红外线加热乾燥技术

　　加热乾燥设备的目的在於满足工作或介质的加热程序要求，如钢锭的加热、金属材料的热处理、含湿材料的烘乾、漆膜的加热固化、高分子材料硫化、以及锅炉水介质的加热气化等等，任何加热系统都不可避免热损失。加热时间的缩短，加热程序的简化，意味著能源的节约，因為各种热损失大多是随时间而成正比。在满足受热物加热要求的前提下强化加热系统增加被加热物的传热速度，以缩短加热时间是节能的有效途径。在加热乾燥的过程中，同时有两个现象在进行著，热传与质传，热传提升湿料的温度，增加其水分或溶剂的流动性，并蒸发水分或溶剂，质传促使内部水分或溶剂向表面移动，以进行蒸发。加热乾燥的方法，依热能由热源传送到物料的方式概分為三大类：传导、对流与辐射加热。实际的传热很少是以传导、对流或辐射的单一传热方式进行，大多是二种或三种传热方式共存的综合传热。一般，辐射传热与对流传热总是综合发生的。以三种基本传热方式角度来考虑，其可行节能途径如表1。
表1 传热节能的若干技术途径
傅热方式 强化传热的若下途径
传导 1. 选择良导热材料2. 条件允许下，儘可能减少层数和减薄厚度3. 增大传导传热面积4. 提高热面温度
对流 1. 适度增大流体流速2. 改间接对流為直接对流3. 扩大对流传热面积4. 提高高温流体或固体温度
辐射 1. 提高辐射源辐射率值2. 提高吸收体吸收率3. 增加辐射源表面积4. 增大视角因子数值5. 提高辐射源表面温度6. 实现光谱匹配传热
综合 同上综合
工业加热与乾燥的方法很多，自能源危机以来，世界各国為提高能源使用效率与发展能源多元化，纷纷研发各种节约与替代能源技术，其中辐射加热乾燥由於方法的特殊性，被证实為最有效率的加热与乾燥技术之一，而被广泛地用於取代传统的热风式加热与乾燥系统。辐射加热与乾燥包括红外线、紫外线、微波/射频、电子束与雷射等，其中红外线加热乾燥是利用电磁辐射热传原理，以直接方式传热而达到加热乾燥物体的目的，从而避免加热热传媒体导致的能量损失，有益能源节约，同时红外线因有產生容易，可控性良妤等特质，而有加热迅速、乾燥时间短、生產力提高，產品品质改进及设备空间节省等优点，因此自1970年后期以后，美、欧、日等国工业界无不积极埋首研发红外线工业技术，生產高效率红外线加热乾燥系统与设备，与推广红外线工业应用，以争取工业生存空间。表2列出红外线加热乾燥之工业应用领域(1)。红外线是一种热辐射，在国防工业上主要被当成信号处理，在一般工业中则被用於大功率的能量传输媒介。
电磁波波长范围很大，电磁波中仅可见光能為人的肉眼所见。一般只有红外线、可见光及紫外线对物质有较强的热辐射行為，因此人们也称它们為「热射线」。红外线的波长区间大致為0.75至1000m，因其波长位於红色光波长(0.6m至0.75m左右)外而得名。在低於2000C的常规工业热工范围内，红外线是最主要的热射线。人们有时将红外线又划分為「近红外」、「中红外」、「远红外」等若干小区间，所谓的远、中、近，是指其在电磁波谱中距红色光的相对距离远近而言。红外辐射属於热辐射，热辐射的若干基本概念与定律(2)均适用於红外辐射传热过程。
(一)吸收、反射和透过
一束热射线投射到某物体表面时，其一部分為物体所吸收，另一部分被该表面所反射，还可能有一部分透过物体继续向前传。物质吸收的辐射能量与入射能量的比值叫吸收率，採用红外线加热是否有效，主要取决於被加热物体的吸收程度，吸收率越高，红外线辐射效果就越好。而吸收率取决於被加热物质的类别、表面状态、红外线辐射源的波长等。物质反射的辐射能量与入射能量的比值叫反射率，不同材料和不同表面状况的反射率各不相同。物质透过的辐射能量与入射能量的比值叫穿透率，穿透率随材料的性质及厚度不同而变化。不同材料的有效穿透范围也不一样。通常把非透明材料的穿透率看作零。一般金属晶体十分緻密，透过表面的电磁辐射能在很短的距离内迅速衰减，因此热辐射对金属的穿透深度在微米数量级上。而非金属材料分子结构不很緻密，在常温下不同非金属物质各自具有特徵振动频率，因此当入射的电磁波到达界面时，电磁波很少被反射，较易穿过界面进入表层，有些激起共振变為热量，有些不能激起共振的则受到折射、散射和反射作用。由於实际物体都不是单一结构的单纯物质，故有些未被表层吸收的辐射波，在深入过程中还会被其它物质的共振而不同程度地加以吸收。只有在穿过全部厚度时，未破吸收的那部分辐射能量才能透过。因此非金属的穿透深度比金属的要高。应当注意，、、不仅取决於被照射物体本身的属性、结构形状等，而且也与辐射源的温度及辐射光谱等有关。
(二)普朗克定律
普朗克定律描述了黑体辐射能量的光谱分布，即黑体表面的单位面积在单位时间内，单位波长区间上的辐射强度分布，其数学表达式為：
式中Wb為黑体光谱辐射强度[kJ/(m2 · m · h)]；Ci為第一辐射常数[kJ/m2/h]=3.217710-6；為波长(m)；C2為第二辐射常数(m · K) = 1.4338104；T為黑体表面绝对温度(K)；k為波兹曼常数 = 1.380 10-23 J·K-1。
(三)维恩定律
从式(1)可知，Wb = f( · T)，故对於任一确定了温度T的黑体辐射面，有Wb·T=fT()，令dWb·T/d = 0所求得的值就是对应於该温度下的最大光谱辐射强度Wbm的峰值波长m，即有：
mT = 2898(m · K)…………………………(2)
维恩定律表明了黑体的表面温度T与其峰值波长m的乘积是一常数，这说明温度升高时，峰值波长m必将向短波长力-向移动。
表2 红外线加热与乾燥各种工业应用领域
工业类别 红外线用途 工业產品(生產目的)
金属涂装工业 涂装乾燥 汽机车、自行车、玩具、电脑、冰箱、烤箱、微波炉、办公桌椅、运动器材、船舶、农工业机械等。
金属加工工业 预热 金属零件焊接、成型、铸模预热。
加热 铝、鈦合金超塑性成型与热处理，零件焊接后热应力消除，退火，工业油污清除，表而黏著技术锡焊，金属管接头接合等。
电子工业 乾燥 印刷电路板，电阻，电容等。
电线电缆工业 乾燥 绝缘凡立水，绝缘橡胶加硫。
电镀工业 乾燥 铝合金阳极处理铝门窗，汽车零件等之乾燥，电子零件电瓶等之水分去除。
塑胶工业 加热 胶布软化，胶布压花，胶布发泡等。
涂装乾燥 电视机，收录音机，电脑监视器外壳之低温涂装。
造纸工业 乾燥 纸浆，纸张，纸器摺边黏著，壁纸发泡等。
印刷工业 乾燥 印刷油墨快乾。
木器工业 乾燥 傢俱，合板，钢琴，吉他，古箏等之涂装。
纺织工业 乾燥 不织布、印花布之定型，地毯背胶，布匹染整定型。
玻璃工业 乾燥 映像管之表面涂装，玻璃淬火。
民生工业 加热 暖房，三温暖，食品杀菌，食品调理，药品消毒。
乾燥 胶、皮鞋等之胶水烘乾，皮羊、茶叶、食品等乾燥。
(四)史蒂芬—波玆曼定律
对普朗克定律进行从零至无穷大的全波长区间的积分，便可得到描述黑体全辐射强度Wb的史帝芬--波玆曼定律：
式中称為史蒂芬--波兹曼常数。
(五)照度定律(负二次方定律)
照度定义的意义是在点光源垂直照射的情况下，被照射面上的照度与光源的发光强度成正比，与光源到被照射面之间的距离平方成反比。此定律只适用於点光源，光源越小或被照射面距离光源越远，计算结果也就越接近实际情况。
(六)灰体与选择性辐射体
根据单色辐射率的变化规律，可以将辐射体分為三类，
1. 黑体， = = 1
2. 灰体， = < 1
3. 选择性辐射体，值随波长而变化。
黑体和灰体都是理想化的物体，实际物体是大小不一带有选择性的辐射体与吸收体。但是，许多工程材料在工业热工范围内呈现接近灰体的辐射与吸收特性，工程上允许将它们近似视為灰体处理。然而对於有机物等强选择性辐射与吸收物质，工程上也不能视為灰体，否则会引起很大的误差。在工业热工温度区间，针对红外辐射，工程材料具有如下特性：
1. 非导电材料的全辐射率值大於导电材枓的值。
2. 金属及其他导电体的全辐射率值随温度上升而增大；非导电体，如一般耐火材料和建筑材料的全辐射率值随温度升高而降低，但耐火材枓等的值在1400C以上时又变為随温度上升而增大。
3. 辐射体表面越粗糙其微观表面积越大，全辐射率值越高。
4. 氧化后的金属表面之全辐射效率值将成倍增加。
(七)克希荷夫定律
克希荷夫定律是指在辐射能传输过程中，任何物体对黑体辐射出的任一波长的热射线的单色吸收率等於同温度下该物体在同一波长的单色辐射率。灰体的全吸收与同温度下的全辐射率相等。近似灰体的工程材料，也可近似认為在同温度下的全辐射率和全吸收率相等。对於黑体b=b=1；对於灰体=<1，这说明任何材料的辐射率等於同温度下的吸收系数，亦即，好的吸收体必然是一个妤的发射体。对於非透明材枓， = 0，则有 = 1 - ，金属的发射率很低，但是它随著温度的升高而增加，并且当表面形成氧化层时，可以10倍或更大倍数增加。
(八)实际物体吸收率影响因素
实际物体的全吸收率值较之全辐射率值要复杂一些。实际物体全吸收率取决於本身情况和投入热射线的波长分布。吸收物体的本身情况包括吸收物的种类；吸收物表面温度；吸收物表面粗糙状态；选择性吸收程度等。许多实际物体对不同波长的入射热射线的单色吸收率是不相同的。热射线的波长能量分布取决於辐射表面温度，辐射表面粗糙状况和单色辐射率的选择性程度等因素。
红外线之市场现况
红外线加热乾燥技术是利用红外线辐射加热的优点，针对各种不同的受热线加热乾燥技术的应用最早出现於1938年福特汽车公司利用红外线电灯泡去乾燥汽车烤漆，此是工业界第一椿红外线加热乾燥技术的实例应用。在当时由於技术并不太成热，红外线技术并未受到重视。1973年石油危机后欧、美、日的能源意识抬头，工业界纷纷研发红外线的创新技术应用，并将日趋成熟的技术应用在各种工业加热乾燥製程上。為推展红外线加热乾燥技术的研发与推广，英国电力諮询委员会成立特别部门及其所属研发单位和设施民营化，成立公司继续推动其工业上的应用。美国则由电力研究所主导，成立几个製程研究中心，建立示范系统推动其应用。根据EPRI在1987年的调查报告(3)，欧洲当年的红外线设备销售额约有7千到8千万美元，而美国则约4千至5千万美元，但每年以10~12%的比例成长中，依此推估欧洲、美国在1995年红外线设备销售额应可分别达17亿及11亿美元，目前在美国有关红外线应用上的製造公司，均属中、小企业，公司人数约在150到350人之间，非常适合国内的工业情况。而在日本从事红外线相关事业的企业多达3、4千家，相关產品主要用於產业加热、暖房、食品调理及乾燥、健康美容、感测器、纤维等领域，其中以產业加热、健康美容最多，主要基於增进生產效率及节约能源考虑与日本社会高龄化对健康日益受重视有关，两者约佔总市场比率60%以上，其中製程加热设备约佔40%，此领域在1990年可达11亿美元，且从1987到1989整个市场年成长率皆超过30%(4)推估，日本於公元1995年製程加热设备可达40亿美元，日本通產省產业局有鑑於此，於公元1990年邀集旭硝子、新日住友金属、东京瓦斯、日本碍子、松下电器等多家企业成立「红外线產业协会」，全面推动各种红外线商品化技术。而在大陆地区在1992年从半红外线加热元件和系统设备的厂家也迄200多家，年產值已超过3千万美元(5)。
国内的產业界大约在1985年左右开始零星引进红外线放射器，组装加热与乾燥炉来使用，也有与国外合作製造陶瓷电气红外线放射器，推出至国内市场。更积极者如中国生產力中心、积极聘请日本远红外线协会专家来台技术传授，推广红外线应用，甚至与產业界合作於1991年11月成立「远红外线技术应用协会」以促进红外线技术的应用，但是却以推销日本產品為主，经济部能源委员会有鑑於节约能源技术及加热乾燥之耗能在工业製程上的重要性，且预估用於加热乾燥的耗能量将持续增加，乃自民国80年开始委託能资所进行有系统的研究开发与推广应用国内红外线加热乾燥省能技术。根据工研院能资所1992年完成的调查报告(6)显示国内红外线乾燥设备可达7亿美元以上的產值。目前国内工业界部分进口国外昂贵的红外线设备，但因操作技术问题，產品品质仍旧落后国际水準；另一部分业者则採购国產设备，自行组装红外线炉使用，由於1.对被加热工件之红外线吸收特性无法掌握，常因工件材质稍异造成產品品质迴异的情形，2.製作技术不足，无法產製高放射率的红外线放射器，形成能源浪费，3.仪器设备不足，无法确知红外线放射器的辐射性质，造成销售瓶颈，4.温度控制不够精确，造成產品品控困难，在以上情况之下，业界常苦於无法发挥红外线设备应有之效率，因比预期红外线技术在国内的前途应是十分看好。
红外线加热优势及效率
红外线乾燥加热方式在近几年来则以惊人的发展速度被接受，并被实际使用於各层次，主要是红外线乾燥方式有下述之优点：
1. 具有穿透力，能内外同时加热。
2. 不需热传介质传递，热效率良好。
3. 可局部加热，节省能源。
4. 提供舒适的作业环境。
5. 节省炉体的建造费用及空间，组合、安装及维修简单容易。
6. 乾净的加热过程。
7. 温度控制容易、且升温迅速，并较具安全性。
8. 热惯性小，不需要暖机，节省人力。
因為红外线加热其有上述优点，因比获得高效率高均一性的加热是可能的进而获得高品质的產品，图1是以红外线加热而產生之种种具体效果图(7)。
而加热设备安装后，在运转时需了解有效能量与供给量的关係，这称為热平衡计算以确定热设备对能源有效利用程度、经济效益及技术水平的一项综合指标。确定设备热效率的方法有两种：
1. 直接法：它是直接通过有效能量和供给能量的测定和计算确定。
= (Qe/Qi) 100%
2. 间接法：是通过QLOSS损失能量和供给能量的测定和计算间接确定热效率。
= (1 – QLOSS/Qi) 100%
其中Qe是有效能量，Qi是供给能量，QLOSS是损失能量。在理论上，这两种方法完全相同，但实际应用中受到测试条件和测试精度的限制，两者对同一对象的测定值会有误差。对於具体热设备，可按测试目的及精度要求，以决定选用方法。一般加热设备热效率不仅与炉的形状、运输方法有关，还随被加热物的种类、生產量、加热温度的不同而有差异。因此，对於连续式加热设备，所谓热效率是指其处於热稳定情况下的热效率，即量测加热设备热效率过程中，温度基本保持不变，即T/t = 0，这时热设备既不吸热亦不放热。由於热设备正逐渐朝向大型化发展，其吸、放热蓄热量大，放应强调T/t始终為零。实际上，运转中很难达到，但应接近零。即儘量维持热设备各参数变化保持最小范围内。而热设备效率是对一定大小的热设备而言，炉体大小对热效率也有影响，只有在相同基础上明确热效率才具有相互可比性，而批次式或週期作业的热设备，一般计算一个作业週期的週期热效率。