燃气取暖器热辐射能测试台研制

2018-09-27

五金科技 2018年4期

0、引言

由于制造业快速发展国内燃气具出口到欧美的数量迅猛增长，为了促进企业健康发展，我中心与北美CSA、UL及欧盟KIWA-Gastec、SGS、TVU和IMQ等十多个检测认证机构进行合作，为企业开展CSA和CE认证检验服务，实现出口认证检验本地化，促进企业产品出口得到较大发展。由于国内室外燃气具发展原来基本是空白，经过十多年努力我实验室根据出口认证国外标准要求，完善了许多检测设备，但燃气热辐射性能检测缺失成为检测的瓶颈，关系到此项目的产品要拿到国外检验，时间长、费用大，因此急需建立满足北美及欧洲标准要求的热辐射性能检测条件，并为研究向四周空间辐射的各种能量利用奠定基础，推动我国测试及能源利用水平。

国外的法规、标准对燃气热辐射产品有明确的要求，使我国燃气具产品出口到欧美国家受到了极大的限制，我中心研究此测试系统，在于为企业提供技术服务，帮助企业进行出口产品的设计验证，为产品的改进和提高提供依据；同时在国内开展燃气具热辐射的相关基础测试研究工作，掌握辐射燃烧传热的测试方法和燃烧器测试技术，为我国的燃气具研发提供测试平台。

1、系统目标

本测试系统的首要目标是能够检测燃气采暖装置的热辐射能力以及辐射范围，其最为核心的指标是燃气采暖装置在一定时间范围内所产生的热辐射总量（radiant flux），也称为热辐射功率（radiant power）。

测试系统还可以根据测量得到：（1）被测装置在任何方向的辐射强度；（2）通过数值计算得到测量点的温度；（3）得到被测装置通过热辐射在一定的外界环境下形成的温度场分布。

2、涉及到该检测项目要求的相关标准：

需要进行热辐射强度项目检测表1所示

表1 涉及热辐射检测的标准

3、主要技术指标为：

·辐射能量测量精度：≤±0.5%；

·测量范围：0～31.9kW/m2 ；

·灵敏度：22.3kW/m2mv；

·温度测量范围：-250℃～280℃；

·温度测量精度：≤±2%；

·电源：AC220V 50Hz 6.5kW。

4、设计思路：

本系统主要的测试对象是燃气燃烧器具，因其形状、结构、尺寸及气源不同则辐射效果差异很大，首要解决的问题是测试系统的广泛适用性，即不同情况下均能准确客观反映测量实体的辐射效果，本系统研发时要充分考虑不同频段光谱及易变换的测试阵列，同时、还要考虑采取数据的点成空间开展的网状，且可空间旋转，即阵列可变等因素。以保证能够得到燃烧火焰的温度场的等温曲线，准确进口积分处理，获得准确进行的辐射测量值。系统技术难点：

4.1 热辐射的测量：由于热辐射是通过波的形式进行传递的，被测装置的热辐射具有一定的波长范围（可见光到6000纳米），跨可见光和红外区域；因此测量探头需要可以接受这些波长范围的热辐射，同时还需要有较高的精确度、灵敏度和稳定持久的性能。

4.2 包络面的获得：由于测量是被测装置在一定时间内的所有热辐射量。这就意味着需要测量出被测装置穿过某一包络面所有热辐射量。以往的检测通常是做一个网络球面来作为包络面。但这对于本系统是不合适的，因为（1）本系统测量对象几何尺寸跨度大（从0.7米到2米），无法做一个合适的网状球面；（2）网状球面需要大量的测量探头，对于本系统可能多达120个，这个成本是巨大的，而且使用也不是很方便。因此需要采用空间变换模型来实现一个包络面。

4.3 空间变换模型的建立：空间变换模型实质上就是通过有限测量点采用数学模型的方法最终还原出实际的包络面。建立空间变换模型需要采用微积分、数学变换以及数值分析计算等多种数学工具，根据热辐射的物理特征，通过编写的软件来完成。

4.4 自动控制与测量要求的协同：为了实现空间变换模型，达到测量目的，需要通过自动控制手段来达到。这就需要两者之间建立良好的协同关系。

5、重点解决的关键技术问题及先进性

5.1 热辐射短波、中波和长波全波段能量测试

当原子内部的电子受激和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发射电磁波向空间传播，这就是辐射。如果由于自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传播，就称为热辐射。电磁波的波长范围可从几万分之一微米到数千米，它们的名称和分类图1：

图1 电磁波谱图

通常把λ=0 .1～100µm范围的电磁波称为热射线，其中包括可见光线、部分紫外线和红外线，它们投射到物体上能产生热效应。热辐射的大部分能量位于红外线区段的0.76～20µm范围内，其余的能量落在可见光部分和紫外线部分。热辐射的能量按波长的分布如图2：

图2 热辐射能量分布图

但是，目前大部分热辐射能量测试系统对波长的吸收均具有选择性，因此，无法测定热辐射全波段的能量，造成测试结果的偏差。针对这一问题，本热辐射能效测试系统采用热电堆型热阻式热流计，它对于热辐射的波长没有选择性，所有通过热流计所在位置的热辐射都将被吸收，因此能测量全波段的热辐射能量。热电堆型热阻式热流计的结构如图3所示：

图3 热电堆型热阻式热流计结构图

热电堆型热阻式热流计测量热辐射流量的原理是：当有热辐射通过热流计时，在热流计的热阻层上产生温度梯度，根据付立叶定律就可以得到通过热流计的热流密度。设热流矢量方向是与等温面垂直：

式中：ΔT为两等温面的温差；ΔX为两等温面之间的距离。

只要知道热阻层的厚度ΔX，通过测到的温差ΔT就可以知道通过的热流密度。当用一对热电偶测量温差ΔT时，这个温差是与热流密度成正比的。温差的数值也与热电偶产生的电动势的大小成正比例，因此测出温差热电势就可以反映热流密度的大小：

式中：C为热流计比例系数，单位W/m2⋅mv；E为热流计温差热电势，单位mv

热流计比例系数是热阻式热流计的重要性能参数，其数值的大小反映了热流计的灵敏度。值越小则越灵敏，有时把该值的倒数称为灵敏度。为了提高热流计的灵敏度，需要加大热流计的输出信号，因此就需要将众多的热电偶串联起来形成热电堆，这样测量的热阻层两边的温度信号是串连的所有热电偶信号的逐个叠加，信号大能反映多个信号的平均特性。

本热辐射能效测试系统采用的热电堆型热阻式热流计是法国Captec公司生产的热流辐射传感器，共14个。每个传感器如图4所示，尺寸为30mm×30mm。

图4 Captec公司的标准热流辐射传感器

热流辐射传感器性能先进，其技术指标达到或超过产品技术标准规定的设备技术指标，它们的对比如表2：

表2 选用的热流传感器与标准要求的设备指标比较

由上可见，本热辐射能效测试系统采用的热流辐射传感器可以满足产品技术标准规定的设备技术指标对系统提出的技术要求。

5.2 测试包络面的获得

由于是测量被测装置在一定时间内发出的所有热辐射量，这就意味着需要测量出被测装置穿过某一包络面的所有热辐射量。以往的检测通常是做一个网络球面来作为包络面。但这对于本系统是不合适的，首先是本系统测量对象几何尺寸跨度大（从0.7米到2米），无法做一个合适的网状球面，因此需要采用空间变换模型来实现一个包络面。

本热辐射能效测试系统建立了一个空间变换模型，通过有限的测量点，最终还原出实际的包络面。测试系统的空间变换模型建立过程如下：

测试系统的14个热辐射传感器如图5所示，布置在一个测试环上。若使用地球的经线和纬线的坐标概念，则相当于14个传感器布置在同一条经线上，每个传感器在纬度上相差10°。

图5 热电堆传感器在测试环上安装位置的示意图

测试环不动，红外辐射器具在转盘的带动下自转一周，相当于红外辐射器具不动，测试环绕红外辐射器具转动一周。转盘每次转动10°，相当于测试环每次转动10°。由此，围绕红外辐射器具就形成了一个网状包络面，如图6所示。设定测试的初始位置为经度0°，1号传感器的纬度为0°，2号传感器的纬度为10°，……，如此类推，14号传感器的纬度为130°。

图6 辐射测试仪形成的网状包络面空间示意图（图中球状物是热辐射传感器）

在图6所示的测试系统形成的网状包络面里，每条经线与纬线的交点，就相当于一个热辐射传感器。在整个网状包络面上，相当于共有504个热辐射传感器。经线与纬线相交，还在网状包络面上划分了多个网格。相邻两根经线划分成的曲面，由通过曲面的纬线划分成了13个网格曲面，我们编号为网格S1、网格S2、……、网格S13。传感器到网状包络面圆心的距离是1.5米，因此，可以计算出13个网格曲面的面积如表3：

S1 S3 S5 S7 S9S11 S130.0060 0.0289 0.0484 0.0620 0.0682 0.0661 0.0561

设在0°经线上，1号传感器测出的热辐射强度是q（1,0），2号传感器测出的热辐射强度是q（2,0），……，14号传感器测出的热辐射强度是q（14,0）；在10°经线上，1号传感器测出的热辐射强度是q（1,1），2号传感器测出的热辐射强度是q（2,1），……，14号传感器测出的热辐射强度是 q（14,1）；……，如此类推，在第350°经线上，i号传感器测出的热辐射强度是q（i,35）。

在我们这个数学模型中，由于热辐射传感器足够多，因此我们认为每个网格曲面中的热辐射强度都是接近均匀的。同时，设定每个网格上的平均热辐射强度等于网格上相邻两个传感器测得的热辐射强度值的平均值。因此，单个网格上的热辐射能量值是：