Infrarød: Lov om opvarmning

De grundlæggende love om infrarød opvarmning

Efterhånden som IR-opvarmning har udviklet sig, er det også den grundlæggende videnskab, der understøtter driften af ​​dens varmeoverførsel, men tre hovedlove gælder:

• Stefan-Boltzmann lov: Giver den samlede effekt, der udstråles ved en bestemt temperatur fra en IR-kilde.
• Plancks lov: Giver den spektrale fordeling af stråling fra en sort krop - en, der udsender 100% stråling ved en bestemt temperatur.
• Wien's lov: I forlængelse af Plancks lov forudsiger dette bølgelængden, hvor den spektrale fordeling af strålingen udsendt af et sort legeme er på et maksimalt punkt.

Steffan-Boltzmann-loven

Steffan-Boltzmann-loven vedrører primært infrarød emissivitet. Beregning af effektstråling fra en IR-kilde baseret på objektets overfladetemperatur og sammen med en sort kropsfaktor. En perfekt sort krop har en faktor på 1 - med andre materialer, der varierer i den faktor (se tabel nedenfor). Når vi tillader udstråling af normale materialer, bliver Stefan-Boltzmann-loven:

Inden for definitionen af ​​Kirchhoffs lov om termisk stråling, for enhver vilkårlig krop, der udsender og absorberer termisk stråling, er emissiviteten lig med dens absorptivitet. Dette betyder, at emissivitet er nyttigt til at bestemme, hvor meget en overflade vil absorbere og udsende.

Tabel over emissioner af forskellige overflader

Aluminium poleret 0.09	Messing poleret 0.03	Bronze poleret 0.10
Kulstof (stearinlys) 0.95	Keramik (glaseret porcelæn) 0.92	Krom poleret 0.10
Beton 0.85	Kobberpoleret 0.02	Kobberoxideret 0.65
Glas smeltet kvarts 0.75	Jernpoleret 0.21	Jern rustet 0.65
Plastisk uigennemsigtig 0.95	Sølvpoleret 0.05	Rustfrit stål poleret 0.16
Rustfrit stål oxideret 0.83	Vand 0.96

Brug af denne lov betyder, at vi nu kan beregne nettovarmeoverførslen mellem to udsendende overflader ved T1 og T2. Da begge udsender, vil nettoeffektoverførslen være forskellen mellem begge udsendte strømudgange.

Plancks lov

Plancks lov beskriver den elektromagnetiske stråling, der udsendes af en sort krop i termisk ligevægt ved en bestemt temperatur. Det er opkaldt efter Max Planck, en tysk fysiker, der foreslog det i 1900.

Når Plancks planlægges til forskellige varmeapparater (emitter) temperaturer, forudsiger Plancks lov:

1. Området med frekvenser, hvorfra infrarød varmeenergi produceres
2. Den udsendende kraft for en given bølgelængde

Se 'Forklarende bemærkninger til Plancks lov' nedenfor.

Wiens forskydningslov

Wiens lov er en følge af Plancks lov og forudsiger bølgelængden, hvor den spektrale fordeling af strålingen udsendt af et sort legeme er på et maksimalt punkt.

En perfekt sort krop er en overflade, der ikke reflekterer noget og udsender ren termisk stråling. Grafen over kraft kontra bølgelængde for en perfekt sort krop kaldes sortkropsspektret (se diagram nedenfor). Bemærk den prikkede røde linje, der er dannet, når vi forbinder de maksimale punkter for hver temperaturkurve ved Plancks distribution og forbinder dem.

Når temperaturen stiger, producerer termisk stråling kortere bølgelængde, højere energi lys. Fra nedenstående graf kan vi se, hvordan en pære producerer en bestemt mængde energi med kun en lille del i det synlige spektrum. Når temperaturen stiger, og den maksimale bølgelængde bliver kortere, jo større er mængden af ​​udstrålet energi.

Grafen viser også, at en sten ved stuetemperatur ikke 'gløder', da kurven for 20 ° C ikke strækker sig ind i det synlige spektrum. Når genstande opvarmes, begynder de at udsende synligt lys eller glød. Ved 600 ° C lyser objekter en kedelig rød. Ved 1,000 ° C er farven gul-orange og bliver til hvid ved 1,500 ° C.

To andre videnskabelige love informerer om den praktiske anvendelse af infrarød strålevarme - Inverse Square Law , Lamberts kosinelov.

Inverse Square Law

Den omvendte firkantlov definerer forholdet mellem strålingsenergi mellem en IR-kilde og dens objekt - at intensiteten pr. Enhedsenhed varierer i omvendt forhold til kvadratet for afstanden. Imidlertid er den inverse firkantlov i praksis mindre effektiv, når det drejer sig om store parallelle overflader, såsom opvarmede plader og ovnsystemer.

Lamberts kosinelov

Lamberts Cosine-lov tillader beregning af IR-intensitet, når strålingen ikke påføres direkte på mållegemet, men er indstillet i en vinkel. Denne lov gælder hovedsageligt for små kilder, der stråler over en relativt stor afstand.

Infrarøde emittere, der bruges til industriel opvarmning, har generelt en brugbar topemissionsbølgelængde i området fra 0.75 til 10 μm. Inden for dette interval er der tre underafsnit, der er lang, mellem og kort bølge.

Langbølgesendere, også kendt som langt infrarød (FIR), har et topemissionsområde i 3-10 μm området. Dette område henviser generelt til keramiske elementer, der består af en legeringsspole med høj temperaturbestandighed indlejret i enten et fast eller hult konstrueret meget emissivt keramisk legeme. Keramiske emittere er fremstillet i en række industristandardstørrelser med enten flade eller buede (lavformede) emitterende overflader.

Kortere top-emission bølgelængder opnås ved at bruge emissionskilder med højere overfladetemperaturer. Emittere af quartz-kassettestil fås i lignende industristandardstørrelser som keramik og består af en række gennemskinnelige kvartsrør indbygget i et poleret, aluminiumiseret stålhus. Disse udsendere kan arbejde med højere frontoverfladetemperatur og udsender i det lange til mellembølgende område.

I den kortere ende af mediumbølgeområdet er kvarts-wolframemitteren, der består af et forseglet, lineært klart kvartsrør, der indeholder en stjerne-design wolframspole. Wolframspolen giver en hurtig responstid med lav termisk inerti.

Kortbølgekvartshalogenområdet har en lignende konstruktion som det for den mellemstore bølge-wolframemitter med undtagelse af, at der anvendes en rund wolframspole, og kvartsrør fyldes med halogengas. Den højere spoletemperatur resulterer i frembringelse af hvidt lys og en maksimal emission bølgelængde i kortbølgerområdet.

Forklarende bemærkninger til Plancks lov

Plancks lov fortæller os, at når temperaturen på enhver udsendt overflade stiger, vil mere og mere energi frigives som infrarød energi. Jo højere objektets temperatur, desto større produceres mængden af ​​infrarød energi. Ud over at blive mere intens (kraft) bliver de udsendte frekvenser bredere, og den maksimale bølgelængde bliver kortere.

Ved meget høje temperaturer, ikke kun infrarødt, frembringes også synligt lys med bølgelængde. Dette betragtes først som en kedelig rød glød, derefter til orange, gul og til sidst hvid. Figur 1 (nedenfor) viser typiske Plancks lovkurver for et interval af temperaturer afbildet fra 1050 ° C til 50 ° C.

Den lyserøde kurve svarende til 1050 ° C udviser den stærkeste effekt. Det viser den højeste effekt, og dens top er på omkring 2.5 mikron. Dette efterfølges af kurven ved 850 ° C, hvor spidsenergien er mindre end halvdelen af ​​den, der produceres ved 1150 ° C.

Når temperaturen falder, falder energiniveauet også, og den maksimale energibølgelængde skifter til de længere bølgelængder. De laveste temperaturer fra 250 ° C, 100 ° C og 50 ° C kurver kan ikke ses i grafen, men når grafen er forstørret for at se kurverne med lavere temperatur, er dette skift til de længere bølgelængder mere synligt. Effektintensiteten falder dog markant.

Dette er vist i figur 2 (nedenfor). Ved 250 ° C kan det ses, at den blå kurve har en omtrentlig top ~ 6 mikron, medens den maksimale bølgelængde ved 100 ° C er ~ 7.5 mikron. Bemærk også, at bølgelængden er mere jævnt fordelt og ikke udviser den koncentrerede smalle top set ved højere temperaturer.

Hvis vi forstørrer den samme graf igen og kun fokuserer på de lavere temperaturer som vist i figur 3 (nedenfor), ser vi temperaturer på 50 ° C og 25 ° C har spidsbølgelængder på henholdsvis ~ 9 og 10 mikron.

Anvendelse af disse oplysninger

Som eksperter inden for vores område håber vi, at disse sider med information hjælper dig med at forstå infrarød bedre. Det vigtigste er at vide, hvad dit materiale er, og hvad du har brug for, at dit materiale skal gøre. Vi kan rådgive dig om resten!