高輻射材料及其應用

摘 要

摘要：概述了高輻射材料節能機理，在實驗室測試了在受熱體和發熱體外表面應用高輻射材料的強化傳熱效果。在工業鍋爐水冷壁外表面涂刷高輻射材料后節能效果良好，提出高輻射材料的
摘要：概述了高輻射材料節能機理，在實驗室測試了在受熱體和發熱體外表面應用高輻射材料的強化傳熱效果。在工業鍋爐水冷壁外表面涂刷高輻射材料后節能效果良好，提出高輻射材料的發展方向。
關鍵詞：紅外線；高輻射材料；鍋爐改造
High-radiation Material and Its Application
LIAO Xiong，CHEN Jian-lun，GUAN Wei，SHEN Hai-bo，GU Yan
Abstract：The energy-saving mechanism of high-radiation material is summarized. The heat transfer enhancement effect of endothermic body and exothermic body on the external surface to which high-radiation material is applied is tested in a laboratory. An excellent energy-saving effect is achieved after high-radiation material is coated on the external surface of water cooling wall of industrial boiler. The development direction of high-radiation material is put forward.
Key words：infrared ray；high-radiation material；boiler reconstruction
1 概述
    1800年，英國天文學家威郝·謝開(W·Herschel)在研究太陽光不同色彩的熱效應時，偶然發現了輻射熱強的紅外線。后來，人們認識了輻射的本質并且建立了基本的輻射定律，使輻射材料的研究與應用得到了迅速發展。近幾十年，我國研究人員對輻射開展了大量的研究工作，取得了豐碩的成果[1～5]。
    熱量傳遞有3種方式，即熱傳導、熱對流和熱輻射。隨著溫度的升高，輻射傳熱所起的作用越來越大。由輻射基本定律斯忒藩-玻耳茲曼定律可知，提高物體的發射率，可強化輻射傳熱能力[6]。
    對于換熱設備，使用高輻射材料，將有效改善傳熱過程，達到節能目的。而且，這種改造還具有以下優點：適合各種復雜形狀，不破壞原設備，熱效率提升簡單方便；無毒、無污染，應用范圍廣。
2 高輻射材料節能機理
    高輻射材料一般由輻射粉體與粘結劑組成，其中，輻射粉體的作用是提供高輻射性能，粘結劑則使輻射材料牢固地粘結在基體表面。隨著技術的不斷發展，其組成物質也取得了長足進步。早期輻射材料主要是以碳化硅、氧化鋯、鋯英砂等為輻射成分，以簡單無機鹽為粘結劑。發展至今，輻射材料的輻射成分則是由多種物質通過特殊的材料復合工藝制成，其粘結劑也發展為多種成分組成的復合膠體[7]。
    基爾霍夫定律告訴我們，善于輻射的物體必善于吸收，反之亦然。
    當在鍋爐水冷壁、工業爐管壁等受熱體外表面應用高輻射材料時，由于其高吸收的特點，提高了爐管吸收爐內熱量的能力，進而增強了向管內水、蒸汽、油等物質的傳熱，爐內熱量被更有效地吸收，提高了設備的熱效率。
    當在高溫煙管、電加熱管等發熱體外表面應用高輻射材料時，由于其高輻射的特點，提高了管壁向外輻射熱量的能力，強化了爐內被加熱物體的熱吸收，提高了加熱設備的熱效率。
3 高輻射材料實驗室測試情況
    在金屬上應用高輻射材料時，由于基體表面會有油、銹等，不利于材料的粘接，為保證測試效果，應用前應對金屬表面進行除油、除銹等預處理[8]。
   應用時首先在處理好的基體表面涂刷粘結劑，待干燥后，涂刷高輻射材料。
   ① 在受熱體外表面應用高輻射材料
   測試平臺如下：兩個一樣的不銹鋼小盆，直徑為160mm，一個在盆底涂刷高輻射材料，另一個不涂，小盆裝相同的水，在相同的電爐上測試水的升溫時間，多次測量后，取平均值。在受熱體外表面應用高輻射材料前后的對比曲線見圖1。
 
    從圖1中可以看出，涂刷高輻射材料的小盆明顯比不涂刷高輻射材料的小盆更快達到設定溫度。
    ② 在發熱體外表面應用高輻射材料
測試平臺如下：一個長600mm、寬600mm、高480mm的鐵皮箱，外表覆蓋保溫棉，內部以石英加熱管作為熱源，在石英加熱管外部套上鋼管，鋼管受熱后，加熱旁邊的水杯。采用兩種測試方案，第一種方案是在鋼管外部涂刷高輻射材料，記錄杯中水的溫升隋況，另一種方案是鋼管外部不涂刷高輻射材料，杯內放同樣質量的水，記錄水的溫升情況。多次測量后，取平均值。在發熱體外表面應用高輻射材料前后的對比曲線見圖2。
 
 從圖2中可以看出，鋼管涂刷高輻射材料比不涂刷高輻射材料能夠使水更快地達到設定溫度。
4 高輻射材料在工業場所的應用
   通過對高輻射材料的了解和測試，我們認為高輻射材料在工業場所有較大的利用價值，特別適合在鍋爐這類改造費用高、輻射空間多的換熱設備上應用。下面結合實例介紹應用過程和效果。
   某公司使用一臺DZL10-1.25-AⅡ型蒸汽鍋爐，我們測試了1個月的鍋爐運行數據，然后在鍋爐水冷壁這類受熱體外表面涂刷了高輻射材料，再次測試了1個月的鍋爐運行數據，測試都是在鍋爐本體結構、燃料、運行工況和司爐工均一樣且燃燒情況調整到最佳狀態時進行的[9]。
    涂刷高輻射材料時，首先要清理爐膛，清掃水冷壁外表面的積灰和結焦，去除銹跡和氧化皮，還原基體本色；接著在表面涂刷粘結劑；最后在表面涂刷高輻射材料。自然干燥后，按照正常啟爐過程升溫、運行。
    正常運行一段時間后，通過和客戶聯合查詢原始記錄，然后對比涂刷高輻射材料前后的數據，得出如下結果：涂刷高輻射材料前，鍋爐熱效率平均為63%；涂刷高輻射材料后，鍋爐熱效率平均為66%：鍋爐涂刷高輻射材料后，熱效率的絕對值提高了約3%。
    從上述應用實例可見，在鍋爐受熱體外表面涂刷高輻射材料取得了良好的節能效果，得到了用戶的認可。
5 高輻射材料的發展方向
    通過實際測試、應用高輻射材料，并研究近年來的探索過程，我們認為今后可在如下3個方面作深入細致的工作。
    ① 研究高輻射材料與金屬基體在高溫下的耐用性。由于兩者熱膨脹系數很難完全匹配，在高溫下，高輻射材料容易脫落?？筛纳戚椛浞垠w的組成，提高粘結劑的耐溫性，從而提高涂層與基體的結合力。
    ② 隨著納米材料技術的發展，考慮改善施工條件的要求，應研究高輻射材料的細化問題，從而使涂層表面不易沾灰、污染，保證涂層長期穩定使用，并且更薄，節約用量，為用戶節省資金。
    ③ 工業場所對輻射特性的要求是多樣的，而且，不同的被加熱物質會吸收不同波長的紅外線，應針對不同場所開發出具有選擇性的產品，以便有的放矢，達到更佳的節能效果。
參考文獻：
[1] 張順義，李家駿.遠紅外煤氣輻射管的研制及其在油漆烘干上的應用[J].煤氣與熱力，1981，1(4)：47-49.
[2] 仇中柱，徐吉浣.紅外線輻射式天然氣鍋爐的研制[J].煤氣與熱力，2001，21(5)：399-401.
[3] 彭好義，蔣紹堅，艾元方，等.高溫空氣燃燒U型燃氣輻射管及其性能分析[J].煤氣與熱力，2002，22(6)：515-517.
[4] 由玉文，婁承芝，安大偉，等.燃氣紅外柔強輻射采暖在高大建筑的應用[J].煤氣與熱力，2004，24(3)：141-143.
[5] 譚羽非，趙登科.碳纖維電熱板地板輻射供暖系統熱工性能測試[J].煤氣與熱力，2008，28(5)：A26-A28.
[6] 楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1998.
[7] 馬劉寶，朱靖.紅外輻射涂料的研究與發展趨勢[J].表面技術，2007，36(1)：68-70.
[8] 王黔平，張家生，黃轉紅，等.高溫熔燒法制備金屬基陶瓷涂層的研究[J].耐火材料，2005，39(6)：452-454.
[9] 夏繼余，胡仲寅，王正深，等.HK型高發射率節能涂料及其應用[J].機械工程材料，1995，19(4)：36-38.
 
(本文作者：廖雄 陳建倫 關威 申海波谷巖 新奧(廊坊)燃氣技術研究發展有限公司 河北廊坊 065001)