Определение температуры факела исследуемой газовой горелки

Министерство образования и науки Украины

Одесский Национальный Университет им. И.И. Мечникова

Физический факультет                                         

 Кафедра теплофизики

Определение температуры факела исследуемой газовой горелки

   «допустить к защите»                                                 Курсовая  работа       

  зав. кафедры теплофизики                                 студента IV курса

  профессор_____Калинчак В.В.                         физического факультета

   «__» _________ 2004г.                                      Игнатьева А.А. 

                                                                        Научный руководитель

                                                                            профессор Калинчак В.В.

                                                                           ст.н.ст Трофименко М.Ю.

Одесса   2004 г.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДИКИ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ   

                   ТЕМПЕРАТУР

1.1.        Контактные методы измерения температур

1.1.1.   Термометры расширения

1.1.2.   Термоэлектрические термометры (термопары)

1.1.2.1.                   Принцип действия      

1.1.2.2.                   Общие требования к материалам для термоэлектрических

                   термометров

1.1.2.3.                   Принципы измерения температуры с помощью

                    термоэлектрического термометра

1.1.2.4.                   Измерение температуры пламени с помощью

                    термоэлектрического термометра

1.1.2.5.                   Расчет влияния температуры свободных концов термопары

1.1.2.6.                   Погрешности термоэлектрических термометров

1.2.        Бесконтактные методы определения температур

1.2.1.                       Оптические методы измерения температуры  пламени

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ И ЭКСПРИМЕНТАЛЬНАЯ    

                   УСТАНОВКА

2.1.          Экспериментальная установка, методика проведения измерений, анализ  

            полученных данных

ГЛАВА 3. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ БЕСКОНТАКТНЫХ

                  ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ

                  ИССЛЕДУЕМОЙ ГОРЕЛКИ

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение

Современные научные и производственные технологии предполагают использование высокотемпературных реакций для получения тугоплавких высокопрочных материалов, процесса легирования и т.д.

Эффективность использования применяемых для этих целей источников энергии (в частности использование пропан-бутана в горелках) должна обеспечивать максимальные температуры и полноту сгорания топлива.

В связи с этим, важно понять механизм горения. Методом, с помощью которого это возможно - измерение температуры и ее распределение в факеле. Обычно измеряемые температуры лежат в достаточно широком интервале от -273º С до 3000º С и более. Поэтому для измерения температуры во всех возможных случаях необходимы разнообразные средства и методы измерений, к которым в зависимости от поставленной задачи измерения выдвигаются существенно различные требования.

Контактные методы измерения температуры предполагают непосредственный контакт с измеряемым объектом. Однако использование контактного термометра может приводить к нарушению структуры пламени. Возникающие в результате этого погрешности измерения и запаздывания показаний зависят от физических свойств и скорости течения измеряемой среды около термометра, а также от конструкции термометра. Такие погрешности могут быть больше методических погрешностей. При выборе контактного термометра следует, кроме того, учитывать, что термометр должен выдерживать механические, химические и термические нагрузки, которым он подвержен на данном объекте исследования.

В низкой области температур факела (до 600º С) применяются термометры, отличающиеся простотой измерения температуры.

Для расширения измеряемого температурного интервала и повышения быстроты срабатывания используются термоэлектрические термометры. Область их применения до 1200º С.

Часто собственная температура контактного термопреобразователя (или его части) даже в статическом режиме отличается от температуры измеряемой среды. Это отличие определяется особенностями теплообмена между термопреобразователем и измеряемой средой, конструктивными и теплофизическими характеристиками самого преобразователя и отдельных частей его арматуры, а также условиями теплообмена термопреобразователя с окружающей средой.

В случае больших температур и быстропротекающих процессов используются оптические методы измерения температуры обладающие высоким пространственным и временным разрешением.

Актуальность выполняемых в данной работе измерений заключается в том, что для оптимальной организации процесса горения и, следовательно, эффективного использования газа необходимо знание структуры факела пламени используемой горелки.

Целью данной работы является определение структуры факела исследуемой горелки с целью достижения режима, при котором в условиях эксперимента возможно получение максимальной температуры.

ГЛАВА 1. МЕТОДИКИ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ

ТЕМПЕРАТУР.

1.1.  Контактные методы измерения температур.

1.1.1.  Термометры расширения

Методы измерения температур достаточно подробно изложены в работе [1,2].

В жидкостных стеклянных термометрах для определения температуры используется тепловое расширение специальной термометрической жидкости. Термометрическая жидкость заключена в тонкостенный стеклянный резервуар, соединенный с капилляром, с которым связана температурная шкала.

Вследствие различия теплового расширения жидкости и стеклянного резервуара при изменении температуры изменяется длина столбика жидкости, находящейся в капилляре.

Смачивающие или несмачивающие термометрические жидкости должны обладать достаточной объемной стабильностью в условиях работы термометра. В качестве несмачивающей металлической жидкости служит чаще всего чистая и осушенная ртуть. Она используется для измерения температур в диапазоне от -38,5º С до 630º С.

Термометры из кварцевого стекла для измерения температур до 800º С наполнены ртутью. Для измерения температур до -200º С применяют термометры, наполненные смачивающей органической жидкостью.

Для удобства наблюдений и облегчения отсчетов в термометрическую жидкость добавляют голубое или красное красящее вещество. Красящее вещество ни в коем случае не должно выделяться из жидкости и сужать сечение капилляра из-за осаждения на стенках. Неправильно выбранное красящее вещество может вызвать погрешность до 2 К. жидкость должна иметь малую вязкость, чтобы время установления показания из-за медленного протекания жидкости при охлаждении термометра было возможно меньшим. В качестве смачивающих термометрических жидкостей пригодны: толуол (от -90º С до 100º С), спирт (от 110º С до 210º С), пентановая смесь (от -200º С до 30º С). Из-за худшей теплопроводности и большей вязкости этих жидкостей инерционность таких термометров больше, чем ртутных.

Во всех термометрах не допускается наличие в жидкости пузырьков газа или пара, которые могут разорвать столбик. Следует также следить за тем, чтобы не происходило испарения и конденсации жидкости в свободном пространстве капилляра. У термометров со смачивающей жидкостью это может приводить к погрешности в несколько десятых градуса уже при сравнительно низких температурах. Поэтому свободное пространство капилляра часто заполняют осушенным и очищенным от кислорода инертным газом под давлением, повышая тем самым точку кипения жидкости (избыточное давление в 1 бар для температур до 350º С. 20 бар до 600º С, 70 бар до 750º С). Только у ртутных термометров для измерений ниже 200º С можно использовать вакуумированный капилляр. Это облегчает устранение разрыва столбика, но и возникают они в этом случае значительно чаще. Поскольку большее сечение капилляра и быстрое изменение температуры вдоль столбика способствует возникновению разрывов в вакуумированных термометрах, обычно ртутные термометры для низких температур также наполняют защитным газом.

1.1.2.  Термоэлектрические термометры (термопары).

1.1.2.1. Принцип действия.

В термоэлектрических термометрах для измерения температуры используется открытое в 1921 г. Зеебеком явление термоэлектричества (эффект Зеебека). Если два проводника из разных металлических материалов А и В соединены концами в замкнутый контур (рис.1. а) и места соединений находятся при разных температурах t1 и t2, то в контуре возникает электрический ток. Оба электропроводника, называемые термоэлектродами, образуют термопару. Одно из мест соединения, помещаемое в среду с измеряемой температурой, является рабочим концом термопары, второе, находящееся при постоянной температуре, является свободным концом термопары.

Термоэлектродвижущая сила (т.э.д.с.) Е термопары с термоэлектродами А и В может быть рассчитана из алгебраической суммы эффекта Пельтье для мест контактирования А и В и эффекта Томпсона для обоих термоэлектродов А и В, если пренебречь такими необратимыми явлениями, как джоулевы потери и потери на теплопроводность.

Если в контуре, составленном из термоэлектродов А и В (см. рис. 1.,б), течет ток, то при переходе электронов из одного термоэлектрода в другой они должны или затрачивать, или приобретать энергию. При этом кинетическая энергия электронов увеличивается или уменьшается, а место контакта охлаждается или нагревается. Тепловые потоки, возникающие в обоих местах контактирования термоэлектродов А и В, изменяются пропорционально току I.

                        А+                                                А+

t1                                        t2              t1 = t2                                                       t2=t+t

б

а

                В-                                                          В-

Рис.1. Эффект Зеебека (а) и Пельте (б): а – термоконтур с термоэлектродами А и В; б – термоконтур с источником тока; t1 и t2 – температуры спаев

     t1 < t2

Тепловой поток равен , где Р – коэффициент Пельтье, зависящий

от материала обоих термоэлектродов и температур t1 и t2 мест контактирования; Р имеет размерность ВТ/A=В.

При прохождении тока I в контуре вследствие небольшого по величине эффекта Томпсона термоэлектроды или нагреваются, или охлаждаются, если в них есть перепад температур по сравнению, например, с наиболее высокой         

температурой контакта Т2. Этот тепловой поток также пропорционален току I и градиенту температур  в обоих термоэлектродах и равен , где - коэффициент Томпсона, зависящий от материала электродов и от температуры Т и имеющий размерность Вт/А·К = В/К.

Если рабочий конец термопары находится при температуре , а свободный – при Т, то т.э.д.с. . Она равна сумме эффектов Пельтье и Томпсона, т.е.

       (1а)

или                                 

Отсюда следует

                  (1б)

После некоторых преобразований из (1б) можно вывести связь т.э.д.с. Е и коэффициентами Р и :

     (2а)

     (2б)

Из фундаментального уравнения (2б) можно получить все термоэлектрические свойства термопары, например нелинейную зависимость температура – т.э.д.с.:

Интегрированием уравнения (2б) получаем

     (2г)

1.1.2.2. Общие требования к материалам для термоэлектрических термометров

Для удобства измерений температуры с помощью термопар желательно, чтобы т.э.д.с. была достаточно большой и чтобы электросопротивление термопары было не слишком высоким. В этом случае можно измерять температуру без особых дополнительных устройств, таких как усилитель, а также на достаточно большом расстоянии между термопарой и измерительным устройством. Кроме того, характеристика термопары должна быть линейной, а диапазон применения термопары возможно более широким.

Материалы для термопар должны иметь возможно более высокую точку плавления, должно быть возможным изготовление их в достаточном количестве и стабильного качества, термопары должны легко обрабатываться для получения нужной формы (лента. проволока). В материале термоэлектродов в рабочем диапазоне температур не должно происходить аллотропических превращений, вызывающих скачкообразные изменения т.э.д.с. Термоэлектроды должны обладать достаточной коррозионной стойкостью и быть устойчивыми против окислительного и восстановительного действия среды; в процессе окалинообразования или охрупчивания не должны изменяться их термоэлектрические свойства. Легирующие элементы, входящие в состав сплава, не должны диффундировать наружу в результате селективного окисления или испаряться при высокой температуре. Если эти условия выполняются в течение длительного срока эксплуатации, то получают равномерную и стабильную зависимость т.э.д.с. от температуры. При этом значения т.э.д.с. термопар во всем рабочем диапазоне лежат в пределах допустимых погрешностей.

Кроме того, необходимо обращать внимание на то, чтобы т.э.д.с. возможно меньше менялась при механическом нагружении термопары, таком как растяжение, изгиб, смятие. На свойство термоэлектродов особенно сильно влияет холодная деформация. Поэтому для достижения постоянства т.э.д.с. термоэлектроды или термопары часто стабилизируют электронагревом при достаточно высокой температуре.

При длительных высокотемпературных измерениях температуры рабочего конца и прилегающих частей термоэлектродов примерно равны. Происходящие в этих зонах изменения химического состава термоэлектродов не сказываются на т.э.д.с. Точно также изменения состава сплавов на рабочем конце термопары из-за пайки или сварке термоэлектродов не влияет на измерение (закон промежуточного проводника).

1.1.2.3. Принципы измерения температуры с помощью термоэлектрического термометра

1.             По закону гомогенного контура в замкнутом контуре, состоящем

из одного гомогенного проводника, ток отсутствует, даже если отдельные сечения проводника имеют различные температуры. Отсюда следует: в контуре из двух различных термоэлектродов, места контактирования которых имеют разную температуру, т.э.д.с. не зависит от распределения температуры вдоль термоэлектродов.

2.             По закону промежуточного проводника сумма напряжений в

контуре, состоящем из большого числа различных термоэлектродов, равна нулю, если все термоэлектроды имеют одинаковую температуру. Исходя из этого закона, можно разомкнуть термоэлектрический контур в любом месте и включить в него один или несколько одинаковых или разнородных проводников. Если их места соединений находятся при одинаковой температуре, то не возникнет никаких паразитных т.э.д.с. можно разомкнуть контур в месте контактирования, например на свободном конце термопары и вставить другой проводник. Надо только на концах обоих термоэлектродов в разомкнутом месте контактирования поддерживать одинаковые температуры, тогда распределение температур вдоль вставленного проводника не будет влиять на т.эд.с.

Страницы: 1, 2, 3