Розвиток газодинамічного методу та високоточних систем для приготування складних сумішей з мікроконцентраціями компонентів

Abstract

У дисертації висвітлене нове вирішення науково-прикладної проблеми – синтез високоточних систем неперервного приготування складних газових сумішей з мікроконцентраціями компонентів, що стало можливим завдяки застосуванню розробленої концепції, яка передбачає зокрема, дозування чистих компонентів за допомогою капілярів з суттєво різними провідностями та перепадами тисків на них, співвідношення між якими відповідає концентраціям компонентів у синтезованій суміші. Концепція реалізована у синтезаторах на основі системи із змішувача газових потоків, побудованого на лінійних дозуючих капілярах, і блоку живлення, на основі каскадного з’єднання лінійних подільників тисків (поєднання подільників потоків і тисків з суматором потоків), а також з використанням розроблених газодинамічних систем підбору кратних капілярів з кратними провідностями і камер з кратними об’ємами. Розроблений метод синтезу високоточних систем неперервного приготування складних сумішей з мікроконцентраціями компонентів забезпечує малу похибку задання потрібних концентрацій компонентів суміші, а також малу похибку підтримання цих концентрацій, зокрема завдяки компенсації можливих змін тисків живлення. Встановлені умови, які забезпечують мінімальну похибку підбору кратних елементів систем синтезу і показано, що вона визначається в основному чутливістю газодинамічних схем з показчиком рівноваги перепадів тисків чи протічного типу, а також одержані відповідні аналітичні залежності. Оцінені похибки приготування сумішей з мікроконцентраціями компонентів за допомогою розроблених газодинамічних синтезаторів. Основні результати роботи впроваджені на Добротвірській ТЕС для контролю шкідливих викидів в димових газах. In the dissertation the new solving of scientific and technical problem– synthesis of precision systems for complex gas mixtures with component micro-concentrations unceasing preparation has been represented. This enabled due to application of developed conception, in particular pure components dosage with throttles of significantly different conductivity and pressure drops applying. Their interrelation accords the components concentrations in synthesized mixture. The conception has been realized in synthesizers and based on system of gas flow mixer, constructed on linear dosing capillaries and supply block, realized on the basis of the linear pressure dividers cascade connection (flow and pressure dividers and flow adder combination). Also the designed gas-dynamical systems of aliquot capillaries selection with aliquot conductivity and loculus with aliquot volumes have been used. The developed method for synthesis of precision systems for complex gas mixtures with component micro-concentrations unceasing preparation provides a small error of required concentrations mixture components task, also concentrations maintenance, in particular due to the compensation of supply pressures possible changes. The conditions for providing of minimum error of aliquot elements synthesis systems selection have been setted. That error was determined basically by the gas-dynamical schemes sensitivity with pressure drop indicator balance or flow type. Also the appropriate analytical dependences have been obtained. Due to the developed gas-dynamical synthesizers errors of gas mixtures with micro-concentration components preparation have been estimated. The basic results of the work were applied in Dobrotvir thermoelectric power station for harmful exhaust control in flue gases. В диссертации решена актуальная научно-техническая проблема – построение высокоточных систем приготовления газовых смесей с микроконцентрациями компонентов с использованием газодинамического дроссельного метода смешения дозированных газовых потоков. Анализ распространенных дроссельных методов и устройств приготовления газовых смесей показал, что существенным их недостатком является сложность реализации, связанная с необходимостью использования большого количества дозирующих дросселей (тысячи и сотни) с равными или кратными газодинамическими сопротивлениями (проводимостями) для обеспечения микроконцентрации компонентов. Это, в частности, объясняется тем, что используемые в газодинамических синтезаторах дроссельные элементы дозируют газовые компоненты при одинаковых перепадах давления на них. Кроме того, необходимость большого количества дозирующих дроссельных элементов для построения синтезаторов смесей с микроконцентрациями компонентов сильно усложняет его реализацию. Известный подход решения этой задачи приготовления смесей в диапазоне микроконцентраций предлагает использование многостадийного разбавления компонентов, что сопровождается сбрасыванием значительной части промежуточных смесей и соответственно потерей чистых газовых компонентов. Это обстоятельство приводит к снижению эффективности получения смесей в диапазоне микроконцентраций компонентов. Разработаны новые методы и системы синтеза газовых смесей, обеспечивающие синтез сложных многокомпонентных смесей в диапазоне микроконцентраций отдельных компонентов на одной стадии при использовании небольшого количества (до десятка) капилляров. Получение таких смесей стало возможным за счет применения новой концепции приготовления, состоящей в использовании дозирующих дроссельных элементов синтезаторов с соотношением проводимостей на уровне трёх порядков. Для этого, с одной стороны, предложено увеличивать проводимость капиллярных элементов, дозирующих газы с макроконцентрациями в смеси, а с другой – увеличивать сопротивление тех капилляров, которые дозируют компоненты, находящиеся на уровне микроконцентраций. Кроме того, до трёх порядков можно устанавливать соотношение перепадов давлений на дозирующих капиллярных элементах, что обеспечивает концентрацию компонента смеси на нижнем уровне диапазона микроконцентраций. Реализация концепции осуществлена за счет разработки устройств, построенных на основе мостовой и дифференциальной дроссельных схем и блока стабилизированных давлений питания. Исследована чувствительность мостовых дроссельных схем при использовании двух типов индикаторов равновесия схемы (перепада давления и наличия потока в выходной диагонали) и установлено, что погрешность подбора капиллярных элементов с равными газодинамическими сопротивлениями находится на уровне 0,02 %. Построены математические модели и исследована динамика изменения разницы давлений в камерах дифференциальной схемы в процессе подбора капилляров, дозирующих различные газы, что позволяет уменьшить время подбора сопротивлений капилляров. На основании полученных результатов исследования базовых соединений (последовательное, параллельное, каскадное) капилляров построены математические модели многоэлементных дроссельных делителей давления. Особенное место среди них занимают линейные многоэлементные делители, которые обеспечивают однонаправленное пропорциональное изменение междроссельных давлений при возможных изменениях давления на входе делителя. Каскадное соединение линейных делителей давления (сочетание делителей потока и давления с сумматорами потоков) обеспечило построение блоков стабилизированных источников питания, которые дают возможность задавать существенно разные перепады давления на дозирующих капиллярах смесителя газодинамического синтезатора. Кроме того, исполнение дозирующих капилляров смесителя синтезатора с линейными расходными характеристиками обеспечивает компенсацию изменения давления на входе блока стабилизированного питания. Разработаны синтезаторы газовых смесей с микроконцентрациями компонентов, в частности, для проверки сигнализаторов угарного газа, градуировки газоанализаторов чистоты аргона, а также синтезатор «метан-воздух» для самоконтроля исправности сигнализации вытекания метана в помещении компрессорного отделения газонаполнительной станции. Оценены погрешности задания микроконцентраций компонентов сложных смесей, и установлено, что граничная погрешность задания концентраций компонентов газодинамическим синтезатором, построенном на капиллярах с кратными проводимостями (сопротивлениями) не превышает 0,5 %.