Мы эксперты в инфракрасном нагреве
С 2000 года произведено и отгружено более 170 000 нагревателей.
Мы эксперты во всём, что касается производства инфракрасных нагревательных элементов. Мы можем посоветовать Вам, какой тип нагревательных элементов лучше всего подходит для работы с Вашим материалом, ещё на этапе принятия конструкторских решений и на этапе самого производства.
Качественное изготовление и поставка инфракрасных нагревательных элементов могут поспособствовать значительному увеличению эффективности производства примерно на 30%.
При выборе инфракрасного излучателя для определённой задачи нагрева нужно обратить особенное внимание на то, каким образом Ваше вещество поглощает электромагнитное излучение. В идеале, частоты инфракрасного излучения и частоты поглощения веществом электромагнитного излучения должны совпадать, чтобы передача тепла была наиболее эффективной.
Существуют различные варианты того, как инфракрасный нагрев может быть применён относительного определённого вещества. Некоторые вещества лучше поглощают излучение при использовании керамических нагревательных элементов, некоторым нужна высокая мощность галогеновых нагревательных элементов, а с некоторыми в работе используются кварцевые нагревательные элементы из-за их средней мощности. Мы можем изготовить все вышеперечисленные виды инфракрасных нагревательных элементов.
Заполнить форму запроса ИК нагревателя
Ниже представлен график, иллюстрирующий мощность излучения наших керамических нагревательных элементов.
Когда речь идёт о длинных волнах, количество сообщаемой энергии будет меньше, так как температура излучателей также будет меньше, поэтому процесс нагрева займёт больше времени. Чем короче длина волны, тем выше будет температура излучателей и мощность инфракрасного излучения будет стремительно повышаться.
Описание инфракрасного нагрева
Формула Планка - выражение, описывающее спектральное распределение энергии излучения абсолютного чёрного тела при термодинамическом равновесии и при определённой температуре. Если использовать формулу планка для температур различных нагревателей (излучателей), мы узнаем:
1. Диапазон частот, в котором образуется инфракрасное излучение.
2. Сообщаемая мощность на данной длине волны.
Формулы, законы и принципы
Весь процесс инфракрасного нагрева можно легко и точно описать с помощью специально разработанной терминологии и физических законов. Рассматривая эти формулы и законы, мы можем сразу представить основные сферы применения для инфракрасных излучателей в современном мире.
Вообще, тепло создаётся за счёт разницы температур между объектами. Любой объект с температурой больше чем 0 K (-273.15°C) передаёт инфракрасное излучение, в том случае когда один объект нагрет сильнее чем другой, поток энергии переходит от горячего объекта к более холодному. Поверхность объектов будет играть ключевую роль как в передаче инфракрасного излучения, так и в его поглощении.
Зоны возникновения инфракрасного излучения внутри электромагнитного спектра
Инфракрасное излучение обладает некоторыми общими свойствами с солнечной радиацией. Физические свойства инфракрасного излучения достаточно схожи с физическими свойствами света. Однако, большую часть спектра инфракрасного излучения нельзя увидеть человеческим глазом. По сути инфракрасный нагрев лучше всего рассматривать как своего рода энергию или излучение.
Но если выражаться научным языком, то инфракрасное тепло - это волна электромагнитного излучения. В промышленных целях мы используем три основных типа инфракрасного излучения:
- Коротковолновое (0.78 – 1.4 μm).
- Средневолновое (1.4 – 3 μm).
- Длинноволновое (3 – 1000 μm).
СРОЧНАЯ ОТГРУЗКА В ТЕЧЕНИЕ 1 ДНЯ!
Основные принципы теплопередачи - на основе не инфракрасного излучения
Тепло рассматривается как энергия, которая передаётся силой, возникающей из-за разницы температур. Так как тепло двигается только в одном направлении, от зон с более высокой температурой к зонам с более низкой температурой, то тепловая энергия будет перемещаться по такой траектории до тех пор, пока температуры зон не станут одинаковыми.
Термины, используемые для измерения тепла
Тепло - это вид энергии, которая измеряется Джоулях (Дж) или в БТЕ (британская тепловая единица). Джоуль - это единица измерения, которая и используется в термодинамике. БТЕ чаще используется даже в США, несмотря на своё имя. Калории очень редко используются в термодинамике. Мощность нагрева измеряется в Ваттах (Вт) и рассчитывается как 1Дж/сек. Тепловой поток (Φq) рассчитывается как единица мощности на единицу площади и измеряется в Вт/м² или в Вт/см².
Несмотря на то что температуру можно измерять различными единицами, в промышленности чаще всего используют градусы Цельсия (°С). Однако, Кельвины (К) используются в научных целях, так как они помогают сделать более точные измерения, а Фаренгейты (°F) в основном используются в США.
Виды теплопередачи
Существует три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.
Теплопроводность - прямая передача тепла между двумя физическими телами. Символ "k" - это измерение того, насколько хорошо различные вещества передают тепло. Количество тепла, которое может быть передано через поверхность, зависит от разницы температур, от площади поверхности, теплопроводности материала и толщины материала.
Конвекция - вид теплообмена (теплопередачи), при котором внутренняя энергия передается за счёт движения вещества (жидкостей или газов). Когда вещество нагревается, оно расширяется и уменьшается его плотность. Поток тепла образуется тогда, когда теплые вещества поднимаются и холодные вещества опускаются. Тепловая энергия (тепло) передаётся за счёт частиц в потоках, перемещающихся из одного места в другое. Конвекция может быть естественной, когда используются близлежащие вещества (жидкости или газы), или вынужденной, когда используются насос или вентилятор.
Конвекция также зависит от площади поверхности. Если площадь поверхности, контактирующей с веществом, увеличивается, то диапазон теплопередачи также увеличивается. Вот почему чаще всего можно увидеть именно ребрённые конвекционные устройства, для более эффективной работы.
Излучение - это бесконтактная теплопередача, не требующая никакой среды. Тепловое излучение - электромагнитное излучение, испускаемое телами за счёт их внутренней энергии. Чем выше температура тела, тем сильнее его тепловое излучение. Теплопередача происходит тогда, когда сообщаемая энергия сталкивается с телом и им же поглощается.
Основные принципы инфракрасного излучения и теплопередачи
Как мы говорили раннее, инфракрасное излучение - это электромагнитные волны, которые не требует среды для передачи тепла. Инфракрасное излучение - это электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне 0.78 μm и 1000 μm (1 мм). Излучение с волнами, длина которых меньше данного диапазона содержат больше тепловой энергии. Диаграмма ниже иллюстрирует зависимость длины волны и частоты:
Инфракрасное излучение - электромагнитные волны, перемещающиеся со скоростью света.
Тепловое излучение - сообщается любым веществом, температура которого выше 0 K (-273.15°C).
Излучаемое тепло вырабатывается, когда происходит поглощение электромагнитных волн.
Излучение
В теории, инфракрасное излучение может распространяться во всех направлениях. Инфракрасные излучатели поэтому должны проектироваться и изготовляться для того, чтобы соответствовать направлениям распространения излучения или же структурным факторам. Структурные факторы измеряются диапазоном от 0 до 1, указывающие на количество излучаемой источником энергии, которая направляется к другому телу. Структурный фактор должен быть приближен к 1, чтобы отражатели и излучатели могли улучшить значение структурного фактора.
Поглощение
Инфракрасное излучение может отражаться, поглощаться и проводиться. Есть простое арифметическое соотношение между 3 этими стадиями, которое даёт в сумме 1 или 100%. 1 или 100% по-другому называют абсолютным чёрным телом. Абсолютно чёрное тело — физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах. Таким образом, у абсолютно чёрного тела поглощательная способность равна 1 для излучения всех частот, направлений распространения и поляризаций.
Излучение = Отражение + Поглощение + Передача.
Основные законы инфракрасного нагрева
Процесс инфракрасного нагрева можно описать с помощью физических законов, к которым в первую очередь относится:
1. Закон Стефана-Больцмана: определяет зависимость плотности мощности излучения абсолютного чёрного тела от его температуры.
2. Формула Планка: Выражение, описывающее спектральное распределение энергии излучения абсолютного чёрного тела.
3. Закон смещения Вина: Вслед за формулой Планка устанавливает зависимость длины волны, на которой спектральная плотность потока излучения чёрного тела достигает своего максимума, от температуры чёрного тела.
Закон Стефана-Больцмана касается в первую очередь испускательной способности. Определяет зависимость плотности мощности излучения источника от температуры на поверхности нагреваемого объекта и поглощательной способности абсолютно чёрного тела. Поглощательная способность абсолютно чёрного тела равна 1 - поглощательная способность также зависит от материала (см. таблицу ниже). Если мы будем рассчитывать испускательную способность обычных материалов, то закон Стефана-Больцмана будет выглядеть следующим образом:
Согласно закону Кирхгофа из термодинамики, у любого тела, испускающего и поглощающего тепловое излучение, его испускательная способность равна его поглощательной способности. Это означает, что для того чтобы рассчитать площадь поверхности, которая будет и поглощать и испускать тепловое излучение, необходимо знать испускательную способность тела.
Испускательная способность различных материалов
Полированный алюминий 0.09.
Полированная латунь 0.03.
Полированная бронза 0.10.
Углерод (Сажа от свечи) 0.95.
Керамика (глазурованный фарфор) 0.92.
Полированный хром 0.10.
Бетон 0.85.
Полированная медь 0.02.
Окислённая медь 0.65.
Кварцевое стекло 0.75.
Полированное железо 0.21.
Ржавое железо 0.65.
Матовый пластик 0.95.
Полированное серебро 0.05.
Полированная нержавеющая сталь 0.16.
Окислённая нержавеющая сталь 0.83.
Вода 0.96.
Используя данный закон, мы можем посчитать чистый теплообмен между двумя источника инфракрасного излучения Т1 и Т2. Как следствие, чистый теплообмен будет равен разнице теплового излучения между двумя источниками.
Формула Планка описывает спектральное распределение энергии излучения абсолютного чёрного тела в тепловом равновесии при опрёделённой температуре. Закон назван по имени Макса Планка, немецкого физика, который предложил его в 1900 году.
Если применять данный закон для различных температур, то мы сможем вычислить:
1. Диапазон частот, в которых тепло вырабатывается.
2. Испускательная мощность при определённой длине волны.
Закон смещения Вина
Вслед за формулой Планка, закон смещения Вина устанавливает зависимость длины волны, на которой спектральная плотность потока излучения чёрного тела достигает своего максимума, от температуры чёрного тела.
Абсолютно чёрное тело — физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах. График, иллюстрирующий зависимость мощности и длины волны для абсолютно чёрного тела, называется спектром чёрного тела. Обратите внимание на пунктирную красную линию, которая образуется, когда отметим максимальные значения температурных кривых и соединим их.
Когда температура поднимается, тепловое излучение испускает более короткие волны, но излучает свет более высокой энергии. Из графика ниже мы можем увидеть, как лампа накаливания сообщает определённое количество энергии, лишь малая часть которой находится в цветовом спектре. Когда температура повышается и отрезок (изгиб) максимального значения длины волны становится короче, тем больше количество излучаемой энергии.
График также показывает, что камень при комнатной температуре не будет излучать свет, так как кривая в 20°С не задевает цветовой спектр. Пока объекты нагреваются, они начинают испускать видимый свет, или светиться. При температуре в 600°С объекты светятся тёмно-красным цветом, при температуре в 1000°С - жёлто-оранжевым, и при температуре в 1500°С - белым.
Другие два научных закона, которые могут нам помочь в определении практического применения инфракрасного нагрева - Закон обратных квадратов и Закон Ламберта.
Закон обратных квадратов утверждает, что значение некоторой физической величины в данной точке пространства обратно пропорционально квадрату расстояния от источника поля, которое характеризует эта физическая величина. Таким образом, закон обратных квадратов поможет нам определить отношение энергии между источником излучения и объектом.
Закон Ламберта позволяет нам рассчитывать интенсивность инфракрасного излучения, когда излучение направляется не непосредственно нужный объект , но под углом. Данный закон применяется в основном к малым источникам излучения на относительно больших расстояниях.
Рабочий диапазон инфракрасных излучателей, используемых для промышленного нагрева, составляет 0.75 - 10 μm. Внутри данного диапазона выделяют три вида излучения: длинноволновое, средневолновое и коротковолновое.
Диапазон волны с максимальной испускательной способностью у длинноволновых излучателей составляет 3-10 μm. Данный диапазон, в основном, соотносится с керамическими нагревательными элементами с плотной или полой конструкцией, внутри которой используется нить накала из различных сплавов. Керамические излучатели изготавливаются в соответствии с заводскими стандартами с плоской или вогнутой формой.
Более короткий диапазон волны с максимальной испускательной способностью получается при использовании источников излучения с более высокой температурой на поверхности. Кварцевые кассеты изготавливаются в соответствии с такими же заводскими стандартами как и при производстве керамических нагревательных элементов. Кварцевые кассеты - это конструкция из нескольких полупрозрачных кварцевых трубок, которые вставлены в корпус из алюминизированной стали. Данные излучатели функционируют с более высокой температурой на поверхности и испускают длинноволновое или средневолновое излучение.
Кварцевый излучатель с вольфрамовой спиралью представляет собой герметичную горизонтальную трубку, внутри которой помещена вольфрамовая спираль в форме звезды. Вольфрамовая спираль обеспечивает более быструю реакцию нагревательного элемента с низким уровнем тепловой инерции.
Коротковолновые галогеновые кварцевые трубки по конструкции похожи на кварцевые излучатели с вольфрамовой спиралью, но используется спираль не в форме звезды, а круглой формы, а сами кварцевые трубки наполнены газообразным галогеном. Более высокая температура спирали способствует вырабатыванию белого света и расположению максимальной испускательной способности в коротковолновом диапазоне.
Комментарии относительно формулы Планка
Формула Планка указывает нам на то, что чем выше температура излучающей поверхности, тем больше инфракрасной энергии будет излучаться. И чем выше поднимается мощность, тем шире становятся частоты, а диапазон волн с максимальной испускательной способностью становится короче.
При очень высоких температурах, становится виден коротковолновый свет, не только инфракрасного излучения. Сначала появляется тёмно-красный свет, затем он переходит в оранжевый, жёлтый, и наконец в белый. Рисунок 1. ниже демонстрирует нам кривые формулы Планка с температурным диапазоном от 1050°С до 50°С.
Рисунок 1. Распространение инфракрасного излучения в температурном диапазоне 1050°С - 50°С.
Розовая кривая соотносится с температурой в 1050°С, где мы видим самую высокую мощность. График показывает нам максимальный показатель мощности и максимальное значение длины волны в 2,5 микрона. Эта кривая следует за кривой при 850°С, где максимальная энергия составляет меньше половины от той, что сообщается при 1150°С.
Если температура понижается, то и уровень сообщаемой энергии также падает, и диапазон с максимальной испускательной способностью переход к длинным волнам. Кривые с самыми низкими температурами (250°С, 100°С и 50°С) нельзя увидеть на данном графике, но если мы увеличим график и посмотрим на кривые более низких температур, мы отчётливо увидим переход к более длинным волнам. Тем не менее, уровень мощности будет значительно падать.
Мы можем увидеть это на Рисунке 2., который расположен ниже. При температуре в 250°С голубая кривая расположена примерно на 6 микронах, в то время как при температуре в 100°С максимальный показатель расположен примерно на 7,5 микронах. Обратите внимание, что кривая волны сгибается плавно, поэтому она не указывает на конкретное значение, возникающее при высоких температурах.
Рисунок 2. Детальное изображение инфракрасного излучения в температурном диапазоне 350°С-50°С.
Если же мы снова увеличим данный график и сфокусируем своё внимание только на низких температурах, как показано ниже на Рисунке 3.
Рисунок 3. Детальное изображение инфракрасного излучения в температурном диапазоне 100°С-25°С.
Здесь пока ничего нет