Инфракрасный: законы нагрева

Основные законы Инфракрасного отопления

По мере развития инфракрасного нагрева развиваются фундаментальные науки, лежащие в основе его теплопередачи, но применяются три основных закона:

• Закон Стефана-Больцмана: Дает полную мощность, излучаемую при определенной температуре от ИК-источника.
• Закон Планка: Дает спектральное распределение излучения от источника черного тела - тот, который испускает 100% излучения при определенной температуре.
• Закон Вена: Следуя закону Планка, это предсказывает длину волны, на которой спектральное распределение излучения, испускаемого черным телом, находится в максимальной точке.

Закон Штеффана-Больцмана

Закон Стеффана-Больцмана в первую очередь относится к инфракрасной излучательной способности. Расчет мощности излучения от ИК-источника на основе температуры поверхности объекта и коэффициента черного тела. Идеальное черное тело имеет коэффициент 1, а другие материалы различаются по этому коэффициенту (см. Таблицу ниже). Когда мы учитываем излучательную способность обычных материалов, закон Стефана-Больцмана становится:

В рамках определения закона теплового излучения Кирхгофа для любого произвольного тела, испускающего и поглощающего тепловое излучение, излучательная способность равна его поглощающей способности. Это означает, что излучательная способность полезна для определения, сколько поверхность будет поглощать, а также излучать.

Таблица излучательной способности различных поверхностей

Алюминий полированный 0.09	Латунь полированная 0.03	Бронза полированная 0.10
Карбон (свечная сажа) 0.95	Керамика (глазурованный фарфор) 0.92	Хром полированный 0.10
Бетон 0.85	Медь полированная 0.02	Медь окисленная 0.65
Стеклянный плавленый кварц 0.75	Железо полированное 0.21	Железо заржавело 0.65
Пластик матовый 0.95	Серебристый полированный 0.05	Полированная нержавеющая сталь 0.16
Нержавеющая сталь окисленная 0.83	Вода 0.96

Использование этого закона означает, что теперь мы можем рассчитать чистый теплообмен между двумя излучающими поверхностями в T1 и T2. Поскольку оба излучают, передача полезной мощности будет разницей между двумя излучаемыми выходными мощностями.

Закон Планка

Закон Планка описывает электромагнитное излучение, испускаемое черным телом в тепловом равновесии при определенной температуре. Он назван в честь Макса Планка, немецкого физика, предложившего его в 1900 году.

При построении графика для различных температур нагревателя (эмиттера) закон Планка предсказывает:

1. Диапазон частот, через которые будет производиться инфракрасная энергия нагрева
2. Мощность излучения для данной длины волны

Пожалуйста, смотрите «Пояснительные замечания по закону Планка» ниже.

Закон о перемещении Вены

Закон Вена является продолжением Закона Планка и предсказывает длину волны, при которой спектральное распределение излучения, испускаемого черным телом, находится в максимальной точке.

Идеальное черное тело - это поверхность, которая ничего не отражает и излучает чистое тепловое излучение. График зависимости мощности от длины волны для идеального черного тела называется спектром черного тела (см. Диаграмму ниже). Обратите внимание на пунктирную красную линию, сформированную, когда мы соединяем точки максимума каждой кривой температуры на распределении Планка и соединяем их.

Когда температура повышается, тепловое излучение производит свет с меньшей длиной волны и более высокой энергией. Из приведенного ниже графика видно, как электрическая лампочка производит определенное количество энергии только с небольшой частью видимого спектра. При повышении температуры и уменьшении пиковой длины волны увеличивается количество излучаемой энергии.

График также показывает, что камень при комнатной температуре не будет «светиться», поскольку кривая для 20 ° C не распространяется в видимый спектр. Когда объекты нагреваются, они начинают испускать видимый свет или светиться. При 600 ° C объекты светятся тускло-красным. При 1,000 ° C, цвет желто-оранжевый, превращается в белый при 1,500 ° C.

Два других научных закона определяют практическое применение инфракрасного лучистого тепла: Закон обратных квадратов и Закон косинусов Ламберта.

Закон обратных квадратов

Закон обратных квадратов определяет соотношение лучистой энергии между источником ИК-излучения и его объектом - интенсивность на единицу площади изменяется обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Однако на практике закон обратных квадратов менее эффективен, когда речь идет о больших параллельных поверхностях, таких как нагретые плиты и системы духовок.

Закон косинусов Ламберта

Закон косинуса Ламберта позволяет рассчитать интенсивность ИК-излучения, когда излучение не направлено непосредственно на тело цели, а установлено под углом. Этот закон применяется в основном к небольшим источникам, излучающим на относительно большое расстояние.

Инфракрасные излучатели, используемые в промышленном отоплении, обычно имеют пиковую длину волны излучения в диапазоне от 0.75 до 10 мкм. В пределах этого диапазона есть три подразделения, которые являются длинными, средними и короткими волнами.

Длинноволновые излучатели, также известные как дальние инфракрасные лучи (FIR), имеют пиковый диапазон излучения в диапазоне 3-10 мкм. Этот диапазон обычно относится к керамическим элементам, которые состоят из катушки из жаропрочного жаропрочного сплава, встроенной в твердотельный или полый высокоэмиссионный керамический корпус. Керамические излучатели изготавливаются в нескольких стандартных размерах с плоскими или изогнутыми излучающими поверхностями.

Более короткие пиковые длины волны излучения достигаются за счет использования источников излучения с более высокими поверхностными температурами. Кварцевые кассетные излучатели выпускаются с размерами, аналогичными стандартным для промышленности, что и керамические, и состоят из серии полупрозрачных кварцевых трубок, встроенных в корпус из полированной алюминированной стали. Эти излучатели могут работать при более высокой температуре передней поверхности и излучать в диапазоне длинных и средних волн.

На более коротком конце диапазона средних волн находится кварцевый вольфрамовый излучатель, который состоит из герметичной линейной прозрачной кварцевой трубки, содержащей вольфрамовую катушку звездообразной конструкции. Вольфрамовая катушка обеспечивает быстрое время отклика с низкой тепловой инерцией.

Коротковолновый кварцево-галогенный диапазон имеет конструкцию, аналогичную конструкции вольфрамового излучателя для быстрой и средней волны, за исключением того, что используется круглая вольфрамовая катушка и кварцевые трубки заполнены газообразным галогеном. Более высокая температура катушки приводит к генерации белого света и максимальной длине волны излучения в коротковолновом диапазоне.

Пояснительные замечания по закону Планка

Закон Планка говорит нам, что с увеличением температуры любой излучающей поверхности все больше и больше энергии будет выделяться в виде инфракрасной энергии. Чем выше температура объекта, тем больше будет инфракрасного излучения. По мере увеличения интенсивности (мощности) излучаемые частоты становятся шире, а максимальная длина волны становится короче.

При очень высоких температурах, а не только в инфракрасном диапазоне, также будет получен некоторый видимый свет с более короткой длиной волны. Сначала это проявляется в виде тусклого красного свечения, затем оранжевого, желтого и, наконец, белого. На рисунке 1 (ниже) показаны типичные кривые закона Планка для диапазона температур от 1050 ° C до 50 ° C.

Розовая кривая, соответствующая 1050 ° C, показывает самый сильный выход. Он показывает самую высокую выходную мощность, и его пик составляет около 2.5 микрон. Затем следует кривая при 850 ° C, где пиковая энергия составляет менее половины энергии, полученной при 1150 ° C.

Когда температура снижается, уровни энергии также падают, а длина волны пика энергии смещается в сторону более длинных волн. Самые низкие температуры из кривых 250 ° C, 100 ° C и 50 ° C не видны на графике, но когда график увеличен, чтобы увидеть кривые с более низкой температурой, этот сдвиг в сторону более длинных волн становится более очевидным. Однако интенсивность мощности значительно падает.

Это показано на рисунке 2 (ниже). При 250 ° C синяя кривая имеет приблизительный пик ~ 6 мкм, тогда как при 100 ° C длина волны пика составляет ~ 7.5 мкм. Отметим также, что длина волны распределена более равномерно и не имеет концентрированного узкого пика, наблюдаемого при более высоких температурах.

Если мы снова увеличим тот же график и сосредоточимся только на более низких температурах, как показано на рисунке 3 (ниже), мы увидим, что температуры 50 ° C и 25 ° C имеют пиковые длины волн ~ 9 и 10 микрон соответственно.

Применение этой информации

Как эксперты в своей области, мы надеемся, что эти страницы информации помогут вам лучше понять инфракрасный порт. Самое главное - знать, какой у вас материал и для чего он нужен. Об остальном мы можем посоветовать!