燃气红外线辐射器回火因素分析

作者：重庆燃气公司 曾令璂

欢迎访问e展厅 展厅 4 冰箱/厨房电器展厅 冷柜, 酒柜/酒窖, 展示柜, 净水机, ... 利用燃烧各种气体，如：天然气、液化石油气、人工煤气、沼气等而辐射出大量各种波长红外线的装置称为燃气红外线辐射器（以下简称辐射器），由于辐射器所发射的红外线波长具有良好的热特性，即可透过空气层，并能穿过物体或人体表层一定深度，从内部加热物体或人体，这些特性，在工程上生活中，都有很大的实用价值。 辐射器具有结构简单、外形小巧、发热量大、热效率高、用金属材料少、操作简单、维护容易等特点，它对于改善加热、烘烤、保温等场所的劳动卫生条件、提高劳动生产率，有显著的作用，是一种较先进的高温辐射热源。目前广泛应用于各种工艺中的烘烤、干燥以及各种情况下的采暖。随着我国燃气事业的发展，使用燃气的城市日益增加，从发展及城市环境保护的长远观点来看，以城市燃气取代污染严重的煤和石油是必然的趋势。因此，辐射器必将在工业、农业、交通和人民生活中得到广泛的应用。 辐射器是一种采用无焰燃烧方式的燃气用具。无焰式燃烧的特点是：在燃烧之前将燃气和空气实现全部预混，燃烧器的过剩空气系数α和一次空气系数α1相同，也即不再需要二次空气，并设置专门的火道（或网格等），使燃烧区内保持稳定的温度。在这样的条件下，燃气——空气混合物到达燃烧区后能瞬间完成燃烧，火焰很短甚至看不见。理论上，这种燃烧方式的过剩空气系数α可以取为1，但在实际上，为保证完全燃烧，一般取略大于1的数值。由于过剩空气系数比较小，因此这种燃烧方式能达到较高的燃烧温度，而且燃烧比较完全，化学不燃烧较少。 另一方面，由于这种燃烧方式的一次空气系数α1较大，又造成这种燃烧方式的稳定性较差，也即容易发生回火的缺点。从我们掌握的家用辐射器维修情况看，85%以上是由于各种原因乱的回火而请求修理的。生产工艺上需要使用辐射器的工厂也反映，回火影响其正常工作的主要故障。 燃气红外线辐射器的结构见图1，它主要由燃气喷嘴、引射器、辐射器外壳、辐射器头部、分配板等组成。其头部由于所用的材料不同，可分为金属网式及多孔陶瓷板式两大类，目前国内生产和使用的以前者为主，本文也主要以前者分析对象。（见图1） 金属网式辐射器头部由不少于两层的金属网构成，各层分别由不同直径，不同目数而又耐高温腐蚀的金属网构成，最外面一层金属网丝径较粗，而且目数较少，称为外网；外网下面的称为内层网，它由一层或几层规格相同的金属网构成，这层网丝径较细，目数也较多；内网的下面，还有一层刚度较大的托网，起支撑内网的作用。有时为解决内网在高温下易变形的问题，还可将内网预压制花纹。 金属网的材料，国内目前采用价格便宜、来源丰富的铁铬铝合金丝。 由于外网的丝径粗、目数少（常用规格为每个网孔面积7.96mm2）网孔截面超过了燃气回火极限孔径，具备了回火的条件，因此燃烧不会超出外网。当在外网的外面点火时，火焰立即因回火而缩回外网下燃烧；而内网因丝径细、目数多（常用规格为每个网孔面积0.33mm2），燃气——空气混合物通过金属网孔时的速度较大，具备了脱火的条件，火焰将在内网外表面一定距离的地方进行燃烧。这样燃烧就被限制在内网与外网之间的空间内，而外网实际上起着火焰稳定器的作用。而火焰燃烧的位置，将由燃气的压力、成分、引射器的阻力、内外网之间的距离等因素决定，这就是辐射器的正常燃烧过程。 普通燃烧器的不稳定工作状态主要有两种：一种为脱火，另一种为回火，这两种状态都是不能允许的。对于辐射器，由于它的结构及燃烧方式所决定，脱火现象发生的可能性极小（仅仅只有当多孔陶瓷板式的辐射器处于焰道孔径小，气源压力高，燃气的燃烧速度又慢的特定条件下，才会发生脱火），经常发生的是回火现象。 所谓回头，就是燃烧火焰由原来的正常位置回缩到外壳、引射器，甚至在喷嘴上的现象。从本质上讲，当燃气——空气混合物在燃烧面法线方向的速度分量，小于该混合物的火焰传播速度时，就会发生火焰缩回燃烧器内部燃烧的回火现象。 造成辐射器回火的原因很多，但最根本的只有两方面： 第一，当辐射器的头部内表面的温度由于某种原因达到了燃气——空气混合物的着火温度，而这种混合气未进入辐射器头部之前，就在辐射器外壳内着火燃烧，形成回头。 第二，当燃气——空气混合物在流过辐射器内网时，某一点的流速低于该混合物的法向火焰传播速度，火焰由该点缩回辐射器外壳形成回火。 这两方面的原因中的任何一种均可引起回头，但这两种回火过程的性质却是不同的。 前者是由于辐射器头部内表面温度达到或超过了该燃气——空气混合物的着火温度而在瞬间引起着火燃烧而形成回火，它的形式过程，主要是在于热量的传递和积累，一般称为热力回火。 后者则是由于火焰传播速度与可燃混合气出口流速的相对平衡被破坏而引起，是一种动态不平衡，一般称为动态回火。 虽然这两种回火发生的原因及过程不同，其性质也不一样，但它们之间是有联系的。例如，当燃气——空气混合物被预热时随着预热温度的升高，火焰传播速度也增大，燃烧温度敢增高，辐射器头部向外壳的传热也增强，在这一系列热平衡和动平衡进行过程中，只要有一个条件达到，就会发生回火。 具体地讲，引起热力回火的原因主要有： 1、辐射器头部与外壳体之间的密封垫绝热性能差； 2、燃气压力过高； 3、辐射器喷嘴内径过大； 4、燃气成分发生了较大的变化。 而引起动态回火的原因主要有： 1、辐射器内网孔径过大； 2、辐射器内网上有裂缝或孔洞； 3、辐射器头部密封垫损坏或密封不严； 4、辐射器喷嘴堵塞； 5、燃气压力过低； 6、一次空气系数选择不当（或调风片调节不当）； 7、燃气成分发生了较大的变化。 8、辐射器受外界强气流或风力的影响。 在上述引起动态回火的因素中，我们重点讨论一下燃气燃烧工作点的选择问题。 燃气的燃烧稳定范围是处于脱火、回火、黄焰区之间的一个狭小区域。不同的燃气，其燃烧稳定区是不同的，但呼种燃气的燃烧稳定范围的基本规律则是相同的，即它们的曲线大致趋势是相似的，只是具体数值有所变化而已（见图2） 若某台辐射器的工作点原选在B点，该点燃烧是稳定的。当燃气压力降低时，它所引射的空气量将随之减少，由于火孔截面积未变，这种燃气——空气混合物流速将降低，但由于引射器的自动调节特性，一次空气系数α1将保持不变，因此其工作点将下移到C点而落入回火区，造成辐射器回火。 又如某台辐射器的工作点原选在工作稳定的A点，当燃气成分变化时，若其热值变高，由于引射器吸入的空气量不变，这时一次空气系数α1将由大变小，其工作点将平移到E点而落入回火区，造成辐射器回火。 另外，气源成分的变化还将影响火焰传播速度，气源中若火焰传播速度大的H2（2.8m/s）、C2H2（1.52m/s）等成分增加，则将引起燃气的火焰传播速度增加，但由于辐射器火孔的混合气出口流速不变，将会破坏原有的平衡而造成回火。 辐射器发生回火，除辐射器某些部件因本身质量或组装质量不好而造成回火的以外，还有一部分是由于辐射器设计时，工作点选择不当而造成的。如在上述例子中，原工作点B太靠近回火区，可向上移动至D点，因辐射器工作时发生脱水的几率极小，因此D点在选择时，可靠近脱火区一点，也即远离回火区一点（α1不变），这样在设计时将工作点只上移了一点，但在实际使用时，却能使辐射器稳定工作的范围加大很多。当然在实际设计时，工作点的选择并不是这样简单，因为它是由多种因素决定的，而这些因素又是相互影响、相互制约的。但是，在设计时考虑周到一点，使辐射器具有较大的适应性，则是应该而且可以做到的。 在实际使用中，若辐射器发生了回火，则应按照回火发生时的具体情况，有针对性的进行处理。例如，对于发生的热力回火，关键是辐射器外壳某处温度过高，这是总的原则，而对外壳温度升高，则要分析具体原因：究竟是属于绝热材料失效，造成外壳温度升高呢？还是由于燃气成分变化，热值升高而造成头部温度过高呢？找出原因后，再有针对性地进行处理，这样就能收到事半功倍的效果。对于动态回火，也应作类似的分析处理。 燃气红外线辐射器，是近四十年来才发展起来的一种新型高温热辐射源，随着现代科学技术水平的不断提高，目前已具有一定的水平。它的外形虽然比较简单，但其本身以及在各方面的应用，却涉及到多种学科如材料学、化学、气体燃烧动力学、传热学、人体卫生学等各方面，所以还有一些问题需要从理论上加以探讨，在实际应用中摸索规律，才能得到更快的发展。我们愿同国内燃气界的同行共同探索，为提高我国的燃气应用技术水平作出贡献。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/17/2004)