红外辐射加热器种类

摘要：综述了红外加热元件的发展、优势及原理，分析了8种远红外加热元件的特点及结构，并指出用黑体作为辐射体已成为红外加热元件的一大趋势。要使我国的涂装烘干工艺发展到更高的水平，应该使红外加热元件更加完善，这样才能取得更大的经济效益、社会效益和环境效益。 关键词：漆膜固化；红外加热元件；匹配吸收 0引言

从1939年美国福特公司首次将红外灯用于漆膜固化至今，已经有近70年的历程[1]。在近70年里，红外加热装置在不断完善，并在烤漆房中逐渐普及。现在采用红外与对流复合加热或是单采用红外加热已经成为一种趋势[2]。红外烘干不仅仅在涂装业，还在纺织、食品加工、木材、农产品、海产品等各行业广泛应用。

简述红外固化漆膜技术制备及进展

1红外加热30年的发展历程

1．1红外加热浪潮（1973—1983年）

1973—1983年，世界各国都在本土大力推荐红外或远红外加热技术，日本、苏联、美国、西欧先后以文件、计划形式推广，中国尤甚，以国发[42号]文件推广远红外。当时远

红外加热被誉为“划时代”的节能技术，国家推出推广资金，大搞群众运动，从1978—1983年，用远红外改造和新建的烘干炉、脱水炉、固化炉达280万kW，全国各地报道均有30%以上的节能效果。

1．2红外加热的发展（1983—1993年）

伴随着红外“匹配吸收”理论、辐射传热理论、热传递动力学理论的深入研究，红外加热获得了极大的发展空间。匹配吸收是红外加热节能的理论基础。匹配吸收针对薄制品（后面内容有详细介绍），尤其是极薄的有机物制品有明显的节能效果，但现实生活中，这样的制品太少，科学工作者对怎么应用“匹配吸收”理论，进行了详细的研究。红外加热实为辐射加热，辐射传热效率高，对大面积物品而言，温度均匀性成为关注的焦点，科学工作者用“低温辐射传热技术”圆满解决这一难题，达到了±4．5℃加热温场。红外元件实为电热元件。单纯把它理解为辐射系数高、红外加热效率高的电热元件的说法是片面的。科学工作者推导出了实现元件以辐射传热为主的必要条件和充分条件，提出了红外加热特有的公式：能源辐射转换效率系数。诸如以对流传热为主的暖气片涂上红外涂料，便成为“红外元件”的错误提法

有了理论依据，红外加热元件的应用领域、应用方式不断扩大。红外加热的方向性———元件与工件相对位置是传热干燥脱水固化存在的问题，在红外加热中却十分突出，对辐射场的强度均匀性，温度均匀性，对流场温度均匀性的研究，成功解决了在连续式烘干炉中红外加热的温度均匀性这一难题。

1．3红外加热趋势（1993—2003年）

点、面、线辐射源的热能被工件的直接利用率是很低的，人们采用抛光金属为反射罩，由于难以清理，导致使用过程中热效率大幅下降。红外加热的温度均匀性，不同炉砖、炉型、工件形状和质量均有很大关系，给设计施工应用带来极大麻烦，关键问题是炉内对流场的干扰，使红外加热炉的温度均匀性难以达到设计要求。红外加热属于辐射传热，其特别之处在于升温迅速，断电热消失惯性小，如何实现这一基本特点，科学工作者始终在思考这一难题，即快速加热技术。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1993年率先提出了红外加热———快速加热，瞬间加热，爆炸加热的新思路———高红外加热思路在技术上有

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，红外加热成为了节能技术。

2红外线固化与传统固化方式对比

传统的热风循环式加热炉主要是靠对流的方式加热工件，使漆膜固化；而红外线干燥固化炉主要依靠辐射加热的方式，将光能转化为热能，使涂层升温，从而使漆膜固化[3]。红外固化与传统固化方式相比，它的优点在于：

（1）能源利用率提高。热风循环对涂料进行加热的时候必须先对被涂物周围的空气进行加热，而红外线加热不需要加热介质，直接可把热以辐射的形式传到被涂物上，使漆膜由内到外固化。（2）提高了漆膜固化质量。热风循环加热产生的对流会把空气中的粉尘等污染物带到漆膜表面，而红外固化不会产生这样的问题。传统的热风循环只能加快漆膜表面的固化速度，对漆膜内部几乎不起什么作用，容易产生“鼓包”、“皱纹”等现象，而远红外固化对漆膜是从内到外干燥，所以克服了容易出现“鼓包”、“皱纹”等缺点。

（3）占地面积小。红外线辐射固化不需要换热设备、管道、阀门等，所以它的占地面积小，投资少。（4）环保。与有

些用可燃气体、液体和煤做燃料的加热炉相比，红外固化没有废气、粉尘等污染物排出。（5）缩短了烘干时间。这种烘干方式升温快，漆膜是从内向外烘干的，与溶剂挥发方向一致，可缩短烘干时间。据统计红外线辐射漆的固化时间约为对流加热固化时间的1/2～1/10。（6）安全系数高，改善劳动条件，同时易于实现自动化；起停速度快、热惯性小、操作简单、持久耐用。远红外线固化也有自身的缺点。如配电、用电都比燃油加热式烤漆大。再者，辐射加热不适用于形状复杂，有高凸深凹正反表面的物体。对于汽车可以通过扇面反射、合理布局，再加上涂层基体的散射，使所有需要涂装的表面均不存在盲点[4]。

3红外线加热原理

目前在红外加热机理的讨论中存在匹配与非匹配论两种观点[5]。匹配吸收论认为，辐射源的辐射能谱与被加热物的主吸收带波长分布对应时，会引起物料分子产生共振吸收，从而达到升温加热的目的。因此，辐射源的工作波段应选择与被加热物主吸收带相同；非匹配吸收论认为，当入射辐射能谱避开物料的吸收峰时，能进入物料内部，具有较深的穿透能力，使物料分子激发或通过各振动膜间的耦合来实

现能量转移，有利于物料的内部加热，即工作波段应选择避开被加热物的吸收峰。这两种理论在吸收定律的基础上是统一的，如何选择红外加热波段是看被加热对象的厚度，若是物料的厚度很小（l远远小于d），红外线辐射一般能穿透，可选用匹配吸收理论。而当物料的厚度很大（l远远大于d）时，辐射不能穿透，这时就选择非匹配理论。红外线烘干的漆膜就是薄物料，它的烘干机理就是匹配吸收理论。漆膜对热量利用吸收率如式（1）所示。

α（λ）—光谱吸收系数，是材料和波长的函数，对于给定的材料，随λ而变；

l—为涂层的厚度；

d—为穿透深度，等于1/α（λ）。

可见当涂层l很小时，为使热利用率提高，应选择λ使α（λ）尽可能大，α（λ）为极大值时，λ对应物料的主吸收峰—匹配吸收。被烘干的涂料基本上都是有机物、高分子化合物以及含水的物质[7]，它们吸收红外线波长范围大多数在2～20μm之间，如果用2～20μm的红外线照射物体的话，这种物质就会与电磁波产生共振，而引起激烈的振动，物体的温度就会上升，达到加热的目的。从光谱学的分析可

知，分子吸收了光谱后，可使光子的能量完全转变成为分子的振动、转动能量。而当分子吸收了红外辐射能量后，也可以使分子的振动、转动能量发生变化。同时，红外辐射的物品在红外辐射能穿透到的部位，其温度往往比表面的高，所以脱水干燥工艺设备中，物品在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，并扩散蒸发达到快速干燥的目的[6]。

4红外线加热装置

我国从20世纪60年代开始对红外线加热装置进行了研究、开发和应用。虽然起步较晚，但并不影响红外线加热装置的发展进程。我国著名的红外线加热技术老前辈汤定元、吉林大学候兰田教授、中科院上海硅酸盐研究所的夏继余等人在远红外线的理论研究方面取得了巨大的成果。天津大学褚治德教授率先建立了国内第一座多用途实验室远红外干燥炉，在工程理论、应用性研究方面独树一帜。近几年山东大学朱波等研制的碳纤维加热管也已经得到广泛应用。

4．1碳化硅陶瓷加热器

碳化硅陶瓷加热板是我国在20世纪60年代研究开发的产品[7]。其形状有平板状、波浪状两种，由于波浪状的辐

射面积大，因而使用较多。图1是波浪板式辐射元件的结构示意图，其主要特点是辐射面积大、辐射强度高并且均匀。但这类元件的机械性能一般较脆，不耐撞击和振动并且安装检修较麻烦[8]。

图1波浪板式远红外线辐射元件

碳化硅可分为天然和人造两种，为六角晶体，色泽有黑色与绿色两种，具有很高的硬度，熔点为2600℃（分解升华），热导率随温度的增加而减少，从室温的λ＝489．8W/（m·K）到500℃时的50．2W/（m·K），降低一个数量级，热膨胀系数α相当镍铬丝的1/3左右。碳化硅加热器的表面温度600℃以下热响应较慢，升温时间长，但热稳定性好。

4．2金属管式远红外加热器

氧化镁管式加热器的结构如图2所示。在管的中心是电热丝，在管的基体与电热丝的中间填充了氧化镁粉末，在基体上涂了一层远红外辐射涂层。它的机械强度较高、安装维

修方便、质量较轻、加热速度快，在基体与电热丝之间填充的氧化镁粉末，可防止氧气进入使得电阻丝氧化，提高了加热装置的使用寿命。它的辐射面积小，若是长期使用，远红外辐射涂层容易脱落[8]。

图2金属电热管式远红外辐射元件

1—金属管基体；2—远红外线辐射涂层；3—电极；4—垫圈；5—接头螺栓；6—电热丝；7—氧化镁粉；8—绝缘瓷圈；9—并紧螺帽；10—接线螺帽

4．3电阻带式红外辐射电加热器

电阻带式红外辐射器是把远红外涂料直接涂在电阻上制成的。电阻带除了采用标准的镍铬或铁铬铝产品外，还可以用不锈钢薄板按需要的宽度自行裁剪。电阻带的厚度一般选在0．2～0．5mm之间，宽度为10～50mm。电阻带式辐射器一般都制成组件使用，先根据被加热物尺寸及加热炉的大小用角铁制成若干框架，然后借助陶瓷绝缘环将涂有红外辐射材料的电阻带固定在框架上，电阻带与反射罩之间的距离

约20～25mm。为防止电阻带热胀冷缩产生变形造成与反射罩或框架间的电气短路事故，电阻带安装前需热拉伸，安装时应在热状态下拉紧后再固定。带式辐射器可同时看作管式辐射器和板式辐射器的特例，因为把管式辐射器压扁或把板式辐射器作成窄长状都是带式辐射器[9]。

4．4乳白石英红外辐射电加热器

乳白石英红外辐射电加热器是一种具有选择性的红外加热元件。它是由电热丝供电，由石英管作为热辐射发射介质。乳白石英是在透明石英玻璃中充入0．03～0．08mm的微小气泡而成，乳白程度的好坏取决于石英材质中微小气泡的多少，气泡越多，乳白程度越好，小气泡的数量平均为2000～8000个/cm2，但气泡过多时管材表面光滑度不好、材质强度下降、气密性差。经工艺改进，采用连熔工艺加氦气（保护性气体）。羟基含量增高，因而在波长2．7μm处能产生强辐射带。未改进的石英辐射器表面温度一般小于600℃，改进后的乳白石英加热管或石英板式辐射加热器的表面温度达700～850℃[10]。

4．5远红外定向强辐射加热器

20世纪90年代中期引进了美国远红外定向强辐射加热技术后，保定市通达加热设备有限公司在对美国远红外辐射元件进行消化吸收后，研制出了新一代TD牌远红外定向强辐射器、远红外温控系统及远红外局部烤漆器等系列产品。其采用特种耐高温加热元件，在电热供源的背面以特殊高温反射材料形成结构的定向性，在电热源正面为多种微量元素掺杂的二次激发源，不含有任何有害射线。在通电2min以内，辐射器开始工作，其表面温差3%，辐射转换率可达99．99%，法向发射率>92%。由于通电时辐射元件辐射出定向极强的宽波谱，而被涂物在波长为9～15μm处具有特别的吸收峰，所以通过控制辐射器的温度，可有效地使辐射的波长与漆膜的吸收峰值吻合。运用光谱匹配吸收的原理，使被涂物及漆膜吸收能量转化为分子的热运动，达到由内到外快速干燥的效果[11]。

4．6燃烧气体式远红外加热器

目前国内外的产品干燥方式有多种多样，但从总体上看都属于是二次能源，如电力、蒸汽、高温水等。而远红外线在干燥器和加热器上使用的能源可以是一次能源如煤气、液化气、煤油等。它是利用激发水的活性的特点，干燥效果好，

成本相对比较低，应用前景可观。马春荣[12]根据远红外线的特点和加热原理，用加热和干燥的优点进行了分析、论证。这种远红外加热管的运转成本低，是一种经济节能设备。它采用的是真空燃烧方式，这种设备加热均匀、反应时间短、持久耐用、安全系数高、便于自动化管理。（如图3）它的工作原理是：燃料经燃烧器点燃，由于有真空（200mmHg），在燃烧室里燃烧后被迅速抽到放射管里，放射管表面达到150～400℃，从放射管放出与表面温度相应的远红外线，这些红外线经反射板反射经过空气到达被加热物质上。燃烧器的燃料使用油、煤气、LPG（液化石油气），主要构成有燃烧器、风机、过热防止器、油泵过滤器、电磁阀、点水器、防爆器、变压器、喷嘴、火焰监测器、观火口、继电器、开关等。可用在许多方面，用于涂料烘干也比较理想，可用于连续化生产。现在远红外反射装置也是远红外发射器的一个重要组成部分，常用作发射装置的有抛光的铝、不锈钢和带有镍、金镀层的钢板等都可用做红外线反射聚光镜的材料。抛光的铝板成本低、质量轻、容易加工，它的红外线反射率可达94%，但容易划伤。不锈钢虽然比铝硬，但是它的红外线反射率仅为80%左右，而且加工比较困难。带有镍、金镀

层的钢板比不锈钢好加工，而且硬度和不锈钢相当，不容易被划伤，红外反射率约为98%，但它的成本较高。金属反射器材料在540℃左右，它们都容易划出伤痕，所以大多数发射板要经过冷却，可采用空气冷却或是水冷却[13]。

图3燃烧气体式远红外发生元件

4．7碳纤维复合加热器

最近几年山东大学研究和开发了碳纤维远红外加热管，碳纤维取代了传统的金属钨丝和PTC等发热材料。碳纤维是一种黑体发热材料，它能完全吸收照射到它上面的各种波段的电磁波，对它进行加热后，在不同的温度发出不同波段的光，辐射与本身性质没有关系，只与波长与温度有关，而在同样温度下，黑体所发出的热辐射比任何物体都要强。黑体在不同的温度会辐射出不同的波段，可以利用匹配吸收的原理，根据漆膜烘干时所需的最佳波段来选择黑体的加热温度。它的电热转换效率可达到95%以上，工作温度可达

1200℃，发出的远红外线的波段在3～14μm之间，目前该段波长的远红外线是最有研究价值的，它不仅适用于烤漆工业，而且在医学界也特别有研究和使用价值，该段波长的光被称为“生命之光”，特别能有效活化人体的组织细胞、促进血液循环、增强免疫力。同时它也能够被空气中的水分子吸收产生共振摩擦热效应，提高了环境温度。这种远红外碳纤维电热管释放的热量绝大部分是红外辐射能量，与金属发热体不同，它完全避免了电磁场的产生，没有涌动的电流，使用寿命一般大于6000h（连续点燃的情况下6000～

15000h），发热体不会被氧化。它的管壁采用的是脱羟基石英玻璃，可以承受剧烈的温度变化（加热到1500℃然后投入到20℃的水里也不会炸裂）。图4所示是山东大学朱波，等

[14]2004年研制的复合电加热管。这种碳纤维辐射管采用内热外涂结构设计，内部用碳纤维缠绕在绝缘体骨架上，通过可靠的接头引出钼丝引线，根据所用纤维的K数（K为股数）和螺旋的圈数调节发热体的功率，最后将此加热芯整体安装在石英管内并真空封装。为了确保外部接线方便和安装安全，在两端引出线处与标准耐热钢螺栓连接并整体封装在陶瓷封头内，使用时通过螺母压紧与动力线相接。为了提高辐

射管表面的热辐射能力，在石英管表面涂敷一层高性能远红外涂料，调节辐射特性，提高整体性能。

图4碳纤维加热管

4．8无芯碳纤维远红外加热器

目前，碳纤维红外电加热辐射管所采用的发热体是高强度碳纤维长丝，在加工制造过程中柔性纤维需要用支撑芯来固定。支撑芯主要为耐高温的石英或绝缘陶瓷材料。由于石英或绝缘陶瓷材料柔性差，对于形状要求复杂的辐射管设计，难度极大。此外，由于石英支撑芯的存在，限制了电热元件的使用温度，使用温度过高，会因支撑芯的软化而导致电热元件报废，针对此类问题，曹伟伟、朱波，等[15]研制了无芯的碳纤维加热管，利用自创的特殊碳纤维长丝定型技术，开发研制了一种无芯碳纤维长丝电热元件，与有支撑芯的电热元件相比具有设计灵活、热响应时间短、元件表面温度高等优点。其中无芯碳纤维加热管的制作流程为：碳纤维

长丝预定型→支撑骨架脱膜预处理→预处理长丝加捻缠绕于石英骨架上→碳纤维长丝高温定型→脱膜、装配外套管→真空封装。从热响应上看（如图5），观察升温曲线，在所有时间段内无芯的加热管比有芯的加热管热响应速度明显要高。从传热过程来看，对于有石英支撑芯的碳纤维电热元件，能量转化过程，碳纤维发热丝将电能转化成碳纤维的辐射能Qfs，其中Qfs＝Q1＋Q2＋Q3。对加热体起到主要作用的是Q3，Q1、Q2分别为作用于支撑芯的辐射热和传导热。在电热元件工作过程中，碳纤维辐射热Qfs中的Q1、Q2部分被支撑芯吸收，而对于无支撑芯的电热元件来说，Qfs将全部起到辐射加热的作用。利用无芯体碳纤维红外加热元件，可加工生产圆形、U形、波浪形等多种规格的异形电热管，克服了目前有芯支撑管使用寿命不高，热响应时间较长等缺点。

图5织状电热管升温曲线

5现状与展望

红外线加热在漆膜固化中已经占有举足轻重的地位，人们已经逐渐地意识到了红外线加热的优势。目前，人们所用的碳纤维远红外管和定向远红外强辐射器等都在很大程度上提高了漆膜质量，节省了能源，比传统的加热固化装置具有更优异的性能。山东大学研制的用黑体作为辐射体是红外加热装置发展的一个趋势，并在各大烤漆房中已经得到了广泛的使用。红外线固化装置的不断完善，必将取得更大经济效益、社会效益和环境效益，使我国的涂装烘干工艺发展到更高的水平。