红外辐射温度范文

红外辐射温度范文（精选9篇）

红外辐射温度 第1篇

现代战争越来越重视通过目标所产生的红外辐射来探测、识别和攻击目标,为了提高武器装备的战场生存能力,首先需要掌握其红外辐射特性。

坦克是地面战争的主要机动性攻击武器装备。坦克的结构决定了其动力舱空间狭小,内置动力装置和传动装置,高温热源多,除冷却空气流动的进排气窗外,其它部位均是封闭的,造成动力舱装甲板具有较高的温度,太阳的辐射也会引起装甲板的温度升高。因此动力舱装甲板的红外辐射成为坦克被红外探测器探测的重要信号。

本文建立了动力舱装甲板温度场计算模型,通过与试验值的对比检验了温度计算精度,在此基础上计算了动力舱的红外辐射特性。

1 动力舱装甲板温度场计算模型

1.1 动力舱装甲板传热分析

坦克动力舱装甲板由前装甲板、顶装甲板、左右侧装甲板、后装甲板及底装甲板组成。装甲板内表面与动力舱空气之间存在对流换热,装甲板外表面与环境空气之间存在对流换热并受到太阳的热辐射,因此装甲板的传热是耦合传热问题,见图1。

可见,要求解动力舱装甲板的温度场,就需要掌握动力舱外空气流动状况、动力舱内空气流动状况、太阳辐射状况以及装甲板节点之间的导热状况。对此,本文应用了外流场和内流场与装甲板导热耦合、太阳辐射热量作为边界条件的CFD数值求解策略。

1.2 计算区域及网格划分

动力舱装甲板热平衡计算区域由三部分组成,即动力舱外空气流场区域、装甲板区域和动力舱内空气流场区域。动力舱外空气流场区域为舱外大气环境,其确定原则是在其表面上可以方便地设置空气流入、流出的计算边界条件,计算区域尺寸对冷却风道流场与温度场的计算结果不产生影响;同时要尽可能的节约计算资源。最终满足上述要求的计算区域是通过多次数值计算得到的。取距动力舱顶装甲板上方2.5 m、距左右侧装甲板分别1.5 m、距后装甲板1.5 m、距前装甲板0 m的区域,作为动力舱外空气流场区域。装甲板区域包括前装甲板、顶装甲板、左右侧装甲板、后装甲板及底装甲板,顶装甲板考虑了进排气百叶窗的尺寸与位置。动力舱内空气流场区域为整个动力舱内的空气流动风道,做出动力舱内动力装置和传动装置等部件的三维几何实体模型,由动力舱总容积减去实体模型,即为动力舱内空气流场区域。

采用分区的结构化网格和非结构化网格对计算区域进行网格划分,图2显示了整个计算区域的网格示意图。图3是装甲板的网格示意图。

1.3 边界条件与求解

对动力舱外空气流场区域的入口处采用压力入口边界条件,考虑环境空气的温度、压力、风速的作用影响,并加入坦克行驶速度的影响,输入进口边界处的空气总压、总温和湍流参数;对动力舱外空气流场区域的出口处,应用压力出口边界条件,输入出口边界的静压和倒流状态的参数;对动力舱内空气流场区域的壁面,应用壁面函数法边界条件,壁面温度应用热网络法求出动力装置[1]和传动装置[2]的表面温度及其向动力舱内空气的散热量;对于风扇边界,将已知的试验特性曲线作为边界输入;换热器边界输入已知的试验特性曲线。动力舱装甲板温度场计算中的耦合计算区域为动力舱风道内空气、动力舱装甲板和动力舱外部空气。对于计算区域中耦合边界视为内部边界,全部定义为固体壁面边界,装甲板温度由内热源传热、对流换热和辐射换热动态地决定,在计算中固体壁面边界可以自动在相耦合的两个体之间传递热交换条件,无需再进行单独定义。太阳热辐射边界条件选择离散坐标计算方法,输入经度、纬度和时区;日期和时间;方位朝向和太阳辐射因子。

应用三维湍流可压缩空气流动与传热控制方程组描述计算区域的空气流场,由质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、标准k-ε湍流模型和完全气体状态方程组成[3]。

对流场与装甲板温度场求解不同的能量方程,流场与装甲板温度场互为边界条件交换数据,实现耦合解算。装甲板内的传热方式以导热为主,同时考虑辐射换热的影响,求解的能量方程形式如下[3]:

式中:k表示热导率(W/(m2k));T表示温度(K);St表示热量源项(W)。

应用Fluent软件,对动力舱装甲板温度场进行数值计算。控制方程的离散采用一阶迎风差分格式,选择非耦合求解器和Coupled求解算法。经过循环迭代计算,获得收敛解。

2 动力舱红外特性计算模型

将动力舱装甲板划分为若干单元,并认为各个单元表面的温度不变。划分原则是温度变化梯度大的区域划分较密集,其他部位划分较稀疏。对于动力舱装甲板外表面上任一单元,其红外辐射由自身辐射和反射辐射两部分组成。

2.1 自身辐射模型

在获得动力舱装甲板表面温度场以后,其自身红外辐射通量可以直接从普朗特公式得到。考虑3∼5µm和8∼14µm两个波段。普朗特公式近似表示为[4]

式中:Eλ1∼λ2表示动力舱装甲板表面的光谱辐射照度(W/m2);C1、C2分别表示第一辐射常数和第二辐射常数,C1=3.74310-16 Wm2,C2=1.438 710-2 mK;λ表示辐射波长(m);T表示动力舱装甲板表面的温度(K)。

2.2 反射辐射模型

装甲板外表面的反射辐射为

式中:ρsun表示表面红外波段范围的太阳反射率;ρ表示表面红外波段范围的反射率;Esun表示表面接收红外波段范围的太阳辐射(W/m2);Eground表示表面接收红外波段范围的地面辐射(W/m2);Esky表示表面接收红外波段范围的天空辐射(W/m2)。

1)太阳辐射

表面所接收的太阳辐射照度为

式中:E0表示太阳常数,P表示该地区某时的大气透明率(取0.75),m表示大气质量,i表示某时太阳入射角。大气质量和太阳入射角的计算详细计算公式见文献[5]。

对于晴天水平面的天空散射辐射照度Edis[5]:

式中:θ表示所在平面与水平面的夹角,h表示太阳高度角。

则接受的太阳总辐射强度为

2)地面辐射

与水平面呈θ角的表面获得的地面反射辐射强度[5]:

式中ρG表示地面平均反射率(取30)。

3)天空辐射

表面所接收的天空辐射为[6]

式中:ea表示空气中水蒸气分压力(k Pa);σ表示黑体辐射常数,其值为5.6710-8(W/m2K4);Ta表示室外空气温度(K);φ表示接受辐射的表面对天空的角系数,垂直面φ取0.5,水平面φ取1。

2.3 辐射强度模型

动力舱装甲板的辐射亮度L和辐射强度I为

式中:ε为表面材料的发射率;∆A为动力舱装甲板表面的面积(m2);θt为探测方向与红外辐射面法向量的夹角(rad)。

3 温度计算值与试验值的对比

为了检验计算精度,对坦克行驶过程中动力舱装甲板外表面温度进行了测试。将计算值与试验值进行了对比。采用铜-康铜热电偶,二次仪表为采用16路智能巡检仪。在顶装甲板外表面布置了8个测点,主要布点原则是,重点区域和温度变化梯度大的区域密布测点,其他部位疏布测点。图4是测点布置示意图。

试验时每个测点记录三组数据,将三次的值求平均后为该测点的温度试验值。坦克挂4挡、车速38.05km/h稳定行驶,进排气百叶窗全开,环境大气温度23℃、压力99.15 k Pa。表1是顶装甲板表面温度计算值与试验值的对比。最大相对误差为9.034%。

4 设计工况计算结果及分析

针对坦克挂5挡、车速57.24 km/h稳定行驶的设计工况进行了计算。由于动力舱前装甲板与乘员舱相连、左侧和右侧甲板被行走系统所遮挡、底装甲板基本不影响动力舱的红外特征,因此以下只给出动力舱顶装甲板和后装甲板的计算结果。图5是动力舱顶装甲板外表面温度场等值线示意图。从图中可以看出,顶甲板表面温度最高处达到64℃,这主要是装甲板内侧发动机排气管的高温影响所致;由于受动力舱排出高温空气的影响,排气百叶窗的温度也较高。

图6为动力舱后装甲板温度场云图,图中坐标X为车长方向,坐标Y为车宽方向,坐标Z为车高方向。可以看出,后装甲板最高温度40.4℃,这是由于风扇位于后装甲板内侧,动力舱内高温空气通过风扇排出舱外,高温空气与后装甲板换热导致温度较高。

坦克动力舱装甲板红外辐射强度随其方位角而变化的关系称为辐射方向图,它是表征坦克红外辐射特性的重要参数。图7和图8分别为动力舱顶装甲板和后装甲板在波长范围3∼5µm和8∼12µm时辐射强度方向图。可以看出,红外辐射的最大方向在动力舱装甲板辐射方向与动力舱尾甲板辐射方向的合成方向。由于坦克炮塔的遮挡,动力舱装甲板辐射向前侧方向较弱,向后侧120°观测角方向较强。

5 结论

1)本文在基于FLUENT商用CFD软件对坦克动力舱装甲板温度场计算的基础上,进行了红外辐射特征的数值研究,与相关实验数据的对比表明计算结果与实验结果仅相差9.034%,验证了本文计算方法和结果的正确性。

2)利用本文提出的方法可以预测动力舱装甲板温度场分布和红外辐射分布,从计算结果可以看出动力舱顶表面是主要辐射源,排气百叶窗和排气管附近顶甲板表面温度较高,这些区域是坦克的红外辐射特征明显区域,是红外制导武器的红外导引头的探测敏感区域,也是坦克红外隐身设计和红外抑制技术予以重点关注的区域。

3)我们仅通过定性的方法对红外辐射计算的结果进行了分析,表明计算模型已基本反映了事实的一般规律,满足工程要求。

摘要：建立了坦克动力舱装甲板温度场数值计算模型,针对坦克动力舱装甲板的红外特性进行了理论计算。采用耦合计算方法计算了装甲板的温度场,通过装甲板和空气双向耦合换热计算,并考虑太阳辐射对装甲板温度场的影响,预测了装甲板温度场分布和辐射强度分布。动力舱装甲板温度场的计算结果与测试结果的相对误差小于9.034%,基本满足工程设计的需要。研究结果表明,动力舱顶装甲板是主要辐射源,排气百叶窗和排气管附近顶装甲板是坦克的红外辐射特征明显区域。

关键词：红外辐射温度计,动力舱,温度场,装甲板

参考文献

[1]王普凯,毕小平,黄小辉.装甲车辆动力装置部件温度的网络化预测方法[J].兵工学报,2008,29(6):641-644.WANG Pu-kai,BI Xiao-ping,HUANG Xiao-hui.Prediction of Temperature for Armored Vehicles Power Device Using the Network Method[J].ACTA ARMAMENTARH,2008,29(6):641-644.

[2]许翔,毕小平.履带车辆传动系统的传热仿真研究[J].农业机械学报,2007,38(4):28-32.XU Xiang,BI Xiao-ping.Simulation of Heat Transfer in Tracked Vehicle Transmission[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2007,38(4):28-32.

[3]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2004:485-488.TAO Wen-quan.Numerical Heat Transfer[M].Xian:Xi’an Jiaotong University Press,2004:485-488.

[4]姚连兴,仇维礼,王福恒.目标和环境的光学特性[M].北京:中国宇航出版社,2005:15-17.YAO Li-xing,QIU Wei-li,WANG Fu-heng.Target and Environment Optical Features[M].Beijing:Yuhang Publishing Company,2005:15-17.

[5]王章野,陆艳青,彭群生.基于气象学和传热学的城市建筑物红外成像模型[J].系统仿真学报,2000,12(5):517-524.WANG Zhang-ye,LU Yan-qing,PENG Qun-sheng.An Infrared Image Synthesis Model of City Building Based on Meteorology and Heat Transfer[J].Journal of System Simulation,2000,12(5):517-524.

飞机尾向的红外辐射特性计算 第2篇

为研究飞机尾向的红外辐射特性,首先利用计算流体力学软件FLUENT对飞机尾向流场进行了数值模拟,得到了尾向流场的温度分布情况;对飞机发动机尾喷管和尾焰的`红外辐射进行了建模,得出了飞机尾向红外波段辐射强度的FLUENT计算结果,为红外制导防空导弹武器系统的设计和应用提供了参考依据.

作 者：吴剑锋 何广军 赵玉芹 WU Jian-feng HE Guang-jun ZHAO Yu-qin  作者单位：空军工程大学,导弹学院,陕西,三原,713800 刊 名：空军工程大学学报（自然科学版）  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF AIR FORCE ENGINEERING UNIVERSITY (NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)： 7(6) 分类号：V231.1 关键词：红外辐射   辐射强度   流场   计算流体力学  

红外辐射强度测量系统设计 第3篇

1 测量原理

测量的基本原理是通过探测器对标准辐射源与被测物体的不同输出电压响应进行比较.根据距离平方反比定律求得被测物体在λ1~λ2波段上的辐射强度.标准辐射源的腔口面积为ABB的黑体,绝对温度为T,在λ1~λ2波段上,探测器在其法线方向距离为d处测得的电压为Vc. 用相同探测器测量物体时,在距离被测物D处测得的电压为Vs.则被测物体的辐射强度为

undefined

式(1)中,M为黑体的光谱辐射出射度;λ为波长(μm);T为黑体温度(K);c为光速(m/s);KB为玻尔兹曼常数;h为普朗克常数[1].

用测试系统测量标准辐射源的过程称为标定[2],标定过程主要是采集并记录探测器的电压响应Vc,并长期保存.进行物体红外辐射强度测量时,系统采集探测器的电压响应Vs,根据式(1)求得被测物体的辐射强度.

2 测量系统设计

2.1 硬件构成及设计分析

测量系统由3部分组成:探头、控制器、工控机,如图1所示.

探头的作用是完成光信号到电信号的转换,其主要由4个部分组成,带通滤光片,光学调制盘,光电转换器件,以及前置放大器.如果测量物体在波段3~5 μm的辐射强度,那么可以用1片3~5 μm的带通滤光片,以过滤3~5 μm以外的辐射光,使得到达探测器的入射光仅为3~5 μm之间的辐射光.热释电器件只响应变化的光信号,所以需要一个光学调制盘来对入射光进行调制.热释电器件的光谱是近乎均匀的,符合应用需要,选用的热释电器件光敏材料为钽酸锂晶体,窗口材料为KRS-5,光敏元直径为5 mm,其相对光谱响应曲线如图2所示.前置放大器用来把光电转换器输出的微弱信号进行初步放大,便于传输及进一步放大.以上4个部分装于一个封闭的小金属机箱内,机箱上安装一个瞄准镜,用于对准被测目标,底部三角架以便于调整高度及朝向.

控制器部分负责信号放大,驱动光学调制盘和采集触发.包括:锁相放大电路、电机控制电路和采集触发电路.锁相放大电路,可把探头输出的信号进行高质量的放大,使输出的信号幅度高,噪声低;电机控制电路,用于驱动光学调制盘转动;采集触发电路,用于向信息处理器发送一个采集触发信号,然后系统由处理器进行数据采集、计算和分析.

信息处理器主要由工控机,I/O卡,A/D卡,以及打印机,显示器等相关附件组成.工控机用来处理采集数据,测量结果显示及打印等功能,选用CPU为P42.4 G以上,内存512 M以上,硬盘80 G以上即可满足要求.I/O卡用带隔离输入输出的板卡,采集控制器发送过来的触发信号,保证系统能够及时有效地开始数据采集.A/D卡选用采样速率在250 K/s,精度16位的板卡,实现实时、高精度的模拟信号采集.

2.2 软件流程

软件采用LabVIEW图形化编程语言设计开发完成.LabVIEW是虚拟仪器的著名开发平台,可充分发挥计算机的运算能力,有强大的数据处理功能,在数据采集和数字信号处理方面有着得天独厚的优势[3].软件包含2个部分内容,即标定和测量.

标定主要用来测量和记录探测器在黑体法线方向距离为d处测得的电压Vc.以便在测量物体红外强度时使用.首先设定辐射仪参数,初始化数据采集卡.为了计算准确,先连续采集探测器对环境的电压响应,记录该电压V1,然后在相同的环境条件下采集探测器在黑体法线方向距离为d处测得的电压V2,由V2-V1计算得出实际需要的电压Vc.最后同时需要记录的数据还有黑体的温度T和腔口面积ABB.

测量部分主要是采集探测器对物体的输出电压响应,采集环境的温湿度,结合标定过程记录的各参数计算出物体的红外辐射强度.其软件框图如图3所示.

3 系统工作过程

3.1 标定

标定过程在初次测试前执行,将黑体及探头放于固定支架上,使黑体腔口正对探测器,将黑体升温到指定温度,打开测试系统电源,探头、控制器上电,开始工作,在工控机上执行标定操作,系统保存从A/D卡上采到的电压.整个标定操作应在室内进行,应避免阳光直射,探头前方及两侧不应有其他热源.同时标定时应连续采集数据,对多次采集的数据取平均值,减少各种噪声对标定结果的干扰.黑体距探测器的距离不应太远,以保证器件有足够的响应量.如图4所示.

3.2 辐射强度测试

将探头置于三角架上,用瞄准镜对准被测物,打

开测试系统电源及测试软件,准备就绪以后按下控制器的采集触发按钮,系统通过I/O卡给测试软件一个触发信号,软件开始通过A/D卡采集数据.数据采集完成后进行分析和计算,给出辐射强度-时间曲线图.为避免探测器饱和,可根据被测物的不同适当调整被测物与探头之间的距离,大气衰减需根据情况不同而做相应处理.当距离较远时不可忽略,这是需要采集测量环境的温湿度,并结合当地的海拔等自然条件计算出测量环境的大气透过率.

4 结 束 语

详细介绍了以辐射源为基准的物体红外辐射强度测量方法.设计了基于该方法的测量系统,论述了系统的硬件构成、工作原理和软件流程.充分考虑了外界因素对系统测量结果的影响,使测量结果更加准确.系统精度高,实时采集性好,稳定可靠,操作简单,达到了预期的设计目标.系统适用于多种红外应用领域,对科研、生产和产品质量检测都有着重要的作用,有着广泛的应用前景.

参考文献

[1] 张建奇,方小平.红外物理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.

[2] 郑丽,高秀伟,李世诚.基于LabVIEW的红外辐射强度测试系统中标定的实现[J].光电技术应用,2008,23(6):57-59.

[3] 侯国屏,王坤,叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社,2005.

参考文献

[1]张建奇,方小平.红外物理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.

[2]郑丽,高秀伟,李世诚.基于LabVIEW的红外辐射强度测试系统中标定的实现[J].光电技术应用,2008,23(6):57-59.

无线红外温度传感器的设计 第4篇

摘 要：文章介绍了一种基于MLX90614ESF-BAA的无线红外温度传感器，具有非接触、体积小、精度高，成本低等优点。文章主要给出了传感器的硬件电路设计及节点的软件设计。硬件设计主要包括电源电路，采集电路和无线射频电路，软件设计主要包括数据采集和通信协议的设计。最后对设计的传感器节点进行了射频性能和传感器精度的测试验证。

关键词：红外温度传感器;Modbus协议;433MHz无线通讯

引言

红外测温是根据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度，不与被测物体接触，温度分辨率高、响应速度快、测温范围广、稳定性好等特点，近年来常被应用于高精度无接触测量，在智能家居、智能电网、汽车电子等领域都有广泛的应用。

本文设计的传感器具体应用场景是配电室，用于测量线缆温度。本设计采用MLX90614BAA红外温度传感器，具有非接触，体积小、精度高，成本低等优点。传感器采集的数据通过工业现场总线协议DDModbus协议进行传输，并采用433MHz无线模块进行数据通信。无线通信方式，避免了有线通信电缆安装的不便，选用433MHz频段具有较远的通信距离和穿墙能力，适用于配电室这一特定应用场景。

1 无线频段的选取

结合传感器的具体应用场景的实际使用需要，综合考虑耗电量、传输距离、数据速率、安全性和成本等因素，本设计的无线通信频段选用433MHz。由于配电室环境复杂，设备装置多，数据传输的路径弯曲程度大。在相同的弯曲度路径情况下，433MHz的无线射频衰减率为：0.577dB/m;915Mhz的无线射频衰减率为：0.676dB/m;2.4G的无线射频衰减率为0.761dB/m。由此可见：无线设备工作在433MHz频段更有利于在弯曲路径时的通信。在芯片的选型上遵循低功耗，低成本，微型化的原则，因此本文中设计的传感器采用CC1101芯片。

2 硬件设计

无线红外温度传感器的硬件设计包含电源供电电路，数据采集电路，无线数据传输模块电路几个部分。

电源供电部分主要是把3.7V电池电压转换为3.3V，作为各个部分的供电电源，以及5V电源给电池充电两个部分，使用Maxim公司的MAX8881作为3.7V转3.3V的降压芯片，MAX1555作为5VDC电源给电池充电的芯片。

数据采集部分采用Melesix公司的MLX90614红外温度传感器。此款传感器第一文库网环境温度范围为-40°～+125°，物理温度范围-70°～+380°，电源电压3.3v。MLX90614 是由内部状态机控制物体温度和环境温度的测量和计算，进行温度后处理，并将结果通过 PWM 或是SMBus模式输出，本设计选用SMBus模式。

433MHz无线射频模块采用的STM32F103RBT6作为主控芯片，CC1101作为无线射频芯片。主控模块通过SPI总线通信接口拖带无线射频通信模块，可以实现对无线通信模块的寄存器的`读写，从而完成对模块通信参数的配置，进一步控制模块对无线数据的收发。

3 软件设计

软件设计部分包含温度数据的采集、处理，无线数据收发和Modbus通信协议几个部分。

3.1 数据采集与处理

红外温度传感器采集温度数据传输时序如下图所示，START位定义为当SCL为高时，SDA线为从高到低的转换。STOP位定义为当SCL为高时，SDA为从低到高的转换。每个字节包括8位，在总线上传送的每个字节必须跟随一个确认位，和确认关联时钟脉冲是由主控器产生的。读取数据是以字节为单位进行的。每次发送一个字节，然后就判断对方是否有应答，如果有应答，就接着发送下一个字节;如果没有应答，多次重发该字节，直到有应答，就接着发送下一个字节，如果多次重发后，仍然没有应答，就结束。接收数据时，每次接收一个字节，然后向对方发送一个应答信号，然后就可以继续接收下一个字节。

本文中设计的无线红外温度传感器上电初始化后，等待上位机通过集中器无线模块发送的数据采集命令，再对数据进行采集，并将采集到的数据按照Modbus协议处理后，通过无线模块传输到集中器中。

3.2 Modbus通信协议

Modbus通信协议是一种工业现场通用协议，主要规定了应用层报文传输的格式，使得不同生产厂商的设备可以连成网络，集中监控。Modbus协议可分为在TCP/IP上的实现与串行链路上的实现，即Modbus-TCP和Modbus-RTU。传感器内部实现的是Modbus-RTU协议。Modbus协议使用的是客户机/服务器(C/S)的通信模式，主站向从站发送请求的模式有两种：单播和广播，本文实现的是单播的模式。

Modbus通用帧即ADU应用数据单元分为附加地址、功能码、数据和差错校验4个部分，其中功能码和数据部分为PDU协议数据单元。传感器接收到上层rtu帧命令后，首先进行从站地址和差错校验码的判断，若不正确直接丢弃命令帧，若正确则进行rtu帧解包获取命令并进行温度采集，数据采集后进行rtu帧封包，最终通过无线模块与上层设备进行数据通信。

4 测试结果

在排除433MHz频段其他设备干扰的情况下，对无线红外温度传感器进行射频性能的测试，每次发送1000个数据包，保证丢包率为0%的情况下，有效直线传输距离为120米，穿透性为两层楼。

无线红外温度传感器精度的测试，在相同环境中，使用市场上购买的手持红外温度仪与本文中设计的传感器进行温度监测数据的对比，温度值的误差保持在±0.5°C以内。

5 结束语

本文中设计了一种使用Modbus通信协议并通过433MHz频段无线通信的红外温度传感器，介绍了频段及射频芯片选择的原则，给出了传感器的硬件及软件设计方案。较详尽的介绍了MLX90614红外温度传感器的数据采集时序及原理，以及本设计中应用的Modbus协议。最后对传感器设备进行了射频测试及精度测试，测试结果表明，该传感器具有非接触性，高精度，通信距离远，穿墙能力强等优势。

参考文献

[1]Melexis公司.MLX90614红外温度计数据表.

[2]沙春芳.红外温度计MLX90614及其应用[J].现代电子技术，2007年22期.

[3]吴永宏，高峰.基于MLX906014的红外测温仪[J].仪表技术与传感器.2008年02期.

燃气红外辐射采暖系统施工工艺 第5篇

红外辐射采暖系统具有节能、环保、安全、投资少、运行成本低的特点, 主要适用于高大空旷的厂房、库房、运动场馆等持续或间断性使用的封闭或半开放式的大空间, 也可适用于农业 (植物生长) 领域。

2 工艺特点

2.1 本工艺只有一根燃气管道与发热设备连接, 工艺简单, 施工速度快, 易于保证质量及施工进度。

2.2 燃气管道压力低, 连接快, 施工和试压工作简单, 便于一次成活。

2.2 重量轻, 劳动强度低, 提高施工效率。

2.3 系统小, 便于具它工艺管道设备空间排布。

2.4 采用的管路预制定线操作工艺, 提高了管路安装精度, 减少了材料损耗。

2.5 该系统采用真空泵预启动检测, 发热系统负压运行, 供暖期间无明火, 系统关闭后充分排空, 安全可靠。

3 工艺原理

本工法采用燃气燃烧加热辐射管, 辐射管产生远红外线短波, 短波加热所需热的人或物等。系统由燃气发生器、辐射管、反射板、负压真空泵组成, 发生器内部包含点火控制、安全控制, 使用区域接通燃气管道以及220v供电电源就可使用。

3.1 工艺流程

安装准备支吊架制作安装发生器及辐射管吊装反射板及附属设备安装控制系统安装系统检验系统试运行。

3.2 设备安装操作程序

3.2.1 安装准备:

a.本工程采用厂家直供设备及辅助材料。b.其它管材, 型钢等, 自行采购, 但必须验收合格。c.设备到场后由业主、监理、施工单位及供应商共同进行开箱检验工作, 按设备装箱清单和设备技术文件对要安装的设备逐一清点登记和检查, 查验后, 各方鉴证、移交。d.熟悉图纸, 熟悉设备安装图。

3.2.2 设备安装:

1发生器:a.发生器安装, 要保持与可燃物的距离, 45KW的发生器与可燃物的最小距离为:可燃物在发生器下方时要大于1.5米, 可燃物在发生器上方时要大小0.3米, 可燃物在发生器两侧时要大于1.0米。b.发生器采用型钢吊架或原有钢梁为吊点, 用镀锌吊链吊装。吊装前将吊链的吊挂点固定好。c.发生器与燃气管道连接应使用不锈钢金属软管, 连接软管时, 应用管钳将燃气供应端的接头固定住, 以防其转动导致内部元件的损坏。d.不锈钢金属软管与燃气管道连接处应装球阀, 球阀必须与燃气入口平行。2辐射管:a.辐射管吊装采用厂家专用吊具。b.燃烧室与辐射管和每两段辐射管之间都必须使用专用管接头连接。c.燃烧器与无涂层辐射管、无涂层辐射管之间以及无涂层与有涂层辐射管之间的连接使用普通型接头, 有涂层辐射管之间的连接使用耐腐型接头。d.辐射管的安装应有一定坡度, 安装坡度不应小于3‰, 并坡向真空泵。3反射板:a.反射板应按顺序搭接, 板间应使用滑动连接避免其扭弯、折损或滑开脱落。 (1) 每个发生器需要一个有预留孔的反射板、反射板之间的重叠部分至少为180mm, 由此可以确定发生器之间所需的反射板的数量。 (2) 每三个反射板应保留一个滑动接头。b.发生器之间如有n段管道, 需要等距离地设置n-1个管道与反射板的吊架, 同时还需要等距离地设置n个反射托架, 确保每段反射板上至少设置一个吊架或托架。c.在直线型反射板的末端和辐射管三通处反射板的起始端处, 均应加装反射板端盖。4集水器:a.集水器设于系统末端, 位于真空泵之前。安装位置应以不影响系统安装, 能牢固固定, 便于排水为原则。b.排水管应用管卡固定, 当安装高度小于4米时设一个管卡, 当安装高度大于4米时设两个管卡。5真空泵:a.真空泵的安装宜用专用支架, 如另设支架, 则应做减振处理, 并应保证真空泵的水平度和垂直度。b.真空泵的进出口应设置硅胶衬钢软节, 软节允许的最高温度为180℃。6悬挂装置:a.吊架位置为每个发生器和管道上每隔2~3米必须设置一个悬吊架, 同时在管道的所有弯头, 三通和四通附近均应设置吊架, 三通和弯管处的吊架最大间距为2.0米, 吊链应设在两个反射板搭接部分的中心线上。b.安装中尽可能利用建筑的顶部结构 (如梁) 悬挂系统各装置。c.吊连应采用镀锌吊链, 吊链的吊环直径不得小于6mm。d.悬挂系统使用的吊链和悬吊杆的长度应保证管道上的发生器能够沿管道方向水平移动至少50mm。7燃气管道系统:燃气管道系统的安装、检测和调试需由专业人员完成。系统安装程序属于常用安装工法, 必须符合施工规范要求并验收合格。8控制系统安装:a.暖系统控制箱、温感器的安装及接线由的设备控制系统专业人员完成, 进行电气安装和接线时, 须切断电源。b.控制箱一般应安装于有人值班或便于操作的场所。c.温感器应安装在供暖区域内能正常反映室内温度的位置。温感器到控制箱的连线长度不宜超过150m。

3.2.3 防爆与消防:

1气体泄漏浓度检测及报警系统安装、调试和检测须按设计图纸施工并符合产品技术文件规定。2报警系统安装完毕后, 安装单位应提交安装技术记录, 检测记录、安装竣工报告等各项资料和文件。

3.2.4 系统试运行及验收:

1系统试运行:a.系统运行前, 燃气系统强度试验完成, 已具备供气条件或已供气正常。b.系统运行前, 控制系统调试完成, 做到动作准确、及时。有关技术人员在现场进行系统运行指导。c.系统运行前, 体泄漏浓度检测及报警系统调试完成, 检测及报警灵敏。d.系统负荷运转, 检查运行情况, 记录各项数据。2系统验收:a.系统调试完成, 各项数据符合设计及验收规范要求, 通过监理及相关各方检验。b.竣工资料齐全完整, 主要包括开工报告、各种测量记录、隐检记录、材料设备出厂合格证, 材料证明书或检测报告, 安装说明书, 使用说明书。c.对使用方进行培训并合格, 具备独立操作本系统能力。d.提交竣工报告, 审请竣工验收。

4 效益分析

对赤峰暖气采暖厂房与鄂尔多斯燃气辐射采暖厂房进行对比分析, 施工利润率前者为10%左右, 后者为18%左右。施工程序对比为暖气采暖为供回管路丝扣连接管线、丝扣质量、管线安装坡度、压力实验等各项要求高, 施工时间长;辐射采暖只有一根燃气管线与设备相连, 设备只需简单吊装即可, 施工时间短。并且辐射采暖有造价低, 运行成本低, 采暖效果显著, 使用经济环保。

5 工程实例

联合动力技术 (包头) 有限公司1、2#厂房机电设备安装施工工程, 是风力发电机齿轮箱厂房, 其采用红外辐射采暖, 安装进度快, 保证了其生产运行, 现系统安装调试完成经过两采暖季的运行, 效果良好, 解决了高大厂房采暖不均匀现象, 为设备生产提供了稳定的温度条件, 并控制了生产运行成本, 得到了业主的好评。

摘要：针对就燃气红外辐射采暖系统施工工艺进行介绍, 期待与大家交流。

浅谈燃气红外线辐射采暖 第6篇

关键词：高大空间,燃气,辐射采暖,节能

1 燃气红外线辐射采暖的目的和意义

建筑节能是世界建筑技术发展的大趋势, 是走可持续发展的必由之路。为实现建设部《民用建筑节能设计标准 (采暖居住建筑部分) 》 (JGJ26-95) 节能50%的目标, 提高供热系统运行效率, 采取供热按热计量收费是达到这一目标的重要手段[1]。

然而, 国内现在普遍所用的高大空间的采暖方式很难实现这一目标。为了解决这一方面的缺陷和不足, 特引进了燃气红外线辐射采暖, 来解决高大空间采暖的问题。

2 燃气红外线辐射采暖的原理和适合应用的场所

太阳加热地球的过程, 不需要先加热大气, 而是靠太阳光直接将热量辐射到地球表面上。燃气红外线辐射采暖模仿太阳加热地球的原理, 它是利用可燃的气体、液体或固体, 通过特殊的燃烧装置进行点燃, 在辐射管内进行充分燃烧后将辐射管的表面加热至400~1000℃的高温, 产生红外线电磁波, 以辐射热的形式直接加热采暖区域, 辐射能量被混凝土地板、人和各种物体所吸收, 并通过这些物体进行二次辐射, 从而加热四周的其它物体。燃气红外线辐射采暖, 采暖空间底层温度高, 工作环境温暖舒适, 上层温度低, 因此其热利用率更高。

由于采暖设备辐射装置表面的温度较高, 所以这种形式的采暖并不适合用在3米以下的采暖空间, 较低的空间也不能充分体现这种采暖方式的优越性。燃气红外线辐射采暖适合应用在:a.军事上各种库房;b.民用及军用飞机和维护保养机库等机场航空设施;c.汽车、飞机、舰船等制造装配车间;d.汽车站、火车站等高大候车室、站台、检修库;e.粮食、烟草、饮料等大型仓储建筑;f.超市、商场等商业大厅;g.花卉、蔬菜等农业温室、温棚;h.体育馆、艺术馆等文化娱乐场所。

3 燃气红外线辐射采暖产品的分类

目前, 国内燃气红外线辐射采暖产品的种类并不单一, 现按以下几种形式加以划分:

从系统工作压力上分:正压产品、负压产品;从辐射温度上分:高强辐射产品、柔强辐射产品;从工作状态上分:单体式产品、复合式产品、连续式产品;从效率上分:60%~80%, 80%~90%, 90%以上;从火焰状态上分:陶瓷辐射产品、明火辐射产品, 管内燃烧产品。

4 燃气红外线辐射采暖系统的工作原理及优越性

由于国内该形式采暖产品的种类较多且工作原理及特点不尽相同, 仅选取市场上较为广泛应用的英国AMBIRAD辐射采暖设备的工作原理及特点加以简单介绍。

燃气红外线辐射采暖至少包含以下五大系统:辐射采暖系统、尾气排放系统、燃气供应系统、配电及控制系统、报警系统。

英国AMBIRAD辐射采暖系统实现一次加热过程的工作原理:它由配电及控制系统内的温感器感受室内的温度变化, 当温感器检测到室内温度低于采暖系统控制箱内的设定值时, 自动开启尾气排放系统的负压风机, 随着风机的运行, 辐射采暖设备及尾气管内愈趋真空, 当真空度达到系统设定值后, 燃气供应系统开始供应燃气, 设备点火运行, 房间温度随之升高。当温感器检测到室内温度达到控制箱内的设定值后, 停止燃气供应, 30秒-1分钟后关闭负压风机, 使得管内余气充分排空, 完成一次空间加热。

英国AMBIRAD辐射采暖系统具有以下优越性[2]:

4.1 安全

主要表现在该系统设备自备六项自检、互检安全措施:a.对外供燃气自动零压调节:只有在负压风机工作使系统内产生负压时, 零压调节阀门动作, 允许可燃气体通过;b.真空预启动检测:系统的燃烧器内装有真空确认开关, 只有系统达到设备设定的真空度时, 设备才启动;c.辐射采暖系统负压运行:当辐射采暖系统出现泄漏点时, 辐射采暖系统内的气体不会进入采暖空间, 而只有采暖空间的气体进入辐射采暖系统内;d.采暖空间无明火供热:燃气在辐射管内燃烧, 对于采暖空间来说, 是无明火供热;e.关闭后充分排空:系统的运行次序为:负压风机先运行, 当系统达到设计的真空度时, 设备点火燃烧;当设备停止燃气燃烧时, 负压风机仍在运行, 系统内的尾气充分排除后, 负压风机停止运行;f.辐射采暖系统的超欠压保护:辐射采暖系统对供气压力有一定的要求, 无论供气压力过大或过小, 辐射采暖系统均不运行。

4.2 高效

主要表现在独特的燃烧技术 (燃气、空气配比自动调节到最佳) 、可靠的负压运行模式 (辐射管内燃气在负压下燃烧) 、全自动智能化控制 (根据温感器自动感受室内温度, 控制箱自动发信号给负压风机, 达到一定真空度燃气阀门自动打开, 配合适当空气在燃烧头点火。气体在辐射管内燃烧, 当温度达到设定值时燃气阀关闭, 负压风机继续工作, 待排尽管内剩余气体时负压风机自动关闭) 。2003年3月, 哈尔滨工业大学针对项目现场实测, 其产品的热效率高达94.7%。

4.3 节能

对于同样的室内温度要求, 辐射采暖系统的设计热负荷只需其它传统采暖系统的80%~85%。传统的锅炉房采暖系统一般在点火运行后整个冬季不停火, 而且常常是取暖设施每天24小时不停地耗能运行, 而AMBIRAD燃气红外线辐射采暖系统可随时开启或关闭, 并可自动保持室内温度在0~30℃ (任意设定) , 实际耗能运行时间 (以大庆为例) 在采暖期间平均每天累计时间不超过6小时。

4.4 经济

燃气红外线辐射采暖比传统对流采暖节约30%-50%的采暖费用, 而且比传统的采暖系统减少管理维护人员90%。

4.5 舒适

传统对流采暖一般通过散热器以空气对流方式加热采暖空间, 其无效热损失较大, 而AMBIRAD燃气红外线辐射采暖系统直接温暖室内人员、物体、地板等, 采暖均匀, 并且无热风吹拂粉尘, 洁净卫生, 还可减少热气上浮层, 开闭门窗后可迅速恢复所需室温。

4.6 环保

AMBIRAD燃气红外线辐射采暖系统无污染, 有良好的环保效果, 其技术符合国家和世界日益关切的环保要求, 经过大庆环保局, 国家燃气检测中心检测其尾气排放标准远远低于国家规定的排放标准, 该产品通过了欧洲CE认证和ISO9001质量体系认证。

结束语

燃气红外线辐射采暖的优越性愈趋被人们认知和感受, 它以其特有的优越性被采暖用户认可, 在我国高大空间中的推广应用越来越多, 更具有广泛的应用前景。但是, 目前国内对于该形式的采暖规范、设计、施工方面累积的经验并不十分完善, 需要我们不断的学习、更新。在今天这样一个以环境和发展为主题的时代, 随着我国能源结构的局部改变和逐步调整, 燃气工业的飞速发展, 高大空间采暖工程量的不断增大, 摆脱传统的陈旧的暖通设计习惯, 选用燃气红外线辐射采暖系统, 不仅是设计单位技术发展的内在需要, 也是推动我国现代化进程的历史责任。

参考文献

[1]徐伟, 邹瑜主编.供暖系统温控与热计量技术[M].北京:中国计划出版, 2001:P1～14.[1]徐伟, 邹瑜主编.供暖系统温控与热计量技术[M].北京:中国计划出版, 2001:P1～14.

燃气红外线辐射采暖的特征简述 第7篇

热量的传递有三种方式, 即:传导、对流和热辐射。其中辐射方式是热量传递过程中能量损失最小、传递速度最快的一种。太阳的热能就是以光的形式、辐射的方式传输给地球的。当红外线穿过空气层时, 并不为空气所吸收, 一般它能穿透空气层而被物体直接吸收并转变为热量。

英国AMBIRAD燃气红外线辐射采暖就是模拟太阳辐射地球的原理, 它是利用可燃的气体、液体或固体, 通过特殊的燃烧装置燃烧器进行点燃, 将辐射管加热到一定高温而辐射出各种波长的红外线进行供暖的。在整个红外线波段中, 波长0.76~40um的红外线热特性最好, 燃气红外线辐射采暖系统的辐射管发射出的红外线波长在2~12um, 正好全部在这一范围之内。不仅如此, 红外线还能穿透物体或人体表面层一定深度, 从内部对物体或人体进行加热。且在整个采暖空间内垂直温度分布明显优于对流采暖。

2 燃气红外线辐射采暖的五大基本系统构成及解释说明

2.1 辐射采暖系统。

主要包括:燃烧器 (辐射采暖的设备核心元件, 用于控制设备点火和熄火的装置) 、燃烧室 (设备的第一段辐射管, 耐高温, 设备运行时温度最高) 、辐射管 (燃烧室后的低碳钢管, 被加热到一定高温后向采暖空间辐射热量的组件) 、反射板 (阻隔和反射燃烧室及辐射管产生热量的向上损失且反射至采暖空间) 、设备吊架 (用于支撑、固定设备反射板且作为设备吊装点的组件) 、气流调节器 (用于调节、稳定采暖设备运行时负压参数的装置) 。图2是英国AMBIRAD辐射采暖设备中AR系列设备大样。

2.2 尾气排放系统。

主要包括:负压风机 (在系统运行时使辐射采暖系统及尾气系统内产生负压的装置) 、尾气管 (用于传导燃烧后产生的尾气排置室外的铝制管道) 、冷凝水收集器 (设置在负压风机进风口前, 用于收集热气冷却后生成的少量液态水的装置) 。

2.3 燃气供应系统。

主要包括:燃气球阀 (控制可燃气体是否可以通过的装置) 、过滤器 (去除可燃气体内残渣的装置) 、燃气流量计 (计量可燃气体通过量的装置) 、电磁阀 (燃气发生意外泄漏报警后, 自动切断可燃气体通过的装置) 、压力表 (测量燃气管道内可燃气体压力的装置) 、燃气管道 (传输可燃气体的管道) 、燃气软管 (连接设备燃烧器和燃气管道的金属软连接件) 。

2.4 配电及控制系统。

主要包括:辐射采暖设备控制箱 (实现辐射采暖系统及其他配套系统联动的自动控制中心) 、温感器 (感受室内温度变化的器件) 、电线及配电管 (用于连接以上四大系统内电气元件的线路及线路外的套管) 。

2.5 报警系统。

主要包括:报警控制箱 (实现燃气供应系统内电磁阀和报警系统联动的控制中心) 、报警探头 (探测区域内是否有可燃气体泄漏的装置) 、电线及配电管 (用于连接报警控制箱、报警探头、电磁阀的线路及线路外的套管) 。

3 燃气红外线辐射采暖设计及安装过程中值得注意的几个事项[1]:

3.1 设计过程中在对整个采暖空间按传统空气对流采暖计算完热负荷后, 辐射采暖的设计热负荷只需传统空气对流采暖热负荷的80%~85%。

3.2 燃气红外线辐射采暖设备安装高度超过6m时, 每增高0.3m, 建筑围护结构的采暖设计总热负荷应增加1%。当设备的安装高度超过15m时, 应参照具体设备厂家的技术参数加以修正。

3.3 燃气红外线辐射采暖设备的安装高度, 应根据厂房具体结构和人体舒适度确定, 但不应低于3m[2]。

3.4 相邻辐射采暖设备的辐射范围, 搭接高度不宜高于1.5m, 这样可以保证辐射采暖空间辐射面积上无盲区且不让局部区域辐射强度过大。

3.5 沿外墙布置的辐射采暖设备的辐射范围, 以外墙受辐射的高度2m为宜, 这样可以满足外墙附近的作业人员的舒适感。

3.6 沿同一直线安装的辐射采暖设备头尾间距最大不宜超过9m。

结束语

建筑节能是世界建筑技术发展的大趋势, 是走可持续发展的必由之路[3]。我国天然气资源非常丰富, 随着国家能源战略的转移和勘探开采技术的不断发展, 近年来各大气田的不断发现, 已经具备了天然气产业发展的基础和条件。在这种情况下, 如何响应国家政策, 更好地推广天然气在暖通空调业的应用的问题, 是摆在业内人士尤其是暖通空调设备制造厂家、销售商家和设计人员面前的一个课题。

摘要：燃气红外线辐射采暖以其具有的安全、高效、节能、经济、舒适、环保等优越性愈趋被人们认知和接受。它适合应用在飞机库、列车整备库、列车修造厂、汽车制造厂、车库、工业厂房、运动场馆、温室大棚等高大空间, 无论从经济上还是从采暖效果的舒适程度上都优于传统的空气对流采暖。它模拟太阳辐射地球的原理, 通过红外线辐射, 对辐射到的区域直接加热, 并通过二次辐射加热四周的其它物体。参照国内一种较为普遍应用的英国AMBIRAD燃气红外线辐射采暖产品加以简单介绍。

关键词：燃气,辐射采暖,节能,高大空间,AMBIRAD

参考文献

[1]大庆双能高科技有限公司内部资料[Z].[1]大庆双能高科技有限公司内部资料[Z].

[2]中华人民共和国国家标准GBJ19-87, 采暖通风与空气调节设计规范[S].2001:22-23.[2]中华人民共和国国家标准GBJ19-87, 采暖通风与空气调节设计规范[S].2001:22-23.

堇青石质红外辐射材料的制备研究 第8篇

目前, 红外辐射材料作为一种新型的功能材料, 用途越来越广泛。国外在此方面的研究进展较快, 在20世纪六、七十年代前苏联、日本、美国的一些专家就专门研究了一些辐射性能较好的化合物单晶的辐射特性及其透射、反射光谱。日本某公司以Co O、Cr2O3、Fe2O3、Mn2O3、Si O2等为主要成分[1,2], 合成了CRC系列高辐射性能涂料。20世纪80年代, 日本科学家高岛广夫、高田弘一等人研究出法向全波段辐射率高于90%的红外高辐射率陶瓷[3,4], 其主要原料为过渡金属氧化物Fe2O3、Mn O2、Co O、Cu O等, 在材料中加入50%的堇青石再烧结, 烧结物的红外发射率变化不大[5]。

采用多种过渡金属氧化物为原料是目前合成红外辐射材料的常用方法, 但仅简单地用机械方法混合过渡金属氧化物, 无法从微观上使材料的物相结构发生改变, 不能获得高辐射率的红外材料。为此, 必须采取措施改变材料的微观物相结构, 高温烧成就是最实用的一种方法, 它能强化材料某些机制, 改变材料的微观物相结构, 从而使材料在各波段的红外辐射性能得到提高[6]。在硅酸盐矿物中, 堇青石红外辐射性能极佳, 并且化学稳定性及热稳定性都较高, 所有许多学者都将堇青石选作一种重要的红外辐射材料[7]。本实验对各种金属氧化物从原料成本、红外发射性能方面进行挑选, 采用合适的加工工艺, 与用天然矿物合成的堇青石进行复合, 并对材料在不同波段的红外辐射性能、影响材料红外辐射特性的因素进行研究, 合成了低成本、高发射率的红外辐射材料。

1 实验中原料配方的确定及红外发射率测试方法

1.1 铁氧体、堇青石配方的确定

根据各种氧化物在不同红外波段的不同红外发射特性, 参考大量以过渡金属氧化物为主要成分的红外粉料配方[8], 本试验红外粉料的配方 (铁氧体的合成) 定为:Fe2O3∶Mn O2∶Co2O3∶Cr2O3=6∶2∶1∶1。将各氧化物按配比称量, 放入混料瓶中充分混合、摇匀, 在油压机上压成圆片, 在一定温度下煅烧, 保温2 h, 冷却至常温, 取出粉碎, 研磨, 过筛。经测试, 最佳烧成温度为1350℃。

根据所用原料的化学成分, 经过精确计算, 本实验堇青石制备配方为滑石39.04%, 苏州土46.08%, 工业Al2O3 14.88%, 熟料最佳烧成温度为1220℃。

1.2 试样红外发射率的测试方法

通常测试红外发射率的方法是对样品所发射出的红外辐射进行测量, 直接求算其发射率, 这种方法测试费用较高[9]。为了降低费用, 实验中我们尝试一种新的测试方法。由红外辐射机理知, 反射率+吸收率+透射率=100%[10,11], 反射率越低, 吸收率越高。吸收率高的物体其红外发射 (辐射) 能力也强, 也就是说文中红外吸收光谱越靠下的试样其红外辐射能力越强, 故对于试样的红外发射性能, 我们可以通过试样的红外吸收光谱曲线的上下移动、某些波段和某些峰值的变化来比较其红外发射率的增减幅度, 从而间接反映试样红外发射性能的变化, 此种方法测量结果为一系列光谱曲线[12,13]。需要说明的是, 此种方法用于试样之间红外发射率的定性比较具有很大的参考价值, 这在以下的实验中得到了有力的证实, 但要进行红外发射率的定量比较尚有一定的难度。此法需要测试条件尽量固定, 如测试温度、测试仪器、制样手段、操作程序等, 此法最大优点是测试费用较低。

2 铁氧体和堇青石的复合

在前人的研究工作中, 铁氧体和堇青石的复合一般都是先合成铁氧体和堇青石的熟料, 然后再分别磨细, 混匀, 成形, 烧成, 最后制得铁氧体和堇青石的复合体。本实验采用了两种方案进行复合, 第一种方案是铁氧体生料和堇青石生料的复合;第二种方案是铁氧体熟料和堇青石熟料的复合[14]。

2.1 铁氧体生料和堇青石生料的复合配方

2.1.1 实验程序

(1) 参照堇青石生料和铁氧体生料的配方, 按不同的比例将二者生料称量、混合

堇青石生料:滑石39.04%, 苏州土46.08%, 工业Al2O3 14.88%

铁氧体生料:

(2) 湿法球磨:料∶球∶水=1∶2∶1.5, 球磨时间1 h

(3) 干燥:石膏模脱水, 烘干

(4) 烧成:烧成温度 (1150℃, 1200℃, 1250℃, 1300℃) , 保温时间2 h, 冷却至常温

2.1.2 烧结体的磁性测试

用磁铁测试烧结体粉末, 均被磁铁吸附, 说明铁氧体生料在烧结过程中形成了强磁性铁氧体。

2.1.3 铁氧体生料和堇青石生料的不同配比对产物红外性能的影响

图1为四种不同生料配比的堇青石与铁氧体烧结体粉料的红外吸收光谱对比图, 从图中可看出, 大约以1500 cm-1为分界线, 试样的红外吸收率在较短波段随试样中氧化物含量的增加而增大, 而在较长波段随试样中氧化物含量的增加却略有下降, 氧化物加至15%时已基本稳定。这一点与某些资料介绍有些不同, 这一规律要求我们在制备试样时应根据具体情况确定生料中氧化物与堇青石的合理配比。试样的红外吸收率在较短波段随试样中氧化物含量的增加而增大这一现象, 从杂质效应方面可以这样解释, 杂质使晶格周期性遭到破坏形成杂质能级, 自由载流子吸收和杂质吸收随着杂质浓度的增加而进一步增大, 并且增加杂质浓度会加宽杂质吸收波段, 这样就进一步提高了材料的红外发射率。

2.2 铁氧体熟料和堇青石熟料的复合配方

2.2.1 实验程序

(1) 将堇青石熟料和铁氧体熟料按不同的比例称量、混合

(2) 湿法球磨:料∶球∶水=1∶2∶1.5, 球磨时间1 h

(3) 干燥:石膏模脱水, 烘干

(4) 烧成:烧成温度 (1150℃, 1200℃, 1250℃, 1300℃) , 保温时间2 h, 冷却至常温

2.2.2 制得产物的表观形貌和磁性测试

图2为两种熟料烧结体粉末的TEM照片, 用磁铁测试烧结体粉末, 均被磁铁吸附, 说明在烧结后仍有铁氧体单独存在。系列烧结体粉末颜色从墨绿色、褐色到黑色, 从透射电镜照片看出, 颗粒形状比较完整规则。

2.2.3 不同堇青石熟料与铁氧体熟料配比的烧结体粉料红外光谱比较

图3为在1250℃下煅烧四种不同熟料配比的粉料所得烧结体的四个试样, a、b、c、d中铁氧体所占比例 (wt%) 分别为5、10、15、20, 比较四个试样对应的红外吸收光谱可以看出, 铁氧体占10%时试样的红外吸收率较高, 这与生料烧成中得出的结论基本一致。

2.2.4 同一配比不同烧成温度制得的烧结体粉料红外光谱比较

图4为铁氧体所占比例为10%的粉料在不同温度下制得的烧结体粉料红外吸收光谱图, a、b、c、d所对应的烧成温度 (℃) 分别为:1150、1200、1250、1300。

从图中可以看出, 在长红外波段1150℃时的试样红外吸收率较高, 在短红外波段1200℃时的试样红外吸收率较高。随着温度的升高, 试样的红外吸收率基本呈下降趋势, 这是因为此配方的原料皆为熟料, 只需要较低温度就可以得到烧结体。

2.3 两种实验方案所得产物比较

2.3.1 生原料与熟原料红外吸收光谱比较:

图5为未烧之前的生原料与熟原料红外吸收光谱, 从整体红外波段来看, 熟原料的红外吸收率要大大高于生原料, 生原料中各种原料简单混合, 而熟原料中各种物质之间已发生复杂的物理化学变化, 高岭土的几个主要特征峰已完全消失。这是由高温烧制后材料中的化学成分及结构因素变化综合造成的, 在高温下, 晶体中原子或离子获得能量, 振动的振幅增大, 必然导致离子移动, 离子移动会产生空格点以及间隙原子, 从而形成新的缺位等晶格缺陷, 整个晶体点阵结构的畸变引起极化, 出现晶格的振动与扭曲, 改变了能量状态, 进一步改变了材料的红外吸收与辐射性能[15]。

2.3.2 不同配比的生料烧结体与熟料烧结体比较

图6为同一温度下四种不同配比的生料烧结体与熟料烧结体红外吸收光谱图, 图a、b、c、d中铁氧体所占比例分别为5%、10%、15%、20%。通过比较可以看出, 在不同的堇青石与铁氧体配比中, 熟料烧结体的红外吸收率在1500~400 cm-1波段普遍高于生料烧结体, 当铁氧体比例超过10%后, 红外吸收率的变化不十分明显。

2.3.3 铁氧体的加入对堇青石红外性能的影响

图7为堇青石铁氧体烧结体的XRD图, 从图中可以看出, 烧结体中堇青石和铁氧体的峰比较清晰, 另有少量的莫来石生成, 说明煅烧后大部分堇青石和铁氧体仍单独存在。

图8为堇青石铁氧体复合烧结体与单纯堇青石红外吸收光谱比较图, 可以看出, 堇青石与铁氧体的复合烧结体和单纯的堇青石相比, 红外吸收光谱在长波段相差不大, 而在4000~1250 cm-1波段相差较大, 在此区间内, 堇青石铁氧体复合粉比单纯的堇青石红外吸收率明显提高, 说明铁氧体的加入能提高堇青石的红外发射率。这是因为堇青石结构为六元环状的硅酸盐, 镁氧八面体和铝氧四面体连接各环, 所以在晶胞中平行C轴方向上有一个空隙由六元环组成, 空隙大小比水分子还大, 结构较疏松, 足以容纳过渡金属氧化物, 使晶格发生畸变, 从而离子振动时的对称性进一步降低, 有效地提高了材料的红外辐射率[16]。

3 结论

1) 用铁氧体和堇青石的生料或熟料复合以后, 复相烧结体的全波段红外吸收率均得到了一定程度的提高;复相烧结体里面都含有强磁性铁氧体, 其单独存在。

2) 在生料配方中, 铁氧体生料和堇青石生料的不同配比对产物红外性能的影响分波段不同。

3) 在生料烧结体和熟料烧结体中, 铁氧体占10%时试样的红外吸收率较高, 这一规律相同。

4) 在熟料配方中, 烧成温度为1150~1200℃时所得的试样红外性能较好。

5) 从整体红外波段来看, 在煅烧之前, 熟原料的红外吸收率远远高于生原料;在煅烧之后, 熟料烧成试样的红外吸收率在1500~400 cm-1波段都要高于生料烧成试样。

红外高辐射节能涂料的研究与应用 第9篇

1 红外辐射节能涂料的节能机理

热工设备内热量传递主要是通过对流、辐射和热传导。随着炉内温度的升高, 窑炉内的辐射能力快速升高, 因此在高温条件下辐射传热是主要的传热方式[1]。

在炼钢炉中红外辐射节能涂料主要应用于热风炉中, 并将其涂覆在蓄热体, 如格子砖的表面上, 由于高辐射涂层可以使蓄热体表面的发射率由0.6~0.8提升到0.9以上, 辐射涂层通过强化辐射换热作用, 提高了蓄热体表面温度以及蓄热体的升温和降温速率, 加强了蓄热体内部-表面-气体三者之间的热传导能力, 使蓄热体在燃烧期的吸热速度和吸热量增加, 在送风期的放热速度和放热量也增加, 从而提高了热风温度, 降低了燃料消耗[2]。

当应用于陶瓷窑炉时, 一般涂覆在匣钵的表面。在陶瓷窑炉中, 辐射到匣钵表面的热量一部分被匣钵吸收另一部分被反射回去, 匣钵吸收热量的能力取决于匣钵的表面黑度的大小, 黑度越高所吸收的热量就越多。由于红外辐射涂料可以提高匣钵的表面黑度, 当辐射到匣钵表面的热量一定时, 涂覆有红外辐射涂料的匣钵由于表面的黑度的提高, 可以使其吸收更多的热量。匣钵表面吸收的热量通过匣钵传递到匣钵内部, 通过辐射传热的作用来加热陶瓷制品。当在使用涂覆涂料的匣钵时, 由于所吸收的热量增加, 要想维持陶瓷制品的烧成温度不变, 就需要改变窑炉的烧成制度, 其中减少燃料的消耗成为了必然结果, 从而起到了节能的作用。

2 国内外红外高辐射涂料的研究及应用现状

今天, 国外已经开发出了很多性能优异的红外高辐射节能涂料, 而且这些涂料已经得到了广泛的应用。这其中比较有代表性的有美国CRC公司研制的红外辐射涂料;英国CRC公司研制的ET-4型红外辐射涂料;英国Harbert Beven公司与欧澳多国联合研制的Encoat型红外辐射涂料;日本CRC公司推出的CRC1100, CRC1500型红外辐射涂料;日本日上公司生产的HRC型辐射涂料等[3]。

美国CRC公司生产的红外辐射涂料, 其中应用在金属表面上的涂料的组成成分主要是Al2O3和Si O2, 对于电热元件等金属基体, 可以延长使用寿命50~70%;而应用在耐火材料以及炉衬表面上的涂料, 其辐射粉料的主要组成是Zr O2或Zr O2, Al2O3, Si O2[4,5,6]。将该涂料应用于工业窑炉中可以节能10~30%, 与此同时涂层对炉衬基体还起到保护作用, 可使耐火材料的使用寿命延长1~4倍。此外, 使用该涂料的经济效果显著, 一般3个月以内即可收回投资。

英国CRC公司生产的ET-4型红外辐射涂料的基料的主要组成成分是锆英砂、Si O2和Al2O3。ET-4涂料在800℃时的发射率为0.85, 1000℃时仍然可以达到0.84, 但应用在金属表面时温度不能高于1100℃, 否则涂层会出现脱落现象。ET-4涂料在工业窑炉上已经得到了较为广泛的应用, 一般可以实现节能10~30%。同时ET-4涂料对于基体材料可以起到很好的保护作用, 从而有效的增加了耐火材料的使用寿命。

日本CRC公司推出的CRC1100, CRC1500型红外辐射涂料, 辐射粉料的主要组成为Co O, Fe2O3, Cr2O3, Si O2, Mo2O3等。该涂料已经应用到了石化工业加热炉上, 一般可以提高2~4%的热效率。

日本日上公司生产的HRC型辐射涂料主要是由铬、铁、铝的尖晶石组成。800℃时其发射率可达95%左右, 并且还具有结构稳定、使用寿命较长等优点, 在窑炉炉衬无破损的情况下, HRC涂料的使用寿命可以长达5年左右。如今, 在建陶行业的窑炉当中已经应用了该涂料, 可以实现节能3~20%[7,8,9]。

我国对于红外辐射节能涂料的研究始于1974年, 由中科院上海硅酸盐研究所率先开始了红外辐射涂料的研究和推广工作。该研究所先后研制成功了HS, HY, HE, HK, SK, HT型等6种型号的红外辐射节能涂料, 这些涂料可以涂覆在金属以及陶瓷窑炉内衬或耐火材料表面上, 使用温度范围在60~1800℃。这些涂料已经相继应用到了首钢、宝钢、鞍钢、扬子石化、武钢等几百家单位的6000余台加热炉、热风炉、锻造炉上, 平均节能能达到5%左右。

随后, 我国又有数十家企事业单位和研究所对红外辐射节能涂料进行了研究与开发, 并取得了重要的成就。

1986年, 中国科学院上海硅酸盐研究所的夏继余等人研制成功了HK-81型耐热辐射涂料[10]。HK-81涂层在400~1200℃温度范围内的发射率高达0.90~0.97。在经过20次急冷急热后涂层依然可以保持不脱落, 因此该涂料具有良好的抗热震性。

1999年, 甘肃工业大学的郝远等人对影响Fe2O3基红外辐射节能涂料发射率的因素进行了研究。他们通过分析Fe2O3基红外辐射节能涂料在不同温度条件下的发射率曲线来研究影响红外辐射节能涂料发射率的重要因素, 并且通过x射线衍射光谱分析对它们的影响机理进行了初步探讨。最终发现, 在涂料中加入Si C可以有效提高涂料的发射率;另外通过合理控制预处理工艺也可以提高涂料的发射率。并且发现涂层的最佳是厚度0.1 mm[11]。

1999年, 胡昌盛等人通过研究高辐射节能涂料对窑炉的火焰空间系统传热的影响, 并且对高辐射节能涂料的应用环境进行了分析研究。但是由于作者没有考虑对流传热以及窑体热阻的影响, 所以得出了连续型窑炉内表面涂覆高辐射节能涂料不能节能的结论。但是, 后来作者又发现, 当考虑窑体内表面的对流传热时, 却又有节能作用[13]。

2001年, 欧阳德刚等人选用Mn O2、Cu O、Fe2O3、Co2O3等过渡金属氧化物作为粉体基料的原材料。另外根据国内外研究人员近些年的研究成果表明, 在红外辐射涂料中使用粘土、堇青石、莫来石、锂霞石等热膨胀系数较小的原材料时可以有效降低红外辐射节能涂层的热膨胀系数[12]。因此, 他们通过加入不同数量的莫来石、堇青石、锂辉石、钛酸铝, 得到了一种抗热震性能良好的涂料, 它在经过50次水冷后依然可以保持不开裂, 不脱落[14]。

2003年武钢技术中心的张奇光等人开发出一种WGC-1型红外辐射涂料。WGC-1型红外辐射涂料在800℃时的全辐射率为0.89, 略低于日本日上公司研制的HRC涂料的0.90。通过采用1100℃高温水冷试验测试其抗急冷急热性能, 发现经25次急冷急热后, 涂层仅有少量剥落, 说明涂层的附着性能良好, 抗剥落性能好。将WGC-1型涂料放入高温炉中, 随炉升温到1350℃并保温60 min, 然后取出观察, 发现没有熔化、软化现象, 证明WGC-1型涂料的高温性能良好[8]。

2005年, 山东慧敏科技开发有限公司创新性的开发出了一种纳微米高辐射覆层技术。通过将红外辐射涂体颗粒经超细化处理至纳微米级水平, 使得将涂料涂覆到基体表面以后, 能够充分渗透到基体的内部, 并在基体表层形成一定厚度的过渡层, 从而使涂覆样具有涂层-过渡层-基体的结构。过渡层的形成使涂层基体表面拥有良好的粘结性能, 能够有效地减少涂层的脱落现象, 从而提高了涂料的抗热震性。该公司研制的红外辐射涂料的粉体基料的主要成分为氧化锆、氧化铬、氧化铁、钛白粉、棕刚玉、耐火粘土和膨润土等, 涂料的发射率可以达到0.90~0.94。

2009年, 陈武等人以Ni O, Cr2O3和Ti O2为原料, 通过喷雾干燥制得团聚颗粒粉体, 该涂料在600℃时的发射率能够达到0.91[15]。通过使用X射线衍射分析发现涂料中的 (Cr0.88Ti0.12) 2O3结构和Ni Cr2O4尖晶石结构是辐射涂料拥有高辐射性能的主要原因[16,17,18]。

2010年沈阳理工大学的丁宁, 朱丽娟等人以Al2O3、Si O2、和Zn O为耐火骨料, 并加入了4种高反射率的材料, 研制出了一种新型的红外辐射涂料, 经过一系列的试验发现当加入30%的空心微珠、11%Cr2O3、12%Zr O2和7%Ti O2时, 该涂料的热反射率最高可以达到92%[22]。

2012年, 朱振奇等人研制出了具有Ni Cr2O4尖晶石结构的红外辐射节能涂料, 并探讨了发射率和尖晶石结构之间的关系[20]。通过X射线衍射分析 (XRD) 发现Ni Cr2O4尖晶石结构具有Fd3m空间群。通过扫描电镜分析 (SEM) 得出由于使用离子喷涂技术使得涂层具有层状结构, 并且由均匀的颗粒以及大量孔隙结构构成。通过发射率测试发现由于其独特的尖晶石结构使得红外辐射涂料的发射率达到了0.91[21]。

2012年, 北京科技大学的王海燕等人以Fe2O3-Mg O-cordierite体系为基础, 通过掺杂不同质量分数的Ti O2和Zn O等, 制备出了具有较高发射率的尖晶石型红外辐射节能涂料。通过XRD、SEM、FTIR、抗热震性测试、傅立叶变换红外光谱测试等测试方法对所制备的红外辐射涂料的微观形貌、物相、红外发射率和抗热震性能等性能进行测试分析。测试结果表明, 经过高温烧结后形成Zn Fe2O4、Mg Fe2O4、Ti Mg2O4尖晶石结构, 当掺杂的Ti O2质量分数为10%时, 所得涂料在8~14μm波段范围内的发射率最高可以达到0.963, 并且拥有良好的抗热震性。

此外, 南京航空航天大学最早于1990年代初就成功研制出了一种高温红外辐射节能涂料。该涂料的辐射基料是Fe2O3和Mn O2, 比例在20~80%之间变化, 并且以Co2O3、Co O、Cu O为助烧剂;辽宁省建筑材料科研所成功研制出了性能优良的LJCS-1型远红外辐射节能涂料, 该涂料在1000℃以下使用时, 全发射率可以达到0.92;1994年, 江苏武进江南特耐保温材料厂也开发出了一种具有高温高发射率的红外辐射涂料, 该涂料可以耐1200~1500℃的高温而且耐燃气冲刷, 全发射率为0.85~0.93, 可以实现节能6%左右;1995年, 北京科技大学成功研制出了BJ-Ⅰ型红外辐射节能涂料, 该涂料由耐火粉料、粘合剂、烧结剂、悬浮剂以及增黑剂等10多种组分组成, 涂料的发射率在0.89~0.92之间;山东淄博市新材料研究所于21世纪初研制生产出了ZYT、ZGW两种系列远红外辐射涂料, 该涂料能够承受1200℃的高温, 全发射率高达0.88~0.93, 此外, 还具有较高的强度和耐磨性, 能够提高炉窑内壁的抗冲击和抗热震性能, 可以实现节能15~30%。

到目前为止, 世界各国对于红外辐射涂料的研究已经进入了一个稳定的阶段, 涂料的性能已经能够满足了实际生产的需要, 并且在窑炉中得到了较为广泛的应用。

3 红外辐射节能涂料的应用

自上世纪七十年代爆发的石油危机以来, 世界各大国都加大了对于红外辐射涂料的投入力度, 开发研究出了大量的红外辐射节能涂料。在80年代中期, 能源缺乏的日本率先研制成功了极具实用性的红外辐射节能涂料, 并且在80年代末、90年代初迅速地实现了产业化。首先应用在了日本的六大世界知名的钢铁企业中, 例如神户制钢、日本制钢、川崎制铁、新日铁、住友金属等的连续加热炉、热轧钢炉、锻造炉以及连续淬火炉中。短短几年时间, 上述企业就因此收到了巨大的经济效益[19]。

随后这种红外辐射节能涂料又广泛应用到了日本的大型石油化工企业中, 例如九州石油、三井石油等大型石油企业中的反应炉、轻油加热炉、精炼油加热炉、重/轻油分解炉等大型设备内。目前, 日本国内已经有数百座工业窑炉使用了红外辐射节能涂料, 其中, 钢铁行业节能效果在5~16%, 一般在8%以上;在石油化工行业的分解炉及加热炉中的节能率一般在2~5%。

2000年, 广州石油化工总厂的加热炉上使用了HT-1型耐高温辐射涂料[23]。在处理量增加31%, 炉膛内温度升高35℃, 环境温度升高5℃等情况下, 窑炉外壁的温度反而平均下降了12.55℃, 散热损失率平均减少了33.9%, 节能率高达11.06%, 单耗平均下降1.36 kg, 而且仅仅用了4.7个月就收回了全部改造投资, 取得了良好的节能效果和经济效益。又由于HT-1型耐高温辐射节能涂料附着能力强, 抗热震性能好, 烧结后的涂层为一层厚为2 mm左右的黑色硬壳, 能够有效降低耐火砖及陶瓷纤维承受热冲刷时的损害, 特别是可以防止陶瓷纤维的粉化。而且涂料的有效使用寿命长, 两年以后依然可以正常使用。

2000年, 茂名石化公司将HT-1高辐射涂料应用在了裂解炉上[24]。在实际生产中发现HT-1型红外高辐射涂料的节能效果明显, 它有效改善了炉膛内辐射效果。降低了窑炉外壁的温度, 并延长了炉衬的使用寿命, 节能环保, 综合经济效益明显。

2003年, 四川新中源陶瓷集团的22条辊道窑应用了HRC型热辐射节能涂料。2003年9月12日, 日本日上公司首先对四川新中源陶瓷集团的8#素烧窑喷涂了HRC型热辐射节能涂料, 并获得了圆满成功, 实际节能效果达到7.07%, 而且炉墙表面涂层无脱落现象, 从而对生产的水晶釉面砖无任何不良影响。

2005年, 四川新中源陶瓷有限公司又对二车间的1#、2#、3#、5#、7#窑炉喷涂了日上公司生产的HRC型热辐射节能涂料, 节能8%以上。为此, 该公司决定全面采用HRC型热辐射节能涂料, 在以后的几年中, 每年都对窑炉进行节能涂料的喷涂施工, 并且新建立的窑炉也喷涂了该涂料, 从而使全厂的22条窑炉全部喷涂了日上公司生产的HRC型热辐射节能涂料。

自2004年山东慧敏科技开发有限公司取得高辐射节能涂料覆层热风格子砖的专利技术以来, 该公司生产的涂料已经相继应用在了鞍钢、邯钢、济钢、莱钢、重钢以及鄂钢等50余家钢铁企业的近300座高炉热风炉和焦炉上[25,26]。均取得了提高热风炉风温、降低煤气消耗、延长送风时间、改善热风炉炉况等效果。

自红外辐射涂料问世以来, 因其能够显著提高材料的表面发射率而受到各国的广泛关注, 并对其进行了积极的研究。如今在炼钢炉中, 这种涂料已经得到了较为普遍的应用, 并取得了良好的效果, 为节能减排, 提高企业的经济效益做出了积极的贡献。然而, 在陶瓷行业以及玻璃行业中, 这种涂料虽然也得到了一定的应用, 但是其应用仍然较少, 可以说并未得到相关企业的足够的重视。这就需要我们对红外辐射涂料做出进一步研究和改进, 以满足陶瓷和玻璃行业的相关需要。

4 红外高辐射涂料的研究方向

为了进一步拓展红外辐射涂料的应用范围, 需要进一步提高其性能。而目前红外辐射涂料虽然得到了较为广泛的应用, 但还存在着一些亟待解决的问题。

(1) 由于受到技术研究深度的限制, 至今对红外辐射涂料的辐射机理还不完全清楚, 而且由于工业窑炉炉内传热过程的复杂性, 使红外辐射涂料在工业窑炉上的应用的节能机理还不够完善[27], 需要对其进行进一步的研究。

(2) 需要进一步提高高辐射涂料的使用温度, 及在高温条件下确保涂料依然具有优良的性能。

(3) 提高涂料的抗老化、抗辐射衰减性能, 提高涂料的附着能力从而增强其寿命。