Infračervený ohřívač
Historie [ Upravit ]
Německý-britský astronom Sira William Herschel je připočítán s objevením infračerveného záření v roce 1800. Udělal nástroj nazvaný spektrometer pro měření velikosti zářivé energie v různých vlnových délkách . Tento přístroj byl vyroben ze tří dílů. Prvním byl hranol zachytit sluneční světlo a nasměroval barvy na stůl, druhý byl malý panel lepenky s štěrbinou dostatečně širokou, aby prošla pouze jednou barvou a nakonec tři rtuťové desky, skleněné teploměry . Prostřednictvím experimentu Herschel zjistil, že červené světlo mělo nejvyšší stupeň změny teploty ve světelném spektru , avšak infračervené vytápění se běžně nepoužívalo až do druhé světové války . Během druhé světové války se infračervené vytápění rozšířilo a rozšířilo. Hlavní aplikace byly v oblasti kovových úprav, zejména při vytvrzování a sušení barev a laků na vojenském vybavení. Banky lampových žárovek byly používány velmi úspěšně, ale podle dnešních standardů byly intenzity výkonu velmi nízké. Tato technika nabízela mnohem rychlejší dobu schnutí než pece s konvektonickým pohonem. Výrobní překážky byly zmírněny a vojenské dodávky ozbrojeným silám byly zachovány. Po druhé světové válce pokračovalo v používání infračerveného vytápění, ale na mnohem pomalejším základě. V polovině padesátých let začal automobilový průmysl projevovat zájem o schopnosti infračerveného záření na vytvrzování laku a začal se využívat řada infračervených tunelů výrobní linky. [
Prvky [ Upravit ]
Nejběžnějším materiálem vlákna používaným pro elektrické infračervené ohřívače je wolframový drát, který je navíjen tak, aby poskytoval větší plochu povrchu. Alternativy nízké teploty pro wolfram jsou uhlík nebo slitiny železa, chromu a hliníku (ochranná známka a značka Kanthal ). Zatímco uhlíkové vlákna jsou mnohem živější, než se vyrábějí, ohřívají se mnohem rychleji než srovnatelné ohřívače středních vln na bázi vlákna FeCrAl.
Pokud je světlo v ohřívači nežádoucí nebo není nutné, preferují se keramické infračervené zářiče. Obsahují-li 8 metrů odporového drátu ze svitku na svitky, vyzařují rovnoměrné teplo po celé ploše ohřívače a keramika je 90% absorbující záření. Vzhledem k tomu, že absorpce a emise jsou založeny na stejných fyzikálních příčinách v každém těle, je keramika ideálně vhodná jako materiál pro infračervené ohřívače.
Průmyslové infračervené ohřívače někdy používají zlatý povlak na křemenné trubce, který odráží infračervené záření a směřuje ho k ohřívanému výrobku. V důsledku toho se infračervené záření, které působí na výrobek, prakticky zdvojnásobí. Zlato se používá díky své odolnosti proti oxidaci a velmi vysoké reflexi IR přibližně 95%. [4]
Typy [ Upravit ]
Infračervené ohřívače se běžně používají v infračervených modulech (nebo v bankách emitorů), které kombinují několik ohřívačů, aby dosáhly většího vyhřívaného prostoru.
Infračervené ohřívače jsou obvykle klasifikovány podle vlnové délky, kterou vydávají:
Infračervené ohřívače (NIR) nebo krátkovlnné infračervené ohřívače pracují při vysokých teplotách vláken nad 1800 ° C a při uspořádání na poli dosahují vysokých hustot energie několika stovek kW / m 2 . Jejich špičková vlnová délka je značně pod absorpčním spektrem pro vodu, což je činí nevhodnými pro mnoho sušení. Jsou vhodné pro zahřívání křemíku, kde je zapotřebí hluboké proniknutí.
Infračervené ohřívače středního a uhlíkového (CIR) pracují při teplotách vlákna přibližně 1000 ° C. Dosahují maximální hustoty výkonu do 60 kW / m 2 (střední vlny) a 150 kW / m 2 (CIR).
Daleko infračervené zářiče (FIR) se obvykle používají v takzvaných nízkoteplotních infračervených saunech . Ty představují pouze vyšší a dražší rozsah trhu s infračervenou saunou. Namísto použití keramických emitorů uhlíku, křemene nebo vysokých wattů, které emitují blízké a střední infračervené záření, teplo a světlo, používají daleko infračervené zářiče nízké wattové keramické desky, které zůstávají chladné, zatímco stále vydávají daleko infračervené záření. [5]
Vztah mezi teplotou a špičkovou vlnovou délkou vyjadřuje Wienův zákon o vysídlení .
Prvek kovového drátu [ Upravit ]
Ohřívače kovových drátů se poprvé objevily ve 20. letech 20. století. Tyto prvky se skládají z drátu z chromelu. Chromel je vyroben z niklu a chromu a je také známý jako nichróm . Tento drát byl potom spirálovitě navíjen a obalen kolem keramického těla. Při ohřátí na vysoké teploty vytváří ochrannou vrstvu oxidu chromitého, která chrání drát před spálením a koroze, což také způsobuje, že prvek svítí. [6]
Tepelné žárovky [ Upravit ]
Tepelná lampa je žárovka, která slouží k hlavnímu účelu vytváření tepla. Spektrum černého tělesného záření vyzařovaného lampou je posunuto tak, aby produkovalo více infračerveného světla . Mnoho tepelných svítilen obsahuje červený filtr, který minimalizuje množství viditelného světla. Tepelné žárovky často obsahují vnitřní reflektor.
Tepelné lampy se běžně používají v sprchách a koupelnách k ohřátým koupákům a v restauračních oblastech, kde se připravují potraviny, aby se před jídlem udržely teplé. Jsou také běžně používány pro chov zvířat . Světla používaná pro drůbež se často nazývají broodovací lampy. Kromě mladých ptáků mohou být i další druhy zvířat, které mohou využívat tepelné lampy, plazy , obojživelníky , hmyz , pavouci a mladíci některých savců .
Zásuvky používané pro tepelné lampy jsou obvykle keramické, protože plastové zásuvky se mohou roztavit nebo hořit, když jsou vystaveny velkému množství odpadního tepla vyrobeného lampami, a to zejména při provozu v poloze "základna". Plášť nebo kapuce lampy jsou obvykle kovové. Na přední straně ochranného krytu může být ochranný vodič, aby nedošlo k dotyku s horkým povrchem žárovky.
Běžné bílé žárovky pro domácnost mohou být také použity jako žárovky , ale červené a modré žárovky se prodávají pro použití v lampách a plazmových lampách. 250W wattové žárovky jsou běžně zabaleny do tvarovacího prvku "R40" (5 "reflektor) s mezilehlým šroubem.
Tepelné žárovky mohou být použity jako léčebná opatření k zajištění suchého tepla, jestliže jiné léčby jsou neúčinné nebo nepraktické. [7]
Keramické infračervené systémy tepla [ Upravit ]
Keramické infračervené topné články se používají v nejrůznějších průmyslových procesech, kde je vyžadováno dlouhé vlnové infračervené záření. Jejich užitečný rozsah vlnových délek je 2-10 μm. Často se používají také v oblasti péče o zvířata / pet. Keramické infračervené ohřívače (emitory) se vyrábějí se třemi základními emitorovými plochami: žlab (konkávní), plochý a žárovka nebo šroubovací prvek Edison pro normální instalaci pomocí držáku keramické lampy E27.
Dálkové infračervené ovládání [ Upravit ]
Tato vykurovací technologie se používá v některých drahých infračervených saunech. To je také nalezeno v prostorových ohřívačích. Tyto ohřívače používají keramické emitory s nízkou hustotou (obvykle poměrně velké panely), které vydávají infračervené záření s dlouhými vlnami. Vzhledem k tomu, že topné články jsou na relativně nízké teplotě, infračervené ohřívače nedávají emise a vůně prachu, nečistot, formaldehydu, toxických výparů z nátěrových hmot apod. To způsobilo, že tento typ vytápění je velmi populární u lidí s závažné alergie a mnohonásobné chemické citlivosti v Evropě. Vzhledem k tomu, že infračervená technologie nezahřívá vzduch přímo do místnosti, je důležité maximalizovat expozici dostupných ploch, které pak opět vyzařují teplo, aby se zajistilo dokonale teplo okolního prostředí.
Křemenné žárovky [ Upravit ]
Čirý křemenný prvek
Halogenové žárovky jsou žárovky plněné vysokotlakým halogenovým plynem. Tento plyn je kombinován s malým množstvím bromu nebo jódu, který způsobuje regeneraci atomů wolframu snížením odpařování vlákna. To vede k mnohem delší životnosti halogenových žárovek než žárovek. Vzhledem k tomu, že jsou vyráběny halogenové žárovky s vysokým tlakem a teplotou, jsou relativně malé a vyráběné z křemenného skla, protože mají teplejší teplotu tání než standardní sklo . Společné použití halogenových žárovek jsou ohřívače stolu. [8] [9]
Křemenné infračervené topné články vyzařují infračervenou energii středních vln a jsou zvláště účinné v systémech, kde je vyžadována rychlá odezva ohřívače. Tubulární infračervené lampy v křemenných žárovkách produkují infračervené záření v vlnových délkách 1,5 až 8 μm. Přiložené vlákno pracuje při teplotě přibližně 2500 K , čímž je produkováno záření s kratší vlnovou délkou než otevřené zdroje drátěných cívek. Tyto lampy byly vyvinuty v padesátých letech minulého století u firmy General Electric a produkují asi 100 W / in ( 4 W / mm ) a lze je kombinovat, aby vyzařovaly 500 W na čtvereční stopu ( 5400 W / m 2 ). Pro dosažení ještě vyšší hustoty výkonu byly použity halogenové žárovky . Křemenné infračervené lampy se používají ve vysoce leštěných reflektorech k přímému záření v jednotném a koncentrovaném vzoru.
Křemenné žárovky se používají při zpracování potravin, chemickém zpracování, sušení barev a rozmrazování zmrazených materiálů. Mohou být také používány pro komfortní vytápění v chladných oblastech, v inkubátorech av jiných aplikacích pro vytápění, sušení a pečení. Při vývoji prostorových vratných vozidel byly keramické infračervené lampy použity k testování materiálů tepelného štítu při hustotách výkonu až 28 kilowattů / čtvereční stopa (300 kW / m 2 ). [10]
Nejběžnější konstrukce tvoří buď saténová mléčně bílá křemenná skleněná trubka nebo čirý křemen s elektricky odolným prvkem, obvykle wolframovým drátem , nebo tenká cívka ze slitiny železa, chromu a hliníku. [11] Atmosférický vzduch se odstraní a naplní se inertními plyny, jako je dusík a argon, a pak se utěsní. U křemenných halogenových žárovek se přidává malé množství halogenového plynu, které prodlužuje životnost ohřívače.
Většina uvolněné infračervené a viditelné energie je způsobena přímým zahřátím křemičitého materiálu, 97% blízkého infračerveného záření je absorbováno křemíkovou trubicí z křemenného skla, což způsobuje zvýšení teploty stěny trubky, což způsobuje vazbu křemíku a kyslíku pro vyzařování daleko infračervených paprsků. [ pochvalná zmínka potřebovaný ] Topná tělesa z křemenného skla byly původně navrženy pro osvětlení, ale když je lampa na plném výkonu, méně než 5% emitované energie je ve viditelném spektru. [12]
Křemenný tungsten [ Upravit ]
Křemenný ohřívač
Křemenné wolframové infračervené ohřívače vyzařují energii středních vln do provozních teplot až 1500 ° C (střední vlna) a 2600 ° C (krátká vlna). Dosáhnou provozní teploty během několika sekund. Maximální emise vlnových délek přibližně 1,6 μm (infračervená střední vlna) a 1 μm (infračervená vlna krátkých vln).
Ohřívač uhlíku [ Upravit ]
Ohřívač uhlíkových vláken
Uhlíkové ohřívače používají topné těleso z uhlíkových vláken, které je schopné produkovat dlouhé, střední a krátké vlnové infračervené teplo. Musí být přesně specifikovány pro vyhřívané prostory. [13]
Plynové [ Upravit ]
Existují dva základní typy infračervených radiantů.
Světelná nebo vysoká intenzita
Radiantové ohřívače trubek
Sálavé trubkové plynové ohřívače používané k průmyslovému a komerčnímu vytápění stavebních prostor spalují zemní plyn nebo propan, aby ohřívaly ocelové trubky emitorů. Plyn, který prochází řídícím ventilem, proudí skrz horký hořák nebo venturi . Výrobní plyny spalující teplo trubice emitoru. Při ohřívání trubice sádá radiantní energie z trubice podlahám a dalším předmětům v okolí a otevírá je. Tato forma vytápění udržuje teplo i tehdy, když je náhle zaveden velký objem studeného vzduchu, například v údržbových garážích . Nemohou však bojovat s chladným ponorem.
Účinnost infračerveného ohřívače je hodnocení celkové energie spotřebované ohřívačem ve srovnání s množstvím vyrobené infračervené energie. Zatímco v procesu bude vždy docházet k určitému množství konvektivního tepla, jakékoliv zavedení pohybu vzduchu přes ohřívač sníží jeho účinnost konverze infračerveného záření. S novými neupravenými reflektormi mají sálavé trubky snižující účinnost směrem dolů přibližně o 60%. [Zbývajících 40% zahrnuje nevratné ztráty radiantů + konvektivních ztrát a ztráty spalin.]
Zdravotní efekty [ Upravit ]
Kromě nebezpečí dotyku horké žárovky nebo prvku může vysokointenzivní infračervené záření s krátkou vlnou způsobit nepřímé tepelné popáleniny, když je pokožka vystavena příliš dlouho nebo je ohřívač umístěn příliš blízko subjektu. Jednotlivci, kteří jsou vystaveni velkému množství infračerveného záření (jako jsou dmychadla ze skla a obloukové svářeče) po delší dobu, mohou vyvinout depigmentaci duhovky a opacitu vodního humoru , takže expozice by měla být moderována. [14]
Účinnost [ Upravit ]
Elektricky ohřívané infračervené ohřívače vyzařují až 86% svého vstupu jako zářivé energie. [15] Téměř veškerý příkon elektrické energie je přeměněn na infračervené sálavé teplo ve vlákně a směrován na produkt [ vyjasnění potřebné ] pomocí reflektorů. Některá tepelná energie je z topného prvku odstraněna vedením nebo konvekcí , což nemusí být žádnou ztrátou u některých konstrukcí, kde je požadována veškerá elektrická energie ve vyhřívaném prostoru nebo může být považována za ztrátu, v situacích, přenos tepla je žádoucí nebo produktivní.
Pro praktické aplikace závisí účinnost infračerveného ohřívače od přizpůsobení vydané vlnové délky a absorpčního spektra ohřívaného materiálu. Například absorpční spektrum pro vodu má svůj vrchol přibližně 3000 nm . To znamená, že emise z infračervených ohřívačů se střední vlnou nebo uhlíkem jsou mnohem lépe absorbovány povlaky na bázi vody a vody než NIR nebo krátkovlnné infračervené záření. Totéž platí pro mnoho plastů, jako je PVC nebo polyethylen. Maximální absorpce je okolo 3500 nm . Na druhou stranu některé kovy absorbují pouze v krátkodobém rozsahu a vykazují silnou odrazivost ve středním a daleko infračerveném. To dělá pečlivou volbu správného infračerveného ohřívače důležitého pro energetickou účinnost v procesu vytápění. [ pochvalná zmínka potřebovaný ]
Keramické prvky pracují při teplotě 300 až 700 ° C (570 až 1 290 ° F) a vytvářejí infračervené vlnové délky v rozmezí 2000 až 10 000 nm . Většina plastů a mnoho dalších materiálů absorbují infračervené záření nejlépe v tomto rozsahu, což činí keramický ohřívač, který je pro tento úkol nejvhodnější. [ pochvalná zmínka potřebovaný ]
Aplikace [ Upravit ]
Infračervený ohřívač pro vaření döner kebab
IR ohřívače mohou uspokojit různé požadavky na vytápění, včetně:
Extrémně vysoké teploty, omezené převážně maximální teplotou emitoru
Rychlá doba odezvy, pořadí 1-2 sekund
Teplotní gradienty, zejména na materiálech s vysokým příkonem tepla
Zaostřená vyhřívaná plocha vzhledem k vodivým a konvekčním metodám vytápění
Bezkontaktní, čímž nedochází k rušení produktu jako vodivé nebo konvektivní metody ohřevu
IR ohřívače se tak používají pro mnoho účelů, včetně:
Topné systémy
Vytvrzování povlaků
Plastové zahřívání před tvářením
Svařování plastů
Tepelné zpracování skla a kovů
Vaření
Oteplení kojených zvířat nebo zvířat v zajetí v zoologických zahradách nebo ve veterinárních ordinacích
Hot jóga fitness třídy pro zmírnění respiračních problémů představovaných konvekčním vytápěním [16]
