автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка термохимического детектора теплоты сгорания газов

На правах рукописи

Аль-Дахми Абдулгани Мокбел Салех

РАЗРАБОТКА ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ДЕТЕКТОРА ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ГАЗОВ

05.11.13- Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 ПАР 2015

005559871

Тамбов-2015

005559871

Работа выполнена на кафедре «Автоматизация технологических процессов» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тверского государственного технического университета» (ФГБОУ ВПО «ТвГТУ»).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, профессор

кафедры «Автоматизация технологических процессов» ФГБОУ ВПО «ТвГТУ» Илясов Леонид Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, профессор

кафедры «Системы управления и контроля химических производств» ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» Рылов Владимир Аркадьевич

кандидат технических наук, ОАО «Научно -исследовательский и проектный институт карбамида и продуктов органического синтеза», ведущий инженер - программист. Костиков Евгений Сергеевич

Ведущая организация Дзержинский политехнический институт

(филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е. Алексеева» (ДЛИ НГТУ).

Защита диссертации состоится 2 апреля 2015 года в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.01 при ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: г. Тамбов, ул. Советская, 106, Большой зал.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106

?19Бтлп ВП° <<ТГТУ>>' геному секретарю диссертационного совета Д 21.01.

с ДиссеРтаЦией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ» и на сайте www.tstu.ru. Автореферат разослан «» 2015 г.

Ученый секретарь Александр Алексеевич Чуриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальпость темы. В настоящее время мировая добыча газов непрерывно увеличивается. Для контроля качества этих газов на газодобывающих и газотранспортирукмцих предприятиях осуществляется контроль их состава и основных интегральных показателей качества, таких как: низшая объёмная удельная теплота сгорания, плотность и индекс Воббе.

Среди множества современных средств контроля качества газов важное место, особенно при контроле горючих газов, занимают термохимические детекторы и газоанализаторы. Более того, названные средства контроля горючих газов в настоящее время являются наиболее распространенными средствами аналитического автоматического контроля газов в промышленности.

Они применяются в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности, в угольных шахтах, широко используются при контроле продуктов сгорания огневых нагревателей и двигателей внутреннего сгорания. С их помощью получают информацию о наличии углеводородов в процессе газового каротажа при бурении скважин.

Все термохимические газоанализаторы можно разделить на три класса: газоанализаторы, основанные на измерении сопротивления каталитического активного терморезистора; газоанализаторы, основанные на измерении температуры каталитической активной среды; газоанализаторы, основанные на измерении температуры продуктов каталитического сгорания.

Теория работы двух первых классов термохимических газоанализаторов достаточно полно разработана. Общим недостатком таких газоанализаторов является то, что каталитическое сгорание горючих газов в них является неполным. Причём для каждого горючего газа степень каталитического сгорания является индивидуальной, что усложняет интерпретацию измерительной информации и градуировку средств контроля, а следовательно затрудняет их применение для контроля качества газов.

Число публикаций по термохимическим газоанализаторам третьего класса весьма незначительно, а также отсутствует теория их работы. В тоже время, существует принципиальная возможность реализации полного сгорания, при котором обеспечивается степень сгорания, равная единице, что исключает влияние индивидуальной способности газов к каталитическому сгоранию на сигнал газоанализатора. Этими факторами определяется актуальность проведения исследований и разработок, направленных на совершенствование термохимических газоанализаторов, основанных на измерении температуры продуктов каталитического сгорания.

Цель работы. Совершенствование термохимического контроля качества газовых сред, содержащих горючие компоненты, путём

исследований термохимического детектора теплоты сгорания газов (ТХД), основанного на измерении температуры продуктов их каталитического сгорания в проточном микрореакторе, и создание на его основе анализаторов показателей качества смесей горючих газов.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

выполнен обзор современных средств термохимического контроля

газов;

изучена возможность создания классификации средств термохимического контроля газов, охватывающей как известные, так и новые термохимические детекторы и газоанализаторы;

исследован экспериментально процесс каталитического сгорания газов в типовом термохимическом детекторе и определена полнота сгорания газов;

предложен ТХД, основанный на измерении температуры продуктов каталитического сгорания газов, в котором обеспечивается полное сгорание горючих газов в каталитическом микрореакторе;

разработаны математические модели статической и динамической характеристик ТХД, основанного на измерении температуры продуктов каталитического сгорания газов;

- выполнены экспериментальные исследования ТХД, основанного на измерении температуры продуктов каталитического сгорания газов;

определены основные метрологические характеристики ТХД;

созданы макеты термохимических анализаторов низшей' объёмной удельной теплоты сгорания и массовой суммарной концентрации углеводородов в воздухе.

Научная новизна работы.

Обоснована теоретически и проверена экспериментально возможность экспрессного контроля показателей качества смесей горючих газов с помощью ТХД, основанного на измерении температуры продуктов каталитического сгорания, отличие которого от известных ТХД состоит в том, что в нем функции каталитического сгорания и измерения температуры термохимической реакции разделены, что обеспечивает возможность реализации такого режима каталитического сгорания, при котором достигается полное сгорание горючих газов.

Современная классификация средств термохимического контроля газов, дополнена новым классификационным признаком, особенность которого состоит в том, что он позволяет учесть параметр, измеряемый в процессе термохимической реакции, протекающей в средстве контроля, и охватить как все известные, так и новые термохимические детекторы' и газоанализаторы.

Разработана математическая модель статической характеристики ТХД на основе уравнений материального, теплового балансов и модели сигнала

термоприёмника, отличием которой является учет кинетики реакции каталитического сгорания углеводородов в слое гранулированного катализатора, что позволяет получать измерительную информацию о низшей объемной удельной теплоте сгорания газовых топлив, являющейся основной характеристикой их качества.

Теоретическая значимость работы. Из общего числа средств термохимического контроля газов выделен отдельный класс средств контроля, основанных на измерении температуры продуктов каталитического сгорания, созданы теоретические основы их работы и продемонстрированы преимущества по сравнению с пеллисторными детекторами и детекторами с насыпным катализатором.

Практическая значимость работы.

Созданы экспериментальные установки, отличие которых состоит в том, что они позволяют осуществлять исследование ТХД в импульсном режиме ввода анализируемого газа в поток газа-носителя, поступающего в детектор, что многократно уменьшает длительность экспериментальных исследований и материальные затраты на их проведение. Эти установки использованы для исследования кинетики окисления горючих газов в проточном микрореакторе ГХД, проверки математической модели его статической характеристики, определения его инерционности и основных метрологических характеристик.

Впервые разработан термохимический анализатор, позволяющий осуществлять экспрессный (за 3-4 мин) контроль одного из основных показателей качества горючих газов - низшей объёмной удельной теплоты сгорания газов, используя при этом небольшое количество (1-2 мл) анализируемой газовой среды.

Впервые разработан термохимический анализатор суммарной массовой концентрации углеводородов в воздухе, позволяющий при его применении в процессе газового каротажа существенно упростить интерпретацию получаемой измерительной информации и отказаться от, обычно используемой, условной градуировки анализатора по метану.

Получены четыре патента на полезную модель, которые обеспечивают правовую защиту схемных и конструктивных решений, найденных при разработке термохимических детекторов и газоанализаторов.

Методы исследования. В диссертационной работе для решения поставленных задач были использованы аналитический метод математического моделирования и экспериментальные исследования ТХД на созданных установках.

Положения, выносимые на защиту:

- дополнительный классификационный признак, введенный в современную классификацию средств термохимического контроля газов и учитывающий параметр, измеряемый в процессе термохимической реакции;

- математическая модель статической характеристики ТХД, основанного на измерении температуры каталитического сгорания;

- результаты экспериментальных исследований ТХД;

- термохимические анализаторы низшей объёмной удельной теплоты сгорания и массовой суммарной концентрации углеводородов в воздухе, построенные на базе ТХД, основанного на измерении температуры продуктов каталитического сгорания.

Достоверность подтверждается результатами многочисленных экспериментальных исследований, выполненных на разработанных установках.

Апробация результатов.

Основные результаты докладывались:

на конференции XX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-25», Саратов,2012;

на международной научно-технической конференции «Промышленные анализаторы состава и качества технологических сред и опыт их применения в промышленности», Дзержинск, 2012;

на межрегиональной научно- технической конференции «Интеграция науки и образования - производству, экономике», Тверь, 2012;

Термохимический анализатор массовой суммарной концентрации углеводородов в воздухе, созданный на базе разработанного детектора, был испытан в лаборатории ООО НПГ1 «Геосфера» и его предполагается использовать для решения задач газового каротажа.

Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано двенадцать работ, в том числе две статьи в ведущих рецензируемых журналах, четыре патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов, списка литературы и приложений.

Основное содержание работы.

Во введении показана актуальность темы, приведены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, а также положения, выносимые на защиту, и сведения о достоверности и апробации результатов работы.

В первой главе «Обзор современных термохимических газоанализаторов» приведены результаты анализа современных термохимических средств контроля горючих газов, выполненного с использованием современной отечественной и зарубежной научно-технической и патентной литературы за последние 50 лет. Показано, что в существующую классификацию средств термохимического контроля целесообразно ввести новый класс газоанализаторов, а именно, выделить

б

помимо термохимических газоанализаторов, основанных на измерении электрического сопротивления каталитического активного терморезистора, и анализаторов, основанных на измерении температуры носителя катализатора, еще класс термохимических газоанализаторов, основанных на измерении температуры продуктов каталитического сгорания.

Во второй главе «Исследования возможностей полного каталитического сгорания горючих газов в средствах термохимического контроля» приведены результаты экспериментальных исследований типового термохимического детектора на специально разработанной установке. Эти исследования имели целью получение количественной оценки степени сгорания горючих газов в детекторе. Названная установка содержала два последовательно включенных ТХД, в первом из которых изменялся ток нагрева чувствительного элемента, а во втором - измерялась концентрация горючего газа, оставшегося после каталитического сгорания на чувствительном элементе первого детектора. При этом было установлено, что модели сигнала детектора, имеющей вид: и — Кфб, а, (где: К -постоянный коэффициент; (р - степень каталитического сгорания углеводорода; в - низшая удельная объемная теплота сгорания газа; СС -объемная концентрация горючего газа в воздухе), а коэффициент (р-составляет 0,35- 0,55. Это затрудняет интерпретацию информации и требует калибровки по каждому горючему газу.

В этой же главе описан ТХД, основанный на измерении температуры продуктов каталитического сгорания, в котором после полного сгорания горючего газа в микрореакторе на его выходе измеряется температура продуктов каталитического сгорания, являющаяся информативным параметром. Схема этого детектора показана на рис. 1. Он содержит цилиндрическую камеру, в днище которой имеются штуцеры для подвода анализируемого газа и дополнительного потока воздуха.

9.

Рис. 1. Схема термохимического

детектора газов.

1- цилиндрическая камера; 2- днише; 3,4-штуцеры; 5- кварцевая трубка; 6 -нихромовый нагреватель; 7- гранулированный катализатор; 8- верхний торец: 9- термоприёмник.

Во внутренней полости камеры расположен каталитический микрореактор, представляющей собой кварцевую трубку, заполненную гранулированным катализатором и расположенную в камере так, что её ось симметрии совпадает с осью симметрии камеры. На внешней поверхности трубки размещён нихромовый нагреватель, а над её верхним торцом, на оси камеры, - термоприёмник (термопара или проволочный терморезистор). С помощью нагревателя температуру трубки можно изменять в диапазоне 200-

При работе ТХД поток анализируемого газа через штуцер непрерывно поступает в микрореактор, где происходит каталитическое сгорание горючих компонентов, содержащихся в анализируемом газе. При этом температура газообразных продуктов сгорания на выходе из микрореактора увеличивается. Эта температура измеряется и преобразуется в изменение Э.Д.С. или сопротивление с помощью термоприёмника.

По изменению сигнала термоприёмника определяется концентрация горючего газа в потоке анализируемого газа или при постоянной его объёмной концентрации - теплота сгорания. Продукты каталитического сгорания вымываются из камеры дополнительным потоком воздуха, поступающим в камеру детектора с постоянным объёмным расходом.

На основе изучения научной-технической литературы по термохимическим газам анализатором установлена целесообразность использования в ТХД платино-палладиевого катализатора и импульсного режима работы детектора в составе средств контроля. В этом режиме в поток газа - носителя (воздуха), расход которого поддерживается постоянно, вводится постоянно по объему пробы анализируемого газа, состав которого может изменяться в широких пределах. Это проба приобретает постоянную скорость, равную скорости газа-носителя, и после транспортировки по колонке поступает в микрореактор, где сгорает при постоянном объемном расходе. Такой режим работы обеспечивает инвариантность сигнала к изменению расхода анализируемого газа, который имеет место в непрерывных анализаторах при изменении состава анализируемого газа.

В конце главы приведены зависимости площади и амплитуды АI]и импульсного сигнала от объема пробы и измеряемого физико-химические свойства, которые имеют вид:

600 "С.

К V

5 = ±л1^п = КМ,

0)

где Кп -коэффициент преобразования детектора; Уп- объём пробы анализируемого газа; л-объёмный расход газа-носителя; П физико-химическое свойство измеряемое детектором; т2 и г,- моменты времени начала и окончание выхода пробы в детектор; коэффициент

преобразования детектора по площади; Ки -коэффициент преобразования детектора по амплитуде.

Третья глава «Теория работы термохимического детектора теплоты сгорания газов» посвящена разработке математических моделей статической и динамической характеристик ТХД.

Математическая модель статистической характеристики ТХД получена на основе системы из четырех уравнений: уравнение неразрывности (в виде уравнения сохранения материального баланса реагирующих сред), уравнение сохранения энергии (в виде уравнения теплового баланса) и уравнение кинетики химической каталитической реакции и модели сигнала термоприемника. Система первых трех уравнения была представлена в виде:

в =в ,

вх вых'

О +П =П ,

вх Н Р вых к'

где: Свх- массовый расход анализируемого газа, содержащего углеводород, на входе в микрореактор; Свш -массовый расход газового потока на выходе из микрореактора £2вх- тепловой поток, вносимый в микрореактор потоком анализируемого газа; Пн- тепловой поток, создаваемый нагревателем; 0.р -тепловой поток, возникающий в процессе реакции каталитического сгорания углеводорода в микрореакторе; тепловой поток на выходе из

микрореактора при сгорании углеводорода; тепловой поток,

затрачиваемый на нагревание катализатора, заполняющего микрореактор, в случае, когда через последний протекает анализируемый газ, содержащий углеводород; и- скорость химической каталитической реакции; К-

п

константа скорости химической каталитической реакции;]^ - знак

произведения (записан для случая реакции смеси с п реагирующими компонентами); (Х - объёмная концентрация г-го реагирующего компонента,

(3)

(4)

(5)

выраженная в долях; V - стехиометрическнй коэффициент для / -го компонента.

При этом были приняты следующие упрощающие предположения:

- анализируемая среда представляет собой смесь воздуха и метана, являющегося наиболее стойким к каталитическому окислению углеводорода, с малой концентрацией последнего;

- воздух поступает в микрореактор с большим избытком;

- давление в микрореакторе постоянно и равно атмосферному. Решение системы уравнений (3-5) с учетом того факта, что режим каталитического сгорания горючего газа близок к адиабатическому, имеет вид:

Ш ■

ад*

в

с

1 — ехр

кУл {

а

ЯТ

9а,

(6)

где: Кт - коэффициент преобразования термоприемника (термоэлектрического преобразователя); £~)п- объемный расход потока анализируемого газа; В- теплоемкость газового потока на выходе из микрореактора; К0- предэкспоненциальный множитель константы скорости реакции, в первом приближении, не зависящий от температуры; V - объем гранулированного катализатора; прозрачность слоя катализатора; Е-постоянная, называемая энергией активации; 7?- газовая постоянная; Т -абсолютная температура.

В формуле (6) выражение в квадратных скобках представляет собой степень сгорания (р углеводорода, которая при полном сгорании последнего равна 1.

Анализ математической модели статической характеристики ТХД при (р — 1 позволил выявить его информационные возможности, а именно, было установлено: в случае, когда концентрация горючего газа а постоянна, сигнал ТХД связан с низшей объемной удельной теплотой сгорания газа; в случае, когда теплота сгорания 9 постоянна, сигнал ТХД связан с объемной концентрацией горючего газа; в случае когда величины а и 9 являются переменными, сигнал ТХД связан с массовой концентрацией углеводорода

ОСт в воздухе, размерность которой определяется: ед.мас./ед. об.

Для определения возможности использования детектора в средствах аналитической техники была исследована его инерционность. Для этого аналитическим путём была получена математическая модель его динамической характеристики, которая учитывает структуру и динамические свойства отдельных звеньев детектора. При этом было выявлено, что

Ю

инерционность детектора определяется в основном инерционностью каталитического микрореактора и термоприёмника, а его динамическую характеристику можно представить передаточной функцией:

Кд и Кт - коэффициенты преобразования микрореактора и термоприемника; Г и Тт- постоянные времени микрореактора и термоприемника.

Для случая, когда, Тр»Тт, динамические свойства ТХД можно

определить динамическими свойствами инерционного звена первого порядка, а его передаточная функция имеет вид:

где: Ке - КрдКт коэффициент преобразование ТХД; Те- постоянная времени ТХД.

В четвертой главе «Экспериментальные исследования термохимического детектора теплоты сгорания газов» изложена концепция экспериментальных исследований, определён объем этих исследований, необходимый для установления условий реализации полного каталитического сгорания углеводородов, проверки математической модели статической характеристики и определения инерционности ТХД.

В этой главе приведены описание трех созданных установок. Первая экспериментальная установка использовалась для исследования степени каталитического окисления углеводородов, вторая - для проверки математической модели статической характеристики, а третья- для определения инерционности. В первой и второй установках использовался импульсный режим работы детектора с малым объёмом пробы анализируемого газа, а в третьей - импульсный режим работы с большой пробой анализируемого газа. Использование импульсного режима работы, как показывает практика, позволяет многократно уменьшить количество чистых газов необходимых для исследований и существенно сократить время проведения исследований. На первой установке определялась полнота реакции каталитического сгорания газов в микрореакторе ТХД. В опытах использовались микрореакторы, представляющие собой кварцевые трубки, заполненные стандартным гранулированным платино-палладиевьш катализатором. В качестве горючего газа использовался метан. Различные по объёму пробы метана вводились в поток газа-носителя (воздуха) до и после

(7)

где: ^(р) передаточная функция ТХД при измерении теплоты сгорания;

(8)

каталитического реактора, а с помощью кондуктометрического детектора измерялись концентрации метана в газовом потоке.

В этих экспериментах варьировались следующие параметры: внутренний диаметр реактора - 4, 6 и 8 мм; высота слоя катализатора - 20, 40 и 60 мм; эффективный диаметр гранул катализатора -1,0 - 1,5мм; объём пробы анализируемого газа - 0,25; 0,5 1 ,0 и 1,5 мл; объём катализатора-0,25-2,85мл; расход газа-носителя (воздух) - 1,0, 2,0 и 3,0 л/час; температура реактора -275, 300, 325, 350, 375 и 400°С.

Целесообразность использования в опытах метана определялась тем, что он обладает наибольшей стойкостью к термокаталитическому окислению. Ввод каждой пробы газа осуществлялся три раза, а результаты измерений усреднялись.

На рис. 2 в качестве примера приведены результаты этих исследовании для микрореактора с внутренним диаметром 8 мм и объема катализатора Змл для объемов проб 1,0 и 1,5 мл при различных расходах газа-носителя воздуха.

а)

— г

о -1 л/час

Ьул о - 2 л/час • - 3 л/час

б)

Рис. 2. Зависимость коэффициента (р от температуры для микрореактора диаметром 8 мм (объем катализатор 3 мл), а- объем пробы 1,0мл; б- объем пробы 1,5 мл.

Как видно из рисунка, с увеличением температуры коэффициент (р увеличивается и при температурах 375-400 °С становится равным 1, что соответствует полному каталитическому сгоранию углеводорода в микрореакторе. Определенные таким образом условия каталитического сгорания позволили использовать для получения измерительной информации модель статистической характеристики ТКД в виде зависимости:

AU =

КДпОа В

(9)

Для проверки математической модели статической характеристики детектора была создана экспериментальная установка, которая содержала ТХД с микрореактором, имеющим внутренний диаметр 8 мм и аппаратуру стабилизации расходов газовых потоков, температуры и измерительные устройства. В этих исследованиях, выполненных при температуре микрореактора, равной 400 °С, варьировались значения объема пробы анализируемого газа (0,5; 1,0; 1,5мл), расход газа-носителя (0,75; 1,0; 1,5 л/час), низшей объемной удельной теплоты сгорания (от 21795 до 52722 кДж/мЗ). Для варьирования значения теплоты сгорания использовались газовые смеси, составленные из воздуха, метана, пропана и диоксида углерода. При этом было установлено, что расхождения между расчётными и экспериментальными значениями при определении относительной теплоты сгорания не превышают ±3%, что определяет возможность использования полученной математической модели для проектирования и расчёта средств термохимического контроля горючих газов.

Исследования инерционных свойств проводились в импульсном режиме с использованием большой (30 мл) по объёму пробы анализируемого газа (смесь метана с воздухом), что имитировало скачкообразную подачу анализируемого газа в детектор с постоянным расходом.

При этом, созданная экспериментальная установка позволила практически исключить размывание переднего фронта пробы газа за счёт диффузии и конвекции, что важно для получения кривых разгона ТХД. Эти кривые разгона, как показали опыты, имеют форму экспоненты, что соответствует модели динамической характеристики ТХД (выражение 8). Установлено, что значение постоянной времени детектора несколько изменяется от расхода воздуха-носителя и не превышает 15-25 с.

В соответствии с требованиями действующего стандарта на газовые детекторы были определены основные метрологические характеристики ТХД.

В пятой главе «Разработка средств термохимического контроля горючих газов» приведено описание конструкции ТХД, основанного на

измерении температуры продуктов каталитического сгорания, а также описания двух, разработанных на его основе, анализаторов, а именно: термохимического анализатора теплоты сгорания газов и термохимического анализатора суммарной массовой концентрации углеводородов в воздухе.

Каждый из этих анализаторов содержит: блок подготовки газов, аналитический блок и блок обработки и отображения информации.

п

Рис. 3. Схема термохимического анализатора теплоты сгорания газов 1- источник питания; с фильтром; 2- стабилизатор давления; 3,4- стабилизаторы расхода; 5-термохимический детектор; 6- колонка; 7- дозатор; 9- устройство ввода; 10- шприца; 11-микрореактор; 12- нлатино-палладиевый гранулированный катализатор; 13-электронагреватель; 14- батарейный термоэлектрический преобразователь; 15- штуцер; 16- нормирующий преобразователь; 17- стабилизированный источник электрического питания 18- компьютер с АЦП.

Блок подготовки газов служит для стабилизации параметров анализируемого газа и воздуха - носителя. В аналитическом блоке размещен ТХД, в блоке обработки отображения информации- нормирующей преобразователь сигнала ТХД и цифровой вольтметр (в анализаторе концентрации углеводородов) или компьютер (в анализаторе теплоты сгорания).

Анализатор теплоты сгорания (рис. 3) является устройством циклического действия, в котором используется импульсный метод ввода пробы анализируемого газа, а анализатор суммарной массовой концентрации углеводорода в воздухе (рис.4) - устройством непрерывного действия.

В данной главе приводятся так же результаты лабораторных испытании анализаторов с ТХД, которые позволили определить их технические характеристики.

Технические характеристики термохимического анализатора теплоты сгорания следующие: объёмный расход воздуха-носителя 1-2 л/час;

объёмный расход вспомогательного воздуха- 2 л/час; объём пробы анализируемого газа при вводе шприцом- 0,5 - 1,0 мл.; объём анализируемого газа при вводе пробы дозатором - 20 мл.; диапазон измерений 0-50 х 103

кДж/л<3; время одного цикла анализа -3-3,5 мин; относительная погрешность измерений ±2%.

Рис .4. Схема автоматического термохимического анализатора суммарной массовой концентрации углеводорода в воздухе 1,2 - фильтры; 3- стабилизатор расхода воздуха; 4- трёхходовой кран; 5- стабилизатор давления; 6- трехходовой кран; 7,10- штуцеры; 8- микрореактор; 9- корпус; 11- платино-палладиевый гранулированный катализатор; 12- нагреватель; 13- батарейный термоэлектрический преобразователь; 14- нормирующий преобразователь; 15- цифровой вольтметр; 16-стабилизированный источник электропитания.

Технические характеристики термохимического анализатора суммарной массовой концентрацией углеводородов в воздухе следующее:

объёмный расход анализируемого газа - 2 л/час: объёмный расход

воздуха - 4 л/час; диапазон измерения 0-100 [г/лг3]; относительная погрешность измерения ± 3 %; постоянная времени - 30 с.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Решена актуальная научно-техническая задача совершенствования термохимического контроля газов путем создания термохимического детектора теплоты сгорания газов, основанного на измерения температуры продуктов каталитического сгорания, который отличается от известных

термохимических детекторов тем, что в нем функции каталитического сгорания и измерения температуры химической реакции разделены.

2. Современная классификация средств термохимического контроля газов, дополнена новым классификационным признаком, особенность которого состоит в том, что он позволяет учесть параметр, измеряемый в процессе термохимической реакции, протекающей в средстве контроля, и охватить как все известные, так и новые термохимические детекторы и газоанализаторы.

3. Обоснована целесообразность создания средств термохимического контроля, в которых обеспечивается полное сгорание всех горючих газов и тем самым достигается инвариантность их сигналов к индивидуальной способности горючих газов вступать в реакцию каталитического сгорания.

4. Разработана математическая модель статической характеристики термохимического детектора на основе уравнений материального, теплового балансов и модели сигнала термоприёмника, отличием которой является учет кинетики реакции каталитического сгорания углеводородов в слое гранулированного катализатора, что позволяет получать измерительную информацию о низшей объемной удельной теплоте сгорания газовых топлив, являющейся основной характеристикой их качества.

5. Разработана математическая модель динамической характеристики термохимического детектора, представленная передаточной функции, особенностью которой является учет структуры детектора, динамических свойств его отдельных элементов и режимных параметров.

6. Созданы экспериментальные установки, отличие которых состоит в том, что они позволяют осуществлять исследование термохимического детектора в импульсном режиме ввода анализируемого газа в поток газа-носителя, поступающего в детектор, что многократно уменьшает длительность экспериментальных исследований и материальные затраты на их проведете.

7. На созданных экспериментальных установках выполнены исследования кинетики окисления горючих газов в проточном микрореакторе термохимического детектора, проверка математической модели его статической характеристики, определены его инерционность и основные метрологические характеристики.

8. Впервые разработан термохимический анализатор, позволяющий осуществлять экспрессный (за 3-4 мин) контроль одного из основных показателей качества горючих газов - низшей объёмной удельной теплоты сгорания газов, используя при этом небольшое количество (1-2 мл) анализируемой газовой среды.

9. Впервые разработан термохимический анализатор суммарной массовой концентрации углеводородов в воздухе, позволяющий при его применении

в процессе газового каротажа существенно упростить интерпретацию получаемой измерительной информации и отказаться от, обычно используемой, условной градуировки анализатора по метану.

10. Получены четыре патента на полезную модель, которые обеспечивают правовую защиту схемных и конструктивных решений, найденных при разработке термохимических детекторов и газоанализаторов.

Список опубликованных работ по теме диссертации

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК, и патенты:

1.Аль-Дахми, A.M. Термокаталитический анализатор теплоты сгорания газов /A.M. Аль-Дахми, А.П. Варламов, Л.В. Илясов // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. -2013.-№ 1.-е. 22-24.

2. Аль-Дахми, A.M. Автоматический термокаталитический анализатор суммарной массовой концентрации углеводородов в воздухе / A.M. Аль-Дахми, А.П. Варламов, JI.B. Илясов // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. -2014. - № 2. - с. 28-29.

3. Патент па полезную модель (РФ) №102260. 2011. Бюл. №5 /Термохимический газоанализатор. Аль-Дахми A.M., Денисова Д.А., Илясов Л.В.

4. Пат. на полезную модель (РФ) - №102262. 2011. Бюл. №5 /Термохимический детектор для газовой хроматографии. Аль-Дахми A.M., Денисова Д.А., Илясов Л.В.

5. Пат. на полезную модель (РФ) №108625. 2011. Бюл. №26 /Термохимический газоанализатор. Аль-Дахми A.M., Илясов Л.В.

6. Патент на полезную модель (РФ) №127470. 2013. Бюл. № 12 /Термохимический газоанализатор. Аль-Дахми A.M., Илясов Л.В.

Статьи:

7. Аль-Дахми, A.M. Обзор современных термохимических газоанализаторов / A.M. Аль-Дахми, Л.В. Илясов. Деп. в ВИНИТИ РАН 15.06.2011 № № 296-В2011. Тверской государственный технический университет. - Тверь, 2011. - 42 с.

8. Аль-Дахми, A.M. Экспериментальная установка для исследований термохимического газоанализатора / A.M. Аль-Дахми, Л.В. Илясов //Вестник Тверского государственного Технического университета., 2011, №19.с.68 —73.

9. Аль-Дахми, A.M. Математическая модель динамической характеристики термохимического детектора теплоты сгорания газов / A.M. Аль-Дахми, Л.В. Илясов // Вестник ТвГТУ, 2012. 180.вып.20.с. 35-39. ISSN 22246363.

10. Аль-Дахми, A.M. автоматический термокаталитический анализатор теплоты сгорания газовых топлив / A.M. Аль-Дахми // Международная научно-техническая конференция и промышленные анализаторы состава и качества технологических сред и опыт их применения в промышленности. Тез. Докл. Дзержинск 05.06.12 - 26.06.12.

11. Аль-Дахми, А.М. Математическая модель сигнала термохимического детектора теплоты сгорания газов / A.M. Аль-Дахми // сборник трудов XXV международной научной конференции математические методы в технике и технологиях,- ММТТ-25. Саратов 2012, 17—19с.

12. Аль-Дахми, A.M. «Термохимический анализатор суммарной массовой концентрации углеводородов в воздухе» /A.M. Аль-Дахми, Л.В. Илясов // Сборник трудов, межрегиональной научно-технической конференции «интеграция науки и образования - производству, экономике», Тверской государственный технический университет. Том 2, Тверь 2012.

Технический редактор Т.С. Самборская

Подписано в печать 11.02.2015 "

Тираж 100 экз. Формат 60x84/16 Заказ № 16

Печ. л. 1,25 Усл. иеч. л. 1,16 Уч.-изд. л. 1,09

Типография ТвГТУ