高乃平， 安 巍， 魏敦崧 ， 彭世尼

(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 200092；2.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院， 重慶 400030)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人民生活水平的不斷提高，家用燃?xì)庠罹咭言谖覈靡云占啊Ｍ瑫r(shí)，日趨嚴(yán)峻的能源與環(huán)境問題對(duì)燃?xì)庠罹叩脑O(shè)計(jì)和開發(fā)提出了進(jìn)一步的節(jié)能減排要求。

燃?xì)庠罹吲c烹飪器具間的熱量交換主要通過燃燒過程中的煙氣對(duì)流與火焰輻射兩種傳熱方式進(jìn)行[1]。其中，由于燃?xì)馊紵^程產(chǎn)生的煙氣溫度可逾1 000 ℃，輻射傳熱成為不可忽視的主要換熱方式。為了獲得優(yōu)化的燃燒器結(jié)構(gòu)，開發(fā)高效節(jié)能低排放的新型灶具，近期諸多學(xué)者對(duì)燃?xì)庠罹叩娜紵c傳熱工況進(jìn)行了廣泛的研究。

雖然對(duì)燃?xì)馊紵^程中的火焰溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、污染物的生成等相關(guān)參數(shù)的研究較為廣泛，但燃?xì)饣鹧孀鳛槿紵默F(xiàn)象表征與能量的釋放途徑，其輻射光譜蘊(yùn)含著大量與燃燒特征參數(shù)相關(guān)的信息[2-4]。因此，從輻射光譜角度分析火焰輻射特征的研究不僅有助于加深對(duì)灶具火焰能量分布規(guī)律的理解，而且將為灶具結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)與開發(fā)改良提供重要的理論支撐和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

常規(guī)的燃燒診斷對(duì)燃燒流場(chǎng)的速度、密度、溫度以及燃燒產(chǎn)物的組成和濃度進(jìn)行檢測(cè)與研究，包括利用常規(guī)的接觸式的檢測(cè)儀器如熱電偶、熱線風(fēng)速儀等以及非接觸式的光學(xué)檢測(cè)方法等。近期，李飛等人利用可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜技術(shù)對(duì)甲烷空氣預(yù)混平面火焰溫度與水蒸氣濃度進(jìn)行了檢測(cè)研究[5]；劉建勝等人基于斯托克斯拉曼散射對(duì)甲烷空氣燃燒火焰內(nèi)不同空間主要組分分子的濃度及溫度進(jìn)行了測(cè)量[6]；張虎利用相干反斯托克斯拉曼散射技術(shù)檢測(cè)了丁烷空氣擴(kuò)散火焰的溫度[7]等。然而，針對(duì)家用燃?xì)庠罹呋鹧孑椛涔庾V特性的研究仍相對(duì)缺乏。

目前，在我國的家用燃?xì)庠罹呤袌?chǎng)上，主要存在著兩種不同形式的灶具：大氣式燃?xì)庠?以下簡(jiǎn)稱大氣式灶)和紅外式燃?xì)庠?以下簡(jiǎn)稱紅外式灶)。兩種灶具在燃燒組織方式上有較大的不同。大氣式灶的燃燒方式屬于部分預(yù)混燃燒，而紅外式灶則屬于完全預(yù)混式燃燒。同時(shí)，兩種灶具的火焰外觀存在較大的差異：大氣式灶的火焰呈現(xiàn)燃?xì)馊紵赜械牡{(lán)色火苗結(jié)構(gòu)，紅外式灶則沒有明顯的火焰外形，灶頭呈暗紅色，分布較為均勻。

然而，上述灶具火焰外觀并不能全面描述兩種灶具在輻射光譜特別是紅外波段上的能量分布規(guī)律。因此，筆者搭建了灶具火焰光譜分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用紅外傅里葉光譜儀對(duì)上述兩種類型的家用燃?xì)庠罹哌M(jìn)行火焰輻射光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量，分析兩種灶具在2.5～15.0 μm波段范圍內(nèi)的火焰發(fā)射光譜,為從灶具輻射光譜角度全面分析灶具的輻射傳熱規(guī)律進(jìn)行了有益的嘗試。

2 實(shí)驗(yàn)儀器與裝置

測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見圖1。

圖1 豎直和水平測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

由圖1所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)布置可以分為豎直與水平兩種測(cè)試模式。在豎直測(cè)試模式下，測(cè)試灶具水平布置，其上方布置水冷擋板，水冷擋板內(nèi)部通有冷卻水，用于保持水冷擋板的溫度與環(huán)境溫度相同。水冷擋板的中部有一個(gè)直徑為40 mm的圓孔，圓孔的上方布置一個(gè)用于傳輸輻射信號(hào)的反射銀鏡。在水平測(cè)試模式中，灶臺(tái)與光譜儀均為水平放置，光譜儀的外部光源接收窗口通過擋板觀察孔可以檢測(cè)到火焰的輻射信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)中，選取了來自兩個(gè)廠商的3個(gè)不同型號(hào)的灶具，灶具型號(hào)與額定熱負(fù)荷見表1。3個(gè)型號(hào)灶具的額定供氣壓力均為2 000 Pa。通過拆解灶具獲得的結(jié)構(gòu)信息可知，JZT-HA6B型和JZT-JA型灶具的燃燒組織方式均為部分預(yù)混式燃燒，而JZT-i10002B型灶具為完全預(yù)混式燃燒器。

表1 灶具型號(hào)與額定熱負(fù)荷

測(cè)試開始前，首先通過光譜儀的控制軟件將掃描次數(shù)設(shè)置為10，光譜分辨率設(shè)置為1個(gè)波數(shù)，光源選擇設(shè)為外部平行準(zhǔn)直模式。完成上述設(shè)置后，先進(jìn)行背景輻射信號(hào)的檢測(cè)，以便測(cè)試軟件自動(dòng)扣除背景輻射的干擾。待光譜儀完成背景信號(hào)采集后，可點(diǎn)燃火焰或打開黑體爐(黑體爐屬于輻射測(cè)量領(lǐng)域的常規(guī)儀器)，進(jìn)行火焰光譜或黑體輻射光譜測(cè)試。供氣壓力為3 500 Pa時(shí)，豎直測(cè)試模式實(shí)驗(yàn)臺(tái)布見圖2，實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器及型號(hào)參數(shù)見表2。

圖2 豎直測(cè)試模式實(shí)驗(yàn)臺(tái)布置

儀器型號(hào)參數(shù)光譜儀賽默飛Nicolet iS 50黑體爐福源光電,HFY-206B反射銀鏡光譜平均反射率0.95熱電偶K型熱電偶水冷臺(tái)長(zhǎng)×寬×厚:1.2 m×0.6 m×0.06 m光學(xué)支架三自由度可調(diào)

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

① 光譜響應(yīng)標(biāo)定

由于光譜儀的電荷耦合元件的響應(yīng)信號(hào)會(huì)隨著波長(zhǎng)發(fā)生改變，因此需要利用黑體爐對(duì)光譜儀的光譜響應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定。依據(jù)普朗克定律，黑體的光譜輻射符合如下的規(guī)律[8]：

(1)

式中Eλ，b——黑體光譜輻射力，W/(m2·μm)

c1——第一輻射常數(shù)，W·μm4/m2，取3.741 5×108W·μm4/m2

λ——黑體輻射波長(zhǎng)，μm

c2——第二輻射常數(shù)，μm·K，取1.438 8×104μm·K

T——黑體溫度， K

光譜儀的響應(yīng)系數(shù)k可按式(2)進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中k——光譜儀的響應(yīng)系數(shù)

不同溫度下光譜儀的響應(yīng)系數(shù)曲線見圖3?？梢钥闯?，在500～1 000 ℃范圍內(nèi)，黑體溫度對(duì)光譜儀的響應(yīng)系數(shù)的影響不大。實(shí)驗(yàn)時(shí)，光譜儀的響應(yīng)系數(shù)取溫度為500～1 000 ℃下的平均值。當(dāng)獲得了光譜儀的響應(yīng)系數(shù)曲線并且對(duì)火焰的輻射光譜輻射力進(jìn)行測(cè)試后，可以按照式(3)計(jì)算出灶具火焰光譜輻射力的分布規(guī)律。

(3)

式中Eλ，flam——經(jīng)過標(biāo)定的火焰光譜輻射力，W/(m2·μm)

圖3 不同溫度下光譜儀的響應(yīng)系數(shù)曲線

② 不同測(cè)試模式下的灶具紅外輻射

分別采用豎直與水平兩種測(cè)試模式對(duì)3種型號(hào)的灶具進(jìn)行光譜檢測(cè)，3種型號(hào)灶具在水平和豎直測(cè)試模式下的輻射光譜見圖4～6。

可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于這3種灶具，絕大部分的輻射能量均集中在2.5～10 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，在10 μm之后的輻射能量較少，并且在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm兩個(gè)波段范圍內(nèi)有較強(qiáng)的高溫水蒸氣與二氧化碳的輻射峰。JZT-HA6B型和JZT-JA型兩種燃?xì)庠畹妮椛涔庾V非常相似，在水平測(cè)試模式下它們的光譜在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm兩個(gè)波段范圍內(nèi)的輻射峰明顯大于JZT-i10002B型紅外式灶的對(duì)應(yīng)值，但是在其他波段范圍內(nèi)的輻射峰較弱。

圖4 JZT-HA6B在水平與豎直測(cè)試模式下的輻射光譜

圖5 JZT-JA在水平與豎直測(cè)試模式下的輻射光譜

圖6 JZT-i10002B在水平與豎直測(cè)試模式下的輻射光譜

JZT-HA6B型和JZT-JA型兩種燃?xì)庠钶椛涔庾V的相似性表明，盡管這兩種灶的灶頭結(jié)構(gòu)外形存在差異，但它們應(yīng)同屬于大氣式灶(從火焰光譜判斷大氣式灶和紅外式灶的依據(jù)為：在波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外段具有一定的輻射力可認(rèn)為是紅外式灶，而在波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外段輻射力較低的認(rèn)為是大氣式灶)。它們與紅外式灶在燃燒組織方式和灶具輻射光譜特性兩個(gè)方面都存在著較大的差異。同時(shí)，從圖4、5可以發(fā)現(xiàn)：JZT-HA6B型和JZT-JA型兩種燃?xì)庠钤谪Q直與水平測(cè)試模式條件下的輻射光譜的形狀并無太大的變化，只是在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm兩個(gè)波段上輻射峰的強(qiáng)度有所差異，其原因主要是兩種測(cè)試模式下發(fā)射源與光譜儀的距離不同。

從圖6還可以發(fā)現(xiàn)，紅外式灶在豎直與水平兩種測(cè)試模式下的輻射光譜有較大的差異。在水平測(cè)試模式下，紅外式灶火焰的輻射光譜與大氣式灶的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似；而在豎直測(cè)試模式下，火焰的輻射光譜除在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm兩個(gè)波段范圍內(nèi)有較強(qiáng)的輻射峰之外，在3～10 μm的其他波段同時(shí)存在連續(xù)型的紅外輻射。

為了對(duì)比兩種大氣式灶與紅外式灶在光譜分布上的差異，可以按照式(4)～(6)計(jì)算出兩類灶具在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm兩個(gè)波段內(nèi)輻射能量相對(duì)于整個(gè)測(cè)試波段能量的比值，計(jì)算式如下：

(4)

(5)

β3=β1+β2

(6)

式中β1——波長(zhǎng)2.6～3.1 μm的輻射能量相對(duì)整個(gè)測(cè)試波段能量的比值

β2——波長(zhǎng)4.1～4.7 μm的輻射能量相對(duì)整個(gè)測(cè)試波段能量的比值

β3——波長(zhǎng)2.6～3.1 μm和波長(zhǎng)4.1～4.7μm兩個(gè)波段的輻射能量相對(duì)整個(gè)測(cè)試波段能量的比值

兩種灶具的β值見表3。

表3 兩種灶具的β值

由表3可知，JZT-HA6B型和JZT-JA型大氣式灶在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm兩個(gè)波段的輻射能占整個(gè)測(cè)試波段的比例超過了80%，而紅外式灶在這兩個(gè)波段的輻射能僅占總輻射能的35%。這表明，大氣式灶的火焰輻射光譜的能量分布更加集中，而紅外式灶火焰輻射的能量分布相對(duì)來說更加均勻。

從上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，大氣式灶主要是燃燒產(chǎn)物在高溫條件下的氣體輻射，光譜呈現(xiàn)逐線型或孤立的帶狀分布特征；而紅外式灶的輻射除了高溫氣體的輻射外，還疊加了被氣體加熱后的陶瓷或金屬孔板等固體介質(zhì)的二次輻射，其輻射光譜不同于氣體輻射，為連續(xù)型光譜。同時(shí)，由于紅外式灶多孔板本身的吸熱，使高溫氣體的輻射強(qiáng)度有一定程度的降低。

③ 供氣壓力對(duì)灶具輻射光譜的影響

為了研究燃?xì)夤鈮毫?duì)大氣式灶與紅外式灶輻射光譜的影響，我們采用豎直測(cè)試模式對(duì)JZT-JA和JZT-i10002B兩種灶具的輻射光譜進(jìn)行了測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)中，將灶具本身的調(diào)節(jié)閥調(diào)至最大位置，通過調(diào)節(jié)供氣管道上的壓力閥來控制供氣壓力。

不同供氣壓力下JZT-JA、JZT-i10002B灶具的火焰外觀分別見圖7、8。

圖7 不同供氣壓力下JZT-JA灶具的火焰外觀

圖8 不同供氣壓力下JZT-i10002B灶具的火焰外觀

由圖7、8可以看出，實(shí)驗(yàn)中隨著供氣壓力的增加，兩種燃?xì)庠畹幕鹧嫘螒B(tài)均發(fā)生較為明顯的變化。JZT-JA型燃?xì)庠畹幕鹧嬷饾u變得明亮，火焰高度加長(zhǎng)，中心火焰尤為顯著；而JZT-i10002B型紅外式灶的火焰則由淡藍(lán)色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊髁恋淖仙?，且灶具頭部沒有明顯的火焰。

不同供氣壓力下JZT-JA、JZT-i10002B灶具輻射光譜分別見圖9、10。

圖9 不同供氣壓力下JZT-JA灶具輻射光譜

圖10 不同供氣壓力下JZT-i10002B灶具輻射光譜

由圖9、10可以看出，大氣式灶的火焰輻射光譜并未發(fā)生變化，僅僅是對(duì)應(yīng)輻射峰的光譜輻射力隨著供氣壓力的增加而增大；而紅外式灶在不同的供氣壓力下輻射光譜的變化較為顯著，在供氣壓力為500 Pa時(shí)，除了4.1～4.7 μm波段的輻射峰外，其他波段的峰強(qiáng)度較弱；當(dāng)供氣壓力增加時(shí)，除了燃燒氣體的輻射峰增強(qiáng)外，其他波段的連續(xù)型輻射強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。

4 討論

盡管現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：燃燒器存在多孔金屬或陶瓷網(wǎng)片結(jié)構(gòu)的燃?xì)庠罴匆暈榧t外式灶。從本文測(cè)試獲得的結(jié)果來看，這一規(guī)定存在一定局限性。在本文研究中的JZT-JA型灶具，其中心部分也存在多孔金屬網(wǎng)片結(jié)構(gòu)，但無論是從其組織燃燒的方式，還是從灶具火焰光譜特性來看，其依然與紅外式灶存在很大的差異，應(yīng)屬于大氣式灶。因此，準(zhǔn)確區(qū)分大氣式和紅外式灶具，或是兩種灶具的混合改良形式，應(yīng)通過灶具的外形結(jié)構(gòu)、燃燒組織形式、紅外波段的光譜特性進(jìn)行綜合判斷。

5 結(jié)論

① 提出一種基于火焰輻射光譜特性對(duì)大氣式和紅外式灶具進(jìn)行區(qū)別的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法。采用紅外傅里葉光譜儀搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)3個(gè)型號(hào)灶具的輻射光譜進(jìn)行了測(cè)試與分析。獲得了3個(gè)型號(hào)灶具在2.5～15 μm波段的光譜特性，研究了不同測(cè)試模式、供氣壓力對(duì)測(cè)試光譜的影響。

② 大氣式與紅外式灶具的紅外輻射光譜僅在2.5～10 μm波段有明顯的差異，只有豎直測(cè)試模式能夠有效區(qū)分兩種灶具的輻射光譜。

③ 大氣式和紅外式灶具的輻射光譜在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm兩個(gè)波段存在較強(qiáng)的輻射峰。大氣式灶的輻射光譜除上述輻射峰之外，在其他波段的輻射較弱，在這兩個(gè)波段發(fā)射的能量超過了總輻射能的80%。

④ 紅外式灶除了高溫氣體的輻射外，還疊加了被氣體加熱的固體連續(xù)型再發(fā)射。隨著供氣壓力的增加，大氣式灶火焰光譜輻射峰的位置沒有改變，輻射峰的光譜輻射力增大。紅外式灶除了燃燒氣體的輻射峰光譜輻射力增大外，在3～10 μm波段的連續(xù)型輻射也明顯增大。

⑤ 準(zhǔn)確區(qū)分大氣式和紅外式灶具，或是兩種灶具的混合改良形式，應(yīng)通過灶具的外形結(jié)構(gòu)、燃燒組織形式、紅外波段的光譜特性進(jìn)行綜合判斷。