CN110081711A - 一种双圆台式黑体辐射节能元件及其制备、使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于工业炉窑节能技术领域，公开了一种双圆台式黑体辐射节能元件及其制备、使用方法，元件包括底板，所述底板顶部设置有顶部开口的第一中空圆台和第二中空圆台，第二中空圆台位于第一中空圆台内部，且二者同轴设置，第一中空圆台和第二中空圆台之间留有间隙，第一中空圆台和第二中空圆台采用耐火黑体材料制成；本发明的双圆台式黑体辐射节能元件的结构根据理想黑体模型原理提出，不依赖于表面涂层的作用，所以不存在因为涂层老化导致黑体元件黑度下降、辐射热流量减少的问题，延长了黑体原件的使用寿命；本发明双圆台式黑体辐射节能元件的结构设计大幅度提高了加热炉炉膛辐射热交换面积，大约是普通黑体原件的1.5倍。

Description

一种双圆台式黑体辐射节能元件及其制备、使用方法
技术领域
本发明属于工业炉窑节能技术领域，具体涉及一种双圆台式黑体辐射节能元件及其制备、 使用方法。
背景技术
当前，在加热炉领域，作为21世纪核心工业技术之一的蓄热式加热炉得到了广泛应用； 红外涂装技术也仍然在使用。在这些加热炉节能技术的基础上，怎样进一步实现再节能，是 摆在我们面前的课题和任务。加热炉内温度较高，温度高于800k我们普遍认为炉内以辐射换 热为主，占到总换热量的90％。增强炉内的辐射换热是节能、提高加热炉热效率的有效途径。
炉内传热可以近似看做封闭的传热模型，其辐射换热量φ可用下式计算：
式中：TG、TW分别为炉气温度、炉墙温度
εW为炉墙黑度
εG为炉气在TG时的黑度
A为炉膛表面积
从上式中可以看出，增强炉内辐射换热的途径有两种，一是增加加热炉炉膛表面积。加 热炉的炉膛，是被加热物料接受热源发出的热能，完成加热过程的空间；从传热的观点来看， 炉壁起着中间传递热量的作用。同时，增加炉膛表面积不能增加炉子的功率，否则会得不偿 失。二是增加炉墙的黑度(发射率)。三是提高热射线的到位率。
安装黑体元件可以解决上述问题，且黑体元件具有较高的稳定。但现有的黑体辐射元件 依靠表面和内部涂有增强热辐射的涂层使节能元件的黑度达到0.9以上。这种方法是不可靠 的。黑体元件的涂层与炉壁的涂层原理相同，因此缺点也很明显，容易老化，使用时间短， 尤其黑体元件具有较长的使用周期，当表面涂层老化，黑体元件的黑度将下降，黑体元件增 强炉内辐射换热的能力也会大大下降。这种增加辐射元件黑度的方法显然不可行。
现有的黑体元件没有完整的制备、使用方法。查阅相关资料更是漏洞百出，尤其是对与 黑体元件的使用方法大部分不合理，甚至大部分文章指出通过黑体元件的通孔配合铆钉固定 以及粘合剂加固进行安装。炉内的温度非常高，铆钉很容易就被高温损坏，造成黑体元件极 不稳定，同时，这种方法不方便更换黑体元件，也是不可取的。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题,本发明提供一种双圆台式黑体辐射节能元件及其制备、 使用方法，技术方案如下：
一种双圆台式黑体辐射节能元件，包括底板，所述底板顶部设置有顶部开口的第一中空 圆台和第二中空圆台，第二中空圆台位于第一中空圆台内部，且二者同轴设置，第一中空圆 台和第二中空圆台之间留有间隙，第一中空圆台和第二中空圆台采用耐火黑体材料制成。
所述双圆台式黑体辐射节能元件为一体浇注成形的。
优选的，所述双圆台式黑体辐射节能元件采用碳化硅材料或多晶质氧化锆材料制成。
第一中空圆台与第二中空圆台的高度与底面直径的比均为1.2:1。
第一中空圆台与第二中空圆台的母线与轴线之间的夹角均为10°～15°。
所述底板底部设置有第一插接部。
一种双圆台式黑体辐射节能元件的制备方法，制备前述的一种双圆台式黑体辐射节能元 件，包括以下步骤：
步骤1、根据双圆台式黑体辐射节能元件的外形制好浇注模具；
步骤2、将轻质耐火浇注料注入所述浇注模具内，同时对模具进行振动处理，振动频率 为150～200次/min，振幅2～3mm，得到浇注件；
步骤3、将浇注完毕的浇注件放置在自然环境中晾干，并在晾干过程中每隔2～3h进行喷 水养护，喷水量以润湿浇注件表面为宜；
步骤4、将浇注件放入烘干机中，以1～2℃/min的升温速度升温至120～150℃，保温14～20h， 然后以30～40℃/h的升温速度均匀升至750～850℃，保温3～4h后取出，在空气中冷却至常温， 得到双圆台式黑体辐射节能元件。
一种双圆台式黑体辐射节能元件的使用方法，使用前述的一种双圆台式黑体辐射节能元 件，包括以下步骤：
步骤1、制备异型砖，所述异型砖的底部设置有与第一插接部相适配的第二插接部；
步骤2、将异型砖阵列分布设置在加热炉体内壁顶部，相邻的异型砖之间侧面贴合；
步骤3、在异型砖底部安装双圆台式黑体辐射节能元件，使第一插接部与第二插接部插 接，并涂抹粘合剂进行粘接。
优选的，第一插接部的为截面呈T形的突起筋，第二插接部为截面呈T形的凹槽，二者 配合使用，实现双圆台式黑体辐射节能元件与异型砖之间的可拆卸式插接装配。
根据双圆台式黑体辐射节能元件的安装位置，调整第一中空圆台和第二中空圆台的开口 朝向，使其尽量对准加热件。
本发明原理如下：本发明的结构设计基于理想黑体模型原理，黑体的吸收比能够 全部吸收各种波长的辐射能。黑体的模型也具备这一特性。理想的黑体模型是选用吸收比较 大的材料制造一个空腔，并在空腔壁面上开一个小孔，设法保持空腔壁面保持均匀的温度， 这种带有小孔的温度均匀的空腔就是黑体模型。其原理为：当辐射能经小孔射入空腔时，在 空腔要经过多次吸收和反射，每经过一次吸收，辐射能就按照内壁的吸收率的份额被减弱一 次，最终离开小孔的能量是微乎其微的。就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。 对于球形空腔黑体模型，若小孔占内壁面积小于6％，内壁吸收比为0.6时，小孔的吸收比可 大于0.996。理想黑体模型解决了元件黑度衰减的问题，但是热射线的到位率依旧很低。若黑 体元件为小孔结构很难控制热射线的辐射方向。
根据Lambert定律
E(θ，β)＝Icosθ
式中：E(θ，β)为定向辐射力，I为辐射强度
其指出：热源向空间各方向发射的辐射能，按余弦规律分布，即法线方向的能量最多,切 线方向的能量为零,在此两方向之间任一位置的辐射能多少,与该位置同法线方向夹角的余 弦成正比,在切线与法线之间,越靠近法线方向的热射线,辐射能越多。由此指导我们在炉膛中 设置黑体元件时,要以选择法线方向为原则:把黑体元件热射线投射的法线方向指向工件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的双圆台式黑体辐射节能元件的结构根据理想黑体模型原理提出，不依赖于 表面涂层的作用，所以不存在因为涂层老化导致黑体元件黑度下降、辐射热流量减少的问题， 延长了黑体原件的使用寿命。
2、本发明双圆台式黑体辐射节能元件的结构设计大幅度提高了加热炉炉膛辐射热交换面 积，大约是普通黑体原件的1.5倍。
3、本发明的使用方法中，炉壁与炉顶四周通过调整角度，调整第一中空圆台和第二中空 圆台的开口朝向，使其尽量对准加热件，遵循Lambert定律，最大限度的提高了热射线的到 位率。
4、本发明的制备方法中，在制备过程中，双圆台式黑体辐射节能元件通过浇筑模具一体 成形，比较牢固，且在安装前已经完成了烘烤过程，因而其强度和使用性能不受炉内因素的 限制。
5、本发明的使用方法中，双圆台式黑体辐射节能元件通过插接的方式与异型砖连接，增 加了双圆台式黑体辐射节能元件安装的稳定性，且拆卸更换较为便捷。
附图说明
图1为本发明双圆台式黑体辐射节能元件的主视结构示意图；
图2为本发明双圆台式黑体辐射节能元件的左视结构示意图；
图3为本发明异型砖的主视结构示意图；
图4为本发明异型砖的左视结构示意图；
图5为加热炉内异型砖的排列示意图。
其中：第一中空圆台1；第二中空圆台2；底板3；第一插接部4；第二插接部5。
具体实施方式
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
本实施例对一炉顶为吊顶式加热炉进行黑体辐射节能元件改造。加热炉炉顶吊挂300×300×300mm的异形砖。由此可以确定黑体辐射节能元件的尺寸。制作如附图1和图2所示的双圆台式黑体辐射节能元件。
第一中空圆台1与第二中空圆台2的母线与轴线之间的夹角均为10°，第一中空圆台1 底面直径为300mm，高为360mm，第二中空圆台2直径为200mm，高为240mm。第一中空 圆台1与第二中空圆台2间距为50mm，壁厚均为15mm，底板3厚度为30mm，第一插接部 4为截面为T形的突起结构，与异型砖底部呈T形槽状的的第二插接部5相适配，双圆台式 黑体辐射节能元件采用轻质、耐火的多晶质氧化锆作为浇注料浇注而成，用氧化锆制作的黑 体元件表面黑度更高。根据双圆台式黑体辐射节能元件的外形和上述尺寸制好浇注模具(采 用常用模子制作方法)后，将混练好的多晶质氧化锆浇筑料注入浇注模具内，在浇筑过程中 要不停的对模子进行震动，震动频率为150次/min，振幅2mm，使浇注料尽可能震实，得到 浇注件。浇注件制作好后，首先放在自然环境中晾干，在晾干过程中，每隔2h要进行喷水养 护1次，喷水量以润湿浇注件表面为宜。然后放入烘干机中以2℃/min的升温速度升至150℃，保温20h，再以40℃/h的升温速度均匀升至850℃，保温4h，然后出炉，在空气中冷却至常温，最终得到双圆台式黑体辐射节能元件。在双圆台式黑体辐射节能元件内外两侧均涂上增 强辐射强度涂层，其黑度一般大于0.9。
生产如图3和图4所示的异型砖，将双圆台式黑体辐射节能元件的第一插接部4插入异 型砖的第二插接部5中，两边涂少许粘合剂即可。异型砖在炉顶的排列如图5所示。可见， 双圆台式黑体辐射节能元件两端被没有凹槽的异型砖顶住，形成稳定的结构。如果要更换双 圆台式黑体辐射节能元件，只需取出对应的异型砖更换双圆台式黑体辐射节能元件即可，方 便快捷，不会对加热炉造成损坏。双圆台式黑体辐射节能元件的密度以炉顶异型砖的数量为 准，一般每隔一块砖安装一个黑体辐射节能元件。同时，双圆台式黑体辐射节能元件按照 Lambert定律进行安装，根据炉壁的位置调整双圆台式黑体辐射节能元件圆台开口与炉壁的角 度，使其尽量对准加热件。可根据双圆台式黑体辐射节能元件的安装位置，调整异型砖T形 凹槽的角度。以上改造提高加热炉热效率、节能减排起到了作用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明 进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修 改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权 利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种双圆台式黑体辐射节能元件，其特征在于，包括底板，所述底板顶部设置有顶部开口的第一中空圆台和第二中空圆台，第二中空圆台位于第一中空圆台内部，且二者同轴设置，第一中空圆台和第二中空圆台之间留有间隙，第一中空圆台和第二中空圆台采用耐火黑体材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种双圆台式黑体辐射节能元件，其特征在于，所述双圆台式黑体辐射节能元件为一体浇注成形的。
3.根据权利要求1所述的一种双圆台式黑体辐射节能元件，其特征在于，所述双圆台式黑体辐射节能元件采用碳化硅材料或多晶质氧化锆材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种双圆台式黑体辐射节能元件，其特征在于，第一中空圆台与第二中空圆台的高度与底面直径的比均为1.2:1。
5.根据权利要求1所述的一种双圆台式黑体辐射节能元件，其特征在于，第一中空圆台与第二中空圆台的母线与轴线之间的夹角均为10°～15°。
6.根据权利要求1所述的一种双圆台式黑体辐射节能元件，其特征在于，所述底板底部设置有第一插接部。
7.一种双圆台式黑体辐射节能元件的制备方法，制备如权利要求2～6中任意一项所述的一种双圆台式黑体辐射节能元件，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据双圆台式黑体辐射节能元件的外形制好浇注模具；
步骤2、将轻质耐火浇注料注入所述浇注模具内，同时对模具进行振动处理，振动频率为150～200次/min，振幅2～3mm，得到浇注件；
步骤3、将浇注完毕的浇注件放置在自然环境中晾干，并在晾干过程中每隔2～3h进行喷水养护，喷水量以润湿浇注件表面为宜；
步骤4、将浇注件放入烘干机中，以1～2℃/min的升温速度升温至120～150℃，保温14～20h，然后以30～40℃/h的升温速度均匀升至750～850℃，保温3～4h后取出，在空气中冷却至常温，得到双圆台式黑体辐射节能元件。
8.一种双圆台式黑体辐射节能元件的使用方法，使用如权利要求6所述的一种双圆台式黑体辐射节能元件，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制备异型砖，所述异型砖的底部设置有与第一插接部相适配的第二插接部；
步骤2、将异型砖阵列分布设置在工业加热炉体内壁顶部，相邻的异型砖之间侧面贴合；
步骤3、在异型砖底部安装双圆台式黑体辐射节能元件，使第一插接部与第二插接部插接，并涂抹粘合剂进行粘接。
9.如权利要求8所述的一种双圆台式黑体辐射节能元件的使用方法，其特征在于，根据双圆台式黑体辐射节能元件的安装位置，调整第一中空圆台和第二中空圆台的开口朝向，使其尽量对准加热件。
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