金屬纖維紅外輻射采暖器的開發

袁 健，張 潔

(南通航運職業技術學院 輪機工程系，江蘇 南通 226010)

金屬纖維紅外輻射采暖器的開發

袁 健，張 潔

(南通航運職業技術學院 輪機工程系，江蘇 南通 226010)

為降低采暖能耗，解決室內污染物排放超標的問題，將金屬纖維紅外燃燒技術與輻射采暖技術相結合，設計了一種金屬纖維紅外輻射采暖器，該系統主要包括燃燒控制器、風機、燃氣電磁閥、燃氣調節閥、空氣-燃氣混合器、點火針、金屬纖維等部件。通過對該輻射傳熱模型的理論分析給出了采暖器安裝高度的計算方法，并利用實驗手段研究該采暖器的各項工作性能。結果表明，該采暖器工作120 min后，房內溫度15～22 ℃，平均18～19 ℃(目標17 ℃)，已達到采暖要求；實驗房間內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 ℃。當空燃比介于1.1～1.5時，CO與NOx的排放量均低于50×10-6，已達到污染物排放標準；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。通過對系統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系。

采暖器； 輻射； 金屬纖維； 紅外燃燒技術； 空燃比； 污染物排放

0 引 言

隨著建筑能耗不斷攀升，建筑節能引起了越來越廣泛的關注。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于建筑節能具有重要的意義。目前，采暖方式主要分為對流采暖與輻射采暖，而對于大型工業建筑而言，對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；另一方面，空間內溫度分布不均勻，人體的熱舒適感較差[1-3]。對于輻射采暖方式而言，空間內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的體感溫度可低于真實環境溫度2～3 ℃[4-5]，因此設計溫度可降低2～3 ℃，一定程度上節約了能源。燃氣輻射采暖可分為輻射管式和直燃式兩種類型。輻射管式采暖器主要由燃燒系統和輻射系統兩部分構成，輻射管表面溫度只有550 ℃左右[6]，功率相對較小，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氣的混合氣體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，故直燃式紅外輻射采暖一般存在室內污染物(如CO、NOx等)超標的問題[7-9]。

為了同時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的問題，本文將金屬纖維應用到紅外輻射采暖系統中，設計了一種直燃式金屬纖維紅外輻射采暖器，并通過實驗探究該采暖器的各項工作性能。

1 采暖器的設計

本文設計的金屬纖維紅外輻射采暖器為全預混式，如圖1所示，系統主要包括燃燒控制器、風機、燃氣電磁閥、燃氣調節閥、空氣-燃氣混合器、點火針、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，風機首先開始工作，進行前吹掃，排盡系統中可能殘留的可燃氣體，防止發生爆炸事故。然后燃燒控制器打開點火針，使其在金屬纖維表面產生高壓電火花，同時開啟燃氣電磁閥，燃氣在燃氣調節閥的調節下，由燃氣接入管進入空氣-燃氣混合器，空氣由風機鼓入空氣-燃氣混合器，與燃氣在混合器中按照一定的空燃比混合均勻，均勻混合后的燃氣-空氣混合物被壓入采暖器的頭部，并在金屬纖維外表面進行燃燒，在輻射表面形成熾熱的火焰層，同時向外輻射電磁波，加熱室內物體。隨后點火針自動切換到火焰探測模式，一旦監測到燃燒器無法正常工作(未點燃或燃燒過程中發生熄火等異常現象)，燃燒控制器自動啟動熄火保護功能，燃氣電磁閥立刻切斷燃氣供應，風機繼續運轉進行后吹掃，紅燈閃爍進行報警，以保證安全。

圖1 金屬纖維紅外輻射采暖系統結構示意圖

1.1燃燒系統設計

金屬纖維紅外輻射采暖器的燃燒系統主要由金屬纖維、點火針以及多孔支撐板等部件組成。預混氣體在風機的作用下從混合器中流出，進入多孔支撐板，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與暗區；另一方面對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，金屬纖維的導熱系數和輻射率都比較高，這有利于混合氣體之間的傳熱，從而增加了發生燃燒化學反應的區域，使得燃燒效率提高。

1.2控制系統設計

直燃式金屬纖維紅外輻射采暖器的控制系統可以實現自動點火控制、防爆安全控制、燃燒負荷控制等基本功能。

自動點火控制系統是紅外輻射采暖器實現燃燒自動控制的重要組成部分，小型紅外輻射采暖器常用的點火方式為連續脈沖電火花直接點火，其正常工作需要考慮電火花能量、點火頻率和點火位置等因素。防爆安全控制系統包括熄火保護裝置、“前吹掃”與“后吹掃”設置等。燃燒負荷控制系統是燃燒系統和紅外輻射采暖系統之間的紐帶，起著重要的銜接作用，本文設計的采暖器樣機中采用的是通過調節風機風門大小和燃氣調節閥開度實現燃燒負荷的控制，該方法成本造價較低，操作簡單方便。

1.3輔助設備設計

該系統的輔助設備包括風機、燃氣調節閥、空氣-燃氣混合器以及反射罩等。風機一方面向空氣-燃氣混合器中供給空氣；另一方面為混合氣體提供動力，使其能夠流向燃燒系統，風機功率的大小可以根據氣體在系統中的阻力損失確定。反射罩布置在金屬纖維兩側，布置反射罩是為了能夠將少量向上輻射的能量反射到下部空間，減少能量的浪費。

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，為保證人員安全，在進行燃氣輻射采暖器的設計、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系，以保障人體表面的受輻射強度低于人體所能承受的極限。

在進行輻射傳熱的理論分析之前需對系統的模型進行簡化，假設：①空氣不吸收輻射能。由于空氣的主要成分為O2和N2，均為雙原子對稱結構，故認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境的對流換熱。②忽略人體與周圍環境之間的輻射換熱。兩表面間的輻射換熱量與熱力學溫度的4次方成線性關系，當溫差較小時，輻射換熱量可忽略不計。相比較人體與輻射表面間的溫差，人體與周圍環境的溫差較小，故可以忽略人體與周圍環境之間的輻射換熱。③紅外輻射采暖器的輻射表面為漫射表面，在半球空間的各個方向上的定向輻射強度相等。

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，接收到的輻射強度最大)。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坐標為M(x，y)，A1與M點之間的距離為r，A1表面中點與點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對人員頭部dA1的角系數等于人員頭部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對微元表面dA1的角系數；P為采暖器功率。

根據角系數互換定律[12]，有：

XA2，dA1·A2=XdA1·dA1

(2)

根據角系數的計算公式[12]，有：

(3)

(4)

結合式(1)、(2)與(4)，可得P、E以及h之間的關系：

(5)

當P、E、輻射表面尺寸已知時，則可求出h。E取Emax時，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 采暖器的實驗

3.1實驗條件

選取上海市嘉定區一實驗室作為實驗房進行測試，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；房間南側為走廊，西側、下側與上側為相同的實驗房間，東側為樓梯間。實驗測試期間，房間周邊房間及走廊未啟動采暖設備，室外環境溫度為9 ℃，風速為0.2 m/s。

3.2實驗裝置

由于人體在輻射采暖環境下的實感溫度比實際溫度高2～3 ℃，故輻射采暖的設計溫度應低于對流采暖設計溫度2～3 ℃。因為本文研究對象為高溫輻射采暖，所以設計溫度取低于對流采暖設計溫度3 ℃合理，即取設計溫度為17 ℃。用溫度折減法、修正系數法、廠家推薦法以及全面負荷計算法[13-14]計算得到房間熱負荷為10.7、10.5、10.5、9.3 kW，均在10 kW左右，取設計余量20%，紅外輻射采暖器的設計功率應為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，其設計尺寸為0.5 m×0.08 m；燃氣-空氣混合器選用上海梅帝燃氣設備技術有限公司的生產的M25型混合器；風機采用瓦斯爐用鼓風機，型號為WGFJ-G006，額定功率為25 W，額定風量為138 m3/h；燃燒控制器選用上海梅帝燃氣設備技術有限公司生產的DFC-1控制器；燃氣電磁閥采用雙24 V燃氣電磁閥；實驗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。實驗裝置如圖3所示。

人員頭部所能忍受的輻照度極限取70 W/m2，設計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，通過計算得到安全高度Hmin為4.05 m。由于受實驗條件限制(房間高度僅為4 m)，故在實際實驗過程中，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 實驗裝置圖

3.3實驗結果分析

圖4為采暖器工作到120 min時x軸方向上(y=2.1，z=0、0.2、1.2)的空氣溫度分布，房間內初始溫度為10 ℃。由圖4可知，采暖器工作120 min之后，房間內的溫度介于15～22 ℃，室內平均溫度約18～19 ℃(目標溫度17 ℃)，已達到采暖要求。隨著測量高度的升高，空氣溫度呈現上升的趨勢，這一方面是由空氣吸收少部分輻射能造成的；另一方面是因為測溫元件(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生對流換熱，使地表空氣溫度升高。

圖4 房間內空氣溫度分布(y=2.1)

圖5為測點(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，空氣溫度上升相對較緩慢，這主要是由于物體直接吸收輻射表面發射的輻射能，而空氣主要是間接與周圍物體通過對流換熱獲得能量。采暖器工作120 min之后，物體溫度約高于空氣溫度2.8 ℃。

圖5 測點(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CO與NOx排放量的影響曲線圖。由圖可知，當空燃比值介于1.1～1.5時，CO與NOx的排放量均低于50×10-6，達到環境對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，作為中間產物的CO可以更多地轉化為CO2。

圖6 空燃比對污染物排放量的影響

4 結 語

本文設計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算方法，并利用實驗手段研究該采暖器的各項工作性能，主要結論如下：

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

(2) 實驗房間內物體在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) 當空燃比介于1.1～1.5時，CO與NOx的排放量均低于50×10-6，已達到污染物排放標準。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，遠洋輪機長，主要從事輪機工程技術與管理研究。

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

TK 174

：A

：1006-7167(2017)07-0072-04