Диссертация (1141533), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Рабочая частота при текущих номиналах ~80кГц.Рисунок 6 - Электрическая схема получения высоковольтного напряженияДля преобразования переменного напряжения в постоянное и повышениенапряжения использовался умножитель [92] со следующей схемой:Рисунок 7 - Принципиальная схема умножителя613.1.2. Ход эксперимента №1После сборки лабораторной установки проверялось изолирование корпусагорелки к земле во избежание токов утечки. Эксперимент проводился в следующейпоследовательности:1.пламя калибровалось под удобный размер для термографирования;2.делалась термограмма без наложения электрического поля;3.фиксировалась фактическая температура в факеле пламени при по-мощи термопары хромель-аллюмель. Местоположение термопары в факеле отмечалось при помощи тепловизора или фотоаппарата, в зависимости от температурытермопары (при превышении верхнего предела измерения тепловизора термограммы засвечивались и приходилось ориентироваться на фотографии, так кактвёрдое тело обладает сплошным спектром излучения в ИК-диапазоне);4.электрод от генератора прикладывался к корпусу горелки и снималасьтермограмма, напряжение с электрода снимали, делали термограмму и снова поднимали напряжение, и так три раза при каждом измерении для уменьшения статистической погрешности;5.изменялось напряжение или полярность/расположение электрода ипродолжалось термографирование.
Совместно с термографированием велось фотографирование факела пламени. Напряжение на электроде проверялось прикосновением конца электрода к киловольтметру типа С-96. Регулирование высоковольтного напряжения осуществлялось при помощи изменения числа элементов в схемуумножителя, тем самым изменяя кратность повышения напряжения. В соответствии с обзорами экспериментальных исследований прочих авторов и с ограничениями накладываемыми источником тока, для исследования воздействия были выбраны напряжения 7 и 21 кВ положительной либо отрицательной полярности. Собранная установка ввиду ограниченности бюджета не позволяла плавного регулирования напряжения для сбора большего числа данных, что было бы неоспоримоудобнее и качественнее.623.1.3. Обработка экспериментальных данных эксперимент №1Термограмма, полученная и обработанная с тепловизора, отображает радиационную температуру в каждой точке снимка.
На стадии обработки термограммпроисходит градуировка цветовой шкалы, в соответствии с которой изменения температуры будут наглядно отображаться изменением цвета на термограмме. Для обработки термограмм доступны изменения минимума и максимума диапазона цветовой шкалы, температура фона (кажущаяся или радиационная отраженная температура) и коэффициент излучения тела (насколько плотно тело излучает радиоволны в ИК диапазоне при нагреве). Температура фона выбрана в соответствии стемпературой в комнате, так как температура фона должна отображать температуру отражающихся поверхностей в исследуемой поверхности термографирования, то для закрытых помещений температура фона с высокой долей точности будет совпадать с температурой воздуха в помещении.
Газ или плазма не являетсятвёрдым телом, а поэтому не соответствует плотности излучения сплошного спектра [93] (коэффициент излучения для тела, которое при нагреве абсолютно плотнораспространяет радиоволны в инфракрасном спектре будет равен 1). Так же важным фактом является отражение ИК спектра от частиц углерода находящихся в факеле пламени в виде сажи [94], на ИК матрицу тепловизора будет поступать лишьчасть излучения от нагретого газообразного тела, тем самым демонстрируются заниженные температуры на термограммах. При помощи формулы 12 и подтверждения температуры в пламени термопарой хромель-аллюмель вычислен коэффициент излучения 0,00127 для обработки термограмм пламени без касания факеломтвёрдых тел и в отсутствии непосредственной близости зеркальных поверхностейв ИК спектре (таковыми могут выступать металл, стекло и прочие предметы с высоким коэффициентом отражения ИК излучения).
Столь низкий коэффициент излучения позволил термографировать пламя с температурой, превышающей верхнюю измерительную границу тепловизора более чем на 400 градусов Цельсия. Пересчёт температур на термограмме выполнялся впоследствии вручную, так какпрограмма обработки изображений имеет ограничения верхнего температурного63диапазона шкалы, совпадающей с паспортными характеристиками тепловизора.Изображённые термограммы первоначально были обработаны с коэффициентомизлучения, равным 1 и, впоследствии, пересчитаны на реальные температуры (длявсех соответствующих цветов и выделяемых диапазонов).Пересчёт температур от изображённых на термограммах к фактическимтемпературам пламени производился при помощи формулы [95], предназначеннойдля подсчёта температуры по пирометру бесконтактным способом:4 =41− 04 ( − 1)(59)Где: – измеряемая температура, 0К; - температура, измеренная тепловизором, 0К;0 - температура фона (292,15 0К (22 0С) – в соответствии с температурой вкомнате), 0К; – коэффициент черноты тела.
Определён по формуле: 4 − 4 = 4 −04(60)0Где:T – температура по показаниям термопары хромель-алюмель, 0К; - температура, измеренная тепловизором, 0К;0 - температура фона (292,15 0К (22 0С) – в соответствии с температурой вкомнате), 0К.По термограмме на Рисунок 8 без ЭП:3204 − 292,154 == 0,001271242,154 − 292,15464Таблица 1 – Пересчёт температур на термограммах в фактические*Условия опытаТемпература по терТемпература по терТемпература в пламограмме, 0Смопаре ХА, 0Смени, 0СБез ЭП47,8969969При пробое115,21586При пробое152,31837Переменное ЭП 7кВ50,510051005Переменное ЭП 7кВ51,61019Переменное ЭП 7кВ50,21002Постоянное ЭП 21кВ54,51055Пересчёт выполнен при коэффициенте черноты тела =0,00127.После определения коэффициента черноты тела и пересчёта температур поформуле 11 на фактические, подобран ряд термограмм [след.
рис] факела пламенипод напряжением 0, -7, - 21 кВ. Так как горение пламени в открытом воздухе неявляется полностью стабильным, с точки зрения сохранения контура пламени вовремени, то для уточнения данных был сделан большой ряд термограмм, и термограммы, опубликованные в работе, наиболее точно попадают в среднее значениеряда во всех исследуемых температурных диапазонах [96]. Для исследования брались слои, относящиеся к ядру формирования факела.
Слои, отображающие диффузионную теплопередачу от внешних слоёв воздуха и продуктов сгорания, омывающих факел пламени, анализу не подвергались, так как электрическое поле неоказывает существенного влияния на дымовые газы с низким содержанием ионизированных частиц.На рисунке 6 изображены термограммы с заливкой красным цветом температурного диапазона – от 925 до 969, слева направо соответственно. Красным выделена температурная зона в диапазоне от 925 0С до 969 0С. Этот температурныйдиапазон соответствует жаропроизводительности без влияния электрическогополя.
Температура диапазона близка к паспортным характеристикам горелки, в тоже время жаропроизводительность пропан-бутановой смеси может превышать2000 0С. Как видно из этого ряда термограмм рисунка 6, температура в пламениувеличивается при повышении напряжения на корпусе горелки [97], вследствиечего, выделенная красным температурная зона (участок на термограмме, отвечаю-65щий определённому температурному диапазону), увеличивается в размерах и меняет форму ядра. Форма наибольшим образом отражает воздействие ионного ветрана факел пламени.
Следующим шагом произведём анализ всех температурных зонпламени. На Рисунок 11 изображены изменения во всех исследуемых температурных диапазонах пламени при увеличении напряжения. У четырёх верхнихтермограмм отсутствует изображение без приложенного напряжения к горелке.Рисунок 8 - Температурные изменения ядра факела при воздействии электрическогополя напряжённостью 0, 7 и 21 кВЭтоозначает,чтобезприсутствияэлектрическогополязонасоответствующего температурного диапазона отсутствует.
Эти термограммыподтверждают повышение температуры в факеле пламени при воздействииэлектрического поля, но связано ли это с оптимизацией доступа окислителя внепосредственную зону реакции или это происходит за счёт кинетическогомеханизма воздействия, в данном эксперименте отобразить не удалось.Произведём анализ термограмм с точки зрения изменения энерговыделенияв пламени.
Количество теплоты выражается как: = ∙ ∙ ∆где:с – удельная теплоёмкость вещества Дж/(кг0С);V – объём вещества, кг;∆ – изменение температуры тела.(61)66Для этого расчёта примем упрощение – будем считать теплоёмкость различных температурных зон пламени постоянной и упростим измерение объёма занимаемой температурной зоны к замеру её площади (т.к. термограмма отражает плоскую «картину» в 2-х измерениях, то по анализу с термограмм возможно измеритьтолько занимаемую площадь, при этом площадь будет прямо пропорциональнаобъёму, т.к. пламя, формируемое круглым соплом горелки, одинаково с каждойстороны обзора). Формируемое изображение термограммы на выходе из программы имеет формат расширения jpg и состоит из пикселей, в связи с этим площадь занимаемой зоны измерим по количеству пикселей в ней. Полученные данные сведём в график, по горизонтальной оси которого отложены температуры, а повертикальной объём соответствующей зоны (Рисунок 9).мм325002000150010005000704t8180882915947СБез ЭП977992100521 кВ отрицательного постоянногоЭП7 кВ переменного ЭП1017°Рисунок 9 - График «долей», занимаемых каждой температурной зоной в пламениtТак же отразим долю каждого температурного слоя в круговых диаграммахс указанием % занимаемой доли в смеси (Рисунок 10).13%16%4%2%11%4%26%4%1%1%55%3%10%81888247%3%23%7043%43%12%t 0С3%91594716%9779921005Рисунок 10 - Доли, занимаемые каждой температурной зоной в факеле пламени, слеванаправо 0кВ, -7кВ, -21 кВ67t от 970 0С до 984 0Сt от 985 0С до 998 0Сt до 969 0Сt от 925 0Сt до 924 0Сt от 906 0Сt до 906 0Сt от 859 0СРисунок 11 - Изменение температурных зон под действием ЭП напряжённостью 0,-7и-21кВ68Построенные выше графики (Рисунок 9) не учитывают изменения температуры в каждом исследуемом слое, а следовательно не отображает изменение теплоты в объёме пламени.
Отобразим изменение количества теплоты в каждой температурной зоне при воздействии электрического поля высокой напряжённости вграфическом виде (Рисунок 12) со следующими допущениями: так как вместо объёма в физических единицах мы подсчитывали количество пикселей, а теплоёмкостьединицы объёма факела приняли одинаковой для всех температурных диапазонов,то по оси ординат будет отображено произведение количества пикселей на разницутемператур между средней температурой исследуемой зоны и температурой в помещении.
Поэтому изменения теплоты на графике отображены в условных единицах.Теплота усл.ед.Изменение теплоты от прикладываемого напряжения14001200100080060040020007048188829150 кВ947-7кВ97799210051017t 0С-21кВРисунок 12 - График изменения количества теплоты в каждом температурном диапа-зонепламени при наложении электрического поля напряжённостью 0, -7 и -21 кВ на факел пламениВ соответствии с молекулярно-кинетической теорией горения газа и воздействия на частицу, помещённую во внешнее электрическое поле (глава 4) повышение температуры в зоне прохождения реакции может происходить за счёт действия69ионного ветра и частичной рециркуляции тонкого слоя высокотемпературных газов прошедших реакцию во фронт пламени.
Вторым механизмом воздействия является повышения частоты столкновения частиц, за счёт силы электрического полявлияющей на заряженные частицы факела, тем самым снижая скорость подвижности частиц в плоскости перпендикулярной эквипотенциальным линиям электрического поля, и наоборот увеличивая скорость частиц в направлении линий поля. Такое ограничение одной степени свободы приводит к повышению частоты столкновения частиц между собой, интенсифицируя реакцию. Действие ионного ветра существенно ослабляется при ионизации частиц газовой смеси полем. На основанииэтого делаем вывод о преобладании механизма воздействия через повышение частоты столкновений частиц во фронте факела, так как температура фронта пламениувеличивается при повышении напряжения на корпусе горелки вплоть до пробоя.При такой высокой напряжённости неизбежно происходит дополнительная хемионизация существенно превышающая тепловую, а также рекомбинация положительных ионов со свободными электронами, что в комплексе приведёт к поглощениюэнергии движения ионного ветра.Температуры выше 977 градусов отнесём к кинетическому воздействию[56].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
