熱處理設備中紅外線乾燥節能應用

熱處理設備中紅外線乾燥節能應用
熱處理爐加熱乾燥的過程較復雜，同時存在熱擴散與濕擴散現象。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)不但不能由內部擴散至表面再擴敬到環境氣氛中去，而且恰恰相反，會把水分(或其它溶劑)進一步往內部趕，結果既不能達到加熱乾燥的目的，甚至有可能因內部水分集中，外層乾燥而引起品質不良問題。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製程應用與節能效果不勝枚舉，茲列舉下列幾項功效顯著者來加以說明：
(一)水性膠帶乾燥
環保意識抬頭，水性膠成為膠帶業的寵兒。然而因水的蒸發熱很大，傳統熱風方式未能達成有效乾燥目的，為了加速產能而盲目提高熱風溫度，造成水膠上層的溫度太高，水分蒸發速率太快，而內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部之水分因升溫汽化但卻無法從表面蒸發時，則會形成大小不一的汽泡，造成水膠乾燥品質劣化。因此利用高強度紅外線配合送風系統以促進乾燥速率及品質，已成為新的發展趨勢。用近紅外線與熱風的乾燥爐根據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%，而且涂膜品質因無針孔而提高許多。
(二)涂裝乾燥
從冰箱、洗衣機、空調機等的家電製品，到儀錶儀器、產業用機器、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。紅外線加熱與熱風乾燥之效益，實驗所用粉體是由環氧-聚酯型樹脂組成，主成分是由2-2二對酚甲烷型環氧樹脂，與飽和型聚酯樹脂混合成粉體涂料。粉體平均顆粒大小約12mm，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噴砂表面處理后的鋼板上，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，乾燥時間可減少一半，由於任何加熱系統都不可避免熱損失，但加熱時間縮短意味能源的節約。表8是併用遠紅外線與熱風的水性電著涂裝乾燥爐根據其實際商用運轉結果顯示燃料耗用量可節省25%，乾燥時間縮短50%，涂膜品質更提高許多。
(三)紙管乾燥
紡織工業中之合成纖維佔國內生產值之重要地位，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，為人纖工業不可獲缺的生產具材之一，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部水份與溫度分布不均，導致成品內翹變形，為求改善此缺失只能以低溫(約40?C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，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整速度，使加熱速度及加熱溫度有一寬廣的調整范圍，以配合生產速度及高品質之要求。
(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部溫差所產生的乾燥速度差，而減少彎曲及歪斜。即使是工業製品捆包用者而有深凹形態的場合，從前需要60~120分的，現可縮短為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PU樹脂黏著劑處理，再經加熱乾燥定形完成，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。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輸出其功率，結果顯示耗電量由每小時22kW降至17kW，生產速度由每分鐘20米提高到25米，產品品質穩定且光澤度提高許多。
(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、醫學等重要工業上，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，使之產生分子間的交聯作用，賦予硅氧橡膠彈性的性質。目前硅橡膠硫化方法最流行的方法係用水平式熱空氣連續硫化法(HAV)。擠製品由平但不銹鋼網製的運送帶輸送，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，但因硅橡膠的不良熱傳導性，使得硫化不易在內部均勻進行，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稍微下陷的情形，而造成品質劣化。因此，熱風加熱方式造成能源浪費、品質及產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280℃左右，加硫90秒的產品為樣品，分別檢測其硫化程度及品質，可以說以紅外線硫化的產品可得到較滿意的結果。
(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，儘可能依顏色的數目而重復每一色的染色、乾燥循環。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，我們說明了有關熱處理設備中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，工業界的生產技術也不斷更新，講求的是系統效率，製程省能與產品品質。在屬於傳統工業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、能源生產力高、系統化容易、品質易於維護、生產環境改良等，這些特性將帶來經營效率化及產業系統的變革，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據范例較缺乏，但是，紅外線加熱具有省能、高加熱效率的優點是絕對可以肯定的。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整。工研院能資所現已購買紅外線輻射特性量測儀器，可提供國內業者來使用，深信對國內紅外線輻射器品質的提升，將有所俾益。

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