大空間建筑燃氣紅外輻射采暖系統(tǒng)的設計研究

同濟大學機械與能源工程學院　林立春　黃思怡　馮　良

大空間建筑燃氣紅外輻射采暖系統(tǒng)的設計研究

同濟大學機械與能源工程學院林立春黃思怡馮良

設計了一套適用于大型實驗室的金屬纖維紅外輻射采暖系統(tǒng)，并搭建了實驗測試平臺。對該采暖器樣機的性能進行了實驗測試，研究證明所設計的燃燒系統(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，為高大空間的燃氣紅外線輻射采暖系統(tǒng)的設計開發(fā)提供了參考。

大空間建筑燃氣紅外線輻射采暖全預混金屬纖維

高大空間建筑與普通建筑相比具有跨度大、層高大、門窗面積大及圍護結構傳熱系數(shù)大等特點。若采用傳統(tǒng)的對流換熱方式采暖，由于熱空氣上浮，形成室內溫度梯度是上熱下冷，而室內的人、設備等需熱空間基本在地面0~2 m的空間，從而導致所需散熱器數(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題。燃氣輻射采暖系統(tǒng)具有使室內溫度梯度小、熱損失小、布置靈活、可分時分區(qū)域采暖和節(jié)能高效的特點，因此更適合高大空間建筑物使用。

目前燃氣輻射采暖方式，一般可以分為輻射管式輻射采暖和直接燃燒紅外式輻射采暖。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，而大尺寸的輻射管嚴重影響了建筑空間的利用，所以該供暖方式在不超過15 m的高大建筑中應用較為廣泛，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，但缺點是大量煙氣將直接排在室內。

本文以某高校的大型實驗室為例，在已有的技術和數(shù)學模型的指導下，設計了一套適合大型實驗室的全預混燃燒金屬纖維紅外輻射采暖系統(tǒng)，開發(fā)了采暖器樣機，并對其進行實驗測試分析，旨在為高大空間工業(yè)建筑的供暖系統(tǒng)設計提供參考。

1　全預混紅外輻射采暖系統(tǒng)設計要點

燃氣紅外輻射采暖樣機主要由燃燒系統(tǒng)和燃燒器控制系統(tǒng)組成。以下對系統(tǒng)的幾個設計重點進行詳述。

1.1強制鼓風式金屬纖維燃燒器頭部的設計

全預混燃燒易回火、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、多孔支撐板、氣流分配板、殼體、燃氣—空氣混合物入口等幾部分組成。當燃燒器頭部面積較小時，不需要氣流分配板；燃燒器頭部面積較大時，不但需要多孔支撐板或金屬支撐網，還需要氣流分配板，以保證將燃氣—空氣混合物均勻地分布在金屬纖維多孔介質上，并進行穩(wěn)定和完全的燃燒，為此要求頭部各點壓力盡可能均勻并達到一定的數(shù)值。

本文所設計的金屬纖維紅外燃燒系統(tǒng)是針對高大空間工業(yè)建筑采暖設計的，其頭部結構示意圖如圖1所示，將燃燒器頭部設計成圓筒長條形，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。為了使燃氣-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，當燃氣—空氣的混合物在風機的壓力下進入輻射管時，均勻通過分流板上的小孔，進而在金屬纖維表面燃燒。

圖1　燃燒器頭部結構示意

1.2燃燒控制系統(tǒng)

全預混燃燒系統(tǒng)的燃燒控制器可以實現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的自動點火控制、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，實現(xiàn)負荷的手動及自動控制。控制器接線如圖2所示。

圖2　DFC-1燃燒控制器接線

1.2.1自動點火控制

自動點火控制是燃氣燃燒器實現(xiàn)燃燒自動控制的重要組成部分。小型的燃氣燃燒器采用的是連續(xù)脈沖點火花直接點火，即電火花直接點燃燃燒器。點火器的正常工作需要考慮電火花能量、點火頻率和點火位置。

本課題采用的點火器為丹佛斯點火變壓器052F0040，外形如下圖3所示。

圖3　高壓點火器

技術參數(shù)如下表1所示。

表1　高壓點火器技術參數(shù)

其中采用電子脈沖工作原理的點火變壓器允許的點火時間以3分鐘內的點火百分比表示(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行和操作人員的安全，需要在燃燒自動控制系統(tǒng)中設置“前吹掃”和“后吹掃”以及熄火保護措施等安全控制環(huán)節(jié)?！扒按祾摺笔侵赶蛉紵夜┙o燃氣并在點火器點火前，先啟動風機，將燃燒室內可能殘存的燃氣驅走?！昂蟠祾摺笔侵冈谌紵髅看稳紵Y束后，風機繼續(xù)運轉，使殘留的可燃氣體全部排出燃燒室。同時設置火焰熄火保護裝置，一旦燃燒器火焰熄滅，馬上切斷燃氣供應，并采取吹掃措施消除爆炸或者燃氣泄露的隱患。

2　燃氣紅外輻射采暖樣機設計

2.1燃氣紅外輻射采暖樣機

本課題以某高校大型實驗室為設計對象，該實驗室長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，門為普通單層木門。通過負荷計算，燃燒器樣機設計熱負荷取為12 kW。

燃氣紅外輻射采暖樣機主要由燃燒器頭部、混合器、燃氣調節(jié)閥、燃氣電磁閥、助燃風機(可調風門大小)、燃燒器控制器等組成。燃氣輻射采暖器樣機整套結構示意圖如圖4所示。

圖4　高強度燃氣輻射采暖器整套結構示意

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

(2)助燃風機，樣機中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。

(3)燃氣-空氣混合器，樣機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。

(4)燃燒控制器，樣機選用上海梅帝燃氣設備技術有限公司生產的DFC-1控制器，燃燒控制器主要有高壓點火器和電路控制板組成。

(5)燃氣電磁閥，采用雙24 V燃氣電磁閥。

2.2工作原理

采暖器開始工作時，按下燃燒控制器8的開關，風機7開始啟動，風機先進行預吹掃，排盡燃燒器里面可能殘留的可燃氣體，防止發(fā)生爆燃現(xiàn)象。然后燃燒控制器8打開高壓點火器，點火針3上產生高壓電火花，同時燃氣電磁閥6自動開啟，燃氣從外部燃氣接入管9中進入，燃氣和空氣在燃氣—空氣混合器4中進行預混，在風機壓力下進入燃燒器頭部1中并被點燃，混合氣體開始在金屬纖維網2表面上燃燒，隨后點火針切換功能進入火焰探測模式。調節(jié)燃氣調節(jié)閥5，直到燃燒進入紅外輻射狀態(tài)。如果需要調節(jié)燃燒器的功率，可以按刻度先慢慢調節(jié)風機7的風門，再調節(jié)燃氣調節(jié)閥5，直至燃燒進入紅外輻射狀態(tài)。

該紅外燃燒器樣機中采用的是通過調節(jié)助燃風機的風門和燃氣調節(jié)閥的開度大小實現(xiàn)燃燒負荷的控制。一旦燃燒器不能正常工作(沒有點燃或者燃燒過程中發(fā)生熄火等異常現(xiàn)象)，燃燒控制器8會自動啟動熄火保護功能，燃氣電磁閥6會立刻切斷燃氣供應，風機繼續(xù)運轉進行后吹掃，紅燈閃爍報警，保證安全。

2.3紅外輻射采暖器懸掛高度分析

使用燃氣紅外輻射采暖時，金屬纖維紅外燃燒器發(fā)出的紅外輻射線首先到達人體的頭部。由于金屬纖維燃燒器表面的溫度很高(經常高達1 000℃)，輻射能力很強，為保證人體安全，在燃氣紅外輻射采暖系統(tǒng)設計時必須使燃燒器和人體之間有一定的距離(安全高度)。

因此在對房間進行紅外輻射采暖系統(tǒng)設計時，必須對紅外輻射采暖器懸掛的高度問題進行分析。本文以人體頭部所能忍受的輻射強度(70 W/m2)為上限進行計算。

不同紅外燃燒輻射負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　性能測試及分析

3.1實驗系統(tǒng)與主要實驗設備

在該大型實驗室內，搭建實驗平臺，實驗系統(tǒng)如圖5所示，實驗設備裝置實物圖如圖6所示。

圖5　主要實驗設備連接示意

圖6　實驗裝置

3.2性能分析

3.2.1采暖效果分析

測試前實驗室房間溫度場分布情況如圖7所示，實驗室平均溫度為10.9 ℃。

圖7　第120分鐘房間溫度場分布

室房間開啟金屬纖維紅外輻射采暖器，室內物體溫度上升很快，距離采暖器中心下方較近的某典型測點在采暖燃燒器工作20 min后，物體表面溫度上升10.3 ℃，改測點處空氣溫度上升6.2 ℃。燃燒采暖器工作120 min后，各測點溫度如圖8所示，房間內溫度比較均勻，平均溫度達到20 ℃，滿足采暖設計要求。

圖8　第120分鐘房間溫度場分布

3.2.2全預混紅外燃燒器的燃燒特性測試及分析

過?？諝庀禂?shù)和表面熱強度對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，過剩空氣系數(shù)在1.35~1.55之間時，煙氣中CO濃度最小。當過?？諝庀禂?shù)小于1.35時，隨著過?？諝庀禂?shù)a的減小，煙氣中CO的濃度迅速升高。當過剩空氣系數(shù)大于1.56時，CO濃度隨著過?？諝庀禂?shù)a的增大也迅速提高，即煙氣中污染物CO的濃度隨著過?？諝庀禂?shù)a的變化呈現(xiàn)出的變化曲線為“U”型。而在實際應用過程中，過大的過?？諝庀禂?shù)會降低煙氣的溫度，導致燃燒熱效率降低，所以過?？諝庀禂?shù)a一般取值1.25~1.5。因此，本課題研究在過?？諝庀禂?shù)a=1.1~1.5范圍變化時煙氣中CO和NOx的排放情況以找出合適的過?？諝庀禂?shù)，保證在穩(wěn)定燃燒的基礎上實現(xiàn)降低煙氣中CO和NOx的排放要求。不同過?？諝庀禂?shù)下污染物排放情況見圖9。

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

固定過剩空氣系數(shù)a=1.5，調節(jié)風機的風量大小，以獲得不同燃燒熱強度下的污染物排放規(guī)律。實驗結果如圖10所示。

圖10　不同表面熱強度下煙氣中CO、NOx的濃度

在一定空氣系數(shù)的情況下，隨著表面熱強度的增大，CO、NOx的排放量會略有增加，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　結語

本課題設計的金屬纖維紅外采暖系統(tǒng)在運行過程中，大空間內溫度梯度小，溫度場分布比較均勻，房間內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。

該燃氣紅外線采暖系統(tǒng)中的全預混金屬纖維燃燒器燃燒狀態(tài)良好，火焰穩(wěn)定，沒有出現(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、燃燒功率調節(jié)范圍寬等優(yōu)點。當過?？諝庀禂?shù)a=1.51時，CO和NOx的濃度達到最低。

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