Infrardeči grelec
Zgodovina [ Uredi ]
Nemško-britanski astronomer Sir William Herschel je priznan kot odkritje infrardečega v 1800. Napravil je instrument, imenovan spektrometer, za merjenje velikosti sevalne moči pri različnih valovnih dolžinah . Ta instrument je narejen iz treh delov. Prva je bila prizma, ki je ujela sončno svetlobo in usmerila in razpršila barve navzdol na mizo, druga pa je bila majhna plošča iz lepenke, ki je dovolj široka, da je šla skozi samo eno barvo in končno tri živo srebro, stekleni termometri . S svojim eksperimentom je Herschel ugotovil, da je rdeča svetloba imela najvišjo stopnjo spremembe temperature v svetlobnem spektru , vendar se infrardeče segrevanje običajno ni uporabljalo šele po drugi svetovni vojni . Med drugo svetovno vojno so se infrardeče segrevanje pogosteje uporabljale in priznavale. Glavne aplikacije so bile na kovinskih končnih področjih, zlasti pri sušenju in sušenju barv in lakov na vojaški opremi. Banke žarnic so bile uporabljene zelo uspešno, vendar po današnjih standardih so bile intenzivnosti moči zelo nizke. Tehnika je ponudila veliko hitrejše sušenje kot konvekcijska pečica časa. Težave v proizvodnji so bile ublažene in vojaške zaloge oboroženih sil so bile ohranjene. Po drugi svetovni vojni se je nadaljevalo sprejemanje tehnik infrardečega segrevanja, vendar na počasnejši osnovi. Sredi petdesetih let prejšnjega stoletja je industrija motornih vozil začela pokazati zanimanje za zmogljivosti infrardeče barve za lajšanje barve in začela uporabljati več infrardečih tunelov proizvodne linije. [
Elementi [ uredi ]
Najpogostejši material filamentov, ki se uporablja za električne infrardeče grelnike, je volframova žica, ki je prevlečena tako, da zagotavlja več površin. Nizke temperature za volfram so ogljik ali zlitine železa, kroma in aluminija (blagovna znamka in blagovna znamka Kanthal ). Medtem ko so ogljikovi filamenti bolj gnani za proizvodnjo, se segrejejo veliko hitreje kot primerljivi srednji valni grelnik, ki temelji na filamentu FeCrAl.
Kadar je svetloba nezaželena ali ni nujna v grelniku, je prednostna izbira keramični infrardeči sevalni grelci. Vsebuje 8 metrov žice odporne proti zlitju, ki oddajajo enotno toploto na celotni površini grelca, keramika pa je 90% absorbenta sevanja. Ker absorpcija in emisije temeljijo na istih fizičnih vzrokih v vsakem telesu, je keramika idealno primerna kot material za infrardeče grelce.
Industrijski infrardeči grelniki včasih uporabljajo zlato prevleko na kremni cevi, ki odraža infrardeče sevanje in jo usmerja proti produktu, ki ga je treba ogreti. Posledično se infrardeče sevanje na proizvodu skoraj podvoji. Zlato se uporablja zaradi svoje oksidacijske upornosti in zelo visoke refleksije IR približno 95%. [4]
Vrste [ uredi ]
Infrardeči grelniki se običajno uporabljajo v infrardečih modulih (ali emiterih), ki združujejo več grelcev, da dosežejo večja ogrevana območja.
Infrardeči grelci so običajno razvrščeni glede na valovno dolžino, ki jo oddajajo:
Infrardeči infrardeči (NIR) ali kratkovalovni infrardeči grelniki blizu infrardečih (NIR) ali visokofrekvenčnih grelnikov delujejo pri visokih temperaturah filamentov nad 1800 ° C in kadar so razporejeni v polju, dosežejo velike gostote moči nekaj sto kW / m2. Njihova največja valovna dolžina je precej pod absorpcijskim spektrom za vodo, zaradi česar so neprimerne za veliko sušilnih aplikacij. So primerni za ogrevanje silicijevega dioksida, kjer je potrebna globoka penetracija.
Infrardeči grelniki srednjega in valovitega ogljika (CIR) delujejo pri temperaturah filamenta okoli 1000 ° C. Dosegajo maksimalne gostote moči do 60 kW / m 2 (srednji val) in 150 kW / m 2 (CIR).
Daljinski infrardeči oddajniki (FIR) se navadno uporabljajo v tako imenovanih zunanjih infrardečih savnah z nizko temperaturo. Ti so le višji in dražji domet infrardeče savne. Namesto keramičnih, kvarcnih ali visokotlačnih keramičnih sevalcev, ki oddajajo bližnje in srednje infrardeče sevanje, toploto in svetlobo, daleč infrardeči sevalci uporabljajo nizke vatne keramične plošče, ki ostanejo hladne, medtem ko še vedno oddajajo daljinsko infrardeče sevanje. [5]
Odnos med temperaturo in najvišjo valovno dolžino je izražen z Wienovim zakonom o premikanju .
Metal Wire Element [ uredi ]
Grelni elementi iz kovinske žice so se prvič pojavili v 19ih letih 20. stoletja. Ti elementi so sestavljeni iz žice iz kromela. Chromel je narejen iz niklja in kroma in je znan tudi kot nichrome . Ta žica je bila nato zavita v spiralo in ovita okoli keramičnega telesa. Ko se segreje na visoke temperature, tvori zaščitno plast kromovega oksida, ki ščiti žico pred žganjem in korozijo, kar povzroči tudi, da element zasveti. [6]
Toplotne žarnice [ Uredi ]
Toplotna žarnica je žarnica z žarilno nitko, ki se uporablja za glavni namen ustvarjanja toplote. Spekter sevanjem črnega telesa, ki ga oddaja svetilka, se premakne, da proizvede več infrardeče svetlobe . Veliko toplotnih žarnic vključuje rdeč filter za zmanjšanje količine vidne svetlobe. Toplotne svetilke pogosto vključujejo notranji reflektor.
Toplotne žarnice se običajno uporabljajo v tuših in kopalnicah, da se kopalke segrejejo in v restavracijah za pripravo hrane, da hrano segrejejo pred služenjem. Prav tako se pogosto uporabljajo za živinorejo . Luči, ki se uporabljajo za perutnino, se pogosto imenujejo žarilne žarnice. Poleg mladih ptic lahko druge vrste živali, ki imajo lahko koristi od toplotnih žarnic, vključujejo plazilce , dvoživke , žuželke , pajkovce in mladiče nekaterih sesalcev .
Vtičnice, ki se uporabljajo za toplotne svetilke, so ponavadi keramične, ker se plastične vtičnice lahko talijo ali sežgejo, če so izpostavljene veliki količini odpadne toplote, ki jo proizvajajo žarnice, še posebej, če se uporablja v položaju "navzgor". Pokrov ali kapuca žarnice je na splošno kovinska. Na sprednjem delu pokrova je morda varovalo žice, da se ne dotaknete vroče površine žarnice.
Običajne gospodinjske bele žarnice lahko uporabimo tudi kot toplotne žarnice , toda rdeče in modre žarnice se prodajajo za žarnice in žaromete s plazilcem. Vžigalne žarnice z 250 vati so običajno pakirane v obliki "R40" (5 "reflektorja") s pomočjo vmesne vijačne osnove.
Toplotne svetilke lahko uporabljamo kot medicinsko zdravljenje, da zagotovimo suho toploto, kadar so druge obdelave neučinkovite ali nepraktične. [7]
Keramični infrardeči toplotni sistemi [ Uredi ]
Keramični infrardeči grelni elementi se uporabljajo v različnih industrijskih procesih, kjer je potrebno dolgotrajno infrardeče sevanje. Njihova uporabna valovna dolžina je 2-10 μm. Pogosto jih uporabljajo tudi na področju zdravstvenega varstva živali in živali. Keramični infrardeči grelniki (oddajniki) so izdelani s tremi osnovnimi emitirnimi ploskvami: korito (vbočeno), ravno in žarnico ali Edisonovim vijačnim elementom za normalno vgradnjo preko držala za keramično svetilko E27.
Far-Infrared [ uredi ]
Ta ogrevalna tehnologija se uporablja v nekaterih dragih infrardečih savnah. Prav tako najdemo v grelnikih prostora. Ti grelniki uporabljajo keramične oddajnike z nizko gostoto (običajno precej velike plošče), ki oddajajo infrardeče sevanje dolgega valovanja. Ker so grelni elementi sorazmerno nizki, daljinskega grelnika ne oddajajo emisij in vonja iz prahu, umazanije, formaldehida, strupenih hlapov iz barvne prevleke itd. Zaradi tega je ta vrsta ogrevanja prostora zelo priljubljena med ljudmi z hude alergije in večkratna kemična občutljivost v Evropi. Ker daleč infrardeča tehnologija ne neposredno segreva zraka v prostoru, je pomembno, da se čim bolj poveča izpostavljenost razpoložljivih površin, ki nato ponovno oddajajo toploto, da zagotovijo celo celo okroglo okoliško toploto.
Kvarčne žarnice [ Uredi ]
Jasen element kremena
Halogenske žarnice so žarnice z napetostjo, napolnjene s halogenskim plinom pod visokim tlakom. Ta plin se kombinira z majhno količino broma ali joda, ki povzroči, da se volframovi atomi regenerirajo z zmanjšanjem izhlapevanja žarilne nitke. To vodi do daljše življenjske dobe halogenih žarnic kot žarnice z žarilno nitko. Zaradi visokotlačne in temperaturne halogenske žarnice proizvajajo, so sorazmerno majhne in izdelane iz kremenčevega stekla, ker ima vroče tališče kot standardno steklo . Splošne uporabe za halogenske žarnice so grelniki na mizi. [8] [9]
Kvarčni infrardeči grelni elementi oddajajo srednjo valovno infrardečo energijo in so še posebej učinkoviti v sistemih, kjer je potreben hiter odziv grelca. Tubularne infrardeče žarnice v kvarčnih žarnicah proizvajajo infrardeče sevanje pri valovnih dolžinah od 1,5 do 8 μm. Zaprta žarilna nitka deluje na približno 2500 K , ki proizvaja sevanje s krajšo valovno dolžino kot odprte žice. Te svetilke, ki so bile razvite v General-Electricu leta 1950, proizvajajo okoli 100 W / v ( 4 W / mm ) in se lahko kombinirajo za 500 W na kvadratni čevelj ( 5400 W / m 2 ). Da bi dosegli še višje gostote moči, so bile uporabljene halogenske žarnice . Kvarčne infrardeče svetilke se uporabljajo v visoko polirani reflektorji za usmerjanje sevanja v enotnem in koncentriranem vzorcu.
Kvarčne žarnice se uporabljajo pri predelavi hrane, kemični obdelavi, sušenju barv in odmrzovanju zamrznjenih materialov. Uporabljajo se lahko tudi za udobno ogrevanje na hladnih območjih, v inkubatorjih in v drugih aplikacijah za ogrevanje, sušenje in pečenje. Med razvojem vozil za ponovno vstopanje so bile banke kvarcnih infrardečih žarnic uporabljene za preizkušanje materialov toplotnega ščita pri gostoti moči do 28 kilovatov / kvadratnih čevljev (300 kW / m 2 ). [10]
Najpogostejši modeli so satensko mlečno bela kremenčeva cev ali jasen kremen z električno odpornim elementom, navadno volframovim žico ali tanko tuljavo iz železovega kromovega aluminija. [11] V atmosferskem zraku se odstrani in napolni z inertnimi plini, kot sta dušik in argon, nato pa zaprti. V kvarcnih halogenih žarnicah se doda majhna količina halogenskega plina, ki podaljša življenjsko dobo grelnika.
Veliko infrardeče in vidne energije, ki jo sproščamo, je posledica neposrednega segrevanja kvarčnega materiala, 97% bližnjega infrardečega polja absorbira silikatna kremenčeva stekleno cev, ki povzroči zvišanje temperature cevne stene, kar povzroči vezavo s silicijevim kisikom da oddajajo daleč infrardečim žarkom. Kvarčni stekleni grelni elementi so bili prvotno zasnovani za uporabo pri razsvetljavi, toda kadar je svetilka polna moč, je manj kot 5% oddajane energije v vidnem spektru. [12]
Quartz Tungsten [ Uredi ]
Kremenski grelec
Infrardeči grelci Quartzovega volframa oddajajo energijo srednjega vala, ki doseže delovne temperature do 1500 ° C (srednji val) in 2600 ° C (kratki val). V nekaj sekundah dosežejo delovno temperaturo. Peak emisije valovne dolžine približno 1,6 μm (srednja valovna infrardeča) in 1 μm (infrardeči kratki val).
Carbon Heater [ Uredi ]
Grelnik ogljikovih vlaken
Ogljikovi grelniki uporabljajo ogrevalni element ogljikovih vlaken, ki lahko proizvaja dolgo, srednjo in kratko valovno infrardečo toploto. Treba jih je natančno določiti za ogrevanje prostorov. [13]
Plinsko gorivo [ Uredi ]
Obstajata dve osnovni vrsti infrardečih sevalnih grelnikov.
Svetlobna ali visoka intenziteta
Radiant cevni grelniki
Grelniki na plinski radiatorski cevi, ki se uporabljajo za industrijsko in komercialno ogrevanje prostorov, poganjajo zemeljski plin ali propan, da segrejejo jekleno cev. Plin, ki poteka skozi kontrolni ventil, teče skozi gorilnik skodelice ali venturijevo cev . Plini produkta zgorevanja segrejejo emitersko cev. Ko cev segreje, sevalna energija iz cevi naleti na tla in druge predmete na območju, jih segreje. Ta oblika ogrevanja ohranja toploto, tudi ko se nenadoma uvede velika količina hladnega zraka, kot je na primer v servisnih garažah . Vendar se ne morejo boriti s hladnim osnutkom.
Učinkovitost infrardečega grelnika je ocena celotne energije, ki jo porabi grelec, v primerjavi s količino pridobljene infrardeče energije. Medtem ko bo v procesu vedno prisotna količina konvektivne toplote, bo vsak zagon zraka preko grelnika zmanjšal učinkovitost njegove infrardeče pretvorbe. Z novimi nepreizkušenimi reflektorji imajo sevalne cevi upadajočo učinkovitost delovanja okoli 60%. [Preostalih 40% obsega neizterljive svetlejše + konvektivne izgube in dimne izgube.]
Zdravstveni učinki [ Uredi ]
Poleg nevarnosti dotika vroče žarnice ali elementa, lahko intenzivna kratkovalovna infrardeča sevanje z visoko intenzivnostjo povzroči posredne toplotne izgorevanja, če je koža predolgo izpostavljena ali pa je grelnik nameščen preblizu predmeta. Posamezniki, ki so izpostavljeni velikim količinam infrardečega sevanja (npr. Stekleni puhalniki in obločni varilci) v daljšem časovnem obdobju, lahko razvijejo depigmentacijo irisa in motnosti vodnega humora , zato je treba izpostavljenost moderirati. [14]
Učinkovitost [ Uredi ]
Električno ogrevani infrardeči grelci oddajajo do 86% njihovega vnosa kot sevalna energija. [15] Skoraj vsi vhodi električne energije se pretvorijo v infrardečo sevalno toploto v žarilni nitki in usmerijo na izdelek [ pojasnilo, ki ga potrebujejo ] reflektorji. Nekaj toplotne energije se odstrani iz grelnega elementa s prevodom ali konvekcijo , kar pa sploh ni lahko izguba pri nekaterih modelih, kjer je vsa električna energija želena v ogrevanem prostoru ali se lahko šteje za izgubo v primerih, ko je le sevalna prenos toplote je želen ali produktiven.
Za praktično uporabo je učinkovitost infrardečega grelnika odvisna od ujemanja oddajane valovne dolžine in absorpcijskega spektra materiala, ki ga je treba ogreti. Na primer, absorpcijski spekter za vodo ima svoj vrh pri okoli 3000 nm . To pomeni, da se emisije iz srednjih valov ali ogljikovih infrardečih grelnikov veliko bolje absorbirajo z vodo in vodnimi premazi kot NIR ali kratkovalovno infrardeče sevanje. Enako velja za številne plastike, kot so PVC ali polietilen. Njihova največja absorpcija je okoli 3500 nm . Po drugi strani pa nekatere kovine absorbirajo samo v kratkopasovnih valovih in kažejo močno refleksijo v srednjem in daleč infrardečem področju. To naredi skrbno izbiro pravega infrardečega grelnika, ki je pomemben za energetsko učinkovitost pri ogrevanju. [ citation needed ]
Keramični elementi delujejo pri temperaturah od 300 do 700 ° C (570 do 1.290 ° F), ki proizvajajo infrardečo valovno dolžino v območju od 2000 do 10 000 nm . Večina plastičnih materialov in mnogih drugih materialov najbolje absorbira infrardeče v tem območju, zaradi česar je keramični grelec najbolj primeren za to nalogo. [ citation needed ]
Aplikacije [ Uredi ]
Infrardeči grelec za kuhanje döner kebab
IR grelci lahko izpolnjujejo različne zahteve glede ogrevanja, vključno z:
Izjemno visoke temperature, ki so v veliki meri omejene z maksimalno temperaturo oddajnika
Hitri odzivni čas, po 1-2 sekundi
Temperaturni gradienti, predvsem na materialih, ki imajo veliko toplotno moč
Osredotočeno ogrevano območje glede na prevodne in konvektivne metode ogrevanja
Brez dotika in s tem ne moti proizvoda kot prevodne ali konvektivne metode ogrevanja
Tako se IR grelci uporabljajo za številne namene, vključno z:
Ogrevalni sistemi
Utrjevanje premazov
Plastično segrevanje pred oblikovanjem
Plastično varjenje
Steklo in toplotna obdelava kovin
Kuhanje
Ogrevanje sesalcev ali živali v ujetništvu v živalskih vrtovih ali veterinarskih klinikah
Vadbeni razredi vroče joge za ublažitev dihalnih težav, ki jih povzroča konvekcijsko ogrevanje [16]
