熱電偶在炭煙火焰溫度場測量方式

摘要:提出了一種熱電偶掃描快速測量炭煙火焰溫度場的方法，并對燃燒器形成的乙烯/空氣平面炭煙火焰溫度場進(jìn)行測量。結(jié)果表明:在1450~1700K火焰溫度時，由炭煙沉積導(dǎo)致熱電偶熱輻射損失的修正溫度偏差為200~240K,修正后的火焰溫度測量值與其他測溫方法結(jié)果吻合良好，證實了該方法可以快速測量炭煙火焰溫度場;實測平面炭煙火焰的徑向溫度分布隨半徑增大而略微升高,而炭煙火焰邊緣區(qū)的溫度分布呈現(xiàn)明顯的振蕩特性。
0引言
　　碳?xì)淙剂喜煌耆紵龝r容易形成炭煙火焰，如工業(yè)鍋爐爐膛內(nèi)燃燒、壓燃發(fā)動機內(nèi)燃燒、富燃工況預(yù)混火焰以及純擴散火焰等。一方面，燃料燃燒形成炭煙微粒直接排放是大氣環(huán)境污染物PM2.s的主要來源，另一方面，不完全燃燒降低了燃料的燃燒效率，不利于節(jié)能減排。為抑制火焰中炭煙的產(chǎn)生，國內(nèi)外研究者對火焰中炭煙生成特性與機理開展了持續(xù)的研究,而火焰溫度是影響炭煙形成的關(guān)鍵參數(shù)，因此，炭煙火焰溫度場的測量--直備受關(guān)注。
　　熱電偶被廣泛應(yīng)用于火焰溫度的測量,具有測量方法簡便的優(yōu)點。但熱電偶是一種點溫度測量方法，存在空間分辨率和數(shù)據(jù)采集效率低的缺點。為提高熱電偶對火焰溫度場測量的數(shù)據(jù)采集效率。
通常情況下，為減少測量誤差，在使用熱電偶進(jìn)行火焰溫度場測量時需要進(jìn)行熱平衡修正。特別是在炭煙火焰溫度測量中，當(dāng)熱電偶介入火焰時,炭煙顆粒將沉積在偶頭，改變了熱電偶發(fā)射率。同時，隨著熱電偶在火焰中停留時間的增加，不斷沉積的炭煙使得偶頭直徑增大，從而導(dǎo)致熱電偶輻射損失增加，會增大測量溫度值與實際值之間的偏差。為此，在熱電偶粒子密度測定法(thermocoupleparticledensitometry,TPD)中，MCENALLY等[10]給出了炭煙火焰熱電偶溫度測量詳細(xì)修正方法,可以實現(xiàn)炭煙火焰溫度的準(zhǔn)確測量。然而，現(xiàn)有基于TPD法的炭煙火焰溫度測量仍然是單點測量,對火焰溫度場分布數(shù)據(jù)采集效率低的問題不能有效解決。
　　本文提出將熱電偶掃描測溫系統(tǒng)應(yīng)用于炭煙火焰溫度場測量，并結(jié)合TPD方法中熱電偶輻射損失修正方法，以平面炭煙火焰為對象，進(jìn)行測量方法可行性與準(zhǔn)確性的驗證，期望實現(xiàn)炭煙火焰溫度場的快速測量目的。同時，基于所開發(fā)的測量方法，考察了燃料當(dāng)量比和預(yù)混氣流速兩個主要因素對乙烯/空氣平面炭煙火焰溫度場分布的影響。
1實驗系統(tǒng)
1.1實驗裝置及火焰工況
　　實驗裝置包括McKenna平面火焰燃燒器、供氣和熱電偶掃描測溫三個子系統(tǒng)，如圖1。McKenna燃燒器中心出口為燒結(jié)多孔板,直徑60mm,中心.多孔板被金屬環(huán)隔開，外側(cè)是一個寬度為5mm的圓環(huán)燒結(jié)多孔板，用于提供保護(hù)氣流。在離燃燒器出口高HAB=24.5mm位置布置有一塊直徑60mm、厚度5mm的不銹鋼圓板，用來穩(wěn)定炭煙火焰。如圖所示，HAB為高度方向距離燃燒器出口平面的距離。供氣子系統(tǒng)中分別采用氣體質(zhì)量流量計控制乙烯、空氣以及伴流氮氣的流量，所有流量計均經(jīng)過濕式流量計標(biāo)定，流量計誤差在0.1%以內(nèi)。乙烯和空氣經(jīng)過管路混合后在McKenna燃燒器上形成平面炭煙火焰，實驗測量了富燃料炭煙火焰在不同當(dāng)量比和預(yù)混氣流速下的溫度分布特征，具體火焰工況如表1所示。
 
1.2熱電偶掃描子系統(tǒng)
　　熱電偶掃描子系統(tǒng)包括R型熱電偶、熱電偶支架、自動往復(fù)移動機構(gòu)和高速數(shù)據(jù)采集儀。正極為13%銠/87%鉑合金材料，負(fù)極為100%的純鉑金屬，短期使用最高測量溫度可達(dá)1600℃。熱電偶的偶頭直徑為0.373mm,偶絲直徑為0.125mm,如圖2電鏡照片所示。熱電偶布置在一個“U"形支架上，該支架直接固定在--個可調(diào)整高度的電機驅(qū)動往復(fù)移動自動裝置上，使得熱電偶掃描移動時實現(xiàn)空間位置在高度和水平方向可控調(diào)節(jié)。高度位置由千分尺手動調(diào)整，精度為0.01mm。水平方向分辨率精度由電機驅(qū)動速度與數(shù)據(jù)采集頻率共同確定，設(shè)定一定移動速度后,熱電偶便可在火焰中均勻移動，實現(xiàn)火焰溫度場的二維測量。實驗中熱電偶勻速移動速度為3mm/s，在該速度下熱電偶測量數(shù)據(jù)響應(yīng)誤差可忽略[8]。熱電偶測量數(shù)據(jù)由高速數(shù)據(jù)采集器收集，實驗中設(shè)置的數(shù)據(jù)采集間隔時間為10ms，因此，水平方向上空間分辨率為0.03mm。
 
　　需要注意的是，由于測量對象是炭煙火焰，在熱電偶掃過火焰時，炭煙顆粒會不斷附著在熱電偶上，因此，在每完成一次水平高度掃描測量后，通過調(diào)節(jié)平面火焰燃料/空氣配比得到的無炭煙高溫火焰進(jìn)行熱電偶上沉積炭煙的氧化清除，待熱電偶上的炭煙完全消除并冷卻后，再進(jìn)行下一高度位置的炭煙火焰溫度數(shù)據(jù)采集。為減小測量誤差，實驗中每個高度位置溫度數(shù)據(jù)均掃描3遍，然后取平均值作為最終測量結(jié)果。
2熱電偶測溫修正
2.1炭煙火焰的熱電偶測溫特性
　　為進(jìn)行熱電偶測量炭煙火焰溫度數(shù)據(jù)的熱平衡修正，先考察了掃描狀態(tài)下熱電偶測量溫度值隨時間變化特性。圖3為φ=2.3、Umix=0.07m/s乙烯/空氣平面炭煙火焰在離燃燒器出口高度HAB=14.5mm位置的熱電偶測量溫度隨時間變化特性。盡管本文中熱電偶是移動的，但偶頭節(jié)點溫度隨時間變化特征與MCENALLY等I固定位置熱電偶的測溫結(jié)果類似。由圖3可以看出，熱電偶在炭煙火焰中經(jīng)歷了三個特征階段。
　　第一階段為瞬態(tài)響應(yīng)階段(t=0~0.15s),其中1=0s時刻為熱電偶偶頭達(dá)到預(yù)定測量位置的時間點，偶頭從常溫環(huán)境移動到高溫炭煙火焰邊緣，受非熱平衡效應(yīng)影響，其表面溫度T隨時間不斷升高，內(nèi)置的局部放大圖更清晰地顯示了這--瞬態(tài)升溫過程。
　　第二階段為發(fā)射率變化階段(t=0.15~4s),這一階段炭煙顆粒由開始附著到完全包裹住偶頭，其發(fā)射率由潔凈鉑銠合金材料的0.2逐漸增大至炭煙的0.95,但這一時間內(nèi)的炭煙沉積對偶頭直徑無影響。由于發(fā)射率增大導(dǎo)致輻射熱損失迅速增加,該段時間內(nèi)偶頭溫度快速下降，表明偶頭發(fā)射率是影響節(jié)點溫度值的主要因素。
 
　　第三階段是偶頭直徑變化階段(t>4s),這一階段內(nèi)偶頭發(fā)射率保持0.95不變,炭煙的持續(xù)沉積導(dǎo)致偶頭直徑d)增大。在圖3中顯示為這一階段溫度下降速度的變緩，表明偶頭表面積增大所導(dǎo)致的輻射損失增加相對緩慢。
2.2溫度測量修正方法
　　為準(zhǔn)確測量炭煙火焰溫度，需要根據(jù)上述熱電偶在炭煙，火焰中經(jīng)歷的不同階段進(jìn)行熱平衡修正處理。首先，需要考慮貴金屬熱電偶的催化放熱效應(yīng)，由于實驗火焰內(nèi)部的炭煙區(qū)域中活性自由基濃度較低，同時，炭煙的沉積逐漸覆蓋裸露的熱電偶，因此，熱電偶的催化效應(yīng)可忽略不計。其次，需要考慮偶絲與偶頭之間導(dǎo)熱的影響，在熱電偶掃描測量實驗中,熱電偶偶絲被拉直固定在U型水平支架上，偶絲導(dǎo)線長度與偶頭結(jié)點直徑之比大于300,偶頭在軸截面上沿徑向移動，兩側(cè)導(dǎo)線呈水平對稱布置使得導(dǎo)線溫度與偶頭溫差較小，從而在測量中產(chǎn)生
的導(dǎo)熱傳熱誤差也很小，小于5K。因此，測量中因偶頭熱輻射損失修正是本文主要考慮的問題。
　　根據(jù)TPD熱電偶的輻射損失修正方法，當(dāng)瞬態(tài)響應(yīng)階段完成后，便可以通過結(jié)點處的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)能量平衡公式建立偶頭測量溫度T與火焰中氣體溫度Tg對應(yīng)關(guān)系:
 
　　其中:?j為偶頭表面發(fā)射率;σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù);Nuj為偶頭結(jié)點處努賽爾特征數(shù);dj為偶頭直徑;Tg為真實火焰溫度;Tj為熱電偶測量的溫度;.kgo=kg/Tg,kg是氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，此處假設(shè)后Kg與Tg呈線性關(guān)系，因此kgo為常數(shù)。
　　在本文中，上式用于修正第二階段的火焰溫度輻射誤差。根據(jù)電鏡拍攝圖片(圖2)，實驗中所使用的R型熱電偶偶頭直徑dj=373μm，潔凈偶頭發(fā)射率?j=0.2，實驗中所用熱電偶相同。隨著火焰中炭煙顆粒不斷附著在偶頭，其發(fā)射率隨時間線性增大到炭煙顆粒的發(fā)射率0.95。而通過給出的空氣相關(guān)數(shù)據(jù)，可以由測量溫度曲線擬合得到零截距點kgo值，即kgo=6.54x10^-5W(m:K²)。現(xiàn)已知熱電偶偶頭直徑以及各工況條件下的氣體流速，那么根據(jù)所給出的球體的低普朗克數(shù)展開式即可得到熱電偶偶頭結(jié)點處努賽爾數(shù):.
 
　　其中:Pe為熱電偶偶頭的普朗克特征數(shù)。隨后根據(jù)公式(1)便可完成發(fā)射率變化階段的溫度測量誤差修正。
　　在第三階段偶頭直徑變化中，偶頭發(fā)射率不變?j=0.95.。由于偶頭直徑的增大引起的輻射換熱變化導(dǎo)致了測量溫度值的下降,將公式(1)中左右兩部分同時對時間t求導(dǎo)，便可得到偶頭直徑的變化速率與測量溫度的變化速率的關(guān)系:
 
　　考慮到熱電偶掃描平面位置炭煙濃度變化不大，為簡化處理，可認(rèn)為偶頭處炭煙沉積速率隨時間是線性變化的05]。如圖4所示，將熱電偶固定于炭煙火焰中心位置處(HAB=14.5mm),燃燒20s.后取出，待其冷卻后使用電鏡拍攝得到其偶頭圖片，可知其偶頭結(jié)點處直徑由373um增大至434pum,即得到公式(3)中左側(cè)熱電偶直徑在測量過程中隨時間的變化速率。同時，在該階段偶頭直徑的變化對于努賽爾特征數(shù)值的影響很小，因此該誤差修正過程中偶頭結(jié)點的努塞爾數(shù)是一個常數(shù)。至此，便可通過公式(3)完成自動描熱點偶測量實驗數(shù)據(jù)中第三階段的測量誤差修正。
 
2.3溫度測量修正結(jié)果
　　如圖5所示，分別以火焰3、7、10和13工況的測量實驗數(shù)據(jù)為例，將經(jīng)過熱輻射修正的溫度曲線與原始溫度曲線分析對比，圖中均選擇距燃燒器出口高度HAB=14.5mm平面內(nèi)的測量數(shù)據(jù)。固定預(yù)混氣體出口流速Umix=0.07m/s,在當(dāng)量比φ=2.3時，修正后的火焰溫度分布在1485~1675K,測量誤差修正值大約為200~230K;φ=2.4時,修正后的火焰溫度分布在1520~1700K,修正偏差約為210~240K;φ=2.5時，修正后的火焰溫度分布在1490~1680K,由修正偏差大約為200~225K;φ=2.6,修正后的火焰溫度分布在1440~1670K,修正偏差大約為200~230K。由此可以推斷，在實驗條件下的乙烯/空氣平面炭煙火焰中,火焰溫度為1450~1700K時，其測量過程中由于炭煙顆粒沉積帶來的測量偏差大約為200~240K。
 
2.4與文獻(xiàn)測量結(jié)果的對比
　　為驗證本文方法測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,將自動掃描熱電偶測量實驗中的修正溫度與文獻(xiàn)[15-17]結(jié)果進(jìn)行了比較。在JENKINS等I15]的測量實驗中，分別使用了雙色的調(diào)制吸收/發(fā)射高溫測量方法，以及熱電偶測量方法測量了富燃層流乙烯/空氣預(yù)混炭煙火焰的溫度分布。在相同McKenna燃燒器中，預(yù)混氣體出口流速也相同的情況下，對距離燃燒器出口14.5mm處火焰中心軸位置附近的測量溫度值進(jìn)行對比。因此，本文選取了由火焰中心位置至半徑3mm處的平均溫度值與其比較。
　　對比結(jié)果如圖6所示，表明本文所采用的修正熱電偶測溫結(jié)果與JENKINS等I5]使用雙色調(diào)制吸收/發(fā)射技術(shù)測量溫度的吻合度高。本文研究中使用熱電偶掃描獲得的火焰溫度與JENKINS實驗中的熱電偶測量值幾乎-致，以上結(jié)果證實了本文采用的自動掃描熱電偶進(jìn)行炭煙火焰溫度測量的可行性與準(zhǔn)確性。
　　此外，也與CHOI使用三波長光學(xué)探針測量技術(shù)測量的乙烯/空氣預(yù)混火焰溫度、HARRIS等[7]使用熱電偶測量的乙烯/空氣炭煙火焰進(jìn)行了比較。在φ=2.3和固定Umix=0.07m/s時,乙烯/空氣炭煙火焰使用不同測量方法所得到的溫度分別為:使用本文方法測量溫度為1587K,雙色調(diào)制吸收/發(fā)射技術(shù)測量溫度為1580K,三波長光學(xué)探針方法測量溫度為1610k,HARRIS等使用熱電偶測量溫度為1603K,表明不同的測量方法測得的炭煙火焰溫度十分接近。同等火焰對象中前人的研究表明，當(dāng)平面炭煙火焰溫度在1500K左右時，修正后的熱電偶測量誤差大約為60K。
 
3平面炭煙火焰溫度場測量
3.1火焰中心區(qū)域溫度特性
　　如圖7a,當(dāng)預(yù)混氣出口流速固定Umix=0.07m/s.時，當(dāng)量比φ由2.2變化至2.6時，乙烯/空氣平面炭煙火焰中心軸線上溫度隨高度變化特征為先上升后下降。在距離燃燒器出口HAB=0~7mm高度內(nèi)，火焰溫度隨著軸向高度增加迅速上升，由500K升高至1800K。該高度范圍靠近燃燒器出口，火焰中炭煙濃度低。在HAB>7mm后,火焰中炭煙濃度顯著增加，火焰溫度隨著HAB增加而下降，溫度分布由1800K降至1100K左右。在HAB=7~24mm范圍內(nèi)，當(dāng)預(yù)混氣體出口流速保持不變時，炭煙火焰溫度隨當(dāng)量比的增大而下降。
　　不同當(dāng)量比條件下火焰溫度沿半徑方向的變化如圖7b。從總體分布趨勢來看，溫度沿半徑方向的徑向分布并不是完全“平坦”，火焰中心位置處溫度最低，隨著半徑的增大，溫度也緩慢升高，該溫度變化趨勢與MIGLIORINI等的實驗結(jié)果一致。
　　此外，當(dāng)預(yù)混氣體出口流速不變時，隨當(dāng)量比增加，整體溫度下降，與圖6結(jié)果一致。圖7c為流速對徑向的溫度分布的影響，整體上也是火焰溫度沿半徑方向逐漸增大。由于火焰整體是富燃料工況，在平面炭煙火焰徑向邊緣會與周圍空氣形成二次火焰，該邊緣區(qū)域溫度值高于火焰中心溫度,從而形成溫度梯度。而在0.05m/s流速下，火焰邊緣半徑小，因此邊緣高溫區(qū)位置相應(yīng)靠近中心，且在HAB=14.5mm位置火焰中心溫度也低，導(dǎo)致徑向溫度梯度增加。
 
3.2火焰邊緣溫度波動特性
　　在熱電偶掃描測量各工況炭煙火焰溫度的過程中，當(dāng)熱電偶偶頭緩慢介人火焰內(nèi)部時，火焰溫度會經(jīng)過一個明顯的振蕩波動過程，如圖8a。溫度第一次達(dá)到峰值后下降，再上升完成響應(yīng)后，各流速.下溫度的分布規(guī)律保持一致。因此，邊緣位置處的溫度波動并不影響炭煙火焰中心區(qū)域的測量結(jié)果。圖8b為炭煙火焰邊緣溫度變化放大圖,當(dāng)燃燒器出口預(yù)混氣流速保持一定時,當(dāng)量比由2.2增大至2.6,測得火焰邊緣溫度波動隨著當(dāng)量比的增加而減小。當(dāng)量比2.2時振蕩非常明顯，覆蓋溫度范圍從室溫到火焰溫度，高當(dāng)量比時，振蕩行為明顯減弱，且振蕩區(qū)域在1000K到火焰溫度。其主要原因可能是火焰邊緣處空氣與炭煙火焰不完全燃燒產(chǎn)物反應(yīng)形成二次火焰受空氣的浮力影響導(dǎo)致的。由于沒有采用環(huán)繞同軸射流空氣，環(huán)境空氣條件下的自然對流不穩(wěn)定性導(dǎo)致局部火焰振蕩，具體特性還需要后續(xù)進(jìn)一步的火焰結(jié)構(gòu)成像診斷來闡述。
 
 
類似地，圖9展示不同流速下的火焰邊緣溫度也存在溫度振蕩特征。當(dāng)量比保持為2.4時，流速由0.05m/s增大至0.07m/s,火焰邊緣的溫度波動則隨著流速的增大而減小。
4結(jié)論
　　提出一種利用熱電偶掃描進(jìn)行炭煙火焰溫度測量的方法，在對測量獲得溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行熱輻射損失修正基礎(chǔ)上，開展了常壓下當(dāng)量比φ=2.2~2.6和燃燒器出口流速Umix=0.05~0.07m/s時McKenna燃燒器形成的乙烯/空氣平面炭煙火焰溫度場的測量。獲得如下結(jié)論:
(1)熱電偶掃描測溫修正后的火焰溫度與原始測量溫度存在的偏差約為200K,且與文獻(xiàn)15-17]的測溫結(jié)果吻合度良好。
(2)實驗條件下，平面炭煙火焰溫度在軸線方向上先升高后降低,炭煙在溫度峰值區(qū)域開始形成。徑向方向溫度隨半徑增大而略微升高。隨當(dāng)量比增大,火焰溫度降低,隨出口流速增加,火焰溫度升高。
(3)平面炭煙火焰外圍火焰區(qū)溫度存在明顯的振蕩特性，但對火焰中心區(qū)域溫度影響很小。在實驗工況范圍內(nèi)，隨當(dāng)量比增加和預(yù)混氣流速增大，振蕩減弱。
(4)實驗驗證了采用熱電偶掃描進(jìn)行炭煙火焰溫度快速測量的可行性與準(zhǔn)確性，該方法具有較好的應(yīng)用前景。