До 1800 года о существовании инфракрасного спектра электромагнитных излучений даже не подозревали. Сегодня более понятно значение инфракрасного спектра в тепловом потоке, чем во время его открытия в 1800 году сэром Уильямом Гершелем. Он изучал новые оптические возможности. Во время тестирования различных образцов цветного стекла, которые по-разному передавали яркость света, ученый обнаружил, что некоторые из образцов пропускали очень мало солнечного света, а другие пропускали его так много, что даже возник риск повредить зрение при длительном наблюдении.
Вскоре Гершель убедился в необходимости проведения систематического эксперимента. Его целью было найти единственный материал, который дал бы желаемое снижение яркости, а также максимальное уменьшение теплового воздействия. Он начал эксперимент, фактически повторив эксперимент Ньютона с призмой. В первую очередь Гершель изучал возможности нагрева, а не визуального распределения лучей по спектрам.
Он закрасил колбу чувствительного стеклянного ртутного термометра чернилами и использовал ее как детектор излучений для различных световых спектров, которые сформировал на рабочем столе путем пропускания солнечного света через стеклянную призму. Остальные термометры были размещены за пределами солнечного излучения и служили контролерами.
По мере того как окрашенный термометр медленно перемещался по цветам спектра, температура показывала устойчивое увеличение от фиолетового к красному. Данный результат исследования не можно было принять за абсолютную неожиданность, т.к. итальянский исследователь Ландриани в аналогичном эксперименте 1777 года наблюдал примерно такой же эффект. Однако именно Гершель был первым, кто осознал, что должна быть точка, в которой эффект нагрева достигает максимума, и что измерения, ограниченные видимой частью спектра, не смогли найти эту точку.
Переместив термометр в темную область за пределы красного конца спектра, Гершель подтвердил, что температура продолжает расти. Когда он, наконец, нашел точку максимума, обнаружилось, что она лежит далеко за концом красного спектра, который сегодня имеет определение «инфракрасная длина волн».
Когда Гершель раскрыл свое открытие, он назвал эту новую часть электромагнитного спектра «термометрическим спектром». Сам тип такого излучения он иногда называл «темным теплом» или просто «невидимыми лучами».
Однако не Гершель создал термин «инфракрасный порт». Слово стало появляться в печати только около 75 лет спустя, и до сих пор неясно, кто его создал.
Инфракрасные нагреватели
Элементы, создающие инфракрасное излучение используют сегодня в самых различных устройствах. Они входят в конструкцию ИК обогревателей для отопления открытых террас и помещений. С их помощью можно создать оптимальные температуры в холодные периоды года в доме, цеху, офисе и на различных площадках не влияя на влажность воздуха.
Инфракрасные элементы применяются также и в технологическом оборудовании. С их помощью можно быстро и легко создать равномерный и высокоточный нагрев различных материалов.
В качестве примера одной из относительно последних разработок установки с ИК нагревателями можно привести ИК паяльные станции последнего поколения, нагревательные печи и лабораторное сушильное оборудование. При помощи ИК паяльной станции можно обрабатывать групповые печатные платы с компонентами SMD.
Принцип действия ИК лучей
ИК лучи в природе являются одним из спектров солнечного света. Это самая низкая по частоте зона излучений. За счет воздействия ИК лучей на поверхность нашей планеты мы получаем тепло. Данное излучение беспрепятственно проходит сквозь атмосферу и достигает земли. Абсолютно все физические тела способны поглощать инфракрасный диапазон. Воздух же получает тепло во второстепенном порядке от тел, которые прогрелись. В данном случае работает второй закон термодинамики, гласящий о том, что более холодное тело поглощает энергию от более теплого. Не нужно быть великим ученым, чтобы понять, почему в ночное время воздух прохладней, чем днем. Этот же принцип действия наблюдается и у ИК нагревательных элементов, которые входят в конструкцию установок домашнего и промышленного пользования.
Конечно, спектр излучения искусственно изготовленных нагревателей ИК не такой широкий, как у лучей природного происхождения. ИК устройства изготовленные человеком работают в спектре диапазоном λ = 50—2000 мкм. В данном случае также учитывается, что чем ниже температурный показатель тела поддающегося нагреву, тем длиннее ИК волна. Зависимо от длины волн инфракрасные излучения разделяют на три категории:
-
коротковолновые: λ = 0,74—2,5 мкм,
-
средневолновые: λ = 2,5—50 мкм,
-
длинноволновые: λ = 50—2000 мкм.
Нагревательные устройства наиболее качественно действуют, если работают при длинноволновом спектре. Различные варианты ИК нагревателей являются основными элементами, входящими в конструкцию ИК оборудования для обогрева. Исходя из того, что работа таких устройств основана на излучении ИК волн, то и сами проборы считают излучателями.
Устройство ИК обогревателей
Конструкция ИК нагревателей является довольно простой. Нагревательная проволока или нить размещается в корпусе, который зависимо от требований к нагревателю может иметь различную форму и вид. Внутри корпусной основы помещается специальный отражатель, клеммные элементы для подключения к сети. Снаружи корпуса размещена клемма, через которую проходят внешние выводы.
Такой дизайн обогревателя имеет большую схожесть с прожекторами для галогеновых ламп, которые используются для подсветки фасадов, рекламы, дворов и т.д. Данные элементы применяют для локального освещения небольшой территории. С их помощью можно легко поддерживать температуру отдельных участков, не неся энергетических затрат на нагрев всего площади.
Точечный ИК нагрев
Подразумевает тепловое воздействие направленным тепловым потоком. В ресторанах такие элементы используются для обогрева локальных зон у отдельных столиков. Устанавливают их, как и светильники, привинчивая к потолку.
Полный нагрев
Эти нагреватели изготавливаются в различных вариантах, т.к. пользуются большим спросом. Ими можно обогреть помещения большой площади: промышленные цеха, складские помещения, офисы, гостиные, залы ресторанов и т.д. В конструкции полого нагревателя входит карбоновая лампа.
Карбоновая лампа
Конструктивно представляет собой кварцевую трубку с вакуумной средой, внутри которой помещен излучающий элемент. Излучатель состоит из нескольких углеродных волокон собранных в жгут и обладает увеличенной площадью облучения. При включении нагревателя в сеть волокно мгновенно набирает температуру и генерирует лучистое тепло. Потребляя такую же мощность, как и нихромовые нагреватели углеродный элемент нагрева способен подавать более высокую температуру. На верхнем участке нагревающего элемента расположены переключатели, регулирующие рабочий режим устройства. Вращение обеспечивается электроприводом, который находится на специальной подставке нагревателя. Таким образом, можно значительно увеличить площадь нагрева.
Керамические инфракрасные нагреватели
По своей сути это трубчатые элементы нагрева, заключенные в керамическом корпусе. От нагревательного элемента тепловая энергия поступает керамике и уже от нее тепло передается ближайшим поверхностям. Площадь керамического корпуса превышает площадь нагревательного элемента, поэтому теплоотдача более активна. Данный тип устройств относят к нагревателям панельного типа. Их форма может быть самой разной и зависит от требований нагрева, а также особенностей оборудования, в которое будет установлен нагреватель. ИК нагреватели из керамики могут изготавливаться с вогнутой конструкцией, плоской или выпуклой.
Внешний вид керамического излучателя
Конфигурацию трубчатого нагревателя можно увидеть с лицевой стороны, на тыльной поверхности размещаются провода для подключения, которые в свою очередь защищены керамическими жаростойкими бусами. В нормальном рабочем режиме такой нагреватель может подавать 700-750 °С.
У некоторых видов керамических нагревателей греющая спираль открытая и температурная подача такого устройства будет составлять до 900°С. В стандарте это тип нагревателя HSR, который предназначен для мгновенной подачи тепла.
ИК нагреватели в керамической оболочке выполняться в трех типах: объемной конструкции, полые и со встроенным датчиком температуры. Устройства объемного типа являются инерционными, долго набирают температуру и медленно ее сбрасывают. Для работ требующих цикличного нагрева стоит подобрать полый нагреватель. Они не имеют такой инерции и могут применяться для разных технологических работ, где необходима поддержка точных температурных данных методом периодической термоподачи. Благодаря уменьшенной массе у полых нагревательных элементов нагрев производится на 40% быстрее сравнительно с объемными.
Высокий процент лучей от полых нагревателей направлен вперед. Предотвращение обратного излучения обеспечено полым тепловым барьером размещенным на задней стороне устройства. Барьер обеспечивает мягкую тепловую подачу и высокий уровень КПД.
Распределить тепло таким же образом, используя объемный нагреватель можно лишь при помощи отражателя. В конструкцию некоторых греющих панелей может входить термопара при помощи, которой можно производить контроль и регулировку температуры.
ИК излучатели используют при различных технологических процессах:
-
Сушка лакокрасочных покрытий;
-
Обработка и формование изделий из полимеров;
-
ИК-сушка клея;
-
Разогрев, готовка, пастеризация, сушка продуктов питания;
-
Обработка текстильных материалов;
Инфракрасные керамические лампы Эдисона
Данные лампы являются пустотелыми, и в их конструкцию, как и у стандартных лампочек, входит цоколь Е27. Лампа названа в честь изобретателя Т. Эдисона. ИК-лампа Эдисона очень удобна, ее можно установить вместо обычной лампочки и помимо света получать еще и тепло. Это отличный вариант для обогрева холодных помещений, в которых приходится проводить много времени. Зачастую такими помещениями являются рабочие кабинеты многих госработников.
Металлические обогреватели Edison могут дополнительно оснащаться специальными стальными отражателями для увеличения передачи тепла и получения направленности теплового рассеивания. Стоит понимать, что для использования такой лампы следует иметь высокотемпературный патрон из жаростойкой керамики.
Галогеновые излучатели
Галогенные нагреватели заполнены газообразным галогеном, чтобы поддерживаемая вольфрамовая нить накала достигла температуры 2600 ° C. Пиковые выбросы для этих трубок составляют около 1 микрона. Галогеновые излучатели обладают высокой проникающей способностью и допускают быстрые циклы включения / выключения.
Кварцевые излучатели
Данный тип излучателей воздействует теплом на окружающие поверхности, не растрачивая энергии на воздушное пространство. Подача лучей происходит в диапазоне волн средней длины. Расположенная внутри кварцевой трубки катушка высокого сопротивления позволяет нагревателю быстро выходить на заданный рабочий режим и быстро сбрасывать температуру. За счет этого при цикличных методах обработки изделий высокими температурами удается значительно сэкономить электричество. Зачастую кварцевые трубки устанавливают в оборудование вакуумной и термической формовки, ИК-сушилки и термоусадочные машины. Выводы для включения в сеть располагаются на обоих концах трубки. Соединение можно произвести болтами или термостойкими проводами. На провода с целью термозащиты производитель может нанести бусы из керамики. На гибкость выводов это не влияет. Для фокусировки лучей и их направленности в правильную сторону кварцевые трубки могут быть заключены в стальной отражатель.
Ограничения для инфракрасных излучателей:
Не все поверхности и материалы можно нагревать инфракрасным излучением. Сияющие металлические поверхности не подходят для ИК-нагрева. Например, полированный алюминий имеет коэффициент отражения 0,9, т.е. 90% излучения отражается и только 10% поглощается или пропускается. Соответствующее покрытие или лак могут помочь в решении данной проблемы. Очень тонкие материалы (тоньше 0,1 мм) и / или прозрачные материалы также создают особые проблемы ... которые «Технонагрев» может решить — просто свяжитесь с нами !
