Hồng ngoại: Định luật sưởi ấm

Các định luật cơ bản của sưởi hồng ngoại

Khi hệ thống sưởi IR đã phát triển, khoa học cơ bản cũng là nền tảng cho hoạt động truyền nhiệt của nó, nhưng có ba luật chính được áp dụng:

• Luật Stefan-Boltzmann: Cung cấp cho tổng công suất bức xạ ở nhiệt độ cụ thể từ nguồn hồng ngoại.
• Luật Planck: Cung cấp phân phối quang phổ của bức xạ từ một nguồn vật thể màu đen - một nguồn phát ra bức xạ 100% ở nhiệt độ cụ thể.
• Luật của Vienna: Theo Luật Planck, điều này dự đoán bước sóng mà tại đó sự phân bố quang phổ của bức xạ phát ra từ một vật đen nằm ở điểm cực đại.

Luật Steffan-Boltzmann

Định luật Steffan-Boltzmann chủ yếu liên quan đến độ phát tia hồng ngoại. Tính toán bức xạ công suất từ ​​nguồn IR dựa trên nhiệt độ diện tích bề mặt của vật thể và cùng với hệ số vật đen. Một cơ thể màu đen hoàn hảo có hệ số 1 - với các vật liệu khác có hệ số đó khác nhau (xem bảng bên dưới). Khi chúng ta cho phép sự phát xạ của các vật liệu bình thường, Định luật Stefan-Boltzmann trở thành:

Theo định nghĩa của định luật bức xạ nhiệt của Kirchhoff, đối với bất kỳ cơ thể tùy ý nào phát ra và hấp thụ bức xạ nhiệt, độ phát xạ bằng với độ hấp thụ của nó. Điều này có nghĩa là độ phát xạ rất hữu ích để xác định bề mặt sẽ hấp thụ cũng như phát ra bao nhiêu.

Bảng phát xạ của các bề mặt khác nhau

Nhôm đánh bóng 0.09	Đồng thau đánh bóng 0.03	Đồng đánh bóng 0.10
Carbon (muội nến) 0.95	Gạch (sứ tráng men) 0.92	Chromom đánh bóng 0.10
Bê tông 0.85	Đồng đánh bóng 0.02	Đồng oxy hóa 0.65
Thạch anh thủy tinh thủy tinh 0.75	Sắt đánh bóng 0.21	Sắt rỉ sắt 0.65
Nhựa đục đục 0.95	Bạc đánh bóng 0.05	Thép không gỉ đánh bóng 0.16
Thép không gỉ oxy hóa 0.83	Nước 0.96

Sử dụng luật này có nghĩa là bây giờ chúng ta có thể tính toán sự truyền nhiệt ròng giữa hai bề mặt phát ra tại T1 và T2. Vì cả hai đều phát ra, việc truyền tải điện ròng sẽ là sự khác biệt giữa cả hai đầu ra công suất phát ra.

Luật Planck

Định luật Planck mô tả bức xạ điện từ do vật đen phát ra ở trạng thái cân bằng nhiệt ở một nhiệt độ xác định. Nó được đặt theo tên của Max Planck, một nhà vật lý người Đức, người đã đề xuất nó vào năm 1900.

Khi được vẽ cho các nhiệt độ khác nhau (bộ phát), định luật Planck dự đoán:

1. Phạm vi tần số mà năng lượng sưởi hồng ngoại sẽ được tạo ra
2. Công suất phát xạ cho một bước sóng nhất định

Vui lòng xem 'Ghi chú giải thích về Luật Planck' bên dưới.

Luật dịch chuyển của Vienna

Định luật của Vienna được tiếp nối từ Định luật Planck và dự đoán bước sóng mà tại đó sự phân bố quang phổ của bức xạ phát ra từ một vật đen nằm ở điểm cực đại.

Một cơ thể màu đen hoàn hảo là một bề mặt không phản chiếu gì và phát ra bức xạ nhiệt tinh khiết. Biểu đồ công suất so với bước sóng cho một vật thể đen hoàn hảo được gọi là phổ của vật thể đen (xem sơ đồ bên dưới). Lưu ý đường màu đỏ chấm được hình thành khi chúng ta kết nối các điểm tối đa của mỗi đường cong nhiệt độ trên phân phối của Planck và kết nối chúng.

Khi nhiệt độ tăng, bức xạ nhiệt tạo ra bước sóng ngắn hơn, ánh sáng năng lượng cao hơn. Từ biểu đồ bên dưới, chúng ta có thể thấy một bóng đèn tạo ra một lượng năng lượng nhất định chỉ với một phần nhỏ trong quang phổ nhìn thấy được. Khi nhiệt độ tăng và bước sóng cực đại trở nên ngắn hơn, lượng năng lượng bức xạ càng lớn.

Biểu đồ cũng cho thấy một tảng đá ở nhiệt độ phòng sẽ không 'phát sáng' vì đường cong cho 20 ° C không mở rộng thành phổ nhìn thấy được. Khi các vật thể nóng lên, chúng bắt đầu phát ra ánh sáng nhìn thấy hoặc phát sáng. Ở các vật thể 600 ° C phát sáng màu đỏ xỉn. Ở 1,000 ° C, màu có màu vàng cam, chuyển sang màu trắng ở 1,500 ° C.

Hai định luật khoa học khác thông báo về ứng dụng thực tế của nhiệt bức xạ hồng ngoại - Luật hình vuông nghịch đảo và Luật Cosine của Lambert.

Luật hình vuông nghịch đảo

Định luật Bình phương nghịch đảo xác định mối quan hệ của năng lượng bức xạ giữa nguồn IR và đối tượng của nó - rằng cường độ trên một đơn vị diện tích thay đổi tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách đó. Tuy nhiên, trên thực tế, Luật Vuông nghịch đảo ít hiệu quả hơn khi liên quan đến các bề mặt song song lớn, chẳng hạn như đĩa gia nhiệt và hệ thống lò nướng.

Luật Cosine của Lambert

Định luật Cosine của Lambert cho phép tính toán cường độ IR khi bức xạ không được chiếu trực tiếp vào vật thể mà được đặt ở một góc. Định luật này chủ yếu áp dụng cho các nguồn nhỏ bức xạ trên một khoảng cách tương đối lớn.

Các thiết bị phát hồng ngoại được sử dụng trong sưởi ấm công nghiệp thường có bước sóng phát xạ cực đại có thể sử dụng được trong phạm vi từ 0.75 đến 10 μm. Trong phạm vi này, có ba phân chia là sóng dài, trung bình và ngắn.

Các bộ phát sóng dài, còn được gọi là hồng ngoại xa (FIR), có dải phát xạ cực đại trong phạm vi 3-10 μm. Phạm vi này thường đề cập đến các yếu tố gốm bao gồm một cuộn hợp kim chịu nhiệt độ cao được nhúng vào thân gốm rắn hoặc rỗng được xây dựng rất cao. Bộ phát gốm được sản xuất theo một số kích cỡ tiêu chuẩn công nghiệp với bề mặt phát ra phẳng hoặc cong (kiểu máng).

Bước sóng phát xạ cực đại ngắn hơn đạt được bằng cách sử dụng các nguồn phát xạ có nhiệt độ bề mặt cao hơn. Các bộ phát kiểu thạch anh có sẵn trong các kích cỡ tiêu chuẩn công nghiệp tương tự như gốm và bao gồm một loạt các ống thạch anh mờ được chế tạo trong một vỏ thép được đánh bóng. Những bộ phát này có thể hoạt động với nhiệt độ bề mặt phía trước cao hơn và phát ra trong phạm vi sóng dài đến trung bình.

Ở đầu ngắn hơn của dải sóng trung bình là bộ phát vonfram thạch anh bao gồm một ống thạch anh trong suốt tuyến tính kín có chứa một cuộn dây vonfram thiết kế sao. Cuộn dây vonfram cung cấp thời gian đáp ứng nhanh với quán tính nhiệt thấp.

Phạm vi halogen thạch anh sóng ngắn có cấu trúc tương tự như máy phát vonfram sóng trung bình nhanh, ngoại trừ một cuộn dây vonfram tròn được sử dụng và các ống thạch anh chứa đầy khí halogen. Nhiệt độ cuộn cao hơn dẫn đến việc tạo ra ánh sáng trắng và bước sóng phát xạ cực đại trong dải sóng ngắn.

Ghi chú giải thích về Luật Planck

Định luật Planck cho chúng ta biết rằng khi nhiệt độ của bất kỳ bề mặt phát ra nào tăng lên, càng nhiều năng lượng sẽ được giải phóng dưới dạng năng lượng hồng ngoại. Nhiệt độ vật thể càng cao, lượng năng lượng hồng ngoại sẽ được tạo ra càng lớn. Cũng như trở nên mãnh liệt hơn (công suất), các tần số phát ra trở nên rộng hơn và bước sóng cực đại trở nên ngắn hơn.

Ở nhiệt độ rất cao, không chỉ hồng ngoại, một số ánh sáng nhìn thấy bước sóng ngắn hơn cũng sẽ được tạo ra. Điều này lần đầu tiên được chứng kiến ​​là một ánh sáng màu đỏ xỉn, sau đó chuyển sang màu cam, vàng và cuối cùng là màu trắng. Hình 1 (bên dưới) cho thấy các đường cong Luật Planck điển hình cho một phạm vi nhiệt độ được vẽ từ 1050 ° C đến 50 ° C.

Đường cong màu hồng tương ứng với 1050 ° C thể hiện đầu ra mạnh nhất. Nó cho thấy công suất cao nhất và đỉnh của nó là khoảng micrô 2.5. Tiếp theo là đường cong ở 850 ° C trong đó năng lượng cực đại nhỏ hơn một nửa năng lượng được tạo ra ở 1150 ° C.

Khi nhiệt độ giảm, các mức năng lượng cũng giảm và bước sóng năng lượng cực đại chuyển sang bước sóng dài hơn. Nhiệt độ thấp nhất từ ​​các đường cong 250 ° C, 100 ° C và 50 ° C không thể nhìn thấy trong biểu đồ, nhưng khi biểu đồ được phóng to để thấy các đường cong nhiệt độ thấp hơn, sự dịch chuyển sang bước sóng dài hơn này rõ ràng hơn. Tuy nhiên, cường độ năng lượng giảm đáng kể.

Điều này được thể hiện trong hình 2 (bên dưới). Ở 250 ° C, đường cong màu xanh có thể được nhìn thấy có đỉnh xấp xỉ ~ 6 micron, trong khi ở 100 ° C, bước sóng cực đại là ~ 7.5 micron. Cũng lưu ý rằng phạm vi bước sóng phân bố đều hơn và không thể hiện đỉnh hẹp tập trung nhìn thấy ở nhiệt độ cao hơn.

Nếu chúng ta phóng to biểu đồ tương tự một lần nữa và chỉ tập trung vào nhiệt độ thấp hơn như trong hình 3 (bên dưới), chúng ta sẽ thấy nhiệt độ của 50 ° C và 25 ° C có bước sóng cực đại lần lượt là ~ 9 và 10 micron.

Áp dụng thông tin này

Là chuyên gia trong lĩnh vực của chúng tôi, chúng tôi hy vọng những trang thông tin này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về tia hồng ngoại. Điều quan trọng nhất là phải biết tài liệu của bạn là gì và bạn cần tài liệu của mình để làm gì. Phần còn lại chúng tôi có thể tư vấn cho bạn!