Infrapuna kütteseade
Ajalugu [ Muuda ]
Saksa-Briti astronoom Sir William Herschel on 1800. aastal infrapuna avastamine. Ta tegi spektromeetri, mis mõõdab kiirguvõimsuse suurust erinevatel lainepikkustel . See instrument valmistati kolmest tükist. Esimene oli prism, mis püüdis päikesevalgust ja suunatas värve lauale, teine oli väike paneel papist, mille pilu oli piisavalt lai, et läbida ainult üks värv, ja lõpuks kolm elavhõbedat klaasist termomeetrid . Herschel avastas oma eksperimendi järgi, et punasel valgusel oli valguse spektris kõrgeim temperatuurimuutus, kuid infrapuna kütmist ei kasutatud kuni II maailmasõda . Teise maailmasõja ajal sai infrapunaküte laialdasemalt kasutusel ja tunnustatud. Peamised rakendused olid metalli viimistlusväljadel, eriti sõjaväevarustuses olevate värvide ja lakkide kuivatamisel ja kuivatamisel. Lambipirnide pankreid kasutati väga edukalt, kuid tänapäevaste standardite järgi olid võimsused väga madalad. See meetod pakkus palju kiiremini kuivamisaegu kui kütusekonvektsiooniahjud. Tootmise kitsaskohti leevendati ja sõjaväevarustust säilitati. Pärast II maailmasõda jätkus infrapuna kütteelektrijaamade vastuvõtmine, kuid palju aeglasemalt. 1950ndate keskpaigast hakkas mootorsõidukitööstus huvi tundma infrapunase kiiruse värviküttimise vastu ning hakkas kasutama mitmeid tootmisliini infrapunaküttega tuneleid. [
Elemendid [ Muuda ]
Elektriliste infrapunakütteseadmete jaoks kõige levinum hõõgniitmaterjal on volframtraat , mis on rullis, et tagada suurem pindala. Madalate temperatuuride alternatiivid volframile on süsinik , raua, kroomi ja alumiiniumi sulamid (kaubamärk ja kaubamärk Kanthal ). Kuigi süsinikkiud on toodetud rohkem paindumatud, soojenevad nad palju kiiremini kui FeCrAl filamentist lähtuv võrreldav keskmise lainega kütteseade.
Kui kerget kütteseadet on ebasoovitav või mitte, on eelistatud valik keraamilised infrapuna kiirgusekütteseadmed. Mis sisaldab 8 meetrit spiraalsest sulamist takistavast traadist, tekitavad nad kuumuse kogu pinnaga ühtlast soojust ja keraamika on kiirgust 90% absorbeerivast. Kuna absorptsioon ja heide põhinevad ühesugustel füüsilistel põhjustel igas kehas, sobib ideaalselt keraamiline materjal infrapuna kütteseadmete materjalina.
Tööstuslikud infrapunakütteseadmed kasutavad mõnikord kvartstoru kuldkatte, mis peegeldab infrapunakiirgust ja juhib seda kuumutatava toote suunas. Järelikult kahjustab toote imbumissagedus peaaegu kahekordselt. Kulda kasutatakse selle oksüdatsiooniresistentsuse ja väga kõrge IR peegelduvuse tõttu ligikaudu 95% ulatuses. [4]
Tüübid [ Muuda ]
Infrapuna kütteseadmeid kasutatakse sageli infrapuna moodulites (või emitter pankades), mis ühendavad mitu kütteseadet, et saavutada suuremaid kuumutatud alasid.
Infrapunakütteseadmed liigitatakse tavaliselt nende väljastatava lainepikkusega :
Infrapunase (NIR) või lühilaine infrapunakütteseadmed töötavad kõrgel hõõgniidi temperatuuril üle 1800 ° C ja kui need asuvad põllul, saavutavad suure võimsusega tihedus mõnes sadas kW / m2. Nende piigi lainepikkus on vee absorptsioonispektrist tunduvalt madalam, mistõttu paljudes kuivatamisrakendustes see ei sobi. Need sobivad hästi ränidioksiidi kuumutamiseks, kus on vajalik sügav tungimine.
Keskmise laine ja süsiniku (CIR) infrapuna kütteseadmed töötavad hõõgniidi temperatuuridel umbes 1000 ° C. Need jõuavad maksimaalse võimsusega kuni 60 kW / m2 (keskmine laine) ja 150 kW / m2 (CIR).
Far-infrapunakiirgureid (FIR) kasutatakse tavaliselt niinimetatud madalatemperatuurilises infrapuna-saunas . Need kujutavad endast üksnes kõrgemat ja kallimat infrapunasauna turgu. Selle asemel, et kasutada süsiniku-, kvartsi- või kõrge watt-keraamilisi kiirgureid, mis eraldavad lähi- ja keskmise infrapunakiirguse, kuumuse ja valguse, kasutavad kaugelektroonilised kiirgusallikad madala vattkeraamilisi plaate, mis jäävad külmaks, endiselt kaugele infrapunakiirgust. [5]
Temperatuuri ja tipp-lainepikkuse suhet väljendatakse Wieni nihkejõu seaduses .
Metalltraadielement [ redigeeri ]
Metalltraadist kütteelemendid ilmusid esmakordselt 1920. aastatel. Need elemendid koosnevad kromeli valmistatud traadist. Chromel on valmistatud niklist ja kroomist ning seda nimetatakse ka nikroomiks . See traat ühendati seejärel spiraaliga ja ümbritses keraamilise korpuse ümber. Kui kuumutatakse kõrgel temperatuuril, moodustab see kroomoksiidist kaitsva kihi, mis kaitseb traadi põletamise ja korrosiooni eest, põhjustab see ka elemendi sära. [6]
Soojuslambid [ Muuda ]
Soojuslamp on hõõglamp, mida kasutatakse põhiliselt soojuse tekitamisel. Lambi musta keha kiirguse spekter nihutab rohkem infrapunavalgust . Paljud soojuslambid sisaldavad punast filtrit, et vähendada nähtava valguse kogust. Soojuslambid sisaldavad sageli sisemist reflektorit.
Soojuslamente kasutatakse tavaliselt duširuumi ja vannitoas sooja suplejate ja restoranide toiduvalmistamise piirkondades, et hoida toitu soojana enne serveerimist. Neid kasutatakse sageli loomakasvatuseks . Kodulindudele mõeldud tuled nimetatakse tihtipeale hõõglampideks. Lisaks noortele lindudele on muud liiki loomad, kellel on kasu soojuslambritele, näiteks roomajad , kahepaiksed , putukad , ämblikulaadsed ja mõne imetaja noored.
Soojuslampide jaoks mõeldud pistikupesad on tavaliselt keraamilised, kuna plastist pistikupesad võivad sulatada või põletada, kui nad puutuvad kokku suurel hulgal lambidest toodetud heitsoojust, eriti kui seda kasutatakse alumisel asendil. Lambipesa või kapuuts on tavaliselt metallist. Pirniku kuuma pinna puudutamise takistamiseks võib olla varikatuse esiküljel traatkaabel.
Soojuslampides võib kasutada ka tavapäraseid leiba valget hõõglampi, kuid punaseid ja siniseid sibulaid müüakse kasutamiseks tuulelampides ja roomajatel. 250- vattilised soojuslambid on tavaliselt pakitud "R40" (5 "reflektori laterna) vormi teguriga, millel on vahepealne kruvialus.
Soojuslamente saab kasutada meditsiiniliseks hoolduseks kuiva kuumuse tagamiseks, kui muud ravi on ebaefektiivsed või ebapraktilised. [7]
Keraamilised infrapuna soojussüsteemid [ Muuda ]
Keraamilised infrapuna kütteelemendid on kasutusel mitmetes tööstuslikes protsessides, kus on vaja pika lainega infrapunakiirgust. Nende kasulik lainepikkuse vahemik on 2-10 μm. Neid kasutatakse tihti ka loomade / lemmikloomade tervishoiu valdkonnas. Keraamilised infrapunakütteseadmed (emitterid) on valmistatud E27 keraamilise lambi kandjaga, mis on ette nähtud normaalseks paigaldamiseks kolme emitteri põhjaga: soone (nõgus), lameda ja pirniga või Edisoni kruvielemendiga.
Far-Infrared [ Muuda ]
Seda küttesüsteemi kasutatakse mõnes kallis infrapunasaunas. Seda leitakse ka ruumi kütteseadmetes. Need kütteseadmed kasutavad madala vatttihedusega keraamilisi kiirgureid (tavaliselt suhteliselt suured paneelid), mis kiirgavad pika lainega infrapunakiirgust. Kuna kuumutuselemendid on suhteliselt madalal temperatuuril, ei võimalda infrapuna kaugkütteseadmed tolmu, mustuse, formaldehüüdi, mürgiste aurude ja värvkatte heitmete ja lõhna jne. See on võimaldanud seda tüüpi ruumide kütmist väga populaarne inimeste hulgas rasked allergiad ja mitmekordne kemikaal tundlikkus Euroopas. Kuna kaugelearenenud infrapunakiirgus ei kuumene otseselt ruumi õhku, on oluline, et maksimeerida olemasolevate pindade kokkupuudet, mis tagab seejärel soojuse uuesti, et tagada isegi kogu ümbritsev keskkonnaheletus.
Kvartsist soojuslambid [ Muuda ]
Selge kvartsielement
Halogeenlambid on kõrglahutusega halogeengaasiga täidetud hõõglambid . See gaas kombineeritakse väikese koguse broomiga või joodiga, mis põhjustab volframi aatomite regenereerimist, vähendades hõõgniidi aurustumist. See viib halogeenlampide tunduvalt pikemaks ajaks kui hõõglambid. Kõrge rõhu ja temperatuuri halogeenlampide tõttu on need suhteliselt väikesed ja valmistatud kvartsklaasist, kuna sellel on tavalisest klaasist kuumem sulamistemperatuur. Halogeenlampide tavaline kasutamine on lauaplaadid. [8] [9]
Kvartsist infrapuna kütteelemendid kiirgavad keskmise lainega infrapunakiirgust ja on eriti tõhusad süsteemides, kus on vaja kiiret kütteseadet. Kvartskapslites olevad torukujulised infrapunalambid toodavad infrapunakiirgust lainepikkustel 1,5-8 μm. Suletud hõõgniit töötab ligikaudu 2500 K , tekitades lühemat lainepikkust kiirgust kui avatud traat spiraalallikad. General Electric toodetud 1950. aastatel need lambid toodavad umbes 100 W / in ( 4 W / mm ) ja neid saab kombineerida, et kiirata 500 vatti ruutjalga ( 5400 W / m 2 ). Veelgi suurema võimsustiheduse saavutamiseks kasutati halogeenlampe . Kvartsist infrapunalampi kasutatakse kõrgelt poleeritud reflektorites, et suunata kiirgust ühtlasel ja kontsentreeritud mustril.
Kvartsist soojust lambid kasutatakse toiduainete töötlemisel, keemilisel töötlemisel, värvide kuivatamisel ja külmutatud materjalide sulatamisel. Neid saab kasutada ka mugavaks kütteks külmades ruumides, inkubaatorites ja teistes kütte-, kuivatamis- ja küpsetamisrakendustes. Kosmose taaskasutatavate sõidukite väljatöötamisel kasutati kuumakattematerjalide katsetamiseks võimsuste tihedusega kuni 28 kilovatti ruutjalga (300 kW / m2) katsetamiseks kvarts-infrapunalampide panku. [10]
Kõige tavalisemad disainilahendused koosnevad kas satiinist piimavalge kvartsklaastuubi või läbipaistvast kvartsist, millel on elektriliselt vastupidav element, tavaliselt volframtraat või õhuke kroom-alumiiniumisulamist. [11] Õhuõhk eemaldatakse ja täidetakse inertsete gaasidega nagu lämmastik ja argoon, seejärel suletakse. Kvarts-halogeenlampides lisatakse kütteseadme kasutusiga pikendamiseks väike kogus halogeengaasi .
Suur osa infrapuna- ja nähtavast energiast vabaneb kvartsmaterjali otsesel kuumutamisel, silikoonkvartsklaasitoru imendub 97% lähima infrapunakiirgust, suurendades seina temperatuuri, mis põhjustab räni-hapniku sideme kiirgama kaugele infrapunakiirgust. [ nõutav tsitaatus ] Kvartsklaasist kütteelemendid olid algselt mõeldud valgustusrakenduste jaoks, kuid kui lamp on täisvõimsusel, on nähtavast spektrist nähtav vähem kui 5% eralduvast energiast. [12]
Kvarts Tungsten [ Muuda ]
Kvartskütteseade
Kvarts-volframi infrapuna kütteseadmed eraldavad keskmise laineenergia töötemperatuuri kuni 1500 ° C (keskmine laine) ja 2600 ° C (lühike). Need jõuavad töötemperatuurini mõne sekundi jooksul. Peakikiirguse lainepikkus on ligikaudu 1,6 μm (keskmise lainega infrapuna) ja 1 μm (lühilaine infrapuna).
Süsinikupõletid [ Muuda ]
Süsinikkiudkütteseade
Süsinikkütteseadmed kasutavad süsinikkiust kuumutuselementi, mis on võimeline tootma pika, keskmise ja lühikese laine infrapuna kuumust. Need peavad olema täpselt määratletud ruumide kuumutamiseks. [13]
Gaasiküttega [ Muuda ]
Infrapunakiirgust kuumutajad on kahes põhitüübis.
Valgus või tugev intensiivsus
Radiant toru kütteseadmed
Tööstus- ja kaubandushoonete jaoks kasutatavad kiirgust torud, gaaskütteseadmed, ruumide kütmine, terase emissioonitoru soojendamiseks põletage maagaasi või propaani . Gaas läbib juhtimisklapi, voolab läbi tassipõleti või Venturi toru . Põlemisproduktigaasid soojendavad emitteritoru. Kui tuub soojendab, kiirgusenergia torust tabab põrandad ja muud objektid piirkonnas, soojendades neid. Selline kuumuse vorm säilitab soojuse ka siis, kui äkki siseneb suur hulk külma õhku, näiteks hooldusraagis. Kuid nad ei suuda võidelda külma süvendiga.
Infrapuna küttekeha kasutegur on küttekeha kogutarbimise hinnang, võrreldes toodetud infrapunaenergia kogusega. Kuigi protsessi käigus tekib alati teatav kogus konvektiivset soojust, vähendab igasugune õhu liikumise sisseviimine kogu kütteseadme kaudu infrapuna muundamise efektiivsust. Uute tasumata reflektoritega on kiirgustorude läbimõõduga umbes 60%. [Veel 40% sisaldab taastumatuid ülespoole kiirgava ja konvektiivkaodusid ning suitsukadusid.]
Tervislikud mõjud [ Muuda ]
Kuumale pirnile või elemendile puudutamise ohu kõrval võib kõrg intensiivsusega lühilaine infrapunakiirgus põhjustada kaudseid termilisi põletusi, kui nahk on liiga pikk või kuumutus asetatakse objektile liiga lähedale. Inimesed, kes puutuvad kokku suures koguses infrapunakiirgust (nagu klaasist puhurid ja kaarekeevitajad) pikema aja jooksul, võivad arütmi varjundi ja vesivedeliku läbipaistmatuse tekitada, nii et kokkupuude peaks olema modereerunud. [14]
Tõhusus [ Muuda ]
Elektriliselt soojendatavad infrapunakütteseadmed kiirgavad energiat kuni 86% nende sisendist. [15] Peaaegu kogu elektrienergia sisend muundatakse filamentkiirguse infrapunakiirguseks ning suunatakse helkuri abil tootele [ vajalik selgitus ] . Mõni soojusenergia eemaldatakse kütteelemendist juhtivuse või konvektsiooniga , mis võib olla mingi kaotus mõne disaini puhul, kus kogu elektrienergia soovitakse kuumutatud ruumis või mida võib lugeda kaotuseks olukordades, kus ainult kiirgusvõimsus soojusülekanne on soovitav või produktiivne.
Praktilistel eesmärkidel sõltub infrapuna kütteseadme efektiivsus soojuskiirguse lainepikkuste ja kuumutatava materjali absorptsioonispektri vastavusest. Näiteks on vee neeldumispektri tipp umbes 3000 nm juures . See tähendab, et keskmise lainega või süsinik-infrapunakütteseadmete emissioon on vee ja veepõhiste kattekihtidega palju paremini imendunud kui NIR või lühilaine infrapunakiirgus. Sama kehtib ka paljudes plastmaterjalides nagu PVC või polüetüleen. Nende tipp absorbtsioon on umbes 3500 nm . Teiselt poolt absorbeerivad mõned metallid ainult lühilainete ulatuses ja näitavad tugevat peegelduvust keskmises ja kauges infrapunas. See muudab hoolika valiku sobiva infrapuna kütteseadme tüübi jaoks, mis on oluline kütteprotsessi energiatõhususe seisukohast. [ vajalik tsitaat ]
Keraamilised elemendid töötavad temperatuuril 300 kuni 700 ° C (570 kuni 1,290 ° F), mis toodavad infrapunakiirgust 2000 kuni 10 000 nm vahemikus. Enamik plastmaterjale ja paljusid teisi materjale absorbeerib infrapuna kõige paremini selles vahemikus, mis muudab keraamilise kütteseadme selle ülesande jaoks kõige sobivamaks. [ vajalik tsitaat ]
Rakendused [ Muuda ]
Infrapuna kütteseade, mis on mõeldud Döner kebab valmistamiseks
Iirimaal töötavad kütteseadmed võivad rahuldada erinevaid küttevajadusi, sealhulgas:
Äärmiselt kõrged temperatuurid, mis on suures osas piiratud emitteri maksimaalse temperatuuriga
Kiire reageerimisaeg umbes 1-2 sekundi jooksul
Temperatuuri gradiendid, eriti suure soojuse sisendmaterjaliga materjali jaoks
Keskendatud kuumutatud ala juhtivate ja konvektiivsete kuumutusmeetodite suhtes
Mittekontaktne, seega ei häiri toodet juhtivate või konvektiivsete kuumutusmeetodite järgi
Nii kasutatakse infrapuna kütteseadmeid paljudel eesmärkidel, sealhulgas:
Küttesüsteemid
Katte kuivatamine
Plastküte enne vormimist
Plastikkeevitus
Klaasi ja metalli kuumtöötlus
Cooking
Imetavate loomade või vangistuses loomade soojendamine loomaaedades või veterinaarkliinikutes
Kuumad jooga fitness klassid, et leevendada konvektsioonkütetega tekitatud hingamisteede probleeme [16]
