辐射管这种加热装置可将被加热工件与燃烧的工作环境隔离开来[1].燃气辐射管燃烧器加热装置将可燃气体与空气的混合气体在辐射管内点燃，将燃料的化学能充分转化为热能，并通过产生的高温气体来加热辐射管.辐射管的这种工作特性可将加热与被加热部分隔离开来，避免燃烧反应对工件的氧化腐蚀[2].W型辐射管的热效率为55%～65%，相比直管型、O型等其他类型热效率较高，但仍存在不足之处.

(1)将从知网中导出的81篇文献利用CiteSpace中的data Import/Export功能转换为可用于CiteSpace分析的数据格式，存储在“Data”文件夹中。

辐射管长期工作于850～1 150 ℃的温度范围内，由于辐射管所受交变热应力和自身重力等原因，辐射管很容易发生管体弯曲变形、辐射管开裂、热风管路开裂、排烟膨胀节开裂等破坏[3].除管体外，烧嘴也是容易发生失效的部位.天然气和空气在烧嘴的端部混合并被点燃，燃烧火焰的外焰温度最高，与火焰外焰接触的烧嘴是最容易发生变形、烧穿的部位.目前有不少学者对辐射管内部燃烧流场做了大量模拟分析，在辐射管的失效原因、结构优化等方面进行了深入的研究[4].但是，对W型辐射管的燃烧状态的研究很少.本文采用Fluent软件对W型辐射管的燃烧工况进行了模拟，通过调节空气过剩系数、燃气流量、空气预热温度和壁厚这几个参数对其进行了综合分析，对辐射管的结构优化具有一定的参考价值.

熊老于1957年归国，当时已经半身不遂七年，因为身体原因不再担任领导职务，只专心做研究员。令人不可思议的是，他在这种身体条件下居然还自学了俄语，并达到能阅读原文文献的水平。

1 辐射管燃烧状态模拟

利用Fluent软件对天然气燃烧工况进行了数值模拟.甲烷与空气在烧嘴处混合并被点燃，燃烧产生的高温烟气在流经辐射管通道时将热量传递给辐射管.

1.1 有限元模型

为模拟辐射管管壁的温度分布情况，故将计算域设计为三维模型，如图1所示.

  

图1 有限元模型Fig.1 The finite element model

1.2 物理模型及边界条件设置

由于W型辐射管结构复杂，为了更具体的反映辐射管内部高温气体温度分布和管壁表面的温度分布，所以在管体中轴线和管壁的中心平面上分别取34个温度监测点.通过综合这些点的温度值来评测辐射管的温度分布情况.如图2，图3所示，监测点1～11位于直管4上，监测点12位于弯头3上，监测点13～18位于直管3上，监测点19位于弯头2上，监测点20～25位于直管2上，监测点26位于弯头1上，监测点27～34位于直管1上.

1.3 计算入口处甲烷与空气的流速

数值模拟中可燃物为甲烷，助燃物为空气.甲烷的热值单位为MJ/m3，燃气负荷为160 kW[5,6].

 

式中，Lg为燃气流量，m3/h ；Q为燃气负荷，kW；Hl为燃气低热值.

他倒是看进去了，太太却看不进去了，无论剧情是多么紧张刺激，故事是多么曲折有趣，太太都心不在焉、神魂不定，感觉像是身上长了毛，长了刺，坐立不安。后来冯一余也感觉到了，问太太怎么回事，太太起先还犹犹豫豫，好像说不出口，最后终于忍不住了，说，我习惯了一个人看电视，你坐在我旁边，影响我的注意力，我连台词都听不进去。冯一余“啊哈”一声说，嫌我多余了。太太说，也不能说是多余，比如说吧，本来家里的家具布置得好好的，不多不少，大家都适应了。现在忽然多出来一件大家具，搁在屋子里，肯定会有碍手碍脚不方便的感觉吧。

1.4 设置监测点

因具有热交换的流动系统必须满足能量守恒定律，所以开启能量方程.根据燃烧实际工况将流体流动设置为k-ε的湍流模型，湍流的化学反应模型设定为E-D(涡-耗散)模型.燃烧模型设定为methane-air(甲烷-空气)的组分运输模型.因为辐射管的主要传热方式为热辐射，所以启动辐射模型并设置为Do模型.辐射管材料设定为601合金钢，工业炉内温度设定为900 ℃.出口回流温度设为900 ℃.入口边界条件设定为速度入口，出口边界条件设定为压力出口，设定值为-500 Pa，使管体内部形成负压.对流换热系数设置为9 W/m2·℃，管体内外壁的辐射率设定为0.85.管体壁厚设定为0.008 m，压力速度耦合采用SIMPLE算法.各参数空间离散为二阶迎风格式.

  

图2 辐射管内部气体监测点Fig.2 Internal gas monitoring points of radiation tube

  

图3 辐射管内壁监测点Fig.3 Wall monitoring points of radiation tube

2 结果分析

2.1 不同空气过剩系数α下辐射管性能的对比分析

因为甲烷的引燃温度为538 ℃，所以通常情况下甲烷比较稳定.为了达到良好的燃烧状态，需要对空气进行预热，所以预热温度也是影响辐射管燃烧状态的因素之一.模拟工况：甲烷输入流速设定为4 m/s，空气过剩系数设定为1.2，预热温度的设定值分别为200，400，600 ℃.

2．拓展实证类研究。近年来实证类研究有所增多，但主要是利用语料库工具统计名物化结构的分布规律和使用比例，而且以小型自建语料库为主。王立非和刘英杰[1]63曾指出，英语名物化研究可通过建立大型语料库，考察不同体裁的名物化结构使用规律。从目前的研究条件来看，自建专门的大型语料库较难实现，但可借助已有的大型语料库进行有针对性的研究。例如BNC(英国国家语料库)、ANC(美国国家语料库)、BOE(柯林斯英语语料库)、COCA(美国当代英语语料库)、BAWE(英国学术书面语语料库)、BASE(英国学术口语语料库)等。实证研究的路径也应继续拓展，例如个案研究、对比实验、行动研究、跨语言对比等。

将模拟参数带入上式，可得燃气流量为16 m3/h，则甲烷的进口输入速度为3.537 m/s.由甲烷-空气的化学反应方程式可计算出空气的进口输入速度为0.487 m/s.

在部分青年人才中，还存在着一些不足之处：如部分青年人才的进取意识、奉献意识不够强，责任感有所淡化，工作浮躁，作风不扎实，团队精神不够。这些因素不同程度地制约了企业的人才队伍建设，需要通过一定途径，依托一定手段，推进企业青年人才队伍建设，为他们的成长创造良好的条件和氛围。

  

图4 不同空气过剩系数下直管4气体温度分布情况Fig.4 The distribution of the gas temperature in thedirect tube under different air surplus coefficient

  

图5 不同空气过剩系数下辐射管管壁监测点温度分布情况Fig.5 Temperature distribution of radiationtube wall monitoring point under differentair surplus coefficient

从图7可知，由于W型辐射管相对其他类型的辐射管结构较复杂，管壁的温度的监测值总体上并不是呈现出递减或递加的趋势，伴有峰值出现.通过对比同一监测点下4个温度值可知: 在当前模拟设定值下，燃气输入的速率从8 m3/h增大到14 m3/h的过程中，管壁的温度也在增高，说明燃气输入速率也会对管壁温度造成一定的影响.

2.2 不同燃气流量下辐射管性能的对比分析

可燃气体甲烷的流量也是影响辐射管性能的因素之一，为了研究燃气流量对辐射管温度分布的影响，所以将其他变量设置为定值.模拟工况为：空气预热温度设定为626 ℃，空气过剩系数α设定为1.5，燃气的输入管口大小不变.甲烷流量的取值为8，11，14和16 m3/h.模拟仿真后输出的结果如图6，图7所示.

  

图6 不同燃气流量下辐射管气体监测点温度分布Fig.6 Temperature distribution of radiation tube gasmonitoring point under different gas flow

  

图7 不同燃气流量下辐射管管壁监测点温度分布Fig.7 The temperature distribution of radiation tube wallmonitoring points under different gas flow

从图6可知，每条曲线的走势都是逐渐趋于平缓，不同燃气流量曲线的曲率略有不同，随着甲烷浓度的降低最后达到平衡状态.取监测点1～25的监测值进行分析，通过对比同一监测点下的4个温度值可知：燃气流量越大辐射管气体监测点的温度值越大.监测点26～34的监测值变化不大，温度保持在在900 ℃左右，趋于平衡状态.

当α≥1时，处于全预混燃烧状态，预混气体中的空气量大于或等于燃气燃烧所需的全部空气量时.因为甲烷与空气为预先混合均匀后才点燃的，所以预混气体的燃烧速率取决于着火和燃烧反应速率.此时的火焰没有明显的轮廓，所以又称为无焰燃烧.甲烷的相对密度是甲烷的密度与标准状态(0 ℃，101.325 kPa)下的空气密度的比值.常温、常压下甲烷的密度为0.717 4 kg/m3，相对密度为0.554 8.由于甲烷与空气密度相差悬殊，所以当α=1时，甲烷与空气不能完全混合均匀.通过对比α=1与α=1.5与燃烧时状态可发现，其最高温度的差值可达244 ℃，且随着空气过剩系数的增大火焰长度也跟着增长.所以在当前模拟设定值下，当空气过剩系数为1.5时比空气过剩系数为1时，甲烷燃烧地更充分，释放的热量也更多.

由图5可知，随着α值的不断增大，管壁上的监测点的温度整体升高.监测点12较两侧监测点的温度偏高，温度曲线较为陡直.由此可推断监测点12所在的弯头3受交变应力，容易出现疲劳破损和蠕变变形破坏.

2.3 不同空气预热温度下辐射管性能对比分析

空气过剩系数是保持锅炉经济运行的重要指标.数值模拟设定值：空气预热温度为626 ℃.燃气流量16 m3/h.模拟在空气过剩系数为1，1.2，1.4，1.5 4种工况下的燃烧状态[7-9].模拟结果如图4，图5所示，图4中的数字为火焰温度值，单位为℃.

  

图8 不同空气预热温度辐射管气体监测点温度分布Fig.8 Temperature distribution of gas monitoringpoints in radiation tubes under different airpreheating temperature

  

图9 不同空气预热温度下辐射管管壁监测点温度分布Fig.9 Temperature distribution of tube wallunder different preheating temperature

由图8可知:辐射管内气体的温度随空气预热温度的升高而增高，这是因为空气的温度提高了混合气体的化学反应速率，提高了甲烷的燃烧率.除监测点1和监测点2的温度之外其他的监测点的监测温度值整体趋于平缓，且平衡状态的温度为1 200 ℃左右.由图9可知：不同空气预热温度下的管壁温度监测点的温度有所变化，但是比管内气体温度变化幅度较小.除监测点12的监测值偏高，其余监测点监测值整体变化不大，排出的尾气温度在880 ℃以上.

2.4 不同壁厚下辐射管性能的对比分析

为了研究辐射管燃烧空间对辐射管性能的影响，所以将其它的参变量设成定值.模拟工况：管外径设置为为184 mm，甲烷输入流速设置为4 m/s, 空气过剩系数设置为1.2，空气预热温度设置为600 ℃，管壁厚设定值分别为4，8，12 mm.模拟结果如图10，图11所示.

  

图10 不同管壁厚度下辐射管气体监测点温度分布Fig.10 Temperature distribution of gas monitoring points tube under different pipe wall thickness

  

图11 不同管壁厚度下辐射管管壁监测点温度分布Fig.11 Temperature distribution of tube wallunder different pipe wall thickness

由图10可知：虽然壁厚越小燃烧气体的温度越高，但是3条曲线基本吻合，说明燃烧空间的大小对辐射管内气体的温度影响较小.由图11可知：3条曲线相互交错，因监测点的位置不同而不同.因此为了尽最大可能发挥W型辐射管的性能，其壁厚可以是不均匀的，根据辐射管不同位置所受热应力的不同将其设计成最佳的厚度.

3 结论

(1)当空气过剩系数位于1～1.5之间时，火焰长度会随着数值的增大而变长，温度也随之升高.由此可知：当空气过剩系数处于一定范围内时，增大空气过剩系数对提高甲烷的燃烧率有一定的帮助.

(2)可燃物流量对提高辐射管内烟气和管壁温度有显著作用，由以上分析可知：当可燃物流量为11，14和16 m/s时，辐射管部分的温度均出现峰值.由于峰值对管体的破坏较大，所以应合理设置燃气的流量来提高辐射管整体的寿命.

由输入输出阻抗波特图可知，当电容C取值增加时，Boost电路闭环输出阻抗Zo的幅频曲线与Zi曲线共有部分减少并且谐振频率降低，阻抗比的奈奎斯特图随之向右移动，这反应出当选取的电容值越大，系统的稳定性也就越高。当电容值等于118 mF时系统稳定性为临界状态。

(3)空气预热温度对燃烧反应过程很大，对管壁温度的提高也有一定作用.通过模拟分析可知：当空气的预热温度为600 ℃时效果最佳.可以利用燃烧尾气对空气进行预热，已达到经济和效益合理结合的目的.

(3)通过对比壁厚为4，8，12 mm时的3种不同工况可知：壁厚的厚度对内部气体的温度影响较大，同一监测点最大温差为200 ℃左右.但是对辐射管管壁的温度影响较小，同一监测点最大温差仅为10 ℃左右.

参考文献：

[1] Irfan M A, Chapman W.Thermal stresses in radiant tubes due to axial, circumferential and radial temperature distributions [J].Applied Thermal Engineering, 2008,29(10):1913-1920.

[2] 汪建新,胡依景,吴启明,等.加热炉辐射管的技术进化路线分析[J].金属热处理,2014,39(10):137-140.

[3] 白世宏,李 芳,柳庆坡.W型辐射管损坏原因分析及维护要点[J].工业炉,2010,32(2)：48-50.

[4] 萧 琦,吴道洪,王东方,等.W型蓄热式辐射管表面温度分布实验研究[J].工业炉,2003,25(04):5-8.

[5] 徐通模，惠世恩. 燃烧学(第2版)[M].北京：机械工业出版社，2017.

[6] 陈 鹏. 受限空间内甲烷-空气预混火焰传播动力学[M].北京：科学出版社，2017.

[7] 温 正. Fluent流体计算应用教程(第二版)[M].北京：清华大学出版社，2013.

[8] 凌桂龙. ANSYS 14.0热力学分析从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2013.

[9] 胡仁喜，等. ANSYS 15.0热力学有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2016.