Керамические инфракрасные излучатели. Техническое руководство Часть 1

Это наше новое техническое руководство по керамическим инфракрасным излучателям. Мы хотим рассказать вам о технических аспектах этих нагревателей, чтобы вы могли лучше понимать их работу. Наше руководство не создано для продажи, а для образования и информирования. Мы верим, что когда люди понимают наш продукт, они сами захотят его использовать. Мы надеемся, что наше руководство поможет людям лучше понять керамические излучатели, их преимущества и возможности их использования в будущем.

Сравнение различных форм инфракрасного тепла

За годы было разработано множество различных источников инфракрасного тепла. Некоторые из наиболее знакомых форм, которые можно увидеть сегодня, включают металлические трубчатые нагреватели, кварцевые трубчатые излучатели, кварцевые ИК лампы КГТ, газовые каталитические нагреватели, плоские ИК панели и керамические излучатели. Каждый источник имеет свой уникальный набор свойств.

• Эффективность излучения: общее количество энергии, излучаемой источником в виде инфракрасного излучения. Остаток тепловой энергии от источников передается посредством конвекции и теплопроводности.

• Физическая прочность: физическая прочность каждого источника излучения. Высокий уровень указывает на очень прочный нагреватель, способный выдержать физическое воздействие, например падение на излучатель гаечного ключа.

• Нагрев/охлаждение: количество времени, необходимое источнику для достижения рабочей температуры и охлаждения до комнатной температуры.

• Максимальная температура: Максимальная рабочая температура источника.

• Цветовая чувствительность: Относится к способности типичной нагрузки поглощать спектральное излучение, испускаемое источником излучения, в зависимости от цвета нагрузки. Чем короче длина волны, излучаемая нагревателем, тем более цветочувствительной будет нагрузка к спектральному излучению источника.

Диаграммы излучения керамических излучателей

Керамические излучатели Полимернагрев могут иметь две основные формы поверхности излучателя: вогнутую и плоскую. В зависимости от выбранной формы, излучатель будет создавать разное распределение инфракрасного излучения, которое будет направлено под прямым углом к поверхности нагревателя.

• Вогнутая поверхность: Излучатели с вогнутой поверхностью создают «концентрированный» ик-нагрев, который эффективен для зонального отопления и инфракрасного нагрева в целом.

• Плоская поверхность: Излучатели с плоской поверхностью создают «однородный» рисунок для равномерного нагрева в непосредственной близости между излучателем и нагреваемой поверхностью.

Схема распределения излучения

Излучение от керамических нагревателей со сферической поверхностью

Сетка инфракрасного излучения может использоваться для определения правильного расстояния между керамическим излучателем при использовании в таком оборудовании, как инфракрасная панель. Для достижения равномерного распределения тепла очень важно, чтобы излучатели были расположены так, чтобы их лучи излучения перекрывались при достижении цели.

Чем больше будет перекрытий, тем более равномерным будет тепло на поверхности нагреваемого продукта. Область наибольшей интенсивности излучения для одного излучателя показана внутри двух темных перечеркнутых линий на сетке. Чтобы излучения элементов перекрывались, пунктирная линия показывает, что точка пересечения на расстоянии 17,5 см произойдет, если излучатели будут размещены на расстоянии 5 см от края до края. Эту же концепцию следует использовать либо для определения расстояния для размещения продукта при использовании существующей панели, либо для размещения излучателей при изготовлении панели, чтобы гарантировать перекрытие излучения.

Конструкция ИК панели

Технические требования к подключению:

• Для всех электрических соединений внутри терминальной зоны инфракрасной панели следует использовать высокотемпературный провод с высокой термостойкостью до 450°C (медно-никелевый в изоляции из стекловолокна с силиконовой пропиткой с дополнительной защитой в виде керамических бусин) или аналогичного типа с подходящей температурной и амперной характеристикой. Провод с высокой температурой работы должен быть уложен сверху (или выше) изоляции из керамического волокна.
• Рекомендуется использовать керамические клеммные колодки, чтобы обеспечить быструю замену излучателя, гибкость в зонировании и безопасную для прикосновения конструкцию.
• Крышка, закрывающая элементы подключения для инфракрасной панели, должна быть с отверстиями или изготовлена из просечно-вытяжного листа, чтобы свести к минимуму температуру в области подключения.

Определение расстояния между излучателями

Расстояние между излучателями должно быть таким, чтобы результирующее инфракрасное излучение, падающее на цель, было равномерным и максимальным.

• Излучатели, которые расположены близко друг к другу в панели, позволят расположить цель близко к излучателям и при этом обеспечить равномерный нагрев. Интенсивность и эффективность инфракрасного излучения будут максимальными, а потери тепла сведены к минимуму.
• Излучатели, которые свободно расположены в панели, заставят цель располагаться дальше, чтобы добиться равномерного нагрева. Панели этого типа обычно дают более низкую интенсивность инфракрасного излучения.

Основы инфракрасного излучения

Этот раздел технического руководства является кратким изложением физики, связанной со всеми инфракрасными системами нагрева. Эта информация может быть использована как помощь в расчете требований к мощности системы, а также определении возможности применения инфракрасного нагрева в конкретной ситуации.

Инфракрасная энергия:

Когда инфракрасная энергия попадает на объект, она может быть поглощена, пропущена или отражена с поверхности. Сумма количества энергии, поглощенной, пропущенной и отраженной, должна равняться 100% от общей падающей энергии. Объект называется "черным телом", если он поглощает (или излучает) 100% инфракрасного излучения, падающего на него.

1 = ρ + α + τ

Где: ρ = отражательная способность

α = поглощательная способность

τ = пропускная способность

Пример: Инфракрасная энергия попадает на объект, который отражает 30% и пропускает 20% инфракрасной энергии. Как много инфракрасной энергии поглощает объект?

1 = .30 + α + .20

α = 1 - .30 -.20 = .50 (или 50%)

Термин «излучение черного тела» был получен из эксперимента с излучением резонатора. В объекте было просверлено маленькое отверстие, и свет был сфокусирован в отверстие. Отверстие (полость) оказалось черным. Свет, проникший в полость, захватывается и поглощается объектом, не позволяя свету выйти наружу. Энергия излучения, испускаемая источником «черного тела», зависит только от температуры стенок полости и совсем не зависит от каких-либо других характеристик источника, таких как цвет.

Коэффициент излучения:

Настоящий источник «черного тела» для промышленных применений еще не разработан. Однако доступны различные излучающие нагревательные элементы с широким диапазоном эффективности излучения. Эффективность инфракрасного нагревателя определяется его коэффициентом излучения. Излучательная способность определяется как отношение инфракрасной энергии, излучаемой объектом при данной температуре, и инфракрасной энергии, излучаемой «черным телом» при той же температуре.

е =Ws/Wbb

Где: e = коэффициент излучения источника

Ws = Полная ИК энергия, излучаемая источником при температуре T1

Wbb = Полная ИК энергия, испускаемая черным телом при температуре T1

Электромагнитное излучение:

Инфракрасное излучение является частью широкого электромагнитного спектра. Связь между электромагнитным излучением следующая:

λ = с / f

Где: λ = длина волны в метрах

c = скорость света (3 х 108 метров в секунду)

f = частота в герцах (количество циклов в секунду)

Закон Стефана-Больцмана:

Закон Стефана-Больцмана определяет общую мощность, излучаемую инфракрасным источником при определенной температуре. Иными словами, это полное количество инфракрасного излучения (при определенной температуре), испускаемого данным источником на всех соответствующих длинах волн.

R = (e) x (σ) x ( T^4 )

Где: σ = постоянная Стефана-Больцмана

e = Коэффициент излучения источника

T = температура поверхности источника  в К (Кельвин.)

Постоянная Стефана-Больцмана равна 5,670374419... × 10⁻⁸ Вт/(м²·К⁴). Она является фундаментальной константой при расчёте излучения, которое испускается абсолютно черным телом при заданной температуре. Эта постоянная была определена экспериментально и используется в различных областях физики, включая астрономию, геологию, климатологию, и т.д.

Закон Планка

Закон Планка описывает распределение спектральной плотности излучения абсолютно черного тела. Согласно этому закону, энергия излучения связана с его частотой. Формула для расчёта спектральной плотности излучения имеет вид:

B(ν, T) = (2hν³/c²) * 1/(e^(hν/kT) - 1)

где h - постоянная Планка, c - скорость света, k - постоянная Больцмана, T - температура абсолютно черного тела, ν - частота излучения.

Закон Планка помогает понимать, как источник излучает инфракрасное излучение на разных частотах. Для этого закон описывает, как распределяется энергия излучения по разным частотам. Представьте, что у вас есть тело, которое испускает инфракрасное излучение. Закон Планка позволяет понять, какое количество энергии будет испускаться на каждой из частот.

Формула для расчета спектральной плотности излучения имеет вид:

B(λ, T) = (2.416069 × 10^(-25) * λ^(-5)) / (exp(1.4388 × 10^(-2) / (λ * T)) - 1)

где λ - длина волны в метрах, T - температура источника в Кельвинах, а e - это эмиссионность источника. Результатом является количество энергии, испускаемой в ваттах на каждую метрическую единицу длины волны.

Закон Планка важен для понимания того, как излучение распределяется в зависимости от частоты и температуры. Он помогает в исследованиях астрофизики, теплотехники и других областей науки и техники.

Закон Планка является фундаментальным законом физики и широко используется в различных областях науки и техники, включая оптику, квантовую механику, астрофизику и другие. Он помогает описывать излучение тел на различных температурах и понимать многие физические явления, связанные с излучением.

Спектральное распределение «черного тела» при различных температурах

"A"....420 °C, λm = 4.14 µm

"B"....540 °C, λm = 3.57 µm

"C"....650 °C, λm = 3.14 µm

"D"....760 °C, λm = 2.81 µm

Заметьте на графиках закона Планка, что количество излучаемой инфракрасной энергии увеличивается пропорционально температуре источника. То есть, когда температура источника растет, увеличивается количество излучаемой инфракрасной энергии. Общее количество излучаемой инфракрасной энергии равно площади под кривой закона Планка. Можно вычислить количество излучаемой инфракрасной энергии в заданном диапазоне длин волн, проинтегрировав закон Планка при определенной температуре относительно длины волны (см. график ниже).

Также заметьте, что при увеличении температуры источника, пиковая длина волны источника становится короче. Когда температура источника становится очень высокой, значительное количество энергии излучается из источника в виде света. То есть, часть энергии, излучаемой из источника, попадает в диапазон длин волн света. Инфракрасный спектр начинается с длины волны 0,7 мкм и распространяется до 1000 мкм. Хотя полезный диапазон длин волн для инфракрасного обогрева находится в диапазоне от 0,7 до 10 мкм.

% инфракрасного излучения, испускаемого черным телом размером от 3 до 10 мкм

Закон Вина

Закон Вина говорит о том, на какой длине волны излучение максимально при заданной температуре. Однако, важно помнить, что при данной температуре источник излучает излучение различных длин волн. Закон Вина лишь говорит о той длине волны, на которой достигается "пиковое" значение. Формула для расчета пиковой длины волны:

λm =(2.898 x 10^-3 м/К) / T k,

где λm - пиковая длина волны в метрах, T k - температура в Кельвинах.

Закон Вина применим не только к черному телу, но и к другим телам, излучающим электромагнитное излучение, если только они являются термодинамическими системами с температурой, из которой исходит излучение. Также стоит отметить, что при повышении температуры источника излучения, пиковое значение смещается к более коротким длинам волн (в сторону синего цвета) и интенсивность излучения увеличивается.

Температура поверхности и излучение:

Кривая, изображенная ниже, может быть использована для быстрого определения количества излучаемой инфракрасной энергии от источника. Эти кривые были получены с использованием закона Стефана-Больцмана. Например, инфракрасный источник с температурой поверхности 1000°F (538°C или 811 K) и коэффициентом излучения .80 (80%) будет иметь приблизительное излучение (см. кривые ниже) 2 Вт/см2. Используя уравнение Стефана-Больцмана, получим следующее:

R = ( .80 )( 5.670367 x 10^-8)[ (811)^4] =19623,86612 Вт / м2.

Температура поверхности в зависимости от эмиссии излучения при различных значениях коэффициента излучения

Продолжение в следующей статье..