Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Бытовой инфракрасный электрический обогреватель

Инфракрасный обогреватель или тепло лампа представляет собой тело с более высокой температурой , который передает энергию к телу с более низкой температурой через электромагнитное излучение. В зависимости от температуры излучающего тела длина волны пика инфракрасного излучения колеблется отОт 780 нм до 1 мм. Для передачи энергии не требуется никакого контакта или среды между двумя телами. Инфракрасные обогреватели могут работать в вакууме или в атмосфере.

Одна классификация инфракрасных обогревателей - это диапазоны длин волн инфракрасного излучения.

  • Коротковолновый или ближний инфракрасный диапазон для диапазона от 780 нм до1,4 мкм , эти излучатели также называют яркими, потому что все же излучается видимый свет;
  • Средний инфракрасный для диапазона от 1,4 мкм и3 мкм ;
  • Инфракрасные или темные излучатели для всего, что указано выше 3 мкм .

История [ править ]

Немецко-британский астроном сэр Уильям Гершель открыл инфракрасное излучение в 1800 году. Он создал инструмент, называемый спектрометром, для измерения величины мощности излучения на разных длинах 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 стеклянные термометры . В ходе своего эксперимента Гершель обнаружил, что красный свет имеет самую высокую степень изменения температуры в световом спектре.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 [ править ]

Наиболее распространенным материалом для изготовления электрических инфракрасных обогревателей является вольфрамовая проволока, которая свернута в спираль, чтобы обеспечить большую площадь поверхности. Альтернативой вольфраму при низких температурах являются 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, излучающей равномерное 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 [ править ]

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

Инфракрасные обогреватели обычно классифицируют по длине волны, излучаемой ими:

Обогреватели ближнего (NIR) или коротковолнового инфракрасного диапазона работают при высоких температурах нити накала выше 1800 ° C и при установке в поле достигают высокой плотности мощности в несколько сотен кВт / м 2 . 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 до60 кВт / м 2 (средние волны) и150 кВт / м 2 (CIR).

Излучатели в дальнем инфракрасном диапазоне (FIR) [5] обычно используются в так называемых низкотемпературных саунах в дальнем инфракрасном диапазоне . Они составляют только более высокий и более дорогой диапазон инфракрасной сауны. 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 законом смещения Вина .

Элемент из металлической проволоки [ править ]

Нагревательные элементы из металлической проволоки впервые появились в 1920-х годах. Эти элементы состоят из проволоки из хромеля. Хромель изготавливается из никеля и хрома, он также известен как нихром . Затем эту проволоку свернули в спираль и обернули вокруг керамического тела. При нагревании до высоких температур он образует защитный слой из оксида хрома, который защищает проволоку от горения и коррозии, а также заставляет элемент светиться. [6]

Советский инфракрасный обогреватель с открытым проволочным элементом. 1963 г.

Тепловые лампы [ править ]

Тепла лампы является лампа накаливания , которая используется для основной целью создания тепла. Спектр излучения черного тела, излучаемого лампой, смещен для получения большего количества инфракрасного света . 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 на стол. Они также широко используются в животноводстве . Светильники, используемые для птицеводства, часто называют лампами для вынашивания птицы. Помимо молодых птиц, другие виды животных, которым могут быть полезны тепловые лампы, включают рептилий , амфибий , насекомых , паукообразных и детенышей некоторых млекопитающих .

Патроны, используемые для нагревательных ламп, обычно керамические, 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 защитный провод, чтобы предотвратить прикосновение к горячей поверхности колбы.

Обычные бытовые белые лампы накаливания также можно использовать в качестве нагревательных ламп , но красные и синие лампы продаются для использования в лампах для выведения выводков и ламп для рептилий. 250- ваттные тепловые лампы обычно имеют 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 [ править ]

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 порт [ править ]

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 помещении напрямую, важно максимально использовать доступные поверхности, которые затем повторно излучают тепло, чтобы обеспечить равномерное окружающее тепло. [8] Это известно как лучистое отопление.

Кварцевые тепловые лампы [ править ]

Прозрачный кварцевый элемент

Галогенные лампы - это лампы накаливания, наполненные инертным газом под высоким давлением в сочетании с небольшим количеством газообразного галогена ( брома или йода ); это продлевает срок службы нити накала (см. Halogen_lamp # Halogen_cycle ). 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 малы и сделаны из кварцевого стекла, поскольку оно имеет более высокую температуру плавления, чем стандартное стекло. 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 при2500 K , производя более коротковолновое излучение, чем открытые источники типа проволока-катушка. Эти лампы, разработанные в 1950-х годах в General Electric , производят около100 Вт / дюйм (4 Вт / мм ) и могут быть объединены для излучения 500 Вт на квадратный фут (5400 Вт / м 2 ). Для достижения еще большей плотности мощности использовались галогенные лампы . Кварцевые инфракрасные лампы используются в полированных отражателях для равномерного и концентрированного направления излучения.

Кварцевые тепловые лампы используются в пищевой и химической промышленности, сушке красок 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, ряды кварцевых инфракрасных ламп использовались для испытания материалов теплозащитного экрана при плотности мощности до 28 киловатт / квадратный фут (300 кВт / м 2 ). [11]

Наиболее распространенные конструкции состоят либо из сатинированной молочно-белой трубки из кварцевого стекла, либо из прозрачного кварца с электрически стойким элементом, обычно вольфрамовой проволокой , или тонкой катушки из сплава железо-хром-алюминий. Атмосферный воздух удаляется и заполняется инертными газами, такими как азот и аргон, затем герметизируется. В кварцевых галогенных лампах добавляется небольшое количество газообразного галогена, чтобы продлить срок 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. [ необходима цитата ] Нагревательные элементы из кварцевого стекла были первоначально разработаны для освещения, но когда лампа работает на полную мощность, менее 5% излучаемой энергии находится в видимом спектре. [12]

Кварцевый вольфрам [ править ]

Кварцевый обогреватель

Кварцево-вольфрамовые инфракрасные обогреватели излучают энергию средних волн, достигая рабочих температур до1500 ° C (средние волны) и2600 ° C (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 [ править ]

Нагреватель из углеродного волокна

Углеродные обогреватели используют нагревательный элемент из углеродного волокна, способный выделять длинноволновое, средне- и коротковолновое тепло в дальней инфракрасной области . Их необходимо точно указать для обогреваемых помещений. [ необходима цитата ]

Газовый [ править ]

Есть два основных типа инфракрасных лучистых обогревателей.

  • Светящийся или высокая интенсивность
  • Радиаторные трубчатые обогреватели

Газовые обогреватели с излучающими трубами, используемые для обогрева помещений промышленных и коммерческих зданий, сжигают природный газ или пропан для нагрева стальной эмиттерной трубы. Газ, проходящий через регулирующий клапан, проходит через чашечную горелку или трубку 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 тогда, когда внезапно поступает большой объем холодного воздуха, например, в ремонтных гаражах . 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 отражателям без покрытия, лучистые трубы имеют эффективность излучения вниз около 60%. (Остальные 40% составляют безвозвратные радиационные и конвективные потери вверх, а также потери в дымоходе.)

Воздействие на здоровье [ править ]

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, стеклодувом и дуговой сваркой) в течение длительного периода времени, может развиться депигментация радужной оболочки и помутнение водянистой влаги , поэтому воздействие следует ограничивать. [13]

Эффективность [ править ]

Инфракрасные обогреватели с электрическим обогревом излучают до 86% входящей энергии в виде лучистой энергии. [14] Почти вся входящая электрическая энергия преобразуется в инфракрасное излучение в нити накала и направляется на цель с помощью отражателей. Некоторая тепловая энергия отводится от нагревательного элемента за счет теплопроводности или конвекции , что может не иметь никаких потерь для некоторых конструкций, где вся электрическая энергия требуется в отапливаемом пространстве, или может считаться потерей в ситуациях, когда только радиационная передача тепла желательна или продуктивна.

Для практических приложений эффективность инфракрасного обогревателя зависит от согласования излучаемой длины волны и спектра поглощения нагреваемого материала. Например, спектр поглощения воды имеет пик около3 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 пластиков, таких как ПВХ или полиэтилен. Их пиковое поглощение составляет около3,5 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 эффективности использования энергии в процессе обогрева. [ необходима 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 Диапазон 10 мкм . Большинство пластиков и многих других материалов лучше всего поглощают инфракрасное излучение в этом диапазоне, что делает керамический обогреватель наиболее подходящим для этой задачи. [15] [ необходима ссылка ]

Приложения [ править ]

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 полотнах материала с высоким 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
  • Обогреватели
  • Пластиковая усадка
  • Нагрев пластика перед формованием
  • Пластиковая сварка
  • Термическая обработка стекла и металла
  • Готовка
  • Подогревание молочных животных или содержащихся в неволе животных в зоопарках или ветеринарных клиниках

Ссылки [ править ]

  1. ^ Уайт, Джек Р. Гершель и загадка инфракрасного излучения. Tech. 3-е изд. Vol. 100. Np: np, nd Research Port. Интернет. 16 апреля 2013 г.
  2. ^ Арнквист, W. "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 (ЕЛЬ)
  6. ^ Грунтовка ламп и молний; Уиллард Оллфин, ЧП; 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 . Проверено 16 мая 2019 .
  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, Хайнц Селл Революция в лампах: хроника 50 лет прогресса (2-е изд.) , The Fairmont Press, Inc. 2001 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 IP) , Американское общество. Инженеры по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc., 2008 г., электронный ISBN 978-1-60119-795-5 , таблица 2, стр. 15.3 
  15. ^ "36 невероятных фактов об инфракрасном излучении (ИК-лучах)" . Инфракрасная светотерапия . 2017-06-25 . Источник 2021-01-24 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Дешмух, Ешвант В. Промышленное отопление, принципы, методы, материалы, применение и дизайн . Тейлор и Фрэнсис, Бока-Ратон, Флорида: 2005.
  • Сигел, Роберт и Хауэлл, Джон Р.: Теплопередача теплового излучения . 3-е изд. Тейлор и Фрэнсис, Филадельфия.