同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院　林立春　黃思怡　馮　良

大空間建筑燃?xì)饧t外輻射采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院林立春黃思怡馮良

設(shè)計(jì)了一套適用于大型實(shí)驗(yàn)室的金屬纖維紅外輻射采暖系統(tǒng)，并搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。對(duì)該采暖器樣機(jī)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究證明所設(shè)計(jì)的燃燒系統(tǒng)符合現(xiàn)在大空間采暖的要求，并且具有低污染物排放的特點(diǎn)，為高大空間的燃?xì)饧t外線輻射采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了參考。

大空間建筑燃?xì)饧t外線輻射采暖全預(yù)混金屬纖維

高大空間建筑與普通建筑相比具有跨度大、層高大、門(mén)窗面積大及圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)大等特點(diǎn)。若采用傳統(tǒng)的對(duì)流換熱方式采暖，由于熱空氣上浮，形成室內(nèi)溫度梯度是上熱下冷，而室內(nèi)的人、設(shè)備等需熱空間基本在地面0~2 m的空間，從而導(dǎo)致所需散熱器數(shù)量多、占用空間、采暖系統(tǒng)環(huán)路難布置、屋頂散熱量較大等諸多問(wèn)題。燃?xì)廨椛洳膳到y(tǒng)具有使室內(nèi)溫度梯度小、熱損失小、布置靈活、可分時(shí)分區(qū)域采暖和節(jié)能高效的特點(diǎn)，因此更適合高大空間建筑物使用。

目前燃?xì)廨椛洳膳绞剑话憧梢苑譃檩椛涔苁捷椛洳膳椭苯尤紵t外式輻射采暖。輻射管式輻射采暖系統(tǒng)的輻射溫度較低，輻射管尺寸與輻射功率直接相關(guān)，而大尺寸的輻射管?chē)?yán)重影響了建筑空間的利用，所以該供暖方式在不超過(guò)15 m的高大建筑中應(yīng)用較為廣泛，在高度較高的建筑中的使用受到了限制。直接燃燒紅外式輻射采暖輻射溫度較高，但缺點(diǎn)是大量煙氣將直接排在室內(nèi)。

本文以某高校的大型實(shí)驗(yàn)室為例，在已有的技術(shù)和數(shù)學(xué)模型的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了一套適合大型實(shí)驗(yàn)室的全預(yù)混燃燒金屬纖維紅外輻射采暖系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了采暖器樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，旨在為高大空間工業(yè)建筑的供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1　全預(yù)混紅外輻射采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

燃?xì)饧t外輻射采暖樣機(jī)主要由燃燒系統(tǒng)和燃燒器控制系統(tǒng)組成。以下對(duì)系統(tǒng)的幾個(gè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)進(jìn)行詳述。

1.1強(qiáng)制鼓風(fēng)式金屬纖維燃燒器頭部的設(shè)計(jì)

全預(yù)混燃燒易回火、脫火，采用金屬纖維的火控形式可以提高全預(yù)混燃燒的火焰穩(wěn)定性。金屬纖維燃燒器的頭部一般由金屬纖維多孔介質(zhì)、多孔支撐板、氣流分配板、殼體、燃?xì)狻諝饣旌衔锶肟诘葞撞糠纸M成。當(dāng)燃燒器頭部面積較小時(shí)，不需要?dú)饬鞣峙浒?；燃燒器頭部面積較大時(shí)，不但需要多孔支撐板或金屬支撐網(wǎng)，還需要?dú)饬鞣峙浒?，以保證將燃?xì)狻諝饣旌衔锞鶆虻胤植荚诮饘倮w維多孔介質(zhì)上，并進(jìn)行穩(wěn)定和完全的燃燒，為此要求頭部各點(diǎn)壓力盡可能均勻并達(dá)到一定的數(shù)值。

本文所設(shè)計(jì)的金屬纖維紅外燃燒系統(tǒng)是針對(duì)高大空間工業(yè)建筑采暖設(shè)計(jì)的，其頭部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，將燃燒器頭部設(shè)計(jì)成圓筒長(zhǎng)條形，在圓筒表面的1/3部分(即120°)覆蓋金屬纖維，懸掛安裝后讓表面金屬纖維部分面向地面。為了使燃?xì)?空氣混合氣在金屬纖維表面分布均勻，燃燒器頭部金屬纖維表面下采用分流板，當(dāng)燃?xì)狻諝獾幕旌衔镌陲L(fēng)機(jī)的壓力下進(jìn)入輻射管時(shí)，均勻通過(guò)分流板上的小孔，進(jìn)而在金屬纖維表面燃燒。

圖1　燃燒器頭部結(jié)構(gòu)示意

1.2燃燒控制系統(tǒng)

全預(yù)混燃燒系統(tǒng)的燃燒控制器可以實(shí)現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)點(diǎn)火控制、防爆安全控制等基本燃燒控制的基本功能，還可以接受外部控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的手動(dòng)及自動(dòng)控制。控制器接線如圖2所示。

圖2　DFC-1燃燒控制器接線

1.2.1自動(dòng)點(diǎn)火控制

自動(dòng)點(diǎn)火控制是燃?xì)馊紵鲗?shí)現(xiàn)燃燒自動(dòng)控制的重要組成部分。小型的燃?xì)馊紵鞑捎玫氖沁B續(xù)脈沖點(diǎn)火花直接點(diǎn)火，即電火花直接點(diǎn)燃燃燒器。點(diǎn)火器的正常工作需要考慮電火花能量、點(diǎn)火頻率和點(diǎn)火位置。

本課題采用的點(diǎn)火器為丹佛斯點(diǎn)火變壓器052F0040，外形如下圖3所示。

圖3　高壓點(diǎn)火器

技術(shù)參數(shù)如下表1所示。

表1　高壓點(diǎn)火器技術(shù)參數(shù)

其中采用電子脈沖工作原理的點(diǎn)火變壓器允許的點(diǎn)火時(shí)間以3分鐘內(nèi)的點(diǎn)火百分比表示(ED)。

1.2.2防爆安全控制

為了防止爆炸，確保燃燒器的安全運(yùn)行和操作人員的安全，需要在燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)中設(shè)置“前吹掃”和“后吹掃”以及熄火保護(hù)措施等安全控制環(huán)節(jié)?！扒按祾摺笔侵赶蛉紵夜┙o燃?xì)獠⒃邳c(diǎn)火器點(diǎn)火前，先啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，將燃燒室內(nèi)可能殘存的燃?xì)怛?qū)走?！昂蟠祾摺笔侵冈谌紵髅看稳紵Y(jié)束后，風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使殘留的可燃?xì)怏w全部排出燃燒室。同時(shí)設(shè)置火焰熄火保護(hù)裝置，一旦燃燒器火焰熄滅，馬上切斷燃?xì)夤?yīng)，并采取吹掃措施消除爆炸或者燃?xì)庑孤兜碾[患。

2　燃?xì)饧t外輻射采暖樣機(jī)設(shè)計(jì)

2.1燃?xì)饧t外輻射采暖樣機(jī)

本課題以某高校大型實(shí)驗(yàn)室為設(shè)計(jì)對(duì)象，該實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)7.2 m，寬4.2 m，高度4 m，墻壁均是普通的24墻(雙面抹灰)，地面和天花板均是普通的水泥混凝土地面，外窗為單層鋼窗，門(mén)為普通單層木門(mén)。通過(guò)負(fù)荷計(jì)算，燃燒器樣機(jī)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷取為12 kW。

燃?xì)饧t外輻射采暖樣機(jī)主要由燃燒器頭部、混合器、燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥、燃?xì)怆姶砰y、助燃風(fēng)機(jī)(可調(diào)風(fēng)門(mén)大小)、燃燒器控制器等組成。燃?xì)廨椛洳膳鳂訖C(jī)整套結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4　高強(qiáng)度燃?xì)廨椛洳膳髡捉Y(jié)構(gòu)示意

(1)輻射采暖器的燃燒器頭部為帶狀金屬纖維網(wǎng)，金屬纖維材料采用美國(guó)MFT公司制造的新型Fe、Cr、Al、M合金材料，樣機(jī)用金屬纖維網(wǎng)面的設(shè)計(jì)尺寸為500×8 mm。

(2)助燃風(fēng)機(jī)，樣機(jī)中采用瓦斯?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。

(3)燃?xì)?空氣混合器，樣機(jī)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。

(4)燃燒控制器，樣機(jī)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，燃燒控制器主要有高壓點(diǎn)火器和電路控制板組成。

(5)燃?xì)怆姶砰y，采用雙24 V燃?xì)怆姶砰y。

2.2工作原理

采暖器開(kāi)始工作時(shí)，按下燃燒控制器8的開(kāi)關(guān)，風(fēng)機(jī)7開(kāi)始啟動(dòng)，風(fēng)機(jī)先進(jìn)行預(yù)吹掃，排盡燃燒器里面可能殘留的可燃?xì)怏w，防止發(fā)生爆燃現(xiàn)象。然后燃燒控制器8打開(kāi)高壓點(diǎn)火器，點(diǎn)火針3上產(chǎn)生高壓電火花，同時(shí)燃?xì)怆姶砰y6自動(dòng)開(kāi)啟，燃?xì)鈴耐獠咳細(xì)饨尤牍?中進(jìn)入，燃?xì)夂涂諝庠谌細(xì)狻諝饣旌掀?中進(jìn)行預(yù)混，在風(fēng)機(jī)壓力下進(jìn)入燃燒器頭部1中并被點(diǎn)燃，混合氣體開(kāi)始在金屬纖維網(wǎng)2表面上燃燒，隨后點(diǎn)火針切換功能進(jìn)入火焰探測(cè)模式。調(diào)節(jié)燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥5，直到燃燒進(jìn)入紅外輻射狀態(tài)。如果需要調(diào)節(jié)燃燒器的功率，可以按刻度先慢慢調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)7的風(fēng)門(mén)，再調(diào)節(jié)燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥5，直至燃燒進(jìn)入紅外輻射狀態(tài)。

該紅外燃燒器樣機(jī)中采用的是通過(guò)調(diào)節(jié)助燃風(fēng)機(jī)的風(fēng)門(mén)和燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小實(shí)現(xiàn)燃燒負(fù)荷的控制。一旦燃燒器不能正常工作(沒(méi)有點(diǎn)燃或者燃燒過(guò)程中發(fā)生熄火等異常現(xiàn)象)，燃燒控制器8會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)熄火保護(hù)功能，燃?xì)怆姶砰y6會(huì)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，紅燈閃爍報(bào)警，保證安全。

2.3紅外輻射采暖器懸掛高度分析

使用燃?xì)饧t外輻射采暖時(shí)，金屬纖維紅外燃燒器發(fā)出的紅外輻射線首先到達(dá)人體的頭部。由于金屬纖維燃燒器表面的溫度很高(經(jīng)常高達(dá)1 000℃)，輻射能力很強(qiáng)，為保證人體安全，在燃?xì)饧t外輻射采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須使燃燒器和人體之間有一定的距離(安全高度)。

因此在對(duì)房間進(jìn)行紅外輻射采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)紅外輻射采暖器懸掛的高度問(wèn)題進(jìn)行分析。本文以人體頭部所能忍受的輻射強(qiáng)度(70 W/m2)為上限進(jìn)行計(jì)算。

不同紅外燃燒輻射負(fù)荷下采暖器懸掛的最低高度h，如表2中所示:

表2　紅外燃燒器安裝的最低高度

3　性能測(cè)試及分析

3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在該大型實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝置實(shí)物圖如圖6所示。

圖5　主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接示意

圖6　實(shí)驗(yàn)裝置

3.2性能分析

3.2.1采暖效果分析

測(cè)試前實(shí)驗(yàn)室房間溫度場(chǎng)分布情況如圖7所示，實(shí)驗(yàn)室平均溫度為10.9 ℃。

圖7　第120分鐘房間溫度場(chǎng)分布

室房間開(kāi)啟金屬纖維紅外輻射采暖器，室內(nèi)物體溫度上升很快，距離采暖器中心下方較近的某典型測(cè)點(diǎn)在采暖燃燒器工作20 min后，物體表面溫度上升10.3 ℃，改測(cè)點(diǎn)處空氣溫度上升6.2 ℃。燃燒采暖器工作120 min后，各測(cè)點(diǎn)溫度如圖8所示，房間內(nèi)溫度比較均勻，平均溫度達(dá)到20 ℃，滿足采暖設(shè)計(jì)要求。

圖8　第120分鐘房間溫度場(chǎng)分布

3.2.2全預(yù)混紅外燃燒器的燃燒特性測(cè)試及分析

過(guò)?？諝庀禂?shù)和表面熱強(qiáng)度對(duì)煙氣中污染物濃度的排放有較大的影響。在已有的金屬纖維燃燒器研究中發(fā)現(xiàn)在紅外燃燒工況下，過(guò)剩空氣系數(shù)在1.35~1.55之間時(shí)，煙氣中CO濃度最小。當(dāng)過(guò)?？諝庀禂?shù)小于1.35時(shí)，隨著過(guò)?？諝庀禂?shù)a的減小，煙氣中CO的濃度迅速升高。當(dāng)過(guò)?？諝庀禂?shù)大于1.56時(shí)，CO濃度隨著過(guò)剩空氣系數(shù)a的增大也迅速提高，即煙氣中污染物CO的濃度隨著過(guò)剩空氣系數(shù)a的變化呈現(xiàn)出的變化曲線為“U”型。而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，過(guò)大的過(guò)剩空氣系數(shù)會(huì)降低煙氣的溫度，導(dǎo)致燃燒熱效率降低，所以過(guò)?？諝庀禂?shù)a一般取值1.25~1.5。因此，本課題研究在過(guò)?？諝庀禂?shù)a=1.1~1.5范圍變化時(shí)煙氣中CO和NOx的排放情況以找出合適的過(guò)剩空氣系數(shù)，保證在穩(wěn)定燃燒的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)降低煙氣中CO和NOx的排放要求。不同過(guò)?？諝庀禂?shù)下污染物排放情況見(jiàn)圖9。

由圖9可以看出，全預(yù)混紅外燃燒過(guò)程中CO、NOx的排放量都很低，在過(guò)?？諝庀禂?shù)a在1.1~1.51之間變化時(shí)，濃度都在50×10-6以下。在一定的表面熱強(qiáng)度下，過(guò)剩空氣系數(shù)a=1.1~1.5時(shí)，隨著a的增大，煙氣中CO和NOx的濃度逐漸減少。當(dāng)過(guò)?？諝庀禂?shù)a=1.51時(shí)，CO和NOx的濃度都最低，其中CO的濃度為14×10-6，NOx的濃度為6×10-6。

圖9　煙氣中的CO、NOx隨過(guò)?？諝庀禂?shù)變化趨勢(shì)

固定過(guò)?？諝庀禂?shù)a=1.5，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大小，以獲得不同燃燒熱強(qiáng)度下的污染物排放規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10　不同表面熱強(qiáng)度下煙氣中CO、NOx的濃度

在一定空氣系數(shù)的情況下，隨著表面熱強(qiáng)度的增大，CO、NOx的排放量會(huì)略有增加，但變化不明顯。金屬纖維在紅外燃燒工況下，輻射表面溫度的范圍是700~1 000 ℃，優(yōu)越性明顯。

4　結(jié)語(yǔ)

本課題設(shè)計(jì)的金屬纖維紅外采暖系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，大空間內(nèi)溫度梯度小，溫度場(chǎng)分布比較均勻，房間內(nèi)的物體溫度比其周邊的空氣溫度上升更快，可以滿足工業(yè)建筑采暖的要求。

該燃?xì)饧t外線采暖系統(tǒng)中的全預(yù)混金屬纖維燃燒器燃燒狀態(tài)良好，火焰穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)脫火、回火、熄火等異?，F(xiàn)象，具有污染物排放低、燃燒效率高、抗熱沖擊性能高、燃燒功率調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)過(guò)?？諝庀禂?shù)a=1.51時(shí)，CO和NOx的濃度達(dá)到最低。

Research on the Design of Gas-fired Infrared Radiant Heating System in Large Space Buildings Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering

Lin LichunHuang SiyiFeng Liang

Based on the engineering application, a metal fiber infrared radiant heating system is suitable for the large-scale laboratory. An experimental test platform was built to test the performance of the heating device prototype. The study shows that the designed combustion system meets the heating demand for large space with the characteristics of low pollutant emissions, and provides large space buildings a reference for the design and development of the gas-fired infrared radiant heating system.

large space buildings, gas-fired infrared radiant heating, full premix combustion metal fiber