高辐射材料及其应用

摘 要

摘要：概述了高辐射材料节能机理，在实验室测试了在受热体和发热体外表面应用高辐射材料的强化传热效果。在工业锅炉水冷壁外表面涂刷高辐射材料后节能效果良好，提出高辐射材料的
摘要：概述了高辐射材料节能机理，在实验室测试了在受热体和发热体外表面应用高辐射材料的强化传热效果。在工业锅炉水冷壁外表面涂刷高辐射材料后节能效果良好，提出高辐射材料的发展方向。
关键词：红外线；高辐射材料；锅炉改造
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，英国天文学家威郝·谢开(W·Herschel)在研究太阳光不同色彩的热效应时，偶然发现了辐射热强的红外线。后来，人们认识了辐射的本质并且建立了基本的辐射定律，使辐射材料的研究与应用得到了迅速发展。近几十年，我国研究人员对辐射开展了大量的研究工作，取得了丰硕的成果[1～5]。
    热量传递有3种方式，即热传导、热对流和热辐射。随着温度的升高，辐射传热所起的作用越来越大。由辐射基本定律斯忒藩-玻耳兹曼定律可知，提高物体的发射率，可强化辐射传热能力[6]。
    对于换热设备，使用高辐射材料，将有效改善传热过程，达到节能目的。而且，这种改造还具有以下优点：适合各种复杂形状，不破坏原设备，热效率提升简单方便；无毒、无污染，应用范围广。
2 高辐射材料节能机理
    高辐射材料一般由辐射粉体与粘结剂组成，其中，辐射粉体的作用是提供高辐射性能，粘结剂则使辐射材料牢固地粘结在基体表面。随着技术的不断发展，其组成物质也取得了长足进步。早期辐射材料主要是以碳化硅、氧化锆、锆英砂等为辐射成分，以简单无机盐为粘结剂。发展至今，辐射材料的辐射成分则是由多种物质通过特殊的材料复合工艺制成，其粘结剂也发展为多种成分组成的复合胶体[7]。
    基尔霍夫定律告诉我们，善于辐射的物体必善于吸收，反之亦然。
    当在锅炉水冷壁、工业炉管壁等受热体外表面应用高辐射材料时，由于其高吸收的特点，提高了炉管吸收炉内热量的能力，进而增强了向管内水、蒸汽、油等物质的传热，炉内热量被更有效地吸收，提高了设备的热效率。
    当在高温烟管、电加热管等发热体外表面应用高辐射材料时，由于其高辐射的特点，提高了管壁向外辐射热量的能力，强化了炉内被加热物体的热吸收，提高了加热设备的热效率。
3 高辐射材料实验室测试情况
    在金属上应用高辐射材料时，由于基体表面会有油、锈等，不利于材料的粘接，为保证测试效果，应用前应对金属表面进行除油、除锈等预处理[8]。
   应用时首先在处理好的基体表面涂刷粘结剂，待干燥后，涂刷高辐射材料。
   ① 在受热体外表面应用高辐射材料
   测试平台如下：两个一样的不锈钢小盆，直径为160mm，一个在盆底涂刷高辐射材料，另一个不涂，小盆装相同的水，在相同的电炉上测试水的升温时间，多次测量后，取平均值。在受热体外表面应用高辐射材料前后的对比曲线见图1。
 
    从图1中可以看出，涂刷高辐射材料的小盆明显比不涂刷高辐射材料的小盆更快达到设定温度。
    ② 在发热体外表面应用高辐射材料
测试平台如下：一个长600mm、宽600mm、高480mm的铁皮箱，外表覆盖保温棉，内部以石英加热管作为热源，在石英加热管外部套上钢管，钢管受热后，加热旁边的水杯。采用两种测试方案，第一种方案是在钢管外部涂刷高辐射材料，记录杯中水的温升隋况，另一种方案是钢管外部不涂刷高辐射材料，杯内放同样质量的水，记录水的温升情况。多次测量后，取平均值。在发热体外表面应用高辐射材料前后的对比曲线见图2。
 
 从图2中可以看出，钢管涂刷高辐射材料比不涂刷高辐射材料能够使水更快地达到设定温度。
4 高辐射材料在工业场所的应用
   通过对高辐射材料的了解和测试，我们认为高辐射材料在工业场所有较大的利用价值，特别适合在锅炉这类改造费用高、辐射空间多的换热设备上应用。下面结合实例介绍应用过程和效果。
   某公司使用一台DZL10-1.25-AⅡ型蒸汽锅炉，我们测试了1个月的锅炉运行数据，然后在锅炉水冷壁这类受热体外表面涂刷了高辐射材料，再次测试了1个月的锅炉运行数据，测试都是在锅炉本体结构、燃料、运行工况和司炉工均一样且燃烧情况调整到最佳状态时进行的[9]。
    涂刷高辐射材料时，首先要清理炉膛，清扫水冷壁外表面的积灰和结焦，去除锈迹和氧化皮，还原基体本色；接着在表面涂刷粘结剂；最后在表面涂刷高辐射材料。自然干燥后，按照正常启炉过程升温、运行。
    正常运行一段时间后，通过和客户联合查询原始记录，然后对比涂刷高辐射材料前后的数据，得出如下结果：涂刷高辐射材料前，锅炉热效率平均为63%；涂刷高辐射材料后，锅炉热效率平均为66%：锅炉涂刷高辐射材料后，热效率的绝对值提高了约3%。
    从上述应用实例可见，在锅炉受热体外表面涂刷高辐射材料取得了良好的节能效果，得到了用户的认可。
5 高辐射材料的发展方向
    通过实际测试、应用高辐射材料，并研究近年来的探索过程，我们认为今后可在如下3个方面作深入细致的工作。
    ① 研究高辐射材料与金属基体在高温下的耐用性。由于两者热膨胀系数很难完全匹配，在高温下，高辐射材料容易脱落。可改善辐射粉体的组成，提高粘结剂的耐温性，从而提高涂层与基体的结合力。
    ② 随着纳米材料技术的发展，考虑改善施工条件的要求，应研究高辐射材料的细化问题，从而使涂层表面不易沾灰、污染，保证涂层长期稳定使用，并且更薄，节约用量，为用户节省资金。
    ③ 工业场所对辐射特性的要求是多样的，而且，不同的被加热物质会吸收不同波长的红外线，应针对不同场所开发出具有选择性的产品，以便有的放矢，达到更佳的节能效果。
参考文献：
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[6] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，1998.
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[9] 夏继余，胡仲寅，王正深，等.HK型高发射率节能涂料及其应用[J].机械工程材料，1995，19(4)：36-38.
 
(本文作者：廖雄 陈建伦 关威 申海波谷岩 新奥(廊坊)燃气技术研究发展有限公司 河北廊坊 065001)