует наружному диаметрунеподвижного элемента 2, причем для снижения потерь тепла через стенку печи глубина выполненного окна в футеровке не должна превышать 2/3 суммарной толщины 4 14951 1 2011.10.30 многослойной футеровки. Подвижный цилиндрический элемент 3 защитного экрана коаксиально установлен внутри неподвижного элемента 2. Наружный торец элемента 3 имеет скошенную часть 4 и гидродинамические отклоняющие лопатки 5 по всей длине 3 скошенной части 4 (фиг. 2 и 3). Для обеспечения возможности перемещения подвижного элемента 3 относительно неподвижного элемента 2 и термопары 1, его наружный диаметр равен внутреннему диаметру 1 неподвижного элемента 2 и установлен в нем с возможностью регулирования защитной длинытермопары 1. Таким образом, подвижный элемент 3 имеет возможность перемещаться в продольном направлении относительно, как элемента 2,так и относительно защищаемой термопары 1, а также имеет возможность вращения вокруг своей оси и соответственно термопары 1. Наружный торец подвижного элемента 3, перекрывающий измерительную головку термопары 1, имеет скошенную часть 4 длиной 3 (фиг. 5) и снабжен отклоняющими лопатками 5, предохраняющими измерительную головку термопары 1 от прямого воздействия радиационных и конвективных потоков факела горелки, установленной в нагревательной печи (на чертеже не показана). Иначе эти потоки способны попадать на нее вследствие ограниченного внутреннего объема нагревательной печи и искажать локальное температурное поле в точке измерения, внося существенные погрешности в измеряемую температуру печной атмосферы (фиг. 4). Цилиндрические подвижный 3 и неподвижный 2 элементы защитного экрана могут изготавливаться либо из труб соответствующего наружного и внутреннего диаметра, либо вырезаться из листовой нержавеющей стали требуемого сортамента и затем после придания им цилиндрического тела вращения свариваться встык. При выполнении подвижного элемента 3 из листовой нержавеющей стали(фиг. 5), размеры его скошенной конической части 4 и соответственно размеры гидродинамических отклоняющих лопаток 5, имеющих внутреннюю поверхность в форме полуокружности и расположенных по всей длине скошенной части, исходя из общих физических представлений об обтекании газом тел вращения различной формы, определяются следующими рекомендуемыми в 6, 7 параметрами. Размер выступающего за термопару левого конца 2, с которого начинается скошенная часть, равен 22 (где- диаметр термопары), размер правого конца 4 скошенной части равен 421 (где 1 - внутренний диаметр неподвижного элемента). Длина скошенной части 3 составляет примерно 0,5 суммарной длины 1 подвижного элемента 3. Если принять за определяющий параметр известный диаметр защищаемой термопары ,то, согласно расчетам, для обеспечения достаточной механической жестокости защитного экрана длинаего неподвижного элемента 2 примерно равна толщине футеровки, внутренний диаметр элемента 2 равен 16, толщина стенки 13-5 мм суммарная длина 1 подвижного элемента 3, зависящая от длины выступа термопары за пределы футеровки, равна величине, состоящей из 2/3 длинынеподвижного элемента, длины выступа термопары за пределы футеровки 1 и расстояния 35 выхода подвижного элемента за пределы защищаемой термопары, а толщина стенки 2 - не менее 2 мм. Вертикальное расстояние между термопарой 1 и подвижным элементом 3 экрана, равное примерно 22,5 обеспечивает диссипацию тепловой энергии, аккумулируемой стенками подвижного элемента за счет радиационной или конвективной составляющих факела горелки и способной передаваться к спаю термопары путем кондукции. Как показали натурные испытания предлагаемого защитного экрана, соблюдение вышеприведенных размеров обеспечивает его надежную и долговременную работу, существенное повышение точности показаний термопары, включенной в систему автоматического регулирования и контроля температурных условий в ограниченном объеме, точное поддержание заданных температур печной атмосферы, темпа нагрева металла в нагревательных печах или реакторах со сжиганием топлива в газопламенных горелках,снижение его угара и повышение качества нагреваемого металла за счет точного соблюдения требуемых структурных преобразований в его объеме. Декларируемые защитные функции и гидродинамику работы предлагаемого изобретения можно описать следующим образом. Известно, что в нагревательных печах и 5 14951 1 2011.10.30 устройствах для нагрева металлических заготовок перед их последующей технологической обработкой используются, как правило, боковые, расположенные на боковых стенках печи, и сводовые газопламенные горелки, расположенные в верхней части печного пространства на его своде, работающие по программе, которая задается соответствующей системой управления и контроля. Работа этих горелок в нагревательной печи характеризуется параметрами их факела - температурой, превышающей, естественно,температуру печной атмосферы, а также дальнобойностью, т.е. длиной и шириной распространения в объем печи. При работающей горелке измеряемая термопарой температура печной атмосферы определяется радиационной и конвективной составляющей ее факела. При временном отключении горелки, в случае превышения температуры в печи от заданной по программе, в печной объем начинает поступать только холодный воздух на горение, снижающий объемную температуру в печи и характеризующийся конвективной составляющей теплообмена. Управляющие сигналы на включение и отключение используемых горелок в случае отклонения заданного программой темпа нагрева металла от нормы поступают с термопары, контролирующей температуру печной атмосферы. Следовательно, точность показаний этой термопары играет решающую роль в оптимизации работы печного агрегата и термообработки металла. При работающей горелке попадающая на термопару радиационная составляющая факела существенно увеличивает измеряемую температуру в сравнении с истинной, объемной температурой печной атмосферы, а при выключенной горелке попадающая на термопару конвективная холодная составляющая факела значительно снижает измеряемую температуру (фиг. 1). В этом случае измеряющая термопара, включенная в систему автоматической системы управления, требует специальной защиты от этих составляющих факела горелки. Защитный экран работает следующим образом. При работающей боковой газопламенной горелке (на чертеже не показана) угол атаки , т.е. угол наклона к горизонтали линий тока радиационной или конвективной составляющих факела горелки(фиг. 1), достигающих измерительной термопары 1, закрепленной на стенке печи 7, сравнительно невелик, а при работающей сводовой горелке (на чертеже не показана) этот угол существенно выше. Вследствие этого расстояниеперекрытия термопары от прямого воздействия этих составляющих должно варьироваться. Именно этой цели - возможности перемещения экранирующего элемента относительно защищаемой термопары 1 и регулирования расстояния перекрытияспая термопары от прямого воздействия радиационной и конвективной составляющих факела горелки- служит подвижный элемент 3, имеющий скошенную часть 4, снабженную отклоняющими лопатками 5, который в случае работы боковых горелок выдвигается из неподвижного элемента 2, закрепленного в окне 8, выполненного в футеровке 6 стенки печи 7, и увеличивает расстояние перекрытия , а в случае работы сводовой горелки - вводится в подвижный элемент и снижает это расстояние. Оптимальными пределами расстояния выхода защитного подвижного элемента 3 за пределы спая термопары являются 35. Однако защитная функция подвижного элемента 3 без гидродинамических отклоняющих лопаток 5 выполняется далеко не в полной мере вследствие возможности смешения перегретого или холодного потоков воздуха от факела с окружающей средой в окрестностях спая термопары и искажения тем самым показания истинной объемной температуры печной атмосферы. Поэтому основную защитную функцию предлагаемого защитного экрана играют отклоняющие лопатки 5, которые гидродинамически отклоняют линии тока радиационной и конвективной составляющих факела горелки от попадания на спай термопары. Принцип их действия очевиден из фиг. 1 и 4, на которых показаны линии тока радиационной и конвективной составляющей и измеряемой среды. Линии тока радиационной и конвективной составляющих факела горелки, достигающие защитного экрана, смещаются отклоняющими лопатками 5 вверх. Там эти возмущающие и турбулизирующие окружающую среду вихри над подвижным элементом 3 смешиваются с печной атмосферой и диссипируют, позволяя тем самым линиям тока изме 6 14951 1 2011.10.30 ряемой среды свободно в ламинарном режиме омывать спай термопары без искажающего показания термопары воздействия этих составляющих. Подтверждением справедливости этого утверждения может служить приводимый ниже пример 1, в котором представлены результаты натурных испытаний эффективности работы предлагаемого защитного экрана и измерений температуры печной атмосферы,выполненные незащищенной и защищенной термопарами, а также высокоточным термоанемометром. Пример 1. Измерения проводились на реальной нагревательной печи со следующими размерами рабочего объема длина - 1 м, ширина - 0,9 м, высота - 0,7 м. В качестве измерительной термопары, включенной в систему автоматического управления и контроля печной атмосферы, использовалась стандартная промышленная хромель-алюмелевая термопара ТХА 33 с пределами измерения - 40 С 1200 С. Согласно ГОСТ 6676-94 она имеет следующие погрешности измерения в диапазоне - 40 С 375 С -2,5 С и в диапазоне 375 С 1200 С -0,0075 С. Измерительная термопара расположена на центральной вертикальной оси одной из боковых стенок на расстоянии 395 мм от свода печи. Две боковые газопламенные горелки расположены равноудалено на расстоянии 230 мм от центральной вертикальной оси на противоположной стенке печи на высоте 230 мм от свода печи. Сводовая горелка расположена по центральной вертикальной оси свода. Измерения температуры печной атмосферы проводились при включенных и выключенных боковых и сводовых горелках с помощью незащищенной и защищенной предлагаемым экраном термопары. В качестве контрольного измерительного прибора использовался калибровочный термоанемометр со средней погрешностью в диапазоне до 375 С -1,5 С и в диапазоне 375 С 1200 С - Т 0,004 С. Измерения им печной атмосферы проводились в местах, не подверженных прямому воздействию радиационной и конвективной составляющих горячего (при подаче и горении смеси газа и воздуха на горение) и холодного факела горелки (при отключенной подаче газа и поступлении через нее только подогретого воздуха на горение). Температура факела горелки, измеренная термоанемометром, составляла примерно 1800 С, а температура подогретого воздуха на горение - 120 С. Результаты этих измерений представлены в таблице. Температура печной атмосферы при работающей боковой горелке в С, измеренная Термоанемометром Незащищенной термопарой Защищенной термопарой 360305300 С 745706700 С 104010081000 С Температура печной атмосферы при отключенной боковой горелке и поступлении в печь только воздуха на горение в С, измеренная Термоанемометром Незащищенной термопарой Защищенной термопарой 280302300 С 650704700 С 90010051000 С Температура печной атмосферы при работающей сводовой горелке в С, измеренная Термоанемометром Незащищенной термопарой Защищенной термопарой 345304300 С 738707700 С 103210061000 С Температура печной атмосферы при отключенной сводовой горелке и поступлении в печь только воздуха на горение в С, измеренная Термоанемометром Незащищенной термопарой Защищенной термопарой 288301300 С 7 14951 1 2011.10.30672703700 С 9379971000 С Таким образом, как видно из приведенных результатов измерений, предлагаемый защитный экран достаточно надежно защищает термопару от радиационных и конвективных составляющих факела горелки, благодаря чему показания защищенной им термопары по своей точности практически совпадают с показаниями калибровочного термоанемометра в пределах характерных для этих приборов погрешности измерений. Источники информации 1. Мурин Г.А. Теплотехнические измерения. - М. Энергия, 1979. - С. 424. 2. Промежуточный отчет ГНУИнститут тепло-и массообмена им. А.В.Лыкова НАН Беларуси по этапу Исследовать явления переноса энергии при нагреве металла в газопламенных печах с целью разработки энергоресурсосберегающей технологии управляемого нагрева. Модернизация экспериментальной базы с целью измерения полей температуры, состава продуктов сгорания в рабочем пространстве камерной печи, исследований стойкости и теплофизических свойств волокнистых футеровочных материалов,2007. - 74 с. 3. Патент РФ 98115276, МПК 01 1/18, 2000. 4. Патент США 2005089082, МПК 01 13/0001 13/02,01 1/08, 2007 (прототип). 5. Патент США 3284246, МПК 01 1/2001 1/00, 1966. 6. Ярышев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарных температур. - Л. Энергия, 1967. - С. 299. 7. Горлин С.М. Экспериментальная аэромеханика. - М. Высшая школа, 1970. - С. 423. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9