輻射管輻射管的加熱效率

加熱爐的熱能一般采用天然氣等可燃?xì)怏w燃燒來提供，但是可燃?xì)怏w在燃燒的過程中產(chǎn)生的有害氣體會(huì)破壞爐內(nèi)熱處理所需要的環(huán)境，因此發(fā)明了輻射管使可燃?xì)怏w在輻射管內(nèi)燃燒，其熱能由輻射管輻射到爐內(nèi)，這樣有害氣體就不會(huì)破壞爐內(nèi)環(huán)境。但是由于輻射管通過管壁輻射加熱工件，其加熱效率關(guān)系到熱處理的效率，因此輻射管的加熱效率是輻射管的主要特性之一。最早的輻射管是由德國在20 世紀(jì)30 年代發(fā)明并使用的，其結(jié)構(gòu)為單層直管式，水平或垂直穿過爐膛; 直到50 年代初U 型輻射管才問世; 為了提高提高輻射管的加熱效率，在U 型輻射管的基礎(chǔ)上發(fā)明了W 型輻射管; 隨著技術(shù)的進(jìn)步又出現(xiàn)了P 型輻射管，輻射管的典型型式。為了進(jìn)一步提高輻射管的加熱效率，在各種型號(hào)輻射管的基礎(chǔ)上又發(fā)明了麻面輻射管，其加熱面積比光面輻射管增加30%以上，大大提高了輻射管的加熱效率。這一過程基本上沿著兩條技術(shù)進(jìn)化路線發(fā)展:

1) 幾何形狀的進(jìn)化路線--各子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)與超系統(tǒng)的形狀要相互協(xié)調(diào)，其中的一條進(jìn)化路線為幾何形狀的進(jìn)化: 直線→2D 線→3D 線→復(fù)雜線。按照這條進(jìn)化路線描述提高輻射管加熱效率的進(jìn)化過程: 系統(tǒng)正處于進(jìn)化的2D 曲線階段，可以將輻射管設(shè)計(jì)為3D 曲線以提高輻射管的加熱效率，如將輻射管設(shè)計(jì)成波紋管。

2) 表面形狀的進(jìn)化路線: 平滑表面→帶有凸起的表面→粗糙表面→帶有活性物質(zhì)的表面。按照這條進(jìn)化路線描述提高輻射管加熱效率的進(jìn)化過程: 系統(tǒng)正處于進(jìn)化的帶有凸起的表面階段，可以增加輻射管表面凸起的數(shù)量或?qū)⑤椛涔鼙砻嬖O(shè)計(jì)為粗糙表面以提高輻射管的加熱效率 。

輻射管廣泛應(yīng)用于加熱爐，是加熱爐的主要加熱元件。使用的輻射管主要分為兩大類: 燃?xì)廨椛涔芎碗娂訜彷椛涔?。其中燃?xì)廨椛涔艿臒嵝时入娂訜彷椛涔芨咭槐蹲笥摇Ｒ虼?，燃?xì)廨椛涔苁俏磥磔椛涔艿陌l(fā)展趨勢(shì)。在現(xiàn)代市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，輻射管企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，為提高市場(chǎng)份額，各企業(yè)對(duì)輻射管不斷改進(jìn)。但是技術(shù)創(chuàng)新非常困難，要想降低輻射管的研發(fā)成本，企業(yè)研發(fā)人員就要準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，并采用實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新和快速設(shè)計(jì)的理論方法和工具，在創(chuàng)新理論指導(dǎo)下的創(chuàng)新實(shí)踐將會(huì)事半功倍。

產(chǎn)品及其技術(shù)的發(fā)展總是遵循一定的客觀規(guī)律，而且同一條規(guī)律往往在不同的產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)域被反復(fù)應(yīng)用，即任何領(lǐng)域的產(chǎn)品改進(jìn)、技術(shù)的變革過程都是有規(guī)律可循的，所有技術(shù)的創(chuàng)造與升級(jí)都是向最強(qiáng)大的功能發(fā)展的。TRIZ 技術(shù)進(jìn)化理論是專門研究技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的，它經(jīng)歷了傳統(tǒng)的TRIZ 進(jìn)化理論、TRIZ 進(jìn)化理論發(fā)展和直接進(jìn)化理論3個(gè)階段，有技術(shù)進(jìn)化理論(ET)、技術(shù)進(jìn)化引導(dǎo)理論(GTE)和直接進(jìn)化理論(DE)等多種形式。TRIZ技術(shù)進(jìn)化理論是專門研究技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的，技術(shù)進(jìn)化理論反映的是技術(shù)系統(tǒng)、組成元件、系統(tǒng)與環(huán)境之間在進(jìn)化過程中重要的、穩(wěn)定的和重復(fù)性的相互作用，且每種進(jìn)化法則都包含不同數(shù)目的具體進(jìn)化路線和模式。

運(yùn)用TRIZ的技術(shù)進(jìn)化理論分析了輻射管各個(gè)主要性能的進(jìn)化過程，并總結(jié)和歸納了其進(jìn)化路線，在此基礎(chǔ)上對(duì)其未來的發(fā)展方向進(jìn)行預(yù)測(cè)，為企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的創(chuàng)新和開發(fā)提供參考 。

為了提高輻射管的熱效率，最直接的辦法就是增加輻射管的長度，提高煙氣在輻射管內(nèi)的流動(dòng)時(shí)間，使煙氣與輻射管充分進(jìn)行熱交換。但是輻射管長度過大就會(huì)帶來強(qiáng)度、剛度以及制造安裝方面的問題，影響輻射管的使用壽命。后來又不斷改進(jìn)燒嘴的結(jié)構(gòu)，使燃?xì)馀c助燃空氣充分混合后充分燃燒，進(jìn)而提高輻射管的熱效率。

20 世紀(jì)70 年代以后，出現(xiàn)了蓄熱式燃燒技術(shù)，發(fā)明了蓄熱式燒嘴，用來回收煙氣余熱，大大減少了能源的浪費(fèi)。20 世紀(jì)90 年代初，蓄熱式燃燒技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，換向閥和控制系統(tǒng)的可靠性也得到改善，熱效率大幅提高至70%～ 90%。蓄熱式燃燒技術(shù)的工作原理: 助燃空氣經(jīng)過四通換向閥由助燃空氣通道進(jìn)入A 燒嘴，經(jīng)A 燒嘴的蓄熱體加熱后與煤氣混合在輻射管內(nèi)燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饬鹘?jīng)輻射管后進(jìn)入燒嘴B，加熱燒嘴B 內(nèi)的蓄熱體后由煙道排出。經(jīng)過一段設(shè)定的時(shí)間后通過四通換向閥與煤氣換向閥改變助燃空氣與煤氣的流向，助燃空氣經(jīng)過四通換向閥由助燃空氣通道進(jìn)入B 燒嘴，經(jīng)過B 燒嘴內(nèi)的蓄熱體加熱后與煤氣混合燃燒，燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過A 燒嘴由煙道排出，在經(jīng)過A 燒嘴的同時(shí)加熱A 燒嘴內(nèi)的蓄熱體。冷空氣和高溫?zé)煔馊绱私惶娴牧鹘?jīng)A、B 燒嘴的蓄熱體，通過蓄熱體交換熱量。

蓄熱式燃燒技術(shù)可以將排出的煙氣溫度降低至200 ℃以下，大大提高了輻射管的熱效率。這一提高熱效率的過程勾勒出輻射管向超系統(tǒng)進(jìn)化的技術(shù)發(fā)展路線:

向超系統(tǒng)的進(jìn)化路線--當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)自身發(fā)展到極限時(shí)，它向著變成一個(gè)超系統(tǒng)的子系統(tǒng)方向進(jìn)化，通過這種進(jìn)化，原系統(tǒng)升級(jí)到一種更高的水平，其中的一條進(jìn)化路線為: 單系統(tǒng)→雙系統(tǒng)→多系統(tǒng)。按照這條路線描述提高輻射管加熱效率的進(jìn)化過程: 系統(tǒng)正處于進(jìn)化的最后階段 。

輻射管表面溫度分布的均勻性作為衡量輻射管的一個(gè)重要的技術(shù)性能指標(biāo)，它影響輻射管的加熱能力、加熱質(zhì)量以及輻射管的使用壽命。U和W型輻射管的應(yīng)用最廣泛，因此以U型和W型輻射管作為研究對(duì)象。

最初的輻射管只在一端安裝燒嘴，輻射管兩端溫差較大。為改善輻射管表面溫度分布的均勻性，在輻射管內(nèi)設(shè)置若干芯塊，芯塊使得高溫氣體充滿輻射管，加強(qiáng)了高溫氣體與管壁間的對(duì)流換熱，尾部溫度有所提高。后來為提高輻射管溫度均勻性，在輻射管兩端都裝有燒嘴，采用脈沖燃燒技術(shù)提高了輻射管溫度分布的均勻性。在脈沖燃燒的基礎(chǔ)上，通過改變兩端燒嘴的燃燒換向時(shí)間可以進(jìn)一步提高輻射管溫度分布的均勻性。

輻射管表面溫度分布的均勻性與火焰的長度密切相關(guān)。最初的燒嘴只能進(jìn)行一級(jí)燃燒，在此基礎(chǔ)上經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)了可兩級(jí)燃燒的燒嘴，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)燒嘴中一次空氣和二次空氣的配比，可以有效地控制火焰長度，改善輻射管表面溫度分布的均勻性。

蓄熱式燃燒技術(shù)的出現(xiàn)大大提高了輻射管的溫度均勻性。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn): 隨著空氣預(yù)熱溫度的增加，輻射管表面最大溫差逐漸減小，溫度不均勻系數(shù)也隨之變小。在這一過程中有兩條技術(shù)進(jìn)化路線:

1) 向超系統(tǒng)的進(jìn)化路線: 單系統(tǒng)→雙系統(tǒng)→多系統(tǒng)。按照這條進(jìn)化路線改善輻射管表面溫度分布均勻性的進(jìn)化過程 ( 注:控制系統(tǒng)改為蓄熱體) ，系統(tǒng)正處于進(jìn)化的最后階段。

2) 頻率協(xié)調(diào)進(jìn)化路線單個(gè)物體( 火焰) : 連續(xù)運(yùn)動(dòng)→脈沖→周期性作用→增加頻率→共振。按照這條進(jìn)化路線描述提高輻射管溫度分布均勻性的進(jìn)化過程，系統(tǒng)正處于進(jìn)化的周期性作用階段，可以進(jìn)一步改善兩側(cè)燒嘴的燃燒周期或者向增加頻率的方向發(fā)展，如提高兩側(cè)燒嘴交替燃燒的頻率以提高輻射管溫度分布的均勻性 。

加熱爐所用的輻射管數(shù)量大、價(jià)格昂貴，例如某退火爐所用的輻射管共128 根，每根價(jià)格為3.7 萬元，如果每根的使用壽命提高0.5 ～ 1 年，則會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，如何提高輻射管的使用壽命具有很高的研究價(jià)值。影響輻射管使用壽命的主要因素有輻射管的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和制造工藝、輻射管內(nèi)的燃燒氣氛、安裝結(jié)構(gòu)和維護(hù)、輻射管表面溫度分布的均勻性、生產(chǎn)工藝及操作水平等。

常用的U 型或W 型輻射管質(zhì)量較大，在使用過程中，在交變熱應(yīng)力和自身質(zhì)量的共同作用下，易發(fā)生彎曲疲勞損壞及蠕變變形損壞。為減小輻射管的變形，在每個(gè)彎頭處設(shè)置有與輻射管一體的固定支撐結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)支撐在爐壁上。為適應(yīng)輻射管的熱漲與冷縮變形，在燒嘴側(cè)的出口與爐蓋之間設(shè)置膨脹節(jié)，通過膨脹節(jié)的補(bǔ)償，避免了裂紋的產(chǎn)生，提高了輻射管的使用壽命。同時(shí)將輻射管彎頭處的固定支承改為浮動(dòng)支撐，進(jìn)一步減小了裂紋的產(chǎn)生。提高輻射管使用壽命的技術(shù)進(jìn)化路線為:柔性進(jìn)化路線: 剛體系統(tǒng)→單鉸鏈系統(tǒng)→多鉸鏈系統(tǒng)→柔性系統(tǒng)→場(chǎng)連接系統(tǒng)。按照這條進(jìn)化路線提高輻射管使用壽命的進(jìn)化過程: 輻射管正處于多鉸鏈系統(tǒng)階段，可以進(jìn)一步提高輻射管的柔性，使之成為柔性系統(tǒng)，進(jìn)而向場(chǎng)連接系統(tǒng)進(jìn)化，如利用磁懸浮原理，使輻射管懸空 。

1) 為了提高輻射管的加熱效率，可以將輻射管的形狀設(shè)計(jì)成3D 曲線或者增加輻射管表面凸起的面積。

2) 對(duì)于提高輻射管熱效率及表面溫度均勻性的研究已經(jīng)超出了輻射管的范疇，而向更高層次的超系統(tǒng)方向發(fā)展。

3) 提高輻射管使用壽命的主要研究方向是改善輻射管的受力狀態(tài)，其主要措施是提高輻射管的柔性。

4) 通過TRIZ 技術(shù)進(jìn)化理論對(duì)輻射管各主要性能的分析和總結(jié)可知: 未來輻射管主要沿著向超系統(tǒng)的方向發(fā)展，為提高輻射管的性能，就要綜合考慮輻射管的各個(gè)子系統(tǒng)的性能，并不斷引進(jìn)新的子系統(tǒng)。此外，為提高輻射管的加熱效率，應(yīng)主要考慮增加輻射管的表面積，在改進(jìn)的過程中主要研究輻射管的幾何形狀的改變對(duì)輻射管加熱效率的影響。因此，沿這兩個(gè)方向進(jìn)行輻射管的研究與開發(fā)，將會(huì)對(duì)輻射管綜合性能的提高起到重要的推動(dòng)作用 。

輻射管加熱器產(chǎn)生的表面溫度，在離燃燒器2m范圍內(nèi)大約有450℃，在U字型輻射管的出口降低到大約有150℃，輻射熱借助一個(gè)不銹鋼或拋光鋁制的反射罩向下部投射。輸出功率一般為10~38kW。單臺(tái)輻射管加熱器配備有完善的燃燒控制系統(tǒng)，包括一個(gè)吹掃程序、自動(dòng)點(diǎn)火、熄火保護(hù)和一個(gè)空氣流量開關(guān)。燃?xì)庥袑Ｓ谜{(diào)壓器控制或通過零壓調(diào)壓器，按恒定空/燃比控制。

輻射管加熱器不僅可以單臺(tái)應(yīng)用，而且可以串聯(lián)多臺(tái)應(yīng)用。用作多臺(tái)串聯(lián)時(shí)，應(yīng)將輻射管按照需要位置，先加工或串聯(lián)成歧管狀，用一臺(tái)大流量風(fēng)機(jī)供風(fēng)或引風(fēng)機(jī)抽風(fēng)。圖2為應(yīng)用于車庫的串聯(lián)輻射管，系統(tǒng)由四臺(tái)引風(fēng)式輻射管串并聯(lián)組成，燃燒煙氣由一臺(tái)引風(fēng)機(jī)排至室外，一般燃燒器帶鑄鐵燃燒室并采用法蘭連接到輻射管上。車庫溫度由高效率傳感器監(jiān)控，溫度波動(dòng)可達(dá)±5℃，熱效率不低于90%。