热处理设备中红外线乾燥节能应用

热处理设备中红外线乾燥节能应用
热处理炉加热乾燥的过程较复杂，同时存在热扩散与湿扩散现象。由於含水物料中水分会向含水量低的力向移动，而物体内部的温度由高温向低温处扩散。如果温度与湿度梯度方向一致，则加速物料的乾燥速率。但如果温度与湿度梯度方向相反特，热扩散与湿扩散相互抵抗。若热扩散比湿扩散强烈，则水分(或其它溶剂)不但不能由内部扩散至表面再扩敬到环境气氛中去，而且恰恰相反，会把水分(或其它溶剂)进一步往内部赶，结果既不能达到加热乾燥的目的，甚至有可能因内部水分集中，外层乾燥而引起品质不良问题。加上红外线加热乾燥技术应用时，常因物性与製造流程的不同，所发展出的加热乾燥製程有很大的差异，至今还没有完整理论可来描述，因此开发製程是在很薄弱的理论基础上，偏重以实验的方式来从事製程工程的发展，常常技术的应用，已达艺术工程的境地。红外线加热乾燥技术的实际工业製程应用与节能效果不胜枚举，兹列举下列几项功效显著者来加以说明：
(一)水性胶带乾燥
环保意识抬头，水性胶成為胶带业的宠儿。然而因水的蒸发热很大，传统热风方式未能达成有效乾燥目的，為了加速產能而盲目提高热风温度，造成水胶上层的温度太高，水分蒸发速率太快，而内层水分尚未扩散至上层时，使得上层之固体颗粒因靠近而聚结形成表乾，若此时水胶继绩受热其内部之水分因升温汽化但却无法从表面蒸发时，则会形成大小不一的汽泡，造成水胶乾燥品质劣化。因此利用高强度红外线配合送风系统以促进乾燥速率及品质，已成為新的发展趋势。用近红外线与热风的乾燥炉根据其实际商用运转结果显示红用能源虽提高30%，但乾燥时间缩短50%，而且涂膜品质因无针孔而提高许多。
(二)涂装乾燥
从冰箱、洗衣机、空调机等的家电製品，到仪錶仪器、產业用机器、车辆车体的所有范围都有金属壳体的涂装，以乾燥烘烤而言，在热风加热的场合，热传达速度慢、达到乾燥温度需相当时间，而以近红外线加热的场合，由於涂装面顏色的差异，升温速度不一样常被指謫。对此，以远红外线加热的场合，由於在涂料主成分中的高分子材料具有良好的远红外线吸收性，在短时间内升温到烘烤温度，便可形成出色的涂膜。对於处理各式各样的形状，大小物件，甚至是有阴影部分的工件係採用吊架悬挠被加热物，边回转这些被加热物，边行走於炉内的方式，亦可均匀的乾燥。此外，近年来藉由远红外线辐射及对流的复合加热技术，使对多样化形状的乾燥成為可能，同时其乾燥时间与以前的远红外线加热单独方式相比，进一步缩短许多。红外线加热与热风乾燥之效益，实验所用粉体是由环氧-聚酯型树脂组成，主成分是由2-2二对酚甲烷型环氧树脂，与饱和型聚酯树脂混合成粉体涂料。粉体平均颗粒大小约12mm，粉体涂料顏色為黑色，而粉体涂装试片是利用高压直流电约80kV，将粉体静电喷涂覆盖於经喷砂表面处理后的钢板上，并将完成之试片放置入输出功率為1.6kW的红外线加热炉中进行粉体硬化加热，分别检测了硬度、附著力、光泽度及耐衝击性，结果显示以红外线加热5分鐘以上时，硬度均可达H，附著度100/100，60℃ 光泽度均90%以上，耐衝击测试50cm合格，而此涂料以热风加热需烘烤12分鐘方能保有如此品质，乾燥时间可减少一半，由於任何加热系统都不可避免热损失，但加热时间缩短意味能源的节约。表8是併用远红外线与热风的水性电著涂装乾燥炉根据其实际商用运转结果显示燃料耗用量可节省25%，乾燥时间缩短50%，涂膜品质更提高许多。
(三)纸管乾燥
纺织工业中之合成纤维佔国内生產值之重要地位，其製程中之POY在酯片溶压抽丝后之高速捲取过程中使用大量纸管，為人纤工业不可获缺的生產具材之一，目前在纸管成形后，通常採人工搬运方式，置於热风乾燥炉加热约4小时，由於热风乾燥炉空间甚大，温度相差极大，温度控制较困难致使纸管内部水份与温度分布不均，导致成品内翘变形，為求改善此缺失只能以低温(约40?C左右)进行乾燥，不仅耗时并且耗能源。為了有效解决上述问题，改採用远红外线加热方式，配合以滚筒一面行走於炉内，一面滚筒自转，使纸管之加热乾燥不仅快速且均匀，并以PID温度控制及变频马达调整速度，使加热速度及加热温度有一宽广的调整范围，以配合生產速度及高品质之要求。
(四)纸塑模的水分乾燥
作為包装用塑胶缓衝材的替代品而备受注目之纸塑摸(纸製模壳)，係利用报纸、瓦楞纸板、杂誌等废纸藉湿式成形而製造成，此装置係以瓦斯或煤油作為热源，透过远红外线照射以进行其后的乾燥。就利用从前的热风方式而言，由於在製品的厚度方向，或每一製品部分，其乾燥速度不同，因而產生弯曲及歪斜，在复杂的形状者之场合，凹部的乾燥缓慢，必须长时间乾燥。远红外线能量由於很容易被水及纸所吸收，故升温快速，如此可以减轻因製品的表层与内部温差所產生的乾燥速度差，而减少弯曲及歪斜。即使是工业製品捆包用者而有深凹形态的场合，从前需要60~120分的，现可缩短為30~40分。
(五)织线浸染乾燥
日常生活上常见之缝鞋线及水泥带封口线等，乃将编织完成之纱线经PU树脂黏著剂处理，再经加热乾燥定形完成，以增加其强度及光泽度，目前乾燥均以热风加热為主，但乾燥耗时且光泽度差，由於PU树脂是红外线良好吸收体，且属於薄膜涂层，因此相常适合红外线加热。用近、中红外线乾燥炉的实际商用运转结果，其中近红外线之输出功率以设定方式固定输出，中红外线则利用检测器回馈信号控制随著乾燥炉的状态输出其功率，结果显示耗电量由每小时22kW降至17kW，生產速度由每分鐘20米提高到25米，產品品质稳定且光泽度提高许多。
(六)硅氧橡胶硫化
由於硅氧橡胶具有杰出的耐高温范围、绝缘特性、无臭、无味、无毒、不污染之特性，為其他胶料所不能比的。因此，硅橡胶的应用差不多已普及到航空、汽车、医学等重要工业上，其中硅橡胶管的製作方式多採挤製成型法，挤製之型件离开模子时尚在生料状况，脆弱而易变形，通常必须立即予以硫化，使之產生分子间的交联作用，赋予硅氧橡胶弹性的性质。目前硅橡胶硫化方法最流行的方法係用水平式热空气连续硫化法(HAV)。挤製品由平但不銹钢网製的运送带输送，利用对流方式作用在型件上以达硫化目的。由於HAV法係先加热空气，再将对流热以传导方式传入硅橡胶，但因硅橡胶的不良热传导性，使得硫化不易在内部均匀进行，此外水平硫化设备的运送带会在挤製品上显印痕，几无例外，而且对於管件製品其圆度也无法掌握，因為硫化前硅橡胶黏度先降低以致於会出现稍微下陷的情形，而造成品质劣化。因此，热风加热方式造成能源浪费、品质及產能无法提升有值得改进的必要。為了改善这些缺失，我们以近红外线加热硫化硅橡胶，以2.5米高、12kW的近红外线炉加硫12秒，及以热风炉炉长约10.5米，炉温控制在280℃左右，加硫90秒的產品為样品，分别检测其硫化程度及品质，可以说以红外线硫化的產品可得到较满意的结果。
(七)纺织品的染色乾燥
在西装布料、窗帘布料的染色工程上，常為了避免顏色的重叠及混合，儘可能依顏色的数目而重复每一色的染色、乾燥循环。於此引进送风式远红外线加热炉，同时利用与多色染整机的组合，使工程一次便可完成。迄今，由於布料及染料对远红外线有良好的吸收率，且处理时间缩短為热风乾燥的1/4~1/6左右，又不伤布料，远红外线乾燥也被确认可以有均一、鲜艳的加工等特长。
结论
以上，我们说明了有关热处理设备中红外线加热器的概要、特性及其应用例，随著科技的不断进步，工业界的生產技术也不断更新，讲求的是系统效率，製程省能与產品品质。在属於传统工业的加热与乾燥领域中，红外线技术因有不可替代的特性：加热乾燥迅速、能源生產力高、系统化容易、品质易於维护、生產环境改良等，这些特性将带来经营效率化及產业系统的变革，其所造成的重大利益，则不难想像，因此近年来在各国都以惊人的速度将红外加热应用於工业製程上。但实际上，在接受厂商委託所设计製造的装置设备，交货之后，由於厂商方面的要求，有关於装置的使用情况及结果等，大都不能作所谓情报交换和对外公开，因此，可做介绍的实际运转数据范例较缺乏，但是，红外线加热具有省能、高加热效率的优点是绝对可以肯定的。唯欲善用红外线加热的特点，则需对辐射体之红外线辐射特性与被加热物的红外线吸收特性充分掌握。
此外红外线辐射体之辐射效率会随材质及加工方式的不同而有所变化，故於红外线辐射材的製作上，就须随时配合其辐射特性的诊测来加以调整。工研院能资所现已购买红外线辐射特性量测仪器，可提供国内业者来使用，深信对国内红外线辐射器品质的提升，将有所俾益。

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