Інфрачервоний нагрівач
Історія [ Редагувати ]
Німецько-британський астроном Сер Вільям Гершель зараховується до відкриття інфрачервоного діапазону в 1800 році. Він зробив прилад, названий спектрометром для вимірювання величини потужності випромінювання на різних довжинах хвиль . Цей інструмент був зроблений з трьох частин. Перша була призмою, щоб проникнути сонячним світлом, спрямувати і розігнати фарби на стіл, друга була маленькою панеллю картону з щілиною, достатньою широкою, щоб пропустити лише один колір, і, нарешті, три ртуті-в- скляні термометри . Завдяки своєму експерименту Гершель виявив, що червоне світло має найвищий ступінь зміни температури в спектрі світла , однак інфрачервоне нагрівне правило не використовувалося до Другої світової війни . Під час Другої світової війни інфрачервоне опалення стало більш широко використовуватися та визнаватися. Основні програми були в металевих поверхнях обробки, зокрема у відвердкуванні та сушці фарб та лаків на військовій техніці. Банки лампочок лампи були використані дуже успішно, але за сьогоднішніми стандартами інтенсивність енергії була дуже низькою. Технологія запропонувала набагато швидше час сушіння, ніж печі паливної конвекції того часу. Скорочення виробництва були пом'якшені, зберігся військовий запас збройних сил. Після Другої світової війни прийняття методів інфрачервоного опалення тривало, але набагато повільніше. У середині 1950-х рр. Індустрія автомобілів почала проявляти інтерес до можливостей інфрачервоного випромінювання для фарбування, і введено в експлуатацію ряд інфрачервоних тунелів виробничої лінії. [
Елементи [ Редагувати ]
Найбільш поширеним матеріалом для розжарювання, який використовується для електричних інфрачервоних обігрівачів, є вольфрамовий дріт, який згорнуто з метою збільшення площі поверхні. Низькотемпературні альтернативи вольфраму - це вуглець або сплави заліза, хрому та алюмінію (торговельна марка та марка Kanthal ). Незважаючи на те, що вуглецеві волокна вирощують більше, вони нагріваються набагато швидше, ніж порівняльний нагрівач середньої хвилі на основі нитки FeCrAl.
Коли світло небажане або не є необхідним у нагрівачі, кращим вибором є керамічні інфрачервоні променеві обігрівачі. Вони містять 8 метрів сплаву з сплаву з сплавом, вони випромінюють теплою формою по всій поверхні нагрівача, а кераміка становить 90% поглинача випромінювання. Оскільки поглинання та емісія ґрунтуються на однакових фізичних причинах у кожному тілі, кераміка ідеально підходить як матеріал для інфрачервоних обігрівачів.
Промислові інфрачервоні обігрівачі іноді використовують золото на кварцовій трубці, що відображає інфрачервоне випромінювання, і направляє його до нагріваемого продукту. Отже, інфрачервоне випромінювання, що потрапляє на виріб, практично подвоєне. Золото використовується внаслідок його окислювального опору та дуже високої ІК-світлочутливості приблизно 95%. [4]
Типи [ Редагувати ]
Інфрачервоні нагрівачі зазвичай використовуються в інфрачервоних модулях (або емітерних банках), об'єднуючи декілька нагрівачів для досягнення більших опалюваних приміщень.
Інфрачервоні нагрівачі зазвичай класифікуються за довжиною хвилі, яку вони випромінюють:
Інфрачервоні (НІР) або короткохвильові інфрачервоні обігрівачі працюють при високих температурах розжарювання вище 1800 ° С, а при обладнанні в полі досягають великої потужності близько сотні кВт / м 2 . Їх пікова довжина хвилі значно нижче спектра поглинання для води, що робить їх непридатними для багатьох застосувань для сушіння. Вони добре підходять для нагрівання кремнезему, де потрібне глибоке проникнення.
Інфрачервоні обігрівачі середніх і вуглецевих (CIR) працюють при температурах нагрівання близько 1000 ° С. Вони досягають максимальної щільності потужності до 60 кВт / м 2 (середня хвиля) та 150 кВт / м 2 (КІР).
Далекосхідні випромінювачі інфрачервоного випромінювання (ФІР), як правило, використовуються в так званих низькотемпературних далеко інфрачервоних саунах . Це лише вищий та дорожчий асортимент ринку інфрачервоної сауни. Замість того, щоб застосовувати вуглецеві, кварцові або високочастотні випромінювачі кераміки, які випромінюють ближнє та середнє інфрачервоне випромінювання, тепло і світло, далеко інфрачервоні випромінювачі використовують низькоканатні керамічні пластини, які залишаються холодними, і все ще випромінюють далекі інфрачервоні випромінювання. [5]
Взаємозв'язок між температурою та піковою довжиною хвилі виражається законом зміщення В'єна .
Елемент металевого дроту [ Змінити ]
Нагрівальні елементи металевого дроту вперше з'явилися в 1920-х. Ці елементи складаються з дроту з хромелі. Хромель виготовляється з нікелю та хрому, а також відомий як ніхром . Потім цей дріт був закручений у спіраль і обгорнув навколо керамічного тіла. При нагріванні до високих температур він утворює захисний шар оксиду хрому, який захищає дріт від спалювання та корозії, це також призводить до того, що елемент світиться. [6]
Теплові лампи [ Редагувати ]
Теплова лампа - лампа розжарювання, яка використовується для основної мети створення тепла. Спектр випромінювання випромінювання лампи чорного тіла зміщується для отримання інфрачервоного світла . Багато теплових ламп включають червоний фільтр для мінімізації кількості випромінюваного видимого світла. Нагрівальні лампи часто включають внутрішній рефлектор.
Нагрівальні лампи звичайно використовуються в душових і ванних кімнатах для теплих купальників і в місцях готування їжі в ресторанах, щоб приготувати їжу перед подачею. Вони також широко використовуються для тваринництва . Світильники, що використовуються для птиці, часто називають світильниками. Окрім молодих птахів , інші види тварин, якими можуть користуватися теплові лампи, включають плазунів , земноводних , комах , павукоподібних та молодих деяких ссавців .
Розетки, які використовуються для теплових ламп, зазвичай є керамічними, тому що пластикові розетки можуть розплавитись або спалювати, коли вони піддаються великій кількості відпрацьованого тепла, виробленого лампами, особливо якщо вони працюють у положенні «вгору». Плащаниця або кришка лампи, як правило, металева. На передній панелі може бути захисна стінка, щоб не доторкатися до гарячої поверхні лампи.
Звичайні домашні лампи для розжарювання білого можуть бути також використані як теплові лампи , але червоні та сині лампи продаються для використання в лампадках і ламках рептилій. 250 Вт теплові лампи, як правило, упаковані у "R40" (5 "рефлекторна лампа) форм-фактор з проміжною основою гвинта.
Нагрівальні лампи можуть бути використані як медичне лікування для забезпечення сухого тепла, коли інші методи лікування є неефективними або непрактичними. [7]
Керамічні інфрачервоні теплові системи [ Змінити ]
Керамічні інфрачервоні нагрівальні елементи застосовуються у різноманітному виробничому процесі, де потрібне тривимірне інфрачервоне випромінювання. Їх корисний діапазон довжин хвиль становить 2-10 мкм. Вони часто використовуються також у сфері охорони здоров'я тварин / тварин. Керамічні інфрачервоні обігрівачі (випромінювачі) виготовляються з трьома основними сторонами емітера: крихтою (увігнутою), плоскою і лампочкою або гвинтовим елементом Edison для нормальної установки за допомогою керамічного підсвічування лампи E27.
Далеко-інфрачервоний [ редагувати ]
Ця технологія нагрівання використовується в деяких дорогих інфрачервоних саунах. Він також знаходиться в нагрівачах. Ці нагрівачі використовують керамічні випромінювачі з низькою вагою (зазвичай досить великі панелі), які випромінюють інфрачервоне випромінювання довга хвиль. Оскільки нагрівальні елементи знаходяться на відносно низькій температурі, дальні інфрачервоні нагрівачі не дають викидів і паху від пилу, бруду, формальдегіду, токсичних парів з покриттям фарб тощо. Це зробило цей тип опалення приміщенням дуже популярним серед людей з сильна алергія та багаторазова хімічна чутливість у Європі. Оскільки технологія далекого інфрачервоного випромінювання безпосередньо не нагріває повітря в приміщенні, важливо максимально збільшувати експозицію доступних поверхонь, які потім повторно випромінюють тепло, щоб забезпечити рівномірне тепло навколишнього середовища.
Кварцові теплові лампи [ Редагувати ]
Ясний кварцовий елемент
Галогенні лампи - це лампи розжарювання, наповнені галогеновим газом з підвищеним тиском. Цей газ поєднується з невеликою кількістю брому або йоду, що призводить до регенерації атомів вольфраму, зменшуючи випаровування нитки. Це призводить до значно довшого терміну служби галогенних ламп, ніж лампи розжарювання. Завдяки галогеновим лампам високого тиску та температури вони відносно невеликі і виготовлені з кварцового скла, тому що вони мають гарячу температуру плавлення, ніж стандартне скло . Спільне використання галогенних ламп - настільні нагрівачі. [8] [9]
Кварцові інфрачервоні нагрівальні елементи випромінюють середньохвильову інфрачервону енергію і особливо ефективні в системах, де потрібна реакція швидкого нагрівання. Трубчасті інфрачервоні лампи в кварцових цибулинах виробляють інфрачервоне випромінювання з довжиною хвилі 1,5-8 мкм. Замкнена нитка працює приблизно в 2500 К , створюючи більш короткі хвилі випромінювання, ніж джерела з відкритими котушками. Розроблені в 1950-х роках на General Electric , ці лампи виробляють близько 100 Вт / в ( 4 Вт / мм ) і можуть бути об'єднані для випромінювання 500 Вт на квадратний фут ( 5400 Вт / м2 ). Для досягнення ще більшої щільності потужності використовувались галогенні лампи . Кварцові інфрачервоні лампи застосовуються у високо відполірованих рефлекторах для прямого випромінювання в рівномірній і концентрованій структурі.
Кварцові теплові лампи використовуються для переробки харчових продуктів, хімічної обробки, сушіння фарби та відтавання заморожених матеріалів. Вони також можуть використовуватися для комфортного нагрівання в холодних місцях, в інкубаторах та інших додатках для нагрівання, сушіння та випікання. Під час розробки космічних машин, що використовувались для повторного ввезення, для тестування теплозахисних матеріалів використовували банки кварцових інфрачервоних ламп потужністю 28 кВт / м 2 . [10]
Найбільш поширені конструкції складаються з алюмінієвої матово-білої кварцової скляної трубки або з прозорого кварцу з електрично стійким елементом, як правило, вольфрамовим дротом або тонкою катушкою із залізо-хромо-алюмінієвого сплаву. [11] Атмосферне повітря видаляється та наповнюється інертними газами, такими як азот та аргон, потім герметизують. У кварцових галогенних лампах додано невелику кількість галогенового газу, щоб продовжити термін експлуатації нагрівача.
Значна частина інфрачервоної та видимої енергії, що вивільняється, обумовлена безпосереднім нагріванням кварцового матеріалу, 97% ближнього інфрачервоного діапазону поглинається скляною трубкою з кремнеземи, що викликає підвищення температури стінки трубки, це викликає зв'язок між кремнієм та киснем випромінювати далекі інфрачервоні промені. [ необхідне посилання ] Нагрівальні елементи з кварцового скла були спочатку призначені для освітлення, але при повній потужності лампи у видимому спектрі менше 5% випущеної енергії. [12]
Кварцовий вольфрам [ Редагувати ]
Кварцовий нагрівач
Кварцові вольфрамовимі інфрачервоні нагрівачі виділяють енергію середньої хвилі, що досягає робочої температури до 1500 ° С (середня хвиля) і 2600 ° С (коротка хвиля). Вони досягають робочої температури протягом декількох секунд. Висота пікової хвилі становить приблизно 1,6 мкм (середня хвиля інфрачервоного випромінювання) і 1 мкм (короткохвильова інфрачервона).
Вугільний нагрівач [ Редагувати ]
Нагрівач з вуглецевим волокном
Вуглецеві нагрівачі використовують нагрівальний елемент з вуглецевого волокна, здатний виробляти довгу, середню та короткочасну інфрачервону теплоту. Їх потрібно точно вказати для прогрів, які будуть нагріватися. [13]
Газовий потік [ Редагувати ]
Є два основних типи інфрачервоних променевих обігрівачів.
Світла або висока інтенсивність
Радіаційні трубчасті нагрівачі
Радіаційні трубки газові обігрівачі, що використовуються для промислового та комерційного будівництва, підігрівають приміщення, спалюють природний газ або пропан для нагрівання сталевої емітерної трубки. Газ, що проходить через регулюючий клапан, протікає через парогенератор або Вентурі . Гази продукту згорання нагрівають емітерну трубку. Коли труба нагрівається, енергія випромінювання з трубки ударяє на підлогу та інші об'єкти в цьому районі, їх потепління. Ця форма опалення підтримує тепло навіть тоді, коли надходить великий обсяг холодного повітря, наприклад, у гаражах технічного обслуговування. Однак вони не можуть боротися з холодним тягарем.
ККД інфрачервоного нагрівача - це оцінка загальної енергії, споживаної нагрівачем, у порівнянні з кількістю інфрачервоної енергії, що генерується. Хоча завжди буде певна кількість конвективного теплоти, що генерується в процесі, будь-яке введення повітряного руху через нагрівач зменшить ефективність інфрачервоного перетворення. З новими неприкрашеними відбивачами променисті трубки мають знизуючу променеву ефективність приблизно 60%. [Інші 40% включають невідновлювані вгору сяючі + конвективні втрати, а також втрати від демпферу.]
Вплив на здоров'я [ Редагувати ]
На додаток до небезпек, що торкається гарячої лампочки або елемента, короткохвильове інфрачервоне випромінювання високої інтенсивності може викликати непрямі термічні опіки, якщо шкіра виявляється протягом тривалого часу або нагрівач знаходиться надто близько до об'єкта. Особи, які піддаються впливу великих обсягів інфрачервоного випромінювання (наприклад, склодуховиків та дугових зварювачів) протягом тривалого періоду часу можуть розвинутися депігментація райдужної оболонки та непрозорості водянистої гумору , тому вплив слід пом'якшувати. [14]
Ефективність [ Редагувати ]
Електричні інфрачервоні обігрівачі випромінюють до 86% свого входу як джерело енергії. [15] Майже всі вхідні електроенергії перетворюються в інфрачервоне випромінювальне тепло в нитки та спрямовуються на продукт [ необхідне роз'яснення ] відбивачами. Деяка теплова енергія віддаляється від нагрівального елемента шляхом провідності або конвекції , що може не бути збитком для деяких конструкцій, де бажана вся електрична енергія у прогрітому приміщенні або може вважатися втратою, у ситуаціях, коли тільки випромінювальний теплообмін бажаний або продуктивний.
Для практичного застосування ефективність інфрачервоного нагрівача залежить від відповідності випромінюваної довжини хвилі та спектру поглинання матеріалу, що піддається нагріванню. Наприклад, спектр поглинання для води має свій пік приблизно в 3000 нм . Це означає, що випромінювання від середніх або вуглецевих інфрачервоних обігрівачів набагато краще поглинається водою і на водній основі, ніж NIR або короткохвильове інфрачервоне випромінювання. Те саме стосується багатьох пластиків, таких як ПВХ або поліетилен. Їх пік поглинання становить близько 3500 нм . З іншого боку, деякі метали поглинають лише в короткохвильовому діапазоні і демонструють сильну відбивну здатність у середовищі та далекому інфрачервоному діапазоні. Це робить ретельний вибір правильного типу інфрачервоного нагрівача, важливого для енергоефективності в процесі опалення. [ необхідна цитата ]
Керамічні елементи працюють при температурі від 300 до 700 ° С (570 до 1,290 ° F), що виробляє інфрачервоні діапазони довжин хвиль діаметром від 2000 до 10 000 нм . Більшість пластмас та багатьох інших матеріалів найкращим чином поглинають інфрачервоне випромінювання в цьому діапазоні, що робить керамічний нагрівач найбільш підходящим для цього завдання. [ необхідна цитата ]
Програми [ Редагувати ]
Інфрачервоний нагрівач для приготування їжі кебаб
Обігрівачі інфрачервоного типу можуть задовольнити різні вимоги до опалення, в тому числі:
Надзвичайно високі температури, обмежені в основному максимальною температурою випромінювача
Швидкий час відгуку, близько 1-2 секунд
Температурні градієнти, особливо на матеріалах з високим тепловим входом
Зосереджені зони нагрівання відносно проводящих та конвективних методів нагрівання
Безконтактні, тим самим не порушуючи вироби, як провідні або конвективні методи нагріву
Таким чином, нагрівачі ІР застосовуються для багатьох цілей, включаючи:
Системи опалення
Затвердіння покриттів
Пластичне нагрівання перед формуванням
Пластикова зварка
Термообробка скла та металу
Приготування їжі
Зігрівання молочних тварин або полонених тварин в зоопарках чи ветеринарних клініках
Фітнес-класи з гарячою йогою для пом'якшення респіраторних проблем, пов'язаних з конвективним нагріванням [16]
