Инфракрасный обогреватель - Infrared heater - Wikipedia

Бытовой инфракрасный электрический обогреватель

An инфракрасный обогреватель или же тепловая лампа представляет собой тело с более высокой температурой, которое передает энергию телу с более низкой температурой посредством электромагнитного излучения. В зависимости от температуры излучающего тела длина волны пика инфракрасная радиация колеблется от 780 нм до 1 мм. Для передачи энергии не требуется никакого контакта или среды между двумя телами. Инфракрасные обогреватели могут работать в вакуум или атмосфера.

Одна из классификаций инфракрасных обогревателей - это диапазоны длин волн инфракрасного излучения.

  • Коротковолновый или ближний инфракрасный диапазон для диапазона от 780 нм к 1,4 мкмэти излучатели также называются яркими, потому что все еще излучается видимый свет;
  • Средний инфракрасный для диапазона от 1,4 мкм и 3 мкм;
  • Инфракрасные или темные излучатели для всего, что указано выше 3 мкм.

История

Немецко-Британский астроном Сэр Уильям Гершель приписывают открытие инфракрасный в 1800 году. Он создал инструмент, названный спектрометр для измерения силы излучения при различных длины волн. Этот инструмент состоял из трех частей. Первая представляла собой призму, улавливающую солнечный свет, направляя и рассеивая цвета на столе, вторая представляла собой небольшую картонную панель с прорезью, достаточно широкой, чтобы сквозь нее проходил только один цвет, и, наконец, три ртути в стекло термометры. В ходе своего эксперимента Гершель обнаружил, что красный свет имеет самую высокую степень изменения температуры в световой спектр однако инфракрасное отопление не использовалось до Второй мировой войны. Во время Второй мировой войны инфракрасное отопление стало более широко использоваться и признано. Основное применение было в областях отделки металлов, особенно в отверждении и сушке красок и лаков на военной технике. Банки лампочек использовались очень успешно; хотя по сегодняшним стандартам потребляемая мощность была очень низкой, этот метод предлагал гораздо более быстрое время сушки, чем топливные конвекционные печи того времени. После Второй мировой войны внедрение методов инфракрасного обогрева продолжалось, но гораздо медленнее. В середине 1950-х годов автомобилестроительная промышленность начала проявлять интерес к возможностям инфракрасного излучения для отверждения красок, и было введено несколько инфракрасных туннелей производственных линий.[1][2][3]

Элементы

Наиболее распространенным материалом для изготовления электрических инфракрасных обогревателей является вольфрам проволока, которая свернута в бухту, чтобы обеспечить большую площадь поверхности. Низкотемпературные альтернативы вольфраму: углерод, или сплавы железа, хрома и алюминия (торговая марка и торговая марка Kanthal ). Хотя углеродные волокна более непостоянны в производстве, они нагреваются намного быстрее, чем сопоставимый средневолновый нагреватель на основе FeCrAl-волокна.

Когда свет в обогревателе нежелателен или не нужен, предпочтительным выбором будут керамические инфракрасные лучистые обогреватели. Они состоят из 8-метровой спиральной проволоки из сплава и равномерно излучают тепло по всей поверхности нагревателя, а керамика на 90% поглощает излучение. Поскольку поглощение и излучение обусловлено одними и теми же физическими причинами в каждом теле, керамика идеально подходит в качестве материала для инфракрасных обогревателей.

В промышленных инфракрасных обогревателях иногда используется золотое покрытие на кварцевой трубке, которое отражает инфракрасное излучение и направляет его на нагреваемый продукт. Следовательно, инфракрасное излучение, падающее на продукт, практически удваивается. Золото используется из-за его стойкости к окислению и очень высокой отражательной способности инфракрасного излучения, составляющей около 95%.[4]

Типы

Инфракрасные обогреватели обычно используются в инфракрасных модулях (или банках излучателей), объединяющих несколько обогревателей для достижения большей обогреваемой площади.

Инфракрасные обогреватели обычно классифицируют по длина волны они испускают:

Обогреватели ближнего (NIR) или коротковолнового инфракрасного диапазона работают при высоких температурах нити накала выше 1800 ° С и при установке в поле достигают высокой плотности мощности в несколько сотен кВт / м2. Их пиковая длина волны значительно ниже спектра поглощения воды, что делает их непригодными для многих применений сушки. Они хорошо подходят для нагрева кремнезема там, где требуется глубокое проникновение.

Средневолновые и углеродные (CIR) инфракрасные обогреватели работают при температуре нити накала около 1000 ° С. Они достигают максимальной плотности мощности до 60 кВт / м2 (средние волны) и 150 кВт / м2 (CIR).

Излучатели дальнего инфракрасного диапазона (FIR)[5] обычно используются в так называемых низкотемпературных дальних инфракрасные сауны. Они составляют только более высокую и дорогую категорию инфракрасных саун. Вместо использования углеродных, кварцевых или керамических излучателей высокой мощности, которые излучают ближнее и среднее инфракрасное излучение, тепло и свет, в излучателях дальнего инфракрасного диапазона используются керамические пластины низкой мощности, которые остаются холодными, но при этом излучают дальнее инфракрасное излучение.

Связь между температурой и максимальной длиной волны выражается следующим образом: Закон смещения Вина.

Элемент из металлической проволоки

Металлическая проволока нагревательные элементы впервые появился в 1920-х годах. Эти элементы состоят из проволоки из хромеля. Хромель сделан из никель и хром и он также известен как нихром. Затем эту проволоку свернули в спираль и обернули вокруг керамического тела. При нагревании до высоких температур образует защитный слой оксид хрома который защищает проволоку от возгорания и коррозии, а также вызывает накал элемента.[6]

Советский инфракрасный обогреватель с открытым проволочным элементом. 1963 г.

Тепловые лампы

А тепловая лампа является лампа накаливания который используется в основном для создания тепла. Спектр излучение черного тела излучаемый лампой смещается, чтобы произвести больше Инфракрасный свет. Многие тепловые лампы включают красный фильтр, чтобы минимизировать количество излучаемого видимого света. Тепловые лампы часто включают внутренний отражатель.

Тепловые лампы обычно используются в душе и ванных комнатах, чтобы согреть купающихся, а также в зонах приготовления пищи в ресторанах, чтобы согреть еду перед подачей. Они также обычно используются для животноводство. Светильники, используемые для птицеводства, часто называют лампами для вынашивания птицы. Помимо молодых птиц, другие виды животных, которым могут быть полезны тепловые лампы, включают: рептилии, амфибии, насекомые, паукообразные, и молодые из некоторых млекопитающие.

Розетки, используемые для тепловых ламп, обычно керамика потому что пластиковые патроны могут плавиться или гореть при воздействии большого количества отработанного тепла, производимого лампами, особенно при работе в положении «цоколь вверх». Кожух или колпак лампы обычно металлический. На передней части кожуха может быть проволочная защита, чтобы предотвратить прикосновение к горячей поверхности колбы.

Обычные бытовые белые лампы накаливания тоже можно используется как тепловые лампы, но красные и синие лампы продаются для использования в лампах для выводков и ламп для рептилий. 250-ватт тепловые лампы обычно упаковываются в форм-фактор «R40» (рефлекторная лампа 5 дюймов) с промежуточным винтовым основанием.

Тепловые лампы можно использовать в качестве лечебного средства для получения сухого тепла, когда другие методы лечения неэффективны или непрактичны.[7]

Керамические инфракрасные системы обогрева

Керамические инфракрасные нагревательные элементы используются в различных промышленных процессах, где требуется длинноволновое инфракрасное излучение. Их полезный диапазон длин волн составляет 2–10 мкм. Они также часто используются в области ухода за животными / домашними животными. Керамические инфракрасные обогреватели (излучатели) изготавливаются с тремя основными поверхностями излучателя: желобом (вогнутым), плоским и ламповым или винтовым элементом Эдисона для нормальной установки через керамический патрон E27.

Дальний инфракрасный

Эта технология обогрева используется в некоторых дорогих инфракрасных саунах. Он также встречается в обогревателях. В этих обогревателях используются керамические излучатели с низкой плотностью мощности (обычно довольно большие панели), излучающие длинноволновое инфракрасное излучение. Поскольку нагревательные элементы имеют относительно низкую температуру, обогреватели дальнего инфракрасного диапазона не выделяют вредных веществ и запаха из-за пыли, грязи, формальдегида, токсичных паров от лакокрасочного покрытия и т. Д. Это сделало этот тип обогрева помещений очень популярным среди людей с тяжелая аллергия и множественная химическая чувствительность в Европе. Поскольку технология дальнего инфракрасного диапазона не нагревает воздух в комнате напрямую, важно максимально использовать доступные поверхности, которые затем повторно излучают тепло, чтобы обеспечить равномерное окружающее тепло.[8]

Кварцевые тепловые лампы

Прозрачный кварцевый элемент

Галогенные лампы бывают лампы накаливания заполненный под высоким давлением инертный газ в сочетании с небольшим количеством галоген газ (бром или же йод ); это продлевает срок службы нити (см. Галогенная лампа # Галогенный_цикл). Это увеличивает срок службы галогенных ламп по сравнению с другими лампами накаливания. Из-за того, что галогенные лампы вырабатываются под высоким давлением и температурой, они относительно небольшие и сделаны из кварцевое стекло потому что у него более высокая температура плавления, чем у стандартного стекла. Обычно галогенные лампы используются в настольных обогревателях.[9][10]

Кварцевые инфракрасные нагревательные элементы излучают средневолновую инфракрасную энергию и особенно эффективны в системах, где требуется быстрое срабатывание нагревателя. Трубчатые инфракрасные лампы в кварцевых колбах производят инфракрасное излучение с длиной волны 1,5–8 мкм. Закрытая нить накала работает примерно при 2500 К, производящие более коротковолновое излучение, чем открытые источники типа проволока-катушка. Разработан в 1950-х гг. General Electric, эти лампы производят около 100 Вт / дюйм (4 Вт / мм) и могут быть объединены для излучения 500 Вт на квадратный фут (5400 Вт / м2). Чтобы добиться еще большей плотности мощности, галогенные лампы были использованы. Кварцевые инфракрасные лампы используются в полированных отражателях для равномерного и концентрированного направления излучения.

Кварцевые тепловые лампы используются в пищевой и химической промышленности, сушке краски и оттаивании замороженных материалов. Их также можно использовать для комфортного обогрева в холодных помещениях, в инкубаторах и в других целях для обогрева, сушки и выпечки. Во время разработки космических аппаратов для возвращения в космос блоки кварцевых инфракрасных ламп использовались для испытания материалов теплозащитного экрана при плотности мощности до 28 киловатт / квадратный фут (300 кВт / м2).[11]

Наиболее распространенные модели состоят из атласа молочно-белое кварцевое стекло трубка или прозрачный кварц с электрически стойким элементом, обычно вольфрамовая проволока, или тонкая катушка из сплава железо-хром-алюминий. Атмосферный воздух удаляется и заполняется инертными газами, такими как азот и аргон затем запечатали. В кварцевых галогенных лампах небольшое количество галоген добавлен газ для продления срока службы нагревателя.

Большая часть излучаемой энергии, выделяющейся при рабочих температурах, передается через тонкую кварцевую трубку, но часть этой энергии поглощается трубкой из кварцевого стекла из кварцевого стекла, вызывая повышение температуры стенки трубки, что приводит к тому, что кремний-кислородная связь распространяется далеко инфракрасные лучи.[нужна цитата ] Нагревательные элементы из кварцевого стекла изначально были разработаны для освещения, но когда лампа работает на полную мощность, менее 5% излучаемой энергии приходится на видимый спектр.[12]

Кварцевый вольфрам

Кварцевый обогреватель

Кварцево-вольфрамовые инфракрасные обогреватели излучают средневолновую энергию, достигающую рабочие температуры до 1500 ° С (средняя волна) и 2600 ° С (короткая волна). Они достигают рабочей температуры за секунды. Пиковая длина волны излучения составляет примерно 1,6 мкм (средневолновое инфракрасное излучение) и 1 мкм (коротковолновое инфракрасное излучение).

Угольный обогреватель

Нагреватель из углеродного волокна

Угольные обогреватели используют углеродное волокно нагревательный элемент, способный генерировать длинные, средние и короткие волны дальний инфракрасный высокая температура. Их необходимо точно указать для обогреваемых помещений.[нужна цитата ]

Газовый

Есть два основных типа инфракрасных лучистых обогревателей.

  • Светящийся или высокая интенсивность
  • Радиаторные трубчатые обогреватели

Радиаторные газовые обогреватели, используемые для обогрева помещений промышленных и коммерческих зданий. натуральный газ или же пропан нагреть стальную эмиттерную трубку. Газ проходит через контроль клапан течет через горелка для чашек или Вентури. Газы продуктов сгорания нагревают эмиттерную трубку. По мере того, как трубка нагревается, лучистая энергия трубки ударяет по полу и другим объектам в этой области, нагревая их. Этот вид обогрева поддерживает тепло даже при резком вводе большого объема холодного воздуха, например, при техническом обслуживании. гаражи. Однако они не могут бороться с холодным сквозняком.

Эффективность инфракрасного обогревателя - это оценка общей энергии, потребляемой обогревателем, по сравнению с количеством генерируемой инфракрасной энергии. Хотя в процессе всегда будет выделяться некоторое количество конвективного тепла, любое движение воздуха через нагреватель снизит его эффективность преобразования инфракрасного излучения. Благодаря новым незапятнанным отражателям лучистые трубы имеют эффективность излучения вниз около 60%. (Остальные 40% составляют безвозвратные радиационные и конвективные потери вверх, а также потери в дымоходе.)

Влияние на здоровье

В дополнение к опасности прикосновения к горячей лампе или элементу, коротковолновое инфракрасное излучение высокой интенсивности может вызвать косвенные термические ожоги, когда кожа подвергается воздействию слишком долго или нагреватель расположен слишком близко к объекту. У лиц, подвергающихся воздействию большого количества инфракрасного излучения (например, стеклодувов и сварщиков) в течение длительного периода времени, может развиться депигментация кожи. Ирис и непрозрачность скользкий юмор, поэтому воздействие должно быть умеренным.[13]

Эффективность

Инфракрасные обогреватели с электрическим обогревом излучают до 86% входящей энергии в виде лучистой энергии.[14] Почти вся потребляемая электрическая энергия преобразуется в инфракрасную. лучистое тепло в нити накала и направляется на цель отражателями. Некоторое количество тепловой энергии отводится от нагревательного элемента за счет проводимость или же конвекция, что может быть совсем без потерь для некоторых конструкций, в которых вся электрическая энергия требуется в отапливаемом пространстве, или может считаться потерей в ситуациях, когда желательна или продуктивна только лучистая теплопередача.

Для практических приложений эффективность инфракрасного обогревателя зависит от согласования излучаемой длины волны и спектра поглощения нагреваемого материала. Например, спектр поглощения воды имеет пик около 3 мкм. Это означает, что излучение средневолновых или углеродных инфракрасных обогревателей намного лучше поглощается водой и покрытиями на водной основе, чем NIR или коротковолновое инфракрасное излучение. То же верно и для многих пластмассы как ПВХ или полиэтилен. Их пиковое поглощение составляет около 3,5 мкм. С другой стороны, некоторые металлы поглощают только в коротковолновом диапазоне и показывают сильную отражательную способность в средней и дальней инфракрасной области. Это делает тщательный выбор правильного типа инфракрасного обогревателя важным для энергоэффективности процесса обогрева.[нужна цитата ]

Керамические элементы работают при температуре от 300 до 700 ° C (от 570 до 1290 ° F), создавая инфракрасные волны с длиной волны от 2 до 10 мкм классифицировать. Большинство пластиков и многих других материалов лучше всего поглощают инфракрасное излучение в этом диапазоне, что делает керамический обогреватель наиболее подходящим для этой задачи.[нужна цитата ]

Приложения

Инфракрасный обогреватель для приготовления пищи

Инфракрасные обогреватели могут удовлетворить различные потребности в обогреве, в том числе:

  • Чрезвычайно высокие температуры, в значительной степени ограниченные максимальной температурой излучателя
  • Быстрое время отклика, порядка 1-2 секунд
  • Температурные градиенты, особенно на материальные сети с большим тепловложением
  • Целенаправленная обогреваемая зона относительно кондуктивного и конвективного методов обогрева
  • Бесконтактный, что не мешает продукту, как это делают методы кондуктивного или конвективного нагрева.

Таким образом, инфракрасные обогреватели используются для многих целей, в том числе:

  • Системы отопления
  • Отверждение покрытий
  • Пластиковая усадка
  • Нагрев пластика перед формованием
  • Пластиковая сварка
  • Стекло и металл термическая обработка
  • Готовка
  • Подогревание молочных животных или содержащихся в неволе животных в зоопарках или ветеринарных клиниках

Рекомендации

  1. ^ Уайт, Джек Р. Гершель и загадка инфракрасного излучения. Tech. 3-е изд. Vol. 100. н.п.: н.п., н.д. Исследовательский порт. Интернет. 16 апреля 2013 г.
  2. ^ Арнквист, В. «Обзор ранних инфракрасных разработок». Труды IRE 47.9 (1959): 1420-430. Распечатать.
  3. ^ Руководство по технологии электрического инфракрасного технологического нагрева, Цинциннати: Ассоциация инфракрасного оборудования, 1993. Battelle Columbus Division, Electric
  4. ^ Прозрачная печь нового поколения, Доктор Стивен С. Бейтс
  5. ^ ЧТО ТАКОЕ ДАЛЬНЕЕ ИНФРАКРАСНОЕ ОТОПЛЕНИЕ (FIR)
  6. ^ Грунтовка ламп и молний; Willard Allphin, P.E .; Издательство Addison-Wesley Publishing Company, третье издание 1973 г .; ISBN  0-201-00170-5
  7. ^ Хирш, Эдвин Уолтер (1922). Гонорея и импотенция: современное лечение. Солнечная пресса. п.96. Лампа обогрева.
  8. ^ «Лучший способ обогреть ваш дом этой зимой». Яндия Австралия. Получено 2019-05-16.
  9. ^ Теплоотводящий светильник для использования с вольфрамово-галогенными лампами. Аллен Р. Гро, правопреемник. Патент 4780799. 25 октября 1988 г. Печать.
  10. ^ Шмидт, Ф. «Моделирование инфракрасного нагрева термопластичного листа, используемого в процессе термоформования». Журнал технологий обработки материалов 143-144 (2003): 225-31. Распечатать.
  11. ^ Раймонд Кейн, Heinz Sell Революция в лампах: хроника прогресса 50 лет (2-е изд.), Fairmont Press, Inc. 2001 г. ISBN  0-88173-378-4 Глава 3
  12. ^ Исследование светоотражающих материалов для солнечной плиты
  13. ^ https://web.archive.org/web/20060220181822/http://www.goaskalice.columbia.edu/0753.html
  14. ^ Справочник ASHRAE 2008 г. - Системы и оборудование отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (издание I-P), Американское общество. Инженеры по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc., 2008 г., электроника ISBN  978-1-60119-795-5, таблица 2 стр. 15.3

дальнейшее чтение

  • Дешмук, Ешвант В .: Промышленное отопление, принципы, методы, материалы, применения и дизайн. Тейлор и Фрэнсис, Бока-Ратон, Флорида: 2005.
  • Сигел, Роберт и Хауэлл, Джон Р .: Тепловой перенос тепла. 3-е изд. Тейлор и Фрэнсис, Филадельфия.