RU2635843C2 - Устройство и способ по определению теплоты сгорания топлива - Google Patents
Устройство и способ по определению теплоты сгорания топлива Download PDFInfo
- Publication number
- RU2635843C2 RU2635843C2 RU2015123314A RU2015123314A RU2635843C2 RU 2635843 C2 RU2635843 C2 RU 2635843C2 RU 2015123314 A RU2015123314 A RU 2015123314A RU 2015123314 A RU2015123314 A RU 2015123314A RU 2635843 C2 RU2635843 C2 RU 2635843C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- combustion
- oxygen
- combustion chamber
- gas
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 107
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 92
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 15
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 71
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 48
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 48
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 47
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 14
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 11
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 5
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 2
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000001739 density measurement Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
- G01N25/22—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures
- G01N25/28—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures the rise in temperature of the gases resulting from combustion being measured directly
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K17/00—Measuring quantity of heat
- G01K17/006—Microcalorimeters, e.g. using silicon microstructures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K17/00—Measuring quantity of heat
- G01K17/06—Measuring quantity of heat conveyed by flowing media, e.g. in heating systems e.g. the quantity of heat in a transporting medium, delivered to or consumed in an expenditure device
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
- G01N25/22—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures
- G01N25/28—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures the rise in temperature of the gases resulting from combustion being measured directly
- G01N25/30—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures the rise in temperature of the gases resulting from combustion being measured directly using electric temperature-responsive elements
- G01N25/32—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures the rise in temperature of the gases resulting from combustion being measured directly using electric temperature-responsive elements using thermoelectric elements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/22—Fuels; Explosives
- G01N33/225—Gaseous fuels, e.g. natural gas
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Pathology (AREA)
- Immunology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Изобретение относится к устройству для определения теплоты сгорания топлива. Устройство содержит топливоподводящий патрубок для подачи в него измеряемого топлива. Для подачи кислородсодержащего газа в устройство предусмотрен газоподводящий патрубок. Устройство также содержит блок сгорания, соединенный с топливоподводящим патрубком и газоподводящим патрубком, при этом блок сгорания содержит камеру сгорания для сжигания измеряемого топлива. Газоотводящий патрубок, соединенный с камерой сгорания, позволяет выпускать отработанный газ. Устройство согласно настоящему изобретению содержит блок расходомера, предпочтительно Кориолисова типа, расположенный между топливоподводящим патрубком и камерой сгорания. Технический результат – повышение точности и достоверности получаемых результатов. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Настоящее изобретение относится к устройству и способу для определения теплоты сгорания топлива. В контексте настоящего документа под теплотой сгорания топлива понимается количество энергии, высвобождаемой при (полном) сгорании топлива.
Известным устройством для определения теплоты сгорания топлива является бомбовый калориметр, известный, например, из ЕР 0623818 А1. Указанный бомбовый калориметр содержит закрытый контейнер, в котором размещены точно определенная масса топлива, подлежащего измерению, кислородсодержащий газ и воспламенитель. Внутренний контейнер окружен внешним контейнером, в котором находится вода. С помощью бомбового калориметра производят поджиг топлива, подлежащего измерению вместе с кислородсодержащим газом. Топливо сгорает. Выделяемое тепло нагревает воду во внешнем контейнере. Значение теплоты сгорания топлива может быть определено путем измерения увеличения температуры воды, получаемого в результате сгорания.
Существует практическая необходимость в создании недорогой и надежной технологии измерения теплоты сгорания топлива, в частности газообразного топлива, в которой предпочтительно может использоваться удобное в управлении устройство, с помощью которого измерения могли бы выполняться на рабочих площадках, например, на новом месторождении природного газа, месторождении сланцевого газа или на территории биогазовой установки.
В связи с этим, задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованных устройства и способа определения теплоты сгорания топлива.
Чтобы решить эту задачу, в изобретении предлагается устройство, соответствующее приведенному выше описанию и содержащее
- топливоподводящий патрубок с впускным отверстием для подачи измеряемого топлива в устройство;
- газоподводящий патрубок с впускным отверстием для подачи кислородсодержащего газа в устройство;
- блок сгорания, соединенный с топливоподводящим патрубком и газоподводящим патрубком и содержащий камеру сгорания, где происходит реакция измеряемого топлива и кислородсодержащего газа в процессе реакции горения;
- газоотводящий патрубок, соединенный с камерой сгорания, для вывода отработанных газов, образованных в результате реакции горения; а также
- средства для измерения по меньшей мере значения количества энергии, выделенной в результате горения;
- блок расходомера, расположенный между впускным отверстием топливоподводящего патрубка и камерой сгорания.
При использовании устройства в соответствии с настоящим изобретением появляется возможность непрерывно подавать измеряемое топливо в устройство, смешивать указанное топливо с поступающим кислород-содержащим газом и, далее, сжигать топливо (в непрерывном режиме или с остановками), и таким образом определять теплоту сгорания топлива. Данная технология позволяет измерить колебания значения теплоты сгорания, например, обусловленные неоднородностью топлива. Также появляется возможность подавать строго необходимое количество кислород-содержащего газа для определенного количества подаваемого топлива с тем, чтобы добиться полного сгорания. Кроме этого, появляется возможность подачи относительно небольшого количества топлива в камеру сгорания, которая может быть относительно небольшой, что дает возможность использовать относительно небольшой образец топлива для определения теплоты сгорания. В результате чего, для опыта может использоваться довольно небольшое устройство, что соответствует требованиям использования устройства на рабочих площадках и решает задачу настоящего изобретения.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, о котором речь пойдет ниже, предлагается использовать устройство размерами порядка 0,1×0,1×0,1 м. Это значительное уменьшение в сравнении с известными системами, которые в некоторых случаях достигают размеров порядка 1×1×1 м. Так как размеры устройства настоящего изобретения невелики, то для проведения замеров потребуется относительно небольшой образец. Соответственно, для варианта устройства малых размеров будет достаточно скорости подачи, равной 1-2 мл в минуту, в то время как для известных крупногабаритных систем требуется расход в 5000 мл в минуту.
Устройство, описанное в настоящем изобретении, предпочтительно содержит блок расходомера для определения плотности и/или скорости подачи топлива. Подходящим блоком расходомера, например, является блок расходомера Кориолисова типа, с широко известной конструкцией и принципами работы, соответствующими документу ЕР 1719983, содержание которого в полном объеме включено в настоящую заявку посредством ссылки. Использование такого блока расходомера позволяет измерять скорость подачи (по массовому или по объемному расходу) измеряемого топлива с помощью относительно недорогой и надежной технологии. Такое измерение может происходить непосредственно перед тем, как топливо подается в камеру сгорания, что дополнительно повышает точность устройства. Кроме этого, блок расходомера Кориолисова типа подходит для определения плотности измеряемого топлива во время его подачи. Соответственно, появляется возможность проведения мгновенных замеров плотности, а следовательно, такие колебания плотности при необходимости могут учитываться при определении теплоты сгорания, что дает дальнейшее повышение точности. Использование описанного выше блока расходомера, например, Кориолисова типа, позволяет реализовать сравнительно компактный блок расходомера, вследствие чего все устройство имеет сравнительно небольшие размеры. Другой выгодный аспект - это относительно невысокая цена такого измерительного устройства. Таким образом, расходомер Кориолисова типа позволяет реализовать компактную и удобно управляемую конструкцию устройства сравнительно недорогого по цене.
Дополнительным преимуществом блока расходомера Кориолисова типа является его пригодность для измерения расхода и/или плотности как газообразного, так и жидкого топлива, а также их смеси. Это позволяет определять теплоту сгорания как газообразных, так и жидких видов топлива.
Если измеряется плотность измеряемого топлива, то появляется возможность эффективно измерить так называемое число Воббе WI (МДж/н.м3) топлива. Число Воббе используется для сравнения теплоты сгорания газообразных видов горючего разного состава. Число Воббе рассчитывается по формуле:
где Н [МДж/н.м3] - это количество тепла или, другими словами, теплота сгорания, которая выделяется во время полного сгорания определенного объема смеси горючего газа с воздухом; a Gs [-] - это отношение массовых плотностей газообразного топлива (например, измеряемого блоком расходомера Кориолисова типа) и воздуха при равной температуре и равном давлении. Число Воббе - это мера взаимозаменяемости различных газов для определенной горелки. Газы с равным числом Воббе дают одинаковую теплоемкость на одной горелке. У горелки, установленной для определенного газообразного топлива, сохранится теплоемкость при переходе на другой состав газа, если число Воббе газа не будет иметь значительных изменений. Если имеется довольно большая разница в числе Воббе, то горелка перестанет работать должным образом, и ее необходимо будет отрегулировать. На практике, отклонение в значении на 5% считается все еще приемлемым для промышленного использования; при бытовом использовании необходимо оставаться в диапазоне менее 2%.
Чтобы с помощью устройства можно было также определять число Воббе, устройство в одном из вариантов реализации настоящего изобретения включает в себя средства определения числа Воббе топлива на основании значения плотности, полученного блоком расходомера, например, Кориолисова типа. Для этого также используется описанное выше значение теплоты сгорания Н (МДж/н.м3).
Предпочтительным способом определения теплоты сгорания измеряемого топлива является измерение увеличения температуры в результате горения. В одном из вариантов это реализуется за счет того, что устройство содержит по меньшей мере один элемент измерения температуры, который может располагаться в блоке горения или рядом с ним. Таким образом, средства для измерения по меньшей мере значения количества энергии, выделяемой при горении, содержат элемент измерения температуры. В одном из вариантов элемент измерения температуры располагается на некотором расстоянии от камеры сгорания таким образом, что элемент измерения температуры будет подвержен меньшему воздействию увеличения температуры. Элемент измерения температуры может быть представлен интегрированным платиновым датчиком сопротивления.
В одном из вариантов устройство включает в себя блок расходомера, например, Кориолисова типа, расположенный между впускным отверстием газоподводящего патрубка и камерой сгорания. Массовый расход кислородсодержащего газа можно определить и, при необходимости, контролировать с помощью блока расходомера. Альтернативный или дополнительный вариант предусматривают возможность определения плотности кислородсодержащего газа с помощью указанного блока, чтобы можно было более точно установить число Воббе.
Надежную технологию горения измеряемого топлива можно получить, если снабдить устройство нагревательным элементом для повышения температуры как минимум измеряемого топлива предпочтительно перед тем, как оно поступает в камеру сгорания. Нагревательный элемент, например, резисторный нагревательный элемент, позволяет выполнять предварительный нагрев измеряемого топлива и/или кислородсодержащего газа до высокой температуры, например примерно до 600°С, или до другого значения в зависимости от температуры горения измеряемого топлива. Когда топливо смешивается с кислородсодержащим газом, температуры подогрева как правило хватает для самовозгорания. Возможна также установка дополнительных внешних нагревательных элементов, которые будут дополнительно подогревать смесь, чтобы вызвать самовозгорание. Также могут быть предусмотрены другие технологии возгорания.
Очень компактный, небольших размеров вариант устройства можно получить, если устройство содержит системную интегральную схему с кремниевой подложкой на носителе, при этом системная интегральная схема снабжена блоком расходомера и/или блоком сгорания. Вариант с блоком расходомера описан, например, в ЕР 2078936, который полностью включен в настоящее изобретение путем ссылки. При таком варианте появляется возможность использования датчика с размером интегральной схемы порядка 2×2 см, в результате чего достигается значительное уменьшение размеров по сравнению с известными системами. Преимуществом является тот факт, что блок расходомера Кориолисова типа подходит для интеграции с существующей технологией в системной интегральной схеме.
В системной интегральной схеме предусмотрено отверстие, в котором находится нитридкремниевая расходомерная трубка, оба конца которой переходят через стенку отверстия в канал с нитридкремниевым покрытием в кремниевой подложке. Такое исполнение хорошо подходит для блока расходомера Кориолисова типа.
Очень компактным вариантом исполнения, который особенно подходит для измерения расхода и/или плотности газообразного топлива, является исполнение, в котором блок расходомера Кориолисова типа содержит нитридкремниевую расходомерную трубку. Так как упомянутая расходомерная трубка имеет сравнительно тонкие стенки, а масса трубки, соответственно, сравнительно мала, то также существует возможность проводить точные замеры параметров газа.
Допускается вариант, когда блок сгорания содержит нитридкремниевую расходомерную трубку, и также дополнительно возможно, чтобы нитридкремниевая расходомерная трубка содержит камеру сгорания. Нитрид кремния хорошо подходит для этой цели, так как он выдерживает температуры приблизительно до 1000°С. Это позволяет получить компактную конструкцию. Это же относится к исполнению, в котором блок расходомера Кориолисова типа также включает в свой состав нитридкремниевую расходомерную трубку, как описано выше.
Данный аспект сравнительно небольшой камеры сгорания, которая может применяться как таковая, и заявитель оставляет за собой право на защиту настоящего аспекта, например, в одной или нескольких выделенных заявках. Согласно данному аспекту, представлено устройство для определения теплоты сгорания топлива, содержащее:
- топливоподводящий патрубок с впускным отверстием для подачи измеряемого топлива в устройство;
- газоподводящий патрубкок с впускным отверстием для подачи кислородсодержащего газа в устройство;
- системную интегральную схему с кремниевой подложкой на носителе, снабженную блоком сгорания, соединенным с топливоподводящим и газоподводящим патрубками, при этом блок сгорания снабжен камерой сгорания для обеспечения в процессе реакции горения химического взаимодействия измеряемого топлива с кислородсодержащим газом;
- газоотводящий патрубок, соединенный с камерой сгорания для выпуска отработанных газов, полученных в результате реакции горения; а также
- средства для измерения по меньшей мере значения количества энергии, высвобождаемой в результате горения.
Чтобы добиться точного замера значения увеличения температуры в результате горения, камера сгорания в отверстии системной интегральной схемы может быть снабжена теплоизоляцией. Тепло, выделяемое в процессе горения, будет распространяться в блоке сгорания путем кондуктивной теплопередачи и приведет к повышению температуры в месте расположения элемента измерения температуры, который и предусмотрен для этой регистрации такого повышения. Упомянутое увеличение температуры в этом случае будет значением количества тепла, выделяемого измеряемым топливом, и будет равно теплоте сгорания.
Предпочтительным вариантом считается такой вариант, в котором происходит полное сгорание, в результате чего становится возможным точное определение теплоты сгорания и/или числа Воббе. В одном из вариантов реализации устройство для этой цели содержит смешивающий элемент для смешивания измеряемого топлива и кислородсодержащего газа.
Чтобы проверить степень сгорания, в одной из реализаций далее по технологической цепочке за камерой сгорания выполнен датчик кислорода для определения значения количества остаточного кислорода в газообразных продуктах горения. В альтернативной реализации или в варианте с дополнительными возможностями, может иметь место каталитическое определение несгоревших компонентов. Такой вариант может быть реализован в виде относительно простой и компактной конструкции.
В одном варианте устройство снабжено каталитическим элементом. С помощью каталитического элемента можно добиться значительного снижения температуры самовозгорания примерно до 300°С, в результате чего температура в устройстве и, в частности, в блоке сгорания будет ниже, что продлит срок службы устройства.
Согласно одному аспекту в изобретении предусмотрен способ определения теплоты сгорания топлива с помощью заявленного устройства, включающий в себя:
- подачу измеряемого топлива в топливоподводящий патрубок;
- определение по меньшей мере одного параметра, например, расхода и/или плотности измеряемого топлива, посредством блока расходомера, предпочтительным вариантом которого считается блок расходомера Кориолисова типа;
- подачу кислородсодержащего газа в газоподводящий патрубок;
- подачу измеряемого топлива, также как и кислородсодержащего газа, в камеру сгорания блока сгорания;
- обеспечение реакции измеряемого топлива с кислородсодержащим газом в процессе реакции горения; а также
- определение значения энергии, высвобождаемой при сгорании топлива, которая соответствует теплоте сгорания топлива.
Преимущества данного способа были описаны выше в отношении устройства.
Согласно настоящему изобретению способ в частном варианте включает в себя этап определения по меньшей мере одного параметра с помощью блока расходомера, например, Кориолисового типа. Оптимально, таким параметром является плотность, но этим параметром также может быть массовый расход, или другой параметр, а также их сочетание.
В соответствии с изобретением, возможна реализация непрерывной подачи в камеру сгорания измеряемого топлива и кислородсодержащего газа.
В еще одном варианте реализации подача топлива и кислородсодержащего газа в камеру сгорания происходит периодически. И в этом случае горение, в результате которого происходит увеличение температуры, происходит тоже периодически, а при отсутствии подачи топлива тепло теряется. Таким образом, можно эффективно контролировать температуру системы. Кроме этого, временные факторы процесса увеличения температуры позволят выявить динамические теплообменные явления при передаче тепла на датчике и могут использоваться, например, для целей калибровки.
Так, например, отношение времени между двумя последовательными периодами подачи топлива, с одной стороны, и длительностью периода подачи топлива, с другой, больше 1, в самом оптимальном случае оно находится в диапазоне от 5 до 15, или, к примеру, в диапазоне от 9 до 11.
Продолжительность подачи измеряемого топлива может составлять приблизительно 10 секунд. В соответствии с указанным выше отношением, период, когда подача топлива отсутствует, или, другими словами, время между двумя периодами подачи топлива может быть больше 10 секунд, в оптимальном случае это значение находится в диапазоне от 50 до 150 секунд, или от 90 до 110 секунд.
Также возможен вариант, когда способ включает в себя этап измерения количества остаточного кислорода в сжигаемом топливе.
Ниже приведено более подробное описание изобретения, и приводятся иллюстрации с изображением возможных вариантов выполнения изобретения. Приведены следующие иллюстрации:
Фиг. 1 - это перспективный вид устройства согласно настоящему изобретению;
Фиг. 2 - это схематическое изображение устройства согласно настоящему изобретению;
Фиг. 3 - это схематическое изображение варианта устройства согласно настоящему изобретению.
На фиг. 1 изображено устройство 1 для определения теплоты сгорания топлива. Устройство включает в себя топливоподводящий патрубок 40 с впускным отверстием, который ведет в устройство 1 через промежуточный элемент 41. Топливоподводящий патрубок может быть, например, соединен с контейнером топлива (под давлением или без давления), из которого подается топливо. Аналогичным образом, устройство имеет газоподводящий патрубок 50, который также ведет к устройству 1 через промежуточный элемент 51. Газоподводящий патрубок 50 используется для подачи в устройство кислородсодержащего газа, например кислорода, и газоподводящий патрубок 50 соединен с контейнером кислородсодержащего газа. Топливо и кислородсодержащий газ подаются в системную интегральную схему 1 с кремниевой подложкой, закрепленной в кристаллодержателе 11. В системной интегральной схеме предусмотрено несколько отдельных каналов 4, 5, через которые проходят топливо и кислородсодержащий газ. В системной интегральной схеме 1 есть блок расходомера 14, 15 (в варианте на иллюстрации представлен блок расходомера Кориолисового типа) для топливного канала 4 и для газового канала 5, соответственно. Далее за ним по технологической цепочке выполнены каналы 21, 22, которые сходятся в месте расположения блока смесителя 30, где смешиваются топливо и кислородсодержащий газ. далее по технологической цепочке за смесительным каналом выполнена камера 7 сгорания, где происходит горение. Через канал 23, выполненный далее по технологической цепочке, отработанный газ может быть выпущен в газоотводящий патрубок 8, по которому он может быть выброшен через трубку 80.
Системная интегральная схема 1 снабжена отверстием 10, в котором находится нитридкремниевая расходомерная трубка 21, 22, 23 с двумя концами, которые оба сходятся через стенку отверстия в канале с нитридкремниевым покрытием в кремниевой подложке 11. В отверстии 10 присутствует область 12, на которой располагается камера сгорания. Таким образом, камера 7 сгорания имеет термоизоляцию внутри отверстия 10 системной интегральной схемы 1.
На фиг. 2 дано схематическое изображение вида сверху варианта реализации устройства 1, описанного в изобретении. На этой фигуре изображены топливоподводящий патрубок 4 и газоподводящий патрубок 5 для подачи кислородсодержащего газа. Два подводящих патрубка 4, 5 ведут в блок расходомера 14, 15, соответственно, где проводится замер расхода и/или плотности жидкости. В предпочтительном варианте реализован блок расходомера Кориолисова типа. Далее за ним по технологической цепочке находятся нагревательные элементы 43, 53, соответственно, каждый из которых нагревает участок 42, 52 расходомерных трубок, чтобы повысить температуру топлива и кислородсодержащего газа на первом этапе. Обе расходомерные трубки сходятся в Т-образном соединении 30 или смесительном элементе, где топливо смешивается с кислородсодержащим газом. Далее за ним по технологической цепочке находится еще один нагревательный элемент 83 для нагревания смеси топлива и кислородсодержащего газа, чтобы довести смесь до температуры возгорания при поступлении ее в камеру сгорания 82. Газообразные продукты сгорания впоследствии выводятся через газоотводящий патрубок 8.
В варианте, изображенном на фиг. 2, камера сгорания 82 образует часть системной интегральной схемы, а блоки расходомера 14, 15 выполнены отдельными узлами. Таким образом, существует возможность использовать доступные на рынке расходомеры, такие как массовые расходомеры CORI-FLOW фирмы Bronkhorst. Кроме этого, аналогично варианту, изображенному на фиг. 1, возможна реализация, при которой блоки расходомеров и камера сгорания входят в состав одной системной интегральной схемы, или возможен вариант с несколькими отдельными системными интегральными схемами.
На фиг. 3 изображен альтернативный вариант устройства 1, на котором схожие компоненты обозначены схожими числами. Устройство 1 так же содержит системную интегральную схему 11, в которой выполнено отверстие 10, в котором находится камера сгорания 12 с термической изоляцией. Этот вариант устройства 1 содержит два подводящих патрубка 2 для кислород-содержащего газа, которые выполнены в виде первого трубчатого канала 4 и второго трубчатого канала 6. В указанных каналах находятся первый блок 14 расходомера и второй блок 16 расходомера, соответственно, которые в предпочтительной реализации являются расходомерами Кориолисового типа. Устройство 1 также содержит подводящий патрубок 3 для топлива, в котором находится блок расходомера (не изображенный на схеме с целью сохранения ясности иллюстрации), в предпочтительной реализации - Кориолисового типа. В предпочтительном варианте блок расходомера рассчитан на измерение плотности и/или расхода соответствующей текучей среды.
Далее по технологической цепочке за подводящими патрубками 2, 3, в месте расположения термически изолированного участка 12, каналы соединяются в месте расположения смесительного блока 30. Далее за ним по технологической цепочке расположена камера 7 сгорания, которая в проиллюстрированном варианте выполнена в виде канала.
На системной интегральной схеме также находится ряд так называемых контактных площадок 9a-9n или контактных поверхностей, которые могут использоваться, например, для подключения к нагревательному элементу, элементу измерения температуры, датчику кислорода или любому другому необходимому элементу. Контактные площадки, такие как 9f-9n, широко известны специалистам. В варианте на иллюстрации контактные площадки 9a-9f подключены к платиновым нагревательным элементам, и с их же помощью может измеряться температура. В варианте на иллюстрации контактные площадки 9h-9n подключены к температурным датчикам. Датчик кислорода (не показаны на иллюстрации) расположен внутри или рядом с отводящим патрубком 8 для измерения остаточного кислорода, но также возможен вариант, в котором указанный датчик кислорода не образует составляющую часть устройства, но соединяется с отводящим патрубком 8 и реализован в виде отдельного узла.
Для специалистов понятно, что в вышеизложенном тексте приводится описание предпочтительно варианта осуществления изобретения. Однако этим вариантом не ограничиваются все возможности реализации изобретения. Возможны различные модификации на базе основной концепции изобретения. Объем испрашиваемой правовой охраны определяется прилагаемой формулой.
Claims (31)
1. Устройство для определения теплоты сгорания топлива, содержащее:
- топливоподводящий патрубок с впускным отверстием для подачи измеряемого топлива в устройство;
- газоподводящий патрубок с впускным отверстием для подачи кислородсодержащего газа в устройство;
- блок сгорания, соединенный с топливоподводящим патрубком и газоподводящим патрубком и оснащенный камерой сгорания для обеспечения в нем химической реакции измеряемого топлива с кислородсодержащим газом в процессе реакции горения;
- газоотводящий патрубок, соединенный с камерой сгорания, для вывода отработанных газов, образуемых в процессе реакции сгорания; а также
- средства для измерения по меньшей мере значения количества энергии, высвобождаемой при сгорании;
- блок расходомера, расположенный между входным отверстием топливоподводящего патрубка и камерой сгорания,
при этом устройство дополнительно содержит системную интегральную схему с кремниевой подложкой на носителе, оснащенную указанным блоком расходомера и/или указанным блоком сгорания, и имеющую отверстие, в котором расположена нитридкремниевая расходомерная трубка с двумя концами, которые оба сходятся через стенку отверстия в канале с нитридкремниевым покрытием в кремниевой подложке.
2. Устройство по п. 1, в котором блок расходомера, предпочтительно Кориолисова типа, выполнен для определения плотности и/или расхода измеряемого топлива.
3. Устройство по п. 1 или 2, в котором указанное устройство выполнено для определения теплоты сгорания газообразного и/или жидкого топлива.
4. Устройство по п. 1 или 2, содержащее средства для определения числа Воббе топлива.
5. Устройство по п. 1 или 2, в котором средства для измерения по меньшей мере значения количества энергии, высвобождаемой при горении, содержат элемент измерения температуры, который предпочтительно расположен на блоке сгорания или рядом с ним.
6. Устройство по п. 1 или 2, содержащее дополнительный блок расходомера, расположенный между входным отверстием газоподводящего патрубка и камерой сгорания, предпочтительно для определения плотности и/или расхода кислород-содержащего газа, при этом расходомер предпочтительно представляет собой расходомер Кориолисового типа.
7. Устройство по п. 1 или 2, оснащенное нагревательным элементом для повышения температуры по меньшей мере измеряемого топлива, предпочтительно перед его поступлением в камеру сгорания.
8. Устройство по п. 1, в котором блок расходомера Кориолисового типа содержит нитридкремниевую расходомерную трубку.
9. Устройство по п. 1 или 8, в котором блок сгорания содержит нитридкремниевую расходомерную трубку.
10. Устройство по п. 9, в котором нитридкремниевая расходомерная трубка содержит камеру сгорания.
11. Устройство по п. 10, в котором камера сгорания имеет термическую изоляцию внутри отверстия системной интегральной схемы.
12. Устройство по п. 1 или 2, содержащее смесительный элемент для смешивания измеряемого топлива и кислородсодержащего газа.
13. Устройство по п. 1 или 2, в котором далее по технологической цепочке за камерой сгорания выполнен датчик кислорода для определения значения количества остаточного кислорода в газообразных продуктах горения.
14. Устройство по п. 1 или 2, содержащее каталитический элемент.
15. Способ определения теплоты сгорания топлива с помощью устройства по любому из пп. 1-14, согласно которому:
- подают измеряемое топливо в топливоподводящий патрубок;
- определяют расход измеряемого топлива посредством блока расходомера;
- подают кислородсодержащий газ в газоподводящий патрубок;
- подают измеряемое топливо и кислородсодержащий газ в камеру сгорания блока сгорания;
- обеспечивают в нем химическую реакцию измеряемого топлива с кислородсодержащим газом в процессе реакции горения; а также
- определяют значение количества энергии, выделяемой при горении, для определения теплоты сгорания топлива,
при этом измеряемое топливо и кислородсодержащий газ подают в камеру сгорания периодически, а отношение продолжительности времени между двумя последовательными периодами подачи, с одной стороны, к продолжительности периода подачи, с другой стороны, больше 1 и предпочтительно находится в диапазоне от 5 до 15, например, в диапазоне от 9 до 11.
16. Способ по п. 15, согласно которому продолжительность периода подачи топлива равна примерно 10 секундам.
17. Способ по любому из пп. 15-16, который включает этап измерения количества остаточного кислорода в отработанном газе.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NL2010064A NL2010064C2 (nl) | 2012-12-27 | 2012-12-27 | Inrichting en werkwijze voor het bepalen van de verbrandingswaarde van een brandstof. |
| NL2010064 | 2012-12-27 | ||
| PCT/NL2013/050956 WO2014104889A1 (en) | 2012-12-27 | 2013-12-24 | Device and method for determining the combustion value of a fuel |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2015123314A RU2015123314A (ru) | 2017-01-30 |
| RU2635843C2 true RU2635843C2 (ru) | 2017-11-16 |
Family
ID=47604002
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015123314A RU2635843C2 (ru) | 2012-12-27 | 2013-12-24 | Устройство и способ по определению теплоты сгорания топлива |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9857321B2 (ru) |
| EP (1) | EP2939009B1 (ru) |
| CN (1) | CN105026920B (ru) |
| NL (1) | NL2010064C2 (ru) |
| RU (1) | RU2635843C2 (ru) |
| WO (1) | WO2014104889A1 (ru) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170115246A1 (en) * | 2015-10-23 | 2017-04-27 | Air Products And Chemicals, Inc. | Method and Apparatus for Determining Heating Value |
| NL2019559B1 (en) * | 2017-09-15 | 2019-03-28 | Berkin Bv | Micro machined fuel gas combustion unit |
| CN110230886B (zh) * | 2018-10-25 | 2021-05-18 | 华帝股份有限公司 | 一种自适应气源的燃气热水器的控制方法及其控制系统 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1103361A (en) * | 1966-03-28 | 1968-02-14 | Harry Bolling Breedlove | Calorimeter apparatus |
| EP0098716A1 (en) * | 1982-07-02 | 1984-01-18 | The Babcock & Wilcox Company | Calorimeters for and methods of monitoring calorific values of gases |
| SU1689830A1 (ru) * | 1989-11-21 | 1991-11-07 | Ленинградский технологический институт холодильной промышленности | Способ определени теплоты сгорани жидких топлив и устройство дл его осуществлени |
| SU1742695A1 (ru) * | 1990-05-31 | 1992-06-23 | Ленинградский технологический институт холодильной промышленности | Устройство дл определени теплоты сгорани жидких топлив |
| DE102006042618A1 (de) * | 2006-09-05 | 2008-03-13 | Technische Universität Bergakademie Freiberg | Verfahren zur Messung von Brennwerten von Brenngasen und Brennwertmessgerät |
| EP2015058A1 (en) * | 2007-07-13 | 2009-01-14 | General Electric Company | Wobbe index sensor system |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4809190A (en) * | 1987-04-08 | 1989-02-28 | General Signal Corporation | Calorimetry system |
| DE4314454C1 (de) | 1993-05-03 | 1994-10-13 | Ika Analysentech Gmbh | Bombenkalorimeter |
| CN1206465A (zh) * | 1996-10-18 | 1999-01-27 | 巴杰米特公司 | 利用预定量无催化燃烧测量发热量 |
| JP3326715B2 (ja) * | 1997-12-12 | 2002-09-24 | 株式会社山武 | ガス分析計 |
| US6612186B1 (en) * | 2000-02-16 | 2003-09-02 | Micro Motion, Inc. | Mass fraction metering device |
| US6786716B1 (en) * | 2002-02-19 | 2004-09-07 | Sandia Corporation | Microcombustor |
| CN1212513C (zh) * | 2002-04-25 | 2005-07-27 | 谢安东 | 定容取样无焰燃烧式燃气热值仪 |
| US7762719B2 (en) * | 2004-04-20 | 2010-07-27 | California Institute Of Technology | Microscale calorimeter |
| NL1028939C2 (nl) | 2005-05-02 | 2006-11-03 | Berkin Bv | Massa flowmeter van het Coriolistype. |
| CN1800848A (zh) * | 2006-01-16 | 2006-07-12 | 张东平 | 燃烧式燃气热值测量方法及其热值仪 |
| NL1034905C2 (nl) | 2008-01-11 | 2009-07-14 | Berkin Bv | Stromingsmeetapparaat. |
| CN101382533B (zh) * | 2008-10-15 | 2011-10-05 | 西安近代化学研究所 | 真空条件下火药燃烧特性测试装置 |
-
2012
- 2012-12-27 NL NL2010064A patent/NL2010064C2/nl not_active IP Right Cessation
-
2013
- 2013-12-24 EP EP13824408.2A patent/EP2939009B1/en active Active
- 2013-12-24 US US14/654,978 patent/US9857321B2/en active Active
- 2013-12-24 WO PCT/NL2013/050956 patent/WO2014104889A1/en active Application Filing
- 2013-12-24 CN CN201380071278.1A patent/CN105026920B/zh active Active
- 2013-12-24 RU RU2015123314A patent/RU2635843C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1103361A (en) * | 1966-03-28 | 1968-02-14 | Harry Bolling Breedlove | Calorimeter apparatus |
| EP0098716A1 (en) * | 1982-07-02 | 1984-01-18 | The Babcock & Wilcox Company | Calorimeters for and methods of monitoring calorific values of gases |
| SU1689830A1 (ru) * | 1989-11-21 | 1991-11-07 | Ленинградский технологический институт холодильной промышленности | Способ определени теплоты сгорани жидких топлив и устройство дл его осуществлени |
| SU1742695A1 (ru) * | 1990-05-31 | 1992-06-23 | Ленинградский технологический институт холодильной промышленности | Устройство дл определени теплоты сгорани жидких топлив |
| DE102006042618A1 (de) * | 2006-09-05 | 2008-03-13 | Technische Universität Bergakademie Freiberg | Verfahren zur Messung von Brennwerten von Brenngasen und Brennwertmessgerät |
| EP2015058A1 (en) * | 2007-07-13 | 2009-01-14 | General Electric Company | Wobbe index sensor system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| NL2010064C2 (nl) | 2014-06-30 |
| WO2014104889A1 (en) | 2014-07-03 |
| RU2015123314A (ru) | 2017-01-30 |
| US20160195482A1 (en) | 2016-07-07 |
| US9857321B2 (en) | 2018-01-02 |
| EP2939009B1 (en) | 2020-02-05 |
| CN105026920B (zh) | 2018-07-31 |
| EP2939009A1 (en) | 2015-11-04 |
| CN105026920A (zh) | 2015-11-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0098716B1 (en) | Calorimeters for and methods of monitoring calorific values of gases | |
| RU2684918C1 (ru) | Газовый датчик | |
| RU2229061C2 (ru) | Устройство для регулирования топливоокислительной смеси в подводящем трубопроводе горелки | |
| EP2241810A1 (en) | Flow rate control device | |
| RU2635843C2 (ru) | Устройство и способ по определению теплоты сгорания топлива | |
| WO2007001384A2 (en) | Flammability tester | |
| Dai et al. | Combustion characteristics of low-concentration coal mine methane in ceramic foam burner with embedded alumina pellets | |
| Abdelaal et al. | Effect of oxygen enriched air on porous radiant burner performance and NO emissions | |
| Ding et al. | Chemiluminescence based operating point control of domestic gas boilers with variable natural gas composition | |
| CN103487349A (zh) | 间歇式燃烧气体热量计 | |
| Tanaka et al. | Ignition characteristics of 2, 5-dimethylfuran compared with gasoline and ethanol | |
| Deb et al. | Development and performance assessment of LPG operated cluster Porous Radiant Burner for commercial cooking and industrial applications | |
| Dale et al. | High precision calorimetry to determine the enthalpy of combustion of methane | |
| NO853294L (no) | Apparat for maaling av varmeverdien av en brenngass. | |
| Zhang et al. | Experimental study of combustion characteristics of lean LPG/air mixture in Porous Media Burner | |
| FR2539230A1 (fr) | Procede de determination de la teneur en imbrules des produits residuels de combustion d'un combustible et dispositif pour la mise en oeuvre dudit procede | |
| JP6765798B2 (ja) | 熱量計 | |
| US5423609A (en) | Method and apparatus for determining the heat of combustion of a material based on the height of a diffusional flame within which the material is burned | |
| KR101979290B1 (ko) | 천연가스 열량계 및 이를 이용한 열량 측정 방법 | |
| JP2020060471A (ja) | 熱量計 | |
| Jalil et al. | Effect of oxygen enrichment on laminar burning velocity of methanol and ethanol–Oxygen–Nitrogen mixtures | |
| RU2421697C2 (ru) | Устройство камеры для сжигания твердого топлива в калориметре при стандартных условиях | |
| Al-Halbouni et al. | An efficient combustion concept for low calorific gases | |
| RU2318205C1 (ru) | Калориметрический способ измерения теплоты сгорания природного газа и других видов газообразного топлива | |
| KR100647245B1 (ko) | 제철소의 연료가스 관리시스템에 채용된 열량분석기 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201225 |