热工论文
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加热过程中的节能方法
摘要:任何热量的传递只能以热传导、对流、辐射三种方式进行。现有的玻
璃钢化工艺多采用电热丝加热,传热方式以对流为主。若将红外加热技术应用于
钢化玻璃生产中,则传热方式变成以辐射为主。红外辐射加热器是基于许多材料
易于吸收红外线的特点,将一般的热能转变为红外辐射能,在加热过程中采用红
外加热器可以实现节能。
关键词: 传热 节能 红外加热技术
1、传热方式
任何热量的传递只能以热传导、对流、辐射三种方式进行。
①热传导
热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分,或传递到
与之接触的另一物体的过程称为热传导,又称导热。特点:在纯的热
传导过程中,物体各部分之间不发生相对位移,即没有物质的宏观位
移。
从微观角度来看,气体、液体、导电固体和非导电固体的导热机
理各不相同。气体:气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。
固体:导电固体:自由电子在晶格间的运动;良好的导电体中有相当
多的自由电子在晶格之间运动,正如这些自由电子能传导电能一样,
它们也能将热能从高温处传到低温处。非导电固体:非导电体的导热
是通过晶格结构的振动来实现的。液体:存在两种不同的观点,类似
于气体和类似于非导电固体。
②对流
流体内部质点发生相对位移而引起的热量传递过程,对流只能发
生在流体中。
由于引起质点发生相对位移的原因不同,可分为自然对流和强制
对流。自然对流:流体原来是静止的,但内部由于温度不同、密度不
同,造成流体内部上升下降运动而发生对流。强制对流:流体在某种
外力的强制作用下运动而发生的对流。
③热辐射
辐射是一种以电磁波传播能量的现象。物体会因各种原因发射出
辐射能,其中物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。物体放
热时,热能变为辐射能,以电磁波的形式在空间传播,当遇到另一物
体,则部分或全部被吸收,重新又转变为热能。热辐射不仅是能量的
转移,而且伴有能量形式的转化。此外,辐射能可以在真空中传播,
不需要任何物质作媒介。
2、红外加热技术
现有的玻璃钢化工艺多采用电热丝加热,传热方式以对流为主。
若将红外加热技术应用于钢化玻璃生产中,则传热方式变成以辐射为
主。经理论计算,钢化温度为650-700度中温区内,辐射传热是对流
传热的7.9倍,显然在加热过程中采用红外加热器可以实现节能。
红外辐射加热器是基于许多材料易于吸收红外线的特点,将一般
的热能转变为红外辐射能,直接辐射到被加热物体上,引起物体分子
的共振,从而达到以较低的能量与较快的速度把物体加热到要求的温
度。能透过大气的红外线一般分为三个波段:近红外线波段1-2.5微
米;中红外线波段3-5微米;远红外线波段8-13微米。
普通红外线加热器由于辐射的波长的范围太宽,节能效果仍然不
显著。为提高热效率,必须使红外线辐射加热器的辐射波长与被加热
材料的吸收波长范围一致。为此,首先必须寻找被加热材料的有效吸
收波长。每种材料都有其特殊的吸收特性,也就是它对某段波长的热
能的吸收较其他波段高。从一些资料报导,在一般加工工艺中,玻璃
的有效吸收波长范围是2.4-6微米;在钢化玻璃加热过程中,玻璃的
有效吸收波长范围是2.7-3微米。这基本上属中红外波段并稍靠与近
红外区域,这波段相当于704-843度。如果达不到此温度,就不能很
好地钢化玻璃;超过此温度就会浪费热能。
其次就是寻找适宜的红外辐射加热器。钨丝真空管可辐射近红外
线,波长不对应,因此不适合于钢化玻璃工艺。碳化硅属长波长的远
红外辐射加热器,不仅波长波长不对应,其热效率也较低,不适用。
石英玻璃和陶瓷红外加热器能辐射中红外线,所以比较适用。石英玻
璃品种不同,加热器的结构也不同,辐射的红外线波长也不同。根据
钢化玻璃吸收红外线的特性,选择、研究发展适应品种的石英玻璃和
适宜结构的红外加热器,是一个十分重要的问题,这样才能调节石英
玻璃加热器的红外辐射波长,以适应钢化玻璃的红外吸收特性,从而
达到提高热效率的目的。
3、红外加热特点
红外辐射加热的特点是,辐射传热不需要介质,在真空中可传输,
在大气中传输中空气的主要成分氧气和氮气很少吸收红外线,所以损
耗在介质和介质流动过程中的能量就很少,据热工计算,在700-1000
度下辐射传热的利用率是对流传热的5.7-7.4倍。另外,红外辐射加
热的还具有加热十分均匀的特点。为了更好的发挥这个特点,加热器
的形状十分重要。对于钢化平板玻璃来说,从宏观看,管形加热器的
加热均匀性不如板形加热器。实践证明,平板型加热器比较适宜,它
利于提高钢化玻璃质量,提高产品成品率和用于钢化难度更大的釉面
玻璃。所以,必须强调,钢化平板玻璃用平板加热器效果最好,任何
需要反射器的加热器都不如平板玻璃有效。因为在大多数情况下,由
于加热器产生的高温,反射表面不可避免地变黑,过一段时间,从它
的背面放射热量,使反射器变成吸热器。
此外,红外线具有反射性,在加热器中安装反射、聚焦部件,使
红外能定向辐射,集中加热,这就是红外节能常用的方法。
4、结束语
红外辐射加热器是基于许多材料易于吸收红外线的特点,红外加
热则传热方式变成以辐射为主。一般情况下辐射传热是对流传热的几
倍,显然在加热过程中采用红外加热器可以实现节能。
5、参考文献
[1] 汪志诚 《热力学统计物理》第三版 北京:高等教育出版社 2003 年
[2] 杨世铭,陶文铨 《传热学》第四版 北京:高等教育出版社 2006年
[3] 张洪济《热传导》 北京:高等教育出版社 1992年