燃煤火焰温度的实时测量研究.pdf

第卷第期 年月 东南 大 学学报 ”田日晓汗 阳 曰招丫 肚 南 研究简报 燃煤火焰温度的实时测量研究 王式民张学锋 热能工程研究所 吴月珠 南京大学 姗烧研 究中 , 温度侧盘是一个非常重要而又 比较困难的 内容 火焰温度有多种侧盘方 法 , 其中研究最多 、 进展较快 、 也最有实用价值的是谱线反转法及其改进的方法〔卜习 谱线 反转法是一种不接触的实时光学测最方法 , 其主要特点是有较高的精度 历史上谱线反转法的研究主要集中于所谓 “干 净 ” 火焰 然煤火焰是一种含有一定粒子 的离温两相流体 火焰 中这些 固体或熔融状粒子不仅本身要辐射能量 , 它还要吸收和散射光 辐射 因此姗煤火焰的光学厚度和染色原子的浓度有关 , 同时也是粒子浓度和温度的函数 作者利用一维光学多路分析技术来研究嫩煤火焰的各种物理特性 包括粒子的辐射 、 吸 收和徽射特性以及多波长测盆技术来测量嫩烧温度 利用该方法不仅能象谱线反转法那样 得到气相沮度 , 而且能准确测盘气流运动粒子的表面温度 辐射方程 当一束平行光入射到含有微粒的高温嫩气中时 , 它将受到燃气分子的吸收和散射 , 也受 到粒子的吸收和散射 同时嫩气中分子 、 原子 、 离子也向各个方向产生光谱辐射 粒子也在 相应方向辐射连续光谱 忽略气体散射 , 可以得到辐射转移方程 , 尸 , 、 , 、 、 , 、 ,尸 、 , 百寸 几钵少“孟 ,, ” 水凡“几 , 了 ’一 一 几 叭几 刃 一又 ‘ 西 式中 , 为入射光强 , 下标 浇表示相互作用发生在波长间隔久一△久 △久 区域 , 几为气 体的吸收系数 、和、 分别表示粒子的吸收和散射系数 , 它们都是波长 几的函数, 人 , ,和 久, , 分别是温度为憔气温度 , 和粒子表面温度 , 时的黑体辐射函数 式 的解为 ‘ 孟, 一。 一 ‘ 且 、 、“ , ,〔 “ , 〕 ,‘ , 〔 , “〕二。, 一介二 式中 , 、,一 且 ‘ “, ‘, ,“ , ‘, , ‘称为光学厚度 , 几。, 为入射光在波长 ‘处的光强 假定火焰温度和粒子数密度均匀分布 , 则可能有 ,二 刀几 , 几夕一 一几 ,二 ‘ 一几 , 本文于 年 月 日收到 第期 王式民等 橄 煤火焰滋度的实时浏研究 式 中 , 、 , , 人 , , 久 , , , , 、、 式为谱线反转法工作 方程 , 可选取在不同光学厚度处 , 分别测量辐射光总强度和粒子火焰辐射的总强度以求解徽 气温度 也能求得 气体辐射系数和总的光学厚度 多波长测温方法和光学多路分析技术 辐射测温技术用于 “干净” 火焰温度测量已得到较好的结果〔 ,一幻 在用于含有大 细粒子 的高温烧煤火焰中测量燃气温度方面 , 文 【 〕介绍了一种在共振线区域的双波长测盈方法 在共振线区域外利用多波长的辐射方程可以测量火焰中粒子的表面温度 在偏离火焰共振线 位置 , 且入射光 二 时 , 由于 几 , 辐射吸收方程的解可以写为 ,工、 。 。、 爪 ‘ , 、、 。 。, 。、 ,几、二少 , 气诬, 一少甲, 气 一 人、一 服少一 孟 , 、 一叼 甲 式中 , 、 一 一 水, 为和粒子消光有关的系数 在粒子较大的情况下 , 它通常可 看作是和波长无关的一个常数 在任意波长 人处 , 结合普朗克定律 , 上式可写成 几 二 犬,人 , 专 一 〔 仇 砂 一〕 一, ‘ 该式可作为多色测温的基础方程 通过 二 个波长处辐射强度的实际测量可以获得高温辐射的实际光谱图 与黑体辐射理论 谱不同 , 既能得到物体的表面真实温度又能得到物体的光谱辐射率分布 但这必须在 达到相 当大时才比较准确 目前国内外多色测温研究都是在光学 系统布置上进行研究和改进 多至 六色以上的测量系统阁 , 实际上已变得十分复杂而很难使用了 利用先进的光学多路分析技 术 , 理论上可使在一个波段 内多到 处波长的光谱强度进行自动测量和分析 , 为多色测温 创造了条件 传统的光谱强度测量有两种方法 一种是利用光谱仪作为光的色散系统 通过光栅转动 在谱仪的出口狭缝处用光电倍增管做检测器 , 即扫描单色仪 另一种是所谓摄谱仪 它的色 散系统和单色仪相同 , 只是在出射光处开有窗口 在它的焦平面上置一摄谱板 , 在摄谱后进 行显影 、 定影 , 再用波长比较仪和测微光度计 , 最后才能得出相应的光谱图 这两种方法各 有优缺点 随着近代光电子和计算机技术的发展出现了一种综合这两种方法优点的称作光学 多路分析的技术 它是利用一种新型大规模集成电路硅光电二极管阵列来代替摄谱仪 中的摄谱板 , 使出射的光谱信号按波长分布排列在相应的光电元阵上 , 经过光电转换 、 自扫 描和计算机采样处理能实时地把光谱分布直接在萤光屏上 显 示出来 。 这种技术既省去 了摄谱 法各种繁琐手段 , 又避免了扫描单色仪在机械扫描时读取光谱较慢和缺乏重复性的缺点 再 则由于微机的强有力的功能 , 可利用控制曝光时间来测量非常微弱的光谱信号 , 并把光谱图 存储起来 , 随时获得必需的硬拷贝 这些都是传统的光谱测量法所没有的特点 把这种技术 应用于憔煤火焰温度测量能较好地解决实时多波长光强测量和数据处理工作 测装 整个测 系统分为三个部分即标准光源 、 光调制器和光接收器 、 光纤拥合器和光学多路 分析仪及数据处理系统 , 详见图 标准光源为一经计量标定的钨带灯 , 经一组透镜和光调制 器输 出一束调制的平行光束直接入射到被测火焰 出射光和火焰辐射经一特殊设计的光报合 东 南 大 学学报第卷 器和多束光学纤维再用大孔径柱面透镜组和光学多路分析仪相连接 采用光报合器和光学纤 维能获得最大的光输出 , 并保证精密的光学仪器能远离环境较差的被侧对象 光调侧器有同 步信号粉出到计算机供控翻和数据采集使用 数据处理为一自编软件 , 能实现自动侧 初步试验结果和讨论 全部侧系统在实脸室内用 “干 净 ”火 焰 进行软硬件调试后在 撒 煤磁流 体发电燃烧室上进行了多次试脸 试验的 目的是考核系统的德定性 , 并求得最佳积 分时间和修改软件 图 图 是燃煤火 焰实时光谱图 由图可见 , 选用不同光栩 和侧波段以及使用不同的计算波长可以 遴开强烈的火焰线光谱的干扰 灵活的测 波长的选择 , 表现出光学多路分析技术 在高温侧 中应用的特点 , 表 列出的部 分侧结果是用比色法计算出的粒子表面 温度 其中一些结果的较大离散性可能是 由嫩烧脉动所引起的 计计计计计计林机 机 光裸 , 单色仪 , 困 进倪 , 润侧器 义即。 光电二极管阵列 洲全原 班困 日洲 , 黔 困 孟 。 困 含钠线实时光 讲 积分时问实时光 语 农 用比色法计算出的较子衰面沮度 侧日期 瓜 ∀ ∀∃ ∃ ∀ ∃ ∋∀ ∃ ∀ ∃∀∋ ∀ ∀ ∀ ∃∀∋ ∀ ∀ ∃ ∀ ∀ ∀ 第2期 王式民等城煤火垃滋度的实时浏t研究 133 利用光学多路分析技术进行高温侧t还必须精确地校正全部光学系统的通光函数 . 图5 给出了实脸系统通光灵教度校正曲线 . 该曲线的误差将直接影响到温度侧t的准确性 . 翔 L - - .的.种吕 4 1.龙 882.74 孟 / nm 597 一‘ 困5 580.6 勺n l n 困4 2 积分 时问 实时光 讲校 正曲线 据本文的分析和初步的实验结果可知 , 该方法在高温两相流温度侧最中有应用的潜力 , 它 不仅可以简化测t系统 , 而且有可能同时获得气相和粒子表面的精确温度 , 因而具有一定的 实用价值. ,考文献 n”川留5S . Q 】 a nU t ad帕剐回匕国山r匆. 恤. 叩y 创记C. D川. j讨d傲 人山汕幻n 一 明众目叮内目匆h叭SC口m件n y . 1959 王式民 徽流体发电中高沮火焰的沮度侧t . 南京工学院学报 , 1 9 7 9 3 E肠u百曰IL艺 T七卜”毖d y 目l in e 传v.,目朋.怡叫阵. 比拍 口从油旧u们m出nt a 时吧 .m川d 一 d . nn d 如恤改o r . g th 玩加“.比”目 0 翔加比麟闭和n 刀 O日以舫允目 氏,姗 0 .”抽t jon , 几脚川 , 1 9 8 6 P创如I L七1.侧画曰l们丁. n t成协州阵翻亡切陌d 口o, . . nt a 坑加g声r廿d翻四略均m o r. dy目t物 w a 娜加ng t b s地甩山.10 th 玩加打.比川目 C.吐口侣川, m 加n 1D曰。以饮川肠we r 抽..,肠以1 , 1 .记la, 】 9 89 J山”. L , 0.心阶.人 目区.w 抑日. 目自”以场U佣块昨 加r. 扣户介mp甘at I J 山. H 加自P怕S S 切, , 1 9 8 1 书 1 3 4 5 9 4 6 6 陈佳佳 徽弱信号位侧.北京中央广拾电视大学出版社 , 1 98 7 东南 大 学学 报 第23卷 加 51 加 M 加 SuL rement i nCba iF i 班对 F l a“峪 下物匆月肠翔沁 刀如岭 义碑介匆 丁七.n n 。。n创甩y E n si n e e r ins R.筑吸r chl i坦tit ut e 讯 沼 y拢到勿 r比伸了。n切t of五i fon”ati o n P hy sic s N a n j讥9 Un iv e栩t y A加均, c t A 51从‘tr“犯OP i c r ad认t百 o n t e c hniq u e f o r d址ecti n 一幼tu m 周”u re刃 n e ntoft咖讲rat u r e i n the 以玻1州 比目na jmew it h a n oPdC a l m ulUe加蚊山ela na】 yze r OM A 1 5Pr.姆nt记i n t hi s 琳p e r. T h emeasur司 加加钾.t切, i n川a目,t oh yd r团”山川C SM HD c侧目 抢曰 c确b us tori s 川ve n . K姆w 。“妇 川助t em讲r atu了e , tw o - Ph翻姆f l ow / lm e r e ver s a l m et h o d , o P t i因mul t ie加幼口el 助.】 y那rOM A , o P ti喇doPt h