卜銀坤

（北京航天動力研究所 北京 100076）

本文提出一種獨立的家用節(jié)能型自動負壓蒸汽采暖供熱系統(tǒng)，曾在筆者15m2的辦公室里做過1∶1的多次試驗，無須循環(huán)水泵、真空泵，利用重力低位排氣法［1］，簡易的自動控制技術(shù)，即可自動連續(xù)獲得60～70℃的負壓蒸汽，在工質(zhì)兩相壓差的作用下循環(huán)對低位散熱器系統(tǒng)供熱采暖。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高、啟動快、機動性強、投資少、能耗低、無噪聲、無維護、高安全、熱水采暖效果的特點，不僅能現(xiàn)場手動調(diào)節(jié)需要的采暖溫度，而且能夠按室內(nèi)不同時段的個性需求設(shè)置永久性的全自動運行。

分析認為：該技術(shù)不僅能夠全自動實現(xiàn)集中供熱不能覆蓋的北方居民、農(nóng)村分散住戶的冬季采暖要求，而且克服了集中供熱固有的供熱不均、用熱計量難、費用較高、不能同時滿足所有住戶需求的缺點；對于我國的南方，該技術(shù)是居住、辦公環(huán)境供熱采暖的最佳選擇；從熱量的有效利用、人性化需求、合理收費方面來講，該技術(shù)應(yīng)當(dāng)說比集中供熱更為科學(xué)，不失為全民小康的一種路徑。

1 系統(tǒng)介紹

圖1 一種獨立的家用節(jié)能型全自動負壓蒸汽供熱采暖系統(tǒng)

一種獨立的家用節(jié)能型自動負壓蒸汽供熱采暖系統(tǒng)，如圖1（電加熱鍋爐）所示，主要由負壓蒸汽鍋爐、儀表閥門、溫度傳感器、散熱器、密封的管道、電器自動化裝置組成。負壓蒸汽鍋爐主要用電加熱，有條件的也可以用天然氣加熱。實踐證明：只要設(shè)計有據(jù)，認真對待每一個細節(jié)的質(zhì)量，成功并非難事；一旦設(shè)計合理、安裝調(diào)試合格，將會收到一勞永逸的效果。

圖2 6kW負壓蒸汽可控硅全自動功率控制電器原理圖

1.1 系統(tǒng)工作原理及必要條件

系統(tǒng)工作原理主要包括系統(tǒng)的啟動過程和正常運行兩個過程。

1）系統(tǒng)的啟動過程：圖1系統(tǒng)啟動前，鍋爐內(nèi)部的水位和系統(tǒng)回水管道內(nèi)的水位是在同一平面內(nèi)的，該水位以上的空間與大氣相通并充滿環(huán)境空氣；接通電源后，鍋爐中的水被電熱元件1加熱，當(dāng)溫度升高到100℃（以當(dāng)?shù)卮髿鈮簭娤碌娘柡蜏囟葹闇?zhǔn)）時，受熱面上的水將發(fā)生大容積飽和核態(tài)沸騰，產(chǎn)生的飽和蒸汽從鍋爐內(nèi)的水平面上逸出并順著管道流向系統(tǒng)；因為水蒸汽的比重小于空氣的比重，況且水蒸汽又是從系統(tǒng)的上部管道進入的，所以系統(tǒng)中原有的環(huán)境空氣自然就會在系統(tǒng)的下部回水管中匯集并從系統(tǒng)末端常開電磁閥10的出口排出；因為系統(tǒng)啟動時，電熱元件1在最大的功率檔位上（設(shè)計供熱功率），而散熱器卻在最小的散熱狀態(tài)下，所以產(chǎn)生的蒸汽會很快充滿系統(tǒng)空間，當(dāng)系統(tǒng)末端可調(diào)溫度傳感器11檢測到95～100℃的蒸汽信號時，系統(tǒng)末端常開電磁閥10在電器自動化裝置12的控制下，電熱元件1立即下調(diào)到較低的功率檔位上，同時將系統(tǒng)末端常開電磁閥10關(guān)閉；所述的較低功率檔位，應(yīng)當(dāng)是滿足室內(nèi)溫度要求的功率，受控于可調(diào)室溫傳感器9的設(shè)定值，該功率必須略小于系統(tǒng)散熱器的總散熱能力，以確保鍋爐在設(shè)計的負壓參數(shù)下運行，實踐證明，該功率檔位的設(shè)計值，需要在初期的調(diào)試中確認。

2）系統(tǒng)正常運行過程：當(dāng)系統(tǒng)正常啟動后，因為散熱器全面投入散熱，其設(shè)計的散熱能力大于室內(nèi)需要的最大供熱量，所以，即使在最大功率檔位上，鍋爐也會進入負壓狀態(tài)下產(chǎn)生蒸汽。要使負壓蒸汽連續(xù)產(chǎn)生，首先必須保證系統(tǒng)密封并維持一定的負壓，其次是系統(tǒng)的散熱能力所凝結(jié)的水量正好是鍋爐的蒸發(fā)量，而且要保證系統(tǒng)汽水分界面高于鍋爐內(nèi)的水位一定數(shù)值。

設(shè)計合格的系統(tǒng)，正常運行時，系統(tǒng)中汽水分界面應(yīng)當(dāng)?shù)陀谏崞骰厮茏钕履妇€，以充分發(fā)揮散熱器的散熱能力。設(shè)鍋爐內(nèi)的水位平面標(biāo)高為h1、系統(tǒng)中散熱器回水管的最下母線標(biāo)高為h2，那么高度差存在一個最小值Hmin，即設(shè)計的圖1系統(tǒng)，必須使否則系統(tǒng)將不能正常循環(huán)運行。不同的系統(tǒng)存在不同的Hmin值，需要根據(jù)具體熱負荷的大小及其系統(tǒng)進行熱工和阻力計算，而且需要在系統(tǒng)安裝后的試運行調(diào)試中進行修正和確認。

實踐證明：圖1系統(tǒng)正常運行時，工質(zhì)在系統(tǒng)中會形成自然循環(huán)回路，其運動壓頭主要是水位高度差該值涉及系統(tǒng)初次充水量的多少；系統(tǒng)安裝后需要嚴(yán)格的氣密性試驗；鑒于氣體的相互擴散，系統(tǒng)啟動過程中，為了使系統(tǒng)內(nèi)的環(huán)境空氣徹底排出，尾部常開電磁閥10的通徑不宜太小，其排氣速度理論上不應(yīng)高于蒸汽進入系統(tǒng)的速度；鑒于圖1中各散熱器入口的調(diào)節(jié)閥必須采用價格昂貴的真空閥，鑒于這些閥門存在的必要性，筆者建議全部取消這些閥門，如此，系統(tǒng)會變得更加簡單、運行效果會變得更加可靠。

3）圖1中鍋內(nèi)重力安全閥6，用于系統(tǒng)由于某種特殊情況超壓時自動向外排氣（汽），確保系統(tǒng)在任何工況下都是安全的，其設(shè)計的動作壓力=50kPa,可以用常規(guī)家用高壓鍋的重力安全閥來替代。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計舉例

為了便于設(shè)計應(yīng)用，現(xiàn)對100m2住房的采暖系統(tǒng)進行設(shè)計舉例。假設(shè)：鍋爐內(nèi)直徑Dn= 0.03m，電爐絲耐火托盤能夠覆蓋鍋爐的全部截面；系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的負壓蒸汽溫度為tg= 60～70℃，取其平均溫度為tg,pj= 65℃，則［2-3］其飽和絕對壓力pg=25540Pa（現(xiàn)場表壓值為-75785Pa≈-76kPa）、蒸汽的焓值為蒸 汽 比 容為水的比容水的比熱水的表面張力水的動力粘度水的普朗特數(shù)Pr' = 2.77、水的汽化潛熱r = 2346kJ/kg、水的導(dǎo)熱系數(shù)λ =66.35W/(m·K)。

1）最小水位高度差Hmin。

按文獻［4］，對于采取節(jié)能措施的建筑，取采暖熱指標(biāo)為q = 50W/m2，則100m2住房需要的供熱功率為Qg= 5000W（設(shè)計的最大功率，實際是在較小的功率下長時間運行），取圖1中的電熱元件功率為Qg=5000W，電熱效率為ηg= 100%，則鍋爐的最大蒸發(fā)量：

最大蒸汽量的體積為：

最大凝結(jié)水的體積為：

如果圖1中的蒸汽管段的管徑=0. 0 2 6m，冷凝回水管徑=0. 0 20m，蒸汽含汽率為x0= 100%（因為沒有必要設(shè)置汽水分離器，所以實際蒸汽含汽率約為=95%），則系統(tǒng)的循環(huán)倍率K = 1x0=1，鍋爐出口管內(nèi)蒸汽的最大流速：

系統(tǒng)散熱器回水管內(nèi)的蒸汽流速即蒸汽與冷凝水分界面上的蒸汽流速，也是系統(tǒng)內(nèi)最小的蒸汽流速，它應(yīng)當(dāng)?shù)扔谀Y(jié)水流入鍋爐的速度：

相對鍋爐出口蒸汽流速，≈0，于是，系統(tǒng)內(nèi)蒸汽的平均速度：

取消圖1中各散熱器入口的調(diào)節(jié)閥，將圖1中并聯(lián)的散熱器管折算為主蒸汽管，假設(shè)引起蒸汽流動摩擦阻力的管道，按=0. 0 2 6m、折算總長度為=20m 、局部阻力沿程折算為90°的彎頭為5個，引起凝結(jié)水流動摩擦阻力的管子，按=0. 0 20m、總長度為=20 m 、局部阻力沿程折算為90°的彎頭為5個，按文獻[5]得蒸汽流動摩擦系數(shù)λq= 0.02635、凝結(jié)水流動摩擦系數(shù)λs= 0.02842、90°彎頭局部阻力系數(shù)于是，汽路最大阻力計算值Δpq= 468.3036Pa、凝結(jié)水路最大阻力計算值為Δps=0.7006Pa，圖1系統(tǒng)正常運行時的最小水位高度差：

根據(jù)、Dn、Hmin及系統(tǒng)正常運行時的汽空間體積V，不難確定系統(tǒng)冷態(tài)時鍋爐內(nèi)的理論水位的位置。為了運行的可靠性，筆者建議系統(tǒng)散熱器回水管中心線應(yīng)高于鍋爐火界受熱面，其距離不應(yīng)低于100mm，鍋爐冷態(tài)時的水位應(yīng)與系統(tǒng)散熱器的回水管中心線看齊。

2）散熱器最小散熱面積Fmin。

負壓蒸汽供熱采暖，因為是相變換熱，同等情況下的散熱器面積要比常規(guī)水暖的少許多，然而設(shè)計必須合理：少了會提高循環(huán)蒸汽的溫度，從而導(dǎo)致壓力升高甚至正壓蒸汽運行、鍋內(nèi)重力安全閥6對外界排汽、鍋爐水位下降直到燒干，或者是被迫在較小的功率下運行，滿足不了設(shè)計的室內(nèi)采暖溫度；散熱器的面積設(shè)計得太多是一種浪費、會失去低溫自驅(qū)動相變供熱采暖的先天優(yōu)勢；最佳散熱器的面積，應(yīng)當(dāng)是其散熱能力，即與其周圍空氣的熱交換量，略大于鍋爐提供的熱量，即散熱器的總散熱能力應(yīng)當(dāng)略大于住戶需要的熱量。

筆者根據(jù)實踐及理論分析認為，負壓蒸汽在豎直管內(nèi)仍然屬于層流膜狀凝結(jié)，很難實現(xiàn)滴狀凝結(jié)，考慮與蒸汽同向流動的液膜向下流動速度對傳熱系數(shù)的正面影響[3-6]，散熱器豎管內(nèi)壁平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)應(yīng)當(dāng)按文獻［3］中的式（6－10），即

式中：

h——散熱器豎管內(nèi)壁表面的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

g ——重力加速度，g = 9.81m/s2；

r ——散熱器管內(nèi)負壓蒸汽的汽化潛熱，本案

r = 2346kJ/kg；

ρ ——散熱器管子內(nèi)壁上冷凝液的密度，本案

λ ——散熱器管子內(nèi)壁面上冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，本案λ = 0.6635W/(m·K)；

η ——散熱器管子內(nèi)壁面上冷凝液的動力粘度，本案η = η' = 0.438×10-3kg/(m·s)；

l ——散熱器管子內(nèi)壁面的高度，本案取l = 1m；ts——散熱器管內(nèi)蒸汽的飽和溫度，本案ts= 65℃；

tn——散熱器管子內(nèi)壁處的溫度，大量實踐表明，凝結(jié)換熱中的?t = ts?tn≤2 ℃，室內(nèi)環(huán)境溫度對其影響可以忽略，這里取tn=ts? ? t = 6 5?2 = 63 ℃；

代入本案有關(guān)數(shù)值，得散熱器豎直管內(nèi)壁表面平均傳熱系數(shù)：

此時散熱器管內(nèi)壁的液膜層流雷諾數(shù)：

該數(shù)值說明散熱器垂直管內(nèi)壁的液膜流態(tài)為層流，證明h = 9267W/(m2·K)數(shù)據(jù)可靠正確。

散熱器垂直管內(nèi)壁靠導(dǎo)熱將熱量傳到外表面然后再靠對流和輻射方式將熱量散發(fā)到室內(nèi)空氣中，取散熱器及其肋片的導(dǎo)熱系數(shù)λ = 20W/(m2·℃)、包括肋片在內(nèi)的平均厚度δ = 1.5mm，則散熱器外表面的溫度為該溫度下的散熱器與室內(nèi)空氣的綜合傳熱系數(shù)［7］（輻射＋對流）取值為hzh= 10W/(m2·℃)，設(shè)室內(nèi)空氣平均溫度為=20℃，則需要的散熱器總有效面積最小值為：

3）系統(tǒng)啟動需要的時間。

假設(shè)滿足系統(tǒng)正常運行時的最小水位高度差為Hmin，初步計算上述住戶系統(tǒng)中的最小充水量為25kg，其中屬于鍋爐內(nèi)的水約15kg，連同散熱器在內(nèi)的系統(tǒng)水平面以上的有效空間，折算為=0. 0 26m的

管子長度為60m，其氣空間的容積為：

鍋爐在設(shè)計的最大功率Qg= 5000W下啟動后，首先需要將鍋爐內(nèi)的水加熱到沸騰的溫度100℃，如果環(huán)境的初始溫度是10℃，電熱效為100%，則加熱所需時間為：

因為負壓蒸汽在排除系統(tǒng)環(huán)境空氣的同時，還要通過散熱器對外不斷換熱而冷凝，系統(tǒng)是一邊充汽、對外散熱，一邊排氣，所以充汽期間內(nèi)的系統(tǒng)對外散熱功率最小值為0，設(shè)計的散熱器正常時的散熱功率是Qg= 5000W，故其平均值可近似為：

這說明用于排除系統(tǒng)環(huán)境空氣的功率因為鍋爐在啟動過程中，排除系統(tǒng)環(huán)境空氣的水蒸汽壓力pq= 101325Pa、 比 容熱焓所以鍋爐系統(tǒng)充汽需要的時間：

顯然，鍋爐啟動需要的時間：

充汽過程中蒸汽在管道內(nèi)的平均流速：

4）系統(tǒng)末端常開電磁閥10的通徑。

在tzq= 20.41s的這段時間里，系統(tǒng)末端常開電磁閥10應(yīng)當(dāng)及時排除系統(tǒng)內(nèi)的環(huán)境空氣，且速度盡可能不高于=2. 9 438ms ，建議末端常開電磁閥的通徑與蒸汽管道的通徑相同或較為接近，這里不能低于0.02m。

按設(shè)計的工作原理：鍋爐在其最大配置功率P1= 5000W下常壓啟動，鍋水溫度達到100℃后第20.41s，電功率會自動置于P2≤5000W的某一位置負壓運行；由于某種原因，系統(tǒng)真空度一旦不能維持需要的負壓蒸汽供熱，即系統(tǒng)尾部溫度傳感器檢測到低于60℃的信號時，電器自動化裝置將發(fā)出命令，迫使系統(tǒng)尾部常開電磁閥打開同時將電加熱元件恢復(fù)在最大功率檔，系統(tǒng)將自動進入上述的排氣啟動程序，待鍋水沸騰（因為是從60℃開始加熱的，所以加熱時間約為8min）后20s，鍋爐又將在設(shè)定的負壓蒸汽參數(shù)下運行；正常情況下，只要安裝時系統(tǒng)的密封性達到要求，這種重新排氣啟動過程的周期是比較長的，而且系統(tǒng)一次給水后無須補水或補水的周期較長。

2 負壓蒸汽鍋爐

負壓蒸汽鍋爐是系統(tǒng)供熱的能量源頭，負壓蒸汽和冷凝水在系統(tǒng)中的流向相同，其工質(zhì)循環(huán)機理類同分離式熱管換熱器［8］，不存在蒸汽攜帶水分的限制，即蒸汽攜帶水分的多少不會影響鍋爐的正常進行。影響鍋爐傳熱、傳質(zhì)能力及鍋爐壽命的主要問題，首先是鍋爐內(nèi)的水在加熱表面上的熱流密度不能超過其飽和沸騰臨界熱流密度，其次是系統(tǒng)散熱器的散熱能力應(yīng)當(dāng)略大于鍋爐的蒸發(fā)能力。另外，鍋爐內(nèi)的水位和出口蒸汽流速也是不可忽視的問題。

2.1 鍋爐、供熱功率及加熱方式

鍋爐供熱功率依據(jù)地區(qū)和環(huán)境的不同而不同，文獻［4］給出了具體規(guī)范。

鍋爐的結(jié)構(gòu)與加熱方式密切相關(guān)，加熱方式主要有以下三種。

1）圖1中的鍋爐，其加熱方式為耐火托盤式的裸體電爐絲加熱方式，電爐絲均勻鑲嵌在燒結(jié)的耐火托盤的溝槽內(nèi)，像抽屜一樣可以輕松推入鍋爐的腰槽內(nèi)并被固定，鍋爐腰槽內(nèi)的上側(cè)平面是鍋爐的主要受熱面，下側(cè)及周圍的鍋爐受熱面也可對電爐托盤有效吸熱冷卻，電爐盤完全置于密閉的鍋爐內(nèi)部，具有黑度接近1的輻射換熱環(huán)境。因為是全新個性設(shè)計，能夠保證大容積沸騰臨界熱流密度下電爐絲的溫度在較低的溫度水平，保證鍋爐在設(shè)計的參數(shù)下穩(wěn)定長壽命運行；該方式具有成本低、壽命長、啟動快、方便在線更換電爐絲的特點，更重要的是可以實現(xiàn)其低位布置，有利于家庭環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)計。

2）用電熱管對鍋爐進行加熱產(chǎn)生蒸汽，要求電熱管不僅要滿足其耐壓強度的要求，而且要滿足水在電熱管表面的大容積沸騰熱流密度與其功率相匹配，以免電熱管內(nèi)的電阻絲因過熱而損壞。電熱管在水的加熱領(lǐng)域應(yīng)用很廣，但用在蒸汽加熱中的不多，鑒于電加熱設(shè)備盡可能低位布置的環(huán)境要求，除特別訂購?fù)猓P者不建議將市購的電熱管用于本系統(tǒng)的鍋爐中。

3）在天然氣入戶的條件下，使用天然氣加熱時，系統(tǒng)中的鍋爐結(jié)構(gòu)、安全措施、自動化控制相對較復(fù)雜，且系統(tǒng)的散熱器安裝位置也相對較高。需要說明的是鍋爐結(jié)構(gòu)不同于全水管的壁掛爐，必須專業(yè)設(shè)計封閉的燃燒室、足夠的受熱面積和可靠的平衡強排煙裝置。

2.2 鍋爐受熱面上飽和沸騰臨界熱流密度

因為鍋爐雖然大部分時間是在一定的負壓狀態(tài)下運行，但是初期的啟動卻是在常壓和微正壓下進行的，而且可能會多次出現(xiàn)啟動過程，所以應(yīng)當(dāng)按常壓設(shè)計鍋爐。另外，鍋爐受熱面或電熱管外表面上水的沸騰，均屬于水在大容器內(nèi)的沸騰［3］，存在受熱面飽和核態(tài)沸騰（也稱飽和泡狀沸騰）臨界熱流密度qj及其相應(yīng)的換熱壁面過熱度最佳值(Δt)j。核態(tài)沸騰具有溫壓小、換熱強的特點，超過所述的壁面最佳過熱度(Δt)j，不僅不會增強換熱效果從而增加換熱量，而且會浪費能源、容易損壞設(shè)備。

對于不銹鋼受熱面，鍋爐內(nèi)的水在101325Pa（大氣壓）壓力下的臨界熱流密度計算值，應(yīng)用汽膜的泰勒不穩(wěn)定性原理公式計算值［3］為qj= 1096kW/m2，將qj= 1096kW/m2代入文獻［3］式（6－18），得受熱壁面最佳過熱度(Δt)j=9.19℃。

假設(shè)100m2家庭供熱功率為Qg= 5000W，鍋爐的內(nèi)直徑Dn= 0.2mm（需要驗證），受熱面板厚為δb=0.004m，導(dǎo)熱系數(shù)λb= 22W/(m·K)，電爐絲托盤覆蓋全部截面，周圍及下部傳熱約為上部的25%，則鍋爐的有效受熱面積可以視為：

鍋爐受熱面允許熱功率最大值可達：

受熱面的實際熱流密度：

鍋爐受熱面火側(cè)的溫度，啟動時為：

負壓工作時：

2.3 電加熱中電爐絲的溫度

電爐絲的溫度是其連續(xù)使用時間長短的重要參數(shù)[9]，它包括啟動時的表面溫度和中心溫度、負壓工作時的表面溫度和中心溫度。電爐絲表面溫度主要決定于外界的吸熱冷卻能力，同等情況下，其中心溫度決定于其自身的導(dǎo)熱系數(shù)和外表面積。

為了計算電爐絲的溫度，需要做以下接近真實的經(jīng)驗假定：鑒于輻射環(huán)境較為密閉，所以忽略熱量的損失，鍋爐穩(wěn)態(tài)運行時受熱面的熱流密度q與電爐絲的有效電功率Qg相等；電爐絲表面和鍋爐受熱面之間的換熱全部為輻射，出于工藝和安全，鍋爐受熱面鋼板與電爐絲之間的空氣層厚度設(shè)計為δk= 0.005m；鑒于電爐絲（鐵鎳合金）和耐火托盤（耐火磚質(zhì)）的法向發(fā)射率εn較為接近，綜合分析取其黑度α = 0.80。

1）電爐絲表面的溫度：

借 助 文 獻 公 式（6－ 47）［2］及 單 位 換 算關(guān)系，電爐絲的表面溫度，鍋爐啟動時，由

負壓工作時：

2）電爐絲中心的溫度：

電爐絲自身的傳熱屬于具有內(nèi)熱源的一維導(dǎo)熱，且可認為其導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，內(nèi)部溫度分布沿中心線對稱均勻分布并且不隨軸向位置而變化。功率Qg=5000W的電爐絲，按標(biāo)準(zhǔn)選取爐絲直徑為D = 1.5mm，材質(zhì)為0Cr25AL5，查表知其常溫電阻為0.8036Ω/m，常溫導(dǎo)熱系數(shù)為λ = 13W/(m·K)。

電爐絲需要的長度：

電爐絲的金屬體積：

電爐絲的體積熱流密度：

參考文獻[5]中式（2-45）的推導(dǎo)過程，得鍋爐啟動時電爐絲中心處的溫度：

鍋爐啟動時電爐絲中心處的溫度：

2.4 鍋爐受熱面積的多少對電加熱中電爐絲溫度的影響

上述定量計算表明，雖然鍋爐的內(nèi)直徑Dn= 0.2mm遠滿足了水在其受熱面上大容積沸騰的安全經(jīng)濟需要，但是卻使電爐絲的工作溫度臨近其允許的最高工作溫度，嚴(yán)重影響電爐絲的使用壽命。如果將鍋爐的內(nèi)直徑改為Dn′=0.3m，按上述計算方法：有效受熱面積F ′ =0. 08 836m2；受熱面的實際熱流密度q′ =56588Wm2；鍋爐受熱面火側(cè)的溫度，啟動時為′=119℃，正常負壓工作時為′=84±5℃；電爐絲表面溫度，鍋爐啟動時為′=789℃，負壓工作時為′=787℃；電爐絲中心溫度，鍋爐啟動時為′=791.4℃，負壓工作時為′=789.8℃。顯然，鍋爐直徑設(shè)計為′=0.3m較為合理。

實踐證明了這里涉及的傳熱理論：電爐絲表面與鍋爐受熱面火側(cè)的絕對溫度4次方之差，與鍋爐受熱面的實際熱流密度成正比；電爐絲中心與表面的溫差與電爐絲半徑的平方成正比。同等情況下（主要是電功率），因為電熱管外表面積的極端有限性，所以水在其上大容積沸騰的熱流密度會遠遠超過臨界值，壁面過熱度會猛增幾百攝氏度。另外，因為電熱管中的電爐絲與電熱管內(nèi)壁之間充滿了氧化鎂粉末介質(zhì)，電爐絲與電熱管內(nèi)壁之間只有導(dǎo)熱沒有輻射的特點，所以電爐絲表面溫度較高并容易超過其允許的溫度。理論計算和實踐表明，電熱管不宜用于蒸汽鍋爐。

3 負壓蒸汽鍋爐的電器自動化裝置

圖1中的電器自動化裝置12，原理如圖2，按設(shè)定的室內(nèi)溫度傳感器9的命令，調(diào)節(jié)電熱元件1的供電電壓以保證系統(tǒng)應(yīng)有的輸入功率。電器自動化裝置可以在市購大功率可控硅手動調(diào)壓器模塊的基礎(chǔ)上適當(dāng)改造即可，也可以將家用電灶的電路適當(dāng)改進后專門購件制作：將原有的電位器斷開接入三檔開關(guān)，中間檔為停運空檔，一側(cè)檔接原有電位器的斷開端，靠電位器按原方式現(xiàn)場手動隨意調(diào)節(jié)需要的電功率，另一側(cè)的檔如圖2，將多個不同阻值的電阻串聯(lián)后替代原有的電位器，再對各電阻分別并聯(lián)不同定值的常閉溫度傳感器圖1中的件9（該傳感器置于能反映室內(nèi)溫度的室內(nèi)某一位置）。所述串聯(lián)的電阻大小及與其并聯(lián)溫度傳感器的動作溫度，其效果相當(dāng)于手動電位器時的位置電阻及相應(yīng)的室內(nèi)溫度，應(yīng)當(dāng)通過現(xiàn)場的多次試驗最后確認，最終目的是要保證室內(nèi)溫度與該電阻并聯(lián)的溫度傳感器的定值相對應(yīng)。

天然氣加熱鍋爐，借助室內(nèi)設(shè)定的溫度傳感器命令，電動給氣燃燒器在火焰監(jiān)控的條件下自動改變給氣量，一旦爐內(nèi)燃燒熄火將按燃氣鍋爐特有的程序重新點火。天然氣加熱的負壓蒸汽供熱采暖系統(tǒng)，鍋爐需要專業(yè)設(shè)計，電器自動化裝置、安全保護更要專業(yè)設(shè)計。

4 負壓蒸汽鍋爐能耗經(jīng)濟性分析

基于北京2017年用電、用氣價格信息［10］和冬季采暖收費標(biāo)準(zhǔn)［11］，對100m2的住戶進行集中供熱采暖和獨立分戶供熱采暖的費用進行概算，數(shù)據(jù)比較見表1。

根據(jù)參考文獻［10］，天然氣加熱的負壓蒸汽供熱采暖系統(tǒng)，熱效率按90%，同等情況下，其運行費用約為1563元。鑒于本文提供的負壓蒸汽供熱采暖系統(tǒng)，無須循環(huán)泵和真空泵，相對常規(guī)的熱水供熱采暖，同等情況下不僅投資少，而且運行費用也會減少。

根據(jù)以上計算，天然氣加熱的負壓蒸汽供熱采暖的費用，僅是集中供熱的一半，電加熱的也比集中供熱的少許多，進一步分析看出，集中供熱的費用之所以高，主要原因是存在基本熱價。

鑒于區(qū)域集中供熱需要專用的大型鍋爐、鍋爐房和龐大的室外壓力管網(wǎng)，建設(shè)和維護需要一定的費用，另外還要不斷地消耗許多動力和散熱損失，因此表1中出現(xiàn)固定的基本熱價是可以理解的。值得注意的是，基本熱價占據(jù)了總體費用的一半，是否值得和必要值得研究。

表1 北京地區(qū)100m2住戶集中供熱采暖和分戶電供熱采暖費用比較（采暖期2017.11.15～2018.3.15）

對于民宅，筆者更認為，除了加強建筑保溫、密封措施外，推行“家用光電供熱系統(tǒng)”［12］，不僅能滿足人們對環(huán)境溫度和用熱的需求，而且還體現(xiàn)了新時代科技環(huán)保的特征。

5 結(jié)論

1）集中供熱采暖需要大型鍋爐、鍋爐房、龐大的室外壓力管網(wǎng)，雖然存在一定的基本熱價，但是對于以煤為燃料的年代是必須的，基本熱價和計量熱價的比例也是值得的。在以天然氣和電為民用主要能源的新時代，鑒于基本熱價接近甚至超過了計量熱價，鑒于天然氣特別是電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苓^程的安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟性、方便性和快捷性［13］，民宅是否堅持集中供熱采暖值得研究。

2）家用節(jié)能型自動負壓蒸汽供熱采暖系統(tǒng)，無須循環(huán)水泵和真空泵，即可實現(xiàn)60～70℃的負壓蒸汽自動連續(xù)循環(huán)對外供熱采暖，具有結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高、啟動快、機動性強、投資少、能耗低、無噪聲、無維護、高安全、熱水采暖效果的特點，完全可以作為家電設(shè)備走進千家萬戶。對于較大面積的辦公場所，可以分布實施這樣的采暖技術(shù)。

3）家用節(jié)能型自動負壓蒸汽供熱采暖系統(tǒng)，天然氣加熱的費用僅為集中供熱采暖費用的一半左右，基于充分利用谷電政策的電加熱費用，雖然高于天然氣加熱的費用，但還是比集中供熱的費用低許多。

4）家用節(jié)能型自動負壓蒸汽供熱采暖系統(tǒng)中的電加熱鍋爐，應(yīng)當(dāng)以電爐絲的表面溫度不超過其壽命期的允許溫度來確定鍋爐受熱面的大容積飽和沸騰熱流密度；天然氣加熱的鍋爐屬于微型常壓天然氣鍋爐，應(yīng)當(dāng)具有密閉合理的燃燒室和受熱面積，需要專業(yè)設(shè)計和更多的安全措施。

5）電器自動化是系統(tǒng)正常運行的保證，質(zhì)量必須可靠、動作必須靈敏。

［1］楊申陵. 下排氣式壓力蒸汽滅菌器使用中值得注意的幾個問題［J]. 海洋總醫(yī)院院刊，1989（01）：75-77.

［2］北京鍋爐廠設(shè)計科譯. 鍋爐機組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法［M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1976.

［3］楊世銘，陶文銓. 傳熱學(xué)(第三板)［M]. 北京：高等教育出版社，1998.

［4］CJJ34—2002 城市熱力網(wǎng)設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］董祖康，王孟浩，李守恒譯. 鍋爐機組水力計算標(biāo)準(zhǔn)方法（蘇B．A洛克申等）［M]. 北京：電力工業(yè)出版社，1981.

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［9］GB/T 1234—2012 高電阻電熱合金［S］.

［10］北京市發(fā)改委. 關(guān)于本市清潔采暖用電用氣價格的通知（2017年11月2日）［Z].

［11］北京本地寶. 2017年至2018年北京供暖價格表及相關(guān)指南［Z].

［12］卜銀坤. 一種新型的家用光電供熱系統(tǒng)［C].中國太陽能學(xué)會2001年學(xué)術(shù)會議論文摘要集，2001.

［13］卜銀坤. 淺談使用天然氣的安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟性、方便性［J].工業(yè)鍋爐，2002（01）：24-26.