拱形软基节能远红外烘干炉辐射_场及结构设计毕业设计(编辑修改稿)

拱形软基节能远红外烘干炉辐射_场及结构设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

料的燃烧更加充分，节能效果因此 更 显著。 (2)高温远红外涂料由强辐射材料组成，高温下辐射远红外波，这些红外波的穿透能力极强，能穿透被加热物体和燃料本身，使被加热物体里外层同时受热。 穿透燃料里层时，使里层的燃料分子吸收红外波而产生能级跃迁，放出能量，加速燃料的燃烧，改善燃料的燃烧状态，达到节能的目的。 (3)由于炉堂内壁涂了远红外涂料后，涂层 表面温度显著增加，但它本身的吸收热量很少，只有耐火砖的 1/10，大部分热量被它辐射回来，使炉内温度明显提高。 根据实际应用的情况来看，一般提高 50～ 100OC。 由于辐射作用，炉内热风产生循环，冷空气产生逆流，其烟气在炉内停留时间增加，产生二次燃烧，排烟温度降低，热损失减少，从而提高了热效率。 总之，各类高温窑炉内壁刷涂高温远红外涂料后，可减少炉壁热损失，提高炉内热辐射；同时被加热物体的热吸收性能也相应得到改善，从而提高了加热效率，达到节能的目的。 哈尔滨理工大学学士学位论文 4 第 2章 辐照 度 问题重述及讨论 如图 21 所示，计算管状辐射元件安置在抛物面型反射罩中对测试面上任意一点的辐照度，其中抛物面开口宽度为 D ，深度为 h ，管状辐射元件长为 L2 ，测试面为曲面，半径为 R，辐射元件半径为 r （如图 22）。 目标要求在多个抛物面和辐射元件组合下， 图 21 红外辐射简易装置 图 22 红外辐射平面示意图 哈尔滨理工大学学士学位论文 5 调节 y 和 y0(见图 23)使测试面上受热比较均匀；其次选择最适合的温度使测试面的吸收程度最高，即最佳匹配吸收。 本论文中取 200mmD ，100mmh ，  ， 10mmr ，测试面垂直 y 轴且到坐标平面距离为mm400 ，测试面上的涂料为二甲苯溶剂。 图 23 辐射器与反射罩位置调节图 由目标要求可知，先要在满 足最佳匹配吸收的条件下来获得辐射元件的最佳温度，其次用微分几何来解决测试面上任意一点的辐照度问题。 很显然，用全部抛物面和辐射元件来推导对整个测试面的辐照度是相当复杂的，因为整个反射面不能用一个具体的函数来表达且 y 和 y0 的调节使得它们不断变化，因此我们从抛物面群中取出一个抛物面，再在辐射元件上取一个微元环，建立微元环对测试面辐射的几何模型，最后进行叠加就可以了。 模型假设 （ 1） 辐射元件为光滑的管状元件，其表面的辐射度均匀且为理想的朗伯源； （ 2） 只计算辐射元件产生的辐照度，但被辐射元件本身遮挡的部分不计，而 且有其他处产生的辐照度忽略不计； （ 3） 反射罩的反射率为 1， y 轴通过辐射元件的中点，加热管平行于 x轴，工作表面垂直于 y 轴； （ 4） 辐射元件只对测试面上长为 m ，宽为 n 的范围内起主要贡献作用，哈尔滨理工大学学士学位论文 6 对于范围之外的贡献可忽略； （ 5） 均匀度比较时只计算核心区域，边沿处不考虑； （ 6） 抛物面的长度远大于辐 射元 件的长度； （ 7） 本论文中只考虑远红外辐射，对流不予考虑。 符号说明 D 表示抛物面的开口宽度； h 表示抛物面的深度； L2 表示辐射元件的长度； r 表示辐射元件的半径； y 表示两辐射元件之间的距离； y0 表示辐射元件轴心距抛物面顶点的距离；  表示 吸收物质的波长； k 表示涂料的光谱吸收率； e 表示自然对数的底； 吸Q 表示所吸收的辐射能量； bE 表示光谱辐射力， 3Wm ； T 表示黑体的热力学温度， K ； bE 表示温度为 T 的物体的黑体辐射力； dE 表示辐射元件的直辐照度； rE 表示辐射元件的反射照度； dWE 表示一个微元环的直辐照度； d 表示辐射元件上一点到测试面上一点的距离； WEr 表示一点对测试面上一点的反射照度。 模型建立 最佳匹配吸收 由于不同物质有不同的红外吸收光谱， 各种涂料的吸收光谱主要是用仪器测量得到，结果表明吸收率随波长变化而变化；由仪器描绘的吸收曲线极其复杂，难以用具体的函数来表达，为了解决这个问题我们可以采用曲线拟哈尔滨理工大学学士学位论文 7 合或将其简化成折线，这里我们采用多个小段的折线代替吸收曲线。 对于二甲苯我们取 47 个点如下页表 21 所示。 表 21 二甲苯的吸收光谱 波长 m， 吸收率 ,%k 8 6 70 60 70 7 12 4 0 波长 m， 吸收率 ,%k 2 7 2 10 57 20 30 70 60 70 波长 m， 吸收率 ,%k 30 40 10 5 24 8 20 9 28 10 波长 m， 10 11 吸收率 ,%k 39 10 13 5 22 10 28 5 10 50 波长 m， 吸收率 ,%k 30 85 51 79 50 74 30 将上表中的点依次首尾相连得到模拟吸收光谱图 (如图 24)，得到吸收光谱后我们就可以选取最适温度使二甲苯的吸收最大。 哈尔滨理工大学学士学位论文 8 图 24 二甲苯的吸收光谱曲线 对于任意一段折线我们建立这一段的方程： ( 1 ) ( ) ( ( 1 ) ( ) ) ( )()( 1 ) ( ) ( 1 ) ( )y i y i y i y i iy y ii i i i                （ 21） 有量子力学理论得到的普朗克定律： 1)(512  Tcb ecE （ 22） 式中： bE 表示光谱辐射力，3Wm；  表示波长， m ； T表示黑体的热力学温度， K ； e 表示自然对数的底； 1c 表示第一辐射常量，其值为 16 10 W m； 2c 表示第二辐射常量，其值为 10 m K。 由此给定温度 T 后就可以得二甲苯的全部波长范围内的吸收辐射能量： ( 1 )471 ()( ( ) d )ibi iQ y E  吸 （ 23） 式中 吸Q 表示所吸收的辐射能量。 哈尔滨理工大学学士学位论文 9 从而，相对匹配度为： bEQp 吸 （ 24） 式中 bE 表 示 温 度 为 T 的 物 体 的 黑 体 辐 射 力 ， 4ETb  ， 8 24W5 .6 7 1 0 (m K ) 。 对上的推导我们可以对不同的温度求出相应的匹配度，然后找出最佳匹配度，具体做法：将温度 T 赋予初值 300K ，以 1K 为步长逐步增加到 700K ，用计算机拟合得到的结果如图 25 所示： 图 25 相对匹配度曲线 从上图得到，最佳匹配吸收点是在温度为 426K 时获得，此时对应的相对匹配吸收为。 到这里我们得到了所需的最佳温度，下面将进行测试面上均匀度分析。 红外线加热器的辐照度计算 从简易模型可知，照射到测试面上某点 ),( 222 zyxP 的红外线来自两个部分：一部分是由辐射元件发出直接照射到 P 点；另 一部分是由辐射元件发出经反射罩反射后照射到 P 点，因此照射到 P 点的辐照度 (记为 E )是由辐射元件发出直接照射到 P 点的辐照度 (后称为直辐照度，记为 dE )与辐射元件发哈尔滨理工大学学士学位论文 10 出经反射罩反射后照射到 P 点的辐照度 (后称为反射照度，记为 rE )之和，即有， rd EEE 。 管状辐射元件是一柱面辐射源，柱面的大小与抛物面相比不能看作无限小，因而不能将其看作点光源；由于反射罩的存在，也不能将其看作线辐射源。 因此我们将热源件表面先分割成多个小微元环 dL ，在将一个环分割成一些小微元面 dA，可将 dA近似看作一个点辐射源，计算出 dA 对 P 点的辐照度，然后对整个圆环进行积分，最后将全部的微元环进行叠加，这样就得到了整个测试面上的辐照度，当然 P 点的辐照度也就知道了。 直照度的数学推导 在辐射元件上任意取一点 ),( tttt zyxP ，在 tP 附近取一小微元 dA ，则由兰贝特定律和辐射定律可知，在测试面上 P 点处的直辐照度为： 图 26 直照度 dAlLdE csd  2 c o sc o s  （ 25） 式中 L 是辐射元件表面 tP 处的定向辐射强度， l 是 tP ， P 两点之间的距离，s 为 tP 处辐射 元件表面外法线与 PPt 所成的夹角， c 为测试面上 P 点处法线与 PPt 所成的夹角。 (如图 26) 由假设可知，定向辐射强度 L 是一常数，其大小为： L=M/ ， M 是辐射元件表面的辐射强度，因而 （ 25） 式为： 哈尔滨理工大学学士学位论文 11 2c o s c o sddscd MEAl    （ 26） 对此式进行微元环上积分，就得到一个微元环对 P 点处的直辐照度，因而有： 2c o s c o sWdscd MEAl    （ 27） 式中 dWE 表示一个微元环的直辐照度。 由我们的假设，上式可以简化为：   dd zyzyrMWE rrrrd    4 )sincos()sincos(10 10 式中： c o s02  ryyy r ， sin02  rzzz r ， 222d rrr xzy  ，02020 ar ct an yy zz  ， 2022021 )()(a r c c o s yyzzr )/arcsin( 2 Rz  为测试面点 P 处的法线与 y 轴夹角， R 为测试屏半径。 由最佳匹配度吸收原则可知，测试面上的最佳温度为 426K ，因而我们设计的辐射器 温度应在 400— 450C0 ，在这里我们暂取选取 700K。 热元环的宽度选取 ，  ，测试面距原点的距离为 ，圆环的圆周上以 /  为步长，圆环的圆心为 (0， ， 0)，抛物线的开口为200mm，深 为 100mm ，测试面上以边长 2m 的正方形中求一个热元环对各点的直辐照度如下页图 27 所示。 哈尔滨理工大学学士学位论文 12 图 27 微元环的直照度 从上图可以看出，辐射能量大部分是集中在中心区域；在 Z 方向受到抛物线开口的限制，测试面上的辐射只能在约 (， )范围内有效；在 X 方向离中心较远处辐射能量约为 0(约是在 ~)，而最大值约为，远大于边沿地区，这样说来两个相隔一定距离的微元环就影响很小，最后将全部的微元环进行叠加，就是一根辐射元件对测试面的直辐照度如下页图 28 所示。 图 28 单根热元件的直辐照度 哈尔滨理工大学学士学位论文 13 正如分析所说，叠加的结果是相当令人满意的。 他们的误差也可以忽略不计，在实际生产过程中从 X 方向来说，利用 1m 范围内，也就是说边沿地区不是利用的主要区。 因此在做微元环对测试面的辐照度时，仅考虑正对面的 1m 的长形区域就满足了。 反照度的数学推导 如图 29 所示，任取辐射元件表面上某点 ),( tttt zyxP ，设有一束射线沿 )s i ns i n,c o ss i n,( c o s  a 方向发射，经反射罩反射后沿)s i n, s i nc o s, s i n( c o s 39。 39。 39。 39。 39。  b 方向照射到测试面上某点),( 222 zyxP ，假设由 tP 点沿 a 以 d 立体角发射的射线经反 射罩反射后照射到测试面 P 点附近微元 ds 上，则由辐射定律和兰贝特定律可知，由 tP 处微元 dA沿 a 照射到 ds 上的辐射功率为： 2d d d co s sp L A      图 29 反射辐照度模型 式中 L 表示 tP 点处的定向辐射强度， s 为辐射元件表面 tP 处外法线与 向量 a所成的夹角。 同样，由我们的假设上式可以写成： 哈尔滨理工大学学士学位论文 14 2d d d c o s sMpA     ， 式中 M 是辐射元件表面的辐射强度。 由辐照度定义可知， tP 点处沿 a 经反射罩反射照到 P 处的反射辐照度为： 222c o s dMd( , ) ( , ) ( , )( , ) ( , ) ( , )sr AE。