الأشعة تحت الحمراء: قوانين التدفئة

القوانين الأساسية للتسخين بالأشعة تحت الحمراء

مع تطور التدفئة بالأشعة تحت الحمراء ، تطورت العلوم الأساسية التي تقوم عليها أعمال نقل الحرارة ، لكن هناك ثلاثة قوانين رئيسية تنطبق:

• قانون ستيفان بولتزمان: يعطي الطاقة الكلية المشعة عند درجة حرارة محددة من مصدر الأشعة تحت الحمراء.
• قانون بلانك: يعطي التوزيع الطيفي للإشعاع من مصدر الجسم الأسود - الذي يصدر إشعاعات 100٪ عند درجة حرارة محددة.
• قانون فيينا: وفقًا لقانون بلانك ، يتوقع هذا الطول الموجي الذي يكون عنده التوزيع الطيفي للإشعاع المنبعث من جسم أسود عند الحد الأقصى.

قانون ستيفان بولتزمان

يتعلق قانون ستيفان بولتزمان بشكل أساسي بانبعاث الأشعة تحت الحمراء. حساب إشعاع الطاقة من مصدر الأشعة تحت الحمراء بناءً على درجة حرارة مساحة سطح الجسم ومع عامل الجسم الأسود. الجسم الأسود المثالي له عامل واحد - مع اختلاف المواد الأخرى في هذا العامل (انظر الجدول أدناه). عندما نسمح بانبعاث المواد العادية ، يصبح قانون ستيفان بولتزمان:

ضمن تعريف قانون Kirchhoff للإشعاع الحراري ، لأي جسم تعسفي ينبعث ويمتص الإشعاع الحراري ، فإن الابتعاثية تساوي امتصاصيته. هذا يعني أن الابتعاثية مفيدة لتحديد مقدار الامتصاص الذي يمكن أن يمتصه السطح وكذلك تنبعث منه.

جدول الابتعاثية للأسطح المختلفة

الألومنيوم المصقول 0.09	نحاس مصقول 0.03	البرونز المصقول 0.10
الكربون (شمعة السخام) 0.95	السيراميك (الخزف المزجج) 0.92	الكروم المصقول 0.10
الخرسانة شنومكس	نحاس مصقول 0.02	أكسدة النحاس 0.65
زجاج تنصهر الكوارتز 0.75	حديد مصقول 0.21	الحديد الصدأ 0.65
البلاستيك مبهمة 0.95	الفضة مصقول 0.05	الفولاذ المقاوم للصدأ مصقول 0.16
الفولاذ المقاوم للصدأ أكسدة 0.83	المياه 0.96

باستخدام هذا القانون يعني أنه يمكننا الآن حساب انتقال الحرارة الصافي بين سطحين ينبعث منهما في T1 و T2. لأن كلاهما ينبعث منها ، فإن نقل الطاقة الصافية سيكون الفرق بين كل من مخرجات الطاقة المنبعثة.

قانون بلانك

يصف قانون بلانك الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من جسم أسود في حالة توازن حراري عند درجة حرارة محددة. سمي على اسم ماكس بلانك ، الفيزيائي الألماني الذي اقترحه في عام 1900.

عند التخطيط لدرجات حرارة مختلفة (باعث) للسخان ، يتوقع قانون بلانك:

1. نطاق الترددات التي سيتم خلالها إنتاج طاقة التسخين بالأشعة تحت الحمراء
2. القوة المنبعثة لطول موجة معين

يرجى الاطلاع على "ملاحظات توضيحية عن قانون بلانك" أدناه.

قانون التشرد في فيينا

قانون وين هو متابعة لقانون بلانك ويتوقع الطول الموجي الذي يكون فيه التوزيع الطيفي للإشعاع المنبعث من جسم أسود عند الحد الأقصى.

الجسم الأسود المثالي هو سطح لا يعكس شيئًا وينبعث من الإشعاع الحراري النقي. يُطلق على الرسم البياني للقوة مقابل الطول الموجي لجسم أسود مثالي طيف الجسم الأسود (انظر الشكل أدناه). لاحظ الخط الأحمر المنقط الذي تم تشكيله عندما نربط النقاط القصوى لكل منحنى درجة الحرارة عند توزيع Planck وربطها.

مع ارتفاع درجة الحرارة ، ينتج الإشعاع الحراري طولًا موجيًا أقل ، وضوء طاقة أعلى. من الرسم البياني أدناه ، يمكننا أن نرى كيف تنتج المصباح الكهربائي كمية معينة من الطاقة مع جزء صغير فقط في الطيف المرئي. كلما زادت درجة الحرارة وأصبح الطول الموجي الأقصى أقصر ، زادت كمية الطاقة المشعة.

يوضح الرسم البياني أيضًا أن صخرة في درجة حرارة الغرفة لن "تتوهج" نظرًا لأن منحنى 20 ° C لا يمتد إلى الطيف المرئي. مع تسخين الأشياء ، فإنها تبدأ في إعطاء الضوء المرئي ، أو التوهج. في 600 ° C توهج الأشياء باللون الأحمر الباهت. في 1,000 ° C ، يكون اللون الأصفر البرتقالي ، ويتحول إلى اللون الأبيض في 1,500 ° C.

هناك قانونان علميان آخران يعلنان التطبيق العملي للحرارة المشعة بالأشعة تحت الحمراء - ال قانون التربيع العكسي و لامبرت قانون جيب التمام.

قانون التربيع العكسي

يعرّف قانون التربيع العكسي العلاقة بين الطاقة المشعة بين مصدر الأشعة تحت الحمراء وجسمها - أن الكثافة لكل وحدة مساحة تختلف بالتناسب العكسي مع مربع تلك المسافة. ومع ذلك ، في الممارسة العملية ، يكون قانون التربيع العكسي أقل فعالية عندما يتعلق الأمر بالأسطح المتوازية الكبيرة ، مثل الأسطح الساخنة وأنظمة الفرن.

لامبرت قانون جيب التمام

يسمح قانون لامبرت لجيب التمام بحساب شدة الأشعة تحت الحمراء عندما لا يتم تطبيق الإشعاع مباشرة على الجسم المستهدف ولكن يتم ضبطه بزاوية. ينطبق هذا القانون بشكل أساسي على المصادر الصغيرة التي تشع عبر مسافة كبيرة نسبيًا.

يكون لدى بواعث الأشعة تحت الحمراء المستخدمة في التدفئة الصناعية عمومًا طول موجات انبعاث ذروة قابلة للاستخدام في حدود 0.75 إلى 10 μm. ضمن هذا النطاق ، هناك ثلاثة أقسام فرعية وهي موجة طويلة ومتوسطة وقصيرة.

لدى بواعث الموجات الطويلة ، والمعروفة أيضًا باسم الأشعة تحت الحمراء البعيدة (FIR) ، نطاق انبعاث الذروة في نطاق 3-10 μm. يشير هذا النطاق عمومًا إلى العناصر الخزفية التي تتكون من لفائف سبائك مقاومة للحرارة العالية مدمجة في جسم من السيراميك شديد الانبعاث الصلب أو المجوف. يتم تصنيع بواعث السيراميك في عدد من الأحجام المتوافقة مع معايير الصناعة إما بأسطح مستوية أو منحنية (نمط الحوض الصغير).

يتم تحقيق أطوال موجات انبعاث الذروة الأقصر باستخدام مصادر الانبعاثات ذات درجات حرارة سطح أعلى. تتوفر بواعث على غرار كاسيت الكوارتز في أحجام مماثلة لمعايير الصناعة لتلك التي من السيراميك وتتألف من سلسلة من أنابيب الكوارتز شفافة مدمجة في السكن الصلب المصقول الألومنيوم. يمكن أن تعمل هذه البواعث مع ارتفاع درجة حرارة السطح الأمامي وتنبعث في المدى موجة طويلة إلى متوسطة.

في الطرف الأقصر من المدى الموجي المتوسط ​​، باعث الكوارتز التنغستن الذي يتكون من أنبوب الكوارتز واضح خطي مختومة تحتوي على لفائف التنغستن تصميم نجمة. يوفر ملف التنغستن وقت استجابة سريعًا مع انخفاض معدل القصور الذاتي الحراري.

إن نطاق هالوجين الكوارتز ذو الموجة القصيرة عبارة عن بناء مشابه لتلك التي لدى باعث التنغستن ذو الموجة المتوسطة السريعة باستثناء أن لفائف التنغستن المستديرة مملوءة وأنابيب الكوارتز مملوءة بغاز الهالوجين. ينتج عن ارتفاع درجة حرارة الملف توليد ضوء أبيض وذروة انبعاث طول الموجة في نطاق الموجة القصيرة.

ملاحظات توضيحية على قانون بلانك

يخبرنا قانون بلانك أنه مع زيادة درجة حرارة أي سطح ينبعث منها ، سيتم إطلاق المزيد والمزيد من الطاقة كطاقة تعمل بالأشعة تحت الحمراء. كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم ، زادت كمية طاقة الأشعة تحت الحمراء. بالإضافة إلى كونها أكثر كثافة (قوة) ، تصبح الترددات المنبعثة أوسع ويصبح طول الموجة الذروة أقصر.

في درجات الحرارة المرتفعة للغاية ، وليس فقط الأشعة تحت الحمراء ، سيتم أيضًا إنتاج بعض الضوء المرئي الأقصر الطول الموجي. يشهد هذا لأول مرة على أنه توهج أحمر باهت ، ثم إلى اللون البرتقالي والأصفر والأبيض أخيرًا. يوضح الشكل 1 (أدناه) منحنيات قانون Planck النموذجية لمجموعة من درجات الحرارة المرسومة من 1050 ° C إلى 50 ° C.

يُظهر المنحنى الوردي المقابل لـ 1050 ° C أقوى مخرجات. إنه يُظهر أعلى إنتاج للطاقة وقمة ذروته عند حوالي 2.5 ميكرون. يتبع ذلك منحنى عند 850 ° C حيث الطاقة الذروة أقل من نصف تلك المنتجة في 1150 ° C.

مع انخفاض درجة الحرارة ، تنخفض مستويات الطاقة أيضًا ، وينتقل الطول الموجي لطاقة الطاقة إلى الأطوال الموجية الأطول. لا يمكن رؤية أدنى درجات الحرارة من منحنيات 250 ° C و 100 ° C و 50 ° C في الرسم البياني ، ولكن عندما يتم تكبير الرسم البياني لرؤية منحنيات درجات الحرارة المنخفضة ، يكون هذا التحول إلى الأطوال الموجية الأطول أكثر وضوحًا. ومع ذلك ، فإن كثافة الطاقة تنخفض بشكل كبير.

يظهر هذا في الشكل 2 (أدناه). عند 250 ° C ، يمكن ملاحظة أن المنحنى الأزرق يبلغ ذروته التقريبية ~ ميكرون 6 ، بينما في الطول 100 ° C ، يكون طول الموجة الذروة هو ~ ميكرون 7.5. لاحظ أيضًا أن طول الطول الموجي موزع بشكل أكثر توازناً ولا يظهر الذروة الضيقة المركزة التي تظهر عند درجات حرارة أعلى.

إذا قمنا بتوسيع نفس الرسم البياني مرة أخرى وركزنا فقط على درجات الحرارة المنخفضة كما هو موضح في الشكل 3 (أدناه) ، فإننا نرى أن درجات حرارة 50 ° C و 25 ° C لها أطوال موجية تبلغ ذروتها ~ ميكرون 9 و 10 على التوالي.

تطبيق هذه المعلومات

بصفتك خبراء في مجالنا ، نأمل أن تساعدك صفحات المعلومات هذه على فهم الأشعة تحت الحمراء بشكل أفضل. أهم شيء هو أن تعرف ما هي مادتك وما الذي تريد أن تفعله. يمكننا أن ننصحك بالباقي!