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高原暖风机研制的关键技术及解决办法

一、引言

高原暖风机的工作原理是燃油经压力雾化喷入燃烧室燃烧，产生的高温烟气通过间壁式换热装置加热由送风机送入换热通道的室外冷空气，被加热的空气送入室内（帐篷）取暖。

该供暖方式是提供的空气品质高，无明火，且机组机动性好，操作自动化程度高，适合于部队指挥机关、野占医院、机要通讯及野占修理等部门冬季野营取暖使用，也适全速于寒冷季节，铁路、石油、天然气部门野外作业时使用。

总后建筑工程研究所于1997年国内首先研制了平原40KW和20KW暖风机，取得了许多成功的经验。随着应用范围和地区的扩大，高原暖风机的需求量日益增大。为了满足这种需求，又于2000年开始，着手研制高原暖风机。

高原暖风机要求能在海拔5000米地区安全、可靠地工作。在这样的海拔高度，其大气压力只有平原时的1/2，由此给暖风机的设计带来了系列问题。关键技术是炉膛和换热面积正确设计、燃烧器和燃烧系统的改进、系统阻力的确定和送风机的选择等。我们充分利用了平原暖风机成功的经验，采用实验和理论相结合的方法解决了以上关键技术，于2001年研究成功了40KW高原暖风机，并投入了小批量生产，用户反映良好。本文就是我们在研制过程中考虑的一些设计原则和关键技术解决方法做简要说明。

二、炉膛和换热面积的正确设计

与平原暖风机相比，高原暖风机的炉膛容积和换热面积都必须增大。这是因为高原上单位体积空气中的含氧量大大下降，炉膛中油雾和氧的接触条件变差，为保证油的完全而且实验的最大载荷在实验机示值的2%⑴00%之间燃烧，烟气需要在炉内有更长的停留时间，这就需要更大的炉膛容积。

燃烧室容积设计的一个重要指标是容积热负荷qv[w/m3]，qv过高或过低均将增加不完全燃烧损失，影响系统的经济性，甚至容易发生事故，使炉子不能工作。例如过小的qv将使炉内烟温过低，火焰可能熄灭和燃烧发生不稳定现象。过大的qv使炉膛壁温过高，（冷却工质是空门窗插销气），以致超过金属的允许温度，同时使炉膛出口温度过高，导致辐射换热面与对流换热的比例不当，本体总的金属耗量增加。qv的正确取值应该是根据长期运行经验来确定的。高原暖风机初次设计时，没有运行经验可以借鉴，只能在平原暖风机的基础上结合高原的特点进行理论分析的确定，由以上分析可知高原暖风机的qv应该比平原的小。

燃烧室形状的设计必须与燃烧器性能相匹配，炉膛直径要大于火焰的最大直径，以免造导杆成贴壁燃烧，炉膛长度要大于火焰的总长度至2023年。

燃烧室换热面积的设计应使炉膛出口烟温控制在1000℃左右。

根据以上的设计原则，配合计算，最后确定，40KW高原暖风机的作品热负荷是平原时的64%，换热面积是平原时的1.3倍。

炉膛出口后的换热面的设计原则是：从传热出发，突破1批共性关键技术总换热面的大小应能使排烟温度在200℃左右，这样，能使机组的热效率达88%左右。另外，各并联空气通道的流量分配应大致和它们的换热能力相匹配，以减少各通道空气出口不等温气流混合造成的损，各换热面两侧（烟侧和空气侧）的换热系数应尽量趋于接近，以使换热面的利用程度达到最高。从流动阻力出发，由于高原上烟气和空气的体积流量大大增加，随之阻力损失也大幅度增大，过大的阻力损失不仅使燃烧器和送风机的选型发生困难，而且对机组的总费用（初投资+经常运行费用）的不利，从这点出发，必须加大烟侧和风侧的流通面积。

对高原暖风机，燃油完全燃烧往往需要更大的空气过乘系数，这导致理论燃烧温度下降，炉内辐射换热量和炉壁温度下降，这些必需通过增大对流换热面来弥补。

影响对流换热强度的重要因素是雷诺数Re。高原运行时，如果烟、风侧的质量即7:1.5:1.5流量不变，流通面积也不变，则Re数不变，从而使对流换热系数不受大气压力的影响，但如前所述，从降低系统阻力损失出发，必须加大工质的流通面积，降低质量流速，从而使Re数减小，对流换热系数减小，这也必须通过增大传热面积来弥补。综上考虑以上因素并通过计算，最后确定的高原暖风机的总换热容积约是平原时的1.4倍。

为了根本解决此类换热器的设计计算问题，我们编制了热力软件，软件经实测结果验证，吻合较好。热力计算软件的编制解决了该类型系列设计计算问题，而且计算所得到的详尽住处为暖风机结构的进一步优化提供了理论依据。

三、燃烧器和燃烧系统的改进

燃烧器是暖风机的关键部件，它的必能直接影响到炉膛工作的安全性和经济性。

由于高原用燃烧器单位燃油管所需的助燃空气的体积流量和所需克服的烟气阻力成倍加大，使得常规的燃烧器手册上找不到燃油量、风量、炉内内压按这样匹配的类型仓储笼。为此我们采用了"大马拉小车"的做法。例如：选择的燃烧器的燃油量范围为4kg/h至10k金龙配件g/h，实际运行时，使用其4kg/h的喷油量和接近8kg/h的助燃风量。但即使这样，高原试验时，仍出现点火困难和高油压时

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