1燃?xì)饧t外輻射加熱技術(shù)

1．1引言

紅外輻射，俗稱紅外線，是一種電磁波。它和可見光、紫外線、x射線以及微波、無線電一樣既具有波動性又具有粒子性，傳播速度約為3x108米／秒，可以在真空中傳播，也可以在介質(zhì)中傳播，具有直射、折射、反射、干涉、衍射等物理現(xiàn)象。它們之間的區(qū)別僅在于波長(或頻率)不同?？梢姽獾牟ㄩL范圍約為0．38—0．75微米，紅外輻射的波長范圍約為0．75—1000微米，波長大于1000微米的為微波和無線電電波。通過三棱鏡可以把可見光分成為紫、藍(lán)、青、綠、黃、橙、紅七種顏色，而紅外輻射的波長比紅光的波長還長，即在光譜的紅色端以外，所以稱之為紅外線，人們的視覺感覺不到它。

燃?xì)馀c其燃燒所需的空氣全部預(yù)混以后，在一定條件下進(jìn)行無焰燃燒，可以直接產(chǎn)生紅外輻射用于各種加熱過程。

燃?xì)饧t外加熱技術(shù)在工業(yè)和民用燃燒設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。實踐證明它比傳統(tǒng)的對流加熱具有投資省、啟動快、效率高、污染少等優(yōu)點。經(jīng)過特殊設(shè)計的紅外輻射器還能夠發(fā)射出波長較長的遠(yuǎn)紅外輻射，對某些物體更有效地加熱，進(jìn)一步節(jié)約能源。

常用的燃?xì)廨椛淦饔薪饘倬W(wǎng)輻射器和多孔陶瓷板輻射器兩種。目前國際上大力發(fā)展各種優(yōu)質(zhì)多孔陶瓷板燃?xì)廨椛淦?，它具有燃燒均勻、輻射波波長較長和不易回火等優(yōu)點。同濟(jì)大學(xué)燃?xì)饧t外研究所采用一種全新的干法成型工藝，研究成功了x型復(fù)合層多孔陶瓷板燃?xì)廨椛淦鳌?/p>

1．2X型多孔陶瓷板燃?xì)廨椛淦鞯难芯?

X型復(fù)合層多孔陶瓷板燃?xì)廨椛淦饔幸韵轮饕Y(jié)構(gòu)特點：

(1)具有高發(fā)射率表面層

多孔陶瓷板燃?xì)廨椛淦髟谡９ぷ鲿r其表面溫度為800—850oC，在這種溫度下其主要的輻射能量波長為2—6微米。然而，普通陶瓷在這一波段內(nèi)的發(fā)射率卻是很低的(見圖2，c)。為了提高輻射器的輻射能力，我們研究了一種高發(fā)射率材料，作為復(fù)合層多孔陶瓷板的表面層。它具有廣譜高發(fā)射率的特點(見圖2，b)，從而彌了陶瓷的缺點，使輻射能力提高。X型復(fù)合層多孔陶瓷板采用干壓法成型工藝，基板和表面層在模具中一次壓成，人窯后一起燒結(jié)，結(jié)合牢固不會脫落。與熱壓鑄成型法相比，干壓法不需要石蠟和制蠟餅工序，不需埋燒脫蠟過程，縮短了燒成周期，并大大提高了窯位的利用率。據(jù)估算，用新的干壓法工藝制造多孔陶瓷板，其原材料、輔助材料和能源的消耗約為熱壓鑄法工藝的1／2左右。

(2)機(jī)械強(qiáng)度和抗熱震性能較好

通過對基板材料配方、粉體制備與燒結(jié)工藝等反復(fù)研究和改進(jìn)，提高了多孔陶瓷板的械械強(qiáng)度。又由于降低了熱膨脹系數(shù)，其抗熱震性能較好，能長期承受冷、熱急變而不破壞。

表1所示多孔陶瓷板的物理性能。從表中可以看出，用干壓法成型的多孔陶瓷板密度較低，而抗折強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)都優(yōu)于國外同類產(chǎn)品的指標(biāo).

(3)燃燒穩(wěn)定性和燃燒完全度好

對X型復(fù)合層多孔陶瓷板燃?xì)廨椛淦?新型輻射器)和市售的多孔陶瓷板燃?xì)廨椛淦鞯臉O限熱強(qiáng)度進(jìn)行測試，其結(jié)果列于表2。從表中可見x型復(fù)合層多孔陶瓷板燃?xì)廨椛淦鞯臉O限熱強(qiáng)度較高，也即燃燒的穩(wěn)定范圍較大。

燃燒完全度可用煙氣中一氧化碳的濃度來衡量。對復(fù)合層多孔陶瓷板進(jìn)行燃燒試驗，其結(jié)果列于表3.將煙氣中一氧化碳Co的濃度(表示換算到a＝1的一氧化碳濃度)和多孔陶瓷板的表面溫度to(oC)繪成曲線表示于圖3，可以看出，額定負(fù)荷下(11kcal／cm2·h)煙氣中Co低于40pPm；當(dāng)熱負(fù)荷在額定值的+20％范圍內(nèi)波動時，C0在100pPm以下?？偟膩碚f，一氧化碳排放量是很低的。

從以上研究和試驗結(jié)果表明，X型復(fù)合層多孔陶瓷板機(jī)械強(qiáng)度較高，而熱膨脹系數(shù)較小，因此使用性能好。用它做成的x型多孔陶瓷板燃?xì)廨椛淦魅紵€(wěn)定，排煙中的C0含量較普通燃燒器大為降低，是一種清潔的綠色燃燒裝置。

1．3多孔陶瓷板燃?xì)廨椛淦鞯膽?yīng)用

燃?xì)饧t外輻射器在各種干燥工藝上得到了廣泛的應(yīng)用。實踐已經(jīng)證明，燃?xì)饧t外輻射器發(fā)出的輻射波長較長，使一些被加熱的物容易吸收，因此已在許多工藝中得到采用，如：

1、紡織、印染工業(yè)中的脫水和樹脂等浸漬物的干燥；

2、油漆、油墨或涂層的烘干；

3、蓄電池的鉛板的預(yù)烘；

4、陶瓷生產(chǎn)的烘干過程；

5、石棉石棉水泥瓦的烘干；

6、紙張和膠合板的干燥；

7、其它。

除了工業(yè)干燥以外，紅外輻射器用于食品烘焙也是非常合適的。許多食品采用燃?xì)饧t外輻射烘烤不僅可以加快烘烤速度，而且色、香、味都比較好。因此現(xiàn)代的家用灶和商業(yè)灶里，安裝了各式各樣的燃?xì)饧t外輻射器。

燃?xì)饧t外輻射器也廣泛用于大空間采暖。輻射采暖不必加熱室內(nèi)空氣，熱量直接被墻壁、天花板、地板等固體表面吸收，人在采暖房間里得到了取暖器和四周維護(hù)物的輻射，感覺比較舒適。此時室內(nèi)空氣可以比對流采暖時低5—10oC，大大節(jié)約了熱能，而燃?xì)廨椛洳膳某跬顿Y和運行費用比對流采暖系統(tǒng)低得多。

下面以上海燈芯絨廠印染車間予烘工段采用天然氣輻射器的實例分析其合理性。

(1)經(jīng)濟(jì)性分析

初投資一采用電加熱板和燃?xì)廨椛淦?，造價基本相同，6萬元運行費一預(yù)烘工段加熱功率為288千瓦

(a)用電成本：288干瓦× 0．73元／千瓦·時＝210元／時

(b)用天然氣成本：

選用RFT—3．0的矩形天然氣輻射器，96只；

每只輻射器耗氣量為0．3米3／時；

總用氣量為96×0．3＝28．8米3／時；

天然氣單價為 2．1元／米3

用氣成本為 28．8米3／時×2．1元／米3＝60．5元／時；

兩種方案比較結(jié)果：用電加熱預(yù)烘的運行成本為天然氣紅外線的3．47倍。

(2)環(huán)境污染程度

分析結(jié)果表明采用天然氣輻射器是比電加熱板合理得多。

2燃?xì)饪照{(diào)的發(fā)展

2．1發(fā)展燃?xì)饪照{(diào)的有利條件

近幾年各大城市和中、小城市建了許多高樓，絕大多數(shù)采用電力驅(qū)動的空調(diào)，以燃?xì)鉃槟茉吹奈帐娇照{(diào)雖已開始發(fā)展，但所占比例甚小。

從國外情況來看，美、日等國十分重視燃?xì)饪照{(diào)的研究與開發(fā)，在大型高層建筑中燃?xì)饪照{(diào)所占比例正在不斷地增加。采用燃?xì)饪照{(diào)不僅可以緩和夏季的用電高峰、填補(bǔ)夏季的用氣低谷，還可以減少一次能源的消費，減少對環(huán)境的污染。

我國發(fā)展燃?xì)饪照{(diào)也已經(jīng)具備有利的條件：

(1)燃?xì)赓Y源豐富 天然氣正從西北、西南向東輸送。

液化天然氣從國外引進(jìn)的第一個項目已經(jīng)確定，第二個項目也開始論證。

代天然氣的數(shù)量不斷增加。液化氣和空氣按各占50％比例混合后，用管道輸送，今后可直接轉(zhuǎn)換成天然氣供應(yīng)。 (2)電力負(fù)荷高峰和燃?xì)庳?fù)荷低谷有待平衡

S市電力負(fù)荷、燃?xì)庳?fù)荷的三年統(tǒng)計資料列于圖4

(3)環(huán)境保護(hù)已成為政府和百姓的共同要求

能源消費是環(huán)境污染的主要來源。

按得到單位熱量消耗一次能源的污染物排放量進(jìn)行比較，各種能源使用時的排放系數(shù)見表5?？梢钥吹剑济核欧诺奈廴疚镒疃?，使用天然氣排放的污染物最少。而使用電能時，由于火力發(fā)電的一次能源利用率僅為0．33，其污染物排放系數(shù)高達(dá)燃煤、燃油時的三倍。因此，從保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，必須改變目前以燃煤和電力為主的能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展燃?xì)饪照{(diào)是今后的一個方向。

以上三種系統(tǒng)中，吸收式系統(tǒng)已為人們所熟悉，具有設(shè)備投資較少、運行工質(zhì)對環(huán)境無害以及維護(hù)方便、無噪聲等優(yōu)點。國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量也不錯，因而使用較多。其缺點是制冷性能系統(tǒng)COP較低，一般為0．8—1．2。

熱——電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是一種全能系統(tǒng)，發(fā)電效率為15—35％，綜合效率為80％，發(fā)電規(guī)模可從20kw的小容量到2000kw中容量。用燃?xì)廨啓C(jī)時可大到10萬kw，但初投資較大。

壓縮式系統(tǒng)能量利用率較高，裝機(jī)容量適合于一般高層建筑，韌投資不大，對于天然氣即將來臨的地區(qū)是一種比較節(jié)能的冷、熱源方案值得推薦。

各種制冷機(jī)組的一次能耗比較。

以單臺機(jī)組的冷量為1163kw(100萬kcal／h)，根據(jù)常用產(chǎn)品樣本的額定工況下的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行冷水機(jī)組的能耗比較。

從圖6中可以看出，離心式制冷機(jī)的一次能耗為97．3kg／h(標(biāo)煤耗)，螺桿式機(jī)組的能耗與離心式的基本相當(dāng)，熱泵能耗為1．49倍，蒸汽吸收式為1．8—2．2倍，直燃式則分別為其1．56倍(燃?xì)?和1．46倍(油)。

離心式和螺桿式制冷機(jī)因為壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速高，壓縮比大，理論COP值大，相同制冷量下，所需的軸功率小；而吸收式制冷機(jī)組的COP值較小，所需的一次能源量較大；蒸汽雙效吸收式機(jī)組由于存在鍋爐房供熱損失的問題，因此其能耗比直燃式機(jī)組還要大，不過吸收式機(jī)組的用電負(fù)荷很小；對于熱泵機(jī)組，雖然同樣采用螺桿式壓縮機(jī)，空氣熱源泵的COP僅3．7，單位冷量耗功為0．2kw／kw.

與其它方式相比，天然氣發(fā)動機(jī)驅(qū)動的壓縮式制冷機(jī)的一次能耗最少。其初投資比一般電空調(diào)有所增加，但因其運行費用低，在2—3年內(nèi)便可回收多付的設(shè)備費。

燃?xì)獍l(fā)動機(jī)驅(qū)動的制冷機(jī)具有以下優(yōu)點：

(1)能源利用率高，發(fā)動機(jī)廢熱可加以利用，特別是直接驅(qū)動熱泵時，輸入100％，其出力可達(dá)150—170％。目前使用較多的是燃?xì)庵苯域?qū)動的螺桿式風(fēng)冷熱泵(GKHP)，一般容量為20—200RT。

(2)設(shè)計緊湊、設(shè)備成熟、使用壽命長，在多數(shù)情況下可以利用原有的冷卻塔、泵及管線系統(tǒng)等。

(3)可進(jìn)行余熱回收，對需要熱水的場所經(jīng)濟(jì)性更佳。

(4)組合式裝置具有隔音外殼，運行噪聲低。

(5)減少石化燃料消耗量，使用天然氣又可減少煤灰、S02和C0，排放量，有利于環(huán)境保護(hù)。

燃?xì)怛?qū)動的壓縮式制冷機(jī)在美國和日本以及歐洲都得到了迅速的發(fā)展，除了發(fā)展大容量機(jī)組和系統(tǒng)外，亦開發(fā)小型商用機(jī)組和家用機(jī)組。