10MW 大尺度燃燒分析裝置最主要的目的是利用所收集之燃燒產 物來進行可燃物熱釋放率之分析。經由之前冷流場之測試，吾人可以得 知不同速率下之流場量測最佳位置，並經由計算取得不同流速下之均速 點，藉此得以在相異流速下將皮托管伸入適當位置測得速度值，以獲得 實驗所需之廢氣流量參數，接著進行設備之性能表現。如何有效地收集 燃燒產物並作完整之分析為本研究之重點。故後續必須藉由觀察煙罩之 煙氣收集狀況及產物相關濃度變化來改進實驗條件，歸納出影響實驗之 相關變數，以建立實驗規範。
本研究為求數據之正確，吾人需要一穩定之燃燒（熱釋放率）、燃 燒火焰顯著易於觀察以及容易購得的燃料，以便於研究分析，故吾人選 擇汽油作為測試燃料。本實驗容器為一63.3cm×63.3cm 之標準不銹鋼容 器，將其固定於一四方形鐵架上並於鐵架四隻腳上分別裝上測重裝置
（load cell）。實驗前先將水倒入之後再注入汽油，一方面防止火焰於實 驗過程中迅速傳熱給汽油，造成突沸狀況，使火焰不穩定；另一方面防 止下方容器受熱變形。之後將其置於方形煙罩正下方點火燃燒並實驗觀 察紀錄。
由之前火焰觀測試驗得知，高度是一相當重要的參數，因此本實驗 利用升降平台以增加油盤高度。每個升降平台為 0.5m 之鋼材結構物組 成，第一次燃燒測試時增加至 8 塊的高度，此時距地面約為 4m，估算 油面高度與煙罩間約為6.5m，整個煙罩周圍與地面相距約為 10.5m。由 於高度限制，應此必須採用高壓電點火裝置放於油盤上方區域來引燃汽 油，實驗前將四周鐵門關閉，以避免風的干擾。
本次實驗初期將風機抽氣頻率設定為 20Hz 當通電後火焰隨即猛烈 燃燒，而火焰下游區則伴隨著濃密黑煙快速的向上竄升，但在接近煙罩 外圍卻有黑煙向外擴散的趨勢。隨著時間的增加，煙罩下緣處可看見煙 霧堆積現象，漏出煙罩的情形則越來越明顯，顯然抽氣效果不彰。因此 吾人將風機之變頻馬達轉速提高至 30Hz 繼續觀察，結果情況改善並非
明顯，且在煙罩上方的實驗場接近屋頂處煙霧累積現象有越來越多趨 勢，但情況依舊如此直到燃燒結束。
對此現象吾人有鑑於實驗初期抽氣量過小造成煙霧堆積後以致於 流場無法穩定，因此第二次將抽氣馬達之頻率增加至 40Hz，然後再次 進行測試，吾人發現整體抽氣效果則有很大的改善，火焰垂直向上燃 燒，煙氣也完全由煙罩所吸入，之後將實驗所測得之各項結果繪於圖 3-28。圖中流量V&（m3/s）為以十秒為單位之平均流速 V（m/s），乘上 風管截面積計算而來，經由廢氣分析儀所測到的氣體分別為 O2、CO、
CO2 以及 HC，氣體濃度單位皆為體積百分率。由圖中結果顯示，O2曲 線呈現大落差的鋸齒狀，加上CO2 之變化並不能和 O2 有相對應之關係 表示整體狀況並不穩定；另一方面HC 以及 CO 的變化也同樣表現出震 盪激烈的現象，但由於此種油盤火焰穩定性不至於有如此結果呈現，因 此可將原因歸咎於抽氣量過大所致，使得氣流相當不穩定，這點可以由 流量大幅度的變化就可以看出。至於溫度曲線則呈現不連續之階梯狀且 跳動明顯，加上反應時間過慢，經討論後發現此數據變化並不符合本實 驗應有之表現，歸咎原因極可能為本裝置之熱電偶外層包覆金屬過厚，
延遲了熱傳速度所致，因此之後之實驗則需要將外圍包覆之金屬拆除。
由前述實驗所觀察之現象和結果發現，雖然煙氣完全進入煙罩，沒 有洩漏，但是整體廢氣分析及流場狀況並不是相當穩定，因此判斷油盤 高度不夠是主要影響參數，而且抽氣量的大小也是影響廢氣濃度的主 因。因此吾人決定將油盤再加上一2m 的鐵架，因此油盤與煙罩間距縮 短至4.5m，並降低風機馬達轉速以提升系統之穩定性。吾人以不同抽氣 頻率（20Hz、15Hz 和 10Hz）做了三次實驗。第一次實驗，將風機抽風 頻率開至 20Hz，燃燒開始後可見火焰熄滅區下游之黑煙快速竄升，且 在進入煙罩前並無往外擴散之傾向，濃煙抽動情況順利良好，整個實驗 過程亦無煙霧堆積現象產生。之後接連兩次將調整風機馬達轉速至 15Hz 及 10Hz，濃煙抽動及進入煙罩情況皆順利良好，顯示油盤高度調 整至適當高度後，整體抽氣效果有大幅改善。
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接著將此三次實驗所獲得之廢氣及流場等資料繪成圖 3-29~3-31。
由結果可以發現，CO2隨著O2的減少而增加，而且O2 有一明顯的凹形 曲線，顯示出穩定的燃燒特性。CO 曲線則表現出油盤燃燒的三階段－
即初始階段、完全燃燒以及燃燒結束，在整個燃燒時間的中後半段出現 高峰值，主要是因為此時火焰燃燒最為旺盛，熱傳能力增強，使汽油表 面漸趨沸騰以致於油氣濃度迅速增加，故形成富油火焰之不完全燃燒現 象。HC 濃度在此三次實驗結果相差不多，表示三次之燃燒狀況相當類 似。流量則維持在穩定的範圍內起伏，隨著馬達頻率減小，越趨於穩定。
廢氣溫度之結果已有改善，反應速率較快，圖中也有出現高峰值，同時 在抽風頻率小的時候溫度曲線較其他敏感，至於煙霧的產量在火焰完全
展開時最大，且趨於一定值，隨著抽氣量的減少而穩定。
在經過穩定之油盤燃燒試驗之後，接著進行熱釋放率之估算，其計 算方法在 3-5-2 節中已有說明，在此不需加以闡述。利用上述三種方法 計算出之熱釋放率（HRR）繪成圖 3-31。由結果可以看出，以 CDG 方 式和OC 方式計算出來的熱釋放率趨勢相當接近，且隨著抽氣馬達轉速 的增加而略為降低，以10Hz 來看，整體熱釋放率約在 0.7MW 附近，而 20Hz 約在 0.6MW，因此可以知道在本實驗條件下，和實際油盤之熱釋 放率估算來作比較，以10Hz 所得到的結果最為正確。至於以 GTR 算出 的熱釋放率則明顯的小很多，約為 0.3MW，主要是因為此方法還是以 熱對流所得到之熱量為主，佔了實際熱釋放率的 50%~60%，如果本實 驗能夠再加上熱輻射計來評估整體熱釋放率，則結果應該會和 CDG 及 OC 相接近。
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Carbon Dioxide Generation 20Hz
t (s) 2003/11/26
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圖 3-32 利用不同計算模式在不同抽氣量下所得到之熱釋放率變化圖