CC BY
5
УДК 621
Кувшинов Н.Е.
инженер научно-исслед. лаборатории «ФХПЭ» Казанский государственный энергетический университет
Россия, г. Казань СПЕКТРАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ С ПОДОГРЕВНОЙ МНОГОХОДОВОЙ РАБОЧЕЙ КАМЕРОЙ МХК-1: СПЕКТРАЛЬНАЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ Аннотация. В статье рассматривается спектральные установки с подогревной многоходовой рабочей камерой МХК-1: спектральная аналитическая лаборатория
Ключевые слова: МХК - 1, высокое разрешение, многоходовая кювета
Kuvshinov N.E., engineer laboratory "FHPE" Kazan State Power Engineering University
Russia, Kazan
SPECTRAL INSTALLATIONS WITH HEATING MULTIPURPOSE CAMERA MKHK-1: SPECTRAL ANALYTICAL LABORATORY Annotation. The article deals with spectral installations with a heated multi-pass MKhK-1 working chamber: a spectral analytical laboratory Keywords: MHK -1, high resolution, multi-way ditch В последнем модернизированном варианте МХК-1 имела внутренний и внешний обогрев, что позволяло варьировать температуру рабочей среды и исследовать спектральные радиационные характеристики различных газов при давлениях от 1 ■ 10-4 до 30 атмосфер. В различные периоды времени регистрации спектров поглощения выполнялись спектрометрами различного спектрального разрешения ИКС-2, ИКС-6, ИКС-12, ИКС-21, растровым спектрометром Жирара. Начиная с 1994 г. в комплексе со спектрометром ИКС-31 она использовалась как аналитическая лаборатория для определения ингредиентного состава продуктов сгорания.
Спектрометрическая аналитическая лаборатория предназначена для определения ингредиентного состава продуктов сгорания топлив котло -агрегатов включая летучие, слаболетучие и нелетучие (золь) компоненты. Она представляет собой подогревной спектрофометрический комплекс, использующий в качестве рабочей камеры многоходовую рабочую камеру с внутренним и внешним обогревом. Система обогрева позволяет изменять температуру рабочей среды в диапазоне 300-900К, а вакуумированные монохроматор и осветитель обеспечивают репрезентативность выполнения анализов качественного и количественного состава продуктов сгорания отобранных проб.
Необходимость разработки подогревной рабочей камеры возникла вследствие потребности измерения многокомпонентного состава продуктов сгорания, включающих в своем составе летучие и нелетучие в обычных атмосферных условиях компоненты с температурами конденсации
в диапазоне от 30 до 150°С, а также зольную фракцию дисперсной фазы. В обычных атмосферных условиях многие компоненты оказываются захваченными зольными частицами или растворяются в каплях воды. Тем самым результаты измерений широко используемые технологиями становятся нерепрезентативными и не отражают реального ингредиентного состава продуктов сгорания.
Применение рабочей камеры с многоходовой схемой прохождения излучения позволяет измерять длину оптического пути (чувствительность измерений) в процессе выполнения измерений. Диапазон давлений в рабочей камере может быть расширен за счет разбавления пробы инертным оптически неактивным газом. Высокое спектральное разрешение позволяет идентифицировать компоненты продуктов сгорания по тонкой структуре спектров поглощения.
В состав установки входят многоходовая нагреваемая кювета и спектрометр ИКС-31, обеспечивающий работу в спектральной области 0,8-25 мкм. Многоходовая кювета имеет как внутренний, так и внешний обогрев. При использовании внешнего обогрева внутренняя полость кюветы нагревается до температуры 120 °С, а внутренний электрический обогрев позволяет повысить температуру газов до 800К. Внутренняя печь смонтирована между зеркалами оптической скамьи Уайта многоходовой кюветы в цилиндрическом теплоизоляционном кожухе, изготовленным из асбоцемента, прокаленного при температуре Т = 1000 К. На торцах печи поставлены отражающие диафрагмы. Температура вдоль оптического пути луча радиации контролируется пятью термопарами с точностью ±3°С при помощи ампервольтметра Ф30. Расположение обогревателей было выбрано таким образом, чтобы обеспечить однородность температуры вдоль оптического пути. После установления равновесия перепад температуры на торцах печи по отношению к ее центральной части при Т = 300К составляет ~20°С. Конструкция электрической печи и многоходовой кюветы выполнена таким образом, что при давлениях Р<0,1 МПа и температуре газовой смесиТ<800К температура окон кюветы близка к комнатной, а температура корпуса не превосходит 80°С. Корпус кюветы представляет собой сборную конструкцию, изготовленную из нержавеющей стали.
Все металлические узлы соединяются с помощью герметичных уплотнений, изготовленных из высокотемпературных резиновых пластин.
Степень нагрева регулируется величиной напряжения, подведенного к электропечи от автотрансформатора типа АОМН - 40-220. Откачка системы и запуск исследуемого газа в неё осуществляется с помощью вакуумно-дозирующей системы, которая соединяется с кюветой системой трубопроводов и вакуумных резиновых трубок. Давление и вакуум в кювете измеряются стрелочными манометрами и вакуумметрами модели 1227, ртутным манометром и вакуумметром ВДГ-1. Откачка из кюветы и блоков спектрометра ИКС-31осуществляется с помощью вакуумного насоса 2 НВР-5Д.
Оптическая схема установки представлена на рис. 2.1. Осветитель 1 и монохроматор 3 с приемной камерой 4 спектрометра ИКС-31 разнесены относительно друг друга. Излучение, модулированное с частотой / = 12,5 Гц, проходит через нагреваемую кювету 2 и зеркалами 10 и 11 фокусируется в плоскости входной щели монохроматора, которая находится в фокусе сферического зеркала 15(1). Зеркалами 13 и 15 излучение направляется на дифракционную решетку 14. После дифракции пучок параллельных лучей собирается сферическим зеркалом 15(2) и направляется поворотным зеркалом 16 в приемную камеру и далее зеркалами 18, 19 на приемную площадку болометра. Для срезания спектров налагающихся порядков дифракционной решетки после выходной щели монохроматора установлен блок сменных отрезающих светофильтров 17. Регистрация спектров осуществляется графопостроителем.
Рис. 1. Оптическая схема спектрометрической установки
Нагрев исследуемых образцов газовых смесей во избежание порчи оптической части многоходовой кюветы производится в течение 10-12 часов. Вакуумирование блоков спектрометра и продувка сухим азотом неоткачиваемых промежутков позволяет практически полностью ликвидировать остаточное поглощение, обусловленное сильными полосами поглощения атмосферных паров Н2О и СО2.
Для получения спектров эталонных метрологически обеспеченных газовых компонентов используется двухлучевой измерительный комплекс на базе спектрофотометра ИКС-24, позволяющий непосредственно регистрировать спектральные коэффициенты поглощения газовых
компонентов без последующей обработки. Двухлучевая газовая кювета представляет собой две точные копии друг друга многоходовые кюветы собранные в едином корпусе с одинаковой конструкцией управления их работой и независимой системой вакуумирования. В рабочем состоянии одна из кювет находится в вакуумированном состоянии, в то время как в другую вводится исследуемый образец газа в точно контролируемых условиях по содержанию образца и уширяющему давлению. Спектрофотометр регистрирует разность сигналов от двух каналов измерений, который записывается графопостроителем в виде функции спектрального пропускания (поглощения) исследуемого образца газа. Компенсация атмосферного поглощения на регистрируемые спектры здесь проводится автоматически. Двулучевая многоходовая оптическая приставка обеспечивает оптические трассы протяженностью до семи метров.
На рис. 2 представлен внешний вид измерительного комплекса высокого разрешения в компоновке МХК-1с растровым спектрометром Жирара высокого спектрального разрешения.
Широкий комплекс экспериментальных исследований, выполненных со средним и высоким спектральным разрешением, обеспечил параметризацию функций спектрального пропускания (ФСП) практически всех ингредиентов газовой фазы земной атмосферы и создать атлас спектров прозрачности по произвольно-ориентированным трассам атмосферы, изданный в виде монографии. Параметризация ФСП обеспечила решение задач радиационного теплообмена в планетарных атмосферах.
Аналитическая лаборатория была испытана при измерениях состава продуктов сгорания автомобильного топлива, авиационных двигателей продуктов сгорания соснового бруса в модельных огневых испытаниях в камерах сгорания в натурных огневых испытаниях фрагмента здания системы «ПЛАСТБАУ». В последнем случае измерения выполнялись в течение всего периода пожара при полном контроле температурного поля в точках отбора проб и в окрестностях огневого эксперимента. Ингредиентный состав продуктов сгорания контролировался с момента загорания до конца пожара. Были выполнены измерения ингре-диентного состава продуктов сгорания и обнаружены и идентифицированы 28 оптически активных ингредиентов, большую часть которых составляют летучие и тяжелые слаболетучие углеводороды.
Рис. 2. Спектральный измерительный комплекс с подогревной многоходовой кюветой (МХК) в компоновке с растровым спектрометром высокого спектрального разрешения Жирара: 1 - монохроматор растрового спектрометра, 2 - электронный блок приемно-регистри-рующей системы, 3 -фотометрическая платформа с интерферометром фабри-Перо, 4 -монтажный стол, 5 - подогревная многоходовая кювета, 6 - люк оптического модуля, 7 - запорный вентиль МХК и вакуумно-дозирующей системы, 8 -оптическая согласующая приставка, 9 - согласующая оптическая приставка МХК с монохроматором, 10 - источник излучения (глобар), 11 - устройство для смены оптического пути МХК и визуального контроля, 12 - система очистки продувочного азота или гелия
Использованные источники:
1. Мисбахов Р.Ш., Мизонов В.Е. Моделирование кинетики застывания жидкой капли при охлаждении. // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ. - 2016.- №6 (76). - С. 72-74.
2. Москаленко Н.И., Мисбахов Р.Ш., Ермаков А.М., Гуреев В.М. Моделирование процессов теплообмена и гидродинамики в кожухотрубном теплообменном аппарате. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2014. - № 11-12. - С. 75-80.
3. Misbakhov R.Sh., Moskalenko N.I., Gureev V.M., Ermakov A.M. Heat transfer intensifiers efficiency research by numerical methods. // Life Science Journal. - 2015. - Т. 12. № 1S. - С. 9-14.
4. Литвиненко Р.С., Павлов П.П., Гуреев В.М., Мисбахов Р.Ш. Оценка технического уровня сложных систем на этапе разработки. // Вестник машиностроения. 2015. № 6. С. 35-39.
5. Мисбахов Р.Ш., Мизонов В.Е. Ячеечная модель фазового перехода в сферической капле при охлаждении. //Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2015. Т. 58. № 8. С. 71-74.
6. Лаптев А.Г., Мисбахов Р.Ш., Лаптева Е.А. Численное моделирование массопереноса в жидкой фазе барботажного слоя термического деаэратора. // Теплоэнергетика. 2015. № 12. С. 76.
7. Reshetnikov A.P., Ivshin I.V., Denisova N.V., Safin A.R., Misbakhov R.S., Kopylov A.M. Optimization of reciprocating linear generator parameters. // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Т. 10. № 12. С. 31403-31414.
