（农业机械化工程专业论文）北方温室供热设备及热风炉的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 时间： 舢6 年石月f 乡日 时间；d 切6 年石月4 日 关于论文知识产权和使用授权的说明 本论文的知识产权为沈阳农业大学所有。本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使 用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可 以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。 学位论文中的所有内容不经沈阳农业大学授权不得以任何方式擅自对外发表。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名引，锋 导师签名廓歪奔 时间：加年6 月罗 时间：砌g年月店釉 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 温室的广泛应用，极大缓解了北方吃菜难的问题。但是，在我国北方大部分地区， 冬春两季气温低，不仅露地无法进行生产，就是简单园艺设施在室内无强制供暖的情况 下，也只能生产耐寒性强的蔬菜。这不仅浪费土地资源，影响菜农的经济效益，也增加 了消费者的负担。发展农村温室蔬菜生产，要解决的关键问题是选择适宜的供热设备， 改善温室供热系统性能，提高其供热效率温室在冬季生产过程中，温室内加温供暖费 用占作业成本较大比例。因此，选择性能可靠、工作稳定、经济实用的供热设备就显得 尤为重要。选择合理的供热设备对提高温室系统供热效率、降低温室生产成本、提高经 济效益、保护环境具有重要意义。 本文在综述国内外温室加热设备应用现状的基础上，借鉴国内外经验，应用工程热 力学和农业机械化工程理论与方法，结合北方气候条件及温室特点对温室供热用燃煤热 风炉进行了系统理论的分析、设计及试验研究。主要研究成果包括： ( 1 ) 温室加热设备研究：系统研究了国内外典型的热风炉的加热方式、结构特点 能源消耗情况，分析了不同种类的热风炉能源的热转换效率及主要技术参数，阐述了燃 煤热风炉在我国推广应用的前景。 ( 2 ) 燃煤热风炉的设计：针对北方气候条件及温室大棚特点，对节能型燃煤热风 炉的技术指标进行了设计，对主要参数( 如耗煤量、炉膛面积、炉膛容积、烟气气流量、 加热空气量、换热器换热面积等) 进行了计算及测定。研制了结构简单、体积小、造价 低、使用方便、不受燃料条件限制的节能型燃煤热风炉。 ( 3 ) 热风炉热效率的分析：应用热平衡方程式，对热风炉供热系统常见的热损失 方式( 包括：机械不完全燃烧损失、化学不完全燃烧损失、排烟热损失、散热损失、灰 渣物理热损失等) 进行分析，并提出相应的改进措施。 关键词：温室供热设备热风炉燃煤加热研究 英文摘要 a b s t r a e t t h eg r e e n h o u s eo b t a i n st h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n , g r e a t l ya l l e v i a t e dn o r t hh a se a t e nt h e v e g e t a b l ed i f f i c u l tq u e s t i o n b u t t h em a j o r i t yo fa r e a si nn o r t hp a r to fo u rc o u n t r y , t h e t e m p e r a t u r e so f w i n t e ra n ds p r i n gi sl o w , n o to n l yt h ed e w i su n a b l et oe a r l yo nt h ep r o d u c t i o n , b u ta l s ot h es i m p l eg a r d e n i n gf a c i l i t yn o tf o r c e st h eh e a t i n gi nt h e1 0 0 mi nt h es i t u a t i o n , a l s o o n l yc 蛆p r o d u c et h ev e g e t a b l e sw h i c h c a l lr e s i s t a n ts t r o n g l yc o l d i tn o to n l yw a s t e st h el a n d l c s o , u r c l e ，a f f e c t sv e g e t a b l ef a r m e r se c o n o m i ce f i c i e i e n e y , b u ta l s oi n c r e a s e de o n s u m e l a s b u r d e n t h em o s ti m p o r t a n ts o l u t i o no f d e v e l o p st h ee o u n l r y s i d eg l c c l l h o u s ci si m p r o v i n gt h e g r e e n h o u s eh e a t i n ge q u i p m e n tp e r f o r m a n c e ，e n h a n c e si t sh e a t i n ge f f i c i e n c yq u e s t i o n ，b e c a u s e o ft h ec o s ti ng r e e n h o u s eo p e r a t i n g ，h e a t i n gu pi nl o o mi nt h ew i n t o rh a so c c u p i e dt h em a i n p a r t w h e nt h ed e s i g ns t r u c t u r eo fg r e e n h o u s et e n d st or e a s o n a b l y , a n dt h eh e a tl o s i n go fa g r e e n h o u s ea c h i e v e dp e r f e c tc o n d i t i o n , c h o o s i n gt h er e a s o n a b l eh e a t i n ge q u i p m e n ta p p e a r s e s p e c i a l l yi m p o r t a n t c h o o s e st h er e a s o n a b l eh e a t i n ge q u i p m e n th a st h ev i t a ls i g n i f i c a n c et o e n l a a n e et h eh e a t i n ge f f i c i e n c yo fg r e e n h o u s es y s t e m , t or e d u c et h eg r e e n h o u s ep r o d u c t i o n c o s t , t oe l l h a n c et h ee c o n o m i ce f f i c i e n c ya n dp r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t t h i sa r d e l ei si nt h ef o u n d a t i o no fs u m m a r i z i n gt h eh o m ea n da b r o a dg r e e n h o u s e sh e a t e r a p p l i c a t i o np r e s e n ts i t u a t i o n , p r o f i t e df r o mt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nc x l ：埘 i c n c c $ ，a p p l y i n gt h e t h e o r ya n dt h em e t h o do fe n g i n e e r i n gt h e r m o d y n a m i c sa n dt h em e c h a n i z a t i o no fa g r i c u l t u r e p r o j e c t ，t ou n i o nt h ec l i m a t i cc o n d i t i o n so fn o r t ha n dc a l t yo nt h es y s t e mt h e o r e t i c a la n a l y s i s o ft h eg r e e n h o u s ec h a r a c t e r i s t i ch e a t st ot h eg r e e n h o u s ew i t hb u m sc o a lt h eh o t - b l a s ts t o v e ， t h ed e s i g na n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y 胁em a i nr e s e a r c hr e s u l t si n c l u d e s ： 1c j r e e n l a o t t s eh e a t e rr e s e a r c h ：s t u d i e do nt h ew a yo fd o m e s t i ca n df o r e i g nm o d e l s h o t - b l a s ts t o v et oh e a tu p ，t h eu n i q u ef e a t u r ea n da 嘲c o n s u m p t i o ns i t u a t i o n , h a sa r 面y z e d t h ed i f f e r e n tt y p eo fh o t - b l a s ts t o v ee n e r g yh o tt r a n s f e re f f i c i e n c ya n dt h em a i nt e c h n i c a l p a r a m e t e r , e l a b o r a t e dt h ep r o m o t ea p p l i c a t i o ni no u rc o u n t r yp r o s p e c to fb u r n tc o a l t l a e h o t - b l a s ts t o v e 2b u m sc o a lt h eh o t - b l a s ts t o v ed e s i g n ：i nv i e wo ft h en o r t hc l i m a t i cc o n d i t i o n sa n dt h e g r e c n h o l l s eb i ga w n i n gc h a r a c t e r i s t i c ，c a r r y i n go nt h ed e s i g nb u r n to f c o a lt h eh o t - b l a s ts t o v e t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o nt ot h ee l l e l g yc o n s e r v a t i o n , t ot h em a i np a r a m e t e r ( f o re x a m p l et h e 2 沈阳农业大学硕士学位论文 c o a lc o n s u m p t i o n , t h ec h a m b e ra r e a , t h ec h a m b e rv o l u m e , t h eh a z ew a sm a dt h ec u r r e n t c a p a c i t y , h e a t e du pt h es p a t i a ls p i r i t 、t h eh e a ti n t e r c h a n g e r h e a tt r a n s f e ra r e aa n ds oo n ) h a s c a r r i e do nt h ec o m p u t a t i o na n dt h ed e t e r m i n a t i o n d e v e l o p e dt h es l n l e t u r es i m p l y , t h es m a l l v o l u m e ，t h el o wc o n s t r u c t i o nc o s t , t oo p e r a t ee a s i l ya n dt h eh o t - b l a s ts t o v ei sn o tl i m i t e db y c o a lt h er u e lc o n d i t i o n 3h o t - b l a s ts t o v et h e r m a le f f i c i e n c ya p p r a i s a l ：u s i n gt h ee q u i l i b r i u me q u a t i o no f h o t - b l a s ts t o v e ) t oc a r r yo i lt h es y s t e ma p p r a i s a la n dt h ea n a l y s i so ft h ec o m m o nh e a tl o s i n g w a y o fh o t - b l a s ts t o v 0h e a t i n gs y s t c l n ( i n c l u d e s ：t h em a c h i n e r yi n c o m p l e t ec o m b u s t i o nl o s t ， t h ec h e m i s t r yi n c o m p l e t ec o m b u s t i o nl o s e s ，d i s c h a r g e sf u m et h eh o t - b l a s ts t o v ew h i c ht h e h e a tl o s i n g , t h er a d i a t i o nl o s s , t h ea s hd r e g sp h y s i c sh e a tl o s i n ga n ds oo n ) a n dd e v e l o p e dt h e h o t - b l a s ts t o v e ，p r o p o s e dt h ec o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n tm 簋l s u r c k e yw o r d s ：g r e e n h o u s eh e a t i n ge q u i p m e n t sh o ta i rf u r n a e e sh e a t i n gr e s e a r c h 3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 我国的保护地蔬菜生产具有悠久历史，早在两千多年前就有保护地蔬菜生产的记 载。温室生产对丰富人民的菜篮子，改善人民生活，发展农村经济具有举足轻重的作用。 如今，日光温室和大棚蔬菜已成为我国北方城乡秋、冬、春三季蔬菜供应的重要基地。 但是，在北纬4 3 c 以北地区，冬春两季气温低，不仅露天无法进行生产，就是简单园 艺设施在不加温的情况下，也只能生产耐寒性强的蔬菜。茄、果、瓜、豆等喜湿的蔬菜 必须在设施园艺内加温才能可能进行超时令生产。因此，温室大棚加热取暖研究一直是 农业机械装备研究的重要内容。 温室、塑料大棚的加温方式很多，有炉火加温、热风加温、热水加温、蒸汽加温、 电热线加温及地下热交换加温。热风炉与电加热、蒸汽锅炉和导热油炉等热源相比，具 有初投资较少、生产费用较低、系统热效率较高、热风供给系统结构简单和运行可靠等 综合优势，在设施的加热中的应用越来越广泛，热风炉已在北方温室加热采暖等方面得 到广泛应用。 热风炉加温方式能使温室内的各处温度达到均衡，尤其能使边缘、四角处与中间部 位温差较小。热风炉送入热风，能在室内循环，克服湿度不均的问题，使室内各处温差 只有1 左右。热风炉节省能源，热效率可达7 0 7 5 ( 般炉子热效率只能达3 0 0 5 左右) ， 且对煤质要求不严格。热风炉增温系统还有降湿、防病的作用。栽培的作物浇水后，室 内湿度往往达到9 0 9 6 左右，正是诱发各种病虫害发生的临界湿度，热风炉输入干热空气， 而将室内潮湿空气从回风l ：l 抽出室外，能在3 0 分钟内使室内湿度降到6 0 9 6 7 0 9 6 ，使病菌 处在不利于孢予发芽的温度下，从而抑制各种病害的发生和发展，在一定程度上节省农 药并省工。热风炉重量轻，安装、操作简单，造价低，便于移动。将其移入大棚，可提 前2 0 天在大棚内种植蔬菜；遇到阴天降温时，用热风炉加温，保证作物不被冻死，并加 速缓苗，争取早熟高产，经济效益十分显著。 由于热风炉在温室供热取暖中不可替代的地位，越来越多的厂家把目光投到热风炉 的生产及研究开发领域。不同厂家推出热风炉的种类及型号一般不同，加之原来的热风 炉产品，目前热风炉种类及型号较多。热风炉的分类也比较混乱，没有形成系统化。同 时，国内许多企业，由于受燃油条件和煤气气源的限制，中小规模的生产装置中，使用 4 沈阳农业大学硕士学位论文 燃煤热风炉者居多，鉴于燃煤热风炉整体结构较燃煤锅炉简单，加之其无定型产品，参 考资料又较少，故人们一般容易认为，燃煤热风炉的设计非常简单。设计时，对热风炉 热工特点分析重视不够，导致设计不科学或失误，使之运行起来出现诸多问题：如对热 风炉换热器设计多借鉴于工业炉用预热助燃空气的高温换热器，选型多按余热利用换热 装置在设计及应用中形成的经验选型。其实热风炉用换热器与余热利用的换热器在热工 方面存在本质区别，生产厂家极少注意到此点，因而生产的热风炉很难达到热效率、温 度效率及寿命的的优化统一。往往是满足温度效率要求，热效率较低，或是热效率高了， 热风炉寿命又得不到保证。这种矛盾在高温中小容量热风炉上表现尤为突出。基于以上 原因，现有的大多数热风炉存在对环境污染较为严重，输出温度受限制，热效率低，寿 命短等诸多弊端。 1 2 国内外典型热风炉发展现状 1 2 1 国内热风炉发展现状 我国是能源短缺国家之一，燃油和电的价格相对昂贵。在我国推广应用燃油或电加 热装置不符合国情和现行的能源政策。因此，我国温室加热设备主要以燃煤的热风炉为 主。我国燃煤热风炉多采用火床燃烧，所用的燃烧设备包括：固定炉排、链条炉排、水 平往复推饲炉排固定炉排采用手烧，因其结构简单、操作容易、煤种适应性好、价格 便宜，在小容量热风炉中应用较多。但由于手烧炉燃料效率低，劳动强度较大且环境污 染严重，因而不宜于在大容量热风炉上采用。有1 4 m w 或1 7 5 m w 热风炉仍配用手烧炉 排，虽然降低了热风炉造价，但势必以降低燃料效率、加大劳动强度、污染环境为代价。 链条炉排水平往复推饲炉排具有燃料效率高、对环境污染较轻、机械化程度高等特点， 在0 7 m w 7 o m w 燃煤热风炉上得到广泛应用。为保证燃料的及时着火和稳定燃烧以及 减少燃烧区段性的影响，这些炉排采用分段送风，并在炉膛中需根据煤种布置不同形状 的炉排。其目的是使燃烧过程中燃料对空气的需求与空气的供应相适应，加强炉内气流 的混合，合理组织炉内热辐射和热烟气流动，使炉膛前后的过剩空气为炉膛中部可燃气 体的燃烧和燃尽提供必要的氧气。在不增加空气量的前提下，提高完全燃烧程度，同时 可提高炉排头部着火区的温度，改善着火条件，加快新燃料的引燃。理论燃烧温度与煤 种、炉膛过量空气系数、机械不完全燃烧热损失、化学不完全燃烧热损失及灰渣物理热 损有关。对热风炉可燃用煤种，在正常过量空气系数下，理论燃烧温度在1 2 5 0 ( 2 以上， 第一章绪论 布置在炉膛中的受热面很容易烧坏。早期在炉膛中直接布置受热面的热风炉已经改进成 在受热面上覆盖耐火材料( 此时受热面吸热量很少，不推荐使用) ，或在炉膛中不布置 受热面，即采用绝热炉膛。 换热器是热风炉的主要部件，我国燃煤热风炉所采用的换热器主要有管式、板式、 热管式等几种。大多数热风炉存在炉膛出口段换热面易被烧坏致使炉龄短的缺点。这是 因为炉膛出口烟温高达1 2 0 0 1 4 0 0 c ，而烟气与空气的传热系数又很低，高温换热面 的壁温可达6 0 0 7 0 0 以上，普通碳钢禁不住这么高的温度，如采用耐热合金钢作换 热面，价格又太贵。许多炉子采用掺入过量冷空气的办法降低炉膛出口温度，但这会导 致热风炉效率大大降低。前几年，采用热管解决这一技术问题。热管是一种高效传热的 新技术，近些年它在能源利用和节能技术方面发展迅速。热管是在管内抽真空后充入工 质的传热元件，工作时，工质以蒸发冷凝过程在管内反复循环，不断将热量从加热段 传给冷凝段。由于热管内部工质是以传热最强的相变过程工作的，因此它几乎是在等温 下传递极高的热流密度，它具有超级导热元件之称。为了降低造价，采用廉价的碳钢一 水重力式热管组成热管换热器。后来创造出一种将碳钢一水热管用于炉膛出口高温段。 尽管炉膛出口温度达1 2 0 0 以上，但通过适当调节各排热管热冷段长度比及精心优化设 计，可确保热管安全工作，从根本上解决了传统热风炉高温换热面容易烧毁的问题，保 证了热风炉的寿命。而热管极其优良的热工性能使热风炉流阻低，热效率高。为了降低 热风炉的成本，在低温换热部分采用普通列管式换热器。这是一种结构简单、造价低、 适应性较强的换热器。为了增强传热，采用优化方法计算结构参数。采用巾4 0 x1 5 碳 钢管为传热管，烟气走管内且为由下至上的流向利于吹灰，空气走管外，采用三回程横 向冲刷管束以强化传热。由于传热器中空气和烟气温差很大，会使换热面间形成很大的 温差热应力。旧式炉在设计中往往忽略这点而导致换热面损坏。为了解决此类问题，设 计了热管都是独立地安装在中隔板上的热风炉，冷热段能自由伸缩，实现了完全热补偿， 因此不会产生热应力。在列管式换热器中，在管板上设计了膨胀节以消除温差热应力。 另外，为了保护换热面在停电时风机不能运转而过热，特设置了旁通烟道作为保护措施， 炉膛后部的沉降室对此炉的消烟除尘起到重要作用。但是，热管热风炉虽然对防止污染 起到了关键作用，并很好地解决了换热面易烧损的问题，但用于空气加热时，由于高温 段受热面积小，不仅热效率比较低，而且换热管寿命短，要经常更换，并容易积灰，同 时体积较大、造价偏高，尽管有些部门在燃料燃尽方面下功夫以降低燃煤烟气的有害物 6 沈阳农业大学硕士学位论文 质，从而实现了低污染直接加热空气，达到提高效率的目的。但由于大多数农产品、食 品对色、香、味要求很高，是绝对不能采用混合有烟道气的热风进行加热干燥的，尤其 像煤这样的固体燃料燃烧的稳定性很差，因此这种直接加热的燃烧炉的应用范围受到限 制。套筒式燃煤间接加热热风炉是开发研制的一种立式热风炉，其热工性能有了很大提 高，结构也更加合理。现在，套通式热风炉在国内热风炉市场上占有一定的份额。随着 我国经济的迅速发展和对环境与食品卫生的进一步要求，迫切需要热效率高、方便使用、 加热无污染、可燃烧烟煤的间接加热热风炉，尤其是中、小型热风炉。为此，对燃煤间 接加热热风炉进行了研究探讨，成功地研制出了小型立筒式燃煤间接加热高效热风炉， 并通过了技术鉴定。与此同时，四川省农机研究所研制成功了相类似的无管式热风炉， 也通过了技术鉴定。此后对这种类型的热风炉进行了深入的试验、分析、研究探讨，取 长补短，将原中型炉的水泥底座烟道改进设计成了方便实用的全金属外壳的中型热风 炉，为我国进一步开发可燃烧烟煤的新型间接加热热风炉奠定了基础。自8 0 年代以来， 这种类型的热风炉得到了大量的推广应用。在此基础上又改进提高设计出了第三代中、 小型八种规格的系列产品，在国内建立了两个主要基地，生产热风炉产品百余种，经与 江苏省常州市设备厂和辽宁省海城市设备厂生产的产品配套推广使用，取得了比较满意 的结果。 1 2 。2 国外热风炉的发展现状 在国外，以天然气和石油为热源中心的户式热风采暖方式得到广泛的应用。在北美 地区，不仅温室就连很多别墅建筑都采用这种热风采暖方式。 在加拿大，大部分属于亚寒带。就首都渥太华而言，户式供暖大多采用热风供暖方 式。热风供暖通常有两种形式：一种是使用安装在地下室的燃气热风炉( 或少数为电热 炉) ，在炉内直接加热供暖房间的室内回风和一小部分室外新鲜空气，通过风机，经过 风道，送至供暖房间。这种直接加热空气的热风炉，炉内的风道和换热设备等要求严格 的气密性，在炉内严防被加热空气与加热烟气互相串通。这种热风供暖系统设备比较少， 操作简单，维护管理方便，现在应用越来越多。另一种是使用安装在地下室的燃气锅炉 ( 或少数为电锅炉) ，在炉内制取热媒热水，再经过水泵和空气加热器，来间接加热供 暖热风。后者热风供暖系统的辅助设备比较多，操作麻烦，维护管理不便，现在应用日 渐减少。 7 第一章绪论 国外的燃气热风炉多采用自然循环、机力循环和强制给排气机力循环等燃气方式。 各种循环方式都有其相应的特点。自然循环对流方式：其传热系数小。需要的传热面积 大，因此这种热风炉的体积比较大，同时热风出口温度也比较高。通常用于值班室、展 览厅等地。机力循环方式：因自然循环的风速小，烟气的热量很难传递给空气，所以造 成自然循环烟气热风炉的体积过于庞大。为了提高传热系数，减小热风炉的体积。可以 采用机力循环的方式。强制给排气机力循环方式：为了保证烟气畅通，可以采用鼓风式 燃烧器形成强制给排气燃气热风炉。这种强制给排气的方式保证烟气与燃烧需要的空气 畅通。对安全运行有可靠保障。 1 3 本课题研究目标、内容及拟解决的关键问题 ( 1 ) 研究目标： 1 ) 对北方温室大棚供热方式研究，提出一种适宜北方温室大棚加热方式和供热系统。 2 ) 设计具有热效率高、成本低、简单实用、用于温室大棚内加热的中、小型高效燃 煤热风炉。 ( 2 ) 研究内容： 1 ) 温室、塑料大棚的加温方式与供热系统研究； 2 ) 热风炉节能研究与热风炉种类分析。 3 ) 燃煤热风炉的优化设计 4 ) 燃煤热风炉试验与分析。 ( 3 ) 拟解决的关键问题： 1 ) 降低温室、塑料大棚供热系统成本； 2 ) 提高燃煤热风炉的热效率和制造成本。 ( 4 ) 本课题研究的意义： 1 ) 通过对比确定了温室供热系统相对理想的供热设备一一热风炉，对今后温室供热 设备的选择具有指导意义。 2 ) 分析了国内各种热风炉的优缺点，提出了改进方案。 3 ) 设计适宜目前农村生产大棚或小型温室加热用燃煤热风炉，对此类热风炉的设计 者具有一定参考价值。 8 沈阳农业大学硕士学位论文 第二章温室加热设备与供热系统研究 温室冬季加热是保证温室高效高质运行的首要条件。选择合理的供暖设备不但可以 确保温室高效高质运行，还可以极大限度的降低温室的建造成本，加快投资的回收速度， 提高温室的经济效益。温室的加热设备有多种类型，采用较多的是燃煤锅炉、燃油燃气 锅炉、电加热以及热风炉加热等。 2 1 温室加热设备 2 1 1 燃煤锅炉 在的一次能源的消费构成中煤占7 1 ，石油占2 5 ，水力占4 。电力和供暖锅炉中 以燃煤锅炉为主。以c l s g ( h ) 常压热水系列燃煤立式圆型锅炉为例，其技术参数及配套 部件参数见表2 - 1 衰2 - 技术参数及配套部件参数 t a b l c 2 - 1t e c h n i c a lp | m 嘶a n d n c c m y p 矾p a r m c t d 项目 单位 型号 鍪耋蓁：謦| | 篡篡嗽寸巾嚣高 c l s g ( h ) 型系列燃煤方型常压热水锅炉还具有如下特点：内部结构设计合理分室 燃烧低耗节能，外观设计美观新颖占地面积小热利用率高，安装调试控火操作维修 等都简便易行等。 2 1 2 燃油锅炉 9 第二章温室加热设备与供热系统研究 世界石油开采量的增加，推动了燃油方式的发展，石油逐渐地和煤炭共成为主要能 源形式。随着越来越严格环保和安全检测，许多地方都制定了地方法规，严禁在大中城 市和人口密集地区燃烧煤炭和安装压力锅炉。燃油工业锅炉以其相对低的污染，能实现 自动控制及负荷调节方便，安全性好等因素得到越来越广泛的应用。燃油热水锅炉除用 于工业制热和城市供暖外，农业方面也已扩展了其应用领域，如大型温室种植供热、水 产养殖冬季水温保暖、农产品干燥等。目前国内生产的燃油锅炉，设计效率一般为 8 3 8 9 ，使用燃料有重油、轻柴油和渣油等。而小型燃油锅炉用轻柴油燃料已日渐普遍。 热水锅炉代表性燃料0 号轻柴油低位发热值：q 品= 4 2 9 1 04 k j k g 。w n s 型锅炉效 率可达到8 8 ，所以o 号轻柴油有效利用热量：q 轻集油= 3 7 7 5 x 1 0 7k j t 。典型燃油燃气 热水锅炉参数见表2 - 2 。 麦2 - 2典型燃油燃气热水锅炉参数衰 t a b l c 2 - 2 r c p 辩n l m i v c f u c lo i l f u e l g a s h o t w m e r b o i l e r p a r a 胁l i s t 2 1 3 燃气锅炉 气体燃烧的空气污染和固体燃烧污染很少，具有基本无公害燃烧的综合特征，是一 种比较清洁的燃料。气体燃烧锅炉燃气系统简单，可以进行燃烧调节，调整发热量，操 作管理方便，容易实现自动化。气体燃料包括氢气( h ：) 、一氧化碳( c o ) 、碳氢化合 物等成分。按燃气获得方式可以分为天然气和人工燃气。目前东北地区大多数城市供气 系统的煤气属于人工燃气。标态下煤气低发热值：q 品= 1 8 8 1 04 k j k g 。锅炉效率取 8 8 ，所以单位体积煤气有效利用热量：q 崔 = 1 6 5 4 4 x i 0 4 k j m 。 i o 沈阳农业大学硕士学位论文 我国部分地区已使用天然燃气，如上海浦东，天然气的燃烧热值比煤气高，它在标 准状态下低发热值为q 品= 3 6 5 3 3k j k g ，通常燃气锅炉的热效率可达到8 8 ，所以单位 体积燃气有效利用热量：q 天热t = 3 2 1 5 x 1 0 4k j m 3 2 1 4 电加热温室 随着我国国民经济水平以及电力工业的发展，电力的应用领域得到了进一步的拓 宽。电气化水平的高低通常被认为是衡量一个国家农业水平高低的重要标志。从我国农 业的发展历史来看，农业发展的同时也伴随着农业能源消耗的不断增长。电力工业正逐 渐地溶入农业，成为农业科技发展及农业现代化的必要保障。 电能能量调控非常容易，使用方便。但电能是二次能源，本身较贵。另外，从能量 利用的角度来分析，电能经过了热电转换，其转换效率为3 0 。因此电加热只能作为一 种临时加热措施短期利用。 电热温室是一种比较特殊的温室。在许多发达国家，政府利用电力的分时计费来鼓励 在电力谷底时使用电力以达到削峰填谷的目的。这种政策极大地促进了电热温室的发展。 大多数电加热温室被用于对土壤温度要求较高的育苗过程中。将电热线排布在土壤中，通 过对土壤的加温，满足种苗生长所需要的热量。有时为了苗床上的保温，在苗床上加上小 拱棚。这样与连栋温室相比，电加热只是对苗床上的局部加热，加热量将大大下降 在我国一些地区，一方面白天用电高峰时期电力供应不足，一方面在夜间电力低谷 时间又有电力自白浪费。温室白天环境温度较高，还有太阳辐射能量的加入。并且，由 于土壤的热惰性较大，蓄热和放热的时间较长，经过夜间的加温，能在白天较长的时间 里为温室补充能量。因此，温室加热的主要能量集中在夜晚。这样电力温室能采用避峰 填谷的原则，充分利用电网系统的低谷电力，在不增加电网系统的最大负荷情况下，更 加合理利用电网电力，对于有效开发利用低谷电力具有重要意义。 2 1 5 电热泵 所谓热泵就是把热量从低温区向高温区输送的设备的总称。热泵能够发挥高质能量 ( 电能、机械能或高温热能) 在质量上的优势，用较少的高质能将大量的可再生环境能 量( 地下水、空气及水中蕴含的能量) 回收升温后利用，因此具有较高的节能效率。要 完成热泵的热力循环一定要加入能量，一般利用电能作为动力，使用电能作为动力的热 第二章温室加热设各与供热系统研究 泵即为电热泵。 自然界中可以利用的低位能源( 如空气、地表水、地下水等) 以及生活和生产中的 排放热源( 各种余热和费热等) 都可以作为热泵的能源。而热泵的驱动能源则包括电能 和石化燃料燃烧热能以及核能、太阳能。水力。风力等自然界所产生的电能等。 从环保角度来讲，使用热泵可较大幅度地减少s o ：、c 0 ：等大气污染物质的排放。 获得相同的热量，用燃烧锅炉直接供热时c o ：的排放量比水力发电在驱动热泵高3 0 ，与 燃油锅炉相比，使用热泵供热c 0 ，排放量也可以大大减少。 热泵虽有大于l 的制热系数，但在将电动热泵供暖和其他供暖方式比较时，热泵利 用一次能源( 燃料) 的效率。它除反映了制热系数的高低外，它包括发电效率q ，和输 电效率l l2 ，故能源利用系数e - - - - n 。q2c ，。为热泵的制热效率。 目前凝汽式火力发电厂的发电效率q 。- - - - 0 2 5 o 3 5 ，输出电效率n ：- - - - 0 9 ，若取 r iln2 - - - - 0 2 7 ，e 能源利用系数- - - - 3 ，r u e = o 8 1 。 对于用水力发电的热泵，则几乎任何形式的热泵都是可以优于锅炉供热方式的能源 利用系数的，因为水力发电的总效率平均都达到o 8 ，接近火力发电的三倍。 电热泵在国外以及被广泛的应用到农业生产中，如被用于农产品的干燥、除湿等领 域。在温室的应用研究报道较少。尤其在我国很多地区还存在供电紧张的情况下，电热 泵采暖方式受到了很大的限制。本文提出电热泵这种升温方案只是为了对温室中供热的 经济性进行分析。 2 1 6 热风炉 热风炉的燃料可以是煤、油、和气。温室供暖燃煤热风炉是专门为温室配备的供暖 加温设备，自9 2 年以来，在我国的华东地区、东北地区得到广泛推广应用。应用效果表 面，加温效果明显，升温快，热效率相对较高，不受煤炭品种限制。还具有初步投资较 少，煤耗低，经济实用等特点。 燃煤热风炉的效率基本上与燃煤热水锅炉的效率相等，因此对于同一个温室如果运 行条件相同，则温室运行过程中的耗煤量也基本相同。根据设计指标，燃煤热风炉的热 效率可达到o 7 0 。计算取0 6 8 ，这样燃煤热风炉的然无烟煤i 的低热值： q 二f - - 4 3 4 4 k c a l k g = i 8 1 5 8 x 1 0 4 k j k g ， 沈阳农业大学硕士学位论文 一顿无烟煤i 的发热量计算值取： q = 1 8 1 5 8 x 1 07 k j t 。 无烟煤i 通过热风炉燃烧有效利用热量： q j e 用燃2 1 2 3 x 1 07 k ；t 与燃煤热水锅炉不同的是热风炉的初步投资较少。如山东聊城市东昌府区道口铺乡 1 3 5 0 平方米花卉温室，原计划投资8 万元建蒸汽锅炉，后改用燃煤热风炉仅投资2 8 万元， 节省投资6 5 。山西省晋城市水北种植场同时在两栋各2 4 0 0 平方米同样结构的连栋温室， 分别使用一台水暖锅炉和燃煤热风炉供暖，燃煤热风炉比水暖锅炉投资低5 8 3 。 另外，燃煤热风炉与热水锅炉相比，忽略了温室水管道的漏热损失以及供热总管的 热容损失，同样条件下，比热水锅炉要省煤。但热风炉使得温室的噪声较大，且面积较 大的温室还要布置多个热风炉，人工操作相对不方便。因此它比较适合我国广大农村的 小型温室或局部需要加热的种苗温室。 燃油和燃气热风炉与燃煤热风炉相似，均通过燃油和燃气直接进行热量的转换。不 采用间接热媒质加热。由于直接加热空气，所以温室的温度升温较快。 燃煤热风炉主要以煤或焦炭为燃料，相对来说煤炭的价格比较便宜，但其热效率较 低，对环境污染较大，需专人看护而且劳动强度大很难进行自动控制，燃烧过程不稳定， 炉温不均匀，因而对热风风温有较大的影响。这些都是需要改进的问题。燃油热风炉以 重油或者柴油为燃料，与燃煤熟风炉相比，燃烧过程中炉温均匀，很容易进行自动控制。 燃油和燃气热风炉的热转换效率均可达到8 8 。因此燃烧有效利用热量予上面所述燃油 和燃煤锅炉基本相同。 2 2 热风炉供热特点及工作原理 ( 1 ) 熟风炉供热特点 热风炉供暖方式与其他供暖方式相比具有如下特点：第一，没有水循环系统。主机 产生热风后通过风道直接输送到温室的各个角落。不需要水循环系统，因此就没有冬天 冰冻，水管结垢以及渗漏等问题；第二，安装适应性强。由于没有水循环系统主机可以 采用立式、卧式或倒置式进行安装。全部操作在室内就可以完成，无需接触主机，可以 在湿室各个角落进行落地式、壁挂式或吊式安装；第三，节约运行费用。可以根据用户 第二章温室加热设备与供热系统研究 的个性化需求调节温室温度高低，对暂时不需要加热可以关闭系统。不涉及冬天的防冻 问题，从而节约运行费用；第四，热风炉为长压运行，安全可靠。采用强制排风以及新 风换气系统，保证室内空气质量。第五，热风炉输出干热空气，而将室内潮湿空气从回 风口抽出室外，能在3 0 分钟内使室内湿度降到6 0 9 6 7 0 9 6 ，使病菌处在不利于孢子发芽 的温度下，从而抑制各种病害的发生和发展。如芹菜斑枯病、黄瓜霜霉病和炭疽的发病 率都大大减轻，在一定程度上也可节省农药并省工。基于以上优点，热风炉以其独特的 优点在温室供热系统中脱颖而出，成为温室供热设备的首选。 ( 2 ) 热风炉工作原理 燃料首先在燃烧室内燃烧，生成的混合气体( 燃烧产物、未燃尽的燃料和未燃烧的燃 料) ，气体沿着燃烧坑道经反射拱上升，在反射拱处与输入的二次风进行二次燃烧，从 而使燃料充分燃烧。达到减少烟尘的目的。经充分燃烧后产生的高温烟气进入换热体进 行热交换。当空气加热到所需要温度时由热风出口输出。 我国对热风炉的研究和应用相对较晚，但起步较高，并且研发速度和更新频率较快。 目前，国产的热风炉的种类及型号比较多，各厂家生产的产品白成体系。这样繁杂的系 统比较混乱。但与其他工业热装置一样，热风炉主要以煤、燃料油和燃气为热源，也有 少数热风炉以燃用生物燃料为热源。由此，可按照热风炉使用燃料种类的不同进行大致 分类。按其使用燃料种类的不同，热风炉分为燃煤、燃油、燃气和生物燃料热风炉。 2 3 热风炉分类 热风炉是一种通过燃料燃烧加热空气生产热风的设备。作为一种重要的工艺装置， 热风炉在各个工业、农业部门得到了广泛的应用。热风炉主要由燃烧装置和换热体构成， 用煤、油或燃气( 包括天然气、煤气) 为燃料，按燃烧种类分为燃煤热风炉、燃油热风 炉和燃气热风炉。燃煤热风炉又分为手烧燃煤热风炉和机烧燃煤热风炉。燃油、燃气热 风炉的装置是一样的，只是选用不同类型的燃烧机，燃油热风炉用燃油燃烧机，燃气热 风炉用燃气燃烧机。 2 3 ，1 燃煤热风炉 我国煤炭储备量丰富，在现在的一次能源的消费构成中煤占7 1 。燃煤热风炉在我 国发展相当迅速。我国燃煤热风炉多采用火床燃烧，所用的燃烧设备有：固定炉排、链 条炉排、水平往复推饲炉排。固定炉排采用手烧，因其结构简单、操作容易、煤种适应 沈阳农业大学硕士学位论文 性好、价格便宜，在小容量热风炉中应用较多。但由于手烧炉燃料效率低，劳动强度较 大且环境污染严重，因而不宜于在大容量热风炉上采用。链条炉排水平往复推饲炉排具 有燃料效率高、对环境污染较轻、机械化程度高等特点，在0 7 m w 7 0 姗燃煤热风炉上 得到广泛应用。为保证燃料的及时着火和稳定燃烧以及减少燃烧区段性的影响，这些炉 排采用分段送风，并在炉膛中需根据煤种布置不同形状的炉排。其目的是使燃烧过程中 燃料对空气的需求与空气的供应相适应，加强炉内气流的混合，合理组织炉内热辐射和 热烟气流动，使炉膛前后的过剩空气为炉膛中部可燃气体的燃烧和燃尽提供必要的氧 气，在不增加空气量的前提下，提高完全燃烧程度，同时可提高炉排头部着火区的温度， 改善着火条件，加快新燃料的引燃。 田2 - 1 蕾式换热器 f i g e 2 - t u b u l a r h e a t i n t e r c h a n g e r 出烟口 出烟口 进烟口 田2 - 2 筒式换热器 f i g m e2 - 2 b a r r e lt y p eh e a ti n t e r c h ”g e r f 出烟口j 冷风 f 进烟口 f 进烟口i 热风i 进烟口i 进烟口l 燕风 田2 - 3 蕾式和筒式相结合的换热嚣田2 - - 4 热管式换热曩 f i g u r e 2 - 3 t u b u l x a n d 0 1 c b a r r e l t y p ef i g u r e 2 - 4h o t t u b u l a r h e a t c x c h a n g e r u n i f i e s h e a t h l t e r c h a n g e r 换热器是热风炉的主要部件。我国燃煤热风炉所采用的换热器主要有管式、板式、 热管式等几种。上面是几种主要换热器的结构简图。 管式换热器( 图2 - - 1 ) 是热风炉中最常用的换热器，它的传热面由管束( 光管或螺纹 第二章温室加热设备与供热系统研究 管构成，管子的两端固定在管板上，烟气和空气分别在管内和管问流过并根据气流速度 的要求将其隔成若干行程。在相同速度下，螺纹管管内放热系数比光管高出6 0 以上， 可节省受热面金属，减小换热器体积。由于螺纹管加