輻射管加熱器工作原理

應用于低溫加熱或建筑供暖的輻射管，通常制作成結(jié)構(gòu)堅固的長管狀型式，加熱器原理如圖1所示。

輻射管用重型低碳鋼管制作，通常直徑為75~100mm，管長為6~11m為宜，為便于安裝和操作，單臺輻射管多加工成U字型或直管型。燃燒器在管子一端內(nèi)燃燒，煙氣由另一端排出。在公共建筑內(nèi)使用時，煙氣必須通過風機排至室外，燃燒空氣可由鼓風機供給或引風機吸入。

這種加熱器同熱處理輻射管不同之處在于：

(1)表面溫度較低，最高不超過550℃，一般溫度在150~450范圍，熱效率高，不低于90%。

(2)輻射管材質(zhì)為普通低碳鋼管，經(jīng)濟實用，有利于各行業(yè)推廣應用。

(3)輻射管安裝方便，長度不受設備限制，可串聯(lián)也可并聯(lián)使用，因而加熱供暖面積大。

(4)配備有完善酌燃燒安全和控制系統(tǒng)。

輻射管加熱器最早始于金屬熱處理工藝，燃氣在耐熱合金材料制成的輻射管中燃燒，在特殊的爐內(nèi)氣氛下，利用高溫合金鋼管產(chǎn)生的輻射熱對工件進行間接加熱。經(jīng)過熱處理的工件其機械性能顯著提高。

將輻射管加熱器應用于低溫加熱或建筑供暖，是近年來氣體燃燒技術(shù)的新發(fā)展。在燃燒安全和控制技術(shù)成功發(fā)展的基礎(chǔ)上，由于它比傳統(tǒng)的蒸汽或熱水加熱供暖施工簡單靈活且十分經(jīng)濟，因此，作為高架輻射式加熱供暖在國外已獲得廣泛應用。

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。單臺輻射管加熱器配備有完善的燃燒控制系統(tǒng)，包括一個吹掃程序、自動點火、熄火保護和一個空氣流量開關(guān)。燃氣有專用調(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應用，而且可以串聯(lián)多臺應用。用作多臺串聯(lián)時，應將輻射管按照需要位置，先加工或串聯(lián)成歧管狀，用一臺大流量風機供風或引風機抽風。圖2為應用于車庫的串聯(lián)輻射管，系統(tǒng)由四臺引風式輻射管串并聯(lián)組成，燃燒煙氣由一臺引風機排至室外，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，溫度波動可達±5℃，熱效率不低于90%。

(1)做成套管式輻射管，內(nèi)管為燃燒管，外管為輻射管，進氣、排氣都在輻射管的同一端進行，另一端密封，即在輻射管內(nèi)設一不封頭的燃燒管。燃料在燃燒管內(nèi)燃燒后，火焰從燃燒管末端反向流入燃燒管與輻射管的夾層中，返回流到燃料噴入端，而后排出。這樣做是為了延長燃燒距離，使燃燒完全，使火焰與內(nèi)外管進行充分的熱交換。

(2)在輻射管前部的套管夾層間裝設換熱器，利用燃燒產(chǎn)物預熱空氣，可預熱到600℃。

(3)將部分燃燒產(chǎn)物通過噴嘴吸入，參與再循環(huán)，更充分利用熱量，且使沿輻射管長度的溫度均勻。

(4)輻射管水平支承在兩爐墻之間，安裝和更換更方便，且節(jié)省材料。

(5)采用陶瓷輻射管，最高工作溫度達1250℃。2100433B

加熱爐所用的輻射管數(shù)量大、價格昂貴，例如某退火爐所用的輻射管共128 根，每根價格為3.7 萬元，如果每根的使用壽命提高0.5 ～ 1 年，則會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。因此，如何提高輻射管的使用壽命具有很高的研究價值。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、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，在每個彎頭處設置有與輻射管一體的固定支撐結(jié)構(gòu)，安裝時支撐在爐壁上。為適應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置膨脹節(jié)，通過膨脹節(jié)的補償，避免了裂紋的產(chǎn)生，提高了輻射管的使用壽命。同時將輻射管彎頭處的固定支承改為浮動支撐，進一步減小了裂紋的產(chǎn)生。提高輻射管使用壽命的技術(shù)進化路線為:柔性進化路線: 剛體系統(tǒng)→單鉸鏈系統(tǒng)→多鉸鏈系統(tǒng)→柔性系統(tǒng)→場連接系統(tǒng)。按照這條進化路線提高輻射管使用壽命的進化過程: 輻射管正處于多鉸鏈系統(tǒng)階段，可以進一步提高輻射管的柔性，使之成為柔性系統(tǒng)，進而向場連接系統(tǒng)進化，如利用磁懸浮原理，使輻射管懸空 。

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)的流動時間，使煙氣與輻射管充分進行熱交換。但是輻射管長度過大就會帶來強度、剛度以及制造安裝方面的問題，影響輻射管的使用壽命。后來又不斷改進燒嘴的結(jié)構(gòu)，使燃氣與助燃空氣充分混合后充分燃燒，進而提高輻射管的熱效率。

20 世紀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。20 世紀90 年代初，蓄熱式燃燒技術(shù)得到了廣泛應用，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)生的高溫煙氣流經(jīng)輻射管后進入燒嘴B，加熱燒嘴B 內(nèi)的蓄熱體后由煙道排出。經(jīng)過一段設定的時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 燒嘴的同時加熱A 燒嘴內(nèi)的蓄熱體。冷空氣和高溫煙氣如此交替的流經(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)進化的技術(shù)發(fā)展路線:

向超系統(tǒng)的進化路線--當一個系統(tǒng)自身發(fā)展到極限時，它向著變成一個超系統(tǒng)的子系統(tǒng)方向進化，通過這種進化，原系統(tǒng)升級到一種更高的水平，其中的一條進化路線為: 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化過程: 系統(tǒng)正處于進化的最后階段 。

輻射管廣泛應用于加熱爐，是加熱爐的主要加熱元件。使用的輻射管主要分為兩大類: 燃氣輻射管和電加熱輻射管。其中燃氣輻射管的熱效率比電加熱輻射管高一倍左右。因此，燃氣輻射管是未來輻射管的發(fā)展趨勢。在現(xiàn)代市場經(jīng)濟條件下，輻射管企業(yè)的競爭越來越激烈，為提高市場份額，各企業(yè)對輻射管不斷改進。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)人員就要準確的預測產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，并采用實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新和快速設計的理論方法和工具，在創(chuàng)新理論指導下的創(chuàng)新實踐將會事半功倍。

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)域被反復應用，即任何領(lǐng)域的產(chǎn)品改進、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)造與升級都是向最強大的功能發(fā)展的。TRIZ 技術(shù)進化理論是專門研究技術(shù)系統(tǒng)進化的，它經(jīng)歷了傳統(tǒng)的TRIZ 進化理論、TRIZ 進化理論發(fā)展和直接進化理論3個階段，有技術(shù)進化理論(ET)、技術(shù)進化引導理論(GTE)和直接進化理論(DE)等多種形式。TRIZ技術(shù)進化理論是專門研究技術(shù)系統(tǒng)進化的，技術(shù)進化理論反映的是技術(shù)系統(tǒng)、組成元件、系統(tǒng)與環(huán)境之間在進化過程中重要的、穩(wěn)定的和重復性的相互作用，且每種進化法則都包含不同數(shù)目的具體進化路線和模式。

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