적외선 : 난방의 법칙

적외선 난방의 기본 법칙

IR 가열이 발전함에 따라 열 전달의 작동을 뒷받침하는 기본 과학도 마찬가지이지만 세 가지 주요 법칙이 적용됩니다.

스테판-볼츠만 법 : IR 소스에서 특정 온도로 방사되는 총 전력을 제공합니다.
플랑크의 법칙 : 흑체 소스로부터 특정 온도에서 100 % 방사선을 방출하는 스펙트럼의 스펙트럼 분포를 제공합니다.
빈의 법칙 : 플랑크의 법칙에 따라, 이것은 흑체에 의해 방출 된 방사선의 스펙트럼 분포가 최대 지점에있는 파장을 예측합니다.

스테판 볼츠만 법

Steffan-Boltzmann Law는 주로 적외선 방사율과 관련됩니다. 물체의 표면적 온도와 흑체 계수를 기반으로 IR 소스의 전력 복사를 계산합니다. 완벽한 흑체는 1의 계수를 가지며 다른 재료는 해당 계수가 다릅니다 (아래 표 참조). 일반 물질의 방사율을 허용하면 Stefan-Boltzmann 법칙은 다음과 같습니다.

Kirchhoff의 열 복사 법칙에서 열 복사를 방출하고 흡수하는 임의의 물체에 대해 방사율은 흡수율과 같습니다. 이것은 방사율이 표면이 얼마나 흡수하고 방출 할 것인지를 결정하는 데 유용하다는 것을 의미합니다.

다양한 표면의 방사율 표

알루미늄 광택 0.09	황동 광택 0.03	청동 광택 0.10
카본 (캔들 그을음) 0.95	세라믹 (유리 도자기) 0.92	크롬 광택 0.10
콘크리트 0.85	구리 광택 0.02	구리 산화 0.65
유리 융합 석영 0.75	철 광택 0.21	철 녹 0.65
플라스틱 불투명 0.95	은색 광택 0.05	스테인레스 스틸 광택 0.16
스테인레스 스틸 산화 0.83	물 0.96

이 법칙을 사용하면 T1와 T2에서 두 방출 표면 사이의 순 열 전달을 계산할 수 있습니다. 두 가지가 모두 방출됨에 따라 순 전력 전송은 두 가지 출력 전력의 차이가됩니다.

플랑크의 법칙

플랑크의 법칙은 일정한 온도에서 열 평형 상태에서 흑체가 방출하는 전자기 복사를 설명합니다. 그것은 1900 년에 그것을 제안한 독일 물리학 자 막스 플랑크의 이름을 따서 명명되었습니다.

다양한 히터 (이미 터) 온도에 대해 플롯하면 Planck의 법칙은 다음을 예측합니다.

적외선 가열 에너지가 생성되는 주파수 범위
주어진 파장에 대한 방출 전력

아래의 '플랑크 법칙 설명 노트'를 참조하십시오.

빈의 변위 법

빈의 법칙은 플랑크의 법칙을 따르며 흑체가 방출하는 방사선의 스펙트럼 분포가 최대 지점에있는 파장을 예측합니다.

완벽한 흑체는 아무것도 반사하지 않고 순수한 열 방출을 방출하는 표면입니다. 완벽한 흑체에 대한 전력 대 파장의 그래프를 흑체 스펙트럼이라고합니다 (아래 다이어그램 참조). Planck 분포에서 각 온도 곡선의 최대 점을 연결하고 연결할 때 빨간색 점선이 나타납니다.

온도가 상승함에 따라 열복사는 더 짧은 파장, 더 높은 에너지 광을 생성합니다. 아래 그래프에서 전구가 가시 스펙트럼의 작은 부분만으로 특정 양의 에너지를 생성하는 방법을 볼 수 있습니다. 온도가 증가하고 피크 파장이 짧을수록 복사 에너지의 양이 많아집니다.

그래프는 또한 20 ° C 곡선이 가시 스펙트럼으로 확장되지 않기 때문에 실온에서 암석이 '빛나지'않을 것임을 보여줍니다. 물체가 뜨거워지면 가시 광선이나 빛을 발하기 시작합니다. 600 ° C에서 개체는 둔한 빨간색으로 빛납니다. 1,000 ° C에서 색상은 노랑-오렌지색이며 1,500 ° C에서 흰색으로 바뀝니다.

다른 두 가지 과학 법칙은 적외선 복사열의 실제 적용을 알려줍니다. 역 제곱 법 과 램버트 코사인 법.

역 제곱 법

Inverse Square Law는 IR 소스와 물체 사이의 복사 에너지의 관계를 정의합니다. 단위 면적당 강도는 해당 거리의 제곱에 반비례합니다. 그러나 실제로 역 제곱 법칙은 가열 플래 튼 및 오븐 시스템과 같이 평행 한 대형 표면과 관련하여 덜 효과적입니다.

램버트 코사인 법

Lambert의 코사인 법칙을 사용하면 방사선이 대상 물체에 직접 적용되지 않고 비스듬히 설정된 경우 IR 강도를 계산할 수 있습니다. 이 법칙은 주로 비교적 먼 거리에서 방사되는 작은 소스에 적용됩니다.

산업용 가열에 사용되는 적외선 이미 터는 일반적으로 0.75 ~ 10 μm 범위에서 사용 가능한 피크 방출 파장을 갖습니다. 이 범위 내에서 장파, 중파 및 단파의 세 가지 하위 부서가 있습니다.

원적외선 (FIR)이라고도하는 장파 이미 터는 3-10 μm 범위에서 피크 방출 범위를 갖습니다. 이 범위는 일반적으로 고체 또는 중공 구조의 고 방출 세라믹 본체에 내장 된 고온 저항 합금 코일로 구성된 세라믹 요소를 말합니다. 세라믹 이미 터는 평평하거나 곡선 (쓰루 스타일) 방출 표면을 가진 여러 산업 표준 크기로 제조됩니다.

표면 온도가 더 높은 방출 원을 사용하면 더 짧은 피크 방출 파장이 달성됩니다. 석영 카세트 스타일 이미 터는 세라믹과 유사한 산업 표준 크기로 제공되며 광택이있는 알루미늄 도금 강철 하우징에 내장 된 일련의 반투명 석영 튜브로 구성됩니다. 이 이미 터는 더 높은 전면 온도로 작동 할 수 있으며 장파장에서 중파 장 범위에서 방출됩니다.

중파 범위의 최단에는 스타 디자인 텅스텐 코일을 포함하는 밀봉 된 선형 투명 석영 튜브로 구성된 석영 텅스텐 이미 터가 있습니다. 텅스텐 코일은 낮은 열 관성으로 빠른 응답 시간을 제공합니다.

단파 석영 할로겐 범위는 원형 텅스텐 코일이 사용되고 석영 튜브가 할로겐 가스로 채워지는 것을 제외하고는 고속 중파 텅스텐 이미 터의 구조와 유사하다. 코일 온도가 높을수록 단파 범위에서 백색광과 피크 방출 파장이 생성됩니다.

플랑크의 법칙에 대한 설명

플랑크의 법칙에 따르면 방출 표면의 온도가 올라 갈수록 점점 더 많은 에너지가 적외선 에너지로 방출됩니다. 물체 온도가 높을수록 적외선 에너지의 양이 많아집니다. 더 강렬 (전력) 될뿐만 아니라 방출 된 주파수는 더 넓어지고 피크 파장은 더 짧아집니다.

적외선뿐만 아니라 매우 높은 온도에서는 더 짧은 파장의 가시광 선도 생성됩니다. 이것은 처음에는 칙칙한 붉은 빛으로 관찰 된 다음 주황색, 노란색, 마지막으로 흰색으로 나타납니다. 그림 1 (아래)는 1050 ° C에서 50 ° C까지 표시된 온도 범위에 대한 일반적인 Planck 's Law 곡선을 보여줍니다.

적외선 열에 대하여 — 그림 1 : 1050 ° C에서 50 ° C까지 다양한 이미 터 온도에 대한 적외선 분포

1050 ° C에 해당하는 분홍색 곡선이 가장 강한 출력을 나타냅니다. 가장 높은 전력 출력을 나타내고 피크는 약 2.5 미크론입니다. 그런 다음 850 ° C에서 생성 된 에너지의 최대 에너지보다 절반 이하인 1150 ° C에서 곡선이 이어집니다.

온도가 감소함에 따라 에너지 수준도 떨어지고 피크 에너지 파장은 더 긴 파장으로 이동합니다. 250 ° C, 100 ° C 및 50 ° C 곡선의 최저 온도는 그래프에서 볼 수 없지만 그래프가 확대되어 더 낮은 온도 곡선을 볼 때 더 긴 파장으로의 이동이 더 분명합니다. 그러나 전력 강도가 크게 떨어집니다.

그림 2 (아래)에 나와 있습니다. 250 ° C에서 파란색 곡선은 대략적인 피크 ~ 6 마이크론 인 것으로 볼 수 있지만 100 ° C에서 피크 파장은 ~ 7.5 마이크론입니다. 또한 파장의 범위는 더 균등하게 분포되어 있으며 더 높은 온도에서 보이는 집중된 좁은 피크를 나타내지 않습니다.