【正文】 的輻照度(后稱為直輻照度，記為)與輻射元件發(fā)出經(jīng)反射罩反射后照射到點(diǎn)的輻照度(后稱為反射照度，記為)之和，即有。對上的推導(dǎo)我們可以對不同的溫度求出相應(yīng)的匹配度，然后找出最佳匹配度，具體做法：將溫度賦予初值300，以1為步長逐步增加到700，用計(jì)算機(jī)擬合得到的結(jié)果如圖25所示：圖25 相對匹配度曲線從上圖得到，最佳匹配吸收點(diǎn)是在溫度為426時獲得。由此給定溫度后就可以得二甲苯的全部波長范圍內(nèi)的吸收輻射能量： （23）式中表示所吸收的輻射能量。 表21 二甲苯的吸收光譜波長吸收率8670607071240波長吸收率27210572030706070波長吸收率30401052482092810波長1011吸收率391013522102851050波長吸收率30855179507430將上表中的點(diǎn)依次首尾相連得到模擬吸收光譜圖(如圖24)，得到吸收光譜后我們就可以選取最適溫度使二甲苯的吸收最大。 模型建立 最佳匹配吸收由于不同物質(zhì)有不同的紅外吸收光譜，各種涂料的吸收光譜主要是用儀器測量得到，結(jié)果表明吸收率隨波長變化而變化；由儀器描繪的吸收曲線極其復(fù)雜，難以用具體的函數(shù)來表達(dá)，為了解決這個問題我們可以采用曲線擬合或?qū)⑵浜喕烧劬€，這里我們采用多個小段的折線代替吸收曲線。 模型假設(shè)（1）輻射元件為光滑的管狀元件，其表面的輻射度均勻且為理想的朗伯源；（2）只計(jì)算輻射元件產(chǎn)生的輻照度，但被輻射元件本身遮擋的部分不計(jì)，而且有其他處產(chǎn)生的輻照度忽略不計(jì)；（3）反射罩的反射率為1，軸通過輻射元件的中點(diǎn)，加熱管平行于軸，工作表面垂直于軸；（4）輻射元件只對測試面上長為，寬為的范圍內(nèi)起主要貢獻(xiàn)作用，對于范圍之外的貢獻(xiàn)可忽略；（5）均勻度比較時只計(jì)算核心區(qū)域，邊沿處不考慮；（6）拋物面的長度遠(yuǎn)大于輻射元件的長度；（7）本論文中只考慮遠(yuǎn)紅外輻射，對流不予考慮。圖23 輻射器與反射罩位置調(diào)節(jié)圖由目標(biāo)要求可知，先要在滿足最佳匹配吸收的條件下來獲得輻射元件的最佳溫度，其次用微分幾何來解決測試面上任意一點(diǎn)的輻照度問題。目標(biāo)要求在多個拋物面和輻射元件組合下，圖21 紅外輻射簡易裝置圖22 紅外輻射平面示意圖調(diào)節(jié)y和y0(見圖23)使測試面上受熱比較均勻；其次選擇最適合的溫度使測試面的吸收程度最高，即最佳匹配吸收。 總之，各類高溫窯爐內(nèi)壁刷涂高溫遠(yuǎn)紅外涂料后，可減少爐壁熱損失，提高爐內(nèi)熱輻射；同時被加熱物體的熱吸收性能也相應(yīng)得到改善，從而提高了加熱效率，達(dá)到節(jié)能的目的。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的情況來看，一般提高50～100。穿透燃料里層時，使里層的燃料分子吸收紅外波而產(chǎn)生能級躍遷，放出能量，加速燃料的燃燒，改善燃料的燃燒狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能的目的。由于爐內(nèi)溫度升高，燃料的燃燒更加充分，節(jié)能效果因此更顯著。但由于涂料本身在高溫下輻射率高達(dá)97%，根據(jù)波爾茲曼四次方定律，即物體表面熱輻射能力與其絕對溫度的四次方成正比。當(dāng)爐體溫度在900以上時，熱量傳遞給爐膛，熱輻射是對流的15倍，熱量傳遞以輻射為主，約占90%以上，高溫物體的熱能傳入低溫物體。 紅外節(jié)能原理高溫遠(yuǎn)紅外加熱的核心技術(shù)是高溫紅外涂料的研究與應(yīng)用。在處理最佳均勻溫度場時，在確定最佳輻射溫度的前提下，利用受熱物體任意點(diǎn)處的溫度與輻照度成正比的關(guān)系，通過比較空間任意點(diǎn)的輻照度，尋找?guī)讉€點(diǎn)的輻照度中插值最小的輻射器的距離，并進(jìn)行調(diào)節(jié)、比較，尋找最佳輻射器間距，最終達(dá)到輻照度近似均勻一致。 具體設(shè)計(jì)思路本課題設(shè)計(jì)通過熱電偶測定爐內(nèi)溫度，并用可控硅自動控溫，同時注意符合輻射吸收的定向集中輻射、最佳光譜匹配和最佳綜合效益原則。它具有這些優(yōu)點(diǎn)：（1）工件通過速度快；（2）強(qiáng)輻射，完全輻射（對流不記），烘烤均勻，成品效果佳等特點(diǎn)。只有當(dāng)被加熱物的厚度在紅外光譜測量厚度時，遠(yuǎn)紅外的匹配吸收理論才正確。在當(dāng)前我國國慶的基本情況下, 遠(yuǎn)紅外加熱水平的提高, 在節(jié)能和提高加熱干燥物質(zhì)量方面具有十分重要的意義。遠(yuǎn)紅外輻射材料的節(jié)能原理為：遠(yuǎn)紅外輻射材料對其它能量的有效轉(zhuǎn)換和被加熱物質(zhì)的分子振動所吸收，而達(dá)到加熱、干燥等目的，它具有節(jié)能、加熱升溫快，無污染，熱效率高等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于紡織、印染、機(jī)電、印刷、玻璃退火、食品加工和醫(yī)療保健、民用炊具、取暖設(shè)備等方面，我們所研制的遠(yuǎn)紅外陶瓷輻射材料用在鋁制品的涂層上，其節(jié)時率達(dá)40%以上，熱利用率增量為35%左右，節(jié)能率80%以上，是一種理想的高效節(jié)能材料。 利用激光技術(shù)生產(chǎn)的紅外束, 可使照到樣品上的功率密度比太陽能高1億倍。經(jīng)過許多科技工作者的研究, 先后制造出了比溫度計(jì)靈敏度高的多的紅外探測器、人造紅外輻射源、精密的紅外光譜分析儀器——紅外光譜儀。日本由于缺乏能源資源,對節(jié)能技術(shù)給予高度的重視。遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)是一門新興科學(xué)，近幾年隨著遠(yuǎn)紅外生產(chǎn)品種和數(shù)量的不斷增多，它的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)日益引起人們的重視，因此研究遠(yuǎn)紅外輻射材料和應(yīng)用于發(fā)有著廣闊的前景。一般認(rèn)為，對木材、皮革、油漆等有機(jī)物質(zhì)、高分子物質(zhì)及含水物質(zhì)的加熱干燥，其效果最為顯著。為此，這項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于油漆、塑料、食品、藥品、木材、皮革、紡織品、茶葉、煙草等很多種制品或物料的加熱熔化、干燥、整形、消費(fèi)、固化等不同的加工要求。與傳統(tǒng)的蒸汽、熱風(fēng)和電阻等加熱方法相比，紅外加熱具有一下五個常見特點(diǎn)：加熱速度快、新產(chǎn)品質(zhì)量好、設(shè)備占地面積小、節(jié)能節(jié)約和加熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。遠(yuǎn)紅外加熱器有板狀、管狀、燈狀和燈口狀幾種，所用的能源以電能為主，但是也可以利用煤氣，蒸汽、沼氣和煙道氣等，利用這項(xiàng)技術(shù)提高加熱效率，重要的是要提高被加熱物料對輻射線的吸收能力，使其分子振動波長與遠(yuǎn)紅外光譜的波長相匹配。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文拱形軟基節(jié)能遠(yuǎn)紅外烘干爐輻射場及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄摘 要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景與機(jī)理 1 具體設(shè)計(jì)思路 2 紅外節(jié)能原理 3第2章 輻照度 4 問題重述及討論 4 模型假設(shè) 5 符號說明 6 模型建立 6 最佳匹配吸收 6 紅外線加熱器的輻照度計(jì)算 9 直照度的數(shù)學(xué)推導(dǎo) 10 反照度的數(shù)學(xué)推導(dǎo) 13 基于直照度上的反照度幾何模型 15 兩根管的疊加 20 優(yōu)化設(shè)計(jì) 21 輻射器與走帶機(jī)構(gòu)的連鎖控制 22 本章小結(jié) 23第3章 烘干爐設(shè)計(jì)方案 24 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 24 遠(yuǎn)紅外參數(shù) 25 輻射器單支功率，支數(shù)及其布置設(shè)計(jì) 25 各個輻射管的表面負(fù)荷 26 輻射管的單支功率 26 總支數(shù)和總功率的驗(yàn)算 26 烘干爐其他設(shè)計(jì) 26 輻射涂料的選取 26 反射罩的選取 26 輻射加熱裝置及輻射器的組合與工藝布置 26 熱電偶的布置 27 通風(fēng)控制 27 爐體保溫 27 爐溫控制 27 反射裝置設(shè)計(jì) 27 本章小結(jié) 28第4章 程序部分 29 光譜曲線程序： 29 黑體光譜輻射程序 29 最優(yōu)匹配度曲線程序 30 微元環(huán)的直照度程序 31 一根熱元件的直射照度 34 微元環(huán)的反射照度 37 一根熱元件的反射照度 40 一根熱元件的總輻照度 43 兩根管疊加 49 y的優(yōu)化程序 54 y0的優(yōu)化程序 59 本章小結(jié) 64第5章 產(chǎn)品開發(fā)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 65 產(chǎn)品設(shè)計(jì)價值分析 65 價值分析概述 65 產(chǎn)品開發(fā)中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 67 技術(shù)可行性分析 67 經(jīng)濟(jì)可行性分析 68結(jié) 論 66致 謝 67參考文獻(xiàn) 68附錄A 外文文獻(xiàn) 69附錄B中文翻譯 74 70 第1章 緒論 課題背景與機(jī)理遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)興起于70年代初，在第二次世界大戰(zhàn)期間，廣泛應(yīng)用用工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究以及軍事領(lǐng)域，尤其是局勢方面比較突出，例如紅外偵察、紅外夜視、紅外制導(dǎo)、紅外成像制導(dǎo)、紅外音聲等,這些都是現(xiàn)代戰(zhàn)爭和未來戰(zhàn)爭中必不可少的戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略手段。其次，它是重點(diǎn)推廣的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。因此，此項(xiàng)及時在利用的過程中，我們要按照“因材施用”的原則，根據(jù)被加熱物的實(shí)際要求來選擇合適的輻射元件，合適的輻射涂層材料，以及要注意改善加熱體的表面狀況。根據(jù)實(shí)際調(diào)查我們可知道，用它代替電加熱，一般可節(jié)電30%左右，在有些場合甚至可達(dá)60%～70%。在早期應(yīng)用中，用紅外燈泡作為輻射源，由于受到種種限制，只能作為近紅外能輻射源，再后來，日本科學(xué)家研究出來氧化鎂管和碳化硅板，紅外加熱效果得到比較明顯的提高。在一些場合，這項(xiàng)技術(shù)與硅酸鋁耐火纖維保溫材料同爐應(yīng)用的效果甚佳。隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展, 能源的供需矛盾日益加深。日本在1964年開始研制遠(yuǎn)紅外輻射元件,70年代初已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn), 從此遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)迅速發(fā)展成為一個新興領(lǐng)域, 由于其明顯的節(jié)能效果, 越來越多的國家重視這一技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。目前探測器的靈敏度可以比普通的水銀溫度計(jì)高1萬倍。 紅外光譜儀分解光譜的性能也比牛頓分光法高出1千倍[1]。在我國，遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)的應(yīng)用，從碳化硅、金屬管、電阻帶、陶瓷、半導(dǎo)體、搪瓷等元件到80石英管、鍍金石英管、微晶玻璃燈等元件, 再到目前的遠(yuǎn)紅外定向強(qiáng)輻射器，中國的遠(yuǎn)紅外加熱科技在中國科學(xué)家的努力下，經(jīng)過了三個階段的發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，而且遠(yuǎn)紅外元件電能輻射轉(zhuǎn)換效率由從前的40～50%提高到78%以上，烘道、烘箱由密閉、保溫型發(fā)展到開放型。遠(yuǎn)紅外加熱理論：發(fā)熱體的輻射光譜與吸收體的吸收光譜曲線相匹配時，熱效率最高。本課題是設(shè)計(jì)YHL15014G烘干爐。由于強(qiáng)輻射、通過速度快，所以本課題要求所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)紅外烘干爐要求工件所處的溫度場很均勻。在設(shè)計(jì)中，可調(diào)節(jié)最佳輻射距離。由于本部分計(jì)算量特別大而且復(fù)雜，在本設(shè)計(jì)中有很大的比例，需要計(jì)算內(nèi)容也很大。其節(jié)能機(jī)理簡單地說有如下三點(diǎn)： (1)熱傳遞的基本方式，即傳導(dǎo)、對流、輻射。當(dāng)爐窯耐火磚內(nèi)表面涂上該涂料后，該涂料涂層與原耐火磚相比，～，這時爐內(nèi)表面吸熱量大大增加。隨著溫度的升高，爐內(nèi)表面熱輻射能力即以四次方的數(shù)值躍增，從而使?fàn)t堂內(nèi)的熱效率顯著提高，達(dá)到節(jié)能的目的。(2)高溫遠(yuǎn)紅外涂料由強(qiáng)輻射材料組成，高溫下輻射遠(yuǎn)紅外波，這些紅外波的穿透能力極強(qiáng)，能穿透被加熱物體和燃料本身，使被加熱物體里外層同時受熱。 (3)由于爐堂內(nèi)壁涂了遠(yuǎn)紅外涂料后，涂層表面溫度顯著增加，但它本身的吸收熱量很少，只有耐火磚的1/10，大部分熱量被它輻射回來，使?fàn)t內(nèi)溫度明顯提高。由于輻射作用，爐內(nèi)熱風(fēng)產(chǎn)生循環(huán)，冷空氣產(chǎn)生逆流，其煙氣在爐內(nèi)停留時間增加，產(chǎn)生二次燃燒，排煙溫度降低，熱損失減少，從而提高了熱效率。第2章 輻照度 問題重述及討論如圖21所示，計(jì)算管狀輻射元件安置在拋物面型反射罩中對測試面上任意一點(diǎn)的輻照度，其中拋物面開口寬度為，深度為，管狀輻射元件長為，測試面為曲面，半徑為R，輻射元件半徑為（如圖22）。本論文中取，測試面垂直軸且到坐標(biāo)平面距離為，測試面上的涂料為二甲苯溶劑。很顯然，用全部拋物面和輻射元件來推導(dǎo)對整個測試面的輻照度是相當(dāng)復(fù)雜的，因?yàn)檎麄€反射面不能用一個具體的函數(shù)來表達(dá)且y和y0的調(diào)節(jié)使得它們不斷變化，因此我們從拋物面群中取出一個拋物面，再在輻射元件上取一個微元環(huán)，建立微元環(huán)對測試面輻射的幾何模型，最后進(jìn)行疊加就可以了。 符號說明表示拋物面的開口寬度；表示拋物面的深度；表示輻射元件的長度；表示輻射元件的半徑；表示兩輻射元件之間的距離；y0表示輻射元件軸心距拋物面頂點(diǎn)的距離；表示吸收物質(zhì)的波長；表示涂料的光譜吸收率；表示自然對數(shù)的底；表示所吸收的輻射能量；表示光譜輻射力，；表示黑體的熱力學(xué)溫度，；表示溫度為的物體的黑體輻射力；表示輻射元件的直輻照度；表示輻射元件的反射照度；表示一個微元環(huán)的直輻照度；表示輻射元件上一點(diǎn)到測試面上一點(diǎn)的距離；表示一點(diǎn)對測試面上一點(diǎn)的反射照度。對于二甲苯我們?nèi)?7個點(diǎn)如下頁表21所示。圖24 二甲苯的吸收光譜曲線對于任意一段折線我們建立這一段的方程： （21）有量子力學(xué)理論得到的普朗克定律： （22）式中：表示光譜輻射力，；表示波長，； 表示黑體的熱力學(xué)溫度，；表示自然對數(shù)的底；表示第一輻射常量，其值為；表示第二輻射常量，其值為。從而，相對匹配度為： （24）式中表示溫度為的物體的黑體輻射力， 。到這里我們得到了所需的最佳溫度，下面將進(jìn)行測試面上均勻度分析。管狀輻射元件是一柱面輻射源，柱面的大小與拋物面相比不能看作無限小，因而不能將其看作點(diǎn)光源；由于反射罩的存在，也不能將其看作線輻射源。 直照度的數(shù)學(xué)推導(dǎo)在輻射元件上任意取一點(diǎn)，在附近取一小微元，則由蘭貝特定律和輻射定律可知，在測試面上點(diǎn)處的直輻照度為：圖26 直照度 （25）式中是輻射元件表面處的定向輻射強(qiáng)度， l是，兩點(diǎn)之間的距離，為處輻射元件表面外法線與所成的夾角，為測試面上點(diǎn)處法線與所成的夾角。由我們的假設(shè)，上式可以簡化為：式中：，， 為測試面點(diǎn)處的法線與軸夾角，R為測試屏半徑。圓環(huán)的圓周上以為步長，圓環(huán)的圓心為(0，0)，拋物線的開口為200，深為100，測試面上以邊長2的正方形中求一個熱元環(huán)對各點(diǎn)的直輻照度如下頁圖27所示。圖28 單根熱元件的直輻照度正如分析所說，疊加的結(jié)果是相當(dāng)令人滿意的。因此在做微元環(huán)對測試面的輻照度時，僅考慮正對面的1的長形區(qū)域就滿足了。同樣，由我們