Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы (1240837), страница 136
Текст из файла (страница 136)
Если газовые смеси (например, продукты горения и промышленные газы) состоят из кислорода и диамагнитных газов, то уравнение (21-4-9) с учетом (21-4-5) и (21-4-8) принимает вид: х,„= —.— '" ~ эхо — '+ (1 — о) х„~. (21-4-10) Т а 6 л и ц а 21-4-1 06ьемная магнитная восприимчивость некоторых газов при 0'С Мвгн итввя Восирвнмеи" вась по атноюенню к кисло- роду Мвгаит. ввя васприимкв. вость по основав.
кню к кисло- роду к м" <си> к 10"' <си> Гав Гив Кислород Ов Воздух (21 Ов) Окись азота МО Двуокись азота НОЯ Метан СН Водород Нв Азот Нв Двуокись углеродаСОЯ Аммиак >ЯНЯ Водяные пары НЯО 1!624 1 О 24,62 0,211 42,20 0,363 7,!6 0,06!6 — 1,43 — 0,0123 — 0,13 — 0,46 — 0,67 — 0,67 — 0,46 — 0,0011 — 0,004 — 0,0057 — 0,000 à — 0,004 Абголк>твое значение объемной магнитной восприимчивости кислорода, как видно из табл. 21-4-1, весьма мало и может быть точно измерено лишь специальными высокочувсгвительными методами.
Поэтому в существующих магнитных газоанализаторах для измерения концентрации кислорода в газовых смесях используются косвенные методы, т. е, те или иные физические явления, связанные где ход — магнитная восприимчивость диамагннтной части смеси при нормальных температуре То и давлении р,. Из изложенного выше следует, что объемная магнитная восприимчивость газовой смеси зависит от магнитных свойств всех входящих в нее компонентов, а также от температуры и давления газа. В табл. 21-4-1 приведены значения обьемной магнитной восприимчивости некоторых газов при О' С. Из приведенной таблицы видно, что кислород обладает значительно большей магнитной восприимчивостью по сравнению с другими газами. Благодаря этому представляется возм<пкность использовать магнитные свойства кислорода для избирательного определения его концентрации в промышленных газовых смесях.
Как видно из таблицы, лишь два газа — окись и двуокись азота — имеют относительно большую магнитную восприимчивость. Однако эти газы встречаются очень редко в смесях промышленных газов. с магнитными свойствамн кислорода. К таким явлениям, используемым для создания магнитных газоанализаторов, относятся следующие: 1, В среде парамагнитного газа при наличии нагретого тела и неоднородного магнитного поля возникает термомагнитная конвекция (магнитный ветер), вызывающая охлаждение тела. 2.
Парамагнитный газ, находящийся в магнитном поле, изменяет свою теплопроводность. 3. Парамагнитный газ при наличии магнитного поля изменяет свою вязкость. 4. Тело, находящееся в парамагнитной газовой среде и неоднородном магнитном поле, испытывает выталкивающее или втягивающее воздеиствие при одновременном изменения магнитной восприимчивости окружающего его газа. В соответствии с физическим явлением, положенным в основу принципа работы прибора, магнитные газоанализаторы подразделяют на четыре группы по ГОСТ !3320-67: 1) термомагнитные; 2) магнптотермокондуктометрнческие; 3) магннтовискозимегрические: 4) магнитомеханические — роторные, зффузионные (безроторные).
Подробные сведения о принципах построения, теории и методике инженерных расчетов магнитных газоанализаторов приведены в монографии Д. И. Агейкина [90). Ниже рассматриваются термомагнптные газоанализаторы, которые широко прчменяются для измерения концентрации кислорода в продуктах горения и в смесях промышленных газов.
Термомагнитные газоанализаторы. Термомагнитные газоанализаторы основаны на использовании явления термомагнитной конвекции парамагнитного газа, возникающей при наличии неоднородного магнитного поля и нагретого тела (температурного градиента). Между термомагнитной конвекцией н естественной тепловой конвекцией (свободным движением) имеегся аналогия. Известно, что естественная тепловая конвекция возникает около горячей (или холодной) поверхности, окруженной газом (жидкостью), при наличии гравитационного поли.
От соприкосновения с горячей поверхностью тела газ нагреваегся, его температура по сравнению с температурой остальной массы повышается, а плотность уменьшаегся. Вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц газа возникает подъемная сила, под действием которой нагретые частицы поднимаются кверху, т. е. в сторону падения гравитационного поля. На их место поступают другие, холодные частицы, которые также нагреваются и поднимаются. Возникновение и интенсивность естественной конвекции всецело определяются тепловыми условиями процесса и зависят от рода жидкости, разности температур и объема пространства, в котором протекает процесс. В термомагнитном газоанализаторе анализируемый парамагнитный газ, протекающий непрерывно в канале, втягивается в специальную измерительную камеру с магнитной системой, между полю- ствительныи элемент. Интенсивность термомагнитной конвекпии, зависящую от магнитной восприимчивости парамагнитного газа, оценивают по изменению электрического сопротивления чувствительного элемента, вызванного его охлаждением.
Для увмерения изменения сопротивления чувстви- 1упг д тельного элемента применяют неуравновешенную мостовую или компенсационную мостовую схему. Магнитное поле в зоне чувствительного элемента обычно создают с помощью постоянного магнита. Неоднородное магнитное поле, как правило, возникает вблизи кромок полюсов постоянного магнита, около которых в измерительной камере располагают чувствительный элемент или нагреватель. Рассмотрим силы, действующие на единичный объем кислородосодержащей газовой смеси, нагретый до температуры Т, и окруженный смесью газа того же состава с температурой Т„. Сила, обусловленная тепловой конвекцией при наличии гравитационного поля с ускорением свободного падения я, равна: Рис.
21-4-1. Схемы измерительных камер приемного преобразователя термомагнитного гззоаиализатора. а — а диффузионным подводом газа; б — прямоточная со сбросом частй газа: т — канал, по которому протекает анализируемый знз; у — измерительная камера; 3 — чувствительаый злемент; З вЂ” постоянный ыагнит. гу' =(р рв)м (21-4-11) где р, и рй — плотность газовой смеси при давлении р и температурах Т, и Т,. С учетом выражений (14-5-2), (14-5-3) и (14-5-6) уравнение (21-4-11) принимает вид: (21-4-12) где р„, — плотность газовой смеси при Т, = 273 К и ра = 1,0332 кгс/смй. рами которои находится нагреваемыя током чувствительныи элемент (рис. 21-4-1). Газ, соприкасаясь с чувствительным элементом, нагреваюся, и магнитная восприимчивость его уменьшается.
Вследствие этого нагретый газ выталкивается из л~агнитного поля холодным газом, протекающим в канале, и около нагретого чувствительного элемента возникает непрерывный поток газа (на рис. 21-4-1 показан пунктирными стрелками), движущийся в сторону падения напряженности магнитного поля. Этот поток газа, носящий название термомагнитной конвекции или магнитного ветра, охлажаает чун- ям Сила термомагнитной конвекции, действующая в направлении падения напряженности поля Н, равна: Д„ = -й- (н, — к,) Ягас1 (Н') = (к, — к,) Н вЂ” , (21-4- 13) 1 6Н где я и к — магнитная восприимчивость газовой смеси при давлении р и температурах Т, и Т;, х — координата.
После замены к, и к, в уравнении (21-4-13) согласно (21-4-10) получим: ро (т т )(™о о(т — — г-))+(1 — о)кад~Н вЂ”. (214 14) Следует отметить, что сила д, всегда сопутствует силе д„причем они могут иметь различные направления в пространстве. Вследствие этого результирующая сила д определяется как сумма векторов: (21-4-15) Непосредственное измерение силы д„не производят, так как это сопряжено с большими трудностями. В широко используемых термомагнитных газоанализаторах применяют, как отмечалось выше, метод измерения интенсивности термомагнитной коивекции с помощью чувствительного элемента, который одновременно является и нагревателем.
Этот метод обладает достаточно высокой чувствительностью. Возможен вариант реализации этого метода при конструктивном разделении нагревателя и чувствительного элемента, но такая модификация метода широкого распространекия не получила. Процесс теплообмена нагретого чувствительного'элемента, установленного в измерительной камере с неоднородным магкитным полем, осуществляется посредством теплопроводкости окружающей газовой среды, тепловой и термомагнитной конвекции и лучеиспускания. При этом будет иметь место утечка тепла через токоотводы. В применяемых измерительных камерах газоанализаторов лучеиспускание и теплоотвод через токоподводы незначительно влияют на процесс теплообмена 189, 901.
Следует отметить, что изменение содержания неопределяемых компонентов (например, Н, и СОД от градуировочных значений в анализируемой газовой смеси может привести к изменению показаний газоанализатора, так как теплопроводность, вязкость и другие свойства их влияют на процесс теплообмена. Уменьшение влияния теплопроводности неопределяемых компонентов газовой смеси на показания газоанализатора может быть достигнуто путем выбора для каждого случая измерения концентрации кислорода оптимального удаления чувствительного элемента в измерительной камере от кромки полюсов магнита, что, однако, может снизить чувствительность газоанализатора по кислороду. Небольшое удаление чувствительного элемента от кромки полюсов магнита позволяет приблизить характер потока к естественной кон- векции, что в свою очередь уменьшает влияние изменения давления газовой смеси (см.
рис. 2!-4-1, а). Подробно процесс теплообмена в измерительных камерах, влияние различных факторов на показания термомагнитных газоанализаторов и мероприятия, уменьшающие их воздействие, рассматриваются в (901. Следует отметить, что комплекс задач по измерению кислорода в различных условиях не может быть решен на базе одного типа термомагнитного газоанализатора с использованием одной универсальной измерительной камеры. Поэтому в зависимости от состава газовой смеси, диапазона измерения и друтих факторов применяют термомагнитные газоанализаторы с различными по устройству измерительными камерами, в которых направление потока термомагнитной и естественной тепловой конвекций выбирают в зависимости от требований, предъявляемых к прибору.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
