Определение температуры факела исследуемой газовой горелки

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 20º С).

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

Поэтому в соответствии с рис.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 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 ta 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 ТС, ТТ, ТСТ – 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 Тярк, цветовую температуру Тцв.

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.

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/см3·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 опреде­лять 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 20º 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 0º 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  ¾ 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.

Страницы: 1, 2