Инфракрасный обогреватель или тепловая лампа — это нагревательный прибор, содержащий высокотемпературный излучатель, который передает энергию более холодному объекту посредством электромагнитного излучения. В зависимости от температуры излучателя длина волны пика инфракрасного излучения колеблется отот 750 нм до 1 мм. Для передачи энергии не требуется никакого контакта или среды между излучателем и холодным объектом. Инфракрасные обогреватели могут работать в вакууме или атмосфере.
Одна из классификаций инфракрасных обогревателей основана на диапазонах длин волн инфракрасного излучения.
Немецко-британскому астроному сэру Уильяму Гершелю приписывают открытие инфракрасного излучения в 1800 году. Он создал прибор, называемый спектрометром , для измерения величины мощности излучения на разных длинах волн . Этот инструмент был сделан из трех частей. Первая представляла собой призму, улавливающую солнечный свет и направляющую и рассеивающую цвета на столе, вторая представляла собой небольшую картонную панель с прорезью, достаточно широкой, чтобы через нее мог проходить только один цвет, и, наконец, три ртутных трубки. стеклянные термометры . В ходе своего эксперимента Гершель обнаружил, что красный свет имеет самую высокую степень изменения температуры в световом спектре , однако инфракрасное отопление широко не использовалось до Второй мировой войны. Во время Второй мировой войны инфракрасное отопление стало более широко использоваться и признаваться. Основное применение было в области отделки металлов, особенно при отверждении и сушке красок и лаков на военной технике. Батареи лампочек использовались очень успешно; хотя по сегодняшним стандартам энергоемкость была очень низкой, этот метод обеспечивал гораздо более быстрое время сушки, чем конвекционные печи того времени. После Второй мировой войны внедрение методов инфракрасного отопления продолжалось, но гораздо медленнее. В середине 1950-х годов автомобильная промышленность начала проявлять интерес к возможностям инфракрасного излучения для отверждения красок, и было введено в эксплуатацию ряд инфракрасных туннелей на производственных линиях. [1] [2] [3]
Наиболее распространенным материалом накала, используемым для 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 нити сложнее производить, они нагреваются гораздо быстрее, чем сопоставимый средневолновой нагреватель на основе нити FeCrAl.
Когда свет в обогревателе нежелателен или не нужен, предпочтительным выбором являются керамические инфракрасные излучающие обогреватели. Содержащие 8 метров (26 футов) спиральной резистивной проволоки из сплава, они излучают равномерное тепло по всей поверхности нагревателя, а керамика поглощает излучение на 90%. Поскольку в основе поглощения и излучения в каждом теле лежат одни и те же физические причины, керамика идеально подходит в качестве материала для инфракрасных обогревателей.
В промышленных инфракрасных обогревателях кварцевая трубка иногда имеет золотое покрытие , которое отражает инфракрасное излучение и направляет его на нагреваемый продукт. Следовательно, инфракрасное излучение, попадающее на продукт, увеличивается практически вдвое. Золото используется из-за его стойкости к окислению и очень высокой отражательной способности инфракрасного излучения (около 95%). [4]
Инфракрасные обогреватели обычно используются в инфракрасных модулях (или банках излучателей), объединяющих несколько обогревателей для достижения больших обогреваемых площадей.
Инфракрасные обогреватели обычно классифицируются по длине волны , которую они излучают:
Нагреватели ближнего инфракрасного (NIR) или коротковолнового инфракрасного диапазона работают при высоких температурах нити накала, превышающих 1800 °C (3270 °F ), а при размещении в полевых условиях 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 необходимо глубокое проникновение.
Средневолновые (MWIR) и угольные инфракрасные обогреватели работают при температуре нити накала около 1000 °C (1830 °F). Они достигают максимальной плотности мощности до 60 кВт / м 2 (5,6 кВт/ кв. футов ) (средневолновые) и 150 кВт/м 2 (14 кВт/кв. фут) (углеродные).
Излучатели дальнего инфракрасного диапазона (FIR) обычно используются в так называемых низкотемпературных саунах дальнего инфракрасного диапазона . Это только более высокий и дорогой ассортимент на рынке инфракрасных саун. 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 малой мощности, которые остаются холодными, но при этом излучают дальнее инфракрасное излучение.
Связь между температурой и пиковой длиной волны выражается законом смещения Вина .
Нагревательные элементы из металлической проволоки впервые появились в 1920-х годах. Эти элементы состоят из проволоки, изготовленной из хромеля. Хромель состоит из никеля и хрома и также известен как нихром . Затем эту проволоку свернули в спираль и обернули вокруг керамического тела. При нагревании до высоких температур он образует защитный слой оксида хрома , предохраняющий проволоку от горения и коррозии, а также вызывающий свечение элемента. [5]
Тепловая лампа — это лампа накаливания, основная цель которой — создание тепла. Спектр излучения черного тела, испускаемого лампой, смещается для получения большего количества инфракрасного света . Многие тепловые лампы оснащены красным фильтром, позволяющим минимизировать количество излучаемого видимого света. Тепловые лампы часто имеют внутренний отражатель.
Тепловые лампы обычно используются в душевых и ванных комнатах для обогрева купающихся, а также в зонах приготовления пищи в ресторанах, чтобы сохранять пищу теплой перед подачей на стол. Они также широко используются в животноводстве . Лампы, используемые для птицеводства, часто называют брудерными лампами. Помимо молодых птиц, тепловые лампы могут принести пользу и другим видам животных, включая рептилий , амфибий , насекомых , паукообразных и детенышей некоторых млекопитающих .
Патроны, используемые для обогревательных ламп, обычно изготавливаются из керамики, поскольку пластиковые патроны могут расплавиться или сгореть под воздействием большого количества отходящего тепла, выделяемого лампами, особенно при работе в положении «цоколь вверх». Кожух или колпак лампы обычно металлический. Передняя часть кожуха может иметь проволочное ограждение, предотвращающее прикосновение к горячей поверхности лампы.
Обычные бытовые лампы накаливания белого цвета также можно использовать в качестве обогревающих ламп , но красные и синие лампы продаются для использования в лампах для выводков и лампах для рептилий. Тепловые лампы мощностью 250 Вт обычно выпускаются в форм-факторе «R40» (5-дюймовая рефлекторная лампа) с промежуточным винтовым цоколем.
Тепловые лампы можно использовать в качестве медицинского лечения для обеспечения сухого тепла, когда другие методы лечения неэффективны или непрактичны. [6]
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 сфере здравоохранения животных/домашних животных. Керамические инфракрасные обогреватели (излучатели) производятся с тремя основными поверхностями излучателя: желобчатой (вогнутой), плоской и лампочкой или винтовым элементом Эдисона для обычной установки через керамический патрон лампы E27.
Такая технология нагрева используется в некоторых дорогих инфракрасных саунах. Он также встречается в энергоэффективных обогревателях. Обычно это довольно большие плоские панели, которые размещаются на стенах, потолках [7] или встраиваются в пол. [8] Эти обогреватели излучают длинноволновое инфракрасное излучение с помощью керамических излучателей малой мощности на основе технологии углеродного волокна. В более эффективных конструкциях используются кристаллы углерода — сочетание углеродного волокна в сочетании с нанотехнологиями, преобразующее углерод в нанометровую форму. [9] Поскольку нагревательные элементы имеют относительно низкую температуру, дальние инфракрасные обогреватели не выделяют выбросов и запаха пыли, грязи, формальдегида, токсичных паров от лакокрасочного покрытия и т. д. [10] Это сделало помещения такого типа отопление очень популярно среди людей с тяжелой аллергией и множественной химической чувствительностью в Европе. [11] Поскольку технология дальнего инфракрасного диапазона не нагревает воздух в помещении напрямую, важно максимизировать воздействие на доступные поверхности, которые затем повторно излучают тепло, чтобы обеспечить равномерное окружающее тепло. Это известно как лучистое отопление. [12]
Галогенные лампы — это лампы накаливания, наполненные инертным газом под высоким давлением в сочетании с небольшим количеством галогенного газа ( брома или йода ); это продлевает срок службы нити накаливания (см. ). Это приводит к гораздо более длительному сроку службы галогенных ламп по сравнению с другими лампами накаливания. Из-за высокого давления и температуры, которые создают галогенные лампы, они относительно небольшие и изготовлены из кварцевого стекла , поскольку оно имеет более высокую температуру плавления, чем стандартное стекло. Галогенные лампы обычно используются в настольных обогревателях. [13] [14]
Кварцевые инфракрасные нагревательные элементы [15] излучают средневолновую инфракрасную энергию и особенно эффективны в системах, где требуется быстрый отклик нагревателя. Трубчатые инфракрасные лампы в кварцевых колбах производят инфракрасное излучение с длиной волны 1,5–8 мкм. Закрытая нить накала работает при температуре около 2500 К (2230 ° C; 4040 ° F), производя более коротковолновое излучение, чем источники с открытой проволочной катушкой. Эти лампы, разработанные в 1950-х годах в компании General Electric , производят около 100 Вт на дюйм (4 Вт/мм) и могут быть объединены для излучения 500 Вт на квадратный фут (5400 Вт/м 2 ). [ нужна цитация ] Для достижения еще более высокой плотности мощности использовались галогенные лампы . Кварцевые инфракрасные лампы используются в полированных отражателях для равномерного и концентрированного направления излучения.
Кварцевые тепловые лампы используются в пищевой, 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 возвращаемых космических аппаратов группы кварцевых инфракрасных ламп использовались для испытаний материалов теплозащитных экранов при плотности мощности до 28 кВт/кв. футов (300 кВт/м 2 ). [16] В 2000 году компания General Electric совместно с британским производителем инфракрасного отопления Tansun выпустила первую кварцевую водонепроницаемую лампу. [17]
Наиболее распространенные конструкции состоят либо из атласной молочно-белой трубки из кварцевого стекла, либо из прозрачного кварца с электростойким элементом, обычно вольфрамовой проволокой , либо из тонкой катушки из сплава железа, хрома и алюминия. Атмосферный воздух удаляется и заполняется инертными газами, такими как азот и аргон , а затем герметизируется. В кварцево-галогенные лампы добавляется небольшое количество галогенного газа для продления срока службы обогревателя.
Большая часть лучистой энергии , выделяемой при рабочих температурах, передается через тонкую кварцевую трубку, но некоторая часть этой энергии поглощается трубкой из кварцевого стекла, вызывая повышение температуры стенки трубки, что приводит к тому, что связь кремний-кислород излучается далеко. инфракрасные лучи. [ нужна цитация ] Нагревательные элементы из кварцевого стекла изначально были разработаны для освещения, но когда лампа работает на полную мощность, менее 5% излучаемой энергии приходится на видимый спектр. [18]
Кварцево-вольфрамовые инфракрасные обогреватели излучают энергию средних волн, достигая рабочих температур до 1500 °C (2730 °F) (средневолновые) и 2600 °C (4710 °F) (коротковолновые). Они достигают рабочей температуры за считанные секунды. Пиковая длина волны излучения составляет примерно 1,6 мкм (средневолновое инфракрасное излучение) и 1 мкм (коротковолновое инфракрасное излучение).
В углеродных обогревателях используется нагревательный элемент из углеродного волокна, способный производить длинно-, средне- и коротковолновое тепло в дальнем инфракрасном диапазоне . Они должны быть точно определены для отапливаемых помещений. [ нужна цитата ]
Существует два основных типа инфракрасных излучающих обогревателей.
Газовые обогреватели с излучающими трубками, используемые для отопления помещений промышленных и коммерческих зданий, сжигают природный газ или пропан для нагрева стальной излучающей трубки. Газ, проходящий через регулирующий клапан , проходит через чашечную горелку или трубку Вентури . Газы продуктов сгорания нагревают эмиттерную трубку. Когда трубка нагревается, лучистая энергия трубки падает на пол и другие предметы в этом районе, нагревая их. Этот вид отопления сохраняет тепло даже при внезапном поступлении большого объема холодного воздуха, например, в гаражах для технического обслуживания . Однако они не могут бороться с холодным сквозняком.
Эффективность инфракрасного обогревателя — это показатель общей энергии, потребляемой обогревателем, по сравнению с количеством вырабатываемой инфракрасной энергии. Хотя в процессе всегда будет выделяться некоторое количество конвективного тепла, любое движение воздуха через нагреватель снизит эффективность его преобразования в инфракрасное излучение. Благодаря новым незапятнанным отражателям излучающие трубки имеют эффективность излучения вниз около 60%. (Остальные 40% составляют невосполнимые потери на излучение и конвекцию, а также потери в дымоходах.)
Помимо опасности прикосновения к горячей лампе или элементу, высокоинтенсивное коротковолновое инфракрасное излучение может вызвать непрямые термические ожоги, если кожа подвергается воздействию слишком долго или обогреватель расположен слишком близко к объекту. У людей, подвергающихся воздействию большого количества инфракрасного излучения (например, стеклодувов и дуговых сварщиков) в течение длительного периода времени, может развиться депигментация радужной оболочки и помутнение водянистой влаги , поэтому воздействие следует умерить. [19]
Инфракрасные обогреватели с электрическим подогревом излучают до 86% потребляемой энергии в виде лучистой энергии. [20] Почти вся входная электрическая энергия преобразуется в инфракрасное излучение тепла в нити накала и направляется на цель с помощью отражателей. Некоторая тепловая энергия отводится от нагревательного элемента за счет проводимости или конвекции , что может вообще не представлять собой потерь для некоторых конструкций, в которых вся электрическая энергия требуется в обогреваемом пространстве, или может считаться потерями в ситуациях, когда только радиационная энергия передача тепла желательна или продуктивна.
Для практического применения эффективность инфракрасного обогревателя зависит от соответствия длины волны излучения и спектра поглощения нагреваемого материала. Например, спектр поглощения воды имеет пик около3 мкм . Это означает, что излучение средневолновых или углеродных инфракрасных обогревателей гораздо лучше поглощается водой и покрытиями на водной основе, чем NIR или коротковолновое инфракрасное излучение. То же самое относится и ко многим пластикам, таким как ПВХ или полиэтилен. Их пик поглощения составляет около3,5 мкм . С другой стороны, некоторые металлы поглощают только в коротковолновом диапазоне и демонстрируют сильную отражательную способность в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. Поэтому тщательный выбор подходящего типа инфракрасного обогревателя важен для обеспечения энергоэффективности процесса нагрева. [21]
Керамические элементы работают при температуре от 300 до 700 °C (от 570 до 1290 °F), создавая инфракрасные волны длиной от 2 до 1290 °F.Диапазон 10 мкм . Большинство пластмасс и многих других материалов лучше всего поглощают инфракрасное излучение в этом диапазоне, что делает керамический обогреватель наиболее подходящим для этой задачи. [22] [ нужна ссылка ]
ИК-обогреватели могут удовлетворить различные требования к отоплению, в том числе:
Таким образом, ИК-обогреватели применяются для многих целей, в том числе:
Тепловая лампа.