葉 靖

(福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州361000)

1 概述

多孔介質(zhì)燃燒在多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)空間內(nèi)部完成，燃燒熱量傳遞涉及固體骨架間的導(dǎo)熱、固體骨架與氣流強(qiáng)制對(duì)流、固體骨架輻射等多種傳熱方式的耦合，最終燃燒熱量通過(guò)高溫固體骨架輻射和煙氣對(duì)流對(duì)外釋放。充分傳熱使得多孔介質(zhì)燃燒可以提高燃燒室溫度實(shí)現(xiàn)超絕熱燃燒，超絕熱燃燒被公認(rèn)為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝鍧嵢紵夹g(shù)[1-2]。

由于多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，燃燒過(guò)程受到振動(dòng)和氣流變化的干擾，使得軟件對(duì)燃燒溫度的模擬難度大且模擬結(jié)果準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證。目前，試驗(yàn)測(cè)量仍是表征多孔介質(zhì)燃燒器溫度分布的主要手段。Zheng等人[3]使用成對(duì)的熱電偶，在其中一支熱電偶包裹氧化鋁漿質(zhì)后，同時(shí)測(cè)量得到燃燒室的氣固溫度。然而，熱電偶測(cè)溫是侵入式的點(diǎn)測(cè)量，有限的測(cè)量數(shù)據(jù)不利于燃燒溫度場(chǎng)的系統(tǒng)表征。呂兆華等人[4]采用紅外輻射測(cè)溫法測(cè)得多孔陶瓷燃燒器中溫度分布曲線，驗(yàn)證了采用輻射法測(cè)量多孔介質(zhì)燃燒室溫度的可行性，但紅外輻射測(cè)溫容易受到燃燒器表面的輻射干擾。目前，單一的測(cè)量手段使得多孔介質(zhì)的燃燒室溫度場(chǎng)特性還未得到準(zhǔn)確且完整的表征。

2 多孔介質(zhì)材料特性

常用的多孔介質(zhì)材料的母體材料包括碳化硅、氧化鋁、氧化鋯、耐熱金屬和石墨等。多孔介質(zhì)材料不僅是熱量傳遞的媒介，同時(shí)也是燃料燃燒的承載體。燃燒過(guò)程中多孔介質(zhì)需要承受燃燒高溫和較高的溫度梯度，并且可能處于腐蝕性環(huán)境。

多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)主要有泡沫結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、球體或其他外形的堆積結(jié)構(gòu)。泡沫結(jié)構(gòu)孔隙率較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，不利于數(shù)值模型分析。因此，多孔介質(zhì)材料需要滿足傳熱性能和熱力學(xué)性能兩方面的要求。目前常用的多孔介質(zhì)材料一般為耐高溫性、無(wú)催化效應(yīng)、耐腐蝕性及抗熱震性的惰性材料。

本文試驗(yàn)選用的多孔介質(zhì)材料為氧化鋁顆粒小球自由堆積形成的多孔介質(zhì)。密度為3.7 g/cm3，具有抗氧化能力，最高可承受溫度為1 900 ℃，長(zhǎng)時(shí)間耐受溫度為1 600 ℃。

3 多孔介質(zhì)燃燒器高溫測(cè)量方法

① 熱電偶測(cè)溫方法

熱電偶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)溫響應(yīng)快，精度高。熱電偶測(cè)溫模型主要分為局部熱平衡模型和非熱平衡模型兩種。

a.局部熱平衡模型

局部熱平衡模型是指氣體流速較低，局部氣固溫差小，可以近似為一個(gè)溫度。熱電偶示值可直接反映流體和固體溫度[5]。

b.非熱平衡模型

非熱平衡模型指氣固兩相溫差較大，存在較強(qiáng)的換熱效應(yīng)。因?yàn)闅饬骱突鹧娌⒎庆o態(tài)，當(dāng)氣流速度較低時(shí)，由于沿?zé)犭娕嫉膶?dǎo)熱及氣流與包圍介質(zhì)的熱交換，使熱平衡難以建立，所測(cè)溫度是氣流、火焰與熱電偶的綜合溫度。

選擇采用熱電偶測(cè)溫時(shí)，燃燒室要便于熱電偶安裝，避免熱電偶安裝改變?nèi)紵覂?nèi)部多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特性。當(dāng)多孔介質(zhì)燃燒穩(wěn)定時(shí)，燃燒室內(nèi)的高溫?zé)煔夂投嗫捉橘|(zhì)進(jìn)入充分熱交換階段。此時(shí)燃燒器內(nèi)氣固之間的溫度差小，可以降低熱電偶的測(cè)量誤差。

② 輻射測(cè)溫方法

輻射測(cè)溫法是通過(guò)遠(yuǎn)紅外輻射入射到探測(cè)器上，確定被測(cè)試對(duì)象的溫度。輻射測(cè)溫具有快速、非接觸、面成像的特點(diǎn)。紅外熱像儀測(cè)溫是輻射測(cè)溫的一種。

輻射測(cè)溫法通過(guò)測(cè)出的色溫來(lái)代表真實(shí)溫度。測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)火焰輻射的響應(yīng)波長(zhǎng)受到石英窗的影響，而石英玻璃對(duì)輻射的透射波段主要在0.25～5.00 μm，故測(cè)得的結(jié)果包含多種輻射能量，并不是真實(shí)的火焰溫度，結(jié)果需要經(jīng)過(guò)一定的修正處理。

4 多孔介質(zhì)燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)

多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖1，由3部分組成：供氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

① 供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)包括空氣供給和燃?xì)夤┙o?？諝庥煽諝鈮嚎s機(jī)通入儲(chǔ)氣罐并穩(wěn)定供給。燃?xì)鉃榧兌葹?9.9%的甲烷氣體，由壓力為12 MPa高壓鋼瓶供給，經(jīng)過(guò)減壓閥調(diào)壓后通入預(yù)混室。采用適合量程精度的質(zhì)量流量計(jì)分別控制燃?xì)夂涂諝獾牧髁俊Ｈ細(xì)鈴念A(yù)混室底部通入，空氣從預(yù)混室側(cè)面分3股互成120°角，與燃?xì)庑纬上嘟粴饬鳎⑶翌A(yù)混室內(nèi)填充了多孔介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)燃?xì)馀c空氣的充分預(yù)混。

② 燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)主要由預(yù)混室和燃燒室組成。通過(guò)鋁環(huán)連接預(yù)混室和燃燒室，具有散熱作用，降低燃燒室入口溫度，起到防回火作用。燃燒室底部設(shè)置8 mm厚的直孔耐高溫陶瓷板，對(duì)預(yù)混氣體進(jìn)行整流，使預(yù)混氣體盡量均勻地進(jìn)入燃燒室中燃燒，避免出現(xiàn)爆燃等不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象。直孔耐高溫陶瓷板孔徑為0.1 mm左右，孔隙率約0.29，確保預(yù)混氣體保持一定速度通過(guò)直孔耐高溫陶瓷板，同時(shí)預(yù)防發(fā)生回火問(wèn)題。

燃燒室主體為耐高溫石英玻璃管，長(zhǎng)140 mm，內(nèi)徑50 mm，外徑55 mm。上端為敞口布置，下端通過(guò)耐火泥與鋁環(huán)密封。燃燒室主體為石英玻璃管，其軟化溫度約為1 700 ℃，可在1 100 ℃環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間使用，短時(shí)間使用溫度可保持1 450 ℃左右。

為了減少燃燒室的散熱損失，在燃燒室外壁設(shè)置40 mm厚的保溫棉，保溫棉外圍附有一層鋁箔以提高保溫效果。整個(gè)石英玻璃管一共開6個(gè)直徑為6.5 mm的熱電偶安裝預(yù)留孔。熱電偶與安裝預(yù)留孔采用耐火泥密封。

③ 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為流量測(cè)量控制系統(tǒng)和溫度測(cè)量系統(tǒng)。燃燒室的溫度測(cè)量系統(tǒng)采用S型熱電偶陣列和紅外熱像儀同時(shí)測(cè)溫。2種測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和對(duì)比，從而獲得較為完整的多孔介質(zhì)燃燒室溫度場(chǎng)。

a.熱電偶測(cè)溫

考慮熱電偶結(jié)點(diǎn)安裝位置會(huì)影響溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，采用螺旋方式布置，熱電偶安裝位置編號(hào)由上端螺旋向下分別為T1～T6，互成60°角，降低熱電偶對(duì)多孔介質(zhì)自由堆積結(jié)構(gòu)的干擾和氣流的阻礙影響。S型熱電偶陣列安裝布置見(jiàn)圖2。

圖2 S型熱電偶陣列安裝布置

每根熱電偶的豎直間距為20 mm，并且S型熱電偶測(cè)溫節(jié)點(diǎn)安裝在燃燒室中心的軸線位置。S型熱電偶采用高純氧化鋁陶瓷保護(hù)套管，最高溫度可達(dá)1 650 ℃，可以同時(shí)適應(yīng)氧化或還原過(guò)程。S型熱電偶的熱電勢(shì)大，靈敏度高，有利于提高測(cè)溫準(zhǔn)確性。

設(shè)置熱電偶數(shù)據(jù)釆集儀每隔1 s自動(dòng)記錄一組溫度數(shù)據(jù)。但是熱電偶的點(diǎn)測(cè)溫不能全面反映燃燒室的溫度分布特性，不利于研究多孔介質(zhì)材料和燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)燃燒特性的影響。

b.紅外熱像儀測(cè)溫

本文采用紅外熱像儀型號(hào)為FLIR T630sc，測(cè)溫范圍為300～2 000 ℃，波長(zhǎng)范圍為7.5 ～13.0 μm，精確度為±1 ℃。對(duì)整個(gè)紅外測(cè)量窗口進(jìn)行完整的溫度測(cè)量，采集燃燒室側(cè)面紅外測(cè)量窗口區(qū)域的堆積小球的溫度分布特性。

5 試驗(yàn)步驟及結(jié)果分析

5.1 試驗(yàn)步驟

① 點(diǎn)火前的準(zhǔn)備工作

試驗(yàn)點(diǎn)火前的準(zhǔn)備工作包括以下5步。

a.檢查管道的氣密性和保溫層的完整性，并且保證試驗(yàn)室通風(fēng)條件良好；

b.檢查甲烷高壓鋼瓶?jī)?nèi)氣體的壓力，能滿足試驗(yàn)要求；

c.檢查空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣罐是否積水，及時(shí)進(jìn)行排水，保證供應(yīng)燃燒的空氣干燥；

d.依據(jù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況，將參數(shù)設(shè)定完畢；

e.開啟空氣壓縮機(jī)，保證儲(chǔ)氣罐中有足夠的壓力，保證空氣通路為設(shè)定工況。

② 試驗(yàn)過(guò)程

本文的當(dāng)量比定義為單位質(zhì)量的燃料完全燃燒所需的理論空氣質(zhì)量與實(shí)際供給的空氣質(zhì)量之比。

a.試驗(yàn)開始時(shí)，根據(jù)燃燒強(qiáng)度計(jì)算得到燃?xì)饬髁?，調(diào)節(jié)空氣流量為理想當(dāng)量比，在燃燒器頂端出口處點(diǎn)火。待火焰面進(jìn)入燃燒器內(nèi)部時(shí)，調(diào)節(jié)燃?xì)夂涂諝饬髁康皆囼?yàn)值。當(dāng)燃燒工況穩(wěn)定后，記錄燃燒室氣固溫度數(shù)據(jù)。

b.記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)不同燃燒工況條件下，多孔介質(zhì)燃燒室中的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，采用紅外熱像儀對(duì)多孔介質(zhì)燃燒室外部軸向綜合溫度分布進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，燃燒室內(nèi)還布置有S型熱電偶陣列，用于采集燃燒室軸心溫度，與紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行校正和對(duì)比，從而，獲得較為完整的多孔介質(zhì)燃燒室的溫度分布場(chǎng)。

c.開始試驗(yàn)后，當(dāng)各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度變化在連續(xù)5 min內(nèi)不超過(guò)5 K，且經(jīng)過(guò)10 min內(nèi)溫度變化沒(méi)有明顯變化趨勢(shì)時(shí)，就認(rèn)為此時(shí)達(dá)到了穩(wěn)定[6]，記錄氣固溫度。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

本文研究燃燒強(qiáng)度為600 kW/m2，當(dāng)量比為0.6，氧化鋁小球直徑為8 mm的溫度場(chǎng)特性，熱電偶每隔0.5 s記錄一次。

① 熱電偶測(cè)溫結(jié)果

S型熱電偶由點(diǎn)燃到穩(wěn)定完整過(guò)程的溫度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 S型熱電偶的溫度測(cè)量結(jié)果

由圖3可知，從點(diǎn)火燃燒，火焰由燃燒器頂部向燃燒室底部傳遞過(guò)程，對(duì)應(yīng)燃燒室內(nèi)熱電偶溫度變化分為兩階段。第1階段為導(dǎo)熱階段，升溫速率較慢，燃燒器頂端的高溫堆積小球通過(guò)輻射和導(dǎo)熱將熱量傳遞給燃燒室下端的堆積小球和熱電偶；第2階段，火焰面完全覆蓋熱電偶，溫度迅速升高。熱量主要來(lái)源于燃燒放出大量的熱量；最后火焰穩(wěn)定于燃燒室下端，貼近直孔陶瓷板燃燒，燃燒室溫度趨于穩(wěn)定。

② 紅外熱像儀測(cè)溫結(jié)果

燃燒由燃燒室上表面向底部傳遞過(guò)程中，由于氧化鋁小球的熱惰性和燃燒室的阻力，導(dǎo)致燃燒室中心溫度先升高，燃燒室外層小球升溫相對(duì)延遲。故采用紅外熱像儀通過(guò)紅外測(cè)量窗口測(cè)溫時(shí)要在燃燒室外層小球升溫穩(wěn)定后測(cè)量。

紅外熱像儀設(shè)置輻射率為1，待燃燒穩(wěn)定時(shí)，燃燒室紅外測(cè)量窗口對(duì)應(yīng)熱電偶布置等高處取點(diǎn)分析測(cè)量結(jié)果。預(yù)留的紅外測(cè)量窗口和紅外熱像儀測(cè)溫結(jié)果(軟件截圖)見(jiàn)圖4。

圖4 預(yù)留的紅外測(cè)量窗口和紅外熱像儀測(cè)溫結(jié)果(軟件截圖)

由圖4可知，穩(wěn)定燃燒時(shí)，燃燒室溫度由上游向下游逐漸降低，且分布較均勻。

③ 兩種測(cè)溫方式比較

2種測(cè)溫方式測(cè)得的燃燒室軸向相同水平高度位置的結(jié)果，如圖5。

圖5 S型熱電偶和紅外熱像儀測(cè)溫結(jié)果

從圖5可知，2種測(cè)溫結(jié)果趨勢(shì)基本一致，溫度沿軸線方向逐漸降低。隨著溫度降低熱電偶測(cè)量結(jié)果與紅外熱像儀測(cè)量結(jié)果差值減小。主要原因是不同溫度條件下氧化鋁小球的發(fā)射率不同。

6 結(jié)論

多孔介質(zhì)燃燒溫度場(chǎng)特性在揭示多孔介質(zhì)的傳熱機(jī)理、表征火焰面特性和預(yù)測(cè)燃燒產(chǎn)物等相關(guān)研究中有重要意義?；诙嗫捉橘|(zhì)材料特性及多孔介質(zhì)燃燒器高溫測(cè)量方法，搭建自由堆積小球多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)，分析熱電偶測(cè)溫和紅外熱像儀測(cè)溫兩種測(cè)溫方法和測(cè)量結(jié)果。

① 熱電偶可以直接快速測(cè)量燃燒室內(nèi)部溫度分布。但是布置測(cè)量點(diǎn)有限，并且對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，適合用于燃燒室內(nèi)部溫度固定位置的連續(xù)實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量。

② 紅外熱像儀可以測(cè)量二維的溫度分布圖像，溫度分布信息更全面。但是要求燃燒器的主體表面采用透光且耐高溫材料。需要考慮材料透過(guò)波長(zhǎng)的干擾問(wèn)題，而且僅能獲得燃燒室表面溫度。

③ 針對(duì)不同多孔介質(zhì)燃燒器的特點(diǎn)，運(yùn)用不同的測(cè)溫方法，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，能夠提高溫度場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，可以獲得較為完整的燃燒室溫度場(chǎng)，為多孔介質(zhì)燃燒器技術(shù)發(fā)展提供參考依據(jù)。