蕭威典、劉武漢 / 工研院材化所
節能減碳在現代社會是一個重要的議題，如何讓能源有效率地運用並減少能源消耗，已成為目前全球關注的研究項目。許多產業在製程中需要使用於高溫環境下操作的高溫爐，工業用高溫爐維持在高溫下操作會耗費相當大的能源，提升高溫爐在高溫下的能源使用效率，有助於降低能源的消耗。工業用高溫爐因為使用的需求，必須維持在高溫下運作，但是在以熱輻射傳遞為主的環境中，冷卻水路等外界冷卻循環系統，容易帶走環境中的熱能，致使熱效率下降，造成能源的浪費。如果可以有效率地將高溫下的熱輻射反射回系統內，降低能量的散失速度，將有助於提高設備系統的能源使用效率，達到節能減碳的目的。
【內文精選】
熱輻射
熱輻射(Thermal Radiation)的能量傳遞是透過光子(Photons)的放射和吸收，從一個表面轉移到另一個表面。光子在量子力學中定義為量子化能量的實體，從另外的角度來看，光子也被視為一種電磁波。熱輻射光子的波長範圍約為0.1到100 μm，涵蓋範圍包含紫外線的波長範圍到遠紅外線波長範圍。
高輻射反射率塗層
高溫下高輻射反射率材料的概念，主要是從太空科技衍伸而來，太空梭或火箭經過大氣層時，藉由超高音速的穿越與大氣層間的摩擦，高速飛行摩擦產生的高溫高熱，使得太空梭局部區域需承受極高的溫度。在這種情況下，除了隔熱材料的熱保護效果外，藉由高放射率的塗層將輻射熱放射至外界環境，以及高輻射反射率塗層的應用，可以有效地減低大氣層的熱傳遞，降低太空梭或火箭的外部溫度。
圖三所示為熱傳導率(kef)的三種熱傳遞機制對溫度影響的關係圖，熱傳遞機制包含傳導(kcond)、對流(kconv)和輻射(krad)。固體材料在低溫時的熱傳導機制以材料內部的傳導為主，主要藉由聲子(Phonon)進行熱的傳遞；在液體和氣體中的熱傳導機制則以對流熱傳遞為主，熱傳遞藉由液體和氣體中密度與波動變化所引起的流體運動。在低溫下，熱輻射的熱傳遞顯得較不重要，但是在高溫時，熱輻射的熱傳遞變得較為重要。即使在空氣稀薄的狀況下，或是真空環境中，熱輻射的熱傳遞也可以藉由電磁波傳遞熱。在高溫時，傳導和對流的影響相對熱輻射而言，影響較為有限。
圖三、熱傳導率的三種熱傳遞機制對溫度影響的關係圖
低熱傳導係數塗層
低熱傳導係數材料的應用，在高溫環境下可以有效地降低並阻隔熱的傳遞，透過低熱傳導係數塗層的設計，可以隔離塗層兩端熱的傳遞，並保護塗層內部的零組件，避免受到熱傷害。熱障塗層(Thermal Barrier Coating; TBC)是在航太科技下發展出來的一項技術，其在高溫環境下具良好的高溫防護效果，能夠確保渦輪引擎燃燒段零組件在高溫環境下正常運作。在渦輪引擎燃燒段零組件上噴覆熱障塗層，可以用來提高引擎燃燒溫度，使引擎的熱效率增加。並且，熱障塗層的設計可以降低零組件底材的使用溫度，搭配內部冷卻空氣的降溫，可以延長零組件的使用壽命。此外，熱障塗層的設計，還可以降低來自高溫的影響，如減少零組件的熱疲勞及高溫潛變等傷害。
高發射率塗層與熱控制塗層
高發射率(High Emissivity)的材料通常具有高吸收率，陶瓷材料具有高離子極化及電子躍遷能隙，可以吸收更多的光子，因此在熱平衡時會發射更多的輻射。美國太空總署(NASA)在高發射率材料的開發方面，初期採用碳化矽作為高發射率材料進行開發，後續採用含矽化物添加的高發射率材料進行開發。此種塗層開發的演進需求，主要是由於傳統的氧化物陶瓷吸收性能較差，透過添加物的改善，可以提高氧化物陶瓷材料的吸收係數。
熱控制塗層(Thermal Control Coatings)是針對目前在高溫環境下運作的設備，考慮使用高反射率和高發射率塗層。從桑基圖(Sankey Diagram)的示意中可以發現，工業用高溫爐中輸入的能量流，有將近一半的能量是浪費掉的，總輸入能量大約只有一半轉化為有用的熱量，如圖四所示。
圖四、典型工業爐的桑基圖
當加熱爐是燃氣爐時，如果在爐壁塗上高輻射放射率塗層，燃燒熱氣體發出的熱輻射可以被牆壁吸收，並且以比入射光子更寬的波長分布重新發射，此種機制可以提高輻射通過燃燒氣體的吸收帶。如果在爐壁塗上高反射率塗層，將保留從火焰照射的輻射波長，因此爐內的燃燒氣體可以重新吸收它，減少並避免額外提供更多的能量 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》450期，更多資料請見下方附檔。