PL215289B1

PL215289B1 - Method for measuring heat of hydrocarbon combustion and a meter of hydrocarbon combustion heat

Info

Publication number: PL215289B1
Application number: PL392391A
Authority: PL
Inventors: Zbigniew Magonski
Original assignee: Akad Gorniczo Hutnicza
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2013-11-29
Also published as: PL392391A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru ciepła spalania węglowodorów i miernik ciepła spalania węglowodorów przeznaczone do oszacowania jakości paliw płynnych.The present invention relates to a method of measuring the heat of combustion of hydrocarbons and a meter of heat of combustion of hydrocarbons intended for estimating the quality of liquid fuels.

Ilość ciepła wytwarzanego w procesie spalania można określić metodą bezpośrednią za pośrednictwem bomby kalorymetrycznej lub metodą pośrednią w oparciu o analizę składu chemicznego paliwa płynnego. W metodzie pośredniej skład kompozycji paliwa płynnego określa się metodami analitycznymi, np. metodą chromatografii gazowej. Następnie znając skład chemiczny paliwa płynnego oraz wartości ciepła spalania, dla każdego czystego komponentu, oblicza się dla określonej objętości paliwa wartość ciepła spalania kompozycji.The amount of heat produced by the combustion process can be determined either by the direct method through the calorimetric bomb or by the indirect method based on the analysis of the chemical composition of the liquid fuel. In an indirect method, the composition of the liquid fuel composition is determined by analytical methods, e.g. gas chromatography. Then, knowing the chemical composition of the liquid fuel and the calorific value for each clean component, the calorific value of the composition is calculated for a given volume of fuel.

Znana jest z amerykańskiego opisu patentowego nr 6,446,487 metoda pomiaru wartości ciepła spalania, w której paliwo gazowe przepuszcza się przez miernik przepływu i mierzy się natężenie przepływu, następnie mierzy się szybkość dźwięku dla ustalonych pierwszych warunków odniesienia, po czym mierzy się szybkość dźwięku i przenikalność dielektryczną dla drugich ustalonych warunków odniesienia, dla których znana jest zawartość dwutlenku węgla i azotu, po czym oblicza się wartość ciepła spalania w oparciu o zmierzone parametry.A method of measuring the heat of combustion is known from the US Patent No. 6,446,487, in which gaseous fuel is passed through a flow meter and the flow rate is measured, then the sound velocity is measured for a set first reference condition, and the sound velocity and dielectric permeability are measured for second set reference conditions for which the carbon dioxide and nitrogen content is known, and the calorific value is calculated from the measured parameters.

Znany jest z amerykańskiego zgłoszenia patentowego nr US 2006022249 sposób pomiaru energii gazu. Sposób polega na tym, że określa się typ gazu w oparciu o zmierzone ilości składników palnych i składników niepalnych, następnie określa się wartość współczynnika korekcyjnego, który umożliwia oszacowanie wartości pobranej energii w oparciu o zmierzoną ilość pobranego gazu.A method for measuring gas energy is known from the US patent application No. US 2006022249. The method consists in determining the type of gas based on the measured amounts of combustible components and non-combustible components, then determining the value of a correction factor that allows an estimate of the energy input based on the measured amount of gas intake.

Z rosyjskiego opisu patentowego nr RU2060477 znany jest kalorymetr do pomiaru ciepła spalania zawierający masywny blok, wyposażony w dwie komórki kalorymetryczne, w których umieszcza się bomby kalorymetryczne. W pierwszej bombie kalorymetrycznej umieszcza się próbkę materiału badanego oraz napełnia się ją dodatkowo mieszaniną gazów zapalających i podtrzymujących proces spalania, natomiast druga bomba służy jako bomba odniesienia. Po zapaleniu gazów zapalających w obu bombach śledzi się przebiegi zmian temperatury obu komórek kalorymetrycznych oblicza różnicę ich temperatur, następnie za pośrednictwem obwodów elektronicznych dokonuje obliczenia wartości wydzielonego ciepła przypadającego na jednostkę masy lub objętości badanego materiału. Nowością sposobu wymienionego wynalazku jest zastosowanie bloku formowania sygnałów, dodatkowego czujnika temperatury umieszczonego w zewnętrznym termostacie, którego stała czasowa jest nie mniejsza od stałej czasowej masywnego bloku.From the Russian patent specification No. RU2060477 there is known a calorimeter for measuring the heat of combustion consisting of a massive block, equipped with two calorimetric cells in which calorimetric bombs are placed. In the first calorimetric bomb, a sample of the tested material is placed and additionally filled with a mixture of gases that ignite and support the combustion process, while the second bomb is used as a reference bomb. After igniting the igniting gases in both bombs, the temperature changes of both calorimetric cells are monitored, the difference in their temperatures is calculated, and then, using electronic circuits, the value of the released heat per unit of mass or volume of the tested material is calculated. The novelty of the method of the said invention is the use of a signal forming block, an additional temperature sensor located in an external thermostat, the time constant of which is not less than the time constant of the massive block.

Metody przedstawione w opisach patentowych US6,446,487, US 2006022249 nie zapewniają dużej dokładności pomiaru, ponieważ nie pozwalają na bezpośredni pomiar wartości ciepła spalania, ponadto wymagają skalowania urządzenia w oparciu o inne urządzenia pomiarowe lub stosowania próbek wzorcowych. Z drugiej strony, metoda kalorymetryczna (bomba kalorymetryczna), aczkolwiek zapewnia największą dokładność pomiaru, wymaga stosowania kosztowego sprzętu kalorymetrycznego i wysokokwalifikowanego personelu do jego obsługi. Ponadto procesy pomiarowe są czasochłonne, wyżej wymienione urządzenia nie nadają się do ciągłego monitoringu. Z tego względu poszukuje się innych sposobów pomiaru ciepła spalania, które mogą być dokonane za pomocą tańszych urządzeń oraz nie wymagają obsługi przez wysokokwalifikowany personel.The methods presented in patents US6,446,487, US 2006022249 do not ensure high measurement accuracy, because they do not allow direct measurement of the heat of combustion, moreover, they require scaling the device on the basis of other measuring devices or the use of reference samples. On the other hand, the calorimetric method (calorimetric bomb), although ensuring the highest measurement accuracy, requires the use of expensive calorimetric equipment and highly qualified personnel for its operation. In addition, the measurement processes are time-consuming, the above-mentioned devices are not suitable for continuous monitoring. For this reason, other methods of measuring the heat of combustion are sought, which can be performed with cheaper devices and do not require service by highly qualified personnel.

Niedogodności tych nie posiada metoda pomiaru ciepła spalania według wynalazku, która umożliwia bezpośredni pomiar wartości ciepła spalania, zapewnia dobrą dokładność i może być stosowana przy pomiarach terenowych (poza laboratorium).These disadvantages are not present in the method of measuring the heat of combustion according to the invention, which allows direct measurement of the heat of combustion, ensures good accuracy and can be used for field measurements (outside the laboratory).

Istota sposobu pomiaru ciepła spalania węglowodorów według wynalazku polega na tym, że za pomocą grzejników elektrycznych utrzymuje się stałą temperaturę komory spalania, jednocześnie kontroluje się szybkość dostawy utleniacza do komory spalania oraz szybkość dostawy badanego paliwa, przy czym wcześniej, w urządzeniu cyfrowym ustala się programowo szybkość dostawy utleniacza i co najmniej dwie zadane wartości dla szybkości dostawy badanego paliwa do komory spalania, następnie zmienia się cyklicznie szybkość dostawy badanego paliwa i jednocześnie mierzy się wartości pobieranej przez grzejniki mocy elektrycznej, następnie za pomocą urządzenia cyfrowego oblicza się korelację pomiędzy zmierzonymi cyklicznymi zmianami wartości mocy elektrycznej dostarczanej do grzejników i cyklicznymi zmianami wartości szybkości dostawy badanego paliwa.The essence of the method of measuring the heat of combustion of hydrocarbons according to the invention consists in the fact that the combustion chamber temperature is kept constant by means of electric heaters, and the rate of supply of the oxidant to the combustion chamber and the rate of supply of the tested fuel are simultaneously controlled, while the speed is programmed in a digital device earlier supply of the oxidizer and at least two setpoints for the rate of delivery of the tested fuel to the combustion chamber, then the rate of delivery of the tested fuel is cyclically changed and at the same time the values of electric power consumed by the heaters are measured, then the correlation between the measured cyclic changes of the power value is calculated using a digital device electricity supplied to the heaters and cyclical changes in the value of the speed of delivery of the tested fuel.

Ponadto, za pomocą dodatkowych termorezystorów platynowych połączonych z układem kontroli nadzoruje się zewnętrzną temperaturę struktury ceramicznej otaczającej komorę spalania i w zależności od wartości zmierzonych cyklicznych zmian temperatury dokonuje się programowo korekty zmierzonej wartości ciepła spalania.Moreover, by means of additional platinum thermoresistors connected to the control system, the external temperature of the ceramic structure surrounding the combustion chamber is monitored and, depending on the value of the measured cyclic temperature changes, a correction of the measured value of the heat of combustion is programmed.

PL 215 289 B1PL 215 289 B1

Miernik ciepła spalania węglowodorów ma palnik, w którego końcowym fragmencie umiejscowiona jest komora spalania, której co najmniej dwie ścianki boczne wykonane są z ceramicznego materiału o wysokiej przewodności cieplnej w postaci dwóch płytek, przy czym płytki wyposażone są w grzejniki, które połączone są z obwodem kontroli temperatury, który połączony jest z cyfrowym urządzeniem obliczeniowym. Ponadto, z cyfrowym urządzeniem obliczeniowym połączone jest urządzenie kontrolujące dostawę badanego paliwa do palnika oraz urządzenie kontrolujące dostawę utleniacza do palnika. Grzejniki wykonane są z materiału odpornego na procesy degradacji w wysokich temperaturach, natomiast podłoże grzejników stanowi materiał ceramiczny o wysokiej przewodności cieplnej, większej od 100 W/mrK. Grzejniki otaczające komorę spalania osłonięte są od zewnątrz dwiema płytkami izolacyjnymi wykonanymi z materiału o niskiej przewodności cieplnej (< 1 W/mrK), a na powierzchni płytek izolacyjnych zostały nałożone cienkowarstwowe rezystory platynowe.The hydrocarbon combustion heat meter has a burner in the end of which is a combustion chamber, at least two side walls of which are made of ceramic material with high thermal conductivity in the form of two plates, the plates are equipped with heaters that are connected to the control circuit temperature, which is connected to a digital computing device. Moreover, the device controlling the supply of the tested fuel to the burner and the device controlling the delivery of the oxidant to the burner are connected to the digital computing device. The heaters are made of a material resistant to degradation processes at high temperatures, while the heaters' substrate is a ceramic material with high thermal conductivity, greater than 100 W / mrK. The heaters surrounding the combustion chamber are shielded from the outside with two insulating plates made of a material with low thermal conductivity (<1 W / mrK), and on the surface of the insulating plates there are platinum thin-film resistors.

Urządzenie kontrolujące dostawę badanego paliwa do palnika zawiera miernik natężenia przepływu płynu, który za pośrednictwem obwodu cyfrowego połączony jest z silnikiem krokowym napędzającym pompę.The device controlling the supply of the tested fuel to the burner comprises a fluid flow meter connected via a digital circuit with a stepper motor driving the pump.

Druga odmiana miernika ciepła spalania ma urządzenie kontrolujące dostawę badanego paliwa do palnika, które zawiera miernik natężenia przepływu płynu, który za pośrednictwem obwodu cyfrowego połączony jest z liniowym silnikiem piezoceramicznym napędzającym pompę.The second variant of the heat of combustion meter has a device for controlling the supply of test fuel to the burner, which comprises a fluid flow rate meter which is connected via a digital circuit to a piezoceramic linear motor driving the pump.

Trzecia odmiana miernika ciepła spalania ma urządzenie kontrolujące dostawę badanego paliwa do palnika, które zawiera miernik natężenia przepływu płynu, który połączony jest z zaworem sterowanym sygnałem z miernika natężenia przepływu za pośrednictwem silnika krokowego i obwodu cyfrowego.A third variant of the calorific value meter has a device for controlling the supply of test fuel to the burner, which includes a fluid flow meter that is connected to a valve controlled by a signal from the flow rate meter via a stepper motor and a digital circuit.

Palnik wchodzący w skład miernika ciepła spalania stanowi płaska struktura ceramiczna posiadająca wybranie, które wraz z wybraniem płytki ceramicznej stanowi komorę spalania. Ponadto, palnik ma kanał doprowadzający paliwo i kanał doprowadzający utleniacz, przy czym kanał doprowadzający paliwo ma strukturę meandryczną.The burner in the heat of combustion meter is a flat ceramic structure with a recess which, together with the choice of ceramic plate, constitutes the combustion chamber. In addition, the burner has a fuel supply channel and an oxidant supply channel, the fuel supply channel having a meandering structure.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania ujawniono na rysunku, na którym Fig. 1A przedstawia wygląd palnika przeznaczonego do pomiaru ciepła spalania, Fig. 1B przedstawia rozłożone elementy wchodzące w skład palnika, Fig. 2 przedstawia zestaw modułów stanowiących miernik ciepła spalania węglowodorów w postaci cieczy, Fig. 3 przestawia alternatywne wykonanie miernika ciepła spalania, w którym urządzenie kontrolujące dostawę paliwa wyposażono w liniowy silnik piezoceramiczny, natomiast Fig. 4 przedstawia wykonanie urządzenia przystosowane do węglowodorów w postaci gazowej, Fig. 5 przedstawia zmierzone cykliczne zmiany szybkości dostawy paliwa i zmierzone wartości mocy elektrycznej utrzymujące stałą wartość temperatury komory spalania.The subject of the invention in an exemplary embodiment is disclosed in the drawing, in which Fig. 1A shows the appearance of a burner designed to measure the heat of combustion, Fig. 1B shows the exploded elements of the burner, Fig. 2 shows a set of modules constituting a meter of the heat of combustion of hydrocarbons in liquid form, Fig. 3 shows an alternative embodiment of the heat of combustion meter, in which the fuel supply control device is equipped with a linear piezoceramic engine, while Fig. 4 shows an embodiment of the device adapted to gaseous hydrocarbons, Fig. 5 shows the measured cyclic changes in the fuel delivery rate and the measured electric power values. keeping the combustion chamber temperature constant.

Miernik ciepła spalania według wynalazku umożliwia pomiar ciepła spalania węglowodorów w postaci ciekłej lub gazowej. Sposób pomiaru polega na koncentracji procesu spalania w komorze o niewielkiej objętości, której wartość temperatury utrzymywana jest, za pomocą dwóch grzejników platynowych, na stałym poziomie niezależnie od ilości dostarczanego paliwa. Ponieważ temperatura komory spalania kontrolowana jest poprzez obwód kontroli temperatury 5, zmiana szybkości dostawy paliwa spowoduje zmianę wartości mocy elektrycznej dostarczonej do grzejników 4A, 4B. Wartość zmiany dostarczonej mocy elektrycznej jest proporcjonalna do wartości zmiany natężenia przepływu dostarczanego paliwa. Przed pomiarami konieczne jest dobranie optymalnej szybkości dostawy tlenu do palnika 1. Szybkość dostawy tlenu powinna być tak dobrana, aby proces spalania w całości zach odził wewnątrz komory spalania 2 przy maksymalnej wartości szybkości dostawy paliwa.The heat of combustion meter according to the invention makes it possible to measure the heat of combustion of hydrocarbons in liquid or gaseous form. The method of measurement consists in concentrating the combustion process in a chamber with a small volume, the temperature value of which is kept constant by means of two platinum heaters, regardless of the amount of fuel supplied. Since the temperature of the combustion chamber is controlled by the temperature control circuit 5, changing the fuel delivery rate will change the value of the electric power supplied to the heaters 4A, 4B. The amount of change in the supplied electric power is proportional to the amount of change in the supplied fuel flow rate. Before the measurements, it is necessary to select the optimal rate of oxygen supply to the burner 1. The rate of oxygen supply should be selected so that the entire combustion process takes place inside the combustion chamber 2 at the maximum value of the fuel delivery rate.

Przyrostowa metoda pomiaru zapewnia dużą dokładność, ponieważ ilość ciepła wymienianego z otoczeniem, poprzez promieniowanie, konwekcję i na skutek przewodnictwa jest identyczna, z uwagi na niezmienną temperaturę zewnętrzną komory spalania, dla każdej zadanej wartości natężenia dostawy paliwa do palnika 1.The incremental measurement method ensures high accuracy, because the amount of heat exchanged with the environment through radiation, convection and due to conductivity is identical, due to the constant external temperature of the combustion chamber, for each set value of the fuel supply to the burner 1.

Wartość ciepła spalania może być oszacowana i wyrażona w [J/cm³] jako stosunek wartości zmiany dostarczonej mocy elektrycznej wyrażonej w [W] do wartości zmiany dostarczonego paliwa ₃ w czasie 1 sekundy, [cm³/s]. Zatem, metoda pomiaru według wynalazku umożliwia bezpośredni pomiar wartości ciepła spalania badanego paliwa. Zmierzony parametr stanowi „niższą wartość cieplną” (Lower Heating Value), ponieważ część ciepła powstającego w procesie spalania zostaje skonsumowana na podgrzanie paliwa i utleniacza oraz na odparowanie produktu spalania (woda).The gross calorific value can be estimated and expressed in [J / cm ³ ] as the ratio of the value of the change in the supplied electric power expressed in [W] to the value of the change in the supplied fuel ₃ in 1 second, [cm ³ / s]. Thus, the measurement method according to the invention makes it possible to directly measure the calorific value of the fuel under test. The measured parameter is "Lower Heating Value" because some of the heat generated by the combustion process is consumed to heat the fuel and oxidizer and to evaporate the combustion product (water).

Utrzymanie płomienia w niewielkiej objętości (1,5 mm x 1,5 mm x 10 mm) zapewnia odpowiednia konstrukcja palnika, w której cztery ceramiczne dysze wylotowe paliwa ustawione są naprzeciw, oddalonych zaledwie o 1,5 mm, czterech ceramicznych dysz dostarczających tlen. Ponadto, podtrzy4Keeping the flame in a small volume (1.5 mm x 1.5 mm x 10 mm) is ensured by the appropriate design of the burner, in which four ceramic fuel outlet nozzles are positioned opposite, only 1.5 mm apart, four ceramic nozzles supplying oxygen. Moreover, the sub-three4

PL 215 289 B1 manie stabilnego płomienia zapewnia wysoka temperatura ścianek komory spalania >720°C, skutkiem czego, płomień może być utrzymany w niewielkiej odległości od ścianek komory, co zapewnia dobrą wymianę ciepła pomiędzy płomieniem i ściankami komory spalania 2.The loss of a stable flame is ensured by the high temperature of the walls of the combustion chamber> 720 ° C, as a result of which the flame can be kept at a short distance from the walls of the chamber, which ensures good heat exchange between the flame and the walls of the combustion chamber 2.

Na rysunku Fig. 2 przedstawiono przykład wykonania miernika ciepła spalania węglowodorów ciekłych. Miernik ma urządzenie kontrolujące dostawę badanego paliwa 7 do palnika 1, urządzenie kontrolujące dostawę utleniacza 8 do palnika 1, palnik 1, obwód kontroli temperatury 5 i cyfrowe urządzenie obliczeniowe 6. Urządzenie kontrolujące dostawę badanego paliwa 7 do palnika 1 zawiera termiczny miernik natężenia przepływu płynów 9 wyposażony w termiczny modulator sigma delta. Miernik natężenia przepływu płynów 9 dostarcza sygnał wyjściowy w postaci szeregu impulsów, których ilość dla ustalonego przedziału czasowego jest proporcjonalna do wartości natężenia przepływu płynu.Figure 2 shows an exemplary embodiment of a heat of combustion meter for liquid hydrocarbons. The meter has a device controlling the supply of test fuel 7 to the burner 1, a device controlling the supply of oxidant 8 to the burner 1, a burner 1, a temperature control circuit 5 and a digital calculation device 6. The device controlling the supply of test fuel 7 to the burner 1 includes a thermal fluid flow rate meter 9 equipped with a sigma delta thermal modulator. Fluid flow meter 9 provides an output signal in the form of a series of pulses, the number of which for a predetermined time interval is proportional to the value of the fluid flow rate.

W obwodzie cyfrowym 12 sygnał wyjściowy miernika natężenia przepływu płynów 9 porównywany jest z jedną z co najmniej dwóch ustalonych wartości sygnału, ustalających, co najmniej dwie zadane wartości dla przepływu paliwa. Prędkość obrotowa i kierunek obrotów silnika krokowego 11 uzależnione są od wyników porównania. Taka konfiguracja zapewnia dużą szybkość kontroli dostawy paliwa, także ułatwia proces napełniania pompy 10. Ponieważ urządzenie utrzymuje stałą zadaną wartość dostawy paliwa do palnika 1, wstrzyknięcie dodatkowej ilości paliwa do pompy 10 spowoduje niemal natychmiastowe wycofanie tłoka pompy powodując jej napełnienie. Z uwagi na fakt, że w procesie dynamicznej kontroli silnik krokowy 11 wykonuje ruchy rewersyjne, które następnie przenoszone są poprzez przekładnię śrubową do tłoka pompy; dla niektórych zastosowań zwłaszcza pracujących w trybie ciągłym, korzystniejsze jest zastosowanie liniowego silnika piezoceramicznego 13. Rozwiązanie takie przedstawiono na Fig. 3, gdzie silnik piezoceramiczny 13 sterowany jest sygnałem z miernika natężenia przepływu płynu 9 za pośrednictwem obwodu cyfrowego 15. Na Fig. 4 przedstawiono urządzenie kontroli dostawy paliwa 7 przystosowane do kontroli paliw gazowych. Funkcję elementu regulacyjnego pełni zawór 14 sterowany sygnałem z miernika natężenia przepływu płynu 9 za pośrednictwem silnika krokowego 11 i obwodu cyfrowego 12. Również i w tym przypadku standardowy silnik krokowy może być zastąpiony silnikiem piezoceramicznym. Urządzenie kontrolujące dostawę utleniacza 8 wykonano w sposób identyczny jak urządzenie kontrolujące dostawę paliw gazowych 7. W tym przypadku możliwe jest zastosowanie standardowych kontrolerów dla gazów.In digital circuit 12, the output of the fluid flow meter 9 is compared with one of at least two predetermined values of the signal setting at least two set points for the fuel flow. The rotational speed and the direction of rotation of the stepper motor 11 depend on the results of the comparison. This configuration ensures a high speed of control of the fuel supply, also facilitates the process of filling the pump 10. As the device maintains a constant set point of the fuel delivery to the burner 1, injection of additional fuel into the pump 10 will cause the pump plunger to be retracted almost immediately, causing it to refill. Due to the fact that, in the dynamic control process, the stepper motor 11 performs reversal movements, which are then transmitted through the helical gear to the pump piston; for some applications, especially in continuous operation, it is preferable to use a linear piezoceramic motor 13. This is shown in Fig. 3, where the piezoceramic motor 13 is controlled by a signal from a fluid flow meter 9 via a digital circuit 15. Fig. 4 shows the device fuel supply control 7 adapted to the control of gaseous fuels. The function of the regulating element is performed by a valve 14 controlled by a signal from a fluid flow meter 9 via a stepper motor 11 and a digital circuit 12. Again, the standard stepper motor can be replaced by a piezoceramic motor. The oxidant control device 8 is made in the same way as the gaseous fuel control device 7. In this case, it is possible to use standard gas controllers.

Palnik stanowi płaska struktura ceramiczna 16 o długości 50 mm i szerokości 10 mm. W strukturze ceramicznej 16, w oparciu o ceramiczne kompozycje fotoformowalne, wykonano meandryczny kanał doprowadzający paliwo 20 zakończony czterema dyszami oraz kanał doprowadzający utleniacz 21 również zakończony czterema dyszami. Struktura ceramiczna 16 przykryta jest folią ceramiczną 24 (LTCC), która jednocześnie służy jako materiał zespalający płytkę ceramiczną 19. Struktura ceramiczna 16 i płytka ceramiczna 19 mają wybrania 17 i 18, które po zespoleniu za pośrednictwem folii 24 stanowią komorę spalania 2. Tak wykonana komora spalania 2 ma otwarte dwie ścianki boczne, które przysłaniają dwie płytki 3A, 3B wykonane z azotku aluminium. Płytki 3A, 3B stanowią nośniki grzejników 4A, 4B, pełnią one również funkcję elementów rozprowadzających ciepło w otoczeniu komory spalania. Funkcja ta jest bardzo istotna, ponieważ strumień ciepła generowanego w procesie spal ania jest silnie skoncentrowany, a ceramika alundowa, z której wykonano ceramiczną strukturę 16, nie wykazuje odporności na wysokie gradienty temperatury. Płytki 3A, 3B poprzez wyrównanie temperatury otoczenia komory spalania 2 zwiększają wytrzymałość termiczną palnika 1. Od zewnątrz komorę palnika osłaniają dwie płytki kwarcowe 22A, 22B, które pełnią funkcję elementów podtrzymujących wyprowadzenia 25 oraz stanowią nośnik dla dodatkowych pomocniczych termorezystorów platynowych 23A, 23B. Pomocnicze termorezystory 23A, 23B wchodzą w skład obwodu nadzorującego, który niezależnie od głównego obwodu kontroli temperatury śledzi zmiany temperatury struktury ceramicznej otaczającej komorę spalania. Jeżeli zmierzone oscylacje temperatury struktury ceramicznej otaczającej komorę spalania nie przekraczają dopuszczalnego limitu dokonuje się programowo korekty zmierzonej wartości ciepła spalania, w przeciwnym wypadku wysyłany jest sygnał alarmowy.The burner is a flat ceramic structure 16 50 mm long and 10 mm wide. In the ceramic structure 16, a meandering fuel supply channel 20 terminated with four nozzles and an oxidant supply channel 21 also terminated with four nozzles were made based on ceramic photoformable compositions. The ceramic structure 16 is covered with a ceramic foil 24 (LTCC), which also serves as a material for joining the ceramic plate 19. The ceramic structure 16 and the ceramic plate 19 have recesses 17 and 18, which, after being bonded through the foil 24, constitute the combustion chamber 2. The chamber thus made of combustion 2 has two open side walls which cover two plates 3A, 3B made of aluminum nitride. The plates 3A, 3B are the carriers of the heaters 4A, 4B, they also act as heat-distributing elements in the vicinity of the combustion chamber. This function is very important because the heat flux generated in the combustion process is highly concentrated, and the alumina ceramics from which the ceramic structure 16 is made does not exhibit resistance to high temperature gradients. Plates 3A, 3B, by equalizing the ambient temperature of the combustion chamber 2, increase the thermal resistance of the burner 1. From the outside, the burner chamber is covered by two quartz plates 22A, 22B, which serve as elements supporting the leads 25 and provide a support for additional auxiliary platinum thermoresistors 23A, 23B. The auxiliary thermoresistors 23A, 23B are part of a monitoring circuit which, independently of the main temperature control circuit, follows the temperature changes of the ceramic structure surrounding the combustion chamber. If the measured temperature oscillations of the ceramic structure surrounding the combustion chamber do not exceed the permissible limit, the measured gross calorific value is corrected by software, otherwise an alarm signal is sent.

Z uwagi na duże różnice wartości temperaturowych współczynników rozszerzalności ceramiki alundowej, azotku aluminium i kwarcu płytki ceramiczne 3A, 3B nie zostały trwale połączone ze strukturą 16, a jedynie dociśnięte poprzez płytki kwarcowe 22A, 22B za pomocą sprężystych klamerek.Due to the large differences in temperature values of the expansion coefficients of alumina ceramics, aluminum nitride and quartz, the ceramic plates 3A, 3B were not permanently attached to the structure 16, but only pressed through the quartz plates 22A, 22B with elastic clamps.

Grzejniki 4A, 4B pełnią funkcję rezystorów grzewczych i pomiarowych. Procesy te są realizowane naprzemiennie z częstotliwością repetycji 10 kHz. Po każdym impulsie grzewczym następuje proces komparacji sygnału pomiarowego rezystora z wartością zadaną. Obwód kontroli temperatury 5 załącza kolejny impuls grzewczy tylko wówczas jeżeli przechwycony sygnał z grzejników 4A, 4B wykazuje niższą wartość temperatury od wartości temperatury zadanej. Ponieważ grzejniki 4A, 4B załąPL 215 289 B1 czane są cyklicznie do źródła napięcia stałego przez ściśle określony odcinek czasu i jednocześnie, obwód kontroli utrzymuje stabilną wartość temperatury grzejników 4A, 4B, wartość dostarczonej mocy cieplnej jest wprost proporcjonalna do ilości cykli grzewczych w ustalonym przedziale czasowym.The 4A and 4B heaters act as heating and measuring resistors. These processes are performed alternately with a repetition frequency of 10 kHz. After each heating impulse, the process of comparing the resistor measuring signal with the set value takes place. The temperature control circuit 5 turns on another heating impulse only when the intercepted signal from the heaters 4A, 4B shows a lower temperature value than the preset temperature value. Since the heaters 4A, 4B are connected cyclically to the DC voltage source for a strictly defined period of time and at the same time, the control circuit maintains a stable temperature value of the heaters 4A, 4B, the value of the supplied thermal power is directly proportional to the number of heating cycles in a given time interval. .

Fig. 5 przedstawia zarejestrowane sygnały podczas pomiaru ciepła spalania wodoru. Zmiana szybkości dostawy wodoru do palnika 1 o wartość 60 ml/min skutkuje zmniejszeniem pobieranej mocy elektrycznej o wartość ok. 8W. Oszacowana wartość ciepła jest zbliżona do katalogowej wartości ciepła spalania dla wodoru (10,8 J/cm³; 121 MJ/kg - LHV).Fig. 5 shows the recorded signals during the measurement of the heat of combustion of hydrogen. Changing the rate of hydrogen supply to burner 1 by a value of 60 ml / min results in a reduction of the electrical power consumed by approx. 8W. The estimated heat value is close to the catalog value of the heat of combustion for hydrogen (10.8 J / cm ³ ; 121 MJ / kg - LHV).

Claims

The method of measuring the heat of combustion of hydrocarbons, characterized in that by means of electric heaters the combustion chamber temperature is kept constant, the rate of supply of the oxidant to the combustion chamber and the rate of supply of the tested fuel are simultaneously controlled, with the digital device pre-setting at least two set values for the rate of delivery of the tested fuel to the combustion chamber, then the rate of delivery of the tested fuel is cyclically changed and the value of the electric power consumed by the heaters is measured, then a digital device is used to calculate the correlation between the measured cyclic changes in the value of electric power supplied to the heaters and cyclic changes in the value of the tested fuel delivery rate.

2. The method of measuring the heat of combustion according to claim The method of claim 1, characterized in that by means of additional platinum resistance thermometers (23A), (23B) connected to the control system (5), the external temperature of the ceramic structure surrounding the combustion chamber (2) is monitored and, depending on the value of measured cyclic temperature changes, a correction of the measured temperature is programmed. heat of combustion value.

Hydrocarbon combustion heat meter having a burner, a device controlling the supply of the tested fuel to the burner and a device controlling the supply of the oxidant to the burner, characterized by the fact that it has a burner (1) in the end part of which is a combustion chamber (2) with at least two walls side plates are made of ceramic material with high thermal conductivity in the form of two plates (3A), (3B), while plates (3A), (3B) are equipped with heaters (4A), (4B), which are connected to the control circuit temperature (5), which in turn is connected to a digital computing device (6), moreover, a device controlling the supply of the tested fuel (7) to the burner (1) and a device controlling the supply of oxidant (8) to the digital computing device (6) are connected to the digital computing device (6). burner (1).

4. Combustion heat meter according to claim 3. The method of claim 3, characterized in that the heaters (4A), (4B) are made of a material resistant to degradation processes at high temperatures, while the substrate of the heaters (4A), (4B) is a ceramic material with high thermal conductivity, greater than 100 W / mK

5. Combustion heat meter according to claim The device as claimed in claim 3, characterized in that the device controlling the supply of the test fuel (7) to the burner (1) comprises a fluid flow rate meter (9) connected via a digital circuit (12) to a stepper motor (11) driving the pump (10).

Combustion heat meter according to claim 3. The method according to claim 3, characterized in that the device controlling the supply of the tested fuel (7) to the burner (1) comprises a fluid flow rate meter (9) which is connected via a digital circuit (15) to a linear piezoceramic motor (13) driving the pump (10). .

7. Combustion heat meter according to claim The method as claimed in claim 3, characterized in that the device controlling the supply of the test fuel (7) to the burner (1) comprises a fluid flow rate meter (9) which is connected to a valve (14) controlled by a signal from the flow rate meter (9) via a stepper motor ( 11) and digital circuit (12).

8. Combustion heat meter according to claim 3. The burner (1) as claimed in claim 3, characterized in that the burner (1) is a flat ceramic structure (16) having a recess (17) which, together with the recess (18) of the ceramic plate (19), forms the combustion chamber (2), and the burner (1) has a feed channel. a fuel (20) and an oxidant supply conduit (21), the fuel supply conduit (20) having a meandering structure.

9. Combustion heat meter according to claim The method of claim 3, characterized in that the heaters (4A), (4B) surrounding the combustion chamber are shielded from the outside with two insulating plates (22A), (22B) made of a material with low thermal conductivity (<1 W / m2K).

10. Combustion heat meter according to claim 3 and claims The method of claim 9, characterized in that platinum thin-film resistors (23A), (23B) are applied to the surface of the insulating plates (22A), (22B).