Promiennik podczerwieni
Historia [ Edytuj ]
Niemiec-brytyjski astronom Sir William Herschel jest uznawany za odkrywcę podczerwieni w 1800 roku. Stworzył instrument zwany spektrometrem, aby zmierzyć wielkość mocy promieniowania przy różnych długościach fal . Instrument ten wykonano z trzech części. Pierwszy był pryzmatem, aby złapać światło słoneczne i skierować kolory na stolik, a drugi był małą tekturą z szczeliną wystarczająco szeroką, by mógł przejść przez nią tylko jeden kolor, a na koniec trzy rtęci. szklane termometry . Dzięki swojemu eksperymentowi Herschel odkrył, że czerwone światło miało najwyższy stopień zmiany temperatury w widmie światła , jednak ogrzewanie podczerwone nie było powszechnie używane aż do II wojny światowej . Podczas II wojny światowej ogrzewanie podczerwone stało się szerzej stosowane i rozpoznawane. Głównymi zastosowaniami były metalowe pola wykończeniowe, w szczególności do utwardzania i suszenia farb i lakierów na sprzęcie wojskowym. Banki żarówek były z powodzeniem stosowane, ale według dzisiejszych standardów intensywność mocy była bardzo niska. Technika ta zapewniała znacznie szybsze czasy suszenia niż piece konwekcyjne tego czasu. Zlikwidowano wąskie gardła produkcyjne i utrzymano dostawy wojskowe dla sił zbrojnych. Po drugiej wojnie światowej stosowanie technik ogrzewania podczerwonego trwało nadal, ale w znacznie wolniejszym tempie. W połowie lat pięćdziesiątych przemysł motoryzacyjny zaczął wykazywać zainteresowanie możliwościami podczerwieni do utwardzania farb i uruchomiono szereg tuneli podczerwieni linii produkcyjnej. [
Elementy [ Edytuj ]
Najczęściej stosowanym materiałem włóknistym używanym w elektrycznych grzejnikach podczerwieni jest drut wolframowy , który jest zwinięty w celu zapewnienia większej powierzchni. Alternatywą dla wolframu są węgiel lub stopy żelaza, chromu i aluminium (znak towarowy i marka Kanthal ). Podczas gdy filamenty węglowe są bardziej zmienne w produkcji, nagrzewają się znacznie szybciej niż porównywalny grzejnik średnioprzepływowy na bazie żarnika FeCrAl.
Gdy światło jest niepożądane lub niekonieczne w grzejniku, preferowane są ceramiczne promienniki podczerwieni. Zawierające 8 metrów zwiniętego drutu oporowego ze stopu, emitują jednorodne ciepło na całej powierzchni grzejnika, a materiał ceramiczny jest w 90% absorbujący promieniowanie. Ponieważ absorpcja i emisja są oparte na tych samych fizycznych przyczynach w każdym ciele, ceramika idealnie nadaje się jako materiał na promienniki podczerwieni.
Przemysłowe promienniki podczerwieni czasami używają złotej powłoki na kwarcowej rurce, która odbija promieniowanie podczerwone i kieruje ją w stronę ogrzewanego produktu. W związku z tym promieniowanie podczerwone uderzające w produkt jest praktycznie podwojone. Złoto jest używane ze względu na jego odporność na utlenianie i bardzo wysoki współczynnik odbicia IR około 95%. [4]
Rodzaje [ Edytuj ]
Promienniki podczerwieni są powszechnie stosowane w modułach podczerwieni (lub bankach emitujących), łącząc kilka grzejników, aby uzyskać większe ogrzane obszary.
Promienniki podczerwieni są zwykle klasyfikowane według emitowanej długości fali :
Promienniki podczerwieni (NIR) lub krótkofalowe promienniki podczerwieni działają przy wysokich temperaturach włókna powyżej 1800 ° C, a gdy są rozmieszczone w polu, osiągają gęstość mocy rzędu kilkuset kW / m 2 . Ich szczytowa długość jest znacznie poniżej widma absorpcji dla wody, co sprawia, że nie nadają się do wielu zastosowań suszenia. Są dobrze przystosowane do ogrzewania krzemionki, gdzie wymagana jest głęboka penetracja.
Podgrzewacze podczerwieni średnio-falowe i węglowe (CIR) działają w temperaturach włókna około 1000 ° C. Osiągają maksymalną gęstość mocy do 60 kW / m 2 (średnia fala) i 150 kW / m 2 (CIR).
Nadajniki dalekiego zasięgu (FIR) są zwykle używane w tak zwanych saunach dalekiej podczerwieni o niskiej temperaturze. Stanowią one jedynie wyższą i droższą ofertę rynku sauny na podczerwień. Zamiast wykorzystywać emiter ceramiczny węglowy, kwarcowy lub o wysokiej mocy, emitujący promieniowanie bliskie i średniego promieniowania podczerwonego, ciepło i światło, emitery dalekiej podczerwieni wykorzystują płytki ceramiczne o niskiej mocy, które pozostają zimne, emitując jednocześnie promieniowanie dalekiej podczerwieni. [5]
Związek pomiędzy temperaturą a szczytową długością fali wyrażony jest przez prawo przesunięcia Wiena .
Metal Wire Element [ Edytuj ]
Elementy grzejne z drutu metalowego pojawiły się po raz pierwszy w latach 20. XX wieku. Elementy te składają się z drutu wykonanego z chromu. Chromel jest wykonany z niklu i chromu i jest również znany jako nichrom . Drut ten został zwinięty w spiralę i owinięty wokół ceramicznego korpusu. Po podgrzaniu do wysokiej temperatury tworzy ochronną warstwę tlenku chromu, która chroni drut przed spaleniem i korozją, a także powoduje, że element się świeci. [6]
Lampy grzewcze [ Edytuj ]
Lampa cieplna to żarówka, która służy głównie do wytwarzania ciepła. Widmo promieniowania ciała czarnego emitowane przez lampę jest przesuwane w celu wytworzenia większej ilości światła podczerwonego . Wiele lamp grzewczych zawiera czerwony filtr, aby zminimalizować ilość emitowanego światła widzialnego. Lampy grzewcze często zawierają wewnętrzny reflektor.
Lampy grzewcze są powszechnie stosowane w prysznicach i łazienkach w celu podgrzania kąpiących się oraz w miejscach przygotowywania posiłków w restauracjach, aby utrzymać ciepło żywności przed podaniem. Są one również powszechnie używane do hodowli zwierząt . Światła używane do drobiu są często nazywane lampami rozpalającymi. Oprócz młodych ptaków , inne rodzaje zwierząt, które mogą korzystać z lamp ciepła, to gady , płazy , owady , pajęczaki i młode niektóre ssaki .
Gniazda stosowane do lamp grzewczych są zwykle ceramiczne, ponieważ gniazda z tworzywa sztucznego mogą się stopić lub zapalić, gdy są wystawione na dużą ilość ciepła odpadowego wytwarzanego przez lampy, zwłaszcza gdy są obsługiwane w pozycji "podstawa". Osłona lub kaptur lampy jest ogólnie metalowa. Może być osłona z drutu nad przednią częścią osłony, aby zapobiec dotknięciu gorącej powierzchni żarówki.
Zwykłe domowe żarówki białe żarowe mogą być również używane jako lampy grzewcze , ale żarówki czerwone i niebieskie są sprzedawane do użytku w lampach i lampach gadów. 250- watowe lampy grzewcze są powszechnie pakowane w "R40" (5 "reflektor) z pośrednią podstawą śrubową.
Lampy cieplne mogą być stosowane jako zabieg medyczny w celu zapewnienia suchego ogrzewania, gdy inne zabiegi są nieskuteczne lub niepraktyczne. [7]
Ceramiczne systemy grzewcze na podczerwień [ Edytuj ]
Ceramiczne elementy grzewcze na podczerwień są wykorzystywane w różnorodnych procesach przemysłowych, w których wymagane jest długofalowe promieniowanie podczerwone. Ich użyteczny zakres długości fal wynosi 2-10 μm. Są one często stosowane również w dziedzinie opieki zdrowotnej dla zwierząt / zwierząt domowych. Ceramiczne promienniki podczerwieni (emitery) są produkowane z trzema podstawowymi powierzchniami emitera: korytka (wklęsła), płaskiego i żarówki lub elementu śrubowego Edison do normalnej instalacji za pomocą ceramicznego oprawki E27.
Dalekiej podczerwieni [ Edytuj ]
Ta technologia grzewcza jest stosowana w niektórych drogich saunach na podczerwień. Występuje również w ogrzewaczach pomieszczeń. Grzejniki te wykorzystują emitery ceramiczne o niskiej gęstości (zwykle dość duże panele) emitujące promieniowanie podczerwone o długich falach. Ponieważ elementy grzejne mają stosunkowo niską temperaturę, promienniki o dalekiej podczerwieni nie emitują spalin i zapachów z kurzu, brudu, formaldehydu, toksycznych oparów z powłok malarskich itp. To spowodowało, że ten typ ogrzewania pomieszczeń jest bardzo popularny wśród osób z ciężkie alergie i wielokrotna wrażliwość chemiczna w Europie. Ponieważ technologia dalekiej podczerwieni nie ogrzewa bezpośrednio powietrza w pomieszczeniu, ważne jest, aby zmaksymalizować ekspozycję dostępnych powierzchni, które następnie ponownie emitują ciepło, aby zapewnić równomierne ciepło otoczenia.
Lampy kwarcowe [ Edytuj ]
Wyczyść element kwarcowy
Lampy halogenowe są żarówkami wypełnionymi wysokociśnieniowym gazem halogenowym . Gaz ten jest łączony z niewielką ilością bromu lub jodu, co powoduje regenerację atomów wolframu przez zmniejszenie parowania włókna. Prowadzi to do znacznie dłuższej żywotności lamp halogenowych niż żarówek. Ze względu na wytwarzane przez lampy wysokoprężne i temperatury lampy halogenowe są stosunkowo małe i wykonane ze szkła kwarcowego, ponieważ mają gorętszą temperaturę topnienia niż standardowe szkło . Typowe zastosowania lamp halogenowych to grzejniki stołowe. [8] [9]
Kwarcowe elementy grzewcze na podczerwień emitują falę podczerwoną o średnich falach i są szczególnie skuteczne w systemach, w których wymagana jest szybka reakcja grzałki. Rurkowe lampy podczerwone w żarówkach kwarcowych wytwarzają promieniowanie podczerwone o długości fali 1,5-8 μm. Zamknięte włókno działa w temperaturze około 2500 K , wytwarzając więcej promieniowania o krótszej długości fali niż otwarte źródła cewek drutowych. Opracowane w latach 50. w General Electric , lampy te wytwarzają około 100 W / in ( 4 W / mm ) i można je połączyć, aby emitować 500 watów na stopę kwadratową ( 5400 W / m 2 ). Aby uzyskać jeszcze większą gęstość mocy, zastosowano lampy halogenowe . Kwarcowe lampy podczerwone są stosowane w wysoko polerowanych reflektorach, aby skierować promieniowanie w jednorodny i skoncentrowany wzór.
Kwarcowe lampy grzewcze są stosowane w przetwórstwie żywności, przetwarzaniu chemicznym, suszeniu farb i rozmrażaniu zamrożonych materiałów. Mogą być również stosowane do ogrzewania komfortowego w zimnych obszarach, w inkubatorach oraz w innych zastosowaniach do ogrzewania, suszenia i pieczenia. Podczas opracowywania pojazdów do ponownego wlotu kosmosu, banki kwarcowych lamp podczerwonych były używane do testowania materiałów z osłonami cieplnymi przy gęstości mocy do 28 kilowatów / stopę kwadratową (300 kW / m 2 ). [10]
Najczęściej spotykane konstrukcje składają się z satynowej mleczno-białej rurki ze szkła kwarcowego lub przezroczystego kwarcu z elektrycznie odpornym elementem, zwykle z drutu wolframowego lub cienkiej cewki ze stopu żelaza i chromu. [11] Powietrze atmosferyczne jest usuwane i napełniane gazami obojętnymi, takimi jak azot i argon, a następnie uszczelniane. W kwarcowych lampach halogenowych dodaje się niewielką ilość gazu halogenowego, aby przedłużyć żywotność grzałki.
Znaczna część uwolnionej podczerwieni i widzialnej energii jest spowodowana bezpośrednim nagrzewaniem materiału kwarcowego , 97% bliskiej podczerwieni jest absorbowane przez krzemionkową rurkę ze szkła kwarcowego, co powoduje wzrost temperatury ścianki rury, co powoduje wiązanie krzem-tlen promieniować promieniami dalekiej podczerwieni. [ potrzebne źródło ] Elementy grzewcze ze szkła kwarcowego zostały pierwotnie zaprojektowane do zastosowań oświetleniowych, ale kiedy lampa jest w pełnej mocy, mniej niż 5% emitowanej energii znajduje się w zakresie widzialnym. [12]
Kwarc Tungsten [ Edytuj ]
Grzejnik kwarcowy
Grzejniki podczerwieni z kwarcem i wolframem emitują energię o średnich falach, osiągając temperaturę roboczą do 1500 ° C (fala średnia) i 2600 ° C (falę krótką). Osiągają temperaturę roboczą w ciągu kilku sekund. Emisja szczytowa długości fali około 1,6 μm (fala podczerwieni średniej fali) i 1 μm (fala podczerwieni krótkofalowa).
Ogrzewacz węglowy [ Edytuj ]
Podgrzewacz z włókna węglowego
Grzejniki węglowe wykorzystują element grzewczy z włókna węglowego, który może wytwarzać ciepło dalekiej podczerwieni o długim, średnim i krótkim fale. Muszą być dokładnie określone dla ogrzewanych pomieszczeń. [13]
Gas-Fired [ Edytuj ]
Istnieją dwa podstawowe typy promienników podczerwieni.
Luminous lub wysokiej intensywności
Grzejniki promiennikowe
Promienniki gazowe z promiennikiem rurowym wykorzystywane do ogrzewania pomieszczeń przemysłowych i komercyjnych spalają gaz ziemny lub propan w celu ogrzania rury emitującej stal. Gaz przepływający przez zawór regulacyjny przepływa przez palnik kubkowy lub zwężkę Venturiego . Gazy produktu spalania ogrzewają rurkę emitera. Gdy rura się nagrzewa, promieniująca energia z rury uderza w podłogę i inne przedmioty w okolicy, ogrzewając je. Ta forma ogrzewania utrzymuje ciepło nawet wtedy, gdy nagle wprowadzono dużą ilość zimnego powietrza, na przykład w warsztatach serwisowych. Nie mogą jednak walczyć z zimnym przeciągiem.
Sprawność promiennika podczerwieni jest oceną całkowitej energii zużywanej przez grzałkę w porównaniu do ilości wytworzonej energii podczerwieni. Podczas gdy zawsze będzie istnieć pewna ilość ciepła konwekcyjnego wytworzonego w procesie, jakiekolwiek wprowadzenie ruchu powietrza przez grzejnik zmniejszy jego wydajność konwersji w podczerwieni. W przypadku nowych bezbarwnych reflektorów promienniki mają sprawność promieniowania w dół około 60%. [Pozostałe 40% obejmuje nieodzyskiwalne straty promieniowania + straty konwekcyjne w górę i, straty kominowe.]
Efekty zdrowotne [ Edytuj ]
Oprócz niebezpieczeństwa dotknięcia gorącej żarówki lub elementu, promieniowanie podczerwone o wysokiej intensywności krótkofalowej może powodować pośrednie oparzenia termiczne, gdy skóra jest narażona na zbyt długo lub grzejnik jest umieszczony zbyt blisko obiektu. Osoby narażone na duże ilości promieniowania podczerwonego (takie jak dmuchawy szklane i spawarki łukowe) przez dłuższy okres czasu mogą wykazywać depigmentację tęczówki i nieprzezroczystość cieczy wodnistej , tak więc ekspozycja powinna zostać zahamowana. [14]
Wydajność [ Edytuj ]
Ogrzewane elektrycznie promienniki podczerwieni emitują do 86% energii wejściowej w postaci energii promieniowania. [15] Prawie cały wkład energii elektrycznej jest przetwarzany na promieniowanie cieplne w podczerwieni w filamencie i kierowany na produkt [ wymagane wyjaśnienie ] przez reflektory. Część energii cieplnej jest usuwana z elementu grzejnego przez przewodzenie lub konwekcję , która może nie występować w ogóle dla niektórych projektów, w których cała energia elektryczna jest pożądana w ogrzewanej przestrzeni, lub może być uważana za stratę, w sytuacjach, w których tylko promieniowanie wymiana ciepła jest pożądana lub produktywna.
Dla praktycznych zastosowań, sprawność promiennika podczerwieni zależy od dopasowania emitowanej długości fali i widma absorpcji nagrzewanego materiału. Na przykład widmo absorpcyjne dla wody ma pik przy około 3000 nm . Oznacza to, że emisja z promienników podczerwieni średniofalowych lub węglowych jest znacznie lepiej absorbowana przez powłoki wodne i wodne niż w przypadku promieniowania podczerwonego NIR lub fal krótkich. To samo dotyczy wielu tworzyw sztucznych, takich jak PCV lub polietylen. Ich szczytowa absorpcja wynosi około 3500 nm . Z drugiej strony, niektóre metale absorbują tylko w zakresie fal krótkich i wykazują silne odbicie w średniej i dalekiej podczerwieni. To sprawia, że staranny dobór właściwego grzejnika podczerwieni jest ważny dla efektywności energetycznej w procesie ogrzewania. [ potrzebne źródło ]
Elementy ceramiczne działają w temperaturze od 300 do 700 ° C (od 570 do 1290 ° F), wytwarzając fale podczerwone w zakresie od 2000 do 10 000 nm . Większość tworzyw sztucznych i wielu innych materiałów najlepiej absorbuje promieniowanie podczerwone w tym zakresie, co czyni grzejnik ceramiczny najbardziej odpowiednim do tego zadania. [ potrzebne źródło ]
Aplikacje [ Edytuj ]
Promiennik podczerwieni do gotowania döner kebab
Grzejniki podczerwieni mogą spełniać różne wymagania dotyczące ogrzewania, w tym:
Wyjątkowo wysokie temperatury, ograniczone w dużej mierze przez maksymalną temperaturę emitera
Krótki czas reakcji, rzędu 1-2 sekund
Gradienty temperatury, szczególnie w przypadku tkanin z dużą ilością ciepła
Koncentruje się na ogrzewanym obszarze w stosunku do metod ogrzewania przewodzącego i konwekcyjnego
Bezkontaktowy, nie zakłócając w ten sposób produktu, jak mają to metody przewodzące lub konwekcyjne
Dlatego grzejniki podczerwieni są stosowane do wielu celów, w tym:
Systemy grzewcze
Utwardzanie powłok
Ogrzewanie tworzywem sztucznym przed formowaniem
Spawanie tworzyw sztucznych
Obróbka cieplna szkła i metalu
Gotowanie
Ocieplenie ssących zwierząt lub uwięzionych zwierząt w ogrodach zoologicznych lub klinikach weterynaryjnych
Ćwiczenia na zajęciach jogi gorącej w celu złagodzenia problemów oddechowych związanych z ogrzewaniem konwekcyjnym [16]
