一种燃气辐射管 【技术领域】
本专利涉及的一种燃气辐射管，特别是对燃气辐射管的改进。
背景技术
燃气辐射管是一种燃烧气体燃料的加热装置，气体燃料在密封的辐射管内燃烧，通过受热的管表面以热辐射为主要形式把热量传递到被加热物体，燃烧气氛和产物不与被加热物体接触，这就为在保护气氛下进行热处理创造了条件，特别适用于对产品质量要求高的场合。燃气辐射管具有燃烧热效率高、运行稳定、设备可靠性高等特点，广泛应用于各种热处理炉和连续退火炉等。
根据辐射管的管型，可以分为直管型、套管型、U型、W型、三叉型、P型、双P型等。辐射管表面温度分布均匀性是其重要的性能指标，表面温度分布越均匀越好。
目前，燃气辐射管内的燃烧过程一般如下：燃料由烧嘴喷出，经点火装置点燃后部分燃料与一次空气发生燃烧反应，剩余的燃料与二次空气反应进行二次燃烧，火焰为扩散火焰，以便降低氮氧化合物生成量，增加火焰长度，产生的高温烟气以辐射和对流的方式将热量传递给辐射管，进而通过辐射管外壁对炉内物料进行辐射加热；高温烟气散发热量后沿辐射管外管内壁回流，一小部分再次参与燃烧，即烟气再循环(EGR)，其余部分通过换热器与冷空气进行热量交换后排出。
不论是何种类型的辐射管，在燃烧过程中，由于在火焰区烟气温度较高，辐射热流密度大，辐射管壁温较高，形成辐射管的高温段；而在火焰区后烟气与辐射管沿程换热过程中，烟气温度逐渐降低，辐射热流减小，辐射管温度较低，形成辐射管的低温段，这种辐射管的温度分布规律已被实验及理论研究所证实。因此不可避免的造成辐射管表面温度的不均匀性，从而影响辐射管的加热能力和加热质量，降低了辐射管的使用寿命。
燃气辐射管在使用过程中不断得到改进，主要的改进措施如：(1)英国开发的自预热型辐射管，利用烟气的余热对空气进行预热，提高了辐射管的燃烧效率及能量利用率；(2)在辐射管内增加内套筒，采用二次燃烧模式，可增加火焰长度并能提高辐射管壁温的均匀性；(3)在辐射管内使用芯块可以明显地提高燃料的利用率，较好地控制空气消耗系数，强化气体与辐射管管壁之间的对流传热，从而改善辐射管的表面温度分布；(4)在辐射管装置上应用空气分段燃烧、燃气预混与扩散燃烧、旋流稳焰、火焰消音等技术，可以增加火焰长度及降低燃烧噪音；(5)在自预热型辐射管的换热器上提出许多改进措施，如喷流换热器，带有螺旋槽的空煤气换热器，采用间壁喷流式夹层结构的换热器，喷射式换热器，枪式换热器，蓄热和间壁换热复合结构，扭带插入件换热器等；(6)针对辐射管的各构成部分进行优化设计，诸如在U型辐射管焊接处焊接加强环，将支撑机构引出炉外，增加辐射管表面粗糙度，应用陶瓷材料和采用富氧燃烧技术等。但是，在辐射管内低温段进行强化传热的改进措施还未见报道。
泡沫金属是一种新型的低密度功能结构材料，具有体积密度小、相对质量轻、比表面积大、比力学性能高、阻尼性能好等特点。泡沫金属的显著特征是其内部有大量的孔隙，根据各个孔隙之间是否联通有开孔结构和闭孔结构之分。由于开孔结构的泡沫金属具有较大的可及表面积、较高的孔壁热传导率和较小的体积比热容，从而使其具备了优越的热传输能力。
【发明内容】
本发明的目的是提高辐射管低温段烟气侧的辐射换热能力，增加烟气和辐射管内壁间的辐射换热量，增大烟气和辐射管内壁间的对流换热系数，提高辐射管低温段的热流密度和管壁温度，从而提高辐射管的表面温度均匀性和热效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃气辐射管，所述燃气辐射管的低温段填充有多孔泡沫金属，所述多孔泡沫金属为开孔结构。
上述技术方案可以进一步的改进为：所述多孔泡沫金属为耐高温的多孔泡沫金属，耐高温极限值为1000～1400℃。
上述技术方案可以进一步的改进为：所述多孔泡沫金属可以通过热喷涂技术进行表面涂覆处理，喷涂材料为金属或陶瓷，以提高其黑度和辐射性能。
上述技术方案可以进一步的改进为：所述多孔泡沫金属是钛金属为基体的泡沫金属、泡沫钢或泡沫铝。
本发明有益效果是：在燃气辐射管的低温段填充开孔结构的多孔泡沫金属，将烟气对辐射管内壁的热辐射转换为烟气和多孔泡沫金属固体骨架对内壁的综合热辐射，相当于增大了烟气的黑度，将会大幅度提高辐射管低温段烟气侧的热辐射能力，初步估计辐射换热量将增加一倍以上；同时由于增加了辐射管低温段内气流的扰动和烟气的当量导热率，对流换热系数也会明显增大，因此可以从热辐射和对流换热两个方面减少烟气与辐射管内壁间的传热热阻，提高辐射管低温段的热流密度和管壁温度，从而提高辐射管的表面温度均匀性和热效率。而且该辐射管结构简单，制造成本低。
【附图说明】
图1是蓄热式U型辐射管燃烧器的结构示意图。
图2是蓄热式W型辐射管燃烧器的结构示意图。
图3是自预热型燃气辐射管燃烧器地结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的具体实施应用作解释。
图1为本发明一种改进的燃气辐射管应用于蓄热式U型辐射管燃烧器的一种实施例。该蓄热式U型燃气辐射管燃烧器由燃气烧嘴1、煤气快切阀2、四通换向阀3、蓄热体4、以及本申请的燃气辐射管组成。其中燃气辐射管由辐射管管体5和多孔泡沫金属6组成，燃气辐射管的低温段填充有多孔泡沫金属6，多孔泡沫金属6为开孔结构。
其工作原理是：冷空气先经四通换向阀3进入U型辐射管一端燃气烧嘴1的A端的蓄热体4加热，与燃料混合燃烧，辐射管中的热烟气加热另一端燃气烧嘴1的B端的蓄热体4后，经四通换向阀3由烟道排出。经过设定的时间后四通换向阀3切换，改变辐射管中气体的流动方向，冷空气由B端流入，烟气由A端排出。冷空气和热烟气如此交替地流经燃气烧嘴1的A、B两端的蓄热体4，通过蓄热体交换热量，空气可预热至接近辐射管管壁温度，烟气温度可降低至200℃以下，从而实现烟气热量的极限回收。空气、烟气流动方向的变换和烧嘴燃料气的通断是通过煤气快切阀2、四通换向阀3和控制系统实现的。蓄热式辐射管在运行过程中空气、烟气需要定期换向，其在辐射管中的流动方向周期性改变。
在辐射管前半段由于燃气燃烧火焰温度很高，热辐射能力强，所以辐射管管体5的直管前半段为高温段，而直管后半段及弯管连接处由于烟气的温度比火焰温度低，且黑度较小(一般为0.1～0.3)，热辐射能力较小，直管后半段及弯管连接处为低温段，这种辐射管的温度分布规律已被实验及理论研究所证实。在辐射管的低温段填充开孔结构的多孔泡沫金属6，如钛金属为基体的泡沫金属、泡沫钢或泡沫铝(高温氧化后耐高温)，可以显著提高烟气的黑度、当量导热系数和对流换热系数，增加烟气和辐射管内壁间的辐射换热量和对流换热量，减少换热热阻，提高低温段的热流密度和辐射管温度，从而改善辐射管的表面温度均匀性和热效率。
图2为本发明一种改进的燃气辐射管应用于蓄热式W型辐射管燃烧器的第二种实施例。该W型辐射管的工作原理同实施例1。辐射管管体5的中间两直管及其弯管连接处为低温段，在这段管内填充耐高温的多孔泡沫金属6，如钛金属为基体的泡沫金属、泡沫钢或泡沫铝，可以显著提高烟气的黑度、当量导热系数和对流换热系数，增加烟气和辐射管内壁间的辐射换热量和对流换热量，即提高热流密度和低温段的辐射管温度，从而改善辐射管的表面温度均匀性和热效率。
图3为本发明一种改进的燃气辐射管应用于自预热型辐射管燃烧器的第三种实施例。其工作原理是：燃气由烧嘴31喷出，经点火装置点燃后部分燃气与一次空气反应发生一级燃烧，然后与二次空气反应进行二次燃烧，以便降低氮氧化合物生成量，增加火焰长度，产生的高温烟气以辐射和对流的方式将热量通过内衬管7传递给辐射管管体5，进而对炉内物料进行辐射加热；高温烟气沿辐射管管体5和内衬管7组成的环缝回流，其中一小部分再次参与燃烧过程，即烟气再循环(EGR)，其余部分通过换热器9与冷空气进行热量交换后由烟气回流装置8排出，回收烟气余热，可将冷空气预热至300℃以上。
辐射管管体5和内衬管7组成的环缝中烟气温度较低，形成低温段，在该低温段中填充耐高温的多孔泡沫金属6，如钛金属为基体的泡沫金属、泡沫钢或泡沫铝，可以显著提高烟气的黑度、当量导热系数和对流换热系数，增加烟气和辐射管内壁间的辐射换热量和对流换热量，即提高热流密度和低温段的辐射管温度，从而改善辐射管的表面温度均匀性和热效率。
上述多孔泡沫金属6优选耐高温的多孔泡沫金属，耐高温极限值为1000～1400℃，具体值与燃烧器的使用环境有关。
上述多孔泡沫金属6可以通过热喷涂技术进行涂覆表面处理，以提高其黑度和辐射性能。热喷涂是利用熔化的粉末或线材实现的一种表面技术，通过气体喷射将熔化的材料加速并输送到需要涂覆的表面上。熔化的能源可以是电弧或惰性气体等离子。喷涂材料可以是金属或陶瓷。
上述多孔泡沫金属6优选孔洞直径为几十微米到几毫米之间。孔洞的直径需要根据传热和阻力的计算和实验进行确定。
上述的多孔泡沫金属是钛金属为基体的泡沫金属、泡沫钢或泡沫铝。可以通过熔模铸造、沉积或固体构架等方法获得。
本发明不局限以上的实施方式，还可以变换成其他形状和结构形式的辐射管(如直管型、套管型、三叉型、P型、双P型等)，不论是常规型式，自预热式或蓄热式，但只要是燃气辐射管，并且辐射管内填充泡沫金属，均落入本发明的保护范围。