MĚŘENÍ TEPLOTNÍHO POLE UVNITŘ SPALOVACÍ KOTLE

Transkript

1 MĚŘENÍ TEPLOTNÍHO POLE UVNITŘ SPALOVACÍ KOTLE Rostislav Zbieg, Markéta Grycmanová Náš příspěvek se zabývá měřením teplotních polí uvnitř spalovací komory kotle termočlánky stíněným a nestíněným. Naměřené hodnoty slouží k porovnání skutečných (reálných) teplot ve spalovací komoře s jevy, které jsou namodelovány za pomocí nejrůznějších počítačových programů. V příspěvku je popsána metodika měření teplotních polí a výsledky jsou pro názornost převedeny do plošných grafů. Klíčová slova: teplotní pole, stíněný a nestíněný termočlánek, chlazená sonda ÚVOD U velkých spalovacích zařízení je důležitá znalost spalovacího procesu pro jeho řízení, optimalizaci a případnou rekonstrukci. Velmi důležitý je matematicko-fyzikální popis probíhajících jevů, pro který byly vytvořeny různé počítačové software, které dokážou stanovit průběh některých fyzikálních veličin např. tlaku, rychlosti, teploty, složení spalin a podobně. Tyto matematické modely velmi usnadňují práci projektantů zařízení při zvětšování velikosti nebo úpravě zařízení. Důležitou podmínkou pro tvorbu těchto modelů je ověření okrajových podmínek, případně ověření jednoho stavu, zda odpovídá skutečnosti. Pro tyto účely jsou prováděna diagnostická měření, která mají potvrdit věrohodnost matematických modelů. K diagnostickým měřením ve spalovacích komorách kotlů patří mimo jiné měření teplot a teplotních polí, na které je náš příspěvek zaměřen. Tab. 1 Charakteristické parametry kotle TECHNICKY POPIS A CHARAKTERISTIKY KOTLE Jmenovitý výkon kotle 220 t/h Jmenovitá teplota páry 520 C Jmenovitý tlak páry 9 Mpa Palivo Plyn + topný olej Tab. 2 Rozměry spalovací komory Šířka Výška Hloubka 8800mm 16000mm 6700mm v dolní části 4480mm v horní části Obr. 1 Schéma měřících míst Ing. Rostislav Zbieg, VŠB TU Ostrava, FS, 17.listopadu 15/2172, Ostrava - Poruba, rostislav.zbieg@seznam.cz/101/

2 MĚŘÍCÍ ZAŘÍZENÍ Jak už bylo zmíněno v předešlé kapitole, měření jsme prováděli pomocí nestíněných a stíněných (aspirační pyrometr) termočlánků K, které byly umístěny v chlazené sondě a termočlánků K nainstalovaných přímo do spalovací komory. Termočlánek: Termočlánky slouží k měření teploty na principu termoelektrického jevu, jeho hlavní části je spoj dvou kovových vodičů, tzv. měřící spoj (teplý konec). Po termočlánku je požadována co nejnižší tepelná vodivost proto jsou termočlánkové dráty co nejtenčí (což vyhovuje i cenovým požadavkům u drátů z ušlechtilých kovů). Tloušťka termočlánkových drátů je však omezena jejich vyrobitelností a trvanlivostí - u ušlechtilých kovů bývá průměr drátů 0,1-0,6 mm, u neušlechtilých kovů 0,5-4,0 mm. S ohledem na vedení tepla má být také vhodně upravena délka termočlánku. Mezi nejpoužívanější termočlánky v energetice patří termočlánek typu K. Tento termočlánek je levný, produkuje relativně vysoké termoelektrické napětí, a proto je možné použití méně citlivých přístrojů pro jeho měření. Trvale se používá do 900 o C, krátkodobě až do 1200 o C. Při teplotách nad 800 o C dochází v důsledku oxidace k trvalému zvýšení termoelektrického napětí asi o 1-2 % pro teploty o C. Chlazená sonda: Účelem chlazené sondy pro měření teplot ve spalovací komoře je pouze držet termočlánek v přímé poloze. Při teplotách, které jsou ve spalovacích komorách, by totiž kovový plášť termočlánku změknul a termočlánek by se ohnul. Průměry chlazených sond se pohybují od 30-60mm a jejich operační délka je od 2-6m. Pokud se používá keramika, je limitem její křehkost, proto maximální délka činí asi 1m. Obr. 2 Sonda pro měření teplot fluidní vrstvy-kruhový průřez: 1-Vzdálenost asi 20mm, 2-Termočlánek v kovovém obalu, 3-Diagnostický otvor do fluidního lože, 4-Kulový ventil, 5-Vstupní trubka, 6-Ucpávka, 7-Chlazená sonda, 8- Výstup chladící vody, 9-Vstup chladící vody Obr. 3 Celkový 3-D pohled na sondu, ¼ podélný řez plochy řezu=červená barva Měření v oblasti ohříváků, výparníku a přehříváku páry se odehrává výhradně v plynných atmosférách, nehledě na typ kotle nebo palivo, do hry zde vstupuje významný faktor-radiace. Pokud bychom chtěli nechráněným termočlánkem měřit teplotu plynného prostředí, začal by si horký termočlánek radiací okamžitě vyměňovat teplo s okolními chlazenými stěnami. Při měření ve spalovací komoře bychom zaznamenali rozdíl od skutečné teploty nejčastěji mezi C (někdy až 200 o C), přičemž chyba je ovlivňována: Rozdílem teplot spalin a chladných stěn spalovací komory, rychlosti proudění spalin, emisivitou termočlánku a chlazených stěn, emisivitou plamene a spalin, vzdáleností termočlánku a chlazených stěn. K odstranění těchto chyb v měření byl vyvinut tzv. prosávací pyrometer, který je kontrukcí podobný klasickým chlazeným sondám, s tím rozdílem, že teplé spojení termočlánku je stíněno keramickou hlavicí. Při měření /102/

3 prosávacím pyrometrem má sonda i následující funkce: drží keramickou hlavici ve správné poloze a umožňuje odsávání plynu vnitřním kanálem. Obr. 4 Prosávací pyrometr (červené šipky:horký plyn, modré šipky: chladicí voda): 1-Vstup nasávaných horkých plynů, 2-Keramická stínicí hlavice, 3-Ucpávka z žáruvzdorného materiálu, 4-Chlazená sonda, 5-Vývěva, 6-Zobrazení měřené teploty, 7-Termočlánek Obr. 5 Detail upevnění keramické hlavice v sondě a řez vnějším pláštěm keramické hlavice Plyn je nasáván přes keramickou hlavici a střed sondy vývěvou, která v úzkém kanálu v okolí termočlánku vytváří proudění o rychlosti v řádu desítek metrů. Tím se uměle zvýší přestup tepla konvekcí jak mezi plynem a termočlánkem, tak i plynem a hlavicí. Hlavice je radiací ochlazována na vnějším povrchu, a protože se jí vevnitř termočlánek bezprostředně dotýká (pro zvýšení přesnosti může být fixován v ose hlavice bez dotyku teplého spojení), hlavice je stíněna dvojitě a plyn je prosáván i zmíněnými otvory mezi trubkami. Tento způsob měření teploty plynu je nejspolehlivějším a nejpřesnějším ze známých způsobů. VÝSLEDKY SÍŤOVÉHO MĚŘENÍ TEPLOT 20- TERMOČLÁNKY K UPEVNĚNÝMI K PŘEHŘÍVÁKU UVNITŘ SPALOVACÍ KOMORY Výsledky průběhu teplot měřených pomocí termočlánků uchycených k přehřívákové mříži jsou uvedeny v grafech. Pro názornost byl vybrán graf zachycující průběh teplo při maximálním výkonu 220 t páry / hodinu. Pozn.: Tyto výsledky jsou bez korekcí. Rozdíl mezi měřením aspiračním (stíněným) a nestíněným termočlánkem v chlazené sondě je na základě měření určen dle vztahu: t skutečná = t měřená + 78,7 o C. /103/

4 Obr. 6 Průběh teplot při maximálním výkonu kotle 220t/h VÝSLEDKY MĚŘENÍ TEPLO STÍNĚNÝM A NESTÍNĚNÝM TERMOČLÁNKEM V CHLAZENÉ SONDĚ Naměřené údaje pro všechny tři režimy byly zpracování do tabulek, jako příklad je zde uvedena tabulka s hodnotami, které byly naměřeny při maximálním výkonu kotle (220t/h). Z naměřených hodnot se následně namodelovaly grafy v programu Surfer- první graf znázorňuje hodnoty teplot změřené nestíněným termočlánkem v chlazené sondě a druhý graf odpovídá hodnotám naměřeným stíněným termočlánkem v chlazené sondě. Tab. 3 Teploty naměřené při maximálním výkonu kotle /104/

5 Obr. 7 Teplotní pole naměřené nestíněným a stíněným termočlánkem při výkonu 220t/h Teplotní diference mezi naměřenými hodnotami pro nejnižší výkon 115t/h a pro střední výkon 171t/h v plošných diagramech vypadá následovně: Obr. 8 Teplotní pole naměřené nestíněným a stíněným termočlánkem při výkonu 171t/h Obr. 9 Teplotní pole naměřené nestíněným a stíněným termočlánkem při výkonu 115t/h ZÁVĚR Porovnáním obou grafů u každého režimu se zcela zřejmě ukázal vliv radiace, rychlosti proudění spalin, rozdíl teplot spalin a stěn spalovací komory a dalších průvodních jevů na naměřené hodnoty teplot. Rozdíl naměřených hodnot stíněným a nestíněným termočlánkem dosahoval v některých bodech diferenci až 100 C. Měřením se tak potvrdila nezbytnost používání keramické hlavice v chlazené sondě a vliv výše zmíněných vlivů na přesnost měření. /105/

6 POUŽITÁ LITERATURA 1 FELLIPA C.A., HAUGEN B. A unified formulation of small-strain corotational finite elements: I. Theory. In Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2005, Vol. 194, No , p ISSN xxxx-xxxx 2 MOLNÁR, Zdeněk. Moderní metody řízení informačných systémů. Praha : Grada 1992, 347 s. ISBN BEHÚLOVÁ, Mária. Nucleation in the undercooled melts. In CO-MAT-TECH Bratislava : STU, 2001, ISBN , s /106/