Grzejnik na podczerwień
Promiennik podczerwieni lub lampa grzewcza to urządzenie grzewcze zawierające emiter o wysokiej temperaturze, który przenosi energię do chłodniejszego obiektu poprzez promieniowanie elektromagnetyczne. W zależności od temperatury emitera długość fali piku promieniowania podczerwonego wynosi od 750 nm do 1 mm. Do transferu energii nie jest potrzebny żaden kontakt ani medium między emiterem a chłodnym obiektem. Promienniki podczerwieni mogą pracować w próżni lub atmosferze.
Jedna klasyfikacja promienników podczerwieni opiera się na pasmach długości fali emisji podczerwieni.
- Fale krótkie lub bliska podczerwień dla zakresu od 750 nm do 1,4 μm ; emitery te są również nazywane „jasnymi”, ponieważ nadal emitowane jest pewne światło widzialne;
- Średnia podczerwień dla zakresu od 1,4 μm do 3 μm ;
- Emitery dalekiej podczerwieni lub ciemności dla wszystkiego powyżej 3 μm .
Historia
Brytyjsko-niemieckiemu astronomowi Sir Williamowi Herschelowi przypisuje się odkrycie podczerwieni w 1800 roku. Zbudował instrument zwany spektrometrem do pomiaru wielkości mocy promieniowania przy różnych długościach fal . Instrument ten składał się z trzech części. Pierwszym był pryzmat, który wychwytywał światło słoneczne oraz kierował i rozpraszał kolory na stół, drugim był mały panel z tektury ze szczeliną wystarczająco szeroką, by mógł przez niego przejść tylko jeden kolor, a na koniec trzy rtęć w… szklane termometry . W swoim eksperymencie Herschel odkrył, że światło czerwone ma najwyższy stopień zmiany temperatury w widmie światła jednak ogrzewanie na podczerwień nie było powszechnie stosowane aż do II wojny światowej. Podczas II wojny światowej ogrzewanie na podczerwień stało się szerzej stosowane i rozpoznawane. Główne zastosowania dotyczyły obróbki wykończeniowej metali, w szczególności utwardzania i suszenia farb i lakierów na sprzęcie wojskowym. Banki żarówek były używane bardzo skutecznie; chociaż według dzisiejszych standardów intensywność mocy była bardzo niska, technika ta zapewniała znacznie krótszy czas suszenia niż ówczesne piece konwekcyjne na paliwo. Po drugiej wojnie światowej techniki ogrzewania na podczerwień były kontynuowane, ale w znacznie wolniejszym tempie. W połowie lat pięćdziesiątych przemysł motoryzacyjny zaczął wykazywać zainteresowanie możliwościami podczerwieni do utwardzania lakieru i zaczęto używać szeregu tuneli na podczerwień linii produkcyjnych.
Elementy
Najpopularniejszym materiałem żarnika używanym do elektrycznych promienników podczerwieni jest drut wolframowy , który jest zwinięty w celu uzyskania większej powierzchni. Niskotemperaturowe alternatywy dla wolframu to węgiel lub stopy żelaza , chromu i aluminium ( znak towarowy i marka Kanthal ). Chociaż włókna węglowe są bardziej kapryśne w produkcji, nagrzewają się znacznie szybciej niż porównywalny grzejnik średniofalowy oparty na włóknie FeCrAl.
Gdy światło jest niepożądane lub niepotrzebne w grzejniku, preferowanym wyborem są ceramiczne promienniki podczerwieni. Zawierają 8 metrów (26 stóp) zwiniętego drutu oporowego ze stopu, emitują równomierne ciepło na całej powierzchni grzejnika, a ceramika pochłania promieniowanie w 90%. Ponieważ absorpcja i emisja opierają się na tych samych przyczynach fizycznych w każdym ciele, ceramika idealnie nadaje się jako materiał na promienniki podczerwieni.
Przemysłowe promienniki podczerwieni czasami wykorzystują złotą powłokę na rurze kwarcowej , która odbija promieniowanie podczerwone i kieruje je w stronę produktu, który ma być ogrzany. W rezultacie promieniowanie podczerwone padające na produkt jest praktycznie podwojone. Złoto jest używane ze względu na swoją odporność na utlenianie i bardzo wysoki współczynnik odbicia podczerwieni wynoszący około 95%.
typy
Promienniki podczerwieni są powszechnie stosowane w modułach podczerwieni (lub bankach emiterów) łączących kilka grzejników w celu uzyskania większych powierzchni ogrzewanych.
Promienniki podczerwieni są zwykle klasyfikowane według emitowanej długości fali :
Promienniki bliskiej podczerwieni (NIR) lub krótkofalowe promienniki podczerwieni działają przy wysokich temperaturach żarnika powyżej 1800 °C (3270 °F ), a ustawione w polu osiągają wysokie gęstości mocy rzędu kilkuset kW/m 2 . Ich szczytowa długość fali jest znacznie poniżej widma absorpcji wody, co czyni je nieodpowiednimi do wielu zastosowań związanych z suszeniem. Dobrze nadają się do ogrzewania krzemionki, gdzie wymagana jest głęboka penetracja.
Promienniki średniofalowe (MWIR) i węglowe na podczerwień działają przy temperaturze żarnika około 1000 ° C (1830 ° F). Osiągają maksymalną gęstość mocy do 60 kW / m2 ( (5,6 kW/ stopę kwadratową ) (fale średnie) i 150 kW/m2 14 kW/stopę kwadratową) (węgle).
dalekiej podczerwieni (FIR) są zwykle stosowane w tak zwanych niskotemperaturowych saunach dalekiej podczerwieni . To tylko wyższa i droższa oferta saun na podczerwień na rynku. Zamiast stosowania promienników węglowych, kwarcowych lub ceramicznych o dużej mocy, które emitują promieniowanie bliskiej i średniej podczerwieni, ciepło i światło, emitery dalekiej podczerwieni wykorzystują płytki ceramiczne o niskiej mocy, które pozostają zimne, a jednocześnie emitują promieniowanie dalekiej podczerwieni.
Zależność między temperaturą a szczytową długością fali wyraża prawo przesunięcia Wiena .
Element z drutu metalowego
Elementy grzejne z drutu metalowego pojawiły się po raz pierwszy w latach dwudziestych XX wieku. Elementy te składają się z drutu wykonanego z chromu. Chromel jest wykonany z niklu i chromu i jest również znany jako nichrom . Ten drut został następnie zwinięty w spiralę i owinięty wokół ceramicznego korpusu. Podgrzany do wysokich temperatur tworzy ochronną warstwę tlenku chromu , który chroni drut przed spaleniem i korozją oraz powoduje żarzenie się elementu.
Lampy grzewcze
Lampa grzewcza to żarówka , której głównym celem jest wytwarzanie ciepła. Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego emitowanego przez lampę jest przesunięte, aby wytworzyć więcej światła podczerwonego . Wiele lamp grzewczych zawiera czerwony filtr, aby zminimalizować ilość emitowanego światła widzialnego. Lampy grzewcze często zawierają wewnętrzny odbłyśnik.
Lampy grzewcze są powszechnie stosowane w prysznicach i łazienkach do ogrzania kąpiących się oraz w strefach przygotowywania posiłków w restauracjach, aby utrzymać ciepło potraw przed podaniem. Są również powszechnie wykorzystywane do hodowli zwierząt . Światła używane dla drobiu są często nazywane lampami lęgowymi. Oprócz młodych ptaków, inne rodzaje zwierząt, które mogą skorzystać z lamp grzewczych, to gady , płazy , owady , pajęczaki i młode niektórych ssaków .
Oprawy używane do lamp grzewczych są zwykle ceramiczne , ponieważ plastikowe oprawki mogą się stopić lub spalić pod wpływem dużej ilości ciepła odpadowego wytwarzanego przez lampy, zwłaszcza gdy pracują w pozycji „podstawą do góry”. Osłona lub osłona lampy jest na ogół metalowa. Na przedniej części osłony może znajdować się druciana osłona, aby zapobiec dotknięciu gorącej powierzchni żarówki.
Zwykłe białe żarówki domowe mogą być również używane jako lampy grzewcze , ale żarówki czerwone i niebieskie są sprzedawane do użytku w lampach lęgowych i lampach dla gadów. 250- watowe lampy grzewcze są zwykle pakowane w obudowie „R40” (5-calowa lampa reflektorowa) z pośrednią podstawą śrubową.
Lampy grzewcze mogą być stosowane jako leczenie medyczne w celu zapewnienia suchego ciepła, gdy inne zabiegi są nieskuteczne lub niepraktyczne.
Ceramiczne systemy grzewcze na podczerwień
Ceramiczne elementy grzejne na podczerwień są stosowane w różnorodnych procesach przemysłowych, w których wymagane jest promieniowanie podczerwone o długich falach. Ich użyteczny zakres długości fal wynosi 2–10 μm. Są one często stosowane również w dziedzinie opieki nad zwierzętami domowymi. Ceramiczne promienniki podczerwieni (emitery) są produkowane z trzema podstawowymi powierzchniami czołowymi emiterów: rynnowym (wklęsłym), płaskim i żarówkowym lub elementem śrubowym Edisona do zwykłego montażu za pomocą oprawki ceramicznej E27.
Daleka podczerwień
Ta technologia ogrzewania jest stosowana w niektórych drogich saunach na podczerwień. Występuje również w energooszczędnych grzejnikach. Są to zazwyczaj dość duże płaskie panele, które umieszcza się na ścianach, sufitach lub wbudowuje w podłogi. Grzejniki te emitują promieniowanie podczerwone o długich falach za pomocą ceramicznych emiterów o niskiej gęstości watów opartych na technologii włókna węglowego. Bardziej wydajne konstrukcje wykorzystują kryształy węgla, połączenie włókna węglowego, zintegrowane z nanotechnologią, przekształcającą węgiel w postać nanometrową. Ponieważ elementy grzejne mają stosunkowo niską temperaturę, promienniki dalekiej podczerwieni nie wydzielają emisji i zapachu kurzu, brudu, formaldehydu, toksycznych oparów z powłoki lakierniczej itp. [ potrzebne źródło ] To sprawiło, że ten rodzaj ogrzewania pomieszczeń stał się bardzo popularny wśród osób z poważnymi alergiami i wieloraką wrażliwością chemiczną w Europie. [ potrzebne źródło ] 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. Nazywa się to ogrzewaniem promiennikowym. [ potrzebne źródło ]
Kwarcowe lampy grzewcze
Lampy halogenowe to żarówki wypełnione gazem obojętnym pod wysokim ciśnieniem połączonym z niewielką ilością gazu halogenowego ( bromu lub jodu ); wydłuża to żywotność żarnika (patrz ). Prowadzi to do znacznie dłuższej żywotności lamp halogenowych niż innych żarówek. Ze względu na wysokie ciśnienie i temperaturę, jakie wytwarzają lampy halogenowe, są one stosunkowo małe i wykonane ze szkła kwarcowego ponieważ ma wyższą temperaturę topnienia niż standardowe szkło. Typowym zastosowaniem lamp halogenowych są grzejniki stołowe.
Kwarcowe elementy grzejne na podczerwień emitują energię podczerwieni o średniej długości fali i są szczególnie skuteczne w systemach, w których wymagana jest szybka reakcja nagrzewnicy. Rurowe lampy na podczerwień w bańkach kwarcowych wytwarzają promieniowanie podczerwone o długości fali 1,5–8 μm. Zamknięte włókno działa w temperaturze około 2500 K (2230 ° C; 4040 ° F), wytwarzając więcej promieniowania o krótszej długości fali niż źródła z otwartą cewką drutową. , opracowane w latach pięćdziesiątych przez General Electric , wytwarzają około 100 watów na cal (4 W/mm) i mogą emitować 500 watów na stopę kwadratową (5400 W/m2 ) . [ potrzebne źródło ] Aby uzyskać jeszcze większe gęstości mocy, zastosowano lampy halogenowe . Kwarcowe lampy na podczerwień są stosowane w polerowanych reflektorach do kierowania promieniowania w jednolity i skoncentrowany wzór.
Kwarcowe lampy grzewcze są stosowane w przetwórstwie spożywczym, chemicznym, suszeniu farb i rozmrażaniu zamrożonych materiałów. Mogą być również używane do komfortowego ogrzewania w zimnych obszarach, w inkubatorach oraz w innych zastosowaniach do ogrzewania, suszenia i pieczenia. Podczas prac nad pojazdami powracającymi w przestrzeń kosmiczną stosowano zestawy kwarcowych lamp na podczerwień do testowania materiałów osłony termicznej przy gęstości mocy sięgającej 28 kW/stopę kwadratową (300 kW/m2 ) .
Najpopularniejsze konstrukcje składają się z satynowej mleczno-białej rurki ze szkła kwarcowego lub przezroczystego kwarcu z elementem opornym elektrycznie, zwykle drutem wolframowym lub cienką cewką ze stopu żelazo-chrom-aluminium. Powietrze atmosferyczne jest usuwane i wypełniane gazami obojętnymi, takimi jak azot i argon , a następnie uszczelniane. W kwarcowych lampach halogenowych dodaje się niewielką ilość halogenowego , aby przedłużyć żywotność grzejnika.
Większość energii promieniowania uwalnianej w temperaturach roboczych jest przenoszona przez cienką rurkę kwarcową, ale część tej energii jest pochłaniana przez rurkę ze szkła kwarcowego krzemionkowego, powodując wzrost temperatury ścianki rury, co powoduje, że wiązanie krzem-tlen promieniuje daleko promienie podczerwone. [ Potrzebne źródło ] Elementy grzejne ze szkła kwarcowego zostały pierwotnie zaprojektowane do zastosowań oświetleniowych, ale gdy lampa ma pełną moc, mniej niż 5% emitowanej energii znajduje się w widmie widzialnym.
Kwarcowy wolfram
Kwarcowe wolframowe promienniki podczerwieni emitują energię fal średnich, osiągając temperatury robocze do 1500 ° C (2730 ° F) (fale średnie) i 2600 ° C (4710 ° F) (fale krótkie). Osiągają temperaturę roboczą w ciągu kilku sekund. Szczytowe emisje długości fali około 1,6 μm (podczerwień fal średnich) i 1 μm (podczerwień fal krótkich).
Piec węglowy
Grzejniki węglowe wykorzystują element grzejny z włókna węglowego , który może wytwarzać ciepło o długich, średnich i krótkich falach dalekiej podczerwieni . Muszą być dokładnie określone dla pomieszczeń, które mają być ogrzewane. [ potrzebne źródło ]
Opalane gazem
Istnieją dwa podstawowe typy promienników podczerwieni.
- Świecące lub o dużej intensywności
- Promienniki rurowe
Gazowe grzejniki promiennikowe używane do ogrzewania pomieszczeń w budynkach przemysłowych i handlowych spalają gaz ziemny lub propan do ogrzewania stalowej rury emitera. Gaz przepływający przez zawór kontrolny przepływa przez palnik kubkowy lub zwężkę Venturiego . Gazy będące produktami spalania ogrzewają rurę emitera. Gdy rura się nagrzewa, energia promieniowania z rury uderza w podłogi i inne obiekty w okolicy, ogrzewając je. Ta forma ogrzewania utrzymuje ciepło nawet w przypadku nagłego wprowadzenia dużej ilości zimnego powietrza, na przykład w garażach konserwacyjnych . Nie mogą jednak zwalczyć zimnego przeciągu.
Sprawność promiennika podczerwieni to ocena całkowitej energii zużywanej przez promiennik w porównaniu z ilością generowanej energii podczerwieni. Chociaż w procesie zawsze będzie generowana pewna ilość ciepła konwekcyjnego, każde wprowadzenie ruchu powietrza w poprzek grzejnika zmniejszy jego wydajność konwersji podczerwieni. Dzięki nowym, nieosłoniętym odbłyśnikom, rury promieniujące mają wydajność promieniowania w dół wynoszącą około 60%. (Pozostałe 40% to nieodwracalne straty promieniowania i konwekcji skierowane w górę oraz straty spalin).
Efekty zdrowotne
Oprócz niebezpieczeństw związanych z dotknięciem gorącej żarówki lub elementu, krótkofalowe promieniowanie podczerwone o dużej intensywności może powodować pośrednie oparzenia termiczne, gdy skóra jest narażona na zbyt długą ekspozycję lub grzejnik jest umieszczony zbyt blisko obiektu. Osoby narażone na duże ilości promieniowania podczerwonego (np. dmuchacze szkła i spawacze łukowi) przez dłuższy czas mogą rozwinąć depigmentację tęczówki i zmętnienie cieczy wodnistej , dlatego ekspozycja powinna być umiarkowana.
Efektywność
Elektrycznie ogrzewane promienniki podczerwieni emitują do 86% energii wejściowej w postaci energii promieniowania. Niemal cała wejściowa energia elektryczna jest przekształcana w ciepło promieniowania podczerwonego we włóknie i kierowana na cel przez reflektory. Część energii cieplnej jest usuwana z elementu grzejnego przez przewodzenie lub konwekcję , co może nie stanowić żadnej straty w przypadku niektórych projektów, w których cała energia elektryczna jest pożądana w ogrzewanej przestrzeni, lub może być uważana za stratę w sytuacjach, gdy tylko promieniowanie wymiana ciepła jest pożądana lub produktywna.
W zastosowaniach praktycznych wydajność promiennika podczerwieni zależy od dopasowania emitowanej długości fali i widma absorpcji ogrzewanego materiału. Na przykład widmo absorpcji wody ma swój szczyt przy około 3 μm . Oznacza to, że emisja z promienników podczerwieni średniofalowych lub węglowych jest znacznie lepiej pochłaniana przez powłoki wodne i na bazie wody niż promieniowanie NIR czy krótkofalowe promieniowanie podczerwone. To samo dotyczy wielu tworzyw sztucznych, takich jak PVC czy polietylen. Ich szczytowa absorpcja wynosi około 3,5 μm . Z drugiej strony niektóre metale pochłaniają tylko w zakresie fal krótkich i wykazują silne odbicie w średniej i dalekiej podczerwieni. To sprawia, że staranny dobór odpowiedniego typu promiennika podczerwieni jest ważny dla efektywności energetycznej w procesie ogrzewania. [ potrzebne źródło ]
Elementy ceramiczne działają w temperaturze od 300 do 700 ° C (570 do 1290 ° F), wytwarzając fale podczerwone w zakresie od 2 do 10 μm . Większość tworzyw sztucznych i wiele innych materiałów najlepiej pochłania podczerwień w tym zakresie, co sprawia, że grzejnik ceramiczny najlepiej nadaje się do tego zadania. [ potrzebne źródło ]
Aplikacje
Promienniki podczerwieni mogą zaspokoić różnorodne wymagania grzewcze, w tym:
- Ekstremalnie wysokie temperatury, ograniczone w dużej mierze przez maksymalną temperaturę emitera
- Szybki czas reakcji, rzędu 1–2 sekund
- Gradienty temperatury, zwłaszcza na wstęgach materiałów o dużym dopływie ciepła
- Skoncentrowany obszar ogrzewany w odniesieniu do kondukcyjnych i konwekcyjnych metod ogrzewania
- Bezkontaktowy, dzięki czemu nie narusza produktu, jak to ma miejsce w przypadku metod ogrzewania kondukcyjnego lub konwekcyjnego
Dlatego grzejniki IR są stosowane do wielu celów, w tym:
- Systemy grzewcze
- Utwardzanie powłok
- Ogrzewacze pomieszczeń
- Kurczenie się plastiku
- Ogrzewanie tworzywa sztucznego przed formowaniem
- Spawanie tworzyw sztucznych
- Obróbka cieplna szkła i metalu
- Gotowanie
- Ogrzewanie zwierząt ssących lub zwierząt trzymanych w niewoli w ogrodach zoologicznych lub klinikach weterynaryjnych
Zobacz też
Dalsza lektura
- Deshmukh, Yeshvant V .: Ogrzewanie przemysłowe, zasady, techniki, materiały, zastosowania i projektowanie . Taylor i Francis, Boca Raton, Floryda: 2005.
- Siegel, Robert i Howell, John R.: Wymiana ciepła przez promieniowanie cieplne . wyd. 3. Taylora i Franciszka w Filadelfii.