Излучение светящегося пламени
Излучение светящегося пламени — старый спорный вопрос техники: выгоднее Ли эксплуатировать печь со светящимся пламенем, связанным с дымообразованием, или лучше, чтобы пламя было несветящимся. В настоящее время этот вопрос Можно считать решенным. Прежде, чем перейти к его анализу, необходимо вкратце осветить всю проблему светящегося пламени. Подробнее теория излучения светящегося пламени изложена в другой работе [178]. Здесь дается лишь ее краткое содержание.
В дальнейшем светящимся необходимо считать такое пламя, сила света которого зависит от излучения раскаленных частичек сажи, выделяемых при сгорании, но не такое, световое излучение которого объясняется окраской солями металлов или другими подобными веществами. Так как углерод, находящийся в пламени в свободном состоянии, весь без исключения получается из углеводородов, то лучше было бы это пламя характеризовать как светящееся углеводородное. Пламена окиси углерода и водорода также отличаются слабым свечением голубоватого цвета, которое обусловлено излучением в определенной очень узкой видимой области спектра (фраунгофферовы линии). Но это излучение содержит практически исчезающе малое количество энергии, так что им полностью можно пренебречь. Теплоотдача от такого пламени происходит исключительно посредством инфракрасного излучения углекислого газа и водяного пара, а также путем конвекции. Пламя бунзеновской горелки при нормальном подводе воздуха не светится. Оно будет светящимся, если ограничить смешение газа с воздухом, так как при наличии в газе углеводородов в результате появятся частички сажи. Свечение углеводородного пламени вообще возникнет лишь в том случае, когда кислород непосредственно не присутствует в нем и когда температура газа выше температуры распада его углеводород-^ ных составных частей при отсутствии их горения. Поэтому горение светящегося пламени затягивается по сравнению с несветя - щимоя. Образующиеся очень дисперсные частички сажи воспринимают тепло из окружающей раскаленной атмосферы и испускают его обратно в среду. Этим объясняется увеличение теплопередачи, которое будет очень значительным и при известных обстоятельствах может во много раз превысить излучение Н20 и С02.
Подробные измерения некоторых исследователей показали, что частички сажи, полученные из различных углеводородов, имеют примерно одинаковые размеры, порядка 0,0003 мм. Зная эту величину, можно рассчитать излучение частички сажи. Оно примерно равно 5% от излучения абсолютно черной частички такого же размера. По закону излучения Кирхгофа это означает, что отдельные сажистые частички и значительной степени проницаемы для излучения; около 95% всего падающего на частичку излучения (предполагая излучение абсолютно черного тела) проходит, не поглощаясь ею. Малые размеры отдельных сажистых частиц обусловливают высокий коэффициент теплоотдачи конвекцией и малый коэффициент теплоотдачи излучением, вследстиве чего температура частицы должна быть равна температуре окружающей атмосферы газа. Это важный факт, который необходимо учитывать в расчете излучения светящегося пламени.
Зависимость излучения от толщины слоя пламени
Выше уже отмечалось, что отдельные сажистые частички излучают лишь 5% энергии равного по величине абсолютно черного тела, а 95% падающего на нее излучения проходит не поглощенным. Но светящееся пламя содержит очень большое количество частичек сажи (более 1,3 • 108 частичек в 1 см3 пламени свечи Хефнера). Поэтому излучение близко расположенных частичек сажи суммируется. Правда, часть излучения будет поглощаться соседними частичками сажи, но это уменьшение с избытком компенсируется собственным излучением этих частичек. Другими словами, излучение светящегося пламени зависит от его толщины. Здесь мы встречаемся с тем же явлением, что и при излучении углекислого газа и водяного пара, величина которых зависит от толщины слоя и увеличивается с повышением темпе1 ратуры. Пределом увеличения излучения светящегося пламени (при постоянной температуре), обусловленного ростом толщины слоя газа, является тот случай, когда излучение, идущее изнутри пламени, будет характеризоваться такой же интенсивностью, что и излучение абсолютно черного тела при той же температуре. Тогда поглощение последними, встречающимися на пути излучения частичками будет равно их собственному излучению, т. е. никакого усиления излучения единицей поверхности больше происходить не может, даже если толщина пламени все еще сильно увеличивается.
Зависимость излучения от толщины слоя пламени выражается, как и для СОг и НгО, степенной' функцией [см. закон поглощения, уравнение (419), стр. 275].
Как видно, увеличение числа частичек углерода (одинакового размера) в каждом см3 влияет так же, как и утолщение пламени, вследствие того, что идущее наружу излучение зависит от числа сажистых частичек, лежащих на пути лучей.
Поэтому в формулу, которая окончательно выражает излучение светящегося пламени, в качестве определяемого фактора можно подставлять произведение толщины пламени « на коэффициент поглощения &, причем й зависит от числа частичек углерода, содержащихся в единице объема. Полученную таким образом величину к • 5 практически можно назвать «интенсивностью поглощения». По величине определяют указанную интенсивность поглощения, которую испытывает излучение, проходящее поперек светящегося пламени; при этом & уменьшается с увеличением длины волны. В дальнейшем в основу величины /г • х положена длина волны, составляющая 1 ц (т. е - равная 1,0-КГ4 см).
Тот факт, что интенсивность поглощения зависит не только от толщины пламени, но и от числа сажистых частиц в единице объема, чрезвычайно затрудняет расчет излучения светящегося пламени, так как число сажистых частиц зависит не только от вида применяемого газа, но и от характера процесса горения. В сварочной горелке сжигается такой богатый углеродом газ, как ацетилен, а пламя несветящееся; напротив, не имеющий в своем составе бензолов и поэтому бедный углеродом коксовальный газ при сжигании в печи с недостатком воздуха дает светящееся пламя. В первом случае число частиц углерода исчезающе мало, во втором — довольно значительно. Поэтому кажется невозможным дать такой метод расчета, который позволял бы заранее рассчитать излучение пламени генераторного или коксовального газа при его определенной толщине и температуре. Это излучение очень сильно зависит от конструктивных особенностей горелки и печного пространства и условий эксплуатации печи.
Остается найти лишь иной метод расчета, который позволил бы рассчитать излучение пламени на основе наипростейших из - температуру светящегося пламени оптическим пирометром (с ис - мерений. Казалось бы, что достаточно замерить кажущуюся чезающей нитью) и считать пламя излучающим как абсолютно черное тело при этой температуре. Так как реальное тело излучает меньше, чем абсолютно черное, то измерение оптическим пирометром даст соответственно более низкую температуру, на основании которой можно было бы вести расчет. Но, к сожалению, более точные расчеты показывают, что этот метод непригоден. Температура всех пламен, излучающих «по-черному», измеренная оптическим пирометром, дает при расчете сильно завышенное значение излучения. При этом ошибка достигает несколько сот процентов. Причина состоит в том, что излучательная способность светящегося пламени уменьшается с увеличением длины волны или, как выше уже было сказано, поглощательная способность уменьшается с увеличением длины волны. Как известно, наибольшая часть технически эффективного теплового излучения лежит в области невидимого инфракрасного (длинноволнового) излучения. Напротив, оптическим пирометром измеряется лишь сила светового излучения, т. е. яркость поверхности пламени, которая вследствие высокой степени черноты пламени в области коротковолнового светового излучения, имеет преимущественное значение по сравнению с общим излучением. Поэтому визуальное сравнение также не дает возможности определить ^масштаб интенсивности общего теплового излучения светящегося пламени. Светящееся пламя, которое по яркости и величине равно, например, куску железа, вследствие уменьшения степени черноты с увеличением длины волны излучает намного меньше, чем раскаленное железо. Измерение кажущейся температуры пламени оптическим пирометром и расчет излучения по известному закону Стефана — Больцмана (по найденной температуре), как это делается иногда на практике, дает, следовательно, сильно завышенные значения излучения.
Оказалось, что можно достичь цели, если исходить не из кажущейся температуры, измеренной оптическим пирометром, а из учета погрешности, которая связана с оптическим методом измерения (погрешность по сравнению с истинной температурой пламени). Расчет показывает, что существует определенная связь между излучением и этой разностью температур, т. е. между температурой, измеренной оптическим методом, и истинной.
Функция, полученная на этой основе, не может быть выражена законченной формулой, так как соответствующий интеграл решается лишь графическим путем. Но она может быть изображена пучком кривых, которые даны на рис. 45. Сообразно с этим интенсивность поглощения падает с увеличением разности между температурой ton, измеренной оптическим методом, и истинной температурой /пя сначала очень быстро, затем медленнее.
Разность температур tnt-tgn Рис. 45. Зависимость интенсивности поглощения от /пл—*оп |
К сожалению, для некоторых случаев’кривые нельзя использовать. Например, практически невозможно надежно установить разность температур, меньшую 5-т-10°С, вследствие чего с помощью таких измерений нельзя установить, имеет ли пламя интенсивность поглощения, равную 2 или большую. Напротив, точность измерения при более высоких разностях температур t„„—tn более высокая. Например, для расчета не имеет большого значения, чему равна разность tnx —ton —90 или 100°. То, что наряду с легко выполнимым оптическим измерением необходимо еще измерить истинную температуру пламени, не составляет трудности, потому что знание истинной температуры пламени требуется также для всех других расчетов теплоотдачи конвекцией или излучением. Знание истинной температуры необходимо даже при непосредственном измерении излучения пламени (суммы излучений углерода и газа), потому что лишь таким образом можно рассчитать тепло, воспринятое облучаемой поверхностью. При этих условиях изложенный здесь метод расчета можно считать простейшим.
Зависимость излучения от интенсивности поглощения
После того, как по рис. 45 определена интенсивность поглощения £ • 5, можно рассчитать излучение данного светящегося пламени. Результаты этого расчета показаны на рис. 46. Здесь излучение выражено в процентах излучения абсолютно черного тела, нагретого до той же температуры, в зависимости от интенсивности поглощения А *5. Следовательно, для расчета излучения светящегося пламени применяют лишь два измерения температуры, и можно было бы обойтись без толщины слоя пламени,
Рис. 46. Излучение светящегося пламени в зависимости от интенсивности поглощения и температуры |
Если не нужно было бы знать величину поверхности светящегося пламени, так как излучение пересчитывается на 1 м2 поверхности пламени. Так как рис. 46 характеризует излучение абсолютно черного тела, то необходимо каждый раз знать величину этого излучения. Чтобы сэкономить время и не вычислять по формуле, в приложении даны значения излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры (стр. 508).
Влияние температуры и свойств облучаемой поверхности
Прежние рассуждения и выводы относительно излучения основаны на предположении, что облучается холодная абсолютно черная поверхность, которая сама не излучает и не отражает падающего на нее излучения. Если облучаемая поверхность не абсолютно черная, то тепло, воспринятое ею вследствие отражения, будет меньше; это уменьшение тепловосприятия пропорционально степени черноты 5 поверхности.
Если поверхность нагрета до /°, то она излучает обратно в пламя такое же количество тепла, какое она получила бы от
Пламени при той же температуре. Следовательно, если излучение пламени, имеющего температуру /пл, равно ккал/м2 [179] час,
А излучение аналогично пламени, имеющего температуру <°, равно ккал/м2 • час, то тепловосприятие поверхности, облучаемой
Пламенем, температура которой £° и степень черноты £>, будет равно
<7 = 5- (<7,пл — <7,) ккал/мгчас, (441)
Где 5 — степень черноты облучаемый поверхности (5=1 для абсолютно черного тела; 5=0,8 — вероятная степень черноты шлака и кладки; 5 = 0 для абсолютно отражающей поверхности): <7/пл — излучение пламени при температуре tпл, ккал/м2 • час.
<7/—излучение пламени при температуре I, ккал/м2-чае.
Пока не исследован более точно спектр поглощения технических поверхностей, можно рассматривать степень черноты 5 как отношение коэффициента излучения С рассматриваемой поверхности к коэффициенту излучения абсолютно черного тела, равному 4,96. Следовательно,
4,96 * |
Влияние геометрической формы пламени такое же, как и при инфракрасном излучении газа.
Г. Незер и В. Пепперхофф * исследовали свойства светящегося пламени при помощи сконструированного ими и применяемого сейчас повсеместно цветового пирометра. Вследствие упомянутого выше сильного изменения поглощательной способности углеродной взвеси в зависимости от изменения длины волны в светящемся пламени коротковолновое излучение доминирует над длинноволновым; следовательно, излучение голубого света превалирует над красным, чего не наблюдается при излучении абсолютно черного тела с той же температурой. При исследовании этой взаимосвязи прежде всего удалось установить истинную температуру светящегося пламени по черной и цветовой температуре. Черная температура — это такая температура абсолютно черного тела, при которой оно дает такое же световое излучение, как и светящееся пламя. Цветовая температура—аналогичное понятие, но для области более коротких волн.
В то время как для определения излучения пламени по рис. 45 и 46 необходимо измерить истинную температуру пламени при помощи отсасывающей термопары, в способе Незера и Пеп - перхоффа это трудоемкое и дорогостоящее измерение заменяется введением новых кривых. На рис. 47 даны значения истинной температуры в зависимости от черной Т0 и цветовой Гц температуры. Черную и цветовую температуры определяют при помощи простого измерения цветовым пирометром «Биоптикс». Следовательно, дан очень простой метод определения истинной температуры светящегося пламени, что важно для многих случаев, например пои исследовании тепловой нагрузки печи, истинной температуры горения, теплопередачи конвекцией и т. д.
Далее, естественно, важно знать количество тепла, отдаваемое в целом путем излучения каждым квадратным метром поверхности свётящегося пламени за 1 час.
Это излучение было определено В. Пепперхоффом и А. Бэром [180] в продолжении работы Незера и Пепперхоффа. На рцс. 48 дана зависимость этого излучения от черной Г0 и цветовой Т ц температур. Так как излучение происходит преимущественно в области коротких волн, то цветовая температура будет всегда выше черной, но с увеличением толщины пламени они все больше сближаются. Когда обе температуры сравняются, пламя по всей области будет излучать как абсолютно черное тепло. В этом случае на рис. 48 достигается штриховая линия, являющаяся пограничной для абсолютно черного тела, которое, как известно, дает максимально возможное излучение.
Подводя итоги, необходимо сказать, что излучение светящегося пламени имеет большое техническое значение. Тем больше приходится сожалеть, что для этого явления не удалось еще установить формул, которые позволили бы заранее выполнить его расчет, что крайне необходимо при конструировании горелок и топок. Несмотря на это, уже сегодня, анализируя свойства светящегося пламени, можно получить ценные практические выводы. Так как излучение светящегося пламени имеет большой практический смысл, необходимо обратить особое внимание на его дальнейшее исследование. Ввиду того, что пламя при быстром и достаточном подводе воздуха всегда будет несветящимся, необходимо, чтобы конструкции горелок не развивались до предела в направлении наиболее быстрого и полного смешения подводимого воздуха и газа. Это стремление может привести к полному успеху лишь при использовании доменного, водяного и дру~ гих несветящихся газов С другой стороны, при неполном смешении с воздухом горение будет неполным, что вызовет понижение температуры. Поэтому необходимо для каждой топки дать лучший вариант ведения процесса сжигания; если горение быстрое, то пламя будет несветящимся — количество передаваемо-
// 12 /3 М // 1$ 17 18 19 го Цветовая температура метящегося пламени Ъ*ЮО *С Рис. 47. Определение истинной температуры светящегося пламени : по известной цветовой температуре *ц и черной температуре *о Ь (^эФФ =0,58 р., Биоптикс) |
Го тепла уменьшится; если же горение медленное, то средний эффективный температурный перепад будет меньше — горение будет неполным, что также вызовет уменьшение количества передаваемого тепла. К сожалению, неизвестно, в каком случае и каким образом можно достичь наивьггоднейшего сжигания. Этот вопрос очень мало изучен, но сейчас в этом направлении прово-
Черная температура светящегося Пламени £П. °С Рис. 48. Общее излучение сажи в пламени в зависимости от цветовой температуры /ц и черной температуры /о(Яо=580 тц) |
Дятся многочисленные работы. Известно, что на теплоотдачу пламени сильно влияет не только его температура и движение газов, но и характер горения, если речь идет о газе, содержащем углеводороды. Этим обусловлена тесная связь между теплоотдачей и характером горения.
Величину влияния переменного подвода воздуха на условия теплоотдачи характеризует следующий опыт: в нагревательной печи, которая отапливалась холодным коксовальным газом, с получением несветящегося пламени истинная температура газа на расстоянии 3 м от места подачи составила 1100°, а температура внутренней поверхности свода 880° С. Если уменьшить количество подводимого воздуха так, чтобы пламя стало светящимся и на поду появился бы легкий дымок, то температура газов немедленно упадет на 100°, а температура свода поднимется на 80° С. Это вызывает значительное усиление теплопередачи. Разумеется, через каких-нибудь! полчаса температура отходящего газа снова начнет заметно увеличиваться и примерно через час большая часть выигрыша будет потеряна. Более подробно это явление объяснено на стр - 404. Оказывается, преимущество заключается в создании прерывистого светящегося пламени.
Практические наблюдения нашли свое объяснение в эффективности светящегося пламени. Примером этого может служить неоднократно установленный факт, что мартеновская печь работает лучше на богатом углеводородами, но мало подогретом генераторном газе, чем на сильно подогретом, но бедном углеводородами смешанном газе.
Сюда же можно отнести успехи, которые были достигнуты при добавке углеводородов в несветящееся пламя (карбюрация). Ясно, что в этом случае результаты должны быть особенно ус~ пешными, так как возникающее при карбюрации свечение пламени в большинстве случаев не связано с нежелательным затягиванием процесса горения.
Согласно работам Е. Герцога* в сталеплавильном производстве карбюрирующее действие можно наблюдать при усилении подогрева газа выше обычной нормы. В этом случае реакция водяного газа (С + Н20 = С0 + Н2) становится второстепенной по сравнению с образованием сажи при разложении углеводородов, что обеспечивает светимость пламени. Герцог применил комбинацию этой «естественной» карбюрации (самокарбюрации) с вышеназванной искусственной карбюрацией. Работа дала хорошие результаты.
♦Herzog, E„ Der. heutige Stand unserer Kenntnisse vom Siemens — Martin—Ofen, Ber. Stahlw.— Ausscha Ver. Dtsch. Eisenhьtten!., Nr. 120 (1926). S. 10.