金屬纖維紅外輻射采暖器的開發(fā)

袁 健，張 潔

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)工程系，江蘇 南通 226010)

金屬纖維紅外輻射采暖器的開發(fā)

袁 健，張 潔

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)工程系，江蘇 南通 226010)

為降低采暖能耗，解決室內(nèi)污染物排放超標(biāo)的問題，將金屬纖維紅外燃燒技術(shù)與輻射采暖技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種金屬纖維紅外輻射采暖器，該系統(tǒng)主要包括燃燒控制器、風(fēng)機(jī)、燃?xì)怆姶砰y、燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥、空氣-燃?xì)饣旌掀?、點(diǎn)火針、金屬纖維等部件。通過對(duì)該輻射傳熱模型的理論分析給出了采暖器安裝高度的計(jì)算方法，并利用實(shí)驗(yàn)手段研究該采暖器的各項(xiàng)工作性能。結(jié)果表明，該采暖器工作120 min后，房內(nèi)溫度15～22 ℃，平均18～19 ℃(目標(biāo)17 ℃)，已達(dá)到采暖要求；實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)0～20 min溫度上升速度較快，20 min后溫度上升較緩慢，采暖器工作120 min后，物體溫度約高于空氣溫度2.8 ℃。當(dāng)空燃比介于1.1～1.5時(shí)，CO與NOx的排放量均低于50×10-6，已達(dá)到污染物排放標(biāo)準(zhǔn)；隨空燃比增加，CO與NOx的排放量降低，且CO排放量降低更為顯著。通過對(duì)系統(tǒng)的輻射傳熱模型理論分析，給出安裝高度與功率、輻射表面尺寸定量關(guān)系。

采暖器； 輻射； 金屬纖維； 紅外燃燒技術(shù)； 空燃比； 污染物排放

0 引 言

隨著建筑能耗不斷攀升，建筑節(jié)能引起了越來越廣泛的關(guān)注。在建筑能耗中，采暖能耗占較大比例，因此，降低建筑的采暖能耗對(duì)于建筑節(jié)能具有重要的意義。目前，采暖方式主要分為對(duì)流采暖與輻射采暖，而對(duì)于大型工業(yè)建筑而言，對(duì)流采暖方式并不適用，一方面，由于熱空氣的上升，大量熱量集中在建筑物的上部，造成了能量的浪費(fèi)；另一方面，空間內(nèi)溫度分布不均勻，人體的熱舒適感較差[1-3]。對(duì)于輻射采暖方式而言，空間內(nèi)的物體直接吸收輻射表面輻射的熱量，傳熱方式更加直接，且人體在輻射采暖房間內(nèi)的體感溫度可低于真實(shí)環(huán)境溫度2～3 ℃[4-5]，因此設(shè)計(jì)溫度可降低2～3 ℃，一定程度上節(jié)約了能源。燃?xì)廨椛洳膳煞譃檩椛涔苁胶椭比际絻煞N類型。輻射管式采暖器主要由燃燒系統(tǒng)和輻射系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，輻射管表面溫度只有550 ℃左右[6]，功率相對(duì)較小，若要獲得較大功率，輻射管必須做到足夠粗、足夠大，這嚴(yán)重影響了廠房的使用空間，不適用于高大空間廠房。直燃式紅外輻射采暖是指空氣與燃?xì)獾幕旌蠚怏w直接在輻射表面燃燒并向外輻射電磁波，但是，由于大量煙氣直接排到室內(nèi)，故直燃式紅外輻射采暖一般存在室內(nèi)污染物(如CO、NOx等)超標(biāo)的問題[7-9]。

為了同時(shí)解決大功率輻射管采暖器粗、笨、大的問題與直燃式采暖器污染物排放超標(biāo)的問題，本文將金屬纖維應(yīng)用到紅外輻射采暖系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一種直燃式金屬纖維紅外輻射采暖器，并通過實(shí)驗(yàn)探究該采暖器的各項(xiàng)工作性能。

1 采暖器的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的金屬纖維紅外輻射采暖器為全預(yù)混式，如圖1所示，系統(tǒng)主要包括燃燒控制器、風(fēng)機(jī)、燃?xì)怆姶砰y、燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥、空氣-燃?xì)饣旌掀?、點(diǎn)火針、金屬纖維等部件。采暖器開始工作前，首先開啟燃燒控制器，在其控制下，風(fēng)機(jī)首先開始工作，進(jìn)行前吹掃，排盡系統(tǒng)中可能殘留的可燃?xì)怏w，防止發(fā)生爆炸事故。然后燃燒控制器打開點(diǎn)火針，使其在金屬纖維表面產(chǎn)生高壓電火花，同時(shí)開啟燃?xì)怆姶砰y，燃?xì)庠谌細(xì)庹{(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)下，由燃?xì)饨尤牍苓M(jìn)入空氣-燃?xì)饣旌掀?，空氣由風(fēng)機(jī)鼓入空氣-燃?xì)饣旌掀?，與燃?xì)庠诨旌掀髦邪凑找欢ǖ目杖急然旌暇鶆?，均勻混合后的燃?xì)?空氣混合物被壓入采暖器的頭部，并在金屬纖維外表面進(jìn)行燃燒，在輻射表面形成熾熱的火焰層，同時(shí)向外輻射電磁波，加熱室內(nèi)物體。隨后點(diǎn)火針自動(dòng)切換到火焰探測(cè)模式，一旦監(jiān)測(cè)到燃燒器無法正常工作(未點(diǎn)燃或燃燒過程中發(fā)生熄火等異常現(xiàn)象)，燃燒控制器自動(dòng)啟動(dòng)熄火保護(hù)功能，燃?xì)怆姶砰y立刻切斷燃?xì)夤?yīng)，風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行后吹掃，紅燈閃爍進(jìn)行報(bào)警，以保證安全。

圖1 金屬纖維紅外輻射采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金屬纖維紅外輻射采暖器的燃燒系統(tǒng)主要由金屬纖維、點(diǎn)火針以及多孔支撐板等部件組成。預(yù)混氣體在風(fēng)機(jī)的作用下從混合器中流出，進(jìn)入多孔支撐板，從多孔支撐板的小孔流出后均勻分布在金屬纖維表面，并在表面穩(wěn)定燃燒。布置多孔支撐板一方面是為了保證混合氣體能夠在金屬纖維表面均勻分布，燃燒表面無明顯的亮區(qū)與暗區(qū)；另一方面對(duì)金屬纖維起支撐作用，金屬纖維可以平鋪在其外表面。

金屬纖維紅外輻射采暖系統(tǒng)中所使用到的金屬纖維是由Facralloy的合金絲編制而成，纖維表面均勻分布有很多氣孔，具有良好的透氣性[10]。由于這種合金中含有金屬釔，故在1 000 ℃以上的條件下仍具有良好的抗氧化性與抗腐蝕性[11]。此外，金屬纖維的導(dǎo)熱系數(shù)和輻射率都比較高，這有利于混合氣體之間的傳熱，從而增加了發(fā)生燃燒化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域，使得燃燒效率提高。

1.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直燃式金屬纖維紅外輻射采暖器的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)火控制、防爆安全控制、燃燒負(fù)荷控制等基本功能。

自動(dòng)點(diǎn)火控制系統(tǒng)是紅外輻射采暖器實(shí)現(xiàn)燃燒自動(dòng)控制的重要組成部分，小型紅外輻射采暖器常用的點(diǎn)火方式為連續(xù)脈沖電火花直接點(diǎn)火，其正常工作需要考慮電火花能量、點(diǎn)火頻率和點(diǎn)火位置等因素。防爆安全控制系統(tǒng)包括熄火保護(hù)裝置、“前吹掃”與“后吹掃”設(shè)置等。燃燒負(fù)荷控制系統(tǒng)是燃燒系統(tǒng)和紅外輻射采暖系統(tǒng)之間的紐帶，起著重要的銜接作用，本文設(shè)計(jì)的采暖器樣機(jī)中采用的是通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)門大小和燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥開度實(shí)現(xiàn)燃燒負(fù)荷的控制，該方法成本造價(jià)較低，操作簡(jiǎn)單方便。

1.3輔助設(shè)備設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的輔助設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥、空氣-燃?xì)饣旌掀饕约胺瓷湔值?。風(fēng)機(jī)一方面向空氣-燃?xì)饣旌掀髦泄┙o空氣；另一方面為混合氣體提供動(dòng)力，使其能夠流向燃燒系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)功率的大小可以根據(jù)氣體在系統(tǒng)中的阻力損失確定。反射罩布置在金屬纖維兩側(cè)，布置反射罩是為了能夠?qū)⑸倭肯蛏陷椛涞哪芰糠瓷涞较虏靠臻g，減少能量的浪費(fèi)。

2 采暖器安裝高度的理論分析

金屬纖維表面溫度高，輻射能力強(qiáng)，為保證人員安全，在進(jìn)行燃?xì)廨椛洳膳鞯脑O(shè)計(jì)、制造與安裝的一系列過程中，需綜合考慮安裝高度與功率、輻射表面尺寸之間的關(guān)系，以保障人體表面的受輻射強(qiáng)度低于人體所能承受的極限。

在進(jìn)行輻射傳熱的理論分析之前需對(duì)系統(tǒng)的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)：①空氣不吸收輻射能。由于空氣的主要成分為O2和N2，均為雙原子對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故認(rèn)為空氣幾乎不吸收輻射能，加熱空氣的能量主要來源于空氣與周圍環(huán)境的對(duì)流換熱。②忽略人體與周圍環(huán)境之間的輻射換熱。兩表面間的輻射換熱量與熱力學(xué)溫度的4次方成線性關(guān)系，當(dāng)溫差較小時(shí)，輻射換熱量可忽略不計(jì)。相比較人體與輻射表面間的溫差，人體與周圍環(huán)境的溫差較小，故可以忽略人體與周圍環(huán)境之間的輻射換熱。③紅外輻射采暖器的輻射表面為漫射表面，在半球空間的各個(gè)方向上的定向輻射強(qiáng)度相等。

建立如圖2所示的輻射傳熱模型，其中，上表面為輻射表面；下表面為人員頭部的微元面積(人剛好站在輻射表面的正下方時(shí)，接收到的輻射強(qiáng)度最大)。上表面的面積為A2，下部微元面積為dA1，兩者之間的距離為h，在上表面中取任意一點(diǎn)坐標(biāo)為M(x，y)，A1與M點(diǎn)之間的距離為r，A1表面中點(diǎn)與點(diǎn)M之間的連線和下表面、上表面之間的夾角分別為θ1、θ2。

圖2 輻射傳熱模型

采暖器的安裝高度應(yīng)能夠保證人員頭部接收到的輻照度E小于人體所能承受的輻照度極限值Emax。采暖器的輻射表面A2對(duì)人員頭部dA1的角系數(shù)等于人員頭部dA1表面接收到的輻射量與采暖器功率之比，即

XA2，dA1=E·dA1/P

(1)

式中：XA2，dA1為輻射表面A2對(duì)微元表面dA1的角系數(shù)；P為采暖器功率。

根據(jù)角系數(shù)互換定律[12]，有：

XA2，dA1·A2=XdA1·dA1

(2)

根據(jù)角系數(shù)的計(jì)算公式[12]，有：

(3)

(4)

結(jié)合式(1)、(2)與(4)，可得P、E以及h之間的關(guān)系：

(5)

當(dāng)P、E、輻射表面尺寸已知時(shí)，則可求出h。E取Emax時(shí)，所求得的h值為輻射表面距人員頭部的最小高度值hmin，其最低安裝高度Hmin(即安全高度)，

Hmin=hmin+h′

(6)

式中，h′為人員身高。

3 采暖器的實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)條件

選取上海市嘉定區(qū)一實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)驗(yàn)房進(jìn)行測(cè)試，房間尺寸(長×寬×高)：7.2 m×4.2 m×4 m。房間墻壁均為24 cm，雙面抹灰；地面為普通水泥混凝土地面；頂部為普通水泥混凝土屋面；北外窗為單層鋼窗；南門為普通單層木門；房間南側(cè)為走廊，西側(cè)、下側(cè)與上側(cè)為相同的實(shí)驗(yàn)房間，東側(cè)為樓梯間。實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間，房間周邊房間及走廊未啟動(dòng)采暖設(shè)備，室外環(huán)境溫度為9 ℃，風(fēng)速為0.2 m/s。

3.2實(shí)驗(yàn)裝置

由于人體在輻射采暖環(huán)境下的實(shí)感溫度比實(shí)際溫度高2～3 ℃，故輻射采暖的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)低于對(duì)流采暖設(shè)計(jì)溫度2～3 ℃。因?yàn)楸疚难芯繉?duì)象為高溫輻射采暖，所以設(shè)計(jì)溫度取低于對(duì)流采暖設(shè)計(jì)溫度3 ℃合理，即取設(shè)計(jì)溫度為17 ℃。用溫度折減法、修正系數(shù)法、廠家推薦法以及全面負(fù)荷計(jì)算法[13-14]計(jì)算得到房間熱負(fù)荷為10.7、10.5、10.5、9.3 kW，均在10 kW左右，取設(shè)計(jì)余量20%，紅外輻射采暖器的設(shè)計(jì)功率應(yīng)為12 kW。

金屬纖維采用美國MFT公司制造的新型Fe、Cr、Al、Mn合金材料，其設(shè)計(jì)尺寸為0.5 m×0.08 m；燃?xì)?空氣混合器選用上海梅帝燃?xì)庠O(shè)備技術(shù)有限公司的生產(chǎn)的M25型混合器；風(fēng)機(jī)采用瓦斯?fàn)t用鼓風(fēng)機(jī)，型號(hào)為WGFJ-G006，額定功率為25 W，額定風(fēng)量為138 m3/h；燃燒控制器選用上海梅帝燃?xì)庠O(shè)備技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DFC-1控制器；燃?xì)怆姶砰y采用雙24 V燃?xì)怆姶砰y；實(shí)驗(yàn)所用天然氣的熱值為34.2 MJ/m3，密度為0.78 kg/m3，天然氣的消耗量為1.26 m3/h，所需理論空氣量為11.97 m3/m3。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

人員頭部所能忍受的輻照度極限取70 W/m2，設(shè)計(jì)的輻射表面尺寸和功率為：a=0.25 m，b=0.04 m，A2=0.04 m2，P=12 kW，人員高度h′取1.8 m，通過計(jì)算得到安全高度Hmin為4.05 m。由于受實(shí)驗(yàn)條件限制(房間高度僅為4 m)，故在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，將安裝高度降低到3.6 m。輻射表面的安裝位置為房間中央，距地面3.6 m，東西方向放置。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為采暖器工作到120 min時(shí)x軸方向上(y=2.1，z=0、0.2、1.2)的空氣溫度分布，房間內(nèi)初始溫度為10 ℃。由圖4可知，采暖器工作120 min之后，房間內(nèi)的溫度介于15～22 ℃，室內(nèi)平均溫度約18～19 ℃(目標(biāo)溫度17 ℃)，已達(dá)到采暖要求。隨著測(cè)量高度的升高，空氣溫度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這一方面是由空氣吸收少部分輻射能造成的；另一方面是因?yàn)闇y(cè)溫元件(熱電偶頭部)吸收輻射能，使熱電偶自身的溫度升高。在房間中間位置，貼近地面的空氣溫度高于0.2 m高度上的空氣溫度，這主要是由于地面吸收輻射能，溫度高于地表空氣溫度，貼近地面的空氣與地面發(fā)生對(duì)流換熱，使地表空氣溫度升高。

圖4 房間內(nèi)空氣溫度分布(y=2.1)

圖5為測(cè)點(diǎn)(x=3.5，y=2.1，z=1.2)處的空氣溫度與物體溫度(物體表面涂黑)在0～120 min的變化情況。由圖5可知，物體在0～20 min溫度上升速度較快，20 min之后溫度上升趨于平緩，空氣溫度上升相對(duì)較緩慢，這主要是由于物體直接吸收輻射表面發(fā)射的輻射能，而空氣主要是間接與周圍物體通過對(duì)流換熱獲得能量。采暖器工作120 min之后，物體溫度約高于空氣溫度2.8 ℃。

圖5 測(cè)點(diǎn)(x=3.5，y=2.1，z=1.2)處的空氣溫度與物體溫度

圖6為空燃比對(duì)CO與NOx排放量的影響曲線圖。由圖可知，當(dāng)空燃比值介于1.1～1.5時(shí)，CO與NOx的排放量均低于50×10-6，達(dá)到環(huán)境對(duì)于污染物排放量的要求。隨著空燃比的增加，CO與NOx的排放量均降低，CO排放量降低更為顯著，這主要是由于隨著O2含量的增加，作為中間產(chǎn)物的CO可以更多地轉(zhuǎn)化為CO2。

圖6 空燃比對(duì)污染物排放量的影響

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種金屬纖維紅外輻射采暖器，通過理論分析給出了采暖器安裝高度的計(jì)算方法，并利用實(shí)驗(yàn)手段研究該采暖器的各項(xiàng)工作性能，主要結(jié)論如下：

(1) 采暖器工作120 min之后，房間內(nèi)的溫度介于15～22 ℃之間，室內(nèi)平均溫度約18～19 ℃(目標(biāo)溫度17 ℃)，已達(dá)到采暖要求；

(2) 實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)物體在0～20 min溫度上升速度較快，20 min之后溫度上升趨于平緩，空氣溫度上升相對(duì)較緩慢，采暖器工作120 min之后，物體溫度約高于空氣溫度2.8 ℃；

(3) 當(dāng)空燃比介于1.1～1.5時(shí)，CO與NOx的排放量均低于50×10-6，已達(dá)到污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。隨著空燃比增加，CO與NOx的排放量降低，且CO排放量降低更為顯著。

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The Design of Infrared Radiation Heater of Metal Fiber

YUANJian，ZHANGJie

(Department of Marine Engineering,Nantong Shipping College,Nantong 226010， Jiangsu,China)

In order to reduce the energy consumption of heating and solve the problem of exceeding pollutant emission,this paper designs an infrared radiation heater of metal fiber.The calculation method of the installation height of the heater is given through the theoretical analysis,and every work performance is studied by experimental means.The result shows that after the heater working 120minutes,the temperature inside the room is between 15～22 ℃,and the average indoor temperature is about 18～19 ℃ (the target temperature is 17 ℃),it has met the requirements of heating.In the experimental room,within 0～20 minutes,the temperature of objects rises faster,whileafter 20 minutes,the rise of temperature flattens out,the temperature of air rises slowly.After the heater working for 20 minutes,the temperature of the objects increares about 2.8 ℃ than that of the air.When the air fuel ratio is between 1.1～1.5,the emissions of CO and NOxare under 50×10-6,it meets with the standards of pollutant discharge.With the increase of the air fuel ratio,the emission loads of CO and NOxreduce,and the emissions of CO reduces more significantly.Quantitative relationship among installation height,power and radiation surface size is given through the theoretical analysis，which has not been studied by scholars.

heater; radiation; metal fiber; infrared combustion technology; air-fuel ratio; pollutant emission

2016-10-20

袁 健(1966-)，男，江蘇南通人，碩士，副教授，遠(yuǎn)洋輪機(jī)長，主要從事輪機(jī)工程技術(shù)與管理研究。

Tel.：13962805399；E-mail：yuanjian@ntsc.edu.cn

TK 174

：A

：1006-7167(2017)07-0072-04