【正文】 向集中輻射、最佳光譜匹配和最佳綜合效益原則。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處的溫度與輻照度成正比的關(guān)系，通過比較空間任意點的輻照度，尋找?guī)讉€點的輻照度中插值最小的輻射器的距離，并進行調(diào)節(jié)、比較，尋找最佳輻射器間距，最終達到輻照度近似均勻一致。 紅外節(jié)能原理高溫遠紅外加熱的核心技術(shù)是高溫紅外涂料的研究與應(yīng)用。當爐體溫度在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。但由于涂料本身在高溫下輻射率高達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。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。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)，達到節(jié)能的目的。根據(jù)實際應(yīng)用的情況來看，一般提高50～100。 總之，各類高溫窯爐內(nèi)壁刷涂高溫遠紅外涂料后，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，達到節(jié)能的目的。目標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。圖23 輻射器與反射罩位置調(diào)節(jié)圖由目標要求可知，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的輻照度問題。 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，而且有其他處產(chǎn)生的輻照度忽略不計；（3）反射罩的反射率為1，軸通過輻射元件的中點，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)起主要貢獻作用，對于范圍之外的貢獻可忽略；（5）均勻度比較時只計算核心區(qū)域，邊沿處不考慮；（6）拋物面的長度遠大于輻射元件的長度；（7）本論文中只考慮遠紅外輻射，對流不予考慮。 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，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。 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。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。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，用計算機擬合得到的結(jié)果如圖25所示：圖25 相對匹配度曲線從上圖得到，最佳匹配吸收點是在溫度為426時獲得。 紅外線加熱器的輻照度計算從簡易模型可知，照射到測試面上某點的紅外線來自兩個部分：一部分是由輻射元件發(fā)出直接照射到點；另一部分是由輻射元件發(fā)出經(jīng)反射罩反射后照射到點，因此照射到點的輻照度(記為)是由輻射元件發(fā)出直接照射到點的輻照度(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的輻照度(后稱為反射照度，記為)之和，即有。因此我們將熱源件表面先分割成多個小微元環(huán)，在將一個環(huán)分割成一些小微元面，可將近似看作一個點輻射源，計算出對點的輻照度，然后對整個圓環(huán)進行積分，最后將全部的微元環(huán)進行疊加，這樣就得到了整個測試面上的輻照度，當然點的輻照度也就知道了。(如圖26)由假設(shè)可知，定向輻射強度是一常數(shù)，其大小為：L=M/，是輻射元件表面的輻射強度，因而（25）式為： （26）對此式進行微元環(huán)上積分，就得到一個微元環(huán)對點處的直輻照度，因而有： （27）式中表示一個微元環(huán)的直輻照度。由最佳匹配度吸收原則可知，測試面上的最佳溫度為426，因而我們設(shè)計的輻射器溫度應(yīng)在400—450，在這里我們暫取選取700。圖27 微元環(huán)的直照度從上圖可以看出，輻射能量大部分是集中在中心區(qū)域；在方向受到拋物線開口的限制，測試面上的輻射只能在約(，)范圍內(nèi)有效；在方向離中心較遠處輻射能量約為0(~)，遠大于邊沿地區(qū)，這樣說來兩個相隔一定距離的微元環(huán)就影響很小，最后將全部的微元環(huán)進行疊加，就是一根輻射元件對測試面的直輻照度如下頁圖28所示。他們的誤差也可以忽略不計，在實際生產(chǎn)過程中從方向來說，利用1范圍內(nèi)，也就是說邊沿地區(qū)不是利用的主要區(qū)。 反照度的數(shù)學(xué)推導(dǎo)如圖29所示，任取輻射元件表面上某點，設(shè)有一束射線沿方向發(fā)射，經(jīng)反射罩反射后沿方向照射到測試面上某點，假設(shè)由點沿以立體角發(fā)射的射線經(jīng)反射罩反射后照射到測試面點附近微元上，則由輻射定律和蘭貝特定律可知，由處微元沿照射到上的輻射功率為：圖29 反射輻照度模型式中表示點處的定向輻射強度，為輻射元件表面處外法線與向量a所成的夾角。由輻照度定義可知，點處沿經(jīng)反射罩反射照到處的反射輻照度為： （27）式中：， ，為向量a與輻射元件表面處法線所成的角。由于紅外線輻射線的反射也滿足光的反射原理，所以有式中是沿發(fā)射的紅外輻射線照到反射罩上點處反射罩表面的單位法矢量。對于給定的測試面上的點，利用函數(shù)關(guān)系式可以求出，因而就可以計算出輻射元件的反射輻照度。如圖210所示，首先，由于紅外線輻射遵守光的反射原理，我們可以將測試面上點處的以切平面為鏡像到，這樣在微元處就相當于Pt點直接照射到處，因而處的輻照度就可以用直照度的公式了。圖210 反射輻照度圖211 鏡像輻射面設(shè)表面反照度的方程為：輻射元件的表面方程為：式中為輻射元件的半徑。在直照度計算中已經(jīng)推導(dǎo)出一點對測試面上的輻射照度，再反照度里其表達式為：式中表示一點對一點的輻照度。和是測試面上的一點以拋物線切線為對稱軸的對稱點。在這里我們暫取選取700。從圖中可以看出，輻射量的分布正好與微元直照度相反，中間低兩邊高，這樣對于他們的疊加后均勻度有好處，至少在邊沿處可以使能量分布較均勻，而且也可以看出盡管我們在測試面上取了較大的范圍，但在熱管軸線方向能量是比較集中的，這跟圓環(huán)的圓心坐標有關(guān)，在后邊我們將給予說明；在左下圖中，我們可以看出均勻度不好，尤其是在中間，能量時高時低交替變換，微圓環(huán)的疊加可以消除一些不均的現(xiàn)象，在后邊我們將疊加并作出圖形給予討論；在右上圖中，很明顯表現(xiàn)出各處能量的不均勻現(xiàn)象；右下角是微圓環(huán)反射照度的三維圖形。疊加100次得到如下圖形(如圖213)。在右上圖中可知，在軸線方向，輻射均勻，有條紋就體現(xiàn)了不均，特別在中間也就是熱管的正對面，有一小塊能量很高，這會產(chǎn)生不良的結(jié)果，實際上這就是我們所說的“射差問題”，后邊將給與一定的討論。解決不均的現(xiàn)象就是我們的優(yōu)化設(shè)計的問題。下圖就是在溫度取700K，r=，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200mm，深為100mm，測試面上以邊長2m 的正方形中求一個熱管對各點的輻射照度。從上圖可以看出，疊加后不均現(xiàn)象仍然存在，且在熱管的軸線方向不均加劇了，由蘭貝特定律可知，直照度在邊沿中的貢獻大不好，從這里也可看出，測試面上的能量最好是通過反射罩獲得，當然要在一定的條件下，這樣不但可以減少能量的損失而且還增加了均勻性，至于垂直軸線方向的情況，要通過多根熱管來削弱，必須保證不產(chǎn)生射差問題。在圖213與圖214右上角圖中相比較，在核心區(qū)域均勻度增加了。這樣輻照不均勻現(xiàn)象消除，避免了局部過熱而損壞烘干對象，可以保證烘干質(zhì)量和效率，此時的輻照度分布如圖215。在第一章中我們提到，衡量均勻程度的標準為方差值，為此編制了在y和y0變換的時候計算各個方差的程序?！?，其所對應(yīng)的方差值為：eee = +005 * Columns 1 through 8 Columns 9 through 13 由此可知隨的增加方差值首先增加而后減小，但是當?shù)臅r候方差最小，故取。當走帶停止時，帶基在輻射器的直接照射下，容易產(chǎn)生皺褶損壞帶基。即便是能夠直接測量工件表面的溫度，溫度的測量與控制也不可能絕對同步。為此，我們電路中加裝了輻射器與走帶機構(gòu)的連鎖控制，當走帶機構(gòu)停止時，加輻射元件即刻停電，由于所選的加熱器的熱慣性小，故其表面溫度下降很快，不至于損壞帶基。因此在電路中需要利用時間繼電器，綜合性能分析，選擇型單結(jié)晶體管電子式時間繼電器（如圖216）。再經(jīng)穩(wěn)壓二極管和電阻穩(wěn)壓后的電壓加在右邊單結(jié)晶體管的觸發(fā)電路上。延時從接通電源開始，而后分，和，兩路對電容充電。同時動合觸點閉合，迅速放電。圖216 走帶機構(gòu)的連鎖控制圖 本章小結(jié)本章分別討論了以下五方面的內(nèi)容：(1) 微元環(huán)對測試面的直照度和反照度；(2) 單根管對測試面的直照度、反照度與總照度；(3) 兩根管對測試面的總照度；(4) 匹配度與輻射場的優(yōu)化處理；(5) 輻射器與走帶機構(gòu)的連鎖控制。黏膠帶在爐內(nèi)的烘烤時間為。(4) 車間溫度常年波動范圍(5)爐壁采用薄壁結(jié)構(gòu)，取厚度為，外殼采用包裝薄鐵皮，內(nèi)壁采用的薄板，中間填塞礦棉扎，用角鐵做骨架，爐膛外部不可以調(diào)。，可調(diào)閥門引出爐膛后又豎直排風(fēng)管，自然抽風(fēng)。 遠紅外參數(shù)（1）溫度T1的確定由編制的程序得最佳輻射溫度為T1=426K，（2）輻射管的選擇采用石英管作為輻射管，由于強輻射溫度極高，所以遠紅外涂料不予考慮。（4）距離系數(shù)f1的選定由于輻射距離為400mm，兩側(cè)輻射管中心距為800mm，由《遠紅外輻射加熱技術(shù)》表219，取距離系數(shù)f1=（5）射角系數(shù)f2的選擇角系數(shù)忽略不計。 輻射器單支功率，支數(shù)及其布置設(shè)計布置52支輻射管，4支輻射管選為一組，共分13組，、型號取為一致，管徑均取20mm，管長均為1000mm。 反射罩的選取由于反射罩要求有較高的反射率，能耐熱、耐腐蝕，并且有良好的機械強度及經(jīng)濟性，故采用渡銅的拋光不銹鋼制成，又考慮到拋物線反射罩比平面反射罩效率高30%，于是外型采用拋物線型，反射罩開口：200mm深：100mm 厚：5mm 輻射加熱裝置及輻射器的組合與工藝布置輻射加熱裝置有石英遠紅外輻射器和不銹鋼反射罩組成。 熱電偶的布置為了實現(xiàn)溫度的均勻性，熱電偶作了兩種不同的測溫。 通風(fēng)控制對于烘干爐，當可燃氣體集中揮發(fā)時，必須迅速用風(fēng)機抽出氣體以保證安全，抽出氣體進入催化燃燒裝置，從催化裝置出來的氣體在大于爐膛，以減少能量損失。有些烘爐的溫度可以達到50~60度以上，這樣經(jīng)爐殼散失的熱量將占總功率的20%以上。 爐溫控制一般烘干爐都是控制爐溫 以代表工件的溫度 ，而遠紅外線輻射則應(yīng)控制輻射器溫度 ，用熱電偶測出爐膛各處的溫度。拋物線頂點應(yīng)取在坐標的原點上，其焦距在距頂點處。 本章小結(jié)本章主要討論了以下三方面：(1) 烘干爐結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計；(2) 烘干爐一些構(gòu)件的選取，例如，選取輻射管功率的大小，輻射管的分組及其布置；還有通風(fēng)裝置的布置等；(3) 遠紅外參數(shù)的選取。xx =[, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , 10, , 11, , , , , , , , , , , , , ]。 x=xx.*10^(6)。d39。title(39。)。波長λ/m39。ylabel(39。)。%黑體輻射常數(shù)c1 = *10^(16)。%第二輻射常量for i = 1:1:15 t = i*100。 for lambda = 0:.01:10。 Eblambda(i,j)=c1.*(lambda*10^(6))^(5)./(exp(c2./((lambda*10^(6)).*t))1)*10^(18)。 hold on plot([0:.01:10],Eblambda(i,:),39。)。title(39。)。λ/um39。ylabel(39。)。hold off。 yy=[8, 6, 70, 60, 70, 7, 12, 4, 0, 9, 2, 7, 2, 10, 57, 20, 30, 70, 60, 70, 30, 40, 10, 5, 24, 8, 20, 9, 28, 10, 39, 10, 13, 5, 22, 10, 28, 5, 10, 50, 30, 85, 51, 79, 50, 74, 30]。y=yy./100。c2=*10^(2)。 E(j)=0。EQ1=(((((lmx.^5).*c1)./(exp((lmx.*T(j)).\c2)1))).*(lmx.*(y(i+1)y