глава 15

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ПЛАМЕН

15.1. Общие сведения о характере излучения пламен

Пламя представляет собой газовый поток, внутри которого происходит химическая реакция горения взвешенных в потоке частиц твердого, жидкого или газообразного топлива с бурным выделением теплоты. Скорость выделения теплоты и интенсивность излучения определяют температуру факела.

В спокойных ламинарных пламенах типа бунзеновского можно выделить три зоны: внутренний конус, в котором происходит химическая реакция; внешний конус, содержащий продукты горения, и находящаяся между этими двумя конусами промежуточная переходная зона. В турбулентных пламенах химическая реакция гореьия происходит в микрообъемах, в той или иной степени распределенных равномерно по всему сечению Факела.

Наличие процессов горения в пламени вызывает специфические особенности его излучения. Наряду с чисто термическим излучением нагретых газов, характеризуемым равномерным распределением энергии по всем степеням свободы излучающих молекул и атомов газов, в зонах реакции возникает дополнителыюе излучение, называемое хемнлюмнпесцепцией, В этом случае химическая энергия горения непосредствеп}1о превращается в излучение, которое по свойствам отличается от термического.

В реагирующих газах )ie может происходить равновесное распределение энергии, даже если не рассматривать возможность образования новых типов молекул в результате химического процесса. .Молекула в результате химической реакции переходит в возбужденное состояние. Среднее время, необходимое молекуле для излучения света и перехода в основное состоя-ние{время жизни), для разрешенных электронных переходов составляет 10 ...10~* с. В газах обычных пламен, горящих при атмосферном давлении, молекулы испытывают около Ю соударений в 1 с, если предполагать, что их поперечные сечения имеют нормальную величину. Но молекулы! находящиеся в возбужденном состоянии, должны иметь большие поперечные сечения. Таким образом, можно принять, что возбужденная молекула в газе при атмосферном давлении испытывает от 10 до 1000 столкновений, что явно недостаточно для достижения равномерного распределения энергии по степеням свободы. Если учесть, то в ряде случаев приходится иметь дело с пламенами при давлениях в 0,1 или даже в 0,01 атмосферного, то невозможность выравнивания распределения энергии в течение времени жизни возбужденной молекулы в этих условиях становится еще более очевидной. Восстановлению равновесного распределения энергии препятствуют также огромные градиенты температур в пламенах, достигающие сотен тысяч кельвин на миллиметр. Такие градиенты температур, естественно, означают сильную пространственную анизотропию скоростей молекул и нарушение статистических законов обмена количества движения.

Так как температура ансамбля молекул и атомов характеризуется распределением вероятностей энергетических состояний, то прн неравномер-

в< 1 распределении жергнн й яшеням свободы каждому виду Движетия екул & соогвегствовать своя температура. Поэтому в зависимости от боаяного физического закона, используемого для измерения температу-пы керавновесного пламени, получакя поступательные , колебательные нли вращательные температуры. Эти названия условных температур указывают на вид энергии дрижеиия, использованный для измерения темпера-

пламеиа, в состав горючего которых входят углеводороды, при недостаточно полном сгорании содержат во взвешенном состоянии частицьг углерода (сажи). Если газы, образующие факел, излучают селективно их излучения сосредоточена в более или менее узких спектральных областях, то находящиеся в пламени частицы сажи излучают как твердые тела и обладают сплошным спектром излучения с довольно высоким коэффициентом черноты. Следовательно, наличие в пламени взвешенных частиц сажн вызывает появление сплошного спектра и приводит к возникновению общего свечения пламени.

Чем больше концентрация частиц сажи в пламени, тем больше интенсивность его свечения и тем выше коэффициент черноты излучения пламени В зависимости от величины общего свечения пламени различают светящиеся и несвегящиеся пламена. Принято считать пламя светящимся, если коэффициент черноты его излучения в видимой области спектра пре-овышает 0,15.

Частицы сажи ввиду малого их размера обладают очень высоким коэффициентом конвективной теплоотдачи. По этой же причине снижение температур частиц сажи, вызванное потерями энергии при лучистом теплообмене с окружающими пламя холодными телами, невелико. В нестационарных пламенах термическая инерция частиц сажи вызывает отставание их температуры от температуры факела. В стационарных пламенах температура частиц сажи близка к температуре окружающего их газа.

Неравновесность излучения в зоне реакции не влияет на излучение частиц сажи, состоящих из огромного количества атомов. Излучение самих частиц сажи (или других твердых частиц, взвешенных в пламени) нельзя рассматривать как излучение черного тела. Коэффициент черноты собственного излучения твердых частиц (и даже сажи) значительно ниже единицы и, как для каждого твердого тела, обладает некоторой селективностью. Излучение всего факела светящегося пламени складывается из собственного излучения атомов и молекул в дискретных областях спектра; сплошного спектра собственного излучения взвешенных твердых частиц; рассеянного молекулами, атомами и твердыми частицами излучения всех частей факела.

Последняя составляющая создает селективность излучения факела. Если рассеяние излучения атомов и молекул сосредотачивается в тех же дискретных областях спектра, в которых оно испускалось, то рассеяние излучения твердых частиц охватывает весь сплошной спектр и накладывается на сплошной спектр собственного излучения частиц. Однако, как это вытекает из теории рассеяния света крупными частицами, интенсивность рассея1шого излучения изменяется по спектру приблизительно пропорционально

Для размеров и характера частиц, встречающихся в пламенах, показатель степени п лежит в пределах 1...1,4. Следовательно, интенсивность рассеянного света монотонно уменьшается по мере возрастания длины волны Я,. В результате наложения спектра рассеяния на сплошной спектр излучения твердых частиц излучение пламени приобретает селективный характер.

15.2. Особенности применения контактных методов для измерения температур пламен

Высокие температуры и агрессивность газов в пламени создают су ; щественные ограничения применимости контактных методов. Возмож ность применения того или иного контактного метода для измерения темп ратуры данного пламени часто определяется успешностью подбора соотЗ ветствующих жаростойких материалов со стабильными характеристиками как для самого термоприемника, так и для арматуры. Далее, введение зону реакции любого термоприемника неизбежно вызывает локальн нарушение поля скоростей факела. За тыльной поверхностью термоприемника зачастую наблюдаются явления дожигания, приводящие к искажению температурного поля факела. Кроме того, явления оттока теплоты от термоприемника по соединительным проводам и снижения его температуры в результате лучистого теплообмена (через пламя) с окружающими пламя предметами прн высоких измеряемых температурах могут вызвать весьма существенное снижение показаний термоприемника. Радиацион иые потери особенно велики в несветящемся пламени. Однако учет этщ потерь, осуществляемый расчетным методом, затруднителен.

При выборе материалов термоприемника для измерения температур зоне реакции следует иметь в виду возможность возникновения каталитического эффекта, приводящего часто к весьма существенному (до нескольких сотеи кельвин) превышению температуры термоприемпика по сравнению с температурой окружающих его газов. Поэтому представляется целесообразным воздерживаться от применения термопрнемников, по своей конструкции допускающих непосредственный контакт с пламенем сплавов, содержащих металлы платиновой группы (платина, палладий).

Контактные методы для измерения температур пламен часто имеют бесспорные преимущества над оптическими. С помощью контактного термоприемника достаточно малого размера можно провести локальные измерения температуры и, следовательно, исследовать температурное поле факела, что осуществить оптическими методами часто затруднительно, а в ряде случаев и невозможно. Если по ряду указанных выше причин контактные термоприе-мники дают ошибочные абсолютные значения температур пламени, то разностные измерения, необходимые для исследования температурного поля факела, получаются достаточно надежными.

15.3. Метод обращения спектральных линий

Для измерения температур несветящихся или слабосветящихся пламен широкое распространение получил метод обращения спектральных линий. Этот метод основан на том, что интенсивность резонансной спектральной линии, испускаемой возбужденными атомами вещества, присутствующего в пламени, при прочих равных условиях зави(;ит от температуры пламени. Для этой цели часто используются спектральные линии щелочных металлов (натрия, лития, калия), имеющих низкий порог ионизации. Наиболее удобными являются желтые линии натрия, присутствующего (в составе хлористого натрия) в примесях к горючему. Принципиальная оптическая схема устройства, используемого для измерения температур пламени методом обращения спектральных линий, представлена на рис. 15.1.

Излучение от источника S регулируемой интенсивности с помощью линзы Ll фокусируете внутри объема, заполняемого пламенем G в данном его сечении. Далее, излучение, прошедшее через rai, вместе с собственным излучением пламени фокусируется второй линзой Z-j на щелн спектрального разрешающего прибора D, соединенного с соответствующим регистрирующим устройством Р или заменяющим его окуляром для ви-

V ва&вддавда спйяра. Шбшодагель на выходе спектралшото

Уыамкицееся Ы него изображение спектральной линии. Изменяя Sw.HHKa (силу ям температурной лампы), можно Добиться того Пииимь ярмств саетвмьной линии и сплошного спектра (фона) 5о,Гря лсояь с фовом - произойдет обращение спектраль-ной линии.

Обозначим черезг яркость источника, через яркость пламени и через а коэффициент полощеиия пламени в узкой °бласти дли волн. охвашвающейТектральную линию. Полагая, что и <2!Тттпчсш и соседний \с ней фон претерпевают одинаковое ослабление в оптических

Рис. 15.1. Cxwa экспериментальной установки для из- реиия температуры пламени методом обращения спектральных линий:

S - источник свет ; в - пламя; и L, лиизы; D -спек-траяьиая разрешающая система; Р - регистрирующее ус- тройство

деталях спектрального прибора, получаем для яркости спектральной линии, наблюдаемой в спектроскопе, выражение

Так как градиент яркости по сплошному спектру источника невелик, то можно считать, что яркость сплошного спектра вблизи линии будет равна его яркости при длине волны спектральной линии. Тогда дляусловия равенства этих яркостей можно записать

(15.1)

1,И ьпл

(15.2)

Но излучение спектральной линии носит чисто термический характер. Поэтому иа основании закона Кирхгофа

i е =

где - спектральная яркость абсолютно черного тела при той же длине волны и той же температуре. Поэтому вместо (15.2) получим

КТ-

(15.3)

Но Ti - яркостная температура источника. Поэтому для условия обращения епектралмой линии действительная температура пламени должна быть равна яркостной температуре источника S. Тот факт, что в оконча-тельном выражении (15.3) не жгурирует коэффициент поглощения пламени а, различный для разных застков спектральной линии, означает справедливость этого выражения для всей линии. При однородном температурном поле факела и поля яркостей источника наблюдается одновременное исчезновение всего контура линии. Независимость характера исчеэнове-иня спектральной линии от коэффициента поглощения позволяет прийти

к заключению о применимости метода обращения для измерения темпе тур пламен, содержащих произвольное количество возбужденных ато вещества, спектральные линии которого используются для измеренц Однако при очень малой концентрации в пламени возбужденных ат интенсивность спектральной линии становится настолько малой, а грешности визуального или фотоэлектрического уравнения яркостей НИИ и фона настолько большими, что они могут привести к большим погре ностям определения температуры пламени.

В большинстве случаев приходится иметь дело с пламенами, имек ми неоднородное распределение температуры по сечению факела. Обыч наружные зоны факела вследствие интенсивной теплоотдачи оказыва более холодными. Применение метода обращения в этих условиях значение некоторой средней оптической температуры в данном сечен факела.

При наличии градиента температур по сечению пламени в более хд лодных областях происходит поглощение излучения данной спектральна линии, испускаемого в горячей зоне, и наблюдается явление, получивш название самообращення линии. Явление самообращения линии привод к заниженным значениям температур, измеренных этим методом.

Исследования показывают, что неоднородность температурного по пламени приводит к возникновению другого источника погрешности изк реиня температур слабосветящихся пламен методом обращения, обусло ленного влиянием взвешенных твердых частиц. В однородном темпера ном поле, как это вытекает из закона Кирхгофа, каков бы ни был кс циент черноты излучения твердых частиц, количество лучистой энергй поглощаемое каждой частицей, будет равно количеству излученной энергии и яркость источника, визируемого через факел, не изменится. Налич в пламени зон с пониженной температурой приводит к тому, что излучеий пламени, идущее из горячих зон, доходит до наблюдателя несколько i лабленным, и, следовательно, условия, выражаемые уравнением (15.1J справедливые для всего факела, оказываются нарушенными.

Наличие в пламени взвешенных твердых частиц приводит к осла нию яркости источника также вследствие рассеяния света частицами, довательно, наличие в пламени значительного количества взвешеннь твердых частиц вызывает занижение результатов измерения температ методом обращения спектральных линий.

Этот метод используется не только для измерения средней температуре факела в данном его сечении, но иногда и для исследования поля темперу тур. В этом случае выбираются спектральные линии такого щелочно металла, который либо совсем отсутствует, либо находится в очень неболк шом количестве в горючем. Раствор солей такого щелочного металла по следовательно вводят в отдельные места факела, осуществляя тем самь местное окрашивание пламени и наблюдая каждый раз обращение вь равных спектральных линий. Очевидно, что введение красителя в отдель ные зоны факела в той или иной степени нарушает его температурное полч

Интенсивность спектральных линий щелочных металлов определяв ся энергией поступательного движения атомов. Поэтому результаты из рения температур пламени в неравновесном состоянии с использование метода обращения могут отличаться от результатов измерений, получе ных с применением других оптических методов, использующих энерт колебательного или вращательного движения атомов и молекул, проверки возможного влияния хемилюминесцентиого излучения след измерение температщ) пламени методом обращения производить по скольким спектральным линиям одного и того же металла или по спе ральиым линиям разных металлов. Близкие результаты измерений дут указывать на незначительное влияние хемилюминесцентиого чения, интенсивность которого сильно меняется по спектру. В литератур достаточно подробно описано несколько типов аппаратуры, специаль

gjlfii гиШ JttH>eHIM кйк е1 шшвш, Так и нестационарных тем-- 1тРМт вюдри MWffiHivCwmfkftSMibiX янний. Большая часть co#aii!mfofl апт1шурь1[ШЩшпгоматйческйми устройствами для быстрого уравнивания яркости спектральной линии и источника. Бы-cTpoAeiteTBHe аппаратуры раде елучвев таково, что весь измерительный процесс совершается в доли секунды, что позволяет осуществлять измерения быстро меняющихся температур.

Точность измерения температур методом обращения определяется как характером данного пламени, гак и инструмеитальными погрешностями применяемой измерительной аппаратуры, ее динамическими характеристиками. Погрешность результата измерения температур стационарных несветящихся пламен методом обращения в наилучших условиях оценивается в ±10 К без учета погрешности градуировки использованного источника излучения. Применение автоматических измерительных устройств не-сколькр повышает величину этой погрешности. В этом случае погрешность из (§реиия (щенивается в 1. ..3 %.

15.1. MifdA йучбмепуеканйя м поглощения

Метод лучеиспускания и поглощения применяется обычно для изме-Эреиия температур светящихся пламен с такой концентрацией взвешенных в пламени твердых частиц, которая дает коэффициент черноты излучения всего пламени ие менее 0,2. Принципиальная схема установки, предназнз-ченной дЛя измерения температуры пламени по методу лучеиспускания и поглощения, представлена иа рис. 15.2.

Излучение источника / (температурной лампы) разделяется на два канала. В одном канале луч от источника пронизывает пламя 2, а во втором - обходит пламя. В обоих каналах излучение модулируется с по.мо-

PijSp. 15.2. Установка для измерения температуры пламени методом лучеиспускания и поглощения:

/ - источник сравнения; г - пламя; 3, 6 - светвфильтры; 4 -фотоэлемент; 5, 7 - днскй с секторными вырезами; 8 - диафрагма

щью двух дисков 7 и 5 С секторными вырезами. При этом частота модуляции диском 7 в несколько раз больше, чем диском 5. После прохождения одинаковых светофильтров 3 н б лучи опять сходятся иа катоде фотоэлемента 4. Диафрагма 8 служит для изменения величины сигнала источника / с яркостной температурой 7 . Таким образом, в каждом цикле измерений фотоэлемент фиксирует поочередно три интенсивности: ~ излу-

20 - 1