作者：褚治德 主编 王一建 副主编
出版社：化学工业出版社
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红外辐射加热干燥理论与工程实践试读：
前言
红外辐射加热技术以其热效率高、无环境污染、保证产品品质等诸多优点而得到人们的关注。由于这些优点，近几十年来，红外辐射加热技术在涂料、塑料加工、汽车制造、食品加工、木材加工、制药、印刷、造纸、纺织印染、医疗卫生、机械制造、化工与电子等领域得到广泛应用，该技术用于干燥可使常规的干燥效率从10%提高到60%～77%。
红外辐射加热技术实现了辐射源光谱与被加热物体吸收光谱的共振，不需加热介质，大大减少了能量损失，提高了热能利用率并减少了污染。红外辐射加热换热有以下4个特点。
① 热辐射的加热特性：加热体1与被加热体2间，物体2获得净热量Q与温度的4次方差成正比。1.2
② 热辐射的光谱特性：物体2获得的净热量与加热体的发射光谱ε和被加热物体的吸收光谱ε有关。12
③ 热辐射换热相互作用的方向性、距离与形状的关系特性，即角系数X特性与系统黑度ε有关。1.2s
④ 热辐射换热，物体2获得净热量，与相互作用的换热面积F、1F有关。2
传统的辐射传热学一般只讲述普朗克电磁波理论，而鲜少讲述爱因斯坦的光电效应量子论。随着科技的发展，光电效应论的应用日益普遍，尤其对生物与生命材料、人体皮肤、草药、植物材料、发酵材料、热敏性材料等的吸收光谱。由于在黑体炉或样品炉中高温加热会使材料分解，导致测试有误，因而必须用光电效应量子论得到常温下的傅里叶变换红外吸收光谱。本书阐述了爱因斯坦的光量子论与密立根的实验验证，并介绍了潘建伟世界领跑的“墨子号量子卫星”。
本书的研究内容得到了国家自然科学基金项目4项资助、天津市自然科学基金项目5项资助、国家中医药管理局项目1项资助。笔者所在的研究团队经过20多年的不断努力，搭起了实验台，建起了模拟实验装置，购买了大量的先进仪器及设备，从大量的实验室实验进而步入工厂，进行工程试验验证与创新。本书的研究结果荣获4项国家科学技术进步奖。
本书以视图方式做出供温曲线、木板的多层温度曲线与蒸发面曲线，读者可以一目了然、清晰地看到木材中的水分是如何从内部迁移出来的。供温曲线有升速、恒速与降速段，板内温度曲线也对应有升速、恒速与降速段，水分的迁移也是很有规律地从不同的层面有条不紊地排出，充分地显示了理想的干燥过程应是能量的供、需相平衡的过程。书中图13-3～图13-6揭示了当供温曲线不优化时，所有的传质均不理想，水分的迁移极不规律。J.金克普利斯认为由于物料的结构复杂，所以传热传质过程（干燥过程）的机理较其他传质过程要复杂得多。A.C.金兹布尔格提出：近代干燥学发展的第四阶段是把干燥过程看作能量和物质（水）的综合迁移。中国的张洪沅、丁绪淮、顾毓珍教授在《化学工业过程及设备》一书中指出，固体物料的干燥机理分表面汽化控制与内部扩散控制，并做了详细的论述。但内部扩散控制极为复杂，如何控制？供温与内部扩散控制又存在什么关系？本书以视图的方式进行了清晰的表述，以恒温与变温、恒参数与变参数、单参数与多参数、稳态与非稳态的各种实（试）验探求规律，从实验到工程、从机理到规律。
天津家具七厂红外干燥炉，改造前干燥周期为85h，而改造后干燥周期为45h，每脱出1kg水耗电0.96kW·h，平均节电35.6%，节时47%，能源利用率为77%。而普通蒸汽法干燥的干燥周期为126h，湿蒸汽加热就用16h。而红外辐射干燥是自蒸湿加热，即刚开始关闭排气孔，干出的水分加热木材自己，16h后打开排气孔，排出水蒸气，干燥35h断电供热，到45h干燥完毕，达到供与需的能量平衡。其结果是节能减排、节水，无污染，不要锅炉、不要管道，投资少、占地少，不用锅炉厂房，运行操作费低，干燥质量好，是理想的干燥工艺。这是本书对干燥学、传热传质学、干燥技术的一个创新、发展与贡献。
本书在编写与实验过程中得到了国家自然科学基金委、国家中医药管理局及天津市科委的资助，以及天津大学机械学院和能源与动力工程学科、五源科技院士工作站光电工程研究室、全国红外加热暨红外医学发展研讨会及80岁老伴的全力支持。
参加本书编写的有焦士龙、王德新、杨俊红、钟金环、张凯、李希晖、刘嘉智、王永钧、栾松、宋扬、诸凯等，在此一并感谢！
对书中存在的不足之处，也请读者不吝赐教。 褚治德 2018年7月于天津大学第1篇 红外辐射理论
第1章 红外辐射的基本理论
第2章 表面间的辐射换热
第3章 国际与国内红外标准、量子学说和分子内部的能级第1章 红外辐射的基本理论1.1 红外辐射的基本概念
能量以电磁波或光子的形式发射传递的方式称为辐射。电磁辐射遵循横波传播定律，所谓横波就是振动方向垂直于传播方向的波动。图1-1为电磁辐射波谱及产生的机理。电磁波的波长范围很宽，短波有γ射线、X射线和紫外线，这主要是高能物理学家和核工程师所感兴趣的部分，它是靠放射性裂变与电子轰击产生的；而长波的微波与无线电波则为电气工程师所关心，是靠电子回路的放大振荡产生的。波长从0.76μm至100μm的电磁波谱称为红外线，是由固体中的分子振动或晶格振动或固体中束缚电子的迁移产生的。图1-1 电磁辐射波谱及产生的机理
红外线是怎样发现的呢？1676年，牛顿用玻璃做的三棱镜发现了可见光谱有7色，即红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。1800年，Herschel（赫舍尔）想测量这7种光中到底有多少热量，在7种色带上分别放上1支水银温度计，同时将1支没有用的温度计放在靠近红区的外部，他偶然发现这支在暗处的温度计升温特别高，因它位于可见光红区的外部，因而得名红外线。
红外辐射的真实性质及其传递机理，人们至今还没有完全搞清楚。麦克斯韦根据电磁场结构理论提出了电磁波动说，认为辐射的能量是由电磁波传送的。20世纪初，以爱因斯坦和玻尔为代表，提出了光量子论，认为光对物质的主要影响是光电效应。光电效应定律为：E=hν （1-1）
式中，E为一个光子的能量，J；h为普朗克常数，h=6.624×-34-110J·s；ν为光子的频率，s。
这一理论在光电子发射、光子探测器方面均得到了应用。热像仪中的光子探测器就是通过光电效应将光子转换为电信号，此电信号的数值单位称为热值（IU），而热值又与辐射温度相关，因而可用热像仪测试物体表面的温度场。因为无论用电磁波动说还是光量子论的任何一种，都未能全部解释清楚所有实验观察到的结果，但是辐射能的传递可以依靠电磁波或光子能量发射，这已被证实，因此，人们称辐射具有双重性，即电磁波与光子的特性。
所有的电磁波和光子发射都是以光速传播的。真空中的光速为1010C=2.9977×10m/s，常被取作3×10m/s。其他介质中的光速都比0真空中的小，可用介质的折射系数n求出，即C=C/n，气体中的n≈0101，因此，在气体中波速亦被取为3×10m/s。不同的单色光必定具有不同的波长，波长比频率容易测准，所以测试物体的发射率或吸收率的红外光谱仪其横坐标均以波长（或波数）表示。但出现折射时，射线从一种介质进入另一介质，频率不变，而光速与波长将发生改变，因此，辐射具有典型的波性质。波长和频率之间的关系为：C=λν （1-2）-1
式中，C为光速，m/s；ν为频率，s；λ为波长，m。
辐射亦称为光学辐射，因而有关光的投射、反射、折射的概念和规律，同样适用于热辐射。图1-2为投射到物体上的辐射能的分配。辐射热流Q投射到物体2上，一部分Q被吸收，使物体升温，一部EA分Q被反射，还有一部分Q被透射。这种吸收、反射、透射份额的RT大小由物质的性质所决定，称为该物体对外来辐射能流的吸收率A、反射率R和透过率T，即：图1-2 投射到物体上的辐射能的分配 （1-3）
根据能量守恒定律，则：A+R+T=1 （1-4）
从物理意义上看，A、R、T每个量只能在0～1的范围内变化。被反射和透射的辐射能流除部分被空间介质沿途吸收外，又将落在周围其他物体上，依次被吸收。由此可见，自然界中每一个物体在不断地向空间发射辐射能的同时，又在不断地吸收来自周围其他物体的辐射能。辐射与吸收的综合结果即为辐射换热，这种相互作用的概念十分重要。
物体之间不发生相对位移，只依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热。而冷、热流体相互掺混或流体内部因有温差产生流体的流动换热称为对流换热。可见，无论是导热还是对流换热均需有介质传递能量。而热辐射可以在真空中传递能量，且辐射能仅与温度的4次方成正比，而不是像导热与对流那样是与温度的1次方成正比，这也是辐射传热的另一特点。1.2 普朗克黑体辐射定律
自然界中并不存在绝对黑体，像黑丝绒和烟黑的吸收率也只有0.96，但是可以用人工方法制作绝对黑体模型，见图1-3。孔径越小，其吸收率越接近于1。各种物体的辐射能力以“黑体”为最大。人造黑体空腔常做成圆柱形，并且底部呈锥形，如图1-3（b）所示，以防止外界射线直射到底面而反射回出口，黑体炉就是这样制成的。在理论研究与工程测试中，均是以黑体炉的发射能量为基准来对比测试得到其他材料的发射率。在研究辐射换热问题时最常用到的一个表明物体辐射能力的参量就是辐射力E（emissive power），它表示某一温度的表面在单位时间、单位面积向半球空间所有方向发射的全部波2长的辐射能的总量，它的常用单位是W/m，亦被称为全辐射力或总辐射力，如指某一波长范围的则称单色辐射力E，黑体的单色辐射力λ为E。bλ图1-3 人造黑体模型
普朗克定律揭示了黑体辐射能按波长的分布规律，即给出了黑体单色辐射力的形式。根据量子理论得到普朗克定律的数学式： （1-5）
式中，λ为波长，μm；T为黑体热力学温度，K；e为自然对数的-162底；C为常数，其值为3.743×10W·m；C为常数，其值为1.438712-2×10m·K。3
图1-4为普朗克定律的图示，纵坐标E为单色辐射力[W/m或W/λb2（m·μm）]，横坐标为波长（μm），从该图中可以看出以下问题。图1-4 普朗克定律的图示
① 对某一确定的波长，热力学温度高时其单色辐射力亦大，且随温度的升高其峰值向短波移动（见虚线）。
② 每条曲线下的面积表示相应温度的黑体辐射力E，E与E的bbbλ关系为： （1-6）
③ 对dλ波长发射的黑体辐射力而言，已在图中用阴影面积示出。如图1-4中T=1000K、dλ=5.6-5.2=0.4（μm）中的阴影与T=1400K及T=1200K在可见光区dλ=0.76-0.38=0.38（μm）的阴影。由此可见，可见光的黑体辐射力与红外区相比所占的百分比实在甚小。
④ 由该图还可知，红外热辐射只有波长为0.76～25μm才有实际意义，若波长太长，其单色辐射力太小，已无工程意义。1.3 爱因斯坦光电效应量子论1.3.1 爱因斯坦（A.Einstein）光电效应量子论概述
爱因斯坦在普朗克假设的基础上提出了光电效应的解释，他认为光不仅在发射和吸收过程中是以hω为单位一份一份地进行的，而且在传播过程中也是一份一份地存在着的，他称此最小能量单位为光量子，即后来所谓的光子。根据爱因斯坦理论，当光照射到金属表面时，光子和金属表面的电子直接发生作用，逸出金属表面的电子能量符合下面的方程，即爱因斯坦方程：m=hω-W （1-7）
式中，m为电子的静止质量；m为光电子最大动能；h为普朗克常数值；ω为光的角频率；W为逸出功，它和金属材料有关。
这个方程经密立根（R.Milikan）长达10年的精心实验验证，证明它在各个方面都与实验精确符合。各个方面包括红外辐射的长波段与短波段，也包括紫外段。长期以来，前人也有很多理论，如以太论、微粒子论、电磁波论等，但都有不足之处。而爱因斯坦简洁明了地解释了光电效应理论和实验现象。如式（1-7）中，当光的角频率低于ω=W/h时，光电子的最大初动能将成为负值，这是不可能的，这就0说明存在红线频率的原因，即红外线端出现了问题。而在经典的物理学中，这是无法理解的。根据爱因斯坦的相对论：光子以光速、以量子的能量e 前进，则e为：rre=hν=m （1-8）rr-1
式中，m为光子质量；ν为光子频率，s；h为普朗克常数值，r-34取6.624×10J·s，普朗克常数这么小的数值也被密立根实验所证实。
光子也应有质量，m=hν/，动量为mc=hν/c 。光子撞击表面rrrr引起单位时间的动量的改变，将产生“辐射压力”。
1900年，普朗克提出他的定律后，有4年时间他过着风雨飘摇的生活。1905年，瑞士专利局的一位职员爱因斯坦发表了一个大胆的重大声明，即光电效应理论，使普朗克日渐衰颓的发现重获新生。4年后，爱因斯坦从专利局被调到苏黎世大学的教学行列中。爱因斯坦提出光子的不连续性，像一个粒子，即所谓的光子，即光电效应理论。该理论即是光电池、有声电影、电视、现代热像仪、现代遥感技术、微电子技术、众多现代电子技术、现代生物技术、现代量子卫星技术的理论基础。
爱因斯坦所谓的质量已被证明是能量的一种形式，爱因斯坦的公式说明，一个物质内蕴藏的能量要这样计算：用它的质量乘以光速，得数再乘以光速，见式（1-8）。这确实是一个骇人听闻的数量。原子能的量度就是这样的。投在日本的原子弹也只是发挥出它的质量中所含总能量的一小部分。这是爱因斯坦的微观想象力。
爱因斯坦说：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，是知识进化的源泉。”这句话告诉我们，现在我们所拥有的一切都是先人的想象力，而我们的想象力又将构筑世界的未来。爱斯因坦还说：“提出一个问题，往往比解决一个问题更重要，因为提出的新问题是新的可能性，从新的角度去看旧的问题，都需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”
爱因斯坦是光量子论及相对论的创始人，开创了物理学的新纪元，成为世界上最伟大的物理学家、科学家。时隔光子论发表16年，他于1921年获诺贝尔物理学奖。
普朗克理论与爱因斯坦理论同等重要，普朗克和爱因斯坦同是红外辐射的诺贝尔奖获得者。
诺贝尔物理学奖获得者马克思·玻恩，把广义相对论看作是人类关于大自然的思想的最伟大成就，是哲学的深度、物理学的直觉和数学的技巧的最惊人的结合，是老物理学的大地震，对开创物理学乃至人类文明新纪元都产生了巨大的影响。1.3.2 密立根实验验证爱因斯坦的光电效应量子论
密立根是美国著名的实验物理学家，他从1910年着手进行实验验证爱因斯坦的光电效应方程理论，因他相信热辐射的波动说，因此，对爱因斯坦理论半信半疑。他设计了一个精密的实验装置，采用了有效的方法获得了单种频率光辐射，以及解决了金属电极表面的电位差问题，为了能在没有氧化物薄膜的电极表面上同时测量真空中的光电效应和接触电势差，他设计了一个特殊的真空管，在这个管里安装了精密的实验设备，见图1-5。他选择了6种不同波长的单色光，得到6种不同的光电流作图，结果得到一根漂亮的直线，与爱因斯坦光电效应方程[式（1-7）]预期的结果非常吻合。他还根据这条直线的斜率求-34出了普朗克常数h的值（极小的值h=6.624×10J·s，是小数点后33个零），也与普朗克1900年从黑体辐射求得的数值符合得极好。密立根用长达10年的时间，用极出色的精密测量证实了爱因斯坦的光电效应方程论。因此，他于1923年获诺贝尔物理学奖。图1-5 密立根的精密实验装置
与整个传热学的导热、对流相比，狭小的红外领域就有3位获诺贝尔物理学奖的人，可见红外辐射的重要性。
从1760年兰贝特定律的问世，到1900年普朗克定律的出现并获红外辐射诺贝尔奖，跨越了两个世纪共140年。1921年，爱因斯坦光电效应量子论亦获红外辐射诺贝尔奖。但至今还不能以光量子理论或电磁波动理论的任何一种解释清所有的实验观察结果。因此，人们称辐射具有双重性。1.3.3 潘建伟世界领跑的中华“科圣”量子卫星
2017年12月19日，国际顶尖学术期刊《自然》称：在过去一年里对科学产生重大影响的十人，中国科学技术大学教授、“墨子号”量子科学卫星首席科学家潘建伟上榜，《自然》以“量子之父”为题报道了潘建伟。
量子密码通信的理论模式是，发送方首先将用于解读密码文的“密匙”信息写入一粒量子并发送给接收方，这种方法叫作“量子密钥分配（QKD）”。量子通讯用最小的光量子做信息载体，无法被分割，恰好量子又有无法被复制的特性，所以窃取信息的人无法复制信息与分割信息，保证了信息的安全。这就是量子通讯最基本的特点和优点。现世界上发达国家对量子卫星还处于实验室状态。
我国第一颗量子卫星命名为“墨子号”量子卫星，该卫星已在地球表面能传输千公里。
1701年牛顿提出了对流换热的冷却定律，1882年傅里叶提出了导热基本定律，而黑体辐射定律出现于1900年，并于1918年获诺贝尔物理奖。爱因斯坦量子论始于1905年，并于1921年获诺贝尔物理奖。密立根对爱因斯坦光量子论的实验验证始于1910年，1923年获诺贝尔物理奖。2017年，潘建伟世界领跑的“墨子号”量子卫星遨翔太空。
光量子辐射飞越浩瀚的天空疾如闪电，人们煞费苦心所获得的种种梦想，使我们逐渐辨认出人类精神的发现。正如爱因斯坦所说：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，是知识进化的源泉”。1.4 维恩位移定律
由式（1-5）可知，当λT的乘积比常数C小很多时，可忽略该式2中的“1”，则该式变为： （1-9）
图1-4的单色辐射力最大位置可由式（1-5）取极值得到，因此，将该函数对波长求导，并令其等于零，则得下列超越方程： （1-10）
解此方程式可得C/（λT）=4.965，由此得出：2m-3-3λT=2.8978×10≈2.9×10（m·K） m
此式说明，最大辐射力的波长λ与热力学温度的乘积为一常m数。此规律称为维恩位移定律。1.5 斯蒂芬-玻尔兹曼定律
斯蒂芬-玻尔兹曼定律确定了黑体半球总辐射力与温度的关系。远在普朗克的量子理论出现以前，斯蒂芬（1879年）就首先通过实验的方法确定了这个公式（用测量黑体模型自身辐射的方法）。此后（1884年），玻尔兹曼从热力学定律出发在理论上得到了同样的公式，因此，这个定律称为斯蒂芬-玻尔兹曼定律。将普朗克定律的E的表bλ达式对全波长积分即得到斯蒂芬-玻尔兹曼定律（俗称四次方定律）： （1-11）
上式说明黑体辐射力（能）正比于热力学温度的4次方。式中，-824σ为黑体辐射常数，其值为5.67×10W/（m·K）。为了计算高温辐0射时方便，通常把式（1-11）改写成下式：2E=C （W/m） （1-12）b024
式中，C为黑体辐射系数，其值为5.67W/（m·K）。0【例1】将某一黑体表面置于室温为27℃的厂房中，试求在热平衡条件下的辐射力。如将黑体加热到327℃，求它的辐射力。
解：因在热平衡条件下黑体温度与室温相同，即等于27℃，按式（1-12），
辐射力为：
327℃的黑体辐射力为：
因为辐射力与热力学温度的4次方成正比，所以随着温度的升高辐射力急剧增大。上述计算表明，T/T=2，但E/E=16。在许多21b2b1工程问题中，往往需要确定某一特定波长区内的辐射能量（图1-6）。按式（1-6），黑体在波长λ～λ区段所发出的辐射能为：12
在图1-6中，在λ～λ之间的能量以该温度下的阴影面积表示。12通常将这一波段区间的辐射能表示成同温度下黑体辐射力（λ从0到∞整个波谱的辐射能）的百分数，记为，如下式：图1-6 特定波长区内的辐射能量 （1-13）
式中，分别为波长0～λ与0～λ的黑体辐射占21同温度下黑体辐射力的百分数。能量可表示为单一变量λT的函数，即=f（λT），称为黑体辐射函数。为方便计算，该函数f（λT）已制成表格（表1-1）供计算辐射能量份额时查用。表1-1 黑体辐射函数表
已知能量份额后，在给定的波段区间，单位时间内黑体单位面积所辐射的能量可由下式算出：2E（λ-λ）=F（λ-λ）E （W/m） （1-14）b12b12b
为了对可见光（0.38～0.76μm）、红外线（0.76～25μm，0.76～1000μm）的辐射能量有一个定量的了解，现做如下计算。【例2】试分别计算温度为1000K、1400K、3000K、6000K时可见光与红外线（0.76～25μm，0.76～1000μm）在黑体总辐射中所占的份额。
解：将给定的温度乘以0.38μm、0.76μm、25μm、1000μm，从而得到各个λT值。再将该λT值在表1-1中查得各自的能量份额F-λb（0）值，再根据式（1-11）算出可见光与红外线热辐射各自占的份额百分比，见表1-2、表1-3。表1-2 可见光与红外线各自的能量份额 表1-3 可见光与红外线热辐射各自占的份额百分比
这种方法工程上大都用于1400K以下，此时，可见光所占份额只有0.12%，而0.76～25μm与0.76～1000μm相比，已占99.7%（99.58/99.88），因此，红外辐射干燥一般只考虑到0.76～25μm，更长的波段能量已很低，无工程意义。因此，测定各种有机材料、涂料的透过率及一些材料的光谱发射率所用的红外分光光度计及傅里叶变换红外光谱仪，其测试波段大都为2～25μm。1.6 兰贝特定律
斯蒂芬-玻尔兹曼定律确定了黑体表面在半球空间向所有方向发射的总辐射力。黑体沿各个方向发射的辐射热流密度由兰贝特定律确定（1760年）。为了说明辐射能量在空间不同方向的分布规律，需引入立体角概念。如图1-7所示，微元立体角（dω）是一空间角度，是以立体角端为中心，作半径r，将半径表面被立体角所切割的面积2（df）除以半径的平方（r），即得立体角的量度：2dω=df/r [Sr（球面度）] （1-15）“球面度”是国际单位制的立体角单位，整个半球的立体角为2π（球面度）。因为在不同方向上所能看到的辐射面积是不一样的（图1-7），微元辐射面积dF位于球心底面上，在任意方向p看到的辐射面积不是dF，而是dFcosφ。所以不同方向上辐射能量的强弱还要在相同的看得见的辐射面积的基础上才能进行对比，据此与辐射面法向成φ角的p方向上的定向辐射强度I（下标p指p方向）为：p （1-16）图1-7 立体角定义（a）及定向辐射强度定义（b）
理论上可以证明，黑体辐射的定向辐射强度与方向无关，即在半球空间的p、m、n各个方向上的定向辐射强度相等：I=I=I=…=I （1-17）pmn
n方向的辐射热流为IdF，但p方向（与n成φ角）的辐射热流qnip则为IdFcosφ：nq=IdFcosφ （W/Sr） （1-18）ipn
即若干投影面积的热流以法线n为最大，为IdF，其余方向为nIdFcosφ，此即为兰贝特余弦定律，当φ为90°时为最小，并降为零。n
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]