（机械设计及理论专业论文）红外加热炉操作界面设计及cfd分析.pdf

， ： + ，。 ，： o ，j ，磅 “* ； 谴群 i j j 、 l-量l鼍， am a s t e r st h e s i si nm e c h a n i c a ld e s i g na n d t h e o r y t h e d e s i g no fo p e r a t i o ni n t e r f a c ea n dc f d a n a l y s i so n i r h e a t i n go v e n ，产， t 、l0 “豁 。 ”； b ys u ix u e k u n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs o n gj i n c h u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 7 ： ? ； 、； 杂 魄 卜k 。；沁 j 产，- ， f 4 一一 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其它人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 也 恧。 学位论文作者签名：儒号坤 日期：v 巾譬o ) o 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名： 稿考叶 签字日期： 喈- 、o ) 一卜 两年d 导师签名：辛锌眷 签字日期：、。黩矽、哆 竹 1 j ； 0 东北大学硕士学位论文 摘要 红外加热炉操作界面设计及c f d 分析 摘要 上个世纪三十年代，红外加热技术开始应用于工业，虽然效果不是很理想，但是之 后兴起了一股红外科学狂潮，推动了红# l - 2 j n 热技术的快速发展。红外加热在经历了近红 # l , j j l l 热、远红外加热、高红外加热三个阶段之后，已经趋于成熟，被应用于国民经济各 个领域，而且效率突出，在一些技术性要求比较高的加热领域已经完全取代传统加热方 式。本文在前人的理论基础上，从红# l - j m 热机理和实际生产着手，对红外加热炉进行了 初步的研究。 首先，通过对红# l - 力n 热炉的热平衡分析，利用辐射传热理论确定了计算红外加热炉 输出功率计算公式以及获得相关系数的方法，并利用m a t l a b 确定了带钢速度、带钢 厚度及温度提升对输出功率的影响关系图线。 其次，根据实际设备的操作要求，利用v a s u a lb a s i c6 0 对红外加热炉的操作界面进 行了设计，成功模拟红外加热炉的操作。 最后，使用g m b i t 软件对红外加热炉进行三维建模和网格划分，输入到f l u e n t 中，进行模拟分析，得到红外加热炉工作时的环境温度场以及速度场。据此可以得出红 外加热炉的工作状态是稳定的结论。这为实际生产奠定了理论基础，具有一定的指导意 义。 关键词：红外加热；热平衡分析；操作界面；模拟分析。 - i i - 1、h山臂噩j ， ，r_h、_一l， t h e d e s i g n o fo p e r a t i o ni n t e r f a c ea n dc f d a n a l y s i so n i r h e a t i n go v e n a b s t r a c t s i n c e1 9 3 0 s ，t h ei rh e a t i n gt e c h n o l o g yh a db e e nu s e di ni n d u s t r y t h o u g hi t se f f e c tw a s n o ts a t i s f a c t o r y , a f t e rt h e ni tr o s eas c i e n c em a dt i d ea n di m p u l s e dt h er a p i dd e v o l o p m e n to f i rh e a t i n gt e c h n o l o g y e x p e r i e n c e dn e a ri rh e a t i n g ，f a ri rh e a t i n ga n dh i g hi rh e a t i n g ，i r h e a t i n gt e c h n o l o g yh a sa l r e a d yg o n em a t u r i t y a n db e e nu s e di ne v e r yf i e l do fn a t i o n a l e c o n o m y i rh e a t i n gh a sr e p l a c e dt h et r a d i t i o n a lh e a t i n gi ns o m eh i g h e rr e q u i r m e n tf i e l d sf o r t e c h n i q u eb e c a u s eo fi t sp r o m i n e n te f f i c e n c y t h i sp a p e rs t a r t sw i t ht h em e c h a n i s mo fi r h e a t i n ga n da c t u a lp r o c d u c t i o ne q u i p m e n ta n dd o e sp r e l i m i n a r ys t u d yo ni rh e a t i n go v e n b a s e do nt h et h e o r yo fa n c e s t o r s f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rc o n f i r m st h ec a c u l a t i o nf o r m u l ao fi rh e a t i n go v e ne x p o r tp o w e r t h r o u g hh e a tb a l a n c ea n a l y s i so fi rh e a t i n go v e na n dt h em e t h o d o fg e t t i n gc o r r e l a t i o n c o e f f i e n t a n di td r a w st h er e l a t i o nc u r v et h a ts t r i pv o l o c i t yi n f l u e n c e se x p o r tp o w e r a sw e l l a ss t r i pt h i c k n e s sa n dt e m p e r a t u r ee x a l t a t i o n s e c o n d l y a c c o r d i n gt ot h er e q u i r m e n to fp r a c t i c a lo p e r a t i o n ，t h i sp a p e rd e s i g n so p e r a t i o n i n t e r f a c eo fi rh e a t i n go v e nb yu s i n gv i s u a lb a s i c6 0a n di t c a l ls i m u l a t et h eo p e r a t i o n s u c c e s s f u l l y i l lt h ee n d ，t h i sp a p e rc r e a t st h em o d e lo fi rh e a t i n go v e nb yt h eg a m b i ta n dg e n e r a t e s g r i d t h e nt h em o d e li si m p o r t e di n t ot h ef l u e n t a n dp r o c e s s e ds i m u l a t i o na n a l y s i s a n d t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dv o l o c i t yf i e l do fi rh e a t i n go v e ni so b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t o fa n a l y s i s ，i ta r r i v e sa tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ew o r ks t a t eo fi rh e a t i n go v e ni ss t e a t y t h e s e e s t a b l i s ht h et h e o r yf o u d a t i o nf o rp r a c t i c a lp r o d u c t i o na n dh a v ec e r t a i ni n s t r u c t i o n a lm e a n i n g k e y w o r d s ：i r h e a t i n g ；h e a tb a l a n c ea n a l y s i s ；o p e r a t i o ni n t e r f a c e ；s i m u l a t i o na n a l y s i s i i i - p-1a、l _啊?i4， 一 矿，0甲， 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的提出1 1 2 课题研究背景与发展现状。1 1 2 1 传热学发展1 1 2 2 数值传热学3 1 2 3 红外加热技术的背景及研究现状3 1 2 4 红；i - ) 3 n 热干燥机理5 1 2 5 高红外加热技术性能及特点6 1 3 本文的主要研究内容6 第2 章红外加热技术基础及理论9 2 1 物体的加热方式及一般规律。9 2 2 红外线的吸收原理1 1 2 3 热辐射的基本定律1 4 2 3 1 普郎克( p l a n k ) 定律。1 4 2 3 2 斯蒂芬一波尔茨曼( s t c f a n b o l t z m a n n ) 定律1 5 2 3 3 克希霍夫( k i r c h h o f f ) 定律1 5 第3 章红9 1 j j n 热炉热平衡分析1 9 3 1 红外加热炉输出功率分析2 0 3 2 红外加热炉相关系数的确定2 1 3 2 1 钢板吸收系数及涂层吸收系数的确定2 1 3 2 2 综合效率e 的确定2 2 3 2 - 3 红外加热炉投入加热段数刀的确定2 2 3 3 影响红外加热炉输出功率的因素的分析2 3 一l v - 东北大学硕士学位论文目录 第4 章红外加热炉操作界面的设计2 7 4 1 操作界面设计软件v i s u a lb a s i c6 0 2 7 4 1 1v b 的功能特点2 7 4 1 2v b 数据访问技术2 8 4 2 红外加热炉操作界面设计3 0 4 2 1 系统启动屏3 0 4 2 2 设备启动界面。3 2 4 2 3 产品顺序设置界面。3 3 4 2 4 系统运行状态界面3 3 4 2 5 产品控制菜单界面3 4 4 2 6 系统参数设置界面3 5 4 2 7 用户管理界面3 5 第5 章红外加热炉c f d 模拟分析3 7 5 1 红外加热炉几何模型的建立3 7 5 2 模型网格的划分3 8 5 3 边界条件的确定及参数计算。3 9 5 3 1 边界条件的确定。3 9 5 3 2 参数计算3 9 5 4f l u e n t 边界条件的设置4 0 5 5f l u e n t 后处理。4 0 第6 章结论与展望4 7 参考文献4 9 致谢5 1 一v 一 帆i屯ij ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的提出 在钢铁生产过程中，要最终得到能用于各种场合的钢产品，必须要对钢坯进行各种 各样的加工及工艺处理。在工艺处理中，有一项就是对钢产品进行漆的涂敷及涂层固化， 由于不同的工作环境，需要给新生产出的钢产品进行一定的涂层处理，以使产品能够有 较长的使用寿命和满足工作要求。而其中涂层固化是很重要的一环，由于固化所使用的 的手段不同，涂层固化的效果也会有很大差别，如果效果不好会严重影响钢产品的正常 使用，更甚会导致工艺失败，造成经济损失。 自上世纪3 0 年代【1 l ，红外线加热开始用于加热和干燥，此后红外加热逐渐被重视， 并得到迅速发展，其在很多领域得到应用，其中在加热工艺中的应用也越来越广泛，越 来越成熟。当红外加热元件取代传统的燃烧加热，被用于加热炉，红外加热炉这一产品 便开始出现，并很快被人们用于各种领域。由最开始的近红外加热炉，到后来的远红加 热炉，直到现在的高红外加热炉，这一技术已经成为很多加热干燥领域中最有效的手段， 其中就包括漆涂层的固化。高红外加热炉用于涂层固化，最突出的一点就是能是涂层的 均匀受热并能快速升温，提高固化速度和质量，除此之外，它还具有很多优点，如热化 效率高、系统相应速度快、系统无效投入低、设备占地小等。 本文将对红外加热炉进行热平衡分析，确定涂层、带钢厚度及速度在发生变化后， 红外加热炉仍能稳定有效的工作；基于使用背景，对红外加热炉操作界面进行设计，并 对红外加热炉内温度场及速度场模拟分析，确保红外加热炉能在稳定状态下工作。 1 2 课题研究背景与发展现状 1 2 1 传热学发展 1 8 世纪3 0 年代首先从英国开始的工业革命促进了生产力的空前发展。生产力的发 展为自然科学的发展、成长开辟了广阔的道路。传热学就是在这种大背景下发展成长起 来的。在批判“热素说 确认热是一种运动的过程中，科学史上的两个著名实验【3 】起着 关键作用。其一是1 7 9 8 年伦福特( b t r u m f o r d ) 钻炮筒大量发热的实验；其二是1 7 9 9 年戴维( h d a v y ) ，拿两块冰块摩擦生热化为水的实验。确认热来源于物体本身内部的 运动，开辟了探求导热规律的途径。1 9 世纪初1 3 8 1 ，兰贝特( j h l a m b e r t ) 、毕渥( j b b i o t ) 和傅里叶( j b j f o u r i e r ) 都是从固体一维导热的实验入手开展了研究。1 8 0 4 年 - 1 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 毕渥根据实验提出了一个公式，认为每单位时间通过每单位面积的导热热量正比例于两 侧表面温差，反比例于壁厚，比例系数是材料的物理性质。这个公式提高了对导热规律 的认识，只是粗糙了一点。傅里叶在进行试验研究的同时，十分重视数学工具的运用。 1 8 0 7 年，他提出了求解微分方程的分离变量法和可以将解表示成任意函数的概念，得到 学术界的重视。经过努力，傅罩叶于1 8 2 2 年发表了他的著名论著“热的解析理论”，成 功地完成了创建导热理论的任务。他提出的导热定律正确概括了导热实验的结果，现称 为傅里叶定律，奠定了导热理论的基础。傅里叶被公认为导热理论的奠基人。在傅里叶 之后，导热理论求解的领域不断扩大，许多学者做出了贡献。 流体流动的理论是对流换热理论的前提。1 8 2 3 年纳维( m n a v i e r ) 提出的流动方 程1 3 】可适用于不可压缩流体。此方程在1 8 4 5 年经斯托克斯( ggs t o k e s ) 改进为纳维 斯托克斯方程，完成了建立流体流动基本方程的任务。然而，由于方程式的复杂性，只 有少数简单流动能进行求解，发展遇到了困难。这种局面一直等到1 8 8 0 年雷诺( 0 r e y n o l d s ) 提出了一个对流动有决定性影响的无纲量物理量群之后才有改观。这个物理 量群后被称为雷诺数。在微分方程的理论求解上，两个方面的进展发挥了重要作用。其 一是普朗特( lp r a n d t l ) 于1 9 0 4 年提出的边界层概念。他认为，低粘性流体只有在横 向速度梯度很大的区域才有必要考虑粘性的影响，这个范围主要处在与流体接触的壁面 附件，而其外的主流则可以当作无粘性流体处理。这是一个经过深思熟虑、切合实际的 论断。在边界层概念的指导下，微分方程得到了合理的简化，有力地推动了理论求解的 发展。1 9 2 1 年波尔豪森( e p o h l h a u s e n ) 在流动边界层概念的启发下又引出了热边界层 的概念。1 9 3 0 年他与施密特( e s c h m i d t ) 及贝克曼( w b e c k m a n n ) 合作，成功地求 解了竖壁附近空气的自然对流换热。数学家与传热学家合作，发挥各自的长处，成为科 学史上成功合作的范例。其二是湍流计算模型的发展。1 9 2 5 年的普朗特比拟，1 9 3 9 年 的卡门( t h v o n k a r m a n ) 比拟以及1 9 4 9 年马丁纳利( r c m a r t i n e l l i ) 的引申记录着 早期发展的轨迹。由于湍流问题在应用上的重要性，湍流计算模型的研究随着对湍流机 理认识的不断深化而蓬勃发展，逐渐发展成为传热学研究中的一个令人瞩目的热点。它 也有力地推动着理论求解向纵深发展。还应该提到，在对流换热理论的近代发展史中， 麦克亚当( w h m c a s a m s ) 、贝尔特( lm i lb o e l t e r ) 和埃克特( e r ge c k e r t ) 先 后做出重要贡献。 在热辐射的早期研究中，认识黑体辐射的重要意义并用人工黑体进行实验研究对于 建立热辐射的理论具有重要作用。1 9 世纪末，斯忒藩( j s t e f a n ) 根据实验确立了黑体 辐射力正比于它的绝对温度的四次方的规律，后来在理论上被波尔兹曼所证实。这个规 - 2 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 律被称为斯忒藩波尔兹曼定律【1 1 。普朗特经过艰苦努力，于1 9 0 0 年提出了与经典物理 学的连续性概念根本不同的新假说，这就是量子假说。量子假说认为，物体在发射辐射 和吸收辐射时，能量不是连续地变化的，而是跳跃地变化的，即能量是一份一份地发射 和一份一份地吸收的，每一份能量都有一定的数值，这些能量单元称为“量子”。普朗 特公式因为缺乏理论依据而在当时不为人们接受。只有在1 9 0 5 年爱因斯坦( a e i n s t e i n ) 的光量子研究得到公认后，普朗克公式才被人们接受。按照量子理论确立的普朗克定律 正确地揭示了黑体辐射能量光谱分布的规律，奠定了热辐射理论的基础。 除了以上按基本热量传递方式的发展以外，测量新技术、计算机、激光技术等新技 术引入实验研究，对传热学的发展也发挥了重要作用。需要特别提出的是，由于计算机 的迅速发展，用数值方法对传热问题的分析研究取得了重大进展，在2 0 世纪7 0 年代已 经形成一个新兴分支一一数值传热学。近年来，数值传热学得到了蓬勃地发展，显示了 它的巨大活力。 1 2 2 数值传热学 对于描写流动与换热的偏微分方程，数学界已经发展出了不少获得其精确解( e x a c t s o l u t i o n ；又称分析解，a n a l y t i c a ls o l u t i o n ) 的数学方法。这些精确解是在整个求解区域 内连续变化的函数。但是直到目前，这些分析解还只能对少量的简单的情形得出。数值 传热学【捌( n u m e r i c a lh e a tt r a n s f e r ，n h t ) 是指对描写流动与传热问题的控制方程采用 数值方法通过计算机予以求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。数值传热学 求解的基本思想是：把原来在空间与时间坐标系中连续的物理量的场( 如速度场，温度 场，浓度场等) ，用一系列有限个离散点( 称为节点，n o d e ) 上的值的集合来代替，通 过一定的原则建立起这些离散点上变量之间关系的代数方程( 称为离散方程， d i s c r e t i z a t i o ne q u a t i o n ) ，求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值。 1 2 3 红外加热技术的背景及研究现状 红外线是英国著名天文学家威廉海谢尔( h e r s c h e l ) 在1 8 0 0 年发现的【。他利用 棱镜研究太阳光谱时，发现太阳光的成分中还有一种不可见的辐射存在，根据它在光谱 中的位置称之为红外线。早期对红外线的研究一直依附于其他学科，直到上世纪五十年 代，在光学、半导体物理学、电子学、精密仪器、低温技术等现代科学技术迅速发展的 基础上，性能优良的红外探测器、红外光学材料、红外光学系统得以实现，红外科学技 术才逐步形成为门独立的学科，并开始进入全面推广应用的阶段。尤其是上世纪六十 年代以来，激光器的出现和空间技术的进展，为红外科学技术的进一步发展开辟了更加 - 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 广阔的前景。 近几十年来，红外科学技术有了巨大的发展，应用范围已扩展到国民经济各个领域。 红外技术在军事应用上有着明显的有点：昼夜可用，保密性强、能发现伪装目标，分辨 率高，抗干扰本领强并能提供动态情报。其在军事上的应用计有：夜视成像、照相、制 导、搜索和跟踪、通讯等。六十年代发展起来的遥感、遥测也首先用于军事上，其重要 性不亚于空间技术。红外技术在工农业生产上可应用于非接触测温、探火、物质结构分 析、污染监测、无损探伤、气象观测、资源勘探、农情监测，以及医疗卫生等方面。 加热工艺是工农业生产各个部门不可缺少的重要环节之一，因此能源消耗量颇大。 有人估计，紧加热干燥物料一项，消耗的能量就占工业化国家燃料耗用量的1 0 1 5 。 因此采用新技术，建造加热效率高、能源耗费少的加热设备，对现代化的早日实现具有 十分重要的意义。 1 9 3 5 年美国的福特汽车公司的格罗维尼( g r o v e n y ) 1 7 - 1 4 l 首先取得将红外线用于加 热和干燥的专利权【1 1 ，使用红外灯泡对汽车的油漆涂层进行表面干燥。该灯泡的最大辐 射波长在1 微米左右。晚期出现的氧化镁管和碳化硅板辐射器，其最大辐射波长也在6 微米以下，这些短波长红外线用于加热取得一定效果。由于红外基础理论和加热机理研 究的深入，人们发现许多物质，尤其是有机高分子物质能更好的吸收长波长的红外线( 远 红外线) 。经过努力，终于研制出来不少远红外辐射源，其最大波长可达数十微米至上 百微米，使红外加热技术向前大大跨进一步。 日本从1 9 6 4 年开始研制远红外辐射元件1 1 l ，1 9 6 8 年宣布成功，1 9 7 1 年1 0 月在涂装 技术杂志上公开发表了有关论文，引起各方面的重视。从此红外加热技术进入了远红外 的新领域。目前日本的远红外加热技术，在世界上居于领先地位，他生产的辐射元件种 类很多，质量较好，产品不仅供应本国还向西欧和美国输出。辐射器按外形分，主要有 灯式、管式和板式三类，制造元件的常用材料和工艺为：金属集体加涂金属氧化物的、 镍铬电阻丝石英元件的和镍铬丝埋入式的陶瓷元件。适用性最强的是有金属氧化物陶瓷 质涂层的管式辐射器，其辐射率高达0 9 8 ，有很多的机械强度、冷热循环性、稳定性和 很长的使用寿命，工作温度从4 0 1 1 5 0 ，元件的有效辐射波长达5 0 1 0 0 微米。除 了电热元件外，还研制了用煤气、蒸汽等其他能源加热的远红外辐射器。 红外加热技术，在我国是从1 9 5 8 年大跃进年代应用和发展起来的【1 1 ，当时使用红外 灯泡。1 9 6 6 年开始推广使用氧化镁管和碳化硅板辐射源。1 9 7 4 年引进红外加热技术后， 各有关单位进行了大量的研制、试验和推广工作，取得了显著的成效。1 9 7 8 年7 月第一 次全国远红外加热技术应用交流会后，国家有关部门还组织了产品的定点、标准化、系 一4 _ 骱”i罐 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 列化生产。这对我国在远红外加热技术上追赶世界先进水平起了很大的促进作用。 红外加热，本属辐射传热，其特别之处升高迅速，断电热消失惯性少，如何实现这 一基本特点，科学工作者始终在思虑这一世界级的难题，即快速加热技术。随着反射罩 污染，匹配吸收实践应用，对流场温度均匀性的研究，辐射传热的强化一系列理论技术 问题的突破，我国国家红外中心1 9 9 3 年率先提出了红外加热1 9 l 陕速加热，瞬间加热， 爆炸加热的新思路，人们称之为高红外加热思路。其在技术上有三项重大突破，选择全 面“匹配”吸收的元件，克服对流场对温度均匀性的影响，实现物料分级的加热干燥与 脱水，红外加热实现了新一轮名符其实的节能技术。 高红外【1 l l 是共用名词，即高能量、高密度、高发射率、全波段强力辐射加热的简称 或俗称，传统远红外及其他加热方式需要2 0m i n ，固化高红外仅3 0 s ，传统工艺生产烘 干速度最高1 5m m i n ，高红外达到1 0 0m m i n ，具有明显的经济效益和巨大的社会效益， 成为红外加热发展的重要里程碑。 1 2 4 红9 1 , j n 热干燥机理 无论采用何种方式加热物体，除少数被加热物仅表现为温度的升高，大多数在加热 过程中伴有水分或有机溶剂的脱出，这种加热就是通常所说的干燥。下面以加热脱水干 燥为例说明之。常把物料中水分的移动称为扩散，称物料内部水分移动现象为内扩散， 物料表面水分向外界扩散的现象称称为外扩散【1 】。 内扩散可分为水分热扩散和湿扩散。由于物料中水分梯度而引起的水分子移动，也 就是物料中水分子会向水分含量减少的方向移动，这种扩散现象称为湿扩散。由于物料 内部存在的温度梯度而引起的水分移动，即水分子由温度高的地方向温度低的地方移 动，这种现象叫热扩散。 如果物料中的温度梯度与水分梯度方向一致时，则物料中热扩散与湿扩散的方向一 致，这将加速物料的干燥而不会影响干燥质量与效果。如果温度梯度与水分梯度方向相 反，当热扩散比湿扩散强烈时，物料内部的水分不但不能扩到物料表面上去，反而把水 分往内部赶，因此水分不能蒸发。 实验表明，内扩散速度与被加热干燥物料厚度的平方成反比，所以加速内扩散最好 是双面或多面加热。在对流干燥中，提高流体的温度可加快换热速度，若物料表面温度 过高，则由表及里的温度梯度过大，是不利于水分内扩散的。因而为加快内扩散常采用 间歇加热，这样物料表面由于水分蒸发带走人两会早场表面温度低于内部温度，因而物 料内部的水分的湿扩散与热扩散方向一致，加快了水分的内扩散速度。 物料中液体状态的水，由于被加热而呈分子态的水蒸汽游离到物料的表面，还须穿 - 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 过吸附在物料表面浮游状的气膜层，才能脱离物料。因此，影响水分外扩散的最大阻力， 就是这层气膜层。实验证明，外扩散的速度与这层气膜厚度的平方成反比，因此如能设 法将气膜层吹跑，就可减少水汽外扩散的阻力，进而提高外扩散的速度。 1 2 5 高红外加热技术性能及特点 传统的加热工艺，都是在额定的温度下持续1 5 - 3 0 r a i n ，加热炉的长度大部分比较 长，而且存在着效率低，能耗高，维修和管理不方便等问题。应用高红外加热技术【3 5 3 6 1 ， 仅用5 0 一7 0 的撞击功率( 热风或远红外加热) ，固化时间可缩短至3 0 s ，加热炉的长 度仅为传统的1 5 1 1 0 ，大幅度的节约资源及能源，重新改写了传统的加热固化工艺， 堪称涂装固化的一次革命。 高红外加热属全模式能量传递技术，可以是物质分子的各种吸收机制同时吸收能量 快速升温【埘。高强度红外辐射中短波成份粒子能量足以穿透几十微米厚的涂层，使涂层 内外金属基体表层同时受热升温。升温速度越快，熔融流平粘度就越低，涂膜滑度就越 好，在分子相互交连前，就完成流平挥发过程，避免了表面分子交连，内部还在向外渗 透，导致出现气泡和针孔缺陷。 高红外固化有以下特点【1 3 l ： ( 1 ) 高强度红外提供1 5 w 2 5 w c m 2 的发射功率及良好的热源； ( 2 ) 低成本，只需1 3 的其他加热方式的成本，节约电耗； ( 3 ) 热量直接传递，不需任何加热介质： ( 4 ) 直接辐射，高强度短波辐射透入涂料而整体加热，保证快速加热而不产生气 孔、针孔； ( 5 ) 5 1 0 倍的减少占地面积； ( 6 ) 高速升温，由于高红外加热元件的质量小，甚至3 s 内即可升倒额定输出，断 电后又可以相同速度冷却； ( 7 ) 控制精确。 ( 8 ) 减少维修，寿命更长，可达8 0 0 0 小时，易于更换； ( 9 ) 可实行辐射、对流复合加热。 1 3 本文的主要研究内容 针对红外加热炉的实际工作要求，主要研究内容集中如下几个方面： ( 1 ) 根据红外加热炉实际工作流程，利用能量守恒以及辐射传热原理，对红外加 热炉进行热平衡分析，确定涂层、带钢厚度及速度等参量与红外加热炉输出 一6 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 功率的关系，进而根据输入电压与输出功率的经验公式确定输入电压，保证 在任何一种产品加热过程中，红外加热炉都可以稳定、准确、有效的工作； ( 2 ) 依据实际设备操作要求，运用v a s u a lb a s i c 6 0 对红外加热炉操作界面进行设 计，模拟红外加热炉的操作； ( 3 ) 运用g m b i t 和f l u e n t 软件，对红外加热炉进行三维建模，并进行c f d 模 拟分析，确定红外加热炉可以稳定工作。 一7 一 ?ai 东北大学硕士学位论文第2 章红外加热技术基础及理论 第2 章红外加热技术基础及理论 2 1 物体的加热方式及一般规律 热是能量存在的一种表现形式，温度则是热能的衡量尺度。不同温度的物质之间， 可根据能量守恒的原则进行热交换传热。传热是一种复杂的过程，但传热的结果总 是由温度较高的物体把热量传给温度较低的物体。这种性质常被人们用来对物体进行加 热。实际的加热方式有多种多样，但就热交换的基本方式而言不外有三种传导换热、 对流换热和辐射换热。 传导换热是指依靠不同物体之间或是同一物体内部各部分之间直接接触而发生的 能量传播过程。气体的导热是依靠原子和分子的扩散；不导电固体的导热是依靠弹性波 动的作用；液体的导热即依靠弹性波动作用还依靠原子和分子的扩散；金属的导热主要 依靠自由电子的扩散。 总之，物体内部的导热过程，是通过构成物质的基本质点的运动实现的。较高温度 的基本质点具有较大的动能和激烈的运动状态，无论这些质点相对位置不变的运动还是 做扩散运动，都会把热量( 动能) 传给温度较低的质点，这样热量就由温度高的地方传 倒温度低的地方去了。 在稳定的情况下通过传导交换的热量【1 】为： q 。生笋 ( 2 1 ) 去 式中：9 一单位时间内传导热量( k c a l h ) ： 、温度较高与较低两物体的温度( ) ； 三为热传导距离( m ) ； 卜垂直于导热方向的传热面积( m 2 ) ； c _ 一导热系数( k c a l m h ) 。 固体表面与气体或液体( 流体) 直接接触时相互间的换热过程叫作对流换热。它是 依靠流体的流动即流体分子相对位移和混合实现传热目的的，实际是流体的导热和对流 同时其作用的过程。 对流可分为自然对流与强迫对流两种形式。自然对流是由于流体各部分的温度不 同，比重不同，温度低而比重大的流体向下运动，温度高而比重小的流体向上运动实现 东北大学硕士学位论文第2 章红外加热技术基础及理论 的。强迫对流是依靠外力强迫实现的流体运动，如借用风机鼓风或抽风可实现加热炉内 气体的强迫对流。 通过自然对流交换的热量f l l 为： q = 船一) 1 2 5 ( 2 - 2 ) 式中：野一为方向系数。对于垂直的平面k = 2 2 ；对于朝上的平面k = 2 8 ；对于朝下的 平面k = i 4 。 t 高、温度较高与较低两物体的温度( ) ； 卜垂直于导热方向的传热面积( m 2 ) 。 强迫对流的换热规律【1 l 为： q = 警叫( 2 - 3 ) 式中：在标准状况下流体的流速( m s ) ； 卜流体通道的直径( m ) ； t 高、温度较高与较低两物体的温度( ) ； 卜垂直于导热方向的传热面积( m 2 ) 。 辐射换热是指不同物体间通过载能电磁波的传热过程。导热和对流换热都必须在固 体之间或者固体与流体之间相互接触的情况下才能进行，也就是必须有媒介物才能进行 热交换。而辐射换热的物体间，不许直接接触，即使有高度真空、相距很远的物体间也 能进行。例如太阳和地球相隔一亿五千万公里，然而，太阳发出的光和热大约只要八分 钟便可传到地球表面，电磁波的辐射速度约为3 0 万公里秒。远红外加热技术即属于辐 射加热的一种。 通过远红外线辐射原理的分析，已经知道，构成物质基本质点的能级跃迁，将导致 这些基本质点以光量子的形式向外辐射电磁波。电磁波的传播过程叫作“辐射 ，电磁 波所载运的能量成为“辐射能”。电磁波在空间传播过程中一旦碰到另一物体，将可能 引起该物体基本质点的谐振运动，使电磁场所载运的辐射能部分地吸收，转变为物体内 部基本粒子微观运动的动能即热能。 辐射是一切物体的固有属性，一般认为，温度高于绝对零度的物体都能向外辐射电 磁波。物体温度愈高，辐射出去的能量也愈多。吸收辐射也是一切物体所固有的属性， 二物体相邻时，每一方的辐射能都会被对方所吸收。物体间交换辐射能量的最终结果， 总是温度高的物体把热量传给温度低的物体。但即使两物体温度相同，每一物体都还在 一1 0 _ 东北大学硕士学位论文 第2 章红外加热技术基础及理论 不断的辐射和吸收，不过收支平衡而已。 不同波长的电磁波所载运辐射能的差别很大，绝大部分的辐射能载运在波长入在 0 1 到1 0 0 0 微米之间，该范围的电磁波被物体吸收时可显著的转变为热能，也称该范围 内的电磁波为“热射线 。红外线是热射线中的一种，通过热射线的传热过程就是“热 辐射 。 2 2 红外线的吸收原理 只要构成物质的基本指点从高能量的运动状态跃迁到低能量的运动状态时，就会向 外辐射电磁波，并伴有能量辐射。在通常情况下物质的基本的基本指点都处在能量最小 的运动状态，及所谓基态。物质只有从外界吸收能量后，基本指点才能跃居高能轨道运 动，呈激发态。使物质的基本质点由基态转呈激发态的手段很多，用红外线辐射也是一 种行之有效的方法。 构成物质的基本质点，电子、原子或分子，即使是处于基态也都在不停的运动着 振动或转动，这些运动都有自己的固有频率。当遇到具有某个振动数的红外线辐照 时，如果红外线的振动频率与基本质点的固有频率相等，则会发生振动学中共振运动相 似的情况，质点会吸收红外线并使运动进一步激化。如果二者频率相差较大，那么红外 线就不会被吸收而可能穿过。 按照波尔理论，被加热物质的分子要产生红外吸收，必须满足【1 4 1 ： e 。一e i i l ，( 2 - 4 ) 式中：e 。、e 分子的许可跃迁能级的能量( j ) ； 普朗克常数，h 一6 6 2 x 1 0 埘( j s ) ； 产入射光频率( h z ) 。 而分子的运动形式可分为平动、转动、振动和电子运动。分子平动不产生偶极矩变 化，不产生红外吸收，可不予考虑，则分子能量可近似表示为： e = e + e + e( 2 5 ) 式中：e 电子能量； 巨，振动能量； 巨转动能量。 其中电子能级间隔最大，约为1 - 2 0 e v ；振动能级间隔次之，约为0 0 5 一l e v ；转动 能级间隔最小约为0 0 0 1 0 5 e v 。 当分子发生电子能级跃迁时，常伴有振动能级和转动能级的转变；而分子发生振动 一1 】一 东北大学硕士学位论文第2 章红外加热技术基础及理论 能级跃迁时，也常伴有转动能级的改变。按照匹配吸收理论，当外界红外辐射波的频率 与分子的固有频率相等时，引起类似共振的效果，达到最大程度的吸收。 然而，匹配吸收主要考虑的是物质分子的基频吸收。但是物质分子除了基频吸收外 还有和频率、差频和很多泛频带的吸收。绝大多数物质在常温下处于基态，当接受辐射 波后将跃迁到更高的振动态，从而改变了被加热物质吸收红外辐射波的频带。也就是说， 被加热物质的吸收机制在加热过程中是变化的。因此使被加热物质分子的各种吸收机制 同时吸收红外幅射能量，进行全部模式的能量传递加速分子的热运动，是理想的加热方 式。 同红外线的辐射相同，还有一个因素将影响分子是否能吸收红外线，就是源自的振 动能否改变分子的对称性而使偶极矩发生变化。例如n 2 、0 2 等由两个同种原子构成的 分子，不显示处所谓极性，即偶极矩为零，故它不吸收红外线。近代光学阐明：全部光 学现象( 包括辐射) 都是以电磁场和组成物质的电荷之间的相互作用为根本基础的。由 同种双原子构成的分子没有极性，尽管也在转动和振动，周围的电磁场对它没有任何干 扰和影响，因而不会产生能级跃迁及相伴的光辐射或吸收。通常把不吸收红外线的物质 叫做对红外线不敏感的物质。分子吸收红外线的程度正比于这种原子振动产生的偶极矩 变化的平方。 对红外线不敏感性物质，红外线的光量子不被吸收能一穿而过，也称红外线对该物 质由透过性。对红外线敏感性的物质，其分子、原子能吸收与自身固有运动频率相当的 红外线，不仅发生转动能级的跃迁，也扩大了以平衡位置为中心的各种运动幅度，质点 的内能加大，微观结构指点运动加剧的宏观反应就是物体温度升高。用通俗的话来说就 是，物质吸收了特定波长的红外线后，能产生自发热效应，由于这种效应直接产生在物 体内部，所以能快速有效的加热物体。 通过以上叙述，我们知道红外线加热物体，只对敏感性物质有效。所以在应用红外 加热技术时，不仅要知道该物质是否为红外线敏感性物质，而且还应知道该物质能强烈 吸收红外线的波长范围。 2 3 红外辐射能的传播 红外线和可见光线一样，都服从反射和折射定律，能在均一介质中作直线传播。在 真空和大多数的气体( 惰性气体和对称的双原子气体) 中，红外线可完全透过，但对大 多数的固体和液体，红外线则不能透过因此只有能够互相照见的物体间才能进行辐射 传热。 一1 2 - 东北大学硕士学位论文第2 章红外加热技术基础及理论 如图2 1 所示，假设投射在某一物体上的总辐射能量为q ，则其中有一部分能量 q a 被吸收，一部分能量q r 被反射，余下的能量q d 透过物体。根据能量守恒定律1 1 l ， 可得 见+ 级+ q d q 即 告+ 害+ 鲁一1 或 a + r + d = i 式中：a ：堕- 物体的吸收率，无因次； q 尺一鲁- 物体的反射率，无因次； d ：堕物体的透过率，无因次。 仃 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 图2 1 辐射能的吸收、反射和透射 f i 9 2 1t h ea s s i m i l a t i o n ，r e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no fr a d i a n te n n