摘要：本文阐述了加热炉在采用了传统的节能方法后，由于炉膛内的热射线仍然呈漫反射状的分布状态，到位率较低，因此炉子的热效率仍然不高。作者建立了“黑体强化辐射传热节能”的机理，采用这种新的节能机理，可以使能耗（电、气、油、煤）在现有的基础上再节约20%～30%。大量生产实践证明了这种机理的正确性。关键词：漫反射黑体元件到位率温柔烧嘴燃料炉机理。

当前在工业加热炉窑领域采用的节能方法和技术主要有：炉衬材料轻型化，其典型代表就是“全纤维炉”；蓄热式工业炉，是在热流的下游着手进行余热回收；红外涂料技术，其根本弱点是涂层的老化，发射率衰减；此外，还有以突起物来增加炉膛面积；采用计算机集散控制的方法提高控制精度的，但对炉子热效率的提高并不能起到根本的作用。我们的追求是：如何在上述这些已有的节能技术单独或集成使用后，还能进一步大幅度节能。这是资源形势和技术发展的要求。

一、黑体强化辐射传热节能的新机理 

    1.加热炉热效率低下的本质原因

　　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，要求炉壁保持良好的密封状态，有较长的使用寿命；从传热的观点来看，炉壁起着中间传递热量的作用。 （1）热射线

　　热辐射是物体的固有属性。凡温度大于0 [K]（即在绝对零度以上）的物体，其电子振动或激动的结果，就要对外发出辐射能，温度越高，辐射出去的能量越多；吸收辐射能也是物体的固有属性，在同一温度下，物体对辐射能吸收率和发射率相等。

辐射能以电磁波的形式进行传播，物体因受热而发射电磁波，或因吸收电磁波后而变热。电磁波向四周连续传播的过程就是辐射传热的过程，称为热辐射，这种传播热能的电磁波就叫热射线。

（2）炉膛内加热工件的过程

　　①热源发出的热射线沿半球空间射出，其中只有一部分能够直接射到工件上被工件吸收，另一部分投射到了炉壁上。

　　②炉壁对投射来的热射线，除吸收一部分使自身升温，并不断将热量传导至炉壁外表面散失外，对另外的大部分热射线，遵循光学的直线传播原理（入射角等于反射角），又反射到炉膛内；

③炉膛内壁是一般工程材料，表面粗糙，致使不断被反射出去的热射线形成漫反射的分布状态。充满在炉膛内的漫射状的热射线，虽然有部分能射向工件被吸收，但有许多热射线仍然没有射到工件上，即有些热射线没有到位，不能成为加热工件的有效热，也就是说，我们要加热工件的目的并没有完全达到。与此同时，却有许多热量通过炉衬的蓄热和散热损失了。

（3）传统的节能机理

人们通过热平衡计算或测试，发现电阻炉炉体蓄热和散热损失高达60%～70%，而加热工件的有效热仅25%～30%。燃料炉的情况也基本类似。以此为依据，于是采用热容较小的轻质材料和保温材料筑炉，以减少蓄热和散热损失。这种节能方法，只是将热量“堵”在了炉膛里，并没有改变热射线的“漫反射”状态，没有解决热射线是否到位的问题，所以加热工件的有效热仍然很低。

二、提高热射线的到位率

（1）寻找影响热能利用的因素

①电阻炉传热的数学模型对辐射型中、高温电阻炉，工件获得的热量是

　　式中：tW、tM分别为工件和炉墙的温度，εM、εW分别为工件和炉墙的黑度

　　FM、FW分别为工件和炉墙的面积，α0辐是εM=εW=1时的辐射换热系数

　　分析此式可知，用增大εW、FW的方法，就能使工件获得的热量Ｑ增多。②燃料炉传热的数学模型

燃料炉内，火焰流不断流过炉壁和物料，以对流和辐射两种方式向炉内提供热量。高温炉气与炉衬内表面辐射换热热流量（简化后）为：

　　式中：TG、TW分别为炉气和炉衬内表面温度；FW为炉衬内表面的面积;

　　εG、εGW分别为炉气在TG和TW时的黑度;εW为炉衬内表面的黑度。

当TG与TW相差不大时，可近似认为：εG＝εGW，这时上式可简化为：

　　这表明，增大εW和FW，会强化炉气与炉墙之间的辐射传热Ｑ，使炉衬内表面的温度升高，从而也就强化了炉衬与被加热工件之间的辐射传热。

因此，无论是电阻炉还是燃料炉，我们都必须设法增大炉膛面积和提高炉墙黑度。

（2）启用黑体元件

　　①绝对黑体

“黑体”是一个物理概念，它是能够完全吸收辐射能的理想物体，其吸收率和发射率均为1。

②工业标准黑体

　　我们根据黑体理论[4]，将黑体的概念加以技术化，制成集“增大炉膛面积、提高炉膛黑度和增加辐照度”三项功能于一体的工业标准黑体，其黑度（全发射率）达到ε= 0.96 (1078 K，中国测试技术研究院测试)，简称为黑体元件。③把黑体元件设置到炉膛中

　　不改变原炉膛结构，仅把众多的黑体元件设置到炉壁上：这些元件有的凸出在炉壁之外，有的凹入在炉壁里面；

　　对热源装置（电热体或烧嘴砖等）和整体炉墙作红外强化处理，增强其气密性并提高黑度；

　　于是，带有众多黑体元件的炉膛，就形成了一个发射率不衰减（不老化），且寿命又可延长的红外加热系统。④黑体元件在炉膛中发挥的作用增加炉膛面积，一般可以实现增加炉膛面积1倍左右；提高炉膛黑度，黑体元件黑度达到0.96；

调控热射线；

（3）提高热射线的到位率

①热射线的能量分布──Lambert 定律

E(θ,β)=Icosθ

式中：E(θ,β)为定向辐射力，θ,β为方向，I为辐射强度。

定律指明：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。

②选定黑体的形式

根据不同炉型、装料情况和常用工艺对炉子热惰性的需求等，酌情选取黑体元件或是凸起在炉壁之上，或是凹入到炉墙里面。

③确定黑体元件的适当密度，满足炉温均匀性的要求

　　加热工件时，黑体元件在炉膛内成为热射线传递的“二传手”，巧妙地完成对热射线的调控：

　　黑体元件以0.96的高吸收率，迅速吸收射向它的漫射状的热射线，自身热量增加并积累后，温度升高，随即它们便转化成一个个具有高发射功能的新“热源”；黑体元件同样又以0.96的比率，按设定的方向，定向地、不断地向工件发射热射线；

　　就这样，黑体元件将漫射状的热射线从无序调控到有序，直接射向工件，提高了热射线的到位率，使工件单位面积上吸收的辐射能增加，即辐照度增大。

黑体元件的高发射率，由其几何参数和表面特性获得，具有高稳定性，不老化，不衰减，只要炉膛内的黑体元件存在，其性能就不随时间而衰退。

三、黑体强化辐射传热节能技术的实际应用

黑体强化辐射传热节能技术在应用中产生了多方面的效果[6] ,有些是其它方法和手段不能达到的。

1、节能效果

2、炉温均匀性增强

（1）有利于消除炉膛的低温区域

在炉膛温度偏低的部位，增加黑体元件密度，多调动一些热射线过来，就可以提高这里的温度。

（2）众多“温柔烧嘴”实现均匀供热

黑体元件形成的新“热源”，是在炉膛内若干个烧嘴各以一定供热强度的火焰辐射的同时，又增添的许多个分散的“温柔烧嘴”，它们将小流量的热射线均匀地、源源不断地射向工件（供热），以满足对工件高质量、高性能的工艺要求。

表3带黑体元件的30t天然气退火炉炉温均匀性改善的效果

3、增强炉子保温性能

带黑体元件的炉子，炉温稳定，保温性能好。

（1）适应工件缓冷的要求

当炉子停止供热逐渐冷却时，热的炉壁和工件仍在不断辐射热量，众多的黑体元件一直都在反复地吸收和发射着热射线。实际上就有一定数量的热量被保存在了黑体元件内，致使炉子散热慢，冷却速度降低，以利于工件彻底消除应力。

（2）提高周期作业炉效率

周期作业炉每一炉完成了加热后工件出炉完毕时，炉温都要降低，带黑体的炉子因保温性好，出料时炉温下降的幅度减小，一般可以少降低60℃～80℃，从而使下一炉再升温的起始温度较高，炉温回升快。

4、延长炉衬寿命

　　带黑体元件加热炉的炉壁气密性增强，既阻止炉墙漏气，又能减缓其氧化速度，对燃料炉还能显著增强炉墙对气流的耐冲刷能力，有利于炉衬寿命延长。

成都工程机械总厂的RT2-90-10台车炉，一般使用寿命为一年另三个月，炉膛设置黑体元件后，使用时间达到了四年半，延长寿命2.6倍。

5、环保效应──减少相应的排放

带黑体炉子减少排放量的环保功能显而易见，节能多少，就减少多少排放。

大量生产实践有力地说明，黑体强化辐射传热技术是加热炉热能利用技术领域的重大突破，效果显著，功能多样，运行稳定可靠，性价比高。

四、黑体强化辐射传热节能技术的应用范围

黑体强化辐射传热的实质是改变热射线的分布状态，它并不涉及热射线是哪种能源产生的，所以，不论是电、气、油、煤使用何种能源的炉子，都能方便地采用。

各种电阻炉，如箱式炉、台车式炉、井式炉及其生产线、可控气氛炉，各种燃料炉，如连续加热炉、陶瓷烧成炉窑、玻璃池窑、坩埚炉…等均适用。

五、结论

　　当前加热炉领域，包括耐火材料行业在内，都致力于轻质材料，以为越轻越节能，实际并非如此，材料过轻，导致其强度、荷软等重要指标不能匹配，因此，轻型化是有限度的。

　　如果在轻型化的基础上注入“黑体技术”，成为“自带黑体筑炉材料”，那就在耐火材料领域开辟了一片新天地，用这种材料砌筑各种各样的加热炉，自动产生节能20%～30%的效果。

　　当前我国加热炉的节能处在一个十分关键的特殊阶段。国外的先进技术都引进了，包括21世纪核心技术的“蓄热式加热炉”，尽管对余热实现了极限回收，但膛中的热射线仍然是呈漫反射状态，仍然还有相当的节能空间。

　　只要我们走出传统的技术领域，采用新的节能机理，例如黑体强化辐射传热技术实现热流源头的热射线有效调控，就能够在现有能耗的基础上，再节能20%～30%。让我国大量的高能耗加热炉群，长期、稳定、低成本运转，推进我国经济增长方式的改变。