Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения, страница 4

На основании закона Кирхгофа излучение продуктов сгорания в пламени (независимо от их природы и длины волны), если они характеризуются локальным равновесием, может быть описано законами излучения, полученными для абсолютно черного тела с учетом коэффициента излучения (их излучательной способности). Спектральное распределение энергии излучения пламени типично­го осветительного состава (в сравнении с абсолютно черным те­лом) показано на рис. 1.5.

Зависимости коэффициентов поглощения  и излучения  от различных факторов аналогичны друг другу. Выражения, при­веденные выше для коэффициента поглощения, справедливы и для коэффициента излучения:

Излучательная способность пламени и содержащихся в нем ча­стиц может быть различной. По мере увеличения размеров пламе­ни будет превалировать собственное поглощение и излучение пла­мени начнет приближаться к излучению черного тела (k_p мало).

Излучательная способность пламен конденсированных горючих и смесей

Излучательная способность пламен исследована нами на уста­новке, позволяющей определять лучеиспускание и поглощение

где Iл — интенсивность излучения эталонной лампы, которая использовалась для просвечивания исследуемого пламени; Iпл+л — суммарная интенсивность излуче­ния пламени и излучения лампы, прошедшего через пламя; I_пл — интенсивность излучения пламени.

Излучательную способность исследуемых пламен измеряли в спектральном интервале, определяемом полосой пропускания

Рис. 1.6. Изменение излучательной способности по высоте диффузионных ламинарных пламен бензола (1), бен­зина Б-70 (2) и гептана (3) (h/H — отношение высот измерения к высоте пламени; диаметр образцов 10 мм).

интерференционного светофильтра  = 589 нм. При этом вследствие незначительных размеров исследуемых лабораторных пламен рас­сеяние излучения не учитывалось. Для определения излучательной способности использовались цилиндрические образцы, горящие с торца в среде воздуха при атмосферном давлении и комнатной температуре.

Изменение излучательной способности продуктов сгорания бензола, бензина и гептана по высоте ламинарного диффузионно­го пламени показано на рис. 1.6. С увеличением расстояния от по­верхности образца уменьшается толщина ламинарного диффузи­онного пламени, изменяется температура и состав продуктов сго­рания, что и определяет характер кривых рис. 1.6. Как видно, излучательная способность пламен ароматических соединений (бен­зола) значительно выше излучательной способности пламен али­фатических соединений (гептана).

Сравнительные данные об излучательной способности пламен гептана, ароматических соединений, металлов, металлизированной смеси и термита приведены в табл. 1.1.

При переходе от бензола к нафталину и антрацену излучательная способность пламени несколько возрастает вследствие увели­чения содержания конденсированных частиц в пламени. Горение магния и алюминиево-магниевого сплава характеризуется высокой

Таблица 1.1. Излучательная способность _ (=589 нм)

пламен индивидуальных горючих и смесей на высоте h/H = 0,1

(диаметр образца 10 мм)

Горючее или смесь
Гептан	<0,02
Бензол	0,68
Нафталин	0,71
Антрацен	0,73
Флуорен	0,73
Магний	0,90*
Алюминиево-магниевый сплав	0,90*
Металлизированная смесь (на основе натриевой селитры, алю­миниевого порошка и органической составляющей)	0,30—0,90*
Железо-алюминиевый термит с активирующей добавкой (75 : 25 : 5 масс. ч.)	0,40—0,96*

* Суммарный коэффициент ослабления

излучательной способностью  = 0,9. В работе [12] порошко­образный магний смешивался в специальной горелке с кислоро­дом, образовавшаяся аэровзвесь поджигалась с помощью газовой горелки. Измерения показали, что излучательная способность кис­лород-магниевого пламени в пределах ошибки опыта остается по­стоянной по высоте пламени и равна 0,95 ( = 665 дм). Это значе­ние близко к значению излучательной способности исследованно­го нами ламинарного диффузионного пламени магния в воздухе. Излучательная способность продуктов сгорания металлизирован­ных смесей и термитов значительно изменяется в процессе горе­ния (для исследованной металлизированной смеси — в диапазоне 0,3—0,9 и исследованного термита — в диапазоне 0,4—0,96). Это свидетельствует, в частности, о том, что яркостная температура пламен конденсированных смесей, содержащих окислитель и ме­таллическое горючее, может значительно отличаться от истинной температуры. Под яркостной температурой реального тела (среды) понимают такую температуру Т° абсолютно черного тела, для ко­торой при той же длине волны  справедливо равенство [9,c.268]

где — интервал длин волн;  — телесный угол.

И спользуя формулу Вина, получаем

откуда

Разница между измеренной оптическим пирометром яркостной температурой 2400 К и истинной температурой, вычисленная по этой формуле, при излучательной способности 0,9; 0,4 и 0,3 со­ставляет 27; 262 и 357 К [9, с. 426]. Поэтому при использовании яркостного метода для измерения температур конденсированных смесей, содержащих окислитель и металлическое горючее, необ­ходимо дополнительно производить измерение излучательной спо­собности исследуемого участка пламени (непосредственно в мо-

Рис. 1.7. Характерное изменение интенсивности излучения пламен индивидуальных горючих (1) и смесей на основе NaNO₃ и А1 (2).

мент измерения температуры) и вычислять поправку к измеренной температуре по формуле (1.27).

Ламинарно-диффузионное горение твердых и жидких горючих характеризуется незначительным изменением интенсивности излу­чения, а горение металлизированных смесей (содержащих окисли­тель) значительным изменением интенсивности излучения (рис. 1.7). Наблюдаются крупномасштабные пульсации интенсивности излучения, вызванные естественной турбулизацией потока, с пери­одом 0,4—1,5 с и местные более высокочастотные колебания ин­тенсивности излучения и характеристик горения (с периодом 0,1— 0,05 с), обусловленные, очевидно, неоднородностью среды (проте­канием -элементарных процессов горения и наличием конденсиро­ванной фазы). Горение термита характеризуется резким измене­нием интенсивности излучения. Наблюдаются отдельные вспыш­ки, отличающиеся по длительности и интенсивности, вызванные пульсирующим характером горения.

Доля лучистой энергии при горении

В сильно обедненных горючим смесях бунзеновских пламен около 10% теплоты сгорания теряется вследствие излучения, а при стехиометрическом составе смесей — примерно до 18% [1]. Экспе­риментально установлено, что в пламени СО около 25% общей выделяемой химической энергии расходуется на излучение в ок­ружающую среду [1]. Доля радиационной составляющей при го­рении напалма составляет от общего тепловыделения 30—40% [13]. Проведем ориентировочную оценку доли теплоты, расходуе­мой при горении бензина на излучение [2, с. 65].

Излучательная способность пламени бензина, который сгорает в резервуаре значительного диаметра (не менее 5 м), обычно близ­ка к единице; высота пламени примерно в 2 раза больше диамет­ра, а скорость выгорания от диаметра резервуара почти не зави­сит. Таким образом, теплота, расходуемая в единицу времени на излучение, определяется согласно закону Стефана — Больцмана следующим соотношением:

где S — поверхность пламени; R — радиус резервуара.

Количество теплоты, выделяющейся при горении, равно

где v — скорость выгорания бензина; q — его теплотворная способность. Очевидно, что

Для бензина  = 6,67-10-⁵ м/с (~4 мм/мин); =0,75-10³ кг/м³;

Т≈1400 К; 9=46055 кДж/кг (11 000 ккал/кг). Подставляя эти значения, получим, что q₂=0,4q₁.

Таким образом, при горении бензина в широких резервуарах на излучение расходуется до 40% теплоты, выделяющейся в ре­зультате горения.

Теплота, выделяющаяся в виде лучистой энергии, поглощается более холодными зонами пламени и близлежащими слоями окру­жающей среды.

§ 3. ТЕМПЕРАТУРА ПЛАМЕН

1. Пирометрия пламен

Основное статистическое определение температуры дается при помощи функции распределения Максвелла — Больцмана. Это па­раметр системы, которая находится в равновесном состоянии, ха­рактеризующий энергию, которой обладают частицы, составляю­щие систему.

Излучение любой системы, находящейся в полном термодина­мическом равновесии, непрерывно. Оно аналогично излучению абсолютно черного тела при температуре системы. Спектр излуче­ния пламен обычно состоит из дискретных полос. Это обусловле­но тем [14, с. 26], что оптическая толщина пламени обычно мала и энергия излучения значительно превосходит энергию, получае­мую в результате поглощения. Получить сведения об излучающих объектах, присутствующих в горячих газах внутри пламени, мож­но только при небольшой оптической толщине пламени. Излучательная способность светящихся пламен богатых смесей обыч­но меньше единицы, т. е. они излучают меньше энергии, чем абсо­лютно черное тело. Таким образом, газы в пламенах никогда не находятся в полном термодинамическом равновесии.

Таким образом, возникает проблема обоснования использова­ния понятия температуры применительно к пламени. Обычно при­бегают к предположению локального равновесия [1, 15]. Оно означает, что в каком-либо объеме газа с размерами, меньшими по сравнению с возможной пространственной разрешающей способно­стью измерения, распределение энергии частиц близко к максвелловскому, так что газ в этом объеме может характеризоваться тем­пературой в классическом определении. Хотя пламя не является полностью равновесной системой, все же можно достаточно обос­нованно говорить о локальной поступательной температуре (характеризующей энергию поступательного движения частиц) для боль­шинства представляющих интерес пламен.

Установлено также, что достигаемая разрешающая способность измерения (по времени) в обычных пламенах (в отличие от удар­ных волн) вполне достаточна, чтобы можно было предположить существование равновесия между внутренними и поступательны­ми степенями свободы. Таким образом, принимают, что каждая точка пламени в большинстве случаев может быть охарактеризо­вана однозначным параметром, называемым температурой, хотя и зависящей от координат и, возможно, от времени. Однако в не­которых случаях нельзя предположить Даже локального равнове­сия и понятие температуры, характеризующей все распределение энергии, теряет свой смысл.