Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения, страница 6

На основании анализа возможных причин отклонении от термодинамического равновесия в пламени можно сделать следующее заключение: 1) отличие реального состава продуктов сгорания от расчетного и охлаждение пламени могут не препятствовать уста­новлению локального равновесия в единице объема газа и полу­чению достоверных экспериментальных температур, но значения их будут меньше расчетных; 2) при обычном и повышенных давле­ниях процесс излучения также может не препятствовать установ­лению равновесия и получению достоверных экспериментальных значений температур; 3) наличие хемилюминесценции, аномально высоких значений энергии электронного возбуждения и энергии колебательного движения, а также процесса излучения при разре­жении в зависимости от степени эффекта и используемого экспе­риментатором метода измерения (без соответствующих поправок) может привести к значительным ошибкам при измерении темпе­ратур. Поэтому экспериментальные измерения температур жела­тельно проводить двумя независимыми методами или полученные экспериментальные значения сравнивать с расчетными при усло­виях горения, близких к адиабатическим.

Сравнение методов зондовой и радиационной пирометрии

Условием использования любого метода измерения температур (вытекающим из самого понятия температуры) является наличие больцмановского распределения энергии между газообразными частицами (или незначительное отклонение от него). В большин­стве случаев продукты сгорания в пламени удовлетворяют этому условию, т. е. могут быть охарактеризованы локальным равнове­сием и температурой. При этом достоверные значения температур дают любые методы измерения; ошибка будет определяться толь­ко точностью выбранного метода.

В некоторых случаях возможны значительные отклонения от равновесного состояния (особенно в зоне реакции или во фронте пламени). Любые методы измерения при этом дают не истинные, а некоторые эффективные значения температур. Методы обраще­ния спектральных линий, абсолютной и относительной интенсив­ности, определения вращательной и колебательной температуры основаны на измерении интенсивности излучения тех или иных газообразных частиц. В случае аномального возбуждения газооб­разных частиц, по интенсивности излучения которых производится измерение, эффективная температура будет зависеть от вида степени отклонения и в большинстве случаев будет недостоверна (не будет характеризовать даже примерное распределение энергии). При отсутствии аномального возбуждения газообразных ча­стиц, по интенсивности излучения которых производится измерение, указанные методы, как и другие методы радиационной и зондовой пирометрии, могут дать примерно одинаковые значения эф­фективной температуры, характеризующие некоторое общее эф­фективное, распределение энергии (несмотря на существование отклонения от равновесия).

С помощью методов зондовой пирометрии измеряют среднемассовую температуру частиц, находящихся вблизи спая термо­пары и термометра сопротивления. Так как спай может быть очень небольшим по размерам (меньше толщины реакционной зоны), термопарным методом измеряют по существу местную локальную температуру газообразных частиц, заключенных в объеме с диа­метром, равным ~10 диаметрам спая термопары.

С помощью радиационных методов измеряют среднеоптическую температуру частиц (заключенных внутри телесного угла, «выре­заемого» из пламени оптической системой прибора) по излучению, основная доля которого обусловлена слоями газа с максимальной температурой. Поэтому обычно получают значения температур, усредненные для каждого сечения пламени, близкие к максималь­ным.

Локальные значения температур радиационными методами по­лучают либо исследованием отдельных небольших по толщине участков, либо местным «подсвечиванием» пламени с использова­нием специального устройства [1,8] для ввода излучающей добав­ки.

С помощью термопар и термометров сопротивлений можно из­мерять температуру с очень высокой точностью, до 1 °С (в идеаль­ных условиях измерения), превышающей точность радиационных методов (5°С [1]).

Можно изготовить очень маленькие по размеру термопары (диа­метром до 10 мк), так что при измерениях может быть достигну­та высокая пространственная разрешающая способность. С по­мощью тонких термопар можно измерить температуру продуктов сгорания в объеме диаметром около 0,1 мм [1, с. 134—135]. Это ценно при исследовании структуры стационарных пламен, химиз­ма и кинетики горения и в случаях, когда необходимо точное зна­ние локальных температур в определенных точках пламени.

Пространственная разрешающая способность радиационных методов значительно меньше. При вводе излучающей добавки в однородные части пламени с помощью специального устройства пространственная разрешающая способность радиационных мето­дов имеет обычно порядок 1 мм [1, с. 144].

В некоторых случаях (при тщательном выполнении экспери­мента) разрешающая способность радиационных методов может быть высокой. Так, с помощью метода обращения спектральных линий удалось получить с высокой точностью измерения (±4 К) температурный профиль (линии изотерм) пламени смеси природного газа с воздухом [11, с. 243]. Измерения локальных темпера­тур производились в окрашенной натрием части пламени в объе­ме с размерами (0,02X0,1) мм.

Термопары и термометры сопротивления обладают значитель­ной инерционностью, поэтому их применение затруднено при ис­следовании переменных или кратковременных элементарных про­цессов горения. Радиационные методы практически безынерционны и могут быть использованы для исследования таких процес­сов. Наличие инерции у теплоприемника может привести к запаз­дыванию показаний регистрирующей системы и искажению формы регистрируемой кривой изменения температуры. Например, при горении баллиститных топлив изменение температуры во фронте пламени может происходить за очень короткое время, и на участ­ке длиной 0,1 мм разница температур может быть до 100 К [14, с. 65]. Очевидно, в этом случае требуется очень малая тол­щина датчика, помещаемого в зону реакции. Температурные гра­диенты в очень узкой зоне у края диффузионных пламен могут быть настолько большими, что их не удается измерить даже тер­мопарой толщиной 0,025 мм [18].

Процесс горения характеризуется изменением температур по высоте и диаметру пламени. В ряде случаев требуется определе­ние температур, усредненных по сечению и отдельным зонам пла­мени. Использование термопарного метода не позволяет или дела­ет трудоемким такое определение. В этом случае более удобны радиационные методы. Большинство пламен характеризуется большими градиентами температур по сечению пламени, особенно значительно может быть охлаждена наружная область пламени (вследствие поступления избыточного воздуха) или на­оборот, она может быть горячее в диффузионных пламенах, а так­же в пламенах богатых смесей (вследствие вторичного горения). При наличии градиента температур по сечению пламени в более холодных областях может происходить поглощение излучения данной спектральной линии, испускаемого в горячей зоне, и в спектре наблюдается явление, получившее название самообращения линии. Это может привести к заниженным значениям темпе­ратур, измеренных, например, методом обращения. Внешние слои пламени в основном состоят из СО₂ и Н₂О и мало поглощают из­лучение при Я = 589 нм. Для пламен, максимальная температура у которых наблюдается на боковой поверхности, занижение тем­ператур вследствие самообращения линий, очевидно, не сущест­венно.

Во многих случаях стремятся к достижению максимально воз­можных температур горения. Температура пламени некоторых смесей может превышать 2500 °С, что в ряде случаев делает невоз­можным применение термопар и термометров сопротивлений из обычно используемых материалов вследствие их плавления и раз­рушения. Кроме того, из-за большого содержания в некоторых смесях окислителя в пламени может создаваться активная окисли- тельная среда, агрессивная для материала термоприемника, что влечет за собой частичное или полное сгорание термопары или термометра сопротивления при температурах значительно мень­ших температуры плавления материала. В отличие от методов зондовой пирометрии, верхний предел измерений температуры с помощью радиационных методов практически не ограничен.

Во многих пламенах образуются конденсированные частицы, которые могут оказать значительное влияние на точность измере­ния температур как термопарами, так и некоторыми радиацион­ными методами. Жидкие и твердые конденсированные продукты, образующиеся в пламени при горении многих систем, могут по­крыть чувствительный элемент термоприемника слоем значитель­ной толщины, искажать структуру пламени и, соответственно, по­лучаемый результат. «Зашлаковка» зонда может произойти, например ,за период инерционности термопары и термометра сопро­тивления. Конденсированные продукты, оседающие на чувстви­тельный .элемент зонда, могут полностью изолировать его от пла­мени. В местах контакта шлаков с металлом возможно образова­ние «паразитных» термо - э. д. с.

Наиболее частым случаем является образование сажи в пламенах при горении органических веществ. Кроме того, во многих случаях образуются частицы металлических окислов, таких, как MgO или Al₂O₃. Конденсированные частицы могут оказать влияние на излучение. Вместо спектра, состоящего из дискретных полос, такие пламена дают главным образом сплошной спектр, прибли­жающийся к спектру абсолютно черного тела. Однако неправиль­но было бы полагать, что он идентичен спектру абсолютно черно­го или серого тела при температуре пламени. Во-первых, излучательная способность частиц может изменяться при изменении длины волны. Известно, что цветовая температура пламени свечи при­мерно на 100°С выше истинной температуры [8, с. 215]; это свя­зано с изменением излучательной способности при изменении дли­ны волны вследствие малого размера частиц.

Во-вторых, надо учитывать рассеяние света частицами. Если рассеяние составляет 20%, по формуле Вина легко рассчитать, что, например, при температурах пламени 2000—2500 К измеряемая температура изменится на 40—60 К [19].

Введенный в газовый поток термометр регистрирует темпера­туру, отличную от истинной температуры потока. Это может быть обусловлено влиянием, которое зонд оказывает на пламя, и пря­мыми ошибками, связанными с теми или иными особенностями ме­тода. Влияние зонда на пламя в некоторых случаях может быть устранено путем уменьшения размеров термометра. Однако чтобы обеспечить передачу тепла термометру, размеры его не должны быть меньше Длины свободного пробега молекул. Вносимые зон­дом возмущения можно классифицировать как аэродинамические, термические и химические. Основным преимуществом радиационных измерений является то, что они не вносят никаких возмуще­ний в исследуемую систему.

При введении в пламя термометрического зонда возникает аэ­родинамический эффект— след со спадом скорости, который в пер­вом приближении может быть оценен в 4—5 диаметров спая тер­мопары вниз по потоку. Этот след приводит к тому, что прибор бу­дет регистрировать температуру, отличную от температуры, харак­теризующей невозмущенный поток. Аэродинамический эффект пропорционален диаметру проволоки.

В газовых потоках, имеющих большую скорость, любое тело помещенное в поток, нагревается, так как газ полностью тормозит­ся и кинетическая энергия адиабатически преобразуется в тепло­ту, повышающую температуру введенного тела. Различают две

т емпературы — статическую температуру Т_ст , которую имеет те­ло, движущееся вместе с газовым потоком, и температуру тормо­жения Т_торм. Согласно уравнению Бернулли для газового потока

г де v — скорость газа; С_Р — его теплоемкость; g — ускорение свободного паде­ния; А — механический эквивалент теплоты.

Термопара и термометр сопротивления измеряют не действи­тельную статическую температуру, а температуру торможения. Температура термометра может довольно точно характеризовать температуру среды лишь в случае, если газ движется со скоростью не более 50—70 м/с. Рост температуры обычной проволоки вследствие нагрева составляет около 1,2 °С при скорости сухого воздуха 50 м/с; 5°С при скорости 100 м/с; 20 °С при скорости 200 м/с и 40 °С при скорости 300 м/с [14, с. 66].

Термометры, используемые для определения температуры пламени, обычно имеют длинные участки тонкой проволоки, в ко­торой легко возникают колебания с амплитудой до 0,5 мм и часто­той около 50 Гц. Так как температурные измерения должны быть связаны с определенным положением зонда, это является источни­ком погрешности. Колебание значительно усложняет определение положения зонда и пространственно-временное усреднение показа­ний, не говоря уже о таких эффектах, как турбулизация потока, интенсификация процессов, горения и др.

Нагретые термопары и термометры сопротивления теряют теп­ло вследствие теплопроводности вдоль электродов и излучения сплошного спектра для которого окружающий газ в большинстве случаев оказывается прозрачным. Поэтому термометр, помещен­ный в газ, в большинстве случаев не нагревается до температуры газа, а принимает такую температуру, при которой приток энер­гии к термометру от газа за счет конвекции становится равным количеству энергии, теряемому за счет теплопроводности и излу­чения. В общем случае ошибки могут быть уменьшены если уменьшить размер термопар до размера, сравнимого с длиной свободного пробега молекул.

Потери из-за теплопроводности при измерениях температуры в пламенах с помощью тонких термопар можно сделать незначи­тельными, если расположить оба электрода термопары в плоско­стях с одинаковой температурой. Потери тепла излучением можно определить, приравнивая этим потерям количество теплоты пере­даваемой от газа к зонду [1, с. 139]. Для сферического зонда диа­метра d, находящегося при установившейся температуре Т₃ и вве­денного в газ с коэффициентом теплопроводности  и температурой T _г (при T_Г>T₃), количество тепла, передаваемого на единицу площади поверхности зонда можно приближенно определить как (2/d)*(Тг— Тз). Это справедливо для зонда, диаметр которого до-таточно мал (число Рейнольдса много меньше единицы) Тепло­вые, потери зонда излучением к стенкам при температуре стенок Т_ст характеризуются величиной  (T⁴_з-T⁴_ст) (где - степень чер­ты зонда,  —постоянная Стефана — Больцмана). Приравнивая выражения для этих двух тепловых потоков, можно найти погреш-ность в измерении температуры, возникающую вследствие излуче-