红外线加热炉体设计文档格式.docx
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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。
但為了设计值与实际的差距,输送速度应具可调性,以改变在炉内的乾燥时间,以取得最好的乾燥效果,使乾燥炉具有一定的通用性。
2.乾燥炉电功率确定
(1)热平衡法
W=NQ/860……………………………(7)
式中W是乾燥炉功率;
Q是加热所需热量,包含加热工件基体所需热量,加热工件基体上附加物(油漆)所需热量,加热输送设备(小车、悬链、掛具等)所需热量,排放烟气损失的热量;
N是安全系数;
是乾燥炉效率,针对不同加热乾燥炉而选取不同的经验值。
(2)估算法
单纯加热物体所消耗电功率
W=PCt
860
式中W是消耗电功率(kW);
P是加热工件的总重量(kg/h);
C是加热材料的比热(kcal/kg、C);
t是加热前后的温度差(C);
是乾燥炉效率。
加热脱水乾燥消耗的电功率
W=P1t+P2c+P3Ct
P1是水分的处理重量(kg/h);
P2是蒸发水的重量(kg/h);
P3是加热工件的总重量(kg/h);
C是加热材料的比热;
c是水的蒸发热(kcal/h);
=乾燥炉效率。
辐射功率密度法
红外线加热炉消耗电功率為W=E·
F
E是辐射功率密度(kW/m2),一般取3~8之间,大面积薄壁工件取小值,小面积厚壁或实体工件取大值,对於形体复杂或铸件取10;
F是单位时间加热面积(m2/h)。
3.炉型的合理确定
红外加热炉分為固定式和隧道式两类。
固定式红外线加热炉结构简单,造价便宜。
燧道式红外线加热炉由於需要有移动工件的输送装置,结构较复杂,投资较大,但其生產能力要大於固定式。
随著工业生產的向专业化发展,隧道式红外加热炉可以设计成不同的型式。
根据不同的加热曲线,常把隧道式红外加热炉沿长度方向划成若干个不同的温度区,分别配备相应强度的红外辐射元件及控温系统以保证其工作温度稳定。
固定式红外加热炉的型式為一侧封闭的炉腔,炉壁上开一个或几个炉门供工件出入。
固定式乾燥炉可做成立方体形、圆柱形、球形的。
隧道式红外加热炉的型式却由於工件传送机构的不同而相应有较多型式,有输送带型、链传动型、料盘翻板型、悬掛型、滚筒型、震底型、牵引型等。
此外隧道炉的长度常受到生產场地的限制,因此不一定全是直的,也可作成U型、S型和多层S型。
无论是隧道式,还是固定式,在满足工艺要求,保证加热质量的前提下都应力求炉体结构紧凑,有儘可能小的外形尺寸,以减少热损失。
红外加热炉的炉衬通常有两类:
一是砖砌炉衬,二是型钢铁皮头夹保温材料的炉衬。
砖砌炉衬的热惰性较大,蓄热损失较严重,但选择得当可减少散热损失,可用於散热损失為主的连续作业炉。
型钢铁皮夹保温材料的炉衬轻巧灵活,便於操作,组装和维修,目前应用较广泛。
炉衬的绝热好坏对炉子的热效率有相当影响,对於电加热炉更是举足轻重。
而炉衬绝热性能的好坏又取决於炉衬材质的正确选择和厚度的合理确定。
在使用温度和其它工艺絛件允许的前提下,应儘可能选择密度小,导热係数小的保温材料。
红外加热炉的炉体密封也很重要。
隧道式炉两端进出口呈敞开式,散热严重。
因此,应在保证工艺要求的前提下儘可能取小一些的炉口截面,如可能还应加装挡帘之类的防散热措施。
此外,还应注意加热炉炉壁上的检修门、视孔、固定式炉炉门等薄弱环节的保温措施,通风换气时也应儘量避免通风换气量过大,增加不必要的热量损失。
4.红外辐射元件的较适化佈置
红外辐射元件在加热炉的佈置颇有讲究,佈置得当既能提高品质又可节约能源。
一般常将红外辐射元件均匀布置在被加热物料的周围,有合适的辐射距离和儘可能均匀的辐射程度分布。
考虑红外热射线如同可见光等所有的电磁波一样沿直线传播。
因此对外形复杂且本身导热性差的工件要注意不要出现太大的热射线照不到的死角,以免影响加热品质。
為提高红外热射线的重覆利用率,常在红外加热炉内利用铝板作為反射层。
这一措施对炉膛容积不大的固定炉和宽度不大的隧道炉都有很好的功效。
但相对两炉壁上的红外辐射元件应相互交叉错开,以增强反射效果。
至於红外辐射元件与工件之间的辐射射距离究竟以多大為好最佳辐射距离随辐射元件、辐射特性、辐射强度与工件的光谱匹配程度,工件的表面吸收能力和内部的传热能力等许多因素有关。
最好能在实验室内进行模拟实验来研究确定,对於较大型的红外加热尤其如此。
总之,辐射器与工件距离愈近,辐射强度愈大,乾燥效率也高,但乾燥不均匀性也增加。
根据理论分析和使用经验,认為在固定炉内合理的辐射距离可在150~500mm间;
对於隧道炉,则合理的辐射距离可缩小至10~150mm之间。
最好辐射元件可安装在可调距机械框架上,可根据多种被加热物料的特性以及其它製程条件的变化随时调整辐射距离,以求得较好的加热效率。
此外為解决由於自然对流传热引起的加热炉内的上下温差问题,应在炉侧壁上不均匀地分布红外辐射元件的功率。
此外,靠近炉门和炉口处的辐射功率密度也应大一些,以补偿该处较大的散热损失。
炉内的温差一般也可通过强制热风循环来消除。
5.辐射强度的控制方法
由於加热歷程控制的需求,红外线加热器的功率输出必须加以控制。
电气式红外线加热器辐射强度的控制方法,一般大致可分為下述几种:
(1)辐射距离加减法
辐射距离是指管状元件中心或板状元件的辐射涂层到烤盘底部或钢带上表面之间的距离。
辐射距离的大小直接影响红外线的辐射强度,还影响炉膛尺寸的大小。
根据照度定律可知,辐射能量的多少与距离的平方成反比。
利用幅射源之辐射量照加热工件间距离来进行加热温度的调节,可免除繁复控制器的限制。
过去国内厂商使用黑体管的远红外线乾燥炉大部分採用此种调节的方式。
但当生產多样式產品时,抬高照射距离非但无节约能源作用,也降低生產率,亦无法回应加热倏件变化时所需控制条件的改变。
表4说明辐射强度随著距离的增加而衰减。
辐射距离越近,辐射强度越大,加热效率也越高,同时辐射强度分布的不均匀性也越显著。
距离过近会因加热不均匀而影响烘烤品质,并且当距离小到一定范围时,辐射强度的增加率会显著减缓。
辐射距离越大,辐射强度越小,温度也越低,同时也导致炉膛尺寸增大。
但是此时辐射强度分布也趋於均匀。
原则上,在保证辐射均匀性,不影响產品质量和不妨碍操作的前提下,辐射距离越近越好。
对於隧道式红外烤炉,由於受热物经输送设备在炉道中移动,则不必考虑热量分布的不均匀性。
烘烤时可以将辐照距离缩短到50亳米,并适当加快传递速度,效果较好。
另外,管状辐射元件辐射能量的分布均匀性还与元件相互间的距离有关。
表4辐射距雄与辐射强度的关係
辐射距离(米)0.180.250.50.751.00
辐射强度(千卡/米2·
时)11006202398060
(2)红外线反射器
由辐射逆二次方定律所叙述,辐射能在空间扩展為球状,辐射能强度随距离平方成反比,这种随距离衰减的特性,在辐射加热乾燥的实际应用上是相当不利的。
在实际应用时除尽量缩短辐射器与被加热物件之距离外,需使用适当的反射器以提高效率。
红外线在传播过程中和可见光一样,遵守光的反射定律和折射定律,红外线反射器就是利用红外线的这一性质。
红外线反射器是局部反射所辐射的红外线以增强工件之照射强度的装置。
而反射器按不同的需要可做成各式各样形状。
按不同的特有不同的分类法。
按反射镜的平曲张角来分,有浅镜深反射及深镜深反射镜。
按反射器剖面的形状来分,有平面镜和曲面镜两种。
可用几块平面镜按不同角度拼成角反射镜,以改变光路方向。
但反射之数不宜过多,以免损失太大。
曲面镜又可细分為球面、拋物面、椭圆面和双曲面,使用最广的则是拋物面及椭圆面反射器。
通常光源置於焦点上,对於拋物面反射器通常用来加热平面材料,而椭圆面反射器则用来加热材料某一区,而通常不论拋物面或椭圆面反射器均可用加热圆柱状材枓,而其选择反射面的通式是当材料半径小於反射开口时以椭圆反射器较佳,反之则拋物面较好。
最后,按反射器的曲率可否调节,可分為曲率可调反射器和固定曲率反射器。
影响反射器效率的因素很多,一般影响反射器效率的因素包括:
反射器表面材质的影响
良好的反射体应选用对红外线反射率高而吸收率低的材料,反射板之材质,理论上為镀金、镀银、拋光铜或铝合金层、不銹钢等。
实用上则以铝板使用最多,其次為不銹钢板,通常镀金面反射係数超过95%,但成本高。
而镀铜的反射係数虽也大,但容易暗淡。
在一般的红外加热设备中,常採用铝板,反射性也高,价格便宜,但铝在波长1m附近时的反射率很低,但若在其表面进行电化学处理,电氧化处理后的铝在红外区的反射率可得98%,也很稳定。
不銹钢板对炉内气体酸、硷之雾滴、水分之蒸发中使用耐腐性高,并适於特殊用途中使用。
对於工件材质表面反射性较强的场合,反射板材料可以利用陶瓷纤维来吸收大量的反射能,再以更长波的红外线辐射出,则能充分利用能源。
对於连续炉,為节省炉体长度,一般均需使用反射板来达到最高强度的照射。
保护窗
由於反射器上若有沉积物產生,则会增加反射器的吸收效果,因而会加热反射器造成热量损失。
為防止沉积,可安装保护窗,但是这保护窗材料必须a.易於清洗,b.耐高温,c.不蒸发,d.不吸收红外线,否则造成更多能量损失。
漫/镜反射
当辐射撞击表面时,可以观察到两种反射形式,若入射角等於反射角称為镜反射。
反之,当入射光束反射后,在各方向呈均匀分布,此种反射称為漫反射,当反射率為1时,全反射没有能量损耗,当反射率小於1则部分能量被反射器吸收,而降低其效率。
反射器形状影响
虽然红外线发热体可藉由反射器提高其辐射能效率,但是针对不同的加热目的,有不同的反射器形状设计,反射器的形状、大小及受照距离改变,对於加热面的能量分布就不同。
表5是不同形状的反射装置距离辐照面100毫米处的辐射强度,即辐射通量密度。
5几种反射装置的辐射通量密度
反射装置的形式辐射通量密度(卡/厘米)
拋物线反射装置球面反射装置双曲面反射装置干面反射装置10784
(3)改变输入电压
由於加热器本身是一个电阻(钨丝或镍铬丝等),输入电压不同,流过的电流也不同,加热器的表面温度改变,辐射强度即改变。
交流电压的改变可採变压器、可变电阻、加热器串联或并联的配置,或三相Y-△配线等方法。
必须注意的是辐射加热器的寿命与输入电压有直接关係,建议使用时不超过其设定限值。
这项方法要能进行即时控制,仍需补助其他控制方式。
(4)加热开关法
对於热惯性大的传统电热器,这是普遍採用的方法,其观念非常简单,当目标值大於实测值时供给电源為ON,当目标值小於实测值时,电源则為OFF。
对连续式加热装置,利用PLC或Timer的时间设定,在经过一定加热时间后即遮断电源的方法,也是属於此类型的控制。
这种方法对热惯性小的透明石英近红外线灯管会造成闪灭的现象,於快速连续式的加热系统易造成加热不均匀的结果。
(5)零点专通的平均电压控制
这种方法是以一个固定时间(数秒鐘)為週期,控制导通功率电晶体在零位电压时进行切换,而能比例控制输入的电流流量。
零电位时导通的最大优点是可降低电磁干扰的產生,维持良好的电力品质。
但是对於热惯性低的近红外线灯管而言,这种方法仍会產生灯管闪烁、辐射热量不连续输出的现象。
红外线乾燥节能应用
加热乾燥的过程较复杂,同时存在热扩散与湿扩散现象。
由於含水物料中水分会向含水量低的力向移动,而物体内部的温度由高温向低温处扩散。
如果温度与湿度梯度方向一致,则加速物料的乾燥速率。
但如果温度与湿度梯度方向相反特,热扩散与湿扩散相互抵抗。
若热扩散比湿扩散强烈,则水分(或其它溶剂)不但不能由内部扩散至表面再扩敬到环境气氛中去,而且恰恰
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- 红外线 加热炉 设计