中国涂料网 - 中国涂料网,涂料行业门户网站 !

商业资讯: 企业动态 | 双赢访谈 | 市场动态 | 专利·工艺 | 最新技术 | 会议会展 | 行业综述 | 行业动态 | 最新产品 | 展会新闻

你现在的位置: 首页 > 商业资讯 > 行业综述 > 带钢涂层连续红外加热炉的热平衡分析(上)

带钢涂层连续红外加热炉的热平衡分析(上)

信息来源:paintkey.com  时间:2009-08-06  浏览次数:223

  摘要:基于电镀锌涂层机组所用短波红外加热炉,考虑带钢、涂层、机组速度等因素的影响,对红外加热?
炉进行了系统的热平衡分析,建立了求解的数学模型。经过一系列的理论推导,最终确立了对输入电压的求解方法,实现对红外加热炉的控制。

关键词:电镀锌涂层 短波红外加热炉 热平衡 数学模型

  l 引言

  镀锌涂层钢板生产工艺中,对于涂层的干燥是关键。鉴于短波级外加热炉对涂层良好快捷的干燥效果,宝钢某电镀锌涂层机组采用这种设备。

  红外加热炉是利用红外辐射原理对物料进行加热和干燥。与传统加热干燥方法相比,红外加热具有热转化效率高、响应速度快、加热干燥所需时间短、设备紧凑占地小、工作稳定可靠、维护方便安全[1]。因此,红外加热技术已逐渐应用到越来越多的领域。但是,红外加热炉在干燥电镀锌上的应用还不是很广泛,对于红外加热炉的功率分析还不成熟。透过热平衡理论分析带钢、

涂层、机组速度等因素对系统功率密度的影响,实现了红外加热炉的准确控制以及简便操作。

  2 红外加热炉的热平衡分析

  运用热平衡方法[1],根据能量守恒定律有Q'=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5                        (1)式中:Q’--单位时间内红外加热炉所提供的热量;

     Q1--单位时间内加热工件所需的热量;

     Q2--单位时间内加热工件基体附着物所消耗的能量;

     Q3--单位时阉内炉璧散失的热量;

     Q4--单位时间内经过缝隙散失的热量;

     Q5--单位时间内空气带走的热量。

  考虑到其他未知的热量散失,取安全系数Kq,取值范围为1.1~1.2。实际红外加热炉的功率为:

  Q=KqQ'                            

  (2)红外加热炉为连续作业,即在设定初值之后,只要加热工件及要求不发生变化,加热炉工作状态便不会发生变化,而且处理过的工件也是满足要求的。由此做出结论:除启动阶段外,红外加热炉总是处于稳定的状态,即能量输出与能量输入处于平衡状态。因此,作为加热炉的有效能耗的Q1和Q2所占的比例基本保持不变。那么,称二者所占的比例为红外加热炉的综合效率,用η表示。一般为0.6~0.8。则有:

  Q=(Q1+Q2)/η                         

  (3)为简化计算过程,式子右边各项除以相应的受热面积,转化为功率密度关系式。即:

  qw=qcoilcoil+qcoatingcoating+qvapor)/η               

  (4)式中:qw--所需红外辐射器的功率密度

  qcoil--加热工件所需的功率密度;

  εcoil--工件的吸收率;

  qcoating--工件表面涂层所需要的功率密度;

  εcoating--该涂层的吸收率;

  qvapor--涂层所含水分蒸发带走的功率密度。

  下面逐一引入式子(4)中各变量的计算方法。首先,计算带钢需要的功率密度。这里应该考虑到材料的导热率以及带钢厚度的影响。

热导率,也称导热系数,是物质导热能力的衡量,用λ表示,单位W/m·K。根据传热学理论[2]

Q=λAΔT'/δ(

  5)式中:Q--传递的热量,W/δ;

  λ--材料的热导率,W/m·K;

  A--传热面积,m2

  ΔT'--导热材料两侧的温差,K;

  δ--材料的厚度,m。

  令RK=δ/λA,称其为热阻,可以对比电阻加以理解。

  下面再引入一个名词,热扩散系数α[3],它是一个表示热量传输速度快慢的量,单位是m2/s。计算公式为:

α=λ/CPρ                           

  (6)式中:λ——材料的导热率,W/m·K;

  CP——材料的比热容,J/kg·K;?

  ρ——材料的密度,kg/m3

  带钢的加热时间td为:

  td=L/v                               ?  

  (7)式中:L——总的加热长度;

  V——带钢的速度。

  再根据传热的基本公式,得到qcoil的计算公式为:

  qcoil=Q/A=?6λ0δΔT/(12αtd2)                        

  (8)式中:λ0——综合导热率,W/m·K,通常取为1.0:?

  δ——带钢的厚度,m;

  △T——带钢的温升,K;

  α——热扩散系数,m2/s;

  td——加热时间,s。

  带钢涂层每面吸收的功率密度qcoating为:

  qcoating=Q2'/tdA=CcoatingρcoatingA△T/tdA=Ccoatingρcoating△T/td      

  (9)式中:Ccoating——涂层的比热容,J/kg·K;

  ρcoating——涂层厚度,kg/m2;?

  △T——涂层的温升,K;

  td——加热时间,s。

  带钢每面涂层中所含水分挥发所需的功率密度qvapor为:

  qvapor=Q2'/tdA=βρcoatingALs/tdA=βρcoatingLs/td         

  (10)式中:β——涂层的湿度;

  ρcoating——涂层厚度,kg/m2

  Ls——水的挥发热,通常为2272×103J/kg;

  td——加热时间,s。

  将式子(7)、(8)、(9)(10)代入(4)中,便得到实际所需功率密度计算通式。注意到里面几个未知量:涂层厚度ρcoating、湿度β、带钢速度ν以及带钢厚度δ。

设定一种涂层,则涂层厚度与湿度确定。当带钢速度一定时,利用Matlab软件绘制功率密度与带钢厚度的关系如图l所示。

图1 功率密度与带钢厚度关系曲线

  从图中可以看到,随着带钢厚度的不断增大,吸收的功率密度也随之增大,但趋势逐渐放缓。这主要是热扩散率的影响,在有限的时间里传递的热量不会随厚度一直增加。当带钢厚度达到2mm后,所吸收的功率密度基本不再有太大的变化。

  3 红外加热炉的控制策略

  要提高红外加热炉的效率,关键是要实现最佳匹配吸收,也就是对红外加热器温度的控制。而影响加热器表面温度的主要因素是电压[1]。因此,对电压的控制是关键。由功率公式:

  P=U2/R                           

  (11)则有:

  P/P0=(U2/R)/(U02/R0)=(U/U0)2R0/R                

  (12)式中:P0、U0——红外灯额定功率和电压;

  P、U——红外灯实际功率和电压;

  R0——额定电压时红外灯的电阻;

  R——实际电压时红外灯的电阻。

  由于U0>U,则额定电压下单位时间红外灯的发热量要大于实际情况下的,红外灯的温度也就比实际情况下的高。又知道钨丝的电阻与温度近似满足以下公式:

  R2=Rl(1+0.0045T)                       

  (13)
(未完待续)
    ——本信息真实性未经中国涂料网证实,仅供您参考