技術資料

‧ 技術資料 ‧ 紅外線加熱技術原理
~本頁資料會不定期更新、更詳細,歡迎經常瀏覽~
近期新增內容快速連結 by Ryan Liu
技術資料:能源效率專章新增內容(使用中波燈管上下烘乾紙胚之效率)
技術資料:紅外線常見問題QA(新增影片,燈管加熱中潑冷水)
技術資料:能源效率專章新增內容(使用中波燈管烘乾紙張水分的效率)
技術資料:電磁波相關知識(描述電磁波的部分重要特性)
技術資料:製鞋業傳統NIR與MIR之比較(新增實驗影片)
技術資料:水分的蒸發-基本物理(以微觀角度解釋水份的蒸發)
導言
貴公司(工廠)還在使用黑鐵管紅外線加熱設備或熱風加熱設備嗎?面對客戶的訂單成長與對環保的要求,是否覺得產能漸漸不足?而產能瓶頸總是在烘乾或加熱段?且能源費用越來越高?每年還得經常維修或保養?您知道為什麼嗎?因為您的設備可能選用了不適當波長的紅外線產品!!紅外線有分波長??
是的,使用了錯誤波長的紅外線產品、錯誤的控制邏輯,得到的將是反效果,使用正確的話,才能將紅外線的優勢充分發揮,請參考以下說明。邦正科技秉持正確觀念,希望用戶能清楚瞭解使用原理,選用正確產品、發揮最大效能,升級產業。
不要再停留在加熱、烘乾就好像廚房烤箱的概念,那已是上世紀的落後技術

章節 
紅外線加熱簡介
紅外線是什麼?

紅外線如何加熱物質?
水加熱與烘乾製程

紅外線加熱簡介
紅外線燈管(或稱紅外線輻射器)加熱技術在工業上之潛力是相當無窮的。此技術可以廣泛地應用在加熱升溫、烘乾與Curing製程。因為它的體積可以設計得很輕量化,所以它可以很容易被裝置在既有的設備上與現有的傳統烘乾技術的設備融合一起或甚至取代,以達到更高的產能或效率。燈管紅外線能同時適配連續型生產線或批次型生產線。邦正科技生產製造多款功能強大且構造精緻耐用之紅外線模組,可供各種不同的工業製程使用。我們的設計,可以完全訂製,以符合客戶製程之實際需求。邦正科技所設計之整合系統可提供平穩啟動之功能,並可提供選擇手動或自動功率控制。

我們提供給客戶對設備的選擇相當多,主要是根據被加熱的工件及各種現場的製程條件。譬如,某些材料吸收某種波長的紅外線會比別種波長的紅外線更多,因為每種材料本身的顏色、構造與化學結構都是不同的。因此,邦正科技可提供各種測試設備給有需求的客戶,在既有的生產設備上進行測試,以瞭解客戶的工件材料是適合哪一種範圍的波長。

對任何有意願使用燈管紅外線的客戶來說,瞭解紅外線技術與專用術語是非常重要的,所以邦正科技特別撰寫了此篇技術文件,深入淺出地讓客戶完全瞭解此項技術。當瞭解了此技術後並正確地使用紅外線加熱技術,將可以得到相當大的生產優勢,譬如:產能提升、能耗降低、生產設備縮小節省空間等等。
下一章節將介紹紅外線是什麼,並展示使用紅外線來烘乾水性基底的材料。此章節也包含了實際的範例,展現了紅外線設備整合於水烘乾製程設備(烤漆烘乾、玻璃清洗後烘乾、紡織業膠類烘乾、鞋業膠類烘乾、噴漆烘乾.....)。由此章節將可看出使用紅外線的各項好處。


紅外線是什麼?(放射光譜–紅外線發生的依據)
紅外線是一種輻射能源,更精確地說,它是一種電磁波,就像X-光、紫外線、可見光、微波與無線電波一樣。這些電磁波的差異就在它們的頻率不同、波長不同。(頻率x 波長= 光速,光速是一個常數),所以頻率越高,波長越短。

任何物體只要其溫度高於絕對零度(0度K或攝氏零下273度),就會發射出紅外線。發射出的紅外線是以連續性的頻譜展現(0.8微米~1毫米),當物體本身溫度上升,則發射出的紅外線強度也會隨之增強,大約是以溫度的4次方這個比例增強。所以,如果物體的溫度提升多1倍,則每單位面積發射的紅外線能量能提升16倍。以紅外線來加熱物體,很重要的一件事是發射紅外線的物體(熱源)之溫度要很明顯地高於被加熱物,如此才能保證淨能量流動是流往被加熱物。

物體溫度提升時的另一個明顯效應就是發射出的紅外線之波長變短,越來越多的能量是以短波紅外線形式或可見光發射出去。一般在業界,賀利氏把波長區分成三種波段:短波、中波、長波(即遠紅外線)。雖然如此,即使中波紅外線輻射器大部分能量是以中波形式發射出去,但它同時也會發射少量的短波與長波紅外線與些許的可見光,這也就是為什麼它看起來是紅色的原因。大部分的雷射,特別是使用於切割或表面熱處理的雷射,也是一種紅外線輻射器。紅外雷射與紅外線輻射器的差別在於:雷射在本質上是單色輻射,它的波長是單一的,譬如CO2雷射,波長是10.6微米,而且是限縮在一個非常小的橫截面做加熱,其功率密度非常高。
紅外線產生是以連續性的頻譜展現(0.8微米~1毫米),當物體本身溫度上升,則發射出的紅外線強度也會隨之增強,大約是以溫度的4次方這個比例增強。所以,如果物體的溫度提升多1倍,則每單位面積發射的紅外線能量能提升16倍,史提芬-波茲曼定理(Stefan-Boltzmann Law)即在闡述此現象。
為簡化定義,我們把紅外線區分成三種波段:
短波:波長小於2微米
中波:波長介於2~4微米
長波:波長大於4微米
*注:1 micron meter = 1 微米= 10E-6公尺,是1 mm的千分之一

另外還有一個關係式是關於溫度與波長的,當輻射物體溫度增加,則放射光譜圖之波峰對應之波長也會越來越短,反之亦然。如下圖:

此波峰對應之紅外線波長,即是最大部分能量是以此波長之紅外線發射出去的現象是根據維恩定理(Wien’s Law),其公式可以下式代表:
波峰對應之波長(um) = 2898 / 絕對溫度
譬如,輻射器燈絲工作溫度2200攝氏度,則其主要能量發射之紅外線之波長= 2898/(2200+273) = 1.17 um



 
以上數據是以完美輻射體(黑體)之表現為依據(Planck’s Curve普朗克黑體輻射定律)。實務上紅外線輻射器之發射率一定會小於1,所以並非完美的輻射體,因此發射之輻射會比以上資料略低。
發射率是一個代表輻射效率的指標,如果有個物體其發射率等於1.0,則它是一個完美的發射體與吸收體,也就是所謂的黑體。如果某個物體其發射率等於0,則它是一個完美的反射體,而不會吸收任何輻射熱。
話題拉回到紅外線輻射器,依據上述原理,變動燈絲的材質使得燈絲溫度有不同的工作溫度,就可以變化其主要的輸出紅外線能量的波長。
不同熱源溫度之紅外線輻射器所產生在不同波長之能量比例不同,如下表:

波長分類 < 2 um 2 ~ 4 um > 4 um
黑鐵管(600度) 3.3% 38.9% 57.8%
標準中波(950度) 14.5% 50.1% 35.4%
碳中波(1200度) 25.2% 49.3% 25.5%
快中波(1800度) 49.5% 38% 12.5%
短波(2200度) 61.6% 30.1% 8.3%
極短波(2700度) 72.5% 22.3% 5.2%
 
 

 
紅外線如何加熱物質?(吸收光譜- 物質吸收紅外線能量的依據)
當電磁波遇到物體時,只有三個可能會發生,此輻射被反射(就像鏡子反射光線一樣)、或此輻射穿透物體(就像光線穿透玻璃一樣),或者此輻射被物體吸收。只有被吸收的部分才能夠有加熱的效果。

物質是以幾種不同方式吸收紅外線。大部分非金屬物質其分子結構的某些部位能被特定波長的紅外線震動,譬如含水分的物質(我們稱之為羥基,即氫氧基-OH)主要可吸收波長介於2.5~3微米的紅外線,也有吸收些許其他波長。物質含有CH, NH或類似的化學組合則可以吸收不少長一點的波長(大概是3.5微米以上)。矽基玻璃吸收低於3.5微米的波長,主要是其Si-O鍵也是吸收2.5~3微米這個波段的波長,因為其也有-OH基。金屬吸收紅外線則是因為電磁波與金屬原子的電子結構之交感作用。
對大部分的物質而言,紅外線是被分類在表面加熱技術,類似烤一塊吐司麵包的方式。也就是紅外線能量是被受熱物體的表面吸收,因此,某些特性類似傳導與對流的加熱方式,但在某些製程需求下,卻可以提供更密集的加熱效果。對某些物質而言,譬如透明的塑膠,玻璃,紙張與紡織布料,紅外線可提供不同程度的”穿透式加熱”,輻射能量可以滲透進入物體,在一定的深度內提供瞬間的加熱效果。當紅外線滲透入物體後,其強度會隨著進入的深度而非線性地降低(指數型降低)。之後的溫度梯度就此形成,而梯度的大小則與吸收係數相關。若吸收係數小,溫度梯度也低(加熱慢),若吸收係數大,則溫度梯度也高,大部分的能量在表面就被吸收。一個非常高的吸收係數本質上可得到良好的表面加熱效果。因為物質對紅外線的吸收係數會隨著波長的不同而有不同,所以選擇正確波長的紅外線能得到更好的表面加熱,甚至大體積的加熱是很有可能的。


以下列出各種不同物質對紅外線的吸收特性

當紅外線輻射器的溫度上升時,以下情形會發生:
1.越短的波長的紅外線能量會大幅上升;整體的能量也是上升。
2.最大的輻射能量密度產生在較短的波長。
3.整體的紅外線能量也會大幅上升(例如:若絕對溫度提升一倍,整體輸出能量提升16倍,即T4 的定理)

水加熱與烘乾製程
從以上兩個章節,我們瞭解了紅外線的放射光譜以及物質的吸收光譜,這兩種特性,可以看出紅外線波長在使用紅外線加熱時的重要。例如水的加熱與烘乾。以下是液態水的吸收光譜。我們簡單地把此光譜與我們產品的放射光譜圖重疊,X軸依照刻度對齊。由下圖可以發現,比較鹵素極短波燈管與中波燈管,中波燈管的放射光譜與水的吸收光譜重疊性較鹵素極短波燈管為高,也就是說,使用中波燈管加熱水,其能量被水吸收的效率會遠大於鹵素極短波。



由上圖可知,A:Non-A 小於B:Non-B,使用鹵素燈管加熱水,有很大比率的紅外線輻射能量(Non-A)不被水吸收,不被水吸收的紅外線,部分轉而被空氣吸收使空氣溫度上升,部分則因為多次反射而被附近其他物質吸收,譬如零件或其他原本不需要加熱的物件。
 
目前工業界絕大部分號稱使用紅外線的用戶,在不瞭解原理的狀況下都還是使用這種極短波燈管或不正確的燈管,長年下來,不僅享受不到紅外線真正的優勢,更不知不覺地浪費了許多能源費用,同時也不知不覺地減短了機器零件的壽命,而壽命短的極短波燈管,經常需停機更換維修,也降低了設備的利用率。隨著各項能源的價格日益升高的年代,使用者確實應該選用正確的紅外線輻射燈管,不僅能夠節能,縮短加熱烘乾時間、提升產能、縮小產線面積節省廠房空間。
 
烘乾表面有水分的工件之製程,如何處理烘出來的水蒸汽是非常重要的,因為如果水蒸汽累積在工件附近,使得附近的相對濕度越來越高,則可想而知,後續工件上的水分要突破蒸汽壓被蒸發會變的越來越困難,就像雨天濕的衣服不易晾乾的道理,因為濕氣重。傳統使用熱風爐來烘乾,會遇到幾個問題,首先就是水蒸汽排除的問題,由於熱能是藉由空氣從熱源帶到工件表面,且熱能需盡量被”封”在工件表面,此需求剛好與排除水蒸汽的方向是相反的,也就是說,一方面需把熱吹過來工件,同時一方面需把水蒸汽吹離工件,這個矛盾的過程,不知浪費了多少能量。
而使用中波紅外線輻射器來烘乾工件上之水分,除了波長正確而易被吸收,且因為能量是以輻射方式從熱源直接以光速傳遞到工件表面的水分,所以水蒸汽排除的動作不會影響此熱量傳遞的效能,水蒸汽可以立即被排除,保持環境在一個濕度低的條件。另外一個附加的好處是,烘乾完成後,工件的溫度相對使用熱風爐來說會比較低,後續需放涼的時間可以大幅縮短。(工件的溫度越高,代表浪費的能量越多,因為真正需要能量的是水份,不是工件)。烘乾溶劑的製程也是相同狀況,能量傳遞與蒸汽排除是兩個不同的運作方式,好處是可以大幅降低氣爆的機會。