Υπέρυθρες: Νόμοι θέρμανσης

Οι θεμελιώδεις νόμοι υπέρυθρης θέρμανσης

Καθώς η θέρμανση του IR έχει εξελιχθεί, έτσι και η θεμελιώδης επιστήμη στηρίζει τη λειτουργία της μεταφοράς θερμότητας, αλλά ισχύουν τρεις βασικοί νόμοι:

• Νόμος Stefan-Boltzmann: Δίνει τη συνολική ισχύ που ακτινοβολείται σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία από μια πηγή IR.
• Νόμος του Πλανκ: Δίνει τη φασματική κατανομή της ακτινοβολίας από μια πηγή μαύρου σώματος - μία που εκπέμπει ακτινοβολία 100% σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία.
• Νόμος του Βιέν: Μετά από τον νόμο του Planck, αυτό προβλέπει το μήκος κύματος στο οποίο η φασματική κατανομή της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ένα μαύρο σώμα είναι σε ένα μέγιστο σημείο.

Νόμος Steffan-Boltzmann

Ο νόμος Steffan-Boltzmann αφορά κυρίως την υπέρυθρη εκπομπή. Υπολογισμός της ακτινοβολίας ισχύος από μια πηγή IR με βάση τη θερμοκρασία της επιφάνειας του αντικειμένου και μαζί με έναν μαύρο παράγοντα σώματος. Ένα τέλειο μαύρο σώμα έχει συντελεστή 1 - με άλλα υλικά να διαφέρουν σε αυτόν τον παράγοντα (βλ. Παρακάτω πίνακα). Όταν επιτρέπουμε την εκπομπή κανονικών υλικών, ο νόμος Stefan-Boltzmann γίνεται:

Στο πλαίσιο του ορισμού του νόμου της Kirchhoff για θερμική ακτινοβολία, για κάθε αυθαίρετο σώμα που εκπέμπει και απορροφά τη θερμική ακτινοβολία, η ικανότητα εκπομπής είναι ίση με την απορροφητικότητά του. Αυτό σημαίνει ότι η ικανότητα εκπομπής είναι χρήσιμη για να καθορίσετε πόσο μια επιφάνεια απορροφά καθώς και εκπέμπει.

Πίνακας εκπομπής διαφόρων επιφανειών

Αλουμινίου γυαλισμένο 0.09	Ορειχάλκινο γυαλισμένο 0.03	Χάλκινο γυαλισμένο 0.10
Carbon (αιθάλη κεριού) 0.95	Κεραμικό (τζάμι πορσελάνη) 0.92	Χρώμιο γυαλισμένο 0.10
Σκυρόδεμα 0.85	Χάλκινο γυαλισμένο 0.02	Οξειδωμένο με χαλκό 0.65
Γυάλινο λιωμένο χαλαζία 0.75	Σίδηρος γυαλισμένο 0.21	Ο σίδηρος σκουριασμένος 0.65
Πλαστικό αδιαφανές 0.95	Ασημί γυαλισμένο 0.05	Ανοξείδωτο χάλυβα γυαλισμένο 0.16
Οξειδωμένο από ανοξείδωτο χάλυβα 0.83	νερό 0.96

Η χρήση αυτού του νόμου σημαίνει ότι τώρα μπορούμε να υπολογίσουμε την καθαρή μεταφορά θερμότητας μεταξύ δύο επιφανειών εκπομπής σε T1 και T2. Καθώς και οι δύο εκπέμπουν, η καθαρή μεταφορά ισχύος θα είναι η διαφορά μεταξύ των δύο εκπεμπόμενων εξόδων ισχύος.

Νόμος του Πλανκ

Ο νόμος του Planck περιγράφει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα μαύρο σώμα σε θερμική ισορροπία σε μια καθορισμένη θερμοκρασία. Ονομάστηκε από τον Max Planck, έναν Γερμανό φυσικό που το πρότεινε το 1900.

Όταν σχεδιάζονται για διάφορες θερμοκρασίες (εκπομπού), ο νόμος του Planck προβλέπει:

1. Το φάσμα των συχνοτήτων κατά τις οποίες παράγεται η υπέρυθρη ενέργεια θέρμανσης
2. Η εκπεμπόμενη ισχύς για ένα δεδομένο μήκος κύματος

Ανατρέξτε στην ενότητα "Επεξηγηματικές σημειώσεις για τον νόμο του Planck" παρακάτω.

Νόμος περί εκτοπισμού του Βιέν

Ο νόμος του Wien ακολουθεί τον νόμο του Planck και προβλέπει το μήκος κύματος στο οποίο η φασματική κατανομή της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ένα μαύρο σώμα είναι στο μέγιστο σημείο.

Ένα τέλειο μαύρο σώμα είναι μια επιφάνεια που δεν αντανακλά τίποτα και εκπέμπει καθαρή θερμική ακτινοβολία. Το γράφημα της ισχύος έναντι του μήκους κύματος για ένα τέλειο μαύρο σώμα ονομάζεται φάσμα μαύρου σώματος (βλ. Διάγραμμα παρακάτω). Παρατηρήστε τη διακεκομμένη κόκκινη γραμμή που σχηματίζεται όταν συνδέουμε τα μέγιστα σημεία κάθε καμπύλης θερμοκρασίας στη διανομή του Planck και τα συνδέουμε.

Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, η θερμική ακτινοβολία παράγει μικρότερο μήκος κύματος, υψηλότερο φωτισμό ενέργειας. Από το παρακάτω γράφημα μπορούμε να δούμε πώς ένας λαμπτήρας παράγει μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας με ένα μικρό μόνο μέρος στο ορατό φάσμα. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται και το μέγιστο μήκος κύματος γίνεται μικρότερο, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα της ακτινοβολούμενης ενέργειας.

Το γράφημα δείχνει επίσης ότι ένας βράχος σε θερμοκρασία δωματίου δεν θα «λάμψει» καθώς η καμπύλη για το 20 ° C δεν εκτείνεται στο ορατό φάσμα. Καθώς τα αντικείμενα θερμαίνονται, αρχίζουν να εκπέμπουν ορατό φως ή λάμψη. Στα αντικείμενα 600 ° C αναβοσβήνει ένα θαμπό κόκκινο χρώμα. Στο 1,000 ° C, το χρώμα είναι κίτρινο-πορτοκαλί, στρέφοντας το λευκό σε 1,500 ° C.

Δύο άλλοι επιστημονικοί νόμοι ενημερώνουν την πρακτική εφαρμογή της υπέρυθρης ακτινοβολίας θερμότητας - το Αντίστροφος τετραγωνικός νόμος και Ο νόμος Cosine του Lambert.

Αντίστροφος τετραγωνικός νόμος

Ο νόμος του αντίστροφου τετραγώνου ορίζει τη σχέση της ακτινοβολίας ενέργειας μεταξύ μιας πηγής υπερύθρων και του αντικειμένου της - ότι η ένταση ανά μονάδα επιφάνειας ποικίλλει σε αντίστροφη αναλογία προς το τετράγωνο αυτής της απόστασης. Ωστόσο, στην πράξη, ο αντίστροφος τετραγωνικός νόμος είναι λιγότερο αποτελεσματικός όταν αφορά μεγάλες παράλληλες επιφάνειες, όπως θερμαινόμενες πλάκες και συστήματα φούρνων.

Ο νόμος Cosine του Lambert

Το Lambert's Cosine Law επιτρέπει τον υπολογισμό της έντασης IR όταν η ακτινοβολία δεν εφαρμόζεται απευθείας στο σώμα στόχου αλλά ρυθμίζεται υπό γωνία. Ο νόμος αυτός ισχύει κυρίως για μικρές πηγές που εκπέμπουν σε σχετικά μεγάλη απόσταση.

Οι υπέρυθροιι εκπομποί που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανική θέρμανση έχουν γενικά ένα χρησιμοποιήσιμο μέγιστο μήκος εκπομπής κύματος στην κλίμακα 0.75 έως 10 μm. Μέσα σε αυτό το εύρος, υπάρχουν τρεις υποδιαιρέσεις οι οποίες είναι μακρές, μεσαίες και βραχείες.

Οι μεγάλοι πομποί, επίσης γνωστοί ως υπέρυθρες υπέρυθρες (FIR), έχουν μέγιστη περιοχή εκπομπών στην κλίμακα 3-10 μm. Αυτό το εύρος γενικά αναφέρεται σε κεραμικά στοιχεία που αποτελούνται από πηνίο κράματος ανθεκτικότητας υψηλής θερμοκρασίας ενσωματωμένο είτε σε ένα στερεό είτε σε ένα κοίλο κατασκευασμένο υψηλής εκπομπής κεραμικό σώμα. Οι κεραμικοί εκπομποί κατασκευάζονται σε διάφορα βιομηχανικά τυποποιημένα μεγέθη είτε με επίπεδες είτε με καμπύλες επιφάνειες εκπομπής.

Τα βραχύτερα μήκη κύματος εκπομπής κορυφών επιτυγχάνονται με τη χρήση πηγών εκπομπής με υψηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες. Οι πομποί τύπου κασέτας Quartz είναι διαθέσιμοι σε παρόμοια βιομηχανικά μεγέθη με εκείνα της κεραμικής και αποτελούνται από μια σειρά ημιδιαφανών σωλήνων χαλαζία ενσωματωμένων σε ένα γυαλισμένο περίβλημα από αργίλιο. Οι εκπομποί αυτοί μπορούν να λειτουργούν με υψηλότερη θερμοκρασία μπροστινής επιφάνειας και να εκπέμπουν στην περιοχή μακρών έως μεσαίων κυμάτων.

Στο κοντύτερο τέλος του εύρους μεσαίου κύματος είναι ο εκπομπός βολφραμίου χαλαζία που αποτελείται από ένα σφραγισμένο γραμμικό διαυγές σωλήνα χαλαζία που περιέχει ένα σπείρα βολφραμίου σχεδιασμού αστέρι. Το πηνίο βολφραμίου παρέχει ένα γρήγορο χρόνο απόκρισης με χαμηλή θερμική αδράνεια.

Η κλίμακα αλογόνου χαλαζίας βραχέων κυμάτων έχει παρόμοια κατασκευή με εκείνη του εκπομπού βολφραμίου ταχείας μεσαίας κύματος με την εξαίρεση ότι χρησιμοποιείται σπειροειδές πηνίο βολφραμίου και οι σωλήνες χαλαζία γεμίζουν με αέριο αλογόνου. Η υψηλότερη θερμοκρασία του πηνίου έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία λευκού φωτός και ένα μέγιστο μήκος κύματος εκπομπής στην περιοχή βραχέων κυμάτων.

Επεξηγηματικές σημειώσεις για το νόμο του Planck

Ο νόμος του Planck μας λέει ότι καθώς η θερμοκρασία οποιασδήποτε επιφάνειας εκπομπής αυξάνεται, όλο και περισσότερη ενέργεια θα απελευθερωθεί ως υπέρυθρη ενέργεια. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του αντικειμένου, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα της υπέρυθρης ενέργειας που παράγεται. Εκτός από την αύξηση της έντασης (ισχύς), οι εκπεμπόμενες συχνότητες γίνονται ευρύτερες και το μέγιστο μήκος κύματος γίνεται μικρότερο.

Σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, όχι μόνο σε υπέρυθρες ακτίνες, παράγεται επίσης μικρότερο ορατό φως μήκους κύματος. Αυτό γίνεται για πρώτη φορά ως μουντή κόκκινη λάμψη, στη συνέχεια σε πορτοκαλί, κίτρινο και τελικά λευκό. Το σχήμα 1 (παρακάτω) δείχνει τις τυπικές καμπύλες του νόμου Planck για μια σειρά θερμοκρασιών που σχεδιάστηκαν από 1050 ° C έως 50 ° C.

Η ροζ καμπύλη που αντιστοιχεί στο 1050 ° C εμφανίζει την ισχυρότερη απόδοση. Δείχνει την υψηλότερη ισχύ εξόδου και η κορυφή της είναι γύρω στα 2.5 microns. Αυτό ακολουθείται από την καμπύλη στο 850 ° C όπου η ενέργεια κορυφής είναι μικρότερη από το μισό της παραγόμενης σε 1150 ° C.

Καθώς μειώνεται η θερμοκρασία, τα επίπεδα ενέργειας πέφτουν και το μέγιστο μήκος κύματος ενέργειας μετατοπίζεται στα μεγαλύτερα μήκη κύματος. Οι κατώτερες θερμοκρασίες από τις καμπύλες 250 ° C, 100 ° C και 50 ° C δεν εμφανίζονται στο γράφημα, αλλά όταν το γράφημα μεγεθύνεται για να δείτε τις καμπύλες χαμηλότερης θερμοκρασίας, αυτή η μετατόπιση στα μεγαλύτερα μήκη κύματος είναι πιο εμφανής. Ωστόσο, η ένταση ισχύος πέφτει σημαντικά.

Αυτό φαίνεται στο σχήμα 2 (παρακάτω). Στο 250 ° C, η μπλε καμπύλη μπορεί να φανεί ότι έχει περίπου κορυφή ~ 6 microns, ενώ στους 100 ° C το μέγιστο μήκος κύματος είναι ~ 7.5 microns. Σημειώστε επίσης ότι η έκταση του μήκους κύματος είναι πιο ομοιόμορφα κατανεμημένη και δεν παρουσιάζει τη συμπυκνωμένη στενή κορυφή που παρατηρείται σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Εάν μεγεθύνουμε ξανά το ίδιο γράφημα και εστιάσουμε μόνο στις χαμηλότερες θερμοκρασίες, όπως φαίνεται στο σχήμα 3 (παρακάτω), βλέπουμε θερμοκρασίες 50 ° C και 25 ° C να έχουν μέγιστα μήκη κύματος ~ microns 9 και 10 αντίστοιχα.

Εφαρμογή αυτών των πληροφοριών

Ως ειδικοί στον τομέα μας, ελπίζουμε ότι αυτές οι σελίδες πληροφοριών θα σας βοηθήσουν να κατανοήσετε καλύτερα τις υπέρυθρες ακτίνες. Το πιο σημαντικό είναι να γνωρίζετε τι είναι το υλικό σας και τι χρειάζεστε για να κάνετε το υλικό σας. Μπορούμε να σας συμβουλεύσουμε για τα υπόλοιπα!