1、哈尔滨理工大学学士学位论文IYHL15014G拱形软基节能远红外烘干炉辐射场及结构设计摘要这篇论文以节能优化为目的采用抛物面反射的远红外辐射装置进行系统的分析得出最佳的结果，并且也对测试面的吸收特点进行处理分析，通过大量的数据分析计算出测试面所需的最佳温度以及对应的最佳匹配度。本次设计的内容就是利用远红外辐射加热根据对象不同的干燥加热而设计的拱形软基炉。本论文的设计重点是辐射场的优化。空间温度分布不均是影响辐射效率以及效果的重要因素，因此在论文中首先建立了直照度的模型并对微元环进行了直照度分析；其次，根据直照度的分析模型建立反射照度模型。基于直照度的模型。最后，对比分析直照度、反射照度各自的影
2、响因素并对他们综合因素的影响得出有用结论。有关红外技术的研究，在分析当前红外辐射吸收设计理论和应用的基础上，提出了最佳的匹配吸收设计方案1。对于工程背景，比较了软基涂层热风干燥与红外线干燥的特点，分析了红外干燥优点和难点以及必须解决的问题，研究确定了符合最佳匹配的元件表面温度；进行了满足辐射场要求的辐射器的科学布置，设计了简单低廉的温度控制以及带基保护的机、热连锁结构和参数，取得了节能、提高生产率和提高产品质量的多重效果1。取得的结果也可以作为其他远红外辐射节能加热设计时的参考。本论文还对整个模型进行了结果分析和一些必要的讨论，得出了一些有用的结论对用于实际生产是很有帮助的。本论文解决的主要手
3、段是利用计算机编制程序进行大量的计算得出目标要求的结果，这里我采用MATLAB71编制程序。论文主要作出模型的可视化以更形象的表达主要思路。关键词最佳匹配吸收方案；节能；远红外烘干；均匀度；辐射场优化；软基涂层哈尔滨理工大学学士学位论文IIYHL15014GENERGYSAVINGRADIATIONFIELDANDFARINFRAREDDRYINGFURNACEARCHSOFTFOUNDATIONSTRUCTUREDESIGNABSTRACTTHISPAPERFORTHEPURPOSEOFENERGYSAVINGOPTIMIZATIONUSINGPARABOLICSYSTEMDEVICEOFF
4、ARINFRAREDRADIATIONANDTHEANALYSISOFTHEBESTRESULTS,ANDALSOTOTESTTHEABSORPTIONCHARACTERISTICSOFTHEPROCESSANALYSIS,BYANALYZINGALARGEAMOUNTOFDATATOCALCULATETHEOPTIMUMTEMPERATUREREQUIREDFORTHETESTSURFACEASWELLASTHECORRESPONDINGOPTIMALMATCHINGDEGREETHECONTENTOFTHISDESIGNISUSEDACCORDINGTODIFFERENTOBJECTSOF
5、FARINFRAREDRADIATIONHEATINGDRYHEATINGFURNACEARCHDESIGNEDSOFTFOUNDATIONTHEDESIGNKEYOFTHISPAPERISTHEOPTIMIZATIONOFRADIATIONFIELDSPATIALTEMPERATUREDISTRIBUTIONARETHEIMPORTANTFACTORSINFLUENCINGTHERADIATIONEFFICIENCYANDEFFECT,SOINTHETHESIS,FIRSTOFALL,THEESTABLISHMENTOFADIRECTILLUMINATIONMODELANDTHEMICROY
6、UANRINGWASDIRECTILLUMINATIONANALYSISSECONDLY,ACCORDINGTOTHEANALYSISMODELOFDIRECTILLUMINATIONREFLECTEDILLUMINATIONMODELISSETUPBASEDONTHEMODELOFDIRECTILLUMINATIONFINALLY,THECOMPARATIVEANALYSISOFDIRECTILLUMINATION,REFLECTIONINTENSITYOFILLUMINATIONEACHINFLUENCEFACTORSANDCOMPREHENSIVEFACTORSTOTHEMDRAWUSE
7、FULCONCLUSIONSSTUDIESOFINFRAREDTECHNOLOGY,BASEDONTHEANALYSISOFTHE哈尔滨理工大学学士学位论文IIICURRENTDESIGNTHEORYANDAPPLICATIONOFINFRAREDRADIATIONABSORPTION,ONTHEBASISOFPROPOSEDTHEBESTMATCHINGABSORPTIONDESIGN1COATINGFORENGINEERINGBACKGROUND,COMPARESTHESOFTFOUNDATIONOFHOTAIRDRYINGANDINFRAREDDRYINGCHARACTERISTICS,
8、ANALYSESTHEADVANTAGESANDDIFFICULTIESOFINFRAREDDRYINGANDMUSTSOLVETHEPROBLEM,RESEARCHDETERMINESTHEOPTIMUMMATCHINGCOMPONENTSCONFORMTOTHESURFACETEMPERATUREMADETOMEETTHEREQUIREMENTSOFTHERADIATIONFIELDOFTHERADIATORSCIENTIFICLAYOUT,DESIGNASIMPLELOWTEMPERATURECONTROLASWELLASTHEBASETOPROTECTMACHINE,HOTCHAINS
9、TRUCTUREANDPARAMETERS,THEENERGYSAVING,INCREASEPRODUCTIVITYANDIMPROVEPRODUCTQUALITYOFMULTIPLEEFFECT1THERESULTSCANALSOBEASOTHERFARINFRAREDRADIATIONHEATINGENERGYSAVINGDESIGNREFERENCETHISPAPERALSOTOTHEWHOLEMODELWEREANALYZEDTHERESULTSANDSOMENECESSARYDISCUSSIONS,SOMEUSEFULCONCLUSIONSAREDRAWNFORTHEACTUALPR
10、ODUCTIONAREOFGREATHELP/VERYHELPFULINTHISPAPERTOSOLVETHEMAINMEASUREISCALCULATEDUSINGACOMPUTERPROGRAMFORALOTOFGOALSANDOBJECTIVESOFARESULT,HEREI71PROGRAMBASEDONMATLABPAPERMAINLYMAKEAMODELOFVISUALIZATIONTOMOREIMAGEEXPRESSIONOFTHEMAINTRAINOFTHOUGHTKEYWORDSTHEBESTMATCHTOABSORB,ENERGYSAVING,FARINFRAREDDRYI
11、NG,UNIFORMITY,RADIATIONFIELDOPTIMIZATION,SOFTCOATING哈尔滨理工大学学士学位论文IV目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景与机理112具体设计思路213红外节能原理3第2章辐照度421问题重述及讨论422模型假设523符号说明624模型建立6241最佳匹配吸收6242红外线加热器的辐照度计算9243直照度的数学推导10244反照度的数学推导1325基于直照度上的反照度几何模型1526两根管的叠加2027优化设计2128辐射器与走带机构的连锁控制2229本章小结23第3章烘干炉设计方案2431结构尺寸设计2432远红外参数2533
12、辐射器单支功率，支数及其布置设计25331各个辐射管的表面负荷26332辐射管的单支功率26333总支数和总功率的验算2634烘干炉其他设计26341辐射涂料的选取26哈尔滨理工大学学士学位论文V342反射罩的选取26343辐射加热装置及辐射器的组合与工艺布置26344热电偶的布置27345通风控制27346炉体保温27347炉温控制27348反射装置设计2735本章小结28第4章程序部分2941光谱曲线程序2942黑体光谱辐射程序2943最优匹配度曲线程序3044微元环的直照度程序3145一根热元件的直射照度3446微元环的反射照度3747一根热元件的反射照度4048一根热元件的总辐照度43
13、49两根管叠加49410Y的优化程序54411Y0的优化程序59412本章小结64第5章产品开发与技术经济分析6551产品设计价值分析65511价值分析概述6552产品开发中的技术经济分析67521技术可行性分析67522经济可行性分析68结论66致谢67参考文献68附录A外文文献69附录B中文翻译74哈尔滨理工大学学士学位论文1第1章绪论11课题背景与机理远红外加热技术兴起于70年代初，在第二次世界大战期间，广泛应用用工业生产、科学研究以及军事领域，尤其是局势方面比较突出，例如红外侦察、红外夜视、红外制导、红外成像制导、红外音声等,这些都是现代战争和未来战争中必不可少的战术和战略手段。其次，
14、它是重点推广的一项节能技术。远红外加热器有板状、管状、灯状和灯口状几种，所用的能源以电能为主，但是也可以利用煤气，蒸汽、沼气和烟道气等，利用这项技术提高加热效率，重要的是要提高被加热物料对辐射线的吸收能力，使其分子振动波长与远红外光谱的波长相匹配。因此，此项及时在利用的过程中，我们要按照“因材施用”的原则，根据被加热物的实际要求来选择合适的辐射元件，合适的辐射涂层材料，以及要注意改善加热体的表面状况。与传统的蒸汽、热风和电阻等加热方法相比，红外加热具有一下五个常见特点加热速度快、新产品质量好、设备占地面积小、节能节约和加热效率高等优点。根据实际调查我们可知道，用它代替电加热，一般可节电30左右
15、，在有些场合甚至可达6070。为此，这项技术已广泛应用于油漆、塑料、食品、药品、木材、皮革、纺织品、茶叶、烟草等很多种制品或物料的加热熔化、干燥、整形、消费、固化等不同的加工要求。在早期应用中，用红外灯泡作为辐射源，由于受到种种限制，只能作为近红外能辐射源，再后来，日本科学家研究出来氧化镁管和碳化硅板，红外加热效果得到比较明显的提高。一般认为，对木材、皮革、油漆等有机物质、高分子物质及含水物质的加热干燥，其效果最为显著。在一些场合，这项技术与硅酸铝耐火纤维保温材料同炉应用的效果甚佳。远红外加热技术是一门新兴科学，近几年随着远红外生产品种和数量的不断增多，它的应用领域也不断扩大，远红外加热技术日
16、益引起人们的重视，因此研究远红外辐射材料和应用于发有着广阔的前景。随着工业和科学技术的高度发展,能源的供需矛盾日益加深。日本由于缺乏能源资源,对节能技术给予高度的重视。日本在1964年开始研制远红外辐射元件,70年代初已广泛应用于生产,从此远红外加热技术迅速发展成为一个新兴领域,由于其明显的节能效果,越来越多的国家重视这一技术的发展和应用。经过许多科技工作哈尔滨理工大学学士学位论文2者的研究,先后制造出了比温度计灵敏度高的多的红外探测器、人造红外辐射源、精密的红外光谱分析仪器红外光谱仪。目前探测器的灵敏度可以比普通的水银温度计高1万倍利用激光技术生产的红外束,可使照到样品上的功率密度比太阳能高
17、1亿倍红外光谱仪分解光谱的性能也比牛顿分光法高出1千倍1。远红外辐射材料的节能原理为远红外辐射材料对其它能量的有效转换和被加热物质的分子振动所吸收，而达到加热、干燥等目的，它具有节能、加热升温快，无污染，热效率高等特点，可广泛应用于纺织、印染、机电、印刷、玻璃退火、食品加工和医疗保健、民用炊具、取暖设备等方面，我们所研制的远红外陶瓷辐射材料用在铝制品的涂层上，其节时率达40以上，热利用率增量为35左右，节能率80以上，是一种理想的高效节能材料。在我国，远红外加热技术的应用，从碳化硅、金属管、电阻带、陶瓷、半导体、搪瓷等元件到80石英管、镀金石英管、微晶玻璃灯等元件,再到目前的远红外定向强辐射器
18、，中国的远红外加热科技在中国科学家的努力下，经过了三个阶段的发展已经逐渐成熟，而且远红外元件电能辐射转换效率由从前的4050提高到78以上，烘道、烘箱由密闭、保温型发展到开放型。在当前我国国庆的基本情况下,远红外加热水平的提高,在节能和提高加热干燥物质量方面具有十分重要的意义。远红外加热理论发热体的辐射光谱与吸收体的吸收光谱曲线相匹配时，热效率最高。只有当被加热物的厚度在红外光谱测量厚度时，远红外的匹配吸收理论才正确。本课题是设计YHL15014G烘干炉。它具有这些优点（1）工件通过速度快；（2）强辐射，完全辐射（对流不记），烘烤均匀，成品效果佳等特点。由于强辐射、通过速度快，所以本课题要求所
19、设计的远红外烘干炉要求工件所处的温度场很均匀。12具体设计思路本课题设计通过热电偶测定炉内温度，并用可控硅自动控温，同时注意符合辐射吸收的定向集中辐射、最佳光谱匹配和最佳综合效益原则。在设计中，可调节最佳辐射距离。在处理最佳均匀温度场时，在确定最佳辐射温度的前提下，利用受热物体任意点处的温度与辐照度成正比的关系，通过比较空间任意点的辐照度，寻找几个点的辐照度中插值最小的辐射器的距离，并哈尔滨理工大学学士学位论文3进行调节、比较，寻找最佳辐射器间距，最终达到辐照度近似均匀一致。由于本部分计算量特别大而且复杂，在本设计中有很大的比例，需要计算内容也很大。13红外节能原理高温远红外加热的核心技术是高
20、温红外涂料的研究与应用。其节能机理简单地说有如下三点1热传递的基本方式，即传导、对流、辐射。当炉体温度在900OC以上时，热量传递给炉膛，热辐射是对流的15倍，热量传递以辐射为主，约占90以上，高温物体的热能传入低温物体。当炉窑耐火砖内表面涂上该涂料后，该涂料涂层与原耐火砖相比，从0608上升到098，这时炉内表面吸热量大大增加。但由于涂料本身在高温下辐射率高达97，根据波尔兹曼四次方定律，即物体表面热辐射能力与其绝对温度的四次方成正比。随着温度的升高，炉内表面热辐射能力即以四次方的数值跃增，从而使炉堂内的热效率显著提高，达到节能的目的。由于炉内温度升高，燃料的燃烧更加充分，节能效果因此更显著
21、。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50100OC。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
22、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21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
23、。本论文中取200MMD，100MMH，05ML，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。22模型假设（1）辐射元件为光滑的管状元件，其表面
24、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。23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；
25、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。24模型建立241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
26、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，28630833333734235356362413502吸收率,K867060707124095波长M，541567588625632643662671687696吸收率,K27210572030706070波长M，714728753833856873887916924932吸收率,K30401052482092810波长M，9651010181111221145116511712341265吸收率,K39101352
27、2102851050波长M，127913071325137514114471536吸收率,K30855179507430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1111YIYIYIYIIYYIIIII（21）有量子力学理论得到的普朗克定律1512TCBECE（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162374210WM；2C表示第二辐射常量，其值为2
28、1438810MK。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1471DIBIIQYE吸（23）式中吸Q表示所吸收的辐射能量。0102030405060708090吸收率，波长，M二甲苯的吸收光谱曲线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，824W56710MK。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
29、对应的相对匹配吸收为017989。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。242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,222ZYXP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，RDEEE。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
30、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。243直照度的数学推导在辐射元件上任意取一点,TTTTZYXP，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DALLDECSD2COSCOS（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
31、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LM/，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112COSCOSDDSCDMEAL（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2COSCOSWDSCDMEAL（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DDZYZYRMWERRRRD4SINCOSSINCOS1010式中COS02RYYYR，SIN02RZZZR，222DRRRXZY，02020ARCTANYYZZ，2022021ARCCOSYYZZR/ARCSIN
32、2RZ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400450C0，在这里我们暂取选取700K。热元环的宽度选取0001M，001MR，测试面距原点的距离为04M，圆环的圆周上以/180010为步长，圆环的圆心为0，004，0，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05，05范围内有
33、效；在X方向离中心较远处辐射能量约为0约是在0008300099，而最大值约为06838，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。244反照度的数学推导如图29所示，任取辐射元件表面上某点,TTTTZYXP，设有一束射线沿S
34、INSIN,COSSIN,COSA方向发射，经反射罩反射后沿SIN,SINCOS,SINCOSB方向照射到测试面上某点,222ZYXP，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2DDDCOSSPLA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142DDDCOSSMPA，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22
35、2COSDMD,SRAEDXYDYZDZXDDD（27）式中YYXXDYXD,，ZZYYDZYD,，XXZZDXZD,，S为向量A与辐射元件表面TP处法线所成的角。对上式进行积分，即得到由加热管发射经反射罩反射照到P点处的反射辐照度，即222COSED,SRDMADXYDYZDZXDDD（28）式中D是辐射元件表面反射罩反射可看见P点的区域。由于红外线辐射线的反射也满足光的反射原理，所以有0,NBANBNA式中00SIN,COS,0N是TP沿A发射的红外辐射线照到反射罩上点SSSSZYXP,处反射罩表面的单位法矢量。由上式我们可以解得哈尔滨理工大学学士学位论文151220是某个常数KK根据反射
36、罩表面的柱面方程，对已知的A可以求出点SP，利用其他的关系式求出B，再由测试面方程求出P点，这样我们就可以得到X，Y及Z关于,的函数关系式。对于给定的测试面上的P点，利用函数关系式可以求出A，S，因而就可以计算出辐射元件的反射辐照度。25基于直照度上的反照度几何模型由上面反照度的数学推导可知，表达是比较繁琐，这给计算机编制程序带来了一定的困难，因而我们基于直照度的表达式来建立反射照度的几何模型。如图210所示，首先，由于红外线辐射遵守光的反射原理，我们可以将测试面上P点处的以DA切平面L为镜像到DA，这样在微元DA处就相当于PT点直接照射到DA处，因而DA处的辐照度就可以用直照度的公式了。对于
37、给定一个角时，在这一点所能照射到的抛物面范围最终能得到一个镜像曲面，如图211所示，这个曲面上的任意一点都对应着测试面上一点，且由图可以看出由一点发出的射线不能相交可知，它们之间是一一对应的关系。图210反射辐照度哈尔滨理工大学学士学位论文16图211镜像辐射面设表面反照度的方程为PYZ22辐射元件的表面方程为2220RZYY式中R为辐射元件的半径。在给定一个值时，TTTTZYXP,就是已知的，1N为SIN,COS,0，2N为ZP2,2,0，这样每照射到SSSSZYXP,点就对应着一个222,ZYXP，由0,NBANBNA可以得到以下关系式SSTSSTSSSSTXPZYZZZPPZYZZZPX
38、XX2222222哈尔滨理工大学学士学位论文172222222222222222222SSSSSSSTSTSTSTSTSZZPZYXXPZYPZZZZZPZYXXPZYPZZZ式中2Y为一常数；从以上三个关系式，给一个SSSSZYXP,点，就可以联立解出一个P点。在直照度计算中已经推导出一点对测试面上的辐射照度，再反照度里其表达式为2COSCOSWEDSCRMAL式中RWE表示一点对一点的辐照度。由我们的假设，上式可以简化为DDZYZYRMWERRRRR4SINCOSSINCOS式中COS02RYYYR，SIN02RZZZR，2222XZYDRR，或2222222222222SSSSTSTST
39、ZZPZYXXZZPZYXXD为测试面点P处的法线与Y轴夹角，/ARCSIN2RZ。2Y和2Z是测试面上的一点以抛物线切线为对称轴的对称点。计算出微圆环对测试面的反射辐照度后，把所有的圆环叠加后就得到一根辐射元件的反射辐照度。哈尔滨理工大学学士学位论文18在这里我们暂取选取700K。热元环的宽度选取0001M，001MR，测试面距原点的距离为04M，圆环的圆周上以/180010为步长，圆环的圆心为0，004，0，抛物线的开口为200MM，深为100MM，抛物线的焦点为0025M，测试面上以边长2M的正方形中求一个热元环对各点的反射辐照度如图212。从图中可以看出，辐射量的分布正好与微元直照度相
40、反，中间低两边高，这样对于他们的叠加后均匀度有好处，至少在边沿处可以使能量分布较均匀，而且也可以看出尽管我们在测试面上取了较大的范围，但在热管轴线方向能量是比较集中的，这跟圆环的圆心坐标有关，在后边我们将给予说明；在左下图中，我们可以看出均匀度不好，尤其是在中间，能量时高时低交替变换，微圆环的叠加可以消除一些不均的现象，在后边我们将叠加并作出图形给予讨论；在右上图中，很明显表现出各处能量的不均匀现象；右下角是微圆环反射照度的三维图形。图212微元环的反射照度在这里我们也将上图中的微圆环进行叠加。由于测试面上的步长为001M，为了简便我们的热管上叠加步长也为001M，叠加100次得到如下图形如图
41、213。图中显示，在测试面上热管轴线方向的辐射是比较均匀的，哈尔滨理工大学学士学位论文19且能量主要集中在中心区域，由于抛物线反射罩具有聚集能量的特点，所以与直照度相比，经过反射的能量时较集中，这样能量损失也就较小因为我们只利用核心区域，边沿不考虑，换句话说，在一定条件下，充分的利用反射罩对我们的辐射设计是有好处的；在垂直热管轴线方向，仍然不均的现象，从直照度的图中大约可知，叠加后可以消弱不均的现象但不能消除。在右上图中可知，在轴线方向，辐射均匀，有条纹就体现了不均，特别在中间也就是热管的正对面，有一小块能量很高，这会产生不良的结果，实际上这就是我们所说的“射差问题”，后边将给与一定的讨论。右
42、下图是单根热管反射照度叠加后的三维图形。解决不均的现象就是我们的优化设计的问题。图213单根热管的反照度为了更好的解决测试面上不均的问题，下面我们将直照度和反射照度进行叠加，从叠加的结果来分析解决的方法如图214。下图就是在温度取700K，R001M，测试面距原点的距离为05M，圆环的圆周上以/18010为步长，圆环的圆心为0，004，0，抛物线的开口为200MM，深为100MM，抛物线的焦点为0025M，测试面上以边长2M的正方形中求一个热管对各点的辐射照度。测试面划分成以001M为边长的小网格，在下图中也分别从平行于热元件的轴线方向和垂直于轴线方向描绘出微哈尔滨理工大学学士学位论文20元环
43、的反射辐照度，其次给出了从顶端看的等辐射线。从上图可以看出，叠加后不均现象仍然存在，且在热管的轴线方向不均加剧了，由兰贝特定律可知，直照度在边沿中的贡献大不好，从这里也可看出，测试面上的能量最好是通过反射罩获得，当然要在一定的条件下，这样不但可以减少能量的损失而且还增加了均匀性，至于垂直轴线方向的情况，要通过多根热管来削弱，必须保证不产生射差问题。图214单根热管的总辐照度以上图中的情况为例，可能会产生射差问题也可能不会，就看在所照的对象传热程度，热在高辐射区热量很快传开这就不会产生射差问题，如果传热速率很慢，射差问题就可能产生。在图213与图214右上角图中相比较，在核心区域均匀度增加了。2
44、6两根管的叠加当辐射元件及相邻两个反射罩的位置参数取得一个理想值时可使测试屏上获得的总辐照度足够均匀，而且其所获得的辐照度来自两根辐射管，不受第三根管的影响，也即第三根管的辐射能根本到达不了测试屏。这样辐照哈尔滨理工大学学士学位论文21不均匀现象消除，避免了局部过热而损坏烘干对象，可以保证烘干质量和效率，此时的辐照度分布如图215。图215两根管叠加的总辐照度27优化设计本设计是在理想状况下设计，然而，理想情况几乎达不到，但是为了保证烘干质量和效率，我们需要找出在现有条件所能达到的最优值，也即使辐射热损失降低到所能满足的最小值，使到达测试面的能量尽可能均匀。在第一章中我们提到，衡量均匀程度的标
45、准为方差值，为此编制了在Y和Y0变换的时候计算各个方差的程序。Y的范围取02025，步长取001，其所对应的方差值为EEE10E005100340985909622094650930209135由此可知随着Y的增加方差逐渐减小，方差越小越均匀，可取30Y。0Y的范围取为002008，步长为0005，其所对应的方差值为哈尔滨理工大学学士学位论文22EEE10E005COLUMNS1THROUGH80495906284077841003709137090040876708664COLUMNS9THROUGH130853708509085370859808672由此可知随0Y的增加方差值首先增加而后
46、减小，但是当0200Y的时候方差最小，故取0200Y。28辐射器与走带机构的连锁控制软基涂层的最大工艺难度是基底耐温能力差。当走带停止时，带基在辐射器的直接照射下，容易产生皱褶损坏带基。由于温感元件测量的是炉内的温度，其温度的升高必然会滞后于带基。即便是能够直接测量工件表面的温度，温度的测量与控制也不可能绝对同步。由于带基对温度的极端敏感性，所以保护带基不能依靠温度的调节。为此，我们电路中加装了辐射器与走带机构的连锁控制，当走带机构停止时，加辐射元件即刻停电，由于所选的加热器的热惯性小，故其表面温度下降很快，不至于损坏带基。当走带开始后，加热器才通电，从而确保带基不被考坏。因此在电路中需要利用
47、时间继电器，综合性能分析，选择20JS型单结晶体管电子式时间继电器（如图216）。电路左边部分是电源，经整流和滤波后的电压加在晶闸管1T和继电器线圈KA串联的电路上。再经稳压二极管ZD和电阻2R稳压后的电压加在右边单结晶体管2T的触发电路上。4C也是滤波电容。延时从接通电源开始，而后分1PR，3R和2PR，5R，2D两路对电容3C充电。2PR一路阻值小，进行快速预充电，1PR一路在预充电的基础上充到3C上电压上升到等于单结晶体管的峰点电压时，单结晶体管导通，3C向4R放电，在4R上形成一个脉冲电压，触发晶闸管导通，继电器线圈通电，断开动断触电，氖指示灯HL起燃，延时结束。同时动合触点KA闭合，
48、3C迅速放电。断开电源，继电器线圈断电，恢复原状。哈尔滨理工大学学士学位论文23图216走带机构的连锁控制图29本章小结本章分别讨论了以下五方面的内容1微元环对测试面的直照度和反照度；2单根管对测试面的直照度、反照度与总照度；3两根管对测试面的总照度；4匹配度与辐射场的优化处理；5辐射器与走带机构的连锁控制。哈尔滨理工大学学士学位论文24第3章烘干炉设计方案31结构尺寸设计1工艺流程及技术要求自装配线来加热挥发固化下线黏胶带的宽度不妨为MM1000，黏胶带的行走速度为MIN/M5。黏胶带在炉内的烘烤时间为MIN5。烘烤面积为MIN/M515S22烘干炉的生产效率按照烘烤表面积2M5G3拱形的类型及有关参数烘炉类型为箱式烘炉，一端有门，受热车体沿着一定的坡度固
