Визначення температури факела досліджуваної газового пальника

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Міністерство освіти і науки України
Одеський Національний Університет ім. І.І. Мечникова
Фізичний факультет
Кафедра теплофізики
Визначення температури факела досліджуваної газового пальника
«Допустити до захисту» Курсова робота
зав. кафедри теплофізики студента IV курсу
профессор_____Калінчак В.В. фізичного факультету
«__» _________ 2004р. Ігнатьєва О.О.
Науковий керівник
професор Калінчак В.В.
                              ст.н.ст Трофименко М.Ю.
Одеса 2004

Зміст
ВСТУП
РОЗДІЛ 1. МЕТОДИКИ ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ ПРИ ВИМІРІ
ТЕМПЕРАТУР
1.1. Контактні методи вимірювання температур
1.1.1. Термометри розширення
1.1.2. Термоелектричні термометри (термопари)
1.1.2.1. Принцип дії
1.1.2.2. Загальні вимоги до матеріалів для термоелектричних
термометрів
1.1.2.3. Принципи вимірювання температури за допомогою
термоелектричного термометра
1.1.2.4. Вимірювання температури полум'я за допомогою
термоелектричного термометра
1.1.2.5. Розрахунок впливу температури вільних кінців термопари
1.1.2.6. Похибки термоелектричних термометрів
1.2. Безконтактні методи визначення температур
1.2.1. Оптичні методи вимірювання температури полум'я
РОЗДІЛ 2. МЕТОДИКА ВИМІРЮВАННЯ І ЕКСПРІМЕНТАЛЬНАЯ
УСТАНОВКА
2.1. Експериментальна установка, методика проведення вимірювань, аналіз
отриманих даних
РОЗДІЛ 3. ПЕРСПЕКТИВИ застосування безконтактних
ОПТИЧНИХ МЕТОДІВ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ДЛЯ
ДОСЛІДЖУВАНОЇ ПАЛЬНИКИ
ВИСНОВКИ
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

Введення
Сучасні наукові та виробничі технології припускають використання високотемпературних реакцій для одержання тугоплавких високоміцних матеріалів, процесу легування і т.д.
Ефективність використання застосовуваних для цих цілей джерел енергії (зокрема використання пропан-бутану в пальниках) повинна забезпечувати максимальні температури і повноту згоряння палива.
У зв'язку з цим, важливо зрозуміти механізм горіння. Методом, за допомогою якого це можливо - вимірювання температури і її розподіл в факелі. Зазвичай вимірювані температури лежать у досить широкому інтервалі від -273 º С до 3000 º С і більше. Тому для вимірювання температури у всіх можливих випадках необхідні різноманітні засоби і методи вимірювань, до яких в залежності від поставленої задачі вимірювання висуваються істотно різні вимоги.
Контактні методи вимірювання температури припускають безпосередній контакт з вимірюваним об'єктом. Проте використання контактного термометра може призводити до порушення структури полум'я. Виникаючі в результаті цього похибки вимірювання і запізнювання показань залежать від фізичних властивостей і швидкості течії вимірюваного середовища близько термометра, а також від конструкції термометра. Такі помилки можуть бути більше методичних похибок. При виборі контактного термометра слід, крім того, враховувати, що термометр повинен витримувати механічні, хімічні та термічні навантаження, яким він піддається на даному об'єкті дослідження.
У низькій області температур факела (до 600 º С) застосовуються термометри, що відрізняються простотою вимірювання температури.
Для розширення вимірюваного температурного інтервалу і підвищення швидкості спрацьовування використовуються термоелектричні термометри. Область їх застосування до 1200 º С.
Часто власна температура контактного термоперетворювача (або його частини) навіть у статичному режимі відрізняється від температури вимірюваного середовища. Ця відмінність визначається особливостями теплообміну між термоперетворювачем і вимірюваним середовищем, конструктивними і теплофізичними характеристиками самого перетворювача і окремих частин його арматури, а також умовами теплообміну термоперетворювача з навколишнім середовищем.
У разі великих температур і бистропротекающих процесів використовуються оптичні методи вимірювання температури володіють високим просторовим і тимчасовим дозволом.
Актуальність виконуються в даній роботі вимірювань полягає в тому, що для оптимальної організації процесу горіння і, отже, ефективного використання газу необхідне знання структури факела полум'я використовуваної пальника.
Метою даної роботи є визначення структури факела досліджуваної пальники з метою досягнення режиму, при якому в умовах експерименту можливе отримання максимальної температури.

РОЗДІЛ 1. МЕТОДИКИ ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ ПРИ ВИМІРІ
ТЕМПЕРАТУР.
1.1. Контактні методи вимірювання температур.
1.1.1. Термометри розширення
Методи вимірювання температур досить докладно викладено в роботі [1,2].
У рідинних скляних термометрах для визначення температури використовується теплове розширення спеціальної термометрической рідини. Термометрична рідина укладена в тонкостінний скляний резервуар, сполучений з капіляром, з яким пов'язана температурна шкала.
Внаслідок відмінності теплового розширення рідини і скляного резервуара при зміні температури змінюється довжина стовпчика рідини, що знаходиться в капілярі.
Змочувальні або незмочувальна термометричні рідини повинні мати достатню об'ємної стабільністю в умовах роботи термометра. Як незмочувальна металевої рідини служить найчастіше чиста і осушена ртуть. Вона використовується для вимірювання температури в діапазоні від -38,5 º С до 630 º С.
Термометри з кварцового скла для вимірювання температур до 800 º С наповнені ртуттю. Для вимірювання температур до -200 º С застосовують термометри, наповнені смачивающей органічної рідиною.
Для зручності спостережень і полегшення відліків в термометричні рідину додають блакитне або червоне барвник. Барвник ні в якому разі не повинно виділятися з рідини і звужувати перетин капіляра через осадження на стінках. Неправильно обраний барвник може викликати похибка до 2 К. рідина повинна мати малу в'язкість, щоб час встановлення показання через повільне протікання рідини при охолодженні термометра було якомога меншою. Як змочувальних термометричних рідин придатні: толуол (від -90 º С до 100 º С), спирт (від 110 º С до 210 º С), пентанової суміш (від -200 º С до 30 º С). З-за гіршої теплопровідності і більшої в'язкості цих рідин інерційність таких термометрів більше, ніж ртутних.
У всіх термометрах не допускається наявність в рідині бульбашок газу або пари, які можуть розірвати стовпчик. Слід також стежити за тим, щоб не відбувалося випаровування і конденсації рідини у вільному просторі капіляра. У термометрів з смачивающей рідиною це може призводити до похибки в декілька десятих градуса вже при порівняно низьких температурах. Тому вільний простір капіляра часто заповнюють осушеним й очищеною від кисню інертним газом під тиском, підвищуючи тим самим крапку кипіння рідини (надлишковий тиск в 1 бар для температур до 350 º С. 20 бар до 600 º С, 70 бар до 750 º С). Тільки у ртутних термометрів для вимірювань нижче 200 º С можна використовувати вакуумованих капіляр. Це полегшує усунення розриву стовпчика, а й виникають вони в цьому випадку значно частіше. Оскільки більший перетин капіляра і швидка зміна температури вздовж стовпчика сприяє виникненню розривів у вакуумованих термометрах, зазвичай ртутні термометри для низьких температур також наповнюють захисним газом.
1.1.2. Термоелектричні термометри (термопари).
1.1.2.1. Принцип дії.
У термоелектричних термометрах для вимірювання температури використовується відкрите в 1921 р. Зеєбека явище термоелектрики (ефект Зеєбека). Якщо два провідника з різних металевих матеріалів А і В з'єднані кінцями в замкнутий контур (рис.1. А) і місця сполук перебувають при різних температурах t 1 і t 2, то в контурі виникає електричний струм. Обидва електропровідниками, звані термоелектродах, утворюють термопару. Одне з місць з'єднання, що поміщається в середу з вимірюваною температурою, є робочим кінцем термопари, друге, що знаходиться при постійній температурі, є вільним кінцем термопари.
Термоелектрорушійної сила (т.е.д.с.) Е термопари з термоелектродах А і В може бути розрахована з алгебраїчної суми ефекту Пельтье для місць контактування А і В і ефекту Томпсона для обох термоелектродов А і В, якщо знехтувати такими необоротними явищами, як джоулеви втрати і втрати на теплопровідність.
Якщо в контурі, складеному з термоелектродов А і В (див. рис. 1., Б), тече струм, то при переході електронів з одного термоелектродах в іншій вони повинні або витрачати, або купувати енергію. При цьому кінетична енергія електронів збільшується або зменшується, а місце контакту охолоджується або нагрівається. Теплові потоки, що виникають в обох місцях контактування термоелектродов А і В, змінюються пропорційно току I.
А + А +
t 1 t 2 t 1 = t 2 t 2 = t + t
б
а
В-В-
Рис.1. Ефект Зеєбека (а) і Пельтен (б): а - термоконтур з термоелектродах А і В;
б - термоконтур з джерелом струму; t 1 і t 2 - температури спаїв
t 1 <t 2
Тепловий потік дорівнює , Де Р - коефіцієнт Пельтье, що залежить
від матеріалу обох термоелектродов і температур t 1 і t 2 мiсць контактування; Р має розмірність ВТ / A = В.
При проходженні струму I в контурі внаслідок невеликого за величиною ефекту Томпсона термоелектродах або нагріваються, або охолоджуються, якщо в них є перепад температур у порівнянні, наприклад, з найбільш високою
температурою контакту Т 2. Цей тепловий потік також пропорційний току I і градієнту температур в обох термоелектродах і дорівнює , Де - Коефіцієнт Томпсона, що залежить від матеріалу електродів і від температури Т і має розмірність Вт / А · К = В / К.
Якщо робочий кінець термопари знаходиться при температурі , А вільний - при Т, то т.е.д.с. . Вона дорівнює сумі ефектів Пельтьє і Томпсона, тобто
(1а)
або
Звідси випливає
(1б)
Після деяких перетворень з (1б) можна вивести зв'язок т.е.д.с. Е і коефіцієнтами Р і :
(2а)
(2б)
З фундаментального рівняння (2б) можна отримати всі термоелектричні властивості термопари, наприклад нелінійну залежність температура - т.е.д.с.:
Інтегруванням рівняння (2б) отримуємо
(2г)

1.1.2.2. Загальні вимоги до матеріалів для термоелектричних термометрів
Для зручності вимірювань температури за допомогою термопар бажано, щоб т.е.д.с. була досить великою і щоб електроопір термопари було не надто високим. У цьому випадку можна вимірювати температуру без особливих додаткових пристроїв, таких як підсилювач, а також на досить великій відстані між термопарою і вимірювальним пристроєм. Крім того, характеристика термопари повинна бути лінійною, а діапазон застосування термопари можливо більш широким.
Матеріали для термопар повинні мати якомога більш високу точку плавлення, повинно бути можливим виготовлення їх у достатній кількості і стабільної якості, термопари повинні легко оброблятися для отримання потрібної форми (лента. дріт). У матеріалі термоелектродов в робочому діапазоні температур не повинно відбуватися аллотропических перетворень, що викликають стрибкоподібні зміни т.е.д.с. Термоелектродах повинні мати достатню корозійною стійкістю і бути стійкими проти окисного і відновлювального дії середовища; в процесі окалиноутворення або охрупчивания не повинні змінюватися їх термоелектричні властивості. Легуючі елементи, що входять до складу сплаву, не повинні дифундувати назовні в результаті селективного окислення або випаровуватися при високій температурі. Якщо ці умови виконуються протягом тривалого терміну експлуатації, то отримують рівномірну і стабільну залежність т.е.д.с. від температури. При цьому значення т.е.д.с. термопар у всьому робочому діапазоні лежать в межах допустимих похибок.
Крім того, необхідно звертати увагу на те, щоб т.е.д.с. можливо менше змінювалася при механічному навантаженні термопари, такому як розтяг, вигин, зминання. На властивість термоелектродов особливо сильно впливає холодна деформація. Тому для досягнення сталості т.е.д.с. термоелектродах або термопари часто стабілізують електронагрівом при досить високій температурі.
При тривалих високотемпературних вимірюваннях температури робочого кінця і прилеглих частин термоелектродов приблизно рівні. Відбуваються в цих зонах зміни хімічного складу термоелектродов не позначаються на т.е.д.с. Точно також зміни складу сплавів на робочому кінці термопари з-за пайки або зварювання термоелектродов не впливає на вимірювання (закон проміжного провідника).
1.1.2.3. Принципи вимірювання температури за допомогою термоелектричного термометра
1. За законом гомогенного контуру в замкнутому контурі, що складається
з одного гомогенного провідника, струм відсутній, навіть якщо окремі перетину провідника мають різні температури. Звідси випливає: в контурі з двох різних термоелектродов, місця контактування яких мають різну температуру, т.е.д.с. не залежить від розподілу температури уздовж термоелектродов.
2. За законом проміжного провідника сума напружень в
контурі, що складається з великої кількості різних термоелектродов, дорівнює нулю, якщо всі термоелектродах мають однакову температуру. Виходячи з цього закону, можна розімкнути термоелектричний контур в будь-якому місці і включити в нього один або кілька однакових або різнорідних провідників. Якщо їх місця сполук перебувають при однаковій температурі, то не виникне ніяких паразитних т.е.д.с. можна розімкнути контур у місці контактування, наприклад на вільному кінці термопари і вставити інший провідник. Треба тільки на кінцях обох термоелектродов в розімкнутому місці контактування підтримувати однакові температури, тоді розподіл температур вздовж вставленого провідника не буде впливати на т.ед.с.
3. За законом адитивності т.е.д.с., якщо два будь-яких провідника А і В
мають по відношенню до третього З т.е.д.с. Е АС і Е ЗС, то т.е.д.с. термопари АВ дорівнює Е АВ = Е АС + Е НД
4. За законом адитивності температур т.е.д.с. Е 3, що виникає
внаслідок різниці температур t 3 та t 1, дорівнює сумі т.е.д.с. Е 1 між t 2 і t 1 і т.е.д.с. Е 2 між t 3 та t 2, тобто Е 3 = Е 1 + Е 2. Тому т.е.д.с. Е 3, обумовлена ​​різницею між температурами t 3 та t 1. не залежить від зміни температури термоелектродов між робочим кінцем термопари, що знаходиться при температурі t 3. і вільним кінцем, що знаходиться при температурі t 1.
1.1.2.4. Вимірювання температури полум'я за допомогою термоелектричного термометра
Один з найпростіших методів вимірювання температури полягає в тому, що вводять у полум'я невеликий за розмірами термоелектричний термометр. Температура такого термометра може, однак, істотно (на 100-200 ° С) відрізнятися від температури газу, тому що вона визначається з теплового балансу:
(3)
де - Тепло, передане від полум'я до термометра через конвекцію; - Тепло каталітичного горіння на термоелектродах термометра; - Тепло, відведений через термоелектродах і з'єднувальні дроти; - Тепло, випромінюване термометром у навколишнє середовище.
Спеціальними заходами прагнуть перетворити на нуль величини і . Величина залежить від температури термоелектродних дротів, полум'я, стінок, а також від діаметра дроту і випромінювальної здатності беруть участь у променистому теплообміні елементів. Подумки можна розкласти на два компоненти, відповідні теплообміну випромінюванням між дротом і стінками печі.
Для конвекційного потоку тепла початкове значення критерію Нуссельта залежить, крім іншого, від діаметра дроту.
Для дотримання умов, закладених в основу теорії проходження потоку через циліндр, діаметр робочого спаю термопари термометра повинна якомога більшою мірою відповідати діаметру термоелектронної дроту; з'єднувальні проводи повинні бути розташовані в напрямку найменшого температурного градієнта. При дотриманні цих умов можна вважати, що тепловий потік від робочого спаю в підводять дроти пренебрежимо малий ( 0).
На підставі викладеного вище можна розрахувати дійсну температуру полум'я за результатами вимірювань одним термометром. Отримали також розвиток способи вимірювання температури, засновані на залежності між показаннями термометра і діаметра термоелектродних дроту: у певне місце полум'я один за іншим вводять два (або більше) термометра з різною товщиною термоелектродов і виходячи з результатів вимірювань розраховують дійсну температуру полум'я:
(4)
де d - діаметр термоелектродних дроту; індекс «1» відноситься до тонкого термоелектродах, індекс «2» - до товстого, індекс w - до стінки.
Цей, а також і більшість інших методів з використанням двох термометрів не враховують обміну випромінюванням між термометром і полум'ям. Нехтування цим обміном у разі не світяться полум'я не призводить до великої похибки вимірювання. У разі світиться оптично товстого полум'я обміном випромінюванням між термоелектродних дротом і стінкою можна знехтувати в порівнянні з обміном між термоелектродних дротом і полум'ям. Внаслідок сильної абсорбції полум'я термометр «не бачить» стінку. У цьому випадку застосування рівняння (4) не приводить до корисних результатів. Природно, що вплив випромінювання стінки або полум'я залежить також і від місця виміру.
При практичному застосуванні методу двох термометрів часто виникають похибки вимірювання того ж порядку, що і розраховані [дріб у рівнянні (4)]. Тому запропоновано вимірювати температуру лише одним можливо більш тонким термоелектричним термометром, а поправку приблизно оцінювати з залежностей, наведених на рис.1. Послідовність розрахунків наступна. З рівняння (3) маємо

де - Випромінювальна здатність; - Поверхня термометра. Після нескладних перетворень отримаємо
(5)
Коефіцієнт розраховується з рівняння (5) і рис.1, який відповідає Т w = 300 К (рис.2 - залежність коефіцієнта від виміряної температури). Дійсна температура приблизно дається рівнянням (5), у яке вводяться виміряні значення Т 1 і Т w і ​​значення , Визначені для даної температури Т 1 і діаметра дроту d.
Внаслідок своєї маси термоелектричні термометри при високочастотних турбулентних коливаннях температури полум'я не можуть точно за ними слідувати і дають середні значення температури, отримані інтегруванням першого ступеня температури в часі.
1.1.2.5. Розрахунок впливу температури вільних кінців термопари
Оскільки термопарами вимірюють різницю температур, виміряна т.е.д.с. залежить не тільки від температури робочого спаю, але і від температури вільних кінців термопари. Виміряна температура t дорівнює температурі, визначеної за градуюванні термопари, якщо температура вільного кінця термопари дорівнює опорної температурі , Яка покладена в основу градуювання термопари, або якщо температура вільних кінців коливається навколо неї в допустимих межах. Якщо вимірювальний прилад має шкалу в градусах Цельсія, то необхідно температуру вільних кінців термопари підтримувати можливо ближче до опорної температурі (0 або 20 º С).
При відхиленні температури вільних кінців від опорної виміряне значення т.е.д.с. Е а має бути скоригована на величину Е, що відповідає цьому відхиленню. Для температур від 0 до 60 º С т.е.д.с. Е змінюється практично лінійно різниці температур - .
E a
Температура
t a
t
tt a



ΔE
ΔE
E = E a + ΔE
Т.е.д.с.
Рис.2. Визначення температури об'єкта при зміні температури вільних кінців термопари від опорної : T - дійсна температура; t a - виміряна температура; E a - виміряна т.е.д.с.; Е - дійсна т.е.д.с. при температурі t a.
Підпис: EaПідпис: ΔEПідпис: ΔEПідпис: E = Ea + ΔEПідпис: Т.е.д.с.


Тому відповідно до рис.2. виміряне значення т.е.д.с. Е а має бути збільшено на . При цьому т.е.д.с. Е, відповідна температурі t, дорівнює
(6)
Середнє значення k береться з таблиці.
Показання вимірювального приладу з температурною шкалою правильно в разі, якщо = . При відхиленні температури вільних кінців від опорної температури вимірювана температура t може бути отримана з відлічених значення t a при введенні коефіцієнта корекції З:
(7)
Так як в інтервалі температур, близькому до температури вільних кінців, пропорційна , А поблизу вимірюваної температури пропорційна , То має бути

і
Тому С може бути розрахована з співвідношення зміни т.е.д.с. від температури при опорної температурі до зміни т.е.д.с. при вимірюваної температурі t:
(8)
Коефіцієнт корекції С залежить від типу термопари і значення вимірюваної температури. У загальному випадку з підвищенням температури коефіцієнт С зменшується. Якщо характеристика термопари лінійна, то С = 1, що приблизно виконується для термопари хромель-алюмель.
1.1.2.6. Похибки термоелектричних термометрів.
При оцінці похибок, що виникають при вимірюванні температури термоелектричними термометрами необхідно враховувати:
1. Відрізняти межа допустимої похибки від похибки конкретної термопари, яка визначається її характеристикою (градуювальної кривої).
2. Вплив температури вільних кінців термопари.
3. Похибка внаслідок зміни опору кола термопари.
4. Похибка через неточну установки або нестабільності струму потенціометра в схемах із зсувом нуля, а також при компенсаційному (потенциометрическом) методі, а в деяких випадках і похибка, яка виникає при коригуванні впливу температури вільних кінців у вимірювальних схемах.
5. Похибка вимірювального приладу, що визначається його класом точності і температурної похибкою.
При вимірі температури контактними термоперетворювачами можуть виникнути значні похибки, обумовлені відведенням теплоти від чутливого елементу за рахунок тепловіддачі за чохлу і тепловідведення випромінюванням. [3]
Похибка вимірювання температури газу, викликана променистим теплообміном між чохлом термоперетворювача і стінкою труби, визначається з виразу:
(9)
де Т С, Т Т, Т СТ - відповідно температура вимірюваного середовища, термоперетворювача і стінки, К; - Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією між термоперетворювачем і вимірюваним середовищем, ; С 0 = 5,67 - Коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла; - Наведений коефіцієнт теплового випромінювання, що характеризує теплообмін між термоперетворювачем і стінкою.
Коли поверхня стінки значно більше поверхні термоперетворювача ( ), Можна вважати, що наведений коефіцієнт теплового випромінювання практично рівний коефіцієнту теплового випромінювання термоперетворювача ( ).
Похибка вимірювання температури за рахунок тепловідведення з чохла визначається за формулою
(10)
де - Коефіцієнт тепловіддачі між термоперетворювачем і вимірюваним середовищем, ; Р і S - периметр, м, і площа, м 2, поперечного перерізу чохла термоперетворювача; - Коефіцієнт теплопровідності матеріалу термоперетворювача, ; - Глибина занурення чохла у вимірюване середовище, м.
1.2. Безконтактні методи визначення температур.
1.2.1. Оптичні методи вимірювання температури полум'я.
Визначення температури оптичним методом [4,5] засновано на зміні лучистости або спектральної інтенсивності лучистости в залежності від температури. В оптичному приладі одна з характеристик випромінювання порівнюється з відповідною характеристикою випромінювання абсолютно чорного тіла. Прилад градуюється за абсолютно чорного тіла безпосередньо в одиницях температурної шкали. Інакше кажучи, в основу оптичних методів вимірювання температури покладено вимір характеристик випромінювання, однозначно пов'язані з нею.
Порівняння характеристик випромінювання може здійснюватися за принципом рівності загального випромінювання або спектральних інтенсивностей, а також по ідентичності спектрального складу. Відповідно розрізняють три здаються температури, пов'язані функціонально з істинною температурою тіла і його випромінювальною здатністю: радіаційну, яркостную температуру Т ярко, колірну температуру Т кол.
Механізм випромінювання пламен можна моделювати за допомогою абсолютно чорного тіла. [4]
Абсолютно чорним тілом називається тіло, яке повністю поглинає всі падаюче на нього випромінювання незалежно від напрямку падаючого випромінювання, його спектрального складу і поляризації, нічого не відбиваючи і не пропускаючи.
Основною властивістю абсолютно чорного тіла є те, що для характеру випромінювання і поглинання форма, матеріал і властивості поверхні тіла абсолютно байдужі.
Поглощательной здатністю тіла називається величина, що показує, яка частина падаючої на поверхню тіла променистої енергії з певною довжиною хвилі поглинається ним при температурі Т.
Поглощательная здатність абсолютно чорного тіла для будь-яких довжин хвиль дорівнює одиниці, для всіх інших тіл поглощательная здатність менше одиниці. [7]
У загальному вигляді закон розподілу енергії в спектрі абсолютно чорного тіла визначається функцією:

Випромінювальною здатністю тіла називається промениста енергія певної довжини хвилі випромінювана з 1 см 2 поверхні в 1 сек. при температурі Т.
Формула, запропонована Міхельсоном, мала вигляд
(11)
З цієї формули, зокрема, випливало, що
і
Пізніші дослідження, проведені Вином на основі другого початку термодинаміки і закону тиску світла, відкритого видатним російським фізиком П. М. Лебедєвим, дозволили точніше визначити залежність енергії випромінювання від і Т:
(12)
(Де с - швидкість світла) і вивести рівняння розподілу енергії по спектру у функції довжини хвилі :
(13)
де C 1 = 3,7 · 10 -12 вт · см 2, С 2 = 1,432 см · град.
Те саме рівняння в функції частоти випромінювання має вигляд:
(14)
З рівняння (14) випливає, що при даній температурі Т випромінювання досягає максимуму при певній довжині хвилі . Залежність між температурою випромінюючого тіла Т і довжиною хвилі має вигляд:
(15)
Чисельне значення постійної у формулі (14) одно 2892 град, звідки:
(16)
де виражається в мікронах.
Відношення випромінювальної здатності тіла до його поглощательной здатності при даній температурі і довжині хвилі є для всіх тіл постійною величиною; ця стала дорівнює випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла.
З формули (16) випливає, що при збільшенні температури абсолютно чорного тіла максимум кривої випромінювання зміщується в бік коротких хвиль. Користуючись формулою (16), можна визначити довжину хвилі, яка відповідає максимальній випромінювання енергії в спектрі при даній температурі абсолютно чорного тіла, або температуру абсолютно чорного тіла, якщо відома довжина хвилі, відповідна максимуму випромінювання.
Рис.3. Криві розподілу
енергії випромінювання а.ч.т при
різних температурах
На рис. 3 наведені криві розподілу енергії випромінювання абсолютно чорного тіла при різних температурах. По осі ординат відкладені значення випромінювальної здатності, а по осі абсцис - довжини хвиль в мікронах.
На основі виведених раніше закономірностей про пропорційності випромінювання абсолютно чорного тіла четвертого ступеня його абсолютної температури і про зміщення максимуму випромінювання в бік коротких хвиль із збільшенням температури Він запропонував формулу для визначення величини максимальної енергії випромінювання:
(17)
де - Постійна, рівна 4,16 · 10 -12 вт / см 3 · град 5.
З формули (17) видно, що значення максимуму випромінювання в спектрі абсолютно чорного тіла зростає пропорційно п'ятого ступеня температури.
Для визначення випромінювальної здатності в довгохвильовій частині спектру зручна формула:
(18)
де СК = 0,412 · 1012 вт · см / град.
Яскравості температура.
Під яркостной температурою розуміють температуру абсолютно чорного тіла, при якій його спектральна інтенсивність лучистости дорівнює спектральної інтенсивності лучистости досліджуваного тіла при тій же довжині хвилі.
За визначенням,
(19)
або
(20)
Оскільки у видимій області для тіл, нагрітих до температури світіння, справедливий закон Віна, отримаємо спрощене рівність:
(21)
де - Спектральне пропускання середовища; - Коефіцієнт видности, відповідний монохроматичному фільтру, який вводиться в прилад при візуальному фотометрірованія яркостей.
З рівняння (20) слід
(22)
звідки (23)
і (24)
У загальному випадку, коли спектральна інтенсивність лучистости визначається формулою Планка:
(25)
Яскравості температура залежить від істинної температури тіла, спектральної излучательной здібності і ефективної довжини хвилі. При
яркостная температура тим більше відрізняється від справжньої, чим менше спектральна випромінювальна здатність. Для абсолютно чорного тіла яркостная і справжня температури збігаються.
Вважаючи , Отримаємо
(26)
Значні похибки можуть вноситься відбитими складовими випромінювання. Похибка, пов'язана з відбитим випромінюванням, тим більше чим менше справжня температура.
Колірна температура.
Під колірною температурою розуміють температуру абсолютно чорного тіла, при якій спектральний склад його випромінювання однаковий зі спектральним складом досліджуваного випромінювання, тобто відношення спектральних інтенсивностей лучистости при двох заданих довжинах хвиль однаково.
При постійній температурі кожне тіло має цілком певним розподілом лучистости по довжинах хвиль, і за формою кривої спектрального розподілу можна точно встановити температуру тіла. У разі візуальної фотометрії можна говорити про однакову кольоровості випромінювання при однакових температурах. При зміні температури одночасно зі зміною спектрального складу змінюються і абсолютні значення спектральних інтенсивностей, причому швидкість їх зміни різна для різних областей спектру. Так, інтенсивність зелених променів зростає швидше червоних, але повільніше синіх.
Різниця між справжньою і колірної температурами є наслідком селективності випромінювання. Для сірих і абсолютно чорних тіл ці температури рівні і ніяких поправок на неповноту випромінювання вводити не потрібно, більше того, немає необхідності знати абсолютну величину випромінювальної здатності.
При селективному випромінюванні відмінності між істинною і колірної температурами будуть тим більше, чим сильніше зміна по спектру випромінювальної здатності . У цьому випадку немає необхідності визначати абсолютну величину випромінювальної здатності тіла; достатньо лише знати, як вона змінюється при переході від однієї довжини хвилі до іншої, тобто відношення . Воно є значно більш стабільною величиною при зміні зовнішніх умов. Тому колірна температура тіла менше залежить від стану поверхні тіла, ніж його яркостная та енергетична температури.
У рівній мірі і ослаблення в проміжній середовищі значно слабкіше позначається на колірній температурі, якщо проміжна середовище для вибраних ділянок спектра не сильно селективна. Якщо

У залежності від властивостей тіла його колірні температури в різних областях спектру можуть істотно відрізнятися один від одного. Тому дуже важливо вибрати область спектра, для якої достатні енергетичні можливості поєднуються з мінімальною селективністю випромінювальної здатності. Методика визначення колірної температури може бути використана не тільки у видимій, але і в інфрачервоній області спектру як для високих, так і для порівняно низьких температур.
За визначенням поняття колірної температури повинно мати місце рівність:
(27)
( вважаємо рівним одиниці). В області застосовності закону Вина

звідки (28)
Після логарифмування і очевидних перетворень отримаємо
(29)
При обліку ослаблення в середовищі
(30)
Для визначення дійсної температури легко отримати залежність
(31)

РОЗДІЛ 2. МЕТОДИКА ВИМІРЮВАННЯ І ЕКСПРІМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.
2.1. Експериментальна установка, методика проведення вимірювань, аналіз отриманих даних.
Нами проводилося дослідження розподілу температури у факелі при температурі навколишнього середовища 20 º С і тиску 768 мм.рт.ст. вертикально стоїть пальника. В якості пального використовується газ пропан-бутан, окислювач - повітря. Установка заземлена.
Досягнення максимальної температури для даної пальника можливе при оптимальному співвідношенні для неї подачі окислювача і пального. Змішування компонентів відбувається в робочому тілі пальники, таким чином в сопло надходить приготовлена ​​суміш вихідних компонентів.
Подача повітря регулюється збільшенням зазору дифузора пальники, забезпечуючи підсос повітря в робочий об'єм пальника. Можливість регулювання таким чином досить обмежений і здійснюється в основному зміною подачі пального (газ) в робочий об'єм.
Отримувана полум'я протягом значного видалення від сопла стабільно і осесиметричної. Це дозволяє нам застосовувати термоелектричні методи визначення температур.
Як термоелектричного датчика застосовується хромель-алюмелівая диференціальна термопара.
Робочий спай термопари, що поміщається в полум'я кріпиться на електроізоляційною тефлоновою підставці, закріпленої на препаратоводітеле, конструкція якого дозволяє переміщення в горизонтальному і вертикальному напрямках, що дає можливість виміряти температуру в будь-якій точці факела.
Реєстрування т.е.д.с. здійснюється за допомогою осцилографа С1-112А.
4
1
3
8
7
5
6
14


9


10


15


12


11
2
2
8
13
Рис.4. Схема експериментальної установки
1) препаратоводітель; 2) трубопровід; 3) досліджуване полум'я; 4) спай термопари знаходиться в досліджуваному полум'я; 5) спай термопари знаходиться в кризі, 6) осцилограф; 7) напрямок руху повітря; 8) напрямок руху газу; 9) голчастий клапан ; 10) пламегаситель (стружки металу); 11) ротаметр; 12) редуктор; 13) газовий балон; 14) вузол за допомогою якого регулюється подач повітря; 15) трубопровід.

Розподіл температур в факелі досліджуваної пальники



Перетин 4 2 5 1
5

Переріз 3 2 5 3 1

Перетин 2 2 5 3 1
2 Перетин 1 5 4 3 1



Рис.5. Експериментальне розподіл температур у факелі досліджуваної пальника.

Таблиця 1.
Термопара хромель-алюмель, е.р.с
1
2
3
4
5
Перетин 1
17 mV
20 mV
22 mV
18 mV
7 mV
Перетин 2
17 mV
25 mV
27 mV
-
23 mV
Переріз 3
17 mV
26 mV
26.5 mV
-
27 mV
Перетин 4
17 mV
25 mV
-
-
29 mV
Таблиця 2
Отримана температура факела, º С
1
2
3
4
5
Перетин 1
420
485
530
440
170
Перетин 2
420
600
650
-
560
Переріз 3
420
630
640
-
650
Перетин 4
420
600
-
-
700
Рис.6. Розподілу температур у факелі досліджуваної газового пальника.
\ S
Перетин 2
r, mm
T, C º
5
0
560
3
4,63
650
2
5,69
600
1
6,81
420


Перетин 1
r, mm
T, C º
5
0
170
4
2.75
440
3
6.13
530
2
6.81
485
1
7.5
420
Переріз 3
r, mm
T, C º
5
0
650
3
2,38
640
2
4,02
630
1
5,59
420
Перетин 4
r, mm
T, C º
5
0
700
2
2,31
600
1
4,36
420

З газового балона (13) газ (пропан-бутан) через редуктор (12) по трубопроводу подавався на голчастий клапан (9), за допомогою якого регулювалася подача газу. Після чого газ пройшовши через ротаметр (11) і пламегаситель (10) потрапляв в пальник. Пламегаситель використовувався з метою безпеки, для запобігання ефекту потрапляння полум'я в трубопровід і загоряння газового балона. Робочим тілом у пламегаситель була металева стружка (зокрема алюміній) з великим коефіцієнтом теплопровідності.
Конструкція пальника допускала регулювання (14) подачі окислювача (повітря) в робочий об'єм, тим самим досягалося стаціонарність полум'я. Хромель-алюмелеві робоча термопара (4) встановлювалася на препаратоводітель (1), який дозволяв переміщати робочий спай термопари по вертикалі і горизонталі з точністю 0,05 см. Другий спай термопари (5) перебував при 0 º С, щоб виключити вплив температури навколишнього середовища.
Для того щоб визначити структуру факела нами була виміряна розподіл температур в чотирьох горизонтальних перерізах. Чітко простежується наявність малого конуса в полум'ї пальника.
Перетини вибиралися таким чином: 1-е перетин - у сопла пальника, 2-е перетин - на відстані 1 / 3 від загальної довжини малого конуса, 3-е перетин - на відстані 2 / 3 від загальної довжини малого конуса, 4-е перетин - у вершини малого конуса.
Аналізуючи отримані результати можна сказати наступне: структура отриманого факела аналогічна знайденої в роботі [6].
Геометрично факел представляє собою звужується вгору осесиметричних структуру. Усередині великого конуса світло-синього кольору спостерігається малий конус насиченого блакитного кольору. У вершини малого (внутрішнього) конуса розташовується зона жовтого свічення, відповідна знайденої в роботі [6], розкладанню важких вуглеводнів і утворення конденсованої дисперсної фази вуглецю (сажі).
Факел стабільний приблизно до зони жовтого свічення, що розташовується на відстані ¾ довжини факела починаючи від торця сопла. Дана нестабільність зумовила неможливість отримання точних значень температур верхньої чверті факела.
По осі факела температура зростає в міру віддалення від торця сопла і досягає максимуму у нижнього краю зони жовтого свічення. Далі наші виміри реєструють падіння температури полум'я, таким чином дані за вказаною вище причини (нестабільності) ми привести не можемо.
Нам видається, що як і в роботі [6], механізм горіння в торця сопла носить дифузний характер. У міру просування по смолоскипу, перемішування окислювача і пального поліпшується і певну роль починає грати кінетична складова, що й зумовлює підвищення температури біля краю зони жовтого свічення. Що стосується сталості температури зовнішнього краю великого конуса, то вона на нашу думку визначається дифузією окислювача з зовнішнього повітря в зону реакції.
Таким чином отримана структура факела на нашу думку зумовлена ​​режимом дифузійного горіння пального (пропан-бутанова суміш застосовується у побутовій техніці і окислювача повітря) з поступовим збільшенням кінетичної складової (і температури), яка досягає максимального значення у нижнього краю зони жовтого свічення.

РОЗДІЛ 3. ПЕРСПЕКТИВИ застосування безконтактних ОПТИЧНИХ МЕТОДІВ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ДЛЯ ДОСЛІДЖУВАНОЇ ПАЛЬНИКИ.
Отримані експериментальні результати добре описують розподіл температур у факелі стаціонарного полум'я. У разі бистропротекающих процесів або нестаціонарних пламен необхідно одержати більш високу тимчасове і просторове дозвіл.
Це може бути досягнуто за допомогою застосування оптичних методів визначення температур.
Таким чином нами для отримання розподілу температур у верхній частині полум'я передбачається використовувати методику запропоновану в [8].
Виготовлений у зазначеній роботі прилад і запропонована методика дозволяє реєструвати випромінювання з локального обсягу факела одночасно на чотирьох довжинах хвиль. Це з одного боку дозволяє уникнути помилок при випадковому попаданні однієї з робочих довжин хвиль на довжину хвилі відповідної лінії випромінювання елемента або в смугу випромінювання молекулярного спектра.
Таким чином застосування зазначеної методики дозволить нам надалі реєструвати швидкоплинучими процеси. І в разі потреби поєднавши одну з робочих довжин хвиль з характеристичної лінією випромінювання досліджуваної реакції зробити висновок про механізм горіння, яка нас цікавить речовини.

Висновки.
1. Застосована методика вимірювання температур за допомогою термопари дала можливість отримати розподіл температур у факелі в зоні його стійкого горіння.
2. Певне розподіл температур у факелі дозволяє зробити припущення про дифузійному режимі горіння у сопла, і наступним зростанням ролі кінетичного режиму горіння із збільшенням відстані від торця факела, і досягнення максимальних температур у нижнього краю зони жовтого свічення.
3. Сталість температур зовнішньої поверхні факела визначається дифузією кисню з зовнішнього повітря в зону реакції.
4. Для отримання більш точних результатів і зокрема у верхній частині факела, необхідно застосовувати методики визначення температур оптичними методами, що володіють великим просторовим і тимчасовим дозволом.

Список літератури
1. Ліневег Ф. Вимірювання температур в техніці. Довідник. Пер. з нім. 1980 544 с.
2. Температурні вимірювання. Довідник. / Геращенко О.А., Гордов А.Н., Єрьоміна А.К. та ін: Отв.ред. Геращенко О.А.-Київ: Наукова думка, 1989.-709 с.
3. Кузнєцов Н.Д., Чистяков В.С. Збірник завдань і питань по теплотехнічних вимірювань і приладів: Учеб. посібник для вузів. - 2-е вид., Доп. - М.: Вища школа, 1985. - 328 с.
4. Брамсон М.А. Інфрачервоне випромінювання нагрітих тіл. М.: Наука, 1964.-223 с.
5. Світло Д.Я. Оптичні методи вимірювання істинних температур. М.: Наука, 1982. 296 с.
6. Гейдон А.Г., Вольфгард Х.Г. Полум'я, його структура, випромінювання і температура. Пер. з англ. -М: Металург, 1959. -333 С.
7. Шейндлін А.Є. Випромінювальні властивості твердих матеріалів. М.: Енергія, -1974. 350 с.
8. Трофименко М.Ю. Особливості структури факела полум'я твердих сумішевих систем на основі перхлорату амонію. Дисертація на здобуття ступеня канд. фіз.-мат. наук, Одеса, 1999.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Курсова
160.5кб. | скачати


Схожі роботи:
Раціоналізація приладів для визначення витрати та об`єму газового середовища в трубопроводі
Визначення температури фазового переходу феромагнетик-парамагнетик
Визначення температури фазового переходу феромагнетик парамагнетик
Пристрій зварювального пальника
Побудова логічної моделі досліджуваної системи
Заходи газового режиму
Термодинамічний розрахунок газового циклу
Розрахунок будівництва газового трубопроводу
Основи хроматографії Пристрій газового хроматографа
© Усі права захищені
написати до нас