w型辐射管快速设计系统开发与应用

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1、内蒙古科技大学硕士学位论文1绪论1.1燃气辐射管基本概况1.1.1辐射管的工作原理[1]辐射管常用在需要将工件与燃烧环境隔离的工业应用中。辐射管是工业炉的一种加热装置，燃气和助燃空气在烧嘴混合并经电子打火机点燃，气体进入辐射管，在密封的管内燃烧。燃烧产生的热量传递给辐射管，管壁主要以热辐射的方式将热能传递给需要加热的工件。燃烧产生的火焰以及烟气流向烟道。有些辐射管还增加了烟气余热回收装置——换热器，目的是用高温烟气来预热助燃冷空气，有效地利用了高温烟气，提高了辐射管的热效率。[2,3]由于燃烧产物不与工件接触，所以不会造成燃烧气氛对工

2、件的氧化或烧损。炉内气氛及加热温度便于控制和调节，适用于冷轧带钢等产品的高质量加热要求,并且其燃烧空间大，热效率高。辐射管虽然有很多优势但仍存在一些自身的缺陷，如：辐射管表面温度不均匀、NOx排放量较高、寿命不高等。辐射管中的高温烟气通过对流和辐射将热量传递给辐射管。由于管壁直接与高温火焰接触，在850℃——1150℃的高温恶劣环境下长期连续工作，在交变热应力和自重的共同作用下，易发生弯曲疲劳损坏以及蠕变变形破坏，造成辐射管管壁材料的灼伤和剥落，从而导致失效。辐射管由于应力破坏而导致的失效仍然是工业中[4][5]一个备受关注的问题。工

3、作环境的恶劣对辐射管的材料提出以下几个要求：1）耐高温2）表面灰度大（强辐射能力）3）导热系数大（强导热能力）4）结构强度高5）密封性好6）热膨胀系数小（变形小）7）成本低本文研究的W型辐射管采用601合金钢。601合金钢的主要性能参数如下图、3表所示：密度为8110kgm/，熔点区间为1302℃1384℃。热涨系数、弹性模量均随温度变化而变化，其关系如图1.1和图1.2所示。辐射管材料的主要机械性能随温-1-内蒙古科技大学硕士学位论文度变化关系如表1所示。图1.1弹性模量随温度变化曲线图1.2热涨系数随温度变化曲线表1材料强度与温

4、度的关系主要机械性能参数温度/℃抗拉强度极限/MPa屈服强度极限/MPa延伸率/%室温689.5372.3345538620.55330.9644649413.7282.6945760234.43179.2770871124.11103.42120-2-内蒙古科技大学硕士学位论文1.1.2辐射管的结构辐射管的基础部件是管体、烧嘴以及余热回收装置。辐射管的核心部位就是烧嘴，燃料和助燃空气在烧嘴内点火燃烧。烧嘴的喷孔直径，喷孔角度，以及射流速度，一二次风的配比等因素都会影响火焰的长度和强度，进而影响辐射管管壁温度[6]分布的均匀性，影响其

5、效率和使用寿命。某单位通过优化设计方法设计喷孔直径和喷射角度，使喷射出的气流呈高速旋转式，这样利于卷吸周围烟气和扩大燃烧范围。与此同时，将助燃空气的喷口进行偏心，可以延长火焰，降低入口处辐射管的管壁温度和增强火焰的辉度和辐射能力。辐射管燃烧喷嘴形式常用的有平行流式和旋流式。随着燃烧技术的发展，烧嘴的家族逐渐壮大。其中与辐射管配套使用的有NO燃烧器、高温空气燃烧器和蓄热X式燃烧器。[7]高温空气燃烧技术（HighTemperatureAirCombustion）是九十年代国际上快速发展的一项新的燃烧技术。该技术有两项技术手段：一，最大限

6、度回收燃烧产物的显热（或称极限回收）；二，燃料的燃烧在缺氧状态下进行。高预热空气或燃气温度可达800℃以上，贫氧浓度在2%~15%，低于实际空气中氧气的浓度6（21%），可达到节能30%60%和降低烟气中NO浓度（NO13010）以及XX降低CO排放量30%60%以上的多重功效。2在辐射管的配套设备中，烟气余热回收装置是一个重要的组成部分。从辐射管管尾部排出的烟气具有较高的温度，这部分高温烟气经过烟气余热回收装置将助燃冷空气加热，随后同燃气点火燃烧，加速了辐射管的燃烧速度。烟气余热回收装置实质上是一个热交换器，利用它不仅降低

7、了排烟温度，降低了环境污染程度，还节省了能量，提高了辐射管的热效率。1.2辐射管的分类及用途[8,9]辐射管按形状分类从一开始最简单的直管型起，到后来出现的P型辐射管，结构逐渐复杂，功能也逐渐完善，但P型因为结构复杂，制造困难等原因，到目前为止没有得到广泛应用。工业炉中W型和U型辐射管因其构造简单，受热面积大而被广泛使用。-3-内蒙古科技大学硕士学位论文表1.2辐射管分类以用途名称形式特征表面负荷热效率特点用途2（W/cm）（%）结构简单，易于操作，要求炉温1000℃以下室直管型4.7-5.840--50传热效率低式或连续式炉结构复杂

8、，内套管要求用于炉温1000℃以下室套管型4.7-5.860-75高，造价高，热效率高式，井式、连续式炉结构比较简单，应用普用于炉温1000℃以下的U型3.5-4.755-65遍，空煤气便于预热各种炉型使用一个烧嘴，得到