Podczerwień: prawa ogrzewania

Podstawowe prawa ogrzewania na podczerwień

Wraz z ewolucją ogrzewania na podczerwień, podobnie jak fundamentalna nauka, która leży u podstaw jego wymiany ciepła, obowiązują jednak trzy główne prawa:

• Prawo Stefana-Boltzmanna: Podaje całkowitą moc wypromieniowaną w określonej temperaturze ze źródła podczerwieni.
• Prawo Plancka: Podaje rozkład widmowy promieniowania ze źródła czarnego ciała - takiego, które emituje promieniowanie 100% w określonej temperaturze.
• Prawo Wiednia: Zgodnie z prawem Plancka przewiduje to długość fali, przy której rozkład widmowy promieniowania emitowanego przez ciało czarne znajduje się w punkcie maksymalnym.

Prawo Steffana-Boltzmanna

Prawo Steffana-Boltzmanna dotyczy przede wszystkim emisyjności w podczerwieni. Obliczanie mocy promieniowania ze źródła IR na podstawie temperatury powierzchni obiektu i razem z współczynnikiem ciała doskonale czarnego. Idealnie czarne ciało ma współczynnik 1 - z innymi materiałami różniącymi się tym współczynnikiem (patrz tabela poniżej). Kiedy uwzględniamy emisyjność normalnych materiałów, prawo Stefana-Boltzmanna staje się:

Zgodnie z definicją prawa Kirchhoffa dotyczącego promieniowania cieplnego dla każdego dowolnego ciała emitującego i pochłaniającego promieniowanie cieplne emisyjność jest równa jego absorpcji. Oznacza to, że emisyjność jest przydatna do określenia, jak dużo powierzchnia będzie absorbować, a także emitować.

Tabela emisyjności różnych powierzchni

0.09 polerowany aluminium	Mosiądz polerowany 0.03	0.10 polerowany na brąz
Węgiel (sadza świeca) 0.95	Ceramika (szkliwiona porcelana) 0.92	Polerowany chromem 0.10
Beton 0.85	0.02 polerowany miedzią	0.65 utleniony miedzią
Kwarc szklany stopiony 0.75	0.21 polerowany żelazem	Żelazo zardzewiałe 0.65
Nieprzezroczysty plastik 0.95	Srebro polerowane 0.05	Stal nierdzewna polerowana 0.16
Stal nierdzewna oksydowana 0.83	Woda 0.96

Korzystanie z tego prawa oznacza, że ​​możemy teraz obliczyć przenikanie ciepła netto między dwiema powierzchniami emitującymi w T1 i T2. Ponieważ oba emitują, transfer mocy netto będzie różnicą między obydwoma emitowanymi wyjściami mocy.

Prawo Plancka

Prawo Plancka opisuje promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez ciało doskonale czarne w równowadze termicznej w określonej temperaturze. Został nazwany na cześć Maxa Plancka, niemieckiego fizyka, który zaproponował go w 1900 roku.

Na wykresie dla różnych temperatur grzałek (emiterów) prawo Plancka przewiduje:

1. Zakres częstotliwości, na których będzie wytwarzana energia cieplna w podczerwieni
2. Moc emisyjna dla danej długości fali

Zobacz „Noty wyjaśniające do prawa Plancka” poniżej.

Prawo przemieszczenia Wien'a

Prawo Wien'a jest kontynuacją prawa Plancka i przewiduje długość fali, przy której rozkład widmowy promieniowania emitowanego przez ciało czarne jest w punkcie maksymalnym.

Idealne czarne ciało to powierzchnia, która niczego nie odbija i emituje czyste promieniowanie cieplne. Wykres mocy w funkcji długości fali dla idealnego ciała czarnego nazywa się widmem ciała czarnego (patrz diagram poniżej). Zwróć uwagę na kropkowaną czerwoną linię powstałą, gdy połączymy maksymalne punkty każdej krzywej temperatury na rozkładzie Plancka i połączymy je.

Wraz ze wzrostem temperatury promieniowanie cieplne wytwarza światło o krótszej długości fali i wyższej energii. Na poniższym wykresie możemy zobaczyć, w jaki sposób żarówka wytwarza określoną ilość energii przy niewielkiej części widma widzialnego. W miarę wzrostu temperatury i krótszej długości fali szczytowej, tym większa ilość wypromieniowanej energii.

Wykres pokazuje również, że skała w temperaturze pokojowej nie będzie „świecić”, ponieważ krzywa dla 20 ° C nie rozciąga się na widmo widzialne. Gdy przedmioty się nagrzewają, zaczynają emitować widzialne światło lub blask. W temperaturze 600 ° C obiekty świecą matową czerwienią. W 1,000 ° C kolor jest żółto-pomarańczowy, przy 1,500 ° C zmienia się w biały.

Dwa inne prawa naukowe informują o praktycznym zastosowaniu promieniowania podczerwonego - tzw Prawa odwrotnych kwadratów i Prawo Cosinusa Lamberta.

Prawa odwrotnych kwadratów

Prawo odwrotnych kwadratów określa zależność energii promieniowania między źródłem podczerwieni a jego obiektem - że natężenie na jednostkę powierzchni zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu tej odległości. Jednak w praktyce prawo odwrotności kwadratów jest mniej skuteczne w przypadku dużych równoległych powierzchni, takich jak podgrzewane płyty dociskowe i systemy piekarników.

Prawo Cosinusa Lamberta

Prawo cosinusa Lamberta pozwala na obliczenie intensywności IR, gdy promieniowanie nie jest przykładane bezpośrednio do ciała docelowego, ale jest ustawione pod kątem. Prawo to dotyczy głównie małych źródeł promieniujących na stosunkowo dużą odległość.

Emitery podczerwieni stosowane w ogrzewaniu przemysłowym mają zwykle użyteczną szczytową długość fali emisji w zakresie od 0.75 do 10 μm. W tym zakresie istnieją trzy podrejony, które są falami długimi, średnimi i krótkimi.

Emitery długofalowe, znane również jako dalekiej podczerwieni (FIR), mają szczytowy zakres emisji w zakresie 3-10 μm. Ten zakres ogólnie odnosi się do elementów ceramicznych, które składają się z cewki ze stopu odpornego na wysokie temperatury, osadzonej w solidnej lub pustej w środku wysoce ceramicznej obudowie. Emitery ceramiczne produkowane są w wielu standardowych rozmiarach z płaskimi lub zakrzywionymi powierzchniami emitującymi promieniowanie.

Krótsze szczytowe długości fali emisji osiąga się, stosując źródła emisji o wyższych temperaturach powierzchniowych. Emitery w stylu kasety kwarcowej są dostępne w podobnych standardowych rozmiarach przemysłowych jak ceramiczne i składają się z serii półprzezroczystych rur kwarcowych wbudowanych w polerowaną aluminiową obudowę ze stali. Emitery te mogą pracować z wyższą temperaturą powierzchni przedniej i emitować w zakresie fal długich do średnich.

Na krótszym końcu zakresu fal średnich znajduje się kwarcowy emiter wolframu, który składa się z zamkniętej liniowej przezroczystej rurki kwarcowej zawierającej cewkę wolframową w kształcie gwiazdy. Cewka wolframowa zapewnia szybki czas reakcji przy niskiej bezwładności cieplnej.

Krótkofalowe kwarcowe halogenowe lampy halogenowe mają podobną budowę jak szybko-średniofalowy emiter wolframowy, z tym wyjątkiem, że zastosowano okrągłą cewkę wolframową i rury kwarcowe są wypełnione gazowym halogenem. Wyższa temperatura cewki powoduje generowanie białego światła i szczytową długość fali emisji w zakresie fal krótkich.

Noty wyjaśniające do prawa Plancka

Prawo Plancka mówi nam, że wraz ze wzrostem temperatury każdej emitującej powierzchni, coraz więcej energii będzie uwalniane jako energia podczerwieni. Im wyższa temperatura obiektu, tym większa ilość wytwarzanej energii podczerwieni. Wraz ze wzrostem intensywności (mocy) emitowane częstotliwości stają się szersze, a szczytowa długość fali staje się krótsza.

W bardzo wysokich temperaturach, nie tylko w podczerwieni, wytwarzane będzie również światło widzialne o krótszej długości fali. Najpierw świadczy o tym tępy czerwony blask, potem pomarańczowy, żółty, a na koniec biały. Rysunek 1 (poniżej) pokazuje typowe krzywe Prawa Plancka dla zakresu temperatur wykreślonych od 1050 ° C do 50 ° C.

Różowa krzywa odpowiadająca 1050 ° C wykazuje najwyższą moc wyjściową. Pokazuje najwyższą moc wyjściową, a jej szczyt wynosi około mikronów 2.5. Następnie następuje krzywa w 850 ° C, gdzie energia szczytowa jest mniejsza niż połowa energii wytwarzanej w 1150 ° C.

Gdy temperatura spada, poziomy energii również spadają, a szczytowa długość fali energii przesuwa się na dłuższą długość fali. Najniższych temperatur z krzywych 250 ° C, 100 ° C i 50 ° C nie można zobaczyć na wykresie, ale gdy wykres zostanie powiększony, aby zobaczyć krzywe niższych temperatur, to przesunięcie do dłuższych długości fal jest bardziej widoczne. Jednak intensywność mocy spada znacznie.

Jest to pokazane na rysunku 2 (poniżej). W 250 ° C widać, że niebieska krzywa ma przybliżony pik ~ 6 mikronów, podczas gdy w 100 ° C szczytowa długość fali wynosi ~ 7.5 mikronów. Należy również zauważyć, że zakres długości fali jest bardziej równomiernie rozłożony i nie wykazuje skoncentrowanego wąskiego piku obserwowanego w wyższych temperaturach.

Jeśli ponownie powiększymy ten sam wykres i skupimy się tylko na niższych temperaturach, jak pokazano na rysunku 3 (poniżej), zobaczymy, że temperatury 50 ° C i 25 ° C mają szczytowe długości fali odpowiednio ~ 9 i 10 mikronów.

Stosowanie tych informacji

Jako eksperci w naszej dziedzinie mamy nadzieję, że te strony informacyjne pomogą Ci lepiej zrozumieć podczerwień. Najważniejsze jest, aby wiedzieć, jaki jest Twój materiał i do czego jest potrzebny. Resztę możemy Ci doradzić!