高速脈衝火焰鍍鍍鋅爐的原理

作者：Russell W. Patterson, 翻譯/校稿：石磊

高速脈衝鍍鋅爐的基本原理是很簡單的。高速燃氣或燃油之燃燒器裝置在鍍鍍鋅爐的對角線角落上，燃燒空氣經煙道連續環繞於鋅鍋外，燃燒機所輸出的功率每秒可達500m/秒，因為高速的熱燃氣在鍍鋅爐內重複的循環，可均勻的熱傳導將熱量傳送至鋅鍋每個有效點。同時，這股循環的熱流吸收燃燒機局部的熱，均勻的重新分配在鍍鋅爐周圍。由上到下，前到後，故得到高效率運作且均勻的熱傳導。

在考慮鍍鋅爐效能之前，關於鋅鍋的熱分配，讓我們舉個基本的模型，一個長33’× 寬4’的鍍鋅爐，每小時輸入4,000,000 Btu，生產能力每小時22,000 lbs。燃燒器出口溫度比煙道出口高出1,470℉，然而燃燒氣和鋅鍋的溫度差異卻可控制在200 ℉內。先前的觀察知道原理固然簡單，但一個鍍鋅爐實際上的設計是複雜的。須考慮到煙道寬度的變異、燃燒機的大小、燃燒機放置的精確位置、最佳的燃燒機安全傳導範圍，避免隔熱材料的損失。依照實際經驗和理論，這麼多的因素必須在設計過程中被考慮進去。

大家都了解實際技術和經驗的重要性，其取決於在一段長時間下鍍鋅爐的大範圍。但是理論值也是不可或缺的。高速鍍鋅爐和鋅鍋大小非常地不同，要求的產量速度也不同。這種設計是決定於一個大變量，所以每個新的高速鍍鋅爐都有可能需要一個量身訂做的設計，甚至有些還不能只靠實際經驗就能達到的。此外，Western Technology在高速鍍鋅爐設計上的創新和進步已經越來越接近理論了。未來還會朝向更深、更寬或是特殊的鍍鋅爐設計。

熔爐效率
在熔爐效率上，鍍鍍鋅爐的設計是值得費心去達到理論觀點，因此常是困擾的來源。這個觀點是以煙道溫度作為系統效率的計算。在易燃的極限範圍內，當氣化狀的燃料和空氣融合時，會釋放出熱量，而燃燒效率應回歸於燃氣可能產生的總熱值，一般天然氣熱值約為955Btu/ft3，在正常環境下只有其中的90％可以使用，其餘的10％在燃燒過程中產生蒸氣時消失了。剩餘的90％熱量中，有些會從鍍鋅爐的隔熱材料消耗，或是從煙道所消耗，因為絕熱的損耗非常少，所以我們就定義系統效率為輸入的熱值以及實際傳送到鍍鋅爐熱值的百分比。系統的效率取決於如何避免過量的空氣在燃燒時進入。燃料的完全燃燒是不可能的，若要達到鋅浴的溫度在840℉，煙道溫度就不能小於840℉，從這些數據可知，我們可以計算出理論上天然氣燃燒所獲得的最高效率為74％。

高速脈衝火燄鍍鍍鋅爐的煙道溫度，依照鋅鍋尺寸不同、產量不同而有變化，而且煙道溫度比鋅浴溫度高，但不超過360℉。另外，過多空氣進入的控制，使得鍍鋅爐效率界在65％~70％之間。為了盡可能的減少成本，所以一定要有再生系統。

減少鋅鍋耗損的設計理論
Western Technology已經完成在熱力學、流體在氣流下的基本關係和高速熔爐的熱對流的重大研究。隨著一些可利用的材料發表，許多研究已經從使用基礎的方程式去演算出一套複雜的多維數學模型。模型的範圍從簡單的動量互動到結合輻射能的影響和gray燃氣複合面系統的對流。專利的編制方程的使用，加速研究，在短時間內盡可能執行冗長的計算設計。Western Technology使用的設計程式也制定了一套從運作中的高速鍍鍍鋅爐觀察所得的大量資料搜集來的資料庫。這些資料不僅提供對於純粹理論性的腐蝕因素，以及確認完全結合的設計方程的正確性。在這個方式下，我們可以將三個燃料效能的標準、鋅鍋的低磨損和上升暖氣流的能量作為目標。而第四個標準『常溫鋅浴』，也必須調查高速鍍鍍鋅爐的控制需求。

溫控系統
提供最大熱量輸入條件給鍍鋅爐，是第一個考慮的因素，換句話說，大部分的時間，燃燒器需高段加熱，剩餘的時間也必須有低段加熱。短時間爆發的高段加熱比持續的中段加熱有更多的優點在。像是在最大熱值輸入條件下，這種高低段混合加熱的方式，有效的減低鋅鍋的耗損。鋅鍋的耗損也是必須被考慮的，不只是鍍鋅爐過熱的溫度，加上過熱發生的時間長短。持續不斷的中段加熱有兩大的問題：
1. 較低段的燃燒機動力，會引起較低速的空氣流動，然而接近燃燒機的鍍鋅爐保護會耗損。
2. 鋅鍋在燃燒機附近一段長時間後會腐蝕，即便有一段距離，還是容易腐蝕。因此，高低段加熱的燃燒機是高速脈衝鍍鍍鋅爐較好的模組，當然也須考慮一般的控制方法。

常見的高低溫控制系統不當的幾個理由
一般高低溫系統的運作：鋅浴的溫度由熱電偶測得訊號，而溫控系統由電子訊號傳送ON\OFF。當溫度上升直到超過事先預設的最高溫，燃燒機會自動地耗損它的最小設定。當鋅浴溫度破壞事先設定的最低溫，燃燒機的輸出會增加到最大設定。但由於轉換上的延遲影響，實際上此系統由於鋅浴溫度呈正弦型態改變-連續的上下震盪，甚至密集地溫度極值轉換，急增或急降是不可避免的，對熱浸鍍鋅業者而言是很難去達到很一致的產品。事實上，從一個控制的觀點來看，為了維持小變動的鋅浴溫度，輸入高速熔爐的功率必須在最大和最小輸出功率之間。然而，燃燒機輸入功率的任何調整和對高低段加熱的熔爐裝備都是及時的改變。Western Technology已經利用了在特定的熱輸入方程式中以時間為調整變數，而不是燃燒機的輸入控制系統來消除矛盾。由於這是個高速脈衝系統，燃燒機的輸入是採取在低火焰和高火焰之間的常數週期方形波。在這種波形下，高焰的最高點稱作脈衝，輸入熔爐的特定功率被時間區間內高火焰脈衝變化的所調整。因此波的週期被固定，脈衝波增長或縮短的影響分別是提供較大或較小的輸入功率，及符合鍍鋅產量速度的改變。Western Technology利用控制技術平台去管理高焰脈衝以達到鋅浴溫度的要求。所以我們想重申這不是一個普遍的控制系統，而是獨一無二且有效的Westech熔爐。

結論
總結來說，我們相信這種的鍍鍍鋅爐廣泛地滿足所有時期，現今所有成功的鍍鍍鋅爐系統準則是提供在理論與實驗上確實、耐久及有效率的熱鍍鍍鋅爐。