Инфракрасные излучатели

Оглавление

• Инфракрасное излучение
•     Инфракрасное излучение физика
•     Свойства инфракрасного излучения

• Тёмные и светлые инфракрасные излучатели
•     Светлые инфракрасные излучатели
•     Тёмные инфракрасные излучатели

Инфракрасные излучатели – устройства генерирующие тепло и отдающие его в окружающее пространство посредством инфракрасного излучения.

Использование излучения для целей отопления началось с тех пор, как человек поставил себе на службу огонь. Пламя открытого очага камина нагревает воздух только за счёт теплоизлучения. Камин, старый открытый очаг, есть форма отопления путём лучистой энергией.

Электрическая лампа с угольной нитью, которая была изобретена в 1897 году Эдисоном, излучала лучистую энергию. Большая часть этого теплоизлучения лежит в области инфракрасных лучей, и только небольшая часть производит видимый свет. Таким образом, электрическая лампа с угольной нитью является хорошим излучателем тепла и плохим источником света. При соответствующем выборе материала и обеспечении более высокой температуры нити накаливания это соотношение сдвигается в сторону лучшего выхода света. Первые электрические инфракрасные излучатели можно увидеть в применении медицинских рефлекторов, специальных ламповых обогревателей.

В 1906 году была разработана англичанином Варкером система отопления с помощью лучистой энергии, где в качестве теплоносителя применялась горячая вода.

В 30-х годах двадцатого века инфракрасные излучатели получили широкое распространение. Инфракрасное излучение стало применяться в светлых излучателях в форме лампы накаливания и тёмных в виде излучателя из металлической или керамической трубки.

В тот же период в Англии появился излучатель, работающий на газовом топливе, который с помощью простых пламенных горелок обогревал керамическое тело, а оно отдавало своё тепло в виде инфракрасного излучения.

На современном этапе они делятся на два типа инфракрасных обогревателей: коротковолновые и длинноволновые. В коротковолновых излучателях малая доля теплоизлучения попадает в область видимого света и воспринимается глазом. Теплоизлучение от длинноволнового, может быть определенно лишь ощущением тепла при этом видимый спектр света отсутствует.

Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение – электромагнитная волна находящаяся в интервале излучения от 0.74 мкм до 2000 мкм.

Открытие инфракрасных лучей было сделано более чем два столетия назад. Английский учёный Хензель наблюдал своеобразное явление. Он разложил с помощью стеклянной призмы белый солнечный свет на его спектральные цвета.

Затем он проводил термометр вдоль шкалы радужной окраски, которую образовала призма, и определил, что температура заметно повышалась. Когда остриё термометра помещалось за пределы видимого спектра, температура повышалась дальше, и только после того как термометр был полностью вынесен за пределы красного спектра, температура начала понижаться.

Из этого эксперимента он сделал вывод, что существуют лучи, родственные видимому свету, которые обладают свойством выделять тепло. Максимальное значение теплоизлучения лежит за пределами красной части спектра. Эти лучи назвали инфракрасным излучением. Благодаря данным опытам стало известно, что за пределами спектральной области, ощутимой человеческим глазом, имеется ещё инфракрасное излучение, которое ведёт себя подобно свету, т.е. оно распространится прямолинейно, может преломляться, отражается и сосредотачиваются в пучок. В этом заключается свойство инфракрасного теплового излучения для сферы технического применения, и на этой основе строятся обогреватели. Из проведённых опытов стало возможным определить, что такое инфракрасное тепло и как оно распространяется до объекта обогрева.

Энергию, падающую на участок за красной границей, переносит не воспринимаемая глазом излучение - электромагнитные волны, длинны которых заключены в диапазоне от 0,740 до 2000 мкм. Сейчас весь этот диапазон делят на три поддиапазона:

♦ коротковолновая область: λ = 0,74-2,5 мкм;

♦ средневолновая область: λ = 2,5-50 мкм;

♦ длинноволновая область: λ = 50-2000 мкм.

При этом максимум теплоизлучения человеческого тела приходится на длину волны λ = 9,37 мкм, а тающего льда на λ = 10,6 мкм.

Существенное продвижение в исследование инфракрасного теплоизлучения дали работы Кирхгофа напечатанные в 1859 году. В них он пришёл к выводам что тело, которое интенсивно поглощает лучи определённой длины, может испускать точно такое же излучение. Им также было введено понятие (чёрного тела). Идеально чёрное тело можно представить, в виде большого полого помещения с маленьким отверстием. Весь свет, все лучи, которые попадают через это отверстие внутрь полой камеры, отражаются на стенках до тех пор, пока они полностью не поглотятся. Сажа также обладает свойством поглощать инфракрасные лучи. В этом отношении она подходит очень близко к идеальным чёрным телам.

В 1884 году Больцман выдвинул общий закон излучения, который дал разъяснение энергии, исходящей из черных тел. Этот закон Стефана Больцмана гласит, что энергия Е излучения, исходящая от чёрных тел, увеличивается на абсолютную температуру Т в четвёртой степени:

E = σ * Т⁴

Где σ = 5,67 * 10 ^-5ерг см^-2S^-1 град^-4.

       Т - абсолютная температура, точка нуля которой = - 273,15 градуса.

Таким образом, если температура чёрного тела удваивается, то выделенная им энергия увеличивается в 16 раз.

Соотношение, данное Больцманом, относится к общему излучению чёрного тела.

Зависимость длины волны теплоизлучения от температуры излучаемого тела была установлена Вином в 1893 году и имеет следующее выражение:

λ_мах* Т = constant

Где λ - есть длина волны, при которой излучаемая энергия достигает своего максимального значения.

       Constant = 2897.

Преобразовав выше приведённое выражение можно получить, формулу для определения максимума длины волны излучения соответствующей температуре нагрева черного тела:

λ_мах мкм = 2897/(Т^оС + 273,15)

Инфракрасное излучение физика

Инфракрасные излучатели работают в соответствии с принципом теплового излучения нагретого тела. Тепловая энергия это форма энергии, связанная с колебаниями атомов, молекул или других частиц, из которых состоит тело. Физика возникновения инфракрасного излучения тесно связано с процессами, происходящими в молекулярном строении излучателя. Вокруг ядра атома вращаются электроны.

Когда в результате какого-нибудь внешнего влияния электроны выбиваются из своей орбиты, они отдают энергию при обратном движении на орбиту. Эта отдача энергии происходит посредством внутреннего излучения электромагнитных волн. При этом поражается внешняя оболочка электрона, которая выделяет теплоизлучение в области видимого света, близкого к ультрафиолетовым излучениям и инфракрасным лучам, с совершенно определёнными длинами волн. Это теплоизлучение не даёт полного спектра, а только совершенно определённые «цвета».

Вещества, молекулы которых построены из множества атомов, обладают свойствами колебательного движения по отношению друг к другу или вращаются вокруг общего центра тяжести. Эти явления усиливаются, когда вещества нагревают. При колебательных процессах выделяются электромагнитные волны. Нагреванием твёрдых или жидких тел достигают наслоение колебаний непрерывного спектра

Излучение видимого света, которое мы воспринимаем глазами, отличается длинной волны от теплового излучения. Оба они имеют одинаковое свойство, распространятся со скоростью света. Но в отличие от видимого света инфракрасные излучатели дают теплоизлучение которое в то же время осуществляет нагрев воспринимаемой поверхности.

Свойства инфракрасного излучения

Свойства материи в инфракрасном излучении сильно разнятся от их особенностей в видимом излучении.

Передача тепла инфракрасными обогревателями. путём излучения происходит иначе, чем конвекцией или теплопроводностью. Если предмет находится в потоке горячих газов, то неизбежно отнимается какое, то количество тепла, пока температура предмета находится ниже температуры нагретого газа. Напротив, если инфракрасные излучатели облучают предмет, то этим самым нельзя сказать, что поверхность предмета поглощает это теплоизлучение. Предмет может отражать, поглощать или пропускать лучи без потерь. На практике всегда действуют три вида теплопередачи. Облучаемый предмет поглощает часть этого облучения, часть отражает и часть пропускает. Поэтому тело характеризуют по способности поглощения A, отражения R и пропускания D. Эти три величины, находятся в соотношении друг с другом:

A + R + D = 1

Используя небольшой карманный фонарь можно ярко осветить какой-либо предмет, фокусируя на этом предмете соответствующим рефлектором весь свет. Точно так же используя свойства инфракрасного излучения можно сфокусировать луч и на некотором расстоянии, нагревать определённое тело или человека, не нагревая при этом воздух, через который проходят лучи.

Многие вещества, прозрачные для видимого света, не пропускают инфракрасные лучи, и наоборот. К примеру слой воды толщиной несколько сантиметров позволяет отчётливо видеть находящиеся под ним предметы, но он непрозрачен для теплоизлучения с длинами волн больше 1 мкм. На эту область падают все процессы, которые основываются на испарении тонких слоёв воды. Особенно сильные места поглощения тонких слоёв воды находящейся в жидком агрегатном состоянии приходятся на длинны волн 2; 3; 4,7; и 6,1 мкм.

Если к телу направлены лучи определённой длинны волн, то может или очень много отражается лучей, и тогда уменьшается поглощение и проницаемость лучей или лучи в основной своей части поглощаются, и в незначительной части имеет место прохождение инфракрасного излучения. Воздух, например, есть вещество, при котором проницаемость лучей составляет приблизительно 100 %. Материалы же, напротив, не пропускают инфракрасные лучи даже при незначительной толщине. В зависимости от свойства поверхности и виду металла, поглощение и отражение принимают значительную величину. Окалина, грязь и коррозия на поверхности металла значительно повышают возможность поглощения. Точно так же неодинаково воспринимают лучи матовые, полированные или анодированные металлы. Блестящий алюминий хорошо отражает инфракрасные лучи. Возможность отражения также зависит от поверхности металла, в то время как возможность поглощения и проницаемость определяются толщиной материала и внутренним строением. С увеличением толщины уменьшается прохождение инфракрасного излучения, если материал однородный по своему строению. При однородной массе повышается возможность теплоёмкости.

При оценке материала по его отношению к инфракрасным лучам нельзя руководствоваться свойствами, проявляемыми веществом в видимом свете. Стеклянная пластина пропускает лучи только при длине около 2.5 мкм. Теплоизлучение более длинных волн очень сильно поглощается. Если необходимо нагреть стекло, то нужно применить излучатель, максимум лучей которого имеет длину волны 2.5 мкм. Если выбрать коротковолновый излучатель, тогда поглощается небольшая часть лучистой энергии. Если применять длинноволновый излучатель, тогда имеет место полное поглощение лучистой энергии в ближайших нескольких миллиметрах толщины стекла. Для тонких стеклянных пластинок, возможно, применять только длинноволновый излучатель. Для толстых стеклянных тел применение длинноволнового излучателя недопустимо, так как вследствие плохой теплопроводности стекла появляются перенапряжения, приводящие к разрушению стекла.

Свойства теплового излучения в процессе сушки имеют другие особенности. Промышленное применение инфракрасной сушки показало, что особенно сильно поглощает инфракрасное излучение вода. Так как вода при сушке в большинстве случаев находится на поверхности высушиваемого материала в виде тонкого слоя, то и температурные различия не оказывают решающего значения на тепловой процесс. В данном случае является важно выбрать подходящую область длины волн. К тому же надо знать свойство материала при нагреве его инфракрасным излучением.

Тёмные и светлые инфракрасные излучатели

Источники инфракрасного излучения делятся на два основных типа: светлые - коротковолновые и тёмные - длинноволновые.

Светлые источники излучения тепла дают инфракрасное теплоизлучение, с малой долей в области видимого света и воспринимается глазом. Теплоизлучение, исходящее от тёмного источника инфракрасного излучения, может быть воспринято только ощущением тепла кожей человека, но не зрением. Поверхностная температура, не более 700 градусов (длина волны = 3 микрометрам и больше), является границей между этими двумя типами. Известная русская печь применяемая для отопления дома, является темным источником инфракрасного излучения тепла.

Типичными светлыми источниками теплоизлучения являются так называемые электрические лампы накаливания. Только очень небольшая часть излучаемых ими лучей, около 12%, находится в области видимого света и выполняет своё непосредственное назначение. Остальная часть – это инфракрасное излучение тепла, которое идёт на отопление.

Светлые инфракрасные излучатели

Электрические коротковолновые обогреватели инфракрасные в основном очень сходны с лампой накаливания и являются источниками жесткого инфракрасного излучения, поэтому они в основном применяются при отоплении помещений имеющих высокие потолки. Для нити накаливания применяется вольфрамовая проволока. Рабочая температура находится в пределах 2000 градусов (длина волны = 1.2 микрометра). Поэтому часть энергии, излучающей видимый свет, незначительна и составляет 2-12%. Вольфрамовая спираль находится в стеклянной колбе в вакууме. Часть поверхности колбы отражает лучистую энергию, которая может быть направлена на тело. При работе коротковолнового излучателя подведённая электроэнергия превращается в лучистую энергию. Незначительное количество энергии теряется на нагрев цоколя лампы. Так как вольфрамовая нить находится в стеклянной колбе, а стекло пропускает излучение, в том числе и инфракрасное, только ниже 2.5 мкм. (что соответствует температуре 886 градусов и выше), то это приводит к значительному нагреву стеклянной колбы. Это тепло частично отдается окружающему воздуху, частично опять излучается. Так как эти лучи не направлены рефлектором, то только незначительное их количество попадает на предмет, который необходимо нагреть. Таким образом, коротковолновые излучения, поглощаются стеклянной колбой и в большей части теряются. КПД светлого электрического излучателя, то есть отношение излучённой энергии в форме инфракрасных лучей к затраченной электроэнергии, составляет примерно 65%. Если спираль поместить в колбу или трубку из кварцевого стекла, то граница для беспрепятственного прохождения инфракрасных волн сдвигается до 3.3 мкм., при этом интенсивное поглощения тепла наблюдается при температуре 600 градусов и ниже. Кварцевый трубчатый инфракрасный обогреватель коротковолновый по своему строению похож на софитовые лампы. Спираль накаливания состоит из хромоникелевой проволоки, которая наматывается на кварцевый стержень и помещается внутрь кварцевой трубки. Накалённая проволока частично излучает тепло, а частично нагревает кварцевый стержень докрасна, который в свою очередь излучает тепло.

Преимущество электрического кварцевого трубчатого излучателя состоит в том, что кварц устойчив к температурным изменениям.

Недостатком данного типа излучателя является присутствие в спектре жесткого инфракрасного излучения и весьма незначительная механическая прочность.

Тёмные инфракрасные излучатели

Электрические тёмные длинноволновые инфракрасные обогреватели по сравнению со светлыми значительно практичнее. У них излучает инфракрасное тепло не металлический проводник, пропускающий ток, а металл окружающий его. Речь идёт о керамическом, металлическом или искусственном материале, в котором укладывается электрическая спираль, защищенная теплоустойчивым изоляционным материалом. Рабочая температура 400 – 600 градусов является для них обычной. С помощью рефлекторов осуществляется направление инфракрасных лучей на отапливаемый объект. Тёмные длинноволновые инфракрасные обогреватели, как правило, очень устойчивы к механическим воздействиям и излучают мягкое длинноволновое инфракрасное излучение. Отопление помещений такими обогревателями желательно проводить при низких потолках. КПД тёмного электрического излучателя находится в пределах 90%.

Недостатком тёмных электрических инфракрасных излучателей является зависимость температуры поверхности и КПД лучистой энергии от расположения излучателей, так как потоки воздуха могут охлаждать незащищённую поверхность последних и таким образом уменьшать КПД инфракрасной установки в целом.