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紅外線加熱干燥技術(shù)

加熱干燥設(shè)備的目的在於滿足工作或介質(zhì)的加熱程序要求，如鋼錠的加熱、金屬材料的熱處理、含濕材料的烘干、漆膜的加熱固化、高分子材料硫化、以及鍋爐水介質(zhì)的加熱氣化等等，任何加熱系統(tǒng)都不可避免熱損失。加熱時(shí)間的縮短，加熱程序的簡(jiǎn)化，意味著能源的節(jié)約，因?yàn)楦鞣N熱損失大多是隨時(shí)間而成正比。在滿足受熱物加熱要求的前提下強(qiáng)化加熱系統(tǒng)增加被加熱物的傳熱速度，以縮短加熱時(shí)間是節(jié)能的有效途徑。在加熱干燥的過程中，同時(shí)有兩個(gè)現(xiàn)象在進(jìn)行著，熱傳與質(zhì)傳，熱傳提升濕料的溫度，增加其水分或溶劑的流動(dòng)性，并蒸發(fā)水分或溶劑，質(zhì)傳促使內(nèi)部水分或溶劑向表面移動(dòng)，以進(jìn)行蒸發(fā)。加熱干燥的方法，依熱能由熱源傳送到物料的方式概分為三大類：傳導(dǎo)、對(duì)流與輻射加熱。實(shí)際的傳熱很少是以傳導(dǎo)、對(duì)流或輻射的單一傳熱方式進(jìn)行，大多是二種或三種傳熱方式共存的綜合傳熱。一般，輻射傳熱與對(duì)流傳熱總是綜合發(fā)生的。以三種基本傳熱方式角度來考慮，其可行節(jié)能途徑如表1。

表1 傳熱節(jié)能的若干技術(shù)途徑

傅熱方式強(qiáng)化傳熱的若下途徑

傳導(dǎo) 1. 選擇良導(dǎo)熱材料2. 條件允許下，儘可能減少層數(shù)和減薄厚度3. 增大傳導(dǎo)傳熱面積4. 提高熱面溫度

對(duì)流 1. 適度增大流體流速2. 改間接對(duì)流為直接對(duì)流3. 擴(kuò)大對(duì)流傳熱面積4. 提高高溫流體或固體溫度

輻射 1. 提高輻射源輻射率值2. 提高吸收體吸收率3. 增加輻射源表面積4. 增大視角因子數(shù)值5. 提高輻射源表面溫度6. 實(shí)現(xiàn)光譜匹配傳熱

綜合同上綜合

工業(yè)加熱與干燥的方法很多，自能源危機(jī)以來，世界各國為提高能源使用效率與發(fā)展能源多元化，紛紛研發(fā)各種節(jié)約與替代能源技術(shù)，其中輻射加熱干燥由於方法的特殊性，被證實(shí)為最有效率的加熱與干燥技術(shù)之一，而被廣泛地用於取代傳統(tǒng)的熱風(fēng)式加熱與干燥系統(tǒng)。輻射加熱與干燥包括紅外線、紫外線、微波/射頻、電子束與雷射等，其中紅外線加熱干燥是利用電磁輻射熱傳原理，以直接方式傳熱而達(dá)到加熱干燥物體的目的，從而避免加熱熱傳媒體導(dǎo)致的能量損失，有益能源節(jié)約，同時(shí)紅外線因有產(chǎn)生容易，可控性良妤等特質(zhì)，而有加熱迅速、干燥時(shí)間短、生產(chǎn)力提高，產(chǎn)品品質(zhì)改進(jìn)及設(shè)備空間節(jié)省等優(yōu)點(diǎn)，因此自1970年后期以后，美、歐、日等國工業(yè)界無不積極埋首研發(fā)紅外線工業(yè)技術(shù)，生產(chǎn)高效率紅外線加熱干燥系統(tǒng)與設(shè)備，與推廣紅外線工業(yè)應(yīng)用，以爭(zhēng)取工業(yè)生存空間。表2列出紅外線加熱干燥之工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域(1)。紅外線是一種熱輻射，在國防工業(yè)上主要被當(dāng)成信號(hào)處理，在一般工業(yè)中則被用於大功率的能量傳輸媒介。

電磁波波長(zhǎng)范圍很大，電磁波中僅可見光能為人的肉眼所見。一般只有紅外線、可見光及紫外線對(duì)物質(zhì)有較強(qiáng)的熱輻射行為，因此人們也稱它們?yōu)椤笩嵘渚€」。紅外線的波長(zhǎng)區(qū)間大致為0.75至1000m，因其波長(zhǎng)位於紅色光波長(zhǎng)(0.6m至0.75m左右)外而得名。在低於2000C的常規(guī)工業(yè)熱工范圍內(nèi)，紅外線是最主要的熱射線。人們有時(shí)將紅外線又劃分為「近紅外」、「中紅外」、「遠(yuǎn)紅外」等若干小區(qū)間，所謂的遠(yuǎn)、中、近，是指其在電磁波譜中距紅色光的相對(duì)距離遠(yuǎn)近而言。紅外輻射屬於熱輻射，熱輻射的若干基本概念與定律(2)均適用於紅外輻射傳熱過程。

(一)吸收、反射和透過

一束熱射線投射到某物體表面時(shí)，其一部分為物體所吸收，另一部分被該表面所反射，還可能有一部分透過物體繼續(xù)向前傳。物質(zhì)吸收的輻射能量與入射能量的比值叫吸收率，採用紅外線加熱是否有效，主要取決於被加熱物體的吸收程度，吸收率越高，紅外線輻射效果就越好。而吸收率取決於被加熱物質(zhì)的類別、表面狀態(tài)、紅外線輻射源的波長(zhǎng)等。物質(zhì)反射的輻射能量與入射能量的比值叫反射率，不同材料和不同表面狀況的反射率各不相同。物質(zhì)透過的輻射能量與入射能量的比值叫穿透率，穿透率隨材料的性質(zhì)及厚度不同而變化。不同材料的有效穿透范圍也不一樣。通常把非透明材料的穿透率看作零。一般金屬晶體十分緻密，透過表面的電磁輻射能在很短的距離內(nèi)迅速衰減，因此熱輻射對(duì)金屬的穿透深度在微米數(shù)量級(jí)上。而非金屬材料分子結(jié)構(gòu)不很緻密，在常溫下不同非金屬物質(zhì)各自具有特徵振動(dòng)頻率，因此當(dāng)入射的電磁波到達(dá)界面時(shí)，電磁波很少被反射，較易穿過界面進(jìn)入表層，有些激起共振變?yōu)闊崃浚行┎荒芗て鸸舱竦膭t受到折射、散射和反射作用。由於實(shí)際物體都不是單一結(jié)構(gòu)的單純物質(zhì)，故有些未被表層吸收的輻射波，在深入過程中還會(huì)被其它物質(zhì)的共振而不同程度地加以吸收。只有在穿過全部厚度時(shí)，未破吸收的那部分輻射能量才能透過。因此非金屬的穿透深度比金屬的要高。應(yīng)當(dāng)注意，、、不僅取決於被照射物體本身的屬性、結(jié)構(gòu)形狀等，而且也與輻射源的溫度及輻射光譜等有關(guān)。

(二)普朗克定律

普朗克定律描述了黑體輻射能量的光譜分布，即黑體表面的單位面積在單位時(shí)間內(nèi)，單位波長(zhǎng)區(qū)間上的輻射強(qiáng)度分布，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中Wb為黑體光譜輻射強(qiáng)度[kJ/(m2 • m • h)]；Ci為第一輻射常數(shù)[kJ/m2/h]=3.217710-6；為波長(zhǎng)(m)；C2為第二輻射常數(shù)(m • K) = 1.4338104；T為黑體表面絕對(duì)溫度(K)；k為波茲曼常數(shù) = 1.380 10-23 J•K-1。

(三)維恩定律

從式(1)可知，Wb = f( • T)，故對(duì)於任一確定了溫度T的黑體輻射面，有Wb•T=fT()，令dWb•T/d = 0所求得的值就是對(duì)應(yīng)於該溫度下的最大光譜輻射強(qiáng)度Wbm的峰值波長(zhǎng)m，即有：

mT = 2898(m • K)…………………………(2)

維恩定律表明了黑體的表面溫度T與其峰值波長(zhǎng)m的乘積是一常數(shù)，這說明溫度升高時(shí)，峰值波長(zhǎng)m必將向短波長(zhǎng)力-向移動(dòng)。

表2 紅外線加熱與干燥各種工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)類別紅外線用途工業(yè)產(chǎn)品(生產(chǎn)目的)

金屬涂裝工業(yè) 涂裝干燥汽機(jī)車、自行車、玩具、電腦、冰箱、烤箱、微波爐、辦公桌椅、運(yùn)動(dòng)器材、船舶、農(nóng)工業(yè)機(jī)械等。

金屬加工工業(yè) 預(yù)熱金屬零件焊接、成型、鑄模預(yù)熱。

加熱鋁、鈦合金超塑性成型與熱處理，零件焊接后熱應(yīng)力消除，退火，工業(yè)油污清除，表而黏著技術(shù)錫焊，金屬管接頭接合等。

電子工業(yè) 干燥印刷電路板，電阻，電容等。

電線電纜工業(yè) 干燥絕緣凡立水，絕緣橡膠加硫。

電鍍工業(yè) 干燥鋁合金陽極處理鋁門窗，汽車零件等之干燥，電子零件電瓶等之水分去除。

塑膠工業(yè) 加熱膠布軟化，膠布?jí)夯ǎz布發(fā)泡等。

涂裝干燥電視機(jī)，收錄音機(jī)，電腦監(jiān)視器外殼之低溫涂裝。

造紙工業(yè) 干燥紙漿，紙張，紙器摺邊黏著，壁紙發(fā)泡等。

印刷工業(yè) 干燥印刷油墨快干。

木器工業(yè) 干燥傢俱，合板，鋼琴，吉他，古箏等之涂裝。

紡織工業(yè) 干燥不織布、印花布之定型，地毯背膠，布匹染整定型。

玻璃工業(yè) 干燥映像管之表面涂裝，玻璃淬火。

民生工業(yè) 加熱暖房，三溫暖，食品殺菌，食品調(diào)理，藥品消毒。

干燥膠、皮鞋等之膠水烘干，皮羊、茶葉、食品等干燥。

(四)史蒂芬—波玆曼定律

對(duì)普朗克定律進(jìn)行從零至無窮大的全波長(zhǎng)區(qū)間的積分，便可得到描述黑體全輻射強(qiáng)度Wb的史帝芬--波玆曼定律：

式中稱為史蒂芬--波茲曼常數(shù)。

(五)照度定律(負(fù)二次方定律)

照度定義的意義是在點(diǎn)光源垂直照射的情況下，被照射面上的照度與光源的發(fā)光強(qiáng)度成正比，與光源到被照射面之間的距離平方成反比。此定律只適用於點(diǎn)光源，光源越小或被照射面距離光源越遠(yuǎn)，計(jì)算結(jié)果也就越接近實(shí)際情況。

(六)灰體與選擇性輻射體

根據(jù)單色輻射率的變化規(guī)律，可以將輻射體分為三類，

1. 黑體， = = 1

2. 灰體， = < 1

3. 選擇性輻射體，值隨波長(zhǎng)而變化。

黑體和灰體都是理想化的物體，實(shí)際物體是大小不一帶有選擇性的輻射體與吸收體。但是，許多工程材料在工業(yè)熱工范圍內(nèi)呈現(xiàn)接近灰體的輻射與吸收特性，工程上允許將它們近似視為灰體處理。然而對(duì)於有機(jī)物等強(qiáng)選擇性輻射與吸收物質(zhì)，工程上也不能視為灰體，否則會(huì)引起很大的誤差。在工業(yè)熱工溫度區(qū)間，針對(duì)紅外輻射，工程材料具有如下特性：

1. 非導(dǎo)電材料的全輻射率值大於導(dǎo)電材枓的值。

2. 金屬及其他導(dǎo)電體的全輻射率值隨溫度上升而增大；非導(dǎo)電體，如一般耐火材料和建筑材料的全輻射率值隨溫度升高而降低，但耐火材枓等的值在1400C以上時(shí)又變?yōu)殡S溫度上升而增大。

3. 輻射體表面越粗糙其微觀表面積越大，全輻射率值越高。

4. 氧化后的金屬表面之全輻射效率值將成倍增加。

(七)克希荷夫定律

克希荷夫定律是指在輻射能傳輸過程中，任何物體對(duì)黑體輻射出的任一波長(zhǎng)的熱射線的單色吸收率等於同溫度下該物體在同一波長(zhǎng)的單色輻射率。灰體的全吸收與同溫度下的全輻射率相等。近似灰體的工程材料，也可近似認(rèn)為在同溫度下的全輻射率和全吸收率相等。對(duì)於黑體b=b=1；對(duì)於灰體=<1，這說明任何材料的輻射率等於同溫度下的吸收系數(shù)，亦即，好的吸收體必然是一個(gè)妤的發(fā)射體。對(duì)於非透明材枓， = 0，則有 = 1 - ，金屬的發(fā)射率很低，但是它隨著溫度的升高而增加，并且當(dāng)表面形成氧化層時(shí)，可以10倍或更大倍數(shù)增加。

(八)實(shí)際物體吸收率影響因素

實(shí)際物體的全吸收率值較之全輻射率值要復(fù)雜一些。實(shí)際物體全吸收率取決於本身情況和投入熱射線的波長(zhǎng)分布。吸收物體的本身情況包括吸收物的種類；吸收物表面溫度；吸收物表面粗糙狀態(tài)；選擇性吸收程度等。許多實(shí)際物體對(duì)不同波長(zhǎng)的入射熱射線的單色吸收率是不相同的。熱射線的波長(zhǎng)能量分布取決於輻射表面溫度，輻射表面粗糙狀況和單色輻射率的選擇性程度等因素。

紅外線之市場(chǎng)現(xiàn)況

紅外線加熱干燥技術(shù)是利用紅外線輻射加熱的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)各種不同的受熱線加熱干燥技術(shù)的應(yīng)用最早出現(xiàn)於1938年福特汽車公司利用紅外線電燈泡去干燥汽車烤漆，此是工業(yè)界第一椿紅外線加熱干燥技術(shù)的實(shí)例應(yīng)用。在當(dāng)時(shí)由於技術(shù)并不太成熱，紅外線技術(shù)并未受到重視。1973年石油危機(jī)后歐、美、日的能源意識(shí)抬頭，工業(yè)界紛紛研發(fā)紅外線的創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用，并將日趨成熟的技術(shù)應(yīng)用在各種工業(yè)加熱干燥製程上。為推展紅外線加熱干燥技術(shù)的研發(fā)與推廣，英國電力諮詢委員會(huì)成立特別部門及其所屬研發(fā)單位和設(shè)施民營化，成立公司繼續(xù)推動(dòng)其工業(yè)上的應(yīng)用。美國則由電力研究所主導(dǎo)，成立幾個(gè)製程研究中心，建立示范系統(tǒng)推動(dòng)其應(yīng)用。根據(jù)EPRI在1987年的調(diào)查報(bào)告(3)，歐洲當(dāng)年的紅外線設(shè)備銷售額約有7千到8千萬美元，而美國則約4千至5千萬美元，但每年以10~12%的比例成長(zhǎng)中，依此推估歐洲、美國在1995年紅外線設(shè)備銷售額應(yīng)可分別達(dá)17億及11億美元，目前在美國有關(guān)紅外線應(yīng)用上的製造公司，均屬中、小企業(yè)，公司人數(shù)約在150到350人之間，非常適合國內(nèi)的工業(yè)情況。而在日本從事紅外線相關(guān)事業(yè)的企業(yè)多達(dá)3、4千家，相關(guān)產(chǎn)品主要用於產(chǎn)業(yè)加熱、暖房、食品調(diào)理及干燥、健康美容、感測(cè)器、纖維等領(lǐng)域，其中以產(chǎn)業(yè)加熱、健康美容最多，主要基於增進(jìn)生產(chǎn)效率及節(jié)約能源考慮與日本社會(huì)高齡化對(duì)健康日益受重視有關(guān)，兩者約佔(zhàn)總市場(chǎng)比率60%以上，其中製程加熱設(shè)備約佔(zhàn)40%，此領(lǐng)域在1990年可達(dá)11億美元，且從1987到1989整個(gè)市場(chǎng)年成長(zhǎng)率皆超過30%(4)推估，日本於公元1995年製程加熱設(shè)備可達(dá)40億美元，日本通產(chǎn)省產(chǎn)業(yè)局有鑑於此，於公元1990年邀集旭硝子、新日住友金屬、東京瓦斯、日本礙子、松下電器等多家企業(yè)成立「紅外線產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)」，全面推動(dòng)各種紅外線商品化技術(shù)。而在大陸地區(qū)在1992年從半紅外線加熱元件和系統(tǒng)設(shè)備的廠家也迄200多家，年產(chǎn)值已超過3千萬美元(5)。

國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)界大約在1985年左右開始零星引進(jìn)紅外線放射器，組裝加熱與干燥爐來使用，也有與國外合作製造陶瓷電氣紅外線放射器，推出至國內(nèi)市場(chǎng)。更積極者如中國生產(chǎn)力中心、積極聘請(qǐng)日本遠(yuǎn)紅外線協(xié)會(huì)專家來臺(tái)技術(shù)傳授，推廣紅外線應(yīng)用，甚至與產(chǎn)業(yè)界合作於1991年11月成立「遠(yuǎn)紅外線技術(shù)應(yīng)用協(xié)會(huì)」以促進(jìn)紅外線技術(shù)的應(yīng)用，但是卻以推銷日本產(chǎn)品為主，經(jīng)濟(jì)部能源委員會(huì)有鑑於節(jié)約能源技術(shù)及加熱干燥之耗能在工業(yè)製程上的重要性，且預(yù)估用於加熱干燥的耗能量將持續(xù)增加，乃自民國80年開始委託能資所進(jìn)行有系統(tǒng)的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用國內(nèi)紅外線加熱干燥省能技術(shù)。根據(jù)工研院能資所1992年完成的調(diào)查報(bào)告(6)顯示國內(nèi)紅外線干燥設(shè)備可達(dá)7億美元以上的產(chǎn)值。目前國內(nèi)工業(yè)界部分進(jìn)口國外昂貴的紅外線設(shè)備，但因操作技術(shù)問題，產(chǎn)品品質(zhì)仍舊落后國際水準(zhǔn)；另一部分業(yè)者則採購國產(chǎn)設(shè)備，自行組裝紅外線爐使用，由於1.對(duì)被加熱工件之紅外線吸收特性無法掌握，常因工件材質(zhì)稍異造成產(chǎn)品品質(zhì)迴異的情形，2.製作技術(shù)不足，無法產(chǎn)製高放射率的紅外線放射器，形成能源浪費(fèi)，3.儀器設(shè)備不足，無法確知紅外線放射器的輻射性質(zhì)，造成銷售瓶頸，4.溫度控制不夠精確，造成產(chǎn)品品控困難，在以上情況之下，業(yè)界常苦於無法發(fā)揮紅外線設(shè)備應(yīng)有之效率，因比預(yù)期紅外線技術(shù)在國內(nèi)的前途應(yīng)是十分看好。

紅外線加熱優(yōu)勢(shì)及效率

紅外線干燥加熱方式在近幾年來則以驚人的發(fā)展速度被接受，并被實(shí)際使用於各層次，主要是紅外線干燥方式有下述之優(yōu)點(diǎn)：

1. 具有穿透力，能內(nèi)外同時(shí)加熱。

2. 不需熱傳介質(zhì)傳遞，熱效率良好。

3. 可局部加熱，節(jié)省能源。

4. 提供舒適的作業(yè)環(huán)境。

5. 節(jié)省爐體的建造費(fèi)用及空間，組合、安裝及維修簡(jiǎn)單容易。

6. 干凈的加熱過程。

7. 溫度控制容易、且升溫迅速，并較具安全性。

8. 熱慣性小，不需要暖機(jī)，節(jié)省人力。

因?yàn)榧t外線加熱其有上述優(yōu)點(diǎn)，因比獲得高效率高均一性的加熱是可能的進(jìn)而獲得高品質(zhì)的產(chǎn)品，圖1是以紅外線加熱而產(chǎn)生之種種具體效果圖(7)。

而加熱設(shè)備安裝后，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需了解有效能量與供給量的關(guān)係，這稱為熱平衡計(jì)算以確定熱設(shè)備對(duì)能源有效利用程度、經(jīng)濟(jì)效益及技術(shù)水平的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。確定設(shè)備熱效率的方法有兩種：

1. 直接法：它是直接通過有效能量和供給能量的測(cè)定和計(jì)算確定。

= (Qe/Qi) 100%

2. 間接法：是通過QLOSS損失能量和供給能量的測(cè)定和計(jì)算間接確定熱效率。

= (1 – QLOSS/Qi) 100%

其中Qe是有效能量，Qi是供給能量，QLOSS是損失能量。在理論上，這兩種方法完全相同，但實(shí)際應(yīng)用中受到測(cè)試條件和測(cè)試精度的限制，兩者對(duì)同一對(duì)象的測(cè)定值會(huì)有誤差。對(duì)於具體熱設(shè)備，可按測(cè)試目的及精度要求，以決定選用方法。一般加熱設(shè)備熱效率不僅與爐的形狀、運(yùn)輸方法有關(guān)，還隨被加熱物的種類、生產(chǎn)量、加熱溫度的不同而有差異。因此，對(duì)於連續(xù)式加熱設(shè)備，所謂熱效率是指其處於熱穩(wěn)定情況下的熱效率，即量測(cè)加熱設(shè)備熱效率過程中，溫度基本保持不變，即T/t = 0，這時(shí)熱設(shè)備既不吸熱亦不放熱。由於熱設(shè)備正逐漸朝向大型化發(fā)展，其吸、放熱蓄熱量大，放應(yīng)強(qiáng)調(diào)T/t始終為零。實(shí)際上，運(yùn)轉(zhuǎn)中很難達(dá)到，但應(yīng)接近零。即儘量維持熱設(shè)備各參數(shù)變化保持最小范圍內(nèi)。而熱設(shè)備效率是對(duì)一定大小的熱設(shè)備而言，爐體大小對(duì)熱效率也有影響，只有在相同基礎(chǔ)上明確熱效率才具有相互可比性，而批次式或週期作業(yè)的熱設(shè)備，一般計(jì)算一個(gè)作業(yè)週期的週期熱效率。