Інфрачервоне: Закони опалення

Основні закони інфрачервоного опалення

З розвитком інфрачервоного нагрівання зростає фундаментальна наука, яка лежить в основі роботи його теплопередачі, але застосовуються три основні закони:

• Закон Стефана-Больцмана: Подає загальну потужність, випромінювану при конкретній температурі від джерела ІЧ.
• Закон Планка: Дає спектральний розподіл випромінювання від джерела чорного тіла - такого, яке випромінює 100% випромінювання при певній температурі.
• Закон Відня: Виходячи із закону Планка, це прогнозує довжину хвилі, при якій спектральний розподіл випромінювання чорним тілом знаходиться в максимальній точці.

Закон Стефана-Больцмана

Закон Стеффана-Больцмана стосується насамперед випромінювання інфрачервоного випромінювання. Розрахунок потужності випромінювання від ІЧ-джерела на основі температури поверхні об'єкта та коефіцієнта чорного тіла. Ідеальне чорне тіло має коефіцієнт 1 - з іншими матеріалами, що змінюються за цим коефіцієнтом (див. Таблицю нижче). Коли ми допускаємо випромінюваність нормальних матеріалів, закон Стефана-Больцмана стає:

У межах визначення закону Кірхгофа про теплове випромінювання для будь-якого довільного тіла, що випромінює та поглинає теплове випромінювання, випромінювання дорівнює його поглинаючої здатності. Це означає, що випромінювання корисно для того, щоб визначити, яка кількість поверхні буде поглинати, а також випромінювати.

Таблиця випромінювання різних поверхонь

Алюмінієвий полірований 0.09	Латунь відполірована 0.03	Бронзовий відшліфований 0.10
Вуглець (свічка сажа) 0.95	Керамічний (глазурований фарфор) 0.92	Хром полірований 0.10
Бетон 0.85	Мідь відполірована 0.02	Мідь окислена 0.65
Склоплавкий кварцовий 0.75	Залізо відшліфоване 0.21	Залізний іржавий 0.65
Пластиковий непрозорий 0.95	Срібний полірований 0.05	Полірована нержавіюча сталь 0.16
0.83 з нержавіючої сталі	вода 0.96

Використовуючи цей закон означає, що тепер ми можемо обчислити чисту передачу тепла між двома випромінюючими поверхнями на T1 і T2. Оскільки обидва випромінюють, передача чистої потужності буде різницею між обома вихідними потужностями.

Закон Планка

Закон Планка описує електромагнітне випромінювання, яке випромінює чорне тіло в тепловій рівновазі при певній температурі. Він названий на честь Макса Планка, німецького фізика, який запропонував його в 1900 році.

При плануванні різних температур нагрівача (випромінювача) закон Планка передбачає:

1. Діапазон частот, через який буде вироблятися інфрачервона нагрівальна енергія
2. Емісійна потужність для заданої довжини хвилі

Будь ласка, дивіться "Пояснення до Закону Планка" нижче.

Закон про переселення Wien

Закон Віна є наслідком із Закону Планка і передбачає довжину хвилі, при якій спектральний розподіл випромінювання, випромінюваного чорним тілом, є максимальною точкою.

Ідеальне чорне тіло - це поверхня, яка нічого не відображає і випромінює чисте теплове випромінювання. Графік потужності та довжини хвилі для ідеального чорного тіла називається спектром чорного тіла (див. Схему нижче). Помітьте пунктирну червону лінію, утворену, коли ми з'єднаємо максимальні точки кожної температурної кривої на розподілі Планка та з'єднаємо їх.

З підвищенням температури теплове випромінювання виробляє коротшу довжину хвилі, більше енергії світла. З наведеного нижче графіка ми бачимо, як лампочка виробляє певну кількість енергії лише з невеликою частиною у видимому спектрі. Із підвищенням температури, а пікова довжина хвилі стає коротшою, тим більша кількість випромінюваної енергії.

На графіку також видно, що гірська порода при кімнатній температурі не буде «світитися», оскільки крива для 20 ° C не поширюється на видимий спектр. По мірі нагрівання предметів вони починають виділяти видиме світло або світитися. При температурі 600 ° C предмети світяться тьмяно-червоним. При температурі 1,000 ° C колір жовто-оранжевий, при 1,500 ° C перетворюється в білий.

Два інших наукових закони інформують про практичне застосування інфрачервоного випромінюючого тепла - Закон зворотного квадрата та Закон про косину Ламберта.

Закон зворотного квадрата

Закон зворотного квадрата визначає взаємозв'язок променевої енергії між ІЧ-джерелом та його об'єктом - що інтенсивність на одиницю площі змінюється у зворотній пропорції до квадрата цієї відстані. Однак на практиці Закон зворотного квадрата є менш ефективним, коли йдеться про великі паралельні поверхні, такі як нагріті плити та системи печей.

Закон про косину Ламберта

Закон Косинуса Ламберта дозволяє розрахувати інтенсивність ІЧ, коли випромінювання не подається безпосередньо на тіло цілі, а встановлюється під кутом. Цей закон поширюється переважно на невеликі джерела, що випромінюють на відносно велику відстань.

Інфрачервоні випромінювачі, використовувані в промисловому опаленні, як правило, мають корисну довжину хвилі випромінювання в діапазоні від 0.75 до 10 мкм. В межах цього діапазону є три підрозділи, які мають довгу, середню та коротку хвилі.

Довгохвильові випромінювачі, також відомі як далеко інфрачервоні (FIR), мають діапазон пікових викидів у діапазоні 3-10 мкм. Цей діапазон, як правило, відноситься до керамічних елементів, які складаються з високотемпературної сплави, зміцненої в твердий або порожнистий, сконструйований високоемісійний керамічний корпус. Керамічні випромінювачі випускаються у багатьох галузевих розмірах з плоскими або вигнутими (корито) випромінюючими поверхнями.

Більш короткі довжини хвиль викидів досягаються за допомогою використання джерел викидів з більш високою поверхневою температурою. Кварцеві випромінювачі касетного типу випускаються в аналогічних розмірах, таких як керамічні, і складаються з серії напівпрозорих кварцових трубок, вбудованих в полірований алюмінієвий сталевий корпус. Ці випромінювачі можуть працювати з більш високою температурою передньої поверхні та випромінювати в діапазоні довгих та середніх хвиль.

На коротшому кінці діапазону середньої хвилі розташований кварцовий вольфрамовий випромінювач, який складається з герметичної лінійної прозорої кварцової трубки, що містить зірчасту конструкцію вольфрамової котушки. Вольфрамова котушка забезпечує швидкий час реакції з низькою тепловою інерцією.

Діапазон кварцових галогенів короткої хвилі має подібну конструкцію, як у випромінювача вольфраму швидкої середньої хвилі, за винятком того, що використовується кругла вольфрамова спіраль і кварцові трубки заповнені галогеновим газом. Більш висока температура котушки призводить до утворення білого світла та пікової довжини хвилі випромінювання в короткохвильовому діапазоні.

Пояснення до закону Планка

Закон Планка говорить нам, що при збільшенні температури будь-якої випромінюючої поверхні все більше енергії вивільнятиметься як інфрачервона енергія. Чим вище температура об'єкта, тим більше вироблятиметься кількість інфрачервоної енергії. Крім того, що стають більш інтенсивними (потужні), частоти випромінювання стають ширшими, а пікова довжина хвилі стає коротшою.

При дуже високих температурах, а не лише інфрачервоному, також буде вироблятися видиме світло коротшої довжини хвилі. Спочатку це свідчить як тьмяне червоне сяйво, потім помаранчеве, жовте і нарешті біле. На малюнку 1 (внизу) показані типові криві Закону Планка для діапазону температур, нанесених від 1050 ° C до 50 ° C.

Рожева крива, що відповідає 1050 ° C, демонструє найсильніший результат. Він показує найбільшу потужність, а його пік становить близько 2.5 мкм. За цим слідує крива при 850 ° C, де пікова енергія менше половини від енергії, виробленої при 1150 ° C.

У міру зниження температури рівень енергії також падає, а пікова довжина хвилі енергії зміщується до більш довгих хвиль. Найнижчі температури від кривих 250 ° C, 100 ° C та 50 ° C не можна побачити на графіку, але коли графік збільшується, щоб побачити криві нижчих температур, цей зсув до більш довгих довжин хвиль є більш очевидним. Однак інтенсивність потужності значно падає.

Це показано на малюнку 2 (нижче). При 250 ° C видно, що синя крива має приблизний пік ~ 6 мкм, тоді як при 100 ° C пікова довжина хвилі - ~ 7.5 мкм. Зауважимо також, що ступінь довжини хвилі розподіляється більш рівномірно і не виявляє концентрованого вузького піку, який спостерігається при більш високих температурах.

Якщо ми знову збільшимо той самий графік і зосередимось лише на нижчих температурах, як показано на малюнку 3 (нижче), ми бачимо, що температури 50 ° C і 25 ° C мають пікові довжини хвилі ~ 9 і 10 мкм відповідно.

Застосовуючи цю інформацію

Як експерти в нашій галузі, ми сподіваємось, що ці сторінки інформації допоможуть вам краще зрозуміти інфрачервоний діапазон. Найголовніше - це знати, що це за матеріал, і що для цього потрібно. В іншому ми можемо порадити вас!