Инфрачервена светлина: Закони за отопление

Основните закони на инфрачервеното отопление

Тъй като инфрачервеното отопление се е развило, така и основната наука, която е в основата на работата на неговия топлопренос, се прилагат три основни закона:

• Закон на Стефан-Болцман: Дава общата мощност, излъчвана при определена температура от ИЧ източник.
• Закон на Планк: Дава спектрално разпределение на радиация от източник на черно тяло - такова, което излъчва 100% лъчение при определена температура.
• Закон на Виен: Следвайки закона на Планк, това предсказва дължината на вълната, при която спектралното разпределение на излъчването от черно тяло е в максимална точка.

Закон на Стефан-Болцман

Законът на Стефан-Болцман се отнася главно до инфрачервената излъчвателна способност. Изчисляване на мощността на излъчване от IR източник въз основа на температурата на повърхността на обекта и заедно с фактора на черното тяло. Перфектното черно тяло има коефициент 1 - с други материали, вариращи в този фактор (вижте таблицата по-долу). Когато допускаме излъчването на нормални материали, законът на Стефан-Болцман става:

В рамките на дефиницията на закона на Кирхоф за топлинното излъчване, за всяко произволно тяло, излъчващо и абсорбиращо топлинно излъчване, излъчвателността е равна на неговата поглъщаемост. Това означава, че излъчващата способност е полезна за определяне колко повърхност ще абсорбира, както и излъчва.

Таблица на излъчване на различни повърхности

Алуминиево полиран 0.09	Месиран полиран 0.03	Бронзово полиран 0.10
Въглерод (сажди от свещи) 0.95	Керамичен (остъклен порцелан) 0.92	Хромиран полиран 0.10
Бетон 0.85	Медно полиран 0.02	Медно окислено 0.65
Стъклопластов кварцов 0.75	Желязо полиран 0.21	Железно ръждясал 0.65
Пластмасова непрозрачна 0.95	Сребро полиран 0.05	Полиран 0.16 от неръждаема стомана
Оксидирана от неръждаема стомана 0.83	вода 0.96

Използването на този закон означава, че сега можем да изчислим нетния топлопренос между две излъчващи повърхности при T1 и T2. Тъй като и двете излъчват, нетният пренос на мощност ще бъде разликата между двата излъчени изхода на мощност.

Закон на Планк

Законът на Планк описва електромагнитното излъчване, излъчвано от черно тяло в термично равновесие при определена температура. Той е кръстен на Макс Планк, немски физик, който го е предложил през 1900 година.

Когато се планира за различни температури на нагревателя (емитер), законът на Планк предвижда:

1. Обхватът на честотите, през които ще се произвежда инфрачервена топлина
2. Излъчващата сила за дадена дължина на вълната

Моля, вижте "Обяснителните бележки за закона на Планк" по-долу.

Закон за изселване на Wien

Законът на Виен е следствие от закона на Планк и предвижда дължината на вълната, при която спектралното разпределение на излъчването от черно тяло е в максимална точка.

Перфектно черно тяло е повърхност, която не отразява нищо и излъчва чисто топлинно излъчване. Графиката на мощността спрямо дължината на вълната за перфектно черно тяло се нарича спектър на черното тяло (вижте диаграмата по-долу). Забележете пунктираната червена линия, образувана, когато свържем максималните точки на всяка крива на температурата при разпределението на Planck и ги свържем.

С повишаването на температурата топлинното излъчване произвежда по-къса дължина на вълната, по-висока енергийна светлина. От графиката по-долу можем да видим как една крушка произвежда определено количество енергия само с малка част от видимия спектър. С увеличаването на температурата и пиковата дължина на вълната става по-кратка, толкова по-голямо е количеството излъчена енергия.

Графиката показва също, че една скала при стайна температура няма да "свети", тъй като кривата за 20 ° C не се простира във видимия спектър. Когато обектите се нагряват, те започват да отделят видима светлина или да светят. При температура 600 ° C светят червено червено. При 1,000 ° C цветът е жълто-оранжев, при 1,500 ° C се превръща в бял.

Два други научни закона информират за практическото приложение на инфрачервената лъчиста топлина - Закон на обратния квадрат намлява Законът за козина на Ламбърт.

Закон на обратния квадрат

Законът за обратния квадрат определя делът на лъчистата енергия между IR източника и неговия обект - че интензитетът на единица площ варира обратно пропорционално на квадрата на това разстояние. На практика обаче Законът за обратния квадрат е по-малко ефективен, когато става въпрос за големи успоредни повърхности, като отопляеми плочи и системи за фурни.

Законът за козина на Ламбърт

Законът на Коссинус на Ламберт позволява изчисляването на интензивността на инфрачервения спектър, когато лъчението не се прилага директно към целевото тяло, а е зададено под ъгъл. Този закон се прилага главно за малки източници, излъчващи на относително голямо разстояние.

Инфрачервените излъчватели, използвани в промишленото отопление, обикновено имат използваема дължина на вълната на пикови емисии в диапазона от 0.75 до 10 μm. В този диапазон има три подразделения, които са дълги, средни и къси вълни.

Излъчвателите с дълги вълни, известни още като далечен инфрачервен (FIR), имат диапазон на пикови емисии в диапазона 3-10 μm. Този обхват най-общо се отнася до керамични елементи, които се състоят от високотемпературна сплав намотка, вградена в твърдо или кухо, конструирано високоемисивно керамично тяло. Керамичните излъчватели се произвеждат в редица стандартни за индустрията размери с плоски или извити (в корито стил) излъчващи повърхности.

По-късите пикови дължини на емисиите се постигат чрез използване на източници на емисии с по-висока повърхностна температура. Кварцовите касетни излъчватели се предлагат в подобни стандартни за индустрията размери като керамичните и се състоят от поредица от полупрозрачни кварцови тръби, вградени в полиран корпус от алуминизирана стомана. Тези излъчватели могат да работят с по-висока температура на предната повърхност и да излъчват в обхвата на дългите до средните вълни.

В по-късия край на средната вълна е разположен кварцовият волфрамов емитер, който се състои от запечатана линейна прозрачна кварцова тръба, съдържаща звезда дизайн волфрамова намотка Волфрамовата намотка осигурява бързо време за реакция с ниска топлинна инерция.

Кварцовият халогенен диапазон с къса вълна е подобен на този на бързо-средно вълновия волфрамов емитер с изключение на това, че се използва кръгла волфрамова намотка и кварцовите тръби се пълнят с халогенен газ. По-високата температура на бобината води до генериране на бяла светлина и дължина на пиковата емисия в пиковите вълни.

Обяснителни бележки за закона на Планк

Законът на Планк ни казва, че с повишаване на температурата на всяка излъчваща се повърхност, все повече и повече енергия ще се отделя като инфрачервена енергия. Колкото по-висока е температурата на обекта, толкова по-голямо количество инфрачервена енергия ще се произвежда. Освен че стават по-интензивни (мощност), излъчваните честоти стават по-широки, а дължината на пиковата вълна става по-къса.

При много високи температури, не само инфрачервена, ще се произвежда и видима светлина с по-къса дължина на вълната. Първо това е свидетелство като тъмно червено сияние, след това до оранжево, жълто и накрая бяло. Фигура 1 (по-долу) показва типичните криви на закона на Планк за диапазон от температури, нанесени от 1050 ° C до 50 ° C.

Розовата крива, съответстваща на 1050 ° C, показва най-силния резултат. Той показва най-високата мощност, а пикът му е около 2.5 микрона. Това е последвано от кривата при 850 ° C, където пиковата енергия е по-малка от половината от тази, получена при 1150 ° C.

С намаляването на температурата нивата на енергия също намаляват и пиковата дължина на вълната на енергия се измества към по-дългите дължини на вълната. Най-ниските температури от кривите 250 ° C, 100 ° C и 50 ° C не могат да се видят в графиката, но когато графиката се разшири, за да се видят кривите на по-ниските температури, това изместване към по-дългите дължини на вълната е по-очевидно. Интензитетът на мощност обаче спада значително.

Това е показано на фигура 2 (по-долу). При 250 ° C може да се види, че синята крива има приблизително пик ~ 6 микрона, докато при 100 ° C дължината на вълната на пика е ~ 7.5 микрона. Обърнете внимание също, че степента на дължина на вълната е разпределена по-равномерно и не показва концентриран тесен пик, наблюдаван при по-високи температури.

Ако отново увеличим същия график и се съсредоточим само върху по-ниските температури, както е показано на фигура 3 (по-долу), виждаме температурите на 50 ° C и 25 ° C да имат пикови дължини на вълната съответно ~ 9 и 10 микрона.

Прилагане на тази информация

Като експерти в нашата област, надяваме се тези страници с информация да ви помогнат да разберете по-добре инфрачервената светлина. Най-важното е да знаете какъв е вашият материал и какво трябва да направите. За останалото можем да ви посъветваме!