| 生物質(zhì)燃燒機(jī)火焰溫度的測(cè)定 |
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生物質(zhì)燃燒機(jī)火焰溫度的測(cè)定 實(shí)驗(yàn)采用紅外輻射測(cè)溫法測(cè)出了多孔生物質(zhì)燃燒機(jī)中預(yù)混火焰沿氣流方向的溫度分布曲線。結(jié)果表明，燃燒器中的燃燒火焰與自由火焰相比，燃燒溫度顯著提高，驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)的這一特性；也說(shuō)明利用紅外測(cè)溫能克服熱電偶等直接測(cè)溫的缺點(diǎn)，得到了溫度變化的真實(shí)特性。圖5參8 0 前言 多孔介質(zhì)中的燃燒問(wèn)題已越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注，自70年代以來(lái)，學(xué)者們一直從事這方面的研究。它涉及到兩個(gè)基本概念：“超焓火焰”[日[2]，“催化燃燒”[¨4]。所用的多孔材料包括：泡沫狀、纖維層狀、金屬絲網(wǎng)等結(jié)構(gòu)形式。預(yù)混氣體流經(jīng)多孔介質(zhì)并在其中燃燒時(shí)，其燃燒產(chǎn)物高溫燃?xì)馀c多孔介質(zhì)的高效對(duì)流換熱，通過(guò)多孔介質(zhì)形成強(qiáng)熱輻射場(chǎng)。從而多孔介質(zhì)的存在大大增強(qiáng)了對(duì)前焰區(qū)的傳熱，這又直接促進(jìn)了火焰區(qū)的化學(xué)反應(yīng)，這種熱反饋導(dǎo)致了多孔介質(zhì)獨(dú)特的燃燒特性：大幅度提高了燃燒速率，增強(qiáng)了火焰的穩(wěn)定性，火焰的溫度升高（所謂“超焓火焰”），還可降低著火濃度下限‘5 q。多孔介質(zhì)的強(qiáng)化傳熟和燃燒特性已成為一項(xiàng)新型的燃燒技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景，研究還表明利用多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)有利于減少有害排放物的生成，能改善和控制環(huán)境污染。對(duì)于多孔介質(zhì)中的燃燒特性所進(jìn)行的研究，已形成多種理論模型7'q，并得到許多計(jì)算結(jié)果，包括多孔介質(zhì)中火焰的溫度分布，圖1所示為典型的火焰溫度曲線，但至今難以見(jiàn)到實(shí)驗(yàn)所得的完整的火焰溫度分布曲線，所能見(jiàn)到的實(shí)驗(yàn)溫度測(cè)定也僅限于用熱電偶進(jìn)行，不能全面反應(yīng)火焰的峰值溫度及變化趨勢(shì)，不利于研究多孔介質(zhì)材料和燃燒結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)燃燒的影響；而熱電偶測(cè)溫還存在輻射影響和接觸熱阻等誤差，另外過(guò)多本實(shí)驗(yàn)受國(guó)家自然科學(xué)基金資助地裝入熱電偶來(lái)測(cè)溫度必然會(huì)影響原溫度場(chǎng)的分布，改變?nèi)紵再|(zhì)。本實(shí)驗(yàn)主要采用非接觸式紅外測(cè)溫法測(cè)出了多孔介質(zhì)中預(yù)混火焰沿氣流方向的溫度變化曲線，所得到的是火焰的溫度場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)所用的多孔材料是海綿狀的泡沫多孔陶瓷，這種材料在熱輻射性能方面與氣體相比有極高的發(fā)射率，經(jīng)研究接近理想黑體（發(fā)射率e-0. 95，由于這多孔材料的高孔隙率，氣固之間熱交換充分，因此氣固之間的溫度差別很小，故可以利用輻射測(cè)溫法測(cè)出多孔介質(zhì)的溫度分布，就能反映火焰中氣相的湓度變化。我們所用的測(cè)試儀器為紅外熱象儀、紅外輻射高溫計(jì)，并配以熱電偶作為輔助參考，從而較真實(shí)地得到多孔介質(zhì)中的燃燒溫度變化情況。 燃燒器由使燃?xì)夂涂諝獾靡猿浞只旌系念A(yù)混室和截面方形燃燒器主體組成。預(yù)混室內(nèi)填裝有不同尺寸的金屬球和大孔徑泡沫陶瓷碎塊等，以便燃?xì)馀c空氣在進(jìn)入預(yù)混室后在向上流動(dòng)過(guò)程中得以充分混合。燃燒器的主體是耐火的凹槽方管，內(nèi)填裝泡沫多孔陶瓷，凹槽方管開(kāi)口面上貼有紅外光學(xué)石英玻璃，以便觀察燃燒器內(nèi)火焰的狀況。燃燒器中的主要試驗(yàn)材料是泡沫多孔陶瓷，本實(shí)驗(yàn)所用的多孔陶瓷的材質(zhì)為氧化鋁(Al20莎95%)，空隙率較高（約為85%），孔隙分布均勻。選孔徑分別為0. 5mm和0.9mm的多孔陶瓷材料用以觀察孔徑對(duì)火焰結(jié)構(gòu)的影響。管外包有一層保溫材料，以減少熱損失，使燃燒火焰盡量接近絕熱狀態(tài)。 供氣系統(tǒng)有空氣源和燃?xì)庠磧刹糠，空氣源?yīng)能保證有壓力恒定、流量充足的空氣供應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)是通過(guò)壓縮機(jī)先將空氣壓到具有一定穩(wěn)壓容積的貯氣罐內(nèi)。燃?xì)庠词枪扪b的液化氣。 監(jiān)控系統(tǒng)由氣體充量計(jì)、各管路調(diào)節(jié)閥、熱電偶和溫度顯示儀表等構(gòu)成。監(jiān)控系統(tǒng)能控制和調(diào)芾空氣和燃?xì)獾牧髁浚{(diào)控燃燒器中火焰的位置，監(jiān)測(cè)燃燒過(guò)程火焰溫度的變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)化學(xué)當(dāng)量比中的要求，按一定配比控制相應(yīng)的空氣和燃料氣的流量，使火焰穩(wěn)定在一定位置上，以便進(jìn)行溫度測(cè)試。由理論分析知，化學(xué)當(dāng)量比中對(duì)預(yù)混火焰特性、特別對(duì)燃燒溫度有較大影響。本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)當(dāng)量比中為0. 5和0.6的火焰進(jìn)行了測(cè)試。 1.2溫度場(chǎng)的測(cè)試 本實(shí)驗(yàn)溫度場(chǎng)的測(cè)試主要是利用紅外輻射測(cè)溫法，實(shí)驗(yàn)儀器是841熱象儀和紅外輻射高溫計(jì)(Raytek-lMSC)。 841熱象儀是一種裝有電腦的攜帶式工業(yè)熱象儀，它具有彩色電視圖象顯示和數(shù)字化圖象處理功能，顯示目標(biāo)的溫度分布圖，并計(jì)算溫度數(shù)值。熱象儀測(cè)溫具有快速、非接觸、正確的特點(diǎn)，是一種高性能的儀器。它在原理上由3部分構(gòu)成：攝象頭部，接收紅外輻射并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)且加以放大；微處理器，將來(lái)自頭部放大信號(hào)經(jīng)過(guò)各種處理，輸出圖象信號(hào)；外圍設(shè)備有監(jiān)視器、打印機(jī)、磁帶記錄儀等，它能顯示熱圖象、溫度標(biāo)尺和記錄各種數(shù)據(jù)。其主要性能指標(biāo)為：測(cè)溫范圍，第1檔為 30～150。C，第II檔為100～600。C，第III檔為 30～1500。C；響應(yīng)波段：8～13弘m；輻射系數(shù)校正：0. 01～1.0，在多孔生物質(zhì)燃燒機(jī)里的燃燒，火焰使多孔陶瓷沿氣流方向具有相應(yīng)的溫度分布，熱輻射透過(guò)石英玻璃向外發(fā)射。實(shí)驗(yàn)時(shí)，攝象頭部距石英窗Im左右，當(dāng)火焰穩(wěn)定于燃燒器中部日寸，捕捉下此時(shí)的熱圖象，調(diào)節(jié)微處理器使火焰圖象局部放大，顯示火焰的溫度圖象和相應(yīng)的溫度標(biāo)尺，并利用照相機(jī)攝下圖象，利用所得圖象相片處理出沿氣流方向的溫度分布曲線。 在使用841熱相儀的同時(shí)，我們還采用了精度較高的紅外輻射高溫計(jì)（測(cè)溫范圍：600～3000”C，精度：±1“C）用于沿燃燒器軸線逐點(diǎn)對(duì)火焰溫度進(jìn)行測(cè)量。另外在多孔陶瓷與石英玻璃之間還放有熱電偶，以便對(duì)儀器測(cè)試進(jìn)行校驗(yàn)和對(duì)比。各種測(cè)試方法起到互相比較和補(bǔ)充研究測(cè)試誤差及各種影響因素。其中值得一提的是：由于采 了石英玻璃窗，就存在石英玻璃材料對(duì)輻射的影響問(wèn)題。我們采用的石英玻璃(JGS3)對(duì)輻射的1997年第8-9期發(fā) 電設(shè)備透射波段主要在0. 25～SVm之間，其中波長(zhǎng)為8～14tm，因此火焰的輻射不能直接對(duì)熱象儀起作用，應(yīng)該說(shuō)由熱象儀測(cè)得的溫度分布是石英玻璃外表面的溫度分布，石英內(nèi)表面溫度通過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射傳到外表面，故溫度應(yīng)有所差別。通過(guò)理論分析，同時(shí)用紅外輻射高溫計(jì)及熱電偶的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與之比較，發(fā)現(xiàn)內(nèi)外溫度分布變化極為相似，且因石英玻璃片厚度不大(2～3mm)，內(nèi)外溫度差別不大，故可用一相似修正系數(shù)，將841熱象儀測(cè)得的溫度值換算成燃燒器火焰的溫度值。并且由紅外輻射高溫計(jì)測(cè)得的火焰溫度也進(jìn)一步證實(shí)了這種由84 1熱象儀所得溫度分布的正確性。 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 圖3所示的曲線為841熱象儀所測(cè)得的火焰溫度曲線。其化學(xué)當(dāng)量比中一0.6，多孔陶瓷的孔徑0. 9mm。 圖4所示為不同當(dāng)量比（中一0.5和4一0.6）條件下的火焰溫度曲線。 圖5所示為不同孔徑(D -0. 5mm和D-0. 9mm)的多孔生物質(zhì)燃燒機(jī)中火焰的溫度曲線。從以上曲線可以看出，在多孔介質(zhì)中預(yù)混火焰的溫度變化具有共同的趨勢(shì)。在火焰前區(qū)，溫度上升較快，即溫度梯度較大。但與無(wú)多孔介質(zhì)的自由火焰相比（理論預(yù)示曲線見(jiàn)圖1），預(yù)熱溫度捉高，上升溫度梯度不是那么陡，而在燃燒反應(yīng)之后（多孔介質(zhì)中的火焰后區(qū)）溫度不斷下降，不像理論預(yù)示的溫度那樣平直不變。這因?yàn)閷?duì)于實(shí)際的燃燒器，盡管己采用種種隔熱措施，但仍存在熱損失，還不能實(shí)現(xiàn)真正絕熱條件。然而，火焰后區(qū)溫度有較大下降趨勢(shì)的原因，在于多孔固體介質(zhì)的存在，大大增強(qiáng)了熱輻射和熱傳導(dǎo)的作用；瘜W(xué)反應(yīng)較強(qiáng)的火焰區(qū)，通過(guò)這種增強(qiáng)的傳熱方式，一方面向上游加強(qiáng)了未反應(yīng)混合氣的預(yù)熱，另一方面通過(guò)多孔介質(zhì)向下游方向增大了散熱量，致使發(fā) 電設(shè)備火焰后區(qū)溫度盡快地下降。在多孔介質(zhì)出口處附近特別明顯。這從實(shí)驗(yàn)曲線可以看到。另外實(shí)驗(yàn)曲線并未出現(xiàn)如理論預(yù)示曲線那樣明顯的峰值，是因?yàn)閷?shí)際燃燒日寸，燃燒反應(yīng)區(qū)熱損失較大，此外固體介質(zhì)局部傳熱及氣體流動(dòng)的不均勻性，會(huì)影響在一極窄區(qū)域內(nèi)溫度峰值的形成。 圖4中化學(xué)當(dāng)量比對(duì)溫度的影響是很顯然的，與燃燒理論與理論預(yù)示的結(jié)論完全一致。 由圖5曲線顯示出多孔陶瓷孔徑對(duì)溫度曲線的影響？梢钥闯，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)研究的多孔陶瓷，孔徑-0. 9mm的最高溫度為1510K，而孔徑0.5m rri的則稍低，溫度曲線上升較緩，產(chǎn)生差異的原因在于孔徑的大小直接影響固體介質(zhì)整體的熱輻射特性和氣體的流動(dòng)、傳熱特性。在孔隙率不變的情況下，孔徑大的吸收系數(shù)小，輻射的光學(xué)厚度小，其熱輻射、傳熱對(duì)上、下游的影響不如孔徑小、吸收系數(shù)大的多孔介質(zhì)。 通過(guò)在相同化學(xué)當(dāng)量比條件下將有多孔材料的火焰與無(wú)多孔材料的自由火焰相比就可知道，多孔介質(zhì)能夠提高火焰的溫度。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，在中=0.6時(shí)，無(wú)多孔材料預(yù)混火焰的最高火焰溫度丁n< 1000K（理論計(jì)算的絕熱溫度是1670K，因?qū)嶋H火焰熱損失較大，難以達(dá)到此溫度）。而在熱損失基本桕同的情況下，本實(shí)驗(yàn)的多孔介質(zhì)中的火焰，在忙=0.6時(shí)，最高溫度已達(dá)1510K，而在中一0.5時(shí)最高溫度達(dá)1400K（理論計(jì)算的絕熱溫度為1481K）。顯然多孔生物質(zhì)燃燒機(jī)火焰溫度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已充分說(shuō)明了多孔介質(zhì)中火焰的這一特性。 從實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果看，紅外熱象儀和輻射高溫計(jì)均可用于對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器火焰溫度的測(cè)試，得到溫度變化曲線。兩者比較起來(lái)，熱象儀的優(yōu)點(diǎn)是，能在較短的時(shí)間內(nèi)(841熱象儀大約0.1s)完成對(duì)火焰溫度場(chǎng)的測(cè)試，且按溫度大小區(qū)分顯示出二維圖象，比較直觀，并具備數(shù)據(jù)處理功能有利于及時(shí)分析研究火焰變化的特點(diǎn)。但對(duì)我們所用的841熱象儀而言，對(duì)火焰輻射的響應(yīng)波長(zhǎng)受到石英窗的影響，不能直接測(cè)得火焰溫度的數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)一定的修正處理；另外，該儀器在800～1500“C高溫段的標(biāo)定還存在一定的修正誤差，有待提高高溫段的精度。而對(duì)于輻射高溫計(jì)來(lái)說(shuō)，測(cè)試點(diǎn)溫具有迅速、方便、可靠的特點(diǎn)，根據(jù)測(cè)試對(duì)象設(shè)置發(fā)射率后，就能較準(zhǔn)確地讀出所瞄點(diǎn)的溫度值。我們通過(guò)調(diào)移儀器鏡頭，完成沿燃燒器軸向火焰溫度的測(cè)試得到溫度變化曲線。但它要求火焰具有較好的穩(wěn)定性，且逐點(diǎn)測(cè)量費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，難于立即得到火焰溫度分布特性。根椐具體條件，我們同時(shí)使用兩種儀器，相互補(bǔ)充、校正，得到較理想的溫度測(cè)試結(jié)果。然而從進(jìn)一步提高精度和實(shí)用性出發(fā)，我們認(rèn)為使用具有低響應(yīng)的波長(zhǎng)（如3～lj-m）能與通用個(gè)人計(jì)算機(jī)相連達(dá)到快速顯示和圖象處理的新一代熱象儀，能克服現(xiàn)有儀器使用的不足，可望得到更好的溫度測(cè)試結(jié)果，推動(dòng)這種新型燃燒器的深入研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用。 3結(jié)論 從測(cè)試的角度看，利用間接測(cè)溫法（紅外輻射測(cè)溫法），研究多孔介質(zhì)燃燒器這類有固體介質(zhì)參與的火焰溫度分布是可行的，它避免了直接測(cè)溫的一些缺點(diǎn)為火焰的測(cè)試提供了有用的嘗試，若能采用新型熱象儀，將會(huì)獲得更精確的整個(gè)火焰的溫度圖象。為理論分析奠定更加可靠的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 從測(cè)試的結(jié)果看，所得多孔介質(zhì)中預(yù)混火焰沿氣流方向的溫度分布，初步證實(shí)了燃燒器的基本特性，與理論預(yù)示的結(jié)果基本一致。同時(shí)發(fā)現(xiàn)了真實(shí)燃燒器與理論計(jì)算的差異，這將有利于理論研究的進(jìn)一步深入，也為多孔介質(zhì)燃燒器的實(shí)際開(kāi)發(fā)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
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