陈立秋
(中国纺织科技暨人才服务战略联盟，北京 100025)
摘要：针对染整工艺应用远红外加热技术的研究，总结出应按最佳光谱匹配原则，定向集中辐射原则和最佳综合效益原则制定应用可行方案。
关键词：染整，远红外加热，原则，光谱匹配，定向集中辐射，综合效益
1.前言
就加热方式而言，有热风、蒸汽和电磁能等。到目前为止，将电磁辐射能用于加热的有高频、微波、紫外和红外等多种方法。红外辐射（通称红外线），早在19世纪初就已被发现，1935年美国福特汽车公司首先将红外线用于加热和干燥工艺。日本在20世纪60年代研制远红外辐射元件，1968年宣布成功，70年代进入实用阶段。我国应用红外加热技术是在50年代后期，1974年引进远红外加热技术。
染整工艺应用远红外加热技术由来已久，如连续轧染中的红外预烘及拉幅定形工艺。从辐射源来说，曾使用过氧化镁管、炭化硅板、石英管、乳白石英管、直热式电阻带，以及定向辐射高温远红外板等辐射器。这项新技术的优越性愈来愈被业内人士所认识，但对它的机理与各种织物加热干燥及定形的复杂关系，尚处于探索提高阶段。如何正确选用远红外辐射器，实施远红外加热，改善织物品质，提高生产率和节约能源，则是染整工艺推广应用远红外加热技术的关键。
2.远红外辐射加热三原则
远红外辐射加热的应用理论在于研究如何使热能最有效地辐射；传输损失最小；使受热物吸收效率最高。在考核织物干燥或定形的热效率高低时，可对系统的“热转移”三阶段（辐射器的热能向外辐射、传输和接收），分别建立相应的效率和比率指标，根据这些指标，因地制宜根据最佳光谱匹配、定向集中辐射和最佳综合效益三大原则，调制改进加热系统，以进一步充分发挥辐射加热的效益。
这三大原则就是远红外加热应遵循的要旨。
2.1最佳光谱匹配原则
任何化合物，包括纺织纤维，分子中每一链节或基团、原子在各种运动方向上都有一定的自振频率。这些自振包括：键长的伸缩振动、价键的弯曲摇摆振动、原子团绕主轴旋转转动或扭摆振动。当均匀的、各种波长混合的入射光照射材料时，入射光中的频率与材料中各基团的各种自振频率中某一种相同时，将产生共振而被吸收，这种波长（频率）的光在透射光中将减少；这种基团越多，透射光中这种波长的光被吸收也就越多，吸收率也越大。因而，在记录下来的透射光谱图中，根据各个吸收峰处的频率（波数），可以查出这是由什么基团的什么键吸收而引起，从而可以帮助判断这种基团、这种键的存在，甚至可能进一步定量测定这种基团或键的比例。这对于分析和研究化合物的结构有重要帮助。几种常用纤维的红外吸收光谱如图1所示。
(a)棉纤维
(b)黏胶纤维
(c)维纶
(d)羊毛
（e）锦纶
（f）涤纶
(g)腈纶
(h)氯纶
(i)羊毛与腈纶
图1 几种常用纤维的红外吸收光谱
到达织物上的辐射量并不等于织物实际吸收的热量，因为有一部分被反射，一部分透过织物（见图2）。因此，只有织物吸收得愈多，反射和透过得愈少，则吸收率愈高。
图2 热辐射在物体表面和内部的变化
常用纺织纤维所具有的吸收波长(um)如下：
棉纱、棉布2.7-3.2,6.5-1l.14
纯亚麻2.7～3.2,6～7
蚕丝2.7-3.2，5.5～6.5
羊毛2.7-3.5，5.5-8.14
涤纶条5.5,7.2-8，8.5-9.14
尼龙66 3，3.5，6-8 ,14.5
由此可知,纺织品干燥、定形热加工时，在波长2.7-15um间具有强烈的吸收带。
微观结构质点运动加剧的宏观反映，就是物体温度升高。如果两者频率相差较大，那么红外线就不会被吸收而可能是反射或穿过。由此可见，织物对辐射热量的吸收率与光谱密切相关.应确立合理的远红外加热辐射实效光谱区段，以达到与加热制品的最佳匹配。由于辐射的单色光谱与吸收的单色光谱不可能做到绝对匹配，因此实际采取对远红外辐射器和辐射温度的最优选择。使辐射器的“区间辐射率”与被加热制品与该入射区相对应的“区间吸收率”相配合。
对织物来说，要求入射能刚进入表层就引起强烈的共振吸收而转成热量（称“正匹配”），应用的工艺只要能符合下列两点，则可被视为最佳匹配：
(1)最佳辐射温度下，辐射能量的80%正好覆盖在被加工织物的主吸收峰和次吸收带组成的吸收区间。
（2）远红外辐射器对准加工对象的主吸收峰带范围的区间辐射率ε1p不低于0.9。纺织品远红外加热实效区的上、下界点，从已公布的各种物质的吸收光谱波长来看，多数是从2.5um起，而水在2.7um处有一强烈吸收峰，因此2.5um是一个合适的下界点；按80%能量覆盖的工艺要求，在200- 727℃辐射温度内，均有80%以上的总辐射能集中在2.5-15um区间，因此15um可定为远红外辐射加热工艺实效区的上界点。波长超过15-25um的能量还有15%（200℃）到4%(600℃），从上艺上看已属微效区，而波长在25um以上的辐射能更少（见表1）。
表1 黑体在各温度时辐射能量的分区百分比分布
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辐射温度(K/℃) |
总辐射能
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辐射能分布（%） |
辐射能百分值所在波长λ（um） |
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可见光区 W＜0.38-0.75 |
近红外区 W＜0.75-2.5 |
远红外 （实效区） W≤2.5-15 |
远红外 （微效区） W≤15-1000 |
8% |
25% |
50% |
75% |
88% |
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300/27 400/127 500/227 600/327 673/400 700/427 723/450 750/477 773/500 800/527 823/550 850/577 873/600 900/627 1000/727 1100/827 1200/927 |
0.046 0.145 0.354 0.735 1.163 1.361 1.549 1.794 2.204 2.322 2.304 2.960 3.293 3.720 5.670 8.300 11.756 |
0.31 1.28
1*10-6 3.5*10-6 6.2*10-6 9.3*10-6 2.7*10-5 3.7*10-5 6*10-5 1.2*10-4 5.9*10-4 0.0027 0.0087 |
0.03 83.12 87.72 2.70 3.37 4.03 4.88 5.67 6.67 7.60 8.74 9.78 11.03 16.13 21.66 27.31 |
56.42 73.75 16.57 11.0 88.90 88.99 88.91 88.67 88.34 87.83 87.28 86.53 85.81 84.89 80.76 75.92 70.77 |
43.58 26.22 4.16 3.47 8.40 7.64 7.06 6.45 5.99 5.50 5.12 4.73 4.41 4.08 3.11 2.42 1.91 |
6.94 5.20 5.80 4.83 3.09 2.97 2.88 2.78 2.70 2.60 2.53 2.45 2.38 2.31 2.08 1.89 1.41 |
13.69 7.24 8.21 6.85 4.30 4.14 4.00 3.86 3.75 3.62 3.52 3.41 3.32 3.22 2.90 2.63 2.42 |
20.50 10.27 12.30 10.25 6.10 5.89 5.68 5.48 5.31 5.13 4.99 4.83 4.70 4.56 4.11 3.73 3.42 |
28.80 15.37 17.33 14.45 9.14 8.87 8.50 8.20 7.95 7.69 7.47 7.23 7.04 6.83 6.15 5.59 5.12 |
21.67
12.88 12.38 11.99 11.56 11.21 10.83 10.53 10.20 9.93 9.63 8.67 7.88 7.22 |
远红外辐射的相对匹配度(P12)可按下列方法求解：
（1）查受热物的吸收光谱，在2.5- 15um实效区内确定其吸收区间的波长范围。
（2）查表1选定黑体辐射能量的80%（8%-88%）正好覆盖在受热物吸收区间的辐射温度，即为最佳辐射温度。
（3）优选最佳辐射温度下，正对受热制品吸收区间有最大区间辐射ε1p值的辐射器。
(4)由表（2）查出最佳温度下的黑体单色微米辐射能量，按最大峰值为l时所得各波长能量的相对比值C′λμ。
(5)综合受热制品吸收光谱与辐射器辐射光谱的覆盖面积选取P12值，参照表3。
表2 黑体在各温度时各波长的单色微米辐射能量相对比值
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温度 （℃） |
波长（um） |
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2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
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27 127 227 327 400 427 450 477 500 527 550 600 |
0.03 0.09 0.18 0.21 0.25 0.28 0.32 0.37 0.41 0.52 |
0.01 0.08 0.27 0.53 0.70 0.75 0.79 0.83 0.87 0.92 0.95 1 |
0.08 0.35 0.68 0.91 1 1 1 1 1 1 1 0.97 |
0.27 0.68 0.95 1 0.97 0.93 0.72 0.87 0.85 0.83 0.81 0.74 |
0.52 0.91 1 0.91 0.81 0.76 0.55 0.68 0.65 0.62 0.60 0.53 |
0.75 1 0.93 0.76 0.64 0.59 0.41 0.51 0.48 0.45 0.43 0.38 |
0.91 0.98 0.81 0.61 0.49 0.45 0.31 0.38 0.36 0.34 0.31 0.27 |
0.99 0.91 0.68 0.48 0.38 0.34 0.24 0.28 0.27 0.25 0.23 0.20 |
1 0.81 0.56 0.30 0.29 0.20 0.18 0.22 0.20 0.18 0.17 0.15 |
0.97 0.70 0.46 0.24 0.23 0.20 0.14 0.16 0.15 0.14 0.13 0.11 |
0.90 0.61 0.38 0.19 0.18 0.16 0.11 0.13 0.12 0.11 0.10 0.08 |
0.83 0.52 0.31 0.16 0.14 0.12 0.09 0.10 0.08 0.08 0.076 0.06 |
0.75 0.44 0.26
0.11 010
0.08 0.07 0.065 0.06 0.05 |
注：峰值为1。
表3 相对匹配度P12的取值表
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覆盖率／% |
40-50 |
50-60 |
60-70 |
70-80 |
80-95 |
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表层吸收pl2 表里吸收p12 |
0.6 - 0.7 0.75 - 0.9 |
0.7 -0.78 0.85 - 0.98 |
0.78 -0.83 0.8 - 0.95 |
0.83- 0.88 0.7 - 0.8 |
0.885-0.95
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例如：求627℃时黑体辐射能量的50%、67%、80%集中在何区间？由图3黑体在各温度时的辐射能量分布百分比值所在波长区间曲线查得，2-4线区的能量占总辐射能量的50%，1-4线区间占67%，1-5线区间占80%，627℃的水平线交曲线1、2、4、5于A、B、C、D点，从各点所对应的横坐标的波长可得：
图3 黑体在各温度时的辐射能量分布百分比值所在波长区间图
1-8%能量线 2- 25%能量线 3-50%能量线
4-75%能量线 5-88%能量线
在627℃时，50%能量区是在3-6.8um波段；80%能量区在2.2-9.6um波段；67%能量区在2.2-6.8um波段。若辐射温度为1027℃时，则黑体辐射能量的80%将集中在1.6-6.8um波段。从图3 中可明显看出同一百分比值能量线随温度上升而向短波方向移动的情况。
研究表明：由维恩位移定律λmT= 2897um·K所给出的黑体在某温度的辐射峰值波长λm所在位置，并不是单色微米辐射能量百分比最大位置。例如，450℃时的λm= 2893÷(450+ 273)=4um，但由图4所示4um的单色微米辐射能量百分比的最大值却不在450℃，而在627℃处。这是由于峰值波长两侧的能量分布并不对称，能量最密集部位在峰值波长稍靠右侧处（转向短波侧）。在1939年的一篇文献中，学者Benford给出λeTe=3625um·K的工程最大值公式，以与维恩定律给出的物理最大值相区别。这个公式告诉人们，对于给定的波长λe，有一特定的温度Te,在这一温度下，对于辐射源辐射通量值固定的情况，辐射产生的效率最大。此式中λe值即为单色微米辐射能量百分比最大的波长。故627℃时，其峰值波长由维恩位移定律求出，在3.22um处，而辐射能量最密集部位由工程最大值公式求出，在4um处，与图4一致。
由图4见，各波长的单色微米辐射能量峰值分别为：10um在130℃；9um约在160℃；8um约在205℃；7um约在260℃；6um约在340℃；5um约在460℃；4um约在627℃；3um约在950℃；2um约在1330℃。各波长辐射能量峰值所在的温度间隔由小而迅速增大。
利用图4还可以方便地求出任意温度下，各波长单色微波辐射能量Cλm的百分比值。
图4 黑体辐射各波长单色微米能量百分比值随温度的变化
只须在横坐标上找出温度值，作垂线与各波长曲线相交，各点读数则为所求近似值。
在远红外加热中，首先要求相对匹配度P12具有极大值；再要求远红外辐射器与织物的区间辐射率ε1p和ε2p,具有极大值。
当三个参数都接近于1时，对于织物要求正匹配，此时辐射与接收为最佳匹配，辐射吸收效率最高。从应用方面只需按上述要求根据加工织物的情况选用相适应的辐射器则可。对辐射器供应、制造商而言，就应该优选辐射材料、温度，提供实用节能的辐射源。
2.2定向集中辐射原则
提高热量的传输效率，要求做到：传播速度要快；中途损失要少；定向到达加工的织物。
对流加热和辐射加热相比，这三点都优于对流。辐射以光速在空气中传输时损失较少，织物升温往往快于空气的升温；热对流以空气分子作为热量的载体，空气温度必须高于织物温度。例如，在同一机型的拉幅机上，采用热风拉幅工艺时，织物温度比箱中气体温度低约20℃；经改成远红外加热烘燥后，同样的织物，相同的工艺条件，织物温度反比气体温度高约20℃。由此可见．远红外加热烘燥织物烘房内的气体温度比采用热风烘燥时相对低约40℃，足以说明远红外加热的能量损失少。至于第三点，对流很难实现定向到达织物，而辐射遵循光的传播有关法则，可以通过反射、聚焦等装置实现这一要求。以上三点要求总结为“定向集中辐射原则”。其要点在于：以辐射为主、定向辐射、热量集中于织物。
辐射传输效率决定织物表面集能效果，影响集能效果的因素有：
(l)辐射距离愈近，织物获得的辐射能愈多，集能就愈多。由于织物进行远红外加热烘燥是两平行面间相对运动的辐射传递，故不存在因距离近导致的辐射不匀性，一般辐射距离可在5～8cm间选择。
(2)辐射角度愈接近垂直，织物集能愈多。若入射角与法线重叠，更利于定向集中。
(3)受热体各部集能、升温愈均匀，质量愈好，能耗愈低，需时愈短，工效愈高。织物匀速平幅平行通过远红外辐射器时，集能、升温均匀。
(4)织物占满烘房布道的比例愈大，集能愈多。也就是说，要求布道空间要小。
(5)介质的化学组分及其浓度，特别是使远红外辐射衰减的基团和物质（如OH、CO2、CH3等）的浓度以及气流的速度、方向、循环方式（开式或闭式）等，均在不同程度上影响辐射热的传递。
以上影响集能效果的因素在加热系统设计时，皆需综合考虑。
2.3最佳综合效益原则
在远红外辐射加热中，通过采取‘定向集中”和“最佳匹配”措施，辐射的有效转移率可以达到很高。因此，受热制品获取的总热量中，辐射是占主要的，但这并不等于经对流传输给织物的热量可以忽视。许多制品脱水烘干的实践表明，一定的介质流动速度是加速水分汽化蒸发的必须条件。
把织物中水分的移动称为扩散。织物内部水分移动的现象称为内扩散；织物表面水分向外界扩散的现象称为外扩散。由于织物中水分梯度而引起的水分子移动，也就是织物中水分子向水分含量减少的方向移动，这种扩散现象称为湿扩散；由于织物内部存在的温度梯度而引起的水分移动，即水分子由温度高的地方向温度低的地方移动，这种觋象称为热扩散。当织物中的温度梯度与水分梯度方向一致时，织物中热扩散与湿扩散方向一致，这将加速织物干燥而不会影响干燥质量与效果。
实践表明，内扩散速度与被干燥物的厚度平方成反比，所以加速内扩散的最好方法是双面加热。织物中液态水由于被辐射加热而呈分子态水蒸汽，游离到织物的表面，还需穿过吸附在织物表面浮游状的气膜层才能脱离织物，而影响水分外扩散的最大阻力就是这层气膜层。试验证明，外扩散的速度与这层气膜厚度的平方成反比，因此若能将气膜层排除，就可减少水汽扩散的阻力，进而提高外扩散速度。
气态水分子在小于3um、5-7um、4-16um波长的宽大吸收带内，将吸收红外辐射能，使织物表面升温，影响织物上的水汽外扩散，同时使织物所接受的辐射能衰减。由于辐射器与织物间的距离仅为5—8 cm，辐射面的热能通过气体对织物“烘烤”，使织物热扩散效果变差。
要获得加热系统的最佳总热效率，必领设法将织物表面的气膜及辐射加热布道中的水蒸汽排除，适当降低或调和均匀布道中的温度。实践证明，采用“就地回风”抽吸方案效果明显。由此可见.织物在远红外辐射加热烘干工艺中，正确发挥辐射与对流作用，以辐射为主，兼顾对流，以获得最佳总热效率是相当重要的。为此，提出第三条原则“最佳综合效益原则”：
(1)正确处理辐射与对流的关系；
(2)正确处理“热转移”与“质量转移”的关系：
(3)正确处理节能与其他关系：
(4)尽可能减少各项热损失，如排气的热回收。
节能与生产管理的关系，提高产品质量与一等品率。缩短生产周期，缩小占地，改善生产环境，以及适应多品种，小批量、快交货的变化，简便操作维修，少出故障和事故性次品等等．都是有关节能、节省人力、物力与工时的最佳综合效益。
例如，在红外预烘脱水工艺中，浸轧在织物上的染料与纤维之间没有化学结合，而仅是机械附着。在连续轧染预烘过程中，染料颗粒随着织物中水分扩散。实践证明：
(1)染料扩散与烘燥速度成正比关系，急速烘燥会引起染料色差泳移，故实施温和预烘是很必要的。
(2)织物浸轧染液后，由于水的溶胀作用，纤维的毛细管平均直径一般都大于染料颗粒的平均直径。随着烘燥时水分的蒸发，纤维毛细管的平均直径逐渐缩小。当毛细管的平均直径与染料颗粒的平均直径相等时，纤维的含水率即为纤维的临界含水率。不同纤维具有不同的临界含水率，如粘胶纤维38%，棉纤维26%，锦纶纤维l3%，涤纶纤维10%：由此可见，不同织物加工过程轧余率的控制也是不一样的。
在连续轧染预烘过程中，织物带液率比临界含水率大5%，采用急烘快速脱水，再伴随因烘房内边中温差较高的工况，将加剧湿、热扩散，导致色差泳移，形成左中右色差，边深色差，若织物预烘结束，带液量仍超过临界含水率，进入
高温固色阶段，则色差泳移更甚。
(3)织物浸轧染液后，带液量太低，毛细管网中自由活动的水分太少，不利于染料在纤维内部正常扩散，会引发色泽不匀的弊病。
3.结束语
总之，应用远红外加热技术获得最佳总热效率，必须因地制宜地根据光谱匹配、定向集中辐射和最佳综合效益三大原则改进加热系统。在系统设计或改造时对照三大原则，重点选择具备染整工艺远红外辐射加热实效区（2.5 – 15um）的远红外辐射器，使之在最佳辐射温度下，有80%的辐射能量正好覆盖在被加工织物的主吸收峰和次吸收带组成的吸收区间，远红外辐射器对准加工织物的主吸收峰带范围的区间辐射率ε1p应不低于0.9；在加热系统结构设计中，应充分注意以辐射为主，对流为辅的原则，设置反射、聚焦等装置，实施定向辐射技术；在改造远红外加热工艺设备时，应充分注意投资效益，在节能的前提下，提高产品质量，降低生产成本，以获得最佳的综合效益。
