Разработка аппаратуры и измерение динамики температурных полей процесса обработки битума

Учитывая, что температура битума в котле изменяется от 90°С до 140-150°С, то для изучения распределения температур, а также оперативности измерений, лучше всего воспользоваться блоком термодатчиков, расположенных вдоль некоторого линейного элемента, заданно ориентируемого в пространстве.

Стандартная промышленно выпускаемая аппаратура, позволяющая осуществить требуемые измерения температуры в битумных емкостях с выполнением отмеченных выше требований, в настоящее время отсутствует. Поэтому для проведения натурных исследований была разработана специальная аппаратура. Для чего был проведен анализ приемлемых физических принципов работы датчиков температуры и в качестве основного физического принципа работы датчиков выбрана зависимость сопротивления металлического проводника от температуры. Важнейшим достоинством таких термодатчиков является линейная статическая характеристика.

В качестве термодатчиков было принято решение использовать электромагнитные реле РЭС-49 (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид реле РЭС- 49

Выбор РЭС-49 в качестве термодатчиков обосновывается:

• линейной зависимостью сопротивления от температуры во всем необходимом диапазоне измерения;
• достаточно высокой точностью измерения температуры за счет изменения сопротивления обмотки примерно на 6 Ом/°С (таблица 1);
  
• высоким сопротивлением медного провода обмотки реле, что позволяет значительно снизить погрешность измерения температуры, вносимую соединительными проводами;
  
• высокой надежностью датчика за счет защиты обмотки реле фторопластовой пленкой и герметичным корпусом (рис. 2);
  
• диэлектрической изоляцией корпуса реле от токоведущих выводов, в том числе и от выводов обмотки, что позволяет обеспечить защиту оператора от поражения током при проведении замеров вблизи ТЭНов;
  
• малым разбросом значений сопротивлений разных экземпляров реле (до 0,1%);
  
• малой стоимостью реле РЭС-49 по сравнению с промышленно выпускаемыми термометрами сопротивления.
  

 Рис. 2. Реле РЭС- 49 без корпуса

Таблица 1. Зависимость электрического сопротивления обмотки реле РЭС-49 от температуры

Для измерения сопротивления обмоток реле в качестве преобразователя сигнала использовался портативный цифровой мультиметр (рис. 3). При этом подключение каждого из датчиков температуры к измерительному прибору производилось через простой многоканальный переключатель.

Рис. 3. Цифровой мультиметр

Данный прибор позволяет производить измерение сопротивления с относительной погрешностью 0,1 %, что удовлетворяет условиям проведения исследований температурного поля в котле обезвоживания. Цифровой измеритель сопротивления в сочетании с термодатчиками образует цифровую измерительную систему, отличие которой от «настоящих» цифровых приборов состоит в том, что на дисплее высвечивается сопротивление, а не температура. Однако это отличие легко компенсируется с помощью компьютерной обработки данных.

На основании проведенного анализа из восьми РЭС-49 была изготовлена измерительная линейка датчиков температуры (рис. 4).

Рис. 4. Линейка термометров сопротивления

 1 - реле РЭС-49; 2 - деревянная поворотная планка; 3 - поворотное устройство; 4 - алюминиевая штанга-ручка

Для исключения влияния на температурное поле поворотная планка 2 изготовлена из дерева, при этом датчики температуры 1 врезаны в планку 2 с интервалом 10 см. С помощью поворотного устройства 3 планку с датчиками можно фиксировать параллельно штанге-ручке 4 или под любым углом до 90° включительно.

Соединительные провода выполнены из провода с высокотемпературной фторопластовой изоляцией. Кабель из этих проводов помещен в защитную трубку из силиконовой резины и находится внутри складной штанги-ручки. Штанга-ручка для облегчения транспортировки выполнена из алюминиевой трубки диаметром 20 мм. В рабочем состоянии длина линейки термометров сопротивления 4 метра, что дает возможность использовать ее для измерения распределения температуры по всему объему битума в котле.

Замеры температурных полей в котле обезвоживания производились после перекачки битума в котел, через каждые 5 часов и по окончанию процесса обезвоживания битума. Температура битума измерялась по вертикальным сечениям котла (рис. 5), расположенным параллельно торцовым стенкам на расстоянии не более 1 метра друг от друга, что дало возможность получить достаточно полную «картину» распределения температур от торцовой стенки до средины емкости котла.

Рис. 5. «Температурные» сечения в котле обезвоживания

Сечения выбирались исходя из наличия в котле обезвоживания люка, через который датчики линейки термометров сопротивлений погружались в битум. Ориентация датчиков в плоскости сечений измеряемых температур осуществлялась путем установки деревянной поворотной планки на линейке термометров сопротивлений под необходимым углом. При смене положения линейки термометров сопротивлений в битуме, перед получением данных о сопротивлениях, датчики температур термостатировались до постоянных показаний сопротивлений. Измеренные мультиметром сопротивления датчиков заносились в таблицу, а в ходе компьютерной обработки в лабораторных условиях переводились в показания температур.

Осредненные температурные поля битума в котле обезвоживания при обводненности битума 3-5% отображены на рис. 6-8.

Анализ поперечных сечений температурных полей (рис. 6-8) в котле обезвоживания выявил, что разность температур битума по высоте слоя достигает 25-30°С и более. При этом температура верхнего слоя, где битум находиться в пленочном (пена) состоянии и окисляется кислородом воздуха, достигает в среднем 125°С, что должно приводить к ухудшению качества битума. Так же температура достаточно высока в среднем слое битума над областью нагрева. В направлении боковых и торцовой стенок котла температура битума снижается, что является следствием не только тепловых потерь от наружной поверхности котла, зависящих от качества теплоизоляции, температуры воздуха, скорости ветра, но и следствием низкой теплопередачи в объеме битума при теплоотдаче за счет слаборазвитой свободной конвекции в высоковязкой битумной среде.

При этом расположение ТЭНов в средней части объема котла обезвоживания приводит к образованию застойных зон битума у боковых и торцевых стенок котла, а также в нижнем придонном слое, и, как следствие, к увеличению продолжительности процесса обезвоживания.

Таким образом, из анализа температурных полей следует, что процесс обезвоживания характеризуется неравномерным нагревом объема битума в котле и распределение температур во многом зависит не только от обводненности битума, теплоизоляции котла и влияния внешних условий, но и от расположения и режима работы нагревательных элементов. Однако оценить влияние различных режимов работы нагревательных элементов на энергозатраты и длительность процесса обезвоживания в условиях работы АБЗ не представляется возможным.

Рис. 6. Температурное поле при обезвоживании битума собводненностью 3,1% в котле

Рис. 7. Температурное поле при обезвоживании битума с обводненностью 3,7% в котле

 Рис. 8. Температурное поле при обезвоживании битума с обводненностью 4,6% в котле