在美国,燃气用于房屋采暖占燃气应用的绝大部分。二次世界大战后,燃气分布越来越广泛,许多燃煤和燃油的采暖炉均改烧燃气。旧房子改换燃料基本完成后,其改换速度放慢了,但是,凡是燃气可达到的地方,燃气采暖以其特有的许多优越性成为新建房屋的首选采暖方式。在美国有4600万个家庭采用燃气取暖。
在多种燃气采暖设计中,有两种主要的系统被普遍采用:即热水采暖和热风采采暖系统。在热水采暖系统中:水或蒸汽借助于某种热交换器被燃气火焰加热,蒸汽或热水又通过管道在房屋进行循环,靠辐射式采暖器或对流式采暖器将其所携带的热量传给室内空气。在热风采暖系统中:燃气火焰直接通过传热表面将室内空气加热,到目前为止,热风采暖系统因为其安装费用低,倍受欢迎。
(1)房间采暖器:最简单和最便宜的燃气采暖器是房间采暖器,它是一种带动力的整套装置,用于加热它所放置的房间。房间采暖器通常是独立的,可以带排气口也可不带排气口,不带排气口的必须安装缺氧保护装置。国家标准规定限制其热流量必须在11.7KW以内。标准中还规定禁止将其安装在卧室、浴室和办公室。有些地方法律规定不准使用。房间采暖器经常用在房屋集中采暖系统达不到的地方。
房间采暖器可以通过对流或通过对流和辐射两种传热方式达到采暖目的。辐射式采暖器,见图1。有一部分热交换表面就在被加热的房间内,辐射热供采暖器附近的地方采暖。
在对流采暖系统中,房间内接触热交换器表面的空气受热后上升,并被来自采暖器底部较冷空气所补充,周尔复始达到采暖的目的。有些采暖器还装有风扇帮助这一循环过程。有些采暖器安装风扇使热空气向下吹,以便使加热了的空气从地面流过,使房间加热得更均匀。较大型的带有风扇或吹风机的采暖器可同时用来加热几个房间。
房间采暖器装有恒温器。常用的最普通的恒温器原理是用一个可膨胀的球来开启一个组合式的调节阀。恒温器盘面上的数字是由用户根据舒服程度自己设定的。
(2)地面采暖炉:
地面采暖炉安装在地板下面,在地面上有冷空气进口和热空气出口,见图2所示。房间靠对流换热实现采暖。地面采暖炉有排气口,要有足够的燃烧所需空气及通风帽处稀释用空气。在燃烧器的周围还设计有能翻转的板,以便万一有水溢流到地面时,可使溢出的水能阻止氧气通往主燃烧器和小火点火器。并自动关闭燃气阀,起到安全保护作用。就避免了当水扑灭主燃烧器而点火燃烧器还未被扑灭时,未燃的燃气泄漏。其温度控制靠安装在采暖器上的恒温器或安装在墙壁上的恒温器来实现。当然在有些地区,这种地面采暖炉是被禁止安装的。
(3)壁式采暖炉:
壁式采暖炉可安装在墙里面或直接与整面墙或部分墙作为一体,见图3。采暖炉被永久性地装在墙壁中间柱之间,成为房屋建筑的一部分。靠重力循环或吹风机强制空气通过热交换器,他们有不占据地面空间的优越性。热流量超过42.28MJ/h的壁炉必须要装排气道。有专门设计的排烟管,某些州和地方法规禁止使用不带排烟道的壁炉。
某些壁炉设计装有两级壁式调温装置,因此能供一间以上房间呆暖。
(4)平衡式采暖器:
平衡式采暖器把燃烧室和烟道有效地密封起来,与安装采暖器的建筑物隔开,井通往建筑物外部,见图4。燃烧所需空气从室外吸入,燃烧后的废气也排出室外,这种型式也叫做封闭式燃烧系统。
多数平衡式采暖器是根据排气口压力平衡原理。烟气排气口和燃烧所需空气的入口在同一地点,以使他们处于同一气压区。这样,任何气压变动(比如由于风引起气压变化)对空气进入和烟气排出的影响相同。从理论上讲由于在进出口处气压处于平衡状态,所以烟道抽力不受外界气压变化影响。
要指出的是燃烧所需空气是通过进排气道两个同心园形成的环型通道进入燃烧室的。排气道周围的冷空气层可保护建筑物不会过热。这种安排也更有利于节能,由烟道排出烟气带走的热量可用来预热燃烧所需的空气。
除了某些热流量特别大的带吹风机外,大多数带烟道的采暖器都不带吹风机,有些在烟道中装有排气扇。
烟道式采暖器一般装有膨胀球式恒温器和自动安全装置。靠重力循环不需要市电。
由于它有自己的排气系统,安装对流式采暖系统有困难的地方可以安装烟道式采暖器。但是也有些限制,即这种采暖器必须安装在离门和窗比较远的墙外。
(5)集中供暖设备:
集中供暖设备是一整套装在一起用来加热流体(如空气、水或蒸汽)的设备。靠流体在封闭系统中循环,把热散放到需呆暖的空间。更具体说就是空气通过烟道、水、或蒸汽通过水管把热传给需加热的空间。燃烧过程在金属外壳的热交换器内部进行。流体围绕热交换器表面循环。燃烧产生的废气通过排气系统排出室外。下面具体介绍几种采暖方式。
(5.1)热风采暖炉:
热风炉是最受欢约集中采暖设备。这种采暖方式使热空气在整个建筑物内部进行循环。热风采暖炉可安装在地下室、顶楼或工具间。热空气通过金属输送管或玻纤管传送到房屋的各个部分。输送管通常安在墙壁的支持柱之间或地板的支持横梁之间。家庭用的热风采暖炉的热流量通常在211MJ/h以内。
(5.1.1)强制循环式热风炉
强制循环式热风炉是通过吹风机使热风在循环通道中循环,以供室内各部分采暖。见图5。图6是强制循环热风炉的实物图。它结构上有如下几个特点:当需要采暖时,打开气源开关,点火装置就会将主燃烧器点燃。万一点火系统失灵,则通过一个可自动关闭的气阀切断气源。这是因为用点火器加热热电偶,热电偶受热产生电压,一旦火焰熄灭,热电偶冷却,由热电偶产生的电压消失,结果使气源切断。该气阀是由恒温器和安全控制器的信号来实现关闭或打开。
恒温器通常装在远高炉子的需采暖的房间里,它自动调节采暖房间的温度。
大多数恒温器采用双金属热敏元件。有些恒温器上装有磁铁,随着电接触点打开或关闭产生断合动作,这样可避免烧坏触点,避免电磁阀的震颤。还有些恒温器采用封闭的用双金属元件来启动的水银开关,打开和切断控制通路。当恒温翠切断主燃烧器时,在炉子里面和管路里还有一部分热存留。因燃烧器关闭后吹风机继续工作,这部分热可以通过恒温器的上控制点继续提高室内温度,在温暖天气尤其是这样。为了避免温度过高,恒温器上装有预感器(预测器)。它是一个小电阻加热器,当电流通过控制迥路时,电阻加热器使双金属片稍稍加热,这种少量的热使恒温器触点在最高温度达到之前打开。炉内剩余的热可使屋内温度刚好达到所要求的温度。热元件需选择,目的是使其与不同炉子的控制阀的电流消耗相匹配。有些恒温器带有可调整的热补偿器。
适当选择恒温器控制范围和补偿器的电阻值,使主燃烧器达到每小时循环开启六次。这是由经验确立的最佳循环次数。如果燃烧器循环次数少于六次,房间空气温度变化将大于2oF,屋内的人就会感到不舒服。循环次数大于六次热能利用率就会大大下降。当然在气候较热或较寒冷季节循环次数应减少。
恒温器应安装在远离通风口、灶具或其它有热源的墙壁上,并避免阳光直射。为了避免炉子过热和热风循环温度过高,在循环热风系统以外安装了一个限流控制器作为安全保护装置来切断燃气供应。另外,还装有风扇开关,用以控制吹风机工作,在燃烧器打开后,热风循环温度上升到预先设定的值时,开关打开吹风机。当恒温器切断燃气供应时,它将延缓关闭使吹风机继续工作直到循环空气温度达到设定的较低的温度。该温度设定的依据是使人感到舒服且能尽可能多地吸收来自热交换器的热量。这两个控制开关常常合并在一起,用同一温度调节装置的元件控制。
燃烧过程在燃烧室中进行,燃烧室是满足燃烧需要的足够大的空间并且是热交换器的一部分。热交换器还有一个烟气通道,使热烟气和热交换器表面接触。
通常有两种型式的热交换器,一种是炉内采用单个园柱型燃烧室,见图7。并带有伸出去的烟道,烟道可以与燃烧室联接或环绕在它周围。还有一种"哈壳"式的炉子,这种炉子采用多个燃烧器,用一个点火器则可点燃全部燃烧器。用十字管,把火焰从一个燃烧器导向另一个燃烧器。
此外,强制循环式热风炉是由调压器、吹风机纽件、过滤器和排气帽构成。在燃气控制通路上还装有压力表。
吹风机由装在其轴上的马达直接开动,或通过滑轮和皮带带动。有些炉采用双速马达,以便空气循环时间保持更长,避免屋里的人感到冷。当燃烧器工作时,吹风机以最高速度运行,含有大量热的热交换器源源不断的向室内供热。当燃烧器被切断停止工作时,热交换器变冷,马达转速降低,直到燃烧器再次打开主前或吹风机被风扇开关一块关闭之前,吹风机一直以较低的速度运转。吹风机的这种控制方法可以使房间里热分布得更均匀,带继电器开关的高速马达常常用于采暖和空调。
常用的空气过滤器是一次性使用的在油中浸过的玻璃纤维。还有些炉子使用的过滤器由金属或过塑纤维构成,可以清洗后再用。
通风帽常常装在炉子里面,其作用是避免倒流风进入燃具,它允许稀释空气通过聿全口进入,万一烟道中有倒流风或无抽力情况下能使烟气泄流。
根据用途不同有几种不同结构的强制排气式炉,上流式炉分为立式炉和卧式炉。前者吹风机安放在底部,见图8。空气从侧面或底部进入,从顶部离开。这种类型的炉可用在公用房屋或带有回流空气的地下室。这些回流空气是靠管道通向炉子入口的。卧式炉,见图9,是上流炉的变种,不需要太高的安放空间,吹风机安装在底部热交换器的侧面。
下流式炉,吹风机装在顶部,空气由底部垂直向下排放,见图10。这种型式炉子用于没有地下室的房屋采暖系统。如果炉子安装在可燃材料制的地板上。需专门打一块地基。万一吹风机失灵了,装在炉子顶部的第二个控制器则使燃烧器停止燃烧。
水平式炉的吹风凯装在热交换器侧面,特点是整体低,见图11。空气水平方向流过,该种炉子一般用在空间有限的地方,如阁楼。装在地板下面或悬于天花板下面。通常设计成可变换气流方向,气流可以从右向左,也可以从左向右。水平式炉在两端必须有限位开关,万一在风扇打开之前热空气流由于重力作用导向错误的方向时,能起到导向作用。
(5.1.2)重力循环炉
重力炉不用吹风机,空气循环靠受热空气的浮力完成。重力循环炉的路径比强制循环炉更长,空气运动的阻力比较小。为保证气流阻力最小,重力炉不装过滤网。重力炉常常有自发式气体控制系统,不需要外加电源。
(5.2)中央采暖系统
家用中央采暖采用热水或蒸汽系统。通常都是用铸铁或钢制结构,也有的采用非金属结构。大多数热水或蒸汽锅炉均为低压。
(5.2.1)热水采暖系统
有两种热水采暖循环系统被采用,强制热水循环系统和重力循环系统。强制热水暖循环系统,见图12。装有泵,使水在管和房间的各个暖气片形成循环。由于水具有良好的吸热能力,锅炉相当紧凑。重力循环系统现在较少见,在一些老式房屋还可见到。重力循环靠冷热水的密度不同形成水的循环,这种系统不要泵,但需要粗的循环管道,大的暖气片和大量的水。因为每个部件都得加热,这类系统具有高的热惯性;因此当外部温度迅速下降时,房间升温速度较慢。
典型的家用热水锅炉如图13所示。其燃烧器的设置和燃烧室类似于热风采暖炉。一个锅炉可以有单个或多个燃烧器。燃烧器和恒温器的控制系统也类似于热风采暖炉。还装有一个限制最高水温控制装置,当水温超过安全极限时能自动切断燃气供应。有的炉子上装一个循环控制器,当锅炉里的水温上升时,它使泵开动,当水温下降时将泵关闭。
它的控制装置和强制式热风采暖中的风扇及限位开关相类似。就像大多数恒温器、循环泵和燃烧器一样,这种控制装置的安排是多样的。某些系统中,将水控制在一个恒定的温度。也有的靠外部重新设定温度,并由恒温器使循环器动作,达到控制温度的目的。除了上述控制器外,热水锅炉还有另外的部件。采暖系统装有膨胀水箱,安装在锅炉水面以上的某一位置。因为当水受热时会膨胀,冷却时会收缩,水箱是调节水的体积变化所必须的。装有隔板的水箱可以安装在任何位置。锅炉上还必须装有压力释放阀和放水旋塞,超过压保护作用和供放水用。
(5.2.2)蒸汽采暖系统
蒸汽锅炉见图14。装有高压限位控制器、房间恒温器、压力温度表和水位计。水位控制器可以保持锅炉中的水位在某一个设立的水位。蒸汽锅炉也装有一个最低水位切断装置,如果水下降至设定的水位以下时,可自动切断燃气供应。
蒸汽采暖系统不需要循环泵,因为蒸汽向上流入散热片,回流时水的密度增大靠重力向下流到系统中。
(6)可转换燃料的燃烧器
有些烧煤或油的锅炉和窑炉可以用燃气作燃料,可转换燃料燃烧器把燃烧器和控制器组成一体,见图15。可以做成大气式的园形钻孔和条型孔的多孔式或单孔式燃烧器。有些制成鼓风式燃烧器,热流量从42.2MJ/h-422MJ/h。
(7)单元式采暖器
单元式采暖器包括热交换器、用于使空气循环的风扇、燃烧器自动点火器、防倒风排气罩及控制装置用来控制燃器和风扇。见图16。这种单个采暖器广泛用于大型空间采暖,如仓库、车库、工具间和工厂。通过管道输送热风,有些不用管道输送,而是用一个类似螺旋桨式的风扇,可以有效地传输大量的热空气。用管道输送时为了产生适当的静压则采用离心力式吹风机。
大多数单元式采暖器挂在天花板上,他们不占有用的空间而且不用管道送风,目前制造的单元式采暖器是分段式的,风扇或吹风机在两个热交换器之间水平方向吹热风,在热交换器前面有可调的百叶窗,使热空气导向外部,单元式采暖器可以通过装在墙壁上的开关手动控制,也可以通过恒温器控制,恒温器可装在采暖器上,也可以装在远离采暖器的地方。新装的采暖器有恒温器,其燃气控制、燃烧器控制均与强排热风采暖炉类似。
(8)管道式采暖器
管道式采暖器或管道式采暖炉结构上类似于单元式采暖器,只有一点不同,即炉本身不装风扇或吹风机,而是采用管道输送系统,分别提供使空气流动的设备。见图17,有时它用作补充性质的空气采暖器,用来加热建筑物入口处从外面进来的空气,而不是加热管道内的再循环空气。
(9)直补空气式采暖器
建筑物中大量污染的空气要排放掉,代之以补充新鲜空气,直补空气式采暖器常用来预热进入建筑物新鲜空气,图18,直接与大量的新鲜空气相混合,因为稀释比例很大,所以是安全的。如果没有足够的新鲜空气,采暖器的控制器不允许燃气流入燃烧器。
(10)红外线采暖器
一切物质受热均发出红外辐射能量,其辐射能和可见光一样,只是它的波长比可见光长,并且人的眼睛不能看见,如果温度足够高,热辐射表面就发出足够的辐射能量,使把物体表面加热或使远离辐射源处的人的皮肤感到暖和。以这种方式传递的辐射能直接在辐射体和被呆暖表面之间传递,无需加热空气。因为能量不是用来加热空气的。所以红外线采暖器用于局部地点采暖,其效率相当高。
由于燃气火焰本身不能辐射较多的能量,红外线采暖器利用燃气火焰加热某些固体材料,将其作辐射表面。这种表面通常是金属材料或陶瓷板。
红外线采暖器通常分为两类:低强度和高强度采暖器。强度是指单位辐射表面发出的辐射能,强度大小决定于辐射表面温度。高强度红外呆暖器具有由高温陶瓷金属构成的辐射表面。表面温度可高达1650F。在辐射式房屋采暖器中,来自燃烧器的火焰允许穿过陶瓷砖。这类采暖器由辐射和对流两种方式供热。采暖器起动后陶瓷砖几乎立刻热起来,在房屋空气热起来之前就可使人暖和起来。
另一类型的辐射采暖器使用陶瓷材料作为辐射面,见图19。这种类型采暖器,陶瓷板就是燃烧器的头部,燃料和空气混合后,头部空腔内均匀分布,通过头部小孔流出,在陶瓷板表面产生燃烧。燃烧所需的空气全部由一次空气提供。因此,火焰非常短,且保持在陶瓷板表面上,并使其成炽热状态。有时在离陶瓷板上面距离很近地方装有金属屏风(又叫幅射屏风),这个屏风由能承受高温的金属制成,被火焰加热后也成炽热状态。它还将一些热量辐射回陶瓷板,促使陶瓷板保持高温。由于火焰在燃烧器表面上持续保持,辐射效率获得改善。
高强度红外线采暖器可用于建筑物入口处局部地点采暖、公共汽车站、装卸码头、天井和其它的户外场地的采暖。也可用于建筑物内采暖、工厂、车库、飞机库及其它有大量空气渗入的地方。这些地方采用对流式采暖其费用昂贵。红外线采暖器还大量应用于工业生产中,如纸、纺织品、油漆的烘干,道路和屋顶用建筑材料的加热及冷冻食品的解冻。
红外线采暖器也用于家庭和商业炊事设备,多数采用由燃气火焰直接加热金属制的辐射板的方式。
低强度的红外线采暖器的辐射表面是介于火焰与被呆暖地方之间。装有全自动控制燃烧器,使火焰停留在炽热辐射管口,炽热管子达到运行温度并发出红外热,通常靠一个挂在炽热管上部的反射镜,将红外线热量反射向下,见图20。该种装置用于商业楼和工厂。辐射面的温度通常可达800-1200F。而高强度采暖器温度可达1600- 1700F。有些热量靠对流方式传给空气。当天花板较低,需要对流换热来使房间采暖的的地方优先选用低强度采暖器。
(11)建筑用采暖器,见图21。它是用来为正在建设的工地上工人和建筑材料供暖。它不带通风装置,仅限于用在建筑结构对燃烧产物没有限制的地方。某些建筑用呆暖器是水平管式结构,可直接被点燃,并装有大的风扇使大量的稀释空气与燃烧产物相混合。小型建筑采暖器像箱子一样,内装燃烧器及附件、热交换器和风扇。还有一些,如图21所示,把采暖器装到一个垂直的园柱体内。上有帽盖型档板,燃烧产物由筒型气缸和帽盖之间逸出,桶型气缸由燃气火焰加热,由辐射方式供周围地方采暖。这种采暖器通常是液化石油气为气源,如果使用天然气为气源时,一定要保证有临时的管道,并在保证安全条件下使用。