紅外線加熱乾燥技術

　　加熱乾燥設備的目的在於滿足工作或介質的加熱程序要求，如鋼錠的加熱、金屬材料的熱處理、含濕材料的烘乾、漆膜的加熱固化、高分子材料硫化、以及鍋爐水介質的加熱氣化等等，任何加熱系統都不可避免熱損失。加熱時間的縮短，加熱程序的簡化，意味著能源的節約，因為各種熱損失大多是隨時間而成正比。在滿足受熱物加熱要求的前提下強化加熱系統增加被加熱物的傳熱速度，以縮短加熱時間是節能的有效途徑。在加熱乾燥的過程中，同時有兩個現象在進行著，熱傳與質傳，熱傳提升濕料的溫度，增加其水分或溶劑的流動性，并蒸發水分或溶劑，質傳促使內部水分或溶劑向表面移動，以進行蒸發。加熱乾燥的方法，依熱能由熱源傳送到物料的方式概分為三大類：傳導、對流與輻射加熱。實際的傳熱很少是以傳導、對流或輻射的單一傳熱方式進行，大多是二種或三種傳熱方式共存的綜合傳熱。一般，輻射傳熱與對流傳熱總是綜合發生的。以三種基本傳熱方式角度來考慮，其可行節能途徑如表1。
表1 傳熱節能的若干技術途徑
傅熱方式 強化傳熱的若下途徑
傳導 1. 選擇良導熱材料2. 條件允許下，儘可能減少層數和減薄厚度3. 增大傳導傳熱面積4. 提高熱面溫度
對流 1. 適度增大流體流速2. 改間接對流為直接對流3. 擴大對流傳熱面積4. 提高高溫流體或固體溫度
輻射 1. 提高輻射源輻射率值2. 提高吸收體吸收率3. 增加輻射源表面積4. 增大視角因子數值5. 提高輻射源表面溫度6. 實現光譜匹配傳熱
綜合 同上綜合
工業加熱與乾燥的方法很多，自能源危機以來，世界各國為提高能源使用效率與發展能源多元化，紛紛研發各種節約與替代能源技術，其中輻射加熱乾燥由於方法的特殊性，被證實為最有效率的加熱與乾燥技術之一，而被廣泛地用於取代傳統的熱風式加熱與乾燥系統。輻射加熱與乾燥包括紅外線、紫外線、微波/射頻、電子束與雷射等，其中紅外線加熱乾燥是利用電磁輻射熱傳原理，以直接方式傳熱而達到加熱乾燥物體的目的，從而避免加熱熱傳媒體導致的能量損失，有益能源節約，同時紅外線因有產生容易，可控性良妤等特質，而有加熱迅速、乾燥時間短、生產力提高，產品品質改進及設備空間節省等優點，因此自1970年后期以后，美、歐、日等國工業界無不積極埋首研發紅外線工業技術，生產高效率紅外線加熱乾燥系統與設備，與推廣紅外線工業應用，以爭取工業生存空間。表2列出紅外線加熱乾燥之工業應用領域(1)。紅外線是一種熱輻射，在國防工業上主要被當成信號處理，在一般工業中則被用於大功率的能量傳輸媒介。
電磁波波長范圍很大，電磁波中僅可見光能為人的肉眼所見。一般只有紅外線、可見光及紫外線對物質有較強的熱輻射行為，因此人們也稱它們為「熱射線」。紅外線的波長區間大致為0.75至1000m，因其波長位於紅色光波長(0.6m至0.75m左右)外而得名。在低於2000C的常規工業熱工范圍內，紅外線是最主要的熱射線。人們有時將紅外線又劃分為「近紅外」、「中紅外」、「遠紅外」等若干小區間，所謂的遠、中、近，是指其在電磁波譜中距紅色光的相對距離遠近而言。紅外輻射屬於熱輻射，熱輻射的若干基本概念與定律(2)均適用於紅外輻射傳熱過程。
(一)吸收、反射和透過
一束熱射線投射到某物體表面時，其一部分為物體所吸收，另一部分被該表面所反射，還可能有一部分透過物體繼續向前傳。物質吸收的輻射能量與入射能量的比值叫吸收率，採用紅外線加熱是否有效，主要取決於被加熱物體的吸收程度，吸收率越高，紅外線輻射效果就越好。而吸收率取決於被加熱物質的類別、表面狀態、紅外線輻射源的波長等。物質反射的輻射能量與入射能量的比值叫反射率，不同材料和不同表面狀況的反射率各不相同。物質透過的輻射能量與入射能量的比值叫穿透率，穿透率隨材料的性質及厚度不同而變化。不同材料的有效穿透范圍也不一樣。通常把非透明材料的穿透率看作零。一般金屬晶體十分緻密，透過表面的電磁輻射能在很短的距離內迅速衰減，因此熱輻射對金屬的穿透深度在微米數量級上。而非金屬材料分子結構不很緻密，在常溫下不同非金屬物質各自具有特徵振動頻率，因此當入射的電磁波到達界面時，電磁波很少被反射，較易穿過界面進入表層，有些激起共振變為熱量，有些不能激起共振的則受到折射、散射和反射作用。由於實際物體都不是單一結構的單純物質，故有些未被表層吸收的輻射波，在深入過程中還會被其它物質的共振而不同程度地加以吸收。只有在穿過全部厚度時，未破吸收的那部分輻射能量才能透過。因此非金屬的穿透深度比金屬的要高。應當注意，、、不僅取決於被照射物體本身的屬性、結構形狀等，而且也與輻射源的溫度及輻射光譜等有關。
(二)普朗克定律
普朗克定律描述了黑體輻射能量的光譜分布，即黑體表面的單位面積在單位時間內，單位波長區間上的輻射強度分布，其數學表達式為：
式中Wb為黑體光譜輻射強度[kJ/(m2 · m · h)]；Ci為第一輻射常數[kJ/m2/h]=3.217710-6；為波長(m)；C2為第二輻射常數(m · K) = 1.4338104；T為黑體表面絕對溫度(K)；k為波茲曼常數 = 1.380 10-23 J·K-1。
(三)維恩定律
從式(1)可知，Wb = f( · T)，故對於任一確定了溫度T的黑體輻射面，有Wb·T=fT()，令dWb·T/d = 0所求得的值就是對應於該溫度下的最大光譜輻射強度Wbm的峰值波長m，即有：
mT = 2898(m · K)…………………………(2)
維恩定律表明了黑體的表面溫度T與其峰值波長m的乘積是一常數，這說明溫度升高時，峰值波長m必將向短波長力-向移動。
表2 紅外線加熱與乾燥各種工業應用領域
工業類別 紅外線用途 工業產品(生產目的)
金屬涂裝工業 涂裝乾燥 汽機車、自行車、玩具、電腦、冰箱、烤箱、微波爐、辦公桌椅、運動器材、船舶、農工業機械等。
金屬加工工業 預熱 金屬零件焊接、成型、鑄模預熱。
加熱 鋁、鈦合金超塑性成型與熱處理，零件焊接后熱應力消除，退火，工業油污清除，表而黏著技術錫焊，金屬管接頭接合等。
電子工業 乾燥 印刷電路板，電阻，電容等。
電線電纜工業 乾燥 絕緣凡立水，絕緣橡膠加硫。
電鍍工業 乾燥 鋁合金陽極處理鋁門窗，汽車零件等之乾燥，電子零件電瓶等之水分去除。
塑膠工業 加熱 膠布軟化，膠布壓花，膠布發泡等。
涂裝乾燥 電視機，收錄音機，電腦監視器外殼之低溫涂裝。
造紙工業 乾燥 紙漿，紙張，紙器摺邊黏著，壁紙發泡等。
印刷工業 乾燥 印刷油墨快乾。
木器工業 乾燥 傢俱，合板，鋼琴，吉他，古箏等之涂裝。
紡織工業 乾燥 不織布、印花布之定型，地毯背膠，布匹染整定型。
玻璃工業 乾燥 映像管之表面涂裝，玻璃淬火。
民生工業 加熱 暖房，三溫暖，食品殺菌，食品調理，藥品消毒。
乾燥 膠、皮鞋等之膠水烘乾，皮羊、茶葉、食品等乾燥。
(四)史蒂芬—波玆曼定律
對普朗克定律進行從零至無窮大的全波長區間的積分，便可得到描述黑體全輻射強度Wb的史帝芬--波玆曼定律：
式中稱為史蒂芬--波茲曼常數。
(五)照度定律(負二次方定律)
照度定義的意義是在點光源垂直照射的情況下，被照射面上的照度與光源的發光強度成正比，與光源到被照射面之間的距離平方成反比。此定律只適用於點光源，光源越小或被照射面距離光源越遠，計算結果也就越接近實際情況。
(六)灰體與選擇性輻射體
根據單色輻射率的變化規律，可以將輻射體分為三類，
1. 黑體， = = 1
2. 灰體， = < 1
3. 選擇性輻射體，值隨波長而變化。
黑體和灰體都是理想化的物體，實際物體是大小不一帶有選擇性的輻射體與吸收體。但是，許多工程材料在工業熱工范圍內呈現接近灰體的輻射與吸收特性，工程上允許將它們近似視為灰體處理。然而對於有機物等強選擇性輻射與吸收物質，工程上也不能視為灰體，否則會引起很大的誤差。在工業熱工溫度區間，針對紅外輻射，工程材料具有如下特性：
1. 非導電材料的全輻射率值大於導電材枓的值。
2. 金屬及其他導電體的全輻射率值隨溫度上升而增大；非導電體，如一般耐火材料和建筑材料的全輻射率值隨溫度升高而降低，但耐火材枓等的值在1400C以上時又變為隨溫度上升而增大。
3. 輻射體表面越粗糙其微觀表面積越大，全輻射率值越高。
4. 氧化后的金屬表面之全輻射效率值將成倍增加。
(七)克希荷夫定律
克希荷夫定律是指在輻射能傳輸過程中，任何物體對黑體輻射出的任一波長的熱射線的單色吸收率等於同溫度下該物體在同一波長的單色輻射率。灰體的全吸收與同溫度下的全輻射率相等。近似灰體的工程材料，也可近似認為在同溫度下的全輻射率和全吸收率相等。對於黑體b=b=1；對於灰體=<1，這說明任何材料的輻射率等於同溫度下的吸收系數，亦即，好的吸收體必然是一個妤的發射體。對於非透明材枓， = 0，則有 = 1 - ，金屬的發射率很低，但是它隨著溫度的升高而增加，并且當表面形成氧化層時，可以10倍或更大倍數增加。
(八)實際物體吸收率影響因素
實際物體的全吸收率值較之全輻射率值要復雜一些。實際物體全吸收率取決於本身情況和投入熱射線的波長分布。吸收物體的本身情況包括吸收物的種類；吸收物表面溫度；吸收物表面粗糙狀態；選擇性吸收程度等。許多實際物體對不同波長的入射熱射線的單色吸收率是不相同的。熱射線的波長能量分布取決於輻射表面溫度，輻射表面粗糙狀況和單色輻射率的選擇性程度等因素。
紅外線之市場現況
紅外線加熱乾燥技術是利用紅外線輻射加熱的優點，針對各種不同的受熱線加熱乾燥技術的應用最早出現於1938年福特汽車公司利用紅外線電燈泡去乾燥汽車烤漆，此是工業界第一椿紅外線加熱乾燥技術的實例應用。在當時由於技術并不太成熱，紅外線技術并未受到重視。1973年石油危機后歐、美、日的能源意識抬頭，工業界紛紛研發紅外線的創新技術應用，并將日趨成熟的技術應用在各種工業加熱乾燥製程上。為推展紅外線加熱乾燥技術的研發與推廣，英國電力諮詢委員會成立特別部門及其所屬研發單位和設施民營化，成立公司繼續推動其工業上的應用。美國則由電力研究所主導，成立幾個製程研究中心，建立示范系統推動其應用。根據EPRI在1987年的調查報告(3)，歐洲當年的紅外線設備銷售額約有7千到8千萬美元，而美國則約4千至5千萬美元，但每年以10~12%的比例成長中，依此推估歐洲、美國在1995年紅外線設備銷售額應可分別達17億及11億美元，目前在美國有關紅外線應用上的製造公司，均屬中、小企業，公司人數約在150到350人之間，非常適合國內的工業情況。而在日本從事紅外線相關事業的企業多達3、4千家，相關產品主要用於產業加熱、暖房、食品調理及乾燥、健康美容、感測器、纖維等領域，其中以產業加熱、健康美容最多，主要基於增進生產效率及節約能源考慮與日本社會高齡化對健康日益受重視有關，兩者約佔總市場比率60%以上，其中製程加熱設備約佔40%，此領域在1990年可達11億美元，且從1987到1989整個市場年成長率皆超過30%(4)推估，日本於公元1995年製程加熱設備可達40億美元，日本通產省產業局有鑑於此，於公元1990年邀集旭硝子、新日住友金屬、東京瓦斯、日本礙子、松下電器等多家企業成立「紅外線產業協會」，全面推動各種紅外線商品化技術。而在大陸地區在1992年從半紅外線加熱元件和系統設備的廠家也迄200多家，年產值已超過3千萬美元(5)。
國內的產業界大約在1985年左右開始零星引進紅外線放射器，組裝加熱與乾燥爐來使用，也有與國外合作製造陶瓷電氣紅外線放射器，推出至國內市場。更積極者如中國生產力中心、積極聘請日本遠紅外線協會專家來臺技術傳授，推廣紅外線應用，甚至與產業界合作於1991年11月成立「遠紅外線技術應用協會」以促進紅外線技術的應用，但是卻以推銷日本產品為主，經濟部能源委員會有鑑於節約能源技術及加熱乾燥之耗能在工業製程上的重要性，且預估用於加熱乾燥的耗能量將持續增加，乃自民國80年開始委託能資所進行有系統的研究開發與推廣應用國內紅外線加熱乾燥省能技術。根據工研院能資所1992年完成的調查報告(6)顯示國內紅外線乾燥設備可達7億美元以上的產值。目前國內工業界部分進口國外昂貴的紅外線設備，但因操作技術問題，產品品質仍舊落后國際水準；另一部分業者則採購國產設備，自行組裝紅外線爐使用，由於1.對被加熱工件之紅外線吸收特性無法掌握，常因工件材質稍異造成產品品質迴異的情形，2.製作技術不足，無法產製高放射率的紅外線放射器，形成能源浪費，3.儀器設備不足，無法確知紅外線放射器的輻射性質，造成銷售瓶頸，4.溫度控制不夠精確，造成產品品控困難，在以上情況之下，業界常苦於無法發揮紅外線設備應有之效率，因比預期紅外線技術在國內的前途應是十分看好。
紅外線加熱優勢及效率
紅外線乾燥加熱方式在近幾年來則以驚人的發展速度被接受，并被實際使用於各層次，主要是紅外線乾燥方式有下述之優點：
1. 具有穿透力，能內外同時加熱。
2. 不需熱傳介質傳遞，熱效率良好。
3. 可局部加熱，節省能源。
4. 提供舒適的作業環境。
5. 節省爐體的建造費用及空間，組合、安裝及維修簡單容易。
6. 乾凈的加熱過程。
7. 溫度控制容易、且升溫迅速，并較具安全性。
8. 熱慣性小，不需要暖機，節省人力。
因為紅外線加熱其有上述優點，因比獲得高效率高均一性的加熱是可能的進而獲得高品質的產品，圖1是以紅外線加熱而產生之種種具體效果圖(7)。
而加熱設備安裝后，在運轉時需了解有效能量與供給量的關係，這稱為熱平衡計算以確定熱設備對能源有效利用程度、經濟效益及技術水平的一項綜合指標。確定設備熱效率的方法有兩種：
1. 直接法：它是直接通過有效能量和供給能量的測定和計算確定。
= (Qe/Qi) 100%
2. 間接法：是通過QLOSS損失能量和供給能量的測定和計算間接確定熱效率。
= (1 – QLOSS/Qi) 100%
其中Qe是有效能量，Qi是供給能量，QLOSS是損失能量。在理論上，這兩種方法完全相同，但實際應用中受到測試條件和測試精度的限制，兩者對同一對象的測定值會有誤差。對於具體熱設備，可按測試目的及精度要求，以決定選用方法。一般加熱設備熱效率不僅與爐的形狀、運輸方法有關，還隨被加熱物的種類、生產量、加熱溫度的不同而有差異。因此，對於連續式加熱設備，所謂熱效率是指其處於熱穩定情況下的熱效率，即量測加熱設備熱效率過程中，溫度基本保持不變，即T/t = 0，這時熱設備既不吸熱亦不放熱。由於熱設備正逐漸朝向大型化發展，其吸、放熱蓄熱量大，放應強調T/t始終為零。實際上，運轉中很難達到，但應接近零。即儘量維持熱設備各參數變化保持最小范圍內。而熱設備效率是對一定大小的熱設備而言，爐體大小對熱效率也有影響，只有在相同基礎上明確熱效率才具有相互可比性，而批次式或週期作業的熱設備，一般計算一個作業週期的週期熱效率。