Устройство для исследования образования отложений на стенках топки котла при сжигании топлива

Изобретение относится к энергетике, а точнее к контрольным устройствам для исследования образования отложений на стенках топки котла при сжигании топлива.

Известен способ отбора проб аэрозоля из факела или сопла при сжигании топлив и пиросоставов и устройство посредством которого оно реализовано (SU №1186994 А, МПК G01N 1/22, 1983 г.). В устройстве из различных точек факела через капиллярную трубку осуществляют отсос аэрозольных частиц производят посредством отсасывающего насоса со скоростью равной 1-50 м/с. Отобранная порция газа отобранная из факела объемом 10^-3-1 см³ является достаточной для получения результата. Осаждение отобранных аэрозольных частиц на подложку проводят при давлении у поверхности подложки 10^-1-10^-3 мм рт.ст.

Недостатком этого способа и устройства, посредством которого оно реализовано, является низкая точность анализа из-за сканирования всего сечения факела, одноразовое измерение с последующим долгой сменой подложки на новую (несколько минут), отсутствие результатов в текущем режиме времени (только после анализа подложки в лабораторных условиях), отсутствие возможности отбора частиц более 2-3 мкм без искажения спектра распределения по размером (20 мкм частицы вообще не осаждаются в этом устройстве). Пробник и его подложка (вакуумный пробоотборник) не может находиться в факеле более секунды, так как имеет резиновые уплотнения и формваровую (органическую) подложку для исследования спектров частиц в электронном микроскопе (диаметр менее 1 мкм).

Наиболее близким по технической сущности является способ отбора проб из факела и струи при сжигании топлив и пиросоставов и устройство посредством которого он реализован (RU №2050534 С1, МПК G01N 1/22, 1993 г.). В устройстве жаропрочную капиллярную трубку устанавливают неподвижно в исследуемой точке факела. Всасывающим насосом через жаропрочную капиллярную трубку обеспечивают из факела отсос аэрозоля объемный расход 1-50 см³/с. Осаждение отобранных аэрозольных частиц на подложку производят при давлении у ее поверхности подложки 10^-1 10^-3 мм рт.ст. При осаждении аэрозольных частиц подложке сообщают в одном направлении прерывистое движение, причем время нахождения подложки в неподвижном состоянии не менее чем на порядок превышает время движения подложки.

Недостатком этого способа и устройства, посредством которого оно реализовано, является отбор частиц в холодной зоне струи факела, так как подложка (пленка для протяжки) может выдержать нагрев не более 200-250°С. Информацию о частицах можно получить только после обработки пленки с отборами в аналитической лаборатории, не отбираются частицы размером более 2-4 мкм, все устройство рассчитано на факела ракетных двигателей со временем срабатывание не более 5-10 секунд.

Технической задачей настоящего изобретения является оперативное высокоточное исследование процессов образования отложений на стенках котла при сжигании различных видов топлива.

Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно утверждать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.

Технический результат достигается тем, что устройство для исследования образования отложений на стенках топки котла при сжигании топлива, включает жаропрочную трубку, введенную через отверстие в топку котла и установленную неподвижно в исследуемой точке факела, всасывающий насос и исследовательскую подложку. Новым, согласно изобретению, является присоединение к горячему концу жаропрочной трубки конца жаропрочной проволоки, а другой конец этой проволоки присоединен к весам, расположенным вне топки котла, причем проволока расположена со стороны движения частиц продуктов сгорания факела и к ней подвешена исследовательская подложка, холодный конец жаропрочной трубки вне топки котла соединен с входом кварцевого фильтра, а к его выходу подсоединен всасывающий насос, причем на горячем конце жаропрочной трубки установлен конусный конфузор направленный навстречу движению частиц продуктов сгорания факела.

Исследовательская подложка выполнена из материала аналогичного стенкам топки котла и может быть выполнена различной объемной формы.

На горячем конце жаропрочной трубки с противоположной стороны движения частиц продуктов сгорания факела выполнен ряд отверстий, а на холодном конце жаропрочной трубки перед кварцевым фильтром выполнен смотровой колодец, под которым в жаропрочной трубке установлена наклонная отражательная поверхность, а над смотровым колодцем установлен фотодиод.

На фиг. 1 изображена схема устройства для исследования образования отложений на стенках котла при сжигании топлива; на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1.

Устройство для исследования образования отложений на стенках топки котла при сжигании топлива выполнено следующим образом.

В стенке топки котла 1 выполнено отверстие 2, в котором горизонтально и неподвижно установлена жаропрочная трубка 3, имеющая осевой канал 4 и выполненная, например, из керамики. Горячий конец жаропрочной трубки 3 расположен в исследуемой точке факела и к нему присоединен конец жаростойкой проволоки 5, например, из вольфрама. Второй конец этой жаропрочной проволоки 5 присоединен к электронным весам 6, расположенным вне котла 1. Жаропрочная проволока 5 расположена вдоль жаропрочной трубки 3 со стороны движения частиц продуктов сгорания факела и к ней подвешена исследовательская подложка 7, выполненная из материала, из которого изготовлена топка котла. Таким образом, жаропрочная трубка 3 не будет загораживать собой исследовательскую подложку 7 и это исключит ее влияние движению частиц продуктов сгорания факела на исследовательскую подложку 7. Исследовательская подложка 7 может иметь плоскую или объемную форму. На горячем конце жаропрочной трубки 3 установлен конический конфузор 8, направленный навстречу движению частиц продуктов сгорания факела. Холодный конец жаропрочной трубки 3 вне котла 1 соединен с входом кварцевого фильтра 9 для отбора частиц от 0,001 мкм и до 20 мкм из объема котла, а к его выходу подсоединен всасывающий насос 10 имеющий охладитель (не показан).

На горячем конце жаропрочной трубки 3 с противоположной стороны движения частиц продуктов сгорания факела выполнен ряд отверстий 11. Такое расположение отверстий 11 исключит их засорение (шлакование) частицами продуктов сгорания факела. На холодном конце жаропрочной трубки 3 перед кварцевым фильтром 9 выполнен смотровой колодец 12, под которым в жаропрочной трубке 3 установлена наклонная отражательная поверхность 13, а над смотровым колодцем установлен фотодиод 14.

Устройство для исследования образования отложений на стенках котла при сжигании топлива работает следующим образом.

При сжигании топлива в топке котла горячие продукты сгорания поднимаются вверх. Часть этих продуктов сгорания осаждается на стенках топки котла, образуя на них толстые корки отложений, что снижает КПД его работы. Часть продуктов сгорания на своем пути попадает в конусный конфузор 8, который согласует правильный изокинетический отбор и поворот частиц продуктов сгорания факела в осевой канал 4 жаропрочной трубки 3. Оптимизация этого согласования отбора частиц разного размера на один кварцевый фильтр 9 достигается выбором расхода всасывающего насоса 10 и формой конфузора 8. Частицы продуктов сгорания факела на своем пути в осевом канале 4 подсвечиваются через отверстия 11. Проходя мимо наклонной отражательной поверхности 13 в осевом канале 4, свет частиц продуктов сгорания факела отражается в смотровой колодец 12 и попадает на фотодиод 14, сигналы с которого поступают на регистрирующий канал компьютера (не показан). Они несут информацию о частицах размером менее 2-3 мкм, очень важную и быструю и дают дополнительную информацию о пульсациях скоростей и плотностях в факеле.

Далее под действием всасывающего насоса 10 эти частицы продуктов сжигания топлива поступают в кварцевый фильтр 9, где они осаждаются, а затем взвешиваются и исследуются методами электронно-зондового анализа в аналитических лабораториях. Всасывающий насос 10 обеспечивает объемный расход 1-50 см³/с газа из факела через осевой канал 4 керамической трубки 3. Это позволяет произвести отбор частиц от 0,001 мкм и до 20 мкм продуктов сгорания факела без существенного изменения их спектра по размерам - не более 10-20% в области даже больших частиц, до 20 мкм. Частицы продуктов сгорания факела большого размера (20-1000 мкм) отбираются на исследовательскую подложку 7 и затем исследуются в лабораториях. Их вес фиксируется на электронных весах 6 с высоким разрешением по времени (менее одной секунды). Исследовательскую подложку 7 выполняют из материала аналогичного стенкам 1 топки котла, что повышает точность и достоверность осаждения. Исследовательская подложка 7 может быть различной формы, например плоской или объемной, при этом исследовательскую подложку 7 плоской формы располагают горизонтально, чтобы максимальное количество движущихся вверх частиц продуктов сгорания факела осаждались на ней. Исследовательская подложка 7 может дать необходимые данные для исследования образования отложений на стенках котла, например формы и химический состав частиц продуктов сгорания факела, временной их рост, их рыхлость или твердость. Наличие в устройстве для исследования образования отложений на стенке топки котла при сжигании топлива кварцевого фильтра 9, исследовательской подложки 7 и фотодиода 14 расширяет и дополняет исследуемые характеристики частиц продуктов сгорания факела при разных временах осреднения.

Настоящее устройство обладает высокой эксплуатационной надежностью, так как не имеет подвижных частей и позволяет держать жаропрочную трубку 3 и жаропрочную проволоку 5 в факеле котла 1600°С неограниченно долго, а электронные весы 6 и кварцевый фильтр 9 расположены вне топки котла.

Предлагаемое устройство позволяет оперативно с высоким разрешением по времени (1 секунда) и точностью (менее 0.1 грамма) на сантиметр квадратный поверхности, измерять процессы и скорости роста толщины отложения на стенках топки котла при сжигании различных типов топлива в больших энергетических котлах ТЭС.