黑体材料在工业加热炉中的节能效果及案例分析

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【摘要】工业化程度的不断加深，在给人类带来巨大福利的同时也给环境和资源造成了很大的损害。鉴于传统加热炉高耗能、低产出的问题，生产界一直在寻找新技术来解决这个问题。现阶段，黑体材料逐步从科研步入实践，且在工业加热炉中得到了较为广泛的运用，其优势也得到了充分的发挥。本文从黑体材料的节能效果出发，结合具体的案例，对黑体材料在工业加热炉中的节能效果进行详细的分析和论证。

【关键词】黑体材料；黑体技术；工业加热炉；节能

引言

随着科学技术的不断发展，普通侧进侧出步进梁单蓄热连续式加热炉由于其耗能高、寿命短、加热能力弱的劣势逐渐被淘汰。以高焦混合煤气为燃料原料的普通加热炉在投产使用阶段符合设计要求，随着时间的推移，逐渐暴露出其耗能高、产能差的缺陷，使得此种加热炉的运用和推广受到很大的限制。成本控制、节能减排及新科技的研究与应用等不断推动着社会的进步，人们经过不断的探索和实践发现在传统加热炉上运用黑体材料可以很好地解决普通加热炉的此类缺陷，还可达到节能环保的效果。

1.黑体材料的定义

黑体材料是指对热辐射线进行吸收的一种物质，具体是指在热能投放到物体表面时，会有三种能量：依次为被物体所吸收的能量、被物体反射出的能量及穿过物体表面的能量。每个部分的能量与总辐射量的比值被称为吸收比、反射比与穿透比（比值通常在0到1之间）。当物体的吸收比值为1时，说明投射过来的所有热辐射线都被物体所吸收，此时该种物质就是黑体物质。举例说明：有个空心容器，容器表面是一种不透明材料，器壁上有个小孔，当射线投射到小孔后，会在容器内进行多次反射，而每次反射都会有一部分能量被内壁所吸收；如果小孔的面积小于容器的表面积，且射线被全部吸收的话，这个小孔就是黑体物质。

一般情况下，物体对辐射有吸收和反射两种应对方式。而黑颜色物体的吸收能力往往比淡颜色物体的吸收能力强很多。比例为1的绝对黑体这种物质在自然界中是不存在的，但可通过人工的方法研制而成，绝对黑体可以根据物体表面温度的变化，不同程度地吸收能量，物体表面温度越高，辐射能就越大，反之，辐射能就越小。

2.黑体材料在工业加热炉中的运用

2.1黑体技术的概念

黑体材料的概念在前面已经阐述，此处谈及的黑体技术是指“黑体强化辐射传热节能技术”，突出其具有良好吸收能量的特性。

黑体技术的基本理论指导是红外物理的黑体理论，在实际中采用符合工业标准的黑体元件来达到扩大加热炉炉膛面积、提高炉膛发射率和增强辐射度的目的。简言之，就是将数量可观的黑体元件在合适位置上按照有序排列的方式安装在加热炉膛的内壁上，（如图1所示，图中所示黑体元件是呈杯子形的），这些黑体元件能够将炉膛内的那些散射型的、没有顺序的热辐射全部投射到加热工件中，这样可以在很大程度上提高热辐射性的辐射准确性与恰当性，进而提高加热炉的热效率，达到缩短加热时间或减少燃烧介质的消耗，在某种意义上讲就是达到了节能的效果。

2.2黑体技术的运用意义

黑体元件在加热炉膛的设置，主要有以下几个方面的作用：第一，有助于扩大加热炉炉膛的表面积，某运行加热炉的标准开度是10.8m，标注长度是26.2m，由此可算出加热炉顶的面积是A1=10.8×26.3=283m2。根据斯蒂芬-波尔兹曼定律可以算出黑体的热辐射量，单位时间内黑体发出的热量计算公式如下：

Q=AT4W/m2（1）

其中Q为斯蒂芬-波尔兹曼常数，其值为5.67×10-8W/m2·k4；A表示黑体的表面积；T表示炉气、物料的表面温度；σ表示炉气、炉壁对物料的导来辐射系数。实物物体的反射率也被成为黑度，是指实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值。

通过上述公式可以推断出实际物体辐射热流量的计算公式：

Q=εAσT4W/m2（2）

ε为该物体的辐射系数率，其值小于1，若为绝对黑体，那么ε= 1。

每只黑体元件的侧表面积：

A2=πL（r1+r2）=3.14×（0.035+0.045）×0.153=0.0384m2，

A3=πL（r1+r2）=3.14×（0.025+0.035）×0.153=0.0288m2

若是按照10000个黑体元件来算的话，炉膛内增加的表面积应是：

A4=（A2+A3）×10000=（0.0384+0.0288）×10000=672m2

根据蒂芬-波尔兹曼定律可知，随着炉膛表面积的扩大，相应的物料辐射热流量也会增大。

第二，有助于加热炉炉膛反射率的提高。炉膛反射率也称为炉膛黑度。若不考虑对流传热的情况，炉膛内物料大部分是依靠炉膛内的辐射传热来进行升温的。单位时间内提供给物料的热量是：

Q=σT（14-T24）A（3）

其中，T1是指炉气的表面温度；T2是物料的表面温度；A是物料受热面积；σ是指炉气、炉壁对物料的导来辐射系数。

根据导来辐射系数公式可知，当物料和炉壁面积的比值减小或者不变时，炉膛的黑度与导来辐射系数成正比关系。中国测试技术研究院的试验研究结果显示，在炉膛温度一千摄氏度的情况下，炉膛的黑度能够达到近0.9，随着炉顶面积的增加，物料和炉壁的比值也会减小，单位时间内的物料传导热量会有很大程度的增加。

第三，增强炉膛内的热量保持。元件内部存在很多封闭的气泡，保留了大量的空气。黑体元件是炉顶内壁的隔层，可以减少炉顶向外散发的热量，将大量的热能保留在炉膛内部，供炉膛使用。

3.加热炉黑体材料的运用技术及案例

3.1加热炉黑体材料的运用技术

黑体技术在实践中的有效运用才是节能效果能否实现的关键，以某车间加热炉的黑体材料的运用为例，加热炉设计参数见表1，黑体元件的布置见表2。

表1 加热炉参数

名称 参数

炉膛尺寸/m×m×m 26.2×10.8×3.6

生产能力/万t·年-1 100

工艺温度/0C 1250

燃料种类 高焦混合煤气9196KJ/m3

排烟温度/0C 180

能耗/GJ·t坯-4 1.2

该车间加热炉内黑体元件的安装流程是：首先进行炉衬处理和工作台面的搭建，接通炉内的照明及检测电源为黑体元件的安装提供良好的环境；其次，在炉顶及炉墙上设置小孔，供黑体元件的安装，安装方法是以高温粘结剂粘合，并用冷态方式加以固定，这个安装技术是整个黑体技术中的重点和难点，因此要求相关操作人员对此种技术极其熟练；最后，将黑体元件与炉衬用火烧以达到更好的结合效果，注意还需在炉壁表面进行保护层处理和红外涂装，以扫尾清场。

表2 黑体元件布置方案

炉段 预热段 加热段 均热段

施工长度/m 6 14 6.2

原面积 炉顶 26.2 m×10.8 m=283 m2

炉墙 26.2 m×3.2 m×2=167.7 m2

总计 450.7 m2

施工面积 炉顶 18 m×10.8 m =194.4 m2

炉墙 18 m×3 m×2×0.6=64.8 m2

总计 259.2 m2

增加面积 401 m2

元件数量 炉顶 8924

炉墙 1620

总计 10544 个

3.2黑体技术的实例验证

安装结束后，对加热炉的前后节能效果进行测定比对。为保证测定的精确性，需要做如下规定：

⑴被加热钢坯的材质、规格、加热工艺和加热炉状况进行稳定性和一致性测试。

⑵节能测定都是在加热炉正常运行的情况下进行的。

⑶测定日期是需在加热炉投入使用后的半个月之后，还需要对运行的负荷进行约定，否则投入后时停时开就失去意义。

⑷检测仪器都是经过国家计量部门检定且在有效期内。

⑸对测试班次的选择遵从适当性原则。

以上工作准备就绪后，分别定在安装后的一个月和两个月，对工厂加热炉的节能成效进行测定。

对上述两个阶段的加热炉进行跟踪测定，处理相应的报送数据后，对前后的节能效果即节能率P进行了测定。

（4）

（5）

其中，B1表示加热炉改造前单位重量炉内加热钢坯的能耗量，B2表示加热炉改造后单位重量炉内加热钢坯的能耗量。V1表示加热炉改造前在一定时间内的能耗量，V2表示加热炉改造后在一定时间内的能耗量。G1表示加热炉改造前在一定时间内加热钢坯的重量，G2表示加热炉改造后在一定时间内加热钢坯的重量。

经过对加热炉连续三周的跟踪测试，并根据上述公式对节能率P进行了测算，计算结果显示单位时间加热炉的能耗降到了1.02GJ/t，这说明黑体材料的运用收到了很好的节能效果。

4.结语

运用黑体技术在加热炉进行改造有利于扩大炉膛面积、提高炉膛的发射率、增强辐射度，进而实现节能效果。科技的不断进步，工业化程度的不断加深，人类在利用自然资源为自身谋利益的同时，也要考虑自然能源的利用效果。将有限的自然资源利用得更好是实现可持续发展的必要措施。加热炉的节能改造技术，提高了加热炉炉墙黑度、扩大了炉墙面积、提高了热射线的到位率，更重要的是加热炉的耗能明显减少，这些完全符合节能环保的生产要求。针对目前高耗能、低产出的生产现状，在合理利用资源的基础上，实现了资源的再利用，收到了很好的节能效果，为工厂的可持续发展奠定了坚固的基础。

参考文献

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