इन्फ्रारेड हीटिंग के मौलिक कानून
जैसा कि आईआर हीटिंग विकसित हुआ है, इसलिए मौलिक विज्ञान है जो अपने गर्मी हस्तांतरण के कामकाज को कम करता है, लेकिन तीन मुख्य कानून लागू होते हैं:
- स्टीफन-बोल्ट्जमैन कानून: एक आईआर स्रोत से एक विशिष्ट तापमान पर निकली कुल शक्ति देता है।
- प्लैंक का नियम: एक काले शरीर के स्रोत से विकिरण का वर्णक्रमीय वितरण देता है - एक जो एक विशिष्ट तापमान पर 100% विकिरण का उत्सर्जन करता है।
- वीन का नियम: प्लैंक के नियम से आगे, यह तरंग दैर्ध्य की भविष्यवाणी करता है जिस पर एक काले शरीर द्वारा उत्सर्जित विकिरण का वर्णक्रमीय वितरण अधिकतम बिंदु पर होता है।
स्टीफन-बोल्ट्जमैन लॉ
स्टीफन-बोल्ट्जमैन कानून मुख्य रूप से अवरक्त उत्सर्जन के साथ संबंधित है। ऑब्जेक्ट के सतह क्षेत्र के तापमान और एक काले शरीर कारक के साथ मिलकर आईआर स्रोत से विद्युत विकिरण की गणना करना। एक परिपूर्ण काले शरीर में 1 का कारक होता है - उस कारक में भिन्न अन्य सामग्रियों के साथ (नीचे दी गई तालिका देखें)। जब हम सामान्य सामग्रियों के उत्सर्जन के लिए अनुमति देते हैं तो स्टीफन-बोल्ट्जमैन कानून बन जाता है:
थर्मल विकिरण के किरचॉफ के नियम की परिभाषा के भीतर, किसी भी मनमाने शरीर को थर्मल विकिरण को उत्सर्जित करने और अवशोषित करने के लिए, उत्सर्जक इसकी अवशोषण के बराबर है। इसका मतलब यह है कि उत्सर्जन यह निर्धारित करने के लिए उपयोगी है कि एक सतह उत्सर्जन के साथ-साथ कितना अवशोषित करेगी।
विभिन्न सतहों के उत्सर्जन की तालिका
| एल्यूमीनियम पॉलिश 0.09 | पीतल पॉलिश 0.03 | कांस्य पॉलिश 0.10 |
| कार्बन (मोमबत्ती कालिख) 0.95 | सिरेमिक (चमकता हुआ चीनी मिट्टी के बरतन) 0.92 | क्रोमियम पॉलिश 0.10 |
| कंक्रीट 0.85 | कॉपर पॉलिश 0.02 | कॉपर ऑक्सीकृत 0.65 |
| ग्लास फ्यूज्ड क्वार्ट्ज 0.75 | लौह पॉलिश 0.21 | लोहे ने 0.65 को जंग लगा दिया |
| प्लास्टिक अपारदर्शी 0.95 | चांदी पॉलिश 0.05 | स्टेनलेस स्टील पॉलिश 0.16 |
| स्टेनलेस स्टील ऑक्सीकरण 0.83 | जल 0.96 |
इस कानून का उपयोग करने का मतलब है कि अब हम T1 और T2 पर दो उत्सर्जक सतहों के बीच शुद्ध गर्मी हस्तांतरण की गणना कर सकते हैं। जैसा कि दोनों उत्सर्जित कर रहे हैं, शुद्ध बिजली हस्तांतरण दोनों उत्सर्जित बिजली आउटपुट के बीच अंतर होगा।
प्लांक का नियम
प्लैंक का नियम एक निश्चित तापमान पर थर्मल संतुलन में एक काले शरीर द्वारा उत्सर्जित विद्युत चुम्बकीय विकिरण का वर्णन करता है। इसका नाम मैक्स प्लैंक के नाम पर रखा गया है, जो एक जर्मन भौतिक विज्ञानी थे जिन्होंने इसे 1900 में प्रस्तावित किया था।
जब विभिन्न हीटर (एमिटर) तापमान के लिए प्लॉट किए जाते हैं, तो प्लांक का नियम भविष्यवाणी करता है:
- आवृत्तियों की श्रेणी जिसमें अवरक्त हीटिंग ऊर्जा का उत्पादन किया जाएगा
- किसी दिए गए तरंग दैर्ध्य के लिए उत्सर्जक शक्ति
कृपया नीचे 'प्लैंक के नियम पर व्याख्यात्मक नोट्स' देखें।
वीन का विस्थापन कानून
वीन का नियम प्लैंक के नियम से एक अनुवर्ती है और वेवलेंथ की भविष्यवाणी करता है जिस पर एक काले शरीर द्वारा उत्सर्जित विकिरण का वर्णक्रमीय वितरण अधिकतम बिंदु पर होता है।
एक पूर्ण ब्लैक-बॉडी एक सतह है जो कुछ भी नहीं दर्शाती है और शुद्ध थर्मल विकिरण का उत्सर्जन करती है। परफेक्ट ब्लैक-बॉडी के लिए पावर बनाम वेवलेंथ के ग्राफ को ब्लैक-बॉडी स्पेक्ट्रम (नीचे चित्र देखें) कहा जाता है। जब हम प्लैंक के वितरण पर प्रत्येक तापमान वक्र के अधिकतम बिंदुओं को जोड़ते हैं और उन्हें कनेक्ट करते हैं, तो बिंदीदार लाल रेखा को नोटिस करें।
जैसे ही तापमान बढ़ता है, थर्मल विकिरण कम तरंग दैर्ध्य, उच्च ऊर्जा प्रकाश पैदा करता है। नीचे दिए गए ग्राफ़ से, हम देख सकते हैं कि कैसे एक प्रकाश बल्ब दृश्यमान स्पेक्ट्रम में केवल एक छोटे से हिस्से के साथ एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा का उत्पादन करता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है और शिखर तरंगदैर्ध्य कम होती जाती है, विकीर्ण ऊर्जा की मात्रा अधिक होती है।
ग्राफ यह भी दर्शाता है कि कमरे के तापमान पर एक चट्टान 'चमक' नहीं होगी क्योंकि 20 ° C के लिए वक्र दृश्यमान स्पेक्ट्रम में विस्तार नहीं करता है। जैसे-जैसे ऑब्जेक्ट गर्म होते हैं, वे दृश्यमान प्रकाश, या चमक को छोड़ना शुरू करते हैं। 600 ° C वस्तुओं पर एक सुस्त लाल चमकती है। 1,000 ° C पर, रंग पीला-नारंगी होता है, 1,500 ° C पर सफेद हो जाता है।
दो अन्य वैज्ञानिक कानून इंफ्रारेड रेडिएंट हीट के व्यावहारिक अनुप्रयोग की सूचना देते हैं - द व्युत्क्रम वर्ग नियम और लैंबर्ट का कोसाइन लॉ.
व्युत्क्रम वर्ग नियम
इनवर्स स्क्वायर लॉ एक IR स्रोत और उसकी वस्तु के बीच उज्ज्वल ऊर्जा के संबंध को परिभाषित करता है - कि प्रति यूनिट क्षेत्र की तीव्रता उस दूरी के वर्ग के व्युत्क्रम अनुपात में भिन्न होती है। हालांकि, व्यवहार में, उलटा वर्ग कानून कम प्रभावी है जब बड़े समानांतर सतहों, जैसे कि गर्म पलटन और ओवन सिस्टम के साथ संबंध रखते हैं।
लैंबर्ट का कोसाइन लॉ
लैम्बर्ट का कोसिन कानून आईआर तीव्रता की गणना के लिए अनुमति देता है जब विकिरण सीधे लक्षित शरीर पर लागू नहीं होता है लेकिन एक कोण पर सेट होता है। यह कानून मुख्य रूप से अपेक्षाकृत बड़ी दूरी पर विकिरण करने वाले छोटे स्रोतों पर लागू होता है।
औद्योगिक हीटिंग में उपयोग किए जाने वाले इन्फ्रारेड एमिटर में आमतौर पर एक्सएनयूएमएक्स से एक्सएनयूएमएक्स एक्सएम की सीमा में एक प्रयोग करने योग्य शिखर उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य है। इस सीमा के भीतर, तीन उप-विभाग हैं जो लंबी, मध्यम और छोटी लहर हैं।
Longwave emitters, जिसे दूर-अवरक्त (FIR) के रूप में भी जाना जाता है, में 3-10 μm रेंज में एक शिखर उत्सर्जन रेंज है। यह सीमा आम तौर पर सिरेमिक तत्वों को संदर्भित करती है जो एक उच्च-तापमान प्रतिरोध मिश्र धातु का तार से बना होता है जो कि एक ठोस या खोखले उच्च उत्सर्जक सिरेमिक शरीर में एम्बेडेड होता है। सिरेमिक उत्सर्जक का निर्माण उद्योग-मानक आकारों में फ्लैट या कर्व्ड (गर्त शैली) उत्सर्जित सतहों के साथ किया जाता है।
उच्च सतह के तापमान वाले उत्सर्जन स्रोतों का उपयोग करके कम शिखर उत्सर्जन उत्सर्जन तरंगदैर्ध्य प्राप्त किया जाता है। क्वार्ट्ज कैसेट-स्टाइल एमिटर सिरेमिक के समान उद्योग-मानक आकारों में उपलब्ध हैं और पॉलिश किए गए अल्युमीनियम स्टील हाउस में निर्मित पारभासी क्वार्ट्ज ट्यूबों की एक श्रृंखला से मिलकर बनता है। ये एमिटर उच्च सामने की सतह के तापमान के साथ काम कर सकते हैं और लंबी से मध्यम तरंग सीमा में उत्सर्जन कर सकते हैं।
मीडियम वेव रेंज के छोटे सिरे पर क्वार्ट्ज टंगस्टन एमिटर होता है जिसमें एक सील रैखिक रेखीय स्पष्ट क्वार्ट्ज ट्यूब होता है जिसमें स्टार डिजाइन टंगस्टन कॉइल होता है। टंगस्टन का तार कम तापीय जड़ता के साथ तेजी से प्रतिक्रिया समय प्रदान करता है।
शॉर्ट वेव क्वार्ट्ज हैलोजन रेंज इसी तरह के निर्माण की हैं, जैसे कि फास्ट-मीडियम वेव टंगस्टन एमिटर इस अपवाद के साथ हैं कि एक गोल टंगस्टन कॉइल कार्यरत है और क्वार्ट्ज ट्यूब हैलोजन गैस से भरे हुए हैं। उच्च कुंडल तापमान के परिणामस्वरूप श्वेत प्रकाश उत्पन्न होता है और शॉर्ट वेव रेंज में एक शिखर उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य होता है।
प्लैंक के नियम पर व्याख्यात्मक नोट्स
प्लैंक का नियम हमें बताता है कि जैसे ही किसी उत्सर्जक सतह का तापमान बढ़ता है, अधिक से अधिक ऊर्जा अवरक्त ऊर्जा के रूप में जारी की जाएगी। वस्तु का तापमान जितना अधिक होगा, उतनी ही अधिक मात्रा में अवरक्त ऊर्जा का उत्पादन होगा। अधिक तीव्र (शक्ति) बनने के साथ-साथ उत्सर्जित आवृत्तियाँ व्यापक हो जाती हैं और शिखर तरंगदैर्घ्य कम हो जाता है।
बहुत उच्च तापमान पर, न केवल अवरक्त, कुछ छोटे तरंग दैर्ध्य दृश्य प्रकाश का भी उत्पादन किया जाएगा। यह पहले एक नीली लाल चमक के रूप में देखा जाता है, फिर नारंगी, पीले और अंत में सफेद रंग में। चित्रा 1 (नीचे) 1050 ° C से 50 ° C तक के तापमान की सीमा के लिए विशिष्ट प्लैंक के नियम को दर्शाता है।
1050 ° C के अनुरूप गुलाबी वक्र सबसे मजबूत आउटपुट प्रदर्शित करता है। यह उच्चतम बिजली उत्पादन दिखाता है और इसका शिखर 2.5 माइक्रोन के आसपास है। इसके बाद 850 ° C पर वक्र होता है, जहां चरम ऊर्जा 1150 ° C पर उत्पादित उत्पादन के आधे से भी कम होती है।
जैसे-जैसे तापमान घटता है, ऊर्जा का स्तर भी गिरता जाता है, और चरम ऊर्जा तरंग दैर्ध्य लंबी तरंगदैर्ध्य में बदल जाती है। 250 ° C, 100 ° C और 50 ° C वक्रों से सबसे कम तापमान को ग्राफ में नहीं देखा जा सकता है, लेकिन जब निचले तापमान के घटता को देखने के लिए ग्राफ को बड़ा किया जाता है, तो लंबी तरंगदैर्ध्य में यह बदलाव अधिक स्पष्ट होता है। हालांकि, बिजली की तीव्रता काफी कम हो जाती है।
यह चित्र 2 (नीचे) में दिखाया गया है। 250 ° C पर, नीले वक्र को अनुमानित चोटी ~ 6 माइक्रोन में देखा जा सकता है, जबकि 100 ° C पर शिखर तरंगदैर्घ्य ~ 7.5 माइक्रोन है। यह भी ध्यान दें कि तरंग दैर्ध्य की सीमा अधिक समान रूप से वितरित की जाती है और उच्च तापमान पर देखी गई संकरी संकीर्ण चोटी को प्रदर्शित नहीं करती है।
अगर हम उसी ग्राफ को फिर से बढ़ाते हैं और केवल निचले तापमान पर ध्यान केंद्रित करते हैं जैसा कि चित्र एक्सएनयूएमएक्स (नीचे) में दिखाया गया है, तो हम क्रमशः एक्सएनयूएमएक्स और सीएनयूएनएक्सएक्स डिग्री सेल्सियस के तापमान को ~ एक्सएनयूएमएक्स और एक्सएनयूएमएक्स माइक्रोन के शिखर तरंग दैर्ध्य देखते हैं।
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