高輻射材料及其應(yīng)用

摘 要

摘要：概述了高輻射材料節(jié)能機(jī)理，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了在受熱體和發(fā)熱體外表面應(yīng)用高輻射材料的強(qiáng)化傳熱效果。在工業(yè)鍋爐水冷壁外表面涂刷高輻射材料后節(jié)能效果良好，提出高輻射材料的
摘要：概述了高輻射材料節(jié)能機(jī)理，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了在受熱體和發(fā)熱體外表面應(yīng)用高輻射材料的強(qiáng)化傳熱效果。在工業(yè)鍋爐水冷壁外表面涂刷高輻射材料后節(jié)能效果良好，提出高輻射材料的發(fā)展方向。
關(guān)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(xué)家威郝·謝開(W·Herschel)在研究太陽光不同色彩的熱效應(yīng)時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了輻射熱強(qiáng)的紅外線。后來，人們認(rèn)識(shí)了輻射的本質(zhì)并且建立了基本的輻射定律，使輻射材料的研究與應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。近幾十年，我國研究人員對(duì)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(dǎo)、熱對(duì)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(fā)射率，可強(qiáng)化輻射傳熱能力[6]。
    對(duì)于換熱設(shè)備，使用高輻射材料，將有效改善傳熱過程，達(dá)到節(jié)能目的。而且，這種改造還具有以下優(yōu)點(diǎn)：適合各種復(fù)雜形狀，不破壞原設(shè)備，熱效率提升簡(jiǎn)單方便；無毒、無污染，應(yīng)用范圍廣。
2 高輻射材料節(jié)能機(jī)理
    高輻射材料一般由輻射粉體與粘結(jié)劑組成，其中，輻射粉體的作用是提供高輻射性能，粘結(jié)劑則使輻射材料牢固地粘結(jié)在基體表面。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其組成物質(zhì)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)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(jiǎn)單無機(jī)鹽為粘結(jié)劑。發(fā)展至今，輻射材料的輻射成分則是由多種物質(zhì)通過特殊的材料復(fù)合工藝制成，其粘結(jié)劑也發(fā)展為多種成分組成的復(fù)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(dāng)在鍋爐水冷壁、工業(yè)爐管壁等受熱體外表面應(yīng)用高輻射材料時(shí)，由于其高吸收的特點(diǎn)，提高了爐管吸收爐內(nèi)熱量的能力，進(jìn)而增強(qiáng)了向管內(nèi)水、蒸汽、油等物質(zhì)的傳熱，爐內(nèi)熱量被更有效地吸收，提高了設(shè)備的熱效率。
    當(dāng)在高溫?zé)煿?、電加熱管等發(fā)熱體外表面應(yīng)用高輻射材料時(shí)，由于其高輻射的特點(diǎn)，提高了管壁向外輻射熱量的能力，強(qiáng)化了爐內(nèi)被加熱物體的熱吸收，提高了加熱設(shè)備的熱效率。
3 高輻射材料實(shí)驗(yàn)室測(cè)試情況
    在金屬上應(yīng)用高輻射材料時(shí)，由于基體表面會(huì)有油、銹等，不利于材料的粘接，為保證測(cè)試效果，應(yīng)用前應(yīng)對(duì)金屬表面進(jìn)行除油、除銹等預(yù)處理[8]。
   應(yīng)用時(shí)首先在處理好的基體表面涂刷粘結(jié)劑，待干燥后，涂刷高輻射材料。
   ① 在受熱體外表面應(yīng)用高輻射材料
   測(cè)試平臺(tái)如下：兩個(gè)一樣的不銹鋼小盆，直徑為160mm，一個(gè)在盆底涂刷高輻射材料，另一個(gè)不涂，小盆裝相同的水，在相同的電爐上測(cè)試水的升溫時(shí)間，多次測(cè)量后，取平均值。在受熱體外表面應(yīng)用高輻射材料前后的對(duì)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(dá)到設(shè)定溫度。
    ② 在發(fā)熱體外表面應(yīng)用高輻射材料
測(cè)試平臺(tái)如下：一個(gè)長(zhǎng)600mm、寬600mm、高480mm的鐵皮箱，外表覆蓋保溫棉，內(nèi)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(cè)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(nèi)放同樣質(zhì)量的水，記錄水的溫升情況。多次測(cè)量后，取平均值。在發(fā)熱體外表面應(yīng)用高輻射材料前后的對(duì)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(dá)到設(shè)定溫度。
4 高輻射材料在工業(yè)場(chǎng)所的應(yīng)用
   通過對(duì)高輻射材料的了解和測(cè)試，我們認(rèn)為高輻射材料在工業(yè)場(chǎng)所有較大的利用價(jià)值，特別適合在鍋爐這類改造費(fèi)用高、輻射空間多的換熱設(shè)備上應(yīng)用。下面結(jié)合實(shí)例介紹應(yīng)用過程和效果。
   某公司使用一臺(tái)DZL10-1.25-AⅡ型蒸汽鍋爐，我們測(cè)試了1個(gè)月的鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，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(cè)試了1個(gè)月的鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，測(cè)試都是在鍋爐本體結(jié)構(gòu)、燃料、運(yùn)行工況和司爐工均一樣且燃燒情況調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)進(jìn)行的[9]。
    涂刷高輻射材料時(shí)，首先要清理爐膛，清掃水冷壁外表面的積灰和結(jié)焦，去除銹跡和氧化皮，還原基體本色；接著在表面涂刷粘結(jié)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(yùn)行。
    正常運(yùn)行一段時(shí)間后，通過和客戶聯(lián)合查詢?cè)加涗?，然后?duì)比涂刷高輻射材料前后的數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)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(duì)值提高了約3%。
    從上述應(yīng)用實(shí)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(jié)能效果，得到了用戶的認(rèn)可。
5 高輻射材料的發(fā)展方向
    通過實(shí)際測(cè)試、應(yīng)用高輻射材料，并研究近年來的探索過程，我們認(rèn)為今后可在如下3個(gè)方面作深入細(xì)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(shù)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(jié)劑的耐溫性，從而提高涂層與基體的結(jié)合力。
    ② 隨著納米材料技術(shù)的發(fā)展，考慮改善施工條件的要求，應(yīng)研究高輻射材料的細(xì)化問題，從而使涂層表面不易沾灰、污染，保證涂層長(zhǎng)期穩(wěn)定使用，并且更薄，節(jié)約用量，為用戶節(jié)省資金。
    ③ 工業(yè)場(chǎng)所對(duì)輻射特性的要求是多樣的，而且，不同的被加熱物質(zhì)會(huì)吸收不同波長(zhǎng)的紅外線，應(yīng)針對(duì)不同場(chǎng)所開發(fā)出具有選擇性的產(chǎn)品，以便有的放矢，達(dá)到更佳的節(jié)能效果。
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(本文作者：廖雄 陳建倫 關(guān)威 申海波谷巖 新奧(廊坊)燃?xì)饧夹g(shù)研究發(fā)展有限公司 河北廊坊 065001)