Infračervené: Zákony vykurovania

Základné zákony infračerveného vykurovania

Ako sa infračervené vykurovanie vyvíjalo, existuje aj základná veda, ktorá podporuje fungovanie jeho prenosu tepla, ale uplatňujú sa tri hlavné zákony:

• Stefan-Boltzmann zákon: Dáva celkový výkon vyžarovaný pri špecifickej teplote zo zdroja IR.
• Planckov zákon: Poskytuje spektrálnu distribúciu žiarenia zo zdroja čierneho tela - zdroja, ktorý emituje žiarenie 100% pri určitej teplote.
• Viedenský zákon: Podľa Planckovho zákona to predpovedá vlnovú dĺžku, pri ktorej je spektrálne rozdelenie žiarenia emitovaného čiernym telom na maximálnom bode.

Steffan-Boltzmann zákon

Zákon Steffan-Boltzmann sa týka predovšetkým infračervenej emisivity. Výpočet energetického žiarenia z infračerveného zdroja na základe teploty povrchu objektu a spolu s faktorom čierneho telesa. Dokonalé čierne telo má faktor 1 - ostatné materiály sa v tomto faktore líšia (pozri tabuľku nižšie). Keď povolíme emisivitu normálnych materiálov, Stefan-Boltzmannov zákon sa stáva:

Podľa definície Kirchhoffovho zákona o tepelnom žiarení je emisivita pre akékoľvek ľubovoľné teleso, ktoré vyžaruje a absorbuje tepelné žiarenie, rovná jeho absorpčnosti. To znamená, že emisivita je užitočná na určenie toho, koľko bude povrch absorbovať a ako bude emitovať.

Tabuľka emisivity rôznych povrchov

Hliník leštený 0.09	Mosadzné leštené 0.03	0.10 leštený bronzom
Uhlík (Sviečka) 0.95	Keramický (glazovaný porcelán) 0.92	0.10 leštený chrómom
Betón 0.85	Medené leštené 0.02	0.65 oxidovaný meďou
Sklo tavené kremeň 0.75	0.21 leštené železom	0.65 so zliatinou železa
Plastový nepriehľadný 0.95	0.05 leštený striebrom	0.16 z leštenej nehrdzavejúcej ocele
0.83 z oxidovanej nehrdzavejúcej ocele	Voda 0.96

Použitie tohto zákona znamená, že teraz môžeme vypočítať čistý prenos tepla medzi dvoma emisnými povrchmi v T1 a T2. Pretože obidve emitujú, bude čistý prenos energie rozdielom medzi oboma emitovanými výstupmi energie.

Planckov zákon

Planckov zákon popisuje elektromagnetické žiarenie emitované čiernym telesom v tepelnej rovnováhe pri určitej teplote. Je pomenovaná podľa Maxa Plancka, nemeckého fyzika, ktorý ju navrhol v roku 1900.

Keď sa plánuje pre rôzne teploty ohrievača (žiariča), Planckov zákon predpovedá:

1. Rozsah frekvencií, cez ktoré sa bude vyrábať infračervená tepelná energia
2. Emisná sila pre danú vlnovú dĺžku

Pozri vysvetlivky k Planckovmu zákonu nižšie.

Viedenský zákon o vysídľovaní

Viedenský zákon nadväzuje na Planckov zákon a predpovedá vlnovú dĺžku, pri ktorej je spektrálne rozdelenie žiarenia emitovaného čiernym telom na maximálnom bode.

Dokonalé čierne telo je povrch, ktorý nič neodráža a vyžaruje čisté tepelné žiarenie. Graf sily proti vlnovej dĺžke pre perfektné čierne telo sa nazýva spektrum čiernych tiel (pozri obrázok nižšie). Všimnite si bodkovanú červenú čiaru, ktorá sa vytvorí, keď spojíme maximálne body každej teplotnej krivky v Planckovom rozdelení a spojíme ich.

Ako teplota stúpa, tepelné žiarenie vytvára kratšiu vlnovú dĺžku, svetlo s vyššou energiou. Z nasledujúceho grafu vidíme, ako žiarovka produkuje určité množstvo energie len s malou časťou viditeľného spektra. Keď teplota stúpa a maximálna vlnová dĺžka sa skracuje, tým väčšie je množstvo vyžarovanej energie.

Graf tiež ukazuje, že hornina pri izbovej teplote nebude „žiariť“, pretože krivka pre 20 ° C sa nerozprestiera do viditeľného spektra. Keď sa predmety zahrievajú, začnú vydávať viditeľné svetlo alebo žiaru. Pri teplotách 600 ° C žiara matná červená farba. Pri teplote 1,000 ° C je farba žltooranžová, pri teplote 1,500 ° C je biela.

O praktickom použití infračerveného sálavého tepla informujú ďalšie dva vedecké zákony - zákon Zákon o inverznom štvorci a Lambertov zákon o kozmetike.

Zákon o inverznom štvorci

Zákon inverzného štvorca definuje vzťah žiarivej energie medzi zdrojom infračerveného žiarenia a jeho objektom - že intenzita na jednotku plochy sa mení v inverznom pomere k štvorcu tejto vzdialenosti. V praxi je však zákon inverzného štvorca menej efektívny, ak sa jedná o veľké rovnobežné povrchy, ako sú vyhrievané platne a systémy pecí.

Lambertov zákon o kozmetike

Lambertov kosínový zákon umožňuje výpočet intenzity IR, keď sa žiarenie neaplikuje priamo na cieľové telo, ale je nastavené pod uhlom. Tento zákon sa vzťahuje hlavne na malé zdroje vyžarujúce na relatívne veľkú vzdialenosť.

Infračervené žiariče používané v priemyselnom vykurovaní majú všeobecne použiteľnú špičkovú emisnú vlnovú dĺžku v rozsahu 0.75 až 10 μm. V tomto rozsahu sú tri čiastkové oblasti, ktoré sú dlhé, stredné a krátke vlny.

Diaľkové žiariče, známe tiež ako ďalekosiahle infračervené žiarenie (FIR), majú rozsah špičkových emisií v rozsahu 3-10 μm. Tento rozsah sa všeobecne vzťahuje na keramické prvky, ktoré pozostávajú z vysokoteplotnej odporovej zliatiny vinutej do pevného alebo dutého konštrukčného vysoko emisného keramického telesa. Keramické žiariče sa vyrábajú v množstve priemyselných štandardných veľkostí s plochými alebo zaoblenými povrchmi vyžarujúcimi povrch.

Kratšie špičkové emisné vlnové dĺžky sa dosahujú použitím zdrojov emisií s vyššími povrchovými teplotami. Emisie kremičitého kazetového typu sú dostupné v podobných štandardných veľkostiach ako keramika a pozostávajú zo série priesvitných kremenných trubíc zabudovaných do lešteného hliníkového oceľového krytu. Tieto žiariče môžu pracovať s vyššou teplotou predného povrchu a vyžarovať v rozsahu dlhých až stredných vĺn.

Na kratšom konci rozsahu stredných vĺn je kremíkový volfrámový žiarič, ktorý sa skladá z utesnenej lineárnej čírej kremennej trubice obsahujúcej hviezdicovú volfrámovú cievku. Volfrámová cievka poskytuje rýchlu reakčnú dobu s nízkou tepelnou zotrvačnosťou.

Krátkovlnný rozsah kremenného halogénu má podobnú konštrukciu ako v prípade žiariča volfrámu s rýchlou strednou vlnou, s tou výnimkou, že sa používa okrúhla volfrámová cievka a kremeňové trubice sú naplnené halogénovým plynom. Vyššia teplota cievky vedie k vytvoreniu bieleho svetla a maximálnej emisnej vlnovej dĺžky v rozsahu krátkych vĺn.

Vysvetlivky k Planckovmu zákonu

Planckov zákon nám hovorí, že so zvyšujúcou sa teplotou akéhokoľvek emitujúceho povrchu sa bude stále viac energie uvoľňovať ako infračervená energia. Čím vyššia je teplota objektu, tým väčšie bude množstvo infračervenej energie. Rovnako ako intenzívnejšia (sila), emitované frekvencie sa rozširujú a maximálna vlnová dĺžka sa skracuje.

Pri veľmi vysokých teplotách, nielen pri infračervenom žiarení, sa vytvorí aj viditeľné svetlo s kratšou vlnovou dĺžkou. Toto je najprv svedkom matnej červenej žiary, potom oranžovej, žltej a nakoniec bielej. Obrázok 1 (nižšie) zobrazuje typické Planckove zákonné krivky pre rozsah teplôt vynesených od 1050 ° C do 50 ° C.

Ružová krivka zodpovedajúca 1050 ° C vykazuje najsilnejší výstup. Ukazuje najvyšší výkon a jeho vrchol je okolo 2.5 mikrónov. Nasleduje krivka pri 850 ° C, kde maximálna energia je menšia ako polovica energie produkovanej pri 1150 ° C.

Keď teplota klesá, hladiny energie tiež klesajú a maximálna vlnová dĺžka energie sa posúva na dlhšie vlnové dĺžky. Najnižšie teploty z kriviek 250 ° C, 100 ° C a 50 ° C nie sú v grafe viditeľné, ale keď je graf zväčšený, aby sa zobrazili krivky nižšej teploty, je tento posun k dlhším vlnovým dĺžkam zrejmejší. Intenzita výkonu však výrazne klesá.

Toto je znázornené na obrázku 2 (nižšie). Pri 250 ° C je možné vidieť, že modrá krivka má približný pík ~ 6 mikrónov, zatiaľ čo pri 100 ° C je maximálna vlnová dĺžka ~ 7.5 mikrónov. Všimnite si tiež, že rozsah vlnových dĺžok je rovnomernejšie rozložený a nevykazuje koncentrovaný úzky vrchol pozorovaný pri vyšších teplotách.

Ak znova zväčšíme ten istý graf a zameriame sa iba na nižšie teploty, ako je znázornené na obrázku 3 (nižšie), vidíme, že teploty 50 ° C a 25 ° C majú vrcholové vlnové dĺžky ~ 9 a 10 mikrónov.

Uplatňovanie týchto informácií

Ako odborníci v našom odbore dúfame, že tieto stránky s informáciami vám pomôžu lepšie pochopiť infračervené žiarenie. Najdôležitejšie je vedieť, aký je váš materiál a čo musíte urobiť. So zvyškom vám môžeme poradiť!