[科普中国]-辐射式燃烧器

辐射式燃烧器原理和早期研究燃烧器原理

在辐射式燃烧器中，燃料所带的大部分能量转化为辐射能。辐射热量与辐射面的温度和材料有关。辐射燃烧器是一种低压式完全预混燃烧器。燃气在燃烧器表面着火燃烧，当燃烧器表面介质达到一定温度时，便向外辐射红外线。物体接受到红外线照射时，吸收其中一部分，反射一部分，吸收的部分转化为物体自身能量，使物体分子热运动变得更加剧烈，达到加热的效果。2

早期研究本世纪初期，博思(Bone)等观察到：燃气-空气混合气从耐火瓦小孔中流出后在瓦表面猛烈燃烧，使瓦呈炽热状态，但没有明显的火焰。博恩把这种现象称为“表面燃烧”，他认为产生这种现象的原因是耐火材料的催化作用。后来的研究认为并不发生催化作用，热导率比表面活性更为重要，从耐火材料小孔中通过的混合气流由于受到预热而加快了燃烧。在多通道耐火砖的研究中没有发现表面活性作用的明显证据，但是科尔斯(Coles)和巴奇(Bagge)根据在孔径很小的多孔介质燃烧器上的实验研究认为，这种现象的机理是气体燃烧和表面催化燃烧二者的结合。3

辐射式燃烧器的分类1．多孔介质燃烧器

混合气从多孔陶瓷板流出并在其表面燃烧产生均匀辐射面。图1(a)所示型号的表面温度约为860℃，当采用不同材料时还可更高些。从这种型号发展出来的发光壁式设计(图2b)，表面结构的大部分由多孔耐火砖块组成。它用的是标准规格的多孔耐火砖，孔洞钻到距砖面50毫米处。从强制送风式混合器来的混合气进入强制送气室，到达耐火砖背部，通过耐火砖上的小孔流出到表面上均匀燃烧。在混合气预热过程中，耐火砖块受到冷却，因而只有很薄的一层能达到高温。这样，壁面热损失可减到最小，也减轻了对燃烧器结构的频繁加热和冷却。这种燃烧器的热强度一般为250千瓦/米2，最高可达470千瓦/米2。表面温度一般限制为1100℃。3

2．在砌块孔道中燃烧的燃烧器

最常见的是施万克燃烧器(图1c)，混合气由大气式引射器送入，通过直径约1.4毫米的孔道在表面燃烧，温度约为850℃。辐射面由每块大小为65×45毫米的陶瓷板拼组而成。在使用人工燃气时，火焰根部的位置约在板面下1.5毫米，焰面处于流速和燃速相平衡的位置，此位置受孔道直径和混合气预热量的制约。转换天然气后，焰面不再低于板面，减少了对混合气的预热量从而加剧了脱火倾向。解决此问题的办法是在砌块表面上方5毫米左右设置一个金属网，它可将热量反射回来，增加对混合气的预热，从而使火焰稳定。 3

3．杯型辐射燃烧器、平焰燃烧器

这类燃烧器不同于前述各类之处在于混合气不是通过辐射块上的孔道流出，它的辐射面是个杯形或锥形的耐火砌块，从其中心供入混合气，或者分别供入燃气和空气再以喷嘴口混合方式混合。设计中常包括起稳焰作用的导流体，它可将混合气均布于耐火表面形成一薄层进行燃烧。3

4. 辐射管燃烧器

在需将燃烧产物与被加热工件隔离开的情况下，代替马弗炉(隔焰炉)的一种方法就是应用内燃式的辐射管。由于大部分热量是以辐射方式传递的，所以它也作为辐射式燃烧器的一类。

5．网罩式燃烧器

在低温应用中，常用网罩式燃烧器来代替多孔板块式燃烧器。瑞士的一种型号采用的是双层网，内层保持较低温度用来防止回火。表面温度可达900℃以上，但只限用于低温环境以避免燃烧器过热。图2(d)示出这种燃烧器在顶挂式辐射采暖器中的应用。它包括一个大气武环型燃烧器，用它向陶瓷纤维制成的截锥形网罩加热，温度可达1200℃。其外的圆筒形不锈钢网罩的温度为850℃，形成辐射面。3

6．催化燃烧器

在催化物质的表面，燃气能以极低温度(天然气为450℃)燃烧而不产生可见火焰，但具有与正常高温燃烧相同的发热量。欧洲大陆广泛把液化石油气无烟道催化采暖炉用于家庭和商业，苏联和美国则把液化石油气和天然气催化燃烧器用于非家用的加热场合。英国市场上已没有这种燃烧设备出售，但华生研究所仍在对它在采暖中的可用性进行研究。

从原理上讲，催化燃烧器包括一个饱含催化物质的多孔板，纯净燃气从其中通过，外界的氧气则逆向通过此板，于是在催化物质表面发生燃烧反应。热量以辐射方式从表面发出，燃烧产物在气流推动下排入大气。 3

辐射式燃烧器的性能表示辐射式燃烧器性能的最方便的方法是求出它的辐射效率，即辐射输出量/热输入量。科尔斯和巴奇利用辐射输出量加上烟气热输出量等于热输入量的关系式，已按低热值求出了各种表面温度下的理想辐射效率。他们的计算中假设辐射体是黑体，并且不存在其他热损失(如燃烧器壁热损失)。图3示出理想辐射加热器的辐射效率随表面温度变化的情况。3