哈爾濱理工大學學士學位論文

1、<p>　　YHL150—14—G拱形軟基節(jié)能遠紅外烘干爐輻射場及結構設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　這篇論文以節(jié)能優(yōu)化為目的采用拋物面反射的遠紅外輻射裝置進行系統(tǒng)的分析得出最佳的結果，并且也對測試面的吸收特點進行處理分析，通過大量的數據分析計算出測試面所需的最佳溫度以及對應的最佳匹配度。本次設計的內容就是利用遠紅外輻

2、射加熱根據對象不同的干燥加熱而設計的拱形軟基爐。</p><p>　　本論文的設計重點是輻射場的優(yōu)化?？臻g溫度分布不均是影響輻射效率以及效果的重要因素，因此在論文中首先建立了直照度的模型并對微元環(huán)進行了直照度分析；其次，根據直照度的分析模型建立反射照度模型?；谥闭斩鹊哪Ｐ?。最后，對比分析直照度、反射照度各自的影響因素并對他們綜合因素的影響得出有用結論。有關紅外技術的研究，在分析當前紅外輻射吸收設計理論和應用的基

3、礎上，提出了最佳的匹配吸收設計方案[1]。對于工程背景，比較了軟基涂層熱風干燥與紅外線干燥的特點，分析了紅外干燥優(yōu)點和難點以及必須解決的問題，研究確定了符合最佳匹配的元件表面溫度；進行了滿足輻射場要求的輻射器的科學布置，設計了簡單低廉的溫度控制以及帶基保護的機、熱連鎖結構和參數，取得了節(jié)能、提高生產率和提高產品質量的多重效果[1]。取得的結果也可以作為其他遠紅外輻射節(jié)能加熱設計時的參考。</p><p>　　本論

4、文還對整個模型進行了結果分析和一些必要的討論，得出了一些有用的結論對用于實際生產是很有幫助的。本論文解決的主要手段是利用計算機編制程序進行大量的計算得出目標要求的結果，這里我采用Matlab 7.1編制程序。論文主要作出模型的可視化以更形象的表達主要思路。</p><p>　　關鍵詞 最佳匹配吸收方案；節(jié)能；遠紅外烘干；均勻度；輻射場優(yōu)化；軟基涂層</p><p>　　YHL150-14-

5、Genergy-saving Radiation Field and Far Infrared Drying Furnace Arch Soft Foundation Structure Design</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This paper for the purpose of energy saving opt

6、imization using parabolic system device of far infrared radiation and the analysis of the best results, and also to test the absorption characteristics of the process analysis, by analyzing a large amount of data to calc

7、ulate the optimum temperature required for the test surface as well as the corresponding optimal matching degree. The content of this design is used according to different objects of far-infrared radiation heating dry he

8、ating furnace</p><p>　　The design key of this paper is the optimization of radiation field. Spatial temperature distribution are the important factors influencing the radiation efficiency and effect, so

9、 in the thesis, first of all, the establishment of a direct illumination model and the micro yuan ring was direct illumination analysis; Secondly, according to the analysis model of direct illumination reflected illumina

10、tion model is set up. Based on the model of direct illumination. Finally, the comparative analysis of</p><p>　　This paper also to the whole model were analyzed the results and some necessary discussions, som

11、e useful conclusions are drawn for the actual production are of great help/very helpful. In this paper to solve the main measure is calculated using a computer program for a lot of goals and objectives of a result, here

12、I 7.1 program based on Matlab. Paper mainly make a model of visualization to more image expression of the main train of thought.</p><p>　　Keywords The best match to absorb, Energy saving, Far infrared drying

13、, Uniformity, Radiation field optimization, Soft coating.</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　第1章 緒論- 1 -&l

14、t;/p><p>　　1.1 課題背景與機理- 1 -</p><p>　　1.2 具體設計思路- 2 -</p><p>　　1.3 紅外節(jié)能原理- 3 -</p><p>　　第2章 輻照度- 4 -</p><p>　　2.1 問題重述及討論- 4 -</p><p>　　2.2 模

15、型假設- 5 -</p><p>　　2.3 符號說明- 6 -</p><p>　　2.4 模型建立- 6 -</p><p>　　2.4.1 最佳匹配吸收- 6 -</p><p>　　2.4.2 紅外線加熱器的輻照度計算- 9 -</p><p>　　2.4.3 直照度的數學推導- 10 -</

16、p><p>　　2.4.4 反照度的數學推導- 13 -</p><p>　　2.5 基于直照度上的反照度幾何模型- 15 -</p><p>　　2.6 兩根管的疊加- 20 -</p><p>　　2.7 優(yōu)化設計- 21 -</p><p>　　2.8 輻射器與走帶機構的連鎖控制- 22 -</p&g

17、t;<p>　　2.9 本章小結- 23 -</p><p>　　第3章 烘干爐設計方案- 24 -</p><p>　　3.1 結構尺寸設計- 24 -</p><p>　　3.2 遠紅外參數- 25 -</p><p>　　3.3 輻射器單支功率，支數及其布置設計- 25 -</p><p>

18、;　　3.3.1 各個輻射管的表面負荷- 26 -</p><p>　　3.3.2 輻射管的單支功率- 26 -</p><p>　　3.3.3 總支數和總功率的驗算- 26 -</p><p>　　3.4 烘干爐其他設計- 26 -</p><p>　　3.4.1 輻射涂料的選取- 26 -</p><p>

19、;　　3.4.2 反射罩的選取- 26 -</p><p>　　3.4.3 輻射加熱裝置及輻射器的組合與工藝布置- 26 -</p><p>　　3.4.4 熱電偶的布置- 27 -</p><p>　　3.4.5 通風控制- 27 -</p><p>　　3.4.6 爐體保溫- 27 -</p><p>　

20、　3.4.7 爐溫控制- 27 -</p><p>　　3.4.8 反射裝置設計- 27 -</p><p>　　3.5 本章小結- 28 -</p><p>　　第4章 程序部分- 29 -</p><p>　　4.1 光譜曲線程序：- 29 -</p><p>　　4.2 黑體光譜輻射程序- 29 -&

21、lt;/p><p>　　4.3 最優(yōu)匹配度曲線程序- 30 -</p><p>　　4.4 微元環(huán)的直照度程序- 31 -</p><p>　　4.5 一根熱元件的直射照度- 34 -</p><p>　　4.6 微元環(huán)的反射照度- 37 -</p><p>　　4.7 一根熱元件的反射照度- 40 -</

22、p><p>　　4.8 一根熱元件的總輻照度- 43 -</p><p>　　4.9 兩根管疊加- 49 -</p><p>　　4.10 y的優(yōu)化程序- 54 -</p><p>　　4.11 y0的優(yōu)化程序- 59 -</p><p>　　4.12 本章小結- 64 -</p><p>

23、;　　第5章 產品開發(fā)與技術經濟分析- 65 -</p><p>　　5.1 產品設計價值分析- 65 -</p><p>　　5.1.1 價值分析概述- 65 -</p><p>　　5.2 產品開發(fā)中的技術經濟分析- 67 -</p><p>　　5.2.1 技術可行性分析- 67 -</p><p>　

24、　5.2.2 經濟可行性分析- 68 -</p><p>　　結 論- 66 -</p><p>　　致 謝- 67 -</p><p>　　參考文獻- 68 -</p><p>　　附錄A 外文文獻- 69 -</p><p>　　附錄B中文翻譯- 74 -</p><p><

25、;b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景與機理</b></p><p>　　遠紅外加熱技術興起于70年代初，在第二次世界大戰(zhàn)期間，廣泛應用用工業(yè)生產、科學研究以及軍事領域，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、紅外成像制導、紅外音聲等,這些都是現代戰(zhàn)爭和未來戰(zhàn)爭中必不可少的戰(zhàn)術和戰(zhàn)略手段。其次，它是重點推廣的一

26、項節(jié)能技術。遠紅外加熱器有板狀、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，利用這項技術提高加熱效率，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紅外光譜的波長相匹配。因此，此項及時在利用的過程中，我們要按照“因材施用”的原則，根據被加熱物的實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。</p><p>　　與傳統(tǒng)

27、的蒸汽、熱風和電阻等加熱方法相比，紅外加熱具有一下五個常見特點：加熱速度快、新產品質量好、設備占地面積小、節(jié)能節(jié)約和加熱效率高等優(yōu)點。根據實際調查我們可知道，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60%～70%。為此，這項技術已廣泛應用于油漆、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、固化等不同的加工要求。在早期應用中，用紅外燈泡作為輻射源，由于受到種種限制，只能作

28、為近紅外能輻射源，再后來，日本科學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。一般認為，對木材、皮革、油漆等有機物質、高分子物質及含水物質的加熱干燥，其效果最為顯著。在一些場合，這項技術與硅酸鋁耐火纖維保溫材料同爐應用的效果甚佳。</p><p>　　遠紅外加熱技術是一門新興科學，近幾年隨著遠紅外生產品種和數量的不斷增多，它的應用領域也不斷擴大，遠紅外加熱技術日益引起人們的重視，因此研究遠紅外輻

29、射材料和應用于發(fā)有著廣闊的前景。隨著工業(yè)和科學技術的高度發(fā)展, 能源的供需矛盾日益加深。日本由于缺乏能源資源,對節(jié)能技術給予高度的重視。日本在1964年開始研制遠紅外輻射元件,70年代初已廣泛應用于生產, 從此遠紅外加熱技術迅速發(fā)展成為一個新興領域, 由于其明顯的節(jié)能效果, 越來越多的國家重視這一技術的發(fā)展和應用。經過許多科技工作者的研究, 先后制造出了比溫度計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

30、儀。目前探測器的靈敏度可以比普通的水銀溫度計高1萬倍; 利用激光技術生產的紅外束, 可使照到樣品上的功率密度比太陽能高1億倍; 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]。遠紅外輻射材料的節(jié)能原理為：遠紅外輻射材料對其它能量的有效轉換和被加熱物質的分子振動所吸收，而達到加熱、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，可廣泛應用于紡織、印染、機電、印刷、玻璃退火、食品加工和醫(yī)療保健、</p>&

31、lt;p>　　遠紅外加熱理論：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。只有當被加熱物的厚度在紅外光譜測量厚度時，遠紅外的匹配吸收理論才正確。</p><p>　　本課題是設計YHL150-14-G烘干爐。它具有這些優(yōu)點：</p><p>　?。?）工件通過速度快；（2）強輻射，完全輻射（對流不記），烘烤均勻，成品效果佳等特點。</p><p&g

32、t;　　由于強輻射、通過速度快，所以本課題要求所設計的遠紅外烘干爐要求工件所處的溫度場很均勻。</p><p><b>　　具體設計思路</b></p><p>　　本課題設計通過熱電偶測定爐內溫度，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。在設計中，可調節(jié)最佳輻射距離。在處理最佳均勻溫度場時，在確定最佳輻射溫度的前提下，

33、利用受熱物體任意點處的溫度與輻照度成正比的關系，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。由于本部分計算量特別大而且復雜，在本設計中有很大的比例，需要計算內容也很大。</p><p><b>　　紅外節(jié)能原理</b></p><p>　　高溫遠紅外加熱的核心技術是高溫紅外涂

34、料的研究與應用。其節(jié)能機理簡單地說有如下三點： (1)熱傳遞的基本方式，即傳導、對流、輻射。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。當爐窯耐火磚內表面涂上該涂料后，該涂料涂層與原耐火磚相比，從0.6～0.8上升到0.98，這時爐內表面吸熱量大大增加。但由于涂料本身在高溫下輻射率高達97%，根據波爾茲曼四次方定律，即物體表面熱輻射能力與其絕對溫

35、度的四次方成正比。隨著溫度的升高，爐內表面熱輻射能力即以四次方的數值躍增，從而使爐堂內的熱效率顯著提高，達到節(jié)能的目的。由于爐內溫度升高，燃料的燃燒更加充分，節(jié)能效果因此更顯著。</p><p>　　(2)高溫遠紅外涂料由強輻射材料組成，高溫下輻射遠紅外波，這些紅外波的穿透能力極強，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。穿透燃料里層時，使里層的燃料分子吸收紅外波而產生能級躍遷，放出能量，加速燃料

36、的燃燒，改善燃料的燃燒狀態(tài)，達到節(jié)能的目的。 (3)由于爐堂內壁涂了遠紅外涂料后，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，使爐內溫度明顯提高。根據實際應用的情況來看，一般提高50～100。由于輻射作用，爐內熱風產生循環(huán)，冷空氣產生逆流，其煙氣在爐內停留時間增加，產生二次燃燒，排煙溫度降低，熱損失減少，從而提高了熱效率。 總之，各類高溫窯爐內壁刷涂高溫遠紅外涂料后，可減少

37、爐壁熱損失，提高爐內熱輻射；同時被加熱物體的熱吸收性能也相應得到改善，從而提高了加熱效率，達到節(jié)能的目的。</p><p><b>　　輻照度</b></p><p><b>　　問題重述及討論</b></p><p>　　如圖2-1所示，計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的輻照度，其中拋物面開口寬度

38、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2-2）。目標要求在多個拋物面和輻射元件組合下，</p><p>　　圖2-1 紅外輻射簡易裝置</p><p>　　圖2-2 紅外輻射平面示意圖</p><p>　　調節(jié)y和y0(見圖2-3)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。本論文中取，，，

39、，測試面垂直軸且到坐標平面距離為，測試面上的涂料為二甲苯溶劑。</p><p>　　圖2-3 輻射器與反射罩位置調節(jié)圖</p><p>　　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。很顯然，用全部拋物面和輻射元件來推導對整個測試面的輻照度是相當復雜的，因為整個反射面不能用一個具體的函數來表達且y和y0的調節(jié)使得

40、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，最后進行疊加就可以了。</p><p><b>　　模型假設</b></p><p>　?。?）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；</p><p>　?。?）只計算輻射元件產生的輻照度，但被輻射元件本身遮擋

41、的部分不計，而且有其他處產生的輻照度忽略不計；</p><p>　?。?）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；</p><p>　?。?）輻射元件只對測試面上長為，寬為的范圍內起主要貢獻作用，對于范圍之外的貢獻可忽略；</p><p>　?。?）均勻度比較時只計算核心區(qū)域，邊沿處不考慮；</p><p>

42、;　?。?）拋物面的長度遠大于輻射元件的長度；</p><p>　?。?）本論文中只考慮遠紅外輻射，對流不予考慮。</p><p><b>　　符號說明</b></p><p>　　表示拋物面的開口寬度；</p><p><b>　　表示拋物面的深度；</b></p><p>

43、;　　表示輻射元件的長度；</p><p>　　表示輻射元件的半徑；</p><p>　　表示兩輻射元件之間的距離；</p><p>　　y0表示輻射元件軸心距拋物面頂點的距離；</p><p>　　表示吸收物質的波長；</p><p>　　表示涂料的光譜吸收率；</p><p><b&g

44、t;　　表示自然對數的底；</b></p><p>　　表示所吸收的輻射能量；</p><p><b>　　表示光譜輻射力，；</b></p><p>　　表示黑體的熱力學溫度，；</p><p>　　表示溫度為的物體的黑體輻射力；</p><p>　　表示輻射元件的直輻照度；<

45、/p><p>　　表示輻射元件的反射照度；</p><p>　　表示一個微元環(huán)的直輻照度；</p><p>　　表示輻射元件上一點到測試面上一點的距離；</p><p>　　表示一點對測試面上一點的反射照度。</p><p><b>　　模型建立</b></p><p><

46、;b>　　最佳匹配吸收</b></p><p>　　由于不同物質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雜，難以用具體的函數來表達，為了解決這個問題我們可以采用曲線擬合或將其簡化成折線，這里我們采用多個小段的折線代替吸收曲線。對于二甲苯我們取47個點如下頁表2-1所示。 </p><p>　　

47、表2-1 二甲苯的吸收光譜</p><p>　　將上表中的點依次首尾相連得到模擬吸收光譜圖(如圖2-4)，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。</p><p>　　圖2-4 二甲苯的吸收光譜曲線</p><p>　　對于任意一段折線我們建立這一段的方程：</p><p><b>　?。?-1）</b>

48、</p><p>　　有量子力學理論得到的普朗克定律：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中：表示光譜輻射力，；</p><p><b>　　表示波長，；</b></p><p>　　表示黑體的熱力學溫度，；</p><

49、p><b>　　表示自然對數的底；</b></p><p>　　表示第一輻射常量，其值為；</p><p>　　表示第二輻射常量，其值為。</p><p>　　由此給定溫度后就可以得二甲苯的全部波長范圍內的吸收輻射能量：</p><p><b>　　（2-3）</b></p>&

50、lt;p>　　式中表示所吸收的輻射能量。</p><p>　　從而，相對匹配度為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中表示溫度為的物體的黑體輻射力，， 。</p><p>　　對上的推導我們可以對不同的溫度求出相應的匹配度，然后找出最佳匹配度，具體做法：將溫度賦予初值300，以

51、1為步長逐步增加到700，用計算機擬合得到的結果如圖2-5所示：</p><p>　　圖2-5 相對匹配度曲線</p><p>　　從上圖得到，最佳匹配吸收點是在溫度為426時獲得，此時對應的相對匹配吸收為0.17989。到這里我們得到了所需的最佳溫度，下面將進行測試面上均勻度分析。</p><p>　　紅外線加熱器的輻照度計算</p><p&g

52、t;　　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，。</p><p>　　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

53、其看作點光源；由于反射罩的存在，也不能將其看作線輻射源。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。</p><p><b>　　直照度的數學推導</b></p><p>　　在輻射元

54、件上任意取一點，在附近取一小微元，則由蘭貝特定律和輻射定律可知，在測試面上點處的直輻照度為：</p><p><b>　　圖2-6 直照度</b></p><p><b>　　（2-5）</b></p><p>　　式中是輻射元件表面處的定向輻射強度， l是，兩點之間的距離，為處輻射元件表面外法線與所成的夾角，為測試面上點

55、處法線與所成的夾角。(如圖2-6)</p><p>　　由假設可知，定向輻射強度是一常數，其大小為：L=M/，是輻射元件表面的輻射強度，因而（2-5）式為：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　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：</p><p><b&

56、gt;　　（2-7）</b></p><p>　　式中表示一個微元環(huán)的直輻照度。</p><p>　　由我們的假設，上式可以簡化為：</p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　，<

57、;/b></p><p><b>　　，， </b></p><p>　　為測試面點處的法線與軸夾角，R為測試屏半徑。</p><p>　　由最佳匹配度吸收原則可知，測試面上的最佳溫度為426，因而我們設計的輻射器溫度應在400—450，在這里我們暫取選取700。熱元環(huán)的寬度選取0.001，，測試面距原點的距離為0.4，圓環(huán)的圓周上以為

58、步長，圓環(huán)的圓心為(0，0.04，0)，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)對各點的直輻照度如下頁圖2-7所示。</p><p>　　圖2-7 微元環(huán)的直照度</p><p>　　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(-0.5，0.5)范圍內有效；在方向離中心較遠處輻射能量約為0(約是在0.0

59、083~0.0099)，而最大值約為0.6838，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2-8所示。</p><p>　　圖2-8 單根熱元件的直輻照度</p><p>　　正如分析所說，疊加的結果是相當令人滿意的。他們的誤差也可以忽略不計，在實際生產過程中從方向來說，利用1范圍內，也就是說邊沿地區(qū)

60、不是利用的主要區(qū)。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。</p><p><b>　　反照度的數學推導</b></p><p>　　如圖2-9所示，任取輻射元件表面上某點，設有一束射線沿方向發(fā)射，經反射罩反射后沿方向照射到測試面上某點，假設由點沿以立體角發(fā)射的射線經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

61、微元沿照射到上的輻射功率為：</p><p>　　圖2-9 反射輻照度模型</p><p>　　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。</p><p>　　同樣，由我們的假設上式可以寫成：</p><p><b>　　，</b></p><p>　　式中是輻射元件

62、表面的輻射強度。</p><p>　　由輻照度定義可知，點處沿經反射罩反射照到處的反射輻照度為：</p><p><b>　　（2-7）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　， ，</b></p><p>

63、;<b>　　，</b></p><p>　　為向量a與輻射元件表面處法線所成的角。</p><p>　　對上式進行積分，即得到由加熱管發(fā)射經反射罩反射照到點處的反射輻照度，即：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　式中是輻射元件表面反射罩反射可看見點的區(qū)域。<

64、/p><p>　　由于紅外線輻射線的反射也滿足光的反射原理，所以有</p><p>　　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。</p><p>　　由上式我們可以解得：</p><p>　　根據反射罩表面的柱面方程，對已知的可以求出點，利用其他的關系式求出，再由測試面方程求出點，這樣我們就可以得到，及關于的函數關系式。對

65、于給定的測試面上的點，利用函數關系式可以求出，，因而就可以計算出輻射元件的反射輻照度。</p><p>　　基于直照度上的反照度幾何模型</p><p>　　由上面反照度的數學推導可知，表達是比較繁瑣，這給計算機編制程序帶來了一定的困難，因而我們基于直照度的表達式來建立反射照度的幾何模型。如圖2-10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

66、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。對于給定一個角時，在這一點所能照射到的拋物面范圍最終能得到一個鏡像曲面，如圖2-11所示，這個曲面上的任意一點都對應著測試面上一點，且由圖可以看出由一點發(fā)出的射線不能相交可知，它們之間是一一對應的關系。</p><p>　　圖2-10 反射輻照度</p><p>　　圖2-11 鏡像輻射面</p>&l

67、t;p>　　設表面反照度的方程為：</p><p>　　輻射元件的表面方程為：</p><p>　　式中為輻射元件的半徑。</p><p>　　在給定一個值時，就是已知的，為，為，這樣每照射到點就對應著一個， 由</p><p>　　可以得到以下關系式：</p><p><b>　　式中為一常數；&

68、lt;/b></p><p>　　從以上三個關系式，給一個點，就可以聯(lián)立解出一個點。</p><p>　　在直照度計算中已經推導出一點對測試面上的輻射照度，再反照度里其表達式為：</p><p>　　式中表示一點對一點的輻照度。</p><p>　　由我們的假設，上式可以簡化為：</p><p><b>

69、;　　式中：，</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　，或</b></p><p>　　為測試面點處的法線與軸夾角，。和是測試面上的一點以拋物線切線為對稱軸的對稱點。計算出微圓環(huán)對測試面的反射輻照度后，把所有的圓環(huán)疊加后就得到一根輻射元件的反射輻照度。</p>

70、<p>　　在這里我們暫取選取700。熱元環(huán)的寬度選取0.001，，測試面距原點的距離為0.4，圓環(huán)的圓周上以為步長，圓環(huán)的圓心為(0，0.04，0)，拋物線的開口為200，深為100，拋物線的焦點為0.025，測試面上以邊長2的正方形中求一個熱元環(huán)對各點的反射輻照度(如圖2-12)。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

71、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，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，很明顯表現出各處能量的不均勻現象；右下角是微圓環(huán)反射照度的三維圖形。</p><p>　　圖2-12 微元環(huán)的反射照度</p>

72、<p>　　在這里我們也將上圖中的微圓環(huán)進行疊加。由于測試面上的步長為0.01m，為了簡便我們的熱管上疊加步長也為0.01m，疊加100次得到如下圖形(如圖2-13)。圖中顯示，在測試面上熱管軸線方向的輻射是比較均勻的，且能量主要集中在中心區(qū)域，由于拋物線反射罩具有聚集能量的特點，所以與直照度相比，經過反射的能量時較集中，這樣能量損失也就較小(因為我們只利用核心區(qū)域，邊沿不考慮)，換句話說，在一定條件下，充分的利用反射罩對我們

73、的輻射設計是有好處的；在垂直熱管軸線方向，仍然不均的現象，從直照度的圖中大約可知，疊加后可以消弱不均的現象但不能消除。在右上圖中可知，在軸線方向，輻射均勻，有條紋就體現了不均，特別在中間也就是熱管的正對面，有一小塊能量很高，這會產生不良的結果，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。右下圖是單根熱管反射照度疊加后的三維圖形。解決不均的現象就是我們的優(yōu)化設計的問題。</p><p>　　圖2-13

74、 單根熱管的反照度</p><p>　　為了更好的解決測試面上不均的問題，下面我們將直照度和反射照度進行疊加，從疊加的結果來分析解決的方法(如圖2-14)。</p><p>　　下圖就是在溫度取700K，r=0.01m，測試面距原點的距離為0.5m，圓環(huán)的圓周上以為步長，圓環(huán)的圓心為(0，0.04，0)，拋物線的開口為200mm，深為100mm，拋物線的焦點為0.025m，測試面上以邊長2

75、m 的正方形中求一個熱管對各點的輻射照度。測試面劃分成以0.01m為邊長的小網格，在下圖中也分別從平行于熱元件的軸線方向和垂直于軸線方向描繪出微元環(huán)的反射輻照度，其次給出了從頂端看的等輻射線。</p><p>　　從上圖可以看出，疊加后不均現象仍然存在，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

76、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，必須保證不產生射差問題。</p><p>　　圖2-14 單根熱管的總輻照度</p><p>　　以上圖中的情況為例，可能會產生射差問題也可能不會，就看在所照的對象傳熱程度，熱在高輻射區(qū)熱量很快傳開這就不會產生射差問題，如果傳熱速率很慢，射差問題就可能產生。在圖2-13與圖2-14右上角圖中相比較，在核心區(qū)域均

77、勻度增加了。</p><p><b>　　兩根管的疊加</b></p><p>　　當輻射元件及相鄰兩個反射罩的位置參數取得一個理想值時可使測試屏上獲得的總輻照度足夠均勻，而且其所獲得的輻照度來自兩根輻射管，不受第三根管的影響，也即第三根管的輻射能根本到達不了測試屏。這樣輻照不均勻現象消除，避免了局部過熱而損壞烘干對象，可以保證烘干質量和效率，此時的輻照度分布如圖2-

78、15。</p><p>　　圖2-15 兩根管疊加的總輻照度</p><p><b>　　優(yōu)化設計</b></p><p>　　本設計是在理想狀況下設計，然而，理想情況幾乎達不到，但是為了保證烘干質量和效率，我們需要找出在現有條件所能達到的最優(yōu)值，也即使輻射熱損失降低到所能滿足的最小值，使到達測試面的能量盡可能均勻。</p>&l

79、t;p>　　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。</p><p>　　y的范圍取0.2—0.25，步長取0.01，其所對應的方差值為：</p><p><b>　　eee =</b></p><p>　　1.0e+005 *</p><p>　　1.00

80、34 0.9859 0.9622 0.9465 0.9302 0.9135</p><p>　　由此可知隨著y的增加方差逐漸減小，方差越小越均勻，可取。</p><p>　　的范圍取為0.02—0.08，步長為0.005，其所對應的方差值為：</p><p><b>　　eee =</b></p>&

81、lt;p>　　1.0e+005 *</p><p>　　Columns 1 through 8</p><p>　　0.4959 0.6284 0.7784 1.0037 0.9137 0.9004 0.8767 0.8664</p><p>　　Columns 9 through 13</p><p>　　0.85

82、37 0.8509 0.8537 0.8598 0.8672</p><p>　　由此可知隨的增加方差值首先增加而后減小，但是當的時候方差最小，故取。</p><p>　　輻射器與走帶機構的連鎖控制</p><p>　　軟基涂層的最大工藝難度是基底耐溫能力差。當走帶停止時，帶基在輻射器的直接照射下，容易產生皺褶損壞帶基。由于溫感元件測量的是爐內的溫度，其溫度

83、的升高必然會滯后于帶基。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。由于帶基對溫度的極端敏感性，所以保護帶基不能依靠溫度的調節(jié)。為此，我們電路中加裝了輻射器與走帶機構的連鎖控制，當走帶機構停止時，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。當走帶開始后，加熱器才通電，從而確保帶基不被考壞。因此在電路中需要利用時間繼電器，綜合性能分析，選擇型單結晶體管電子式時間繼電器（如圖

84、2-16）。電路左邊部分是電源，經整流和濾波后的電壓加在晶閘管和繼電器線圈串聯(lián)的電路上。再經穩(wěn)壓二極管和電阻穩(wěn)壓后的電壓加在右邊單結晶體管的觸發(fā)電路上。也是濾波電容。</p><p>　　延時從接通電源開始，而后分，和，，兩路對電容充電。一路阻值小，進行快速預充電，一路在預充電的基礎上充到上電壓上升到等于單結晶體管的峰點電壓時，單結晶體管導通，向放電，在上形成一個脈沖電壓，觸發(fā)晶閘管導通，繼電器線圈通電，斷開動斷

85、觸電，氖指示燈起燃，延時結束。同時動合觸點閉合，迅速放電。斷開電源，繼電器線圈斷電，恢復原狀。</p><p>　　圖2-16 走帶機構的連鎖控制圖</p><p><b>　　本章小結</b></p><p>　　本章分別討論了以下五方面的內容：</p><p>　　(1) 微元環(huán)對測試面的直照度和反照度；</p

86、><p>　　(2) 單根管對測試面的直照度、反照度與總照度；</p><p>　　(3) 兩根管對測試面的總照度；</p><p>　　(4) 匹配度與輻射場的優(yōu)化處理；</p><p>　　(5) 輻射器與走帶機構的連鎖控制。</p><p><b>　　烘干爐設計方案</b></p>

87、<p><b>　　結構尺寸設計</b></p><p>　　(1)工藝流程及技術要求</p><p>　　自裝配線來——加熱——揮發(fā)——固化——下線</p><p>　　黏膠帶的寬度不妨為，黏膠帶的行走速度為。黏膠帶在爐內的烘烤時間為。烘烤面積為</p><p>　　(2)烘干爐的生產效率</p&g

88、t;<p><b>　　按照烘烤表面積</b></p><p>　　(3)拱形的類型及有關參數</p><p>　　烘爐類型為箱式烘爐，一端有門，受熱車體沿著一定的坡度固定在EF的鐵板上，關上爐門進行烘干。</p><p>　　(4) 車間溫度常年波動范圍</p><p><b>　　(5)爐壁&

89、lt;/b></p><p>　　采用薄壁結構，取厚度為，外殼采用包裝薄鐵皮，內壁采用的薄板，中間填塞礦棉扎，用角鐵做骨架，爐膛外部不可以調。無爐門</p><p><b>　　(6)通風</b></p><p>　　爐體頂部開有送風口，每2個輻射器外套中間設一組送風管.一組送風管為4個內徑為160mm的圓形管送風。</p>

90、<p>　　爐體底部設有若干組排風口.每組為2個內徑為160mm的圓形管排風，可調閥門引出爐膛后又豎直排風管，自然抽風。</p><p><b>　　(7) 測溫</b></p><p>　　在爐體上每隔一定的距離開有測溫孔，插入熱電偶，油控溫儀表自動進行控制。</p><p><b>　　遠紅外參數</b>&

91、lt;/p><p>　?。?）溫度T1的確定</p><p>　　由編制的程序得最佳輻射溫度為T1=426K，匹配度為0.17989</p><p><b>　?。?）輻射管的選擇</b></p><p>　　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。</p><p>　　（3

92、）被加熱物的最佳烘干溫度</p><p>　　由《遠紅外輻射加熱技術》表2-17查知絕緣漆的最佳加熱溫度為150—170 C，選取T2=160 C。</p><p>　?。?）距離系數f1的選定</p><p>　　由于輻射距離為400mm，兩側輻射管中心距為800mm，由《遠紅外輻射加熱技術》表2-19，取距離系數f1=0.234</p><p

93、>　?。?）射角系數f2的選擇</p><p><b>　　角系數忽略不計。</b></p><p>　　(6) 勻度系數f3的估算</p><p>　　由于強輻射要求有非常均勻的溫度場，爐內輻照度近似均勻一致f3≈0.96</p><p>　?。?）滿度系數f4的估算</p><p>　　

94、滿度系數在普通的箱式烘爐中，工件白的很密，一般取經驗公式f4=0.95</p><p>　?。?）介質動態(tài)系數f5的選定</p><p>　　介質動態(tài)系數一般按經驗取f5的值在0.8～1之間，取為0.90。</p><p>　　輻射器單支功率，支數及其布置設計</p><p>　　布置52支輻射管，4支輻射管選為一組，共分13組，輻射器單支功

95、率為3.17kw、型號取為一致，管徑均取20mm，管長均為1000mm。</p><p>　　各個輻射管的表面負荷</p><p>　　根據輻射管在爐膛不同高度上的達到327C，查圖2-13，由曲線1得出表面負荷為.</p><p><b>　　輻射管的單支功率</b></p><p>　　總支數和總功率的驗算</

96、p><p>　　2.88×52=150（kw）</p><p><b>　　烘干爐其他設計</b></p><p><b>　　輻射涂料的選取</b></p><p>　　由于本課題采用強輻射而忽略對流因素，故溫度要求較高，而以烘烤汽車為例，經選擇優(yōu)化，需要熱慣性小，減少升溫時間和防止停車后產

97、生的烘焦問題，最后采取石英管作為輻射管，而涂料不記。</p><p><b>　　反射罩的選取</b></p><p>　　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</p>

98、<p>　　輻射加熱裝置及輻射器的組合與工藝布置</p><p>　　輻射加熱裝置有石英遠紅外輻射器和不銹鋼反射罩組成。</p><p>　　如果加熱爐工件表面的輻照強度處處相等，則加熱質量不難保證，根據輻照度的均勻性主要決定于爐內輻射器的組合方式和工藝。</p><p><b>　　熱電偶的布置</b></p><

99、;p>　　為了實現溫度的均勻性，熱電偶作了兩種不同的測溫。其一是爐膛空間的溫度（左右各兩支），其二是輻射對于烘干爐，當可燃氣體集中揮發(fā)時，必須迅速用風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再送入爐膛，以減少能量損失。</p><p><b>　　通風控制</b></p><p>　　對于烘干爐，當可燃氣體集中揮發(fā)時，必須迅速用風機抽

100、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。</p><p><b>　　爐體保溫</b></p><p>　　遠紅外線輻射加熱雖以輻射加熱為主，但對爐的保溫隔熱也很重要。有些烘爐的溫度可以達到50~60度以上，這樣經爐殼散失的熱量將占總功率的20%以上。</p><p>　　為提高加熱效率，盡量

101、減少爐體熱損失設計應考慮的以下幾點：</p><p>　　（1）按定向集中的原則設計，盡量避免由爐內壁向外散熱；</p><p>　?。?）加強爐壁的反射；</p><p>　?。?）提高爐墻的熱阻，減輕爐墻的自重，采用高溫絕熱材料保溫，主要原因是價格便宜，重量輕；</p><p>　　（4）烘干爐的鐵板外殼導熱快，散熱好，因降低烘干爐外表面

102、的溫度；</p><p>　?。?）盡量減少爐體尺寸和總重，以減少自身蓄熱和散熱面積。</p><p><b>　　爐溫控制</b></p><p>　　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控制輻射器溫度 ，用熱電偶測出爐膛各處的溫度。用位式控制儀控制溫度</p><p><b>　　

103、反射裝置設計</b></p><p>　　為了獲得管狀熱管的輻射線，采用拋物面型的反射罩。拋物線頂點應取在坐標的原點上，其焦距在距頂點處。由于輻射器不是單一的點光源，為了獲得較多的平行光，應將熱管的中心由焦點向內移0.005m，由于輻射器的溫度為426K，宜用表面光潔的鋁板，其表面越光潔，反射率越高。</p><p><b>　　本章小結</b></

104、p><p>　　本章主要討論了以下三方面：</p><p>　　(1) 烘干爐結構尺寸設計；</p><p>　　(2) 烘干爐一些構件的選取，例如，選取輻射管功率的大小，輻射管的分組及其布置；還有通風裝置的布置等；</p><p>　　(3) 遠紅外參數的選取。</p><p><b>　　程序部分</b

105、></p><p><b>　　光譜曲線程序：</b></p><p>　　說明：以下程序均在MATLAB7.1下編制.M文件生成。</p><p>　　xx =[2.86, 3.08, 3.33, 3.37, 3.42, 3.5, 3.56, 3.62, 4.13, 5.02, 5.41, 5.67, 5.88, 6.25, 6.32,

106、 6.43, 6.62, 6.71, 6.87, 6.96, 7.14, 7.28, 7.53, 8.33, 8.56, 8.73, 8.87, 9.16, 9.24, 9.32, 9.65, 10, 10.18, 11, 11.22, 11.45, 11.65, 11.7, 12.34, 12.65, 12.79, 13.07, 13.25, 13.75, 14.1, 14.47, 15.36]; </p><p&

107、gt;　　y =[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]; </p><p>　　x=xx.*10^(-6)

108、;</p><p>　　plot(x,y,'-d');</p><p>　　title('二甲苯的吸收光譜曲線');</p><p>　　xlabel('波長λ/m');</p><p>　　ylabel('吸收率K(%)');</p><p><b

109、>　　grid on</b></p><p><b>　　黑體光譜輻射程序</b></p><p>　　sigma = 5.67*10^(-8);%黑體輻射常數</p><p>　　c1 = 3.742*10^(-16);%第一輻射常量</p><p>　　c2 = 1.4388*10^(-2);%第二

110、輻射常量</p><p>　　for i = 1:1:15</p><p>　　t = i*100;%光譜輻射溫度</p><p><b>　　j = 0;</b></p><p>　　for lambda = 0:.01:10;%光譜輻射力的波長</p><p>　　j=j+1;

111、 Eblambda(i,j)=c1.*(lambda*10^(-6))^(-5)./(exp(c2./((lambda*10^(-6)).*t))-1)*10^(-18);%普朗克定律</p><p><b>　　end</b></p><p>　　Eblamb

112、da(i,1) = 0;</p><p><b>　　hold on</b></p><p>　　plot([0:.01:10],Eblambda(i,:),'b');</p><p><b>　　end</b></p><p>　　%繪制普朗克定律曲線圖</p>&l

113、t;p>　　axis([0 10 0 max(Eblambda(:))]);</p><p>　　title('普朗克定律');</p><p>　　xlabel('λ/um');</p><p>　　ylabel('Ebλ(W/m^3)');</p><p><b>　　gri

114、d on ;</b></p><p><b>　　hold off;</b></p><p><b>　　最優(yōu)匹配度曲線程序</b></p><p>　　xx=[2.86, 3.08, 3.33, 3.37, 3.42, 3.5, 3.56, 3.62, 4.13, 5.02, 5.41, 5.67, 5.88

115、, 6.25, 6.32, 6.43, 6.62, 6.71, 6.87, 6.96, 7.14, 7.28, 7.53, 8.33, 8.56, 8.73, 8.87, 9.16, 9.24, 9.32, 9.65, 10, 10.18, 11, 11.22, 11.45, 11.65, 11.7, 12.34, 12.65, 12.79, 13.07, 13.25, 13.75, 14.1, 14.47, 15.36]; </

116、p><p>　　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]; </p><p>　　

117、x=xx.*10^(-6);</p><p>　　y=yy./100;%吸收率K(%)</p><p>　　c1=3.742*10^(-16);</p><p>　　c2=1.4388*10^(-2);</p><p>　　for j=1:401</p><p>　　T(j)=300+1*(j-1);</p>