Las leyes fundamentales del calentamiento por infrarrojos.
A medida que la calefacción por infrarrojos ha evolucionado, también lo ha hecho la ciencia fundamental que sustenta el funcionamiento de su transferencia de calor, pero se aplican tres leyes principales:
- Ley Stefan-Boltzmann: Da la potencia total radiada a una temperatura específica desde una fuente IR.
- Ley de Planck: Proporciona la distribución espectral de la radiación de una fuente de cuerpo negro, una que emite 100% de radiación a una temperatura específica.
- Ley de Viena: Siguiendo la Ley de Planck, esto predice la longitud de onda a la cual la distribución espectral de la radiación emitida por un cuerpo negro está en un punto máximo.
Ley Steffan-Boltzmann
La ley de Steffan-Boltzmann se relaciona principalmente con la emisividad infrarroja. Cálculo de la radiación de potencia de una fuente de infrarrojos en función de la temperatura de la superficie del objeto y junto con un factor de cuerpo negro. Un cuerpo negro perfecto tiene un factor de 1, con otros materiales que varían en ese factor (consulte la tabla siguiente). Cuando permitimos la emisividad de materiales normales, la ley de Stefan-Boltzmann se convierte en:
Dentro de la definición de la ley de radiación térmica de Kirchhoff, para cualquier cuerpo arbitrario que emita y absorba radiación térmica, la emisividad es igual a su capacidad de absorción. Esto significa que la emisividad es útil para determinar cuánto absorberá y emitirá una superficie.
Tabla de emisividad de varias superficies.
| Aluminio pulido 0.09 | Latón pulido 0.03 | Bronce pulido 0.10 |
| Carbono (hollín de vela) 0.95 | Cerámica (porcelana esmaltada) 0.92 | Cromo pulido 0.10 |
| Hormigón 0.85 | Cobre pulido 0.02 | Cobre oxidado 0.65 |
| Cuarzo fundido de vidrio 0.75 | Hierro pulido 0.21 | Hierro oxidado 0.65 |
| Plástico opaco 0.95 | Plata pulida 0.05 | Acero inoxidable pulido 0.16 |
| Acero inoxidable oxidado 0.83 | 0.96 agua |
El uso de esta ley significa que ahora podemos calcular la transferencia neta de calor entre dos superficies emisoras en T1 y T2. Como ambos emiten, la transferencia de potencia neta será la diferencia entre ambas salidas de potencia emitidas.
Ley de Planck
La ley de Planck describe la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro en equilibrio térmico a una temperatura definida. Lleva el nombre de Max Planck, un físico alemán que lo propuso en 1900.
Cuando se traza para varias temperaturas de calentador (emisor), la ley de Planck predice:
- El rango de frecuencias a través de las cuales se producirá energía de calefacción infrarroja
- El poder emisivo para una longitud de onda dada
Consulte 'Notas explicativas sobre la Ley de Planck' a continuación.
Ley de desplazamiento de Viena
La Ley de Wien es una continuación de la Ley de Planck y predice la longitud de onda a la que la distribución espectral de la radiación emitida por un cuerpo negro está en un punto máximo.
Un cuerpo negro perfecto es una superficie que no refleja nada y emite radiación térmica pura. El gráfico de potencia versus longitud de onda para un cuerpo negro perfecto se llama espectro de cuerpo negro (ver diagrama a continuación). Observe la línea roja punteada que se forma cuando conectamos los puntos máximos de cada curva de temperatura en la distribución de Planck y los conectamos.
A medida que aumenta la temperatura, la radiación térmica produce una longitud de onda más corta y una luz de mayor energía. En el gráfico a continuación, podemos ver cómo una bombilla produce una cierta cantidad de energía con solo una pequeña parte en el espectro visible. A medida que aumenta la temperatura y la longitud de onda máxima se acorta, mayor es la cantidad de energía radiada.
El gráfico también muestra que una roca a temperatura ambiente no 'brillará' ya que la curva para 20 ° C no se extiende hacia el espectro visible. A medida que los objetos se calientan, comienzan a emitir luz visible o brillar. A 600 ° C, los objetos brillan de un rojo apagado. A 1,000 ° C, el color es amarillo-naranja, convirtiéndose en blanco a 1,500 ° C.
Otras dos leyes científicas informan la aplicación práctica del calor radiante infrarrojo: el Ley del cuadrado inverso y Ley del coseno de Lambert.
Ley del cuadrado inverso
La ley del cuadrado inverso define la relación de la energía radiante entre una fuente de infrarrojos y su objeto: que la intensidad por unidad de área varía en proporción inversa al cuadrado de esa distancia. Sin embargo, en la práctica, la ley del cuadrado inverso es menos eficaz cuando se trata de grandes superficies paralelas, como platos calientes y sistemas de hornos.
Ley del coseno de Lambert
La ley del coseno de Lambert permite el cálculo de la intensidad del IR cuando la radiación no se aplica directamente al cuerpo objetivo sino que se fija en un ángulo. Esta ley se aplica principalmente a fuentes pequeñas que irradian a una distancia relativamente grande.
Los emisores de infrarrojos utilizados en la calefacción industrial generalmente tienen una longitud de onda de emisión máxima utilizable en el rango de 0.75 a 10 μm. Dentro de este rango, hay tres subdivisiones que son de onda larga, media y corta.
Los emisores de onda larga, también conocidos como infrarrojo lejano (FIR), tienen un rango de emisión máxima en el rango 3-10 μm. Este rango generalmente se refiere a elementos cerámicos que consisten en una bobina de aleación resistente a altas temperaturas incrustada en un cuerpo cerámico altamente emisivo sólido o hueco. Los emisores de cerámica se fabrican en varios tamaños estándar de la industria con superficies de emisión planas o curvas (estilo de canal).
Longitudes de onda de emisión pico más cortas se logran utilizando fuentes de emisión con temperaturas superficiales más altas. Los emisores de estilo cassette de cuarzo están disponibles en tamaños estándar de la industria similares a los de la cerámica y consisten en una serie de tubos de cuarzo translúcidos integrados en una carcasa de acero aluminizado pulido. Estos emisores pueden operar con una temperatura de superficie frontal más alta y emiten en el rango de onda larga a media.
En el extremo más corto del rango de onda media está el emisor de tungsteno de cuarzo que consiste en un tubo sellado lineal de cuarzo transparente que contiene una bobina de tungsteno con diseño de estrella. La bobina de tungsteno proporciona un tiempo de respuesta rápido con baja inercia térmica.
El rango de halógeno de cuarzo de onda corta tiene una construcción similar a la del emisor de tungsteno de onda media-rápida, con la excepción de que se emplea una bobina de tungsteno redonda y los tubos de cuarzo se llenan con gas halógeno. La temperatura más alta de la bobina da como resultado la generación de luz blanca y una longitud de onda de emisión máxima en el rango de onda corta.
Notas explicativas sobre la ley de Planck
La Ley de Planck nos dice que a medida que aumenta la temperatura de cualquier superficie emisora, se liberará más y más energía como energía infrarroja. Cuanto mayor sea la temperatura del objeto, mayor será la cantidad de energía infrarroja que se producirá. Además de volverse más intenso (potencia), las frecuencias emitidas se amplían y la longitud de onda máxima se acorta.
A temperaturas muy altas, no solo infrarrojas, también se producirá luz visible de longitud de onda más corta. Esto se observa primero como un brillo rojo apagado, luego a naranja, amarillo y finalmente blanco. La figura 1 (a continuación) muestra las curvas típicas de la Ley de Planck para un rango de temperaturas trazadas desde 1050 ° C hasta 50 ° C.
La curva rosa correspondiente a 1050 ° C exhibe la salida más fuerte. Muestra la salida de potencia más alta y su pico es de alrededor de 2.5 micras. Esto es seguido por la curva a 850 ° C donde la energía máxima es menos de la mitad de la producida a 1150 ° C.
A medida que la temperatura disminuye, los niveles de energía también disminuyen, y la longitud de onda de energía pico cambia a las longitudes de onda más largas. Las temperaturas más bajas de las curvas 250 ° C, 100 ° C y 50 ° C no se pueden ver en el gráfico, pero cuando el gráfico se amplía para ver las curvas de temperatura más bajas, este cambio a las longitudes de onda más largas es más evidente. Sin embargo, la intensidad de potencia cae significativamente.
Esto se muestra en la Figura 2 (a continuación). A 250 ° C, se puede ver que la curva azul tiene un pico aproximado ~ 6 micras, mientras que a 100 ° C la longitud de onda máxima es ~ 7.5 micras. Tenga en cuenta también que la extensión de la longitud de onda se distribuye de manera más uniforme y no exhibe el pico estrecho concentrado visto a temperaturas más altas.
Si ampliamos el mismo gráfico nuevamente y nos enfocamos solo en las temperaturas más bajas como se muestra en la Figura 3 (a continuación), vemos que las temperaturas de 50 ° C y 25 ° C tienen longitudes de onda máximas de ~ 9 y 10 micrones respectivamente.
Aplicar esta información
Como expertos en nuestro campo, esperamos que estas páginas de información le ayuden a comprender mejor los infrarrojos. Lo más importante es saber cuál es tu material y qué necesitas que haga tu material. ¡Te podemos asesorar sobre el resto!
Pagina anterior: Aplicación de calor infrarrojo a materiales.
