紅外線加熱爐設計原理

紅外線加熱爐設計原理

紅外線加熱乾燥系統之開發，首先要從系統加熱乾燥製程的觀點來著手，以單位產品能源損耗及產品品質為依據，配合上下游的製造流程來應用紅外線技術。第一考慮要件為選擇適當的輻射源使在頻譜分佈上能和受熱物的紅外線特性相吻合，第二需要熱風輔助系統及通風排放系統之密切配合以幫助揮發物之排除，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格下得到******的加熱乾燥成效，第四為選擇最適當的控制系統以統合上述之各項裝置系統，適時適量提供能量，達到最適化的加熱乾燥。

(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。如果被加熱物在整個紅外區間吸收特性極差，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出的輻射能量的主輻射波段處於紅外區的被加熱物體，才能採用紅外技術。一般而言，有機物質，高分子物質，含水物質在紅外區部有較強烈的吸收峰區，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?，F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，可通過經驗公式求取其吸收特性曲線。應該強調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間的吸收特性及其在溫度區間的溫度變化規律，以便掌握其動態吸收特性。
(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，故現在極少生產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成的紅外輻射器產品來組裝使用，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，目前最多的是電熱式紅外輻射器，恒盛爐業也有以煤氣、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熱(焦耳效應)，高溫的電阻器以輻射電磁波方式將能量傳出。最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2200~2500度，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，產生所需波段的紅外線，更由於鎢絲可達高溫，易產生高強度紅外線，適合用於需要高能量密度、溫度控制精確，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
橢圓球面內部側面鍍有反射材料，內部為鎢絲，通電產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，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1800度之高溫。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300度以下，以確保使用壽命，超過300度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生空隙，使空氣進入玻璃管內，最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)之內面裝有電阻絲，從電阻發熱體經傳熱以加熱輻射體，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，管內放置鎳鉻線，通電后發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。

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