Infrarood: verwarmingswetten

De fundamentele wetten van infraroodverwarming

Naarmate IR-verwarming zich heeft ontwikkeld, heeft de fundamentele wetenschap die ten grondslag ligt aan de werking van de warmteoverdracht hetzelfde, maar er zijn drie belangrijke wetten van toepassing:

• Stefan-Boltzmann-wet: Geeft het totale vermogen uitgestraald bij een specifieke temperatuur van een IR-bron.
• Wet van Planck: Geeft de spectrale verdeling van straling van een zwarte lichaamsbron - een die 100% straling uitzendt bij een specifieke temperatuur.
• Wien's Law: In navolging van de wet van Planck, voorspelt dit de golflengte waarbij de spectrale verdeling van de straling die door een zwart lichaam wordt uitgezonden zich op een maximaal punt bevindt.

Steffan-Boltzmann-wet

De wet van Steffan-Boltzmann heeft voornamelijk betrekking op infraroodstraling. Berekening van de vermogensstraling van een IR-bron op basis van de oppervlaktetemperatuur van het object en samen met een zwarte lichaamsfactor. Een perfect zwart lichaam heeft een factor 1 - met andere materialen die in die factor variëren (zie onderstaande tabel). Wanneer we rekening houden met de emissiviteit van normale materialen, wordt de wet van Stefan-Boltzmann:

Binnen de definitie van de wet van Kirchhoff inzake thermische straling is de emissiviteit voor elke willekeurige instantie die thermische straling uitzendt en absorbeert gelijk aan zijn absorptievermogen. Dit betekent dat emissiviteit nuttig is om te bepalen hoeveel een oppervlak zal absorberen en uitstoten.

Tabel met emissiviteit van verschillende oppervlakken

Aluminium gepolijst 0.09	Messing gepolijst 0.03	Brons gepolijst 0.10
Koolstof (kaarsroet) 0.95	Keramiek (geglazuurd porselein) 0.92	Chroom gepolijst 0.10
Concrete 0.85	Koper gepolijst 0.02	Koper geoxideerd 0.65
Glasgesmolten kwarts 0.75	IJzergepolijst 0.21	IJzer verroest 0.65
Plastic ondoorzichtig 0.95	Zilver gepolijst 0.05	Roestvrij staal gepolijst 0.16
Roestvrij staal geoxideerd 0.83	Water 0.96

Door deze wet te gebruiken, kunnen we nu de netto warmteoverdracht tussen twee emitterende oppervlakken bij T1 en T2 berekenen. Aangezien beide emitteren, is de netto-vermogensoverdracht het verschil tussen beide uitgezonden vermogensoutputs.

Wet van Planck

De wet van Planck beschrijft de elektromagnetische straling die wordt uitgezonden door een zwart lichaam in thermisch evenwicht bij een bepaalde temperatuur. Het is genoemd naar Max Planck, een Duitse natuurkundige die het in 1900 voorstelde.

Wanneer uitgezet voor verschillende verwarming (emitter) temperaturen, voorspelt de wet van Planck:

1. Het frequentiebereik waarover infraroodverwarmingsenergie wordt geproduceerd
2. De emitterende kracht voor een bepaalde golflengte

Zie 'Toelichting op de wet van Planck' hieronder.

Wien's verplaatsingswet

De wet van Wien is een vervolg op de wet van Planck en voorspelt de golflengte waarbij de spectrale verdeling van de straling die door een zwart lichaam wordt uitgezonden zich op een maximaal punt bevindt.

Een perfect zwart lichaam is een oppervlak dat niets reflecteert en pure thermische straling uitzendt. De grafiek van vermogen versus golflengte voor een perfect zwart lichaam wordt het zwartlichaam spectrum genoemd (zie onderstaande afbeelding). Let op de rode stippellijn die wordt gevormd wanneer we de maximale punten van elke temperatuurcurve op de verdeling van Planck verbinden en verbinden.

Naarmate de temperatuur stijgt, produceert thermische straling kortere golflengte, hoger energielicht. Uit de onderstaande grafiek kunnen we zien hoe een gloeilamp een bepaalde hoeveelheid energie produceert met slechts een klein deel in het zichtbare spectrum. Naarmate de temperatuur stijgt en de piekgolflengte korter wordt, des te groter de hoeveelheid uitgestraalde energie.

De grafiek laat ook zien dat een steen bij kamertemperatuur niet 'gloeit' omdat de curve voor 20 ° C zich niet uitstrekt in het zichtbare spectrum. Wanneer objecten opwarmen, beginnen ze zichtbaar licht af te geven of te gloeien. Bij 600 ° C gloeien objecten saai rood. Bij 1,000 ° C is de kleur geeloranje en wordt deze wit bij 1,500 ° C.

Twee andere wetenschappelijke wetten informeren de praktische toepassing van infrarood stralingswarmte - de Omgekeerde vierkante wet en De Cosinuswet van Lambert.

Omgekeerde vierkante wet

De Inverse Square Law definieert de relatie van stralingsenergie tussen een IR-bron en zijn object - dat de intensiteit per oppervlakte-eenheid varieert in omgekeerde verhouding tot het kwadraat van die afstand. In de praktijk is de inverse kwadratenwet echter minder effectief als het gaat om grote parallelle oppervlakken, zoals verwarmde platen en ovensystemen.

De Cosinuswet van Lambert

Lambert's cosinuswet maakt de berekening van de IR-intensiteit mogelijk wanneer de straling niet rechtstreeks op het doellichaam wordt toegepast, maar onder een hoek wordt geplaatst. Deze wet is vooral van toepassing op kleine bronnen die over een relatief grote afstand uitstralen.

Infraroodemitters die worden gebruikt bij industriële verwarming hebben over het algemeen een bruikbare piekemissiegolflengte in het bereik van 0.75 tot 10 μm. Binnen dit bereik zijn er drie onderverdelingen die een lange, middellange en korte golf hebben.

Longwave-emitters, ook bekend als ver-infrarood (FIR), hebben een piekemissiebereik in het 3-10 μm-bereik. Dit bereik verwijst in het algemeen naar keramische elementen die bestaan ​​uit een legeringsspiraal met hoge temperatuurbestendigheid ingebed in een massief of hol geconstrueerd, zeer emitterend keramisch lichaam. Keramische emitters worden vervaardigd in een aantal industriële standaardmaten met vlakke of gebogen (doorgaande stijl) emitterende oppervlakken.

Kortere piekemissiegolflengten worden bereikt door emissiebronnen met hogere oppervlaktetemperaturen te gebruiken. Emitters van kwartscassettestijl zijn verkrijgbaar in vergelijkbare industriële standaardmaten als die van keramiek en bestaan ​​uit een reeks doorschijnende kwartsbuizen ingebouwd in een gepolijst gealuminiseerde stalen behuizing. Deze emitters kunnen werken met een hogere oppervlaktetemperatuur aan de voorkant en emitteren in het lange tot gemiddelde golfbereik.

Aan het kortere uiteinde van het middengolfbereik bevindt zich de kwarts-wolfraamzender die bestaat uit een afgesloten lineaire heldere kwartsbuis met een wolfraamspiraal met een sterontwerp. De wolfraamspiraal biedt een snelle responstijd met lage thermische inertie.

Het kortegolfkwartshalogeenbereik heeft een soortgelijke constructie als die van de snel-middengolf wolfraamzender, behalve dat een ronde wolfraamspiraal wordt gebruikt en kwartsbuizen worden gevuld met halogeengas. De hogere spoeltemperatuur resulteert in het genereren van wit licht en een piekemissiegolflengte in het korte golfbereik.

Toelichting bij de wet van Planck

De wet van Planck vertelt ons dat naarmate de temperatuur van een emitterend oppervlak stijgt, meer en meer energie wordt vrijgegeven als infraroodenergie. Hoe hoger de objecttemperatuur, hoe groter de hoeveelheid infraroodenergie zal worden geproduceerd. Behalve intenser (vermogen) worden de uitgezonden frequenties breder en wordt de piekgolflengte korter.

Bij zeer hoge temperaturen, niet alleen infrarood, wordt ook zichtbaar licht met een kortere golflengte geproduceerd. Dit wordt eerst gezien als een saaie rode gloed, daarna tot oranje, geel en uiteindelijk wit. Afbeelding 1 (hieronder) toont typische Planck's Law-curven voor een bereik van temperaturen uitgezet van 1050 ° C tot 50 ° C.

De roze curve die overeenkomt met 1050 ° C vertoont de sterkste output. Het toont het hoogste uitgangsvermogen en zijn piek ligt rond de 2.5 micron. Dit wordt gevolgd door de curve bij 850 ° C waarbij de piekenergie minder is dan de helft van die geproduceerd bij 1150 ° C.

Naarmate de temperatuur daalt, dalen ook de energieniveaus en verschuift de piekenergiegolflengte naar de langere golflengten. De laagste temperaturen van de 250 ° C-, 100 ° C- en 50 ° C-krommen zijn niet zichtbaar in de grafiek, maar wanneer de grafiek wordt vergroot om de lagere temperatuurcurven te zien, is deze verschuiving naar de langere golflengten duidelijker. De krachtintensiteit daalt echter aanzienlijk.

Dit wordt getoond in figuur 2 (hieronder). Bij 250 ° C kan de blauwe curve een geschatte piek ~ 6 micron hebben, terwijl bij 100 ° C de piekgolflengte ~ 7.5 micron is. Merk ook op dat de golflengte gelijkmatiger is verdeeld en niet de geconcentreerde smalle piek vertoont die wordt gezien bij hogere temperaturen.

Als we dezelfde grafiek opnieuw vergroten en alleen focussen op de lagere temperaturen zoals weergegeven in figuur 3 (hieronder), zien we dat temperaturen van 50 ° C en 25 ° C piekgolflengten hebben van respectievelijk ~ 9 en 10 microns.

Deze informatie toepassen

Als experts op ons vakgebied hopen we dat deze pagina's met informatie u zullen helpen infrarood beter te begrijpen. Het belangrijkste is om te weten wat uw materiaal is en waarvoor u uw materiaal nodig heeft. Voor de rest kunnen wij u adviseren!