一种基于光谱检测的燃烧火焰辐射传热量的测量方法

摘要

本发明属于燃烧测量领域，并公开了一种基于光谱检测的燃烧火焰辐射传热量的测量方法，包括以下步骤：1)火焰光谱采集；2)将步骤1)中各点获得的火焰光谱辐射强度对波长积分，得到各点的火焰辐射力；3)火焰环线辐射量获取；4)火焰辐射传热量获取步骤。本发明基于光谱仪来检测火焰的光谱辐射强度，构建了关于燃烧火焰辐射传热量与火焰光谱辐射强度之间的模型，从而获得燃烧火焰的辐射传热量，能有效减小测量误差。

说明书

技术领域

本发明属于燃烧测量领域，更具体地，涉及一种基于光谱检测的燃烧火焰辐射传热量的测量方法。

背景技术

燃烧火焰广泛存在于锅炉、熔窑等各类工业燃烧系统中，而辐射换热通常是这些燃烧火焰的主要传热方式。准确测量或计算燃烧火焰向外辐射传热量对燃烧检测及改善燃烧状态有重要意义。辐射传热量还可以用于评价燃料的利用率，进一步通过改善火焰的燃烧方式等提高能源利用率，达到节约能源，保护环境的目的。在工业经常遇到的温度范围内，火焰热辐射的波长分布范围主要包括紫外线、可见光和红外线三部分，火焰中的热辐射物质主要包括固体颗粒物(碳烟、焦炭等)和火焰气相燃烧产物(CO₂、H₂O、CO等)。目前对于火焰辐射传热量的测量方法很少，主要是火焰辐射属于容积辐射，且火焰辐射的波长范围很宽，测量难度较大。通过现有设备往往只能测得火焰温度、黑度和辐射强度等参数，如果采用热流计等直接测量火焰的辐射热流密度，也只能得到某个方向的热流值，无法得到火焰整体的辐射传热量，同时热流计测量位置与火焰的距离对热流计测量结果影响十分明显，不利于准确测量；而对于锅炉炉内辐射传热计算多采用简化法，即将火焰和炉壁均视为黑体，假设火焰黑度是均匀的，将火焰的平均温度视为火焰真实温度，而实际上火焰中气体热辐射具有明显的非灰性质，而且火焰的温度在不同位置有较大差别，故这种计算方法存在较大的计算误差；在火灾辐射传热计算中，多采用点源法计算火焰的辐射传热，所谓点源法即是将火焰看作一个点，假定火焰辐射是从火焰中心轴上的中点发射出，这种方法同样会产生很大误差，与实际结果相去甚远。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光谱检测的燃烧火焰辐射传热量的测量方法，构建了关于燃烧火焰辐射传热量与火焰光谱辐射强度之间的模型，从而获得燃烧火焰的辐射传热量。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于光谱检测的燃烧火焰辐射传热量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)火焰光谱采集：将火焰辐射外表面沿火焰中轴线方向取N条与该轴线垂直的环线，并在每条环线上分别取M个点，然后通过光谱采集设备来获取火焰辐射表面上各点的火焰光谱辐射强度

2)将步骤1)中各点获得的火焰光谱辐射强度对波长积分，得到实际测量方向的火焰辐射强度I_i，即：

其中λ₁、λ₂分别为所需测量波长范围的下限值和上限值，其中i＝1,2,…,M；

将火焰表面视作漫射表面，即环线上各点对任意方向的辐射强度均为I_i，根据热辐射定理对半球空间内辐射强度积分，得到各点的火焰辐射力E_i：

3)获得火焰环线辐射量获取：在环线上取一点作为参考点，则环线上各点沿环线到参考点的长度为l，通过多项式拟合即可得各点的辐射力E_i与l的关系：

E_i＝E(l)>

环线上每个微元段上的辐射通量dq可表示为该微元段的长度dl与该位置的辐射力E_i的乘积，即：

dq＝E_idl>

所以根据式(3)和式(4)得：

dq＝E(l)dl (5)

将式(5)沿环线进行积分就可以得到环线的辐射量：

其中，q为环线的辐射量，L为环线的长度；

4)获得火焰辐射传热量：取一环线作为参考环线，则各环线沿轴向相对于参考环线的距离为z，通过步骤3)已获得各环线的辐射量q_j，其中j＝1,2,...,N，通过多项式拟合获得各环线的辐射量q_j与z的关系，即：

q_j＝q(z)>

火焰外表面上，相邻两环线之间的表面形成一微元环面，每个微元环面上的辐射传热量dQ可表示为该微元环面的轴向的长度dz与该位置的辐射量q_j的乘积，即：

dQ＝q_jdz>

其中，q_j为各环线的环线辐射量；

所以根据式(7)和式(8)可得：

dQ＝q(z)dz(9)

将式(9)沿轴线方向进行积分，就可以得到整个火焰辐射传热量Q，即

其中，H为火焰沿中心轴线方向的总长度。

优选地，所述光谱仪为高光谱仪。

优选地，所述光谱仪的光谱范围400-1000nm，光谱分辨率为4.68nm，动态量程为12位，每行像素为696/1392，速度为30行/秒。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明基于光谱仪来检测火焰的光谱辐射强度，构建了关于燃烧火焰辐射传热量与火焰光谱辐射强度之间的模型，从而获得燃烧火焰的辐射传热量，能有效减小测量误差。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为辐射测量装置系统图；

图3为乙烯火焰及其表面积模型构建示意图；

图4为火焰环线辐射量计算示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图4，本发明提出的一种燃烧火焰辐射传热量的方法，其总体思路在于将通过光谱采集设备获得的火焰光谱辐射强度依次对波长、对半球立体角空间以及对燃烧火焰的辐射表面积进行积分，最终获得燃烧火焰的辐射传热量Q。即：

Q＝∫∫_S∫_Ω＝2π∫_λI_λdλdΩdS>

式中：Q为辐射传热量，单位W，S为燃烧火焰的辐射表面积，单位m²；Ω为立体角，单位sr；λ为波长，单位m；I_λ为光谱辐射强度，单位W/m²/sr。

基于式(1)的这一基本思路，测量的具体步骤如下：

(1)火焰光谱采集步骤：将火焰辐射表面沿某一轴线方向划分成N条与该轴向垂直的环线，并在每条环线上分别取M个点；通过光谱采集设备来获取火焰辐射表面上各点的火焰光谱辐射强度

(2)火焰辐射力获取步骤：将步骤已中各点获得的火焰光谱辐射强度对波长积分，可得到实际测量方向的火焰辐射强度I_i，即：

其中λ₁λ₂分别为所需测量波长范围的下限值和上限值。

进一步的，将火焰表面视作漫射表面，即环线上各点对任意方向的辐射强度均为I_i，根据热辐射定理对半球空间内辐射强度积分，可得到步骤一中各点的火焰辐射力E_i：

(3)火焰环线辐射量获取步骤：在环线上取一点作为参考点，则环线上各点沿环线到参考点的长度为l，通过步骤二已获得各环线上M个点的辐射力E_i(i＝1,2,…,M)，通过多项式拟合即可得到各点的辐射力E_i与l的关系：

E_i＝E(l)>

式中：l为该点沿环线到参考点的距离。

进一步的，根据热辐射理论，每个微元段上的辐射通量dq可以表示为该微元段的长度dl与该位置的辐射力E_i的乘积。即：

dq＝E_idl(5)

式中：E_i为火焰表面各点的辐射力。

所以根据式(4)、(5)可以得到：

dq＝E(l)dl (6)

将式(6)沿环线进行积分就可以得到火焰环线辐射量：

式中：q为环线辐射量，L为环线的长度。

(4)火焰辐射传热量获取步骤：取一环线作为参考环线，则各环线沿轴向相对于参考环线的距离为z，通过步骤三已获得所有N个环线的辐射量q_j(j＝1,2,...,N)，通过多项式拟合获得各个环线的辐射量q_j与z的关系，即：

q_j＝q(z)>

式中：z为该环线沿轴向相对于参考环线的距离。

进一步的，根据热辐射理论，每个微元环面上的辐射传热量dQ可以表示为该微元环面的轴向的长度dz与该位置的辐射量q_j的乘积，即：

dQ＝q_jdz(9)

式中：q_j为各环线的环线辐射量。

所以根据式(8)、(9)可以得到：

dQ＝q(z)dz(10)

将式(10)沿轴线方向进行积分，就可以得到整个火焰辐射传热量。

式中：Q为火焰辐射传热量，H为火焰沿中心轴线方向的总长度。

光谱仪采用SOC710VP高光谱仪，具体各项技术参数如表1所示，该高光谱仪已完成标定工作，可用于火焰绝对辐射强度的测量。

表1 SOC710VP高光谱仪

图1为本发明的流程框图。

以下针对实验室中乙烯伴流扩散火焰，对本发明的方法作进行说明。

整个辐射测量装置系统如图2所示，主要由气体流量控制器1、空压机2、计算机3、伴流扩散火焰燃烧器4、笔记本电脑5、光谱仪6、气瓶7等组成，气体流量控制器1、空压机2、计算机3、伴流扩散火焰燃烧器4和气瓶7一起配合产生火焰，笔记本电脑5和光谱仪6检测和计算火焰热量。为了提高火焰的稳定性，在燃料管周围环形区域填充玻璃珠及多孔介质滤板能使空气均匀流出，让火焰燃烧更为稳定，提高测量的准确性。实验中乙烯和空气流量均由气体流量控制器控制，保证气体流量稳定。乙烯流量为192ml/min，空气流量为30l/min。同时利用高光谱仪对乙烯火焰进行扫描测量。

下面针对设定对象，对本发明的方法进行说明。

(1)火焰光谱采集步骤：本例测量火焰高度为5.9cm，底面直径为1cm，测量获得的图像如图三所示，并且分别在0.52cm、1.0cm、1.6cm、2.1cm、2.6cm、3.1cm、3.6cm、4.2cm、4.7cm、5.2cm十个高度上取环线，并在每个环线上等距离取9个点，通过高光谱仪获取各点的光谱辐射强度并且建立径向和轴向坐标系x-h。

(2)火焰辐射力获取步骤：根据式(2)在300-1100nm波长范围内对光谱辐射强度积分可算得各点的实际测量方向的火焰辐射强度I_i：

并根据式(3)获得各点的辐射力，表2为高度为0.52cm的环线上各点的辐射力：

表2 高度为0.52cm的环线上各点的辐射力

(3)火焰环线辐射量获取步骤：该火焰具有很好的轴对称性，根据火焰的对称性，可以将该火焰的径向截面很好的近似为一个圆形。火焰环线辐射量计算示意图如图四所示。

取图二中A点为参考点，则根据几何知识可得到各点沿环线到参考点的长度l与水平坐标x之间的关系：

式中：l为各点沿环线到参考点的距离；x为各点的水平坐标；R为环线半径。

因此，根据式(13)与表2可以获得高度为0.52cm的环线上各点沿环线到A点的距离l与其辐射力E如表3所示。

表3 高度为0.52cm的环线上各点l值与辐射力E

根据步骤(2)中获取的辐射力E与各点沿环线到A点的距离l进行多项式拟合，获得辐射力E_l与l的关系。例如，高度为0.52cm的环线上的辐射力E_l与l经过拟合后得到的多项式如下：

E_l＝-80225.04l⁵+185395.44l⁴-115785.39l³

+1803.32l²+12423.77l+1022.58(14)

根据式(7)以及火焰所具有的对称性，便可以获得不同环线的环线辐射量，如表4所示：

表4 各环线的环线辐射量

(4)火焰辐射传热量获取步骤：将表4中环线辐射量与高度进行拟合，得到环线辐射量q_h与高度h的关系：

q_h＝-6.399h⁵+110.8h⁴-679.44h³

+1698.64h²-1440.35h+450.18>

根据式(11)从0到5.935cm进行积分后最后得到的辐射强度为14.92W。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。