為了從多角度認識輻射傳熱過程的能耗問題,本文我們将Elstein陶瓷紅外輻射器在傳熱過程中涉及到的物質和能量視為一個系統,而周邊的物質視為環境,并将傳熱過程簡化成圖1所示的 “輻射傳熱系統”。
在該系統中,主要包括輻射器(熱源)、受熱材料、其它結構(如安裝結構)三部分,同時,加熱場合為相對密閉的空間,因此我們把空間中的空氣也視為傳熱系統的一部分,而系統外的物質(如機械結構、隔熱層、空氣等)則簡化為“環境”。
輻射傳熱系統的示意圖
圖中帶顔色的直線反映了能量(熱能)傳輸路徑。
在該系統中,電能通過輻射器線圈時,線圈發熱并以熱傳導的形式将能量傳遞給陶瓷體,陶瓷升溫,并對系統其它部分輻射紅外射線(圖示紅色直線)。系統中的材料、空氣、結構等受輻射後溫度持續升高,同時,各個部分之間又會以輻射、對流、傳導等方式進行能量交換(圖示洋紅色、綠色直線)。而在系統與環境之間,又會不斷的進行能量交換(圖示藍色直線)。
從示意圖中我們可以很直觀的看出,在輻射傳熱系統中,真正能為受熱材料所利用的能量,占比非常小,換句話說,能量損耗是客觀存在的,而且非常大。那麼,我們如何提高輻射加熱的效率,減少能耗呢?研究表明,加熱系統的能耗情況,與輻射器性能、受熱材料的物質屬性、系統的結構以及環境等密切相關。我們不妨從這幾個方面展開讨論。
輻射器的性能
作為輻射傳熱系統中能量轉換的第一環節,輻射器的性能特性至關重要。電阻線圈能否有效地将電能轉化為熱能并傳導給陶瓷體,陶瓷體能否将熱能有效轉化為紅外射線并進行正向輻射,直接影響到傳熱系統的能耗。
德國Elstein-Werk作為陶瓷紅外線輻射器的發明者,在幾十年的生産實踐中,通過選擇優質、合适的電阻線圈和陶瓷材料,并不斷地對加熱器的結構進行優化升級,已成功地大幅降低輻射器能耗,如Elstein HTS系列産品(空心帶隔熱棉結構),對比Elstein FSR系列産品(實心結構),同等條件下能耗降低15%。
陶瓷加熱器工作原理看似簡單,但是産品設計要綜合考慮耐用性(壽命)、工作效率、能耗、加熱均勻度等問題時,往往非常困難。部分廠家可根據Elstein産品外形進行仿制,但是經常出現産品發熱嚴重,而輻射效率低的問題,能耗非常大。
我們舉例進行說明:老式鎢絲燈用于照明時,通電後鎢絲發熱溫度達2500℃,而位于可見光波段的能量隻占總能量的8.8%,其他能量對照明不起作用,這說明鎢絲燈隻有不到10%的能量用于照明,能源浪費嚴重。
材料的物質屬性
輻射傳熱系統中,最終目的是使受熱材料吸收紅外射線并升溫,達到軟化、受熱、熔融等效果,但是我們知道,不同材料對紅外射線的吸收效果是不一樣的。
不同材料對紅外線的吸收率
不同材料對紅外線的吸收率
油漆、水、常見塑料、紙等材料對紅外線的吸收率非常大,鋼鐵、鋁等金屬材料對紅外線的吸收率則非常小。因此,我們需要根據材料對紅外線的吸收特性,選擇最合适的加熱方式,在紅外輻射傳熱系統中,要求受熱材料對紅外線有良好的吸收,才能确保能量最大化利用,反之,能量損耗嚴重。如果有客戶打算使用紅外線輻射的方式加熱鏡面鋁闆,我們會建議客戶換種加熱方式,或者對鋁闆進行表面處理,提高鋁闆對紅外線的吸收率,否則加熱效果差能耗高。
系統内部環境
輻射傳熱系統中,除了輻射器、受熱材料外,還包括空氣、安裝結構、支撐結構等部分,共同組成輻射傳熱系統的内部環境。這些部分對系統的能耗同樣有非常大的影響。
具體的,空氣雖然看不見但無處不在,并且“阻隔”在輻射器和受熱材料之間,阻礙着紅外射線直接抵達材料表面。空氣可部分吸收紅外射線,宏觀體現在空氣溫度上升,同時,熱空氣以熱對流的形式不斷将熱量傳遞給系統的安裝結構、支撐結構等,導緻内部環境整體溫度上升,能量不斷以無用功的形式損耗。
同時,輻射器的紅外射線,部分是以漫射發射的形式對材料進行加熱,必不可免的有部分射線直接加熱周圍結構,同樣會導緻能量損耗。
因此,在輻射傳熱系統中,我們要盡可能減少空氣擾動,并采用金屬結構做安裝、支撐,且金屬結構應輕量化、遠離輻射區域,避免過多能量損耗。我司有客戶将Elstien陶瓷紅外線輻射器用于真空實驗箱,對材料進行加熱,加熱效果良好,且對比常壓環境,能耗降低約12%。此外,Elstien-Werk設計了BSI加熱系統、BST加熱系統、EBI加熱系統等,适用于裝配Elstein輻射器,不僅起安裝加熱器的作用,可有效降低加熱器背部的熱損耗。
EBI加熱系統
CBSI加熱系統
系統外部環境
輻射傳熱系統與外部環境間的能量交換,主要以空氣對流換熱,系統結構對外輻射傳熱和熱傳導三種方式進行。這部分能量交換在所難免,但我們可以考慮采用封閉式加熱系統進行屏蔽阻隔,降低能耗,減少輻射系統内部與外部的對流換熱。
我們在永固實驗室中,将兩組Elstein EBI加熱系統放置在帶隔熱層的半封閉不鏽鋼箱體中,加熱系統上下對射加熱,溫度設定在750℃,實驗記錄能耗情況。我們發現,在同等條件下,與敞開環境對比,半封閉系統中輻射加熱可節能19%。
可見外部環境對輻射傳熱系統的能耗有很大影響,客戶在使用時應考慮系統隔熱問題,避免能源過渡浪費。
EBI加熱系統置于不鏽鋼箱體中(箱體尺寸535mm×420mm×310mm,隔熱層厚40mm)
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