（纺织工程专业论文）浆丝机远红外烘燥几个关键问题的研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

东华大学硕士生毕业论文 摘要 浆丝机远红外烘燥几个关键问题的研究 摘要 本课题主要研究了远红外辐射加热技术用于浆丝机的预烘烘房的 几个关键问题，通过理论分析和试验确定的方法，对每个问题提出解 决方案，为企业完成远红外预烘烘房的制作提供借鉴和参考。 长期以来，浆丝机的预烘烘房主要是采用热风循环的加热方法， 随着市场经济的发展，企业对上浆高效、快速、优质的要求越来越强 烈，但是，热风烘燥对流加热方式的慢速低效的特点及高速气流引起 的纱线挠动导致浆丝质量的降低，都限制了浆丝技术的进一步发展。 在不同领域的成功运用表明，远红外辐射加热技术具有以下特点：节 约能源，高效快速；产品质量好；投资少见效快；装置结构简单，维 修操作方便；安全可靠。所以，江苏省高新科技转化生产力项目 长丝整浆并联合生产线机组的研发和产业化将采用远红外辐射加热技 术。 根据远红外辐射加热的机理，该技术应用于浆丝机预烘烘房首先 需要解决以下几个问题：( 1 ) 根据匹配吸收定律，确定烘房内辐射器 发射红外光的主波长；( 2 ) 根据确定的主波长确定合理的辐射器热源 温度，以定制所需远红外辐射器；( 3 ) 基于节能降耗的考虑，对远红 外烘房的内壁材料提出设计要求，并做出合理的选择；( 4 ) 根据烘燥 任务，对远红外烘房内辐射器的电功消耗进行估算。 远红外辐射加热的应用缺乏有关基础性研究的指导，针对上述问 题，本文在现有理论的指导下，通过理论与试验相结合的方法一一解 决。 东华大学硕士生毕业论文 本文首先试验测量和调查确定浆丝机预烘烘房的烘燥任务是完成 总烘燥量的8 0 左右，使浆丝的回潮率从1 0 5 降为2 5 ；其次测定了 不同回潮率的浆丝的红外光谱，通过分析和比较测试结果确定了远红 外烘房内辐射器发射的红外光的主波长为2 9 6 9 m ，并根据红外吸收率 与回潮率的变化关系设计了烘房内辐射能量的合理分布；然后对目前 市场上存在的远红外辐射器进行调查比较，优选出远红外定向强辐射 器为预烘烘房所用辐射源；根据确定的主波长和匹配吸收定律，从理 论上对辐射器的热源温度进行优化确定，并设计实验方法对理论确定 的热源温度进行验证，最终确定辐射器合理的热源温度为9 4 5 左右， 为定制适用的辐射器提供依据；对远红外烘房内壁材料所具有的性能 进行分析，试验确定镜面不锈钢板和铝箔为内壁材料的初选；最后， 按照设计任务对远红外烘房的能耗进行估算并给出远红外烘房样机试 验平台主要构件的设计。 关键词：远红外，辐射烘燥，浆丝机，热源温度 东华大学硕士生毕业论文 a b s t r a c t s t u d yo nd 巧f i c u l t i e so fu s i n gf a rd 晒rar e d r a d i a t i o nh e a t i n gt e c h n i q u eo n f 。a 匝n ts 亿i n gm a c h i n e a bs t r a c t i nt h i st h e s i s ，af e wd i f f i c u l t i e so f u s i n gf a ri n f r a r e dr a d i a t i o nh e a t i n g t e c h n i q u e o nf i l a m e n ts i z i n gm a c h i n ew a ss t u d i e d s o l u t i o n st ot h e d i f f i c u l t i e sw e r e g a i n e dt h r o u g ht h e o r e t i ca n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a l m e t h o d ，w h i c hp r o v i d e dr e f e r e n c ef o re n t e r p r i s et om a n u f a c t u r ef a r i n f r a r e dp r e d r y i n gc h a m b e ro nf i l a m e n ts i z i n gm a c h i n e h o ta i rc i r c u l a t i o nh e a t i n gh a sb e e nu s e do nt h ep r e - d r y i n gc h a m b e ro f f i l a m e n ts i z i n gm a c h i n ef o ral o n gt i m e a st h ed e v e l o p m e n to fm a r k e t e c o n o m y , h i g he f f i c i e n c y , h i g hs p e e da n dh i 曲q u a l i t yf o rs i z i n gi sm o r e a n dm o r ee m p h a s i z e db ye n t e r p r i s e s ，b u th o ta i rc i r c u l a t i o n h e a t i n g t r a n s f e r sh e a tt h r o u g hc o n v e c t i o nm e t h o dw h i c hh a sac h a r a c t e r i s t i co fl o w e f f i c i e n c y , b e s i d e s ，h i g hs p e e do ft h ea i rc i r c u l a t i o ni n s i d et h ec h a m b e r w o u l dc a u s ew a r p sa t t a c ht ot h e i ra d j a c e n to n e sw h i c hl e a dt od e t e r i o r a t e t h es i z i n ge f f e c t s t h e r e f o r e ，t h ei n c r e a s eo f s i z i n gs p e e di sl i m i t e db yt h e h o ta i rc i r c u l a t i o nh e a t i n gm e t h o d t h es u c c e s s f u l a p p l i c a t i o no ff a r i n f r a r e dr a d i a t i o nh e a t i n gt e c h n i q u ei no t h e rf i e l d sp r o v e dt h a tt h i sh e a t i n g m e t h o dh a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：e n e r g ys a v i n g ，h i g he f f i c i e n c ya n d h i g l ls p e e d ，g o o dq u a l i t yp r o d u c t s ，i n v e s tl i a l ea n dt a k ee f f e c tq u i c k , s i m p l e e q u i p m e n ts t r u c t u r ea n de a s ym a i n t a i n ，s a f ea n dr e l i a b l e s of a ri n f r a r e d r a d i a t i o nh e a t i n gt e c h n i q u ew a ss e l e c t e dt ob eu s e di n d e v e l o p m e n ta n d i n d u s t r i a l i z a t i o nf o rw a r p i n g s i z i n g r e b e a m i n g p r o d u c tl i n e ，w h i c hi sa p r o j e c to fn e w & h it e c ho r i e n t e di n d u s t r i e so f j i a n g s up r o v i n c e i no r d e rt ou s i n gf a ri n f r a r e dr a d i a t i o nh e a t i n gt e c h n i q u eo nf i l 锄e n t s i z i n gm a c h i n e ，r e s o l u t i o n ss h o u l d b ef o u n df i r s t l yf o rt h e f o l l o w i n g d i f f i c u l t i e s ：( 1 ) c h o s eaw a v e l e n g t ha st h em a i nw a v e l e n g t ho ft h er a d i a n t e n e r g yi nt h ec h a m b e ra c c o r d i n gt ot h em a t c h i n ga b s o r p t i o nt h e o r y ( 2 ) s e l e c t e dar e a s o n a b l et e m p e r a t u r ef o rt h eh e a ts o u r c eo f t h ef i re 面t t e ri i l t h el i g h to ft h em a i n w a v e l e n g t h ( 3 ) m a d eac h o i c eo ft h em a t e d a lu s e df o r t h ew a l lw i t h i nt h ec h a m b e rb a s e do nt h e c o n s i d e r a t i o no f e n e r g ys a v i n g ( 4 ) e s t i m a t et h ee l e c t r i c p o w e rc o n s u m p t i o no ft h ec h a m b e ri na c e o r d a n c e w i t ht h ed e s i g n e dd r y i n g c a p a b i l i t y t h e a p p l i c a t i o no ff a ri n f r a r e dr a d i a t i o nh e a t i n gh a sh a dn og u i d a n c e o fr e l a t e df u n d a m e n t a lr e s e a r c hs of a r , c o n s e q u e n t l y , u n d e rt h e d i r e c t i o no f e x i s t i n gt h e o r y , am e t h o do fc o m b i n i n gt h e o r e t i ca n a l y s i sw i t he x p e r i m e n t w a su s e dt oo v e r c o m et h o s ed i f f i c u l t i e s 、 f i r s t l y , a c c o m p l i s h i n ga p p r o x i m a t e8 0 o ft h et o t a l d r y i n g a s s i g n m e n t ，w h i c hm e a n sm a k i n gt h em o i s t u r er e g a i no ft h es i z e d6 l 锄e n t r e d u c et o2 5 f r o m10 5 ，w a sc o n s i d e r e dt o b et h ed e s i g n e dd r y i n g c a p a b i l i t yo ft h ep r e d r y i n gc h a m b e ra f t e rp r a c t i c a lm e a s u r e m e n ta n d i n v e s t i g a t i o n s e c o n d l y , i n f r a r e ds p e c t r o g r a m so fs i z e dp o l y e s t e rf i l 锄e n t w i t hd i f f e r e n tm o i s t u r e r e g a i n sw e r er e s e a r c h e da n daw a v e l e n g t ho f 2 9 6 1 a mw a ss e l e c t e dt ob et h em a i nw a v e l e n g t ho ft h er a d i a n te n e r g y , f u r t h e r m o r e ，a no p t i m a ld i s t r i b u t i n go fe m i t t e ri n s i d et h ec h a u e n b e rw 弱 a r r a n g e di na c c o r d a n c ew i t ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm o i s t u r er e g a i na n d a b s o r p t i v i t y t h i r d l y , av a r i e t yo fr a d i a n te m i t t e r sw e r es u r v e y e da n df i r o r i e n t e de m i t t e rw a ss e l e c t e dt ob et h ee n e r g ys o u r c eo f t h ef i rc h 铷曲e ra t l a s t ，t h e n ，t h e i d e a l t e m p e r a t u r eo ff i re m i t t e r sh e a ts o u r c ew 弱 t h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t e da n dv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s ，a t e m p e r a t u r eo f 9 4 5 。cw a ss e l e c t e dt ob et h er e a s o n a b l et e m p e r a t u r eo f t h eh e a ts o u l ei i l 东华大学硕士生毕业论文 t h ee n d f o u r t h l y , p r o p e r t i e so ft h ew a l lw i t h i nt h ec h a m b e rw e r ea n a l y z e d ， m i r r o rl i k es t a i n l e s ss t e e lp l a t ea n da l u m i n u mf o i lw e r es e l e c t e d 舔t h e p r i m a r yc h o i c e f i n a l l y , am e t h o dw a sp r o v i d e dt oe s t i m a t et h ee l e c t r i c p o w e rc o n s u m p t i o no ft h ec h a m b e ra n dd e s i g n so ft h em a i nc o m p o n e n t so f t h ep l a t f o r mu s e df o re x p e r i m e n t i n gw e r eg i v e n k e yw o r d s ：f a ri n f r a r e dr a d i a t i o n ( f i r ) ，r a d i a t i o nd r y i n g ，f i l a m e n t s i z i n gm a c h i n e ，t e m p e r a t u r eo fh e a ts o u r c e v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中己明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：格窿多二 日期： 妒7 1 年月哆日 ， 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密d ，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：脚蕴参 日期：叩年，月衫日 指导教师签名： 日期咖弹 2 月刁日 东华大学硕士生毕业论文第一章绪论 第一章绪论 上浆是织造工程的重要准备工序。上浆质量的优劣，对织造生产有重大影响。 生产实践证明，只要上浆工序稍有不当，就会给织造生产带来困难；反之，上浆 生产良好，质量稍差的经丝也可以得到改善和弥补，织造生产仍可以获得优质高 产【l j 。通常每台浆丝机的产量可供2 0 0 - - 3 0 0 台织机织轴需要，新型浆丝机的每台 产量可供5 0 0 台以上织机的织轴需要，因此，上浆工序处于织造准备工程的核心 地位，不但在织物质量、织造效率等方面起主要作用。而且上浆所需的浆料、能 源、设备维护等也是生产成本的重要组成部分。所以，与上浆工序相关的设备及 工艺技术就显得极为重要 2 1 。 上浆过程中，浆丝从浆槽吸收一定量的浆液后，以湿淋淋的状态继续向前运行， 为了得到具有完整浆膜的能够实现高的上机织造效率的经丝，必须对湿态的浆丝 进行合理地烘燥，在保持良好的浆膜状态的前提下，使浆丝达到合理的干燥程度。 1 1 干燥相关理论 1 1 1 湿物料中水分与物料的结合形式 湿物料都可以看作是由干物料与水分组成的，干物料与水分的结合形式因物料 结构而异，但从干燥的平衡特点来看，根据空气相对湿度及物料湿含量的大小可 分别定义为：结合水和非结合水；平衡水分和自由水分。结合水分是空气相对湿 度为1 0 0 时物料的平衡水分，物料中除结合水分以外的水分为非结合水分。在一 定温度下，对应于不同空气湿度测得的物料平衡湿含量的各点形成的曲线，称为 吸附等温线。对应于吸附等温线上任意点的含湿量称为平衡水分，超过此含湿量 的水分称为自由水分。 根据水分与物料的结合能的大小，可以把水分与物料的结合形式分为3 类。 ( 1 ) 机械结合水 机械结合水包括毛细管中保留或吸留的水分和被覆在物料外表面上的润湿水 分。这些水分与干物质之间是依靠表面附着力、毛细力和水分粘着力而连接着， 这种连接是松弛的，没有固定的比例。它的流动性大，在干燥过程中，这种水分 1 第一章绪论 东华大学硕士生毕业论文 很容易蒸发去除。 ( 2 ) 物理化学结合水 这类水分又分为吸附结合水分、结构结合水和渗透结合水分，其中以吸附结合 水分与干物料的结合最为牢固。吸附结合水分是指在物料胶体微粒内、外表面上 因分子吸引力而被吸着的水分。在干燥过程中要去掉这类水分时，除应提供水分 汽化所需的汽化潜热外，还应提供脱吸所需的吸附热。结构结合水分是指当胶体 溶液凝固成凝胶体时，保持在凝胶体内部的那部分水分，它受到结构结合的束缚， 表现出来的蒸汽压很低。渗透结合水分是指分子溶液和胶体溶液中的水分，它受 到溶质的束缚，溶液的浓度愈高，溶质对水分的束缚力愈强，水分的蒸汽压愈低。 溶液中的水分从低浓度向高浓度处转移就是由于溶质对水分束缚力的不同而引起 的，即渗透现象。从干燥的意义上说，溶液的浓度愈高，水分就愈难除掉。 ( 3 ) 化学结合水 这种结合水是经过化学反应后，按严格的数量比例与干物料分子结合的那部分 水分，同干物料结合得非常牢固，性质稳定。要除去这些水分要花费很大的能量， 而且必然会引起物料的物理性质及化学性质的改变，即品质的变化。因此，一般 的物料干制不需要去除这部分水分。 机械结合水属于自由水分，物理化学结合水和化学结合水属于结合水。在干燥 过程中最初蒸发的是结合力最弱的机械结合水分，然后便是一部分结合力较弱的 物理化学结合水，最后才是结合力最强的物理化学结合水分。 1 1 2 干燥原理 干燥通常是指将热量加于湿物料并排出挥发性湿分( 大多数情况下是水) ，而 获得一定湿含量固体产品的过程。 当湿物料作热力干燥时，以下两个过程相继发生： 过程一：能量从周围环境传递至物料使其表面湿分蒸发。液体以蒸汽形式从物 料表面排除，此过程的速率取决于物料温度，空气温度、湿度和流速，暴露的表 面积和压力等外部条件。因此，此过程被称为外部条件控制过程，也称为恒速干 燥过程。 过程二：内部湿分传递到物料表面，随之通过过程一而蒸发。物料内部湿分的 迁移是物料性质、温度和湿含量的函数。因此，此过程被称为内部条件控制过程， 2 东华大学硕士生毕业论文第一章绪论 也称为降速干燥过程。 在整个干燥循环中，两个过程相继发生，并先后控制干燥速率。外部干燥条件 在干燥的初始阶段，即在排除非结合表面湿分时特别重要，因为物料表面的水分 以蒸汽形式通过物料表面的气膜向周围扩散，这种传质过程伴随着传热进行，故 强化传热便可加速干燥。在临界湿含量出现至物料干燥到很低的最终湿含量期间， 内部湿分迁移成为干燥的控制因素。 物料的干燥特性通常用湿含量和时间函数，即干燥曲线或干燥速率曲线表示， 图1 1 定性地描述了吸水性物料的典型干燥曲线。 干 燥 速 率 干燥阶段) 图1 1 恒定干燥条件下的典型干燥速率曲线 在第一干燥阶段干燥速率是常数，此时表面含有自由水分。当其完全汽化后， 湿表面则从物料表面退缩，此时可能发生一些收缩。在此阶段，控制干燥速率的 是水蒸汽穿过空气湿分界面( 气膜) 的扩散，在此阶段后期，湿分界面可能 内移，湿分将从物料内部因毛细管力迁移到表面，且干燥速率仍可能为常数。当 平均湿含量达到临界湿含量x c 时，进入第二干燥阶段。 在进一步干燥时( 降速干燥阶段) ，由于内部和表面的湿度梯度，湿分通过物料 扩散至表面然后排除，干燥速率受到限制。此时热量先传至表面，再向物料内部 传递。由于干湿界面的深度逐渐增大，而外部干区的导热系数非常小，故干燥速 率受热传导的影响加大，但是，如果干物料具有相当高的密度和小的微孔空隙体 积，则干燥受导热的影响就不那么强。因物料内部相当高的扩散阻力的影响，干 燥速率受湿分从内部扩散到表面，然后由表面的传质所控制。在此阶段，某些由 吸附而结合的湿分被排除。最后由于干燥降低了内部湿分的浓度，湿分的内部迁 移速率降低，干燥速率下降比以前更快。在物料的湿含量降至与气相湿度相应的 平衡值时，干燥就停止。 第一章绪论东华大学硕士生毕业论文 湿浆丝在上浆过程中的烘燥是分为两个阶段的，前期的烘房预烘和后期的烘筒 干燥。在烘房预烘期间，浆丝回潮率变化范围大概为从1 0 5 降至2 5 ，这期间发 生的主要是恒速干燥。烘房预烘之后，浆丝的浆膜基本形成并具有一定的防粘能 力，所以能够利用高效率的烘筒烘燥方式完成剩余处于降速干燥阶段的烘燥任务。 1 2 上浆介绍 1 2 1 上浆方式 长丝上浆与短纤纱上浆的目的是有所不同的，长丝上浆的主要目的不是针对表 面产生的毛羽问题，而是为了增加丝束中各丝之间的抱合力，在丝的表面形成柔 韧的浆膜，使经丝耐得住织造过程中频繁的摩擦和冲击而不被损伤。本文试验用 丝是涤纶长丝，所以，文中谈到的长丝，无特别说明就是指涤纶长丝。 目前，对涤纶长丝上浆有三种方式【3 】： ( 1 ) 短流程的轴对轴上浆，即采用浆丝机，用片经进行上浆，一步形成织轴。 采用该工艺经丝断头少，排列均匀、整齐，伸长也小，但经丝之间产生粘连； ( 2 ) 整浆联合上浆后并轴，即采用整浆联合机，将整经和浆丝两道工序合二为 一，用原丝筒子直接整经上浆形成浆轴，然后几只浆轴在并轴机上合成一个织轴。 采用该工艺经丝的圆度和浆膜完整性都很好，其织造性能大大提高，但生产效率 稍低，各浆轴的经丝之间受热过程和卷绕张力不匀有可能造成织物“条影”疵点； ( 3 ) 整经一上浆一并轴三阶段工艺。 网络丝、低捻丝和无捻丝由于丝的结构不同应采用不同的上浆方式【4 1 ，网络丝 和低捻丝可以根据工艺选择上述三种方式的任一种进行上浆，无捻丝当采用短流 程的轴对轴上浆时，将会造成丝条的粘连而使织造无法进行。 1 2 2 烘燥方式 无论采用哪种上浆方式，都必须经过将湿浆纱烘成干态的烘燥阶段。目前用于 上浆的烘燥方法有对流烘燥法、传导烘燥法、微波和高频干燥法及辐射烘燥法。 对流烘燥法的具体应用主要是热风式烘燥装置。热空气是载热体，向纱线传递 热量，同时又是载湿体，带走纱线蒸发的水分。热风烘燥的特点是：湿浆纱与热 空气进行热湿交换，在适当的排列密度的前提下，可保持浆纱的原形，形成不被 4 东华大学硕士生毕业论文第一章绪论 损坏的浆膜；为了保持烘房内热空气的烘燥势，必须及时地排走热湿空气，补充 新鲜空气；还须及时地加热空气，以补充损失的热量，这样，烘燥过程才能持续 地进行下去。但在排走热湿空气时，热量要损失一部分，而空气以一定速度流动 和喷射时，要消耗相当多的动力。所以，热风式烘燥装置的能量消耗大。为了得 到较大的烘燥势，可以通过增大热空气的温度或者降低纱线与热空气接触的表面 温度的方法来实现，但受能量消耗成本计算的限制，这两种途径都不能得到很好 的实施；并且在降速烘燥阶段中，由于受浆膜阻隔，热量不易向纱线的内部传递， 于是纱线的表面温度高，内部温度低，所形成的温度梯度指向纱线外部，与湿度 梯度相反，对湿度作用下水分由里向外的移动产生阻挡效果，影响水分向外迁移 【i 4 】；更重要的是，烘房内热风的能量并不能做到在横向上的均匀分配，浆丝的干 燥均匀度不能得到保证，并且不平衡的空气流动引起的烘房中浆丝的抖动使相邻 的浆丝发生粘连，降低上浆质量。因此，热风式烘燥效率低，能耗大，速度低， 浆丝质量无保障。 传导烘燥法的具体应用主要是烘筒式烘燥装置。烘筒作为载热体，通过接触向 纱线传递热量，而周围的空气是载湿体，带走浆纱蒸发的水分。在烘筒烘燥时， 纱线紧贴主动回转的烘筒前进，受到良好的握持控制，并且纱线行进中排列整齐 有序。因此，烘筒式烘燥对纱线伸长控制十分有利，纱线的伸长率小，仅为对流 烘燥的6 0 左右，并且片纱伸长均匀，伸长率易于调整。烘燥过程中，水分蒸发， 在烘简表面形成积滞蒸汽层，使烘燥势下降，影响水分汽化速度，但作为载湿体 的空气是与载热体的烘筒分离的，因此，不像热风烘燥一样受到限制，可以在烘 筒外装排气罩，以高速气流迅速地排走积滞蒸汽层，让干燥的空气补充到纱线表 面，维持整个烘燥过程中较高的烘燥势；在降温烘燥阶段，纱线靠近烘筒的一侧 湿度大、温度高，于是湿度梯度和温度梯度方向一致，促进纱线内的水分逆湿度 梯度方向移动，有利于加快烘燥速度，缩短降温烘燥阶段时间。因此，与热风式 烘燥相比，烘筒法具有效率高、速度快的特点。但由于烘燥过程中，纱线紧贴烘 筒表面，浆膜容易粘贴烘筒，破坏浆膜的完整性，并且烘筒上相邻纱线之间有粘 连现象，特别是纱线排列密度较大时粘连严重，但这种情况随着聚四氟乙烯防粘 涂层在烘筒上的应用，得到了很大改观，目前新型的短纤纱浆纱机都采用全烘筒 式烘燥装斟引。 微波和高频干燥法利用的是一种非常规的干燥技术介电干燥，即在高频率 第一章绪论东华大学硕士生毕业论文 的电磁波作用下，物料吸收电磁能量，在内部转化为热，用于蒸发水分，而普通 干燥方法蒸发水分所需的热量通过物料的外表面向内部传递。微波和高频是一种 能量形式，但在电介质中可以转化为能量。能量转化的机理有许多种，如离子传 导、偶极子转动、界面极化、磁滞、压电现象、电致伸缩、核磁共振、铁磁共振 等，其中离子传导和偶极子转动是介电加热的主要原因 6 3 。但微波与高频对人身具 有强烈的伤害作用，因此，虽然该技术应用于上浆烘燥的研究早已有之【7 8 1 ，但受 技术研究的限制，实际应用非常有限。 辐射烘燥法虽然提出已经有很长的时间，但受红外基础理论研究方面的限制， 至今在浆纱实际应用中很少出现。 1 2 3 国内外现状 长丝上浆烘燥，长期以来国内外一直采用热风与烘筒烘燥相结合的烘燥方式。 湿浆丝先经热风烘房，在这里蒸发掉大部分水分，完成必要的热收缩或塑性变形， 初步形成浆膜，然后再经受高效的烘筒烘燥，烘至要求的回潮率。目前，对于长 丝上浆烘燥，工厂的实际应用仍然是热风烘筒联合烘燥方式。 随着市场经济的发展，热风烘燥低效率、高能耗并且无质量保障的缺点，与市 场所追求的高效、节能和高品质之间的矛盾越来越突出。近年来，随着科学技术 的发展，微波与高频烘燥在浆丝机上的应用得到人们的重视。 意大利v a ll e s i n a 公司的整经一拉伸一上浆联合机上的射频干燥装置就是利用 的微波和高频干燥。在干燥过程中，微波和高频产生的电磁能量作用于纱线内部， 产生热量并迅速产生出蒸汽，形成有利水分蒸发的压力梯度，所以干燥进行得非 常快；电磁能直接与纱线耦合，不需要加热空气、器壁等，加上金属质的器壁反 射电磁波，所以能量的有效利用率高；在较低的环境温度下进行干燥，不需要高 的表面温度，对纱线伤害少：并且具有干燥均匀、产品质量好的特剧2 9 ，- o l 。 1 3 远红外加热技术 1 3 1 远红外辐射加热的认识与发展 1 8 0 0 年，英国天文学家威赫谢尔在研究太阳光谱各部分热效应的试验中偶然 发现热效应最大的位置是在可见光谱的红端以外，从而首先发现了太阳光谱中还 6 - 东华大学硕士生毕业论文第一章绪论 包含看不见的辐射能。当时他称这种辐射能为“看不见的光线，后来被称为红外线。 此后，经过许多科学家百余年的不懈努力，逐步形成了一门以红外辐射为特定研 究对象的新技术红外科学技术。红外科学技术有多个技术分支。然而，以红 外辐射对物质的加热作用为基础发展起来的红外加热技术，在工农业生产的发展 中一直占有不容忽视的地位。 现已周知，红外线也是一种电磁波。在电磁波谱中，它是比微波波长短、比可 见光长的电磁波，如图1 2 。其波长范围是0 7 5 岬1 0 0 0 岬，习惯上按照波长的 长短把红外线分为近红外线、中红外线和远红外线。但划分的界限并不是很明确， 并且在不同的领域存在着不同的划分界限。在红外加热领域，习惯上把0 7 5 p m 2 5 p r o 称为近红外，而2 5 l u n g - 1 0 0 0 i m l 被称为远红外。从理论上讲，一切物体只 要其表面温度在绝对温度零度以上，都或多或少、或强或弱地辐射出红外线。 紫蓝绿黄红 0l o - ，1 0 1 0 dl 矿21 0 0 1l ol o zl o 1 0 4t o 1 0 6 波长x a m 图l - 2 电磁波波谱 远红外辐射加热技术应用在工业生产上至今已有五十多年的历史。本世纪三十 年代，美1 雪福特汽车公司首先把远红外辐射应用于加热烘干汽车的涂饰物。6 0 年 代苏联大力展开了远红外辐射加热的研究和应用。7 0 年代日本展开了远红外辐射 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”。 远红外辐射加热技术在我国应用的时间还不长。6 0 年代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。1 9 7 4 年前后由日本引进了远红外辐射加热 技术，经过几年的实践，1 9 7 8 年被定为全国重点推广的新技术之一。8 0 年代末9 0 年代初，一些单位进行石英管加热的红外研究和应用。9 0 年代中，引进了美国远 红外定向强辐射加热技术。如今，远红外辐射加热技术的应用范围愈来愈广【1 1 , 1 2 l 。 1 3 2 远红外辐射加热的原理与特点 远红外辐射加热可以用分子的振动机理来解科6 ，1 3 1 。物质的分子是由组成物质 第一章绪论 东华大学硕士生毕业论文 的各原子通过化学键结合而成的，组成物质分子的各微观粒子并不是静止不动的， 而是在一直不停地运动着。辐射源的表面被加热至一定温度，此时辐射源内的电 荷质点的运动，将热能转换为电磁波的形式，并以此种形式传递能量，当另一物 体接收到这种电磁波后，如果其分子结构中，有与振动频率相匹配的分子振动， 就能吸收热射线电磁辐射的能量，引起分子和原子的强烈共振而使物体发热。如 果其分子结构中，没有与振动频率相匹配的分子振动，则热射线就不能被该物体 吸收。原子和化学键的振动类似于机械振动的弹簧和小球组成的系统。对于上述 远红外加热的机理，可以利用弹簧与小球组成的系统形象化理解，弹簧近似分子 中的化学键，小球相当于各微观粒子。对于纯机械运动的弹簧和小球，当外界的 强迫振动频率与小球和弹簧的自振频率一致时，即产生共振。 与其他干燥方式相比，远红外线加热干燥有以下特点： ( 1 ) 节约能源，高效快速【1 1 6 】 电力、蒸汽或热风加热干燥，是利用热传导或对流进行传热，需要通过空气做 媒介，速度慢，损耗大，而远红外辐射加热干燥是用热的辐射，中间无需媒介【1 7 l 。 辐射能的多少与发热体温度的4 次方成正比，同时，远红外线具有光的一切性质， 包括聚集反射的性质，这样，在发射元件上或被加热干燥物体的背面设置适当的 反射罩( 板) ，便可以把向周围散射或透过物体的远红外线聚集起来，反射到物体上， 以提高辐射加热的效果，从而不仅节约了大量的能源，而且加热速度快、效率高。 从国内实际应用效果看，采用远红外辐射加热干燥比其他加热干燥的生产效率 提高2 0 3 0 ，节电3 0 5 0 ，节省其他能源约3 0 左右。如济钢明水铝土 矿采用远红外辐射加热干燥镁碳砖等产品，避免了加热不均匀而产生的裂缝与变 形，生产效率提高2 0 - 3 0 ，节约电能3 0 4 0 ，同时，无环境污染【1 8 】。 ( 2 ) 产品质量好 1 9 - 2 2 远红外线具有一定的穿透能力，能内外同时加热物料。传统的热风干燥其热量 的传递，是从被加热表面往内部逐渐传送，因此物质内的温度分布不均。而远红 外辐射加热具有内外同时加热的特性，使被加热干燥的物质在一定深度的内部和 表层分子同时吸收远红外辐射能，产生自发热效应，使溶剂或水分蒸发，受热均 匀，从而避免了由于热胀程度不同而产生的形变和质变，使产品的物理机械性能 和外观质等均得到显著提高。如国外利用远红外辐射加热技术大大改善了杉木的 质量吲。 东华大学硕士生毕业论文第一章绪论 ( 3 ) 投资少，见效快 远红外辐射加热干燥效率高，速度快，其加热装置的烘道完全可以缩短1 3 到 1 2 左右。华北铝业有限公司引进的美国b g k 公司制造的带材涂层烘干炉与采用 热风干燥相比，烘道缩短2 3 f 2 4 1 ，因而设备规模小、占地面积小。若与微波、高频 加热等方法相比较，设备要简化得多，费用也少得多。 ( 4 ) 装置结构简单，维修操作方便 远红外辐射元件的结构简单，使得加热干燥装置的设计比较容易，并且便于安 装、维修与操作。只要根据被加热干燥制件的形状，选用合适的辐射元件，设计 合理的烘道，安装维修都是比较简便的。如果是在原有的设备上进行改造，只要 将原有加热元件进行清洁处理，涂刷一层远红外线辐射涂料或安装合适的红外辐 射器，加热到一定温度，经适当调整安装位置及采取保温措旋后，就可以取得显 著的节能效果。 ( 5 ) 安全可靠 与采用高频、微波加热干燥的方法相比，不仅对人体伤害小，对环境无影响， 改善了劳动条件，而且还有利于实现自动化，便于推广应用。 1 3 3 红外辐射的基本概念和理论 ( 1 ) 红外辐射的吸收、反射和透射 图1 3 红外辐射的吸收、反射和透射 当红外线投射到物体表面时，和可见光一样，也发生吸收、反射和透射现象， 如图1 3 所示。设投射到物体表面上的总的红外辐射能为q ，其中一部分q a 被物 体吸收，另一部分q r 被物体反射，其余部分q 。穿透物体。按照能量守恒定律有 q = q 。+ q ，+ q 。 由上式得 第一章绪论东华大学硕士生毕业论文 盟+ 鱼+ 盟：l qqq 令：式中告= a ，詈2 p ，罟= t 分别称为该物体的吸收比，反射比和透射比。 0 【+ p + t = 1 a ，p 和t 都是无因次数，其值的大小与物体的性质、温度、表面状况及热射线 的波长有关。如果物体的0 【= 1 ，则表明该物体能吸收全波长域的所有辐射能，这 类物体称为绝对黑体，简称黑体；如果p = 1 ，则表明该物体能全部反射所有投射 来的辐射能，这类物体称为绝对白体，简称白体；如果g - - 1 ，则表明该物体能全 部透过所有投射来的辐射能，这类物体称为绝对透明体，简称透明体。 自然界不存在绝对的黑体、绝对的白体和绝对的透明体。这些都是为研究方便 而假定的理想物体。 ( 2 ) 辐射能量的表示方法 图1 - 4 立体角定义图 辐射能是按空间方向分布的，在不同方向上有不同的数值；辐射能又是按波长 分布的，不同波长具有不同的能量。在辐射换热中，空间的几何性质常用方向角 和立体角表示。立体角为一空间角度。设以立体角的角端为中心作一半径为r 的 半球，在其基圆中心有一微元面d a ，此微元面发射一束微元能量，其空间几何性 质如图1 - 4 所示。图中，微元束的中心轴表示此微元束的辐射方向，微元束能量的 方向用方向角o 和9 表示。o 角是d a l 面的法线与微元束中心轴的夹角( o z - o 茎_ r d 2 ) ， 9 角是中心轴在基圆上的投影线与x 坐标轴的夹角( o q ，s 2 z ) 。该束能量所占空 间的特性用微元立体角如l 表示。立体角的大小用球面上被立体角切割的面积d a 2 除以半径的平方来表示，单位为飒球面度) ，即 洳l-华：下rsinsderd耷：inedesm踯( s ，) 口i = = 百一= d q i s ，j 东华大学硕士生毕业论文 第一章绪论 式中：d a 2 为球面上的微元曲面面积。半球空间的立体角为2 兀。 ( 3 ) 辐射强度 物体表面在某辐射方向上的单位投影面积，在单位时间、单位立体角内发射的 全波长域的能量称为辐射强度，记作i ，单位是w ( m 2 s t ) 。辐射强度也称为定向辐 射强度。 厂 墩 i枷c 硼 影、f1 入 图1 5 辐射强度的定义 由图1 - 5 中微元面d a ! 在单位时间内辐射给微元面d a 2 全波长域的总能量为 d q l 2 ，则辐射强度可表示为： ，： 丝2 豳i 姒c o s 0 辐射波长为丸、在波长间隔歃范围内发射的能量为d i ，定义单色辐射强度k ： d i l2 磊 h 的单位是w ( m 2 g r a s t ) ，与辐射强度存在如下关系： j2 j ：厶硪 ( 4 ) 普朗克黑体辐射定律 在研究辐射换热问题时最常用到一个表明物体辐射能力的参量就是辐射力 e ( e m i s s i v ep o w e r ) ，它表示某一温度的表面在单位时间、单位面积向半球空间所有 方向发射的全部波长的辐射能的总量，它的常用单位是w m 2 ，亦有称为全辐射力 或总辐射力。如指某一波长范围的则称单色辐射力r ，黑体单色辐射力为e g 普朗克定律揭示了黑体辐射能按着波长的分布规律，即给出了黑体单色辐射力 取与波长九和温度t 的关系，即e 掰k t ) 的具体函数形式。根据量子理论而得到 的普朗克定律的数学式为： 第一章绪论 东华大学硕士生毕业论文 = 篙缈尉) ( 舢1 ) 式中：九：波长( 岬) ；t ：黑体绝对温度( k ) ；e ：自然对数的底； c l ：常数，值为3 7 4 3 x 1 0 。1 6 ( w m 2 ) ； c 2 ：常数，值为1 4 3 8 7 x 1 0 。2 ( m k ) 。 246 8l o 1 2 1 4 渡长p 一 图l - 6 普朗克定律的图示 图1 - 6 纵坐标e b b 为单色辐射力，横坐标为波长，从该图可以看出4 个问题： 对某一确定的波长，绝对温度高时其单色辐射力亦大，且随着温度的升高 峰值向短波移动； 每条曲线下的面积表示相应温度的黑体辐射力e b ，e b 与e 坂的关系为： 毛。j ：k 矾 可见光的黑体辐射力与红外区相比，所占的百分比甚少； 红外热辐射只有在0 7 6 - - 2 5 l m 之间才有意义，波长再长其单色辐射力太 小，无工程意义。 ( 5 ) 维恩位移定律 由式( 1 一1 ) 可知，当舸的乘积比常数c 2 小很多时，则可忽略该式中的“1 ”，则 该式变为： = 笳p 图l - 6 中单色辐射力最大位置可由式( 1 - 1 ) 取极值得到，为此将该函数对波长 求导，并令其等于零，则得到超越方程 4 2 0 日 b 2 c h_姗1，事一n。_【、避毒罂塞果肇磋 东华大学硕士生毕业论文第一章绪论 e1 - + l 一1 ：0 5 九。r 解此方程式得 九舶t = 2 8 9 7 8 x 1 0 - 3 角2 9 x 1 0 - 3 ( 肌孟p 式l - 2 此式表达最大辐射力的波长k 与绝对温度t 的乘积为一常数。此规律称为维 恩位移定律。 ( 6 ) 斯蒂芬一波尔兹曼定律 斯蒂芬一波尔兹曼定律确定