Infrarouge: lois du chauffage

Les lois fondamentales du chauffage infrarouge

Au fur et à mesure de l'évolution du chauffage IR, la science fondamentale qui sous-tend le fonctionnement de son transfert de chaleur a évolué, mais trois lois principales s'appliquent:

• Loi Stefan-Boltzmann: Donne la puissance totale rayonnée à une température donnée par une source infrarouge.
• Loi de Planck: Donne la distribution spectrale du rayonnement d'une source de corps noir - une source qui émet un% de rayonnement 100 à une température donnée.
• Loi de Wien: Suivant la loi de Planck, cela prédit la longueur d'onde à laquelle la distribution spectrale du rayonnement émis par un corps noir est maximale.

Loi de Steffan-Boltzmann

La loi de Steffan-Boltzmann concerne principalement l'émissivité infrarouge. Calcul du rayonnement de puissance d'une source IR en fonction de la température de la surface de l'objet et avec un facteur de corps noir. Un corps noir parfait a un facteur de 1 - avec d'autres matériaux variant dans ce facteur (voir le tableau ci-dessous). Lorsque nous tenons compte de l'émissivité des matériaux normaux, la loi de Stefan-Boltzmann devient:

Dans la définition de la loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique, pour tout corps quelconque émettant et absorbant un rayonnement thermique, l'émissivité est égale à son pouvoir d'absorption. Cela signifie que l'émissivité est utile pour déterminer la quantité de surface absorbée et émise.

Tableau d'émissivité de différentes surfaces

0.09 poli à l'aluminium	Laiton poli 0.03	0.10 poli bronze
Carbone (suie de bougie) 0.95	Céramique (porcelaine émaillée) 0.92	0.10 poli au chrome
Béton 0.85	0.02 poli au cuivre	0.65 oxydé au cuivre
Quartz fondu de verre 0.75	0.21 poli au fer	0.65 rouillé
Plastique opaque 0.95	0.05 poli à l'argent	Acier inoxydable poli 0.16
0.83 en acier inoxydable oxydé	eau 0.96

En utilisant cette loi, nous pouvons maintenant calculer le transfert de chaleur net entre deux surfaces émettrices de T1 et T2. Comme les deux émettent, le transfert de puissance nette sera la différence entre les deux sorties de puissance émises.

Loi de Planck

La loi de Planck décrit le rayonnement électromagnétique émis par un corps noir en équilibre thermique à une température définie. Il porte le nom de Max Planck, un physicien allemand qui l'a proposé en 1900.

Lorsqu'elle est tracée pour différentes températures de chauffage (émetteur), la loi de Planck prédit:

1. La gamme de fréquences dans laquelle l’énergie de chauffage infrarouge sera produite
2. Le pouvoir émissif pour une longueur d'onde donnée

Veuillez consulter les «Notes explicatives sur la loi de Planck» ci-dessous.

Loi de déplacement de Vienne

La loi de Wien est un suivi de la loi de Planck et prédit la longueur d'onde à laquelle la distribution spectrale du rayonnement émis par un corps noir est à son maximum.

Un corps noir parfait est une surface qui ne reflète rien et émet un rayonnement thermique pur. Le graphique de la puissance en fonction de la longueur d'onde pour un corps noir parfait s'appelle le spectre du corps noir (voir le diagramme ci-dessous). Remarquez la ligne rouge en pointillés formée lorsque nous connectons les points maximaux de chaque courbe de température sur la distribution de Planck.

À mesure que la température augmente, le rayonnement thermique produit une lumière de plus faible longueur d'onde et de plus grande énergie. Le graphique ci-dessous montre comment une ampoule produit une certaine quantité d'énergie avec seulement une petite partie du spectre visible. À mesure que la température augmente et que la longueur d'onde maximale devient plus courte, plus la quantité d'énergie rayonnée est importante.

Le graphique montre également qu’une roche à la température ambiante ne «brillera» pas car la courbe de 20 ° C ne s’étend pas dans le spectre visible. Lorsque les objets chauffent, ils commencent à émettre de la lumière visible, ou à briller. À 600 ° C, les objets sont d'un rouge terne. À 1,000 ° C, la couleur est jaune orangé et devient blanche à 1,500 ° C.

Deux autres lois scientifiques informent l'application pratique de la chaleur radiante infrarouge - le Loi du carré inverse et Loi Cosine de Lambert.

Loi du carré inverse

La loi du carré inversé définit la relation d'énergie radiante entre une source infrarouge et son objet - que l'intensité par unité de surface varie en proportion inverse du carré de cette distance. Cependant, dans la pratique, la loi du carré inversé est moins efficace lorsqu'elle concerne de grandes surfaces parallèles, telles que des plateaux chauffés et des systèmes de four.

Loi Cosine de Lambert

La loi du cosinus de Lambert permet le calcul de l'intensité IR lorsque le rayonnement n'est pas appliqué directement sur le corps cible mais est réglé à un angle. Cette loi s'applique principalement aux petites sources rayonnant sur une distance relativement grande.

Les émetteurs infrarouges utilisés dans le chauffage industriel ont généralement une longueur d'onde d'émission utilisable comprise entre 0.75 et 10 µm. Dans cette gamme, il y a trois sous-divisions qui sont les ondes longues, moyennes et courtes.

Les émetteurs à ondes longues, également connus sous le nom d’infrarouge lointain (FIR), ont une plage d’émission de crête dans la gamme 3-10 μm. Cette gamme fait généralement référence aux éléments céramiques constitués d’une bobine d’alliage résistant aux températures élevées, incorporée dans un corps en céramique hautement émissif, solide ou creux. Les émetteurs en céramique sont fabriqués dans un certain nombre de tailles standard avec des surfaces émettrices plates ou incurvées.

Des longueurs d'onde d'émission plus courtes sont obtenues en utilisant des sources d'émission avec des températures de surface plus élevées. Les émetteurs de type cassette à quartz sont disponibles dans des tailles standard similaires à celles de la céramique et consistent en une série de tubes en quartz translucide intégrés dans un boîtier en acier aluminisé poli. Ces émetteurs peuvent fonctionner avec une température de surface avant supérieure et émettre dans la plage des ondes longues à moyennes.

À l'extrémité la plus courte de la gamme des ondes moyennes se trouve l'émetteur à quartz en tungstène, qui consiste en un tube de quartz transparent linéaire scellé contenant une bobine en tungstène en étoile. La bobine de tungstène fournit un temps de réponse rapide avec une faible inertie thermique.

La plage des halogènes de quartz à ondes courtes a une construction similaire à celle de l’émetteur à tungstène à ondes rapides, à l’exception du fait que l’on utilise un serpentin rond en tungstène et que les tubes de quartz sont remplis d’halogène. La température de la bobine plus élevée entraîne la génération de lumière blanche et une longueur d'onde d'émission maximale dans la plage des ondes courtes.

Notes explicatives sur la loi de Planck

La loi de Planck nous dit que lorsque la température d'une surface émettrice augmente, de plus en plus d'énergie sera libérée sous forme d'énergie infrarouge. Plus la température de l'objet est élevée, plus grande sera la quantité d'énergie infrarouge produite. En plus de devenir plus intenses (puissance), les fréquences émises deviennent plus larges et la longueur d'onde maximale devient plus courte.

À très hautes températures, pas seulement l'infrarouge, une lumière visible de longueur d'onde plus courte sera également produite. Ceci est d'abord observé comme une lueur rouge terne, puis orange, jaune et enfin blanche. La figure 1 (ci-dessous) montre les courbes typiques de la loi de Planck pour une gamme de températures tracées de 1050 ° C à 50 ° C.

La courbe rose correspondant à 1050 ° C présente le rendement le plus fort. Il affiche la puissance la plus élevée et son maximum se situe autour de 2.5 microns. Vient ensuite la courbe à 850 ° C où l’énergie de pointe est inférieure à la moitié de celle produite à 1150 ° C.

À mesure que la température diminue, les niveaux d'énergie baissent également et la longueur d'onde d'énergie maximale passe aux longueurs d'onde les plus longues. Les températures les plus basses des courbes 250 ° C, 100 ° C et 50 ° C ne sont pas visibles sur le graphique. Toutefois, lorsque le graphique est agrandi pour afficher les courbes de température inférieures, ce décalage vers les plus grandes longueurs d'onde est plus apparent. Cependant, l'intensité de la puissance diminue considérablement.

Ceci est illustré à la figure 2 (ci-dessous). À 250 ° C, on peut constater que la courbe bleue a un pic approximatif de ~ 6 microns, alors qu’à 100 ° C la longueur d’onde maximale est de ~ 7.5 microns. Notez également que l'étendue de la longueur d'onde est répartie plus uniformément et ne présente pas le pic étroit concentré observé à des températures plus élevées.

Si nous agrandissons à nouveau le même graphique et ne nous concentrons que sur les températures les plus basses, comme le montre la figure 3 (ci-dessous), nous voyons des températures de 50 ° C et 25 ° C avec des longueurs d'onde maximales de ~ 9 et 10, respectivement.

Application de ces informations

En tant qu'experts dans notre domaine, nous espérons que ces pages d'informations vous aideront à mieux comprendre l'infrarouge. Le plus important est de savoir ce qu'est votre matériel et ce que vous voulez que votre matériel fasse. Nous pouvons vous conseiller sur le reste!