Infraröd: Uppvärmningslagar

De grundläggande lagarna för infraröd uppvärmning

När IR-uppvärmningen har utvecklats, så har den grundläggande vetenskapen som ligger till grund för dess värmeöverföring, men tre huvudlagar gäller:

• Stefan-Boltzmann lag: Ger den totala effekten som strålas ut vid en specifik temperatur från en IR-källa.
• Plancks lag: Ger den spektrala fördelningen av strålning från en svart kroppskälla - en som avger strålning av 100% vid en specifik temperatur.
• Wien lag: Efter Plancks lag förutspår detta våglängden vid vilken den spektrala fördelningen av strålningen som utsänds av en svart kropp är vid en maximal punkt.

Steffan-Boltzmann lag

Steffan-Boltzmann-lagen avser främst infraröd emissivitet. Beräkning av effektstrålning från en IR-källa baserat på föremålets yttemperatur och tillsammans med en svart kroppsfaktor. En perfekt svart kropp har en faktor 1 - med andra material som varierar i den faktorn (se tabellen nedan). När vi tillåter utsläpp av normala material blir Stefan-Boltzmann-lagen:

Inom definitionen av Kirchhoffs lag om termisk strålning, för alla godtyckliga kroppar som avger och absorberar termisk strålning, är emissiviteten lika med dess absorptivitet. Detta betyder att emissivitet är användbart för att bestämma hur mycket en yta kommer att absorbera och avge.

Tabell över emissivitet för olika ytor

Aluminium polerad 0.09	Messingpolerad 0.03	Bronspolerad 0.10
Kol (stearinljus sot) 0.95	Keramik (glaserat porslin) 0.92	Krom polerad 0.10
Betong 0.85	Kopparpolerad 0.02	Kopparoxiderad 0.65
Glas smält kvarts 0.75	Järnpolerad 0.21	Järnrostad 0.65
Plast ogenomskinlig 0.95	Silverpolerad 0.05	Rostfritt stål polerat 0.16
Rostfritt stål oxiderat 0.83	Vatten 0.96

Genom att använda denna lag kan vi nu beräkna nettovärmeöverföringen mellan två utsändande ytor vid T1 och T2. Eftersom båda släpper ut kommer näteffektöverföringen att vara skillnaden mellan båda utsända kraftutgångar.

Plancks lag

Plancks lag beskriver den elektromagnetiska strålningen som avges av en svart kropp i termisk jämvikt vid en bestämd temperatur. Det är uppkallat efter Max Planck, en tysk fysiker som föreslog det 1900.

Vid planering för olika värmertemperaturer förutspår Plancks lag:

1. Räckvidden för frekvenser över vilka infraröd värmeenergi produceras
2. Den utsändande kraften för en given våglängd

Se "Förklarande anmärkningar om Plancks lag" nedan.

Wiens förskjutningslag

Wiens lag är en följd av Plancks lag och förutsäger våglängden vid vilken den spektrala fördelningen av strålningen som utsänds av en svart kropp är vid en maximal punkt.

En perfekt svart kropp är en yta som reflekterar ingenting och avger ren termisk strålning. Grafen över kraft kontra våglängd för en perfekt svart kropp kallas svartkroppspektrumet (se diagram nedan). Lägg märke till den prickade röda linjen som bildas när vi ansluter maxpunkterna för varje temperaturkurva på Plancks fördelning och ansluter dem.

När temperaturen stiger producerar termisk strålning kortare våglängd, högre energi ljus. Från diagrammet nedan kan vi se hur en glödlampa producerar en viss mängd energi med bara en liten del i det synliga spektrumet. När temperaturen ökar och toppvåglängden blir kortare, desto större är mängden utstrålad energi.

Grafen visar också att en sten vid rumstemperatur inte kommer att "glöda" eftersom kurvan för 20 ° C inte sträcker sig in i det synliga spektrumet. När föremål värms upp börjar de avge synligt ljus eller glöda. Vid 600 ° C lyser föremål en tråkig röd. Vid 1,000 ° C är färgen gul-orange och blir vit vid 1,500 ° C.

Två andra vetenskapliga lagar informerar om den praktiska tillämpningen av infraröd strålningsvärme - Inverse Square Law och Lambert's Cosine Law.

Inverse Square Law

Inverse Square Law definierar förhållandet mellan strålningsenergi mellan en IR-källa och dess objekt - att intensiteten per ytenhet varierar i omvänd proportion till kvadratet på det avståndet. I praktiken är emellertid lagen omvänd kvadrat mindre effektiv när det gäller stora parallella ytor, såsom uppvärmda plattor och ugnssystem.

Lambert's Cosine Law

Lamberts Cosine-lag möjliggör beräkning av IR-intensitet när strålningen inte appliceras direkt på målkroppen utan ställs i en vinkel. Denna lag gäller främst små källor som strålar ut över ett relativt stort avstånd.

Infraröda sändare som används vid industriell uppvärmning har i allmänhet en användbar topputsläppsvåglängd i intervallet 0.75 till 10 μm. Inom detta intervall finns det tre underavdelningar som är långa, medelhöga och korta vågor.

Longwave emitters, även känd som far-infrared (FIR), har ett topputsläppsområde i 3-10 μm-intervallet. Detta intervall avser generellt keramiska element som består av en högtemperaturbeständig legeringsspole inbäddad i antingen en fast eller ihålig konstruerad högemissiv keramisk kropp. Keramiska sändare tillverkas i ett antal industristandardstorlekar med antingen platta eller böjda (trågstil) avgivande ytor.

Kortare topputsläppsvåglängder uppnås genom att använda utsläppskällor med högre yttemperaturer. Utsändare av kassett-stil är tillgängliga i liknande industristandardstorlekar som keramik och består av en serie genomskinliga kvartsrör inbyggda i ett polerat aluminiumfördelat stålhus. Dessa avgivare kan arbeta med högre framytemperatur och avge i det långa till medelvåga området.

I den kortare änden av mellanvågområdet är kvarts-volframemitern som består av ett förseglat linjärt klart kvartsrör innehållande en stjärnkonstruktion-volframspole. Volframspolen ger en snabb responstid med låg termisk tröghet.

Kortvågskvartshalogenområdet har en liknande konstruktion som den för snabbmediumvågs volframemitern, med undantag för att en rund volframspole används och kvartsrör fylls med halogengas. Den högre spoltemperaturen resulterar i generering av vitt ljus och en maximal emissionvåglängd inom kortvågområdet.

Förklarande anmärkningar om Plancks lag

Plancks lag säger att när temperaturen på vilken emitterande yta som helst ökar, kommer mer och mer energi att släppas som infraröd energi. Ju högre objektstemperatur, desto större mängd infraröd energi kommer att produceras. Förutom att de blir mer intensiva (kraft) blir de utsända frekvenserna bredare och toppvåglängden blir kortare.

Vid mycket höga temperaturer, inte bara infraröd, produceras också synligt ljus med kortare våglängd. Detta uppfattas först som en tråkig röd glöd, sedan till orange, gul och slutligen vit. Figur 1 (nedan) visar typiska Plancks lagkurvor för ett temperaturområde från 1050 ° C till 50 ° C.

Den rosa kurvan motsvarande 1050 ° C uppvisar den starkaste effekten. Den visar den högsta effekteffekten och dess topp är på cirka 2.5 mikron. Detta följs av kurvan vid 850 ° C där toppenergin är mindre än hälften av den som produceras vid 1150 ° C.

När temperaturen sjunker, sjunker energinivåerna också, och den maximala energivåglängden förskjuts till de längre våglängderna. De lägsta temperaturerna från 250 ° C, 100 ° C och 50 ° C kurvor kan inte ses i diagrammet, men när diagrammet förstoras för att se de lägre temperaturkurvorna är detta skiftet till de längre våglängderna tydligare. Kraftintensiteten sjunker dock betydligt.

Detta visas i figur 2 (nedan). Vid 250 ° C kan den blå kurvan ses att ha en ungefärlig topp ~ 6 mikron, medan vid 100 ° C är toppvåglängden ~ 7.5 mikron. Observera också att våglängden är jämnare fördelad och inte uppvisar den koncentrerade smala toppen som ses vid högre temperaturer.

Om vi ​​förstorar samma graf igen och fokuserar endast på de lägre temperaturerna som visas i figur 3 (nedan) ser vi att temperaturer på 50 ° C och 25 ° C har toppvåglängder på ~ 9 respektive 10 mikron.

Tillämpa denna information

Som experter inom vårt område hoppas vi att dessa sidor med information hjälper dig att förstå infraröd bättre. Det viktigaste är att veta vad ditt material är och vad du behöver ditt material att göra. Vi kan ge dig råd om resten!