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行測量。結(jié)果表明:在1450~1700K火焰溫度時，由炭煙沉積導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
　　碳氫燃料不完全燃燒時容易形成炭煙火焰，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鍵參數(shù)，因此，炭煙火焰溫度場的測量--直備受關注。
　　熱電偶被廣泛應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，在使用熱電偶進行火焰溫度場測量時需要進行熱平衡修正。特別是在炭煙火焰溫度測量中，當熱電偶介入火焰時,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修正方法,可以實現(xiàn)炭煙火焰溫度的準確測量。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，進行測量方法可行性與準確性的驗證，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，考察了燃料當量比和預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量比和預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，負極為100%的純鉑金屬，短期使用最高測量溫度可達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)響應階段(t=0~0.15s),其中1=0s時刻為熱電偶偶頭達到預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致的輻射損失增加相對緩慢。
2.2溫度測量修正方法
　　為準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，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，熱電偶的催化效應可忽略不計。其次，需要考慮偶絲與偶頭之間導熱的影響，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)導線呈水平對稱布置使得導線溫度與偶頭溫差較小，從而在測量中產(chǎn)生
的導熱傳熱誤差也很小，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，當瞬態(tài)響應階段完成后，便可以通過結(jié)點處的準穩(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對應關系:
 
　　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是氣體的導熱系數(shù)，此處假設后Kg與Tg呈線性關系，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，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)。固定預混氣體出口流速Umix=0.07m/s,在當量比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與文獻測量結(jié)果的對比
　　為驗證本文方法測量結(jié)果的準確性,將自動掃描熱電偶測量實驗中的修正溫度與文獻[15-17]結(jié)果進行了比較。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/空氣預混炭煙火焰的溫度分布。在相同McKenna燃燒器中，預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行炭煙火焰溫度測量的可行性與準確性。
　　此外，也與CHOI使用三波長光學探針測量技術(shù)測量的乙烯/空氣預混火焰溫度、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,當預混氣出口流速固定Umix=0.07m/s.時，當量比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)，當預混氣體出口流速保持不變時，炭煙火焰溫度隨當量比的增大而下降。
　　不同當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，當預混氣體出口流速不變時，隨當量比增加，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)位置相應靠近中心，且在HAB=14.5mm位置火焰中心溫度也低，導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。溫度第一次達到峰值后下降，再上升完成響應后，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,當燃燒器出口預混氣流速保持一定時,當量比由2.2增大至2.6,測得火焰邊緣溫度波動隨著當量比的增加而減小。當量比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)物反應形成二次火焰受空氣的浮力影響導致的。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)定性導致局部火焰振蕩，具體特性還需要后續(xù)進一步的火焰結(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)進行熱輻射損失修正基礎上，開展了常壓下當量比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)，隨當量比增加和預混氣流速增大，振蕩減弱。
(4)實驗驗證了采用熱電偶掃描進行炭煙火焰溫度快速測量的可行性與準確性，該方法具有較好的應用前景。