Infravörös fűtés
Történet [ Szerkesztés ]
Sir William Herschel német-brit csillagász a 1800-as infravörös felfedezéséért kapta megbízatását. A spektrométer néven ismert műszert készített a különböző hullámhosszú sugárzási teljesítmény nagyságának mérésére. Ez az eszköz három darabból készült. Az első volt a prizma, hogy elkapja a napfényt, irányítsa és szétoszthassa a színeket egy asztalra, a második pedig egy kis kartonlap, amelynek résszel elegendő ahhoz, hogy egyetlen szín áthaladjon rajta és végül három higany- üveghőmérők . A kísérletében Herschel megállapította, hogy a vörös fény a legmagasabb hőmérsékletváltozás a fényspektrumban , azonban az infravörös fűtést a második világháborúig nem használták. A második világháború alatt az infravörös fűtést szélesebb körben használták és felismerték. A fő alkalmazási területek a fémmegmunkálási területeken, különösen a katonai berendezések festékeinek és lakkainak kikeményedésében és szárításában. A lámpaüzemek bankjait nagyon sikeresen használták fel, de a mai szabványok szerint a teljesítményintenzitások nagyon alacsonyak voltak. A technika sokkal gyorsabb száradási időt biztosít, mint az üzemanyag konvekciós sütők. A termelési szűk keresztmetszeteket enyhítették, és katonai ellátásokat tartottak fenn a fegyveres erőknek. A második világháború után az infravörös fűtési technikák elfogadása folytatódott, de sokkal lassabban. Az 1950-es évek közepén a gépjárműipar érdeklődést mutatott az infravörös képességek iránt a festékkezeléshez és számos gyártósoros infravörös alagút használatba vetett. [
Elemek [ Szerkesztés ]
Az elektromos infravörös melegítőknél használt leggyakoribb szálas anyag a volfrámhuzal , amely feltekercselésre kerül, hogy több felületet biztosítson. A volfrám alacsony hőmérsékleti alternatívái a szén , vagy vas, króm és alumínium ötvözetek (védjegy és Kanthal márkanév). Míg a szénszálak sokkal nehezebbek a termelésre, sokkal gyorsabban felmelegszenek, mint egy hasonló FeCrAl izzószálon alapuló közepes hullámú fűtőberendezés.
Ha a fény nemkívánatos vagy nem szükséges a fűtőberendezésben, a kerámia infravörös sugárzó fűtőtestek a legkedvezőbbek. A 8 méteres tekercselt ötvözet-ellenállási vezetéket egyenletes hővel bocsátják ki a fűtés teljes felületén, és a kerámia a sugárzás 90% -át abszorbeálja. Mivel az abszorpció és emisszió ugyanazon fizikai tényezőkön alapul minden egyes testben, a kerámia ideálisan alkalmas az infravörös melegítők anyagaként.
Az ipari infravörös melegítők néha arany bevonatot használnak a kvarccsövön, amely tükrözi az infravörös sugárzást, és irányítja a fűtött terméket. Következésképpen a termékre ható infravörös sugárzás gyakorlatilag megduplázódik. Az arany oxidációs ellenállása és nagyon magas infravörös reflektivitása miatt kb. 95%. [4]
Típusok [ Szerkesztés ]
Az infravörös fűtőtesteket általában infravörös modulok (vagy emitter bankok) használják, amelyek több fűtőt kombinálnak a nagyobb fűtött területek elérése érdekében.
Az infravörös fűtőtesteket rendszerint az általuk kibocsátott hullámhossz alapján osztályozzák:
Az infravörös (NIR) vagy a rövid hullámú infravörös fűtőkészülékek 1800 ° C feletti magas szálas hõmérsékleten üzemelnek, és ha a helyszínen elrendezik a nagy teljesítmény sûrûségét, néhány száz kW / m 2 . Legnagyobb hullámhosszuk jóval alacsonyabb a víz abszorpciós spektrumánál, ami sok száraz alkalmazásra alkalmatlan. Alkalmasak szilícium-dioxid melegítésére, ahol mély behatolásra van szükség.
Középhullámú és szén (CIR) infravörös fűtőkészülékek 1000 ° C-os izzítási hőmérsékleten működnek. 60 kW / m 2 (középhullámú) és 150 kW / m 2 (CIR) teljesítményigényeket érnek el.
A távoli infravörös sugárzókat (FIR) tipikusan az úgynevezett alacsony hőmérsékletű infravörös szaunákban használják . Ezek csak az infravörös szauna piacának magasabb és drágább hatókörét jelentik. Ahelyett, hogy szén-, kvarc- vagy nagy teljesítményű kerámia-sugárzókat alkalmazna, amelyek közeli és közepes infravörös sugárzást, hő- és fényt bocsátanak ki, a távoli infravörös sugárzók alacsony nedvességtartalmú kerámialemezeket használnak, amelyek továbbra is hidegek, miközben még távoli infravörös sugárzást bocsátanak ki. [5]
A hőmérséklet és a csúcs hullámhossz közötti összefüggést Bécs elmozdulási törvénye fejezte ki.
Metal Wire Element [ Szerkesztés ]
A fémhuzal fűtőelemek először az 1920-as években jelentek meg. Ezek az elemek krómozott huzalból állnak. A króm nikkelből és krómból készül, és nichrome néven is ismert. Ezt a huzalt spirálba tekercselték és kerámia test köré csavarták. Ha magas hőmérsékletre hevítik, a króm-oxid védő rétegét képezi, amely védi a drótot az égéstől és a korróziótól, ez az elemet is meggyújtja. [6]
Hőlámpák [ Szerkesztés ]
A hősugárzó izzólámpa , amelyet elsősorban hő előállítására használnak. A lámpa által kibocsátott fekete test sugárzás spektruma eltolódik, hogy több infravörös fény jöjjön létre. Számos lámpa tartalmaz piros szűrőt, amely minimalizálja a kibocsátott látható fény mennyiségét. A lámpák gyakran tartalmaznak belső reflektort.
A meleg lámpákat gyakran használják zuhanyzóval és fürdőszobákban a meleg fürdőzőknek és az éttermek ételkészítési területének, hogy az ételt kiszolgálás előtt melegítsék. Az állattenyésztésre is gyakran használják őket. A baromfihoz használt fényeket gyakran nevezik lámpáknak. A fiatal madarak mellett más típusú állatok, amelyek élvezhetik a hőlámpákat , hüllők , kétéltűek , rovarok , pókfélék és néhány emlős fiataljai.
A hőgőzlámpákhoz használt aljzatok általában kerámia, mert a műanyag aljzatok olvadnak vagy égnek, ha a lámpák által előidézett nagy mennyiségű hulladékhő hatására ki van téve, különösen akkor, ha az "alaphelyzetben" működik. A lámpa burkolata vagy csuklyája általában fém. Előfordulhat, hogy a védőburkolat elülső oldalán huzalvédő van, hogy megakadályozza az izzó forró felületének megérintését.
A szokásos háztartási fehér izzólámpák hőgőzként is használhatók , de a vörös és kék izzókat a fészeklámpákban és a hüllő lámpákban használják. A 250 W-os hőlámpák általában az "R40" (5 "-os reflektorlámpa) formájú tényezőt tartalmazzák egy közbenső csavaros alaprendszerrel.
Hőlámpák orvosi kezelésként is használhatók, hogy száraz hő legyen, ha más kezelések nem hatékonyak vagy nem praktikusak. [7]
Kerámia infravörös hőrendszerek [ Szerkesztés ]
A kerámia infravörös fűtőelemeket számos ipari folyamatban alkalmazzák, ahol hosszú hullámú infravörös sugárzás szükséges. Hasznos hullámhossztartományuk 2-10 μm. Gyakran használják őket az állat / állat egészségügyi ellátás területén is. A kerámia infravörös fűtőtestek (emitterek) három alap emitterfelületekkel készülnek: vályú (homorú), lapos és izzó, vagy Edison csavaros elem normál telepítéshez E27 kerámia lámpatartó segítségével.
Far-Infrared [ Szerkesztés ]
Ezt a fűtési technológiát néhány drága infravörös szaunában használják. Az is megtalálható az öltözőben. Ezek a fűtők alacsony wattos sűrűségű kerámia kibocsátókat (általában meglehetősen nagy paneleket) használnak, amelyek hosszú hullámú infravörös sugárzást bocsátanak ki. Mivel a fűtőelemek viszonylag alacsony hőmérsékleten vannak, a távoli infravörös fűtők nem adnak kibocsátást és szagot a portól, szennyeződésektől, formaldehidektől, mérgező füstöket a festékbevonattól stb. Ez az ilyen típusú helyfűtést nagyon népszerűvé tette az emberek között súlyos allergiák és több vegyi érzékenység Európában. Mivel a távoli infravörös technológia nem közvetlenül a helyiség levegőjét melegíti, fontos, hogy maximalizálja az elérhető felületek expozícióját, és ezután újra melegítse a meleget, hogy a környezeti melegséget biztosítsa.
Kvarc lámpák [ Szerkesztés ]
Tiszta kvarc elem
A halogén lámpák nagynyomású halogén gázzal töltött izzólámpák . Ez a gáz kis mennyiségű bróm vagy jóddal van kombinálva, ami a volfrám atomokat regenerálhatja azáltal, hogy csökkenti az izzószál párolgását. Ez halogén lámpák sokkal hosszabb élettartamához vezet, mint az izzólámpák. A magas nyomású és hőmérsékletű halogén lámpák miatt viszonylag kicsiek és kvarcüvegből készülnek, mert a forróbb olvadási pont a normál üveghez képest . A halogén lámpák gyakori használata asztali fűtőberendezések. [8] [9]
A kvarc infravörös fűtőelemek közepes hullámú infravörös energiát bocsátanak ki, és különösen hatékonyak olyan rendszereknél, ahol gyors melegítő válasz szükséges. A tubuláris infravörös lámpák a kvarc izzókban infravörös sugárzást generálnak 1,5-8 μm hullámhosszon. A zárt szál kb. 2500 K- on működik, és rövidebb hullámhosszú sugárzást eredményez, mint a nyitott tekercsforrások. Az 1950-es években a General Electricban kifejlesztett lámpák körülbelül 100 W / in ( 4 W / mm ) teljesítményűek, és kombinálhatók, hogy 500 watt per négyzetláb ( 5400 W / m 2 ) legyen. A még nagyobb teljesítmény sűrűség elérése érdekében halogénlámpákat használtunk. A kvarc infravörös lámpákat erősen polírozott fényvisszaverőkben használják a sugárzás egyenletes és koncentrált mintázatokhoz való közvetlen sugárzására.
A kvarc lámpákat élelmiszer-feldolgozás, kémiai feldolgozás, festékszárítás és fagyasztott anyagok felolvasztására használják. Használhatók továbbá kényelmes fűtéshez hideg helyiségekben, inkubátorokban és más alkalmazásokban a fűtés, szárítás és sütés területén. Az űrrepülőgépek fejlesztése során a kvarc infravörös lámpák bankjait 28 kilowatt / négyzetláb (300 kW / m 2 ) teljesítménysűrűségű hőpajzsok tesztelésére használták. [10]
A legelterjedtebb tervek vagy egy satin tejfehér kvarc üvegcsőből vagy tiszta kvarcból állnak , elektromosan ellenálló elemekkel, általában egy volfrámhuzal vagy egy vékony króm-alumínium ötvözet. [11] A légköri levegőt eltávolítják, és inert gázokkal, például nitrogénnel és argonnal töltik, majd lezárják. A kvarc halogén lámpáknál kis mennyiségű halogén gáz adódik a fűtőkészülék üzemidejének meghosszabbításához.
A felszabaduló infravörös és látható energia nagy részét a kvarc közvetlen felmelegedése okozza, a közel infravörös sugárzás 97% -a szívódik fel a szilícium-dioxid kvarc üvegcső által, ami a cső falának hőmérsékletét növeli, ami a szilícium-oxigén kötést okozza hogy sugárzó infravörös sugarakat sugározzon. [ citation needed ] A kvarcüveg fűtőelemeket eredetileg világítási alkalmazásokhoz tervezték, de ha egy lámpa teljes energiával rendelkezik, az emittált energia kevesebb, mint 5% -a látható a spektrumban. [12]
Kvarc tungsten [ Szerkesztés ]
Kvarc fűtés
A kvarc volfrám infravörös melegítők közepes hullámú energiát bocsátanak ki, amely 1500 ° C (középhullám) és 2600 ° C (rövid hullám) hőmérsékletet ér el. Másodperceken belül elérik az üzemi hőmérsékletet. A csúcs hullámhossz-kibocsátása megközelítőleg 1,6 μm (közepes hullámú infravörös) és 1 μm (rövid hullámú infravörös).
Carbon Heater [ Szerkesztés ]
Szénszálas fűtés
A szénmelegítők olyan szénszálas fűtőelemet használnak, amely képes hosszú, közepes és rövid hullámú infravörös hő előállítására. Pontosan meg kell határozni a fűtendő helyiségeket. [13]
Gáztüzelésű [ Szerkesztés ]
Két alapvető típusú infravörös sugárzó fűtőtest van.
Fényes vagy nagy intenzitású
Sugárzócső-fűtőberendezések
Az ipari és kereskedelmi épületek fűtésére használt sugárzócsöves gázüzemű fűtőberendezések égetnek földgázt vagy propánt az acéllemezcső felmelegítéséhez. A vezérlőszelepen áthaladó gáz átáramlik egy csésze égő vagy egy venturi keresztül . Az égéstermék-gázok a kibocsátó csövet fűtik. Ahogy a cső felmelegszik, a cső sugárzása a padlón és más tárgyakon keresztül felmelegíti őket. Ez a melegítés akkor is melegszik, ha hirtelen be van vezetve nagy mennyiségű hideg levegő, például a karbantartó garázsoknál . Nem tudnak azonban ellenállni a hideg tervezetnek.
Az infravörös fűtés hatékonysága a fűtőberendezés által felhasznált teljes energia minősége az infravörös energiamennyiséghez viszonyítva. Miközben mindig lesz némi mennyiségű konvektív hő keletkezik a folyamat során, bármilyen bevezetése a levegő mozgása a fűtőberendezés csökkenti az infravörös konverziós hatékonyságát. Új, el nem látott fényvisszaverőkkel a sugárzó csövek 60% -os lefelé sugárzási hatékonysággal rendelkeznek. [A másik 40% fel nem téríthető felfelé sugárzó + konvektív veszteségeket, és füstveszteségeket tartalmaz.]
Egészségügyi hatások [ Szerkesztés ]
A forró izzó vagy elem megérintésének veszélyein túlmenően a nagy intenzitású rövid hullámú infravörös sugárzás közvetett termikus égési sérüléseket okozhat, ha a bőr túl hosszú ideig van kitéve vagy a fűtőelem túl közel van a tárgyhoz. Azok a személyek, akik nagy mennyiségű infravörös sugárzásnak vannak kitéve (például üvegfúvók és ívhegesztő gépek) hosszabb időn át, a vizes humor iris és opacitásának depigmentálódhatnak, ezért az expozíciót mérsékelni kell. [14]
Hatékonyság [ Szerkesztés ]
Az elektromosan fűtött infravörös fűtők sugárzó energiájuk akár 86% -át sugározzák be. [15] Majdnem az összes elektromos energia bemenetet infravörös sugárzó hővé alakítják át az izzószálban, és a fényvisszaverőkkel a termékre irányítják. Néhány hőenergia eltávolításra kerül a fűtőelemből vezetés vagy konvekció útján , ami egyáltalán nem lehet veszteség azoknál a terveknél, ahol az összes elektromos energia a fűtött térben kívánatos, vagy veszteségnek tekinthető, olyan helyzetekben, amikor csak a sugárzó a hőátadás kívánatos vagy produktív.
Gyakorlati alkalmazásoknál az infravörös fűtés hatékonysága függ a felmelegített anyag kibocsátott hullámhosszának és abszorpciós spektrumának illesztésétől. Például a víz abszorpciós spektrumának csúcspontja körülbelül 3000 nm . Ez azt jelenti, hogy a közepes hullámú vagy szén infravörös fűtőtestek kibocsátása sokkal jobban felszívódik vízzel és vízbázisú bevonatokkal szemben, mint a NIR vagy a rövid hullámú infravörös sugárzás. Ugyanez igaz a sok műanyagra, például a PVC-re vagy a polietilénre. A csúcsfelszívódás kb. 3500 nm . Másrészt néhány fém csak a rövid hullámhosszon elnyeli, és erős visszaverődést mutat a közepes és a távoli infravörös tartományban. Ez a fűtési folyamatban az energiahatékonyság szempontjából fontos, megfelelő infravörös fűtőelem gondos kiválasztását teszi lehetővé. [ hivatkozás szükséges ]
A kerámia elemek 300 - 700 ° C (570-1,290 ° F) hőmérsékleten működnek, és infravörös hullámhosszt termelnek a 2000-10 000 nm-es tartományban. A legtöbb műanyag és sok más anyag elnyeli az infravörös legjobb ebben a tartományban, ami a kerámia fűtést a leginkább alkalmas erre a feladatra. [ hivatkozás szükséges ]
Alkalmazások [ Szerkesztés ]
Infravörös fűtés főzéshez döner kebab
Az infravörös fűtők különböző fűtési igényeket tudnak kielégíteni, többek között:
Rendkívül magas hőmérséklet, amelyet nagymértékben korlátozza az emitter maximális hőmérséklete
Gyors válaszidő, 1-2 másodperces sorrendben
Hőmérséklet-gradiensek, különösen a nagy hőbevitelű anyaghálózatokon
Fókuszált fűtött terület a vezetőképes és konvektív fűtési eljárásokhoz képest
Nem érintkezik, ezáltal nem zavarja a terméket vezetőképes vagy konvektív fűtési módszerekként
Így az infravörös melegítőt számos célra alkalmazzák, beleértve:
Fűtési rendszerek
Bevonatok kikeményítése
Műanyag fűtés a képződés előtt
Műanyag hegesztés
Üveg és fém hőkezelés
Főzés
A szoptató állatok vagy fogságban lévő állatok melegítése állatkertekben vagy állatorvosi klinikákban
Forró jóga fitnesz osztályok a légáramlási problémák csökkentése érdekében konvekciós melegítéssel [16]
