Инфракрасный обогреватель или лампа для обогрева — 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 от750 нм до 1 мм. Для передачи энергии не требуется контакта или среды между излучателем и холодным объектом. Инфракрасные обогреватели могут работать в вакууме или атмосфере.
Одна из классификаций инфракрасных обогревателей — по диапазону 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 прибор состоял из трех частей. Первая представляла собой призму, которая улавливала солнечный свет, направляла и рассеивала цвета на стол, вторая представляла собой небольшую картонную панель с щелью, достаточно широкой для прохождения через нее только одного цвета, и, наконец, три ртутных стеклянных термометра . Благодаря своему эксперименту Гершель обнаружил, что красный свет имеет самую высокую степень изменения температуры в спектре света , однако инфракрасное отопление не использовалось повсеместно до Второй мировой войны. Во время Второй мировой войны инфракрасное отопление стало более широко использоваться и признаваться. Основные области применения были в области отделки металлов, в частности, при отверждении и сушке красок и лаков на военном оборудовании. Очень успешно использовались батареи лампочек; хотя по сегодняшним меркам интенсивность мощности была очень низкой, технология предлагала гораздо более быстрое время сушки, чем топливные конвекционные печи того времени. После Второй мировой войны внедрение инфракрасных методов нагрева продолжалось, но гораздо медленнее. В середине 1950-х годов автомобильная промышленность начала проявлять интерес к возможностям инфракрасного излучения для отверждения краски, и в эксплуатацию вошло несколько производственных линий инфракрасных туннелей. [1] [2] [3]
Наиболее распространенным материалом для нити накаливания в электрических инфракрасных обогревателях является вольфрамовая проволока, которая свернута в спираль для увеличения площади поверхности. Низкотемпературными альтернативами вольфрама являются углерод или сплавы железа , хрома и алюминия ( торговая марка и бренд Kanthal ). Хотя углеродные нити более непостоянны в производстве, они нагреваются гораздо быстрее, чем сопоставимый средневолновой обогреватель на основе нити FeCrAl.
Когда свет нежелателен или не нужен в обогревателе, предпочтительным выбором являются керамические инфракрасные обогреватели. Содержащие 8 метров (26 футов) спиральной проволоки из сплава сопротивления, они излучают равномерное тепло по всей поверхности обогревателя, а керамика поглощает 90% излучения. Поскольку поглощение и излучение основаны на одних и тех же физических причинах в каждом теле, керамика идеально подходит в качестве материала для инфракрасных обогревателей.
Промышленные инфракрасные обогреватели иногда используют золотое покрытие на кварцевой трубке, которое отражает инфракрасное излучение и направляет его к нагреваемому продукту. Следовательно, инфракрасное излучение, падающее на продукт, фактически удваивается. Золото используется из-за его стойкости к окислению и очень высокой инфракрасной отражательной способности, приблизительно 95%. [4]
Инфракрасные обогреватели обычно используются в инфракрасных модулях (или батареях излучателей), объединяющих несколько обогревателей для достижения большей площади обогрева.
Инфракрасные обогреватели обычно классифицируются по длине волны , которую они излучают:
Ближние инфракрасные (БИК) или коротковолновые инфракрасные нагреватели работают при высоких температурах нити накала выше 1800 °C (3270 °F ) и при размещении 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 приложений сушки. Они хорошо подходят для нагрева кремнезема, где требуется глубокое проникновение.
Средневолновые (MWIR) и карбоновые инфракрасные обогреватели работают при температуре нити около 1000 °C (1830 °F). Они достигают максимальной плотности мощности до 60 кВт / м 2 (5,6 кВт/ кв. фут ) (средневолновые) и 150 кВт/м 2 (14 кВт/кв. фут) (карбоновые).
Дальние инфракрасные излучатели (FIR) обычно используются в так называемых низкотемпературных дальних инфракрасных саунах . Они составляют только более высокий и дорогой диапазон рынка инфракрасных саун. Вместо использования углеродных, кварцевых или высоковаттных керамических излучателей, которые излучают ближнее и среднее инфракрасное излучение, тепло и свет, дальние инфракрасные излучатели используют низковаттные керамические пластины, которые остаются холодными, но при этом излучают дальнее инфракрасное излучение.
Связь между температурой и пиковой длиной волны выражается законом смещения Вина .
Металлические проволочные нагревательные элементы впервые появились в 1920-х годах. Эти элементы состоят из проволоки, изготовленной из хромеля. Хромель изготавливается из никеля и хрома , и его также называют нихромом . Затем эта проволока сворачивается в спираль и оборачивается вокруг керамического корпуса. При нагревании до высоких температур она образует защитный слой оксида хрома , который защищает проволоку от горения и коррозии и заставляет элемент светиться. [5]
Тепловая лампа — это лампа накаливания , которая используется для основной цели — создания тепла. Спектр излучения черного тела , испускаемого лампой, смещен для получения большего количества инфракрасного света . Многие тепловые лампы включают красный фильтр для минимизации количества излучаемого видимого света. Тепловые лампы часто включают внутренний отражатель.
Тепловые лампы обычно используются в душевых и ванных комнатах для обогрева купающихся и в зонах приготовления пищи в ресторанах для поддержания пищи в тепле перед подачей. Они также широко используются в животноводстве . Светильники, используемые для домашней птицы, часто называют брудерными лампами. Помимо молодых птиц, другие типы животных, которым могут быть полезны тепловые лампы, включают рептилий , амфибий , насекомых , паукообразных и детенышей некоторых млекопитающих .
Патроны, используемые для нагревательных ламп, обычно керамические , поскольку пластиковые патроны могут расплавиться или сгореть под воздействием большого количества отработанного тепла, выделяемого лампами, особенно при работе в положении «цоколем вверх». Кожух или колпак лампы обычно металлический. На передней части кожуха может быть проволочная защита, чтобы предотвратить прикосновение к горячей поверхности лампочки.
Обычные бытовые белые лампы накаливания также можно использовать в качестве обогревательных ламп , но красные и синие лампы продаются для использования в лампах для расплода и лампах для рептилий. 250- ваттные обогревательные лампы обычно выпускаются в форм-факторе «R40» (лампа с отражателем 5 дюймов) с промежуточным винтовым цоколем.
Тепловые лампы можно использовать в медицинских целях для обеспечения сухого тепла, когда другие методы лечения неэффективны или нецелесообразны. [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 области здравоохранения животных/домашних животных. Керамические инфракрасные нагреватели (излучатели) изготавливаются с тремя основными поверхностями излучателя: желобчатая (вогнутая), плоская и колба или винтовой элемент Эдисона для обычной установки через керамический патрон E27.
Эта технология нагрева используется в некоторых дорогих инфракрасных саунах. Она также встречается в энергоэффективных обогревателях помещений. Обычно это довольно большие плоские панели, которые размещаются на стенах, потолках [7] или встраиваются в полы. [8] Эти обогреватели излучают длинноволновое инфракрасное излучение с помощью керамических излучателей с низкой плотностью ватт на основе технологии углеродного волокна. Более эффективные конструкции используют углеродные кристаллы, комбинацию углеродного волокна, интегрированную с нанотехнологией, преобразующую углерод в нанометровую форму. [9] Поскольку нагревательные элементы находятся при относительно низкой температуре, обогреватели дальнего инфракрасного диапазона не выделяют и не пахнут пылью, грязью, формальдегидом, токсичными парами от лакокрасочного покрытия и т. д. [10] Это сделало этот тип обогрева помещений очень популярным среди людей с тяжелой аллергией и множественной химической чувствительностью в Европе. [11] Поскольку технология дальнего инфракрасного диапазона не нагревает воздух помещения напрямую, важно максимально охватить доступные поверхности, которые затем повторно излучают тепло, чтобы обеспечить равномерное всестороннее окружающее тепло. Это известно как лучистое отопление. [12]
Галогенные лампы — это лампы накаливания, заполненные инертным газом под высоким давлением в сочетании с небольшим количеством галогенного газа ( бром или йод ); это продлевает срок службы нити накаливания (см. ). Это приводит к гораздо более длительному сроку службы галогенных ламп, чем других ламп накаливания. Из-за высокого давления и температуры, которые производят галогенные лампы, 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. [13] [14]
Кварцевые инфракрасные нагревательные элементы [15] излучают средневолновую инфракрасную энергию и особенно эффективны в системах, где требуется быстрая реакция нагревателя. Трубчатые инфракрасные лампы в кварцевых колбах производят инфракрасное излучение с длиной волны 1,5–8 мкм. Закрытая нить накаливания работает при температуре около 2500 К (2230 °C; 4040 °F), производя больше коротковолнового излучения, чем открытые источники с проволочной катушкой. Разработанные в 1950-х годах в General Electric , эти лампы производят около 100 Вт на дюйм (4 Вт/мм) и могут быть объединены для излучения 500 Вт на квадратный фут (5400 Вт/м2 ) . [ необходима цитата ] Для достижения еще более высокой плотности мощности использовались галогенные лампы . Кварцевые инфракрасные лампы используются в высокополированных отражателях для направления излучения в однородном и концентрированном виде.
Кварцевые тепловые лампы используются в пищевой промышленности, химической промышленности, сушке краски и размораживании замороженных материалов. Их также можно использовать для комфортного обогрева в холодных помещениях, в инкубаторах и в других приложениях для обогрева, сушки и выпечки. Во время разработки космических возвращаемых аппаратов батареи кварцевых инфракрасных ламп использовались для испытания теплозащитных материалов при плотности мощности до 28 кВт/кв. фут (300 кВт/м 2 ). [16] В 2000 году General Electric выпустила первую кварцевую водонепроницаемую лампу совместно с британским производителем инфракрасного обогрева Tansun. [17]
Наиболее распространенные конструкции состоят из сатинированной молочно-белой кварцевой стеклянной трубки или прозрачного кварца с электроустойчивым элементом, обычно вольфрамовой проволокой , или тонкой катушкой из сплава железа, хрома и алюминия. Атмосферный воздух удаляется и заполняется инертными газами, такими как азот и аргон, затем герметизируется. В кварцевых галогенных лампах для продления срока службы нагревателя добавляется небольшое количество галогенного газа.
Большая часть лучистой энергии, выделяемой при рабочих температурах, передается через тонкую кварцевую трубку, но часть этой энергии поглощается кварцевой стеклянной трубкой из силикатного кварца, вызывая повышение температуры стенки трубки, что приводит к излучению кремниево-кислородной связью дальних инфракрасных лучей. [ необходима цитата ] Нагревательные элементы из кварцевого стекла изначально были разработаны для освещения, но когда лампа работает на полную мощность, менее 5% излучаемой энергии находится в видимом спектре. [18]
Кварцево-вольфрамовые инфракрасные обогреватели излучают средневолновую энергию, достигая рабочих температур до 1500 °C (2730 °F) (средние волны) и 2600 °C (4710 °F) (короткие волны). Они достигают рабочей температуры в течение нескольких секунд. Пиковая длина волны излучения составляет приблизительно 1,6 мкм (средние волны инфракрасного диапазона) и 1 мкм (короткие волны инфракрасного диапазона).
Углеродные обогреватели используют нагревательный элемент из углеродного волокна , способный производить длинноволновое, средневолновое и коротковолновое инфракрасное тепло. Они должны быть точно указаны для обогреваемых помещений. [ необходима цитата ]
Существует два основных типа инфракрасных обогревателей.
Газовые обогреватели с радиационной трубкой, используемые для отопления промышленных и коммерческих зданий, сжигают природный газ или пропан для нагрева стальной трубки-эмиттера. Газ, проходящий через регулирующий клапан, протекает через чашечную горелку или трубку Вентури . Газы, образующиеся в результате сгорания, нагревают трубку-эмиттер. По мере нагрева трубки лучистая энергия из трубки попадает на пол и другие предметы в этой области, 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 оценка общей энергии, потребляемой обогревателем, по сравнению с количеством вырабатываемой инфракрасной энергии. Хотя в процессе всегда будет выделяться некоторое количество конвективного тепла, любое введение движения воздуха через обогреватель снизит его эффективность преобразования инфракрасного излучения. С новыми незапятнанными отражателями излучающие трубки имеют эффективность излучения вниз около 60%. (Остальные 40% составляют невосстановимые потери на излучение вверх и конвекцию, а также потери в дымоходе.)
В дополнение к опасностям прикосновения к горячей лампочке или элементу, высокоинтенсивное коротковолновое инфракрасное излучение может вызвать косвенные термические ожоги, если кожа подвергается воздействию слишком долго или нагреватель расположен слишком близко к объекту. У людей, подвергающихся воздействию большого количества инфракрасного излучения (например, стеклодувы и дуговые сварщики) в течение длительного периода времени, может развиться депигментация радужной оболочки и непрозрачность водянистой влаги , поэтому воздействие должно быть умеренным. [19]
Электрически нагреваемые инфракрасные обогреватели излучают до 86% своей входной энергии в виде лучистой энергии. [20] Почти вся входная электрическая энергия преобразуется в инфракрасное лучистое тепло в нити накаливания и направляется на цель отражателями. Часть тепловой энергии удаляется из нагревательного элемента посредством проводимости или конвекции , что может вообще не быть потерей для некоторых конструкций, где вся электрическая энергия желательна в отапливаемом пространстве, или может считаться потерей в ситуациях, когда желательна или продуктивна только лучистая передача тепла.
Для практических применений 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 ближнее инфракрасное или коротковолновое инфракрасное излучение. То же самое относится 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 показывают сильную отражательную способность в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. Это делает тщательный выбор правильного типа инфракрасного обогревателя важным для энергоэффективности в процессе нагрева. [21]
Керамические элементы работают при температуре от 300 до 700 °C (от 570 до 1290 °F), создавая инфракрасные волны в диапазоне от 2 доДиапазон 10 мкм . Большинство пластиков и многие другие материалы лучше всего поглощают инфракрасное излучение в этом диапазоне, что делает керамический нагреватель наиболее подходящим для этой задачи. [22] [ необходима цитата ]
ИК-обогреватели могут удовлетворить различные потребности в отоплении, в том числе:
Таким образом, ИК-обогреватели применяются для многих целей, в том числе:
Тепловая лампа.