红外技术基础与应用_远红外加热技术及应用简述

《红外技术基础与应用》

题 目课程结题论文

远红外加热技术及应用简述

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所在学院 专业班级 学 号 指导教师

2011年12月

远红外加热技术及应用简述

远红外加热技术及应用简述

摘要：本文从红外辐射的机理出发，探讨了红外辐射的光谱特性、吸收机制与吸收条件，论述了辐射与吸收的匹配的重要性，重点对染整工艺应用过程原理及辐射换热详尽地阐述远红外加热要旨，最后结合远红外加热食物等的应用实际，阐明了远红外加热技术的特点，指出了远红外加热技术工业用或民用的庞大市场和广阔前景。 关键字： 远红外加热； 辐射； 原则； 节能； 应用

Far-infrared Heating Technique and Application

Abstract: In the paper, we point out that the characteristic of the far-infrared heating technique in terms of the theory of infrared radiation; the principle of far-infrared heating technique is outlined. As a result, the far-infrared heating become more important in the future.

Key words: far-infrared heating; radiation； energy conservation； principle；application

1. 前言

远红外加热技术，就是利用远红外辐射热能加热物品的工艺过程，其能量传递方式是热辐射，这种热能传递方式具有以下特点：

1) 辐射能在辐射源与被加热物体之间以光速行进传播，能量传递速度极快，为3×10m/s，

介质损耗很小，远红外辐射能量被物质的分子吸收，不受物质表面层的阻滞作用，加热速度高。

2) 远红外辐射加热过程中，能保持物体中挥发物的扩散方向一致，从而保证加热质量。 3) 红外线和可见光一样，都作为横波在空间传递，都是按直线传播行进的。

上述特点决定了该项技术具有耗能低、加热速度快、加热质量高等特点，引起人们的高 ①

①

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热辐射传递特点参考胡亚范的《远红外辐射加热技术节能原理与应用》

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度重视，因此研究远红外辐射特性和应用开发有着广阔的前景。本文重点讨论远红外加热技术的基本原理及其应用。

2. 远红外加热的基本原理

2.1.

红外辐射的定义

红外辐射也称作红外线，是介于可见光红光端与微波之间的电磁辐射，其波长范围是从0.75m-1000m之间，是人眼看不到的部份。远红外线又称长波红外线，其波长范围从5.6m至1000m。

③

②

2.2. 红外吸收光谱

④

红外吸收光谱是一种分子吸收光谱。

分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到分子的振动-转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱。

几乎所有的有机化合物在红外光谱区均有吸收，凡是具有结构不同的两个化合物，一定不会有相同的红外光谱。

2.3. 红外辐射吸收机制与吸收条件

⑤

质点的运动都有自己的固定频率。当遇到具有某个频率的红外线辐射时，如果红外线的频率与基本质点的固有频率相等，则会发生与共振学振运动相似的情况，质点会吸收红外线，并使运动进一步激化；如果二者的频率相差较大，那么红外线就不会被吸收而可能穿过。基本质点吸收红外线由一个能级跃迁到另一个能级，必须满足玻尔的量子条件，即：

Em - En = hvmn

上式中Em为高能级能量、En为低能级能量、vmn为红外线频率。 基本质点不具备上式的能级，则不会吸收频率为vmn的红外线。

对红外线敏感的物质，其分子、原子吸收红外线后，不仅会发生能级的跃迁，也扩大了以平衡位置为中心的各种运动的幅度，质点的内能量加大。微观结构质点运动加剧的宏观反映就是物体温度的升高，即物质吸收红外线后，便产生自发的热效应。由于这种热效应直接 ②③

红外辐射的定义引用自侯峙云的《红外技术基础与应用-1》

远红外线的定义参考孙永茂等的《传统加热与远红外加热技术的应用对比及浅析》 ④

红外吸收光谱引用自百度百科的《红外光谱》 ⑤

红外辐射吸收机制与吸收条件参考百度百科的《红外线》

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产生于物体的内部，能快速有效地对物质加热。

2.4. 物质对远红外辐射的选择性吸收

1) 物质只对能满足其分子产生高、低两个能级跃迁的远红外辐射产生吸收，其频率不能满

足条件的远红外辐射则不被吸收而穿过。

2) 由于物质分子的吸收能级很多，各个能级的跃迁差异不等，因此实际的吸收不是单一的，

而是复杂的，并伴有多种能级跃迁的吸收过程。

2.5. 红外辐射与吸收的匹配

1) 选择性辐射：辐射加热需要辐射源，辐射源产生的辐射不是所有波长的辐射强度都相等，

辐射能力按不同波长而有所变化的辐射称为选择性辐射。

2) 匹配辐射加热：当物料的选择性吸收与辐射源的选择性辐射一致时，称为匹配辐射加热。 3) 日本学者细川秀克等曾提出过理想匹配的模型。所谓理想匹配是指辐射源与被加热物料

具有完全相对应的光谱，这样，辐射能将全部被物料所吸收，成为无损失的理想辐射加热。理想匹配模型如下图所示：

2.6. 远红外加热技术的加热效率

2.6.1. 红外线的吸收、反射与透射性

红外线遵循可见光的传播规律，它也是按直线传播，并服从反射、透射和吸收定律。当红外线辐射到物体表面时，一部分在物体表面被反射，其余就射入物体内部。而射入物体的

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红外线中，一部分透过物体，其余部分为物体所吸收。

⑥

2.6.2. 物体表面吸收率

通常的物体，表面吸收率不高，在被加热时，吸收辐射能的能力低，因而在热能传递的三种基本方式中，辐射能传递的比例较低。红外辐射的基本原理就是提高被加热表面吸收率，增大辐射能传递比例，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。且当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。

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，必须根据被加热物的要求来选择合适的辐射元件，同时还应采用不同的选择性辐射涂层材料，并要改善加热体的表面状况。

⑦

2.6.3. 远红外加热的节能

远红外加热与传统的蒸汽、热风和电阻等加热方法相比，具有加热速度快、新产品质量好、设备占地面积小、生产费用低和加热效率高等许多优点。用它代替电加热，其节电效果尤其显著，一般可节电30%左右，个别场合甚至可达60%～70%。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。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。

⑧

2.7. 远红外加热要旨（以染整工艺应用为例⑨）

远红外辐射加热的应用理论在于研究如何使热能最有效地辐射；传输损失最小；使受热物吸收效率最高。因地制宜根据最佳光谱匹配、定向集中辐射和最佳综合效益三大原则，调制改进加热系统，以进一步充分发挥辐射加热的效益。

2.7.1. 最佳光谱匹配原则

到物料上的辐射量并不等于织物实际吸收的热量，因为有一部分被反射，一部分透过织物。因此，只有物料吸收得愈多，反射和透过得愈少，则吸收率愈高。研究吸收波长是加热技术的重点。由不同厚度水层的红外吸收光谱可知，含水物料由于液态水的存在，对1.2m以上的辐射波将全部吸收，而在水的OH基振波长2.7m附近，以及6-11m段出现强烈吸收带。

⑥⑦

红外线的吸收等参考百度百科的《远红外加热技术简介》 物体表面吸收率的接受参考李工一等的《红外加热30年》 ⑧

远红外加热节能的介绍参考胡亚范的《远红外辐射加热技术节能原理与应用》 ⑨

远红外加热要旨参考陈立秋《染整应用远红外加热要旨(一)》

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如果红外线传送的振动数与基本质点的固有频率相等，则会发生与振动学振运动相似的情况，质点会吸收红外线能量并使运动进一步激化。如果两者频率相差较大，那么红外线就不会被吸收而可能是反射或穿过。由此可见，物料对辐射热量的吸收率与光谱密切相关，应确立合理的远红外加热辐射实效光谱区段，以达到与加热制品的最佳匹配。由于辐射的单色光谱与吸收的单色光谱不可能做到绝匹配，因此实际采取对远红外辐射器和辐射温度的最优选择，使辐射器的区间辐射率与被加热制品与该入射区相对应的区间吸收率相配合。

2.7.2. 定向集中辐射原则

提高热量的传输效率，要求做到传播速度快；中途损失少；定向到达加工物料。与对流加热相比，辐射加热这三点都较优。辐射以光速在空气中传输时损失较少，物料升温往往快于空气升温。辐射遵循光的传播有关法则，可以通过反射、聚焦等装置实现这一要求。定向集中辐射原则的要点在于：以辐射为主、定向辐射、热量集中于织物。对系统而言，充分收集透过织物的辐射能的再利用。

2.7.3. 最佳综合效益原则⑩

在远红外辐射加热中，通过采取定向集中和最佳匹配措施，辐射的有效转移率可以达到很高。因此，受热制品获取的总热量中，辐射是占主要的，但这并不等于经对流传输给织物的热量可以忽视。许多制品脱水烘干的实践表明，一定的介质流动速度是加速水分汽化蒸发的必须条件。

要获得加热系统的最佳总热效率，必须设法将织物表面的气膜及辐射加热布道中的水蒸汽排除，适当降低或调和均匀布道中的温度。织物在远红外辐射加热烘干工艺中，正确发挥辐射与对流作用，以辐射为主，兼顾对流，以获得最佳总热效率是相当重要的。

总之，应用远红外加热技术获得最佳总热效率，必须因地制宜地根据光谱匹配、定向集中辐射和最佳综合效益三大原则改进加热系统。使之在最佳辐射温度下和节能的前提下，提高产品质量，降低生产成本，以获得最佳的综合效益。

2.8. 远红外加热器

远红外辐射器品种繁多，主要有板状、管状、灯状和灯口状几种。常用的有乳白石英玻璃管辐射器和远红外多孔陶瓷板等。

3. 远红外加热技术的应用

⑩

最佳综合效益原则参考陈立秋《染整应用远红外加热要旨(二)》

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3.1. 用于食品的加热应用

食品中的很多成分在3-10m的远红外区有很强的吸收，因此在食品加热中，往往选择远红外进行加热。下面给出几种食品材料的电磁波吸收频率图

从该吸收频率图可以看出，一般食物中富含的水、淀粉和纤维素等成分对其对应红外谱线的吸收率都比较大。

下面给出一些有机高分子物质和食物的吸收光谱。

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3.1.1. 食品远红外熟成

远红外熟成是利用远红外线照射食品时，引起食品内部水分及有机物质分子振动，导致蛋白质、碳水化合物等物质变化，因而达到熟成的效果。利用远红外对食品进行熟成处理可以缩短熟成时间。远红外可用于酿造食品、鱼肉炼制品、蒸蛋等食品的熟成。 1) 鸡蛋的远红外加热熟成：熟度一致，破壳率低。

2) 远红外加速酒类的快速陈酿：远红外可以使陈酿周期由数年缩短至数小时。刚酿出的芦

荟酒，第二天经约20min的远红外照射，可以达到相当于一年的自然陈酿效果。

3.1.2. 食品远红外干燥

食品远红外干燥的应用效果明显，下面给出几种食品的干燥效果：

1) 远红外干燥菠菜：70℃下，经3～10m波长的远红外干燥，Vc残存率是一般电热干燥产

品的2倍。

2) 水产品：远红外干燥具有缩短干燥时间和提高营养成分保存率及降低酶活的效果。经远

红外线干燥的竹筴鱼呈味成分比晒干的约高1倍，而酸性磷酸酶活性只有晒干的一半。

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3) 面条：传统热风干燥的面条表面粗糙，低温干燥干燥时间长、所需设备较大。远红外干

燥的产品表面较光滑，干燥时间大大缩短，含菌率大大降低。

3.1.3. 红外加热技术还不能充分的应用到食品加工中的原因

1) 物料在红外加热过程中其物理化学性质将发生变化，同时其物料含水量的变化也影响辐

射特性；

2) 红外辐射能量在食品加工中应用受到局限的原因是人们对红外辐射光谱特性的了解还

不深入。

例如，红外辐射不能穿透厚的豆类种子，这就使得红外热量不适合深床物料的加热。红外加热能降低产品水分含量和质量，红外加热已经成为第二位的加热选择，仅次于对流和热传导的方法。

3.1.4. 其它

利用远红外加热技术设计的一加热饭盒，其具有携带方便、实用、加热快、能耗小、不破坏食物营养成分的特点。其结构剖面图如下所示：

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其工作原理是：电阻丝通电后产生热能，传递给涂有红外辐射陶瓷涂料的内层，电能转变为光能，向外辐射红外线，然后被容器内的食物吸收。

而远红外加热技术，辐射线以光速射向物料表面，不需要介质，故能量损失小，且电磁波有一定的穿透能力，可以使物质受热均匀。远红外辐射陶瓷涂料多为几种辐射材料的复合物，用于红外加热辐射源的高辐射率红外辐射材料有金属氧化物、碳化物和硼化物。其加热特点是高效节能，热转换效率大于50%，效果远高于一般的电加热器件。

3.2. 用于物料的干燥应用

加热干燥是许多工业生产工艺过程中必不可少的工序，能源消耗量颇大。有人估计仅加 11

红外加热饭盒的说明参考叶莎的《便携式远红外辐射节能型加热饭盒》

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热干燥制品一项，，消耗的能量就占工业化国家燃料用量的10%-15%。因此，采用加热效率高、能源耗量少的远红外加热设备意义重大。

用远红外干燥水分的理由：水由一个氧原子和两个氢原子组成，三个原子不是排成一条直线。在基态时，O-H两原子之间的距离为0.096nm，两个O-H键之间的夹角为104.5度。当水分子受到吸收波长为2.663μm，2.738μm和6.270μm的远红外线时，可引起三种振动形式，如下图所示：

3.3. 用于建筑物供暖的应用

广州汇安科技有限公司研制的一款远红外加热地板产品是一款模块化节能保健取暖产品。其运作是以碳分子晶体在交变电磁场中做布朗运动，相互摩擦、碰撞而产生远红外线为原理，使热量以远红外线辐射方式向地面传递，具备能迅速升温、电热转换率高达98%，且几乎不产生热损耗等显著优势。

远红外加热保暖的应用有着模块化设计、超高电热转化率、热稳定性好、智能化控制、保健功能、环保供暖、经济节能、安装简便、热启动快、节约空间、美化居室、使用寿命长的特点，应用越来越广泛。

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4. 结语

远红外加热有着热辐射率高、热损失小、容易进行操作控制、加热速度快，传热效率高、有一定的穿透能力、产品质量好、热吸收率高等优点。本文从红外辐射的机理出发，探讨了红外辐射传热的特点，重点对染整工艺应用过程原理及辐射换热详尽地阐述远红外加热要旨，结合远红外加热食物等的应用实际，论述了远红外加热技术工业用或民用的庞大市场和广阔前景。

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远红外加热地板产品的介绍引用自陈佳旖的《远红外加热地板：科技引领新生活》 远红外加热的优点结合李工一等的《红外加热30年》

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5. 参考文献

[1] 胡亚范. 远红外辐射加热技术节能原理与应用[J]. 红外技术, 2002,(05):58-62. [2] 侯峙云.《红外技术基础与应用-1》.华南师范大学.

[3] 孙永茂 ,仲树琦. 传统加热与远红外加热技术的应用对比及浅析[J]. 医药工程设计杂

志, 2001,(22):19-21.

[4] 百度百科,《红外光谱》,http://baike.baidu.com/view/139957.htm(2012年1月3日) [5] 百度百科,《红外线》,http://baike.baidu.com/view/1813.htm(2012年1月3日) [6] 百度百科,《远红外加热技术简介》,http://baike.baidu.com/view/1332362.html(20

12年1月3日)

[7] 李工一,秦伟,葛世名. 红外加热30年[J]. 红外技术, 2003,(06):73. [8] 陈立秋. 染整应用远红外加热要旨(一)[J]. 印染, 2004,(11):35-38. [9] 陈立秋. 染整应用远红外加热的要旨(二)[J]. 印染, 2004,(12):35-36. [10]叶莎. 便携式远红外辐射节能型加热饭盒[J]. 电子产品世界, 2008,(02):21. [11]

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