RU2582805C2 - Device for gas sampling in high-enthalpy plants of short-term action and method of measuring flow gas rate with use of said device - Google Patents

Device for gas sampling in high-enthalpy plants of short-term action and method of measuring flow gas rate with use of said device Download PDF

Info

Publication number
RU2582805C2
RU2582805C2 RU2014138220/13A RU2014138220A RU2582805C2 RU 2582805 C2 RU2582805 C2 RU 2582805C2 RU 2014138220/13 A RU2014138220/13 A RU 2014138220/13A RU 2014138220 A RU2014138220 A RU 2014138220A RU 2582805 C2 RU2582805 C2 RU 2582805C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
cylinder
pressure
piston
enthalpy
Prior art date
Application number
RU2014138220/13A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2582805C9 (en
RU2014138220A (en
Inventor
Валентин Витальевич Шумский
Михаил Иванович Ярославцев
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Priority to RU2014138220/13A priority Critical patent/RU2582805C9/en
Priority claimed from RU2014138220/13A external-priority patent/RU2582805C9/en
Publication of RU2014138220A publication Critical patent/RU2014138220A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2582805C2 publication Critical patent/RU2582805C2/en
Publication of RU2582805C9 publication Critical patent/RU2582805C9/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02Devices for withdrawing samples
    • G01N1/22Devices for withdrawing samples in the gaseous state
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M9/00Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
    • G01M9/06Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing
    • G01M9/065Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing dealing with flow
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02Devices for withdrawing samples
    • G01N1/22Devices for withdrawing samples in the gaseous state
    • G01N1/2226Sampling from a closed space, e.g. food package, head space
    • G01N2001/2241Sampling from a closed space, e.g. food package, head space purpose-built sampling enclosure for emissions

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)

Abstract

FIELD: gas industry.
SUBSTANCE: invention relates to a technique of investigation of properties and composition of working gas in high-enthalpy plants of short-term action. Device for sampling gas in high-enthalpy plants of short-term action includes tightly connected sampler with sharpened front edge and expanding inner channel. Device also includes a pyro-valve, piston valve arranged in housing, a unit for connection of control of high-voltage wires for blasting powder charge and bypass opening in cylinder for gas collection and storage. Cylinder for collection of samples is equipped with a piston, and in channel of sampler there is a heat-conducting insert with a developed area of inner surfaces. Unit for connection of control of high-voltage wires for blasting powder charge is installed in wind shadow pyrotechnic valve and is additionally equipped with two-electrode system, and housing is provided with a drain hole to release pressure of powder gases. Method for determining gas flow rate with use of said device comprises evacuation of gas dynamic path and device cavities to a pressure of 10-2 mmHg and through bypass port of sampler filled with a gas cylinder for sampling. Piston of cylinder is locked in far right position, and then sealed with overflow hole. Gas filled cylinder is allowed to cool to room temperature Tb, cylinder pressure is measured using a pressure gauge or pressure sensor. Knowing value of cylinder volume V and bypass opening pressure pb in cylinder cavity, time tb = tb2 - tb1 stay in open position opening bypass, determined by mass of gas (Gb)e, released to tank in a time tb (Gb)e=Vpb/(RTb), where R - specific gas constant, tb1, tb2 - start and end of cylinder filling, calculate estimated value of mass that must sag in bottle for a time tb.
EFFECT: invention provides high reliability of gas sample, preservation of cylinder, and also provides possibility of simultaneous measurement of gas flow rate.
3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике исследования свойств и состава рабочего газа в высокоэнтальпийных установках кратковременного действия.The invention relates to techniques for studying the properties and composition of the working gas in high-enthalpy installations of short duration.

Для ряда работ, выполняемых, например, в импульсных высокоэнтальпийных установках, требуется знать состав рабочего газа, обтекающего модели.For a number of works performed, for example, in pulsed high-enthalpy installations, it is necessary to know the composition of the working gas flowing around the model.

Так, при исследованиях газодинамических моделей с горением возникает вопрос о содержании в обтекающем модель воздухе кислорода, поскольку при электродуговом нагреве в форкамере уменьшается его доля за счет окисления элементов конструкции. При использовании химической энергии для увеличения энергетики установки требуется знать, насколько полно завершены химические реакции в форкамере и какой состав имеет рабочий газ на срезе сопла. При исследованиях различных схем прямоточных двигателей с тепломассоподводом желательно знать состав продуктов горения на выходе из сопла и др.Thus, when studying gas-dynamic models with combustion, the question arises of the oxygen content in the air flowing around the model, since its fraction decreases due to oxidation of structural elements during electric arc heating in the prechamber. When using chemical energy to increase the plant's energy, it is necessary to know how completely the chemical reactions in the prechamber are completed and what composition the working gas has at the nozzle exit. When studying various schemes of direct-flow engines with heat and mass supply, it is desirable to know the composition of the combustion products at the exit of the nozzle, etc.

Кроме того, имея экспериментальные данные по расходу газа в рабочей части высокоэнтальпийной аэродинамической трубы кратковременного действия (продолжительность рабочего режима ~100 мс) и сопоставляя их с расчетными результатами, можно повысить надежность и точность проводимых исследований.In addition, having experimental data on gas flow in the working part of a short-acting high-enthalpy wind tunnel (operating time ~ 100 ms) and comparing them with the calculated results, it is possible to increase the reliability and accuracy of the studies.

Известны устройства для получения информации о составе газа путем отбора пробы из движущейся со сверхзвуковой скоростью потенциально химически активной среды с помощью расширяющегося канала для замораживания пробы и дальнейшего ее химического анализа (Рожицкий С.И., Строкин В.Н. К методике отбора газовой пробы из сверхзвукового реагирующего потока. // Физика горения и взрыва. 1974. Т. 10, №4. С. 492-498) [1]; (Авторское свидетельство СССР №463029, кл. G01n 1/22,1972 г.) [2].Known devices for obtaining information about the gas composition by sampling from a moving at a supersonic speed potentially chemically active medium using an expanding channel for freezing the sample and its further chemical analysis (Rozhitsky S.I., Strokin V.N. To the method of sampling gas from supersonic reactive flow. // Combustion and Explosion Physics. 1974. V. 10, No. 4. P. 492-498) [1]; (USSR author's certificate No. 463029, class G01n 1 / 22.1972) [2].

Недостатками этих устройств является невозможность их использования в аэродинамических установках с кратковременными рабочими режимами ~100 мс по следующим причинам:The disadvantages of these devices is the inability to use them in aerodynamic installations with short-term operating modes of ~ 100 ms for the following reasons:

- при продолжительности работы аэродинамической трубы ~100 мс время на отбор газа и запирание его в баллоне составляет несколько десятков миллисекунд, чего явно недостаточно для использования этих устройств;- with a wind tunnel operating time of ~ 100 ms, the time for gas extraction and locking in a cylinder is several tens of milliseconds, which is clearly not enough to use these devices;

- для привязки пробы к изменяющимся параметрам потока требуется жесткая синхронизация работы системы отбора с режимом установки;- to bind the sample to the changing flow parameters, tight synchronization of the sampling system with the installation mode is required;

- объем баллона, в который набирается проба, не является произвольным, а определяется компромиссом между давлением в баллоне, которое должно быть много меньше полного давления в канале пробоотборника для предотвращения запирания и срыва втекания в пробоотборник, временем отбора и минимально необходимой для химического анализа массой газа в баллоне;- the volume of the cylinder into which the sample is collected is not arbitrary, but is determined by a compromise between the pressure in the cylinder, which should be much less than the total pressure in the channel of the sampler to prevent locking and disruption of the flow into the sampler, the sampling time and the minimum mass of gas necessary for chemical analysis in the cylinder;

- из-за малого времени режима давление отобранной пробы в баллоне получается значительно меньше атмосферного, что создает серьезные проблемы при отборе пробы газа.- due to the short time of the regime, the pressure of the sample taken in the cylinder is much less than atmospheric, which creates serious problems when taking a gas sample.

При испытаниях в высокоэнтальпийных установках кратковременного действия для определения параметров рабочего газа, обтекающего модель, имеется ограниченное количество измеряемых величин. Этот ограниченный набор величин не позволяет экспериментальным путем определить требуемый набор параметров потока, таких как скорость, статические давление и температура и т.д. Приходится использовать ряд допущений, которые совместно с измеренными величинами позволяют создать замкнутую систему уравнений, обеспечивающую получение в рабочей части расчетных параметров набегающего на модель газа.When tested in high-enthalpy installations of short duration for determining the parameters of the working gas flowing around the model, there is a limited number of measured quantities. This limited set of values does not allow experimentally determining the required set of flow parameters, such as speed, static pressure and temperature, etc. We have to use a number of assumptions, which, together with the measured values, allow us to create a closed system of equations that ensures that in the working part the calculated parameters of the gas incident on the model are obtained.

Правильность такого подхода к определению параметров рабочего газа в рабочей части (верификация метода определения параметров) проверяется в специальных опытах сравнением какой-либо измеренной характеристики потока с ее расчетным значением. Отклонение расчетной характеристики от ее измеренной величины служит оценкой точности определения параметров рабочего газа в рабочей части установки. Такой характеристикой может являться масса газа, протекшего в рабочей части установки через поперечное сечение F0 за фиксируемое время.The correctness of this approach to determining the parameters of the working gas in the working part (verification of the method for determining the parameters) is verified in special experiments by comparing any measured flow characteristic with its calculated value. The deviation of the calculated characteristic from its measured value serves as an assessment of the accuracy of determining the parameters of the working gas in the working part of the installation. Such a characteristic may be the mass of gas flowing in the working part of the installation through the cross section F 0 for a fixed time.

Известно устройство, позволяющие в специфических условиях высокоэнтальпийной установки кратковременного действия определять расход газообразной среды, проходящей через поперечное сечение канала (Королев А.С., Бошенятов Б.В., Друкер И.Г., Затолока В.В. Импульсные трубы в аэродинамических исследованиях. Новосибирск. Наука, Сибирское отделение. 1978. 80 с.) [3], с. 60.A device is known that allows under specific conditions of a short-acting high-enthalpy installation to determine the flow rate of a gaseous medium passing through the channel cross-section (Korolev A.S., Boshenyatov B.V., Druker I.G., Zatoloka V.V. Impulse pipes in aerodynamic studies Novosibirsk, Science, Siberian Branch, 1978. 80 p.) [3], p. 60.

Принципиальными недостатками этого устройства являются следующие.The principal disadvantages of this device are as follows.

- необходимость учитывать реальные свойства газа, связанные с высокими температурой и давлением;- the need to take into account the real properties of the gas associated with high temperature and pressure;

- необходимость понижения температуры газа перед мерным соплом с целью уменьшения динамической составляющей погрешности в показаниях термопар, что заставляет устанавливать перед мерным соплом теплообменник-холодильник;- the need to lower the gas temperature in front of the measuring nozzle in order to reduce the dynamic component of the error in the readings of thermocouples, which makes it necessary to install a heat exchanger-cooler in front of the measuring nozzle;

- инерционность в показаниях термопар, измеряющих температуру газа перед мерным соплом, что ставит под сомнение правильность измерения температуры и, следовательно, приводит к грубым ошибкам в измерении расхода.- inertia in the readings of thermocouples measuring the temperature of the gas in front of the measuring nozzle, which casts doubt on the correctness of the temperature measurement and, therefore, leads to gross errors in the flow measurement.

Наиболее близким, принятым за прототип, является устройство, описанное в статье (Шумский В.В., Ярославцев М.И. Состав рабочего тела в рабочей части высокоэнтальпийной установки // ФГВ. 2012. Т. 48, №1. С. 28-37) [4], для отбора газа из рабочей части импульсной трубы, учитывающее перечисленные выше особенности режима высокоэнтальпийных аэродинамических труб, позволяющее отбирать газ из сверх- или гиперзвукового потока для последующего химического анализа.The closest adopted for the prototype is the device described in the article (Shumsky V.V., Yaroslavtsev M.I. Composition of the working fluid in the working part of the high-enthalpy plant // FGV. 2012. T. 48, No. 1. P. 28- 37) [4], for the selection of gas from the working part of the impulse pipe, taking into account the above features of the high-enthalpy wind tunnels mode, allowing gas to be taken from a supersonic or hypersonic flow for subsequent chemical analysis.

Устройство содержит герметично соединенные собственно пробоотборник с заостренной передней кромкой и расширяющимся внутренним каналом, пироклапан, в корпусе которого размещены поршень, узел подключения управляющих высоковольтных проводов для подрыва порохового заряда и выполнено перепускное отверстие в объем для сбора, хранения и отбора из него пробы газа.The device contains a sampler that is tightly connected with a pointed front edge and an expanding internal channel, a pyrovalve in the body of which a piston is placed, a connection unit for controlling high-voltage wires to detonate the powder charge, and a bypass hole is made into the volume for collecting, storing and sampling gas from it.

Недостатки устройства, изложенного в [4], в случае отбора газа для химического анализа заключаются в следующем:The disadvantages of the device described in [4], in the case of gas extraction for chemical analysis, are as follows:

- при температурах торможения газового потока перед отверстием пробоотборника, больших 2000 К, падение температуры отобранной пробы в сверхзвуковой части пробоотборника (понижение статической температуры при расширении отобранной пробы, теплоотвод в стенки канала) недостаточно для гарантированного отсутствия в каналах устройства вторичных химических реакций;- at gas flow inhibition temperatures in front of the sampler opening greater than 2000 K, a drop in the temperature of the sample taken in the supersonic part of the sampler (lowering the static temperature when the sample is expanded, heat dissipation into the channel walls) is not enough to guarantee the absence of secondary chemical reactions in the device channels;

- значительная часть падения температуры должна происходить при дозвуковой скорости на длине от места перехода сверхзвукового потока в дозвуковой (от псевдоскачка до камеры). В данном устройстве теплоотвод осуществляется только в стенки канала, чего недостаточно;- a significant part of the temperature drop should occur at a subsonic speed along the length from the point of transition of the supersonic flow into the subsonic flow (from the pseudo-jump to the camera). In this device, heat removal is carried out only in the walls of the channel, which is not enough;

- большая длина каналов устройства от начала псевдоскачка до баллона не обеспечивает при больших температурах отобранной пробы требования, чтобы время прохождения пробой этой длины было меньше времени индукции возможных вторичных реакций;- the large length of the channels of the device from the beginning of the pseudo-jump to the cylinder does not provide at high temperatures for the sample taken the requirement that the transit time of a sample of this length be less than the time of induction of possible secondary reactions;

- узел подрыва пироклапана находится на лобовой части устройства, что при больших температурах и давлениях газового потока вызывает сбои в работе из-за больших тепловых потоков в районе подключения управляющего проводника к пироклапану.- the pyrovalve undermining unit is located on the front of the device, which at high temperatures and gas flow pressures causes malfunctions due to large heat fluxes in the area where the control conductor is connected to the pyrovalve.

- наличие одного (положительного) поджигающего электрода (корпус устройства - минус) приводит к появлению электроэррозии на поверхности поршня клапана и корпусе устройства, что нарушает герметичность баллона с отобранным газом.- the presence of one (positive) igniting electrode (device body is minus) leads to the appearance of electroerosion on the surface of the valve piston and device body, which violates the tightness of the sample gas cylinder.

Задачей изобретения является расширение экспериментальных возможностей устройства за счет увеличения предельных температур и давлений, при которых устройство может применяться в высокоэнтальпийных установках кратковременного действия как устройство для взятия пробы газа с целью определения состава, так и измерения расхода газа.The objective of the invention is to expand the experimental capabilities of the device by increasing the limiting temperatures and pressures at which the device can be used in high-enthalpy installations of short duration as a device for sampling gas to determine the composition and measure gas flow.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для отбора пробы газа и измерения расхода в высокоэнтальпийных установках кратковременного действия содержит собственно пробоотборник, пироклапан, узел подключения управляющих высоковольтных проводов для подрыва порохового заряда, перепускное отверстие в баллон для сбора и хранения пробы газа. This object is achieved in that the device for gas sampling and flow measurement in high-enthalpy installations of short duration contains the actual sampler, pyrovalve, connection unit for controlling high-voltage wires to detonate the powder charge, a bypass hole in the cylinder for collecting and storing gas samples.

Новым является то, что в канале пробоотборника установлена теплопроводная вставка с развитой площадью поверхностей, а баллон для сбора и хранения газа снабжен поршнем, благодаря перемещению которого можно изменять давление в баллоне, при этом узел подключения управляющих высоковольтных проводов для подрыва порохового заряда установлен в аэродинамической тени пироклапана и дополнительно снабжен двухэлектродной системой, а в корпусе пироклапана выполнено дренажное отверстие для сброса давления пороховых газов.What is new is that a heat-conducting insert with a developed surface area is installed in the sampler’s channel, and the gas collection and storage cylinder is equipped with a piston, due to the movement of which the pressure in the cylinder can be changed, while the connection point for the control high-voltage wires to detonate the powder charge is installed in the aerodynamic shadow a pyrovalve and is additionally equipped with a two-electrode system, and a drainage hole is made in the pyrovalve body to relieve pressure of the powder gases.

Это же устройство позволяет осуществить способ определения расхода газа путем сравнения массы газа (Gб)э, наполнявшего в экспериментах в течение времени tб камеру известного объема, со значением массы (Gб)р, которая должна поступать в камеру за время tб при расчетных значениях скорости Wн и удельного объема vн газа в рабочей части установки. Тем самым косвенно определяется расход газа через трубку с площадью поперечного сечения F.The same device allows you to implement a method for determining gas flow by comparing the mass of gas (G b ) e , which filled a chamber of known volume in experiments during time t b with the value of mass (G b ) p , which should enter the chamber during time t b at the calculated values of the velocity W n and the specific volume v n of gas in the working part of the installation. This indirectly determines the gas flow through the tube with a cross-sectional area F.

Технический результат, достигаемый при этом, - увеличение предельных температуры и давления, при которых устройство может применяться в высокоэнтальпийных установках кратковременного действия, например в импульсных трубах, повышение достоверности отобранной пробы газа, наполнившей камеру, возможность одновременного измерения расхода.The technical result achieved in this case is an increase in the limiting temperature and pressure at which the device can be used in high-enthalpy installations of short duration, for example, in impulse pipes, increasing the reliability of the selected gas sample filling the chamber, and the possibility of simultaneously measuring the flow rate.

Схема устройства для отбора пробы газа и измерения расхода в высокоэнтальпийных установках кратковременного действия приведена на чертеже.A diagram of a device for sampling gas and measuring flow in highly enthalpy installations of short duration is shown in the drawing.

Устройство включает в себя: насадок 1 пробоотборника с заостренной передней кромкой и расширяющимся внутренним каналом, пробоотборник 2, вставку 3 из материала с большой теплопроводностью (может быть выполнена из меди) и с развитой площадью внутренних поверхностей (пористой), корпус пироклапана 4, подпружиненный стопор 5 для фиксации поршня 6 пироклапана и дренажное отверстие 7 для сброса давления пороховых газов. Узел подключения управляющих высоковольтных проводов для передачи сигнала на подрыв порохового заряда 8 (пиросостав) установлен в аэродинамической тени за пироклапаном и содержит также поджигающую свечу 9, изолятор свечи 10 и два электрода 11. Дополнительный (отрицательный) электрод 11 обеспечивает контролируемый разряд между электродами, а не на поршень, как было в прототипе. На поверхности поршня и цилиндра после нескольких пусков появлялись следы электроэррозии и нарушалась герметичность системы. В настоящем варианте система не связана с землей. Объем для сбора, хранения и отбора из него пробы газа - баллон 12 содержит поршень 13, винт 14 перемещения поршня баллона, резиновую заглушку 15 для отбора пробы газа и датчик давления 16. Перепускное отверстие 17 между полостью пробоотборника 2 и баллоном 12 перекрывается поршнем 6 пироклапана.The device includes: nozzles 1 of a sampler with a pointed front edge and an expanding internal channel, sampler 2, insert 3 of a material with high thermal conductivity (can be made of copper) and with a developed area of internal surfaces (porous), pyrovalve body 4, spring-loaded stopper 5 for fixing the piston 6 of the pyrovalve and the drain hole 7 to relieve the pressure of the powder gases. The connection node for controlling high-voltage wires for signaling to detonate the powder charge 8 (pyrocomposition) is installed in the aerodynamic shadow behind the pyrovalve and also contains a burning candle 9, the insulator of the candle 10 and two electrodes 11. An additional (negative) electrode 11 provides a controlled discharge between the electrodes, and not on the piston, as it was in the prototype. After several starts, traces of electrical erosion appeared on the surface of the piston and cylinder, and the system was not sealed. In the present embodiment, the system is not connected to the ground. The volume for collecting, storing and sampling gas samples - the cylinder 12 contains a piston 13, a screw 14 for moving the piston of the cylinder, a rubber plug 15 for sampling gas and a pressure sensor 16. The bypass hole 17 between the cavity of the sampler 2 and the cylinder 12 is closed by the piston 6 of the pyrovalve .

Устройство, приведенное на чертеже, в режиме отбора пробы работает следующим образом.The device shown in the drawing, in the sampling mode, operates as follows.

Перед экспериментом устройство находится в исходном состоянии, как показано на чертеже. При подготовке аэродинамической трубы к пуску проводится вакуумирование газодинамического тракта трубы до давления 10-2 мм рт.ст. Вместе с газодинамическим трактом вакуумируются полости устройства для отбора пробы газа: канал пробоотборника 2, полость корпуса пироклапана 4, перепускное отверстие 17, баллон 12. Поршень 13 с помощью винта 14 отведен в крайнее правое положение и застопорен для предотвращения его смещения из-за разницы давления, действующего на торцы поршня после окончания пуска трубы и разгерметизации рабочей части установки.Before the experiment, the device is in its original state, as shown in the drawing. When preparing the wind tunnel for start-up, the gas-dynamic path of the pipe is evacuated to a pressure of 10 -2 mm Hg. Together with the gas-dynamic path, the cavities of the device for sampling gas are evacuated: the channel of the sampler 2, the cavity of the pyrovalve body 4, the bypass hole 17, the cylinder 12. Using the screw 14, the piston 13 is retracted to the extreme right position and is locked to prevent its displacement due to pressure difference acting on the ends of the piston after the start of the pipe and depressurization of the working part of the installation.

После запуска трубы через отверстие d0 происходит натекание газа в пробоотборник. В процессе отбора газа с помощью скоростной видеосъемки контролируется форма скачка уплотнения на острой передней кромке отверстия d0. Сигнал на подрыв пироклапана подается через узел подключения управляющих высоковольтных проводов до момента появления отошедшего скачка уплотнения. Поэтому время подачи импульса на подрыв пироклапана контролируется дополнительно видеокамерой.After starting the pipe through the hole d 0 there is a leakage of gas into the sampler. In the process of gas sampling using high-speed video recording, the shape of the shock wave at the sharp leading edge of the hole d 0 is controlled. The signal to detonate the pyrovalve is fed through the connection unit for the control high-voltage wires until the outgoing shock wave appears. Therefore, the timing of the pulse to detonate the pyrovalve is additionally controlled by a video camera.

После сигнала на подрыв пироклапана из-за быстрого повышения давления в полости 8 поршень 6 через ~50-100 мкс закрывает герметично перепускное отверстие 17 пробоотборника 2, подпружиненный стопор 5 фиксирует поршень 6 в крайнем левом положении.After the signal to detonate the pyrovalve due to the rapid increase in pressure in the cavity 8, the piston 6 closes the hermetic bypass hole 17 of the sampler 2 through ~ 50-100 μs, the spring-loaded stopper 5 fixes the piston 6 in the extreme left position.

Таким образом, полость баллона 12 изолируется от газодинамического тракта трубы.Thus, the cavity of the cylinder 12 is isolated from the gas-dynamic path of the pipe.

При определения расхода наполнившему баллон газу дают возможность остыть до комнатной температуры Тб. Затем измеряют давление в баллоне с помощью манометра или датчика давления 16. Зная величину объема V баллона 12 и перепускного отверстия 17, давление рб в полости баллона, время tб=tб2-tб1 пребывания в открытом состоянии перепускного отверстия 17, определяют массу газа, поступившего в баллон за время tб When determining the flow rate, the gas filling the cylinder is allowed to cool to room temperature T b . Then measure the pressure in the cylinder by the pressure gauge or pressure sensor 16. Knowing the volume V cylinder 12 and the bypass openings 17, the pressure P b in the cylinder cavity, the time t = t b -t b1 b2 stay in the open state of the bypass openings 17, determine the mass gas entering the cylinder during t b

(Gб)э=Vрб/(RTб),(G b ) e = V b / (RT b ),

где R - удельная газовая постоянная, tб1 - время начала наполнения баллона, tб2 - время окончания наполнения (срабатывание пироклапана после поступления сигнала на подрыв порохового заряда 8).where R is the specific gas constant, t b1 is the time of the beginning of the filling of the cylinder, t b2 is the time of the end of the filling (activation of the pyrovalve after the signal to detonate the powder charge 8).

Расчетное значение массы, которая должна натечь в баллон за время tб, определяется из выраженияThe estimated value of the mass that must leak into the cylinder for a time t b is determined from the expression

Figure 00000001
Figure 00000001

где Wн, vн - расчетные значения скорости и удельного объема в рабочей части установки, F0 - площадь входа в пробоотборник.where W n , v n - calculated values of speed and specific volume in the working part of the installation, F 0 - the area of the entrance to the sampler.

Величина δ=(Gб р-Gб э)/Gб э характеризует отклонение расчетных значений от экспериментальных и тем самым с точностью, определяемой δ, позволяет определять расход газа G=WнF/υн через площадь поперечного сечения F в рабочей части установки.The value of δ = (G b p -G b e ) / G b e characterizes the deviation of the calculated values from the experimental ones and, thereby, with the accuracy determined by δ, allows to determine the gas flow rate G = W n F / υ n through the cross-sectional area F in the working parts of the installation.

При отборе газа с целью определения состава, путем проведения в дальнейшем химического анализа, следует иметь ввиду, что на трех участках происходит замораживание пробы:When taking gas to determine the composition, by conducting further chemical analysis, it should be borne in mind that the sample is frozen in three areas:

1) на участке l1 со сверх- или гиперзвуковой скоростью, на котором за счет теплоотдачи к холодным стенкам пробоотборника 2 происходит уменьшение температуры пробы;1) in section l 1 with supersonic or hypersonic speed, at which, due to heat transfer to the cold walls of sampler 2, the sample temperature decreases;

2) на участке l2 с дозвуковой скоростью к развитым холодным поверхностям вставки 3;2) in the area l 2 with subsonic speed to the developed cold surfaces of insert 3;

3) к холодным стенкам баллона 12 после попадания пробы в баллон.3) to the cold walls of the cylinder 12 after the sample enters the cylinder.

Общее время охлаждения пробы в процессе прохождения ее от входного отверстия d0 до баллона 12 не должно превышать времени индукции химической реакции, зависящего от давления и температуры в пробе. Этим временем индукции определяется выбор длин l1, l2 и необходимость сведения до минимума длины участка между собственно пробоотборником 2 и баллоном 12.The total cooling time of the sample during its passage from the inlet d 0 to the cylinder 12 should not exceed the time of induction of a chemical reaction, which depends on the pressure and temperature in the sample. This induction time determines the choice of lengths l 1 , l 2 and the need to minimize the length of the section between the actual sampler 2 and the cylinder 12.

Заполнение баллона для отбора газа производится, как описано выше, после остывания отобранного газа до комнатной температуры, с помощью винта 14 производится перемещение поршня 13 влево, с целью повышения давления в полости баллона 12 несколько выше атмосферного. При этом давление в баллоне контролируется датчиком давления 16. После этого с помощью шприца прокалывается резиновая заглушка 15 и отбирается проба на химический анализ, что и обеспечивает предлагаемая конструкция пробоотборника газа.The gas cylinder is filled as described above, after the selected gas has cooled to room temperature, the piston 13 is moved to the left with the screw 14 in order to increase the pressure in the cavity of the cylinder 12 slightly above atmospheric. In this case, the pressure in the cylinder is monitored by pressure sensor 16. After that, a rubber plug 15 is punctured with a syringe and a sample is taken for chemical analysis, which ensures the proposed design of the gas sampler.

Источники информацииInformation sources

1. Рожицкий С.И., Строкин В.Н. К методике отбора газовой пробы из сверхзвукового реагирующего потока. // Физика горения и взрыва. 1974. Т. 10, №4. С. 492-498.1. Rozhitsky S.I., Strokin V.N. To the methodology for sampling a gas sample from a supersonic reacting stream. // Physics of combustion and explosion. 1974.Vol. 10, No. 4. S. 492-498.

2. Авторское свидетельство СССР №463029, кл. G01n 1/22, 1972 г.2. USSR copyright certificate No. 463029, class. G01n 1/22, 1972

3. Королев А.С, Бошенятов Б.В., Друкер И.Г., Затолока В.В. Импульсные трубы в аэродинамических исследованиях. Новосибирск. Наука, Сибирское отделение. 1978. 80 с.3. Korolev A.S., Boshenyatov B.V., Drucker I.G., Zatoloka V.V. Pulsed tubes in aerodynamic research. Novosibirsk Science, Siberian Branch. 1978. 80 p.

4. Шумский В.В., Ярославцев М.И. Состав рабочего тела в рабочей части высокоэнтальпийной установки // ФГВ. 2012. Т. 48, №1. С. 28-37.4. Shumsky V.V., Yaroslavtsev M.I. The composition of the working fluid in the working part of a highly enthalpy installation // FGV. 2012.V. 48, No. 1. S. 28-37.

Claims (3)

1. Устройство для отбора пробы газа в высокоэнтальпийных установках кратковременного действия, содержащее герметично соединенные собственно пробоотборник с заостренной передней кромкой и расширяющимся внутренним каналом, пироклапан, в корпусе которого размещены поршень клапана, узел подключения управляющих высоковольтных проводов для подрыва порохового заряда и выполнено перепускное отверстие в баллон для сбора и хранения пробы газа, отличающееся тем, что баллон для сбора пробы снабжен поршнем, в канале пробоотборника установлена теплопроводная вставка с развитой площадью внутренних поверхностей, при этом узел подключения управляющих высоковольтных проводов для подрыва порохового заряда установлен в аэродинамической тени пироклапана и дополнительно снабжен двухэлектродной системой, а в корпусе пироклапана выполнено дренажное отверстие для сброса давления пороховых газов.1. A device for sampling gas in high-enthalpy installations of short duration, containing hermetically connected the actual sampler with a pointed front edge and an expanding internal channel, a pyrovalve, in the body of which the piston of the valve is located, the connection unit of the control high-voltage wires for undermining the powder charge and a bypass hole is made in a cylinder for collecting and storing a gas sample, characterized in that the cylinder for collecting a sample is provided with a piston, t a heat-conducting insert with a developed area of internal surfaces, while the connection unit for controlling high-voltage wires to detonate the powder charge is installed in the aerodynamic shadow of the pyrovalve and is additionally equipped with a two-electrode system, and a drainage hole is made in the pyrovalve body to relieve the pressure of the powder gases. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что баллон сбора и хранения газа снабжен винтом перемещения поршня.2. The device according to p. 1, characterized in that the gas collection and storage cylinder is equipped with a piston displacement screw. 3. Способ определения расхода газа в высокоэнтальпийных установках кратковременного действия с использованием устройства по п. 1, отличающийся тем, что проводят вакуумирование газодинамического тракта и полостей устройства до давления 10-2 мм рт.ст, через перепускное отверстие пробоотборника заполняют газом баллон для отбора пробы, при этом поршень баллона стопорят в крайнем правом положении, затем герметично закрывают перепускное отверстие, наполнившему баллон газу дают возможность остыть до комнатной температуры Тб, измеряют давление в баллоне с помощью манометра или датчика давления, зная величину объема V баллона и перепускного отверстия, давление рб в полости баллона, время tб = tб2 - tб1 пребывания в открытом состоянии перепускного отверстия, определяют массу газа (Gб)э, поступившего в баллон за время tб
(Gб)э=Vрб/(RTб),
где R - удельная газовая постоянная, tб1, tб2 - время начала и окончания наполнения баллона, вычисляют расчетное значение массы, которая должна натечь в баллон за время tб.
3. A method for determining gas flow in short-acting highly enthalpy installations using the device according to claim 1, characterized in that the gas-dynamic path and device cavities are evacuated to a pressure of 10 -2 mm Hg, a sample bottle is filled with gas through the sample port , wherein the cylinder piston is immobilized in its rightmost position, then sealed overflow aperture, filling the gas cylinder was allowed to cool to room temperature T b is measured pressur e in the cylinder by the pressure gauge or pressure sensor, knowing the volume V bulb and the overflow aperture, the pressure P b in the cylinder cavity, the time t b = t e2 - t b1 stay in the open state of the bypass holes is determined the mass of gas (G b) e entering the cylinder during time t b
(G b ) e = V b / (RT b ),
where R is the specific gas constant, t b1 , t b2 is the start and end time of filling the cylinder, calculate the calculated value of the mass that must leak into the cylinder during t b .
RU2014138220/13A 2014-09-22 Device for gas sampling in high-enthalpy plants of short-term action and method of measuring flow gas rate with use of said device RU2582805C9 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014138220/13A RU2582805C9 (en) 2014-09-22 Device for gas sampling in high-enthalpy plants of short-term action and method of measuring flow gas rate with use of said device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014138220/13A RU2582805C9 (en) 2014-09-22 Device for gas sampling in high-enthalpy plants of short-term action and method of measuring flow gas rate with use of said device

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2014138220A RU2014138220A (en) 2016-04-10
RU2582805C2 true RU2582805C2 (en) 2016-04-27
RU2582805C9 RU2582805C9 (en) 2016-06-27

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1577487A1 (en) * 1988-07-12 1992-06-30 Предприятие П/Я Г-4903 Pulse air wind tunnel
JPH08178092A (en) * 1994-09-13 1996-07-12 Aero Systems Eng Inc Piston release valve for free piston impulse pipe/tunnel
RU2439523C1 (en) * 2010-07-16 2012-01-10 Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) Pulse altitude tube
CN102519704A (en) * 2011-11-08 2012-06-27 中国科学院力学研究所 Pulse wind tunnel thermal jet flow experiment gas source feed platform

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1577487A1 (en) * 1988-07-12 1992-06-30 Предприятие П/Я Г-4903 Pulse air wind tunnel
JPH08178092A (en) * 1994-09-13 1996-07-12 Aero Systems Eng Inc Piston release valve for free piston impulse pipe/tunnel
RU2439523C1 (en) * 2010-07-16 2012-01-10 Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) Pulse altitude tube
CN102519704A (en) * 2011-11-08 2012-06-27 中国科学院力学研究所 Pulse wind tunnel thermal jet flow experiment gas source feed platform

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Шумский В.В., ЯрославцевМ.И. "Состав рабочего тела в рабочей части высокоэнтальпийной установки", Физика горения и взрыва, 2012, т.48, N1,с.28-37. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014138220A (en) 2016-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Schneider Hypersonic boundary-layer transition with ablation and blowing
US7707871B2 (en) Leak detection system with controlled differential pressure
CN103207054A (en) High temperature structure sealing performance ground-based simulation testing device and method
Nagamatsu et al. Hypersonic shock tunnel
CN116735835A (en) Compact sandstone condensate gas reservoir failure development simulation device and method
RU2582805C2 (en) Device for gas sampling in high-enthalpy plants of short-term action and method of measuring flow gas rate with use of said device
RU2582805C9 (en) Device for gas sampling in high-enthalpy plants of short-term action and method of measuring flow gas rate with use of said device
RU2399783C1 (en) Bench for simulating pulse gas-thermodynamic impact of high-temperature gas on elements of heat protection of construction
Hillyer et al. Extension of test time in Ludwieg Tunnels
CN108872310A (en) A kind of Mixed Gases Explosion limit measuring method and device
Zhao et al. Performance of a detonation driven shock tunnel
Ady et al. Leak propagation dynamics for the HIE-ISOLDE superconducting linac
CN108318100B (en) System and method for measuring volume of gas released by decomposing liquid nitrogen frozen hydrate sample
Holden et al. Experimental and computational studies of the flow over a sting mounted planetary probe configuration
RU2718732C1 (en) Method for determining relative detonation capacity of gaseous and dispersed condensed combustible materials and device for implementation thereof
CN114753819B (en) Fire driving device and system for heavy oil reservoir
CN205404568U (en) Device of explosive explosion velocity under test low temperature
Damazo et al. Boundary layer profile behind gaseous detonation as it affects reflected shock wave bifurcation
KR102344630B1 (en) Hypersonic integrated experimental device
Duffy Experimental study of nonequilibrium expanding flows
RU2209418C2 (en) Method investigating conditions of progress of explosion with inflammation of explosive gas atmosphere and facility for its implementation
CN204630801U (en) A kind of gas sample heating loop back device
Antsygin et al. Determination of gas-flow composition in hot-shot wind tunnels
CN111024359A (en) Short-time gas injection flow measuring method
Cunningham et al. Experimental Investigation of the Effect of Yaw on Rates of Heat Transfer to Transverse Circular Cylinders in a 6500-Foot-Per-Second Hypersonic Air Stream

Legal Events

Date Code Title Description
TH4A Reissue of patent specification
TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 12-2016 FOR TAG: (54)