【論文摘要】結(jié)合高原特點，介紹了40KW高原暖風(fēng)機研究中爐膛和換熱面的設(shè)計原則以及結(jié)合高原特點解決的關(guān)鍵技術(shù)。
一、引言
高原暖風(fēng)機的工作原理是燃油經(jīng)壓力霧化噴入燃燒室燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^間壁式換熱裝置加熱由送風(fēng)機送入換熱通道的室外冷空氣，被加熱的空氣送入室內(nèi)（帳篷）取暖。
該供暖方式是提供的空氣品質(zhì)高，無明火，且機組機動性好，操作自動化程度高，適合于部隊指揮機關(guān)、野占醫(yī)院、機要通訊及野占修理等部門冬季野營取暖使用，也適全速于寒冷季節(jié)，鐵路、石油、天然氣部門野外作業(yè)時使用。
總后建筑工程研究所于1997年國內(nèi)首先研制了平原40KW和20KW暖風(fēng)機，取得了許多成功的經(jīng)驗。隨著應(yīng)用范圍和地區(qū)的擴大，高原暖風(fēng)機的需求量日益增大。為了滿足這種需求，又于2000年開始，著手研制高原暖風(fēng)機。
高原暖風(fēng)機要求能在海拔5000米地區(qū)安全、可靠地工作。在這樣的海拔高度，其大氣壓力只有平原時的1/2，由此給暖風(fēng)機的設(shè)計帶來了系列問題。關(guān)鍵技術(shù)是爐膛和換熱面積正確設(shè)計、燃燒器和燃燒系統(tǒng)的改進(jìn)、系統(tǒng)阻力的確定和送風(fēng)機的選擇等。我們充分利用了平原暖風(fēng)機成功的經(jīng)驗，采用實驗和理論相結(jié)合的方法解決了以上關(guān)鍵技術(shù)，于2001年研究成功了40KW高原暖風(fēng)機，并投入了小批量生產(chǎn)，用戶反映良好。本文就是我們在研制過程中考慮的一些設(shè)計原則和關(guān)鍵技術(shù)解決方法做簡要說明。
二、爐膛和換熱面積的正確設(shè)計
與平原暖風(fēng)機相比，高原暖風(fēng)機的爐膛容積和換熱面積都必須增大。這是因為高原上單位體積空氣中的含氧量大大下降，爐膛中油霧和氧的接觸條件變差，為保證油的完全燃燒，煙氣需要在爐內(nèi)有更長的停留時間，這就需要更大的爐膛容積。
燃燒室容積設(shè)計的一個重要指標(biāo)是容積熱負(fù)荷qv[w/m3]，qv過高或過低均將增加不完全燃燒損失，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟性，甚至容易發(fā)生事故，使?fàn)t子不能工作。例如過小的qv將使?fàn)t內(nèi)煙溫過低，火焰可能熄滅和燃燒發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。過大的qv使?fàn)t膛壁溫過高，（冷卻工質(zhì)是空氣），以致超過金屬的允許溫度，同時使?fàn)t膛出口溫度過高，導(dǎo)致輻射換熱面與對流換熱的比例不當(dāng)，本體總的金屬耗吭黽印?v的正確取值應(yīng)該是根據(jù)長期運行經(jīng)驗來確定的。高原暖風(fēng)機初次設(shè)計時，沒有運行經(jīng)驗可以借鑒，只能在平原暖風(fēng)機的基礎(chǔ)上結(jié)合高原的特點進(jìn)行理論分析的確定，由以上分析可知高原暖風(fēng)機的qv應(yīng)該比平原的小。
燃燒室形狀的設(shè)計必須與燃燒器性能相匹配，爐膛直徑要大于火焰的最大直徑，以免造成貼壁燃燒，爐膛長度要大于火焰的總長度。
燃燒室換熱面積的設(shè)計應(yīng)使?fàn)t膛出口煙溫控制在1000℃左右。
根據(jù)以上的設(shè)計原則，配合計算，最后確定，40KW高原暖風(fēng)機的作品熱負(fù)荷是平原時的64%，換熱面積是平原時的1.3倍。
爐膛出口后的換熱面的設(shè)計原則是：從傳熱出發(fā)，總換熱面的大小應(yīng)能使排煙溫度在200℃左右，這樣，能使機組的熱效率達(dá)88%左右。另外，各并聯(lián)空氣通道的流量分配應(yīng)大致和它們的換熱能力相匹配，以減少各通道空氣出口不等溫氣流混合造成的損，各換熱面兩側(cè)（煙側(cè)和空氣側(cè)）的換熱系數(shù)應(yīng)盡量趨于接近，以使換熱面的利用程度達(dá)到最高。從流動阻力出發(fā)，由于高原上煙氣和空氣的體積流量大大增加，隨之阻力損失也大幅度增大，過大的阻力損失不僅使燃燒器和送風(fēng)機的選型發(fā)生困難，而且對機組的總費用（初投資+經(jīng)常運行費用）的不利，從這點出發(fā)，必須加大煙側(cè)和風(fēng)側(cè)的流通面積。
對高原暖風(fēng)機，燃油完全燃燒往往需要更大的空氣過乘系數(shù)，這導(dǎo)致理論燃燒溫度下降，爐內(nèi)輻射換熱量和爐壁溫度下降，這些必需通過增大對流換熱面來彌補。
影響對流換熱強度的重要因素是雷諾數(shù)Re。高原運行時，如果煙、風(fēng)側(cè)的質(zhì)量流量不變，流通面積也不變，則Re數(shù)不變，從而使對流換熱系數(shù)不受大氣壓力的影響，但如前所述，從降低系統(tǒng)阻力損失出發(fā)，必須加大工質(zhì)的流通面積，降低質(zhì)量流速，從而使Re數(shù)減小，對流換熱系數(shù)減小，這也必須通過增大傳熱面積來彌補。綜上考慮以上因素并通過計算，最后確定的高原暖風(fēng)機的總換熱容積約是平原時的1.4倍。
為了根本解決此類換熱器的設(shè)計計算問題，我們編制了熱力軟件，軟件經(jīng)實測結(jié)果驗證，吻合較好。熱力計算軟件的編制解決了該類型系列設(shè)計計算問題，而且計算所得到的詳盡住處為暖風(fēng)機結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了理論依據(jù)。
三、燃燒器和燃燒系統(tǒng)的改進(jìn)
燃燒器是暖風(fēng)機的關(guān)鍵部件，它的必能直接影響到爐膛工作的安全性和經(jīng)濟性。
由于高原用燃燒器單位燃油管所需的助燃空氣的體積流量和所需克服的煙氣阻力成倍加大，使得常規(guī)的燃燒器手冊上找不到燃油量、風(fēng)量、爐內(nèi)內(nèi)壓按這樣匹配的類型。為此我們采用了"大馬拉小車"的做法。例如：選擇的燃燒器的燃油量范圍為4kg/h至10kg/h，實際運行時，使用其4kg/h的噴油量和接近8kg/h的助燃風(fēng)量。但即使這樣，高原試驗時，仍出現(xiàn)點火困難和高油壓時燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，分析認(rèn)為，主要原因是過大的助燃空氣體積流量造成油嘴附近的風(fēng)速過大，以致把火吹滅。燃燒器的助燃空氣分為三部分，根部風(fēng)、由調(diào)風(fēng)器形成的旋流風(fēng)以及外圍二次風(fēng)。設(shè)想通過加大外圈二次風(fēng)的通流面積來減小根部風(fēng)的風(fēng)速。為此選擇了多次型式的噴燃器和噴火筒形狀并通過調(diào)節(jié)調(diào)風(fēng)器在噴火筒內(nèi)的位置來改變外圈二次風(fēng)的通流面積。然后在平原和高原大氣環(huán)境下做小油量、大風(fēng)量噴火實驗，以探索燃燒器的改進(jìn)措施，并采用了電加熱器來預(yù)熱助燃空氣，從而很好地解決了高原燃燒時的點火困難和燃燒不穩(wěn)定問題。
四、送風(fēng)系統(tǒng)阻力的正確計算和送風(fēng)機的選擇方法
送風(fēng)機的性能直接影響到機組的供熱量，以及送風(fēng)溫度的舒適感。而送風(fēng)機的體積和重量影響到機組整體的大小及重量。
送風(fēng)機的正確選擇的前提是系統(tǒng)阻力的正確計算。與平原相比，高原上磅風(fēng)量和阻力成倍增大，因此系統(tǒng)空氣阻力的正確計算方法尤為重要。
系統(tǒng)空氣阻力包括本體、送風(fēng)管和回風(fēng)管三部分。由于本體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和送風(fēng)管結(jié)構(gòu)的特殊性，其當(dāng)量阻力系統(tǒng)均無處可查，再加上系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)由回風(fēng)管和百葉窗共同承擔(dān)，這樣，計算回風(fēng)管阻力時還需要知道回風(fēng)管中的流量。為此，我們對樣機在冷態(tài)情況下進(jìn)行了一系列的阻力測試，并將測試結(jié)果整理成本體的阻抗、送風(fēng)管的當(dāng)量阻力系數(shù)等形式，從而得到了具有普遍意義的阻力計算方法，這套計算方法可用于相同結(jié)構(gòu)類型暖風(fēng)機平原和高原運行時風(fēng)側(cè)阻力損失的預(yù)測。
送風(fēng)機的選擇原則是首先必須滿足風(fēng)量和風(fēng)壓的要求，此外，還要考慮如下因素：
（1）低噪音；
（2）P-Q線應(yīng)平滑，避免陡降型及峰型；
（3）選用外轉(zhuǎn)子風(fēng)機；
（4）風(fēng)機的外型尺寸應(yīng)與暖風(fēng)機尺寸相適應(yīng)。
風(fēng)機選型時，已知條件是高原條件下的空氣質(zhì)量流量和系統(tǒng)的阻力損失，而風(fēng)機給出的P-R線是在標(biāo)準(zhǔn)工況下特性，因此選型時必須進(jìn)行折算。折算方法是，如已知高原上的質(zhì)量送風(fēng)為G（kg/h），系統(tǒng)阻力損失為h（pa），則折算到標(biāo)準(zhǔn)工況下風(fēng)機的送風(fēng)量和風(fēng)壓分別為：
Q=（G/ρ）3600[m3/h]
P=1.2×Δh/ρ[pa]
式中ρ為高原當(dāng)?shù)氐目諝饷芏萚kg/m3]。
考慮到一些不可預(yù)的因素，對風(fēng)機風(fēng)量和壓頭分別取1.1和1.2的安全系數(shù)。
按以上方法選取的風(fēng)機實際運行表明，滿足了各方面的要求。
在高原暖風(fēng)機的研制中，我們解決了以上幾個關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)過高原運行的多次實測和用戶長期運行考驗，排煙的CO成分接近零，機組熱效率達(dá)85%左右，供量達(dá)42KW左右，完全達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。
一、引言
高原暖風(fēng)機的工作原理是燃油經(jīng)壓力霧化噴入燃燒室燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^間壁式換熱裝置加熱由送風(fēng)機送入換熱通道的室外冷空氣，被加熱的空氣送入室內(nèi)（帳篷）取暖。
該供暖方式是提供的空氣品質(zhì)高，無明火，且機組機動性好，操作自動化程度高，適合于部隊指揮機關(guān)、野占醫(yī)院、機要通訊及野占修理等部門冬季野營取暖使用，也適全速于寒冷季節(jié)，鐵路、石油、天然氣部門野外作業(yè)時使用。
總后建筑工程研究所于1997年國內(nèi)首先研制了平原40KW和20KW暖風(fēng)機，取得了許多成功的經(jīng)驗。隨著應(yīng)用范圍和地區(qū)的擴大，高原暖風(fēng)機的需求量日益增大。為了滿足這種需求，又于2000年開始，著手研制高原暖風(fēng)機。
高原暖風(fēng)機要求能在海拔5000米地區(qū)安全、可靠地工作。在這樣的海拔高度，其大氣壓力只有平原時的1/2，由此給暖風(fēng)機的設(shè)計帶來了系列問題。關(guān)鍵技術(shù)是爐膛和換熱面積正確設(shè)計、燃燒器和燃燒系統(tǒng)的改進(jìn)、系統(tǒng)阻力的確定和送風(fēng)機的選擇等。我們充分利用了平原暖風(fēng)機成功的經(jīng)驗，采用實驗和理論相結(jié)合的方法解決了以上關(guān)鍵技術(shù)，于2001年研究成功了40KW高原暖風(fēng)機，并投入了小批量生產(chǎn)，用戶反映良好。本文就是我們在研制過程中考慮的一些設(shè)計原則和關(guān)鍵技術(shù)解決方法做簡要說明。
二、爐膛和換熱面積的正確設(shè)計
與平原暖風(fēng)機相比，高原暖風(fēng)機的爐膛容積和換熱面積都必須增大。這是因為高原上單位體積空氣中的含氧量大大下降，爐膛中油霧和氧的接觸條件變差，為保證油的完全燃燒，煙氣需要在爐內(nèi)有更長的停留時間，這就需要更大的爐膛容積。
燃燒室容積設(shè)計的一個重要指標(biāo)是容積熱負(fù)荷qv[w/m3]，qv過高或過低均將增加不完全燃燒損失，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟性，甚至容易發(fā)生事故，使?fàn)t子不能工作。例如過小的qv將使?fàn)t內(nèi)煙溫過低，火焰可能熄滅和燃燒發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。過大的qv使?fàn)t膛壁溫過高，（冷卻工質(zhì)是空氣），以致超過金屬的允許溫度，同時使?fàn)t膛出口溫度過高，導(dǎo)致輻射換熱面與對流換熱的比例不當(dāng)，本體總的金屬耗吭黽印?v的正確取值應(yīng)該是根據(jù)長期運行經(jīng)驗來確定的。高原暖風(fēng)機初次設(shè)計時，沒有運行經(jīng)驗可以借鑒，只能在平原暖風(fēng)機的基礎(chǔ)上結(jié)合高原的特點進(jìn)行理論分析的確定，由以上分析可知高原暖風(fēng)機的qv應(yīng)該比平原的小。
燃燒室形狀的設(shè)計必須與燃燒器性能相匹配，爐膛直徑要大于火焰的最大直徑，以免造成貼壁燃燒，爐膛長度要大于火焰的總長度。
燃燒室換熱面積的設(shè)計應(yīng)使?fàn)t膛出口煙溫控制在1000℃左右。
根據(jù)以上的設(shè)計原則，配合計算，最后確定，40KW高原暖風(fēng)機的作品熱負(fù)荷是平原時的64%，換熱面積是平原時的1.3倍。
爐膛出口后的換熱面的設(shè)計原則是：從傳熱出發(fā)，總換熱面的大小應(yīng)能使排煙溫度在200℃左右，這樣，能使機組的熱效率達(dá)88%左右。另外，各并聯(lián)空氣通道的流量分配應(yīng)大致和它們的換熱能力相匹配，以減少各通道空氣出口不等溫氣流混合造成的損，各換熱面兩側(cè)（煙側(cè)和空氣側(cè)）的換熱系數(shù)應(yīng)盡量趨于接近，以使換熱面的利用程度達(dá)到最高。從流動阻力出發(fā)，由于高原上煙氣和空氣的體積流量大大增加，隨之阻力損失也大幅度增大，過大的阻力損失不僅使燃燒器和送風(fēng)機的選型發(fā)生困難，而且對機組的總費用（初投資+經(jīng)常運行費用）的不利，從這點出發(fā)，必須加大煙側(cè)和風(fēng)側(cè)的流通面積。
對高原暖風(fēng)機，燃油完全燃燒往往需要更大的空氣過乘系數(shù)，這導(dǎo)致理論燃燒溫度下降，爐內(nèi)輻射換熱量和爐壁溫度下降，這些必需通過增大對流換熱面來彌補。
影響對流換熱強度的重要因素是雷諾數(shù)Re。高原運行時，如果煙、風(fēng)側(cè)的質(zhì)量流量不變，流通面積也不變，則Re數(shù)不變，從而使對流換熱系數(shù)不受大氣壓力的影響，但如前所述，從降低系統(tǒng)阻力損失出發(fā)，必須加大工質(zhì)的流通面積，降低質(zhì)量流速，從而使Re數(shù)減小，對流換熱系數(shù)減小，這也必須通過增大傳熱面積來彌補。綜上考慮以上因素并通過計算，最后確定的高原暖風(fēng)機的總換熱容積約是平原時的1.4倍。
為了根本解決此類換熱器的設(shè)計計算問題，我們編制了熱力軟件，軟件經(jīng)實測結(jié)果驗證，吻合較好。熱力計算軟件的編制解決了該類型系列設(shè)計計算問題，而且計算所得到的詳盡住處為暖風(fēng)機結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了理論依據(jù)。
三、燃燒器和燃燒系統(tǒng)的改進(jìn)
燃燒器是暖風(fēng)機的關(guān)鍵部件，它的必能直接影響到爐膛工作的安全性和經(jīng)濟性。
由于高原用燃燒器單位燃油管所需的助燃空氣的體積流量和所需克服的煙氣阻力成倍加大，使得常規(guī)的燃燒器手冊上找不到燃油量、風(fēng)量、爐內(nèi)內(nèi)壓按這樣匹配的類型。為此我們采用了"大馬拉小車"的做法。例如：選擇的燃燒器的燃油量范圍為4kg/h至10kg/h，實際運行時，使用其4kg/h的噴油量和接近8kg/h的助燃風(fēng)量。但即使這樣，高原試驗時，仍出現(xiàn)點火困難和高油壓時燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，分析認(rèn)為，主要原因是過大的助燃空氣體積流量造成油嘴附近的風(fēng)速過大，以致把火吹滅。燃燒器的助燃空氣分為三部分，根部風(fēng)、由調(diào)風(fēng)器形成的旋流風(fēng)以及外圍二次風(fēng)。設(shè)想通過加大外圈二次風(fēng)的通流面積來減小根部風(fēng)的風(fēng)速。為此選擇了多次型式的噴燃器和噴火筒形狀并通過調(diào)節(jié)調(diào)風(fēng)器在噴火筒內(nèi)的位置來改變外圈二次風(fēng)的通流面積。然后在平原和高原大氣環(huán)境下做小油量、大風(fēng)量噴火實驗，以探索燃燒器的改進(jìn)措施，并采用了電加熱器來預(yù)熱助燃空氣，從而很好地解決了高原燃燒時的點火困難和燃燒不穩(wěn)定問題。
四、送風(fēng)系統(tǒng)阻力的正確計算和送風(fēng)機的選擇方法
送風(fēng)機的性能直接影響到機組的供熱量，以及送風(fēng)溫度的舒適感。而送風(fēng)機的體積和重量影響到機組整體的大小及重量。
送風(fēng)機的正確選擇的前提是系統(tǒng)阻力的正確計算。與平原相比，高原上磅風(fēng)量和阻力成倍增大，因此系統(tǒng)空氣阻力的正確計算方法尤為重要。
系統(tǒng)空氣阻力包括本體、送風(fēng)管和回風(fēng)管三部分。由于本體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和送風(fēng)管結(jié)構(gòu)的特殊性，其當(dāng)量阻力系統(tǒng)均無處可查，再加上系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)由回風(fēng)管和百葉窗共同承擔(dān)，這樣，計算回風(fēng)管阻力時還需要知道回風(fēng)管中的流量。為此，我們對樣機在冷態(tài)情況下進(jìn)行了一系列的阻力測試，并將測試結(jié)果整理成本體的阻抗、送風(fēng)管的當(dāng)量阻力系數(shù)等形式，從而得到了具有普遍意義的阻力計算方法，這套計算方法可用于相同結(jié)構(gòu)類型暖風(fēng)機平原和高原運行時風(fēng)側(cè)阻力損失的預(yù)測。
送風(fēng)機的選擇原則是首先必須滿足風(fēng)量和風(fēng)壓的要求，此外，還要考慮如下因素：
（1）低噪音；
（2）P-Q線應(yīng)平滑，避免陡降型及峰型；
（3）選用外轉(zhuǎn)子風(fēng)機；
（4）風(fēng)機的外型尺寸應(yīng)與暖風(fēng)機尺寸相適應(yīng)。
風(fēng)機選型時，已知條件是高原條件下的空氣質(zhì)量流量和系統(tǒng)的阻力損失，而風(fēng)機給出的P-R線是在標(biāo)準(zhǔn)工況下特性，因此選型時必須進(jìn)行折算。折算方法是，如已知高原上的質(zhì)量送風(fēng)為G（kg/h），系統(tǒng)阻力損失為h（pa），則折算到標(biāo)準(zhǔn)工況下風(fēng)機的送風(fēng)量和風(fēng)壓分別為：
Q=（G/ρ）3600[m3/h]
P=1.2×Δh/ρ[pa]
式中ρ為高原當(dāng)?shù)氐目諝饷芏萚kg/m3]。
考慮到一些不可預(yù)的因素，對風(fēng)機風(fēng)量和壓頭分別取1.1和1.2的安全系數(shù)。
按以上方法選取的風(fēng)機實際運行表明，滿足了各方面的要求。
在高原暖風(fēng)機的研制中，我們解決了以上幾個關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)過高原運行的多次實測和用戶長期運行考驗，排煙的CO成分接近零，機組熱效率達(dá)85%左右，供量達(dá)42KW左右，完全達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。
