Infrarød: Oppvarmingslover

De grunnleggende lovene for infrarød oppvarming

Etter hvert som IR-oppvarming har utviklet seg, har også den grunnleggende vitenskapen som ligger til grunn for virkningen av dens varmeoverføring, men tre hovedlover gjelder:

• Stefan-Boltzmann lov: Gir total effekt utstrålt ved en spesifikk temperatur fra en IR-kilde.
• Plancks lov: Gir den spektrale distribusjonen av stråling fra en svart kroppskilde - en som avgir 100% stråling ved en spesifikk temperatur.
• Wiens lov: I følge Plancks lov forutsier dette bølgelengden hvor den spektrale fordelingen av strålingen som sendes ut av et svart legeme er på et maksimalt punkt.

Steffan-Boltzmann Law

Steffan-Boltzmann-loven gjelder primært infrarød emissivitet. Beregning av effektstråling fra en IR-kilde basert på objektets overflatetemperatur og sammen med en svart kroppsfaktor. En perfekt svart kropp har en faktor 1 - med andre materialer som varierer i den faktoren (se tabellen nedenfor). Når vi tillater utslipp av normale materialer, blir Stefan-Boltzmann-loven:

Innenfor definisjonen av Kirchhoffs lov om termisk stråling, for enhver vilkårlig kropp som sender ut og absorberer termisk stråling, er emissiviteten lik dens absorpsjon. Dette betyr at emissivitet er nyttig for å bestemme hvor mye en overflate vil absorbere så vel som avgir.

Tabell over emissivitet for forskjellige overflater

Aluminium polert 0.09	Messingpolert 0.03	Bronse polert 0.10
Karbon (stearinlys) 0.95	Keramikk (glassert porselen) 0.92	Krompolert 0.10
Betong 0.85	Kobberpolert 0.02	Kobber oksidert 0.65
Glass smeltet kvarts 0.75	Jernpolert 0.21	Jernrost 0.65
Plast ugjennomsiktig 0.95	Sølvpolert 0.05	Rustfritt stål polert 0.16
Rustfritt stål oksidert 0.83	vann 0.96

Å bruke denne loven betyr at vi nå kan beregne netto varmeoverføring mellom to utsendende flater ved T1 og T2. Ettersom begge sender ut, vil nettoverføringen være forskjellen mellom begge utsendte strømutgangene.

Plancks lov

Plancks lov beskriver den elektromagnetiske strålingen som sendes ut av en svart kropp i termisk likevekt ved en bestemt temperatur. Den er oppkalt etter Max Planck, en tysk fysiker som foreslo den i 1900.

Når plottet er planlagt for forskjellige varmeapparatstemperaturer, forutsier Plancks lov:

1. Omfanget av frekvenser som infrarød varmeenergi produseres over
2. Den utsendende kraften for en gitt bølgelengde

Vennligst se 'Forklarende merknader om Plancks lov' nedenfor.

Wiens forskyvningslov

Wiens lov er en følge av Plancks lov og spår bølgelengden der spektralfordelingen av strålingen som sendes ut av et svart legeme, er på et maksimalt punkt.

En perfekt sort kropp er en overflate som reflekterer ingenting og avgir ren termisk stråling. Grafen over kraft kontra bølgelengde for en perfekt svart kropp kalles svartkroppspekteret (se diagram nedenfor). Legg merke til den prikkede røde linjen som dannes når vi kobler maksimale punkter for hver temperaturkurve på Plancks distribusjon og kobler dem til.

Når temperaturen stiger, produserer termisk stråling kortere bølgelengde, høyere energi lys. Fra grafen nedenfor kan vi se hvordan en lyspære produserer en viss mengde energi med bare en liten del i det synlige spekteret. Når temperaturen øker og toppbølgelengden blir kortere, desto større blir mengden utstrålt energi.

Grafen viser også at en stein ved romtemperatur ikke vil 'gløde', da kurven for 20 ° C ikke strekker seg inn i det synlige spekteret. Når gjenstander varmer opp, begynner de å gi fra seg synlig lys eller glød. Ved 600 ° C lyser gjenstandene kjedelig rød. Ved 1,000 ° C er fargen gul-oransje, og blir til hvit ved 1,500 ° C.

To andre vitenskapelige lover informerer om praktisk anvendelse av infrarød strålevarme - Inverse Square Law og Lamberts kosinelov.

Inverse Square Law

Inverse Square Law definerer forholdet mellom strålingsenergi mellom en IR-kilde og dens objekt - at intensiteten per enhetsareal varierer i omvendt proporsjon til kvadratet på den avstanden. Imidlertid er den omvendte firkantloven i praksis mindre effektiv når det gjelder store parallelle flater, som for eksempel oppvarmede platener og ovnssystemer.

Lamberts kosinelov

Lambert's Cosine Law tillater beregning av IR-intensitet når strålingen ikke påføres direkte på mållegemet, men er satt i en vinkel. Denne loven gjelder hovedsakelig for små kilder som stråler over en relativt stor avstand.

Infrarøde strålere som brukes i industriell oppvarming har generelt en brukbar topputslippsbølgelengde i området 0.75 til 10 μm. Innenfor dette området er det tre underavdelinger som er lange, mellomstore og korte bølger.

Langbølgeavgivere, også kjent som langt infrarød (FIR), har et topputslippsområde i 3-10 μm-området. Dette området refererer generelt til keramiske elementer som består av en legeringspole med høy temperaturbestandighet innebygd i enten et solid eller hulkonstruert meget emissivt keramisk legeme. Keramiske emittere produseres i en rekke industristandardstørrelser med enten flate eller buede (gjennomgående stil) emitterende overflater.

Kortere topputslippsbølgelengder oppnås ved å bruke utslippskilder med høyere overflatetemperatur. Utsendelse av kvarts-kassettstil er i lignende industristandardstørrelser som keramikk og består av en serie gjennomskinnelige kvartsrør bygget inn i et polert aluminiumsstålhus. Disse utsenderne kan operere med høyere frontoverflatetemperatur og avgir i det lange til middels bølgebånd.

I den kortere enden av mediumbølgens rekkevidde er kvarts-volframemitteren som består av et forseglet, lineært klart kvartsrør som inneholder en stjernedesign-wolframspole. Wolframspolen gir en rask responstid med lav termisk treghet.

Kortbølgekvartshalogenområdet har en lignende konstruksjon som for den hurtigmediumbølgede wolframemitteren, med unntak av at det brukes en rund wolframspole og kvartsrørene er fylt med halogengass. Den høyere spoletemperaturen resulterer i generering av hvitt lys og en maksimal utslippsbølgelengde i kortbølgerområdet.

Forklarende merknader til Plancks lov

Plancks lov forteller oss at når temperaturen på en hvilken som helst avgirende overflate øker, vil mer og mer energi frigjøres som infrarød energi. Jo høyere objekttemperatur, jo større blir mengden av infrarød energi produsert. I tillegg til å bli mer intens (kraft) blir de utsendte frekvensene bredere og toppbølgelengden blir kortere.

Ved veldig høye temperaturer, ikke bare infrarødt, vil det også bli produsert noe synlig lys med kortere bølgelengde. Dette blir først sett på som en kjedelig rød glød, deretter til oransje, gul og til slutt hvit. Figur 1 (nedenfor) viser typiske Plancks lovkurver for et temperaturområde fra 1050 ° C til 50 ° C.

Den rosa kurven som tilsvarer 1050 ° C har den sterkeste ytelsen. Den viser den høyeste krafteffekten, og toppen er på rundt 2.5 mikron. Dette blir fulgt av kurven ved 850 ° C der toppsenergien er mindre enn halvparten av den som produseres ved 1150 ° C.

Når temperaturen synker, synker også energinivåene, og topp energibølgelengden forskyves til de lengre bølgelengdene. De laveste temperaturene fra 250 ° C, 100 ° C og 50 ° C kurver kan ikke sees i grafen, men når grafen er forstørret for å se kurver med lavere temperatur, er dette skiftet til lengre bølgelengder mer synlig. Kraftintensiteten synker imidlertid betydelig.

Dette er vist i figur 2 (nedenfor). Ved 250 ° C kan det sees at den blå kurven har en tilnærmet topp ~ 6 mikron, mens ved 100 ° C er toppbølgelengden ~ 7.5 mikron. Legg også merke til at bølgelengden er jevnere fordelt og ikke viser den konsentrerte smale toppen sett ved høyere temperaturer.

Hvis vi forstørrer den samme grafen igjen og bare fokuserer på de lavere temperaturene som vist i figur 3 (nedenfor), ser vi temperaturer på 50 ° C og 25 ° C har toppbølgelengder på henholdsvis ~ 9 og 10 mikron.

Bruk av denne informasjonen

Som eksperter innen vårt felt håper vi disse sidene med informasjon vil hjelpe deg med å forstå infrarød bedre. Det viktigste er å vite hva materialet ditt er og hva du trenger materialet ditt å gjøre. Vi kan gi deg råd om resten!