輻射管

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(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(shè)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 。

輻射管表面溫度分布的均勻性作為衡量輻射管的一個重要的技術(shù)性能指標，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，加強了高溫氣體與管壁間的對流換熱，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間可以進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)。最初的燒嘴只能進行一級燃燒，在此基礎(chǔ)上經(jīng)改進設(shè)計了可兩級燃燒的燒嘴，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)進化路線:

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

2) 頻率協(xié)調(diào)進化路線單個物體( 火焰) : 連續(xù)運動→脈沖→周期性作用→增加頻率→共振。按照這條進化路線描述提高輻射管溫度分布均勻性的進化過程，系統(tǒng)正處于進化的周期性作用階段，可以進一步改善兩側(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 。

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(yù)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(shè)計的理論方法和工具，在創(chuàng)新理論指導(dǎo)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(fù)應(yīng)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(dǎo)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(fù)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(yù)測，為企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的創(chuàng)新和開發(fā)提供參考 。

加熱爐的熱能一般采用天然氣等可燃氣體燃燒來提供，但是可燃氣體在燃燒的過程中產(chǎn)生的有害氣體會破壞爐內(nèi)熱處理所需要的環(huán)境，因此發(fā)明了輻射管使可燃氣體在輻射管內(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)的進步又出現(xiàn)了P 型輻射管，輻射管的典型型式。為了進一步提高輻射管的加熱效率，在各種型號輻射管的基礎(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)進化路線發(fā)展:

1) 幾何形狀的進化路線--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)，其中的一條進化路線為幾何形狀的進化: 直線→2D 線→3D 線→復(fù)雜線。按照這條進化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2D 曲線階段，可以將輻射管設(shè)計為3D 曲線以提高輻射管的加熱效率，如將輻射管設(shè)計成波紋管。

2) 表面形狀的進化路線: 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。按照這條進化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)計為粗糙表面以提高輻射管的加熱效率 。

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(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 。

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

2) 對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)進化理論對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子系統(tǒng)的性能，并不斷引進新的子系統(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，在改進的過程中主要研究輻射管的幾何形狀的改變對輻射管加熱效率的影響。因此，沿這兩個方向進行輻射管的研究與開發(fā)，將會對輻射管綜合性能的提高起到重要的推動作用 。

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(yīng)用，而且可以串聯(lián)多臺應(yīng)用。用作多臺串聯(lián)時，應(yīng)將輻射管按照需要位置，先加工或串聯(lián)成歧管狀，用一臺大流量風機供風或引風機抽風。圖2為應(yīng)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%。