辐射加热

辐射加热（精选7篇）

辐射加热 篇1

目前各医疗单位对新生儿的护理、治疗及抢救工作更加关注, 新生儿幅射保暖台的临床应用, 有效的降低了新生儿因低温造成的损伤率, 同时也为医院创造了良好的社会效益和经济效益。戴维的HKN-90系列婴儿辐射保暖台可以为患儿提供其肤温控制、恒温设定等功能, 与其他机型相比, 它以功能全面而其价格实惠, 是目前使用最广泛的婴儿保暖设备。我院新生儿室、手术室及及产房使用多台戴维公司的HKN-90、HKN-93A婴儿辐射保暖台, 现将在对我院婴儿辐射保暖台维修过程中所遇到的加热故障与大家分享, 希望对大家在维修类似设备时有所帮助。

1 戴维婴儿辐射台线路原理

(1) 直流电路:集成电路控制区的工作电源为+5V, 继电器的驱动电源和内部电池的充电电源为+12V。

(2) 加热控制:加热控制电路由固态继电器和机械继电器组成。设备正常工作时机械继电器常闭, 一旦发生超温故障, 系统自动关闭固态继电器和机械继电器, 从而切断加热器;正常温度控制时, 通过控制固态继电器来调整加热器的输出功率。

2 故障及维修

2.1 故障一:

HKN-93A婴儿辐射保暖台开机后出现H1.1报警, 按“止闹/复位”键10s后又报警。

故障分析与检修: (1) 该机由两块电路板组成: (1) 电源板DV-HKN-93-POWER V3.3。 (2) 主控制电路板DV-HKN-93-MAIN V3.1。

(2) 翻阅说明书, 查阅相关资料得知:出现H1.1报警属于系统报警类别的加热故障。首先打开温控开关, 用数字万用表AC电压档测量石英加热管两端显示无220V交流电压, 再将其中一表笔移接到固态继器的输出一端, 将万用表调到DC电压档测量固态继电器的输入电压, 无直流电压供给;初步推断故障点在电源板或主控制电路板上。 (1) 空载检查电源板, 电源板上有两组输入电压, 由变压器供给, 分别是:15V/0.4A (绿色线) , 9V/0.9A (黄色线) 接入J5, 经整流块B1 (GB10005) 和B2 (GB10005) 整流后, 供给U3, U4和U6三个集成稳压块。用万用表交流电压档测量J5接口端两组电压正常, 将万用表调到DC电压档测量B1和B2输出电压分别为16.54V和10.09V正常, 再测量U3、U4和U6的输入电压和输出电压分别为11.39V, 5.03V、11.69V, 5.03V和20.97V, 12.10V, 正常。 (2) 连接负载 (主控制电路板和加热管) 检查电源板, 测量二极管D8, C1和U1的8脚以及D3负极的共公端测试点为12V, 测量贴片三极管Q3的c极为低电平0V, B极为高电平, 说明供给K1继电器的12V电压有, 发现K1机械继电器无动作响声迹象, 用起子轻敲K1后有动作“得”短响, 判断K1继电器出现问题, 用电烙铁焊下有问题的继电器, 更换新继电器, 通电, 重新打开温控开关, 温控仪显示面板故障消除, 加热器发热正常工作, 故障解决。

2.2 故障fg:

HKN-90婴儿辐射保暖台开机后出现H1.1报警, 按“止闹/复位”键10s后又报警。

故障分析与检修: (1) HKN-90婴儿辐射保暖台是HKN-93A的早期产品, 基本功能差不多, 在电路上类似。同上例得知H1.1报警属于系统报警类别的加热故障。在判断石英加热管无故障后。首先将控制仪处于不加热状态。测量加热器电源输出插座是否有AC电源, 结果正常。根据电路工作原理, 再检查电源板上固态继电器K1的控制端电压+12V, 正常。接着检查三极管Q2、Q3 (MMBT3904LT1) 的B端为0V (应>0.7V) , 怀疑Q2、Q3二个三极管开路。换上Q2、Q3后, 再进一步检查其周围的元器件, 无异常。通电, 重新打开温控开关, 温控仪显示面板故障消除, 加热器发热正常工作, 故障解决。 (2) 在这次检修过程中, 我们采用了对比测量的方法。找来一台同型号的婴儿辐射保暖台, 根据以往的经验, 在正常的婴儿辐射保暖台上对故障机相应的测量点进行了测量, 记下各点的参数进行对比, 从而找出故障元件, 排除故障, 解决问题。

3 小结

戴维婴儿辐射保暖台加热故障应该是较常出现的问题之一。而这种故障现象也是多种多样的。当我们要进行维修时, 首先要充分了解戴维婴儿辐射保暖台的工作原理和控制方式。加强同戴维公司的工程师的联系与沟通, 以得到他们的帮助, 确定故障点, 快速的解决问题。在有条件的情况下, 借助同型号的设备, 打开进行对比测量找出故障元件, 排除故障。

摘要：本文主要是介绍戴维婴儿辐射台的具有代表性二例加热故障现象及故障分析与检修。

关键词：婴儿辐射保暖台,故障分析,维修

参考文献

[1]杨召林.HKN-9010新生儿幅射保暖台修理[J]《医疗装备》.2006年11期

[2]谢霁.戴维HKN-90婴儿辐射保暖台维修实例[J]《医疗装备》.2011年12期

感温加热一体化黑体辐射源 篇2

黑体辐射源可以用来标定红外测温仪, 同时也可以模拟飞机、军舰等的热辐射。常用于红外制导武器的目标模拟, 本文设计的高集成度的一体化黑体, 具有体积小、重量轻等特点, 适合用于安装在飞行器、转台等对体积质量要求苛刻的场合。

1 黑体结构

1.1 腔芯设计

根据克希霍夫定律:从密闭等温腔体内的任意面元上发出的辐射是等温腔体温度下的黑体辐射。通常是在空腔上开一小孔, 当小孔小到与测量距离相比可以忽略时, 即可等效为黑体。

黑体发射率的大小直接取决于腔体形状的设计和腔体材料的选取和处理。依据中温黑体的特点, 腔体形状采用典型的柱形和锥形相结合的形状。材料选择热导率高的SiC陶瓷材料, 经特殊处理可得到较高的发射率。结构和尺寸如图1所示。

关于点源黑体发射率的计算, 此处采用近似计算法。

近似计算法基于物体之间的辐射换热公式, 假设黑体发射腔温度均匀, 其发射率表达式为:

ε0:黑体内表面涂层发射率;

S1:黑体发射腔开口面积;

S0:黑体发射腔内表面面积。

设定腔芯材料的发射率为ε0=0.8, 计算得到发射率εb=0.976。

1.2 加热功率计算

加热丝选用铂丝, 由于其温度变化特性稳定, 同时可以作为感温材料。

计算公式如下:

腔芯重量:m=0.8g;工作电压:V=24V;700℃时SiC材料的比热容:C=1.5J/ (g.℃) ;可计算700℃时加热丝电阻为:R=42.7~71Ω。

根据铂丝随温度的变化公式, 可计算出:铂丝常温 (25℃) 下的电阻值为R常温=11.7~19.5Ω, 设计时取电阻R常温=10Ω。选用0.08mm的铂金丝作为加热丝, 长度L=0.6m。

2 黑体温控技术

2.1 常用温控技术

工业及实验室常用的黑体控制原理如图2所示, 利用电源、PID温度控制器、温度传感器、功率驱动电路、黑体辐射源等组成闭环PID控制系统。

2.2 感温加热一体化技术

该技术利用功率变压器、三端稳压器、运算放大器等分立元器件搭建而成, 电路原理如图3所示, 具有体积小, 成本低, 控制便捷等特点。利用铂丝的特性, 其阻值随着温度的变化而稳定变化, 进而构建一个平衡电桥, 四个桥臂分别为:R1、R2、R3组成桥臂一TR1, R4、R5组成桥臂二TR2, R6组成桥臂三TR3;PT (铂丝) 组成桥臂四TR4。根据电桥平衡原理:TR1×TR3=TR2×TR4, 即图中A、B两点的电位相等。通过调整R1来设定温度点, 当桥臂TR1阻值变化时, A、B两电位存在差值, 这时推动第一级运放进行放大, 该级运放电路是典型的积分放大电路, 随后经过后级运放的反向积分电路输出到C点, 而C点电位可以直接控制大功率三端稳压器LM117的调整端, 控制输出电压, 进而调节桥臂四TR4的通过电流, 最终控制黑体温度, 同时PT (铂丝) 由于温度的升高导致阻值升高, 影响着电桥的平衡, 缩小A、B两点的电位差, 同时导致PT (铂丝) 通过电流减小, 阻值变化趋稳, 最终达到平衡, 这时微安电流表指针不再摆动, 黑体温度达到稳定。再通过高精度热电偶测量此时的温度, 标定好R1此刻的电阻挡位, 就可以在需要设定不同温度的时候, 设定对应的R1电阻档位即可。

3 试验应用

在试验中分别设定300℃和600℃两种工作温度, 设定对应的R1电阻挡位, 则其温控曲线如图4所示, 通过图中可以看出, 其温控效果良好, 没有产生超调, 且系统升温速度快, 稳定性好。

4 结束语

经过不同的工况试验, 该款黑体已经满足工程应用, 成功应用在了某型导弹测试仪的目标模拟器上, 并通过了各项试验鉴定。

参考文献

[1]黄永义.普朗克黑体辐射定律的建立过程[J].广西物理, 2011, (03) :3-36.

[2]王明美.普朗克黑体辐射公式与经典表达式[J].安徽教育学院学报, 2003, (06) :17-18.

[3]邓明德, 尹京苑, 刘西垣, 钱家栋, 房宗绯, 赵保宗, 酒全森.黑体辐射公式的积分解及应用[J].遥感信息, 2002, (01) :2-10.

[4]王明美.黑体辐射公式的量纲分析[J].大学物理, 2009, (02) :21-23, 27.

[5]郭琦.电桥法测电阻的测量不确定度评定[J].工业计量, 2016, (26) :59-62.

[6]陈晓明.黑体辐射定律及实验教学相关问题探讨[J].实验室研究与探索, 2009, (05) :27-29.

[7]高芬, 安莹, 董威.基于MATLAB的黑体辐射量计算[J].光学与光电技术, 2005, (05) :32-34.

[8]韩菊, 陶才德.黑体辐射的热力学研究[J].绵阳师范学院学报, 2005, (02) :36-38.

辐射加热 篇3

在石油化工行业中,加热炉是运用较广泛的设备,在炼油生产中主要能耗产生在加热炉中。以常压装置为例,其能耗占到全装置综合能耗的75%左右,因此提高加热炉效率,降低燃料消耗,实现节能便具有重要的意义[1]。辐射室内加热体发出的热射线,除了直接射向工件的少部分外,多数射线要在炉内进行入射、反射、吸收等,结果导致部分热量通过炉墙而损失了,到达工件的热射线较少,热效率不高。另外,随着时间的延长,炉内壁也逐渐腐化,壁面材料开始脱落,影响到传热效果。针对以上问题,为了提高加热炉热效率,实现节能,人们进行了大量的研究,找出了许多方式对加热炉进行改进,取得了不错的效果。然而,所提出的方法大都是针对特定的情况,不具有广泛性。鉴于此,本文将加热炉辐射传热节能的方法进行总结分析,便于进行查找与对比。

1 加热炉内装强辐射元件

在工业加热炉中,传统的节能方式以加热炉合理选择炉墙材料,用轻质砖代替重质砖,在炉膛内壁贴耐火纤维等方式,来实现减少蓄热和散热损失;这些措施起到一定的作用,但其目的都只是将热量积聚在了炉膛里,并没有解决热射线是否集中到达加热体的本质问题,使得发热体发出的热量到达加热体的仍然比较少,效率仍较低。

针对上述情况,李治岷等人[2]先对加热炉热效率低进行分析,得出其本质原因在于炉膛内热射线呈漫反射状态,最终部分热射线通过炉壁散热损失了。针对于此,提出了一种新的节能方式——黑体强化辐射传热。

从加热炉内工件获得的热量入手得到

Q=α辐undefined

式中 εM、εW——分别表示工件、炉墙的黑度;

FM、FW——分别表示工件、炉壁的面积;

tM、tW——分别表示工件、炉墙的温度;

α0辐——εW=εM时的辐射换热系数。

以式(1)为依据提出一种方式既可以实现增大黑度又可以增加面积的方法——启用黑体元件,在不增加炉子的功率,不减少发射率的情况下,该黑体元件集增大炉膛面积、提高炉体黑度、增加辐照度三项功能于一体。根据兰贝特定律,热源空间各方向发射的辐射能,法线方向能量最多,将黑体元件安装在炉内顶部较佳。

该方法节能的效果较好,可使炉体黑度达到0.95,迅速吸收射向元件的漫反射状热射线,随即将射线从无序到有序直接发射给工件,提高了射线的到位率,使工件吸收的能量增加,从本质上改变炉内射线呈漫反射的状态。此方法比较适于大批量连续生产,黑体元件要安装在炉内顶部才可达到射向工件的能量最多,对于一些顶部不便于安装的加热炉,需要重新考虑安装位置。此外元件是特别设计的,增加了实施的不便性。

2 辐射室出口装新型反射板

加热炉的传热方式主要为辐射传热,经其辐射室出口的烟气温度较高,直接流出带走了相当部分的热量,使辐射室的热效率较低;若能增加辐射室吸收的热量,则整个加热炉的效率就会提高,进而可以减少燃料的消耗,实现节能。

针对于此,窦从从等[3]提出了在辐射室内出口处安装反射板,在烟气流出辐射室之前,让其先进行回流增加了烟气在室内的停留时间。利用数值模拟的方法对辐射室设置不同反射板的圆筒式加热炉进行燃烧及传热的三维计算,得到了如下四种工况下的流场、温度场、辐射传热及热效率的详细结果:不加反射板(工况1)、直径较小的反射板(工况2)、直径大的反射板(工况3)、新型反射板即两边带有倾斜度(工况4)。

研究结果表明,工况2和工况3延长了烟气在辐射室内的停留时间,与工况1相比,气流循环得到了加强,工况4室内烟气回流明显增强,向上流动的烟气在板的两侧形成涡旋,进一步延长了烟气在炉膛内的停留时间,较大程度的改善了传热。工况2和工况3对温度场产生的影响较小,工况4使炉膛内温度分布更加扁平,径向温度随着反射板在炉膛内的高度增加而趋于均匀,改善了炉上部受热情况。工况2和工况3对流场、温度均匀分布的影响较小,但增加了部分辐射热量,随反射板直径的增大反射热量增加,使辐射室辐射传递的热量增加。对于工况4,改善了炉上部的受热情况,烟气出口温度降低,提高了辐射热效率。这种在辐射室内加装新型反射板的方式,有一定的节能效果,操作起来也比较方便,不需要在加热炉中做过多的改动,只需要将反射板安装在炉膛内,另外反射板的结构设计也较简单。该方法是在圆筒式加热炉内进行的,可对其他形式加热炉的节能改造提供参考借鉴。

3 加热炉衬里涂装高辐射涂料

在大多数锅炉、加热炉中,辐射室炉墙衬里采用的都是耐火材料,但随着运行周期的延长,炉管积灰日益严重,导致传热率下降。事实上,加热炉的结构及炉管的表面热强度分布是不均匀的,靠近火焰一侧,其表面热强度较高,而另一侧较低,如此降低了整个炉的表面热强度,传热效率降低。为了达到要求的加热温度,就需要大幅度的提高炉膛温度,但这样便导致了燃料消耗的增加。于是很多人提出在炉内衬里涂高辐射涂料。对以辐射传热为主的工业加热炉,高辐射涂料可以提高炉内参与辐射传热的物体表面辐射系数,达到节能的目的。

3.1 高温红外辐射涂料

涂红外辐射涂料能增加基体表面黑度,增强基体表面对热源热量吸收后的辐射传热,改变了传热区内辐射的波谱分布,将热源间断式的波谱转变为连续形式的波谱,进而促进被加热物热量的吸收。红外线通常是指波长在2.5~1 000 μm范围内的电磁波,通过被物体吸收使物质内部质点产生共振,从而使物体温度上升。通常情况下,高红外辐射涂料由辐射粉体基料、粘接剂、载液组成。

英国在1988年研制出的以氧化锆、氧化硅、氧化铝为基料,胶体悬浮液为粘接剂的ET-4红外辐射涂料[4],能与基体牢固粘合。随后Herbert Beven公司推出的主要由碳化硅和化学添加剂组成的涂料,通过烧结后化学添加剂在碳化硅表面形成保护膜,防止高温氧化,使用寿命较长[5]。

在我国,1974年上海硅酸盐研究所研制出的涂料运用到金属上,适用温度范围为60~1800℃,平均节能达5%左右[6]。90年代初南京航空航天大学以Fe2O3和MnO2为辐射基体,比例从20%~80%变化,以CuO、CoO、Co2O3为助烧剂[7],研制出了一类高红外涂料;由于Co2O3价格高,随后又研制出以主要成分为SiO2的矿石粉末为基础,掺杂Fe2O3的新型低成本红外涂料。在这之后进行了许多研究,到21世纪初山东淄博市新材料研究所研制生产的以Al2O3等优质远红外辐射复合粉料为基料的ZGW、ZYT远红外辐射涂料[8],其抗冲击性、抗震性好,节能率达15%~30%。吉林市绿源节能材料制造有限公司等单位联合开发了FHC和FRS-DQ远红外节能涂料[9],其中FHC是一种在高温时具有较高辐射率的新型水性无机涂料,主要由高温辐射材料、高温粘接剂及悬浮剂、稀释剂等组成。FHC可以涂在各种高温加热炉的炉膛表面,经使用表明涂层具有较好的理化性能,使用寿命较长。红外辐射涂料施工便利,在工业炉窑运用较多,但是许多材料与其基体的结合力不强,鉴于此,武汉钢铁集团等单位研制出一种与自制红外辐射涂料粉料相适应的涂料粘接剂,其结合力达6次水淬而不至脱落[10],这为红外辐射涂料在炉窑热工设备的基体上的应用创造了很好的条件。

3.2 高辐射陶瓷涂料

在国外,1997年美国Cressie E Holcombe等人[11]研制出了以稀土氧化物CeO2或TeO2为基料,以Al(H2PO4)3、磷酸为粘接剂的辐射涂料,使用温度高达1 100℃以上。Wessex[12]把获得专利许可的NASA高发射率技术合并产生了EMISSHIELD高发射率涂料族。将该涂料喷涂到热处理高合金铸件的加热炉室内时,其节能率达15%;运用于高温隧道煤窑,经使用第一年的节能率达到了16%。Cockeram等人[13]提出用真空等离子喷雾(ZrO2+18%TiO2+10% Y2O3,Cr2O3,ZrC,Fe2TiO5,ZrTiO4,ZrO2+8%Y2O3+2% HfO2,TiC,TiC+5% Al2O3+5% TiO2,ZrB2,ZrB2+10% MoSi2,Al2O3+TiO2),弧变形(C和SiC电极),泥浆融合(SiO2+C),激光烧蚀变形,铼晶体化学汽相沉积等方式增大钼、铌、Haynes230(镍基合金)的发射率。热循环试验结果表明,六种等离子喷雾涂层(ZrO2+18% TiO2+10% Y2O3,ZrC,Fe2TiO5,ZrTiO4,ZrO2+8% Y2O3+2% HfO2,Al2O3-TiO2)和铼晶体化学汽相沉积可使钼、铌、Haynes230的发射率达到0.8左右,效果较好。B.Rousseau等[14]结合喷雾热解法与快速热退火,得到一种掺杂镨氧化镍(Pr2NiO4)的厚膜,通过远红外到中红外区域光谱发射率的测量结果表明该膜具有强黑体的特征,比较符合工业红外陶瓷辐射板的热效率。

在我国,最早于1994年研制出了高辐射陶瓷涂料。1997年,王志发等人[15]采用锆英砂、铬铁矿、耐火粘土、轧钢氧化铍以及少量稀土氧化物作为配料,按比例在耐火度测量锥及粘土表面,进行1 300℃的比较试验后,确定各组分为:ZrO2 10%~20%,SiO2 10%~20%,Cr2O3 15%~20%,Fe2O3 25%~30%,Al2O3 5%~10%,MgO 5%~10%,La2O3 1%-5%,运用结果表明,该涂料隔热效果好,节能效果达14%。1998年黑龙江科学院石油化学研究所的耿庆生等[16],采用以复合氧化物为主,采用我国特有的资源-稀土氧化物,经过活化处理,按比例混合,研制了GJT-高辐射陶瓷涂料。哈尔滨石化公司引进了该辐射涂料,使用结果表明GJT使炉墙衬里的热辐射系数由0.30~0.40提高到0.90~0.95,辐射系数随着温度的升高而增大。该涂料辐射率高,粘接性强,抗高温氧化和腐蚀,在石油化工、机械等行业的加热设备具有广泛的应用前景。

高辐射陶瓷涂料能较大幅度的增加炉墙的辐射系数,节能效果明显,不需要对加热炉原来的结构形式做任何的改变,实施方便;对于任何能进行喷涂辐射涂料的加热炉都能运用,范围较广;该技术运用到实际中使炉膛温度降低100℃左右,加热炉效率显著提高;但为了减少炉管和炉墙积灰,用燃料气效果最好;涂层与内壁要保持高度的粘性,否则涂层易脱落,影响传热,同时还需要加强清灰。

4 优化管式加热炉结构形式

管式加热炉辐射室中主要通过烟气及炉墙向炉管进行辐射传热;目前炼油厂及石油化工厂所使用的加热炉均为水平管双面辐射管箱式炉型[17],根据其炉子的特点,在辐射室顶部拐角处不可避免地存在烟气内回流区,而造成辐射室内烟气温度及辐射管热强度分布不均匀,所以导致其能耗大,热效率低。

针对上述问题,北京拓首科技发展有限公司研发了一种新型加热炉[18]。该炉辐射室侧墙设置为倾斜状,侧墙底部有一段垂直墙,垂直墙高度在侧墙总高度的1/10~7/10之间,侧墙的倾斜角度为10°时最佳。这种新型管式加热炉辐射室内避免了烟气回流,辐射室两侧的倾斜度缩小了辐射室内部与辐射管之间的距离。此后为了进一步提高传热效率,中国石油天然气华东勘察设计研究院李明等[19]研制了一种中间炉管座吊组合结构的管式加热炉,其由辐射室中间炉管、炉管支座结构、炉管联排结构、炉管吊架结构组成的以座为主吊座组合结构,解决了加热炉增设辐射室中间炉管困难的技术缺陷。在新型加热炉的基础上,上海惠生化工工程有限公司李保有等人[20]从增大换热管的表面积出发,提出了一种传热效率得到大幅度提高的辐射炉管,该辐射炉管由外管、空心内管、定位块组成,外管与内管之间设有环形间隙,其定位块在环形间隙内;用于乙烯裂解炉,增大了管比表面积,提高了传热效率,在内、外管间的环形间隙设置的螺旋形状的定位块,使间隙内的流体产生旋转,减薄了管内流体的边界层,减小了热阻,进而提高了辐射传热效率。

新型结构加热炉辐射室内沿辐射管高度方向的热强度分布更为均匀,降低了辐射管管壁最高温度,减少了燃料的消耗,降低装置操作费用;它使辐射室内烟气温度场及辐射管热强度分布更为均匀,提高了辐射管的辐射及对流传热效率;由于倾斜度的设置,缩短了辐射室内部与辐射管之间的距离,提高了烟气流动速度,从而提高辐射室上部辐射管的辐射传热及对流传热。这种通过结构改造的方法,提高了生产经济效益,节能效果较明显。由于侧墙倾斜的设置和底部还有一段垂直高度,加大设计时候的难度,外侧墙的倾斜角度也需要谨慎设置,不同的角度达到的节能效果不同。

5 辐射传热节能技术的发展趋势

综上所述,加热炉内最主要的传热方式是辐射传热,其节能技术的研究发展也主要围绕辐射传热的理论与特点展开。根据其技术的发展脉络和存在的问题,辐射传热节能技术研究的重点与发展趋势总结如下。

(1)加强研究炉内强辐射元件安装位置的普适性;

(2)着力改善高温辐射涂料的粘结剂,提高粘结剂与基体间的结合力,避免涂层脱落,延长涂层的使用周期;

(3)深入加强红外辐射涂料节能机理的研究,为高温红外辐射涂料的研制开发提供坚实的理论基础;

(4)进一步优化加热炉的结构,使炉内温度分布更为均匀;

(5)辐射涂料超细超薄化、成分复合化、功能多元化;

(6)延长易损元件和涂料的使用寿命,维修方便、维修成本更低。

摘要：工业加热炉炉温都比较高,所以传热的方式以辐射为主,基于加热炉辐射传热的节能理论,综述分析了炉内装强辐射元件、炉内衬喷涂辐射涂料、在辐射室装反射板、优化改造加热炉等加热炉辐射传热节能方法。其中喷涂辐射涂料以其不改变原本加热炉的结构,操作起来较为方便,且节能效果好,得到了较多的使用。文末对辐射传热节能的研究重点与发展趋势做了简单的分析述评。

便携式远红外辐射节能型加热饭盒 篇4

目前, 在中国的跑月票上班一族中, 午餐已成为困扰人们的一大难题。天天在餐馆吃饭, 不大方便, 消费太高, 不合口味, 营养搭配不合理;自己做的吃, 因为电炉耗能太大, 许多单位限制使用电炉, 现实情况不大可能。“远红外辐射节能型加热饭盒”是本人发明的一项家用小电器, 已于2004年获得国家实用新型发明专利 (专利号为ZL03 2 43491.X) 。该产品具有携带方便、加热快、耗能小、不破坏食物的营养成分、经济实用等特点, 可以解决困扰跑月票上班一族吃饭难的难题。

“便携式远红外辐射节能型加热饭盒”是对原实用新型发明专利“远红外辐射节能型加热饭盒”的改进, 即在原设计使用交流电源基础上增加了直流电源—充电电池, 交直流两用, 使加热饭盒不仅能在室内使用, 也能用于户外野炊, 可用于旅行、野外餐饮、跑月票一族、大学生自助餐烹饪食品。

便携式远红外辐射节能型加热饭盒的结构

便携式远红外辐射节能型加热饭盒结构

便携式远红外辐射节能型加热饭盒的结构如图1所示。

远红外辐射节能型加热饭盒是通过电能激发远红外辐射进行加热的一种新型加热器。它由优质铝合金材料做基体, 分外层、中间层、内层三层结构。其中外层由优质铝合金制成, 靠电阻丝夹层的表面涂有MgO、Zr O2陶瓷绝缘隔热涂料, 内置电阻丝层, 内层由优质铝合金制成, 靠电阻丝夹层的表面涂有MgO、ZrO2陶瓷绝缘隔热涂料。其工作原理是:电阻丝通电后产生热能, 传递给涂有远红外辐射涂料的内层, 电能转变为光能, 向外辐射红外线, 然后被容器内的食品吸收。

直流电源的逆变电路

直流电源的逆变电路由运算放大器组成的RC桥式正弦波振荡器电路和集成运算放大器构成, 电路如图2所示。正弦波振荡电路是用来产生一定频率和幅度的交流信号的。它的频率范围很广, 可以从一赫以下到几百兆赫以上, 输出的功率可以从几毫瓦到几十千瓦, 输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来。由运算放大器组成的RC桥式正弦波振荡器可将低压直流电转变为工频50Hz的低压交流电, 再经集成运算放大器放大器放大为220V的交流电。电路的振荡频率f0=1/2πR C, 其中R=R 2=R 3, C=C1=C2, 起振的幅值条件为Rf/R1≥2, 其中Rf=R4+R5+ (R6//rD) , rD为二极管正向导通电阻。集成运算放大器的电压增益由R7/R8比值决定。图2所示电路, 经电子电路计算机模拟仿真实验证明可产生工频50Hz、220V的交流电输出。

远红外辐射节能型加热饭盒的特点

众所周知, 热传导的方式有三种:传导传热、对流传热和辐射传热。传导传热主要是依靠不同物体之间或是同一物体内部各部分之间直接接触而发生的能量传输过程。对流传热是固体表面与气体或液体直接接触时相互间的传热过程, 它是依靠流体的流动和混合的传热过程。导热和对流换热都必须在固体之间或固体与流体之间相互接触的情况下才能进行, 也就是必须有媒介物才能进行热交换。而辐射换热的物体间不需直接接触, 既使是高度真空, 相距很远的物体间也能进行。远红外加热技术即是属于辐射加热的一种。

通常的电加热器或燃气、燃料加热, 都是传导加热和对流加热。通过传导或流体对流把热量从热源传送到物质表面, 然后经过潜在的传导使内层温度升高。这种方法中间过程长、热损失大, 因此加热时间长, 易破坏食物中的营养成分, 且效率低、传热不均匀。

远红外辐射加热, 辐射线以光速射向物料表面, 不需要介质, 故能量损失小。由于电磁波有一定的穿透能力, 因此, 可以使物质受热均匀。远红外辐射陶瓷涂料多为几种辐射材料的复合物, 用于红外热辐射源的高辐射率红外辐射材料有金属氧化物、碳化物和硼化物。其加热特点是高效节能, 它的热转换率>50%, 波长1~25µM, 而且红外光又易于被物体吸收, 加热快, 不会破坏食物中的营养成分, 其节能性能远高于一般的电加热器件。

结语

综上所述, 远红外辐射节能型加热饭盒与其它加热器相比具有以下优点:

·高效节能;

·加热均匀;

·加热快;

·不会破坏食物中的营养成分;

·携带方便;

·经济实用。

因此, 可以推广为广大的跑月票一族的工薪阶层使用, 并成为人们户外野炊, 旅游的好伴侣, 具有较好的市场开发前景。

参考文献

[1].　叶莎, 新型发明专利 (专利号ZL03　243491.X)

[2].　秦曾煌, 电工学 (下册) 电子技术 (第五版) , 高等教育出版社, 　1999　, 　5:147￣148

[3].　叶挺秀, 电工电子学, 高等教育出版社, 　1999　, 　1:218￣221

[4].　黄智伟, 基于Multisim2001的电子电路计算机仿真设计与分析, 电子工业出版社, 2006, 7　118￣119

辐射加热 篇5

长庆油田第五采油厂姬五联合站采用4台1600KW真空相变加热炉加热炉对全站集输系统进行加热处理。在2012年对4台加热炉的热效率评定中发现实际平均使用效率82%, 这离公司设计原值85%有一定的距离, 并且不符合公司的考核要求。在这种效率下对设备的安全运行产生了严重的影响, 不仅造成了燃料的极大浪费还增加了单位成本, 对企业的经济效益产生了严重影响。但是传统的“三门一板”操作, 作用局限在仅仅能控制烟气中的含氧量和排烟的温度, 对设备进行修修补补, 在一定程度上难以获得明显的效果。因此提高热炉热效率最有效的途径就是应用新技术。根据目前国内外发展的技术, 厂里的设备主管领导决定采用ZS-1061高温红外线逆辐射涂料对4台加热炉内表面进行喷涂的方法改造加热炉。

二、高温红外线逆辐射的加热原理

1、高温红外线逆辐射涂料的加热技术原理

远红外线以辐射传热的形式对被加热物体进行传热, 因为远红外线本身就是一种能量传递的电磁波, 所以当辐射源的波长与被辐射物的吸收波长一致时, 被加热物吸收了大量的红外线, 使得物体内部的分子和原子产生“共振现象”, 这种强烈的震动和旋转在物质分子吸收了红外辐射后产生了能量的转变, 使晶格和键团产生碰撞, 增大了摩擦, 使物体发热升温。同时, 红外辐射加热的物体, 在红外辐射穿透到的部位, 其温度比表面要高, 因此, 在炉膛使用了高温红外线逆辐射涂料后, 炉内表面吸收热量大量增加, 缩短了加热时间, 提高了升温速度, 从而达到了节能的目的。

2、高温红外线逆辐射涂料对炉膛内有效辐射的影响

有效辐射是指在热交换过程中, 除炉膛内壁自身辐射和来自各方面辐射和反射外, 而离开炉膛内壁与反射的总和。根据热平衡的观点, 炉膛内壁有效辐射的大小取决于来自火焰加热工件和炉膛内壁自身部分的辐射和反射, 而火焰炉热源有效辐射的大小及辐射热流的大小又取决于炉温和黑度, 并且在稳定的状态下, 炉膛内的有效辐射是不变的。当加热炉炉膛内表面涂上高温红外线逆辐射涂料后, 经测试有效辐射率在0.75的基础上提高了120%, 根据斯特藩—玻尔兹曼定律, 在相同的供热前提下, 炉膛温度必然随着炉膛内有效辐射的增加而增加, 炉壁表面的辐射能力与热力学温度的四次方成正比。研究表明, 炉膛内使用高温红外线逆辐射涂料经高温物相变化后, 由于炉内辐射热吸收量的增加, 反射热减少, 使得炉膛内温度有所提高, 一般可以提高1-13%。

三、高温红外线逆辐射涂料在使用情况

1、使用高温红外线逆辐射涂料的优点体现在以下几点:

(1) 涂于表面后会形成一层牢固的涂层, 不仅有耐磨耐腐蚀的作用, 还能有效反射炉膛内的红外热能, 保护炉体。

(2) 涂于炉内后能减少炉外的散热损失和热量损失, 提高热效率, 节省时间。

(3) 层能很好的与基体结合, 形成过度层和涂层的结构, 减少机械冲击和热冲击。

(4) 提高涂料的黑度, 使其在波长2.5-15μm的光谱区间, 发射率都在93%以上, 能稳定处理增黑剂, 提高炉子的寿命。高温远红外辐射节能涂料, 远红外涂料, 远红外辐射涂料, 窑炉、锅炉节能涂料。

(5) 提高锅炉对低质燃料的适应能力。

(6) 使燃料和氧充分接触并扩大炉膛的热容积。

(7) 使炉膛运行稳定化、安全化。

(8) 减少烟气的排烟温度, 节约能耗。

2、使用的效益评估

(1) 可能产生的环境效益估算:

安全无环境污染、促进燃料充分燃烧、增加热量吸收、减少烟气排放带走大量热量, 节能效果显著且耐高温、化学稳定性优良、耐各种气体腐蚀。

(2) 可能产生的经济效益估算:

使用高温红外线逆辐射涂料后, 经测试高温下炉体辐射率由原来的0.6升高到0.9, 延长加温炉内衬寿命30%、节约燃料5%、可缩短升温时间1/10、6台加热炉毛油盘管平均温升4℃左右, 热效率为86%, 提高热效率4%, 达到了改造目的。并且在使用后炉膛结垢烟管堵塞明显减少, 减轻了员工清理的频次, 延长了加热炉的使用寿命。

以每台炉子最低节能5%计算:

姬五联4台炉子额定每小时消耗燃气110m3

每台炉子每小时可节燃气:110X5%=5.5m3

每m3燃气以2元价格计算每年:33726X2=67452元

一次喷涂可使用3年, 除去喷涂成本5万元, 3年可节省燃料费用15.2万

总结

使用该涂料的效果:

1.有效控制燃料分子在炉内完全燃烧, 避免流入烟道中, 从而减少了烟尘排放。

2.该涂料在高温下射出的远红外电磁波具有穿透力强的特点, 不仅能使燃烧的速度加快, 而且能节省时间和能源。

3.炉膛内涂了该涂料后, 提高了涂料的黑度、炉内温度和辐射能量, 从而改变炉内流体的状况, 延长烟气在炉内的停留时间, 产生二次燃烧, 不仅可以降低排烟温度, 还能减少热损失。

4.燃料燃烧时, 温度变化过程中, 通过高温远红外辐射, 能改变分子内部结构并重新排列组合, 增大粉尘颗粒的体积, 气化燃料中的SO2等有害成分。

综上所述, 高温红外线逆辐射涂料与普通技术相比, 具有生产效率高, 增大热辐射率, 减少排烟损失, 减少烟尘和有害物质的排放等优点, 达到环境保护和节约能源的目的。

摘要：概述了高温红外线逆辐射涂料在长庆采油五厂加热炉中的试使用情况, 节能机理、主要性能及使用效益。

辐射加热 篇6

《煤矿安全规程》 (2011版) 第一百零二条明确规定我国北部的高寒地带从事矿井施工, 就必须对作为进风的井筒供入升温后的暖风, 使直接进入井筒的冷空气得到升温, 从而保证井筒内的新鲜气体初始温度不小于2℃, 确保井下设施、设备的正常运行以及作业人员的身体健康。《煤矿安全规程》 (2011版) 第一百零二条明确规

1 暖风措施

1.1 传统暖风技术

(1) 在进风的井口20m外布置热风炉, 将经过高温蒸汽或热水升温后的高温热空气经由风机送到井口, 再与大气中的冷空气混合, 随风流流入井下。

(2) 或将经过空气加热室加热的空气, 通过风机、管道直接送入井下。

(3) 将井下排出的中温空气, 通过热泵进行二次热交换, 再由风机送到井口。

1.2 新型加热技术

新型辐射加热与干燥技术利用热的对流、热传导、辐射原理, 采用红外电热管加热, 使低冷空气在1s~1.4s的时间内迅速加热到80℃~210℃, 然后再通过风机将升温后的高热风送到井口。应用该技术的远红外热风炉主要呈现炉体及红外线加热管多层分布、风道渐渐变大、离心风机进出风成90度角以及冷风经过风道被快速加热的显著特点。

2 辐射加热与干燥技术

利用远红外辐射热能加热原理, 使辐射能在被加热体具有相当高的热效应速度, 而且介质损耗极小。同时, 还能由于介质挥发物扩散方向的一致性以及在空间按照直线传播, 加热质量的可靠性极高。辐射加热与干燥技术就是利用对流、热传导、辐射原理, 采用红外电热管来加热空气的方式。红外电热管高达800~1000℃的高温, 能振荡其周围15mm内的气体, 并能在1s~1.4s内迅速被加温到80℃以上, 实现快速升温的目的。

在能源危机与能源发展多元化并存的今天, 具有低耗、高效特点的辐射加热与干燥技术, 由于其直接加热而极大地避免了能量损失, 节约了能源, 提高了生产力等显著的优点备受欢迎。

采用辐射加热与干燥技术设计的红外线热风炉, 为保证空气流动时间更长, 采用分层布置红外线管, 使得被加热的空气加热时间越来越短。同时, 初步加热后冷空气在通过断面增大的风道时, 缓慢加热, 快速升温 (详见表1) 。

3 结语

远红外辐射加热与干燥技术在欧美、日本等发达国家的应用十分广泛, 在引入我国以后, 在多个领域的应用也越来越宽。其在热风炉技术上独具特色的高效、节能、环保优点, 不但在暖风领域的发展前景广阔, 而且对促进我国煤炭绿色施工及开采的发展具有不可估量的影响。

参考文献

[1]胡亚范.远红外辐射加热技术节能原理与应用[J].红外技术, 2002, 9.

辐射加热 篇7

加热炉是具有强耦合, 纯滞后, 大惯性及慢时变等特点的典型非线性系统。目前我国大型钢铁企业的轧钢加热炉大多实行了燃烧自动控制, 通过炉温控制燃料和热风的供给量, 空燃比一般在初始设计的基础上人工进行调整, 极少数情况根据炉子的残氧量进行修正。由于轧制节奏变化、燃料热值波动、风温变化等影响, 空燃比的控制往往难以达到最佳状态, 导致加热炉燃耗高、氧化烧损增加等问题。

加热炉实现安全和经济运行的前提, 取决于能否正确的组织燃烧过程。为提高燃烧的热效率, 必须从降低燃料未完全燃烧和排热损失着手。燃烧控制是实现工业炉优化控制的基础, 而燃烧控制的核心是空燃比控制。但煤气热值的波动、流量测量不准确等因素会影响空燃比的准确性。北京科技大学的谢励人[1]以上海宝钢集团的一台均热炉为研究对象, 从理论上分析了影响空燃比的诸多因素, 通过对宝钢初轧厂均热炉过程的分析, 最终确定混合煤气热值、钢的氧化、炉子的自然状况及生产中的异常情况等4个方面作为影响空燃比的主要因素。根据这四个影响因素的特点, 综合运用专家系统等方面的知识, 开发建立了宝钢初轧厂均热炉群最佳空燃比寻优控制系统, 在现场实际运行了6个月, 实践表明空燃比寻优结果合理, 实现了均热炉综合节能大于3%, 氧化烧损平均减少0.3%的控制目标。刘超明工程师[2]根据多年的工业窑炉优化燃烧控制系统设计、施工和运行的经验, 介绍了工业窑炉优化燃烧控制系统的设计过程, 控制流程、控制系统的工作原理及在DCS中的实现方法。张元福[3]根据燃烧温度与过量空气系数呈现一个凸函数关系, 求最佳的燃烧温度就转变成了求凸函数的极值问题, 采用模糊的控制方法来寻找最优的空燃比值, 通过自寻优模糊控制器就可以自动控制最佳空燃比。开发了空燃比自寻优模糊控制器, 有效的克服了传统控制中的特点, 具有搜索速度快, 收敛性好等优点。马翠红[4]在加热炉的燃烧自动控制系统中, 在采用双交叉限幅控制的基础上, 然而由于流量测量装置的测量误差、控制器参数的调整偏差、烧嘴特性变化以及装出料时可能从炉外吸入空气等原因, 可能导致空燃比不能保持在最佳值上, 为了解决这个问题, 在双交叉限幅燃烧控制的基础上, 引入排烟含氧量对空气过剩系数进行校正, 实现氧含量闭环控制。结果表明把残氧量引入加热炉的燃烧控制, 可明显提高控制性能, 节能降耗。葛芦生[5]将模糊控制器引入燃料回路, 克服了要求系统响应速度较快的工业生产过程不能满足要求的交叉限幅方法, 让燃料回路跟随空气回路动作, 使系统整体响应速度提高, 同时动态空燃比保持恒定。将模糊控制器引入到燃烧控制系统, 通过仿真结果分析, 在保证动态空燃比稳定的前提下, 系统总体响应速度比双交叉限幅控制系统有明显提高。

本文所述的加热炉燃烧优化控制系统主要由八支CCD高温火焰图像探测器和高性能工业控制计算机实时监控系统组成。如图1所示, 系统所监视的炉内燃烧空间为钢坯上表面到燃烧室顶部之间的区域。八支火焰图像探测器全部布置在炉膛南北侧墙上。八支火焰图像探测器从不同炉室观测炉膛, 得到的多幅火焰辐射图像经过视频分隔器合成一幅图像, 进入工控机的图像采集卡中, 合成的火焰图像在工控机进行处理, 然后将检测的炉膛燃烧辐射能信号送入加热炉上位计算机控制系统, 完成匹配于燃料量的最佳风量的在线搜寻, 从而实现提高炉膛热效率和钢坯加热质量的目的。

2 控制原理

定义r是空燃比, 由下式确定:

Fa和Famax分别是空气流量的测量值以及最大值。

Ff和Ffmax分别是煤气流量的测量值以及最大值。

由于Famx及Ffmax一般为定值, 为分析方便, 空燃比直接可由下式确定:

燃烧过程质量的好坏与炉膛空燃比有着明显的关系。在实际的燃烧过程中, 当空气不足以及空气过剩系数较小时, 会发生燃料不完全燃烧的现象, 此时的热损失比较大, 而且会产生大量黑烟。当处于高过剩空气燃烧区, 此时由于烟气含氧量过高, 使得钢坯表面氧化现象严重, 给钢坯加热的质量带来不利影响, 并且由于产生大量的烟气使得整个炉膛的燃烧效率过低, 同时, 由于O2含量过高会产生大量的NOx和SOx, 对环境造成污染。加热炉燃烧过程中, 只有当空气与燃料配比恰当 (最优空燃比) 时, 才能实现高效低排放燃烧, 怎样提高加热炉燃烧过程的热效率就转化为寻找最佳空燃比的问题。

然而在加热炉实际运行过程中, 当燃料配比变化很大, 或者轧制要求变化时, 最佳过剩空气系数在变化, 出口烟气最佳含氧量也在变化, 要随时保持燃料和空气的恰当配比并不容易。

辐射能信号从现场安装的8支火焰探测器拍摄的火焰图像中提取。首先, 通过计算机将输入的火焰图像转化为数字图像;然后由计算机通过视屏采集卡提取转化后的每幅图像中各个像素点的红绿蓝颜色值ri, j, gi, j, bi, j;其中i是各个像素点在数字图像里面的横坐标, j为每个像素点在数字图像里的纵坐标;最后辐射能信号的计算步骤如下:

式中, Gi, j是每个像素的灰度值, Gtotal是N幅图像所包含的所有像素点的总灰度值, Gave是N幅图像的平均灰度值。N是炉内探头的数量, 即N幅火焰图像, k代表的是第k幅图像, 每一幅图像都是由M×R个像素组成, M和R代表的是每个图像沿纵向和横向的像素点的个数。λk是将不同的快门计算下的辐射能信号转化为同一个快门下的值, 当快门速度不变时, λk=1。

基于辐射能信号的加热炉空燃比优化控制系统将辐射能信号引入炉膛风量控制。辐射能信号作为炉膛燃烧强度的直接反映, 其最优值体现了燃料完全燃烧、火焰温度及辐射加热能力达到最大的燃烧最优化结果, 其最优点即为空气与燃料达到最佳配比的工况。因此, 可通过对辐射能信号的寻优, 在线搜寻匹配于燃料量的最佳风量和烟气含氧量。

辐射能信号在线寻优的基本原理如图2所示, 在轧制要求不变、燃料量保持不变的情况下, 给予送风量一个小幅度的扰动 (如总风量减少2%) , 对整个炉内燃烧过程不会造成明显的影响, 但却会使辐射能信号发生变化。如果辐射能信号上升, 燃烧工况发生图2中从B向C点的变化, 这是燃烧优化变化的方向, 是应该实现燃烧调整的方向, 可继续按相同的方向搜索燃烧优化工况。如果辐射能信号下降, 燃烧工况发生图2中从C向A点的变化, 这是偏离燃烧优化变化的方向, 不能继续在这个方向搜索。如果辐射能信号变化不大, 则表明此时燃烧工况已基本处于优化状况 (C点附近) , 不必改变。

当燃烧工况已经优化到最佳点C附近的较小范围, 如图2中的A至B点之间, 从经济性角度看, A至C点之间和C至B点之间没有明显差异, 都比较理想。但从氮氧化物排放的角度, 显然, A至C点之间的工况明显比C至B点之间的工况有更低的氮氧化物排放水平, 同时, A至C点之间的工况能实现更小的氧化烧损, 是燃烧优化最理想的运行区间。

3 辐射能信号分析

实验在武钢集团某热轧厂一台步进式加热炉上完成。该炉子为四段步进式加热炉, 沿着炉内钢坯的运动方向, 可以将加热炉分为预热段、第一加热段、第二加热段、均热段。由于各加热段燃烧采用独立控制方式, 这里分别对每个加热段进行辐射能信号的采集及分析, 每段的辐射能信号由布置在该段的两支探测器检测的辐射能信号取平均值得到, 每段的炉膛温度由布置在该段南北侧墙上的热电偶测量值取平均得到。

首先分析炉膛温度、辐射能信号与煤气流量的关系, 如图3所示。可以发现, 在煤气热值基本不变的情况下, 随着煤气流量的增加, 炉膛温度、辐射能信号均逐步增加, 炉膛温度、辐射能信号与煤气流量三者之间呈现很好的相关性, 表明煤气流量控制将是各加热段炉温控制的主要手段。进一步可以发现, 随着煤气流量的变化, 热电偶测温结果波动很小, 特别是煤气流量小幅变化时, 热电偶测温结果基本没有变化, 这是由热电偶测温的热惯性所决定的。而辐射能信号则对煤气量变化更加敏感, 能够响应煤气流量的小幅调整, 这是由其光学测量的特性所决定的。

煤气流量的大小决定了炉膛温度的基本水平, 但是在燃烧调整的局部阶段, 合适的空燃比将对炉膛热效率有显著的影响。如图4中区域1所示, 该时间段内煤气流量基本不变, 只调整空气流量。可以发现, 当空气流量先减小后增加时, 炉膛温度呈现先增加后减小的变化趋势, 炉膛温度变化的拐点表明该时刻对应的空气流量最匹配煤气流量, 空燃比达到最佳。研究该时间段的辐射能变化如图5所示, 可以发现辐射能与炉膛温度一样呈现先增加后减小的变化趋势, 有所不同的是, 辐射能变化与空气流量变化的拐点位置基本一致, 而炉膛温度变化的拐点位置则延迟约30s左右, 这同样是由热电偶测温的热惯性所决定的。

研究图4及图5中的区域2可以发现, 当煤气流量继续增加时, 炉膛温度及辐射能基本不变, 这主要是由于该时间段内空气流量在下降, 炉内氧气不足, 燃料发生不完全燃烧, 导致送入炉膛的煤气没有发生燃烧即被烟气带走, 造成了燃料的浪费。

图6至图9给出了预热段, 一加热段, 二加热段以及均热段辐射能-炉膛温度-空燃比的变化曲线。首先分析图6中的红色区域, 空燃比在快速小幅变化时, 热电偶测量温度值基本不发生变化, 而辐射能则表现出跟空燃比一致的变化规律。图7中的红色区域则反映出当空燃比出现拐点, 炉内燃烧状况发生改变时, 辐射能信号迅速响应了这一过程, 而热电偶测温信号直到燃烧过程结束, 热量传导完成后才显示同样地变化趋势。

目前很多研究中提到采用炉膛温度来进行最佳空燃比的控制, 以上的分析也证明了该种控制策略的可行性, 但同时我们也发现, 利用几个热电偶测量点的平均值来反映全炉膛的燃烧温度, 信息不够充分, 误差也较大。同时由于热电偶测温的热惯性, 将很难反映空燃比快速调整过程中的炉膛燃烧状况的变化。辐射能信号由火焰图像直接转换得到, 反映了全炉膛燃烧强度的变化, 具有变化灵敏, 响应速度快等优点, 适合用于空燃比的在线调整。

4 实验结果及分析

通过分析辐射能, 炉膛温度及空燃比三者之间的关系我们可以发现, 辐射能信号与炉膛温度呈现基本一致的变化趋势, 能够反映出空燃比变化下炉膛燃烧状况的改变。在煤气量保持不变的情况下, 可通过对辐射能信号的寻优, 在线搜寻燃料量与风量的最佳配比。

在空燃比寻优过程中, 我们只需要关注辐射能信号的变化量而不是其绝对数值, 可采用模糊控制的方法进行辐射能信号的在线寻优。空燃比自寻优模糊控制系统如图10所示, 所设计的空燃比自寻优模糊控制器是一个两输入单输出的控制器, 输入量是炉膛辐射能的增量△R (△R=R (i) -R (i-1) ) 以及上一周期的寻优步长△u (i-1) , 输出是本次的寻优步长△u (i) 。空燃比寻优的基本逻辑是, 当生产节奏、燃料配比保持稳定工况下, 通过改变空气流量以改变空燃比, 根据辐射能的特性, 此时的辐射能将响应变化。寻优逻辑根据两个信号的同向性或背离性, 分别判断加热炉配风应适当增加或减少, 从而达到燃烧最佳空燃比。

试验在加热炉的第一加热段上完成, 取该加热段两支热电偶测量结果的平均值作为炉膛特征温度, 将安装在该加热段的两支火焰探测器检测到的辐射能的平均值引入空燃比在线寻优控制系统。初始工况下, 空燃比r=2.55, 保持燃料量不变, 以2%的幅度增加 (减小) 空气流量, 记录辐射能及炉膛温度的变化, 如图11所示, 不同空燃比下拍摄的火焰图像如图12所示。由图11及12可以发现, 空燃比从r=2.55增加时, 辐射能及炉膛温度均降低, 炉内火焰图像变暗, 表明该调整方向与最优化方向相反;当空气流量减小2%, 空燃比从r=2.55减小到r=2.5时, 辐射能及炉膛温度均增加, 炉内火焰图像变亮, 表明炉内燃烧强度得到增强, 燃烧得到优化。继续减小空燃比, 辐射能及炉膛温度均减小, 炉内火焰图像变暗, 调整方向与最优化方向相反。因此, 在该工况对应的煤气流量下, 保持空燃比r=2.5时, 燃料量与空气量实现最佳配比, 炉内燃烧强度最大, 辐射能及炉膛温度达到最大。

比较空燃比r=2.5与r=2.4下的炉膛温度可以发现, 在同样的煤气流量下, 合适的风量调整将能够使炉膛温度净增加20℃, 其意义在于, 当我们将炉膛温度作为控制目标时, 通过基于辐射能信号的空燃比调整, 就能够实现用更少的煤气量达到要求的加热温度, 从而实现加热炉的节能减排。

5 结束语

在一台步进式加热炉的四个加热段各布置两支火焰探测器, 拍摄炉内火焰图像, 提取火焰辐射能信号, 并将其用于空燃比的在线寻优控制中。实验结果表明, 辐射能信号达到最优点时, 炉膛温度最高, 炉内燃烧强度最大, 燃烧达到最优化的状态, 对应的燃料量及空气量实现最佳配比。因此, 在煤气量保持不变的情况下, 可通过对辐射能信号的寻优, 在线搜寻匹配于燃料量的最佳风量, 实现炉膛的优化燃烧, 提高加热炉热效率。与传统的基于热电偶测温的空燃比优化控制策略相比, 采用辐射能信号控制方式变化灵敏, 响应速度快, 能够减小燃烧调整的时间, 减小炉膛温度波动, 提高钢坯加热质量。

摘要：加热炉燃烧过程中, 只有当空气与燃料配比恰当 (最优空燃比) 时, 才能实现高效低排放燃烧。文章提出了一种基于辐射能信号的加热炉空燃比优化控制方法, 通过对辐射能信号的寻优, 在线搜寻匹配于燃料量的最佳风量。该控制方式与传统的基于热电偶测温的空燃比优化控制策略相比, 信号变化灵敏, 响应速度快, 能够减小燃烧调整的时间, 减小炉温波动。

关键词：加热炉,辐射能,空燃比,优化控制

参考文献

[1]谢励人, 韩丽辉, 温治等.宝钢初轧厂均热炉群最佳空燃比寻优控制系统[J].控制理论应用.

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[3]张元福.加热炉空/燃比自寻优模糊控制器研究[J].山东冶金, Vol.22, NO.50ctober2000.

[4]马翠红, 杨友良.加热炉燃烧系统残氧量的模糊预测控制[J].河北理工学院学报, Vol.5NO.2May2005