Методики диагностики пламен углеводородных топлив (стр. 2 из 3)
Методы, основанные на собственном излучении пламен.
Для изучения быстро протекающих процессов наилучшим прибором, получившим общее признание, является скоростная кинокамера, или лупа времени, как ее иногда называют. С ее помощью можно увидеть процессы, недоступные визуальному наблюдению. Обладая высоким временным расширением (1мкс), кинокамера позволяет следить не только за высокоскоростными турбулентными факелами, но и за взрывными процессами, а также за другими нестационарными проявлениями волны горения. Кинокамеру можно использовать для изменения распределения скорости потоков за фронтом горения по следу светящихся частиц.
На собственном излучении пламен основаны также пирометрические методы. В них используется закон Стефана – Больцмана для энергии полного излучения нагретого тела:
ЕТ = sТ4єТ,
где єТ – коэффициент черноты, а также формула Вина для монохроматической энергии излучения нагретого до температуры Т твердого тела:
Еl, Т = с1/p* l-3*ехр(с2/lТ).
Методы, основанные на просвечивании пламен.
Более подробную информацию о тепловых либо концентрационных неоднородностях в газовом потоке можно получить при пропускании света через исследуемый участок пламени нагретой струи жидкости или газа, смешивающихся струй различных прозрачных жидкостей или газов и т.п. Имеющиеся в просвечиваемом объекте тепловые и концентрационные неоднородности вызывают изменение коэффициента преломления. Измерения двухмерного распределения этой величины позволяет получить информацию о поле течения, температурах и концентрациях в избранной плоскости течения. Оптической неоднородностью, или шлирой, называют малую область в прозрачной среде, в которой имеется переменный градиент коэффициента преломления света. Нерегулярное отклонение света в различных точках шлиры регистрируется на фотографиях в виде тени данного объема газа, либо тени большого участка потока жидкости или газа. При этом пучок света, проходящий через оптическую неоднородность Н (рис.2), откланяется на экране Э от точки А к А/ на угол є. Поскольку угол є мал, НА/=НА, и вследствие задержки луча SA/ во времени, на экране возникает интерференционная картинка.
Соответствующие оптические установки позволяют измерять величину смещения луча Dа = АА/ (теневой метод), угол є (метод Теплера) либо время запаздывания луча t (интерференционный метод). В первом приближении Dа пропорциональна второй производной показателя преломления n,є ~gradn и t~n.В теневом методе (рис.3) освещенность экрана определяется расстоянием от кромки ножа Фуко до оптической оси. Этот метод пригоден для изучения явлений, связанных с резким изменением показателя преломления, например, во фронте пламени предварительно перемешанных газов или в детонационной и ударной волнах.
1-источник света;2- линзы;
3-щель;
4-нож Фуко;
5-экран.
Свет от источника выходит параллельным пучком из объектива, проходящего через оптическую неоднородность. В случае d2n/dx2>0, на экране видны светлые и затененные места в результате перераспределения света шлирой. Метод позволяет получить тенеграмму исследуемого объекта сравнительно больших размеров, но, к сожалению, не пригоден для количественных исследований структуры оптических неоднородностей.
В методе Теплера (шлирен-методе) отклонения света смещает изображение источника и обуславливает изменение освещение изображения некоторой точки исследуемого поля на экране (рис. 4). Источник света S помещен в фокусе вогнутого зеркала М1, так что исследуемый объект освещенный параллельным пучком света. Второе зеркало М2 дает изображение источника в фокусной плоскости К, за которой расположена фокусная линза L, дающая изображение на экране Э или фотопластинке. Если градиент коэффициента преломления отсутствует (или равномерен в пределах разложения) на всей рабочей части, то отдельные изображения источника совпадут.
 |
При возникновении градиента неоднородности изображение смещается в фокусе плоскости К. Для обнаружения этого смещения в методе Теплера применяется прямоугольный источник света, а в фокусной плоскости К помещается кромка ножа Фуко. Она расположена так, что в отсутствие оптических возмущений освещение экрана равномерно. Если при появлении оптической неоднородности (возмущения) часть изображения источника смещается, то освещенность этой части изображения на экране уменьшается или возрастает на величину, пропорциональную градиенту показателя преломления, в зависимости от того, направлено ли отклонение в сторону непрозрачной части ножа или в противоположную.
Методы, основанные на упругом рассеивании света.
Упругое рассеивание света на мелких частицах легло в основу получивших широкое распространение лазерных анемометров. Метод измерения скоростей основан на использовании эффекта Доплера. Если на исследуемую часть потока, содержащую рассеивающие свет частицы, направить монохроматическое излучение с частотой n0, то частота рассеянного света в направлении наблюдателя nн изменится на Dnд:
Dnд = n0 - nн = 1/2p(Кн –К0)U = 1/2pКU,
где К0и Кн–волновые спектры падающего рассеивающего излучения,
К = Кн – К0 - вектор скорости рассеивающих частиц.
Термопарный метод.
К основным преимуществам данного метода следует отнести то, что термо-э.д.с. может быть измерена с весьма высокой точностью и что возможно изготовить весьма малые термопары (микротермопары). Последнее обстоятельство позволит достичь высокой разрешающей способности и значительно уменьшить погрешности, обусловленные аэродинамическими возмущениями, возникающие при внесении термопары в пламя.
Первые экспериментальные исследования термопары пламен были выполнены методом зондирования фронта тонкими (20мкм) термопарами. Наряду с термопарами применяли и термометры сопротивления, а также, методы оптической интерферометрии, пневматического зонда, треков, поглащения радиации и радиационной пирометрии. Но все же метод с термопарами предпочтительнее, так как сочетает высокую точность измерения локальной температуры с хорошим пространственным разрешением.
При очень высоких температурах пламен термопарный метод лучше не применять по следующим причинам:
1) при температуре 1770 – 2270 К материал обычно используемых термопар разрушаемых;
2) при высоких температурах растут радиационные потери, а способы ведущие к их уменьшению, приводят к значительному уменьшению измерительной аппаратуры;
3) при больших скоростях потоков значительными и трудно учитываеми становятся погрешности, обусловленые аэродинамическими искажениями;
4) внесение термопары в пламя может повлиять на химические процессы в пламенах;
5) при быстро меняющихся температурах термопарный метод непригоден вследствие инертности термопар.
Спектроскопия пламен.
УФ- и ИК-спектроскопия пламен.
Превращение молекул топлива во фронт пламени сопровождается испусканием света в различных спектральных областях. Поэтому спектроскопия пламен, как бесконтактный метод, с давних пор была главным инструментом исследования процессов горения.
Обнаружение и идентификация спектров неизвестных активных частиц, существование которых не доказано, но участие их в процессах горения предполагается на основе косвенных данных, все еще остается задачей современной спектроскопии.
Спектр углеводородных пламен в видимой УФ области содержит яркие системы полос ОН, СН и полосы Свана.
В УФ-области есть также система полос НСО и СН2О. Излучение этих молекул обусловлено ярким окрасом фронта пламени.
В ИК-спектрах углеводородных пламен присутствуют яркие полосы излучения молекул воды и диоксида углерода.
Обшая характеристика методов лазерной спектроскопии.
В настоящее время широкое распространение получили лазерные методы исследования пламен. Чрезвычайно высокая плотность энергии, полученная в лазерах, а также довольно большая длина когерентности послужила основой для развития следующих методов:
1) внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС);
2) спектроскопии лазерно-индуцированной флуоресценции (СЛИФ);
3) спектроскопии спонтанного комбинированного рассеивания (ССКР);
4)спектроскопии когерентного антистоксового комбинационного рассеивания (СКАКР);
5) оптогальванической лазерной спектроскопии (ОГЛС);
6) спектроскопии лазерного магнитного резонанса (СЛМР).
Лазерные методы.
Зондирование пламени пробоотборниками.
Введение зонда в неравновесную среду, какой является зона фронта пламени, вызывает ряд опасений но они не всегда оправдываются.
Зонд представляет собой кварцевую трубку с оттянутым капилляром в форме усеченного конуса с углом раствора 10-15°. Общая длина капилляра до 8 мм, внутренний диаметр его входного отверстия 35 мкм, а наружный не превышает 100-350 мкм.
Такая конструкция зонда позволяет вводить его в пламя без какого-либо влияния на фронт.
ЭПР -спектроскопический метод.
Метод ЭПР позволяет измерять концентрацию атомов и радикалов в пламенах. Пламя помещают под резонатором радиоспектрометра. Важно не допускать изгиба в трубке пробоотборника, т.к. всякое торможение скорости потока приводит к потерям активных частиц из-за их гибели на стенках. Внутреннюю поверхность кварцевой трубки, ведущей от пробоотборника к резонатору, следует обрабатывать фтористоводородной кислотой, а затем насыщенным раствором тетрабората калия.