高乃平， 安 巍， 魏敦崧 ， 彭世尼

(1.同濟大學 機械與能源工程學院， 上海 200092；2.重慶大學 城市建設與環(huán)境工程學院， 重慶 400030)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展與人民生活水平的不斷提高，家用燃氣灶具已在我國得以普及。同時，日趨嚴峻的能源與環(huán)境問題對燃氣灶具的設計和開發(fā)提出了進一步的節(jié)能減排要求。

燃氣灶具與烹飪器具間的熱量交換主要通過燃燒過程中的煙氣對流與火焰輻射兩種傳熱方式進行[1]。其中，由于燃氣燃燒過程產(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，近期諸多學者對燃氣灶具的燃燒與傳熱工況進行了廣泛的研究。

雖然對燃氣燃燒過程中的火焰溫度場、流場、污染物的生成等相關(guān)參數(shù)的研究較為廣泛，但燃氣火焰作為燃燒的現(xiàn)象表征與能量的釋放途徑，其輻射光譜蘊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)的精細設計與開發(fā)改良提供重要的理論支撐和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

常規(guī)的燃燒診斷對燃燒流場的速度、密度、溫度以及燃燒產(chǎn)物的組成和濃度進行檢測與研究，包括利用常規(guī)的接觸式的檢測儀器如熱電偶、熱線風速儀等以及非接觸式的光學檢測方法等。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)對甲烷空氣預混平面火焰溫度與水蒸氣濃度進行了檢測研究[5]；劉建勝等人基于斯托克斯拉曼散射對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行了測量[6]；張虎利用相干反斯托克斯拉曼散射技術(shù)檢測了丁烷空氣擴散火焰的溫度[7]等。然而，針對家用燃氣灶具火焰輻射光譜特性的研究仍相對缺乏。

目前，在我國的家用燃氣灶具市場上，主要存在著兩種不同形式的灶具：大氣式燃氣灶(以下簡稱大氣式灶)和紅外式燃氣灶(以下簡稱紅外式灶)。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混燃燒，而紅外式灶則屬于完全預混式燃燒。同時，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)燃氣燃燒特有的淡藍色火苗結(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試實驗平臺，采用紅外傅里葉光譜儀對上述兩種類型的家用燃氣灶具進行火焰輻射光譜實驗測量，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)律進行了有益的嘗試。

2 實驗儀器與裝置

測試實驗平臺見圖1。

圖1 豎直和水平測試實驗平臺

由圖1所示，實驗平臺布置可以分為豎直與水平兩種測試模式。在豎直測試模式下，測試灶具水平布置，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直徑為40 mm的圓孔，圓孔的上方布置一個用于傳輸輻射信號的反射銀鏡。在水平測試模式中，灶臺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到火焰的輻射信號。

實驗中，選取了來自兩個廠商的3個不同型號的灶具，灶具型號與額定熱負荷見表1。3個型號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混式燃燒，而JZT-i10002B型灶具為完全預混式燃燒器。

表1 灶具型號與額定熱負荷

測試開始前，首先通過光譜儀的控制軟件將掃描次數(shù)設置為10，光譜分辨率設置為1個波數(shù)，光源選擇設為外部平行準直模式。完成上述設置后，先進行背景輻射信號的檢測，以便測試軟件自動扣除背景輻射的干擾。待光譜儀完成背景信號采集后，可點燃火焰或打開黑體爐(黑體爐屬于輻射測量領(lǐng)域的常規(guī)儀器)，進行火焰光譜或黑體輻射光譜測試。供氣壓力為3 500 Pa時，豎直測試模式實驗臺布見圖2，實驗測試儀器及型號參數(shù)見表2。

圖2 豎直測試模式實驗臺布置

儀器型號參數(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型熱電偶水冷臺長×寬×厚:1.2 m×0.6 m×0.06 m光學支架三自由度可調(diào)

3 實驗與結(jié)果分析

① 光譜響應標定

由于光譜儀的電荷耦合元件的響應信號會隨著波長發(fā)生改變，因此需要利用黑體爐對光譜儀的光譜響應進行標定。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，μm

c2——第二輻射常數(shù)，μm·K，取1.438 8×104μm·K

T——黑體溫度， K

光譜儀的響應系數(shù)k可按式(2)進行計算：

(2)

式中k——光譜儀的響應系數(shù)

不同溫度下光譜儀的響應系數(shù)曲線見圖3?？梢钥闯觯?00～1 000 ℃范圍內(nèi)，黑體溫度對光譜儀的響應系數(shù)的影響不大。實驗時，光譜儀的響應系數(shù)取溫度為500～1 000 ℃下的平均值。當獲得了光譜儀的響應系數(shù)曲線并且對火焰的輻射光譜輻射力進行測試后，可以按照式(3)計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系數(shù)曲線

② 不同測試模式下的灶具紅外輻射

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

可以發(fā)現(xiàn)：對于這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兩個波段范圍內(nèi)有較強的高溫水蒸氣與二氧化碳的輻射峰。JZT-HA6B型和JZT-JA型兩種燃氣灶的輻射光譜非常相似，在水平測試模式下它們的光譜在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm兩個波段范圍內(nèi)的輻射峰明顯大于JZT-i10002B型紅外式灶的對應值，但是在其他波段范圍內(nèi)的輻射峰較弱。

圖4 JZT-HA6B在水平與豎直測試模式下的輻射光譜

圖5 JZT-JA在水平與豎直測試模式下的輻射光譜

圖6 JZT-i10002B在水平與豎直測試模式下的輻射光譜

JZT-HA6B型和JZT-JA型兩種燃氣灶輻射光譜的相似性表明，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：在波長較長的紅外段具有一定的輻射力可認為是紅外式灶，而在波長較長的紅外段輻射力較低的認為是大氣式灶)。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方面都存在著較大的差異。同時，從圖4、5可以發(fā)現(xiàn)：JZT-HA6B型和JZT-JA型兩種燃氣灶在豎直與水平測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兩個波段上輻射峰的強度有所差異，其原因主要是兩種測試模式下發(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試模式下的輻射光譜有較大的差異。在水平測試模式下，紅外式灶火焰的輻射光譜與大氣式灶的實驗結(jié)果相似；而在豎直測試模式下，火焰的輻射光譜除在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm兩個波段范圍內(nèi)有較強的輻射峰之外，在3～10 μm的其他波段同時存在連續(xù)型的紅外輻射。

為了對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)計算出兩類灶具在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm兩個波段內(nèi)輻射能量相對于整個測試波段能量的比值，計算式如下：

(4)

(5)

β3=β1+β2

(6)

式中β1——波長2.6～3.1 μm的輻射能量相對整個測試波段能量的比值

β2——波長4.1～4.7 μm的輻射能量相對整個測試波段能量的比值

β3——波長2.6～3.1 μm和波長4.1～4.7μm兩個波段的輻射能量相對整個測試波段能量的比值

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兩個波段的輻射能占整個測試波段的比例超過了80%，而紅外式灶在這兩個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來說更加均勻。

從上述的實驗結(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，由于紅外式灶多孔板本身的吸熱，使高溫氣體的輻射強度有一定程度的降低。

③ 供氣壓力對灶具輻射光譜的影響

為了研究燃氣供氣壓力對大氣式灶與紅外式灶輻射光譜的影響，我們采用豎直測試模式對JZT-JA和JZT-i10002B兩種灶具的輻射光譜進行了測量。在實驗中，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，實驗中隨著供氣壓力的增加，兩種燃氣灶的火焰形態(tài)均發(fā)生較為明顯的變化。JZT-JA型燃氣灶的火焰逐漸變得明亮，火焰高度加長，中心火焰尤為顯著；而JZT-i10002B型紅外式灶的火焰則由淡藍色逐漸轉(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，僅僅是對應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，除了4.1～4.7 μm波段的輻射峰外，其他波段的峰強度較弱；當供氣壓力增加時，除了燃燒氣體的輻射峰增強外，其他波段的連續(xù)型輻射強度也逐漸增強。

4 討論

盡管現(xiàn)行的國家標準規(guī)定：燃燒器存在多孔金屬或陶瓷網(wǎng)片結(jié)構(gòu)的燃氣灶即視為紅外式灶。從本文測試獲得的結(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，應屬于大氣式灶。因此，準確區(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大氣式和紅外式灶具進行區(qū)別的實驗測試方法。采用紅外傅里葉光譜儀搭建了實驗測試系統(tǒng)，對3個型號灶具的輻射光譜進行了測試與分析。獲得了3個型號灶具在2.5～15 μm波段的光譜特性，研究了不同測試模式、供氣壓力對測試光譜的影響。

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兩個波段存在較強的輻射峰。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行綜合判斷。