Infraroșu
Istoric [ Editare ]
Astronomul german-britanic Sir William Herschel este creditat cu descoperirea infraroșiei în 1800. El a făcut un instrument numit un spectrometru pentru a măsura magnitudinea puterii radiante la diferite lungimi de undă . Acest instrument a fost făcut din trei piese. Prima a fost o prismă pentru a prinde lumina soarelui și a direcționa și a dispersa culorile pe o masă, al doilea a fost un panou mic de carton cu o fantă destul de largă pentru ca doar o singură culoare să treacă prin ea și, în cele din urmă, trei mercur- glass thermometers . Prin experimentul său Herschel a constatat că lumina roșie a avut cel mai înalt grad de schimbare de temperatură în spectrul luminii , totuși, încălzirea în infraroșu nu a fost folosită în mod obișnuit până în al doilea război mondial . În timpul celui de-al doilea război mondial încălzirea prin infraroșu a devenit mai larg utilizată și recunoscută Principalele aplicații au fost în domeniul finisării metalului, în special în tratarea și uscarea vopselelor și lacurilor pe echipamente militare. Băncile becurilor cu lampă au fost folosite cu succes, dar conform standardelor de astăzi, intensitățile energetice au fost foarte scăzute. Tehnica a oferit timpi de uscare mult mai rapizi decât cuptoarele cu convecție de combustibil ale timpului. Blocajele de producție au fost atenuate și au fost menținute resursele militare forțelor armate. După cel de-al doilea război mondial, adoptarea tehnicilor de încălzire prin infraroșu a continuat, dar pe o bază mult mai lentă. La mijlocul anilor '50, industria autovehiculelor a început să se intereseze de capacitățile infraroșiei pentru tratarea vopselei și au intrat în folosință o serie de tuneluri cu infraroșu de linie de producție. [
Elemente [ Editare ]
Cel mai comun material de filament utilizat pentru încălzitoare electrice cu infraroșu este sârmă din wolfram , care este înfășurată pentru a asigura o suprafață mai mare. Alternativele la temperaturi scăzute pentru tungsten sunt carbon sau aliaje de fier, crom și aluminiu (marca comercială și numele Kanthal ). În timp ce filamentele de carbon sunt mai fluide pentru a produce, ele se încălzesc mult mai repede decât un încălzitor cu unde medii comparabile bazat pe un filament FeCrAl.
Atunci când lumina este nedorită sau nu este necesară într-un încălzitor, radiatoarele ceramice infraroșii radiante sunt alegerea preferată. Conținând 8 metri de sârmă de rezistență din aliaj spiralat, ele emit o căldură uniformă pe întreaga suprafață a încălzitorului, iar ceramica este absorbantă de radiație de 90%. Deoarece absorbția și emisia se bazează pe aceleași cauze fizice în fiecare corp, ceramica este ideală ca material pentru încălzitoarele cu infraroșu.
Încălzitoarele industriale cu infraroșu utilizează uneori un strat de aur pe tubul de cuarț care reflectă radiația infraroșie și îl direcționează către produsul care trebuie încălzit. În consecință, radiația infraroșie care influențează produsul este practic dublată. Aurul este folosit datorită rezistenței sale la oxidare și a gradului de reflectivitate IR de aproximativ 95%. [4]
Tipuri [ Editare ]
Încălzitoarele infraroșii sunt utilizate în mod frecvent în module infraroșii (sau bănci de emitenți) care combină mai multe încălzitoare pentru a obține zone mai mari încălzite.
Încălzitoarele cu infraroșu sunt de obicei clasificate după lungimile de undă pe care le emit:
Infraroșele infraroșii (NIR) sau încălzitoarele cu infraroșu de scurtă durată funcționează la temperaturi ridicate ale filamentului de peste 1800 ° C și, atunci când sunt aranjate într-un câmp, ating densități mari de putere de câteva sute de kW / m 2 . Lungimea de undă de vârf este cu mult sub spectrul de absorbție pentru apă, ceea ce le face nepotrivite pentru multe aplicații de uscare. Ele sunt potrivite pentru încălzirea silicelor, unde este necesară o penetrare profundă.
Incalzitoarele cu infrarosu cu infrarosu medie si carbon (CIR) functioneaza la temperaturi de filament de aproximativ 1000 ° C. Acestea ating densități maxime de putere de până la 60 kW / m 2 (valuri medii) și 150 kW / m 2 (CIR).
Farurile emițătoare cu infraroșu (FIR) sunt de obicei utilizate în așa-numitele saune cu infraroșii cu temperatură scăzută. Acestea constituie doar o gamă mai mare și mai scumpă de piață a saunei infraroșii. În loc să utilizeze emițători ceramici de carbon, cuarț sau de mare putere, care emit radiații infraroșii apropiate și medii, căldură și lumină, emițătoarele cu infraroșii de dimensiuni mari utilizează plăci ceramice de joasă tensiune care rămân reci, în timp ce emit încă radiații infraroșii. [5]
Relația dintre temperatură și lungimea de undă de vârf este exprimată prin legea privind deplasarea Wien .
Element de sarma metalica [ Editare ]
Elementele de încălzire din sârmă metalică au apărut pentru prima dată în anii 1920. Aceste elemente constau din sârmă din crom. Cromul este fabricat din nichel și crom și este, de asemenea, cunoscut sub numele de Nichrome . Acest fir a fost apoi înfășurat într-o spirală și înfășurat în jurul unui corp ceramic. Când se încălzește la temperaturi ridicate, formează un strat protector de oxid de crom care protejează firul împotriva arderii și coroziunii, aceasta determină de asemenea strălucirea elementului. [6]
Lămpi de căldură [ Editați ]
O lampă de căldură este un bec cu incandescență care este folosit pentru scopul principal de a crea căldură. Spectrul de radiații corporale negre emise de lampă este schimbat pentru a produce mai multă lumină infraroșie . Multe lămpi de încălzire includ un filtru roșu pentru a minimiza cantitatea de lumină vizibilă emisă. Lămpile de căldură includ adesea un reflector intern.
Lămpile de căldură sunt utilizate în mod obișnuit în cabinele de duș și băi, pentru a se încălzi pe băieți și în zonele de preparare a alimentelor din restaurante, pentru a menține calitatea alimentelor înainte de servire Ele sunt, de asemenea, utilizate în mod obișnuit pentru creșterea animalelor . Luminile folosite pentru păsările de curte sunt adesea numite lămpi de broodă. Pe lângă păsările tinere, alte tipuri de animale care pot beneficia de lămpi de căldură includ reptile , amfibieni , insecte , arahnide și tinerii unor mamifere .
Prizele utilizate pentru lămpile de căldură sunt, de obicei, ceramice, deoarece prizele de plastic se pot topi sau arde atunci când sunt expuse la cantitatea mare de căldură reziduală produsă de lămpi, mai ales atunci când se operează în poziția "de bază". Glonțul sau capota lămpii sunt, în general, metalice. Este posibil să existe o garnitură de sârmă peste partea din față a geamului, pentru a împiedica atingerea suprafeței fierbinți a becului.
Becurile de uz casnic de uz casnic de uz casnic pot fi, de asemenea, utilizate ca lămpi de căldură , dar becurile roșii și albastre sunt vândute pentru utilizarea în lămpi cu furaje și lămpi cu reptile. Lămpile de căldură de 250 W sunt ambalate în mod obișnuit în "R40" (lampă de reflector de 5 ") cu o bază intermediară cu șurub.
Lămpile de căldură pot fi folosite ca tratament medical pentru a asigura căldură uscată atunci când alte tratamente sunt ineficiente sau impracticabile. [7]
Sisteme de încălzire cu infraroșu ceramic [ Editați ]
Elementele de încălzire cu infraroșii ceramice sunt utilizate într-o gamă variată de procese industriale unde este necesară o radiație infraroșie cu undă lungă. Lungimea lor de undă utilă este de 2-10 μm. Ele sunt adesea folosite în domeniul îngrijirii animalelor / animalelor de companie. Instalațiile ceramice cu infraroșu (emițătoare) sunt fabricate cu trei fețe emițătoare de bază: jgheab (concav), plat și bulb sau element de șurub Edison pentru instalare normală prin intermediul unui suport pentru lămpi ceramice E27.
Far-infraroșu [ Editați ]
Această tehnologie de încălzire este utilizată în unele saune cu infraroșu scumpe. Se găsește și în încălzitoarele de spațiu. Aceste încălzitoare utilizează emițătoare de ceramică cu densitate redusă de watt (de obicei panouri destul de mari) care emit radiații infraroșii cu undă lungă. Deoarece elementele de încălzire sunt la o temperatură relativ scăzută, încălzitoarele cu infraroșu de la distanță nu dau emisii și miros de praf, murdărie, formaldehidă, vapori toxici din vopsea etc. Acest lucru a făcut ca acest tip de încălzire a spațiului să fie foarte popular în rândul persoanelor cu alergiile severe și sensibilitatea chimică multiplă în Europa. Deoarece tehnologia infraroșie de departe nu încălzește direct aerul camerei, este important să se maximizeze expunerea suprafețelor disponibile, care apoi remixează căldura pentru a oferi o căldură ambientală chiar și în jur.
Lămpi de căldură de cuarț [ Editați ]
Element cuarț clar
Lămpile cu halogen sunt lămpi incandescente umplute cu gaz halogen cu presiune ridicată. Acest gaz este combinat cu o cantitate mică de brom sau iod care determină regenerarea atomilor de wolfram prin scăderea evaporării filamentului. Acest lucru duce la o viață mult mai lungă a lămpilor cu halogen decât la lămpile cu incandescență. Datorită lămpilor cu halogen de înaltă presiune și temperatură, ele sunt relativ mici și sunt făcute din sticlă de cuarț deoarece au un punct de topire mai fierbinte decât sticla standard. Utilizările uzuale pentru lămpile cu halogen sunt încălzitoarele de masă. [8] [9]
Elementele de încălzire prin infraroșu din cuarț emit energie în infraroșu cu undă medie și sunt deosebit de eficiente în sistemele în care este necesar un răspuns rapid al încălzitorului. Lămpile cu tub infraroșu în bulbii de cuarț produc radiații infraroșii în lungimi de undă de 1,5-8 μm. Fiul închis funcționează la circa 2500 K , producând o radiație mai lungă decât lungimea de undă mai scurtă decât sursele deschise de bobină. Dezvoltate în anii 1950 de la General Electric , aceste lămpi produc aproximativ 100 W / ină ( 4 W / mm ) și pot fi combinate pentru a radia 500 wați pe picior pătrat ( 5400 W / m 2 ). Pentru a atinge densități de putere chiar mai mari, au fost utilizate lămpi cu halogen . Lămpile cu lămpi cu infraroșu din cuarț sunt utilizate în reflectori lustruiți pentru a direcționa radiațiile într-un model uniform și concentrat.
Lămpile de căldură din cuarț sunt utilizate în prelucrarea produselor alimentare, prelucrarea chimică, uscarea vopselei și dezghețarea materialelor congelate. Ele pot fi de asemenea utilizate pentru încălzirea confortabilă în zonele reci, în incubatoare și în alte aplicații pentru încălzire, uscare și coacere. În timpul dezvoltării vehiculelor de reintrare în spațiu, băncile cu lămpi cu infraroșu din cuarț au fost utilizate pentru a testa materialele de protecție împotriva căldurii la densități de putere de până la 28 kilowați / pătrat pătrat (300 kW / m 2 ). [10]
Cele mai des întâlnite modele constau fie dintr -un tub din sticlă de sticlă de cuarț alb, din satin, fie dintr -un cuarț clar, cu un element rezistent la electricitate, de obicei un fir de tungsten sau o bobină subțire de aliaj de fier-crom-aluminiu. [11] Aerul atmosferic este îndepărtat și umplut cu gaze inerte, cum ar fi azot și argon, apoi etanșate. În lămpile cu halogen cu cuarț, se adaugă o cantitate mică de gaz halogen pentru a prelungi durata de funcționare a încălzitorului.
O mare parte din energia infraroșie și vizibilă eliberată este cauzată de încălzirea directă a materialului de cuarț , 97% din infraroșu apropiat fiind absorbit de tubul de sticlă de cuarț de siliciu, determinând creșterea temperaturii peretelui tubului, ceea ce cauzează legătura siliciu-oxigen pentru a radia razele infraroșii. Elementele de încălzire din sticlă de cuarț au fost proiectate inițial pentru aplicații de iluminat, dar când o lampă este la putere maximă, mai puțin de 5% din energia emitată este în spectrul vizibil. [12]
Quartz Tungsten [ Editare ]
Cuarț cuarț
Incalzitoarele cu infrarosu cu tungsten de cuarț emit energie medie a undelor, atingând temperaturi de funcționare de până la 1500 ° C (valuri medii) și 2600 ° C (val scurt). Ele ating temperatura de operare în câteva secunde. Emisii de lungime de undă de vârf de aproximativ 1,6 μm (infraroșu cu undă medie) și 1 μm (infraroșu cu undă scurtă).
Carbon Heater [ Editare ]
Incalzitor de fibră de carbon
Încălzitoarele cu carbon utilizează un element de încălzire cu fibră de carbon, capabil să producă căldură cu infraroșu lungă, medie și scurtă. Acestea trebuie să fie specificate cu precizie pentru spațiile care trebuie încălzite. [13]
Cu gaz [ Editați ]
Există două tipuri de încălzire cu infraroșu radiant.
Luminos sau intensitate mare
Radiatoare cu tub termic
Radiatoarele de încălzire cu gaz pe bază de gaze utilizate pentru încălzirea industrială și comercială a clădirilor ard gaz natural sau propan pentru încălzirea unui tub de emițător de oțel. Gazul care trece printr-o supapă de control curge printr-un arzător de cupă sau un venturi . Gazele produse de combustie încălzesc tubul emițătorului. Pe masura ce tubul se incalzeste, energia radianta din tubulatura loveste podelele si alte obiecte din zona, incalzindu-le. Această formă de încălzire menține căldura chiar și atunci când este introdus brusc un volum mare de aer rece, cum ar fi în garajele de întreținere. Cu toate acestea, ei nu pot lupta împotriva unui proiect rece.
Eficiența unui încălzitor cu infraroșu este o evaluare a puterii totale consumate de încălzitor în comparație cu cantitatea de energie infraroșie generată. Deși va exista întotdeauna o cantitate de căldură convectivă generată prin proces, orice introducere a mișcării aerului pe încălzire va reduce eficiența conversiei în infraroșu. Cu reflectori noi neinstruiți, tuburile radiante au o eficiență radiantă descendentă de aproximativ 60%. [Celelalte 40% includ pierderi nerecuperabile în sus, radiante + convective și pierderi de gaze arse.]
Efecte de sănătate [ Editați ]
Pe lângă pericolele legate de atingerea becului sau a elementului, radiația infraroșie cu intensitate mică de intensitate mare poate cauza arsuri termice indirecte atunci când pielea este expusă prea mult sau încălzitorul este poziționat prea aproape de subiect. Persoanele expuse la cantități mari de radiații infraroșii (cum ar fi suflantele de sticlă și sudorii cu arc) pentru o perioadă lungă de timp pot dezvolta depigmentarea irisului și opacitatea umorului apos , astfel încât expunerea ar trebui să fie moderată. [14]
Eficiență [ Editare ]
Încălzitoarele cu infraroșu cu încălzire electrică radiază până la 86% din energia lor radiantă. [15] Aproape toată energia electrică este transformată în căldură în infraroșu și îndreptată spre produs [ clarificarea necesară ] de către reflectori. Unele energii termice sunt îndepărtate din elementul de încălzire prin conducție sau convecție , ceea ce nu poate fi deloc pierdut pentru unele modele în care toată energia electrică este dorită în spațiul încălzit sau poate fi considerată o pierdere în situațiile în care numai radiația transferul de căldură este dorit sau productiv.
Pentru aplicații practice, eficiența încălzitorului cu infraroșu depinde de potrivirea lungimii de undă emise și spectrul de absorbție al materialului de încălzit. De exemplu, spectrul de absorbție pentru apă are vârful la aproximativ 3000 nm . Aceasta înseamnă că emisiile provenite de la încălzitoarele cu infraroșii cu temperatură medie sau de carbon sunt mult mai bine absorbite de acoperiri pe bază de apă și pe bază de apă decât NIR sau radiații infraroșii cu undă scurtă. Același lucru este valabil și pentru multe materiale plastice, cum ar fi PVC sau polietilenă. Absorbția lor la vârf este de aproximativ 3500 nm . Pe de altă parte, unele metale absoarbe doar în intervalul de undă scurtă și prezintă o reflectanță puternică în medii și în infraroșu. Acest lucru face o alegere atentă a încălzitorului cu infraroșu drept important pentru eficiența energetică în procesul de încălzire. [ citare necesară ]
Elementele ceramice funcționează la o temperatură cuprinsă între 300 și 700 ° C (570 la 1290 ° F), producând lungimi de undă în infraroșu în intervalul de la 2000 la 10 000 nm . Cele mai multe materiale plastice și multe alte materiale absorb infraroșu cel mai bine în această gamă, ceea ce face încălzitorul ceramic cel mai potrivit pentru această sarcină. [ citare necesară ]
Aplicații [ Editare ]
Infraroșu pentru gătit döner kebab
Incalzitoarele IR pot satisface o varietate de cerințe de încălzire, inclusiv:
Temperaturile extrem de ridicate, limitate în mare măsură de temperatura maximă a emițătorului
Timp de răspuns rapid, de ordinul a 1-2 secunde
Gradienți de temperatură, în special pe pânzele de material cu intrare ridicată a căldurii
Zonă încălzită concentrată în raport cu metodele de încălzire conductive și convective
Fără contact, fără a perturba produsul ca metodă de încălzire conductivă sau convectivă
Astfel, încălzitoarele IR se aplică în mai multe scopuri, printre care:
Sisteme de încălzire
Tratarea straturilor de acoperire
Încălzirea din plastic înainte de formare
Sudarea materialelor plastice
Tratarea termică a sticlei și a metalelor
gătire
Încălzirea animalelor care alăptează sau a animalelor captive în grădinile zoologice sau în clinicile veterinare
Hot Yoga cursuri de fitness pentru a atenua problemele respiratorii reprezentate de încălzire prin convecție [16]
