(江蘇海洋大學(xué) 新能源研究所，江蘇 連云港 222005)

學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力的培養(yǎng)是高校教育教學(xué)改革的重要目標(biāo)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)恰在加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解及創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)發(fā)揮了重要作用。同時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式改革、實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍建設(shè)、實(shí)驗(yàn)條件改善是推進(jìn)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平不斷提高的主要措施。實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基地，完善的配套儀器與設(shè)備是開(kāi)展是實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的先決條件[1-2]。依據(jù)江蘇海洋大學(xué)海洋特色的發(fā)展要求，海洋生物能源的熱利用作為重要的發(fā)展對(duì)象，給海洋生物質(zhì)熱利用實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)帶來(lái)了新的契機(jī)，為相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和搭建提供了條件。

充分開(kāi)發(fā)利用海洋空間發(fā)展海洋藻類(lèi)是獲取生物質(zhì)原料的重要途徑，海藻生物質(zhì)具有產(chǎn)量高、適應(yīng)力強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快、不占用土地與淡水資源等諸多優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展有效的海藻生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)具有重要意義。其中，海藻生物質(zhì)的熱轉(zhuǎn)化利用研究已取得很大的進(jìn)展。20世紀(jì)70年代美國(guó)政府便開(kāi)啟了利用微藻產(chǎn)油的研究計(jì)劃，篩選適應(yīng)力強(qiáng)、含油量高的優(yōu)質(zhì)品種，采用開(kāi)放式培養(yǎng)的低成本模式來(lái)提高微藻油脂產(chǎn)量。日本在2007年也啟動(dòng)了利用馬尾藻規(guī)?；a(chǎn)車(chē)用乙醇的研究計(jì)劃。歐盟及其成員國(guó)在2000年初就聚焦于藻類(lèi)的低成本種植與采集技術(shù)，持續(xù)增加藻類(lèi)生物質(zhì)燃料技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新投入。我國(guó)對(duì)海洋生物質(zhì)的開(kāi)發(fā)利用發(fā)展也很迅速，一些國(guó)家重點(diǎn)高校、研究所承擔(dān)了多項(xiàng)國(guó)家及省部級(jí)研究課題，在海藻能源領(lǐng)域取得了一些重要進(jìn)展[3]。

生物質(zhì)能的熱轉(zhuǎn)化利用方式很多，其中燃燒技術(shù)較為成熟且便于規(guī)模化利用。藻類(lèi)生物質(zhì)直接以海水作為天然培養(yǎng)基，以海水中的礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)鹽、空氣為基質(zhì)，通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為化學(xué)能儲(chǔ)存在有機(jī)質(zhì)中。藻類(lèi)生物質(zhì)中硫的含量極少，因此燃燒時(shí)不排放有毒有害氣體，同時(shí)藻類(lèi)在其生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)大量固定CO2，起到保護(hù)環(huán)境的作用，這使得海藻生物質(zhì)具備作為燃料的應(yīng)用潛質(zhì)，但海藻的水分含量較高，燃燒處理與陸生生物質(zhì)會(huì)有差異，能否在爐內(nèi)穩(wěn)定的燃燒也需要開(kāi)展研究。海藻燃燒過(guò)程中溫度的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)深入掌握燃燒機(jī)理以及對(duì)燃燒過(guò)程中的產(chǎn)熱和放熱過(guò)程的機(jī)理具有重要意義。關(guān)于燃燒溫度的檢測(cè)方法有多種，常用的測(cè)溫方法分為接觸式與非接觸式。熱電偶、光學(xué)溫度計(jì)作為接觸式測(cè)溫設(shè)備，具有使用方法簡(jiǎn)單和測(cè)溫效果準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但也存在只能單點(diǎn)測(cè)溫并會(huì)對(duì)流場(chǎng)造成擾動(dòng)的不足。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理技術(shù)及光學(xué)監(jiān)測(cè)儀器的快速發(fā)展，基于數(shù)字圖像來(lái)定量描述火焰參數(shù)的方法得以實(shí)現(xiàn)?；鹧鎴D像包含了豐富的燃燒過(guò)程信息，通過(guò)工業(yè)相機(jī)獲取燃燒火焰的瞬時(shí)圖像，利用光學(xué)結(jié)合輻射理論和圖像處理技術(shù)便可演算出瞬時(shí)溫度。這類(lèi)光學(xué)測(cè)溫方法自20世紀(jì)60年代，便被引入到燃燒過(guò)程的監(jiān)測(cè)中，成為了燃燒實(shí)驗(yàn)的有效工具[4-5]。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

本文利用光學(xué)測(cè)溫技術(shù)，以海洋生物質(zhì)為燃料設(shè)計(jì)了針對(duì)本科生的燃燒測(cè)量實(shí)驗(yàn),并結(jié)合生物質(zhì)能工程專(zhuān)業(yè)課程內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展了教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。通過(guò)海洋生物質(zhì)燃燒測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，加深了新能源專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)燃燒理論的理解與掌握，特別是對(duì)先進(jìn)測(cè)量方法及新型測(cè)量?jī)x器的使用方法，相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力起到了積極作用。

設(shè)計(jì)搭建由小型燃燒爐、供風(fēng)系統(tǒng)、CCD工業(yè)相機(jī)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的海洋生物質(zhì)燃燒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。小型生物質(zhì)燃燒爐為海藻類(lèi)生物質(zhì)提供燃燒環(huán)境，小型鼓風(fēng)機(jī)為爐內(nèi)提供0.01～0.5 m3/min的空氣流量，利用轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制進(jìn)入爐內(nèi)的風(fēng)量調(diào)整爐內(nèi)穩(wěn)定燃燒。MV-EM系列的以太網(wǎng)CCD工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)采集爐內(nèi)燃燒火焰，該相機(jī)采用高品質(zhì)感光器件，拍攝的燃燒火焰圖像清晰、低噪聲、色彩還原度較好，支持1 600×1 200的最高分辨率以及40fps的幀速，完全滿(mǎn)足本實(shí)驗(yàn)的需求。采集到的火焰輻射圖像保存至計(jì)算機(jī)硬盤(pán)，根據(jù)圖像處理技術(shù)完成火焰圖像參數(shù)計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)材料海藻采集于連云港海州灣，將海藻在淡水中沖洗后置于陽(yáng)光下自然晾干，并放入干燥箱干燥8個(gè)小時(shí)后作為實(shí)驗(yàn)原料。將經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的海藻置于爐內(nèi)引燃，設(shè)置CCD工業(yè)相機(jī)參數(shù)，實(shí)時(shí)采集燃燒火焰圖像。某一時(shí)刻的原始火焰圖像如圖1所示。

圖1 原始火焰圖像

2 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)原理

對(duì)于CCD工業(yè)相機(jī)采集的彩色火焰圖像中每一個(gè)像素的紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)值表征了燃燒火焰的單色輻射強(qiáng)度?？梢员硎緸?/p>

I(λR)=α×R,I(λG)=β×G,I(λB)=γ×B

(1)

式中：I(λR),I(λG),I(λB)分別為火焰在波長(zhǎng)λR,λG,λB下的單色輻射強(qiáng)度；α,β,γ為標(biāo)定系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)中相關(guān)研究表明生物質(zhì)燃燒火焰輻射可近似為灰體輻射，由維恩輻射定律灰體發(fā)射的單色輻射強(qiáng)度為[6]

(2)

式中：普朗克常數(shù)C1= 3.742×10-16W·m2，C2= 1.438 8×10-2m·K，ε(λ)為光譜發(fā)射率。結(jié)合式(1)、式(2),可得紅、藍(lán)、綠色的輻射強(qiáng)度分布為

(3)

根據(jù)雙色法計(jì)算溫度的基本原理，測(cè)量出兩個(gè)不同波長(zhǎng)下的輻射強(qiáng)度后，利用任意兩組數(shù)值的比可消去未知的光譜發(fā)射率對(duì)測(cè)量溫度的影響。由式(3)紅、藍(lán)兩波長(zhǎng)下的單色輻射強(qiáng)度來(lái)計(jì)算火焰的溫度，需要注意這里光譜輻射率等于全波長(zhǎng)輻射率，即ε(λR)/(λG)≈1，因此火焰溫度的計(jì)算式為

(4)

式中：標(biāo)定系數(shù)α/β=GIbR/RIbG，其中IbR，IbG為對(duì)紅、藍(lán)兩通道的黑體輻射強(qiáng)度，可由維恩輻射定律直接計(jì)算。通過(guò)熱電偶在燃燒火焰中進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量，其結(jié)果作為參考點(diǎn)溫度來(lái)確定標(biāo)定系數(shù)，同時(shí)該參考點(diǎn)的相機(jī)光譜通道響應(yīng)R、G值作為已知量帶入計(jì)算標(biāo)定系數(shù)的表達(dá)式中。該方法簡(jiǎn)單、靈活，在缺少黑體爐等標(biāo)定設(shè)備的情況下是一種有效計(jì)算標(biāo)定系數(shù)的方法。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述方法，可以計(jì)算出圖1所示火焰圖像的溫度分布，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 溫度分布

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)該時(shí)間段采集的海藻生物質(zhì)燃燒圖像為185×210像素，其溫度范圍主要在450～950 ℃，溫度分布與原始火焰圖像的亮度基本對(duì)應(yīng)，說(shuō)明方法的有效性。調(diào)整燃燒條件，可以方便地計(jì)算出不同工況下燃燒火焰溫度的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒狀況的分析。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)燃燒教學(xué)實(shí)驗(yàn)可以鍛煉學(xué)生將所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)應(yīng)用到解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。針對(duì)海洋生物質(zhì)燃燒利用過(guò)程中的溫度測(cè)量問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括實(shí)驗(yàn)原料的選擇與預(yù)處理、實(shí)驗(yàn)因素與水平劃分、實(shí)驗(yàn)儀器使用與調(diào)試、實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄與分析等步驟，鍛煉學(xué)生們的動(dòng)手能力；掌握實(shí)驗(yàn)原理，包括海洋生物質(zhì)的燃燒過(guò)程及機(jī)理、熱電偶測(cè)溫和光學(xué)測(cè)溫原理、火焰輻射定律和輻射圖像處理技術(shù)等理論知識(shí)；同時(shí)通過(guò)傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、光學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科交叉解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生們的創(chuàng)新思維能力；實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程涉及燃燒爐、高壓氣瓶、工業(yè)相機(jī)的使用，因此在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)之前對(duì)學(xué)生們進(jìn)行安全教育并嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)中心的相關(guān)條例規(guī)定，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下分組完成實(shí)驗(yàn)。各組學(xué)生合理分工，匯總完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，組與組之間相互驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提升了學(xué)生們之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

海洋生物質(zhì)燃燒測(cè)量實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展在培養(yǎng)新能源專(zhuān)業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)主動(dòng)性與創(chuàng)造性，以及對(duì)課堂教學(xué)方法的完善等方面發(fā)揮了積極作用。