Определение температуры факела исследуемой газовой горелки

Министерство образования и науки Украины

Одесский Национальный Университет им. И.И. Мечникова

Физический факультет

Кафедра теплофизики

Определение температуры факела исследуемой газовой горелки

«допустить к защите» Курсовая работа

зав. кафедры теплофизики студента IV курса

профессор_____Калинчак В.В. физического факультета

«__» _________ 2004г. Игнатьева А.А.

Научный руководитель

профессор Калинчак В.В.

ст.н.ст Трофименко М.Ю.

Одесса 2004 г.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДИКИ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ

ТЕМПЕРАТУР

1.1. Контактные методы измерения температур

1.1.1. Термометры расширения

1.1.2. Термоэлектрические термометры (термопары)

1.1.2.1. Принцип действия

1.1.2.2. Общие требования к материалам для термоэлектрических

термометров

1.1.2.3. Принципы измерения температуры с помощью

термоэлектрического термометра

1.1.2.4. Измерение температуры пламени с помощью

термоэлектрического термометра

1.1.2.5. Расчет влияния температуры свободных концов термопары

1.1.2.6. Погрешности термоэлектрических термометров

1.2. Бесконтактные методы определения температур

1.2.1. Оптические методы измерения температуры пламени

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ И ЭКСПРИМЕНТАЛЬНАЯ

УСТАНОВКА

2.1. Экспериментальная установка, методика проведения измерений, анализ

полученных данных

ГЛАВА 3. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ БЕСКОНТАКТНЫХ

ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ

ИССЛЕДУЕМОЙ ГОРЕЛКИ

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение

Современные научные и производственные технологии предполагают использование высокотемпературных реакций для получения тугоплавких высокопрочных материалов, процесса легирования и т.д.

Эффективность использования применяемых для этих целей источников энергии (в частности использование пропан-бутана в горелках) должна обеспечивать максимальные температуры и полноту сгорания топлива.

В связи с этим, важно понять механизм горения. Методом, с помощью которого это возможно - измерение температуры и ее распределение в факеле. Обычно измеряемые температуры лежат в достаточно широком интервале от -273? С до 3000? С и более. Поэтому для измерения температуры во всех возможных случаях необходимы разнообразные средства и методы измерений, к которым в зависимости от поставленной задачи измерения выдвигаются существенно различные требования.

Контактные методы измерения температуры предполагают непосредственный контакт с измеряемым объектом. Однако использование контактного термометра может приводить к нарушению структуры пламени. Возникающие в результате этого погрешности измерения и запаздывания показаний зависят от физических свойств и скорости течения измеряемой среды около термометра, а также от конструкции термометра. Такие погрешности могут быть больше методических погрешностей. При выборе контактного термометра следует, кроме того, учитывать, что термометр должен выдерживать механические, химические и термические нагрузки, которым он подвержен на данном объекте исследования.

В низкой области температур факела (до 600? С) применяются термометры, отличающиеся простотой измерения температуры.

Для расширения измеряемого температурного интервала и повышения быстроты срабатывания используются термоэлектрические термометры. Область их применения до 1200? С.

Часто собственная температура контактного термопреобразователя (или его части) даже в статическом режиме отличается от температуры измеряемой среды. Это отличие определяется особенностями теплообмена между термопреобразователем и измеряемой средой, конструктивными и теплофизическими характеристиками самого преобразователя и отдельных частей его арматуры, а также условиями теплообмена термопреобразователя с окружающей средой.

В случае больших температур и быстропротекающих процессов используются оптические методы измерения температуры обладающие высоким пространственным и временным разрешением.

Актуальность выполняемых в данной работе измерений заключается в том, что для оптимальной организации процесса горения и, следовательно, эффективного использования газа необходимо знание структуры факела пламени используемой горелки.

Целью данной работы является определение структуры факела исследуемой горелки с целью достижения режима, при котором в условиях эксперимента возможно получение максимальной температуры.

ГЛАВА 1. МЕТОДИКИ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ

ТЕМПЕРАТУР.

1.1. Контактные методы измерения температур.

1.1.1. Термометры расширения

Методы измерения температур достаточно подробно изложены в работе [1,2].

В жидкостных стеклянных термометрах для определения температуры используется тепловое расширение специальной термометрической жидкости. Термометрическая жидкость заключена в тонкостенный стеклянный резервуар, соединенный с капилляром, с которым связана температурная шкала.

Вследствие различия теплового расширения жидкости и стеклянного резервуара при изменении температуры изменяется длина столбика жидкости, находящейся в капилляре.

Смачивающие или несмачивающие термометрические жидкости должны обладать достаточной объемной стабильностью в условиях работы термометра. В качестве несмачивающей металлической жидкости служит чаще всего чистая и осушенная ртуть. Она используется для измерения температур в диапазоне от -38,5? С до 630? С.

Термометры из кварцевого стекла для измерения температур до 800? С наполнены ртутью. Для измерения температур до -200? С применяют термометры, наполненные смачивающей органической жидкостью.

Для удобства наблюдений и облегчения отсчетов в термометрическую жидкость добавляют голубое или красное красящее вещество. Красящее вещество ни в коем случае не должно выделяться из жидкости и сужать сечение капилляра из-за осаждения на стенках. Неправильно выбранное красящее вещество может вызвать погрешность до 2 К. жидкость должна иметь малую вязкость, чтобы время установления показания из-за медленного протекания жидкости при охлаждении термометра было возможно меньшим. В качестве смачивающих термометрических жидкостей пригодны: толуол (от -90? С до 100? С), спирт (от 110? С до 210? С), пентановая смесь (от -200? С до 30? С). Из-за худшей теплопроводности и большей вязкости этих жидкостей инерционность таких термометров больше, чем ртутных.

Во всех термометрах не допускается наличие в жидкости пузырьков газа или пара, которые могут разорвать столбик. Следует также следить за тем, чтобы не происходило испарения и конденсации жидкости в свободном пространстве капилляра. У термометров со смачивающей жидкостью это может приводить к погрешности в несколько десятых градуса уже при сравнительно низких температурах. Поэтому свободное пространство капилляра часто заполняют осушенным и очищенным от кислорода инертным газом под давлением, повышая тем самым точку кипения жидкости (избыточное давление в 1 бар для температур до 350? С. 20 бар до 600? С, 70 бар до 750? С). Только у ртутных термометров для измерений ниже 200? С можно использовать вакуумированный капилляр. Это облегчает устранение разрыва столбика, но и возникают они в этом случае значительно чаще. Поскольку большее сечение капилляра и быстрое изменение температуры вдоль столбика способствует возникновению разрывов в вакуумированных термометрах, обычно ртутные термометры для низких температур также наполняют защитным газом.

1.1.2. Термоэлектрические термометры (термопары).

1.1.2.1. Принцип действия.

В термоэлектрических термометрах для измерения температуры используется открытое в 1921 г. Зеебеком явление термоэлектричества (эффект Зеебека). Если два проводника из разных металлических материалов А и В соединены концами в замкнутый контур (рис.1. а) и места соединений находятся при разных температурах t₁ и t₂, то в контуре возникает электрический ток. Оба электропроводника, называемые термоэлектродами, образуют термопару. Одно из мест соединения, помещаемое в среду с измеряемой температурой, является рабочим концом термопары, второе, находящееся при постоянной температуре, является свободным концом термопары.

Термоэлектродвижущая сила (т.э.д.с.) Е термопары с термоэлектродами А и В может быть рассчитана из алгебраической суммы эффекта Пельтье для мест контактирования А и В и эффекта Томпсона для обоих термоэлектродов А и В, если пренебречь такими необратимыми явлениями, как джоулевы потери и потери на теплопроводность.

Если в контуре, составленном из термоэлектродов А и В (см. рис. 1.,б), течет ток, то при переходе электронов из одного термоэлектрода в другой они должны или затрачивать, или приобретать энергию. При этом кинетическая энергия электронов увеличивается или уменьшается, а место контакта охлаждается или нагревается. Тепловые потоки, возникающие в обоих местах контактирования термоэлектродов А и В, изменяются пропорционально току I.

А+ А+

t₁ t₂ t₁ = t₂ t₂=t+t

В- В-

t₁ < t₂

Тепловой поток равен , где Р - коэффициент Пельтье, зависящий

от материала обоих термоэлектродов и температур t₁ и t₂ мест контактирования; Р имеет размерность ВТ/A=В.

При прохождении тока I в контуре вследствие небольшого по величине эффекта Томпсона термоэлектроды или нагреваются, или охлаждаются, если в них есть перепад температур по сравнению, например, с наиболее высокой

температурой контакта Т₂. Этот тепловой поток также пропорционален току I и градиенту температур в обоих термоэлектродах и равен , где - коэффициент Томпсона, зависящий от материала электродов и от температуры Т и имеющий размерность Вт/А·К = В/К.

Если рабочий конец термопары находится при температуре , а свободный - при Т, то т.э.д.с. . Она равна 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 фундаментального уравнения (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 измерений температуры с помощью термопар желательно, чтобы т.э.д.с. была достаточно большой и чтобы электросопротивление термопары было не слишком высоким. В этом случае можно измерять температуру без особых дополнительных устройств, таких как усилитель, а также на достаточно большом расстоянии между термопарой и измерительным устройством. Кроме того, характеристика термопары должна быть линейной, а диапазон применения термопары возможно более широким.

Материалы для термопар должны иметь возможно более высокую точку плавления, должно быть возможным изготовление их в достаточном количестве и стабильного качества, термопары должны легко обрабатываться для получения нужной формы (лента. проволока). В материале термоэлектродов в рабочем диапазоне температур не должно происходить аллотропических превращений, вызывающих скачкообразные изменения т.э.д.с. Термоэлектроды должны обладать достаточной коррозионной стойкостью и быть устойчивыми против окислительного и восстановительного действия среды; в процессе окалинообразования или охрупчивания не должны изменяться их термоэлектрические свойства. Легирующие элементы, входящие в состав сплава, не должны диффундировать наружу в результате селективного окисления или испаряться при высокой температуре. Если эти условия выполняются в течение длительного срока эксплуатации, то получают равномерную и стабильную зависимость т.э.д.с. от температуры. При этом значения т.э.д.с. термопар во всем рабочем диапазоне лежат в пределах допустимых погрешностей.

Кроме того, необходимо обращать внимание на то, чтобы т.э.д.с. возможно меньше менялась при механическом нагружении термопары, таком как растяжение, изгиб, смятие. На свойство термоэлектродов особенно сильно влияет холодная деформация. Поэтому для достижения постоянства т.э.д.с. термоэлектроды или термопары часто стабилизируют электронагревом при достаточно высокой температуре.

При длительных высокотемпературных измерениях температуры рабочего конца и прилегающих частей термоэлектродов примерно равны. Происходящие в этих зонах изменения химического состава термоэлектродов не сказываются на т.э.д.с. Точно также изменения состава сплавов на рабочем конце термопары из-за пайки или сварке термоэлектродов не влияет на измерение (закон промежуточного проводника).

1.1.2.3. Принципы измерения температуры с помощью термоэлектрического термометра

1. По закону гомогенного контура в замкнутом контуре, состоящем

из одного гомогенного проводника, ток отсутствует, даже если отдельные сечения проводника имеют различные температуры. Отсюда следует: в контуре из двух различных термоэлектродов, места контактирования которых имеют разную температуру, т.э.д.с. не зависит от распределения температуры вдоль термоэлектродов.

2. По закону промежуточного проводника сумма напряжений в

контуре, состоящем из большого числа различных термоэлектродов, равна нулю, если все термоэлектроды имеют одинаковую температуру. Исходя из этого закона, можно разомкнуть термоэлектрический контур в любом месте и включить в него один или несколько одинаковых или разнородных проводников. Если их места соединений находятся при одинаковой температуре, то не возникнет никаких паразитных т.э.д.с. можно разомкнуть контур в месте контактирования, например на свободном конце термопары и вставить другой проводник. Надо только на концах обоих термоэлектродов в разомкнутом месте контактирования поддерживать одинаковые температуры, тогда распределение температур вдоль вставленного проводника не будет влиять на т.эд.с.

3. По закону аддитивности т.э.д.с., если два любых проводника А и В

имеют по отношению к третьему С т.э.д.с. Е_АС и Е_ВС, то т.э.д.с. термопары АВ равна Е_АВ= Е_АС+ Е_ВС

4. По закону аддитивности температур т.э.д.с. Е₃, возникающая

вследствие разности температур t₃ и t₁, равна сумме т.э.д.с. Е₁ между 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 температуры термоэлектродов 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 простейших методов измерения температуры заключается в том, что вводят в пламя небольшой по размерам термоэлектрический термометр. Температура такого термометра может, однако, существенно (на 100--200°С) отличаться от температуры газа, так как она определяется из теплового баланса:

(3)

где -- тепло, переданное от пламени к термометру через конвекцию; -- тепло каталитического горения на термоэлектродах термометра; -- тепло, отведенное через термоэлектроды и соединительные провода; -- тепло, излучаемое термометром в окружающую среду.

Специальными мерами стремятся обратить в нуль величины и . Величина зависит от температуры термоэлектродных проволок, пламени, стенок, а также от диаметра проволоки и излучательной способности участвующих в лучистом теплообмене элементов. Мысленно можно разложить на две компоненты, соответствующие теплообмену излучением между проволокой и стенками печи.

Для конвекционного потока тепла исходное значение критерия Нуссельта зависит, помимо прочего, от диаметра проволоки.

Для соблюдения условий, заложенных в основу теории прохождения потока через цилиндр, диаметр рабочего спая термопары термометра должен в возможно большей степени соответствовать диаметру термоэлектронной проволоки; соединительные провода должны быть расположены в направлении наименьшего температурного градиента. При соблюдении этих условий можно считать, что тепловой поток от рабочего спая в подводящие провода пренебрежимо мал (0).

На основании изложенного выше можно рассчитать действительную температуру пламени по результатам измерений одним термометром. Получили также развитие способы измерения температуры, основанные на зависимости между показаниями термометра и диаметра термоэлектродной проволоки: в определенное место пламени один за другим вводят два (или более) термометра с разной толщиной термоэлектродов и исходя из результатов измерений рассчитывают действительную температуру пламени:

(4)

где d -- диаметр термоэлектродной проволоки; индекс «1» относится к тонкому термоэлектроду, индекс «2» -- к толстому, индекс w -- к стенке.

Этот, а также и большинство других методов с использованием двух термометров не учитывают обмена излучением между термометром и пламенем. Пренебрежение этим обменом в случае несветящегося пламени не приводит к большой погрешности измерения. В случае светящегося оптически толстого пламени обменом излучением между термоэлектродной проволокой и стенкой можно пренебречь по сравнению с обменом между термоэлектродной проволокой и пламенем. Вследствие сильной абсорбции пламени термометр «не видит» стенку. В этом случае применение уравнения (4) не приводит к полезным результатам. Естественно, что влияние излучения стенки или пламени зависит также и от места измерения.

При практическом применении метода двух термометров часто возникают погрешности измерения того же порядка, что и рассчитанные [дробь в уравнении (4)]. Поэтому предложено измерять температуру лишь одним возможно более тонким термоэлектрическим термометром, а поправку примерно оценивать из зависимостей, приведенных на рис.1. Последовательность расчетов следующая. Из уравнения (3) имеем

где - излучательная способность; - поверхность термометра. После несложных преобразований получим

(5)

Коэффициент рассчитывается из уравнения (5) и рис.1, который соответствует Т_w=300 К (рис.2 - зависимость коэффициента от измеренной температуры). Действительная температура приблизительно дается уравнением (5), в которое вводятся измеренные значения Т₁ и Т_w и значения , определенные для данной температуры Т₁ и диаметра проволоки d.

Вследствие своей массы термоэлектрические термометры при высокочастотных турбулентных колебаниях температуры пламени не могут точно за ними следовать и дают средние значения температуры, полученные интегрированием первой степени температуры во времени.

1.1.2.5. Расчет влияния температуры свободных концов термопары

Поскольку термопарами измеряют разницу температур, измеренная т.э.д.с. зависит не только от температуры рабочего спая, но и от температуры свободных концов термопары. Измеренная температура t равна температуре, определенной по градуировке термопары, если температура свободного конца термопары равна опорной температуре , которая положена в основу градуировки термопары, или если температура свободных концов колеблется вокруг нее в допустимых пределах. Если измерительный прибор имеет шкалу в градусах Цельсия, то необходимо температуру свободных концов термопары поддерживать возможно ближе к опорной температуре (0 или 20? С).

При отклонении температуры свободных концов от опорной измеренное значение т.э.д.с. Е_а должно быть скорректировано на величину Е, соответствующую этому отклонению. Для температур от 0 до 60? С т.э.д.с. Е изменяется практически линейно разности температур -.

Поэтому в соответствии с рис.2. измеренное значение т.э.д.с. Е_а должно быть увеличено на . При этом т.э.д.с. Е, соответствующая температуре t, равна

(6)

Среднее значение k берется из таблицы.

Показания измерительного прибора с температурной шкалой правильно в случае, если =. При отклонении температуры свободных концов от опорной температуры измеряемая температура t может быть получена из отсчитанного значения t_a при введении коэффициента коррекции С:

(7)

Так как в интервале температур, близком к температуре свободных концов, пропорциональна , а вблизи измеряемой температуры пропорциональна , то должно быть

и

Поэтому С может быть рассчитана из соотношения изменения т.э.д.с. от температуры при опорной температуре к изменению т.э.д.с. при измеряемой температуре t:

(8)

Коэффициент коррекции С зависит от типа термопары и значения измеряемой температуры. В общем случае с повышением температуры коэффициент С уменьшается. Если характеристика термопары линейна, то С=1, что приблизительно выполняется для термопары хромель-алюмель.

1.1.2.6. Погрешности термоэлектрических термометров.

При оценке погрешностей, возникающих при измерении температуры термоэлектрическими термометрами необходимо учитывать:

1. Отличать предел допустимой погрешности от погрешности конкретной термопары, которая определяется ее характеристикой (градуировочной кривой).

2. Влияние температуры свободных концов термопары.

3. Погрешность вследствие изменения сопротивления цепи термопары.

4. Погрешность из-за неточной установки или нестабильности тока потенциометра в схемах со смещением нуля, а также при компенсационном (потенциометрическом) методе, а в некоторых случаях и погрешность, которая возникает при корректировке влияния температуры свободных концов в измерительных схемах.

5. Погрешность измерительного прибора, определяемая его классом точности и температурной погрешностью.

При измерении температуры контактными термопреобразователями могут возникнуть значительные погрешности, обусловленные отводом теплоты от чувствительного элемента за счет теплоотдачи по чехлу и теплоотвода излучением. [3]

Погрешность измерения температуры газа, вызванная лучистым теплообменом между чехлом термопреобразователя и стенкой трубы, определяется из выражения:

(9)

где Т_С, Т_Т, Т_СТ - соответственно температура измеряемой среды, термопреобразователя и стенки, К; - коэффициент теплоотдачи конвекцией между термопреобразователем и измеряемой средой, ; С₀=5,67- коэффициент излучения абсолютно черного тела; - приведенный коэффициент теплового излучения, характеризующий теплообмен между термопреобразователем и стенкой.

Когда поверхность стенки значительно больше поверхности термопреобразователя (), можно считать, что приведенный коэффициент теплового излучения практически равен коэффициенту теплового излучения термопреобразователя ().

Погрешность измерения температуры за счет теплоотвода по чехлу определяется по формуле

(10)

где - коэффициент теплоотдачи между термопреобразователем и измеряемой средой, ; Р и S - периметр, м, и площадь, м², поперечного сечения чехла термопреобразователя; - коэффициент теплопроводности материала термопреобразователя, ; - глубина погружения чехла в измеряемую среду, м.

1.2. Бесконтактные методы определения температур.

1.2.1. Оптические методы измерения температуры пламени.

Определение температуры оптическим методом [4,5] основано на изменении лучистости или спектральной интенсивности лучистости в зависимости от температуры. В оптическом приборе одна из характеристик излучения сравнивается с соответствующей характеристикой излучения абсолютно черного тела. Прибор градуируется по абсолютно черному телу непосредственно в единицах температурной шкалы. Иначе говоря, в основу оптических методов измерения температуры положено измерение характеристик излучения, однозначно с ней связанных.

Сравнение характеристик излучения может осуществляться по принципу равенства общего излучения или спектральных интенсивностей, а также по идентичности спектрального состава. Соответственно различают три кажущиеся температуры, связанные функционально с истинной температурой тела и его излучательной способностью: радиационную, яркостную температуру Т_ярк, цветовую температуру Т_цв.

Механизм излучения пламен можно моделировать с помощью абсолютно черного тела.[4]

Абсолютно черным телом называется тело, которое полностью поглощает все падающее на него излучение независимо от направления падающего излучения, его спектрального состава и поляризации, ничего не отражая и не пропуская.

Основным свойством абсолютно черного тела является то, что для характера излучения и поглощения форма, материал и свойства поверхности тела совершенно безразличны.

Поглощательной способностью тела называется величина, показывающая, какая часть падающей на поверхность тела лучистой энергии с определенной длиной волны поглощается им при температуре Т.

Поглощательная способность абсолютно черного тела для любых длин волн равна единице, для всех других тел поглощательная способность меньше единицы.[7]

В общем виде закон распределения энергии в спектре абсолютно черного тела определяется функцией:

Излучательной способностью тела называется лучистая энергия определенной длины волны излучаемая с 1 см² поверхности в 1 сек. при температуре Т.

Формула, предложенная Михельсоном, имела вид

(11)

Из этой формулы, в частности, следовало, что

и

Более поздние исследования, проведенные Вином на основе второго начала термодинамики и закона давления света, открытого выдающимся русским физиком П.Н.Лебедевым, позволили точнее определить зависимость энергии излучения от и Т:

(12)

(где с -- скорость света) и вывести уравнение распределения энергии по спектру в функции длины волны :

(13)

где C₁=3,7·10^-12 вт·см² , С₂= 1,432 см·град.

То же уравнение в функции частоты излучения имеет вид:

(14)

Из уравнения (14) следует, что при данной температуре Т излучение достигает максимума при определенной длине волны . Зависимость между температурой излучающего тела Т и длиной волны имеет вид:

(15)

Численное значение постоянной в формуле (14) равно 2892 град, откуда:

(16)

где выражается в микронах.

Отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности при данной температуре и длине волны является для всех тел постоянной величиной; эта постоянная равна излучательной способности абсолютно черного тела.

Из формулы (16) следует, что при увеличении температуры абсолютно черного тела максимум кривой излучения смещается в сторону более коротких волн. Пользуясь формулой (16), можно определить длину волны, соответствующую максимальному излучению энергии в спектре при данной температуре абсолютно черного тела, или температуру абсолютно черного тела, если известна длина волны, соответствующая максимуму излучения.

Рис.3. Кривые распределения

энергии излучения а.ч.т при

различных температурах

На рис. 3 приведены кривые распределения энергии излучения абсолютно черного тела при различных температурах. По оси ординат отложены значения излучательной способности, а по оси абсцисс -- длины волн в микронах.

На основе выведенных ранее закономерностей о пропорциональности излучения абсолютно черного тела четвертой степени его абсолютной температуры и о смещении максимума излучения в сторону коротких волн с увеличением температуры Вин предложил формулу для определения величины максимальной энергии излучения:

(17)

где -- постоянная, равная 4,16·10^-12 вт/см^3·град⁵.

Из формулы (17) видно, что значение максимума излучения в спектре абсолютно черного тела возрастает пропорционально пятой степени температуры.

Для определения излучательной способности в длинноволновой части спектра удобна формула:

(18)

где СК= 0,412·1012 вт·см/град.

Яркостная температура.

Под яркостной температурой понимают температуру абсолютно черного тела, при которой его спектральная интенсивность лучистости равна спектральной интенсивности лучистости исследуемого 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 - спектральное пропускание среды; - коэффициент видности, соответствующий монохроматическому фильтру, который вводится в прибор при визуальном фотометрировании яркостей.

Из уравнения (20) следует

(22)

откуда (23)

и (24)

В общем случае, когда спектральная интенсивность лучистости определяется формулой Планка:

(25)

Яркостная температура зависит от истинной температуры тела, спектральной излучательной способности и эффективной длины волны. При

яркостная температура тем больше отличается от истинной, чем меньше спектральная излучательная способность. Для абсолютно черного тела яркостная и истинная температуры совпадают.

Полагая , получим

(26)

Значительные погрешности могут вносится отраженными составляющими излучения. Погрешность, связанная с отраженным излучением, тем больше чем меньше истинная температура.

Цветовая температура.

Под цветовой температурой понимают температуру абсолютно черного тела, при которой спектральный состав его излучения одинаков со спектральным составом исследуемого излучения, т. е. отношение спектральных интенсивностей лучистости при двух заданных длинах волн одинаково.

При постоянной температуре каждое тело обладает вполне определенным распределением лучистости по длинам волн, и по форме кривой спектрального распределения можно точно установить температуру тела. В случае визуальной фотометрии можно говорить об одинаковой цветности излучения при одинаковых температурах. При изменении температуры одновременно с изменением спектрального состава изменяются и абсолютные значения спектральных интенсивностей, причем скорость их изменения различна для разных областей спектра. Так, интенсивность зеленых лучей возрастает быстрее красных, но медленнее синих.

Разница между истинной и цветовой температурами является следствием селективности излучения. Для серых и абсолютно черных тел эти температуры равны и никаких поправок на неполноту излучения вводить не требуется; более того, нет необходимости знать абсолютную величину излучательной способности.

При селективном излучении различия между истинной и цветовой температурами будут тем больше, чем сильнее изменение по спектру излучательной способности . В этом случае нет необходимости опреде-лять абсолютную величину излучательной способности тела; достаточно лишь знать, как она изменяется при переходе от одной длины волны к другой, т. е. отношение . Оно является значительно более стабильной величиной при изменении внешних условий. Поэтому цветовая температура тела меньше зависит от состояния поверхности тела, чем его яркостная и энергетическая температуры.

В равной мере и ослабление в промежуточной среде значительно слабее сказывается на цветовой температуре, если промежуточная среда для выбранных участков спектра не сильно селективна. Если

В зависимости от свойств тела его цветовые температуры в различных областях спектра могут существенно отличаться друг от друга. Поэтому очень важно выбрать область спектра, для которой достаточные энергетические возможности сочетаются с минимальной селективностью излучательной способности. Методика определения цветовой температуры может быть использована не только в видимой, но и в инфракрасной области спектра как для высоких, так и для сравнительно низких температур.

По определению понятия цветовой температуры должно иметь место равенство:

(27)

(полагаем равным единице). В области применимости закона Вина

откуда (28)

После логарифмирования и очевидных преобразований получим

(29)

При учете ослабления в среде

(30)

Для определения истинной температуры легко получить зависимость

(31)

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ И ЭКСПРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.

2.1. Экспериментальная установка, методика проведения измерений, анализ полученных данных.

Нами проводилось исследование распределения температуры в факеле при температуре окружающей среды 20? С и давлении 768 мм.рт.ст. вертикально стоящей горелки. В качестве горючего используется газ пропан-бутан, окислитель - воздух. Установка заземлена.

Достижение максимальной температуры для данной горелки возможно при оптимальном соотношении для нее подачи окислителя и горючего. Смешивание компонентов происходит в рабочем теле горелки, таким образом в сопло поступает приготовленная смесь исходных компонентов.

Подача воздуха регулируется увеличением зазора диффузора горелки, обеспечивая подсос воздуха в рабочий объем горелки. Возможность регулировки таким образом достаточно ограничено и осуществляется в основном изменением подачи горючего (газ) в рабочий объем.

Получаемое пламя на протяжении значительного удаления от сопла стабильно и осесимметрично. Это разрешает нам применять термоэлектрические методы определения температур.

В качестве термоэлектрического датчика применяется хромель-алюмеливая дифференциальная термопара.

Рабочий спай термопары, помещаемый в пламя крепится на электроизолирующей тефлоновой подставке, закрепленной на препаратоводителе, конструкция которого позволяет перемещение в горизонтальном и вертикальном направлениях, что дает возможность измерить температуру в любой точке факела.

Регистрирование т.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. Схема экспериментальной установки

Распределение температур 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.

Из газового баллона (13) газ (пропан-бутан) через редуктор (12) по трубопроводу подавался на игольчатый клапан (9), с помощью которого регулировалась подача газа. После чего газ пройдя через ротаметр (11) и пламегаситель (10) попадал в горелку. Пламегаситель использовался с целью безопасности, для предотвращения эффекта попадания пламени в трубопровод и возгорания газового баллона. Рабочим телом в пламегасителе являлась металлическая стружка (в частности алюминий) с большим коэффициентом теплопроводности.

Конструкция горелки допускала регулировку (14) подачи окислителя (воздуха) в рабочий объем, тем самым достигалось стационарность пламени. Хромель-алюмелевая рабочая термопара (4) устанавливалась на препаратоводитель (1), который позволял перемещать рабочий спай термопары по вертикали и горизонтали с точностью 0,05 см. Второй спай термопары (5) находился при 0? С, чтобы исключить влияние температуры окружающей среды.

Для того чтобы определить структуру факела нами была измерено распределение температур в четырех горизонтальных сечениях. Четко прослеживается наличие малого конуса в пламени горелки.

Сечения выбирались следующим образом: 1-е сечение - у сопла горелки, 2-е сечение - на расстоянии 1/3 от общей длины малого конуса, 3-е сечение - на расстоянии 2/3 от общей длины малого конуса, 4-е сечение - у вершины малого конуса.

Анализируя полученные результаты можно сказать следующее: структура полученного факела аналогична найденной в работе [6].

Геометрически факел представляет собой сужающуюся вверх осесимметричную структуру. Внутри большого конуса 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 и образованию конденсированной дисперсной фазы углерода (сажи).

Факел стабилен приблизительно до зоны желтого свечения, располагающейся на расстоянии ? длины факела начиная от торца сопла. Данная нестабильность обусловила невозможность получения точных значений температур верхней четверти факела.

По оси факела температура возрастает по мере удаления от торца сопла и достигает максимума у нижнего края зоны желтого свечения. Далее наши измерения регистрируют падение температуры пламени, таким образом данные по указанной выше причине (нестабильности) мы привести не можем.

Нам представляется, что как и в работе [6], механизм горения у торца сопла носит диффузионный характер. По мере продвижения по факелу, перемешивание окислителя и горючего улучшается и определенную роль начинает играть кинетическая составляющая, что и обуславливает повышение температуры у края зоны желтого свечения. Что касается постоянства температуры внешнего края большого конуса, то она по нашему мнению определяется диффузией окислителя из внешнего воздуха в зону реакции.

Таким образом полученная структура факела по нашему мнению обусловлена режимом диффузионного горения горючего (пропан-бутановая смесь применяемая в бытовой технике и окислителя воздуха) 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 ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ ИССЛЕДУЕМОЙ ГОРЕЛКИ.

Полученные экспериментальные результаты хорошо описывают распределение температур в факеле стационарного пламени. В случае быстропротекающих процессов или нестационарных пламен необходимо получить более высокое временное и пространственное разрешение.

Это может быть достигнуто с помощью применения оптических методов определения температур.

Таким образом нами для получения распределения температур в верхней части пламени предполагается использовать методику предложенную в [8].

Изготовленный в указанной работе прибор и предложенная методика разрешает регистрировать излучение из локального объема факела одновременно на четырех длинах волн. Это с одной стороны разрешает избежать ошибок при случайном попадании одной из рабочих длин волн на длину волны соответствующей линии излучения элемента или в полосу излучения молекулярного спектра.

Таким образом применение указанной методики позволит нам в дальнейшем регистрировать быстропротекающие процессы. И в случае необходимости совместив одну из рабочих длин волн с характеристической линией излучения исследуемой реакции сделать заключение о механизме горения интересующего нас вещества.

Выводы.

1. Примененная методика измерения температур с помощью термопары дала возможность получить распределение температур в факеле в зоне его устойчивого горения.

2. Определенное распределение температур в факеле позволяет сделать предположение о диффузионном режиме горения у сопла, и последующим возрастанием роли кинетического режима горения с увеличением расстояния от торца факела, и достижения максимальных температур у нижнего края зоны желтого свечения.

3. Постоянство температур внешней поверхности факела определяется диффузией кислорода из внешнего воздуха в зону реакции.

4. Для получения более точных результатов и в частности в верхней части факела, необходимо применять методики определения температур оптическими методами, обладающими большим пространственным и временным разрешением.

Список литературы

1. Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. Пер. с нем. 1980 544 с.

2. Температурные измерения. 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 и приборам: 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., Вольфгард Х.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 основе перхлората аммония. Диссертация на соискание степени канд. физ.-мат. наук, Одесса, 1999.