CN111551255A - 一种基于多光谱测量生物质火焰发射率的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多光谱测量生物质火焰发射率的方法，该方法首先利用光谱仪获得待测火焰光谱辐射强度，再利用热电偶测温，由修正后的测温结果得到待测火焰真温，基于普朗克定律求得该温度下随波长变化的黑体光谱辐射强度，由不同波长下的黑体光谱辐射强度和实际发射体的光谱辐射强度求得生物质火焰发射率分布结果。本方法能够根据待测火焰光谱辐射强度及热电偶测得的火焰温度得到待测火焰随波长变化的发射率分布，结果可靠。

Description

一种基于多光谱测量生物质火焰发射率的方法

技术领域

本发明属于火焰光谱分析技术领域，涉及一种火焰发射率分布测量方法，特别是涉及一种基于光谱辐射强度测量火焰发射率分布的方法。

背景技术

能源是社会发展的基石，中国是能源消耗大国，有严重的能源枯竭和使用紧张问题，人们亟需找到新的能源来推动社会生产和经济发展。生物质燃料被视为矿物燃料的替代能源，相比于传统燃料，生物质燃料为可再生能源，具有热值大，纯度高，清洁卫生，燃烧产物可回收等优势，利用潜力巨大，其直接燃烧被广泛应用于产生热能和电力。当生物质燃料在高温设备中燃烧时，热辐射是最主要的传热方式，而热辐射参数是燃烧过程数值模拟计算所必须的输入参数。如何准确获得生物质燃料的热辐射参数，是实际工业应用的一大难题，故研究一种能够有效得到生物质火焰发射率分布的方法很有实际意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明旨在提出一种基于多光谱测量能有效得到准确生物质火焰发射率分布的方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：利用光谱仪获得待测火焰辐射强度，输出光谱仪测量范围内的响应值及相对应火焰不同波长的光谱辐射强度。

步骤2：利用热电偶测量火焰温度，由修正后的热电偶测温结果得到待测火焰真温。

步骤3：根据普朗克定律将该温度下随波长变化的黑体光谱辐射强度表示为：

式中C₁＝3.742×10^-16，为第一辐射常数；C₂＝1.4388×10^-2，为第二辐射常数；I_b为黑体光谱辐射强度，T为温度，λ为波长。

步骤4：利用实验测得不同波长下的实际火焰发射光谱强度及所求出对应的黑体光谱辐射强度求得生物质火焰发射率分布结果：

式中，I为实际火焰光谱辐射强度，ε为火焰发射率。

优选的，步骤2中对热电偶测得的火焰温度值进行修正，包括以下子步骤：

步骤2.1：通过热电偶测量的火焰温度需要修正以消除炉壁和碳烟对测温点的辐射影响，可以得到热电偶测温点的能量平衡方程为：

Q_对流+Q_辐射＝0

对流项的公式为：Q_对流＝hA_b(T_f-T_b)

式中，A_b为热电偶测温点面积；h为对流换热系数；T_f为待测火焰真温；T_b为热电偶测温点温度。

辐射项的公式为：

式中,σ＝5.67W/(m²·K⁴)，为黑体辐射常数；ε_b为热电偶测温点的发射率

ε_b＝9.63×10^-5T_b+0.05

由于炉壁的温度T_w远远低于测量点的温度T_b，因此，

可以忽略不计。

步骤2.2：由以上过程能量方程可表示为：

通过测量得到热电偶测量点温度T_b,则T_f可由该方程通过数值迭代方法求解。

优选的，步骤4中将实际火焰光谱辐射强度I表示为：

I＝ε×I_b。

本方法能够根据待测火焰光谱辐射强度及热电偶测得的火焰真温得到待测火焰随波长变化的发射率分布，将实验结果与现有技术结果比较，偏差微小，实验结果可靠。

附图说明

图1为本发明所述方法的总体流程图。

图2a和图2b为计算实例的仪器响应值。

图3a和图3b为对应的光谱辐射强度。

图4a和图4b为热电偶测温的修正曲线。

图5a和图5b为本发明所述方法所得发射率随波长分布计算结果及通过多项式拟合方法所得的发射率结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

方法总体流程图如图1所示，该方法首先利用光谱仪获得待测火焰光谱辐射强度，再利用热电偶测火焰温度，由修正后的测温结果得到待测火焰真温，基于普朗克定律求得该温度下随波长变化的黑体光谱辐射强度，由不同波长下的黑体光谱辐射强度和实际发射体的光谱强度求得生物质火焰发射率分布结果。具体实施过程如下：

利用光谱仪获得两种工况下待测火焰辐射强度，输出光谱仪测量范围内的响应值如图2a和2b所示，计算出相对应火焰不同波长的光谱辐射强度图3a和3b所示。

利用热电偶测量火焰温度，通过修正以消除炉壁和碳烟对测温点的辐射影响，可以得到热电偶测温点的能量平衡方程为：

Q_对流+Q_辐射＝0

对流项的公式为：Q_对流＝hA_b(T_f-T_b)

式中，A_b为热电偶测温点面积；h为对流换热系数；T_f为待测火焰真温；T_b为热电偶测温点温度。

辐射项的公式为：

式中,σ＝5.67W/(m²·K⁴)，为黑体辐射常数；ε_b为热电偶测温点的发射率ε_b＝9.63×10^-5T_b+0.05

由于炉壁的温度T_w远远低于测量点的温度T_b，因此，

可以忽略不计。

由以上过程能量方程可表示为：

通过测量得到热电偶测温点的温度T_b,由数值迭代方法求解能量方程得到待测火焰真温，修正结果如图4a和4b所示。

根据普朗克定律将该温度下随波长变化的黑体光谱辐射强度表示为：

式中C₁＝3.742×10^-16，为第一辐射常数；C₂＝1.4388×10^-2，为第二辐射常数；I_b为黑体光谱辐射强度，T为温度，λ为波长。

实际火焰光谱辐射强度I表示为：

I＝ε×I_b

式中，ε为火焰发射率。

利用实验测得不同波长下的实际火焰发射光谱强度及所求出对应的黑体光谱辐射强度求得生物质火焰发射率分布结果：

为了验证由本方法所求得的待测生物质火焰发射率分布结果的正确性，将以上实施例结果与现有技术——中国发明专利申请cn201510093230.1，发明名称：一种基于光谱辐射强度测量火焰温度和发射率分布的方法所公开的结果进行对比，如图5a和5b所示。相对误差的计算方法为将两种方法所得不同波长对应的发射率之差除以本方法所得发射率的最大值，实施例的平均相对误差结果均小于百分之三，偏差微小，实验结果可靠。

Claims (3)

1.一种基于多光谱测量得到生物质火焰发射率分布的方法，包括如下步骤：

步骤1：利用光谱仪获得待测火焰辐射强度，输出光谱仪测量范围内的响应值及相对应火焰不同波长的光谱辐射强度；

步骤2：利用热电偶测量火焰温度，由修正后的热电偶测温结果得到待测火焰真温；

步骤3：根据普朗克定律将该温度下随波长变化的黑体光谱辐射强度表示为：

式中C₁＝3.742×10^-16，为第一辐射常数；C₂＝1.4388×10^-2，为第二辐射常数；I_b为黑体光谱辐射强度，T为温度，λ为波长；

步骤4：利用实验测得不同波长下的实际火焰发射光谱强度及所求出对应的黑体光谱辐射强度求得生物质火焰发射率分布结果：

式中，I为实际火焰光谱辐射强度，ε为火焰发射率。

2.根据权利要求1所述的基于多光谱测量得到生物质火焰发射率分布的方法，其特征在于，所述步骤2中对热电偶测得的火焰温度值进行修正，包括以下子步骤：

步骤2.1：通过热电偶测量的火焰温度需要修正以消除炉壁和碳烟对测温点的辐射影响，可以得到热电偶测温点的能量平衡方程为：

Q_对流+Q_辐射＝0

对流项的公式为：Q_对流＝hA_b(T_f-T_b)

式中，A_b为热电偶测温点面积；h为对流换热系数；T_f为待测火焰真温；T_b为热电偶测温点温度；

辐射项的公式为：

式中,σ＝5.67W/(m²·K⁴)，为黑体辐射常数；ε_b为热电偶测温点的发射率

ε_b＝9.63×10^-5T_b+0.05

由于炉壁的温度T_w远远低于测量点的温度T_b，因此，

可以忽略不计；

步骤2.2：由以上过程能量方程可表示为：

通过测量得到热电偶测量点温度T_b,则T_f可由该方程通过数值迭代方法求解。

3.根据权利要求1所述的基于多光谱测量得到生物质火焰发射率分布的方法，其特征在于，所述步骤4中将实际火焰光谱辐射强度I表示为：

I＝ε×I_b。

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