远红外辐射场优化与匹配度计算的研究毕业论文.doc

远红外辐射场优化与匹配度计算的研究摘 要本设计的特点为采用远红外烘干,主要利用能量为远红外辐射能,由于辐射能的传输不需要介质，辐射能的传输效率较对流高，所以在本设计中不考虑对流换热的影响。设计目标是提高烘烤的效率与质量，实现方式为优化辐射场以及提高匹配度。烘烤对象为汽车表面喷漆,溶剂为二甲苯。本设计通过对测试屏上的点每隔一定步长分别计算其获得的直照度与反照度，并计算出测试屏上各点的总照度的最大值与最小值，将最大值与最小值之差作为评价辐射场均匀度的指标。通过调整辐射管中心线的位置以及相临两个反射罩的距离，使均匀度的评价指标值最小，这时，辐射管与反射罩的位置参数即为最优参数。其中，每一计算点的直照度用推导出的直照度积分函数通过Romberg积分1求得，反照度则用离散化思想，将反射罩抛物柱面离散化，根据光线可逆原理，对测试屏上每一计算点逆向反求辐射管上的辐射点，然后采用与直照度相似的方法求得辐照度。本设计还利用Romberg积分函数对光谱辐射力和相对应的吸收比采用分段积分的方法对二甲苯的最佳匹配吸收温度作了理论计算，得到了合理的结果。关键字：远红外；辐射场优化；匹配度优化 Research on the optimization of infrared radiation field and matching degreeAbstractInfrared radiant energy features in the design of infrared drying stove. Because in contrast with other modes of heat transfer, no medium is required to transmit radiant energy, so heat transfer coefficients for radiant energy are generally much higher than convection .In this design, the influence of heat transfer by convection can be ignored .The solution of the paint on the surface is benzene. The aim of the design is to improve the efficiency and quality of drying, so the main task is to optimize the radiation field, that is to say, minimize the difference of emissive power received by the surface of cars.For a fixed vertical surface 500mm away from the bottom of the reflection surface, in order to indicate the temperature field on the surface is optimized, we need to calculate the emissive power received by every point on the surface. To simplify our task, we divide the surface into small surfaces, and assume that emissive power received by each small surface can be considered to be integrated into the middle point of the small surface. On this assumption, we only need to calculate the emissive power received by these selected points. Then we can find the maximum and minimum values of emissive power received, and make the difference of them the indication of optimization of the temperature field on the surface. Given a pair of parameters, such as the distance of two immediate reflection surfaces and the axis of the radiant unit, we can get a indication value. If the indication value is minimum, the corresponding parameters are the optimized ones. Besides, emissive power received by each selected point can be divided into two parts. One part is emissive power received directly from the radiant units, the other is the one received from the reflection surface. The former one can be calculated through the program the integral function edited by C+; the latter one can is difficult to calculate through integral function. So we also divide the reflection surface into small surfaces, and on the assumption that light can be reversed, we can get the direction of the input light, further, we can determine whether the line of input light can intercross with the radiant unit. If it is so, emissive power can be reflected to the selected point, else not. Thirdly, we also analyzed the optimized temperature, on which emissive power reached on the surface painted with Benzene solution can be absorbed in the most amount. The conclusions are reasonable. Keywords infrared heating; optimization of radiating-field; optimization of the matching degree目 录摘要IAbstractII第1章 绪论61.1 课题背景与机理61.2 背景61.3 机理61.4 设计思路7第2章 辐射场优化82.1 模型假设82.2 辐照度的数学推导92.3 直照度的数学推导102.4 反射辐射照度的数学推导172.5 总辐射照度的计算192.6 辐射场的优化设计及结果分析192.6.1 辐射场的优化设计算法192.6.2 辐射场的优化结果分析20第3章 匹配度优化303.1 匹配度的图表处理303.1.1 最佳匹配吸收原理303.1.2 相对匹配度的求解顺序和方法303.2 匹配度的优化设计31第4章 烘干炉设计案例分析344.1 烘干对象及特性344.1.1 烘干对象及生产指标344.1.2 烘烤生产率344.1.3 工艺流程及技术要求344.2 烘干炉结构设计概述344.2.1 炉型设计354.2.2 辐射涂料的选取354.2.3 反射罩的选取354.2.4 辐射加热装置及辐射器的组合与工艺布置354.2.5 接线的设计354.2.6 接线管选取354.2.7 炉内衬板选择364.3 炉体尺寸设计364.4 远红外参数374.4.1 温度的确定与辐射管的选择374.4.2 被加热物的最佳烘干温度374.4.3 距离系数与射角系数和匀度系数374.5 辐射单支功率、支数及其布置的确定384.6 烘干炉其他设计384.6.1 辐射加热装置及辐射器的组合与工艺布置384.6.2 热电偶布置与通风控制384.6.3 炉体保温与炉温控制38第5章 程序设计405.1 优化温度场程序设计405.1.1 算法流程图405.1.2 积分算法分析415.1.3 辐射场优化原程序445.2 匹配吸收程序设计585.2.1 匹配吸收原程序58结 论62致 谢63参考文献64附录A 英文原文65附录B 英文翻译80第1章 绪论1.1 课题背景与机理1.2 背景众所周知，远红外线是一种不可见的射线，在电磁波谱中占有很宽的波段，介于可见光和 微波之间，波长范围在0.751000m之间。人们习惯把红外线分段为近红外线和远红外线两部分，波长在2.5m以上的被称为远红外线2。从50年代开始至今，应用远红外加热技术发展迅速。50年代美国用红外灯、石英灯烘干福特汽车的油漆，60年代苏联大力展开了红外加热的研究和应用。70年代日本展开了红外加热技术的研究，并提出了远红外“匹配吸收加热的干燥理论”2。在我国，60年代也进行了红外烤灯和碳化硅陶瓷远红外线的研究和应用工作。80年代初进行了直热式远红外电阻带加热器的应用研究工作。80年代末90年代初，一些单位进行石英管加热的红外研究和应用，并称之为“高红外”加热技术。90年代中，引进了美国远红外定向强辐射加热技术，其辐射率更高，辐射器表面温度也高。天津大学对此作了专门的应用研究工作。现今，我国汽车行业对汽车油漆烘干的质量越来越重视，油漆质量不仅影响汽车的外观，更重要的是影响到汽车的使用寿命，因此，世界各国对此都在下大力气进行研究，汽车油漆烘干的质量不仅代表一个厂家的汽车质量，同时也代表着一个国家的技术水平，因此对油漆烘干的红外加热元件的要求，也越来越严，越来越高2。1.3 机理近年来，许多专家对远红外在汽车油漆烘干过程中的烘干机理作了大量的专题研究，其机理大致归纳为两个阶段：1. 扩散阶段：即辐射透入涂层，使漆膜溶剂蒸发；2. 动力阶段：辐射作用于化学键。发生化学反应，使漆膜固化，其固化速度制约干燥周期，根据化学反应速度的化学动力学规律，漆膜温度升高10，可提高固化速度13倍，反之如采用中、低温辐射加热器，达不到快速固化温度，低温辐射将是无效的，干燥周期必然增加，因此，随着远红外辐射加热研究的进展，远红外辐射加热装置也不断地得到了改进和提高，辐射器本身热源的温度从初始的400左右，发展到近年的1300左右，辐射装置的表面温度则从200左右到现今的1000左右。而辐射能是随着“T”的4次方递增的，因此辐射装置的表面温度愈高，其辐射能量也愈强3。一般地，同一物体对不同波长的光的吸收能力是不同的，当辐射源辐射的波长所对应的被加热物体吸收比较大时，被加热物体就能吸收较多的能量，从而改变和加强其内部分子的热运动，达到升温加热的作用。这种升温加热，由光谱学上分析可知，物质的分子在吸收光子后，可使光子的能量完全转变成为分子的振动、转动的能量；而当物质分子吸收了红外辐射能后，也可是分子的振动、转动的能量发生改变。也由于电子的运动和分子的振动是处在极高的速度下，这种运动不断地使晶格、键团的振动在其相互可能产生碰撞。这种运动状况的变化，犹如两个快速运转的物体加快了摩擦生热而达到发热升温。所以，其升温的速度可比通常干燥快很多倍；同时，红外辐射加热的物品在红外辐射所能穿透到部位，其温度往往比表面来的高，如由受远红外辐照后的玉米粒测得内部的温度要比表面高510C。因此，在脱水干燥中受红外辐射的物品，均处于内高外低的温度梯度和湿度梯度同时作用下，不断地将内部的水分转移出来，并扩散蒸发达到了快速干燥的目的3。总之，这项技术与其他加热方法相比，能有效缩短工件热处理和加热到所需温度的升温时间；减少工件单位面积的能量消耗；控制辐射能的空间分布；能直接加热工件，避免能量因加热周围物体而造成的消耗。因此，它具有节约能源，提高生产效率和便于实现生产工艺自动化等优点。近年来，国内外已广泛将这种技术应用于机械、化工、轻工、电子、纺织、粮食、食品等部门的各种物料加热、干燥和硬化处理过程，均获得显著的效果。1.4 设计思路本设计通过对测试屏上的点每隔一定步长分别计算其获得的直照度与反照度，并计算出测试屏上各点的总照度的最大值与最小值，将最大值与最小值之差作为评价辐射场均匀度的指标。通过调整辐射管中心线的位置以及相临两个反射罩的距离，使均匀度的评价指标值最小，这时，辐射管与反射罩的位置参数即为最优参数。其中，每一计算点的直照度用推导出的直照度积分函数通过Romberg积分求得，反照度则用离散化思想，将反射罩抛物柱面离散化，根据光线可逆原理，对测试屏上每一计算点逆向反求辐射管上的辐射点，然后采用与直照度相似的方法求得辐照度。本设计还利用Romberg积分函数对光谱辐射力和相对应的吸收比采用分段积分的方法对二甲苯的最佳匹配吸收温度作了理论计算，得到了合理的结果。物理数学模型第2章 辐射场优化2.1 模型假设为了进行理论计算，建立数学模型，作如下假设：1. 热远件为管状元件，且为漫发射体，即其发射的辐射强度与方向无关；2. 反射罩表面为抛物面，且其内表面为镜体，即对红外线的反射比为1且遵守镜面反射规律；3. 只考虑一次反射，不考虑二次反射或多次反射，辐射管可以被红外线穿透；4. 管状元件是一柱面辐射源，不能视为点辐射源，由于反射罩的存在，亦不能视为线辐射源；5. 计算热量时，只考虑辐射能量，不考虑对流等因素的影响。反射罩及热元件，工件之间的相对位置如图2-1和图2-2所示。辐射管中心线为辐射管平行于x轴，测试表面垂直于y轴，反射罩之开口为200mm，深度为100mm,热元件之长为1000mm，半径为R=9mm。 图2-1辐射管与反射罩相对位置示意图图2-2 辐射管位置示意图2.2 辐照度的数学推导照射到测试面上的某点的红外辐射来自两部分：一部分由热元件发出直接照射到点，另一部分由热元件发出经反射罩反射到点。因此，照射到点处的辐照度是由热元件直接照射到点的辐照度,和由热元件发出经反射罩反射后照射到点的辐射照度之和，即取辐射元件表面上微元，可将附近看作微元辐射源，通过角系数关系可计算出由照射到测试面上点附近微元处的辐照度，然后对辐射元件表面上所有微元产生的辐照度累加，即对辐射元件表面积分，从而可得点处的直射辐照度。求点的反照度时采用离散的方法，将反射罩抛物柱面离散化，根据光线可逆原理，对其上每一离散点可得假想的反射线，再结合点的内法线可以求得入射线的方向向量然后判断与辐射管柱面方程是否有交点，以及有几个交点。如果有两个交点，说明假想的反射线是真实存在的，还需判断离散点的位置，若位于平面以上，则取值较大的点为，反之，取值较小的点为，并采用与直照度相似的方法计算出点到附近微元的直照度，根据假设此直照度可作为到达点的反照度；如果与辐射管柱面方程没有交点，说明假想的反射线是不存在的，所以；如果只有一个交点为时，理论推导可知，此时点的轨迹为辐射管圆柱面与平面的交线，能量有限，可以忽略，因此令。遍历一次反射抛物面即可得点的反照度。2.3 直照度的数学推导 图2-3 直照度推导示意图如图2-3所示，取热元件表面上任意一点，在附近取一小微元，取测试面上任意点 ，在附近取一小微元 ，则落到上由发出的辐射能为：其中为热元件的定向辐射强度，由假设热元件表面为漫灰表面，所以仅与热元件表面温度有关，；为热元件在点之外法线与的夹角；为对点所张的立体角其中；为测试面在点之外法线与的夹角。所以，所以面上的直射辐照度为对上式进行积分，即为热元件照射到点处之直射辐照度，因此，有： 式中S为热元件表面上可直接照射到点之区域。已知热元件为辐射管，管径已知为R，反射罩为抛物柱面，开口200mm,深度为100mm，则反射罩抛物面方程:辐射管中心线为半径为R则辐射管表面上任意点所在的反射罩抛物面方程为对应的辐射管中心为记点法线为,与y轴正向夹角为,则所以 测试面上点的外法线向量为,则有 ,距离为 为便于积分设则有 所以关于积分上下限的讨论： 对于单个辐射管来说，根据相对于辐射管的可视程度，即是否可视，以及可视区域为多大，计算直照度时其测试屏可以分为三个性质不同的区域，而且三个区域关于平面对称， 即区域一：区域二：区域三：其中为时的分点，确定方法如图2-4所示图2-4 直照度积分区域划分示意图测试屏上位于一区的点求积分区域时，与辐射管有两条切线，积分区域确定方法为：先求过测试点与辐射管中心的向量与y轴正向的夹角：然后求过测试点与辐射管中心的向量与过辐射管中心与切点的向量所夹的角：测试屏上位于二区的点求积分区域时，与辐射管有一条切线，积分区域确定方法为：如图2-5所示，为与辐射管圆柱的切点，为直线与辐射管的两个交点中可以被看见的那个，为辐射管中心，其坐标已知。点可以通过直线的方程与辐射管圆柱的方程联立，用matlab的求符号解的功能得到点的z坐标，然后点的其他坐标亦可知，然后可以求向量与y轴正向的夹角，即为积分的下限；点的坐标可以根据与圆柱相切，向量与向量垂直求得，从而可求得积分上限。图2-5 二类积分区域积分范围示意图测试屏上位于三区的点求积分区域时，由于完全被遮挡住了，所以不存在积分区域。2.4 反射辐射照度的数学推导图2-6 反照度搜索范围示意图如图2-6所示，反射罩抛物面方程为,抛物面上点任意点的内法线向量为;对于测试面上任意点,假想的反射向量为设与的夹角为,即反射角为,则夹角余弦为如果与的夹角的余弦小于零，说明点在抛物柱面的外表面，此时，假想的反射向量是不可能存在的，因而就不需要再计算反射照度；如果与的夹角的余弦大于零，说明点在抛物柱面的内表面，此时仍需判断假想的反射线是否与反射罩相交。如果不相交，则假想的反射向量是可能存在的，如果相交，则这条反射线实际上不存在，判断相交的方法为计算假想的反射线与反射罩开口边界所围成的矩行区域的交点的z坐标，如果z坐标值在范围内，则说明相交，否则相交。此时，仍需进一步判断入射线是否与辐射管相交，判断方法如下：射线方向向量为 设 则入射线直线方程为代入辐射管柱面方程通过matlab7.0求符号表达式解的功能可解出的表达式，的表达式含两项，通过判断其根式下面表达式的正负可以判断是否与辐射管相交，以及有几个交点，若根式下面表达式大于零，则有两个交点；若根式下面表达式小于零，则没有交点；若根式下面表达式等于零，则有一个交点。求出后，根据点在直线上，即可以得点的坐标，从而可以算出反照度。点到点微元面积所张的立体角为遍历一次反射罩抛物柱面即可得点的反照度。反射抛物面的离散方法为：首先，用垂直与y轴的平面每隔一定步长截反射抛物柱面，交线为两条平行线段，将y值代入，可得z值，然后对两条平行线段上的点在x方向离散，每隔一定步长取一个计算点，从而实现对抛物柱面的离散化。 2.5 总辐射照度的计算通过上面的分析与数学推导，得到了直照度与反照度的计算方法 ，可通过C+分别编写直照度积分函数和反照度函数来实现。对于测试屏上任一点，调用一次直照度积分函数，一次求反照度函数并相加即可得点的总照度。2.6 辐射场的优化设计及结果分析2.6.1 辐射场的优化设计算法如图2-7所示,在反射罩尺寸和热元件尺寸以及烘干物体与加热器之间的距离一定时,通过调整辐射热元件的轴线位置及两反射罩之间的间距.使得受热面上的辐射照度尽量均匀,即为优化设计的最终目的。通过调整间距和,对每一对，求出测试屏上总辐照度的最大值与最小值之差,当某一对，所对应测试屏上总辐照度的最大值与最小值之差为最小时,则此对，即为最优参数，此时测试屏上总辐照分布最均匀。图2-7 相临两辐射罩相对位置示意图2.6.2 辐射场的优化结果分析图2-8为单支辐射管在测试屏上x=0处z方向的反照度曲线，从曲线可以看出，反射照度最大值不出现在对称点z=0处，而是在其两侧各有一个最大值，外侧又有两个对称的极大值，在的区域反照度度为零。反照度为零的原因是由于反射罩的遮挡，这个区域的测试点发出的假想的反射线对应的反射点或者在反射罩的外侧，或者虽然反射点在反射罩的内侧，但是反射线却与反射罩有两个交点，即被遮挡了。反射照度最大值不出现在对称点处的原因是因为辐射管的管径较大，不能视为线光源，因而必然对光线有遮挡作用。对称点两侧出现最大值的区域相对狭小，再加上这个区域的直照度也较大，从而有可能出现局部区域获得热量过多，引起个别地方发生烧焦现象，这种情况在汽车涂漆烘烤中是应当尽量减少其影响的。图2-8 测试屏上x=0时的z坐标对应的反射照度图2-9为单支辐射管在测试屏上x=0处z方向的直照度曲线，从图上可以明显的看出直照度在z轴上的分布有明显的三个区域：一区为，二区为，三区为。在第一区内每一个测试点都可以作两个与辐射管圆住面相切的平面，辐射照度从中心向两侧平滑减小；在一区与二区交界处，辐射照度发生了突变，数值急剧减小，原因是因为二区内的点的可见区域突然变小了，过每一个测试点只能作一个与辐射管圆住面相切的平面，另一个切平面被反射罩遮挡住了，从图上还可以看出，二区内直照度经历了一个先增后减的过程，在出现了极大值，原因在于可视区域先增后减；三区照度为零，说明辐射管完全被反射罩遮挡住了。图2-9测试屏上x=0时的z坐标对应的直射照度图2-10和图2-11为z=0时,x方向的直照度与反照度曲线，从图上可以看出，直照度与反照度在这个方向上的分布趋势大致是相同的，都是中心高两端低，并且总体上是平滑过渡的，数值上来看，反照度更大一些，主要是因为辐射管管径与反射罩尺寸相比较小所致，这同时也说明使用反射罩增强辐射照度的方法是可行的。图2-10 测试屏上z=0时的x坐标对应的直射照度图2-11 测试屏上z=0时的x坐标对应的反射照度图2-12和图2-13为单支辐射管分别在x=0和z=0两条线上的总照度曲线，从图上可以看出，在线上的总照度分布较为均匀，并且其趋势与反照度以及直照度单独考虑时的趋势是相似的；而在线上，由于叠加作用，总照度也有三个明显的区域，并且最大值仍然出现在中心两侧，且其区域近似条形，较为狭窄，容易出现局部过热，导致局部烧焦，尤其当辐射管的表面温度很高时，这种突变更为明显，危害也更大，对于这种现象，应当尽量通过优化设计减小这种突变，如果优化的最好结果仍然存在这种现象，应当寻找其他方法来予以解决，例如增加通风装置，采用对流换热的方法使温度场分布更为均匀。图2-12测试屏上x=0时的z坐标对应的总照度图2-13测试屏上x=0时的z坐标对应的总照度图2-14为单支辐射管在正方形区域内的总副照度的三维立体图，从这幅立体图中上述平面图所不能清楚表达的部分可以得到更好的反映，从图中可以清楚的看出，在选定的测试屏区域内辐射照度的分布情况，在测试屏上平行于辐射管方向上，对于具有相同z坐标的测试点，其辐射照度分布较为均匀，而在测试屏上垂直于辐射管方向上，具有相同x坐标的测试点，其辐射照度经历了较大的波动，主要原因为在这个方向上，与辐射管正对位置处反照度受辐射管遮挡的影响较为明显，而较远处反照度以及直照度均受反射罩遮挡影响明显。图2-14 单支辐射管在正方形区域内的总副照度的三维立体图图2-15 单支辐射管在正方形区域内的x方向总照度图图2-16 单支辐射管在正方形区域内的z方向总照度图图2-17为辐射管中心线坐标为 ，相临两个辐射管间距为360mm时测试屏上点的辐射照度曲线，此结果为通过优化计算所得的最优值。在做此优化计算时，考虑到测试屏上同一点的辐射照度来自多个辐射管及相应的反射罩，并且实际应用中往往也是多个辐射管一起使用，为了使各个辐射管对测试屏上同一点的影响都能够得到较好的反映，因此选择了如下处理办法：在同一坐标系上， 处放置一个辐射管，然后其上下两侧各放置了四个同样的辐射管，并且辐射管中心线的y坐标相等，间距相等，并且缩小测试屏的取样范围，仅将其限制在之间，此时，所设置的各个辐射管对响都得到了反映，而更远的辐射管通过计算可知对在这个范围内的测试点的照度的影响较小，可以不予考虑。在这样的条件下，通过同时改变辐射管的y坐标以及相临辐射管的间距，对每一对参数，遍历一次测试屏上选定的长方行区域上的点，可以得到照度的最大值与最小值，将最大值与最小值之差作为衡量辐射场均匀度的指标，每一对参数均可得到这样一个指标，其中最小的那一个所对应的参数即为最优参数，此时测试屏上辐照度最为均匀。 图2-17为测试屏上处的辐照度曲线，图上可以看出，经过优化处理，在充分考虑多个辐射管的共同影响下，辐照度在垂直于辐射管方向的分布已经较为均匀，达到了辐射场优化的目标。图2-17测试屏上处的辐照度曲线图2-18测试屏上处的辐照度曲线图2-20为在九个辐射管共同影响下在区域和正方形内的总副照度的三维立体图，至于看起来变化较大，则是由于选取显示区域较小，为了使显示的照度分布能够得到较为清楚的显示。底平面上的图形为辐照度等值线图，不同的颜色代表了不同的辐射照度，从等值线图上也可以分析辐射照度的变化情况。一般来说，等值线变化较大的地方辐射照度往往发生了突变，也即在这些地方不均匀度较为明显，是实际操作时应当重点给予关注的地方，在单独考虑辐射换热不能予以解决时，考虑添加对流通风装置，使用人为干扰因素，获得较为理想的温度场。图2-20分别向平行于辐射管方向和垂直于辐射管方向投影即为图2-17和于2-18。图2-22和图2-23为辐射管中心线坐标为 ，相临两个辐射管间距为240mm时测试屏上点的辐射照度三维图，从图上可以看出，其不均匀性较为明显，两侧的峰值范围内与中间区域的辐射照度差别较大，烘烤的质量受到影响，但是其辐射照度的值较辐射管中心线坐标为 ，相临两个辐射管间距为360mm时测试屏上点的辐射照度大，因此能量的利用率较高，这也是在作此优化过程中遇到的矛盾之一，此问题的解决有待于综合考虑两方面的影响，使经济性与保证质量的要求都得到合理的实现。图2-19 九个辐射管共同作用时在正方形区域内的x方向总辐照度图图2-20 九个辐射管共同作用时在正方形区域内的总副照度的三维立体图图2-21 九个辐射管共同作用时在正方形区域内的z方向总辐照度图图2-22 九个辐射管共同作用时在正方形区域内的z方向总辐照度图图2-23 九个辐射管共同作用时在正方形区域内的z方向总辐照度图第3章 匹配度优化3.1 匹配度的图表处理3.1.1 最佳匹配吸收原理最佳匹配吸收也叫“最佳光谱匹配原则”，这原则主要包括：1. 辐射元件的辐射光谱与被加热物的吸收光谱实现最佳匹配；2. 辐射元件的辐射光谱与不需加热吸收的吸收光谱实现最劣匹配；3. 不易被被加热物吸收的辐射，被特殊材料吸收后辐射的二次辐射的光谱与被加热物体的吸收光谱匹配。总之，被加热物应吸收到尽量多的辐射热量。被吸收的辐射能迅速转化为热能，对于大多数高分子化合物而言，远红外匹配吸收技术是一项高效率的传热方法，通常匹配吸收效率应大于90%95%，可表达为：=式中、为工作匹配吸收范围，均为元件辐射系数，例如=2.5m，=15m，元件T=450C，=，则=98%。如用钨灯加热，=24%。用电阻丝加热，=69%。在50650低温区，远红外辐射效率最高。由于辐射的单色光谱与吸收的单色光谱不可能做到绝对匹配，通常对于正匹配，在实际应用时，能符合下列两个条件时即认为最佳匹配。1. 在最佳辐射温度下，辐射能量的80%正好覆盖在受热物的主吸收带和次吸收带组成的吸收区间上；2. 远红外涂料对准受热物主吸收带范围的区间辐射率不低于0.9。3.1.2 相对匹配度的求解顺序和方法1. 查受热物的吸收光谱字2.515m实效区间确定其吸收区间的波长范围。2. 查表2-5（远红外辐射加热技术），选定黑体辐射能量的80%（8%88%）正好覆盖在受热物吸收区间的辐射温度，即为最佳温度。列出涂料单色辐射率值；3. 优选最佳温度辐射下最受热物吸收区间有最大辐射率值涂料，列出涂料单色辐射率值；4. 从表2-8（同（2）中查出最佳温度下的黑体单色微米辐射能量，按最大峰值为1时的最佳温度所得的各波长能量的相对比值，并绘出其光谱图与的光谱图；5. 综合受热物吸收光谱与涂料的辐射光谱的覆盖面积分别不同情况参照表2-16（同（2）选取相对匹配度值，后求出其相对的最佳辐射温度。3.2 匹配度的优化设计图3-1 二甲苯吸收比曲线图3-1二甲苯的吸收曲线是通过取其实际曲线上的折点参数在matlab中所画的近似图，由折点参数可以确定相临两个折点间折线方程，从而可知相临两个折点间任意点的参数。从被加热物的吸收比曲线来看，二甲苯有三个主要的吸收峰，根据匹配吸收理论，红外辐射管的辐射光谱正好与被加热物体的吸收光谱实现最佳匹配，即红外辐射器的辐射光谱正好与二甲苯在干燥固化过程中的吸收峰相对应，使入射辐射进入受热体后即引起强烈共振，有效地提高了辐射能量的吸收效率。最佳匹配吸收度的算法如下：根据普朗克定律，黑体的光谱辐射力为，其中，分别为第一，第二辐射常量，。由二甲苯的吸收曲线知道，二甲苯只吸收波长2.513.6微米范围内的红外线，在这个波长范围内的任一波长为的红外线到达二甲苯表面时，被吸收的量为此波长所对应的二甲苯的吸收比与光谱辐射力之乘积，对微元长的红外线，二甲苯吸收的能量为然后对之在波长2.513.6微米范围内积分，即可以得到二甲苯吸收的总能量，从而可得匹配度其中为辐射管表面温度所对应的黑体辐射力。通过调整，可以得到一系列，最大时对应的即为最佳匹配温度。其具体实现通过对的分段积分程序实现。最佳匹配度优化程序所得最佳温度为419K，匹配度为0.172。图3-2为将最佳匹配度优化程序所得数据输出后用matlab的plot()函数作出的曲线，从下图可以明显看出，匹配度有一个峰值，温度小于419K时逐渐增大，大于419K时逐渐减小，在419K是匹配度达到了最大值。在实际应用中，由于辐射能量与温度的四次方成正比，因而红外加热技术的关键是强化辐射换热，减少对流换热，所以最佳匹配温度419K时的辐射能量相对较小，加热所需时间较长，因而通常不采用此最佳匹配温度，而是取一个较高的辐射温度。图3-2 二甲苯匹配吸收曲线第4章 烘干炉设计案例分析4.1 烘干对象及特性 4.1.1 烘干对象及生产指标以客车的上下前后五面为主，外形尺寸为mm，铁板厚度为1mm，每件重300kg，每件烘干时间为30min，烘干对象为二甲苯4.1.2 烘烤生产率按工件重量kg按照油漆表面积m2油漆用量（辆）kg溶剂用量（辆）从喷漆到如炉短距离中油漆的自然挥发甚微，入炉后挥发部分占油漆及溶剂总重的，则kg已知溶剂二甲苯等的气体最低爆炸浓度为130个g/m3，油漆的比热为0.45kcal/(kg.oC)。 运动及间距有关参数:传递速度 3.0m/min,工件的间距为0.2m。4.1.3 工艺流程及技术要求自装配线上来-上线，放挡热盖-静电喷漆-远红外烘干-冷却-下线4.2 烘干炉结构设计概述箱式节能远红外烘干炉包括炉体、传动等几个部分组成。4.2.1 炉型设计 远红外烘干炉以辐射为主，忽略对流和导热的作用。对炉内容积和工件通过开合和热电偶做测温元件进行可控硅自动控温。干燥炉的炉墙用轻型炉墙，中间填充硅酸铝用来保温绝热，内外部用铁皮包皮，外表涂刷淡蓝色油漆 。 4.2.2 辐射涂料的选取由于本课题采用强辐射而忽略对流因素，故温度要求较高，而以烘烤油漆为例，经选择优化，需要热惯性小，减少升温时间和防止停车后产生的烘焦问题，最后采取石英管作为辐射管，而涂料不记。4.2.3 反射罩的选取为了获得管状热管的辐射线，采用抛物面型的反射罩。抛物线顶点应取在有利于计算的点上，其焦距在距顶点处。由于辐射器不是单一的点光源，为了获得较多的平行光，应将热管的中心由焦点向内移mm，由于辐射器的温度为419K，宜用表面光洁的铝板，其表面越光洁，反射率越高。由于反射罩要求有较高的反射率，能耐热、耐腐蚀，并且有良好的机械强度及经济性，故采用镀铜的抛光不锈钢制成，有考虑到抛物线反射罩比平面反射罩效率高30%，于是外型采用抛物线型，反射罩开口：200mm深：100mm 厚：40mm4.2.4 辐射加热装置及辐射器的组合与工艺布置辐射加热装置有石英远红外辐射器和不锈钢反射罩组成。如果加热炉工件表面的辐照强度处处相等，则加热质量不难保证，根据辐照度的均匀性主要决定于炉内辐射器的组合方式和工艺。4.2.5 接线的设计由于本课题设计的远红外烘干炉采用可控硅自动控温，故在每3个辐射管连成一组，由一个调温器控制，其调温范围为300-900K，精度为0.1%。4.2.6 接线管选取本课题设计的远红外烘干炉的温度高，在接线时采用陶瓷管制成，并穿过炉墙与锚固定件固定。4.2.7 炉内衬板选择支撑板板厚为10mm,并与锚固定，与螺栓固定。4.3 炉体尺寸设计烘干炉类型为箱式烘炉，一端有门，受热体沿着一定坡度固定在铁板上，关上炉门进行烘干。传动机构采用双摇杆机构，如图4-1所示。根据机械原理曲柄摇杆机构设计原理中，某一个转动副为整转副的充分必要条件是组成该转动副的两个构建中必须有一个一个构件为最短构件，且四个构件的长度满足长之和条件：最短构件与最长构件之和小于或等于其他两个构件长度之和。图4-1 曲柄摇杆机构设计示意图其中，AB为原动件，而且为整转副；其中，AB=80mm,BC=350mm,CD=280mm,AD=320mm,ED杆的摆动范围为15o。EF板的长度为8000mm，厚度为20mm，ED长度为420mm。烘炉类型为箱式烘炉，一端有门，受热车体沿着一定的坡度固定在EF的铁板上，关上炉门进行烘干。4.4 远红外参数4.4.1 温度的确定与辐射管的选择由优化程序得最佳辐射温度为=419K采用石英管作为辐射管，当辐射温度较高时，红外涂料可以不予考虑。4.4.2 被加热物的最佳烘干温度由远红外辐射加热技术表2-17查知二甲苯的最佳加热温度为150170 C，选取=170 C。4.4.3 距离系数与射角系数和匀度系数由于辐射距离为500mm，相临辐射管间距为360mm,由远红外辐射加热技术表2-19，取距离系数=0.78将90受照面分成6等份，则由于强辐射要求有较为均匀的温度场，炉内辐照度近似均匀一致。满度系数一般取经验公式取 介质动态系数一般按经验取的值在0.81之间，取为0.90。4.5 辐射单支功率、支数及其布置的确定根据辐射管在炉膛不同高度上达到200C，查图得出表面负荷为1.80 w/cm2。布置168支辐射管，3支辐射管选为一组，共分56组，辐射器单只功率、型号取为一致，管径均取18mm，管长均为1000mm。其中：d辐射管外径，辐射管有效长度， 选取辐射管的管径d均为18mm,管长均为1000mm，有效长度为1000mm.kw4.6 烘干炉其他设计4.6.1 辐射加热装置及辐射器的组合与工艺布置辐射加热装置有石英远红外辐射器和不锈钢反射罩组成。如果加热炉工件表面的辐照强度处处相等，则加热质量不难保证，根据辐照度的均匀性主要决定于炉内辐射器的组合方式和工艺。4.6.2 热电偶布置与通风控制为了实现温度的均匀性，热电偶作了两种不同的测温。其一是炉膛空间的温度（左右各两支），其二是辐射。对于烘干炉，当可燃气体集中挥发时，必须迅速用风机抽出气体以保证安全，抽出气体进入催化燃烧装置，从催化装置出来的气体在大于炉膛，以减少能量损失。4.6.3 炉体保温与炉温控制远红外线辐射加热虽以辐射加热为主，但对炉的保温隔热也很重要。有些烘炉的温度可以达到5060度以上，这样经炉壳散失的热量将占总功率的以上。为提高加热效率，尽量减少炉体热损失设计应考虑的以下几点：1. 按定向集中的原则设计，尽量避免由炉内壁向外散热；2. 加强炉壁的反射；3. 提高炉墙的热阻，减轻炉墙的自重，采用高温绝热材料保温，主要原因是价格便宜，重量轻；4. 加强炉体的封闭，防止不必要的辐射损失和对流损失；5. 烘干炉的铁板外壳导热快，散热好，因降低烘干炉外表面的温度；6. 尽量减少炉体尺寸和总重，以减少自身蓄热和散热面积。一般烘干炉都是控制炉温以代表工件的温度，而远红外线辐射则应控制辐射器温度，用热电偶测出炉膛各处的温度。用可控硅自动控制温度。第5章 程序设计5.1 优化温度场程序设计5.1.1 算法流程图图5-1 辐射照度优化算法图5.1.2 积分算法分析对于不易直接用积分公式计算的原函数，通常用复合梯形求积公式或复合抛物线求积公式等方法，但这些方法精度不高，收敛的速度缓慢。为了提高收敛速度，减少计算量，人们寻求其他方法。Romberg方法也称为逐次分半加速法。它是在梯形公式、辛卜生公式和柯特斯公式之间的关系的基础上，构造出一种加速计算积分的方法。作为一种外推算法, 它在不增加计算量的前提下提高了误差的精度。在等距基点的情况下，用计算机计算积分值通常都采用把区间逐次分半的方法进行。这样，前一次分割得到的函数值在分半以后仍可被利用,且易于编程 。推导和证明略去,以下是一些对理解Romberg算法很关键的信息，对区间a， b，令构造梯形值序列 。把区间二等分，每个小区间长度为，于是把区间四(22)等分，每个小区间长度为，于是把a，b2k等分，分点每个小区间长度为由归纳法可得下图的第一个公式。图5-2 Romberg积分序列图应用中,算到Rn级别即可(7阶的精度), 精度再高则会与