家用燃气灶具红外辐射光谱实验分析

高乃平， 安 巍， 魏敦崧 ， 彭世尼

(1.同济大学 机械与能源工程学院， 上海 200092；2.重庆大学 城市建设与环境工程学院， 重庆 400030)

1 概述

随着我国经济的发展与人民生活水平的不断提高，家用燃气灶具已在我国得以普及。同时，日趋严峻的能源与环境问题对燃气灶具的设计和开发提出了进一步的节能减排要求。

燃气灶具与烹饪器具间的热量交换主要通过燃烧过程中的烟气对流与火焰辐射两种传热方式进行[1]。其中，由于燃气燃烧过程产生的烟气温度可逾1 000 ℃，辐射传热成为不可忽视的主要换热方式。为了获得优化的燃烧器结构，开发高效节能低排放的新型灶具，近期诸多学者对燃气灶具的燃烧与传热工况进行了广泛的研究。

虽然对燃气燃烧过程中的火焰温度场、流场、污染物的生成等相关参数的研究较为广泛，但燃气火焰作为燃烧的现象表征与能量的释放途径，其辐射光谱蕴含着大量与燃烧特征参数相关的信息[2-4]。因此，从辐射光谱角度分析火焰辐射特征的研究不仅有助于加深对灶具火焰能量分布规律的理解，而且将为灶具结构的精细设计与开发改良提供重要的理论支撑和基础数据。

常规的燃烧诊断对燃烧流场的速度、密度、温度以及燃烧产物的组成和浓度进行检测与研究，包括利用常规的接触式的检测仪器如热电偶、热线风速仪等以及非接触式的光学检测方法等。近期，李飞等人利用可调谐二极管激光器吸收光谱技术对甲烷空气预混平面火焰温度与水蒸气浓度进行了检测研究[5]；刘建胜等人基于斯托克斯拉曼散射对甲烷空气燃烧火焰内不同空间主要组分分子的浓度及温度进行了测量[6]；张虎利用相干反斯托克斯拉曼散射技术检测了丁烷空气扩散火焰的温度[7]等。然而，针对家用燃气灶具火焰辐射光谱特性的研究仍相对缺乏。

目前，在我国的家用燃气灶具市场上，主要存在着两种不同形式的灶具：大气式燃气灶(以下简称大气式灶)和红外式燃气灶(以下简称红外式灶)。两种灶具在燃烧组织方式上有较大的不同。大气式灶的燃烧方式属于部分预混燃烧，而红外式灶则属于完全预混式燃烧。同时，两种灶具的火焰外观存在较大的差异：大气式灶的火焰呈现燃气燃烧特有的淡蓝色火苗结构，红外式灶则没有明显的火焰外形，灶头呈暗红色，分布较为均匀。

然而，上述灶具火焰外观并不能全面描述两种灶具在辐射光谱特别是红外波段上的能量分布规律。因此，笔者搭建了灶具火焰光谱分析测试实验平台，采用红外傅里叶光谱仪对上述两种类型的家用燃气灶具进行火焰辐射光谱实验测量，分析两种灶具在2.5～15.0 μm波段范围内的火焰发射光谱,为从灶具辐射光谱角度全面分析灶具的辐射传热规律进行了有益的尝试。

2 实验仪器与装置

测试实验平台见图1。

图1 竖直和水平测试实验平台

由图1所示，实验平台布置可以分为竖直与水平两种测试模式。在竖直测试模式下，测试灶具水平布置，其上方布置水冷挡板，水冷挡板内部通有冷却水，用于保持水冷挡板的温度与环境温度相同。水冷挡板的中部有一个直径为40 mm的圆孔，圆孔的上方布置一个用于传输辐射信号的反射银镜。在水平测试模式中，灶台与光谱仪均为水平放置，光谱仪的外部光源接收窗口通过挡板观察孔可以检测到火焰的辐射信号。

实验中，选取了来自两个厂商的3个不同型号的灶具，灶具型号与额定热负荷见表1。3个型号灶具的额定供气压力均为2 000 Pa。通过拆解灶具获得的结构信息可知，JZT-HA6B型和JZT-JA型灶具的燃烧组织方式均为部分预混式燃烧，而JZT-i10002B型灶具为完全预混式燃烧器。

表1 灶具型号与额定热负荷

测试开始前，首先通过光谱仪的控制软件将扫描次数设置为10，光谱分辨率设置为1个波数，光源选择设为外部平行准直模式。完成上述设置后，先进行背景辐射信号的检测，以便测试软件自动扣除背景辐射的干扰。待光谱仪完成背景信号采集后，可点燃火焰或打开黑体炉(黑体炉属于辐射测量领域的常规仪器)，进行火焰光谱或黑体辐射光谱测试。供气压力为3 500 Pa时，竖直测试模式实验台布见图2，实验测试仪器及型号参数见表2。

图2 竖直测试模式实验台布置

仪器型号参数光谱仪赛默飞Nicolet iS 50黑体炉福源光电,HFY-206B反射银镜光谱平均反射率0.95热电偶K型热电偶水冷台长×宽×厚:1.2 m×0.6 m×0.06 m光学支架三自由度可调

3 实验与结果分析

① 光谱响应标定

由于光谱仪的电荷耦合元件的响应信号会随着波长发生改变，因此需要利用黑体炉对光谱仪的光谱响应进行标定。依据普朗克定律，黑体的光谱辐射符合如下的规律[8]：

(1)

式中Eλ，b——黑体光谱辐射力，W/(m2·μm)

c1——第一辐射常数，W·μm4/m2，取3.741 5×108W·μm4/m2

λ——黑体辐射波长，μm

c2——第二辐射常数，μm·K，取1.438 8×104μm·K

T——黑体温度， K

光谱仪的响应系数k可按式(2)进行计算：

(2)

式中k——光谱仪的响应系数

不同温度下光谱仪的响应系数曲线见图3。可以看出，在500～1 000 ℃范围内，黑体温度对光谱仪的响应系数的影响不大。实验时，光谱仪的响应系数取温度为500～1 000 ℃下的平均值。当获得了光谱仪的响应系数曲线并且对火焰的辐射光谱辐射力进行测试后，可以按照式(3)计算出灶具火焰光谱辐射力的分布规律。

(3)

式中Eλ，flam——经过标定的火焰光谱辐射力，W/(m2·μm)

图3 不同温度下光谱仪的响应系数曲线

② 不同测试模式下的灶具红外辐射

分别采用竖直与水平两种测试模式对3种型号的灶具进行光谱检测，3种型号灶具在水平和竖直测试模式下的辐射光谱见图4～6。

可以发现：对于这3种灶具，绝大部分的辐射能量均集中在2.5～10 μm波长范围内，在10 μm之后的辐射能量较少，并且在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm两个波段范围内有较强的高温水蒸气与二氧化碳的辐射峰。JZT-HA6B型和JZT-JA型两种燃气灶的辐射光谱非常相似，在水平测试模式下它们的光谱在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm两个波段范围内的辐射峰明显大于JZT-i10002B型红外式灶的对应值，但是在其他波段范围内的辐射峰较弱。

图4 JZT-HA6B在水平与竖直测试模式下的辐射光谱

图5 JZT-JA在水平与竖直测试模式下的辐射光谱

图6 JZT-i10002B在水平与竖直测试模式下的辐射光谱

JZT-HA6B型和JZT-JA型两种燃气灶辐射光谱的相似性表明，尽管这两种灶的灶头结构外形存在差异，但它们应同属于大气式灶(从火焰光谱判断大气式灶和红外式灶的依据为：在波长较长的红外段具有一定的辐射力可认为是红外式灶，而在波长较长的红外段辐射力较低的认为是大气式灶)。它们与红外式灶在燃烧组织方式和灶具辐射光谱特性两个方面都存在着较大的差异。同时，从图4、5可以发现：JZT-HA6B型和JZT-JA型两种燃气灶在竖直与水平测试模式条件下的辐射光谱的形状并无太大的变化，只是在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm两个波段上辐射峰的强度有所差异，其原因主要是两种测试模式下发射源与光谱仪的距离不同。

从图6还可以发现，红外式灶在竖直与水平两种测试模式下的辐射光谱有较大的差异。在水平测试模式下，红外式灶火焰的辐射光谱与大气式灶的实验结果相似；而在竖直测试模式下，火焰的辐射光谱除在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm两个波段范围内有较强的辐射峰之外，在3～10 μm的其他波段同时存在连续型的红外辐射。

为了对比两种大气式灶与红外式灶在光谱分布上的差异，可以按照式(4)～(6)计算出两类灶具在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm两个波段内辐射能量相对于整个测试波段能量的比值，计算式如下：

(4)

(5)

β3=β1+β2

(6)

式中β1——波长2.6～3.1 μm的辐射能量相对整个测试波段能量的比值

β2——波长4.1～4.7 μm的辐射能量相对整个测试波段能量的比值

β3——波长2.6～3.1 μm和波长4.1～4.7μm两个波段的辐射能量相对整个测试波段能量的比值

两种灶具的β值见表3。

表3 两种灶具的β值

由表3可知，JZT-HA6B型和JZT-JA型大气式灶在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm两个波段的辐射能占整个测试波段的比例超过了80%，而红外式灶在这两个波段的辐射能仅占总辐射能的35%。这表明，大气式灶的火焰辐射光谱的能量分布更加集中，而红外式灶火焰辐射的能量分布相对来说更加均匀。

从上述的实验结果可以发现，大气式灶主要是燃烧产物在高温条件下的气体辐射，光谱呈现逐线型或孤立的带状分布特征；而红外式灶的辐射除了高温气体的辐射外，还叠加了被气体加热后的陶瓷或金属孔板等固体介质的二次辐射，其辐射光谱不同于气体辐射，为连续型光谱。同时，由于红外式灶多孔板本身的吸热，使高温气体的辐射强度有一定程度的降低。

③ 供气压力对灶具辐射光谱的影响

为了研究燃气供气压力对大气式灶与红外式灶辐射光谱的影响，我们采用竖直测试模式对JZT-JA和JZT-i10002B两种灶具的辐射光谱进行了测量。在实验中，将灶具本身的调节阀调至最大位置，通过调节供气管道上的压力阀来控制供气压力。

不同供气压力下JZT-JA、JZT-i10002B灶具的火焰外观分别见图7、8。

图7 不同供气压力下JZT-JA灶具的火焰外观

图8 不同供气压力下JZT-i10002B灶具的火焰外观

由图7、8可以看出，实验中随着供气压力的增加，两种燃气灶的火焰形态均发生较为明显的变化。JZT-JA型燃气灶的火焰逐渐变得明亮，火焰高度加长，中心火焰尤为显著；而JZT-i10002B型红外式灶的火焰则由淡蓝色逐渐转变为明亮的紫色，且灶具头部没有明显的火焰。

不同供气压力下JZT-JA、JZT-i10002B灶具辐射光谱分别见图9、10。

图9 不同供气压力下JZT-JA灶具辐射光谱

图10 不同供气压力下JZT-i10002B灶具辐射光谱

由图9、10可以看出，大气式灶的火焰辐射光谱并未发生变化，仅仅是对应辐射峰的光谱辐射力随着供气压力的增加而增大；而红外式灶在不同的供气压力下辐射光谱的变化较为显著，在供气压力为500 Pa时，除了4.1～4.7 μm波段的辐射峰外，其他波段的峰强度较弱；当供气压力增加时，除了燃烧气体的辐射峰增强外，其他波段的连续型辐射强度也逐渐增强。

4 讨论

尽管现行的国家标准规定：燃烧器存在多孔金属或陶瓷网片结构的燃气灶即视为红外式灶。从本文测试获得的结果来看，这一规定存在一定局限性。在本文研究中的JZT-JA型灶具，其中心部分也存在多孔金属网片结构，但无论是从其组织燃烧的方式，还是从灶具火焰光谱特性来看，其依然与红外式灶存在很大的差异，应属于大气式灶。因此，准确区分大气式和红外式灶具，或是两种灶具的混合改良形式，应通过灶具的外形结构、燃烧组织形式、红外波段的光谱特性进行综合判断。

5 结论

① 提出一种基于火焰辐射光谱特性对大气式和红外式灶具进行区别的实验测试方法。采用红外傅里叶光谱仪搭建了实验测试系统，对3个型号灶具的辐射光谱进行了测试与分析。获得了3个型号灶具在2.5～15 μm波段的光谱特性，研究了不同测试模式、供气压力对测试光谱的影响。

② 大气式与红外式灶具的红外辐射光谱仅在2.5～10 μm波段有明显的差异，只有竖直测试模式能够有效区分两种灶具的辐射光谱。

③ 大气式和红外式灶具的辐射光谱在2.6～3.1 μm和4.1～4.7 μm两个波段存在较强的辐射峰。大气式灶的辐射光谱除上述辐射峰之外，在其他波段的辐射较弱，在这两个波段发射的能量超过了总辐射能的80%。

④ 红外式灶除了高温气体的辐射外，还叠加了被气体加热的固体连续型再发射。随着供气压力的增加，大气式灶火焰光谱辐射峰的位置没有改变，辐射峰的光谱辐射力增大。红外式灶除了燃烧气体的辐射峰光谱辐射力增大外，在3～10 μm波段的连续型辐射也明显增大。

⑤ 准确区分大气式和红外式灶具，或是两种灶具的混合改良形式，应通过灶具的外形结构、燃烧组织形式、红外波段的光谱特性进行综合判断。