ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Пирометрия пламен из "Основные характеристики горения" Основное статистическое определение температуры дается при помощи функции распределения Максвелла — Больцмана. Это параметр системы, которая находится в равновесном состоянии, характеризующий энергию, которой обладают часгицы, составляющие систему. [c.26] 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. [c.27] 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. [c.27] Характеристическое время излучения, т. е. среднее время существования возбужденного атома или молекулы при потере возбужденного состояния вследствие излучения, составляет 10 с [16, с. 363]. На основе кинетической теории газов при температуре О °С и атмосферном давлении число столкновений, которое испытывает молекула, составляет около 7-10 в секунду. Это число пропорционально давлению газа. (Высокая температура газов пламени может снизить частоту столкновений примерно до 2-10 в секунду.) Из опытов по гашению флуоресценции и других данных следует, что при атмосферном давлении возбужденный атом может испытывать до 5-10 необходимых для дезактивации столкновений в секунду [8, с. 209]. При полном переходе от одного состояния к другому и характеристическом времени излучения 10 с частица испытывает около 50 столкновений. Локальное равновесие в распределении поступательной энергии частиц устанавливается очень быстро, для этого требуется всего несколько соударений. Следовательно, в обычных условиях при атмосферном давлении процессы активации и дезактивации вследствие столкновений, вероятно, играют значительно более важную роль, чем процессы излучения. [c.29] Действительно, во всех пламенах, в которых количество введенного металла (по его излучению производят измерение) настолько мало, что пламя для данной спектральной линии является оптически тонким, имеет место отклонение от равновесия вследствие излучения пламени. Учитывая, что основной частью смеси является азот, для пламен воздушных смесей, температура которых составляет около 2000 К, время жизни возбужденного атома Ка, дезактивация которого происходит в результате столкновения, при давлении 0,1 МПа составляет 3,3-10 с, а характеристическое время излучения — 1,6-10 с. Таким образом, радиационные потери, которые ничем не компенсируются, могут снизить количество атомов, находящихся в возбужденном состоянии, на 2%. Используя закон Максвелла — Больцмана, можно показать, что это вызовет занижение температуры на 3,3 К. Для пламени при давлении 10 кПа эта ошибка составляет 27 К, а при 1 кПа — ЬбО К [8, с. 229]. [c.30] НОСТЬ температур частиц сажи и молекул газа может составлять лишь около 1 К [8, с. 216]. [c.32] На основании анализа возможных причин отклонений 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 изл учениЯ 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. [c.32] 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. [c.32] 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. [c.33] 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 сечеция пламени, близкие к максимальным. [c.33] 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. [c.33] 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]). [c.33] Можно изготовить очень маленькие по размеру термопары (диаметром до 10 мк), так что при измерениях может бйть 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. [c.33] 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]. [c.33] 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]. [c.34] 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 самообраще-ния линии. Это может привести к заниженным значениям температур, измеренных, например, методом обращения. Внешние слои пламени в основном состоят из СОг и Н2О и мало поглощают излучение при 1=589 нм. Для пламен, максимальная температура у которых наблюдается на боковой поверхности, занижение температур вследствие самообращения линий очевидно, не существенно. [c.34] 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. [c.35] Наиболее частым случаем является образование сажи в пламенах при горении органических веществ. Кроме того, во многих случаях образуются частицы металлических окислов, таких как МдО или А12О3. 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. [c.35] 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]. [c.35] Вернуться к основной статье