Infraraudonieji spinduliai: šildymo dėsniai

Pagrindiniai infraraudonųjų spindulių šildymo įstatymai

Kadangi IR šildymas vystėsi, toks yra ir pagrindinis mokslas, kuris grindžia šilumos perdavimo procesą, tačiau galioja trys pagrindiniai įstatymai:

• Stefano-Boltzmanno įstatymai: Suteikia bendrą galią, spinduliuojamą tam tikroje temperatūroje iš IR šaltinio.
• Plancko įstatymas: Suteikia spektro spinduliuotės pasiskirstymą iš juodo kūno šaltinio - tokio, kuris tam tikroje temperatūroje skleidžia 100% spinduliuotės.
• Vyno įstatymas: Remiantis Plancko įstatymu, tai numato bangos ilgį, kuriame juodojo kūno skleidžiamos radiacijos spektrinis pasiskirstymas yra didžiausiame taške.

Steffano-Boltzmanno įstatymas

Steffano-Boltzmanno įstatymas pirmiausia susijęs su infraraudonųjų spindulių spinduliavimu. Infraraudonųjų spindulių šaltinio galios spinduliuotės apskaičiavimas pagal objekto paviršiaus temperatūrą ir juodojo kūno faktorių. Puikiai juodo korpuso koeficientas yra 1 - su kitomis medžiagomis šis faktorius skiriasi (žr. Toliau pateiktą lentelę). Kai leidžiame normalių medžiagų skleidžiamumą, Stefano-Boltzmanno įstatymas tampa:

Pagal Kirchhoffo terminės spinduliuotės apibrėžimą, bet kokio savavališko kūno, skleidžiančio ir sugeriančio šiluminę spinduliuotę, spinduliuotė yra lygi jo absorbcijai. Tai reiškia, kad spinduliuotė yra naudinga norint nustatyti, kiek paviršiaus sugers ir išmes.

Įvairių paviršių spinduliavimo lentelė

Aliuminis poliruotas 0.09	Žalvaris poliruotas 0.03	Bronzinis poliruotas 0.10
Anglies (žvakės suodžiai) 0.95	Keraminis (glazūruotas porcelianas) 0.92	Chromo poliruotas 0.10
Betonas 0.85	Vario poliruotas 0.02	Varis oksiduotas 0.65
Stiklas lydytas kvarcas 0.75	Geležies poliruotas 0.21	Geležies rūdis 0.65
Plastikinis nepermatomas 0.95	Sidabrinis poliruotas 0.05	Nerūdijančio plieno poliruotas 0.16
Nerūdijančio plieno oksiduotas 0.83	Vanduo 0.96

Šis įstatymas reiškia, kad dabar galime apskaičiuoti grynąjį šilumos perdavimą tarp dviejų spinduliuojančių paviršių T1 ir T2. Kadangi abu skleidžia energiją, grynasis energijos perdavimas bus skirtumas tarp abiejų skleidžiamų energijos išėjimų.

Plancko dėsnis

Plancko dėsnis apibūdina elektromagnetinę spinduliuotę, kurią tam tikros temperatūros šiluminėje pusiausvyroje skleidžia juodas kūnas. Jis pavadintas vokiečio fiziko Maxo Plancko, kuris jį pasiūlė 1900 m., Vardu.

Planko dėsnis nubraižo įvairias šildytuvo (emiterio) temperatūras:

1. Dažnių diapazonas, per kurį bus gaminamas infraraudonųjų spindulių šildymo energija
2. Išmetamoji galia tam tikram bangos ilgiui

Žr. Žemiau pateiktą „Plancko įstatymo aiškinamąsias pastabas“.

Vyno poslinkio įstatymas

Wieno dėsnis yra Planko įstatymo tęsinys ir numato bangos ilgį, kuriame juodojo kūno skleidžiamos radiacijos spektrinis pasiskirstymas yra maksimalus taškas.

Tobulas juodas kūnas yra paviršius, kuris nieko neatspindi ir skleidžia gryną šiluminę spinduliuotę. Tobulo juodojo kūno galios ir bangos ilgio grafikas vadinamas juodojo kūno spektru (žr. Diagramą žemiau). Atkreipkite dėmesį į taškinę raudoną liniją, suformuotą, kai sujungiame maksimalius kiekvienos temperatūros kreivės taškus pagal Plancko paskirstymą ir sujungiame juos.

Kylant temperatūrai šiluminė spinduliuotė sukuria trumpesnį bangos ilgį, didesnės energijos energiją. Iš žemiau pateikto grafiko matome, kaip lemputė sukuria tam tikrą energijos kiekį, o matomoje spektro dalyje yra tik maža dalis. Kuo didesnė temperatūra ir kuo mažesnis smailės bangos ilgis, tuo didesnis spinduliuojamos energijos kiekis.

Grafike taip pat parodyta, kad uoliena kambario temperatūroje „nešvies“, nes 20 ° C kreivė neišplečia matomo spektro. Kai objektai įkaista, jie pradeda skleisti matomą šviesą arba švyti. 600 ° C temperatūroje objektai švyti tamsiai raudonai. Esant 1,000 ° C, spalva yra geltonai oranžinė, o 1,500 ° C temperatūroje virsta balta.

Du kiti mokslo dėsniai informuoja apie infraraudonųjų spindulių šilumos praktinį pritaikymą - Atvirkštinio kvadrato dėsnis ir Lamberto kosinuso dėsnis.

Atvirkštinio kvadrato dėsnis

Atvirkštinio kvadrato dėsnis apibrėžia spinduliuotės energijos santykį tarp IR šaltinio ir jo objekto - kad ploto vieneto intensyvumas kinta atvirkščiai proporcingai to atstumo kvadratui. Tačiau praktiškai atvirkštinio kvadrato įstatymas yra mažiau veiksmingas, kai kalbama apie didelius lygiagrečius paviršius, tokius kaip šildomos plokštės ir orkaitės sistemos.

Lamberto kosinuso dėsnis

Lamberto kosinuso įstatymas leidžia apskaičiuoti IR intensyvumą, kai spinduliuotė nėra nukreipta tiesiai į tikslinį kūną, bet yra nustatyta kampu. Šis įstatymas daugiausia taikomas mažiems šaltiniams, sklindantiems gana dideliu atstumu.

Pramoniniam šildymui naudojami infraraudonųjų spindulių spinduliuotės spinduliuotės bangos ilgiai paprastai yra nuo 0.75 iki 10 μm. Šiame diapazone yra trys padalijimai, kurie yra ilgoji, vidutinė ir trumpoji bangos.

Ilgosios bangos spinduliuotės, dar žinomos kaip tolimosios infraraudonosios spinduliuotės (FIR), spinduliuotės maksimalus diapazonas yra 3 – 10 μm. Šis diapazonas paprastai reiškia keraminius elementus, kuriuos sudaro aukšto temperatūros atsparumo lydinio ritė, įterpta į kietą arba tuščiavidurį sukonstruotą labai spinduliuojantį keraminį korpusą. Keraminiai spinduliuotės gaminami įvairių standartų pramonėje, naudojant lygius arba išlenktus (mažiausio tipo) paviršius.

Trumpesni spinduliuotės bangų ilgiai pasiekiami naudojant aukštesnės paviršiaus temperatūros šaltinius. Kasetinio stiliaus kvarco spinduliuotės yra tokio paties dydžio kaip keramikos pramonėje ir jas sudaro keli permatomi kvarco vamzdžiai, įmontuoti į poliruotą aliuminuotą plieninį korpusą. Šie spinduoliai gali veikti esant aukštesnei priekinio paviršiaus temperatūrai ir skleisti ilgą ar vidutinį bangų diapazoną.

Trumpesniame vidutinių bangų diapazono gale yra kvarco volframo spinduliuotė, kurią sudaro sandarus linijinis skaidrus kvarco vamzdis, kuriame yra žvaigždės formos volframo ritė. Volframo ritė užtikrina greitą reagavimo laiką esant mažai šiluminei inercijai.

Trumposios bangos kvarco halogeno diapazonas yra panašios konstrukcijos kaip greito vidutinio bangos volframo spinduolis, išskyrus tai, kad naudojama apvali volframo ritė ir kvarco vamzdžiai užpildyti halogeninėmis dujomis. Dėl aukštesnės ritės temperatūros susidaro balta šviesa, o didžiausias spinduliuotės bangos ilgis yra trumpųjų bangų diapazone.

Plancko įstatymo aiškinamosios pastabos

Planko įstatymas mums sako, kad didėjant bet kokio spinduliuojančio paviršiaus temperatūrai, vis daugiau ir daugiau energijos bus išleidžiama kaip infraraudonųjų spindulių energija. Kuo aukštesnė objekto temperatūra, tuo didesnis bus infraraudonųjų spindulių energijos kiekis. Išmetami dažniai tampa ne tik intensyvesni (galingi), bet ir plačiau, o smailės bangos ilgis trumpėja.

Esant labai aukštai temperatūrai, ne tik infraraudoniesiems spinduliams, bus skleidžiama trumpesnė bangos ilgio matoma šviesa. Pirmiausia tai matoma kaip nuobodu raudonas spindesys, vėliau - oranžinis, geltonas ir galiausiai baltas. 1 paveikslėlis (žemiau) parodo tipiškas Planko dėsnio kreives temperatūros diapazonui nuo 1050 ° C iki 50 ° C.

Rožinė kreivė, atitinkanti 1050 ° C, rodo didžiausią išėjimą. Tai rodo didžiausią galią, o jo didžiausia galia yra maždaug 2.5 mikronų. Po jo eina kreivė esant 850 ° C, kur smailės energija yra mažesnė nei pusė energijos, gautos esant 1150 ° C.

Mažėjant temperatūrai, krenta ir energijos lygis, o didžiausias energijos bangos ilgis pasislenka į ilgesnius bangos ilgius. Žemiausios temperatūros iš 250 ° C, 100 ° C ir 50 ° C kreivių grafike nematomos, tačiau padidinus grafiką, kad būtų matyti žemesnės temperatūros kreivės, šis poslinkis į ilgesnius bangos ilgius yra akivaizdesnis. Tačiau galios intensyvumas smarkiai sumažėja.

Tai parodyta 2 paveiksle (žemiau). Esant 250 ° C, mėlynos kreivės pikas gali būti apytiksliai ~ 6 mikronų, tuo tarpu esant 100 ° C smailės bangos ilgis yra ~ 7.5 mikronų. Taip pat atkreipkite dėmesį, kad bangos ilgis yra tolygiau pasiskirstęs ir nerodo koncentruotos siauros smailės, matomos aukštesnėje temperatūroje.

Jei dar kartą padidinsime tą patį grafiką ir sutelksime dėmesį tik į žemesnę temperatūrą, kaip parodyta 3 paveiksle (žemiau), matome, kad 50 ° C ir 25 ° C temperatūros smailės bangos ilgiai yra atitinkamai ~ 9 ir 10 mikronai.

Taikant šią informaciją

Kaip savo srities ekspertai, tikimės, kad šie informacijos puslapiai padės geriau suprasti infraraudonųjų spindulių ryšį. Svarbiausia žinoti, kokia yra jūsų medžiaga ir ką jums reikia atlikti. Mes galime jums patarti dėl kitų dalykų!