辐射管

为了提高辐射管的热效率，最直接的办法就是增加辐射管的长度，提高烟气在辐射管内的流动时间，使烟气与辐射管充分进行热交换。但是辐射管长度过大就会带来强度、刚度以及制造安装方面的问题，影响辐射管的使用寿命。后来又不断改进烧嘴的结构，使燃气与助燃空气充分混合后充分燃烧，进而提高辐射管的热效率。

20 世纪70 年代以后，出现了蓄热式燃烧技术，发明了蓄热式烧嘴，用来回收烟气余热，大大减少了能源的浪费。20 世纪90 年代初，蓄热式燃烧技术得到了广泛应用，换向阀和控制系统的可靠性也得到改善，热效率大幅提高至70%～ 90%。蓄热式燃烧技术的工作原理: 助燃空气经过四通换向阀由助燃空气通道进入A 烧嘴，经A 烧嘴的蓄热体加热后与煤气混合在辐射管内燃烧，燃烧产生的高温烟气流经辐射管后进入烧嘴B，加热烧嘴B 内的蓄热体后由烟道排出。经过一段设定的时间后通过四通换向阀与煤气换向阀改变助燃空气与煤气的流向，助燃空气经过四通换向阀由助燃空气通道进入B 烧嘴，经过B 烧嘴内的蓄热体加热后与煤气混合燃烧，燃烧产生的烟气经过A 烧嘴由烟道排出，在经过A 烧嘴的同时加热A 烧嘴内的蓄热体。冷空气和高温烟气如此交替的流经A、B 烧嘴的蓄热体，通过蓄热体交换热量。

蓄热式燃烧技术可以将排出的烟气温度降低至200 ℃以下，大大提高了辐射管的热效率。这一提高热效率的过程勾勒出辐射管向超系统进化的技术发展路线:

向超系统的进化路线--当一个系统自身发展到极限时，它向着变成一个超系统的子系统方向进化，通过这种进化，原系统升级到一种更高的水平，其中的一条进化路线为: 单系统→双系统→多系统。按照这条路线描述提高辐射管加热效率的进化过程: 系统正处于进化的最后阶段 。

辐射管表面温度分布的均匀性作为衡量辐射管的一个重要的技术性能指标，它影响辐射管的加热能力、加热质量以及辐射管的使用寿命。U和W型辐射管的应用最广泛，因此以U型和W型辐射管作为研究对象。

最初的辐射管只在一端安装烧嘴，辐射管两端温差较大。为改善辐射管表面温度分布的均匀性，在辐射管内设置若干芯块，芯块使得高温气体充满辐射管，加强了高温气体与管壁间的对流换热，尾部温度有所提高。后来为提高辐射管温度均匀性，在辐射管两端都装有烧嘴，采用脉冲燃烧技术提高了辐射管温度分布的均匀性。在脉冲燃烧的基础上，通过改变两端烧嘴的燃烧换向时间可以进一步提高辐射管温度分布的均匀性。

辐射管表面温度分布的均匀性与火焰的长度密切相关。最初的烧嘴只能进行一级燃烧，在此基础上经改进设计了可两级燃烧的烧嘴，通过控制系统调节烧嘴中一次空气和二次空气的配比，可以有效地控制火焰长度，改善辐射管表面温度分布的均匀性。

蓄热式燃烧技术的出现大大提高了辐射管的温度均匀性。通过试验发现: 随着空气预热温度的增加，辐射管表面最大温差逐渐减小，温度不均匀系数也随之变小。在这一过程中有两条技术进化路线:

1) 向超系统的进化路线: 单系统→双系统→多系统。按照这条进化路线改善辐射管表面温度分布均匀性的进化过程 ( 注:控制系统改为蓄热体) ，系统正处于进化的最后阶段。

2) 频率协调进化路线单个物体( 火焰) : 连续运动→脉冲→周期性作用→增加频率→共振。按照这条进化路线描述提高辐射管温度分布均匀性的进化过程，系统正处于进化的周期性作用阶段，可以进一步改善两侧烧嘴的燃烧周期或者向增加频率的方向发展，如提高两侧烧嘴交替燃烧的频率以提高辐射管温度分布的均匀性 。

辐射管广泛应用于加热炉，是加热炉的主要加热元件。使用的辐射管主要分为两大类: 燃气辐射管和电加热辐射管。其中燃气辐射管的热效率比电加热辐射管高一倍左右。因此，燃气辐射管是未来辐射管的发展趋势。在现代市场经济条件下，辐射管企业的竞争越来越激烈，为提高市场份额，各企业对辐射管不断改进。但是技术创新非常困难，要想降低辐射管的研发成本，企业研发人员就要准确的预测产品的发展趋势，并采用实现产品创新和快速设计的理论方法和工具，在创新理论指导下的创新实践将会事半功倍。

产品及其技术的发展总是遵循一定的客观规律，而且同一条规律往往在不同的产品技术领域被反复应用，即任何领域的产品改进、技术的变革过程都是有规律可循的，所有技术的创造与升级都是向最强大的功能发展的。TRIZ 技术进化理论是专门研究技术系统进化的，它经历了传统的TRIZ 进化理论、TRIZ 进化理论发展和直接进化理论3个阶段，有技术进化理论(ET)、技术进化引导理论(GTE)和直接进化理论(DE)等多种形式。TRIZ技术进化理论是专门研究技术系统进化的，技术进化理论反映的是技术系统、组成元件、系统与环境之间在进化过程中重要的、稳定的和重复性的相互作用，且每种进化法则都包含不同数目的具体进化路线和模式。

运用TRIZ的技术进化理论分析了辐射管各个主要性能的进化过程，并总结和归纳了其进化路线，在此基础上对其未来的发展方向进行预测，为企业相关产品的创新和开发提供参考 。

加热炉的热能一般采用天然气等可燃气体燃烧来提供，但是可燃气体在燃烧的过程中产生的有害气体会破坏炉内热处理所需要的环境，因此发明了辐射管使可燃气体在辐射管内燃烧，其热能由辐射管辐射到炉内，这样有害气体就不会破坏炉内环境。但是由于辐射管通过管壁辐射加热工件，其加热效率关系到热处理的效率，因此辐射管的加热效率是辐射管的主要特性之一。最早的辐射管是由德国在20 世纪30 年代发明并使用的，其结构为单层直管式，水平或垂直穿过炉膛; 直到50 年代初U 型辐射管才问世; 为了提高提高辐射管的加热效率，在U 型辐射管的基础上发明了W 型辐射管; 随着技术的进步又出现了P 型辐射管，辐射管的典型型式。为了进一步提高辐射管的加热效率，在各种型号辐射管的基础上又发明了麻面辐射管，其加热面积比光面辐射管增加30%以上，大大提高了辐射管的加热效率。这一过程基本上沿着两条技术进化路线发展:

1) 几何形状的进化路线--各子系统之间以及子系统与超系统的形状要相互协调，其中的一条进化路线为几何形状的进化: 直线→2D 线→3D 线→复杂线。按照这条进化路线描述提高辐射管加热效率的进化过程: 系统正处于进化的2D 曲线阶段，可以将辐射管设计为3D 曲线以提高辐射管的加热效率，如将辐射管设计成波纹管。

2) 表面形状的进化路线: 平滑表面→带有凸起的表面→粗糙表面→带有活性物质的表面。按照这条进化路线描述提高辐射管加热效率的进化过程: 系统正处于进化的带有凸起的表面阶段，可以增加辐射管表面凸起的数量或将辐射管表面设计为粗糙表面以提高辐射管的加热效率 。

加热炉所用的辐射管数量大、价格昂贵，例如某退火炉所用的辐射管共128 根，每根价格为3.7 万元，如果每根的使用寿命提高0.5 ～ 1 年，则会产生巨大的经济效益。因此，如何提高辐射管的使用寿命具有很高的研究价值。影响辐射管使用寿命的主要因素有辐射管的材质、结构和制造工艺、辐射管内的燃烧气氛、安装结构和维护、辐射管表面温度分布的均匀性、生产工艺及操作水平等。

常用的U 型或W 型辐射管质量较大，在使用过程中，在交变热应力和自身质量的共同作用下，易发生弯曲疲劳损坏及蠕变变形损坏。为减小辐射管的变形，在每个弯头处设置有与辐射管一体的固定支撑结构，安装时支撑在炉壁上。为适应辐射管的热涨与冷缩变形，在烧嘴侧的出口与炉盖之间设置膨胀节，通过膨胀节的补偿，避免了裂纹的产生，提高了辐射管的使用寿命。同时将辐射管弯头处的固定支承改为浮动支撑，进一步减小了裂纹的产生。提高辐射管使用寿命的技术进化路线为:柔性进化路线: 刚体系统→单铰链系统→多铰链系统→柔性系统→场连接系统。按照这条进化路线提高辐射管使用寿命的进化过程: 辐射管正处于多铰链系统阶段，可以进一步提高辐射管的柔性，使之成为柔性系统，进而向场连接系统进化，如利用磁悬浮原理，使辐射管悬空 。

1) 为了提高辐射管的加热效率，可以将辐射管的形状设计成3D 曲线或者增加辐射管表面凸起的面积。

2) 对于提高辐射管热效率及表面温度均匀性的研究已经超出了辐射管的范畴，而向更高层次的超系统方向发展。

3) 提高辐射管使用寿命的主要研究方向是改善辐射管的受力状态，其主要措施是提高辐射管的柔性。

4) 通过TRIZ 技术进化理论对辐射管各主要性能的分析和总结可知: 未来辐射管主要沿着向超系统的方向发展，为提高辐射管的性能，就要综合考虑辐射管的各个子系统的性能，并不断引进新的子系统。此外，为提高辐射管的加热效率，应主要考虑增加辐射管的表面积，在改进的过程中主要研究辐射管的几何形状的改变对辐射管加热效率的影响。因此，沿这两个方向进行辐射管的研究与开发，将会对辐射管综合性能的提高起到重要的推动作用 。

辐射管加热器产生的表面温度，在离燃烧器2m范围内大约有450℃，在U字型辐射管的出口降低到大约有150℃，辐射热借助一个不锈钢或抛光铝制的反射罩向下部投射。输出功率一般为10~38kW。单台辐射管加热器配备有完善的燃烧控制系统，包括一个吹扫程序、自动点火、熄火保护和一个空气流量开关。燃气有专用调压器控制或通过零压调压器，按恒定空/燃比控制。

辐射管加热器不仅可以单台应用，而且可以串联多台应用。用作多台串联时，应将辐射管按照需要位置，先加工或串联成歧管状，用一台大流量风机供风或引风机抽风。图2为应用于车库的串联辐射管，系统由四台引风式辐射管串并联组成，燃烧烟气由一台引风机排至室外，一般燃烧器带铸铁燃烧室并采用法兰连接到辐射管上。车库温度由高效率传感器监控，温度波动可达±5℃，热效率不低于90%。