遠紅外加熱

遠紅外加熱技術興起於70年代初，其利用輻射傳熱，由電磁波傳遞能量，是一項重點推廣的節能技術。遠紅外線波長和被加熱物體的吸收波長一致時，被加熱物體大量吸收遠紅外線，此時物體內部分子和原子發生“共振”併產生強烈的振動、旋轉，使得物體温度升高，達到加熱的目的。利用這項技術可提高加熱效率，但要注意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波長相匹配。遠紅外加熱技術由於其顯著的節能優勢，被廣泛應用於油漆、塑料、食品、藥品、木材、皮革、紡織品、茶葉、煙草等多種製品或物料的加熱熔化、乾燥及固化等工序。

在任何加熱裝置中，熱源均以對流、輻射和傳導三種形式的熱能傳遞給被加熱物體。導熱是指物體各部分無相對位移或不同物體直接接觸時依靠物質分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而進行的熱量傳遞現象。對流是依靠流體運動，把熱量由一處傳遞到另一處的現象。無論是導熱還是對流，都必須通過冷熱物體的直接接觸或依靠常規物質為媒介來傳遞熱量。但熱輻射的機理則完全不同，它是依靠物體表面對外發射可見和不可見的射線來傳遞熱量。輻射加熱的傳遞速度快，又不通過任何介質，因而大大減少了熱能傳遞過程中的損失，從而提高了熱能利用率。

在遠紅外加熱技術中突出輻射加熱為主。遠紅外線照射到被加熱的物體時，一部分射線被反射回來，一部分被穿透過去。當發射的遠紅外線波長和被加熱物體的吸收波長一致時，被加熱的物體大量吸收遠紅外線，使得物體內部分子和原子發生“共振”——產生強烈的振動、旋轉，而振動和旋轉使物體温度升高，從而達到加熱目的。利用這項技術提高加熱效率，重要的是注意匹配輻射。

所謂匹配輻射是指當照射到物體上的紅外線頻率與組成該物體的物質分子振動頻率相同時，分子就會對紅外輻射能量產生共振吸收，同時通過分子間能量的傳遞，使分子內能(振動能及轉動能)增加，也就是分子平均動能增加，表現為物體温度升高。匹配吸收的主要含義是指紅外線加熱器發射出來的選擇性輻射的頻率與被加熱物質分子本身的振動頻率相一致，此時引起的共振吸收即為匹配吸收 ^[2]  。

匹配吸收對薄層加熱有重要意義，如烤漆、塑料加工和某些鹽類的脱水乾燥等。而對厚物料加熱意義不大，因為遠紅外線對一般物質的穿透能力很低，一般只能穿透幾微米到幾毫米之間，其能量即使不被表面分子所吸收，也會被物體內所吸收，在這種情況下主要設法降低反射率，以此來提高吸收率。某些被加熱物質由於烘烤質量或加工工藝要求，希望被加熱物體內外同時受熱，如：木材的烘乾，希望內外同時受熱以免開裂；又如塑料的熔化亦要求內外同時受熱以免外部温度過高而老化。因此，對這些物質加熱時應考慮非匹配吸收，讓一部分遠紅外線透入體內，達到均勻加熱的目的。

評價遠紅外加熱系統的好壞，主要是看在整個加熱過程中是否是以輻射加熱為主，以傳導和對流加熱為輔，輻射加熱所佔比例越大，説明該系統的性能越好 ^[3]  。

經過遠紅外工作者們對大量的遠紅外烘道、烘箱熱能轉換效率的測定和理論上的研究。在80年代中期提出了判定輻射烘道的兩個方法：一是測定烘道內空間温度和元件表面温度，只有T空間<T元件20～40℃時，該烘道才稱為輻射烘道，元件符合遠紅外節電條件時，進而稱之為遠紅外烘道。二是改流水作業為靜態烘烤，如果不出現漆膜不均勻現象(色差)時，才能稱為輻射烘道，否則不能稱為遠紅外加熱。

經過多年來的研究、實踐探討，科學工作者總結出了遠紅外烘道，烘箱的以下三條設計原則 ^[3]  ：

（1）均勻輻射場設計：均勻輻射場設計旨在保證工件不論運動到什麼位置，其表面接受的輻射能是均勻的。均勻輻射場設計是利用輻射光學原理，計出一組數據，即：元件排列方式、元件間隔、反射罩形式、元件與工件距離。從而擺脱元件間隔100～350mm，元件與工件距離50～400mm的定性設計。

（2）勻温度場設計：為防止烘道內均勻温度場被破壞，應使烘道內上下左右温度差保持在±5～10℃。

（3）均勻控温技術設計：通斷式控温導致局部温度波動大。晶閘管調壓會降低元件的輻射，增加對流作用。應用調功器控温，使遠紅外技術達到爐火純青的地步。

遠紅外加熱技術從70年代的碳化硅、金屬管、電阻帶、陶瓷、半導體、搪瓷等元件到80年代的石英管、鍍金石英管、微晶玻璃燈等元件，一直到遠紅外定向強輻射器，經過三個階段，邁出了三大步。其中，遠紅外加熱技術在70年代僅限於0～450℃的中温加熱領域，到了80年代已達到600～750℃的中温加熱領域。初代遠紅外加熱烘道、烘箱中雖然強調以輻射為主加熱，但是還有一部分熱能以傳導、對流的形式加熱，因此烘道、烘箱都要求做到密閉、保温。到90年代中期研製成功的遠紅外定向強輻射器，在電能輻射轉換效率方面有新的突破其電能輻射轉換效率高達78%以上，法向發射率大於92%，熱響應時間小於2分鐘，使用温度在60～900℃之間任意可調，無需烘道、烘箱封閉。其發出的熱光子束流，在輻射平面內均勻分佈，克服了國內各種紅外加熱元件温度分佈不均勻的問題，為在我國推廣世界先進水平的開放式快速乾燥機型提供了必備條件。遠紅外加熱技術經過幾十年的發展取得了可喜的成績，在當前我國電力十分緊張的情況下，遠紅外加熱水平的提高，在節能和提高加熱乾燥物質量方面具有十分重要的意義 ^[3]  。

遠紅外加熱技術與傳統的蒸汽、熱風和電阻等加熱方法相比，具有以下諸多優點：

(1) 內部加熱，加熱速度快， 能源節省。據報道遠紅外加熱與傳統的加熱方式相比， 在生產效率上提高20%～30%， 節電 30%～50%， 節省其他能源約30% ^[4]  。原因在於輻射器發射的輻射能全部或大部分集中在物料的吸收峯帶， 輻射能會被大部分吸收， 實現良好的匹配， 從而達到節能的效果。

(2) 操作方便。遠紅外加熱設備結構簡單，易於安裝、操作和維護， 只要根據原料選用合適的輻射元件， 設計合適的烘道即可。

(3) 污染少， 安全性高。由於遠紅外加熱是輻射加熱，不會對環境造成污染， 而且電熱石英管其安全性高， 對人體傷害小。

(4) 易於控制温度。由於遠紅外加熱設備採用儀表自動操作控制， 有利於控制加熱温度。

(5) 改善產品品質。遠紅外線有一定的穿透能力， 使得物料的內部和表面分子同時吸收了輻射能， 產生自發熱效應，使水分和其他溶劑分子蒸發， 受熱均勻， 避免了由於受熱不均熱脹而產生的形變或質變。

鑑於遠紅外加熱技術顯著的優點，這項技術已廣泛應用於油漆、塑料、食品、藥品、木材、皮革、紡織品、茶葉、煙草等很多種製品或物料的加熱熔化、乾燥、整形、消費、固化等工序。隨着遠紅外生產品種和數量的不斷增多，它的應用領域也在不斷擴大，遠紅外加熱技術日益引起了人們的重視，得到了廣泛的應用。