红外线加热炉体设计

红外线加热炉体设计红外线加热乾燥系统之开发，首先要从系统加热乾燥製程的观点来著手，以单位產品能源损耗及產品品质為依据，配合上下游的製造流程来应用红外线技术。第一考虑要件為选择适当的辐射源使在频谱分佈上能和受热物的红外线特性相吻合，第二需要热风辅助系统及通风排放系统之密切配合以帮助挥发物之排除，以避免辐射能量的传送损失，来彰显红外线加热乾燥之特殊效果，第三為传动装置的设计，使受热物能依实际需要在设计规格下得到最佳的加热乾燥成效，第四為选择最适当的控制系统以统合上述之各项装置系统，适时适量提供能量，达到最适化的加热乾燥。图2為应用红外线加热乾燥技术一般程序。(一)分析被加热物吸收特性分析被加热物吸收特性，是判断是否适用红外技术，如何应用红外技术的依据。如果被加热物在整个红外区间吸收特性极差，那麼就不能用红外加热方式，而应考虑採用微波加热、紫外加热等其它辐射加热技术或其它种类的加热手段。因此，只有那些在红外区间有较高的平均吸收率，或有几段较强烈的吸收带，或可以採用红外助吸收涂料，而且在工作温度时辐射源发出的辐射能量的主辐射波段处於红外区的被加热物体，才能採用红外技术。一般而言，有机物质，高分子物质，含水物质在红外区部有较强烈的吸收峰区，它们的加热乾燥过程都可以应用红外技术。被加热物的吸收特性可以通过三条途径了解：1.透过标準红外图谱查阅。现有的各种标準红外图谱收集了在实验室条件下测定的许多物质的红外吸收特性曲线。2.如果被加热物的成分事先并不知道，或者该物质的吸收特性在各种标準红外图谱上尚未收入。那麼，也可通过红外分光光度计来直接测定其红外吸收特性曲线。3.对一些特定种类的简单物质，可通过经验公式求取其吸收特性曲线。应该强调的是一般吸收光谱多在常温下测定，而实际物体的吸收率和辐射率一样，随温度而变，以常温辐射特性来推测高温辐射特性只是一种近似的分析。必要时应测定工作温度区间的吸收特性及其在温度区间的温度变化规律，以便掌握其动态吸收特性。(二)合理选择红外辐射源红外加热技术取得成效的必备条件是有一个良好的红外吸收体和一个与之能实现红外光谱匹配的辐射源，这样才能形成完整的红外加热技术，取得高效率传热，达到节约能源的效果。红外辐射源可分為两类：1.追求波段型光谱匹配的覆盖性红外辐射源。2.追求波长型光谱匹配的选择性红外辐射源由於配製技术上的难度和考虑使用时具备一定的宽容度以适应多种加热乾燥对象，故现在极少生產和使用选择性红外辐射源。大量推广应用的几乎都是波段型匹配的覆盖性红外辐射源。市售的红外辐射源现有红外辐射器和红外涂料两种。前者是整体的红外辐射元件。后者仅是将红外涂料涂覆在一般热源表面改造成红外辐射源。究竟选用整体的红外辐射器还是选用红外涂料，应视具体需要和条件而定。一般建造新的加热炉时多购置现成的红外辐射器產品来组装使用，改造旧有加热设备时常选用红外涂料涂覆到原有发热体表面藉以改变其辐射特性，形成红外辐射源。此外，红外元件辐射性能随著时间而衰减到一定程度时，也往往利用在其表面重新涂覆一层红外涂料的办法来恢復其强红外辐射特性。红外辐射器的种类很多，有灯式、管式、板式、带式、圈式以及其它特殊型式，不同热源的红外辐射源的结构也不同，目前最多的是电热式红外辐射器，也有以煤气、天然气、液化石油气和蒸汽為热源的红外辐射器。1.电气式红外线加热器电气红外线加热器是利用电流通过电阻而发热(焦耳效应)，高温的电阻器以辐射电磁波方式将能量传出。最常用的电阻器有钨丝与镍铬线，钨丝流通电流后温度可升高到约2200~2500C，辐射的电磁波穿透石英玻璃外壳后传至被加热物。由於钨丝升温迅速，藉由电力电子元件如硅半导体控制整流器的控制，电气放射器可快速、準确地达到预定的温度，產生所需波段的红外线，更由於钨丝可达高温，易產生高强度红外线，适合用於需要高能量密度、温度控制精确，而又响应迅速的红外线应用场合。主要有下列几种型式：(1)红外线灯泡椭圆球面内部侧面镀有反射材料，内部為钨丝，通电產生近红外线与可视光由拋物线锥面反射出来，加热效果略逊，早期汽车板金烤漆之红外线加热炉常被採用。(2)卤素红外线加热灯管(T3灯管)管状石英玻璃管内封入灯丝抽掉空气充填卤素气体，通电灯丝色温高达2500K，波长较短，属於近红外线区，投入电力约85%转换成红外线，本型加热灯管之灯丝热容量小，在电源ON-OFF的瞬间随温度上升100%，下降到室温，升温快，瞬间达到1800C之高温。在额定电压下之操作寿命為5000小时。灯管两端引线固定座需加以冷却，通常用空气或水套冷却，使它保持在300C以下，以确保使用寿命，超过300C以上引线固定座之扁平状鉬线易起氧化，在封口处之玻璃与引线之间逐渐產生空隙，使空气进入玻璃管内，最后使高温炽热之钨丝烧断，这点是在装设灯管时必须留意的事项。(3)板式远红外线加热器板式加热器是在板式的远红外线辐射体(金属板表面有远红外线涂料或陶瓷化处理两种)之内面装有电阻丝，从电阻发热体经传热以加热辐射体，再从辐射体辐射出远红外线。本型加热器之特徵為能量密度较高，不需使用反射板，均温性良妤，适用於薄且面积大的工作件，各区段温度控制容易。(4)管棒状红外线加热器管、棒状加热器之管子可為不锈钢无缝管外皮以电浆处理成红外线辐射率很高的辐射面，而内部则穿入镍铬丝，并将空隙填充入绝缘物如氧化镁之类，以增加温度之均匀性，两端通电即发出远红外线。另外管子也有採用石英管(中波红外线)及陶磁管，管内放置镍铬线，通电后发出红外线来加热工件。各种加热器选择依工件之吸收特性，操作条件来选定。2.燃气式红外线加热器(1)多孔性陶瓷板燃烧器(SchwankBurner)多孔性陶瓷板燃烧器最早由德国希班克公司发展出来，陶瓷板其上有许多小的火孔。燃烧器工作时，燃气-空气混合物以很小的速度(0.1~0.14米/秒)由火孔逸出进行无焰燃烧，点火后，约40~50秒后陶磁板表面温度便可达到800~900C，暗红的陶瓷表面即產生近红外线，有约45%能量会转变成红外线。此种红外线波长(2~6m)最易被物质分子、高分子吸收，吸水性特强，最能节省能源。适用於食品如烤猪、鸡、鱼肉等。本型燃烧器国内已有数家在生產，每只容量在数百~5700kcal/h之间，强度约80kW/m2。(2)强力瓦斯红外线加热器类似多孔性陶瓷板燃烧器但面积较大，燃料与空气预先混合后再供给燃烧器，这一点与多孔性陶瓷扳燃烧器不同，混合气之均匀性较妤，燃烧器為耐高温多孔陶瓷板，发射波长较多孔性陶瓷板燃烧器更短之红外线，由工件之温度测定，经温度控制器、混合气流量控制阀，以达到温度控制之目的。本型加热器单位面积上的发出辐射线强度可达140kW/m2，几乎為多孔性陶瓷板燃烧器之2倍，适用於粉体涂装乾燥。(3)远红外线管式加热器加热器形状為长立方体，内排列辐射管其后面為反射板。辐射管採用耐热钢管，钢管外层表面為经陶质化处理过之高辐射率材料，各辐射管前面通气口设有燃烧器及点火系统，尾端连接排气出口至排风机。(4)远红外线板式加热器加热器形状為长立方体，辐射板採用耐热钢板，板之表面经陶质化处理之高辐射率材料，有平面及波浪形，厚度0.3~3mm，宽1米，长3米，通常辐射板之热气通道30mm，通道中间以Z型不锈钢补强并区隔两面之钢板，以确保通道尺寸之正确性与防止受热引起之变形，热板通道内之风速维持在10~15m/sec，以15m/sec為优可减少热板表面温度梯度，目前热板表面温度在450C以内，使用热风由共通之热风產生器供应数组之加热器用。本型加热器可用於木器、电著涂装品、食品等对水及高分子物质之加热加工极為适用。上述各类加热器之特徵可归纳如表3。表3各种电热、红外线热源之特徵种类特性钨丝镍铬线低温型面版加热器灯泡T3石英管石英管金属管热源温度范围3000~4000F3000~4000F1400~1800F1000~1400F400~1100F亮度透白透白樱桃红暗红看不到可见光最大能量的波长1.15~1.5m1.15~1.15m2.6~2.8m2.8~3.6m32~6m热机时间冷机时间几秒几秒几秒几秒几秒几秒几分几分十几分十几分机械性耐热震差差好优越好优越优越优越非常好非常好平均寿命(小时)5,00010,00020,000(三)辐射元件的表面工作温度选择史蒂芬-波兹曼定律说明物体的全辐射量与表面的绝对温度的四次方成正比，即元件表面温度越高，辐射能量越大(W=T4)。辐射器表面温度与主辐射波长的相互关係可由维恩定律估算，根据维恩定律(Mt=2898)，随著辐射元件的表面温度升高，其单色辐射强度的峰值波长要向短波方向移动，确定它们的主要依据是主辐射波段内能量的大小和被加热物质的吸收特性。為了发挥红外加热技术的优点，必须控制好加热温度，使元件发出的辐射能主要分佈在被加热物质的吸收波长区域内。辐射源表面温度选择还应随被加热物的红外特性的差异而不同，须根据具体的吸收光谱。对於含水物质和含有-OH基或-NA基的物质，如粮食、食品、纺织品、木材以及氨基漆，电工漆等，在3m附近都有强烈吸收峰，因此辐射源表面偏高一些為宜，一般在550~600C；而对於只在3.5或5以上才有强烈吸收峰的物质，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等塑料和防腐沥青漆及其它油漆等，辐射器表面温度以400~500C為宜。总之，应令辐射曲线的峰值儘可能与被加热物质的最强烈的吸波段相匹配。1.辐射元件放热在加热装置中，辐射元件升温后以辐射、对流、传导三种形式向外放热。一般经传导放热的比例很小，而经对流和辐射放热的比例取决於辐射元件的表面温度、加热装置内空间平均温度、辐射元件的辐射层物质的全辐射率、辐射元件的佈置及形状、气流状态与速度等条件。以传热学基本公式得知，辐射元件经对流放出的热量為Q对=hA(t1-t2)1.25(千卡/时)………(4)式中h為自然对流放热係数；放热面朝下时，h=1.4；放热面朝上时，h=2.8；放热面垂直时，h=3.2；简化计算时，h=2.2；A=放热面积(米2)；t1=辐射元件表面温度(C)；t2=加热装置中的空间平均温度(C)。元件经辐射放出的热量為式中=辐射元件表面层在温度為T1时的全辐射率；T1=元件表面温度(K)；T2=被加热物表面温度(K)；A=发热元件表面积(米2)。根据式(4，5)可计算出对流热与辐射热的比值，当(1)辐射元件温度低於150C时，放出的热量中对流热高於辐射热。随著T1升高，对流热此值Q对/Q辐减小。(2)若T1恒定，随著T2升高，对流热与辐射热之比值逐步减小。(3)就热的传输效能而言，对流传热只能达到被加热物的表面，而辐射则可穿入工件一定深度，且对流传热速度又远低於辐射传热。所以Q对/Q辐值越小，就越能加速热的传递，而提高传热效率。但对流传热可以弥补辐射传热使工件受热不匀的缺点，因此在加热过程中适当的提高对流所占的比例也是有益的。2.辐射元件表面温度选择辐射元件的表面温度选择，可根据Q对/Q辐的比值和加热炉所需的空间温度来选取合适的表面辐射温度。实验表明，当辐射元件表面温度在400~600C之间时，对流热与辐射热的比例较為适合。同时辐射通量也较高。对於在3附近有强烈吸收峰的物质来说，元件的表面温度建议在600~800C较好。对於5以上有大量吸收峰的物质，红外元件的表面温度在400~600C為宜。一般元件的表面温度随表面负荷的增加而增加，但并非线性关係。不同材质和形状的辐射元件其表面负荷与表面温度的关係也不相同，辐射元件的最佳工作温度应根据其本身材质、形状及工作部位等条件，透过实验决定。在实际使用中，為了提高效率，减少对流热损失，其温度不应低於400C，使对流散热比例在50%以下。(四)红外加热炉设计1.乾燥炉长度的确定固定式乾燥炉的长度，主要取决於炉内一次乾燥工件的批量。而隧道式的乾燥炉长度為：L=t·v其中L為乾燥炉长度(m)；t是乾燥时问(min)；v是工件移动速度(m/min)；而乾燥所需时间与辐射强度、辐照距离、物质吸收係数、尺寸、比热、重量、环境温度等许多因素有关，最好先做一个小型模拟实验确定。工件移动速度一般由输送带的传送速度确定。但為了设计