Аксенов Лабораторный практикум по физике 2007

Вентиль В10 предназначен для заполнения всей вакуумной системы установки атмосферным воздухом.

Вкрышке 8 смонтированы: датчик давления Д для измерения мгновенного давления при распространении пламени и два термоэлектрических датчика (термопары) T1 и Т2 для измерения температуры газа внутри камеры сгорания. Датчик Т1 предназначен для измерения температуры в центральной части камеры сгорания, а датчик T2 – для измерения температуры вблизи стенки. При необходимости относительное положение датчиков T1 и Т2 внутри камеры сгорания может плавно регулироваться.

При работе с горючими смесями при начальных температурах, выше комнатной, корпус установки «Сферическая камера» нагревается с помощью обмотки, изолированной от корпуса, через которую пропускается электрический ток. Для уменьшения потерь тепла при нагревании корпуса, а также для создания равномерного нагрева в рабочем объеме камеры сгорания внешняя поверхность корпуса камеры сгорания 1, а также крышки 8 теплоизолируются. Равномерность нагрева внутри рабочего объема камеры сгорания контролируется с помощью термопар T1 и Т2.

Для поджигания горючей смеси применяется искровой источник зажигания. Для этого в корпусе камеры сгорания имеется два герметичных ввода, через которые внутрь рабочего объема камеры вводятся два тонких металлических электрода 6, один из которых заземлен, а другой соединяется с выходом генератора высоковольтной искры П4. Генератор искры питается от стабилизированного выпрямителя П5.

3.1.3.Измерительная и контролирующая система

Всистему измерений и контроля процесса горения входят: два однотипных канала измерения температуры газа, канал измерения давления, канал измерения интегральной интенсивности свечения, возникающего при горении, и общий регистрирующий прибор.

Вкачестве общего регистрирующего прибора используется стандартный светолучевой осциллограф П11 типа H-115 с блоком питания П10.

Светолучевой осциллограф превращает изменения токов на выходе перечисленных выше измерительных каналов с помощью

31

входных гальванометров осциллографа в соответствующее линейное перемещение светящейся точки на экране осциллографа с одновременной регистрацией этого перемещения на фотобумагу (фотопленку) в виде развернутой во времени осциллограммы.

Каналы измерения температуры состоят из термоэлектрических датчиков-преобразователей T1, T2, усилителей постоянного тока П13, П16 и стабилизированных блоков питания усилителей П12,

П17.

В качестве термоэлектрических датчиков используются тонкие вольфрам-рениевые термопары ВР5/20. При нагревании спая нагретым газом термопары генерируют электродвижущую силу (ЭДС), величина которой пропорциональна температуре газа в данной точке в данный момент времени. После усиления сигналы с термопар подаются на вход регистрирующего осциллографа П11.

Усилители постоянного тока П13 и П16 имеют входные и выходные сопротивления, согласованные, соответственно, с сопротивлениями термопар Т1 и Т2 и внутренними сопротивлениями используемых гальванометров осциллографа П11.

Коэффициенты усиления по току П13 и П16 должны быть таковы, чтобы получить достаточные отклонения на экране осциллографа во всей области измеряемых температур (примерно до 3000 К).

Канал измерения давления содержит: индуктивный датчикпреобразователь давления Д типа ДД-10, индикатор давления П14 типа ИД-2И с блоком питания П15.

Датчик давления преобразует измеряемое давление в соответствующее изменение начальной индуктивности датчика.

Принципиальная схема индуктивного датчика показана на рис. 3.2.

Датчик состоит из магнитопровода 1, двух катушек индуктивности 2 и упругой стальной мембраны 4. Между сердечниками катушек индуктивности и мембранной имеется малый зазор δ.

Через катушки индуктивности пропускается переменный электрический ток от внешнего источника питания, к которому они подсоединяются с помощью выводов 3.

32

Рис. 3.2. Индуктивный датчик давления: конструкция (а); принципиальная схема (б), где 1 – магнитопровод; 2 – катушки индуктивности; 3 – выводы; 4 – мембрана; 5 – корпус

Система, состоящая из магнитопровода 1 катушек 2 и мембраны 4, образует замкнутую магнитную цепь, создающую индуктивность датчика.

Катушки индуктивности составляют мост, симметричный по индуктивности и потерям. Два плеча этого моста находятся в приборе ИД-2И в виде индуктивного компенсатора с общим регулируемым сердечником, предназначенным для начальной балансировки моста («Установка нуля») путем изменения индуктивности плеч, два других – в датчике ДД10. Одно из них является рабочим, другое – компенсирующим. Мост питается от высокочастотного генератора.

Под действием измеряемого давления Р индуктивность рабочего плеча изменяется за счет изменения магнитного зазора δ между прогибающейся мембраной и сердечником индуктивной катушки рабочего плеча датчика.

Изменение индуктивности моста пропорционально величине измеряемого давления. Изменение индуктивности сначала преобразуется в изменение напряжения, которое затем усиливается.

На выходе моста включается усилитель переменного тока с последующим фазочувствительным демодулятором (фазовым де-

33

тектором), коммутирующее напряжение которого подается от того же генератора, от которого питается мост. Усилитель и демодулятор выполняются достаточно мощными для приведения в действие высокочастотных гальванометров светолучевых осциллографов

(~ 20 мА).

Канал измерения интегральной интенсивности свечения (см. рис. 3.1) содержит приемник излучения П9 типа ФЭУ (оптический преобразователь), усилитель фототока П6 и два блока питания П8 и П7, соответственно, для питания ФЭУ и усилителя.

Световое излучение, возникающее при горении, выходит из окна 5 (см. рис. 3.1) камеры горения 2 и, пройдя ряд ограничивающих диафрагм Д1, Д2, вырезающих центральную часть светового потока, собирается линзой L и фокусируется на фотокатод ФЭУ. Возникающий при этом фототок после усиления его до необходимой величины подается на вход светолучевого осциллографа и регистрируется им.

Усилитель П6 имеет высокое входное сопротивление, согласованное с высоким выходным сопротивлением ФЭУ, и низкое выходное сопротивление, согласованное с сопротивлением применяемого гальванометра регистрирующего осциллографа.

Запуск регистрирующего осциллографа синхронизирован с моментом инициирования горючей смеси.

3.2. АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ

Для выполнения работы необходимы следующие аппаратура и материалы: установка «Сферическая камера»; комплект вентилей высокого давления; вакуумный насос типа BH-46I; образцовый вакуумметр (–1 кг/см2); образцовый манометр (+ 1 кг/см2); вакуумметр сопротивления блокировочный типа ВСБ-1; барометранероид; генератор искры; блок питания генератора искры типа УИП-1; светолучевой осциллограф типа H-II5, с блоком питания; блок фотоприемника (ФЭУ); блок питания ФЭУ типа ВС-23; измеритель давления типа ИД-2И с блоком питания; датчик давления типа ДД-10; термоэлектрические датчики (термопары); усилители; блоки питания усилителей; источники газов для составления горючей смеси.

34

3.3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛОВ. РАБОЧИЕ ФОРМУЛЫ

3.3.1. Подготовка установки к работе. Порядок приготовления горючей смеси

Подготовка установки к работе состоит из вакуумирования рабочего объема камеры сгорания, приготовления исходной горючей смеси и заполнения ею рабочего объема до нужного начального давления при заданной начальной температуре.

В исходном состоянии форвакуумный насос 10 (см. рис. 3.1), работает, все вентили газовых магистралей установки перекрыты. Открывая вентиль В11, производят откачку продуктов сгорания из камеры сгорания, оставшихся от предыдущего опыта. Открывая вентиль B1, при открытом вентиле В5 контролируют разрежение в камере сгорания во время откачки.

Через некоторое время осторожно открывают вентиль В4 и вакууммируют измерительный объем мембранного манометра П1. При достижении необходимой степени разрежения в системе открывают вентиль В6, включая тем самым манометр ПЗ для измерения абсолютного давления в камере сгорания. Контролируя показания манометра ПЗ, достигают минимального остаточного давления и замеряют его либо по непосредственным показаниям манометра, либо по градуировочным графикам, после чего вентиль В6 перекрывают. На этом вакуумирование камеры сгорания заканчивается.

Исходная горючая смесь составляется следующим образом. Осторожно открывая вентиль В2 газовой магистрали горючего

наполняют камеру сгорания горючим компонентом. Наполнение камер сгорания контролируют по вакуумметру П2.

При достижении давления в камере сгорания, равного атмосферному, вентиль В5 перекрывают и дальнейший контроль наполнения камеры сгорания горючим осуществляют с помощью манометра П1. При достижении необходимого давления горючего в камере сгорания вентиль В2 перекрывают.

После наполнения камеры сгорания горючим компонентом приступают к наполнению ее окислителем. Для этого, осторожно открывая вентиль ВЗ газовой магистрали окислителя, доводят общее

35

давление в камере сгорания до необходимого начального давления исходной горючей смеси при комнатной температуре, после чего вентиль ВЗ, также вентиль B1 перекрываются. Составленная смесь выдерживается в течение некоторого времени для лучшего перемешивания компонентов внутри камеры сгорания.

По известному барометрическому давлению, остаточному давлению в камере сгорания и показателям манометров П1 и П2 вычисляют парциальные давления горючего и окислителя в составленной смеси.

Р

1 атм

Рmin

n,%

Рис. 3.3. Зависимость пределов по давлению от концентрации горючего в смеси: na – бедный предел, nб – богатый предел по концентрации

Процентный состав смеси определяют по формуле:

где рг и рок – парциальные давления горючего и окислителя в абсолютных единицах соответственно; р0 – начальное давление составленной горючей смеси.

Более точно состав приготовленной смеси определяется хроматографическим анализом.

36

Для получения начальной температуры смеси, выше комнатной, включают нагрев корпуса камеры сгорания и доводят температуру составленной смеси до заданного значения. Нагрев температуры смеси контролируют с помощью термопар T1 и Т2. Поскольку при нагреве смеси ее давление в камере сгорания увеличивается, избыточное количество смеси с помощью форвакуумного насоса откачивают. Для этого ставят шток крана – дозатора 12 в положение «Внешняя система». В этом случае доза подсоединяется к вакуумной системе камеры сгорания через вентиль В9.

Открывая последовательно вентили B1, В4, В7 и В9, откачивают избыточное количество смеси. Регулируя проходное отверстие вентиля В9 в процессе нагрева смеси, поддерживают давление в камере сгорания на уровне заданного начального давления. По окончании нагрева смеси вентиль B1 перекрывают. Откачав оставшийся газ в измерительном объеме манометра П1 и в объеме дозы, перекрывают вентили В4, В7 и В9. На этом процесс приготовления исходной горючей смеси заканчивается.

При работе с начальными давлениями смесей, ниже или равных атмосферному, манометр П1 не используется, а вентиль В4 перекрыт.

3.3.2. Регистрация пределов

На рис. 3.3 представлена типичная зависимость предельного давления р от концентрации горючего n (%) в исходной смеси. Заштрихованная область, ограниченная предельной кривой, соответствует области воспламенения и распространения пламени.

Видно, что при достаточно высоких начальных давлениях (начальная температура смеси Т0 = const) существуют два граничных значения концентрации na и nб, которые соответствуют «бедному» (na) и «богатому» (nб) концентрационному пределу воспламенения для данной смеси. При уменьшении давления концентрационные пределы сближаются и при некотором давлении рmin становятся равным друг другу.

При давлении ниже рmin воспламенение и горение данной смеси невозможно при любом соотношении между горючим и окислителем.

37

Давление рmin соответствует концентрации горючего в смеси, близкой к стехиометрической ncт. Часть кривой, лежащая влево от ncт, называется бедной ветвью предельной кривой. Кривая, лежащая вправо от ncт, называется богатой ветвью.

Пределы определяются методом проб. Рассмотрим определение богатого предела при заданном давлении и температуре.

Для этого составляется смесь с некоторой концентрацией горючего n1 и производится инициирование смеси с помощью искры. Если смесь воспламенилась, в следующем опыте концентрацию горючего в смеси увеличивают. Пусть при инициировании новой смеси с концентрацией n2 > n1 воспламенение не произошло. Это означает, что искомый предел по концентрации заключен в интервале между n2 и n1. Далее поступают следующим образом. Составляется смесь с n3 = (n2 + n1 )/ 2 . Если при этой концентрации имеет

место воспламенение, то в следующем опыте составляют смесь с n4 = (n2 + n3 )/ 2 . Если при концентрации n3 воспламенение отсут-

ствует, то составляют смесь с концентрацией n4 = (n3 + n1 )/ 2 и

т.д.

Равномерное приближение к пределу слева и справа осуществляют до тех пор, пока на очередном шаге различие между граничными концентрациями не станет меньше ошибки в их составлении.

Наличие или отсутствие воспламенения смеси и распространения пламени фиксируется регистрациями изменений давления, температуры газа в центре и на периферии камеры сгорания, а также интенсивности интегрального светового излучения, возникающего при горении, с помощью измерительной и контролирующей системы, описанной ранее. Наличие или отсутствие воспламенения и горения после инициирования смеси можно контролировать также визуально по световой вспышке через окно в камере сгорания.

Аналогичным образом определяют бедный предел по концентрации. При определении бедного предела отличие состоит в том, что при приближении к пределу со стороны области воспламенения концентрация горючего в смеси уменьшается.

При определения пределов по давлению и температуре варьируемыми параметрами в опытах являются, соответственно, начальное давление и температура исходной смеси при постоянстве концентрации горючего в смеси.

38

3.4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Ознакомиться с требованиями по техники безопасности по работам, проводимым на установке «Сферическая камера». Ознакомиться с конструкцией и принципом работы установки «Сферическая камера», усвоить назначение и принцип работы всех вентилей высокого давления, а также всех контролирующих и измерительных приборов, входящих в состав измерительной и контролирующей системы установки. Особое внимание при этом обратить на систему подачи горючего и окислителя, а также на систему зажигания.

Подготовить установку к работе. Для этого включить вакуумную систему установки и откачать до минимального остаточного давления рабочий объем камеры сгорания и коммуникации, соединяющие источники газа и окислителя с камерой сгорания. Остаточное давление проконтролировать с помощью образцового вакуумметра П2 и абсолютного манометра ПЗ, (см. рис. 3.1).

Включить блок питания системы зажигания и приборы, входящие в состав каналов измерения давления, температуры и светового излучения в соответствии с инструкциями по работе с этими приборами. Установить и отрегулировать основные исходные параметры на приборах измерительной системы.

До начала эксперимента вся измерительная система находится в ждущем режиме работы.

Составить первую горючую смесь в соответствии с заданием, заполнить ею рабочий объем камеры сгорания до необходимого начального давления по методике, описанной ранее.

По окончании наполнения камеры горючей смесью вентили B1, В2, ВЗ и ВЦ должны быть закрыты.

Произвести инициирование составленной горючей смеси. Для этого нажать на кнопку «Пуск» на генераторе искры. Убедиться в наличии или отсутствии воспламенения.

Далее определить бедный и богатый концентрационные пределы при заданном начальном давлении по методике, описанной ранее. Определение пределов начинать с начального давления смеси, равного атмосферному. Затем приступить к определению пределов при пониженных давлениях вплоть до давления рmin (см. рис. 3.3).

39

Приближение к бедному или богатому пределу контролировать, наблюдая изменения сигналов во времени от датчика давления, термопар и фотоумножителя на экране светолучевого осциллографа, а также визуально, по световой вспышке, видимой через окно камеры сгорания в случае воспламенения смеси.

Провести необходимые число экспериментов и получить достаточное количество предельных значений концентраций на бедной и богатой ветвях для надежного установления всей предельной кривой в координатах давление и концентрация горючего в смеси.

По окончании работы выключить систему зажигания, приборы измерительной и контролирующей системы в соответствии с инструкциями по работе с этими приборами. Перекрыть вентили В2 и ВЗ, соединяющие магистрали горючего и окислителя с камерой сгорания. Откачать камеру сгорания и систему подводящих коммуникаций и освободить их от оставшегося рабочего газа. По окончании откачки выключить вакуумную систему установки и подать атмосферный воздух в вакуумные коммуникации и камеру сгорания.

По результатам работы составить общую таблицу предельных значений концентраций при разных начальных давлениях смеси и построить зависимость предельного давления от концентрации горючего в исходной смеси.

3.5.ЗАДАНИЕ

1.Определить концентрационные пределы воспламенения для метановоздушной смеси в диапазоне давлений от атмосферного и ниже при начальной температуре смеси, равной комнатной.

2.Построить зависимость предельного давления от предельной концентрации горючего в смеси в исследованной области давлений.

3.Написать отчет с основными количественными результатами

иоценкой экспериментальных погрешностей.

40