红外辐射传热过程的能耗

红外辐射传热过程的能耗

为了从多角度认识辐射传热过程的能耗问题，本文我们将Elstein陶瓷红外辐射器在传热过程中涉及到的物质和能量视为一个系统，而周边的物质视为环境，并将传热过程简化成图1所示的 “辐射传热系统”。

在该系统中，主要包括辐射器（热源）、受热材料、其它结构（如安装结构）三部分，同时，加热场合为相对密闭的空间，因此我们把空间中的空气也视为传热系统的一部分，而系统外的物质（如机械结构、隔热层、空气等）则简化为“环境”。

辐射传热系统的示意图

图中带颜色的直线反映了能量（热能）传输路径。

在该系统中，电能通过辐射器线圈时，线圈发热并以热传导的形式将能量传递给陶瓷体，陶瓷升温，并对系统其它部分辐射红外射线（图示红色直线）。系统中的材料、空气、结构等受辐射后温度持续升高，同时，各个部分之间又会以辐射、对流、传导等方式进行能量交换（图示洋红色、绿色直线）。而在系统与环境之间，又会不断的进行能量交换（图示蓝色直线）。

从示意图中我们可以很直观的看出，在辐射传热系统中，真正能为受热材料所利用的能量，占比非常小，换句话说，能量损耗是客观存在的，而且非常大。那么，我们如何提高辐射加热的效率，减少能耗呢？研究表明，加热系统的能耗情况，与辐射器性能、受热材料的物质属性、系统的结构以及环境等密切相关。我们不妨从这几个方面展开讨论。

辐射器的性能

作为辐射传热系统中能量转换的环节，辐射器的性能特性至关重要。电阻线圈能否有效地将电能转化为热能并传导给陶瓷体，陶瓷体能否将热能有效转化为红外射线并进行正向辐射，直接影响到传热系统的能耗。

德国Elstein-Werk作为陶瓷红外线辐射器的发明者，在几十年的生产实践中，通过选择优质、合适的电阻线圈和陶瓷材料，并不断地对加热器的结构进行优化升级，已成功地大幅降低辐射器能耗，如Elstein HTS系列产品（空心带隔热棉结构），对比Elstein FSR系列产品（实心结构），同等条件下能耗降低15%。

陶瓷加热器工作原理看似简单，但是产品设计要综合考虑耐用性（寿命）、工作效率、能耗、加热均匀度等问题时，往往非常困难。部分厂家可根据Elstein产品外形进行仿制，但是经常出现产品发热严重，而辐射效率低的问题，能耗非常大。

我们举例进行说明：老式钨丝灯用于照明时，通电后钨丝发热温度达2500℃，而位于可见光波段的能量只占总能量的8.8%，其他能量对照明不起作用，这说明钨丝灯只有不到10%的能量用于照明，能源浪费严重。

材料的物质属性

辐射传热系统中，终目的是使受热材料吸收红外射线并升温，达到软化、受热、熔融等效果，但是我们知道，不同材料对红外射线的吸收效果是不一样的。

不同材料对红外线的吸收率

不同材料对红外线的吸收率

油漆、水、常见塑料、纸等材料对红外线的吸收率非常大，钢铁、铝等金属材料对红外线的吸收率则非常小。因此，我们需要根据材料对红外线的吸收特性，选择合适的加热方式，在红外辐射传热系统中，要求受热材料对红外线有良好的吸收，才能确保能量大化利用，反之，能量损耗严重。如果有客户打算使用红外线辐射的方式加热镜面铝板，我们会建议客户换种加热方式，或者对铝板进行表面处理，提高铝板对红外线的吸收率，否则加热效果差能耗高。

系统内部环境

辐射传热系统中，除了辐射器、受热材料外，还包括空气、安装结构、支撑结构等部分，共同组成辐射传热系统的内部环境。这些部分对系统的能耗同样有非常大的影响。

具体的，空气虽然看不见但无处不在，并且“阻隔”在辐射器和受热材料之间，阻碍着红外射线直接抵达材料表面。空气可部分吸收红外射线，宏观体现在空气温度上升，同时，热空气以热对流的形式不断将热量传递给系统的安装结构、支撑结构等，导致内部环境整体温度上升，能量不断以无用功的形式损耗。

同时，辐射器的红外射线，部分是以漫射发射的形式对材料进行加热，必不可免的有部分射线直接加热周围结构，同样会导致能量损耗。

因此，在辐射传热系统中，我们要尽可能减少空气扰动，并采用金属结构做安装、支撑，且金属结构应轻量化、远离辐射区域，避免过多能量损耗。我司有客户将Elstien陶瓷红外线辐射器用于真空实验箱，对材料进行加热，加热效果良好，且对比常压环境，能耗降低约12%。此外，Elstien-Werk设计了BSI加热系统、BST加热系统、EBI加热系统等，适用于装配Elstein辐射器，不仅起安装加热器的作用，可有效降低加热器背部的热损耗。

EBI加热系统

CBSI加热系统

系统外部环境

辐射传热系统与外部环境间的能量交换，主要以空气对流换热，系统结构对外辐射传热和热传导三种方式进行。这部分能量交换在所难免，但我们可以考虑采用封闭式加热系统进行屏蔽阻隔，降低能耗，减少辐射系统内部与外部的对流换热。

我们在永固实验室中，将两组Elstein EBI加热系统放置在带隔热层的半封闭不锈钢箱体中，加热系统上下对射加热，温度设定在750℃，实验记录能耗情况。我们发现，在同等条件下，与敞开环境对比，半封闭系统中辐射加热可节能19%。

可见外部环境对辐射传热系统的能耗有很大影响，客户在使用时应考虑系统隔热问题，避免能源过渡浪费。

EBI加热系统置于不锈钢箱体中（箱体尺寸535mm×420mm×310mm，隔热层厚40mm）