Infravörös: A fűtés törvényei

Az infravörös fűtés alapvető törvényei

Az IR fűtés fejlődésével megegyezik az alapvető tudomány, amely megalapozza a hőátadás működését, de három fő törvény alkalmazandó:

• Stefan-Boltzmann törvény: Egy adott hőmérsékleten egy IR-forrásból sugárzott teljes energiát ad.
• Planck törvénye: A fekete test forrásából származó sugárzás spektrális eloszlását adja meg - egy olyan, amely adott hőmérsékleten 100% sugárzást bocsát ki.
• Wien törvénye: A Planck-törvény alapján ez megjósolja azt a hullámhosszt, amelyen a fekete test által kibocsátott sugárzás spektrális eloszlása ​​a maximális ponton van.

Steffan-Boltzmann törvény

A Steffan-Boltzmann-törvény elsősorban az infravörös emisszióval kapcsolatos. Az IR-forrásból származó teljesítménysugárzás kiszámítása az objektum felületi hőmérséklete és egy fekete testtényező alapján. A tökéletes fekete test 1-es tényezővel rendelkezik - más anyagoknál ez a tényező változik (lásd az alábbi táblázatot). Amikor megengedjük a normál anyagok emissziós képességét, a Stefan-Boltzmann-törvény:

Kirchhoff termikus sugárzás-törvényének meghatározása szerint minden önkényes test számára, amely hőszigetelést bocsát ki és elnyel, az emisszióképesség megegyezik abszorpciós képességével. Ez azt jelenti, hogy a emisszióképesség hasznos annak meghatározásához, hogy egy felület mennyit fog abszorbeálni és kibocsátani.

A különféle felületek emisszióképességi táblázata

Alumínium csiszolt 0.09	Sárgaréz csiszolt 0.03	Bronz csiszolt 0.10
Szén (gyertya korom) 0.95	Kerámia (mázas porcelán) 0.92	Króm csiszolt 0.10
Beton 0.85	Rézcsiszolt 0.02	Réz-oxidált 0.65
Üveg olvasztott kvarc 0.75	Vascsiszolt 0.21	Vas rozsdás 0.65
Műanyag átlátszatlan 0.95	Ezüst fényes 0.05	Rozsdamentes acél polírozott 0.16
Rozsdamentes acélból oxidált 0.83	Víz 0.96

E törvény alkalmazása azt jelenti, hogy kiszámolhatjuk a két kibocsátó felület közötti nettó hőátadást a T1 és a T2 esetén. Mivel mindkettő sugárzik, a nettó energiaátvitel a különbség a két kibocsátott teljesítmény között.

Planck törvénye

Planck törvénye leírja az elektromágneses sugárzást, amelyet egy fekete test termikus egyensúlyban, meghatározott hőmérsékleten bocsát ki. Max Planck német fizikusról kapta a nevét, aki 1900-ban javasolta.

Ha különféle fűtő (kibocsátó) hőmérsékleteket ábrázolnak, Planck törvénye előrejelzi:

1. Az a frekvenciatartomány, amelyen keresztül az infravörös fűtési energiát előállítják
2. A kibocsátó teljesítmény egy adott hullámhosszon

Kérjük, olvassa el az alábbiakban a „Planck-törvény magyarázó megjegyzéseit”.

Wien elmozdulási törvénye

A Wien-törvény a Planck-törvény következménye és megjósolja azt a hullámhosszt, amelyen a fekete test által kibocsátott sugárzás spektrális eloszlása ​​a maximális ponton van.

A tökéletes fekete test olyan felület, amely semmit sem tükröz, és tiszta termikus sugárzást bocsát ki. A tökéletes fekete test teljesítmény-hullámhosszának grafikonját a fekete test spektrumának nevezzük (lásd az alábbi ábrát). Vigyázzon a pontozott piros vonalra, amely akkor képződik, amikor összekapcsoljuk az egyes hőmérsékleti görbék maximális pontjait a Planck-eloszlásban, és összekapcsoljuk őket.

A hőmérséklet emelkedésével a termikus sugárzás rövidebb hullámhosszú, nagyobb energiájú fényt bocsát ki. Az alábbi grafikonból láthatjuk, hogy egy villanykörte termel bizonyos mennyiségű energiát, a látható spektrumban csak egy kis részével. A hőmérséklet emelkedésével és a csúcshullámhossz rövidebbé válásával annál nagyobb a sugárzott energia mennyisége.

A grafikon azt is mutatja, hogy szobahőmérsékleten egy kő nem „izz”, mivel az 20 ° C görbe nem terjed ki a látható spektrumba. Ahogy a tárgyak felmelegsznek, látható fényt bocsátanak ki, vagy ragyognak. 600 ° C-on az objektumok tompán pirossá válnak. 1,000 ° C-on a szín sárga-narancs, 1,500 ° C-on fehérre vált.

Két másik tudományos törvény tájékoztatja az infravörös sugárzó hő gyakorlati alkalmazását - a Fordított négyzet törvény és a Lambert koszinóziája.

Fordított négyzet törvény

Az inverz négyzet törvény meghatározza a sugárzó energia kapcsolatát az IR forrás és tárgya között - hogy az egységnyi területre eső intenzitás fordított arányban változik a távolság négyzetével. A gyakorlatban azonban az inverz négyzet törvény kevésbé hatékony, ha nagy párhuzamos felületekről van szó, mint például fűtött tálak és kemencerendszerek.

Lambert koszinóziája

Lambert koszinustörvénye lehetővé teszi az IR intenzitás kiszámítását, ha a sugárzást nem közvetlenül a céltestre vezetik, hanem szögben állítják be. Ez a törvény elsősorban a viszonylag nagy távolságban sugárzó kis forrásokra vonatkozik.

Az ipari fűtéshez használt infravörös sugárzók általánosan felhasználható maximális emissziós hullámhossz az 0.75 – 10 μm tartományban van. Ezen a tartományon belül három alosztás létezik: hosszú, közepes és rövid hullám.

A hosszúhullámú sugárzóknak, más néven távoli infravörösnek (FIR) is ismert, a csúcskibocsátási tartomány az 3-10 μm tartományban van. Ez a tartomány általában a kerámia elemekre vonatkozik, amelyek magas hőmérsékleten ellenálló ötvözött tekercsből állnak, vagy szilárd, vagy üreges szerkezetű, erősen emissziós kerámia testbe ágyazva. A kerámia sugárzókat számos ipari méretben gyártják, akár sík, akár ívelt (vályú stílusú) sugárzó felülettel.

Rövidebb csúcskibocsátási hullámhosszok érhetők el, ha magasabb felületi hőmérsékletű kibocsátási forrásokat használnak. A kvarc kazettás stílusú sugárzók ipari méretekhez hasonló méretben kaphatók, mint a kerámia méretek, és egy átlátszó kvarccső sorozatából állnak, amelyeket egy csiszolt alumíniummal borított acélházba építenek be. Ezek a kibocsátók magasabb elülső felületi hőmérsékleten működhetnek, és hosszú és közepes hullámtartományban bocsátanak ki.

A közepes hullámtartomány rövidebb végén található a kvarc-volfrám-kibocsátó, amely egy lezárt, egyenes átlátszó kvarccsőből áll, amely csillag alakú volfrámtekercset tartalmaz. A volfrámtekercs gyors reakcióidőt biztosít alacsony hőtehetetlenséggel.

A rövid hullámú kvarc halogéntartomány hasonló felépítésű, mint a gyors közepes hullámú volfrám-kibocsátóé, azzal a különbséggel, hogy kerek volfrámtekercset alkalmaznak, és a kvarccsöveket halogéngázzal töltik meg. A magasabb tekercshőmérséklet fehér fényt generál, és a maximális emissziós hullámhossz a rövid hullámtartományban van.

Magyarázó megjegyzések a Planck-törvényről

Planck törvénye azt mondja nekünk, hogy ahogy az emittáló felület hőmérséklete növekszik, egyre több energia szabadul fel infravörös energiaként. Minél magasabb a tárgy hőmérséklete, annál nagyobb az infravörös energiamennyiség. Amellett, hogy intenzívebbé (hatalommal bír), a kibocsátott frekvenciák szélesebbé válnak és a csúcshullámhossz rövidebb lesz.

Nagyon magas hőmérsékleten, nem csak infravörös, némi rövidebb hullámhosszúságú látható fény is keletkezik. Ezt először tompa vörös fénynek, majd narancssárga, sárga és végül fehér színűnek látják. Az 1 ábra (lent) a tipikus Planck-törvény görbéit mutatja be az 1050 ° C-tól 50 ° C-ig ábrázolt hőmérsékleti tartományokra.

Az 1050 ° C-nak megfelelő rózsaszínű görbe mutatja a legerősebb eredményt. Ez mutatja a legnagyobb teljesítményt, és csúcsa 2.5 mikron körül van. Ezt követi az 850 ° C hőmérsékletű görbe, ahol a csúcsenergia kevesebb, mint az 1150 ° C hőmérsékleten előállított energia felének kevesebb.

A hőmérséklet csökkenésével az energiaszintek is csökkennek, és a csúcs energiahullámhossza a hosszabb hullámhosszokra változik. Az 250 ° C, 100 ° C és 50 ° C görbék legalacsonyabb hőmérsékletei nem láthatók a grafikonon, de ha az ábrát nagyítják az alacsonyabb hőmérsékleti görbék megtekintéséhez, ez a hosszabb hullámhosszokra való eltolódás nyilvánvalóbb. Az energiaintenzitás azonban jelentősen csökken.

Ezt az 2 ábra mutatja (lent). 250 ° C-on a kék görbe csúcspontja megközelítőleg ~ 6 mikron, míg 100 ° C-on a csúcs hullámhossza ~ 7.5 mikron. Vegye figyelembe azt is, hogy a hullámhossz mértéke egyenletesebben oszlik meg, és nem mutat magasabb hőmérsékleteken látható koncentrált keskeny csúcsot.

Ha ugyanazt a grafikonot ismét nagyítjuk, és csak az alacsonyabb hőmérsékletekre koncentrálunk, amint az az 3. Ábrán látható (lásd alább), akkor láthatjuk, hogy az 50 ° C és az 25 ° C hőmérsékletek csúcsainak hullámhossza ~ 9 és 10 mikron.

Ezen információk alkalmazása

Szakterületünk szakértőjeként reméljük, hogy ezek az információs oldalak segítenek jobban megérteni az infravörös kapcsolatot. A legfontosabb az, hogy tudd, mi az anyagod, és mihez kell az anyagod. Tanácsot tudunk adni a többiről!