Переключение на инфракрасную систему нагрева, работающую на соответствующей длине волны, может повысить эффективность вашего оборудования.
От производства стекла до производства текстиля компании используют тепло в своих производственных процессах. Это тепло часто подается в форме конвекции: процесс, основанный на простом для понимания принципе использования горячего воздуха для нагрева объекта. Еще один распространенный метод – инфракрасный нагрев. Он использует энергию электромагнитного спектра для непосредственного нагревания объекта. Принципы, лежащие в его основе, несколько сложнее.
Переключение с системы конвекционного нагрева на инфракрасную систему, работающую на надлежащей длине волны, часто бывает желательным из-за повышения эффективности и скорости, которых можно достичь. Рассмотрим один пример: компания использовала конвекционную систему для вулканизации резинового изделия. Время процесса нагревания составляло 8-10 минут. После перехода на инфракрасную систему нагрева компания смогла сократить время процесса нагрева до 3,5 минут. По сути, компания удвоила темпы производства.
Эта статья призвана познакомить вас с принципами инфракрасного нагрева и с тем, как выбрать подходящий тип инфракрасного нагревателя для каждой сферы применения.
Принципы инфракрасного нагрева
Инфракрасная энергия обычно определяется как электромагнитная энергия с длиной волны от 0,76 мкм до 1 мм. Когда дело доходит до производственных процессов, полезный диапазон составляет примерно от 0,76 до 6 микрон; любая длина волны инфракрасного излучения длиннее 6 микрон не имеет большого применения в промышленности.
Полезный диапазон инфракрасных длин волн обычно подразделяется на три основные категории: короткие, средние и длинные волны. Определения различаются для этих категорий, но обычно они определяются как:
- Короткие: длина волны от 0,76 до 2 микрон.
- Средние: длина волны от 2 до 3,5 микрон.
- Длинные: 3,5 микрона и более длинные волны.
Длина волны инфракрасной энергии, излучаемой объектом, определяется его температурой. Чем выше температура объекта, тем короче длина волны энергии, которую он производит, и тем выше выход энергии. Используя этот факт, производители инфракрасных нагревателей разрабатывают нагревательные элементы для работы на различных длинах волн, создавая их для работы при заданной температуре. На рис. 1 представлен обзор стандартных типов нагревателей и их рабочих температур.
РИСУНОК 1. Длины волн инфракрасного нагревателя и рабочие температуры показаны как часть обзора стандартных типов излучателей и их рабочих температур.
Важно отметить, что нагреватель работает не на одной конкретной длине волны, а скорее в диапазоне длин волн. Линии на рисунке 1 представляют относительную мощность, которую данный нагреватель выдает в инфракрасном спектре. Например, мы можем видеть, что коротковолновый нагреватель, работающий при температуре 3992°F (2200°C), имеет пиковый выход около 1,2 мкм. Он также имеет относительно высокую выходную мощность во всем диапазоне от 0,8 до 1,6 микрон. Понимание пиковой мощности нагревателя и его общего диапазона полезно при выборе нагревателя для применения.
На рис. 1 также показано, почему длины волн длиннее 6 микрон редко используются в промышленных процессах нагрева. С увеличением длины волны и снижением рабочей температуры нагревателя относительная выходная мощность также уменьшается. Нагреватели, работающие на пиковых длинах волн более 6 микрон, производят относительно низкий уровень мощности по сравнению с их размером; таким образом, они непрактичны для промышленности. Они либо слишком долго нагревают объект, либо занимают слишком много места.
РИСУНОК 2. Взаимодействие тепловой энергии с объектом объясняет, как при попадании электромагнитной энергии на объект происходит одно или несколько явлений: энергия отражается, передается (проходит) или поглощается объектом.
Определите оптимальную длину волны нагрева
Когда электромагнитная энергия попадает на объект, возможны три результата: энергия может отражаться, передаваться (проходить сквозь) или поглощаться объектом.
На практике все три этих результата проявляются одновременно (рис. 2). Для каждого материала и каждой длины волны соотношение возможных результатов варьируется. Чтобы найти эффективную длину волны для нагрева объекта инфракрасной энергией, необходимо провести тестирование продукта, чтобы определить длины волн, при которых поглощение максимально. Тестирование продукта позволит определить наиболее эффективный нагрев; максимальное количество энергии будет поглощено объектом и использовано для его нагрева.
В качестве примера рассмотрим обычный пластик полипропилен. На рис. 3 представлена кривая поглощения для полипропилена от 2,5 до 5 мкм. На рисунке показано, что полипропиленовый лист толщиной примерно 3,45 микрона толщиной примерно 1 мил (25,4 микрона) поглощает почти 100 процентов доходящей до него инфракрасной энергии. Используя эти знания, можно сделать вывод, что использование нагревателя, работающего с пиковой мощностью 3,45 мкм, было бы подходящим выбором для нагрева полипропилена толщиной 1 мил. Оглядываясь назад на рисунок 1, средневолновый нагреватель имеет значительную выходную энергию на длине волны 3,45 микрона, что делает его рекомендуемой длиной волны нагревателя для нагревательных приложений из полипропилена толщиной 1 мил.
РИСУНОК 3. Спектр поглощения полипропилена инфракрасным излучением показывает, что полипропилен толщиной приблизительно 3,45 микрон толщиной 1 мил (25,4 микрона) поглощает почти 100 процентов падающей на него инфракрасной энергии.
Есть еще один момент, на который следует обратить внимание при рассмотрении рисунка 3. На рисунке представлены спектры поглощения для двух разных толщин полипропилена: 1 мил и 10 мил. Несмотря на то, что это один и тот же материал для одной и той же длины волны, более толстый полипропилен поглощает больший процент энергии, попадающей на материал. Если мы посмотрим, например, на длину волны 4 микрона, то толщина в 1 мил поглощает примерно 10 процентов энергии, а толщина в 10 мил поглощает около 40 процентов. Это связано с тем, что материал толщиной 10 мил можно рассматривать как эквивалент десяти слоев материала толщиной 1 мил, причем каждый слой поглощает 10 процентов энергии, проходящей через предыдущий слой. Более толстые материалы, как правило, легче нагревать инфракрасным излучением, потому что диапазон длин волн, которые они эффективно поглощают, больше.
Толщина объекта также важна, когда речь идет о нагреве очень тонких материалов и покрытий. Рассмотрим следующий пример: компании нужно было высушить покрытие на водной основе толщиной 0,3 мила (7,6 микрона) на металлической полосе. У компании была 30-футовая средневолновая инфракрасная сушилка, работающая при температуре, дающей пик около 3 микрон. Однако поскольку толщина покрытия лишь немногим превышала удвоенную длину волны инфракрасной энергии, большая часть энергии не взаимодействовала с покрытием. Вместо этого он проходил через покрытие к металлической полосе под ним.
Большинство металлов отражают значительную часть энергии с длинами волн более 1,6 мкм, поэтому значительная часть энергии в процессе не поглощалась. Переход на коротковолновую инфракрасную систему, работающую с галогенными лампами при более высокой эффективной температуре (с пиком около 1,2 микрона), увеличил количество энергии, поглощаемой как покрытием, так и металлической полосой под ним. Энергия, поглощенная металлом, передавалась через проводимость в покрытие, что еще больше повышало эффективность процесса.
В этом примере коротковолновая инфракрасная сушилка была на 3,5 метра короче, но при этом могла высушивать покрытие. Компания также смогла ускорить работу линии, увеличив производительность и сэкономив площадь.
Выбор инфракрасных нагревателей
После того, как тестирование продукта поможет определить эффективную длину волны нагрева, можно выбрать подходящий инфракрасный излучатель. Чтобы облегчить это обсуждение, рассмотрим другой спектр инфракрасного поглощения, на этот раз для применения, требующего нагревания покрытия на водной основе.
Вода имеет несколько длин волн, при которых она имеет хорошее поглощение; при этом пики возникают при 3 микронах и 6 микронах (рис. 4). Длины волн более 10 микрон также имеют хорошее поглощение, но, как отмечалось ранее, 6 микрон — это верхняя граница полезного диапазона промышленного инфракрасного нагрева.
РИСУНОК 4. Инфракрасный спектр поглощения воды показывает, что вода имеет несколько длин волн, при которых она имеет хорошее поглощение.
Выбирая максимально короткую длину волны — 3 микрона в случае воды — нагреватель работает на более коротких длинах волн и, таким образом, работает на более высоких относительных уровнях мощности. Это означает, что нагревательный элемент может нагревать объект быстрее, занимая при этом меньше места. Кварцевые средневолновые инфракрасные нагреватели имеют высокую относительную мощность на 3 микронах, поэтому в этом примере будет выбран нагреватель с такой длиной волны.
Пиковая выходная длина волны 3 микрона примерно соответствует 600°C для кварцевого излучателя. Такой нагреватель подходит для применения.
Другие факторы, которые следует учитывать.
Срок службы инфракрасного нагревателя зависит от условий эксплуатации, при этом более высокие рабочие температуры означают более короткий срок службы. Один из способов смягчить это — выбрать нагреватель, который немного больше подходит для данного применения.
Возвращаясь к нанесению покрытия на водной основе, напомним, что был рекомендован средневолновой нагреватель с кварцевой трубкой. Если приобретенный нагреватель будет иметь большую мощность, чем расчетная, он, скорее всего, прослужит дольше, поскольку не будет работать на 100% своих возможностей.
Иногда нагреваемый объект выполнен из неоднородного материала. В таких случаях может возникнуть необходимость рассмотреть вопрос о движении воздуха. Например, в приложении, которое включает сушку чувствительного к температуре материала, такого как ткань или бумага, цель состоит в том, чтобы нагреть и удалить воду из материала, не повреждая его чрезмерным нагревом. Использование воздушного потока в этих приложениях помогает предотвратить перегрев основного материала, в то время как вода поглощает инфракрасную энергию.
Еще одним важным фактором является производственная среда. В процессе образуется много мусора? Возможно ли, что материал или мусор могут попасть на излучающую поверхность нагревателя? Имеются ли препятствия между местом установки нагревателя и нагреваемым объектом? В отличие от конвекционного нагрева, при котором горячий воздух циркулирует и достигает всех областей камеры, инфракрасный нагрев работает в пределах прямой видимости. Инфракрасный нагреватель должен уметь «видеть», что он греет. Любые препятствия между нагревателем и целевым объектом или мусор на излучающей поверхности нагревателя будут поглощать инфракрасную энергию и снижать эффективность системы. В зависимости от типа инфракрасного нагревателя, некоторые из них могут сжигать любой мусор, попадающий на излучающую поверхность.
Чтобы помочь направить энергию в нужное место, некоторые нагреватели имеют внутренние или внешние отражатели. Внешние отражатели не подходят для грязной среды, потому что со временем они затеняются и теряют эффективность. Напротив, внутренние отражатели не требуют периодического обслуживания или чистки.
Последний вопрос, который следует учитывать, — это то, насколько быстро процесс требует, чтобы нагреватели нагревались до температуры и охлаждались. В высокоскоростном нагреве полотна, движущемся со скоростью сотни метров в минуту, способность быстро достигать заданных температурных значений имеет решающее значение для предотвращения неадекватно нагретого продукта на несколько километров. В этих условиях лучше всего подходят штампованные проволочные элементы или нагреватели с кварцевыми трубками. И наоборот, для нагрева стальных литейных форм весом в сотни фунтов с временем цикла, измеряемым в минутах или часах, более важны температурная стабильность и возможность поддерживать заданное значение без значительного энергопотребления. Лучше всего подойдет инфракрасный нагреватель большей длины волны, изготовленный из керамики.
В заключение, методы, описанные в этой статье, позволяют определить тип инфракрасного нагревателя, подходящего для определенной сферы применения. Однако у каждого применения есть свои проблемы, и мы рекомендуем проконсультироваться с нами как с производителем инфракрасных нагревателей, чтобы обсудить рекомендации для конкретного случая. Вооружившись вышеизложенными знаниями, вы сможете оценить любые рекомендации и результаты расчетов, которые вы получите.
