輻射管

輻射管廣泛應用於加熱爐，是加熱爐的主要加熱元件。使用的輻射管主要分為兩大類: 燃氣輻射管和電加熱輻射管。其中燃氣輻射管的熱效率比電加熱輻射管高一倍左右。因此，燃氣輻射管是未來輻射管的發展趨勢。在現代市場經濟條件下，輻射管企業的競爭越來越激烈，為提高市場份額，各企業對輻射管不斷改進。但是技術創新非常困難，要想降低輻射管的研發成本，企業研發人員就要準確的預測產品的發展趨勢，並採用實現產品創新和快速設計的理論方法和工具，在創新理論指導下的創新實踐將會事半功倍。

產品及其技術的發展總是遵循一定的客觀規律，而且同一條規律往往在不同的產品技術領域被反覆應用，即任何領域的產品改進、技術的變革過程都是有規律可循的，所有技術的創造與升級都是向最強大的功能發展的。TRIZ 技術進化理論是專門研究技術系統進化的，它經歷了傳統的TRIZ 進化理論、TRIZ 進化理論發展和直接進化理論3個階段，有技術進化理論(ET)、技術進化引導理論(GTE)和直接進化理論(DE)等多種形式。TRIZ技術進化理論是專門研究技術系統進化的，技術進化理論反映的是技術系統、組成元件、系統與環境之間在進化過程中重要的、穩定的和重複性的相互作用，且每種進化法則都包含不同數目的具體進化路線和模式。

運用TRIZ的技術進化理論分析了輻射管各個主要性能的進化過程，並總結和歸納了其進化路線，在此基礎上對其未來的發展方向進行預測，為企業相關產品的創新和開發提供參考 ^[1]  。

加熱爐的熱能一般採用天然氣等可燃氣體燃燒來提供，但是可燃氣體在燃燒的過程中產生的有害氣體會破壞爐內熱處理所需要的環境，因此發明了輻射管使可燃氣體在輻射管內燃燒，其熱能由輻射管輻射到爐內，這樣有害氣體就不會破壞爐內環境。但是由於輻射管通過管壁輻射加熱工件，其加熱效率關係到熱處理的效率，因此輻射管的加熱效率是輻射管的主要特性之一。最早的輻射管是由德國在20 世紀30 年代發明並使用的，其結構為單層直管式，水平或垂直穿過爐膛; 直到50 年代初U 型輻射管才問世; 為了提高提高輻射管的加熱效率，在U 型輻射管的基礎上發明了W 型輻射管; 隨着技術的進步又出現了P 型輻射管，輻射管的典型型式。為了進一步提高輻射管的加熱效率，在各種型號輻射管的基礎上又發明了麻面輻射管，其加熱面積比光面輻射管增加30%以上，大大提高了輻射管的加熱效率。這一過程基本上沿着兩條技術進化路線發展:

1) 幾何形狀的進化路線--各子系統之間以及子系統與超系統的形狀要相互協調，其中的一條進化路線為幾何形狀的進化: 直線→2D 線→3D 線→複雜線。按照這條進化路線描述提高輻射管加熱效率的進化過程: 系統正處於進化的2D 曲線階段，可以將輻射管設計為3D 曲線以提高輻射管的加熱效率，如將輻射管設計成波紋管。

2) 表面形狀的進化路線: 平滑表面→帶有凸起的表面→粗糙表面→帶有活性物質的表面。按照這條進化路線描述提高輻射管加熱效率的進化過程: 系統正處於進化的帶有凸起的表面階段，可以增加輻射管表面凸起的數量或將輻射管表面設計為粗糙表面以提高輻射管的加熱效率 ^[1]  。

為了提高輻射管的熱效率，最直接的辦法就是增加輻射管的長度，提高煙氣在輻射管內的流動時間，使煙氣與輻射管充分進行熱交換。但是輻射管長度過大就會帶來強度、剛度以及製造安裝方面的問題，影響輻射管的使用壽命。後來又不斷改進燒嘴的結構，使燃氣與助燃空氣充分混合後充分燃燒，進而提高輻射管的熱效率。

20 世紀70 年代以後，出現了蓄熱式燃燒技術，發明了蓄熱式燒嘴，用來回收煙氣餘熱，大大減少了能源的浪費。20 世紀90 年代初，蓄熱式燃燒技術得到了廣泛應用，換向閥和控制系統的可靠性也得到改善，熱效率大幅提高至70%～ 90%。蓄熱式燃燒技術的工作原理: 助燃空氣經過四通換向閥由助燃空氣通道進入A 燒嘴，經A 燒嘴的蓄熱體加熱後與煤氣混合在輻射管內燃燒，燃燒產生的高温煙氣流經輻射管後進入燒嘴B，加熱燒嘴B 內的蓄熱體後由煙道排出。經過一段設定的時間後通過四通換向閥與煤氣換向閥改變助燃空氣與煤氣的流向，助燃空氣經過四通換向閥由助燃空氣通道進入B 燒嘴，經過B 燒嘴內的蓄熱體加熱後與煤氣混合燃燒，燃燒產生的煙氣經過A 燒嘴由煙道排出，在經過A 燒嘴的同時加熱A 燒嘴內的蓄熱體。冷空氣和高温煙氣如此交替的流經A、B 燒嘴的蓄熱體，通過蓄熱體交換熱量。

蓄熱式燃燒技術可以將排出的煙氣温度降低至200 ℃以下，大大提高了輻射管的熱效率。這一提高熱效率的過程勾勒出輻射管向超系統進化的技術發展路線:

向超系統的進化路線--當一個系統自身發展到極限時，它向着變成一個超系統的子系統方向進化，通過這種進化，原系統升級到一種更高的水平，其中的一條進化路線為: 單系統→雙系統→多系統。按照這條路線描述提高輻射管加熱效率的進化過程: 系統正處於進化的最後階段 ^[2]  。

輻射管表面温度分佈的均勻性作為衡量輻射管的一個重要的技術性能指標，它影響輻射管的加熱能力、加熱質量以及輻射管的使用壽命。U和W型輻射管的應用最廣泛，因此以U型和W型輻射管作為研究對象。

最初的輻射管只在一端安裝燒嘴，輻射管兩端温差較大。為改善輻射管表面温度分佈的均勻性，在輻射管內設置若干芯塊，芯塊使得高温氣體充滿輻射管，加強了高温氣體與管壁間的對流換熱，尾部温度有所提高。後來為提高輻射管温度均勻性，在輻射管兩端都裝有燒嘴，採用脈衝燃燒技術提高了輻射管温度分佈的均勻性。在脈衝燃燒的基礎上，通過改變兩端燒嘴的燃燒換向時間可以進一步提高輻射管温度分佈的均勻性。

輻射管表面温度分佈的均勻性與火焰的長度密切相關。最初的燒嘴只能進行一級燃燒，在此基礎上經改進設計了可兩級燃燒的燒嘴，通過控制系統調節燒嘴中一次空氣和二次空氣的配比，可以有效地控制火焰長度，改善輻射管表面温度分佈的均勻性。

蓄熱式燃燒技術的出現大大提高了輻射管的温度均勻性。通過試驗發現: 隨着空氣預熱温度的增加，輻射管表面最大温差逐漸減小，温度不均勻係數也隨之變小。在這一過程中有兩條技術進化路線:

1) 向超系統的進化路線: 單系統→雙系統→多系統。按照這條進化路線改善輻射管表面温度分佈均勻性的進化過程 ( 注:控制系統改為蓄熱體) ，系統正處於進化的最後階段。

2) 頻率協調進化路線單個物體( 火焰) : 連續運動→脈衝→週期性作用→增加頻率→共振。按照這條進化路線描述提高輻射管温度分佈均勻性的進化過程，系統正處於進化的週期性作用階段，可以進一步改善兩側燒嘴的燃燒週期或者向增加頻率的方向發展，如提高兩側燒嘴交替燃燒的頻率以提高輻射管温度分佈的均勻性 ^[3]  。

加熱爐所用的輻射管數量大、價格昂貴，例如某退火爐所用的輻射管共128 根，每根價格為3.7 萬元，如果每根的使用壽命提高0.5 ～ 1 年，則會產生巨大的經濟效益。因此，如何提高輻射管的使用壽命具有很高的研究價值。影響輻射管使用壽命的主要因素有輻射管的材質、結構和製造工藝、輻射管內的燃燒氣氛、安裝結構和維護、輻射管表面温度分佈的均勻性、生產工藝及操作水平等。

常用的U 型或W 型輻射管質量較大，在使用過程中，在交變熱應力和自身質量的共同作用下，易發生彎曲疲勞損壞及蠕變變形損壞。為減小輻射管的變形，在每個彎頭處設置有與輻射管一體的固定支撐結構，安裝時支撐在爐壁上。為適應輻射管的熱漲與冷縮變形，在燒嘴側的出口與爐蓋之間設置膨脹節，通過膨脹節的補償，避免了裂紋的產生，提高了輻射管的使用壽命。同時將輻射管彎頭處的固定支承改為浮動支撐，進一步減小了裂紋的產生。提高輻射管使用壽命的技術進化路線為:柔性進化路線: 剛體系統→單鉸鏈系統→多鉸鏈系統→柔性系統→場連接系統。按照這條進化路線提高輻射管使用壽命的進化過程: 輻射管正處於多鉸鏈系統階段，可以進一步提高輻射管的柔性，使之成為柔性系統，進而向場連接系統進化，如利用磁懸浮原理，使輻射管懸空 ^[2]  。

1) 為了提高輻射管的加熱效率，可以將輻射管的形狀設計成3D 曲線或者增加輻射管表面凸起的面積。

2) 對於提高輻射管熱效率及表面温度均勻性的研究已經超出了輻射管的範疇，而向更高層次的超系統方向發展。

3) 提高輻射管使用壽命的主要研究方向是改善輻射管的受力狀態，其主要措施是提高輻射管的柔性。

4) 通過TRIZ 技術進化理論對輻射管各主要性能的分析和總結可知: 未來輻射管主要沿着向超系統的方向發展，為提高輻射管的性能，就要綜合考慮輻射管的各個子系統的性能，並不斷引進新的子系統。此外，為提高輻射管的加熱效率，應主要考慮增加輻射管的表面積，在改進的過程中主要研究輻射管的幾何形狀的改變對輻射管加熱效率的影響。因此，沿這兩個方向進行輻射管的研究與開發，將會對輻射管綜合性能的提高起到重要的推動作用 ^[3]  。