點(diǎn)狀遠(yuǎn)紅外發(fā)射源及其組合的輻照特性

單紹琪，伍錦鳴，文雅欣，李汴生，郭曉雪，黎玉茗，阮 征，李丹丹，吳子?xùn)|

（1.華南理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 5106103；3.廣州才是科技有限公司，廣東 廣州 510070）

0 引言

遠(yuǎn)紅外輻照（Far infrared radiation，F(xiàn)IR）技術(shù)是一種新型的食品干燥技術(shù)，具有經(jīng)濟(jì)、高效、設(shè)備簡單易操作等特點(diǎn)。由于紅外線有很強(qiáng)的穿透力，能直接穿透厚層的不透明體[1]，因而遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是對植物性原料的干燥[2]。針對遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)在食品干燥方面的研究，主要集中在以下3 個方面：一是遠(yuǎn)紅外干燥工藝條件的探究，申彩英[3]等、胡潔[4]、羅劍毅[5]、李武強(qiáng)[6]等對遠(yuǎn)紅外分別在干燥香菇、胡蘿卜、稻谷、桔梗等方面進(jìn)行了工藝研究；二是遠(yuǎn)紅外干燥機(jī)理的研究，多集中在遠(yuǎn)紅外干燥過程中對物料內(nèi)部水份遷移規(guī)律的探究，較少涉及遠(yuǎn)紅外射線的研究，比如劉宗博[7]等應(yīng)用低場核磁共振技術(shù)對遠(yuǎn)紅外干燥過程中雙孢菇內(nèi)部水分狀態(tài)進(jìn)行分析，探尋水分遷移規(guī)律。Xu[8]等通過核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）和差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）研究了遠(yuǎn)紅外干燥（far infrared drying，F(xiàn)ID）對胡蘿卜的水分狀態(tài)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的影響。第三則是遠(yuǎn)紅外結(jié)合其他干燥技術(shù)的拓展，比如熱泵-遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥工藝[9]、微波-遠(yuǎn)紅外組合干燥機(jī)理[10]。

在遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)的應(yīng)用研究之外，對遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的開發(fā)亦成為研究熱點(diǎn)。Guo 等[11]人和Lee 等[12]人分別發(fā)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)不同材料、不同氧化態(tài)，其比輻射率都存在著不同；林少波等[13]人則發(fā)現(xiàn)不同材料配比亦可形成不同的遠(yuǎn)紅外發(fā)射源；修大鵬等[14]更是利用不同陶瓷材料之間的配比研制出新型遠(yuǎn)紅外發(fā)射材料。同時，利用遠(yuǎn)紅外發(fā)射材料分別形成了3 種形式的遠(yuǎn)紅外干燥設(shè)備：一是板狀的遠(yuǎn)紅外發(fā)射源，Longyang Yao[15]等研究不同預(yù)處理后遠(yuǎn)紅外干燥對芒果片的品質(zhì)影響中利用的遠(yuǎn)紅外干燥箱即為板狀的遠(yuǎn)紅外發(fā)射源；二是燈管狀的遠(yuǎn)紅外發(fā)射源，趙麗娟[16]在對枸杞的遠(yuǎn)紅外干燥工藝條件的探究中使用了石英遠(yuǎn)紅外燈管的真空遠(yuǎn)紅外干燥箱；三是遠(yuǎn)紅外涂層烤箱，黃飛[17]等人設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)紅外涂層煙葉烤箱。這些遠(yuǎn)紅外干燥箱均存在發(fā)射源更換不易，造價昂貴等問題，由此便攜、易替換的點(diǎn)狀發(fā)射源應(yīng)運(yùn)而生。但關(guān)于點(diǎn)狀發(fā)射源的研究報道目前存在空白。

基于此，本實(shí)驗(yàn)以點(diǎn)狀遠(yuǎn)紅外發(fā)射源為研究對象，利用Ophir 3A 功率計(jì)測定發(fā)射源在不同溫度、不同測定波長對功率密度的影響，同時測定了點(diǎn)狀發(fā)射源的功率密度分布規(guī)律并據(jù)此設(shè)計(jì)了一種均勻場能的遠(yuǎn)紅外發(fā)射源組合模型，以期為遠(yuǎn)紅外輻照烘箱的設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 遠(yuǎn)紅外材料

遠(yuǎn)紅外發(fā)射源①、②由廣州才是科技有限公司提供，發(fā)射源①內(nèi)部裝有發(fā)射源②，發(fā)射源①具有一半徑為2 cm、高2 cm 圓柱形金屬外殼，其正面為不銹鋼網(wǎng)（D＝3.6 cm、編織網(wǎng)格大小為1 mm×1 mm），反面及側(cè)面為厚度為2 mm 的不銹鋼板焊接而成，發(fā)射源②為不銹鋼網(wǎng)制成的圓柱形殼體（見圖1），其金屬網(wǎng)罩內(nèi)部裝3個呈等邊三角形排列的遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料圓環(huán)，圓環(huán)外徑1.8 cm、內(nèi)徑0.7 cm，平均質(zhì)量5.00 g（見圖2(a)）；燒結(jié)材料比輻射率為0.86。

陶瓷碎片和玻璃碎片由超市購買陶瓷杯與玻璃杯敲碎制成，平均質(zhì)量約5.50 g，如圖2所示。

圖1 點(diǎn)狀遠(yuǎn)紅外發(fā)射源Fig.1 Point-Shaped Far-Infrared Emission Source

圖2 不同遠(yuǎn)紅外材料Fig.2 Different far infrared materials

1.2 儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備

DHG-9070A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、Ophir 3A 功率計(jì)（Ophir Optronics Solutions Ltd.）、NOVAⅡ表頭（Ophir Optronics Solutions Ltd.）、Center 309 熱電偶（Center Technology Corporation）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 不同遠(yuǎn)紅外材料的功率密度測定

選擇較為常見的陶瓷、玻璃材料與本實(shí)驗(yàn)的研究對象——遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料進(jìn)行對比。將相同質(zhì)量的陶瓷碎片、玻璃碎片以及遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，200℃下加熱至恒定溫度，用熱電偶測定不同材料的實(shí)時溫度。在同一法向距離（L＝1 cm）下、同一波長（λ＝9 μm）下，用Ophir 3A 功率計(jì)測定每種材料的功率（單位：W），從NOVAⅡ表頭讀數(shù)并記錄，測定得到的功率除以靶面面積即可計(jì)算得到其功率密度（單位：W·cm－2）。

1.3.2 質(zhì)量對遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料的功率密度影響

將遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料粉碎后重新組合成3 個底面直徑D＝2 cm，高分別為1 cm、2 cm、3 cm 的圓柱體，所得圓柱體質(zhì)量分別為3.007 g、6.000 g、9.006 g，并標(biāo)號為M1、M2、M3。在L＝1 cm，λ＝9 μm 下，功率密度測定方法同1.3.1。

1.3.3 表面積對遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料的功率密度影響

將遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料粉碎后重新組合成3 個質(zhì)量相同（9.000±0.005 g），底面直徑分別為D＝2 cm、3 cm、4 cm，高分別為3 cm、1 cm、0.5 cm 的圓柱體，并標(biāo)號為D1、D2、D3。在L＝1 cm，λ＝9 μm 下，功率密度測定方法同1.3.1。

1.3.4 不同遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的功率密度分布測定

將遠(yuǎn)紅外發(fā)射源①、②號均放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，150℃下加熱至恒定穩(wěn)定，用熱電偶測定遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的實(shí)時溫度在L＝1 cm，λ＝9 μm 下，功率密度測定方法同1.3.1。

1.3.5 不同波長下遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度測定

將①號發(fā)射源放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，200℃下加熱至恒定溫度，用熱電偶測定遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的實(shí)時溫度。在同一法向距離（L＝6 cm）、同一溫度下，用Ophir 3A 功率計(jì)測定不同波長（2 μm、3 μm、4 μm、5 μm、6 μm、7 μm、8 μm、9 μm、10 μm、11 μm）下遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的功率（單位：W），從NOVAⅡ表頭讀數(shù)并記錄，測定得到的功率除以靶面面積即可計(jì)算得到其功率密度（單位：W·cm－2）。

1.3.6 不同溫度下遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度測定

將①號發(fā)射源放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，200℃下加熱至恒定溫度后將其取出置于鐵架臺上自然冷卻，用熱電偶測定遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的實(shí)時溫度。在同一法向距離（L＝6 cm）、同一波長（λ＝9 μm）下，用Ophir 3A 功率計(jì)測定不同溫度（50～170℃，每10℃測定一次功率）下發(fā)射源的功率（單位：W），從NOVAⅡ表頭讀數(shù)并記錄，測定得到的功率除以靶面面積即可計(jì)算得到其功率密度（單位：W·cm－2）。

1.3.7 單個遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度分布測定

將遠(yuǎn)紅外發(fā)射源①放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，150℃下加熱至恒定穩(wěn)定，用熱電偶測定遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的實(shí)時溫度。其功率密度測定定位如圖3所示。

圖3 ①號遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度測定定位Fig.3 Power density measurement location of far-infrared emission source①

在同一波長（λ＝9 μm）、半徑r＝0 cm 下，用Ophir 3A 功率計(jì)測定不同法向距離（L＝1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm、6 cm、10 cm、11 cm）下的功率（單位：W），從NOVAⅡ表頭讀數(shù)并記錄，測定得到的功率除以靶面面積即可計(jì)算得到其功率密度（單位：W·cm－2）。

在同一波長（λ＝9 μm）、同一法向距離（L，單位：cm）下，用Ophir 3A 功率計(jì)測定不同半徑（r＝0 cm、1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm、6 cm、7 cm、8 cm）下的功率（單位：W），從NOVAⅡ表頭讀數(shù)并記錄，測定得到的功率除以靶面面積即可計(jì)算得到其功率密度（單位：W·cm－2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel以及SPSS Statistics軟件進(jìn)行分析；實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用GraphPad Prism 8、OriginPro 2018以及Firstoption 軟件進(jìn)行圖像繪制與曲線擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同遠(yuǎn)紅外材料的功率密度比較

不同材料的遠(yuǎn)紅外發(fā)射功率密度如圖4所示。在同一溫度下，3 種遠(yuǎn)紅外材料的功率密度并不相同，遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料的功率密度最高，陶瓷碎片次之，玻璃碎片最低。這說明了不同材料之間的遠(yuǎn)紅外輻照能量存在差異，這與董宏宇[19]的研究結(jié)果相一致。在相同溫度下，紅外輻射的差異主要是由物體本身的比輻射率的不同所導(dǎo)致的[19]。本研究中選擇的遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料與一般陶瓷材料相比，功率密度較高，比輻射率較高，具有良好的遠(yuǎn)紅外輻照性能。因而，選擇該遠(yuǎn)紅外發(fā)射源進(jìn)行后續(xù)的輻照特性研究。

圖4 不同遠(yuǎn)紅外材料的功率密度（λ＝9 μm，L＝1 cm）Fig.4 Power density of different far infrared materials（λ＝9 μm，L＝1 cm）

2.2 質(zhì)量與輻照面積對遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料功率密度的影響

相同輻照面積下質(zhì)量對遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料的功率密度如圖5所示，p為顯著性分析參數(shù)。質(zhì)量對遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料的功率密度有一定影響：在低溫（40～70℃）狀態(tài)下，不同質(zhì)量的遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料的功率密度并無顯著性差異；當(dāng)溫度超過70℃時，質(zhì)量的增加將導(dǎo)致遠(yuǎn)紅外材料的功率密度顯著提高。圖6 為相同質(zhì)量下輻照面積對遠(yuǎn)紅外材料功率密度的影響。在相同質(zhì)量下，隨著輻照面積的增大，遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料的功率密度顯著增加。對比圖5 與圖6 可知，輻照面積對遠(yuǎn)紅外材料的功率密度的影響大于質(zhì)量的影響。故在遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的設(shè)計(jì)中可適當(dāng)加大輻照面積，提高輻照能的利用率。

圖5 相同輻照面積下質(zhì)量對遠(yuǎn)紅外材料功率密度的影響（λ＝9 μm，L＝1 cm）Fig.5 The effect of mass on the power density of far infrared materials under the same irradiation area（λ＝9 μm，L＝1 cm）

2.3 不同遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度分析

遠(yuǎn)紅外射線屬于電磁波的一種，其具有反射、干涉等特性。在同一波長下，發(fā)射源①、②各表面的功率密度如圖7所示。發(fā)射源①-正面的功率密度最大，發(fā)射源①-側(cè)面的功率密度最小。原因在于發(fā)射源①其在陶瓷材外部的四周罩上一層金屬隔層，只留正面為金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)紅外射線在內(nèi)部因反射作用均聚集于網(wǎng)狀一面，故其功率密度較大。而發(fā)射源①的底面和側(cè)面因受到金屬隔層的阻隔，內(nèi)部遠(yuǎn)紅外輻射并不能透過，同時，測得一定的數(shù)值其主要是由金屬本身產(chǎn)生的紅外射線所致，因金屬的紅外特性遠(yuǎn)低于陶瓷材料[19]，故而其功率密度最低。

圖6 相同質(zhì)量下輻照面積對遠(yuǎn)紅外材料功率密度的影響（λ＝9 μm，L＝1 cm）Fig.6 The effect of irradiation area on the power density of far-infrared materials at the same mass（λ＝9 μm，L＝1 cm）

圖7 不同遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度比較（λ＝9 μm，L＝1 cm）Fig.7 Power density comparison of different far infrared emission sources（λ＝9 μm，L＝1 cm）

發(fā)射源②的組成主要是在陶瓷材料外部罩上一層與發(fā)射源①正面一致的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對比發(fā)射源②-底面與發(fā)射源①-正面的功率密度，進(jìn)一步說明遠(yuǎn)紅外輻射在發(fā)射源內(nèi)部經(jīng)過反射使其輻照能量聚集。此外，發(fā)射源②-底面與發(fā)射源②-側(cè)面的功率密度有所差異（圖7），這進(jìn)一步說明2.2 中輻照面積對功率密度有較大的影響。

2.4 遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度與波長、溫度的關(guān)系

在遠(yuǎn)紅外干燥中干燥溫度更是遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)中較為關(guān)鍵的一個控制條件，胡潔[4]、羅劍毅[5]等分別對不同的植物性原料進(jìn)行遠(yuǎn)紅外干燥實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外干燥溫度對干燥效果具有不同程度的影響。

不同溫度下①號遠(yuǎn)紅外發(fā)射源在不同波長下的功率密度如圖8所示。從圖中可以看出，同一溫度下點(diǎn)狀遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的功率密度曲線在波長λ＝6 μm、10 μm 附近出現(xiàn)兩個峰值，不同的輻照物其發(fā)射波長不同，形成不同的吸收峰[11]。由此可以反映出發(fā)射源內(nèi)部并非由單物質(zhì)組成，至少應(yīng)有兩種不同的陶瓷材料組成。同時，觀察兩個峰值可發(fā)現(xiàn)，不同溫度下的峰值對應(yīng)的波長并不一致，以波長λ＝10 μm 附近的峰值為例，隨著溫度的升高，最大輻照波長會略向左偏移，即溫度越高其最大輻照波長略有減小，Mongpraneet[20]等人的研究也證明了溫度的升高會導(dǎo)致遠(yuǎn)紅外輻射源的最大輻照波長有所漂移。利用遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的最大發(fā)射波長，可以指導(dǎo)選擇合適的物料進(jìn)行遠(yuǎn)紅外干燥，如對紅外吸收光譜在這峰值波長附近的物料比較適宜。

圖8 不同溫度下①號遠(yuǎn)紅外發(fā)射源在不同波長下的功率密度Fig.8 The power density of far-infrared emitters① at different wavelengths and temperatures

此外，溫度越高其功率密度曲線的峰值越明顯，在溫度較低（T＝50℃、60℃、70℃）時，其曲線較為平緩，峰值不突出，進(jìn)一步反映出，高溫可以激發(fā)遠(yuǎn)紅外輻射能量，在低溫時其輻照效果并不顯著，這與文雅欣[21]的研究相一致。

2.5 遠(yuǎn)紅外發(fā)射源①功率密度隨法向距離的變化規(guī)律

在遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)研究中，輻射源與物料之間的距離對遠(yuǎn)紅外輻照效果的影響是至關(guān)重要的，萬江靜[22]在探究遠(yuǎn)紅外輻射干燥紅棗片的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)輻射距離是決定紅棗干制效果的關(guān)鍵因素，從而探究出最佳干燥工藝。

《1984》被公認(rèn)為是對集權(quán)主義最形象的描述。小說中的大洋國就像是一座恐怖的全景敞視監(jiān)獄，所有黨員都處在官方的監(jiān)視當(dāng)中，每一個房間的墻壁上都安有電子屏幕，竊聽器可能隨處都在，思想警察也可能藏匿在任何一個地方……它讓我們看到了一個時時都在被監(jiān)視的全景敞視社會。

圖9 為不同法向距離下①號遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度的變化，其衰減率如表1所示。隨著法向距離L的增大，發(fā)射源的功率密度呈下降趨勢，輻照能逐漸衰減。整個下降過程分為3 個階段：在L≤3 cm 時，其衰減幅度較小，其功率密度衰減率在10.00%以內(nèi)；當(dāng)3 cm＜L≤6 cm 時，功率密度衰減速率增大；當(dāng)L＞6 cm 時，功率密度的衰減速率逐漸趨緩。由此，遠(yuǎn)紅外發(fā)射源①的輻射距離在3 cm 以內(nèi)時，功率密度的衰減率最低，能量利用率較高。

圖9 不同法向距離下①號遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度（λ＝9 μm，r＝0 cm）Fig.9 Power density of far-infrared emitters① at different vertical distances（λ＝9 μm，r＝0 cm）

表1 r＝0 cm 下①號紅外發(fā)射源功率密度的衰減率Table 1 The decay rate of power density of far-infrared emission source① at r＝0 cm

根據(jù)紅外輻射原理，光源在空間內(nèi)的M點(diǎn)上的輻照強(qiáng)度可用以下公式表示[23]：

式中：Ej(M,λi)表示發(fā)射源在λi波長下、M點(diǎn)處的輻照強(qiáng)度，W·m－2；I(Sj,θjout,?jout,λi)表示發(fā)射源Sj在方向（θjout,?jout）、輻照波長為λi下的發(fā)射強(qiáng)度；τ([M,Sj],λi)表示大氣透過率；則表示發(fā)射源Sj到M點(diǎn)之間的距離，m。

在本實(shí)驗(yàn)中，Ej(M,λi)即為所測功率密度，即為法向距離L。而I(Sj,θjout,?jout,λi)在相同溫度、相同波長、法向距離上僅由發(fā)射源決定，故可視為常數(shù)。同時，大氣透過率的影響因素主要為大氣中的各種氣體物質(zhì)以及輻照距離[24]：

式中：σ表示衰減系數(shù)；χ為法向距離L。聯(lián)合公式(1)、(2)，可得功率密度E與法向距離L的關(guān)系：

由此，可以建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合，結(jié)果如表2。

表2 不同溫度下遠(yuǎn)紅外發(fā)射源①法向輻照強(qiáng)度的擬合結(jié)果(λ＝9 μm)Table 2 Fitting results of far-infrared emission source ① normal radiation intensity attenuation at different temperatures(λ＝9 μm)

根據(jù)表2 不同溫度下遠(yuǎn)紅外發(fā)射源①法向輻照強(qiáng)度的擬合結(jié)果，決定系數(shù)的擬合優(yōu)度R2均大于0.9600，說明該模型能較好地反映遠(yuǎn)紅外發(fā)射源①功率密度E與法向距離L之間的關(guān)系。圖10 為70℃下遠(yuǎn)紅外發(fā)射源①功率密度E與法向距離L的擬合曲線，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均勻分布在擬合曲線附近，重合度較高，進(jìn)一步體現(xiàn)了該模型的可信性。該模型的建立可為遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)中輻照距離對干燥速率、成品品質(zhì)的影響提供了理論依據(jù)，同時對干燥工藝的參數(shù)設(shè)置提供參考。

2.6 遠(yuǎn)紅外發(fā)射源①功率密度隨半徑r 的變化規(guī)律

圖11 為不同半徑下①號遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度的變化，其衰減率如表3所示。隨著平面半徑r的增大，發(fā)射源的功率密度呈下降趨勢，輻照能量逐漸衰減。在法向距離L＝6 cm，r≤1 cm 時，其功率密度衰減率為0，輻照能量并沒有減小，主要原因在于實(shí)驗(yàn)中的發(fā)射源是一個底面半徑為1 cm、高為1 cm 的圓柱體，因而在圓柱底面垂直投影面下其輻照能量基本無衰減。當(dāng)r＞1 cm 時，功率密度隨r的增大而減小，至r＝7 cm 左右，功率密度為0，遠(yuǎn)紅外能量基本衰減完全。其中，L＝6 cm，r＝3 cm時，其衰減率在40%～45%，基本可以判斷半衰減率發(fā)生在r＝3 cm。由于光路沿直線傳播，根據(jù)相似三角形的原理（如圖12所示），可知當(dāng)L＝3 cm 時，半衰減率發(fā)生在r＝2 cm。

圖10 70℃下遠(yuǎn)紅外發(fā)射源①法向輻照強(qiáng)度的擬合結(jié)果（λ＝9 μm）Fig.10 Fitting result of the normal radiation intensity of the far-infrared emission source at 70℃ (λ＝9 μm)

由此該遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的功率密度空間分布如圖12所示。

2.7 探究組合式遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度分布模型

根據(jù)2.5 中遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的功率密度與法向距離L、半徑r的關(guān)系，擬設(shè)計(jì)一個能源利用率最大化、場能分布均勻的遠(yuǎn)紅外組合模型。因L＝3 cm，r＝2 cm時，其衰減率為50%左右，同時考慮發(fā)射源本身的半徑大小，故相鄰的兩個發(fā)射源間距為2 cm。該設(shè)計(jì)下，物料輻照距離為3 cm（L＝3 cm）時，遠(yuǎn)紅外輻照能量利用率最高。圖13 為兩個①號遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的相距2 cm 組合后，功率密度分布示意。

圖11 不同半徑下遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度（λ＝9 μm、L＝6 cm）Fig.11 Power density of far-infrared emitters① with different radii（λ＝9 μm、L＝6 cm）

表3 L＝6 cm 下遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度的衰減率Table 3 Decay rate of power density of rar-infrared emission source① at L＝6 cm

圖12 點(diǎn)狀遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率分布示意圖Fig.12 Power distribution of point-shaped far-infrared emission source

圖13 兩個①號遠(yuǎn)紅外發(fā)射源組合功率密度分布Fig.13 Combined power density distribution of two No.① far infrared emission sources

圖14 為組合式遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的分布。

圖14 組合式遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的分布模型Fig.14 Distribution model of combined far-infrared emission source

為了驗(yàn)證以上模型是否做到使遠(yuǎn)紅外能量分布均勻化，特進(jìn)行以下驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：

將組合式遠(yuǎn)紅外發(fā)射源放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，150℃下加熱至恒定穩(wěn)定，用熱電偶測定遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的實(shí)時溫度。組合式遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度測定點(diǎn)分布如圖15所示。

在同一波長（λ＝9 μm），L＝3 cm 下，用Ophir 3A功率計(jì)測定各測定點(diǎn)的功率（單位：W），從NOVAⅡ表頭讀數(shù)并記錄，測定得到的功率除以靶面面積即可計(jì)算得到其功率密度（單位：W·cm－2）。

圖15 組合式遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度測定點(diǎn)分布Fig.15 Distribution of power density measurement points of combined far-infrared emission source

測定結(jié)果如圖16。

對照圖15 的測定點(diǎn)分布，可以將測定點(diǎn)分為3類：第一類為每個點(diǎn)狀遠(yuǎn)紅外發(fā)射源正下方的測定點(diǎn)，即為測定點(diǎn)1、3、5、11、13、15、21、23、25；第二類為相鄰兩個點(diǎn)狀遠(yuǎn)紅外發(fā)射源之間的中心位置的測定點(diǎn)，即為測定點(diǎn)2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24；第三類為相鄰的4 個點(diǎn)狀遠(yuǎn)紅外發(fā)射源所形成的正方形的中心位置的測定點(diǎn)，即為測定點(diǎn)7、9、17、19。每兩個相鄰的發(fā)射源之間的距離為2 cm，結(jié)合發(fā)射源半徑為2 cm，故3 類測定點(diǎn)在L＝3 cm 下，距離相鄰點(diǎn)狀遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的r分別為第一類測定點(diǎn)的r＝0 cm，第二類測定點(diǎn)的r＝3 cm，第三類測定點(diǎn)的r＝3×21/2cm。

圖16 組合式遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度分布（λ＝9 μm、T＝90℃、L＝3 cm）Fig.16 Power density distribution of combined far-infrared emission source（λ＝9 μm、T＝90℃、L＝3 cm）

觀察圖16，第一類測定點(diǎn)的功率密度較為接近且普遍高于其他兩類測定點(diǎn)的功率密度，原因在于這類測定點(diǎn)位于每個發(fā)射源的正下方r＝0 cm，其功率密度的衰減率最低。第二類測定點(diǎn)的功率密度僅次于第一類測定點(diǎn)的功率密度，基本高于第三類測定點(diǎn)的功率密度。結(jié)合2.6 中同一法向距離下r對功率密度的影響規(guī)律：功率密度隨著r的增大而減小。故第二類測定點(diǎn)距離相鄰的發(fā)射源的r＝3 cm，由表3 可知相鄰兩個發(fā)射源的功率密度在該類測定點(diǎn)的衰減率均為50%，功率密度疊加之后其效果與第一類測定點(diǎn)相近。而第三類測定點(diǎn)距離相鄰的發(fā)射源的r＝3×21/2cm，由表3 可知，相鄰的發(fā)射源在該類測定點(diǎn)的功率密度衰減率為70%～80%，由此可以解釋第三類測定點(diǎn)的功率密度均低于前兩類測定點(diǎn)。此外，在同一類測定點(diǎn)中存在差異功率密度差異較大的情況，比如第二類測定點(diǎn)中測定點(diǎn)6、16 的功率密度較大，導(dǎo)致這種差異的主要原因在于每個點(diǎn)狀遠(yuǎn)紅外發(fā)射源之間存在差異。

整體上來看，組合式遠(yuǎn)紅外發(fā)射源功率密度分布結(jié)果基本符合模型預(yù)想，各點(diǎn)的功率密度趨于均勻化，利用這個組合式遠(yuǎn)紅外發(fā)射源進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)可以使物料受到較為均衡的輻照處理，提高干燥效果。

3 結(jié)論

3 種材料（陶瓷、玻璃、遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料）均具有紅外輻射特性，其中遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料的功率密度最高。故該遠(yuǎn)紅外燒結(jié)材料具有良好的遠(yuǎn)紅外輻照特性，同時，質(zhì)量、輻照面積以及金屬外罩均對功率密度有顯著影響。此外，遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的功率密度隨著溫度的升高而升高，其功率密度峰值對應(yīng)的波長主要在λ＝6 μm、10 μm 附近。單個遠(yuǎn)紅外發(fā)射源①其功率密度分布呈放射狀：L＝0～3cm、r＝0～1cm 范圍內(nèi)，遠(yuǎn)紅外能量的衰減率較低，并建立了功率密度E與法向距離L的數(shù)學(xué)模型：。之后，利用①號遠(yuǎn)紅外發(fā)射源的功率密度分布規(guī)律設(shè)計(jì)了一個組合式遠(yuǎn)紅外發(fā)射源：兩個發(fā)射源之間相距2 cm，物料輻照距離為3 cm 時，其功率密度較為均勻，能量利用率較高。