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.
|
|
Сечение 1 |
r, mm |
T, Cº |
|
5 |
0 |
170 |
|
4 |
2.75 |
440 |
|
3 |
6.13 |
530 |
|
2 |
6.81 |
485 |
|
1 |
7.5 |
420 |
|
|
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.
