红外：加热定律

红外加热的基本规律

随着红外加热的发展，支撑其传热原理的基础科学也在不断发展，但适用以下三个主要定律：

• Stefan-Boltzmann定律： 给出在特定温度下从红外源辐射的总功率。
• 普朗克定律： 给出黑体源辐射的光谱分布，该辐射源在特定温度下发射100％的辐射。
• 维也纳定律： 根据普朗克定律，它可以预测黑体发出的辐射的光谱分布在最大点处的波长。

斯蒂芬-玻尔兹曼定律

Steffan-Boltzmann定律主要涉及红外发射率。 根据对象的表面积温度以及黑体系数，计算来自红外源的功率辐射。 完美的黑体的系数为1，其他材料的系数也不同（请参见下表）。 当我们考虑普通材料的发射率时，Stefan-Boltzmann定律变为：

在基尔霍夫热辐射定律的定义内，对于任何发射和吸收热辐射的物体，其发射率均等于其吸收率。 这意味着发射率对于确定表面将吸收和发射多少有用。

各种表面的发射率表

铝抛光0.09	黄铜抛光0.03	青铜抛光0.10
碳（烟灰）0.95	陶瓷（釉面瓷）0.92	铬抛光0.10
混凝土0.85	铜抛光0.02	铜氧化0.65
玻璃熔融石英0.75	铁抛光0.21	铁生锈0.65
塑料不透明0.95	抛光银0.05	不锈钢抛光0.16
不锈钢氧化0.83	水0.96

使用该定律意味着我们现在可以计算T1和T2处两个发射表面之间的净热传递。 当两者都发射时，净功率传输将是两个发射功率输出之间的差。

普朗克定律

普朗克定律描述了黑体在确定温度下处于热平衡状态下发出的电磁辐射。 它以1900年德国物理学家Max Planck的名字命名。

当绘制各种加热器（发射极）温度的图形时，普朗克定律预测：

1. 产生红外线加热能量的频率范围
2. 给定波长的发射功率

请参阅下面的“关于普朗克定律的解释性说明”。

维也纳位移法

维恩定律是普朗克定律的后续，它预测黑体发出的辐射的光谱分布在最大点处的波长。

完美的黑体是不反射任何东西并发出纯热辐射的表面。 完美黑体的功率与波长的关系图称为黑体光谱（请参见下图）。 请注意，当我们连接普朗克分布上的每个温度曲线的最大值并进行连接时，形成的红色虚线。

随着温度升高，热辐射会产生波长较短，能量较高的光。 从下图可以看出，灯泡如何在可见光谱中仅产生一小部分就能产生一定量的能量。 随着温度升高和峰值波长变短，辐射能量越多。

该图还显示，室温下的岩石不会“发光”，因为20°C的曲线不会延伸到可见光谱中。 当物体加热时，它们开始发出可见光或发光。 在600°C，物体发出暗红色。 在1,000°C下，颜色为橙橙色，在1,500°C下变为白色。

另外两个科学定律为红外辐射热的实际应用提供了信息- 反平方定律 和 朗伯余弦定律.

反平方定律

平方反比定律定义了红外源与其对象之间的辐射能关系-单位面积的强度与该距离的平方成反比。 但是，实际上，当涉及到较大的平行表面（例如加热的压板和烤箱系统）时，平方反比定律的效果较差。

朗伯余弦定律

当辐射没有直接施加到目标物体而是设置成一定角度时，Lambert的余弦定律允许计算IR强度。 该法则主要适用于辐射相对较大距离的小光源。

工业加热中使用的红外发射器通常具有在0.75到10μm范围内的可用峰值发射波长。 在此范围内，分为三个部分，分别是长波，中波和短波。

长波发射器（也称为远红外（FIR））的峰值发射范围在3-10μm范围内。 该范围通常是指由嵌入到实心或空心构造的高发射率陶瓷体中的耐高温合金线圈组成的陶瓷元件。 陶瓷发射器以多种行业标准尺寸制造，具有平坦或弯曲（沟槽式）发射表面。

通过使用具有较高表面温度的发射源，可以实现更短的峰值发射波长。 石英盒式发射器的尺寸与陶瓷类似，符合行业标准尺寸，并且包括一系列内置在抛光镀铝钢外壳中的半透明石英管。 这些发射器可以在较高的前表面温度下工作，并在长至中波范围内发射。

在中波范围的较短端是石英钨发射器，它由密封的线性透明石英管组成，该石英管包含星形设计的钨线圈。 钨丝线圈具有快速响应时间和低热惯性。

短波石英卤素射程与快速中波钨发射极具有相似的构造，不同之处在于，采用了圆形钨线圈，并且石英管充满了卤素气体。 较高的线圈温度会导致产生白光，并在短波范围内产生峰值发射波长。

普朗克定律说明

普朗克定律告诉我们，随着任何发射表面温度的升高，越来越多的能量将以红外能量的形式释放出来。 物体温度越高，将产生的红外能量越多。 随着强度（功率）的增加，发射频率也变宽，峰值波长变短。

在非常高的温度下，不仅是红外线，还将产生一些较短波长的可见光。 首先看到的是暗红色，然后变成橙色，黄色，最后是白色。 图1（下图）显示了从1050°C到50°C绘制的一系列温度范围内的典型普朗克定律曲线。

对应于1050°C的粉红色曲线显示最强的输出。 它显示了最高的功率输出，其峰值约为2.5微米。 随后是850°C处的曲线，其中峰值能量小于1150°C处产生的峰值能量的一半。

随着温度降低，能级也下降，并且峰值能量波长移至更长的波长。 在图中看不到250°C，100°C和50°C曲线的最低温度，但是当将图表放大以查看较低的温度曲线时，向较长波长的这种转变更为明显。 但是，功率强度显着下降。

如图2所示。 在250°C下，可以看到蓝色曲线的峰值约为〜6微米，而在100°C下，峰值波长约为〜7.5微米。 还要注意，波长范围更均匀地分布，并且在高温下不会出现集中的窄峰。

如果再次放大同一张图并仅关注较低的温度，如图3（如下所示），我们将看到50°C和25°C的峰值波长分别约为〜9和10微米。

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