Infraroșu: Legile încălzirii

Legile fundamentale ale încălzirii cu infraroșu

Pe măsură ce încălzirea cu IR a evoluat, la fel și știința fundamentală care stă la baza funcționării transferului de căldură, dar se aplică trei legi principale:

• Dreptul Stefan-Boltzmann: Oferă puterea totală radiată la o temperatură specifică de la o sursă IR.
• Legea lui Planck: Dă distribuția spectrală a radiațiilor de la o sursă de corp negru - una care emite 100% radiație la o temperatură specifică.
• Legea lui Wien: În urma legii lui Planck, aceasta prezice lungimea de undă la care distribuția spectrală a radiației emise de un corp negru este la un punct maxim.

Legea Steffan-Boltzmann

Legea Steffan-Boltzmann se referă în primul rând la emisivitatea în infraroșu. Calculul radiației de putere dintr-o sursă IR pe baza temperaturii suprafeței obiectului și împreună cu un factor de corp negru. Un corp negru perfect are un factor 1 - cu alte materiale care variază în acel factor (vezi tabelul de mai jos). Când permitem emisivitatea materialelor normale, legea Stefan-Boltzmann devine:

În definiția legii Kirchhoff a radiației termice, pentru orice corp arbitrar care emite și absoarbe radiații termice, emisivitatea este egală cu absorbtivitatea sa. Aceasta înseamnă că emisivitatea este utilă pentru a determina cât de mult va absorbi și emite o suprafață.

Tabel cu emisivitatea diferitelor suprafețe

Aluminiu lustruit 0.09	Alamă lustruită 0.03	0.10 lustruit bronz
Carbon (lumânare cu lumânare) 0.95	Ceramica (porțelan glazurat) 0.92	0.10 lustruit cu crom
Beton 0.85	Cupru lustruit 0.02	0.65 oxidat cu cupru
Cuarț topit din sticlă 0.75	Fier lustruit 0.21	Fier ruginit 0.65
Plastic opac 0.95	0.05 argintiu lustruit	Oțel inoxidabil lustruit 0.16
0.83 oxidat din oțel inoxidabil	Apă 0.96

Folosind această lege înseamnă că acum putem calcula transferul net de căldură între două suprafețe emitente la T1 și T2. Deoarece ambele emite, transferul net de putere va fi diferența dintre ambele puteri emise.

Legea lui Planck

Legea lui Planck descrie radiația electromagnetică emisă de un corp negru în echilibru termic la o temperatură determinată. Este numit după Max Planck, un fizician german care a propus-o în 1900.

Când este reprezentat pentru diferite temperaturi de încălzire (emițător), legea lui Planck prevede:

1. Gama de frecvențe prin care se va produce energie de încălzire prin infraroșu
2. Puterea emisivă pentru o lungime de undă dată

Vedeți mai jos „Note explicative despre Legea lui Planck”.

Legea deplasării lui Wien

Legea lui Wien este o continuare a Legii lui Planck și prezice lungimea de undă la care distribuția spectrală a radiației emise de un corp negru este la un punct maxim.

Un corp negru perfect este o suprafață care nu reflectă nimic și nu emite radiații termice pure. Graficul puterii versus lungimea de undă pentru un corp negru perfect se numește spectrul corpului negru (vezi diagrama de mai jos). Observați linia roșie punctată formată atunci când conectăm punctele maxime ale fiecărei curbe de temperatură pe distribuția Planck și le conectăm.

Pe măsură ce temperatura crește, radiația termică produce lungime de undă mai scurtă și lumină energetică mai mare. Din graficul de mai jos, putem vedea cum un bec produce o anumită cantitate de energie cu doar o mică parte din spectrul vizibil. Pe măsură ce temperatura crește și lungimea de undă maximă devine mai scurtă, cu atât este mai mare cantitatea de energie radiată.

Graficul arată, de asemenea, că o rocă la temperatura camerei nu va „străluci”, deoarece curba pentru 20 ° C nu se extinde în spectrul vizibil. Pe măsură ce obiectele se încălzesc, încep să emită lumină vizibilă sau strălucire. La 600 ° C obiectele strălucesc un roșu plictisitor. La 1,000 ° C, culoarea este galben-portocaliu, devenind albă la 1,500 ° C.

Alte două legi științifice informează aplicarea practică a căldurii radiante în infraroșu - Inverse Square Square și Legea cosene a lui Lambert.

Inverse Square Square

Legea pătratului invers definește relația energiei radiante între o sursă IR și obiectul acesteia - că intensitatea pe unitate de zonă variază în proporție inversă cu pătratul acelei distanțe. Cu toate acestea, în practică, legea pătratului invers este mai puțin eficientă atunci când se referă la suprafețe paralele mari, cum ar fi platourile încălzite și sistemele de cuptor.

Legea cosene a lui Lambert

Legea Cosinusului lui Lambert permite calcularea intensității IR atunci când radiația nu este aplicată direct pe corpul țintă, ci este setată într-un unghi. Această lege se aplică în principal surselor mici care radiază pe o distanță relativ mare.

Emitenții cu infraroșu folosiți în încălzirea industrială au, în general, o lungime de undă de emisie maximă utilizabilă în domeniul 0.75 până la 10 μm. În acest interval, există trei subdiviziuni care sunt valuri lungi, medii și scurte.

Emitenții cu undă lungă, cunoscuți și sub numele de infraroșu îndepărtat (FIR), au un nivel de emisie maximă în intervalul 3-10 μm. Această gamă se referă, în general, la elemente ceramice care constau dintr-o bobină de aliaj de rezistență la temperaturi ridicate, încorporată fie într-un corp ceramic solid, fie ca fiind construit cu un gol. Emisoarele de ceramică sunt fabricate într-un număr de dimensiuni standard pentru industrie, cu suprafețe de emisie plată sau curbă (în stil usor).

Lungimi de undă de emisie de vârf mai scurte sunt obținute prin utilizarea surselor de emisie cu temperaturi mai mari de suprafață. Emițătorii în formă de casetă de cuarț sunt disponibili în dimensiuni standard similare cu cele ale ceramicii și constau dintr-o serie de tuburi de cuarț translucide încorporate într-o carcasă din oțel lustruit aluminiu. Acești emițători pot funcționa cu o temperatură a suprafeței frontale mai ridicate și emit în intervalul de undă lungă până medie.

La capătul mai scurt al intervalului de unde medii se află emițătorul de tungsten de cuarț, care constă dintr-un tub de cuarț liniar sigilat care conține o bobină de tungsten cu design stelar. Bobina de tungsten asigură un timp de răspuns rapid cu inerție termică scăzută.

Domeniul de halogen cu curte cu undă scurtă are o construcție similară cu cea a emițătorului de tungsten cu undă medie, cu excepția faptului că se folosește o bobină rotundă de tungsten și tuburile de cuarț sunt umplute cu gaz halogen. Temperatura mai mare a bobinei are ca rezultat generarea de lumină albă și o lungime de undă de emisie de vârf în intervalul de unde scurte.

Note explicative cu privire la Legea lui Planck

Legea lui Planck ne spune că pe măsură ce temperatura oricărei suprafețe emițătoare va crește, din ce în ce mai multă energie va fi eliberată ca energie infraroșie. Cu cât temperatura obiectului este mai mare, cu atât cantitatea de energie în infraroșu este mai mare. Pe lângă faptul că devin mai intense (putere), frecvențele emise devin mai largi, iar lungimea de undă maximă devine mai scurtă.

La temperaturi foarte ridicate, nu doar în infraroșu, va fi produsă și o lumină vizibilă de lungime de undă mai scurtă. Acest lucru este mărturisit mai întâi ca o strălucire roșie plictisitoare, apoi spre portocaliu, galben și în final alb. Figura 1 (mai jos) prezintă curbele tipice ale Legii lui Planck pentru o gamă de temperaturi trase de la 1050 ° C până la 50 ° C.

Curba roz corespunzătoare 1050 ° C prezintă cea mai puternică ieșire. Afișează cea mai mare putere de putere, iar vârful său este de aproximativ 2.5 microni. Aceasta este urmată de curba la 850 ° C unde energia de vârf este mai mică de jumătate din cea produsă la 1150 ° C.

Pe măsură ce temperatura scade, nivelul de energie scade, iar lungimea de undă a vârfului de energie se schimbă la lungimi de undă mai lungi. Cele mai scăzute temperaturi de la curbele 250 ° C, 100 ° C și 50 ° C nu pot fi văzute în grafic, dar când graficul este mărit pentru a vedea curbele de temperatură mai scăzute, această schimbare la lungimile de undă mai lungi este mai evidentă. Cu toate acestea, intensitatea puterii scade semnificativ.

Acest lucru este prezentat în figura 2 (mai jos). La 250 ° C, se poate observa că curba albastră are un vârf aproximativ ~ microni 6, în timp ce la 100 ° C lungimea de undă maximă este de ~ 7.5 microni. Rețineți, de asemenea, că lungimea de undă este distribuită mai uniform și nu prezintă vârful îngust concentrat observat la temperaturi mai ridicate.

Dacă lărgim din nou același grafic și ne concentrăm doar pe temperaturile mai scăzute, așa cum se arată în figura 3 (mai jos), vedem că temperaturile de 50 ° C și 25 ° C au lungimi de undă maxime de ~ 9 și respectiv 10 microni.

Aplicarea acestor informații

În calitate de experți în domeniul nostru, sperăm că aceste pagini de informații vă vor ajuta să înțelegeți mai bine infraroșii. Cel mai important lucru este să știi care este materialul tău și ce ai nevoie pentru a face materialul tău. Vă putem sfătui în rest!