CC BY
36
УДК 536.46
СТЕПЕНЬ ЧЕРНОТЫ ДИФФУЗИОННОГО ПЛАМЕНИ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА
EMISSIVITY FACTOR OF DIFFUSION FLAME OF HYDROCARBON FUEL
Р. Р. Санатуллов, С. И. Ксенофонтов R. R. Sanatullov, S. I. Ksenofontov
ФГБОУВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева», г. Чебоксары
Аннотация. Предложен метод измерения степени черноты зон диффузионного пламени углеводородного топлива с применением современных информационно-коммуникационных технологий. Выделена в пламени зона с максимальным значением степени черноты, локализованной в центре пламени и составляющей 30 % от площади всего пламени.
Abstract. The method of measuring the emissivity factor of diffusion flame zones of hydrocarbon fuel using modern information and communication technologies is suggested. The flame zone with a maximum value of emissivity is revealed. This zone is localized in the center of the flame. It occupies about 30 % of the area of the flame.
Ключевые слова: пламя, неоднородность, температура, степень черноты.
Keywords: flame, heterogeneity, temperature, emissivity factor.
Актуальность исследуемой проблемы. Измерение температуры пламени относится к числу важных и трудных технических задач. Использование оптических методов имеет ряд преимуществ перед контактными методами, которые вносят искажения в температурное поле пламени. Однако, как при измерении яркостной или цветовой температур, встает вопрос о получении истинной температуры пламени. Истинная температура пламени может быть рассчитана через измеренную температуру, если известна степень черноты (испускательная способность) участка пламени - s х T , которая в свою очередь
является функцией длины волны и температуры. В работах по изучению структуры пламени всегда подчеркивается, что любое пламя имеет температурные неоднородности [5], тогда и степень черноты является непостоянной величиной.
Для прозрачного пламени в пределах ширины спектральной линии излучения степень черноты считается равной единице [1]. Интенсивность спектральной линии меняется при переходе от одной зоны к другой, меняется и степень черноты пламени.
Материал и методика исследований. В экспериментах изучалось пламя осветительного керосина марки К0-20 молекулярной массой 222,6 г/моль [2]. Керосин подавался через хлопчатобумажный фитиль цилиндрической горелки диаметром 16,5 мм. Диффузионное пламя по форме представляет боковую поверхность конуса. Светящая часть пламени излучает сплошной спектр. Свечение частиц углерода начинается у основания пламени и исчезает при понижении температуры в вершине пламени. Часть углеродных частиц при этом догорает, другая часть - претерпевает коагуляцию. Диффузионное пламя имеет не только температурные, но и яркостные неоднородности.
В работе Кадышевича [3] предлагается метод выравнивания яркостей для измерения испускательной способности выделенного участка пламени. Сущность метода заключается в том, что выравнивается монохроматическая яркость лампы накаливания и совместного излучения пламени и лампы, частично поглощенного при прохождении через пламя. Монохроматичность лучей обеспечивается светофильтром с определенной спектральной шириной АЯ < Я.
В методе обращения спектральных линий спектральная ширина АЯ << Я ограничена шириной линии излучения, поэтому требуется применение приборов высокой разрешающей способности. В этом методе в пределах ширины спектральной линии излучения пламени коэффициент поглощения пламени ссЯ^ равняется испускательной способности пламени г Я1 при этой же длине волны.
В методе выравнивания яркостей происходит усреднение коэффициента поглощения и испускательной способности пламени в диапазоне длин волн, пропускаемых светофильтром.
Когда метод выравнивания яркостей применить невозможно, например, для нестационарного пламени, испускательную способность пламени и истинную температуру можно получить путем измерения яркости пламени, источника сравнения и суммарного излучения пламени и источника сравнения, частично поглощенного пламенем, по уравнениям [3]:
г =! _ л ~ , (1)
L
1 Я ,
-------1п г. (2)
Тист Т яр с2
Точность измерения температуры зависит от величины испускательной способности пламени. Но при том же значении гЯ г точность измерения температуры будет меньше, чем при применении метода выравнивания яркостей или обращения спектральных линий, когда происходит выравнивание измеряемых величин.
Результаты исследований и их обсуждение. В данной работе поставлена задача определения степени черноты по всему полю пламени с целью выявления тех зон пламени, с которых происходит наибольшее излучение. В ранних работах [4] измерена степень черноты пламени плоской горелки в конкретных точках. Для решения поставленной задачи создана экспериментальная установка (рис. 1).
Излучение галогенной лампы (1), проходя через конденсор (2, 3), формирует расходящийся пучок. В фокусе конденсора установлена диафрагма (4), позволяющая управлять световым потоком. Линза коллиматора (5) установлена таким образом, чтобы преломленные лучи формировали параллельный пучок. Исследуемое пламя (6) находится в параллельных лучах. Дисперсионный светофильтр (7) типа КС-14 выделяет из сплошного спектра красные лучи длиной волны 670 нм, шириной 40 нм. Объектив (8) формирует резкое изображение пламени на плоскости ПЗС-матрицы (9). Все детали установлены на оптической скамье. Первый снимок получают без пламени, то есть регистрируется распределение яркости лампы по полю зрения Ьл . Второй снимок регистрирует изображе-
1
ние пламени Ьгш+л, просвечиваемое лампой. Третий снимок - только изображение пламени Ьгш, при этом шторка (10) перекрывает излучение лампы. Путем регулирования
диаметра ирисовой диафрагмы (4) можно добиться, чтобы яркость участка пламени совпадала с яркостью лампы, как в методе выравнивания яркостей.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки
Все снимки вводятся в компьютер и хранятся в bmp-формате. Специально разработанные на языке C# пакета Visual Studio программы позволяют рассчитать по уравнению (1) степень черноты пламени. Для этого необходимо обрабатывать все три фотографии совместно. В процессе обработки изображение разбивается на строки и элементы в строках. В принятых стандартах число элементов в строке равно 1024, а число строк в кадре - 740. Полученные элементы изображения - пикселя - обладают определенным уровнем яркости. В черно-белом варианте или для монохромного изображения различают 256 уровней градации яркости. В работе для удобства принято 100 условных единиц яркости. Полученные изображения, таким образом, оцифровываются по-новому, и данные хранятся в виде отдельного массива. Каждый пиксель обрабатывается согласно уравнению (1).
а) б) в)
Рис. 2. Распределение степени черноты пламени г(л) вдоль оси ОХ Высота сканирования ^ в мм: а - 5.4; б -10,8; в -16,2
В полученных массивах можно выделить распределение степени черноты є( х) вдоль горизонтального направления для любой высоты или вдоль вертикального направления.
1б1
Распределения г (х) представлены на рис. 2. Вдоль оси ох отложена координата пламени в мм, а цифры, рядом с распределением, указывают высоту сканирования над горелкой. Из рисунка видно, что у основания пламени функцияг(х) имеет седловидное распределение с острыми максимумами на периферийных участках пламени (рис. 2 а). В центральных зонах пламени г уменьшается до 0,4 и не постоянна. С увеличением высоты над горелкой степень черноты увеличивается до единицы, исчезает двугорбость в распределении г (х) (рис. 2 б). С дальнейшим увеличением высоты функция г( х) видоизменяется, однако максимальное значение г(х) сохраняется в пределах единицы.
I 'Я
12 14 16 18 20 22 12 14 16 18 20 22
Рис. 3. Фотография пламени (а) и изолинии степени черноты пламени (б, в). Значения г : 1 - 0,3; 2 - 0,6; 3 - 0,1; 4 - 1,0.
Программа также позволяет выделить в плоскости пикселя с постоянным значением £ = const . Последовательность пикселей с одинаковым значением s представляет собой изолинию. На рис. 3 представлена фотография пламени и ряд изолиний. Последовательные изолинии позволяют выделить в изображении пламени зону с определенным значением степени черноты и рассчитать площадь выделенной зоны. В табл. 1 приведены значения площадей выделенных зон и указано их процентное отношение к площади светящего пламени (Sra = 131, 8 мм2).
Таблица 1
Площади зон пламени одинаковой степенью черноты
s 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 1,0
Si, мм2 45,2 7,7 5,8 4,7 3,8 3,8 4,1 4,3 7,2 14,5 30,7
S. / /S ,% / пл 34,32 5,84 4,4 3,56 2,88 2,88 3,1 3,26 5,46 11,0 23,3
Анализ табличных значений показывает, что наибольшая площадь составляет 45,2 мм2 с наименьшим значением степени черноты г = 0,1. Эта зона примыкает к горелке. Явного свечения пламени в этой области в красной части спектра нет, и эта зона является «плохим» излучателем. Наибольшее излучение происходит с зоны со степенью черноты, стремящейся к единице: г ^ 1. Площади этих зон также значительны, а сами зоны локализованы в центральной части пламени (рис. 3 в). Анализ последовательных изолиний показывает, что максимальные изменения площадей зон происходят у основания пламени (рис. 3 в).
Резюме. Разработана программа, позволяющая выделять в пламени зоны с максимальным значением степени черноты (г ), которые расположены в центральной части светящего пламени. Расчеты показали, что площади выделенных зон с максимальным значением г составляют около трети от площади всего пламени.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гейдон, А. Г. Пламя, его структура, излучение и температура / А. Г. Гейдон, Х. Г. Вольфгард. - М. : Металлургия, 1969. - 364 с.
2. Дубовкин, Н. Ф. Справочник по углеводородным топливам / Н. Ф. Дубовкин. - М. : ГЭИ, 1962. - 184 с.
3. Кадышевич, А. Е. Измерение температуры пламени / А. Е. Кадышевич. - М. : Государственное на-уч.-техн. изд-во лит-ры по черной и цветной металлургии, 1961. - 219 с.
4. Ксенофонтов, С. И. Измерение температуры коптящего пламени углеводородов / С. И. Ксенофонтов // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. - 2002. - № 6 (30). -С. 82-92.
5. Фристром, Р. М. Структура пламени / Р. М. Фристром, А. А. Вестенберг. - М. : Металлургия, 1969. - 364 с.
