Infrarossi: leggi del riscaldamento

Le leggi fondamentali del riscaldamento a infrarossi

Poiché il riscaldamento a infrarossi si è evoluto, anche la scienza fondamentale che sta alla base del funzionamento del suo trasferimento di calore, ma si applicano tre leggi principali:

• Legge di Stefan-Boltzmann: Fornisce la potenza totale irradiata a una temperatura specifica da una sorgente IR.
• Legge di Planck: Fornisce la distribuzione spettrale delle radiazioni da una fonte di corpo nero - una che emette radiazioni 100% a una temperatura specifica.
• Legge di Wien: In seguito alla Legge di Planck, ciò prevede la lunghezza d'onda alla quale la distribuzione spettrale della radiazione emessa da un corpo nero è al massimo.

Legge di Steffan-Boltzmann

La legge di Steffan-Boltzmann si riferisce principalmente all'emissività infrarossa. Calcolo della radiazione di potenza da una sorgente IR in base alla temperatura dell'area superficiale dell'oggetto e insieme a un fattore di corpo nero. Un corpo nero perfetto ha un fattore 1 - con altri materiali che variano in quel fattore (vedi tabella sotto). Quando permettiamo l'emissività di materiali normali, la legge di Stefan-Boltzmann diventa:

All'interno della definizione della legge di Kirchhoff sulla radiazione termica, per qualsiasi corpo arbitrario che emette e assorbe radiazioni termiche, l'emissività è uguale alla sua assorbibilità. Ciò significa che l'emissività è utile per determinare quanto una superficie assorbirà ed emetterà.

Tabella di emissività di varie superfici

0.09 in alluminio lucidato	0.03 in ottone lucido	0.10 lucido bronzo
Carbonio (fuliggine di candela) 0.95	Ceramica (porcellana smaltata) 0.92	Cromo lucido 0.10
Calcestruzzo 0.85	0.02 lucido rame	0.65 ossidato rame
Quarzo fuso con vetro 0.75	0.21 in ferro lucidato	Ferro arrugginito 0.65
Plastica opaca 0.95	0.05 lucido argento	0.16 in acciaio inossidabile lucido
0.83 ossidato in acciaio inossidabile	0.96 acqua

L'uso di questa legge significa che ora possiamo calcolare il trasferimento di calore netto tra due superfici di emissione su T1 e T2. Poiché entrambi emettono, il trasferimento di potenza netto sarà la differenza tra entrambe le uscite di potenza emesse.

Legge di Planck

La legge di Planck descrive la radiazione elettromagnetica emessa da un corpo nero in equilibrio termico a una temperatura definita. Prende il nome da Max Planck, un fisico tedesco che lo propose nel 1900.

Quando viene tracciato per varie temperature del riscaldatore (emettitore), la legge di Planck prevede:

1. La gamma di frequenze attraverso le quali verrà prodotta l'energia di riscaldamento a infrarossi
2. Il potere emissivo per una determinata lunghezza d'onda

Di seguito, consultare le "Note esplicative sulla legge di Planck".

Legge sugli spostamenti di Vienna

La Legge di Wien è il seguito della Legge di Planck e prevede la lunghezza d'onda alla quale la distribuzione spettrale della radiazione emessa da un corpo nero è al massimo.

Un perfetto corpo nero è una superficie che non riflette nulla ed emette pura radiazione termica. Il grafico della potenza rispetto alla lunghezza d'onda per un perfetto corpo nero è chiamato spettro del corpo nero (vedi diagramma sotto). Notare la linea rossa tratteggiata formata quando colleghiamo i punti massimi di ciascuna curva di temperatura sulla distribuzione di Planck e li colleghiamo.

All'aumentare della temperatura, la radiazione termica produce una lunghezza d'onda più breve, una luce a energia più elevata. Dal grafico seguente, possiamo vedere come una lampadina produce una certa quantità di energia con solo una piccola parte nello spettro visibile. All'aumentare della temperatura e la lunghezza d'onda di picco si accorcia, maggiore è la quantità di energia irradiata.

Il grafico mostra anche che una roccia a temperatura ambiente non si "illuminerà" poiché la curva di 20 ° C non si estende nello spettro visibile. Quando gli oggetti si riscaldano, iniziano a emettere luce visibile o bagliore. A 600 ° C gli oggetti si illuminano di un rosso opaco. A 1,000 ° C, il colore è giallo-arancio, diventando bianco a 1,500 ° C.

Altre due leggi scientifiche informano l'applicazione pratica del calore radiante a infrarossi: il Inverse Square Law ed La legge del coseno di Lambert.

Inverse Square Law

La legge del quadrato inverso definisce la relazione di energia radiante tra una sorgente IR e il suo oggetto: l'intensità per unità di area varia in proporzione inversa al quadrato di quella distanza. Tuttavia, in pratica, la legge del quadrato inverso è meno efficace quando si tratta di grandi superfici parallele, come piastre riscaldate e sistemi di forni.

La legge del coseno di Lambert

La legge del coseno di Lambert consente il calcolo dell'intensità IR quando la radiazione non viene applicata direttamente al corpo bersaglio ma è impostata su un angolo. Questa legge si applica principalmente a piccole sorgenti che irradiano su una distanza relativamente grande.

Gli emettitori a infrarossi utilizzati nel riscaldamento industriale hanno generalmente una lunghezza d'onda di emissione di picco utilizzabile nell'intervallo da 0.75 a 10 μm. All'interno di questo intervallo, ci sono tre sotto-divisioni che sono lunghe, medie e onde corte.

Gli emettitori di onde lunghe, noti anche come infrarossi lontani (FIR), hanno un intervallo di emissione di picco nell'intervallo 3-10 μm. Questa gamma si riferisce generalmente a elementi ceramici costituiti da una bobina in lega resistente alle alte temperature incorporata in un corpo ceramico altamente emissivo solido o cavo costruito. Gli emettitori di ceramica sono fabbricati in diverse dimensioni standard del settore con superfici di emissione piatte o curve (tipo trogolo).

Le lunghezze d'onda più brevi dell'emissione di picco sono ottenute usando fonti di emissione con temperature superficiali più elevate. Gli emettitori a cassetta al quarzo sono disponibili in dimensioni standard simili a quelle della ceramica e sono costituiti da una serie di tubi al quarzo traslucidi integrati in un alloggiamento in acciaio alluminizzato lucido. Questi emettitori possono funzionare con una temperatura della superficie frontale più elevata ed emettono nella gamma di onde lunghe e medie.

All'estremità più corta della gamma di onde medie si trova l'emettitore di tungsteno al quarzo che consiste in un tubo di quarzo trasparente lineare sigillato contenente una bobina di tungsteno a stella. La bobina di tungsteno fornisce un tempo di risposta rapido con bassa inerzia termica.

La gamma di alogeni al quarzo a onde corte ha una struttura simile a quella dell'emettitore di tungsteno a onde medio-veloci, con l'eccezione che viene impiegata una bobina tungsteno rotonda e i tubi al quarzo sono riempiti con gas alogeno. La temperatura più elevata della bobina provoca la generazione di luce bianca e una lunghezza d'onda di emissione di picco nella gamma delle onde corte.

Note esplicative sulla legge di Planck

La legge di Planck ci dice che quando la temperatura di ogni superficie che emette aumenta, sempre più energia verrà rilasciata come energia a infrarossi. Maggiore è la temperatura dell'oggetto, maggiore sarà la quantità di energia a infrarossi prodotta. Oltre a diventare più intensi (potenza), le frequenze emesse si allargano e la lunghezza d'onda di picco si accorcia.

A temperature molto elevate, non solo a infrarossi, verrà prodotta anche una luce visibile di lunghezza d'onda più corta. Questo è dapprima visto come un bagliore rosso opaco, poi arancione, giallo e infine bianco. La Figura 1 (sotto) mostra le tipiche curve di legge di Planck per un intervallo di temperature tracciate da 1050 ° C a 50 ° C.

La curva rosa corrispondente a 1050 ° C mostra l'output più forte. Mostra la massima potenza erogata e il suo picco è intorno a 2.5 micron. Questo è seguito dalla curva a 850 ° C dove l'energia di picco è inferiore alla metà di quella prodotta a 1150 ° C.

Quando la temperatura diminuisce, anche i livelli di energia diminuiscono e la lunghezza d'onda del picco di energia si sposta alle lunghezze d'onda più lunghe. Le temperature più basse dalle curve 250 ° C, 100 ° C e 50 ° C non sono visibili nel grafico, ma quando il grafico viene ingrandito per vedere le curve di temperatura più basse, questo spostamento verso le lunghezze d'onda più lunghe è più evidente. Tuttavia, l'intensità di potenza diminuisce in modo significativo.

Questo è mostrato nella Figura 2 (sotto). A 250 ° C, la curva blu può avere un picco approssimativo ~ 6 micron, mentre a 100 ° C la lunghezza d'onda del picco è ~ 7.5 micron. Si noti inoltre che l'estensione della lunghezza d'onda è distribuita più uniformemente e non mostra il picco stretto concentrato visto a temperature più elevate.

Se allarghiamo di nuovo lo stesso grafico e ci concentriamo solo sulle temperature più basse, come mostrato nella Figura 3 (sotto), vediamo temperature di 50 ° C e 25 ° C con lunghezze d'onda di picco rispettivamente di ~ 9 e 10 micron.

Applicazione di queste informazioni

In qualità di esperti nel nostro campo, speriamo che queste pagine di informazioni vi aiutino a comprendere meglio gli infrarossi. La cosa più importante è sapere qual è il tuo materiale e cosa ti serve per fare. Possiamo consigliarti sul resto!