Infračervené: Zákony vytápění

Základní zákony infračerveného vytápění

Jak se infračervené topení vyvíjelo, tak má základní věda, která podporuje fungování jeho přenosu tepla, ale platí tři hlavní zákony:

• Stefan-Boltzmann zákon: Udává celkový výkon vyzařovaný při specifické teplotě ze zdroje IR.
• Planckův zákon: Poskytuje spektrální distribuci záření ze zdroje černého těla - zdroje, které emituje záření 100% při specifické teplotě.
• Vídeňský zákon: Podle Planckova zákona to předpovídá vlnovou délku, při které je spektrální distribuce záření emitovaného černým tělem v maximálním bodě.

Steffan-Boltzmannův zákon

Steffan-Boltzmannův zákon se týká především infračervené emisivity. Výpočet energetického záření ze zdroje infračerveného záření na základě teploty povrchu objektu a společně s faktorem černého tělesa. Dokonalé černé tělo má faktor 1 - u jiných materiálů se tento faktor liší (viz tabulka níže). Když připustíme emisivitu normálních materiálů, stane se Stefan-Boltzmannův zákon:

V rámci definice Kirchhoffova zákona o tepelném záření je pro jakékoli libovolné tělo, které emituje a absorbuje tepelné záření, emisivita rovna jeho absorpčnosti. To znamená, že emisivita je užitečná pro stanovení toho, jak moc povrch absorbuje a emituje.

Tabulka emisivity různých povrchů

Hliník leštěný 0.09	Mosaz leštěná 0.03	Bronz leštěný 0.10
Uhlík (svíčka) 0.95	Keramický (glazovaný porcelán) 0.92	0.10 leštěný chromem
Beton 0.85	Měděné leštěné 0.02	0.65 oxidovaný mědí
Skleněný tavený křemen 0.75	0.21 leštěné železem	Železo zrezivělo 0.65
Plastový neprůhledný 0.95	Stříbrně leštěný 0.05	Nerezová ocel leštěná 0.16
0.83 z oxidované nerezové oceli	Voda 0.96

Pomocí tohoto zákona můžeme nyní vypočítat čistý přenos tepla mezi dvěma emisními povrchy v T1 a T2. Jak oba emise vysílají, bude čistý přenos energie rozdílem mezi oběma vydávanými výkonovými výstupy.

Planckův zákon

Planckův zákon popisuje elektromagnetické záření vyzařované černým tělesem v tepelné rovnováze při určité teplotě. Je pojmenována podle Maxe Plancka, německého fyzika, který ji navrhl v roce 1900.

Když se plánuje pro různé teploty ohřívače (emitoru), Planckův zákon předpovídá:

1. Rozsah frekvencí, v nichž bude vyráběna infračervená topná energie
2. Emisní síla pro danou vlnovou délku

Viz níže vysvětlivky k Planckovu zákonu.

Vídeňský zákon o vysídlení

Wienův zákon navazuje na Planckův zákon a předpovídá vlnovou délku, při které je spektrální distribuce záření emitovaného černým tělem v maximálním bodě.

Dokonalé černé tělo je povrch, který nic neodráží a vydává čisté tepelné záření. Graf síly versus vlnová délka pro dokonalé černé tělo se nazývá spektrum černého těla (viz obrázek níže). Všimněte si tečkované červené čáry vytvořené, když spojíme maximální body každé teplotní křivky v Planckově rozdělení a spojíme je.

Jak teplota stoupá, tepelné záření produkuje kratší vlnovou délku, světlo s vyšší energií. Z níže uvedeného grafu vidíme, jak žárovka produkuje určité množství energie, pouze s malou částí ve viditelném spektru. Jak se teplota zvyšuje a maximální vlnová délka se zkracuje, tím větší je množství vyzařované energie.

Graf také ukazuje, že hornina při pokojové teplotě nebude „žhnout“, protože křivka pro 20 ° C se nerozšiřuje do viditelného spektra. Když se předměty zahřívají, začnou vydávat viditelné světlo nebo záře. Při teplotě 600 ° C svítí matně červená barva. Při 1,000 ° C je barva žlutooranžová, při 1,500 ° C zbarvená na bílou.

O praktickém použití infračerveného sálavého tepla informují dva další vědecké zákony - zákon č Inverzní čtvercový zákon a Lambertův Kosinův zákon.

Inverzní čtvercový zákon

Zákon inverzního čtverce definuje vztah radiační energie mezi zdrojem infračerveného záření a jeho objektem - že intenzita na jednotku plochy se mění v inverzním poměru k čtverci této vzdálenosti. V praxi je však zákon o inverzním čtverci méně účinný, pokud jde o velké paralelní povrchy, jako jsou vyhřívané desky a systémy pecí.

Lambertův Kosinův zákon

Lambertův kosinový zákon umožňuje výpočet intenzity IR, když záření není aplikováno přímo na cílové tělo, ale je nastaveno pod úhlem. Tento zákon se vztahuje hlavně na malé zdroje vyzařující na relativně velkou vzdálenost.

Infračervené zářiče používané v průmyslovém vytápění mají obecně použitelnou špičkovou vlnovou délku v rozmezí 0.75 až 10 μm. V tomto rozmezí jsou tři dílčí oblasti, které jsou dlouhé, střední a krátké vlny.

Vysílače dlouhých vln, známé také jako daleko infračervené (FIR), mají špičkový emisní rozsah v rozsahu 3-10 μm. Tento rozsah se obecně týká keramických prvků, které sestávají z vysokoteplotní odporové cívky vložené do pevného nebo dutého konstrukčního vysoce emisního keramického tělesa. Keramické zářiče se vyrábějí v řadě průmyslových standardních velikostí s plochými nebo zakřivenými povrchy emitujícími žlaby.

Kratší maximální emisní vlnové délky jsou dosaženy použitím zdrojů emisí s vyššími povrchovými teplotami. Emulátory křemenného typu jsou k dispozici v podobných průmyslových standardních velikostech jako keramika a sestávají z řady průsvitných křemenných trubek zabudovaných do leštěného hliníkového ocelového pouzdra. Tyto zářiče mohou pracovat s vyšší teplotou předního povrchu a emitovat v rozsahu dlouhých až středních vln.

Na kratším konci rozsahu středních vln je křemičitý wolframový emitor, který se skládá z uzavřené lineární čiré křemenné trubice obsahující hvězdicovou wolframovou cívku. Wolframová cívka poskytuje rychlou dobu odezvy s nízkou tepelnou setrvačností.

Struktura halogenového křemíku s krátkou vlnou má podobnou konstrukci jako u emitoru wolframu s rychlou střední vlnou, s tou výjimkou, že je použita kulatá wolframová cívka a křemenné trubice jsou naplněny halogenovým plynem. Vyšší teplota cívky má za následek generování bílého světla a maximální emisní vlnovou délku v rozsahu krátkých vln.

Vysvětlivky k Planckovu zákonu

Planckův zákon nám říká, že jak se teplota jakéhokoli emitujícího povrchu zvyšuje, bude stále více energie uvolňováno jako infračervená energie. Čím vyšší je teplota objektu, tím větší bude množství infračervené energie. Rovněž intenzivnější (síla) vysílaných frekvencí se rozšiřuje a maximální vlnová délka se zkracuje.

Při velmi vysokých teplotách, nejen infračerveném, bude také produkováno viditelné světlo o kratších vlnových délkách. To je nejprve svědkem matně červené záře, poté oranžové, žluté a nakonec bílé. Obrázek 1 (níže) ukazuje typické Planckovy zákonové křivky pro rozsah teplot vynesených od 1050 ° C do 50 ° C.

Nejsilnější výstup vykazuje růžová křivka odpovídající 1050 ° C. Ukazuje nejvyšší výkon a jeho vrchol je kolem 2.5 mikronů. Následuje křivka při 850 ° C, kde je maximální energie menší než polovina energie produkované při 1150 ° C.

S poklesem teploty klesají také energetické hladiny a maximální vlnová délka energie se posune na delší vlnové délky. Nejnižší teploty z křivek 250 ° C, 100 ° C a 50 ° C nelze v grafu vidět, ale když se graf zvětší, aby se zobrazily křivky nižších teplot, je tento posun k delším vlnovým délkám patrnější. Intenzita výkonu však výrazně klesá.

To je znázorněno na obrázku 2 (níže). Při 250 ° C je vidět, že modrá křivka má přibližný pík ~ 6 mikronů, zatímco při 100 ° C je maximální vlnová délka ~ 7.5 mikronů. Všimněte si také, že rozsah vlnové délky je rovnoměrněji rozložen a nevykazuje koncentrovaný úzký vrchol pozorovaný při vyšších teplotách.

Pokud znovu zvětšíme stejný graf a soustředíme se pouze na nižší teploty, jak je znázorněno na obrázku 3 (níže), vidíme, že teploty 50 ° C a 25 ° C mají vrcholové vlnové délky ~ 9 a 10 mikrony.

Uplatnění těchto informací

Jako odborníci v našem oboru doufáme, že vám tyto stránky s informacemi pomohou lépe porozumět infračervenému záření. Nejdůležitější je vědět, jaký je váš materiál a co musíte udělat. O ostatních vám můžeme poradit!