Infracrveno: Zakoni grijanja

Temeljni zakoni infracrvenog grijanja

Kako se infracrveno grijanje razvijalo, tako je i fundamentalna znanost koja podupire rad njegovog prijenosa topline, ali primjenjuju se tri glavna zakona:

• Zakon Stefan-Boltzmann: Daje ukupnu snagu zračenu na određenoj temperaturi iz izvora IR.
• Planckov zakon: Daje spektralnu raspodjelu zračenja iz izvora crnog tijela - onog koji emitira 100% zračenja na određenoj temperaturi.
• Bečki zakon: Slijedom Planckovog zakona, ovo predviđa valnu duljinu pri kojoj je spektralna raspodjela zračenja koje crno tijelo emitira na maksimalnoj točki.

Steffan-Boltzmannov zakon

Steffan-Boltzmannov zakon odnosi se prvenstveno na infracrvenu emisiju. Izračunavanje snage zračenja iz IR izvora na temelju temperature površine objekta i zajedno s faktorom crnog tijela. Savršeno crno tijelo ima faktor 1 - s ostalim materijalima koji se razlikuju u tom faktoru (vidi donju tablicu). Kada dopustimo emisivnost normalnih materijala, Stefan-Boltzmannov zakon postaje:

Unutar definicije Kirchhoffovog zakona toplinskog zračenja, za svako proizvoljno tijelo koje emitira i apsorbira toplinsko zračenje, emisivnost je jednaka njegovoj apsorptivnosti. To znači da je emisivnost korisna za određivanje koliko će se površina apsorbirati, kao i emitirati.

Tablica emisivnosti raznih površina

Aluminijski polirani 0.09	Mesing polirani 0.03	Brončano polirani 0.10
Ugljik (čađ od svijeća) 0.95	Keramički (glazirani porculan) 0.92	Kromirani polirani 0.10
Beton 0.85	Bakreno polirani 0.02	Bakar oksidirao 0.65
Stakleni kvarcni 0.75	Željezo polirano 0.21	Željezno zahrđalo 0.65
Plastična neprozirna 0.95	Srebrno polirani 0.05	Polirani 0.16 od nehrđajućeg čelika
0.83 oksidirao nehrđajući čelik	Voda 0.96

Korištenje ovog zakona znači da sada možemo izračunati neto prijenos topline između dvije emitirajuće površine na T1 i T2. Kako oba emitiraju, neto prijenos snage bit će razlika između oba emitirana izlaza snage.

Planckov zakon

Planckov zakon opisuje elektromagnetsko zračenje koje emitira crno tijelo u toplinskoj ravnoteži na određenoj temperaturi. Ime je dobio po Maxu Plancku, njemačkom fizičaru koji ga je predložio 1900. godine.

Planckov zakon predviđa: kada se planiraju različite temperature grijača (emitera):

1. Raspon frekvencija preko kojih će se proizvoditi infracrvena energija grijanja
2. Emisijska snaga za zadanu valnu duljinu

Molimo pogledajte "Objašnjenja o Planckovom zakonu" u nastavku.

Zakon o izmještanju Beča

Wien-ov zakon slijedi iz Planckovog zakona i predviđa valnu duljinu na kojoj je spektralna raspodjela zračenja koje crno tijelo emitira na maksimalnoj točki.

Savršeno crno tijelo je površina koja ne odražava ništa i emitira čisto toplinsko zračenje. Grafikon snage prema valnoj duljini za savršeno crno tijelo naziva se crnim tijelom (vidi dijagram dolje). Primijetite isprekidanu crvenu liniju kad spojimo maksimalne točke svake krivulje temperature na Planckovu raspodjelu i povežemo ih.

Kako temperatura raste, toplinsko zračenje proizvodi kraću valnu duljinu, veću energiju svjetla. Iz grafikona u nastavku vidimo kako žarulja proizvodi određenu količinu energije sa samo malim dijelom u vidljivom spektru. Kako se temperatura povećava, a vršna valna duljina postaje kraća, veća je količina zračene energije.

Grafikon također pokazuje da stijena pri sobnoj temperaturi neće "svijetliti", jer se krivulja za 20 ° C ne širi u vidljivi spektar. Kako se predmeti zagrijavaju, počinju emitirati vidljivu svjetlost ili sjaj. Na 600 ° C predmeti svijetle crveno. Na 1,000 ° C, boja je žuto-narančasta, pri 1,500 ° C pretvara se u bijelu.

Druga dva znanstvena zakona informiraju o praktičnoj primjeni infracrvene zračene topline - Zakon obrnutog kvadrata i Lambertov zakon o kosinzima.

Zakon obrnutog kvadrata

Zakon obrnutog kvadrata definira odnos zračenja energije između IR izvora i njegovog objekta - da intenzitet po jedinici površine varira obrnuto proporcionalno kvadratu te udaljenosti. Međutim, u praksi je Zakon obrnutog kvadrata manje učinkovit kada se radi o velikim paralelnim površinama, poput grijanih ploča i sustava pećnica.

Lambertov zakon o kosinzima

Lambertov Cosineov zakon omogućuje izračunavanje intenziteta IR-a kada se zračenje ne primjenjuje izravno na ciljno tijelo, već je postavljeno pod kutom. Ovaj se zakon uglavnom odnosi na male izvore koji zrače na relativno velikoj udaljenosti.

Infracrveni odašiljači koji se koriste u industrijskom grijanju općenito imaju upotrebljivu valnu duljinu vršne emisije u rasponu od 0.75 do 10 μm. Unutar ovog raspona postoje tri pododjeljenja koja su dugačak, srednji i kratki val.

Dugi valovi, također poznati kao daleko infracrveni (FIR), imaju raspon vršnih emisija u rasponu 3-10 μm. Ovaj se raspon općenito odnosi na keramičke elemente koji se sastoje od legure zavojnice visoke otpornosti ugrađene u čvrsto ili šuplje konstruirano visoko emitovanje keramičkog tijela. Keramički odašiljači proizvode se u velikom broju industrijskih veličina s ravnim ili zakrivljenim (ukošenim stilom) površinama koje emitiraju.

Kraće vršne valne duljine emisija postižu se korištenjem izvora emisije s višom površinskom temperaturom. Kvarcni emiteri u obliku kaseta dostupni su u sličnim standardima veličine kao keramički i sastoje se od niza prozirnih kvarcnih cijevi ugrađenih u kućište od poliranog aluminija. Ti odašiljači mogu raditi s višom temperaturom prednje površine i emitiraju se u rasponu dugog do srednjeg vala.

Na kraćem kraju raspona srednjeg vala nalazi se kvarcni volframski odašiljač koji se sastoji od zapečaćene linearne prozirne kvarcne cijevi koja sadrži zvijezdastog volframovog svitka. Volfram zavojnica pruža brzo vrijeme odziva s niskom termičkom inercijom.

Kratko-valni raspon kvarcnog halogena slične je konstrukciji kao i brzi-srednji valni emiter volframa, s izuzetkom što se koristi okrugli volframski svitak i kvarcne cijevi se pune halogenim plinom. Viša temperatura zavojnice rezultira stvaranjem bijele svjetlosti i najvećom valnom dužinom emisije u kratkom valnom rasponu.

Objašnjenja o Planckovom zakonu

Planckov zakon govori nam da će se s porastom temperature bilo koje emitovane površine sve više i više energije oslobađati kao infracrvena energija. Što je viša temperatura objekta, to će se proizvesti veća količina infracrvene energije. Kao što postaju intenzivnije (snage) emitirane frekvencije postaju šire, a vršna valna duljina postaje kraća.

Pri vrlo visokim temperaturama, ne samo infracrvenim, proizvodit će se i svjetlost kraće valne duljine. O tome svjedoče najprije crni sjaji, zatim narančaste, žute i na kraju bijele. Slika 1 (dolje) prikazuje tipične Planckove krivulje za raspon temperatura prikazanih od 1050 ° C do 50 ° C.

Ružičasta krivulja koja odgovara 1050 ° C pokazuje najjači učinak. Pokazuje najveći izlaz snage i njegov vrh je oko 2.5 mikrona. Nakon toga slijedi krivulja na 850 ° C, gdje je vršna energija manja od polovice energije proizvedene na 1150 ° C.

Kako se temperatura smanjuje, razina energije također opada, a vršna valna duljina energije prelazi na veće valne duljine. Najniže temperature krivulja 250 ° C, 100 ° C i 50 ° C ne mogu se vidjeti na grafikonu, ali kada se grafikon poveća da se vide krivulje nižih temperatura, pomak na veće valne duljine je očitiji. Međutim, intenzitet snage znatno opada.

To je prikazano na slici 2 (dolje). Na 250 ° C može se vidjeti da plava krivulja ima približan vrh ~ 6 mikrona, dok je na 100 ° C vršna valna duljina ~ 7.5 mikrona. Također imajte na umu da je opseg valne duljine ravnomjernije raspoređen i da ne pokazuje koncentrirani uski vrh viđen na višim temperaturama.

Ako ponovo povećamo isti graf i usredotočimo se samo na niže temperature kao što je prikazano na slici 3 (dolje), vidimo da temperature 50 ° C i 25 ° C imaju vršne valne duljine od ~ 9 odnosno 10 mikrona.

Primjenom ovih podataka

Kao stručnjaci u našem području, nadamo se da će vam ove stranice informacija pomoći da bolje razumijete infracrvenu vezu. Najvažnije je znati koji je vaš materijal i što vaš materijal treba učiniti. Za ostalo vas možemo savjetovati!