1、摘要：綜述了紅外加熱元件的發展、優勢及原理，分析了8種遠紅外加熱元件的特點及結構，并指出用黑體作為輻射體已成為紅外加熱元件的一大趨勢。要使我國的涂裝烘干工藝發展到更高的水平，應該使紅外加熱元件更加完善，這樣才能取得更大的經濟效益、社會效益和環境效益。關鍵詞：漆膜固化；紅外加熱元件；匹配吸收0引言從1939年美國福特公司首次將紅外燈用于漆膜固化至今，已經有近70年的歷程1。在近70年里，紅外加熱裝置在不斷完善，并在烤漆房中逐漸普及?，F在采用紅外與對流復合加熱或是單采用紅外加熱已經成為一種趨勢2。紅外烘干不僅僅在涂裝業，還在紡織、食品加工、木材、農產品、海產品等各行業廣泛應用。簡述紅外固化漆膜技術

2、制備及進展1紅外加熱30年的發展歷程11紅外加熱浪潮（19731983年）19731983年，世界各國都在本土大力推薦紅外或遠紅外加熱技術，日本、蘇聯、美國、西歐先后以文件、計劃形式推廣，中國尤甚，以國發42號文件推廣遠紅外。當時遠紅外加熱被譽為“劃時代”的節能技術，國家推出推廣資金，大搞群眾運動，從19781983年，用遠紅外改造和新建的烘干爐、脫水爐、固化爐達280萬kW，全國各地報道均有30%以上的節能效果。12紅外加熱的發展（19831993年）伴隨著紅外“匹配吸收”理論、輻射傳熱理論、熱傳遞動力學理論的深入研究，紅外加熱獲得了極大的發展空間。匹配吸收是紅外加熱節能的理論基礎。匹配吸收

3、針對薄制品（后面內容有詳細介紹），尤其是極薄的有機物制品有明顯的節能效果，但現實生活中，這樣的制品太少，科學工作者對怎么應用“匹配吸收”理論，進行了詳細的研究。紅外加熱實為輻射加熱，輻射傳熱效率高，對大面積物品而言，溫度均勻性成為關注的焦點，科學工作者用“低溫輻射傳熱技術”圓滿解決這一難題，達到了±45加熱溫場。紅外元件實為電熱元件。單純把它理解為輻射系數高、紅外加熱效率高的電熱元件的說法是片面的?？茖W工作者推導出了實現元件以輻射傳熱為主的必要條件和充分條件，提出了紅外加熱特有的公式：能源輻射轉換效率系數。諸如以對流傳熱為主的暖氣片涂上紅外涂料，便成為“紅外元件”的錯誤提法有了理論依

4、據，紅外加熱元件的應用領域、應用方式不斷擴大。紅外加熱的方向性元件與工件相對位置是傳熱干燥脫水固化存在的問題，在紅外加熱中卻十分突出，對輻射場的強度均勻性，溫度均勻性，對流場溫度均勻性的研究，成功解決了在連續式烘干爐中紅外加熱的溫度均勻性這一難題。13紅外加熱趨勢（19932003年）點、面、線輻射源的熱能被工件的直接利用率是很低的，人們采用拋光金屬為反射罩，由于難以清理，導致使用過程中熱效率大幅下降。紅外加熱的溫度均勻性，不同爐磚、爐型、工件形狀和質量均有很大關系，給設計施工應用帶來極大麻煩，關鍵問題是爐內對流場的干擾，使紅外加熱爐的溫度均勻性難以達到設計要求。紅外加熱屬于輻射傳熱，其特別之

5、處在于升溫迅速，斷電熱消失慣性小，如何實現這一基本特點，科學工作者始終在思考這一難題，即快速加熱技術。反射罩污染，匹配吸收實踐應用，對流場溫度均勻性的研究，輻射傳熱的強化，一系列理論技術問題的突破，我國國家紅外中心1993年率先提出了紅外加熱快速加熱，瞬間加熱，爆炸加熱的新思路高紅外加熱思路在技術上有三項重大突破，選擇全面“匹配”吸收的元件，克服對流場對溫度均勻性的影響，實現物料分級的加熱干燥與脫水，紅外加熱成為了節能技術。2紅外線固化與傳統固化方式對比傳統的熱風循環式加熱爐主要是靠對流的方式加熱工件，使漆膜固化；而紅外線干燥固化爐主要依靠輻射加熱的方式，將光能轉化為熱能，使涂層升溫，從而使漆

6、膜固化3。紅外固化與傳統固化方式相比，它的優點在于：（1）能源利用率提高。熱風循環對涂料進行加熱的時候必須先對被涂物周圍的空氣進行加熱，而紅外線加熱不需要加熱介質，直接可把熱以輻射的形式傳到被涂物上，使漆膜由內到外固化。（2）提高了漆膜固化質量。熱風循環加熱產生的對流會把空氣中的粉塵等污染物帶到漆膜表面，而紅外固化不會產生這樣的問題。傳統的熱風循環只能加快漆膜表面的固化速度，對漆膜內部幾乎不起什么作用，容易產生“鼓包”、“皺紋”等現象，而遠紅外固化對漆膜是從內到外干燥，所以克服了容易出現“鼓包”、“皺紋”等缺點。（3）占地面積小。紅外線輻射固化不需要換熱設備、管道、閥門等，所以它的占地面積小，

7、投資少。（4）環保。與有些用可燃氣體、液體和煤做燃料的加熱爐相比，紅外固化沒有廢氣、粉塵等污染物排出。（5）縮短了烘干時間。這種烘干方式升溫快，漆膜是從內向外烘干的，與溶劑揮發方向一致，可縮短烘干時間。據統計紅外線輻射漆的固化時間約為對流加熱固化時間的1/21/10。（6）安全系數高，改善勞動條件，同時易于實現自動化；起停速度快、熱慣性小、操作簡單、持久耐用。遠紅外線固化也有自身的缺點。如配電、用電都比燃油加熱式烤漆大。再者，輻射加熱不適用于形狀復雜，有高凸深凹正反表面的物體。對于汽車可以通過扇面反射、合理布局，再加上涂層基體的散射，使所有需要涂裝的表面均不存在盲點4。3紅外線加熱原理目前在紅

8、外加熱機理的討論中存在匹配與非匹配論兩種觀點5。匹配吸收論認為，輻射源的輻射能譜與被加熱物的主吸收帶波長分布對應時，會引起物料分子產生共振吸收，從而達到升溫加熱的目的。因此，輻射源的工作波段應選擇與被加熱物主吸收帶相同；非匹配吸收論認為，當入射輻射能譜避開物料的吸收峰時，能進入物料內部，具有較深的穿透能力，使物料分子激發或通過各振動膜間的耦合來實現能量轉移，有利于物料的內部加熱，即工作波段應選擇避開被加熱物的吸收峰。這兩種理論在吸收定律的基礎上是統一的，如何選擇紅外加熱波段是看被加熱對象的厚度，若是物料的厚度很?。╨遠遠小于d），紅外線輻射一般能穿透，可選用匹配吸收理論。而當物料的厚度很大（l

9、遠遠大于d）時，輻射不能穿透，這時就選擇非匹配理論。紅外線烘干的漆膜就是薄物料，它的烘干機理就是匹配吸收理論。漆膜對熱量利用吸收率如式（1）所示。（）光譜吸收系數，是材料和波長的函數，對于給定的材料，隨而變；l為涂層的厚度；d為穿透深度，等于1/（）?？梢姰斖繉觢很小時，為使熱利用率提高，應選擇使（）盡可能大，（）為極大值時，對應物料的主吸收峰匹配吸收。被烘干的涂料基本上都是有機物、高分子化合物以及含水的物質7，它們吸收紅外線波長范圍大多數在220m之間，如果用220m的紅外線照射物體的話，這種物質就會與電磁波產生共振，而引起激烈的振動，物體的溫度就會上升，達到加熱的目的。從光譜學的分析可知，

10、分子吸收了光譜后，可使光子的能量完全轉變成為分子的振動、轉動能量。而當分子吸收了紅外輻射能量后，也可以使分子的振動、轉動能量發生變化。同時，紅外輻射的物品在紅外輻射能穿透到的部位，其溫度往往比表面的高，所以脫水干燥工藝設備中，物品在內高外低的溫度梯度和濕度梯度同時作用下，不斷地將內部的水分轉移出來，并擴散蒸發達到快速干燥的目的6。4紅外線加熱裝置我國從20世紀60年代開始對紅外線加熱裝置進行了研究、開發和應用。雖然起步較晚，但并不影響紅外線加熱裝置的發展進程。我國著名的紅外線加熱技術老前輩湯定元、吉林大學候蘭田教授、中科院上海硅酸鹽研究所的夏繼余等人在遠紅外線的理論研究方面取得了巨大的成果。天

11、津大學褚治德教授率先建立了國內第一座多用途實驗室遠紅外干燥爐，在工程理論、應用性研究方面獨樹一幟。近幾年山東大學朱波等研制的碳纖維加熱管也已經得到廣泛應用。41碳化硅陶瓷加熱器碳化硅陶瓷加熱板是我國在20世紀60年代研究開發的產品7。其形狀有平板狀、波浪狀兩種，由于波浪狀的輻射面積大，因而使用較多。圖1是波浪板式輻射元件的結構示意圖，其主要特點是輻射面積大、輻射強度高并且均勻。但這類元件的機械性能一般較脆，不耐撞擊和振動并且安裝檢修較麻煩8。圖1波浪板式遠紅外線輻射元件碳化硅可分為天然和人造兩種，為六角晶體，色澤有黑色與綠色兩種，具有很高的硬度，熔點為2600（分解升華），熱導率隨溫度的增加而

12、減少，從室溫的4898W/（m·K）到500時的502W/（m·K），降低一個數量級，熱膨脹系數相當鎳鉻絲的1/3左右。碳化硅加熱器的表面溫度600以下熱響應較慢，升溫時間長，但熱穩定性好。42金屬管式遠紅外加熱器氧化鎂管式加熱器的結構如圖2所示。在管的中心是電熱絲，在管的基體與電熱絲的中間填充了氧化鎂粉末，在基體上涂了一層遠紅外輻射涂層。它的機械強度較高、安裝維修方便、質量較輕、加熱速度快，在基體與電熱絲之間填充的氧化鎂粉末，可防止氧氣進入使得電阻絲氧化，提高了加熱裝置的使用壽命。它的輻射面積小，若是長期使用，遠紅外輻射涂層容易脫落8。圖2金屬電熱管式遠紅外輻射元件1金屬

13、管基體；2遠紅外線輻射涂層；3電極；4墊圈；5接頭螺栓；6電熱絲；7氧化鎂粉；8絕緣瓷圈；9并緊螺帽；10接線螺帽43電阻帶式紅外輻射電加熱器電阻帶式紅外輻射器是把遠紅外涂料直接涂在電阻上制成的。電阻帶除了采用標準的鎳鉻或鐵鉻鋁產品外，還可以用不銹鋼薄板按需要的寬度自行裁剪。電阻帶的厚度一般選在0205mm之間，寬度為1050mm。電阻帶式輻射器一般都制成組件使用，先根據被加熱物尺寸及加熱爐的大小用角鐵制成若干框架，然后借助陶瓷絕緣環將涂有紅外輻射材料的電阻帶固定在框架上，電阻帶與反射罩之間的距離約2025mm。為防止電阻帶熱脹冷縮產生變形造成與反射罩或框架間的電氣短路事故，電阻帶安裝前需熱拉

14、伸，安裝時應在熱狀態下拉緊后再固定。帶式輻射器可同時看作管式輻射器和板式輻射器的特例，因為把管式輻射器壓扁或把板式輻射器作成窄長狀都是帶式輻射器9。44乳白石英紅外輻射電加熱器乳白石英紅外輻射電加熱器是一種具有選擇性的紅外加熱元件。它是由電熱絲供電，由石英管作為熱輻射發射介質。乳白石英是在透明石英玻璃中充入003008mm的微小氣泡而成，乳白程度的好壞取決于石英材質中微小氣泡的多少，氣泡越多，乳白程度越好，小氣泡的數量平均為20008000個/cm2，但氣泡過多時管材表面光滑度不好、材質強度下降、氣密性差。經工藝改進，采用連熔工藝加氦氣（保護性氣體）。羥基含量增高，因而在波長27m處能產生強輻

15、射帶。未改進的石英輻射器表面溫度一般小于600，改進后的乳白石英加熱管或石英板式輻射加熱器的表面溫度達70085010。45遠紅外定向強輻射加熱器20世紀90年代中期引進了美國遠紅外定向強輻射加熱技術后，保定市通達加熱設備有限公司在對美國遠紅外輻射元件進行消化吸收后，研制出了新一代TD牌遠紅外定向強輻射器、遠紅外溫控系統及遠紅外局部烤漆器等系列產品。其采用特種耐高溫加熱元件，在電熱供源的背面以特殊高溫反射材料形成結構的定向性，在電熱源正面為多種微量元素摻雜的二次激發源，不含有任何有害射線。在通電2min以內，輻射器開始工作，其表面溫差3%，輻射轉換率可達9999%，法向發射率>92%。由

16、于通電時輻射元件輻射出定向極強的寬波譜，而被涂物在波長為915m處具有特別的吸收峰，所以通過控制輻射器的溫度，可有效地使輻射的波長與漆膜的吸收峰值吻合。運用光譜匹配吸收的原理，使被涂物及漆膜吸收能量轉化為分子的熱運動，達到由內到外快速干燥的效果11。46燃燒氣體式遠紅外加熱器目前國內外的產品干燥方式有多種多樣，但從總體上看都屬于是二次能源，如電力、蒸汽、高溫水等。而遠紅外線在干燥器和加熱器上使用的能源可以是一次能源如煤氣、液化氣、煤油等。它是利用激發水的活性的特點，干燥效果好，成本相對比較低，應用前景可觀。馬春榮12根據遠紅外線的特點和加熱原理，用加熱和干燥的優點進行了分析、論證。這種遠紅外加

17、熱管的運轉成本低，是一種經濟節能設備。它采用的是真空燃燒方式，這種設備加熱均勻、反應時間短、持久耐用、安全系數高、便于自動化管理。（如圖3）它的工作原理是：燃料經燃燒器點燃，由于有真空（200mmHg），在燃燒室里燃燒后被迅速抽到放射管里，放射管表面達到150400，從放射管放出與表面溫度相應的遠紅外線，這些紅外線經反射板反射經過空氣到達被加熱物質上。燃燒器的燃料使用油、煤氣、LPG（液化石油氣），主要構成有燃燒器、風機、過熱防止器、油泵過濾器、電磁閥、點水器、防爆器、變壓器、噴嘴、火焰監測器、觀火口、繼電器、開關等?？捎迷谠S多方面，用于涂料烘干也比較理想，可用于連續化生產?，F在遠紅外反射裝置

18、也是遠紅外發射器的一個重要組成部分，常用作發射裝置的有拋光的鋁、不銹鋼和帶有鎳、金鍍層的鋼板等都可用做紅外線反射聚光鏡的材料。拋光的鋁板成本低、質量輕、容易加工，它的紅外線反射率可達94%，但容易劃傷。不銹鋼雖然比鋁硬，但是它的紅外線反射率僅為80%左右，而且加工比較困難。帶有鎳、金鍍層的鋼板比不銹鋼好加工，而且硬度和不銹鋼相當，不容易被劃傷，紅外反射率約為98%，但它的成本較高。金屬反射器材料在540左右，它們都容易劃出傷痕，所以大多數發射板要經過冷卻，可采用空氣冷卻或是水冷卻13。圖3燃燒氣體式遠紅外發生元件47碳纖維復合加熱器最近幾年山東大學研究和開發了碳纖維遠紅外加熱管，碳纖維取代了傳

19、統的金屬鎢絲和PTC等發熱材料。碳纖維是一種黑體發熱材料，它能完全吸收照射到它上面的各種波段的電磁波，對它進行加熱后，在不同的溫度發出不同波段的光，輻射與本身性質沒有關系，只與波長與溫度有關，而在同樣溫度下，黑體所發出的熱輻射比任何物體都要強。黑體在不同的溫度會輻射出不同的波段，可以利用匹配吸收的原理，根據漆膜烘干時所需的最佳波段來選擇黑體的加熱溫度。它的電熱轉換效率可達到95%以上，工作溫度可達1200，發出的遠紅外線的波段在314m之間，目前該段波長的遠紅外線是最有研究價值的，它不僅適用于烤漆工業，而且在醫學界也特別有研究和使用價值，該段波長的光被稱為“生命之光”，特別能有效活化人體的組織

20、細胞、促進血液循環、增強免疫力。同時它也能夠被空氣中的水分子吸收產生共振摩擦熱效應，提高了環境溫度。這種遠紅外碳纖維電熱管釋放的熱量絕大部分是紅外輻射能量，與金屬發熱體不同，它完全避免了電磁場的產生，沒有涌動的電流，使用壽命一般大于6000h（連續點燃的情況下600015000h），發熱體不會被氧化。它的管壁采用的是脫羥基石英玻璃，可以承受劇烈的溫度變化（加熱到1500然后投入到20的水里也不會炸裂）。圖4所示是山東大學朱波，等142004年研制的復合電加熱管。這種碳纖維輻射管采用內熱外涂結構設計，內部用碳纖維纏繞在絕緣體骨架上，通過可靠的接頭引出鉬絲引線，根據所用纖維的K數（K為股數）和螺旋

21、的圈數調節發熱體的功率，最后將此加熱芯整體安裝在石英管內并真空封裝。為了確保外部接線方便和安裝安全，在兩端引出線處與標準耐熱鋼螺栓連接并整體封裝在陶瓷封頭內，使用時通過螺母壓緊與動力線相接。為了提高輻射管表面的熱輻射能力，在石英管表面涂敷一層高性能遠紅外涂料，調節輻射特性，提高整體性能。圖4碳纖維加熱管48無芯碳纖維遠紅外加熱器目前，碳纖維紅外電加熱輻射管所采用的發熱體是高強度碳纖維長絲，在加工制造過程中柔性纖維需要用支撐芯來固定。支撐芯主要為耐高溫的石英或絕緣陶瓷材料。由于石英或絕緣陶瓷材料柔性差，對于形狀要求復雜的輻射管設計，難度極大。此外，由于石英支撐芯的存在，限制了電熱元件的使用溫度，使用溫度過高，會因支撐芯的軟化而導致電熱元