火焰溫度與設備材料的選擇

　　摘要：燃燒過程中火線溫度是最具代表性的熱力參變量。除了針對內燃機燃燒過程進行的理論分析，還有因研究高效率底污染的新興車發(fā)動機、減少汽車污染或者對電站燃煤鍋爐煤粉燃燒的經(jīng)濟實用性、清潔性的研究過程中，火焰溫度測試技術的分析探討都為上述工作奠定了一定的基礎。本文主要通過深入研究火焰溫度的基礎類型、特性以及設備材料，方便以后類似研究能更好的學習借鑒。

　　關鍵詞：火焰分類;火焰溫度;設備材料

　　1.火焰的分類及特性

　　按照不同的火焰輻射光譜，將火焰分為兩種不同類型，主要包括發(fā)光火焰和透明火焰兩類。其中透明火焰一般是以線狀得方式表現(xiàn)出來的，輻射光譜在紅外區(qū)段，在一定區(qū)域的紅光波長上沒有輻射能力，那么發(fā)光火焰輻射出的則是連續(xù)光譜，火焰燃燒中存在煙粒，在可見光譜內也有輻射能。因為不同火焰發(fā)光的原理以及發(fā)光的輻射能都存在一定差異，那么測量火焰溫度的方法也因此會出現(xiàn)不同。通常根據(jù)燃燒火焰接觸感溫原件的程度，將火焰溫度測量方法分為接觸發(fā)測溫和非接觸法測溫兩種基礎方法。

　　2火焰溫度的測量方法

　　2.1接觸法測溫

　　一般使用最多的接觸測溫的方法是熱電偶測溫，這種測溫方式簡單，并且測量數(shù)據(jù)較為準確，如果材質不同的金屬合金導體兩頭溫度出現(xiàn)不同，那么兩端肯定會造成電勢差，導體兩端的溫度差距和電勢差能組成簡單的函數(shù)關系，當檢測的對象熱端和該導體熱度趨于平衡階段，而冷端的溫度則是之前就設置固定的，那么被檢測對象的火焰溫度通過電勢差就可以得出。當然使用熱電偶測溫火焰溫度也會有一些缺點：如果被檢測火焰溫度較高，那么就很難找到能適應檢測溫度區(qū)域熔點較高的熱電偶材料;不能在熱電偶和稀薄的火焰氣體中達到平衡狀態(tài)，不能明確的分辨時間和空間概念;檢測具有一定的局限性，檢測的只是高溫火焰氣體容易出現(xiàn)停滯的溫度。

　　2.2成象法

　　成像法從光的干涉原理角度來說，具體包括紋影法、激光散斑照相法、干涉儀法以及激光全息干涉法等。對于測量的火焰溫度而言，使用上述任何一種光學方法都是先通過測量火焰折射率的分布進而測量出火焰溫度的。測量過程主要是各種光參量變化是以流場中每個位置折射率的變化作為參考依據(jù)，然后將其記錄到感光膠片上，再根據(jù)其特性或者定量進行研究分析。

　　紋影法具體是指將經(jīng)過氣流擾動區(qū)域后的光線利用紋影儀向不同位置的偏折光進行區(qū)分，然后將部分偏折光用紋影刀口遮擋住，讓擾動區(qū)折射率的變化以明暗變化的紋影圖像在底片上展示避出來。激光散斑照相法是根據(jù)光線經(jīng)過氣流擾動區(qū)時，部分區(qū)域法折射率形狀會發(fā)生改變，導致與之前沒有經(jīng)過擾動區(qū)的光線比較，漫射體的投射光出現(xiàn)了位置變化，那么照相底片上則呈現(xiàn)的是散斑位置改變的圖像。干涉依法是在氣流擾動區(qū)和氣流正常區(qū)同時經(jīng)過兩束同軸相干光，因為氣流擾動區(qū)折射率不同，那么光程差也會發(fā)生改變，進而兩束同軸相干光都會發(fā)生相應的變化，因此在照相底底片上展示的就是干涉條紋的變化。

　　2.3輻射法

　　①首先是發(fā)射—吸收光譜法。一開始較早使用的發(fā)射—吸收法是譜線反轉法，該方法在實際實驗中設備以及操作簡單便捷，特別適合應用在火焰穩(wěn)定、測量方向溫度不會發(fā)生太大變化的試驗中，具體操作過程是先將適量的微量鈉鹽投入到測量的火焰中，當鈉燃燒時就會出現(xiàn)兩天不同長度的黃色明亮譜線。如果被檢測的火焰溫度比光源的溫度高或者低，背景光源的自然光線經(jīng)過鈉蒸汽并且被照射，那么鈉線在背景光源的連續(xù)光譜也會隨之發(fā)生變化。但是當火焰的溫度和光源的亮度溫度相同時，鈉線在背景的連續(xù)光譜中就會顯示。譜線反轉法的缺點在于其背景光源亮度的一定的范圍控制，只適合應用在1000K—2700K的溫度測量范圍內。

　�、诟邷赜嫹�。高溫計法主要是根據(jù)普朗克定律、維恩定律和玻爾茲曼定律對火焰溫度進行測量的。高溫計計的溫度數(shù)據(jù)因為收到光譜發(fā)射率的影響，只是通過不同的溫度計，例如全服射溫度計、單色高溫計或者比色溫度計，測量出物體輻射溫度、亮度溫度或者比色溫度，而沒有測量到火焰真正的溫度。通常會使用發(fā)射率修正法、逼近黑體法、輔助源發(fā)和偏振光發(fā)法等方法對之前檢測法溫度進行發(fā)射率調整，確保測量出火焰的真實溫度。而當下最多采用的方法是將火線溫度信息通過多個光譜下的物體進行輻射，然后經(jīng)過整理分析得到火焰的真實溫度，該方法也就指的是多光譜測溫法，是目前能測量到火焰真實溫度以及光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)最有效的方法。

　　3.設備材料的選擇

　　3.1硅橡膠

　　硅橡膠在高溫狀態(tài)下能持續(xù)使用較長的時間，而氟硅橡膠則更耐高溫，能在溫度高達350℃時使用。硅橡膠基料的這類飽和集合物，主要是通過聲子對熱量進行傳播的，是沒有自由電子能及時傳播熱量的，還有就是它的導熱系數(shù)非常低。

　　在硅橡膠中添加適量的阻燃劑，能有提高其阻燃作用，阻斷火焰燃燒氧氣供給。硅橡膠收到火焰灼燒時，試片吸收的熱量回促進硅橡膠溫度快速提升，達到一定溫度后，試片就會產生物理化學反應，進而形成碳化層。碳化層的有點在于其結構疏松，隔熱效果比較理想，但是結構極不穩(wěn)定，當遇到較高溫度時，碳化層就會脫落，就會失去隔熱保護，所以可以通過選用合適的耐高溫織物對碳化層進行保護。

　　3.2耐高溫織物

　　其中玻璃纖維不會出現(xiàn)燃燒，傳播的熱量也很微小，化學結構穩(wěn)定，不會受潮發(fā)霉，具有一定強度。

　　芳綸1313纖維是聚苯二甲酰間苯二胺，聚酰胺長鏈構成的大分子，分子結構穩(wěn)定，不會因高溫而大小發(fā)生變化，有較好的阻燃性，不會發(fā)生熔斷，當溫度熱沖擊超過1000℃時，該分子會快速碳化變厚，形成絕熱織物。

　　3.3多層織物硅橡膠墊

　　高硅氧案玻璃纖維的缺點在于沒有較好的韌性，不能和膠料進行緊密結合，因此只能在碳化層后方使用，利用其耐高溫性保護碳化層穩(wěn)定，不能應用在火焰首層，防止形成的絕熱層因受到高速氣流沖刷造成破壞。

　　那么防火面的首層選用芳綸1313就能有效促進燃燒過程中絕熱層快速形成碳化層，這是因為芳綸1313具有較好的韌性。但由于使用的芳綸材質較多，缺乏實性，所以除了在防火面設置一層，還需要添加三層玻璃纖維。

　　經(jīng)過現(xiàn)場實驗之后，發(fā)現(xiàn)碳化層不僅充分發(fā)揮了其阻熱作用，有效阻止熱量傳遞，同時針對火焰或熱氣流的對流傳遞的熱量，增加的織物阻熱層產生多次的消耗熱量的流動，這也證實多層織物合成的熱防護性明顯比單層的阻熱作用好。

　　電力論文投稿刊物：《計量學報》(雙月刊)創(chuàng)刊于1980年，由中國計量測試學會主辦。本刊報道計量和精密測試科學技術的最新研究成果和進展�？�登具有創(chuàng)造性的學術論文、研究簡報。內容包括：幾何量、溫度與熱物性、力學、電磁學、光學、電子學、聲學、時間頻率、電離輻射、化學與標準物質、生物等學科的計量基準和標準的研制;測量原理和方法的研究;新技術的應用及計量學科的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢預測等。

　　4.結語

　　綜上所述，火焰氣體發(fā)光有較多原理以及復雜多樣的發(fā)光光譜為測量火焰溫度的方法奠定了良好基礎。近年來我國社會科學和國防工業(yè)的不斷進步，人們對于火焰溫度的測量已經(jīng)不僅僅局限于測量某一時刻的溫度，而是想要不破壞、不接觸測量對象，就能有效獲得火焰任何時刻的三維溫度分布情況，因此就需要有更先進的測量技術、更寬的測量范圍以及較高的測量準確性對火焰溫度進行測量。本篇文章通過對火焰溫度測量方法進行分析討論，并對其選擇設備材料進行分析，為之后企業(yè)提供了良好的理論依據(jù)，進一步促進我國經(jīng)濟的快速穩(wěn)定發(fā)展。

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　　作者：房愛兵崔玉峰邢雙喜靳景偉

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