книги / Теплотехнические измерения и приборы

тельно заряженного электрода) покрыта пленкой молекулярного водорода и ток в цепи отсутствует. Кислород является активным деполяризатором. При введении кислорода в раствор происходит частичная деполяризация поверхности катода, что приводит к воз­ никновению в цепи электродов электрического тока, значение кото­ рого пропорционально в области малых концентраций содержанию кислорода и определяется уравнением

где SK— поверхность катода; D — коэффициент диффузии; п — валентность ионов кислорода; F — число Фарадея; С — концентра­ ция кислорода; ô — толщина диффузионного слоя.

Существуют электрохимические анализаторы с чувствительными элементами проточного типа. Буферным раствором в этом случае является анализируемая вода.

Применение такого принципа возможно только в случае измерений кислородосодержания в воде высокой степени чи­ стоты, когда вода не содержит примесей, могущих исказить результат измерения.

Влияние примесей в пита­ тельной воде полностью ис­ ключается в электрохимиче­ ских анализаторах с вспомо­ гательным газовым контуром,

В качестве примера рассмотрим электрохимический анализатор,

снабженный вспомогательным газовым контуром, фирмы «Кембридж» (Англия). Эти анализаторы применяются в СССР на ТЭС для измерения растворенного в питательной воде кислорода.

На рис. 22-5-2 приведена принципиальная схема электрохимического анали­ затора фирмы «Кембридж». Здесь 1 — напорная колонка; 2 — приемная колонка; 3 — электролизер позволяющий дозировать в газовый контур известные коли­ чества чистого кислорода при проверке прибора; 4 — газовый насос; 5 — измери­ тельная ячейка, которая состоит из двух электродов (золотого и платинового), погруженных в буферный раствор с pH = 9,2 или 6,4, в зависимости от диапазона

для очистки водорода, поступающего в газовый контур от возможных примесей кислорода; 10 — сосуд для поддержания постоянного уровня воды в приемной колонке; 11 — трубка для подачи водорода в приемную колонку.

Анализируемая предварительно охлажденная вода поступает через напорную колонку в приемную колонку и вытекает из нее через сосуд 10 в сливную во­ ронку. Одновременно в приемную колонку насосом, установленным в замкнутом контуре, подается водород. Водород проходит через слой воды в виде мелких пу­ зырьков. Растворенный кислород выделяется из воды и переходит в атмосферу водорода. В состоянии динамического равновесия концентрация кислорода в водо-

родной среде однозначноопределяется кислородосодержанием воды. Газовая смесь из приемной колонки поступаете измерительную ячейку. Здесь происходит обрат­ ный цикл массообмена: газы растворяются в буферном растворе.

При наличии вгазовой смеси кислорода происходит частичная деполяризация поверхности золотого катода, приводящая к возникновению тока в цепи электро­ дов. Восполнение потерь водорода осуществляется электролизером 8 . Давление водорода в контуре несколько выше атмосферного и поддерживается на постоянном значении барботажным клапаном 7.

Выходной сигнал измерительной ячейки в виде напряжения, снимаемого с резистора R , подается на усилитель, а затем на вход автоматического потенцио­ метра.

Кондуктометрический метод измерения микроконцентраций раст­ воренного в воде кислорода находит применение в СССР и в ряде зарубежных стран. Действие кондуктометрических анализаторов основано на использовании необратимых в условиях прибора реакциях растворенного в воде кислорода с тем или иным реаген­

том, сопровождающихся измене­ нием электропроводности анали­ зируемой воды. Применяемый реагент должен быстро и полно взаимодействовать с растворен­ ным в воде кислородом с обра­ зованием сильного электролита и не вступать в реакции с водой и ее примесями. Последнее тре­ бование предъявляется и к ве­ ществу, образующемуся в ре­ зультате реакции. Большое зна­

чение имеют также возможность получения реагента в чистом виде и его стоимость. Полностью перечисленным требованиям не удовле­ творяет ни одно из известных веществ. Свойства, наиболее близкие к оптимальным, имеют металлический таллий и в меньшей степени газообразная окись азота.

Следует отметить, что при использовании в кондуктометриче­ ском анализаторе в качестве реагента металлического таллия обес­ печивается более простая конструкция прибора, но наряду с этим необходимо учитывать эксплуатационные неудобства, обусловлен­ ные токсичностью таллия и ионов таллия, а также относительно высокую стоимость его. Анализаторы, использующие в качестве реагента окись азота, имеют более сложную конструкцию.

Принципиальная схема кондуктометрического анализатора для измерения микроконцентраций растворенного в воде кислорода по­ казана на рис. 22-5-3, где приняты следующие обозначения: 1 — вентиль запорный; 2 — холодильник для первоначального охлаж­ дения пробы воды; 3 — фильтр для обессоливания анализируемой воды, который заполняется ионообменными смолами (50% — анио­ нит марки АВ-17 и 50% — катионит КУ-2); 4 — дополнительный холодильник для охлаждения пробы воды; 5 — электродный пре­ образователь для измерения начальной электропроводности воды;

6 —‘ патрон из полиэтилена, заполненный мелко нарезанным метал­ лическим таллием; 7 — электродный преобразователь для измере­ ния удельной электропроводности воды на выходе из патрона; 8 фильтр для очистки воды от ионов таллия.

Анализируемая проба воды поступает через холодильник на вход фильтра 3. После фильтра через второй холодильник вода проходит через первый электродный преобразователь 5 и далее в патрон с металлическим таллием. После патрона проба воды посту­ пает во второй электродный преобразователь 7, а затем проходит фильтр и сливается в дренаж.

При взаимодействии кислорода, содержащегося в воде, с таллием он окисляет его до одновалентной гидроокиси таллия:

Н20 + 2Т1 + у 0 2-> 2Т10Н.

Получающаяся в результате реакции окисления гидроокись таллия хорошо растворяется в воде и быстро переходит в раствор в виде ионов таллия и гидроокиси. Гидроокись таллия является сильным электролитом, который повышает удельную электропроводность раствора на значение, пропорциональное содержанию растворенного в воде кислорода.

Рассмотренная принципиальная схема кондуктометрического анализатора используется в разработанных СКВ АП анализаторах АК-П и АК-300, предназначенных для измерения концентрации растворенного кислорода в питательной воде энергетических уста­ новок на ТЭС и АЭС.

В кондуктометрическом кислородомере АК-300 выходное напря­ жение измерительной схемы подается на вход усилителя для усиле­ ния и преобразования в выходной сигнал постоянного тока 0—5 мА. В качестве вторичного прибора используется миллиамперметр КСУ2. Кондуктометрический анализатор АК-300 выпускается класса точности 6 с диапазоном измерения 0—30 мкг/л 0 2. Параметры анализируемой воды: давление 5 кгс/см2 (0,5 МПа), температура 30 ± 5°С, расход 3 л/ч. Питание от сети переменного тока напряже­ нием 220 В, частотой 50 Гц. Потребляемая мощность 50 Вт,

22-6. Анализаторы для определения растворенного

вводе и паре водорода

Внастоящее время в энергетике уделяют большое внимание методу контроля скорости коррозии металла внутренних поверх­ ностей пароводяного тракта парогенераторов, основанному на определении в питательной воде и паре содержания водорода, являющегося неизбежным продуктом такой коррозии. Применяемый лабораторный метод анализа требует много времени, не может отражать динамики процессов и не обладает необходимой точностью. Если учесть, что скорость коррозии металла определяется сово­ купностью факторов, а именно водным и температурным режимами,

то только автоматический непрерывный контроль за водородом в воде и паре дает возможность оперативно контролировать правильность режима эксплуатации парогенератора. Надежный непрерывный контроль за содержанием водорода в воде и паре позволит решить стоящую перед энергетиками задачу повышения надежности и прод­ ления срока службы парогенераторов.

Известно, что растворимость данного газа в воде (конденсате пара) зависит от парциального давления этого газа в находящейся над водой газовой среде и не зависит от состава газов этой среды.

цели метод измерения тепло­ проводности газовой смеси, состоящей из водорода и кислорода, по отношению к кислороду. Приборы, основанные на измерении тепло­ проводности газовой смеси, принято называть термокондуктометри­ ческими анализаторами. Они получили широкое распространение в ряде зарубежных стран.

На рис. 22-6-1 приведена принципиальная схема термокондук­ тометрического анализатора для определения содержания водорода в паре или питательной воде парогенераторов. Анализатор состоит из следующих устройств и элементов: приемного преобразователя, использующего измерительную схему неуравновешенного моста; вторичного прибора ВП, например, автоматического потенциометра; стабилизированного источника питания ИПС\ электролизера Эл, заполненного водным раствором едкого кали, для получения чи­

стого кислорода; приемной колонки ПК с водяным затвором, в кото­ рую поступает контролируемая проба воды или конденсата пара; напорной колонки НК, которая поддерживает постоянство давления перед приемной колонкой преобразователя; диафрагмы Д для ста­ билизации расхода пробы. Небольшое избыточное давление кисло­ рода в приемной колонке поддерживается постоянным с помощью барботажного клапана, который на рис. 22-6-1 не показан.

Резисторы мостовой схемы Rlt R0 и R* выполнены из мангани­ новой проволоки. Плечи моста R3и R4, являющиеся чувствительны­ ми элементами, изготовляются из тонкой остеклованной платиновой проволоки диаметром примерно 0,04 мм. Чувствительный элемент R3 помещен в герметически закрытую камеру, заполненную чистым кислородом (сравнительным газом). Чувствительный элемент Д4 помещен в рабочую камеру, которая с помощью канала соединена с верхней частью приемной колонки. Таким образом, рабочая камера имеет диффузионный подвод газовой смеси. Для уве­ личения площади соприкосновения пробы конденсата (воды) с кислородной средой в приемной колонке установлена никелевая спираль.

Температура стенок камер чувствительных элементов (R3, Д4) преобразователя должна быть одинакова. Для этой цели камеры выполняют массивными, из металла с хорошей теплопроводностью. В корпусе камер делают канал, через который поступает проба воды из напорной колонки в приемную колонку.

Для снижения давления и температуры анализируемой пробы анализаторы снабжаются дополнительными устройствами. Напри­ мер, проба пара для анализа, отобранная из паропровода, предва­ рительно поступает в холодильник через дроссель, обеспечивающий снижение давления и необходимый расход пара. Из холодильника конденсат пара, имеющий температуру около 30°С, поступает в на­ порную колонку преобразователя.

Кислород из электролизера, как было сказано выше, непрерывно подается в приемную колонку ПК- Одновременно в эту колонку поступает анализируемая проба конденсата или воды и удаляется через водяной затвор в сливную воронку. При этом конденсат (вода) соприкасается со средой кислорода и выделяет растворенный водород. Эта газовая смесь, состоящая из кислорода и водорода, поступает в рабочую камеру с чувствительным элементом R4. Вследствие этого изменяются условия теплоотдачи от чувствитель­ ного элемента Rit нагреваемого током, к стенкам камеры, так как теплопроводность бинарной газовой смеси иная, чем сравнительного газа (кислорода). В силу этих обстоятельств температура чувстви­ тельного элемента R4 понижается, а следовательно, уменьшается его сопротивление. При этом на вершинах измерительной диагонали моста из-за нарушения его равновесия появится напряжение и указатель вторичного прибора займет положение, соответствующее значению сопротивления чувствительного элемента Rit а следова­ тельно, и содержанию водорода в анализируемой пробе.

Шкалу вторичного прибора анализаторов, применяемых для определения растворенного в воде и паре водорода, градуируют в микрограммах на литр (мкг/л) или микрограммах на килограмм (мкг/кг).

Рассмотренная принципиальная схема прибора используется в анализаторе для определения растворенного в воде водорода, выпускаемом фирмой «Кембридж» (Англия). Диапазон измерения водорода— от 0 до 20 мкг/кг (или мкг/л). Анализаторы фирмы «Кембридж» применяются в СССР на ряде ТЭС для определения содержания водорода в паре парогенераторов. Пределы допускае­ мой основной погрешности анализатора не превышают ± 5% верх­ него предела.

П Р И Л О Ж Е Н И Я

Т а б л и ц а П1-4-1

tp

Значения t p п в зависимости от доверительной вероятности Р и k — n — 1