Министерство образования и науки Украины
ОдесскийНациональный Университет им. И.И. Мечникова
Физическийфакультет
Кафедра теплофизики
Определениетемпературы факела исследуемой газовой горелки
«допустить кзащите» Курсовая работа
зав. кафедрытеплофизики студента IV курса
профессор_____КалинчакВ.В. физического факультета
«__» _________2004г. Игнатьева А.А.
Научный руководитель
профессор Калинчак В.В.
ст.н.стТрофименко М.Ю.
Одесса 2004г.
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МЕТОДИКИ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИИЗМЕРЕНИИ
ТЕМПЕРАТУР
1.1. Контактные методыизмерения температур
1.1.1. Термометры расширения
1.1.2. Термоэлектрические термометры(термопары)
1.1.2.1. Принцип действия
1.1.2.2. Общие требованияк материалам для термоэлектрических
термометров
1.1.2.3. Принципыизмерения температуры с помощью
термоэлектрическоготермометра
1.1.2.4. Измерениетемпературы пламени с помощью
термоэлектрическоготермометра
1.1.2.5. Расчет влияниятемпературы свободных концов термопары
1.1.2.6. Погрешноститермоэлектрических термометров
1.2. Бесконтактныеметоды определения температур
1.2.1. Оптические методыизмерения температуры пламени
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ИЭКСПРИМЕНТАЛЬНАЯ
УСТАНОВКА
2.1. Экспериментальнаяустановка, методика проведения измерений, анализ
полученныхданных
ГЛАВА 3. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯБЕСКОНТАКТНЫХ
ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ
ИССЛЕДУЕМОЙ ГОРЕЛКИ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Введение
Современныенаучные и производственные технологии предполагают использованиевысокотемпературных реакций для получения тугоплавких высокопрочных материалов,процесса легирования и т.д.
Эффективностьиспользования применяемых для этих целей источников энергии (в частностииспользование пропан-бутана в горелках) должна обеспечивать максимальныетемпературы и полноту сгорания топлива.
В связис этим, важно понять механизм горения. Методом, с помощью которого это возможно- измерение температуры и ее распределение в факеле. Обычно измеряемыетемпературы лежат в достаточно широком интервале от -273º С до 3000ºС и более. Поэтому для измерения температуры во всех возможных случаяхнеобходимы разнообразные средства и методы измерений, к которым в зависимостиот поставленной задачи измерения выдвигаются существенно различные требования.
Контактныеметоды измерения температуры предполагают непосредственный контакт с измеряемымобъектом. Однако использование контактного термометра может приводить кнарушению структуры пламени. Возникающие в результате этого погрешностиизмерения и запаздывания показаний зависят от физических свойств и скороститечения измеряемой среды около термометра, а также от конструкции термометра.Такие погрешности могут быть больше методических погрешностей. При выбореконтактного термометра следует, кроме того, учитывать, что термометр долженвыдерживать механические, химические и термические нагрузки, которым онподвержен на данном объекте исследования.
В низкойобласти температур факела (до 600º С) применяются термометры, отличающиесяпростотой измерения температуры.
Длярасширения измеряемого температурного интервала и повышения быстротысрабатывания используются термоэлектрические термометры. Область их применениядо 1200º С.
Частособственная температура контактного термопреобразователя (или его части) даже встатическом режиме отличается от температуры измеряемой среды. Это отличиеопределяется особенностями теплообмена между термопреобразователем и измеряемойсредой, конструктивными и теплофизическими характеристиками самогопреобразователя и отдельных частей его арматуры, а также условиями теплообменатермопреобразователя с окружающей средой.
В случаебольших температур и быстропротекающих процессов используются оптические методыизмерения температуры обладающие высоким пространственным и временнымразрешением.
Актуальностьвыполняемых в данной работе измерений заключается в том, что для оптимальной организациипроцесса горения и, следовательно, эффективного использования газа необходимознание структуры факела пламени используемой горелки.
Цельюданной работыявляется определение структуры факела исследуемой горелки с целью достижениярежима, при котором в условиях эксперимента возможно получение максимальнойтемпературы.
ГЛАВА 1.МЕТОДИКИ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ
ТЕМПЕРАТУР.
1.1. Контактные методы измерения температур.
1.1.1. Термометры расширения
Методы измерениятемператур достаточно подробно изложены в работе [1,2].
В жидкостных стеклянныхтермометрах для определения температуры используется тепловое расширениеспециальной термометрической жидкости. Термометрическая жидкость заключена втонкостенный стеклянный резервуар, соединенный с капилляром, с которым связанатемпературная шкала.
Вследствие различиятеплового расширения жидкости и стеклянного резервуара при изменениитемпературы изменяется длина столбика жидкости, находящейся в капилляре.
Смачивающие илинесмачивающие термометрические жидкости должны обладать достаточной объемнойстабильностью в условиях работы термометра. В качестве несмачивающейметаллической жидкости служит чаще всего чистая и осушенная ртуть. Онаиспользуется для измерения температур в диапазоне от -38,5º С до 630ºС.
Термометры из кварцевогостекла для измерения температур до 800º С наполнены ртутью. Для измерениятемператур до -200º С применяют термометры, наполненные смачивающейорганической жидкостью.
Для удобства наблюдений иоблегчения отсчетов в термометрическую жидкость добавляют голубое или красноекрасящее вещество. Красящее вещество ни в коем случае не должно выделяться изжидкости и сужать сечение капилляра из-за осаждения на стенках. Неправильновыбранное красящее вещество может вызвать погрешность до 2 К. жидкость должнаиметь малую вязкость, чтобы время установления показания из-за медленногопротекания жидкости при охлаждении термометра было возможно меньшим. В качествесмачивающих термометрических жидкостей пригодны: толуол (от -90º С до 100ºС), спирт (от 110º С до 210º С), пентановая смесь (от -200º С до30º С). Из-за худшей теплопроводности и большей вязкости этих жидкостейинерционность таких термометров больше, чем ртутных.
Во всех термометрах недопускается наличие в жидкости пузырьков газа или пара, которые могут разорватьстолбик. Следует также следить за тем, чтобы не происходило испарения иконденсации жидкости в свободном пространстве капилляра. У термометров сосмачивающей жидкостью это может приводить к погрешности в несколько десятыхградуса уже при сравнительно низких температурах. Поэтому свободноепространство капилляра часто заполняют осушенным и очищенным от кислородаинертным газом под давлением, повышая тем самым точку кипения жидкости(избыточное давление в 1 бар для температур до 350º С. 20 бар до 600ºС, 70 бар до 750º С). Только у ртутных термометров для измерений ниже 200ºС можно использовать вакуумированный капилляр. Это облегчает устранение разрывастолбика, но и возникают они в этом случае значительно чаще. Поскольку большеесечение капилляра и быстрое изменение температуры вдоль столбика способствуетвозникновению разрывов в вакуумированных термометрах, обычно ртутные термометрыдля низких температур также наполняют защитным газом.
1.1.2. Термоэлектрические термометры (термопары).
1.1.2.1.Принцип действия.
В термоэлектрическихтермометрах для измерения температуры используется открытое в 1921 г. Зеебекомявление термоэлектричества (эффект Зеебека). Если два проводника из разныхметаллических материалов А и В соединены концами в замкнутый контур (рис.1. а) иместа соединений находятся при разных температурах t1 и t2, то в контуре возникаетэлектрический ток. Оба электропроводника, называемые термоэлектродами, образуюттермопару. Одно из мест соединения, помещаемое в среду с измеряемойтемпературой, является рабочим концом термопары, второе, находящееся припостоянной температуре, является свободным концом термопары.
Термоэлектродвижущая сила(т.э.д.с.) Е термопары с термоэлектродами А и В может быть рассчитана изалгебраической суммы эффекта Пельтье для мест контактирования А и В и эффектаТомпсона для обоих термоэлектродов А и В, если пренебречь такими необратимымиявлениями, как джоулевы потери и потери на теплопроводность.
Если в контуре,составленном из термоэлектродов А и В (см. рис. 1., б), течет ток, то припереходе электронов из одного термоэлектрода в другой они должны илизатрачивать, или приобретать энергию. При этом кинетическая энергия электроновувеличивается или уменьшается, а место контакта охлаждается или нагревается.Тепловые потоки, возникающие в обоих местах контактирования термоэлектродов А иВ, изменяются пропорционально току I.
/>/> А+ А+
t1 t2 t1 = t2 t2=t+/>t
б
а В- В-
Рис.1. Эффект Зеебека (а) и Пельте (б): а – термоконтур с термоэлектродами А и В;
б – термоконтур с источником тока; t1 и t2 – температуры спаев t1 Тепловой поток равен />, где Р – коэффициентПельтье, зависящий
от материала обоихтермоэлектродов и температур t1 и t2 мест контактирования; Р имеет размерность ВТ/A=В.
При прохождении тока I в контуре вследствие небольшого повеличине эффекта Томпсона термоэлектроды или нагреваются, или охлаждаются, еслив них есть перепад температур по сравнению, например, с наиболеевысокой
температурой контакта Т2.Этот тепловой поток также пропорционален току I и градиенту температур /> вобоих термоэлектродах и равен />, где /> — коэффициент Томпсона,зависящий от материала электродов и от температуры Т и имеющий размерностьВт/А·К = В/К.
Если рабочий конецтермопары находится при температуре />, асвободный – при Т, то т.э.д.с. />. Онаравна сумме эффектов Пельтье и Томпсона, т.е.
/>/> (1а)
или />
Отсюда следует
/> (1б)
После некоторых преобразований из(1б) можно вывести связь т.э.д.с. Е и коэффициентами Р и />:
/> (2а)
/> (2б)
Из фундаментальногоуравнения (2б) можно получить все термоэлектрические свойства термопары,например нелинейную зависимость температура – т.э.д.с.: />
Интегрированием уравнения(2б) получаем
/> (2г)
1.1.2.2.Общие требования к материалам для термоэлектрических термометров
Для удобства измеренийтемпературы с помощью термопар желательно, чтобы т.э.д.с. была достаточнобольшой и чтобы электросопротивление термопары было не слишком высоким. В этомслучае можно измерять температуру без особых дополнительных устройств, такихкак усилитель, а также на достаточно большом расстоянии между термопарой иизмерительным устройством. Кроме того, характеристика термопары должна бытьлинейной, а диапазон применения термопары возможно более широким.
Материалы для термопардолжны иметь возможно более высокую точку плавления, должно быть возможнымизготовление их в достаточном количестве и стабильного качества, термопарыдолжны легко обрабатываться для получения нужной формы (лента. проволока). Вматериале термоэлектродов в рабочем диапазоне температур не должно происходитьаллотропических превращений, вызывающих скачкообразные изменения т.э.д.с.Термоэлектроды должны обладать достаточной коррозионной стойкостью и бытьустойчивыми против окислительного и восстановительного действия среды; впроцессе окалинообразования или охрупчивания не должны изменяться ихтермоэлектрические свойства. Легирующие элементы, входящие в состав сплава, недолжны диффундировать наружу в результате селективного окисления или испарятьсяпри высокой температуре. Если эти условия выполняются в течение длительногосрока эксплуатации, то получают равномерную и стабильную зависимость т.э.д.с.от температуры. При этом значения т.э.д.с. термопар во всем рабочем диапазонележат в пределах допустимых погрешностей.
Кроме того, необходимообращать внимание на то, чтобы т.э.д.с. возможно меньше менялась примеханическом нагружении термопары, таком как растяжение, изгиб, смятие. Насвойство термоэлектродов особенно сильно влияет холодная деформация. Поэтомудля достижения постоянства т.э.д.с. термоэлектроды или термопары частостабилизируют электронагревом при достаточно высокой температуре.
При длительныхвысокотемпературных измерениях температуры рабочего конца и прилегающих частейтермоэлектродов примерно равны. Происходящие в этих зонах изменения химическогосостава термоэлектродов не сказываются на т.э.д.с. Точно также изменениясостава сплавов на рабочем конце термопары из-за пайки или сваркетермоэлектродов не влияет на измерение (закон промежуточного проводника).
1.1.2.3.Принципы измерения температуры с помощью термоэлектрического термометра
1. По законугомогенного контура в замкнутом контуре, состоящем
из одного гомогенногопроводника, ток отсутствует, даже если отдельные сечения проводника имеютразличные температуры. Отсюда следует: в контуре из двух различныхтермоэлектродов, места контактирования которых имеют разную температуру,т.э.д.с. не зависит от распределения температуры вдоль термоэлектродов.
2. По законупромежуточного проводника сумма напряжений в
контуре, состоящем избольшого числа различных термоэлектродов, равна нулю, если все термоэлектродыимеют одинаковую температуру. Исходя из этого закона, можно разомкнутьтермоэлектрический контур в любом месте и включить в него один или несколькоодинаковых или разнородных проводников. Если их места соединений находятся приодинаковой температуре, то не возникнет никаких паразитных т.э.д.с. можноразомкнуть контур в месте контактирования, например на свободном концетермопары и вставить другой проводник. Надо только на концах обоихтермоэлектродов в разомкнутом месте контактирования поддерживать одинаковыетемпературы, тогда распределение температур вдоль вставленного проводника небудет влиять на т.эд.с.
3. По законуаддитивности т.э.д.с., если два любых проводника А и В
имеют по отношению ктретьему С т.э.д.с. ЕАС и ЕВС, то т.э.д.с. термопары АВравна ЕАВ= ЕАС+ ЕВС
4. По законуаддитивности температур т.э.д.с. Е3, возникающая
вследствие разноститемператур t3 и t1, равна сумме т.э.д.с. Е1между t2 и t1 и т.э.д.с. Е2 между t3 и t2, т.е. Е3=Е1+Е2.Поэтому т.э.д.с. Е3, определяемая разностью между температурами t3 и t1. не зависит от изменения температурытермоэлектродов между рабочим концом термопары, находящемся при температуре t3. и свободным концом, находящимся при температуре t1.
1.1.2.4.Измерение температуры пламени с помощью термоэлектрического термометра
Один из простейшихметодов измерения температуры заключается в том, что вводят в пламя небольшойпо размерам термоэлектрический термометр. Температура такого термометра может,однако, существенно (на 100—200°С) отличаться от температуры газа, так как онаопределяется из теплового баланса:
/> (3)
где /> — тепло,переданное от пламени к термометру через конвекцию; />— теплокаталитического горения на термоэлектродах термометра; />— тепло,отведенное через термоэлектроды и соединительные провода; />— тепло,излучаемое термометром в окружающую среду.
Специальными мерамистремятся обратить в нуль величины /> и />. Величина /> зависитот температуры термоэлектродных проволок, пламени, стенок, а также от диаметрапроволоки и излучательной способности участвующих в лучистом теплообменеэлементов. Мысленно можно разложить /> на две компоненты,соответствующие теплообмену излучением между проволокой и стенками печи.
Для конвекционного потокатепла /> исходное значение критерия Нуссельта зависит, помимопрочего, от диаметра проволоки.
Для соблюдения условий,заложенных в основу теории прохождения потока через цилиндр, диаметр рабочегоспая термопары термометра должен в возможно большей степени соответствоватьдиаметру термоэлектронной проволоки; соединительные провода должны бытьрасположены в направлении наименьшего температурного градиента. При соблюденииэтих условий можно считать, что тепловой поток от рабочего спая в подводящиепровода пренебрежимо мал (/>/>0).
На основании изложенноговыше можно рассчитать действительную температуру пламени по результатамизмерений одним термометром. Получили также развитие способы измерения температуры, основанные на зависимости между показаниями термометра идиаметра термоэлектродной проволоки: в определенное место пламени один за другим вводят два (или более) термометра с разной толщиной термоэлектродов и исходя из результатов измерений рассчитывают действительнуютемпературу пламени:
/> (4)
где d — диаметртермоэлектродной проволоки; индекс «1» относится к тонкому термоэлектроду,индекс «2» — к толстому, индекс w — к стенке.
Этот, а также ибольшинство других методов с использованием двух термометров не учитываютобмена излучением между термометром и пламенем. Пренебрежение этим обменом вслучае несветящегося пламени не приводит к большой погрешности измерения. Вслучае светящегося оптически толстого пламени обменом излучением междутермоэлектродной проволокой и стенкой можно пренебречь по сравнению с обменоммежду термоэлектродной проволокой и пламенем. Вследствие сильной абсорбциипламени термометр «не видит» стенку. В этом случае применение уравнения (4) неприводит к полезным результатам. Естественно, что влияние излучения стенки илипламени зависит также и от места измерения.
При практическомприменении метода двух термометров часто возникают погрешности измерения тогоже порядка, что и рассчитанные [дробь в уравнении (4)]. Поэтому предложеноизмерять температуру лишь одним возможно более тонким термоэлектрическимтермометром, а поправку примерно оценивать из зависимостей, приведенных нарис.1. Последовательность расчетов следующая. Из уравнения (3) имеем
/>
где /> - излучательнаяспособность; /> - поверхность термометра.После несложных преобразований получим
/> (5)
Коэффициент />рассчитывается из уравнения(5) и рис.1, который соответствует Тw=300 К (рис.2 – зависимость коэффициента /> от измеренной температуры). Действительная температура приблизительно дается уравнением (5), в котороевводятся измеренные значения Т1 и Тw и значения />,определенные для данной температуры Т1 и диаметра проволоки d.
Вследствие своей массытермоэлектрические термометры при высокочастотных турбулентных колебанияхтемпературы пламени не могут точно за ними следовать и дают средние значениятемпературы, полученные интегрированием первой степени температуры во времени.
1.1.2.5.Расчет влияния температуры свободных концов термопары
Поскольку термопарамиизмеряют разницу температур, измеренная т.э.д.с. зависит не только оттемпературы рабочего спая, но и от температуры свободных концов термопары.Измеренная температура tравна температуре, определенной по градуировке термопары, если температурасвободного конца термопары /> равнаопорной температуре />, котораяположена в основу градуировки термопары, или если температура свободных концовколеблется вокруг нее в допустимых пределах. Если измерительный прибор имеетшкалу в градусах Цельсия, то необходимо температуру свободных концов термопары /> поддерживать возможноближе к опорной температуре /> (0 или20º С).
При отклонениитемпературы свободных концов /> отопорной /> измеренное значениет.э.д.с. Еа должно быть скорректировано на величину />Е, соответствующую этомуотклонению. Для температур от 0 до 60º С т.э.д.с. Е изменяется практическилинейно разности температур />-/>.
/>
Поэтому в соответствии срис.2. измеренное значение т.э.д.с. Еа должно быть увеличено на />. При этом т.э.д.с. Е,соответствующая температуре t,равна
/> (6)
Среднее значение k берется из таблицы.
Показания измерительногоприбора с температурной шкалой правильно в случае, если />=/>. При отклонениитемпературы свободных концов /> отопорной температуры измеряемая температура t может быть получена из отсчитанного значения ta при введении коэффициента коррекцииС:
/> (7)
Так как /> в интервале температур,близком к температуре свободных концов, пропорциональна />, а вблизи измеряемойтемпературы пропорциональна />, тодолжно быть
/>
и />
Поэтому С может бытьрассчитана из соотношения изменения т.э.д.с. от температуры при опорнойтемпературе /> к изменению т.э.д.с. приизмеряемой температуре t:
/> (8)
Коэффициент коррекции Сзависит от типа термопары и значения измеряемой температуры. В общем случае сповышением температуры коэффициент С уменьшается. Если характеристика термопарылинейна, то С=1, что приблизительно выполняется для термопары хромель-алюмель.
1.1.2.6. Погрешности термоэлектрических термометров.
Приоценке погрешностей, возникающих при измерении температуры термоэлектрическимитермометрами необходимо учитывать:
1. Отличать пределдопустимой погрешности от погрешности конкретной термопары, котораяопределяется ее характеристикой (градуировочной кривой).
2. Влияниетемпературы свободных концов термопары.
3. Погрешностьвследствие изменения сопротивления цепи термопары.
4. Погрешность из-занеточной установки или нестабильности тока потенциометра в схемах со смещениемнуля, а также при компенсационном (потенциометрическом) методе, а в некоторыхслучаях и погрешность, которая возникает при корректировке влияния температурысвободных концов в измерительных схемах.
5. Погрешностьизмерительного прибора, определяемая его классом точности и температурнойпогрешностью.
Приизмерении температуры контактными термопреобразователями могут возникнутьзначительные погрешности, обусловленные отводом теплоты от чувствительногоэлемента за счет теплоотдачи по чехлу и теплоотвода излучением. [3]
Погрешность/> измерения температурыгаза, вызванная лучистым теплообменом между чехлом термопреобразователя истенкой трубы, определяется из выражения:
/> (9)
где ТС,ТТ, ТСТ – соответственно температура измеряемой среды, термопреобразователяи стенки, К; /> - коэффициент теплоотдачиконвекцией между термопреобразователем и измеряемой средой, />; С0=5,67/> — коэффициент излученияабсолютно черного тела; />-приведенный коэффициент теплового излучения, характеризующий теплообмен междутермопреобразователем и стенкой.
Когдаповерхность стенки значительно больше поверхности термопреобразователя (/>), можно считать, что приведенныйкоэффициент теплового излучения практически равен коэффициенту тепловогоизлучения термопреобразователя (/>).
Погрешность/>измерения температуры засчет теплоотвода по чехлу определяется по формуле
/> (10)
где /> - коэффициент теплоотдачимежду термопреобразователем и измеряемой средой, />;Р и S – периметр, м, и площадь, м2,поперечного сечения чехла термопреобразователя; /> -коэффициент теплопроводности материала термопреобразователя, />; /> — глубина погружения чехлав измеряемую среду, м.
1.2. Бесконтактныеметоды определения температур.
1.2.1.Оптическиеметоды измерения температуры пламени.
Определение температурыоптическим методом [4,5] основано на изменении лучистости или спектральнойинтенсивности лучистости в зависимости от температуры. В оптическом прибореодна из характеристик излучения сравнивается с соответствующей характеристикойизлучения абсолютно черного тела. Прибор градуируется по абсолютно черному телунепосредственно в единицах температурной шкалы. Иначе говоря, в основуоптических методов измерения температуры положено измерение характеристикизлучения, однозначно с ней связанных.
Сравнение характеристикизлучения может осуществляться по принципу равенства общего излучения илиспектральных интенсивностей, а также по идентичности спектрального состава.Соответственно различают три кажущиеся температуры, связанные функционально систинной температурой тела и его излучательной способностью: радиационную, яркостнуютемпературу Тярк, цветовую температуру Тцв.
Механизм излучения пламенможно моделировать с помощью абсолютно черного тела.[4]
Абсолютно черным телом называется тело, которое полностьюпоглощает все падающее на него излучение независимо от направления падающегоизлучения, его спектрального состава и поляризации, ничего не отражая и непропуская.
Основным свойствомабсолютно черного тела является то, что для характера излучения и поглощенияформа, материал и свойства поверхности тела совершенно безразличны.
Поглощательнойспособностью тела называется величина, показывающая, какая часть падающей наповерхность тела лучистой энергии с определенной длиной волны /> поглощается им притемпературе Т.
Поглощательнаяспособность абсолютно черного тела для любых длин волн равна единице, для всехдругих тел поглощательная способность меньше единицы.[7]
В общем виде законраспределения энергии в спектре абсолютно черного тела определяется функцией:
/>
Излучательнойспособностью тела /> называетсялучистая энергия определенной длины волны /> излучаемаяс 1 см2 поверхности в 1 сек. при температуре Т.
Формула, предложеннаяМихельсоном, имела вид
/> (11)
Из этой формулы, в частности,следовало, что
/>и />
Более поздниеисследования, проведенные Вином на основе второго начала термодинамики и законадавления света, открытого выдающимся русским физиком П.Н.Лебедевым, позволили точнее определить зависимость энергии излучения от />иТ:
/> (12)
(где с — скорость света)и вывести уравнение распределения энергии по спектру в функции длины волны />:
/> (13)
где C1=3,7·10-12вт·см2, С2= 1,432 см·град.
То же уравнение в функциичастоты излучения /> имеет вид:
/> (14)
Из уравнения (14)следует, что при данной температуре Т излучение достигает максимума /> при определенной длиневолны />. Зависимость междутемпературой излучающего тела Т и длиной волны /> имеетвид:
/> (15)
Численное значениепостоянной в формуле (14) равно 2892 />град,откуда:
/> (16)
где /> выражается в микронах.
Отношение излучательнойспособности тела к его поглощательной способности при данной температуре идлине волны является для всех тел постоянной величиной; эта постоянная равнаизлучательной способности абсолютно черного тела.
/>Из формулы(16) следует, что при увеличении температуры абсолютно черного тела максимумкривой излучения смещается в сторону более коротких волн. Пользуясь формулой(16), можно определить длину волны, соответствующую максимальному излучениюэнергии в спектре при данной температуре абсолютно черного тела, илитемпературу абсолютно черного тела, если известна длина волны, соответствующаямаксимуму излучения.
Рис.3. Кривые распределения
энергии излучения а.ч.т при
различных температурах
На рис. 3 приведеныкривые распределения энергии излучения абсолютно черного тела при различныхтемпературах. По оси ординат отложены значения излучательной способности, а пооси абсцисс — длины волн в микронах.
На основе выведенныхранее закономерностей о пропорциональности излучения абсолютно черноготела четвертой степени его абсолютной температуры и о смещении максимумаизлучения в сторону коротких волн с увеличением температуры Вин предложилформулу для определения величины максимальной энергии излучения:
/> (17)
где /> — постоянная, равная4,16·10-12 вт/см3·град5.
Из формулы (17) видно,что значение максимума излучения в спектре абсолютно черного тела возрастаетпропорционально пятой степени температуры.
Для определенияизлучательной способности в длинноволновой части спектра удобна формула:
/> (18)
где СК= 0,412·1012вт·см/град.
Яркостнаятемпература.
Под яркостной температуройпонимают температуру абсолютно черного тела, при которой его спектральнаяинтенсивность лучистости равна спектральной интенсивности лучистостиисследуемого тела при той же длине волны.
По определению,
/> (19)
или
/> (20)
Поскольку в видимой области для тел, нагретых до температуры свечения, справедлив закон Вина,получим упрощенное равенство:
/> (21)
где /> — спектральноепропускание среды; /> — коэффициент видности,соответствующий монохроматическому фильтру, который вводится в прибор привизуальном фотометрировании яркостей.
Из уравнения (20) следует
/> (22)
откуда /> (23)
и /> (24)
В общем случае, когда спектральная интенсивность лучистости определяется формулой Планка:
/> (25)
Яркостная температуразависит от истинной температуры тела, спектральной излучательной способности иэффективной длины волны. При
/> яркостная температура тем большеотличается от истинной, чем меньше спектральная излучательная способность. Дляабсолютно черного тела яркостная и истинная температуры совпадают.
Полагая />, получим
/> (26)
Значительные погрешностимогут вносится отраженными составляющими излучения. Погрешность, связанная сотраженным излучением, тем больше чем меньше истинная температура.
Цветоваятемпература.
Под цветовой температуройпонимают температуру абсолютно черного тела, при которой спектральный составего излучения одинаков со спектральным составом исследуемого излучения, т. е.отношение спектральных интенсивностей лучистости при двух заданных длинах волнодинаково.
При постояннойтемпературе каждое тело обладает вполне определенным распределением лучистостипо длинам волн, и по форме кривой спектрального распределения можно точноустановить температуру тела. В случае визуальной фотометрии можно говорить ободинаковой цветности излучения при одинаковых температурах. При изменениитемпературы одновременно с изменением спектрального состава изменяются иабсолютные значения спектральных интенсивностей, причем скорость их измененияразлична для разных областей спектра. Так, интенсивность зеленых лучейвозрастает быстрее красных, но медленнее синих.
Разница между истинной ицветовой температурами является следствием селективности излучения. Для серых иабсолютно черных тел эти температуры равны и никаких поправок на неполнотуизлучения вводить не требуется; более того, нет необходимости знать абсолютнуювеличину излучательной способности.
При селективном излученииразличия между истинной и цветовой температурами будут тем больше, чем сильнееизменение по спектру излучательной способности />.В этом случае нет необходимости определять абсолютную величину излучательнойспособности тела; достаточно лишь знать, как она изменяется при переходе отодной длины волны к другой, т. е. отношение />.Оно является значительно более стабильной величиной при изменении внешнихусловий. Поэтому цветовая температура тела меньше зависит от состоянияповерхности тела, чем его яркостная и энергетическая температуры.
В равной мере иослабление в промежуточной среде значительно слабее сказывается на цветовойтемпературе, если промежуточная среда для выбранных участков спектра не сильноселективна. Если
/>
В зависимости от свойствтела его цветовые температуры в различных областях спектра могут существенноотличаться друг от друга. Поэтому очень важно выбрать область спектра, длякоторой достаточные энергетические возможности сочетаются с минимальнойселективностью излучательной способности. Методика определения цветовой температурыможет быть использована не только в видимой, но и в инфракрасной областиспектра как для высоких, так и для сравнительно низких температур.
По определению понятияцветовой температуры должно иметь место равенство:
/> (27)
(/>полагаем равным единице). Вобласти применимости закона Вина
/>
откуда /> (28)
После логарифмирования иочевидных преобразований получим
/> (29)
При учете ослабления всреде
/> (30)
Для определения истиннойтемпературы легко получить зависимость
/> (31)
ГЛАВА 2.МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ И ЭКСПРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.
2.1. Экспериментальная установка, методика проведения измерений,анализ полученных данных.
Намипроводилось исследование распределения температуры в факеле при температуреокружающей среды 20º С и давлении 768 мм.рт.ст. вертикально стоящейгорелки. В качестве горючего используется газ пропан-бутан, окислитель – воздух.Установка заземлена.
Достижениемаксимальной температуры для данной горелки возможно при оптимальномсоотношении для нее подачи окислителя и горючего. Смешивание компонентовпроисходит в рабочем теле горелки, таким образом в сопло поступает приготовленнаясмесь исходных компонентов.
Подачавоздуха регулируется увеличением зазора диффузора горелки, обеспечивая подсосвоздуха в рабочий объем горелки. Возможность регулировки таким образомдостаточно ограничено и осуществляется в основном изменением подачи горючего(газ) в рабочий объем.
Получаемоепламя на протяжении значительного удаления от сопла стабильно и осесимметрично.Это разрешает нам применять термоэлектрические методы определения температур.
Вкачестве термоэлектрического датчика применяется хромель-алюмеливаядифференциальная термопара.
Рабочийспай термопары, помещаемый в пламя крепится на электроизолирующей тефлоновойподставке, закрепленной на препаратоводителе, конструкция которого позволяетперемещение в горизонтальном и вертикальном направлениях, что дает возможностьизмерить температуру в любой точке факела.
Регистрированиет.э.д.с. осуществляется с помощью осциллографа С1-112А.
/>/> 4 />
/>/>/>/> 1
/>/>/>/>/>/>/>/> 3
/>/> 8
7
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/> 5
6
/>/>/>/>/>/>/> 14/> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/>/>/>/>/> 9
/>
/> 10
/>
/> 15/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/> 12
/>
/> 11
/>/> 2
/>/> 2
/> 8
/> 13
Рис.4. Схемаэкспериментальной установки
1) препаратоводитель; 2) трубопровод; 3) исследуемое пламя; 4) спай термопары находящийся в исследуемом пламени; 5) спай термопары находящийся во льду; 6) осциллограф; 7) направление движения воздуха; 8) направление движения газа; 9) игольчатый клапан; 10) пламегаситель (стружки металла); 11) ротаметр; 12) редуктор; 13) газовый баллон; 14) узел с помощью которого регулируется подач воздуха; 15) трубопровод.
Распределениетемператур в факеле исследуемой горелки
/>
/>
/>
/>/> 2 5 1
/>/>/>/> 5
/> 2 5 3 1
/>/>/>/>/>
/>/>/>/>/>/> 2 5 3 1
2/> 5 4 3 1
/>
/>
Рис.5.Экспериментальное распределение температур в факеле исследуемой горелки.
Таблица 1./> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> Сечение 2 r, mm T, Cº 5 560 3 4,63 650 2 5,69 600 1 6,81 420
Сечение 1 r, mm T, Cº 5 170 4 2.75 440 3 6.13 530 2 6.81 485 1 7.5 420 Сечение 3 r, mm T, Cº 5 650 3 2,38 640 2 4,02 630 1 5,59 420 Сечение 4 r, mm T, Cº 5 700 2 2,31 600 1 4,36 420
Из газового баллона (13)газ (пропан-бутан) через редуктор (12) по трубопроводу подавался на игольчатыйклапан (9), с помощью которого регулировалась подача газа. После чего газпройдя через ротаметр (11) и пламегаситель (10) попадал в горелку.Пламегаситель использовался с целью безопасности, для предотвращения эффектапопадания пламени в трубопровод и возгорания газового баллона. Рабочим телом впламегасителе являлась металлическая стружка (в частности алюминий) с большимкоэффициентом теплопроводности.
Конструкция горелкидопускала регулировку (14) подачи окислителя (воздуха) в рабочий объем, темсамым достигалось стационарность пламени. Хромель-алюмелевая рабочая термопара(4) устанавливалась на препаратоводитель (1), который позволял перемещатьрабочий спай термопары по вертикали и горизонтали с точностью 0,05 см. Второйспай термопары (5) находился при 0º С, чтобы исключить влияние температурыокружающей среды.
Для того чтобы определитьструктуру факела нами была измерено распределение температур в четырехгоризонтальных сечениях. Четко прослеживается наличие малого конуса в пламенигорелки.
Сечения выбиралисьследующим образом: 1-е сечение – у сопла горелки, 2-е сечение – на расстоянии1/3 от общей длины малого конуса, 3-е сечение — на расстоянии 2/3 от общейдлины малого конуса, 4-е сечение – у вершины малого конуса.
Анализируя полученныерезультаты можно сказать следующее: структура полученного факела аналогичнанайденной в работе [6].
Геометрически факелпредставляет собой сужающуюся вверх осесимметричную структуру. Внутри большогоконуса светло-синего цвета наблюдается малый конус насыщенного голубого цвета.У вершины малого (внутреннего) конуса располагается зона желтого свечения,соответствующая найденной в работе [6], разложению тяжелых углеводородов иобразованию конденсированной дисперсной фазы углерода (сажи).
Факел стабиленприблизительно до зоны желтого свечения, располагающейся на расстоянии ¾длины факела начиная от торца сопла. Данная нестабильность обусловила невозможностьполучения точных значений температур верхней четверти факела.
По оси факела температуравозрастает по мере удаления от торца сопла и достигает максимума у нижнегокрая зоны желтого свечения. Далее наши измерения регистрируют падениетемпературы пламени, таким образом данные по указанной выше причине(нестабильности) мы привести не можем.
Нам представляется, чтокак и в работе [6], механизм горения у торца сопла носит диффузионный характер.По мере продвижения по факелу, перемешивание окислителя и горючего улучшается иопределенную роль начинает играть кинетическая составляющая, что иобуславливает повышение температуры у края зоны желтого свечения. Что касаетсяпостоянства температуры внешнего края большого конуса, то она по нашему мнениюопределяется диффузией окислителя из внешнего воздуха в зону реакции.
Таким образом полученнаяструктура факела по нашему мнению обусловлена режимом диффузионного горениягорючего (пропан-бутановая смесь применяемая в бытовой технике и окислителявоздуха) с постепенным увеличением кинетической составляющей (и температуры),которая достигает максимального значения у нижнего края зоны желтого свечения.
ГЛАВА 3.ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ БЕСКОНТАКТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫДЛЯ ИССЛЕДУЕМОЙ ГОРЕЛКИ.
Полученныеэкспериментальные результаты хорошо описывают распределение температур в факелестационарного пламени. В случае быстропротекающих процессов или нестационарныхпламен необходимо получить более высокое временное и пространственноеразрешение.
Это может быть достигнутос помощью применения оптических методов определения температур.
Таким образом нами дляполучения распределения температур в верхней части пламени предполагаетсяиспользовать методику предложенную в [8].
Изготовленный в указаннойработе прибор и предложенная методика разрешает регистрировать излучение излокального объема факела одновременно на четырех длинах волн. Это с однойстороны разрешает избежать ошибок при случайном попадании одной из рабочих длинволн на длину волны соответствующей линии излучения элемента или в полосуизлучения молекулярного спектра.
Таким образом применениеуказанной методики позволит нам в дальнейшем регистрировать быстропротекающиепроцессы. И в случае необходимости совместив одну из рабочих длин волн с характеристическойлинией излучения исследуемой реакции сделать заключение о механизме горенияинтересующего нас вещества.
Выводы.
1. Примененнаяметодика измерения температур с помощью термопары дала возможность получитьраспределение температур в факеле в зоне его устойчивого горения.
2. Определенноераспределение температур в факеле позволяет сделать предположение одиффузионном режиме горения у сопла, и последующим возрастанием роликинетического режима горения с увеличением расстояния от торца факела, и достижениямаксимальных температур у нижнего края зоны желтого свечения.
3. Постоянствотемператур внешней поверхности факела определяется диффузией кислорода извнешнего воздуха в зону реакции.
4. Для полученияболее точных результатов и в частности в верхней части факела, необходимоприменять методики определения температур оптическими методами, обладающимибольшим пространственным и временным разрешением.
Списоклитературы
1. Линевег Ф.Измерение температур в технике. Справочник. Пер. с нем. 1980 544 с.
2. Температурныеизмерения. Справочник. /Геращенко О.А., Гордов А.Н., Еремина А.К. и др.:Отв.ред. Геращенко О.А.-Киев: Наукова думка, 1989.-709 с.
3. Кузнецов Н.Д.,Чистяков В.С. Сборник задач и вопросов по теплотехническим измерениям иприборам: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., доп. – М.: Энергоатомиздат,1985. – 328 с.
4. Брамсон М.А.Инфракрасное излучение нагретых тел. М.: Наука, 1964.-223 с.
5. Свет Д.Я.Оптические методы измерения истинных температур. М.: Наука, 1982. 296 с.
6. Гейдон А.Г., ВольфгардХ.Г. Пламя, его структура, излучение и температура. Пер. с англ. –М: Металлург,1959. -333 с.
7. Шейндлин А.Е.Излучательные свойства твердых материалов. М.: Энергия, -1974. 350 с.
8. Трофименко М.Ю.Особенности структуры факела пламени твердых смесевых систем на основеперхлората аммония. Диссертация на соискание степени канд. физ.-мат. наук,Одесса, 1999.