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(jiàn)光、紫外線、x射線以及微波、無(wú)線電一樣既具有波動(dòng)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(zhǎng)(或頻率)不同。可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍約為0．38—0．75微米，紅外輻射的波長(zhǎng)范圍約為0．75—1000微米，波長(zhǎng)大于1000微米的為微波和無(wú)線電電波。通過(guò)三棱鏡可以把可見(jiàn)光分成為紫、藍(lán)、青、綠、黃、橙、紅七種顏色，而紅外輻射的波長(zhǎng)比紅光的波長(zhǎng)還長(zhǎng)，即在光譜的紅色端以外，所以稱之為紅外線，人們的視覺(jué)感覺(jué)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(wú)焰燃燒，可以直接產(chǎn)生紅外輻射用于各種加熱過(guò)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(shí)踐證明它比傳統(tǒng)的對(duì)流加熱具有投資省、啟動(dòng)快、效率高、污染少等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的紅外輻射器還能夠發(fā)射出波長(zhǎng)較長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外輻射，對(duì)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(guó)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(zhǎng)較長(zhǎng)和不易回火等優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)：
(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(shí)其表面溫度為800—850oC，在這種溫度下其主要的輻射能量波長(zhǎng)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(jiàn)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(diǎn)(見(jiàn)圖2，b)，從而彌了陶瓷的缺點(diǎn)，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(huì)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(guò)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(guò)對(duì)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(zhǎng)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(guó)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(duì)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(cè)試，其結(jié)果列于表2。從表中可見(jiàn)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(lái)衡量。對(duì)復(fù)合層多孔陶瓷板進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，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(dòng)時(shí)，C0在100pPm以下?？偟膩?lái)說(shuō)，一氧化碳排放量是很低的。
從以上研究和試驗(yàn)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(shí)踐已經(jīng)證明，燃?xì)饧t外輻射器發(fā)出的輻射波長(zhǎng)較長(zhǎng)，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(shù)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(guò)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(jué)比較舒適。此時(shí)室內(nèi)空氣可以比對(duì)流采暖時(shí)低5—10oC，大大節(jié)約了熱能，而燃?xì)廨椛洳膳某跬顿Y和運(yùn)行費(fèi)用比對(duì)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(shí)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(jià)基本相同，6萬(wàn)元運(yùn)行費(fèi)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(shí)＝210元／時(shí)
(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(shí)；
總用氣量為96×0．3＝28．8米3／時(shí)；
天然氣單價(jià)為 2．1元／米3
用氣成本為 28．8米3／時(shí)×2．1元／米3＝60．5元／時(shí)；
兩種方案比較結(jié)果：用電加熱預(yù)烘的運(yùn)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(dòng)的空調(diào)，以燃?xì)鉃槟茉吹奈帐娇照{(diào)雖已開(kāi)始發(fā)展，但所占比例甚小。
從國(guó)外情況來(lái)看，美、日等國(guó)十分重視燃?xì)饪照{(diào)的研究與開(kāi)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(fèi)，減少對(duì)環(huán)境的污染。
我國(guó)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(guó)外引進(jìn)的第一個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)確定，第二個(gè)項(xiàng)目也開(kāi)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(jì)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(fèi)是環(huán)境污染的主要來(lái)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(shí)的排放系數(shù)見(jiàn)表5?？梢钥吹?，燃煤所排放的污染物最多，使用天然氣排放的污染物最少。而使用電能時(shí)，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(shí)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(gè)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(yùn)行工質(zhì)對(duì)環(huán)境無(wú)害以及維護(hù)方便、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量也不錯(cuò)，因而使用較多。其缺點(diǎn)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(shí)可大到10萬(wàn)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(duì)于天然氣即將來(lái)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(tái)機(jī)組的冷量為1163kw(100萬(wàn)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?yàn)閴嚎s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??；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(wèn)題，因此其能耗比直燃式機(jī)組還要大，不過(guò)吸收式機(jī)組的用電負(fù)荷很?。粚?duì)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yùn)行費(fèi)用低，在2—3年內(nèi)便可回收多付的設(shè)備費(fèi)。
燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)能源利用率高，發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱可加以利用，特別是直接驅(qū)動(dòng)熱泵時(shí)，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(dòng)的螺桿式風(fēng)冷熱泵(GKHP)，一般容量為20—200RT。
(2)設(shè)計(jì)緊湊、設(shè)備成熟、使用壽命長(zhǎng)，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(duì)需要熱水的場(chǎng)所經(jīng)濟(jì)性更佳。
(4)組合式裝置具有隔音外殼，運(yùn)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(dòng)的壓縮式制冷機(jī)在美國(guó)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(kāi)發(fā)小型商用機(jī)組和家用機(jī)組。
