金属纤维红外辐射采暖器的开发

袁 健，张 洁

(南通航运职业技术学院 轮机工程系，江苏 南通 226010)

金属纤维红外辐射采暖器的开发

袁 健，张 洁

(南通航运职业技术学院 轮机工程系，江苏 南通 226010)

为降低采暖能耗，解决室内污染物排放超标的问题，将金属纤维红外燃烧技术与辐射采暖技术相结合，设计了一种金属纤维红外辐射采暖器，该系统主要包括燃烧控制器、风机、燃气电磁阀、燃气调节阀、空气-燃气混合器、点火针、金属纤维等部件。通过对该辐射传热模型的理论分析给出了采暖器安装高度的计算方法，并利用实验手段研究该采暖器的各项工作性能。结果表明，该采暖器工作120 min后，房内温度15～22 ℃，平均18～19 ℃(目标17 ℃)，已达到采暖要求；实验房间内0～20 min温度上升速度较快，20 min后温度上升较缓慢，采暖器工作120 min后，物体温度约高于空气温度2.8 ℃。当空燃比介于1.1～1.5时，CO与NOx的排放量均低于50×10-6，已达到污染物排放标准；随空燃比增加，CO与NOx的排放量降低，且CO排放量降低更为显著。通过对系统的辐射传热模型理论分析，给出安装高度与功率、辐射表面尺寸定量关系。

采暖器； 辐射； 金属纤维； 红外燃烧技术； 空燃比； 污染物排放

0 引 言

随着建筑能耗不断攀升，建筑节能引起了越来越广泛的关注。在建筑能耗中，采暖能耗占较大比例，因此，降低建筑的采暖能耗对于建筑节能具有重要的意义。目前，采暖方式主要分为对流采暖与辐射采暖，而对于大型工业建筑而言，对流采暖方式并不适用，一方面，由于热空气的上升，大量热量集中在建筑物的上部，造成了能量的浪费；另一方面，空间内温度分布不均匀，人体的热舒适感较差[1-3]。对于辐射采暖方式而言，空间内的物体直接吸收辐射表面辐射的热量，传热方式更加直接，且人体在辐射采暖房间内的体感温度可低于真实环境温度2～3 ℃[4-5]，因此设计温度可降低2～3 ℃，一定程度上节约了能源。燃气辐射采暖可分为辐射管式和直燃式两种类型。辐射管式采暖器主要由燃烧系统和辐射系统两部分构成，辐射管表面温度只有550 ℃左右[6]，功率相对较小，若要获得较大功率，辐射管必须做到足够粗、足够大，这严重影响了厂房的使用空间，不适用于高大空间厂房。直燃式红外辐射采暖是指空气与燃气的混合气体直接在辐射表面燃烧并向外辐射电磁波，但是，由于大量烟气直接排到室内，故直燃式红外辐射采暖一般存在室内污染物(如CO、NOx等)超标的问题[7-9]。

为了同时解决大功率辐射管采暖器粗、笨、大的问题与直燃式采暖器污染物排放超标的问题，本文将金属纤维应用到红外辐射采暖系统中，设计了一种直燃式金属纤维红外辐射采暖器，并通过实验探究该采暖器的各项工作性能。

1 采暖器的设计

本文设计的金属纤维红外辐射采暖器为全预混式，如图1所示，系统主要包括燃烧控制器、风机、燃气电磁阀、燃气调节阀、空气-燃气混合器、点火针、金属纤维等部件。采暖器开始工作前，首先开启燃烧控制器，在其控制下，风机首先开始工作，进行前吹扫，排尽系统中可能残留的可燃气体，防止发生爆炸事故。然后燃烧控制器打开点火针，使其在金属纤维表面产生高压电火花，同时开启燃气电磁阀，燃气在燃气调节阀的调节下，由燃气接入管进入空气-燃气混合器，空气由风机鼓入空气-燃气混合器，与燃气在混合器中按照一定的空燃比混合均匀，均匀混合后的燃气-空气混合物被压入采暖器的头部，并在金属纤维外表面进行燃烧，在辐射表面形成炽热的火焰层，同时向外辐射电磁波，加热室内物体。随后点火针自动切换到火焰探测模式，一旦监测到燃烧器无法正常工作(未点燃或燃烧过程中发生熄火等异常现象)，燃烧控制器自动启动熄火保护功能，燃气电磁阀立刻切断燃气供应，风机继续运转进行后吹扫，红灯闪烁进行报警，以保证安全。

图1 金属纤维红外辐射采暖系统结构示意图

1.1燃烧系统设计

金属纤维红外辐射采暖器的燃烧系统主要由金属纤维、点火针以及多孔支撑板等部件组成。预混气体在风机的作用下从混合器中流出，进入多孔支撑板，从多孔支撑板的小孔流出后均匀分布在金属纤维表面，并在表面稳定燃烧。布置多孔支撑板一方面是为了保证混合气体能够在金属纤维表面均匀分布，燃烧表面无明显的亮区与暗区；另一方面对金属纤维起支撑作用，金属纤维可以平铺在其外表面。

金属纤维红外辐射采暖系统中所使用到的金属纤维是由Facralloy的合金丝编制而成，纤维表面均匀分布有很多气孔，具有良好的透气性[10]。由于这种合金中含有金属钇，故在1 000 ℃以上的条件下仍具有良好的抗氧化性与抗腐蚀性[11]。此外，金属纤维的导热系数和辐射率都比较高，这有利于混合气体之间的传热，从而增加了发生燃烧化学反应的区域，使得燃烧效率提高。

1.2控制系统设计

直燃式金属纤维红外辐射采暖器的控制系统可以实现自动点火控制、防爆安全控制、燃烧负荷控制等基本功能。

自动点火控制系统是红外辐射采暖器实现燃烧自动控制的重要组成部分，小型红外辐射采暖器常用的点火方式为连续脉冲电火花直接点火，其正常工作需要考虑电火花能量、点火频率和点火位置等因素。防爆安全控制系统包括熄火保护装置、“前吹扫”与“后吹扫”设置等。燃烧负荷控制系统是燃烧系统和红外辐射采暖系统之间的纽带，起着重要的衔接作用，本文设计的采暖器样机中采用的是通过调节风机风门大小和燃气调节阀开度实现燃烧负荷的控制，该方法成本造价较低，操作简单方便。

1.3辅助设备设计

该系统的辅助设备包括风机、燃气调节阀、空气-燃气混合器以及反射罩等。风机一方面向空气-燃气混合器中供给空气；另一方面为混合气体提供动力，使其能够流向燃烧系统，风机功率的大小可以根据气体在系统中的阻力损失确定。反射罩布置在金属纤维两侧，布置反射罩是为了能够将少量向上辐射的能量反射到下部空间，减少能量的浪费。

2 采暖器安装高度的理论分析

金属纤维表面温度高，辐射能力强，为保证人员安全，在进行燃气辐射采暖器的设计、制造与安装的一系列过程中，需综合考虑安装高度与功率、辐射表面尺寸之间的关系，以保障人体表面的受辐射强度低于人体所能承受的极限。

在进行辐射传热的理论分析之前需对系统的模型进行简化，假设：①空气不吸收辐射能。由于空气的主要成分为O2和N2，均为双原子对称结构，故认为空气几乎不吸收辐射能，加热空气的能量主要来源于空气与周围环境的对流换热。②忽略人体与周围环境之间的辐射换热。两表面间的辐射换热量与热力学温度的4次方成线性关系，当温差较小时，辐射换热量可忽略不计。相比较人体与辐射表面间的温差，人体与周围环境的温差较小，故可以忽略人体与周围环境之间的辐射换热。③红外辐射采暖器的辐射表面为漫射表面，在半球空间的各个方向上的定向辐射强度相等。

建立如图2所示的辐射传热模型，其中，上表面为辐射表面；下表面为人员头部的微元面积(人刚好站在辐射表面的正下方时，接收到的辐射强度最大)。上表面的面积为A2，下部微元面积为dA1，两者之间的距离为h，在上表面中取任意一点坐标为M(x，y)，A1与M点之间的距离为r，A1表面中点与点M之间的连线和下表面、上表面之间的夹角分别为θ1、θ2。

图2 辐射传热模型

采暖器的安装高度应能够保证人员头部接收到的辐照度E小于人体所能承受的辐照度极限值Emax。采暖器的辐射表面A2对人员头部dA1的角系数等于人员头部dA1表面接收到的辐射量与采暖器功率之比，即

XA2，dA1=E·dA1/P

(1)

式中：XA2，dA1为辐射表面A2对微元表面dA1的角系数；P为采暖器功率。

根据角系数互换定律[12]，有：

XA2，dA1·A2=XdA1·dA1

(2)

根据角系数的计算公式[12]，有：

(3)

(4)

结合式(1)、(2)与(4)，可得P、E以及h之间的关系：

(5)

当P、E、辐射表面尺寸已知时，则可求出h。E取Emax时，所求得的h值为辐射表面距人员头部的最小高度值hmin，其最低安装高度Hmin(即安全高度)，

Hmin=hmin+h′

(6)

式中，h′为人员身高。

3 采暖器的实验

3.1实验条件

选取上海市嘉定区一实验室作为实验房进行测试，房间尺寸(长×宽×高)：7.2 m×4.2 m×4 m。房间墙壁均为24 cm，双面抹灰；地面为普通水泥混凝土地面；顶部为普通水泥混凝土屋面；北外窗为单层钢窗；南门为普通单层木门；房间南侧为走廊，西侧、下侧与上侧为相同的实验房间，东侧为楼梯间。实验测试期间，房间周边房间及走廊未启动采暖设备，室外环境温度为9 ℃，风速为0.2 m/s。

3.2实验装置

由于人体在辐射采暖环境下的实感温度比实际温度高2～3 ℃，故辐射采暖的设计温度应低于对流采暖设计温度2～3 ℃。因为本文研究对象为高温辐射采暖，所以设计温度取低于对流采暖设计温度3 ℃合理，即取设计温度为17 ℃。用温度折减法、修正系数法、厂家推荐法以及全面负荷计算法[13-14]计算得到房间热负荷为10.7、10.5、10.5、9.3 kW，均在10 kW左右，取设计余量20%，红外辐射采暖器的设计功率应为12 kW。

金属纤维采用美国MFT公司制造的新型Fe、Cr、Al、Mn合金材料，其设计尺寸为0.5 m×0.08 m；燃气-空气混合器选用上海梅帝燃气设备技术有限公司的生产的M25型混合器；风机采用瓦斯炉用鼓风机，型号为WGFJ-G006，额定功率为25 W，额定风量为138 m3/h；燃烧控制器选用上海梅帝燃气设备技术有限公司生产的DFC-1控制器；燃气电磁阀采用双24 V燃气电磁阀；实验所用天然气的热值为34.2 MJ/m3，密度为0.78 kg/m3，天然气的消耗量为1.26 m3/h，所需理论空气量为11.97 m3/m3。实验装置如图3所示。

人员头部所能忍受的辐照度极限取70 W/m2，设计的辐射表面尺寸和功率为：a=0.25 m，b=0.04 m，A2=0.04 m2，P=12 kW，人员高度h′取1.8 m，通过计算得到安全高度Hmin为4.05 m。由于受实验条件限制(房间高度仅为4 m)，故在实际实验过程中，将安装高度降低到3.6 m。辐射表面的安装位置为房间中央，距地面3.6 m，东西方向放置。

图3 实验装置图

3.3实验结果分析

图4为采暖器工作到120 min时x轴方向上(y=2.1，z=0、0.2、1.2)的空气温度分布，房间内初始温度为10 ℃。由图4可知，采暖器工作120 min之后，房间内的温度介于15～22 ℃，室内平均温度约18～19 ℃(目标温度17 ℃)，已达到采暖要求。随着测量高度的升高，空气温度呈现上升的趋势，这一方面是由空气吸收少部分辐射能造成的；另一方面是因为测温元件(热电偶头部)吸收辐射能，使热电偶自身的温度升高。在房间中间位置，贴近地面的空气温度高于0.2 m高度上的空气温度，这主要是由于地面吸收辐射能，温度高于地表空气温度，贴近地面的空气与地面发生对流换热，使地表空气温度升高。

图4 房间内空气温度分布(y=2.1)

图5为测点(x=3.5，y=2.1，z=1.2)处的空气温度与物体温度(物体表面涂黑)在0～120 min的变化情况。由图5可知，物体在0～20 min温度上升速度较快，20 min之后温度上升趋于平缓，空气温度上升相对较缓慢，这主要是由于物体直接吸收辐射表面发射的辐射能，而空气主要是间接与周围物体通过对流换热获得能量。采暖器工作120 min之后，物体温度约高于空气温度2.8 ℃。

图5 测点(x=3.5，y=2.1，z=1.2)处的空气温度与物体温度

图6为空燃比对CO与NOx排放量的影响曲线图。由图可知，当空燃比值介于1.1～1.5时，CO与NOx的排放量均低于50×10-6，达到环境对于污染物排放量的要求。随着空燃比的增加，CO与NOx的排放量均降低，CO排放量降低更为显著，这主要是由于随着O2含量的增加，作为中间产物的CO可以更多地转化为CO2。

图6 空燃比对污染物排放量的影响

4 结 语

本文设计了一种金属纤维红外辐射采暖器，通过理论分析给出了采暖器安装高度的计算方法，并利用实验手段研究该采暖器的各项工作性能，主要结论如下：

(1) 采暖器工作120 min之后，房间内的温度介于15～22 ℃之间，室内平均温度约18～19 ℃(目标温度17 ℃)，已达到采暖要求；

(2) 实验房间内物体在0～20 min温度上升速度较快，20 min之后温度上升趋于平缓，空气温度上升相对较缓慢，采暖器工作120 min之后，物体温度约高于空气温度2.8 ℃；

(3) 当空燃比介于1.1～1.5时，CO与NOx的排放量均低于50×10-6，已达到污染物排放标准。随着空燃比增加，CO与NOx的排放量降低，且CO排放量降低更为显著。

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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，江苏南通人，硕士，副教授，远洋轮机长，主要从事轮机工程技术与管理研究。

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

TK 174

：A

：1006-7167(2017)07-0072-04