Infrapuna: Lämmityslait

Infrapunalämmityksen peruslait

Kun IR-lämmitys on kehittynyt, niin on myös perustiede, joka perustuu lämmönsiirron toimintaan, mutta sovelletaan kolmea päälakia:

• Stefan-Boltzmann -laki: Antaa tietyn lämpötilan säteilylähteestä säteilytetyn kokonaistehon.
• Planckin laki: Antaa mustan kehon lähteen säteilyn spektrijakauman - sellaisen, joka emittoi 100% säteilyä tietyssä lämpötilassa.
• Wienin laki: Planckin lain perusteella tämä ennustaa aallonpituuden, jolla mustan kappaleen lähettämän säteilyn spektrijakauma on maksimipisteessä.

Steffan-Boltzmann -laki

Steffan-Boltzmann-laki liittyy ensisijaisesti infrapunasäteilyyn. IR-lähteen tehosäteilyn laskeminen kohteen pinta-alan lämpötilan ja mustan kehon tekijän perusteella. Täydellisen mustan rungon kerroin on 1 - kun muut materiaalit vaihtelevat siinä (katso alla oleva taulukko). Kun sallimme normaalien materiaalien emissiivisyyden, Stefan-Boltzmannin laista tulee:

Kirchhoffin lämpösäteilylain määritelmän mukaan minkä tahansa mielivaltaisen kappaleen, joka säteilee ja absorboi lämpöä, säteilyteho on yhtä suuri kuin sen absorptiokyky. Tämä tarkoittaa, että säteilykyky on hyödyllinen määritettäessä, kuinka paljon pinta imee ja emittoi.

Taulukko erilaisten pintojen säteilykyvystä

Alumiinilla kiillotettu 0.09	Messinki kiillotettu 0.03	Pronssikiillotettu 0.10
Hiili (kynttilä noki) 0.95	Keraaminen (lasitettu posliini) 0.92	Kromi kiillotettu 0.10
Betoni 0.85	Kuparikiillotettu 0.02	Kupari hapettunut 0.65
Lasisulatettu kvartsi 0.75	Rauta kiillotettu 0.21	Rauta ruostunut 0.65
Muovi läpinäkymätön 0.95	Hopea kiillotettu 0.05	Ruostumattomasta teräksestä kiillotettu 0.16
Ruostumaton teräs hapettunut 0.83	Vesi 0.96

Tämän lain käyttäminen tarkoittaa, että voimme nyt laskea nettolämmönsiirron kahden säteilevän pinnan välillä T1: ssä ja T2: ssä. Koska molemmat säteilevät, nettovirransiirto on ero molempien lähetettyjen tehonlähtöjen välillä.

Planckin laki

Planckin laki kuvaa sähkömagneettista säteilyä, jonka musta runko tuottaa lämpö tasapainossa määrätyssä lämpötilassa. Se on nimetty saksalaisen fyysikon Max Planckin mukaan, joka ehdotti sitä vuonna 1900.

Planckin laki ennustaa eri lämmittimien (päästöjen) lämpötilojen mukaan:

1. Taajuusalue, jolla infrapunalämmitysenergiaa tuotetaan
2. Emissiovoima tietylle aallonpituudelle

Katso jäljempänä 'selittäviä huomautuksia Planckin laista'.

Wienin siirtolaki

Wienin laki on jatkoa Planckin lakiin ja ennustaa aallonpituuden, jolla mustan kappaleen lähettämän säteilyn spektrijakauma on maksimipisteessä.

Täydellinen musta ruumis on pinta, joka ei heijasta mitään ja emittoi puhdasta lämpöä. Täydellisen mustan rungon tehon ja aallonpituuden suhdetta kuvaavaa kuvaajaa kutsutaan mustan rungon spektriksi (katso alla oleva kaavio). Huomaa punainen katkoviiva, joka muodostuu, kun yhdistämme kunkin lämpötilakäyrän maksimipisteet Planckin jakaumassa ja yhdistämme ne.

Lämpötilan noustessa lämpö säteily tuottaa lyhyemmän aallonpituuden, korkeamman energian valoa. Oheisesta kaaviosta voimme nähdä kuinka lamppu tuottaa tietyn määrän energiaa ja vain pieni osa näkyvässä spektrissä. Mitä lämpötila nousee ja huipun aallonpituus lyhenee, sitä suurempi säteilyenergian määrä on.

Kaavio osoittaa myös, että kivi huoneenlämpötilassa ei 'hehku', koska 20 ° C-käyrä ei ulotu näkyvään spektriin. Kun esineet kuumenevat, ne alkavat antaa näkyvää valoa tai hehkua. 600 ° C: n lämpötilassa esineet hehkuvat tylsäksi punaiseksi. 1,000 ° C: ssa väri on keltaoranssia, muuttuen valkoiseksi 1,500 ° C: ssa.

Kaksi muuta tieteellistä lakia kertoo infrapunasäteilyn käytännön soveltamisesta - Käänteinen neliölaki ja Lambertin kosinuslaki.

Käänteinen neliölaki

Käänteisen neliön laissa määritetään säteilyn energian suhde IR-lähteen ja sen kohteen välillä - että intensiteetti pinta-alayksikköä kohden vaihtelee käänteisessä suhteessa kyseisen etäisyyden neliöön. Käytännössä käänteisen neliön laki on kuitenkin vähemmän tehokas, kun kyse on suurista yhdensuuntaisista pinnoista, kuten lämmitetyistä levyistä ja uunijärjestelmistä.

Lambertin kosinuslaki

Lambertin kosinilaki sallii IR-intensiteetin laskemisen, kun säteilyä ei kohdistu suoraan kohdekappaleeseen, vaan se asetetaan kulmaan. Tätä lakia sovelletaan pääasiassa pieniin lähteisiin, jotka säteilevät suhteellisen suurella etäisyydellä.

Teollisuuden lämmityksessä käytettävien infrapunasäteilijöiden yleinen emissioaallonpituus on yleensä alueella 0.75 - 10 μm. Tällä alueella on kolme alajakoa, jotka ovat pitkä, keskimääräinen ja lyhyt aalto.

Pitkän aallon säteilevien säteilylaitteiden, tunnetaan myös nimellä kauko-infrapuna (FIR), säteilyhuipun huippuväli on 3-10 μm. Tämä alue viittaa yleensä keraamisiin elementteihin, jotka koostuvat korkean lämpötilan kestävästä seoskelasta, joka on upotettu joko kiinteään tai onttoon rakennettuun erittäin säteilevään keraamiseen kappaleeseen. Keraamisia säteilijöitä valmistetaan useissa teollisuusstandardikokoissa, joissa on joko tasaiset tai kaarevat (kourutyyppiset) säteilypinnat.

Lyhyemmät päästöaallonpituudet saavutetaan käyttämällä päästölähteitä, joiden pintalämpötilat ovat korkeammat. Kvartsi-kasetityyppisiä säteilijöitä on saatavana teollisuuden standardikokoisina kuin keraamisia ja ne koostuvat sarjasta läpikuultavia kvartsiputkia, jotka on rakennettu kiillotettuun alumiiniteräsrunkoon. Nämä säteilijät voivat toimia korkeammalla etupinnan lämpötilalla ja säteillä pitkän ja keskimääräisen aallon alueella.

Keskiaaltoalueen lyhyemmässä päässä on kvartsivolframin emitteri, joka koostuu suljetusta lineaarisesta kirkkaasta kvartsiputkesta, joka sisältää tähtimuotoisen volframikäämin. Volframikäämi tarjoaa nopean vasteajan alhaisella lämpöhitaalla.

Lyhytaaltoinen kvartsihalogeenialue on rakenteeltaan samanlainen kuin nopean keskiaallon volframit emitterillä, paitsi että käytetään pyöreää volframikäämiä ja kvartsiputket täytetään halogeenikaasulla. Korkeampi kelan lämpötila tuottaa valkoista valoa ja huippunopeuden aallonpituuden lyhyellä aaltoalueella.

Selittävät huomautukset Planckin laista

Planckin laki kertoo meille, että minkä tahansa säteilevän pinnan lämpötilan noustessa, enemmän ja enemmän energiaa vapautuu infrapunaenergiana. Mitä korkeampi esineen lämpötila, sitä suurempi infrapunaenergian määrä tuotetaan. Sen lisäksi, että emittoidut taajuudet kasvavat voimakkaammiksi (tehonalaiseksi), ne myös laajenevat ja huipun aallonpituus lyhenee.

Hyvin korkeissa lämpötiloissa, ei vain infrapuna, syntyy myös jonkin verran lyhyempiä aallonpituuksia näkyvää valoa. Tätä havaitaan ensin tylsänä punaisena hehkua, sitten oranssiksi, keltaiseksi ja lopulta valkoiseksi. Kuvio 1 (alla) näyttää tyypilliset Planckin laki-käyrät lämpötila-alueelle, joka on piirretty 1050 ° C - 50 ° C.

Vaaleanpunainen käyrä, joka vastaa 1050 ° C: ta, osoittaa voimakkaimman tuloksen. Se näyttää suurimman tehon ja sen huippu on noin 2.5 mikronia. Tätä seuraa käyrä lämpötilassa 850 ° C, jossa piikin energia on vähemmän kuin puolet tuotetusta lämpötilassa 1150 ° C.

Lämpötilan laskiessa myös energian tasot putoavat ja energian huipun aallonpituus siirtyy pidempiin aallonpituuksiin. Matalimpia lämpötiloja 250 ° C, 100 ° C ja 50 ° C käyristä ei voida nähdä kaaviossa, mutta kun kuvaajaa suurennetaan nähdäksesi alemmat lämpötilakäyrät, tämä siirtyminen pidempiin aallonpituuksiin on ilmeisempi. Tehon intensiteetti kuitenkin laskee merkittävästi.

Tämä on esitetty kuvassa 2 (alla). 250 ° C: ssa sinisellä käyrällä voidaan nähdä olevan likimääräinen piikki ~ 6 mikronia, kun taas lämpötilassa 100 ° C huipun aallonpituus on ~ 7.5 mikronia. Huomaa myös, että aallonpituuden laajuus on jakautunut tasaisemmin eikä siinä ole keskittynyttä kapeaa huippua, jota nähdään korkeammissa lämpötiloissa.

Jos suurennamme samaa kuvaajaa uudelleen ja keskitymme vain alempiin lämpötiloihin, kuten kuvassa 3 (alla) esitetään, näemme lämpötilojen 50 ° C ja 25 ° C huippuaallonpituudet ~ 9 ja 10 mikronia.

Näiden tietojen soveltaminen

Alamme asiantuntijoina toivomme, että nämä tietosivut auttavat sinua ymmärtämään paremmin infrapunaa. Tärkeintä on tietää, mikä on materiaalisi ja mitä tarvitset materiaalisi tekemiseen. Voimme neuvoa sinua muissa asioissa!