Kızılötesi: Isıtma kanunları

Kızılötesi ısıtmanın temel yasaları

IR ısıtması geliştikçe, ısı transferinin çalışmalarını destekleyen temel bilim de vardır, ancak üç ana yasa geçerlidir:

• Stefan-Boltzmann Yasası: Bir IR kaynağından belirli bir sıcaklıkta yayılan toplam gücü verir.
• Planck Yasası: Spesifik bir sıcaklıkta 100% ışınımı yayan bir kara cisim kaynağından radyasyonun spektral dağılımını verir.
• Wien Yasası: Planck Yasası'ndan sonra, bu siyah bir cisim tarafından yayılan radyasyonun spektral dağılımının maksimum noktada olduğu dalga boyunu tahmin eder.

Steffan-Boltzmann Kanunu

Steffan-Boltzmann Yasası öncelikle kızılötesi yayma ile ilgilidir. Bir IR kaynağından gelen güç radyasyonunun nesnenin yüzey alanı sıcaklığına bağlı olarak ve siyah bir cisim faktörü ile birlikte hesaplanması. Mükemmel bir siyah gövdenin faktörü 1'dir - bu faktörde değişen diğer malzemelerle (aşağıdaki tabloya bakın). Normal malzemelerin salım gücüne izin verdiğimizde Stefan-Boltzmann Yasası şöyle olur:

Kirchhoff'un termal radyasyon yasası tanımında, termal radyasyon yayan ve absorbe eden herhangi bir vücut için, emisyon emiciliğine eşittir. Bu, emisyonun, bir yüzeyin, yaymanın yanı sıra ne kadar absorbe edeceğini belirlemede de yararlıdır.

Çeşitli yüzeylerin salınım tablosu

Alüminyum cilalı 0.09	Pirinç cilalı 0.03	Bronz cilalı 0.10
Karbon (mum kurum) 0.95	Seramik (sırlı porselen) 0.92	Krom cilalı 0.10
Beton 0.85	Bakır cilalı 0.02	Bakır oksitlenmiş 0.65
Cam erimiş kuvars 0.75	Demir cilalı 0.21	Demir paslı 0.65
Plastik opak 0.95	Gümüş cilalı 0.05	Paslanmaz çelik cilalı 0.16
Paslanmaz çelik oksitlenmiş 0.83	Su 0.96

Bu kanunu kullanarak, artık T1 ve T2’teki iki yayan yüzey arasındaki net ısı transferini hesaplayabileceğimiz anlamına geliyor. Her ikisi de yaydığından, net güç aktarımı, her iki salınan güç çıkışı arasındaki fark olacaktır.

Planck Yasası

Planck Yasası, siyah bir cisim tarafından belirli bir sıcaklıkta termal dengede yayılan elektromanyetik radyasyonu tanımlar. Adını 1900'de öneren Alman fizikçi Max Planck'tan almıştır.

Çeşitli ısıtıcı (yayıcı) sıcaklıkları için çizildiğinde, Planck yasası öngörülüyor:

1. Kızılötesi ısıtma enerjisinin üretileceği frekans aralığı
2. Belirli bir dalga boyu için salınım gücü

Lütfen aşağıdaki 'Planck Yasası ile ilgili Açıklayıcı Notlar'a bakınız.

Wien Yer Değiştirme Kanunu

Wien Yasası, Planck Yasası'ndan gelen bir takiptir ve siyah bir cisim tarafından yayılan radyasyonun spektral dağılımının maksimum noktada olduğu dalga boyunu tahmin eder.

Mükemmel bir siyah gövde hiçbir şeyi yansıtmayan ve saf termal radyasyon yayan bir yüzeydir. Mükemmel bir siyah cisim için gücün dalga boyuna karşı grafiğine siyah cisim spektrumu denir (aşağıdaki şemaya bakınız). Planck'ın dağılımındaki her bir sıcaklık eğrisinin maksimum noktalarını bağladığımızda ve onları birleştirdiğimizde oluşan noktalı kırmızı çizgiye dikkat edin.

Sıcaklık arttıkça, termal radyasyon daha kısa dalga boyu, daha yüksek enerji ışığı üretir. Aşağıdaki grafikten, bir ampulün görünür spektrumda sadece küçük bir kısmı olan belirli bir miktarda enerjiyi nasıl ürettiğini görebiliriz. Sıcaklık arttıkça ve en yüksek dalga boyu kısaldıkça, yayılan enerji miktarı da artar.

Grafik ayrıca, oda sıcaklığında bir kayanın 20 ° C eğrisi görünür spektrumda uzanmadığı için 'parlamadığını' göstermektedir. Nesneler ısınırken görünür ışık ya da parlamaya başlarlar. 600 ° C'de nesneler donuk kırmızı renkte yanar. 1,000 ° C'de, renk sarı-turuncu renktedir ve 1,500 ° C'de beyaza dönüşür.

Diğer iki bilimsel yasa, kızılötesi radyant ısının pratik uygulaması hakkında bilgi verir - Ters kare kanunu ve Lambert'in Cosine Yasası.

Ters kare kanunu

Ters Kare Yasası, bir IR kaynağı ile nesnesi arasındaki ışıma enerjisinin ilişkisini tanımlar - birim alan başına yoğunluğun, bu mesafenin karesiyle ters orantılı olarak değişmesi. Bununla birlikte, uygulamada, Ters Kare Yasası, ısıtılmış plakalar ve fırın sistemleri gibi geniş paralel yüzeylerle ilgili olduğunda daha az etkilidir.

Lambert'in Cosine Yasası

Lambert'in Kosinüs Yasası, radyasyon doğrudan hedef gövdeye uygulanmadığı, ancak bir açıyla ayarlandığı zaman IR yoğunluğunun hesaplanmasına izin verir. Bu yasa esas olarak nispeten büyük bir mesafeden yayılan küçük kaynaklar için geçerlidir.

Endüstriyel ısıtmada kullanılan kızılötesi yayıcılar genellikle 0.75 ile 10 μm arasında kullanılabilir bir tepe emisyon dalga boyuna sahiptir. Bu aralıkta, uzun, orta ve kısa dalga olan üç alt bölüm vardır.

Uzak kızılötesi (FIR) olarak da bilinen Longwave yayıcılar, 3-10 rangem aralığında en yüksek emisyon aralığına sahiptir. Bu seri genellikle, katı ya da oyuk yapılı, yüksek derecede yayıcı seramik bir gövdeye gömülmüş yüksek sıcaklık dirençli bir alaşım bobinden oluşan seramik elemanlara karşılık gelir. Seramik yayıcılar ya düz ya da kavisli (oluk tarzı) yayan yüzeylere sahip birkaç endüstri standardı boyutta üretilmektedir.

Daha kısa tepe emisyon dalga boyları, daha yüksek yüzey sıcaklıklarına sahip emisyon kaynakları kullanılarak elde edilir. Kuvars kaset tipi yayıcılar, seramik standardına benzer endüstri standardı boyutlarda mevcuttur ve cilalanmış alüminlenmiş çelik bir mahfazaya yerleştirilmiş bir dizi yarı saydam kuvars tüpten oluşur. Bu yayıcılar daha yüksek ön yüzey sıcaklıklarında çalışabilir ve uzun ila orta dalga aralığında yayılabilir.

Orta dalga aralığının daha kısa ucunda, bir yıldız tasarım tungsten bobini içeren kapalı bir lineer berrak kuvars tüpten oluşan kuvars tungsten vericisi bulunur. Tungsten bobini, düşük termal ataletli hızlı bir tepki süresi sağlar.

Kısa dalga kuvars halojen aralığı, hızlı-orta dalga tungsten vericisininkine benzer bir yapıya sahiptir, ancak yuvarlak bir tungsten bobinin kullanılması ve kuvars tüplerin halojen gazı ile doldurulması dışındadır. Yüksek bobin sıcaklığı, beyaz ışığın oluşmasına ve kısa dalga aralığında bir tepe emisyon dalga boyuna neden olur.

Planck Yasası hakkında açıklayıcı notlar

Planck Yasası bize, yayılan herhangi bir yüzeyin sıcaklığı arttıkça, daha fazla enerjinin kızılötesi enerji olarak salınacağını söylemektedir. Nesne sıcaklığı arttıkça, kızılötesi enerji miktarı artar. Daha yoğun (güç) olmasının yanı sıra, yayılan frekanslar genişler ve en yüksek dalga boyu kısalır.

Çok yüksek sıcaklıklarda, sadece kızılötesi değil, bazı kısa dalga boylarında görünür ışık da üretilecektir. Bu, önce donuk kırmızı bir parıltı, ardından turuncu, sarı ve nihayet beyaza tanık oldu. Şekil 1 (aşağıda), 1050 ° C ila 50 ° C arasında çizilen bir dizi sıcaklık için tipik Planck Yasası eğrilerini gösterir.

1050 ° C'ye karşılık gelen pembe eğri, en güçlü çıktısını gösterir. En yüksek güç çıkışını gösterir ve zirvesi 2.5 mikron civarındadır. Bunu 850 ° C'de eğri izler, burada zirve enerjisi 1150 ° C'de üretilen enerjinin yarısından azdır.

Sıcaklık düştükçe, enerji seviyeleri de düşer ve en yüksek enerji dalga boyu daha uzun dalga boylarına geçer. 250 ° C, 100 ° C ve 50 ° C eğrilerinden gelen en düşük sıcaklıklar grafikte görülemez, ancak grafik düşük sıcaklık eğrilerini görmek için büyütüldüğünde, daha uzun dalga boylarına geçiş daha belirgindir. Bununla birlikte, güç yoğunluğu önemli ölçüde düşer.

Bu, Şekil 2'te (aşağıda) gösterilmiştir. 250 ° C'de, mavi eğrinin yaklaşık bir zirve ~ 6 mikron içerdiği görülebilir, oysa 100 ° C'de en yüksek dalga boyu ~ 7.5 mikrondur. Ayrıca, dalga boyunun derecesinin daha dengeli dağıldığını ve daha yüksek sıcaklıklarda görülen konsantre dar tepe noktası göstermediğine dikkat edin.

Aynı grafiği tekrar büyütürsek ve yalnızca Şekil 3'te (aşağıda) gösterildiği gibi daha düşük sıcaklıklara odaklanırsak, 50 ° C ve 25 ° C sıcaklıklarının sırasıyla ~ 9 ve 10 mikronluk tepe dalga boylarına sahip olduğunu görürüz.

Bu bilgileri uygulamak

Alanımızdaki uzmanlar olarak, bu bilgi sayfalarının kızılötesini daha iyi anlamanıza yardımcı olacağını umuyoruz. En önemli şey, malzemenizin ne olduğunu ve malzemenizin ne yapması gerektiğini bilmektir. Geri kalanı için size tavsiyelerde bulunabiliriz!