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行业知识

生物质燃烧机火焰温度的测定

生物质燃烧机火焰温度的测定

    实验采用红外辐射测温法测出了多孔生物质燃烧机中预混火焰沿气流方向的温度分布曲线。结果表明,燃烧器中的燃烧火焰与自由火焰相比,燃烧温度显著提高,验证了理论预测的这一特性;也说明利用红外测温能克服热电偶等直接测温的缺点,得到了温度变化的真实特性。图5参8

0  前言

    多孔介质中的燃烧问题已越来越引起人们的广泛关注,自70年代以来,学者们一直从事这方面的研究。它涉及到两个基本概念:“超焓火焰”[日[2],“催化燃烧”[¨4]。所用的多孔材料包括:泡沫状、纤维层状、金属丝网等结构形式。预混气体流经多孔介质并在其中燃烧时,其燃烧产物高温燃气与多孔介质的高效对流换热,通过多孔介质形成强热辐射场。从而多孔介质的存在大大增强了对前焰区的传热,这又直接促进了火焰区的化学反应,这种热反馈导致了多孔介质独特的燃烧特性:大幅度提高了燃烧速率,增强了火焰的稳定性,火焰的温度升高(所谓“超焓火焰”),还可降低着火浓度下限‘5 q。多孔介质的强化传熟和燃烧特性已成为一项新型的燃烧技术有着广泛的应用前景,研究还表明利用多孔介质燃烧技术有利于减少有害排放物的生成,能改善和控制环境污染。对于多孔介质中的燃烧特性所进行的研究,已形成多种理论模型7'q,并得到许多计算结果,包括多孔介质中火焰的温度分布,图1所示为典型的火焰温度曲线,但至今难以见到实验所得的完整的火焰温度分布曲线,所能见到的实验温度测定也仅限于用热电偶进行,不能全面反应火焰的峰值温度及变化趋势,不利于研究多孔介质材料和燃烧结构参数对燃烧的影响;而热电偶测温还存在辐射影响和接触热阻等误差,另外过多本实验受国家自然科学基金资助地装入热电偶来测温度必然会影响原温度场的分布,改变燃烧性质。本实验主要采用非接触式红外测温法测出了多孔介质中预混火焰沿气流方向的温度变化曲线,所得到的是火焰的温度场。实验所用的多孔材料是海绵状的泡沫多孔陶瓷,这种材料在热辐射性能方面与气体相比有极高的发射率,经研究接近理想黑体(发射率e-0. 95,由于这多孔材料的高孔隙率,气固之间热交换充分,因此气固之间的温度差别很小,故可以利用辐射测温法测出多孔介质的温度分布,就能反映火焰中气相的湓度变化。我们所用的测试仪器为红外热象仪、红外辐射高温计,并配以热电偶作为辅助参考,从而较真实地得到多孔介质中的燃烧温度变化情况。

    燃烧器由使燃气和空气得以充分混合的预混室和截面方形燃烧器主体组成。预混室内填装有不同尺寸的金属球和大孔径泡沫陶瓷碎块等,以便燃气与空气在进入预混室后在向上流动过程中得以充分混合。燃烧器的主体是耐火的凹槽方管,内填装泡沫多孔陶瓷,凹槽方管开口面上贴有红外光学石英玻璃,以便观察燃烧器内火焰的状况。燃烧器中的主要试验材料是泡沫多孔陶瓷,本实验所用的多孔陶瓷的材质为氧化铝(Al20莎95%),空隙率较高(约为85%),孔隙分布均匀。选孔径分别为0. 5mm和0.9mm的多孔陶瓷材料用以观察孔径对火焰结构的影响。管外包有一层保温材料,以减少热损失,使燃烧火焰尽量接近绝热状态。

    供气系统有空气源和燃气源两部分,空气源应能保证有压力恒定、流量充足的空气供应。本实验是通过压缩机先将空气压到具有一定稳压容积的贮气罐内。燃气源是罐装的液化气。

    监控系统由气体充量计、各管路调节阀、热电偶和温度显示仪表等构成。监控系统能控制和调芾空气和燃气的流量,调控燃烧器中火焰的位置,监测燃烧过程火焰温度的变化。实验时根据化学当量比中的要求,按一定配比控制相应的空气和燃料气的流量,使火焰稳定在一定位置上,以便进行温度测试。由理论分析知,化学当量比中对预混火焰特性、特别对燃烧温度有较大影响。本实验分别对当量比中为0. 5和0.6的火焰进行了测试。

1.2温度场的测试

    本实验温度场的测试主要是利用红外辐射测温法,实验仪器是841热象仪和红外辐射高温计(Raytek-lMSC)。

    841热象仪是一种装有电脑的携带式工业热象仪,它具有彩色电视图象显示和数字化图象处理功能,显示目标的温度分布图,并计算温度数值。热象仪测温具有快速、非接触、正确的特点,是一种高性能的仪器。它在原理上由3部分构成:摄象头部,接收红外辐射并将其转换成电信号且加以放大;微处理器,将来自头部放大信号经过各种处理,输出图象信号;外围设备有监视器、打印机、磁带记录仪等,它能显示热图象、温度标尺和记录各种数据。其主要性能指标为:测温范围,第1档为  30~150。C,第II档为100~600。C,第III档为  30~1500。C;响应波段:8~13弘m;辐射系数校正:0. 01~1.0,在多孔生物质燃烧机里的燃烧,火焰使多孔陶瓷沿气流方向具有相应的温度分布,热辐射透过石英玻璃向外发射。实验时,摄象头部距石英窗Im左右,当火焰稳定于燃烧器中部日寸,捕捉下此时的热图象,调节微处理器使火焰图象局部放大,显示火焰的温度图象和相应的温度标尺,并利用照相机摄下图象,利用所得图象相片处理出沿气流方向的温度分布曲线。

    在使用841热相仪的同时,我们还采用了精度较高的红外辐射高温计(测温范围:600~3000”C,精度:±1“C)用于沿燃烧器轴线逐点对火焰温度进行测量。另外在多孔陶瓷与石英玻璃之间还放有热电偶,以便对仪器测试进行校验和对比。各种测试方法起到互相比较和补充研究测试误差及各种影响因素。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对辐射的影响问题。我们采用的石英玻璃(JGS3)对辐射的1997年第8-9期发  电设备透射波段主要在0. 25~SVm之间,其中波长为8~14tm,因此火焰的辐射不能直接对热象仪起作用,应该说由热象仪测得的温度分布是石英玻璃外表面的温度分布,石英内表面温度通过对流、传导和辐射传到外表面,故温度应有所差别。通过理论分析,同时用红外辐射高温计及热电偶的实验测试结果与之比较,发现内外温度分布变化极为相似,且因石英玻璃片厚度不大(2~3mm),内外温度差别不大,故可用一相似修正系数,将841热象仪测得的温度值换算成燃烧器火焰的温度值。并且由红外辐射高温计测得的火焰温度也进一步证实了这种由84 1热象仪所得温度分布的正确性。

2  实验结果与讨论

    图3所示的曲线为841热象仪所测得的火焰温度曲线。其化学当量比中一0.6,多孔陶瓷的孔径0. 9mm。

    图4所示为不同当量比(中一0.5和4一0.6)条件下的火焰温度曲线。

    图5所示为不同孔径(D -0. 5mm和D-0. 9mm)的多孔生物质燃烧机中火焰的温度曲线。从以上曲线可以看出,在多孔介质中预混火焰的温度变化具有共同的趋势。在火焰前区,温度上升较快,即温度梯度较大。但与无多孔介质的自由火焰相比(理论预示曲线见图1),预热温度捉高,上升温度梯度不是那么陡,而在燃烧反应之后(多孔介质中的火焰后区)温度不断下降,不像理论预示的温度那样平直不变。这因为对于实际的燃烧器,尽管己采用种种隔热措施,但仍存在热损失,还不能实现真正绝热条件。然而,火焰后区温度有较大下降趋势的原因,在于多孔固体介质的存在,大大增强了热辐射和热传导的作用。化学反应较强的火焰区,通过这种增强的传热方式,一方面向上游加强了未反应混合气的预热,另一方面通过多孔介质向下游方向增大了散热量,致使发  电设备火焰后区温度尽快地下降。在多孔介质出口处附近特别明显。这从实验曲线可以看到。另外实验曲线并未出现如理论预示曲线那样明显的峰值,是因为实际燃烧日寸,燃烧反应区热损失较大,此外固体介质局部传热及气体流动的不均匀性,会影响在一极窄区域内温度峰值的形成。

    图4中化学当量比对温度的影响是很显然的,与燃烧理论与理论预示的结论完全一致。

    由图5曲线显示出多孔陶瓷孔径对温度曲线的影响。可以看出,对于本实验研究的多孔陶瓷,孔径-0. 9mm的最高温度为1510K,而孔径0.5m rri的则稍低,温度曲线上升较缓,产生差异的原因在于孔径的大小直接影响固体介质整体的热辐射特性和气体的流动、传热特性。在孔隙率不变的情况下,孔径大的吸收系数小,辐射的光学厚度小,其热辐射、传热对上、下游的影响不如孔径小、吸收系数大的多孔介质。

    通过在相同化学当量比条件下将有多孔材料的火焰与无多孔材料的自由火焰相比就可知道,多孔介质能够提高火焰的温度。实验测得,在中=0.6时,无多孔材料预混火焰的最高火焰温度丁n<  1000K(理论计算的绝热温度是1670K,因实际火焰热损失较大,难以达到此温度)。而在热损失基本桕同的情况下,本实验的多孔介质中的火焰,在忙=0.6时,最高温度已达1510K,而在中一0.5时最高温度达1400K(理论计算的绝热温度为1481K)。显然多孔生物质燃烧机火焰温度的实验结果已充分说明了多孔介质中火焰的这一特性。

    从实验所得的结果看,红外热象仪和辐射高温计均可用于对多孔介质燃烧器火焰温度的测试,得到温度变化曲线。两者比较起来,热象仪的优点是,能在较短的时间内(841热象仪大约0.1s)完成对火焰温度场的测试,且按温度大小区分显示出二维图象,比较直观,并具备数据处理功能有利于及时分析研究火焰变化的特点。但对我们所用的841热象仪而言,对火焰辐射的响应波长受到石英窗的影响,不能直接测得火焰温度的数据,需要经过一定的修正处理;另外,该仪器在800~1500“C高温段的标定还存在一定的修正误差,有待提高高温段的精度。而对于辐射高温计来说,测试点温具有迅速、方便、可靠的特点,根据测试对象设置发射率后,就能较准确地读出所瞄点的温度值。我们通过调移仪器镜头,完成沿燃烧器轴向火焰温度的测试得到温度变化曲线。但它要求火焰具有较好的稳定性,且逐点测量费时、费力,难于立即得到火焰温度分布特性。根椐具体条件,我们同时使用两种仪器,相互补充、校正,得到较理想的温度测试结果。然而从进一步提高精度和实用性出发,我们认为使用具有低响应的波长(如3~lj-m)能与通用个人计算机相连达到快速显示和图象处理的新一代热象仪,能克服现有仪器使用的不足,可望得到更好的温度测试结果,推动这种新型燃烧器的深入研究和开发应用。

3结论

    从测试的角度看,利用间接测温法(红外辐射测温法),研究多孔介质燃烧器这类有固体介质参与的火焰温度分布是可行的,它避免了直接测温的一些缺点为火焰的测试提供了有用的尝试,若能采用新型热象仪,将会获得更精确的整个火焰的温度图象。为理论分析奠定更加可靠的实验基础。

    从测试的结果看,所得多孔介质中预混火焰沿气流方向的温度分布,初步证实了燃烧器的基本特性,与理论预示的结果基本一致。同时发现了真实燃烧器与理论计算的差异,这将有利于理论研究的进一步深入,也为多孔介质燃烧器的实际开发提供实验依据。

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点击次数:  更新时间:2017-10-31 21:33:30  【打印此页】  【关闭