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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