Infrardeči: zakoni ogrevanja

Temeljni zakoni infrardečega ogrevanja

Ko se IR segreva, se razvija tudi temeljna znanost, ki temelji na delovanju njegovega prenosa toplote, vendar veljajo trije glavni zakoni:

• Zakon Stefan-Boltzmann: Poda celotno moč, ki seva pri določeni temperaturi iz vira IR.
• Planckov zakon: Daje spektralno porazdelitev sevanja iz vira črnega telesa - tisto, ki oddaja 100% sevanja pri določeni temperaturi.
• Wien zakon: Na podlagi Planckovega zakona to napoveduje valovno dolžino, na kateri je spektralna porazdelitev sevanja črnega telesa na največji točki.

Zakon Steffan-Boltzmanna

Zakon Steffan-Boltzmann se nanaša predvsem na infrardečo sevalnost. Izračun moči sevanja iz IR vira na podlagi temperature površine predmeta in faktorja črnega telesa. Popolno črno telo ima faktor 1 - pri drugih materialih se ta faktor razlikuje (glej spodnjo tabelo). Ko dopustimo emisivnost običajnih materialov, postane zakon Stefan-Boltzmann:

V definiciji Kirchhoffovega zakona toplotnega sevanja je za vsako poljubno telo, ki oddaja in absorbira toplotno sevanje, emisivnost enaka njegovi absorbtivnosti. To pomeni, da je emisivnost koristna za določitev, koliko površine bo absorbirala in oddajala.

Tabela emisivnosti različnih površin

Aluminijasto polirani 0.09	Medenina polirana 0.03	Bronasto poliran 0.10
Oglje (sveča saje) 0.95	Keramična (glazirana porcelana) 0.92	Kromirano poliran 0.10
Betonski 0.85	Bakren poliran 0.02	Baker oksidira 0.65
Stekleno kaljeni kremen 0.75	Polirano železo 0.21	Železo zarjavelo 0.65
Plastična neprozorna 0.95	Srebrno poliran 0.05	Polirano 0.16 iz nerjavečega jekla
0.83 oksidirano iz nerjavečega jekla	Voda 0.96

Uporaba tega zakona pomeni, da lahko zdaj izračunamo neto prenos toplote med dvema oddajnima površinama pri T1 in T2. Ker obe oddajata, bo neto prenos moči razlika med obema oddajanima močoma.

Planckov zakon

Planckov zakon opisuje elektromagnetno sevanje, ki ga oddaja črno telo v toplotnem ravnovesju pri določeni temperaturi. Ime je dobil po Maxu Plancku, nemškem fiziku, ki ga je predlagal leta 1900.

Planckov zakon v načrtu za različne temperature grelnika (emiter) napoveduje:

1. Obseg frekvenc, preko katerih se bo proizvajala infrardeča energija za ogrevanje
2. Emisijska moč za dano valovno dolžino

Prosimo, glejte "Pojasnjevalne opombe o Planckovem zakonu" spodaj.

Wien zakon o preseljevanju

Wienov zakon je nadaljevanje Planckovega zakona in predvideva valovno dolžino, na kateri je spektralna porazdelitev sevanja, ki ga oddaja črno telo, na največji točki.

Popolno črno telo je površina, ki ne odraža ničesar in oddaja čisto toplotno sevanje. Graf moči glede na valovno dolžino popolnega črnega telesa se imenuje spekter črnega telesa (glej spodnji diagram). Opazimo pikčasto rdečo črto, ki nastane, ko na Planckovi distribuciji povežemo najvišje točke vsake temperaturne krivulje in jih povežemo.

Ko temperatura narašča, toplotno sevanje proizvaja krajšo valovno dolžino, večjo energijsko svetlobo. Iz spodnjega grafa lahko razberemo, kako žarnica proizvede določeno količino energije z le majhnim delom v vidnem spektru. Ko temperatura narašča in največja valovna dolžina postaja krajša, večja je količina sevalne energije.

Iz grafa je razvidno tudi, da skala pri sobni temperaturi ne bo 'žarela', saj se krivulja za 20 ° C ne razširi v vidni spekter. Ko se predmeti segrejejo, začnejo oddajati vidno svetlobo ali sijati. Pri 600 ° C predmeti svetijo rdeče. Pri 1,000 ° C je barva rumeno-oranžna, pri 1,500 ° C pa bela.

O praktični uporabi infrardeče sevalne toplote sta še dva znanstvena zakona - Zakon obratnega kvadrata in Lambertov zakon o kosminu.

Zakon obratnega kvadrata

Zakon o obratnem kvadratu opredeljuje razmerje sevalne energije med IR virom in njegovim objektom - da se intenziteta na enoto površine spreminja v obratnem sorazmerju s kvadratom te razdalje. V praksi pa je zakon o obratnem kvadratu manj učinkovit, če gre za velike vzporedne površine, kot so ogrevane plošče in sistemi peči.

Lambertov zakon o kosminu

Lambertov Cosineov zakon omogoča izračun IR jakosti, kadar sevanje ne deluje neposredno na ciljno telo, temveč je postavljeno pod kotom. Ta zakon velja predvsem za majhne vire, ki sevajo na razmeroma veliki razdalji.

Infrardeči oddajniki, ki se uporabljajo pri industrijskem ogrevanju, imajo običajno uporabno valovno dolžino valovnih emisij v območju od 0.75 do 10 μm. V tem območju so tri pododdelke, ki so dolgi, srednji in kratki valovi.

Dolgo valovni oddajniki, znani tudi kot daljinsko infrardeči (FIR), imajo najvišjo območje emisij v območju 3-10 μm. Ta razpon se na splošno nanaša na keramične elemente, ki so sestavljeni iz zlitine z visoko temperaturno odpornostjo, vgrajene v trdno ali votlo izdelano visoko emisijsko keramično ohišje. Keramični oddajniki so izdelani v številnih industrijskih standardnih velikostih z ravnimi ali ukrivljenimi (v obliki korita), ki oddajajo površine.

Krajše valovne dolžine emisij se dosežejo z uporabo virov emisij z višjimi površinskimi temperaturami. Kremenski oddajniki so na voljo v podobnih industrijskih velikostih kot keramični in so sestavljeni iz serije prosojnih kremenčevih cevi, vgrajenih v polirano aluminijasto ohišje. Ti oddajniki lahko delujejo z višjo temperaturo sprednje površine in oddajajo v območju dolgih do srednjih valov.

Na krajšem koncu območja srednjega vala je volframov emiter iz kremena, ki je sestavljen iz tesnjene linearne prozorne kremenčeve cevi, ki vsebuje zvezdno oblikovano volframovo tuljavo. Volframova tuljava zagotavlja hiter odzivni čas z nizko toplotno vztrajnostjo.

Kratek razpon halogenov s kratkim valom je podoben konstrukciji, ki ga povzročajo volframovi žarki s hitrim srednjim valom, z izjemo, da je uporabljena okrogla volframova tuljava in so kremenove cevi napolnjene s halogenskim plinom. Višja temperatura tuljave povzroči nastanek bele svetlobe in največjo valovno dolžino emisije v območju kratkega vala.

Pojasnila o Planckovem zakonu

Planckov zakon nam pravi, da se bo z naraščanjem temperature katere koli oddajajoče površine sproščalo vse več energije kot infrardeča energija. Višja kot je temperatura predmeta, večja količina infrardeče energije bo proizvedena. Poleg tega, da postanejo intenzivnejše (močnejše) izpuščene frekvence širše in največja valovna dolžina krajša.

Pri zelo visokih temperaturah, ne le infrardečih, bo nastajala tudi nekaj krajše valovne dolžine svetlobe. To je najprej priča dolgočasnemu rdečemu sijaju, nato oranžnemu, rumenemu in na koncu belem. Slika 1 (spodaj) prikazuje značilne krivulje Planckovega zakona za razpon temperatur, prikazanih od 1050 ° C do 50 ° C.

Roza krivulja, ki ustreza 1050 ° C, ima najmočnejši rezultat. Prikaže največjo izhodno moč, njen vrhunec pa znaša približno 2.5 mikronov. Sledi krivulja pri 850 ° C, kjer je največja energija manjša od polovice energije, proizvedene pri 1150 ° C.

Ko se temperatura znižuje, se tudi raven energije zniža, največja valovna dolžina energije pa se preusmeri na daljše valovne dolžine. Najnižjih temperatur iz krivulj 250 ° C, 100 ° C in 50 ° C ni mogoče videti na grafu, če pa graf povečamo, da vidimo krivulje nižje temperature, je ta premik na daljše valovne dolžine bolj očiten. Vendar intenzivnost moči znatno pade.

To je prikazano na sliki 2 (spodaj). Pri 250 ° C lahko vidimo, da ima modra krivulja približno vrha ~ 6 mikronov, medtem ko je pri 100 ° C največja valovna dolžina ~ 7.5 mikronov. Upoštevajte tudi, da je obseg valovne dolžine enakomerneje razporejen in ne kaže koncentriranega ozkega vrha, opaženega pri višjih temperaturah.

Če znova povečamo isti graf in se osredotočimo le na nižje temperature, kot je prikazano na sliki 3 (spodaj), vidimo, da imata temperature 50 ° C in 25 ° C vršne valovne dolžine ~ 9 in 10 mikronov.

Uporaba teh informacij

Kot strokovnjaki na našem področju upamo, da vam bodo te strani z informacijami pomagale bolje razumeti infrardečo povezavo. Najpomembneje je vedeti, kaj je vaš material in kaj potrebujete, da ga potrebujete. Za ostalo vam lahko svetujemo!