紅外線加熱爐體設計

  紅外線加熱乾燥系統(tǒng)之開發(fā)，首先要從系統(tǒng)加熱乾燥製程的觀點來著手，以單位產(chǎn)品能源損耗及產(chǎn)品品質(zhì)為依據(jù)，配合上下游的製造流程來應用紅外線技術。**考慮要件為選擇適當?shù)妮椛湓词乖陬l譜分佈上能和受熱物的紅外線特性相吻合，**需要熱風輔助系統(tǒng)及通風排放系統(tǒng)之密切配合以幫助揮發(fā)物之排除，以避免輻射能量的傳送損失，來彰顯紅外線加熱乾燥之特殊效果，第三為傳動裝置的設計，使受熱物能依實際需要在設計規(guī)格下得到*佳的加熱乾燥成效，第四為選擇*適當?shù)目刂葡到y(tǒng)以統(tǒng)合上述之各項裝置系統(tǒng)，適時適量提供能量，達到*適化的加熱乾燥。圖2為應用紅外線加熱乾燥技術一般程序。

(一)分析被加熱物吸收特性

分析被加熱物吸收特性，是判斷是否適用紅外技術，如何應用紅外技術的依據(jù)。如果被加熱物在整個紅外區(qū)間吸收特性極差，那麼就不能用紅外加熱方式，而應考慮採用微波加熱、紫外加熱等其它輻射加熱技術或其它種類的加熱手段。因此，只有那些在紅外區(qū)間有較高的平均吸收率，或有幾段較強烈的吸收帶，或可以採用紅外助吸收涂料，而且在工作溫度時輻射源發(fā)出的輻射能量的主輻射波段處於紅外區(qū)的被加熱物體，才能採用紅外技術。一般而言，有機物質(zhì)，高分子物質(zhì)，含水物質(zhì)在紅外區(qū)部有較強烈的吸收峰區(qū)，它們的加熱乾燥過程都可以應用紅外技術。被加熱物的吸收特性可以通過三條途徑了解：1.透過標準紅外圖譜查閱。現(xiàn)有的各種標準紅外圖譜收集了在實驗室條件下測定的許多物質(zhì)的紅外吸收特性曲線。2.如果被加熱物的成分事先并不知道，或者該物質(zhì)的吸收特性在各種標準紅外圖譜上尚未收入。那麼，也可通過紅外分光光度計來直接測定其紅外吸收特性曲線。3.對一些特定種類的簡單物質(zhì)，可通過經(jīng)驗公式求取其吸收特性曲線。應該強調(diào)的是一般吸收光譜多在常溫下測定，而實際物體的吸收率和輻射率一樣，隨溫度而變，以常溫輻射特性來推測高溫輻射特性只是一種近似的分析。必要時應測定工作溫度區(qū)間的吸收特性及其在溫度區(qū)間的溫度變化規(guī)律，以便掌握其動態(tài)吸收特性。

(二)合理選擇紅外輻射源

  紅外加熱技術取得成效的必備條件是有一個良好的紅外吸收體和一個與之能實現(xiàn)紅外光譜匹配的輻射源，這樣才能形成完整的紅外加熱技術，取得高效率傳熱，達到節(jié)約能源的效果。紅外輻射源可分為兩類：

1. 追求波段型光譜匹配的覆蓋性紅外輻射源。

2. 追求波長型光譜匹配的選擇性紅外輻射源

  由於配製技術上的難度和考慮使用時具備一定的寬容度以適應多種加熱乾燥對象，故現(xiàn)在極少生產(chǎn)和使用選擇性紅外輻射源。大量推廣應用的幾乎都是波段型匹配的覆蓋性紅外輻射源。

市售的紅外輻射源現(xiàn)有紅外輻射器和紅外涂料兩種。前者是整體的紅外輻射元件。后者僅是將紅外涂料涂覆在一般熱源表面改造成紅外輻射源。究竟選用整體的紅外輻射器還是選用紅外涂料，應視具體需要和條件而定。一般建造新的加熱爐時多購置現(xiàn)成的紅外輻射器產(chǎn)品來組裝使用，改造舊有加熱設備時常選用紅外涂料涂覆到原有發(fā)熱體表面藉以改變其輻射特性，形成紅外輻射源。此外，紅外元件輻射性能隨著時間而衰減到一定程度時，也往往利用在其表面重新涂覆一層紅外涂料的辦法來恢復其強紅外輻射特性。紅外輻射器的種類很多，有燈式、管式、板式、帶式、圈式以及其它特殊型式，不同熱源的紅外輻射源的結構也不同，目前*多的是電熱式紅外輻射器，也有以煤氣、天然氣、液化石油氣和蒸汽為熱源的紅外輻射器。

1. 電氣式紅外線加熱器

  電氣紅外線加熱器是利用電流通過電阻而發(fā)熱(焦耳效應)，高溫的電阻器以輻射電磁波方式將能量傳出。*常用的電阻器有鎢絲與鎳鉻線，鎢絲流通電流后溫度可升高到約2200~2500C，輻射的電磁波穿透石英玻璃外殼后傳至被加熱物。由於鎢絲升溫迅速，藉由電力電子元件如硅半導體控制整流器的控制，電氣放射器可快速、準確地達到預定的溫度，產(chǎn)生所需波段的紅外線，更由於鎢絲可達高溫，易產(chǎn)生高強度紅外線，適合用於需要高能量密度、溫度控制**，而又響應迅速的紅外線應用場合。主要有下列幾種型式：

(1)紅外線燈泡

  橢圓球面內(nèi)部側面鍍有反射材料，內(nèi)部為鎢絲，通電產(chǎn)生近紅外線與可視光由拋物線錐面反射出來，加熱效果略遜，早期汽車板金烤漆之紅外線加熱爐常被採用。

(2)鹵素紅外線加熱燈管(T3燈管)

  管狀石英玻璃管內(nèi)封入燈絲抽掉空氣充填鹵素氣體，通電燈絲色溫高達2500K，波長較短，屬於近紅外線區(qū)，投入電力約85%轉換成紅外線，本型加熱燈管之燈絲熱容量小，在電源ON-OFF的瞬間隨溫度上升100%，下降到室溫，升溫快，瞬間達到1800C之高溫。在額定電壓下之操作壽命為5000小時。燈管兩端引線固定座需加以冷卻，通常用空氣或水套冷卻，使它保持在300C以下，以確保使用壽命，超過300C以上引線固定座之扁平狀鉬線易起氧化，在封口處之玻璃與引線之間逐漸產(chǎn)生空隙，使空氣進入玻璃管內(nèi)，*后使高溫熾熱之鎢絲燒斷，這點是在裝設燈管時必須留意的事項。

(3)板式遠紅外線加熱器

  板式加熱器是在板式的遠紅外線輻射體(金屬板表面有遠紅外線涂料或陶瓷化處理兩種)之內(nèi)面裝有電阻絲，從電阻發(fā)熱體經(jīng)傳熱以加熱輻射體，再從輻射體輻射出遠紅外線。本型加熱器之特徵為能量密度較高，不需使用反射板，均溫性良妤，適用於薄且面積大的工作件，各區(qū)段溫度控制容易。

(4)管棒狀紅外線加熱器

  管、棒狀加熱器之管子可為不銹鋼無縫管外皮以電漿處理成紅外線輻射率很高的輻射面，而內(nèi)部則穿入鎳鉻絲，并將空隙填充入絕緣物如氧化鎂之類，以增加溫度之均勻性，兩端通電即發(fā)出遠紅外線。另外管子也有採用石英管(中波紅外線)及陶磁管，管內(nèi)放置鎳鉻線，通電后發(fā)出紅外線來加熱工件。

各種加熱器選擇依工件之吸收特性，操作條件來選定。

2. 燃氣式紅外線加熱器

(1)多孔性陶瓷板燃燒器(Schwank Burner)

  多孔性陶瓷板燃燒器*早由德國希班克公司發(fā)展出來，陶瓷板其上有許多小的火孔。燃燒器工作時，燃氣-空氣混合物以很小的速度(0.1~0.14米/秒)由火孔逸出進行無焰燃燒，點火后，約40~50秒后陶磁板表面溫度便可達到800~900C，暗紅的陶瓷表面即產(chǎn)生近紅外線，有約45%能量會轉變成紅外線。此種紅外線波長(2~6m)*易被物質(zhì)分子、高分子吸收，吸水性特強，*能節(jié)省能源。適用於食品如烤豬、雞、魚肉等。本型燃燒器國內(nèi)已有數(shù)家在生產(chǎn)，每只容量在數(shù)百~5700kcal/h之間，強度約80kW/m2。

(2)強力瓦斯紅外線加熱器

  類似多孔性陶瓷板燃燒器但面積較大，燃料與空氣預先混合后再供給燃燒器，這一點與多孔性陶瓷扳燃燒器不同，混合氣之均勻性較妤，燃燒器為耐高溫多孔陶瓷板，發(fā)射波長較多孔性陶瓷板燃燒器更短之紅外線，由工件之溫度測定，經(jīng)溫度控制器、混合氣流量控制閥，以達到溫度控制之目的。本型加熱器單位面積上的發(fā)出輻射線強度可達140kW/m2，幾乎為多孔性陶瓷板燃燒器之2倍，適用於粉體涂裝乾燥。

(3)遠紅外線管式加熱器

  加熱器形狀為長立方體，內(nèi)排列輻射管其后面為反射板。輻射管採用耐熱鋼管，鋼管外層表面為經(jīng)陶質(zhì)化處理過之高輻射率材料，各輻射管前面通氣口設有燃燒器及點火系統(tǒng)，尾端連接排氣出口至排風機。

(4)遠紅外線板式加熱器

  加熱器形狀為長立方體，輻射板採用耐熱鋼板，板之表面經(jīng)陶質(zhì)化處理之高輻射率材料，有平面及波浪形，厚度0.3~3mm，寬1米，長3米，通常輻射板之熱氣通道30mm，通道中間以Z型不銹鋼補強并區(qū)隔兩面之鋼板，以確保通道尺寸之正確性與防止受熱引起之變形，熱板通道內(nèi)之風速維持在10~15m/sec，以15m/sec為優(yōu)可減少熱板表面溫度梯度，目前熱板表面溫度在450C以內(nèi)，使用熱風由共通之熱風產(chǎn)生器供應數(shù)組之加熱器用。本型加熱器可用於木器、電著涂裝品、食品等對水及高分子物質(zhì)之加熱加工極為適用。

上述各類加熱器之特徵可歸納如表3。

表3 各種電熱、紅外線熱源之特徵

種類特性 鎢絲 鎳鉻線 低溫型面版加熱器

燈泡 T3石英管 石英管 金屬管

熱源溫度范圍 3000~4000F 3000~4000F 1400~1800F 1000~1400F 400~1100F

亮度 透白 透白 櫻桃紅 暗紅 看不到可見光

*大能量的波長 1.15~1.5m 1.15~1.15m 2.6~2.8m 2.8~3.6m 32~6m

熱機時間冷機時間 幾秒幾秒 幾秒幾秒 幾秒幾秒 幾分幾分 十幾分十幾分

機械性耐熱震 差差 好優(yōu)越 好優(yōu)越 優(yōu)越優(yōu)越 非常好非常好

平均壽命(小時) 5,000 10,000 20,000

(三)輻射元件的表面工作溫度選擇

  史蒂芬-波茲曼定律說明物體的全輻射量與表面的**溫度的四次方成正比，即元件表面溫度越高，輻射能量越大(W=T4)。輻射器表面溫度與主輻射波長的相互關係可由維恩定律估算，根據(jù)維恩定律(Mt=2898)，隨著輻射元件的表面溫度升高，其單色輻射強度的峰值波長要向短波方向移動，確定它們的主要依據(jù)是主輻射波段內(nèi)能量的大小和被加熱物質(zhì)的吸收特性。為了發(fā)揮紅外加熱技術的優(yōu)點，必須控制好加熱溫度，使元件發(fā)出的輻射能主要分佈在被加熱物質(zhì)的吸收波長區(qū)域內(nèi)。輻射源表面溫度選擇還應隨被加熱物的紅外特性的差異而不同，須根據(jù)具體的吸收光譜。對於含水物質(zhì)和含有-OH基或-NA基的物質(zhì)，如糧食、食品、紡織品、木材以及氨基漆，電工漆等，在3m附近都有強烈吸收峰，因此輻射源表面偏高一些為宜，一般在550~600C；而對於只在3.5或5以上才有強烈吸收峰的物質(zhì)，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等塑料和防腐瀝青漆及其它油漆等，輻射器表面溫度以400~500C為宜。總之，應令輻射曲線的峰值儘可能與被加熱物質(zhì)的*強烈的吸波段相匹配。

1. 輻射元件放熱

  在加熱裝置中，輻射元件升溫后以輻射、對流、傳導三種形式向外放熱。一般經(jīng)傳導放熱的比例很小，而經(jīng)對流和輻射放熱的比例取決於輻射元件的表面溫度、加熱裝置內(nèi)空間平均溫度、輻射元件的輻射層物質(zhì)的全輻射率、輻射元件的佈置及形狀、氣流狀態(tài)與速度等條件。以傳熱學基本公式得知，輻射元件經(jīng)對流放出的熱量為

Q對 = h A (t1 - t2)1.25 (千卡/時)………(4)

  式中h為自然對流放熱係數(shù)；放熱面朝下時，h=1.4；放熱面朝上時，h=2.8；放熱面垂直時，h=3.2；簡化計算時，h=2.2；A=放熱面積(米2)；t1=輻射元件表面溫度(C)；t2=加熱裝置中的空間平均溫度(C)。

元件經(jīng)輻射放出的熱量為

式中=輻射元件表面層在溫度為T1時的全輻射率；T1=元件表面溫度(K)；T2 = 被加熱物表面溫度(K)；A = 發(fā)熱元件表面積(米2)。根據(jù)式(4，5)可計算出對流熱與輻射熱的比值，當(1)輻射元件溫度低於150C時，放出的熱量中對流熱高於輻射熱。隨著T1升高，對流熱此值Q對/Q輻減小。(2)若T1恒定，隨著T2升高，對流熱與輻射熱之比值逐步減小。(3)就熱的傳輸效能而言，對流傳熱只能達到被加熱物的表面，而輻射則可穿入工件一定深度，且對流傳熱速度又遠低於輻射傳熱。所以Q對/Q輻值越小，就越能加速熱的傳遞，而提高傳熱效率。但對流傳熱可以彌補輻射傳熱使工件受熱不勻的缺點，因此在加熱過程中適當?shù)奶岣邔α魉嫉谋壤彩怯幸娴摹?/span>

2. 輻射元件表面溫度選擇

  輻射元件的表面溫度選擇，可根據(jù) Q對/Q輻的比值和加熱爐所需的空間溫度來選取合適的表面輻射溫度。實驗表明，當輻射元件表面溫度在400~600C之間時，對流熱與輻射熱的比例較為適合。同時輻射通量也較高。對於在3附近有強烈吸收峰的物質(zhì)來說，元件的表面溫度建議在600~800C較好。對於5以上有大量吸收峰的物質(zhì)，紅外元件的表面溫度在400~600C為宜。

  一般元件的表面溫度隨表面負荷的增加而增加，但并非線性關係。不同材質(zhì)和形狀的輻射元件其表面負荷與表面溫度的關係也不相同，輻射元件的*佳工作溫度應根據(jù)其本身材質(zhì)、形狀及工作部位等條件，透過實驗決定。在實際使用中，為了提高效率，減少對流熱損失，其溫度不應低於400C，使對流散熱比例在50%以下。

(四)紅外加熱爐設計

1. 乾燥爐長度的確定

固定式乾燥爐的長度，主要取決於爐內(nèi)一次乾燥工件的批量。而隧道式的乾燥爐長度為：

L = t · v

  其中L為乾燥爐長度(m)；t是乾燥時問(min)；v是工件移動速度(m/min)；而乾燥所需時間與輻射強度、輻照距離、物質(zhì)吸收係數(shù)、尺寸、比熱、重量、環(huán)境溫度等許多因素有關，*好先做一個小型模擬實驗確定。工件移動速度一般由輸送帶的傳送速度確定。但為了設計值與實際的差距，輸送速度應具可調(diào)性，以改變在爐內(nèi)的乾燥時間，以取得*好的乾燥效果，使乾燥爐具有一定的通用性。

2. 乾燥爐電功率確定

(1)熱平衡法

W = NQ/860……………………………(7)

式中W是乾燥爐功率；Q是加熱所需熱量，包含加熱工件基體所需熱量，加熱工件基體上附加物(油漆)所需熱量，加熱輸送設備(小車、懸鏈、掛具等)所需熱量，排放煙氣損失的熱量；N是**系數(shù)；是乾燥爐效率，針對不同加熱乾燥爐而選取不同的經(jīng)驗值。

(2)估算法

單純加熱物體所消耗電功率

W = P C t

860

式中W是消耗電功率(kW)；P是加熱工件的總重量(kg/h)；C是加熱材料的比熱(kcal/kg、C)；t是加熱前后的溫度差(C)；是乾燥爐效率。

加熱脫水乾燥消耗的電功率

W = P1 t + P2 c + P3 C t

860

式中W是消耗電功率(kW)；P1是水分的處理重量(kg/h)；P2是蒸發(fā)水的重量(kg/h)；P3是加熱工件的總重量(kg/h)；C是加熱材料的比熱；t是加熱前后的溫度差(C)；c是水的蒸發(fā)熱(kcal/h)；=乾燥爐效率。

輻射功率密度法

紅外線加熱爐消耗電功率為W = E · F

式中W是消耗電功率(kW)；E是輻射功率密度(kW/m2)，一般取3~8之間，大面積薄壁工件取小值，小面積厚壁或?qū)嶓w工件取大值，對於形體復雜或鑄件取10；F是單位時間加熱面積(m2/h)。

3. 爐型的合理確定

紅外加熱爐分為固定式和隧道式兩類。固定式紅外線加熱爐結構簡單，造價便宜。燧道式紅外線加熱爐由於需要有移動工件的輸送裝置，結構較復雜，投資較大，但其生產(chǎn)能力要大於固定式。隨著工業(yè)生產(chǎn)的向?qū)I(yè)化發(fā)展，隧道式紅外加熱爐可以設計成不同的型式。根據(jù)不同的加熱曲線，常把隧道式紅外加熱爐沿長度方向劃成若干個不同的溫度區(qū)，分別配備相應強度的紅外輻射元件及控溫系統(tǒng)以保證其工作溫度穩(wěn)定。

固定式紅外加熱爐的型式為一側封閉的爐腔，爐壁上開一個或幾個爐門供工件出入。固定式乾燥爐可做成立方體形、圓柱形、球形的。隧道式紅外加熱爐的型式卻由於工件傳送機構的不同而相應有較多型式，有輸送帶型、鏈傳動型、料盤翻板型、懸掛型、滾筒型、震底型、牽引型等。此外隧道爐的長度常受到生產(chǎn)場地的限制，因此不一定全是直的，也可作成U型、S型和多層S型。無論是隧道式，還是固定式，在滿足工藝要求，保證加熱質(zhì)量的前提下都應力求爐體結構緊湊，有儘可能小的外形尺寸，以減少熱損失。

紅外加熱爐的爐襯通常有兩類：一是磚砌爐襯，二是型鋼鐵皮頭夾保溫材料的爐襯。磚砌爐襯的熱惰性較大，蓄熱損失較嚴重，但選擇得當可減少散熱損失，可用於散熱損失為主的連續(xù)作業(yè)爐。型鋼鐵皮夾保溫材料的爐襯輕巧靈活，便於操作，組裝和維修，目前應用較廣泛。爐襯的絕熱好壞對爐子的熱效率有相當影響，對於電加熱爐更是舉足輕重。而爐襯絕熱性能的好壞又取決於爐襯材質(zhì)的正確選擇和厚度的合理確定。在使用溫度和其它工藝絛件允許的前提下，應儘可能選擇密度小，導熱係數(shù)小的保溫材料。

紅外加熱爐的爐體密封也很重要。隧道式爐兩端進出口呈敞開式，散熱嚴重。因此，應在保證工藝要求的前提下儘可能取小一些的爐口截面，如可能還應加裝擋簾之類的防散熱措施。此外，還應注意加熱爐爐壁上的檢修門、視孔、固定式爐爐門等薄弱環(huán)節(jié)的保溫措施，通風換氣時也應儘量避免通風換氣量過大，增加不必要的熱量損失。

4. 紅外輻射元件的較適化佈置

紅外輻射元件在加熱爐的佈置頗有講究，佈置得當既能提高品質(zhì)又可節(jié)約能源。一般常將紅外輻射元件均勻布置在被加熱物料的周圍，有合適的輻射距離和儘可能均勻的輻射程度分布?？紤]紅外熱射線如同可見光等所有的電磁波一樣沿直線傳播。因此對外形復雜且本身導熱性差的工件要注意不要出現(xiàn)太大的熱射線照不到的死角，以免影響加熱品質(zhì)。為提高紅外熱射線的重覆利用率，常在紅外加熱爐內(nèi)利用鋁板作為反射層。這一措施對爐膛容積不大的固定爐和寬度不大的隧道爐都有很好的功效。但相對兩爐壁上的紅外輻射元件應相互交叉錯開，以增強反射效果。至於紅外輻射元件與工件之間的輻射射距離究竟以多大為好*佳輻射距離隨輻射元件、輻射特性、輻射強度與工件的光譜匹配程度，工件的表面吸收能力和內(nèi)部的傳熱能力等許多因素有關。*好能在實驗室內(nèi)進行模擬實驗來研究確定，對於較大型的紅外加熱尤其如此?？傊?，輻射器與工件距離愈近，輻射強度愈大，乾燥效率也高，但乾燥不均勻性也增加。根據(jù)理論分析和使用經(jīng)驗，認為在固定爐內(nèi)合理的輻射距離可在150~500mm間；對於隧道爐，則合理的輻射距離可縮小至10~150mm之間。*好輻射元件可安裝在可調(diào)距機械框架上，可根據(jù)多種被加熱物料的特性以及其它製程條件的變化隨時調(diào)整輻射距離，以求得較好的加熱效率。此外為解決由於自然對流傳熱引起的加熱爐內(nèi)的上下溫差問題，應在爐側壁上不均勻地分布紅外輻射元件的功率。此外，靠近爐門和爐口處的輻射功率密度也應大一些，以補償該處較大的散熱損失。爐內(nèi)的溫差一般也可通過強制熱風循環(huán)來消除。

5.輻射強度的控制方法

由於加熱歷程控制的需求，紅外線加熱器的功率輸出必須加以控制。電氣式紅外線加熱器輻射強度的控制方法，一般大致可分為下述幾種：

(1)輻射距離加減法

輻射距離是指管狀元件中心或板狀元件的輻射涂層到烤盤底部或鋼帶上表面之間的距離。輻射距離的大小直接影響紅外線的輻射強度，還影響爐膛尺寸的大小。根據(jù)照度定律可知，輻射能量的多少與距離的平方成反比。利用幅射源之輻射量照加熱工件間距離來進行加熱溫度的調(diào)節(jié)，可免除繁復控制器的限制。過去國內(nèi)廠商使用黑體管的遠紅外線乾燥爐大部分採用此種調(diào)節(jié)的方式。但當生產(chǎn)多樣式產(chǎn)品時，抬高照射距離非但無節(jié)約能源作用，也降低生產(chǎn)率，亦無法回應加熱倏件變化時所需控制條件的改變。表4說明輻射強度隨著距離的增加而衰減。輻射距離越近，輻射強度越大，加熱效率也越高，同時輻射強度分布的不均勻性也越顯著。距離過近會因加熱不均勻而影響烘烤品質(zhì)，并且當距離小到一定范圍時，輻射強度的增加率會顯著減緩。輻射距離越大，輻射強度越小，溫度也越低，同時也導致爐膛尺寸增大。但是此時輻射強度分布也趨於均勻。原則上，在保證輻射均勻性，不影響產(chǎn)品質(zhì)量和不妨礙操作的前提下，輻射距離越近越好。對於隧道式紅外烤爐，由於受熱物經(jīng)輸送設備在爐道中移動，則不必考慮熱量分布的不均勻性。烘烤時可以將輻照距離縮短到50亳米，并適當加快傳遞速度，效果較好。另外，管狀輻射元件輻射能量的分布均勻性還與元件相互間的距離有關。

表4 輻射距雄與輻射強度的關係

輻射距離(米) 0.18 0.25 0.5 0.75 1.00

輻射強度(千卡/米2 · 時) 1100 620 239 80 60

(2)紅外線反射器

由輻射逆二次方定律所敘述，輻射能在空間擴展為球狀，輻射能強度隨距離平方成反比，這種隨距離衰減的特性，在輻射加熱乾燥的實際應用上是相當不利的。在實際應用時除盡量縮短輻射器與被加熱物件之距離外，需使用適當?shù)姆瓷淦饕蕴岣咝?。紅外線在傳播過程中和可見光一樣，遵守光的反射定律和折射定律，紅外線反射器就是利用紅外線的這一性質(zhì)。紅外線反射器是局部反射所輻射的紅外線以增強工件之照射強度的裝置。而反射器按不同的需要可做成各式各樣形狀。按不同的特有不同的分類法。按反射鏡的平曲張角來分，有淺鏡深反射及深鏡深反射鏡。按反射器剖面的形狀來分，有平面鏡和曲面鏡兩種。可用幾塊平面鏡按不同角度拼成角反射鏡，以改變光路方向。但反射之數(shù)不宜過多，以免損失太大。曲面鏡又可細分為球面、拋物面、橢圓面和雙曲面，使用*廣的則是拋物面及橢圓面反射器。通常光源置於焦點上，對於拋物面反射器通常用來加熱平面材料，而橢圓面反射器則用來加熱材料某一區(qū)，而通常不論拋物面或橢圓面反射器均可用加熱圓柱狀材枓，而其選擇反射面的通式是當材料半徑小於反射開口時以橢圓反射器較佳，反之則拋物面較好。*后，按反射器的曲率可否調(diào)節(jié)，可分為曲率可調(diào)反射器和固定曲率反射器。影響反射器效率的因素很多，一般影響反射器效率的因素包括：

反射器表面材質(zhì)的影響

良好的反射體應選用對紅外線反射率高而吸收率低的材料，反射板之材質(zhì)，理論上為鍍金、鍍銀、拋光銅或鋁合金層、不銹鋼等。實用上則以鋁板使用*多，其次為不銹鋼板，通常鍍金面反射係數(shù)超過95%，但成本高。而鍍銅的反射係數(shù)雖也大，但容易暗淡。在一般的紅外加熱設備中，常採用鋁板，反射性也高，價格便宜，但鋁在波長1m附近時的反射率很低，但若在其表面進行電化學處理，電氧化處理后的鋁在紅外區(qū)的反射率可得98%，也很穩(wěn)定。不銹鋼板對爐內(nèi)氣體酸、鹼之霧滴、水分之蒸發(fā)中使用耐腐性高，并適於特殊用途中使用。對於工件材質(zhì)表面反射性較強的場合，反射板材料可以利用陶瓷纖維來吸收大量的反射能，再以更長波的紅外線輻射出，則能充分利用能源。對於連續(xù)爐，為節(jié)省爐體長度，一般均需使用反射板來達到*高強度的照射。

保護窗

由於反射器上若有沉積物產(chǎn)生，則會增加反射器的吸收效果，因而會加熱反射器造成熱量損失。為防止沉積，可安裝保護窗，但是這保護窗材料必須a.易於清洗，b.耐高溫，c.不蒸發(fā)，d.不吸收紅外線，否則造成更多能量損失。

漫/鏡反射

當輻射撞擊表面時，可以觀察到兩種反射形式，若入射角等於反射角稱為鏡反射。反之，當入射光束反射后，在各方向呈均勻分布，此種反射稱為漫反射，當反射率為1時，全反射沒有能量損耗，當反射率小於1則部分能量被反射器吸收，而降低其效率。

反射器形狀影響

雖然紅外線發(fā)熱體可藉由反射器提高其輻射能效率，但是針對不同的加熱目的，有不同的反射器形狀設計，反射器的形狀、大小及受照距離改變，對於加熱面的能量分布就不同。

表5是不同形狀的反射裝置距離輻照面100毫米處的輻射強度，即輻射通量密度。

5 幾種反射裝置的輻射通量密度

反射裝置的形式 輻射通量密度(卡/厘米)

拋物線反射裝置球面反射裝置雙曲面反射裝置干面反射裝置 10784

(3)改變輸入電壓

由於加熱器本身是一個電阻(鎢絲或鎳鉻絲等)，輸入電壓不同，流過的電流也不同，加熱器的表面溫度改變，輻射強度即改變。交流電壓的改變可採變壓器、可變電阻、加熱器串聯(lián)或并聯(lián)的配置，或三相Y-△配線等方法。必須注意的是輻射加熱器的壽命與輸入電壓有直接關係，建議使用時不超過其設定限值。這項方法要能進行即時控制，仍需補助其他控制方式。

(4)加熱開關法

對於熱慣性大的傳統(tǒng)電熱器，這是普遍採用的方法，其觀念非常簡單，當目標值大於實測值時供給電源為ON，當目標值小於實測值時，電源則為OFF。對連續(xù)式加熱裝置，利用PLC或Timer的時間設定，在經(jīng)過一定加熱時間后即遮斷電源的方法，也是屬於此類型的控制。這種方法對熱慣性小的透明石英近紅外線燈管會造成閃滅的現(xiàn)象，於快速連續(xù)式的加熱系統(tǒng)易造成加熱不均勻的結果。

(5)零點專通的平均電壓控制

這種方法是以一個固定時間(數(shù)秒鐘)為週期，控制導通功率電晶體在零位電壓時進行切換，而能比例控制輸入的電流流量。零電位時導通的*大優(yōu)點是可降低電磁干擾的產(chǎn)生，維持良好的電力品質(zhì)。但是對於熱慣性低的近紅外線燈管而言，這種方法仍會產(chǎn)生燈管閃爍、輻射熱量不連續(xù)輸出的現(xiàn)象。

紅外線乾燥節(jié)能應用

加熱乾燥的過程較復雜，同時存在熱擴散與濕擴散現(xiàn)象。由於含水物料中水分會向含水量低的力向移動，而物體內(nèi)部的溫度由高溫向低溫處擴散。如果溫度與濕度梯度方向一致，則加速物料的乾燥速率。但如果溫度與濕度梯度方向相反特，熱擴散與濕擴散相互抵抗。若熱擴散比濕擴散強烈，則水分(或其它溶劑)不但不能由內(nèi)部擴散至表面再擴敬到環(huán)境氣氛中去，而且恰恰相反，會把水分(或其它溶劑)進一步往內(nèi)部趕，結果既不能達到加熱乾燥的目的，甚至有可能因內(nèi)部水分集中，外層乾燥而引起品質(zhì)**問題。加上紅外線加熱乾燥技術應用時，常因物性與製造流程的不同，所發(fā)展出的加熱乾燥製程有很大的差異，至今還沒有完整理論可來描述，因此開發(fā)製程是在很薄弱的理論基礎上，偏重以實驗的方式來從事製程工程的發(fā)展，常常技術的應用，已達藝術工程的境地。紅外線加熱乾燥技術的實際工業(yè)製程應用與節(jié)能效果不勝枚舉，茲列舉下列幾項功效顯著者來加以謝明(8-9)：

(一)水性膠帶乾燥

環(huán)保意識抬頭，水性膠成為膠帶業(yè)的寵兒。然而因水的蒸發(fā)熱很大，傳統(tǒng)熱風方式未能達成有效乾燥目的，為了加速產(chǎn)能而盲目提高熱風溫度，造成水膠上層的溫度太高，水分蒸發(fā)速率太快，而內(nèi)層水分尚未擴散至上層時，使得上層之固體顆粒因靠近而聚結形成表乾，若此時水膠繼績受熱其內(nèi)部之水分因升溫汽化但卻無法從表面蒸發(fā)時，則會形成大小不一的汽泡，造成水膠乾燥品質(zhì)劣化。因此利用高強度紅外線配合送風系統(tǒng)以促進乾燥速率及品質(zhì)，已成為新的發(fā)展趨勢。表6是併用近紅外線與熱風的乾燥爐根據(jù)其實際商用運轉結果顯示紅用能源雖提高30%，但乾燥時間縮短50%，而且涂膜品質(zhì)因無針孔而提高許多。

表6 水性膠帶乾燥

改善狀況 改善前 改善后

250~300C熱風乾燥 輸送速度50~60公尺/分 有針孔現(xiàn)象 紅外線併用200C熱風 輸送速度100~200公尺/分 無針孔，品質(zhì)提升 預估可提升至150公尺/分

經(jīng)濟效益 產(chǎn)量增加50%，能源耗損增加30%單位能源生產(chǎn)量提高15%以上。

表7 不同加熱方式對涂膜品質(zhì)影響比較

名稱試驗項目 遠紅外線 遠紅外線 熱風* 備註

前處理 噴砂 噴砂 磷酸鹽皮膜

烘烤條件 1.6kw5分(190C) 1.6kw5分(190C) 18013分

涂膜厚度 60戶左右 80左右 50~60 膜厚計

外觀 良好小變色 良好不變色 良好不變色 目視

光澤度 90%姒上 90%以上 90%以上 60鏡反射率

硬度 H H H 鉛筆硬度

附著力 100/100良好 100/100良好 100/100良好 1mm1mm100目

耐衝擊性 50cm合格 50cm合格 50cm合格 1/2500g

 (二)涂裝乾燥

從冰箱、洗衣機、空調(diào)機等的家電製品，到儀錶儀器、產(chǎn)業(yè)用機器、車輛車體的所有范圍都有金屬殼體的涂裝，以乾燥烘烤而言，在熱風加熱的場合，熱傳達速度慢、達到乾燥溫度需相當時間，而以近紅外線加熱的場合，由於涂裝面顏色的差異，升溫速度不一樣常被指謫。對此，以遠紅外線加熱的場合，由於在涂料主成分中的高分子材料具有良好的遠紅外線吸收性，在短時間內(nèi)升溫到烘烤溫度，便可形成出色的涂膜。對於處理各式各樣的形狀，大小物件，甚至是有陰影部分的工件係採用吊架懸撓被加熱物，邊回轉這些被加熱物，邊行走於爐內(nèi)的方式，亦可均勻的乾燥。此外，近年來藉由遠紅外線輻射及對流的復合加熱技術，使對多樣化形狀的乾燥成為可能，同時其乾燥時間與以前的遠紅外線加熱單獨方式相比，進一步縮短許多。表7比較紅外線加熱與熱風乾燥之效益，實驗所用粉體是由環(huán)氧-聚酯型樹脂組成，主成分是由2-2二對酚甲烷型環(huán)氧樹脂，與飽和型聚酯樹脂混合成粉體涂料。粉體平均顆粒大小約12m，粉體涂料顏色為黑色，而粉體涂裝試片是利用高壓直流電約80kV，將粉體靜電噴涂覆蓋於經(jīng)噴砂表面處理后100701 mm3的鋼板上，并將完成之試片放置入輸出功率為1.6kW的紅外線加熱爐中進行粉體硬化加熱，分別檢測了硬度、附著力、光澤度及耐衝擊性，結果顯示以紅外線加熱5分鐘以上時，硬度均可達H，附著度100/100，60℃ 光澤度均90%以上，耐衝擊測試50cm合格，而此涂料以熱風加熱需烘烤12分鐘方能保有如此品質(zhì)，乾燥時間可減少一半，由於任何加熱系統(tǒng)都不可避免熱損失，但加熱時間縮短意味能源的節(jié)約。表8是併用遠紅外線與熱風的水性電著涂裝乾燥爐根據(jù)其實際商用運轉結果顯示燃料耗用量可節(jié)省25%，乾燥時間縮短50%，涂膜品質(zhì)更提高許多。

表8 併用IR/熱風乾燥爐運轉例

方法項目 熱風加熱 衰紅外線/熱風併用

燃料耗量 4.8 Nm3/hr 3.6 Nm3/hr

乾燥溫度 180~200℃ 200℃

乾燥時間 30分 10~15分

涂膜品質(zhì) 外觀 易沾附炭灰、灰塵 沒有炭灰及灰塵沾附

特性 無法製造消光產(chǎn)品 可製造消光序品

硬度 >4H >4H

(三)紙管乾燥

紡織工業(yè)中之合成纖維佔國內(nèi)生產(chǎn)值之重要地位，其製程中之POY在酯片溶壓抽絲后之高速捲取過程中使用大量紙管，為人纖工業(yè)不可獲缺的生產(chǎn)具材之一，目前在紙管成形后，通常採人工搬運方式，置於熱風乾燥爐加熱約4小時，由於熱風乾燥爐空間甚大，溫度相差極大，溫度控制較困難致使紙管內(nèi)部水份與溫度分布不均，導致成品內(nèi)翹變形，為求改善此缺失只能以低溫(約40C左右)進行乾燥，不僅耗時并且耗能源。為了有效解決上述問題，改採用遠紅外線加熱方式，配合以滾筒一面行走於爐內(nèi)，一面滾筒自轉，使紙管之加熱乾燥不僅快速且均勻，并以PID溫度控制及變頻馬達調(diào)整速度，使加熱速度及加熱溫度有一寬廣的調(diào)整范圍，以配合生產(chǎn)速度及高品質(zhì)之要求，根據(jù)實際連用結果，上述兩種加熱結果之比較如表9。

表9 紅外線紙管乾燥機運轉結果表

熱風 紅外線

爐體(L×W×H) 13×7×2 m 8.5×2.3×1.2 m

運轉方式 批次式 連續(xù)式

耗電量 133kw/hr 57kw/hr

處理速度 500 支/hr 480支/hr

紙管品值 抗壓強度 190kg 193kg

乾燥度 較小均勻 均勻

外觀 易變形 無變形問題

(四)紙塑模的水分乾燥

作為包裝用塑膠緩衝材的替代品而備受注目之紙塑摸(紙製模殼)，係利用報紙、瓦楞紙板、雜誌等廢紙藉濕式成形而製造成，此裝置係以瓦斯或煤油作為熱源，透過遠紅外線照射以進行其后的乾燥。就利用從前的熱風方式而言，由於在製品的厚度方向，或每一製品部分，其乾燥速度不同，因而產(chǎn)生彎曲及歪斜，在復雜的形狀者之場合，凹部的乾燥緩慢，必須長時間乾燥。遠紅外線能量由於很容易被水及紙所吸收，故升溫快速，如此可以減輕因製品的表層與內(nèi)部溫差所產(chǎn)生的乾燥速度差，而減少彎曲及歪斜。即使是工業(yè)製品捆包用者而有深凹形態(tài)的場合，從前需要60~120分的，現(xiàn)可縮短為30~40分。

(五)織線浸染乾燥

日常生活上常見之縫鞋線及水泥帶封口線等，乃將編織完成之紗線經(jīng)PU樹脂黏著劑處理，再經(jīng)加熱乾燥定形完成，以增加其強度及光澤度，目前乾燥均以熱風加熱為主，但乾燥耗時且光澤度差，由於PU樹脂是紅外線良好吸收體，且屬於薄膜涂層，因此相常適合紅外線加熱。表10是併用近、中紅外線乾燥爐的實際商用運轉結果，其中近紅外線之輸出功率以設定方式固定輸出，中紅外線則利用檢測器回饋信號控制隨著乾燥爐的狀態(tài)輸出其功率，結果顯示耗電量由每小時22kW降至17kW，生產(chǎn)速度由每分鐘20米提高到25米，產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定且光澤度提高許多。

10 工業(yè)織線浸染樹脂定型乾燥

項目 改善前 改善后

改善狀況 熱風150C乾燥1分鐘?？椌€乾燥效果不佳內(nèi)部易反潮。 色澤度差。 使用近/中紅外線熱源，及溫控裝置，乾燥20秒。 完全乾燥?？?*控制爐溫，品質(zhì)穩(wěn)定，色澤鮮麗。 由耗電每小時22Kw降至17KW。

經(jīng)濟效益 乾燥速度由20米/分提升為25米/分。省能35%。 品質(zhì)穩(wěn)定度及色澤品質(zhì)提升

表11 硅橡膠紅外線硫化

項目 傳統(tǒng)乾燥(使用前) 紅外線乾燥(使用后)

乾燥速度 90秒 12秒

品質(zhì) 斷面橢圓有印痕 真圓度好無印痕

產(chǎn)量 慢 大幅提升

耗能 大 小(12Kw/H)

設置空間 為原有之1/10

(六)硅氧橡膠硫化

由於硅氧橡膠具有杰出的耐高溫范圍、絕緣特性、無臭、無味、無毒、不污染之特性，為其他膠料所不能比的。因此，硅橡膠的應用差不多已普及到航空、汽車、醫(yī)學等重要工業(yè)上，其中硅橡膠管的製作方式多採擠製成型法，擠製之型件離開模子時尚在生料狀況，脆弱而易變形，通常必須立即予以硫化，使之產(chǎn)生分子間的交聯(lián)作用，賦予硅氧橡膠彈性的性質(zhì)。目前硅橡膠硫化方法*流行的方法係用水平式熱空氣連續(xù)硫化法(HAV)。擠製品由平但不銹鋼網(wǎng)製的運送帶輸送，利用對流方式作用在型件上以達硫化目的。由於HAV法係先加熱空氣，再將對流熱以傳導方式傳入硅橡膠，但因硅橡膠的**熱傳導性，使得硫化不易在內(nèi)部均勻進行，此外水平硫化設備的運送帶會在擠製品上顯印痕，幾無例外，而且對於管件製品其圓度也無法掌握，因為硫化前硅橡膠黏度先降低以致於會出現(xiàn)稍微下陷的情形，而造成品質(zhì)劣化。因此，熱風加熱方式造成能源浪費、品質(zhì)及產(chǎn)能無法提升有值得改進的必要。為了改善這些缺失，我們以近紅外線加熱硫化硅橡膠，以2.5米高、12kW的近紅外線爐加硫12秒，及以熱風爐爐長約10.5米，爐溫控制在280C左右，加硫90秒的產(chǎn)品為樣品，分別檢測其硫化程度及品質(zhì)，可以說以紅外線硫化的產(chǎn)品可得到較滿意的結果，其整體效益此較如表11。

(七)紡織品的染色乾燥

在西裝布料、窗簾布料的染色工程上，常為了避免顏色的重疊及混合，儘可能依顏色的數(shù)目而重復每一色的染色、乾燥循環(huán)。於此引進送風式遠紅外線加熱爐，同時利用與多色染整機的組合，使工程一次便可完成。迄今，由於布料及染料對遠紅外線有良好的吸收率，且處理時間縮短為熱風乾燥的1/4~1/6左右，又不傷布料，遠紅外線乾燥也被確認可以有均一、鮮艷的加工等特長。

結論

以上，我們說明了有關紅外線加熱器的概要、特性及其應用例，隨著科技的不斷進步，工業(yè)界的生產(chǎn)技術也不斷更新，講求的是系統(tǒng)效率，製程省能與產(chǎn)品品質(zhì)。在屬於傳統(tǒng)工業(yè)的加熱與乾燥領域中，紅外線技術因有不可替代的特性：加熱乾燥迅速、能源生產(chǎn)力高、系統(tǒng)化容易、品質(zhì)易於維護、生產(chǎn)環(huán)境改良等，這些特性將帶來經(jīng)營效率化及產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的變革，其所造成的重大利益，則不難想像，因此近年來在各國都以驚人的速度將紅外加熱應用於工業(yè)製程上。但實際上，在接受廠商委託所設計製造的裝置設備，交貨之后，由於廠商方面的要求，有關於裝置的使用情況及結果等，大都不能作所謂情報交換和對外公開，因此，可做介紹的實際運轉數(shù)據(jù)范例較缺乏，但是，紅外線加熱具有省能、高加熱效率的優(yōu)點是**可以肯定的。唯欲善用紅外線加熱的特點，則需對輻射體之紅外線輻射特性與被加熱物的紅外線吸收特性充分掌握。

此外紅外線輻射體之輻射效率會隨材質(zhì)及加工方式的不同而有所變化，故於紅外線輻射材的製作上，就須隨時配合其輻射特性的診測來加以調(diào)整。工研院能資所現(xiàn)已購買紅外線輻射特性量測儀器，可提供國內(nèi)業(yè)者來使用，深信對國內(nèi)紅外線輻射器品質(zhì)的提升，將有所俾益。