多孔介質預混燃燒溫度場特性研究

葉 靖

(福建省建筑科學研究院有限責任公司福建省綠色建筑技術重點實驗室，福建福州361000)

1 概述

多孔介質燃燒在多孔介質結構空間內部完成，燃燒熱量傳遞涉及固體骨架間的導熱、固體骨架與氣流強制對流、固體骨架輻射等多種傳熱方式的耦合，最終燃燒熱量通過高溫固體骨架輻射和煙氣對流對外釋放。充分傳熱使得多孔介質燃燒可以提高燃燒室溫度實現超絕熱燃燒，超絕熱燃燒被公認為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝鍧嵢紵夹g[1-2]。

由于多孔介質的孔隙結構復雜，燃燒過程受到振動和氣流變化的干擾，使得軟件對燃燒溫度的模擬難度大且模擬結果準確性有待驗證。目前，試驗測量仍是表征多孔介質燃燒器溫度分布的主要手段。Zheng等人[3]使用成對的熱電偶，在其中一支熱電偶包裹氧化鋁漿質后，同時測量得到燃燒室的氣固溫度。然而，熱電偶測溫是侵入式的點測量，有限的測量數據不利于燃燒溫度場的系統(tǒng)表征。呂兆華等人[4]采用紅外輻射測溫法測得多孔陶瓷燃燒器中溫度分布曲線，驗證了采用輻射法測量多孔介質燃燒室溫度的可行性，但紅外輻射測溫容易受到燃燒器表面的輻射干擾。目前，單一的測量手段使得多孔介質的燃燒室溫度場特性還未得到準確且完整的表征。

2 多孔介質材料特性

常用的多孔介質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。多孔介質材料不僅是熱量傳遞的媒介，同時也是燃料燃燒的承載體。燃燒過程中多孔介質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。

多孔介質結構主要有泡沫結構、蜂窩結構、球體或其他外形的堆積結構。泡沫結構孔隙率較高，結構復雜，但結構穩(wěn)定性較差，不利于數值模型分析。因此，多孔介質材料需要滿足傳熱性能和熱力學性能兩方面的要求。目前常用的多孔介質材料一般為耐高溫性、無催化效應、耐腐蝕性及抗熱震性的惰性材料。

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

3 多孔介質燃燒器高溫測量方法

① 熱電偶測溫方法

熱電偶結構簡單，測溫響應快，精度高。熱電偶測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，存在較強的換熱效應。因為氣流和火焰并非靜態(tài)，當氣流速度較低時，由于沿熱電偶的導熱及氣流與包圍介質的熱交換，使熱平衡難以建立，所測溫度是氣流、火焰與熱電偶的綜合溫度。

選擇采用熱電偶測溫時，燃燒室要便于熱電偶安裝，避免熱電偶安裝改變燃燒室內部多孔介質結構特性。當多孔介質燃燒穩(wěn)定時，燃燒室內的高溫煙氣和多孔介質進入充分熱交換階段。此時燃燒器內氣固之間的溫度差小，可以降低熱電偶的測量誤差。

② 輻射測溫方法

輻射測溫法是通過遠紅外輻射入射到探測器上，確定被測試對象的溫度。輻射測溫具有快速、非接觸、面成像的特點。紅外熱像儀測溫是輻射測溫的一種。

輻射測溫法通過測出的色溫來代表真實溫度。測溫系統(tǒng)對火焰輻射的響應波長受到石英窗的影響，而石英玻璃對輻射的透射波段主要在0.25～5.00 μm，故測得的結果包含多種輻射能量，并不是真實的火焰溫度，結果需要經過一定的修正處理。

4 多孔介質燃燒試驗系統(tǒng)

多孔介質預混燃燒試驗系統(tǒng)見圖1，由3部分組成：供氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)。

① 供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)包括空氣供給和燃氣供給。空氣由空氣壓縮機通入儲氣罐并穩(wěn)定供給。燃氣為純度為99.9%的甲烷氣體，由壓力為12 MPa高壓鋼瓶供給，經過減壓閥調壓后通入預混室。采用適合量程精度的質量流量計分別控制燃氣和空氣的流量。燃氣從預混室底部通入，空氣從預混室側面分3股互成120°角，與燃氣形成相交氣流，并且預混室內填充了多孔介質，實現燃氣與空氣的充分預混。

② 燃燒系統(tǒng)

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

燃燒室主體為耐高溫石英玻璃管，長140 mm，內徑50 mm，外徑55 mm。上端為敞口布置，下端通過耐火泥與鋁環(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)境下長時間使用，短時間使用溫度可保持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。整個石英玻璃管一共開6個直徑為6.5 mm的熱電偶安裝預留孔。熱電偶與安裝預留孔采用耐火泥密封。

③ 數據采集系統(tǒng)

數據采集系統(tǒng)分為流量測量控制系統(tǒng)和溫度測量系統(tǒng)。燃燒室的溫度測量系統(tǒng)采用S型熱電偶陣列和紅外熱像儀同時測溫。2種測溫結果進行驗證和對比，從而獲得較為完整的多孔介質燃燒室溫度場。

a.熱電偶測溫

考慮熱電偶結點安裝位置會影響溫度測量的準確性，采用螺旋方式布置，熱電偶安裝位置編號由上端螺旋向下分別為T1～T6，互成60°角，降低熱電偶對多孔介質自由堆積結構的干擾和氣流的阻礙影響。S型熱電偶陣列安裝布置見圖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型熱電偶測溫節(jié)點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套管，最高溫度可達1 650 ℃，可以同時適應氧化或還原過程。S型熱電偶的熱電勢大，靈敏度高，有利于提高測溫準確性。

設置熱電偶數據釆集儀每隔1 s自動記錄一組溫度數據。但是熱電偶的點測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材料和燃燒器結構參數對燃燒特性的影響。

b.紅外熱像儀測溫

本文采用紅外熱像儀型號為FLIR T630sc，測溫范圍為300～2 000 ℃，波長范圍為7.5 ～13.0 μm，精確度為±1 ℃。對整個紅外測量窗口進行完整的溫度測量，采集燃燒室側面紅外測量窗口區(qū)域的堆積小球的溫度分布特性。

5 試驗步驟及結果分析

5.1 試驗步驟

① 點火前的準備工作

試驗點火前的準備工作包括以下5步。

a.檢查管道的氣密性和保溫層的完整性，并且保證試驗室通風條件良好；

b.檢查甲烷高壓鋼瓶內氣體的壓力，能滿足試驗要求；

c.檢查空氣壓縮機和儲氣罐是否積水，及時進行排水，保證供應燃燒的空氣干燥；

d.依據設計試驗工況，將參數設定完畢；

e.開啟空氣壓縮機，保證儲氣罐中有足夠的壓力，保證空氣通路為設定工況。

② 試驗過程

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

a.試驗開始時，根據燃燒強度計算得到燃氣流量，調節(jié)空氣流量為理想當量比，在燃燒器頂端出口處點火。待火焰面進入燃燒器內部時，調節(jié)燃氣和空氣流量到試驗值。當燃燒工況穩(wěn)定后，記錄燃燒室氣固溫度數據。

b.記錄試驗數據。對不同燃燒工況條件下，多孔介質燃燒室中的溫度場進行測量，采用紅外熱像儀對多孔介質燃燒室外部軸向綜合溫度分布進行測量。同時，燃燒室內還布置有S型熱電偶陣列，用于采集燃燒室軸心溫度，與紅外測溫數據進行校正和對比，從而，獲得較為完整的多孔介質燃燒室的溫度分布場。

c.開始試驗后，當各個測點溫度變化在連續(xù)5 min內不超過5 K，且經過10 min內溫度變化沒有明顯變化趨勢時，就認為此時達到了穩(wěn)定[6]，記錄氣固溫度。

5.2 試驗結果

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

① 熱電偶測溫結果

S型熱電偶由點燃到穩(wěn)定完整過程的溫度測量結果見圖3。

圖3 S型熱電偶的溫度測量結果

由圖3可知，從點火燃燒，火焰由燃燒器頂部向燃燒室底部傳遞過程，對應燃燒室內熱電偶溫度變化分為兩階段。第1階段為導熱階段，升溫速率較慢，燃燒器頂端的高溫堆積小球通過輻射和導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 紅外熱像儀測溫結果

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

紅外熱像儀設置輻射率為1，待燃燒穩(wěn)定時，燃燒室紅外測量窗口對應熱電偶布置等高處取點分析測量結果。預留的紅外測量窗口和紅外熱像儀測溫結果(軟件截圖)見圖4。

圖4 預留的紅外測量窗口和紅外熱像儀測溫結果(軟件截圖)

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

③ 兩種測溫方式比較

2種測溫方式測得的燃燒室軸向相同水平高度位置的結果，如圖5。

圖5 S型熱電偶和紅外熱像儀測溫結果

從圖5可知，2種測溫結果趨勢基本一致，溫度沿軸線方向逐漸降低。隨著溫度降低熱電偶測量結果與紅外熱像儀測量結果差值減小。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 結論

多孔介質燃燒溫度場特性在揭示多孔介質的傳熱機理、表征火焰面特性和預測燃燒產物等相關研究中有重要意義。基于多孔介質材料特性及多孔介質燃燒器高溫測量方法，搭建自由堆積小球多孔介質預混燃燒試驗系統(tǒng)，分析熱電偶測溫和紅外熱像儀測溫兩種測溫方法和測量結果。

① 熱電偶可以直接快速測量燃燒室內部溫度分布。但是布置測量點有限，并且對多孔介質燃燒器內部結構產生一定影響，適合用于燃燒室內部溫度固定位置的連續(xù)實時跟蹤測量。

② 紅外熱像儀可以測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。需要考慮材料透過波長的干擾問題，而且僅能獲得燃燒室表面溫度。

③ 針對不同多孔介質燃燒器的特點，運用不同的測溫方法，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，能夠提高溫度場測量的準確性，可以獲得較為完整的燃燒室溫度場，為多孔介質燃燒器技術發(fā)展提供參考依據。