Характеристики инфракрасного излучения

Физическая сущность инфракрасного обогрева

Физическая сущность инфракрасного обогрева состоит в передаче тепловой энергии в виде инфракрасного излучения от излучающей поверхности источника излучения непосредственно на обогреваемый объект без подогрева окружающего воздуха. Основными нагревательными элементами обогревателей данного типа являются инфракрасные излучатели (далее – ИК-излучатели, излучатели), которые представляют собой электрические нагревательные элементы сопротивления, генерирующие инфракрасное излучение при разогреве керамической излучающей поверхности путем передачи ей тепловой энергии от встроенной внутрь керамического корпуса разогретой электрической спирали.

В принципе действия инфракрасных нагревателей заложена их универсальность и высокая экономичность: благодаря заданным характеристикам инфракрасного излучения происходит обогрев людей, предметов и оборудования, конструкций здания, находящихся в зоне действия нагревателей и практически не нагревается окружающий воздух. В результате не требуются дополнительные затраты энергии на нагрев воздуха в объеме помещения, который при конвективном отоплении разогревается и скапливается под потолком выше зоны обитания. Таким образом, существует реальная возможность отопления инфракрасным излучением с созданием различных температурных зон в одном помещении, например, дополнительный местный обогрев рабочих мест в больших производственных помещениях.

Благодаря эффективному и безопасному обогреву человеческого тела инфракрасным излучением заданной длины волны и спектральной интенсивности керамические излучатели нашли широкое применение в инфракрасных электрообогревателях производственного и бытового назначения, а также в системах теплового излучения для инфракрасных саун и физиотерапевтических установок. Возможность быстрого и равномерного поверхностного нагрева в различных технологических процессах обусловило массовое применение ИК-излучателей в устройствах разогрева и обработки полимерных материалов, в камерах сушки тканей, полиграфической продукции и древесины от влаги и органических растворителей, т.е. в тех процессах, где материалы и растворители хорошо поглощают инфракрасное излучение в заданном диапазоне длин волн, имея коэффициент излучения (степень черноты) не менее 0,85-0,90.

Характеристики инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение — это часть спектра солнечного излучения, которая непосредственно примыкает к красной части видимой области спектра. Человеческий глаз не в состоянии видеть в этой области спектра, но мы можем чувствовать это излучение, как лучистое тепло (см. рисунок 1). Инфракрасное излучение имеет две важные характеристики: длину волны (частоту) излучения и интенсивность излучения.

Согласно стандарту DIN 5031 в зависимости от длины волны выделяют три области инфракрасного излучения: ближнюю IR-A (0,75−1,4 мкм), среднюю IR-B (1,4 — 3,0 мкм) и дальнюю IR-C (3,0−80 мкм). Учитывая физиологические особенности человека, современная медицина характеризует эти области спектра следующим образом (см. рисунок 2):

• длина волны 0,75-1,4 мкм – излучение, проникающее в глубь кожи человека (диапазон IR-A);
• длина волны 1,4-3 мкм — излучение, поглощаемое эпидермисом и соединительно-тканным слоем кожи (диапазон IR-B);
• длина волны более 3 мкм – излучение, поглощаемое на поверхности кожи (диапазон IR-C).

При этом наибольшее проникновение наблюдается в диапазоне от 0,75 до 3 мкм и этот диапазон называется «окном терапевтической прозрачности» лучевого инфракрасного обогрева тела человека.

На рисунке 2 (первоисточник — Journal of Biomedical Optics 12(4), 044012 July/August 2007) приведены спектры поглощения ИК-излучения для воды и ткани человеческих органов в зависимости от длины волны. Отмечено, что ткань человеческого организма состоит из воды на 98% и этот факт объясняет схожесть характеристик поглощения инфракрасного излучения в области спектра 1,4-10 мкм.

Если учесть тот факт, что сама вода интенсивно поглощает ИК-излучение в диапазоне 1,4-10 мкм с пиками на длинах волн 2,93, 4,7 и 6,2 мкм (см . рисунок 2 и Юхневич Г.В. Инфракрасная спектроскопия воды, М, 1973), то наиболее эффективными для процессов обогрева и сушки следует считать ИК-излучатели, излучающие в средней и дальней области инфракрасного спектра с пиком интенсивности излучения в диапазоне длин волн 1,5-7,0 мкм.

Полное количество энергии, излучаемое в единицу времени единицей излучающей поверхности называют излучающей способностью, или удельной энергией излучения ИК-излучателя E, Вт/м². Энергия излучения зависит от длины волны λ, мкм и температуры излучающей поверхности T, °C и является интегральной характеристикой, поскольку учитывает энергию излучения всех длин волн данного спектрального диапазона излучения.

Излучающую способность, отнесенную к интервалу длин волн dλ называют интенсивностью излучения I, Вт/(м²•мкм).

Интегрирование выражения (1) позволяет определить удельную энергию излучения исходя из определенного расчетным, либо экспериментальным путем спектра интенсивности излучения I=f(λ) в диапазоне длин волн от λ₁ до λ₂.

На рисунке 3 представлены спектры интенсивности излучения ИК-излучателей марки НОМАКОН ИКН-101, полученные при различной номинальной электрической мощности излучателя, составляющей 1000 Вт, 650 Вт и 400 Вт. Излучатели имели унифицированный стандартный размер излучающей поверхности в плане, равный 245х60 мм.

Испытания были проведены в Институте физики НАН Беларуси. Спектры инфракрасного излучения измерялись на модернизированном спектроизмерительном комплексе СДЛ-2 (ЛОМО, г. Санкт-Петербург, СССР) с использованием монохроматора регистрации МДР-23. Расстояние от керамических излучателей до щели монохроматора составляло 500 мм. В качестве фотоприемника использовался модуль фирмы «ORIEL INSTRUMENTS» (США), чувствительность которого не зависела от длины волны излучения. С увеличением мощности излучателя и, соответственно, температуры излучающей поверхности возрастает интенсивность излучения, а спектр излучения сдвигается в область меньших длин волн (закон смещения Вина). При этом пик интенсивности излучения (не менее 80 % спектра) приходится на диапазон длин волн 1,5-6,0 мкм, что соответствует оптимальной для данного случая физике процесса инфракрасного обогрева и сушки.

Спектральный характер инфракрасного излучения, когда каждому диапазону длин волн соответствует определенное значение энергии излучения I=f(λ), может быть описан с помощью известного уравнения Планка в зависимости от абсолютной температуры излучающей поверхности T_abs1, °K, коэффициента излучения (степени черноты) излучающей поверхности ε₁ и текущей длины волны излучения λ_i, мкм

где C₁ = 0,374•10^-15 Вт•м², C₂ = 0,4388•10^-2 м•K — постоянные уравнения Планка.

Максимальное значение интенсивности излучения I_max1 , соответствующее длине волны λ_max1 может быть вычислено по формуле (3) и при этом само значение λ_max1 может быть определено по уравнению Вина

где b₀ = 2,898•10^-3 м•K — постоянная уравнения Вина.

Таким образом, определив для источника инфракрасного излучения значения ε₁ и T_abs1 при заданном режиме работы и рассчитав спектр интенсивности излучения I=f(λ) по формуле (3), возможно определить значение удельной энергии излучения E, Вт/м² на излучающей поверхности, интегрируя значения I в диапазоне длин волн от λ₁ до λ₂ согласно выражению (2).

Для инфракрасных керамических и кварцевых излучателей при температуре излучающей поверхности, не превышающей плюс 720-860 °С и степени черноты излучающей поверхности, равной ε₁ = 0,85-0,96 , т.е. близкой к абсолютно черному телу, процедура расчета удельной энергии излучения с достаточной точностью может быть выполнена по формуле Стефана-Больцмана, полученной путем интегрирования уравнения Планка в диапазоне длин волн излучения от 0 до ∞ :

где C₀ = 5,671•10^-15 Вт/(м²•K⁴) — постоянная уравнения Стефана-Больцмана.

На рисунке 4 представлены характеристики инфракрасного излучения для керамических излучателей марки НОМАКОН ИКН-101, полученные с применением выражений (3)-(5) при степени черноты излучающей поверхности ε₁ = 0,96 и температуре излучающей поверхности T_iz1 , °C которая соответствует электрической мощности излучателя P_iz1 , Вт согласно техническим характеристикам, представленным в таблице на странице сайта.

Рассчитанные значения удельной поверхностной энергии излучения Е_iz1 , Вт/см² и длины волны максимума спектральной интенсивности излучения λ_max1, мкм являются важными характеристиками для определения в дальнейшем режимов работы инфракрасных электрообогревателей.

Анализ распределения интенсивности излучения по длинам волн (см. рисунок 4) в широком диапазоне значений электрической мощности излучателей и температуры излучающей поверхности показывает, что основная энергия излучения генерируется в диапазоне длин волн 1,0-10 мкм и включает в различных пропорциях энергию ближнего (0,75-1,4 мкм), среднего (1,4-3 мкм) и дальнего (3-80 мкм) диапазонов излучения. При этом длины волн 0-1,0 мкм ближнего и 10-80 мкм дальнего диапазонов излучения не играют практической роли в процессе инфракрасного обогрева. Таким образом, применение данных излучателей обосновано для материалов, хорошо поглощающих излучение именно в диапазоне длин волн 1,0-10 мкм с максимумом поглощения на пике максимальной спектральной интенсивности излучения в диапазоне длин волн 1,5-7,0 мкм.

Характеристики излучающей способности керамических и кварцевых излучателей

Разработка методов инженерного расчета процессов инфракрасного обогрева имеет определяющее значение при проектировании оборудования для технологических процессов, а также для выбора электрообогревателей и систем обогрева для производственного и бытового отопления.

Представленные ниже методики основаны на детальном анализе излучающей способности разработанных нами керамических и кварцевых излучателей, на обобщении измеренных и рассчитанных их основных характеристик в зависимости от размера, формы и конструктивных особенностей поверхности излучения.

Принцип действия излучателей представлен на рисунке 5.

Керамические излучатели серий НОМАКОНтм ИКН-100, ИКН-200 и ИКН-300 устанавливаются в металлический корпус с рефлектором-отражателем. Кварцевые излучатели серии НОМАКОН ИКН-400 имеют собственный металлический корпус. Описание излучателей, а также их конструктивные и присоединительные размеры представлены на соответствующих страницах сайта.

В процессе разогрева поверхности излучения керамических излучателей, а также кварцевых трубок-эмиттеров кварцевых излучателей образуются потоки лучистого тепла, направленные, как наружу из нагревателя в окружающую среду, так и во внутрь нагревателя на рефлектор-отражатель и корпус.

Частично отражаясь от внутренних металлических поверхностей инфракрасные лучи опять возвращаются на излучающую поверхность, дополнительно разогревая ее и увеличивая поверхностную энергию излучения наружу E_iz1 . Частичное поглощение излучения вызывает разогрев отражателя и корпуса. Дополнительно отражатель и корпус нагревателя разогреваются изнутри конвективными потоками горячего воздуха, омывающего излучатель. Таким образом, при установившемся режиме обогрева потери тепловой энергии Q_p1 , Вт, т.е. той части энергии, которая не пошла на генерирование инфракрасного излучения, будут определяться тепловыми потерями в окружающую среду от разогретого корпуса нагревателя и тепловыми потерями с разогретым воздухом от излучателя. Одновременно на излучающую поверхность будет воздействовать имеющееся в окружающей среде инфракрасное излучение фона с удельной мощностью Е_os1 , Вт/м².

В установившемся режиме разогрева излучатель потребляет номинальную электрическую мощность P_iz1 , Вт и при этом уравнение сохранения энергии для нагревателя (энергетический баланс) примет вид:

где F_iz1 , м² – расчетная площадь поверхности излучения излучателя.

Расчетная площадь поверхности излучения

За расчетную площадь поверхности излучения керамических излучателей серии НОМАКОН ИКН-100, ИКН-200 и ИКН-300 принимается геометрическая площадь наружной поверхности керамических излучателей с которой в основном происходит генерирование лучистого тепла наружу из нагревателя в окружающую среду, а также на которую осуществляется основной прием фонового (отраженного) излучения из окружающей среды. Следует отметить, что залитая в керамику проволочная электрическая спираль разогрева располагается наиболее близко (на расстоянии 1,5-2 мм) от расчетной излучающей поверхности, отмеченной желтым цветом на рисунке 5.

За расчетную площадь поверхности излучения кварцевых излучателей серии НОМАКОНтм ИКН-400 принимается геометрическая площадь наружной поверхности кварцевых трубок-эмиттеров с которой в основном происходит генерирование лучистого тепла наружу из нагревателя в окружающую среду, а также на которую осуществляется основной прием фонового (отраженного) излучения из окружающей среды. При этом учитывается поверхность только тех трубок, в которых установлена проволочная электрическая спираль разогрева. Расчетная поверхность излучения излучателей серии ИКН-400 отмечена желтым цветом на рисунке 5.

Расчетные значения поверхности излучения для всех серий и типоразмеров излучателей приведены в таблицах «Технические характеристики» на соответствующих страницах сайта.

Удельная потребляемая электрическая мощность

Так как поверхность излучения и разогревающая электрическая спираль конструктивно связаны между собой, то возможно предположить, что для излучателей ИКН одной конструкции (серии), но разных типоразмеров (марок) режимы разогрева и генерирования инфракрасного излучения будут идентичны при условии равенства потребляемой электрической мощности на единицу поверхности излучения. Выражение для расчета удельной потребляемой электрической мощности P_уд1 , Вт/м² примет вид:

На станицах излучателей одной серии приведены универсальные графики их разогрева в зависимости от потребляемой удельной электрической мощности.

Температура излучающей поверхности

Является определяемым параметром при расчете режимов инфракрасного обогрева. В таблицах «Технические характеристики» на страницах излучателей приведены измеренные значения температуры излучающей поверхности T_iz1 , °C в зависимости от номинальной электрической мощности излучателей P_iz1 , Вт, или удельной потребляемой электрической мощности P_уд1 , Вт/м².

Измерения температуры излучающей поверхности излучателей ИКН проводились двумя методами. 

• Контактный метод позволил с помощью жестко закрепленных на поверхности излучения термоэлектродных микродатчиков температуры (термопара ТХА(К) с диаметром измерительного спая 0,5 мм) производить непрерывную запись кривых разогрева и охлаждения (см. рисунок 6).
• Бесконтактный пирометрический метод измерения температуры излучающей поверхности по ее тепловому излучению применялся в установившемся режиме с целью определения коэффициента излучения (степени черноты) излучающей поверхности ε₁

Для удобства выбора электрической мощности излучателей на страницах сайта приведены графики зависимости температуры излучающей поверхности от номинальной потребляемой электрической мощности для различных типоразмеров излучателей в пределах одной серии (см. рисунок 7).

Коэффициент излучения (или степень черноты) ε₁ показывает отношение энергии теплового излучения «серого тела» согласно Закону Стефана Больцмана, к излучению «абсолютно черного тела (АЧТ)» при той же температуре. Коэффициент излучения абсолютно черного тела ε_АЧТ = 1 . На основании полученных результатов измерений в широком диапазоне температуры поверхности излучения с достаточной для инженерных расчетов точностью возможно принять: для инфракрасных керамических излучателей серии НОМАКОН ИКН-100, ИКН-200 и ИКН-300 коэффициент излучения ε₁ — 0,96 , для инфракрасных кварцевых излучателей серии НОМАКОН ИКН-400 коэффициент излучения ε₁ — 0,85 .

В системах инфракрасного нагрева для расчета температуры излучающей поверхности (или температуры излучателей) применяется закон Кирхгофа для теплового потока, поглощаемого материалом при разогреве. На основании энергетического баланса излучателей (см. выражение 6) возможно записать

где E_m1 , Вт/м² — удельная энергия излучения, поглощаемая единицей поверхности материала в единицу времени, E_os1 , Вт/м² – удельная энергия излучения поверхности материала, имеющая среднюю температуру при нагреве T_m1 , °C. По закону Кирхгофа

где T_iz1 и T_m1 – абсолютные температуры излучателя и материала в °K, C₀ = 5,671 Вт/(м²•K⁴) — постоянная уравнения Стефана-Больцмана (см. выражение 5), ε₀ — приведенный коэффициент излучения системы разогрева «излучатель – материал».

Выражение для расчета ε₀ имеет вид

где ε₁ и ε₂ — соответственно, коэффициенты излучения поверхности излучателя и поверхности материала.

Определив значение E_m1 на основании теплового баланса разогреваемого материала возможно рассчитать необходимую температуру излучателей из выражения (9):

Удельная поверхностная энергия излучения

Определяет осредненную по расчетной поверхности излучения излучателя F_iz1 , см² генерируемую удельную лучевую энергию E_iz1 , Вт/см², рассчитанную по температуре излучающей поверхности T_iz1 по формуле (5).

На страницах излучателей в таблицах «Технические характеристики» приведены значения удельной поверхностной энергии излучения в зависимости от температуры излучающей поверхности T_iz1 , °C.

Длина волны максимума интенсивности излучения и эффективный диапазон длин волн излучения

Длина волны максимума интенсивности λ_max1, мкм определяет положение максимума (пика) спектральной интенсивности излучения I_max1 на графике I=f(λ) (см. рисунок 4) и рассчитывается по уравнению Вина (4). Согласно закону смещения Вина с увеличением температуры излучающей поверхности возрастают значения интенсивности излучения, а спектр излучения и, соответственно, значение λ_max1 сдвигаются в область меньших длин волн излучения.

Расчет эффективного диапазона длин волн излучения для заданной температуры излучающей поверхности производим при условии, что удельная энергия излучения внутри заданного диапазона длин волн должна составлять 80% от энергии излучения, рассчитанной по уравнению Стефана-Больцмана (5) для диапазона длин волн от 0 до ∞ и при этом значения интенсивности излучения I_λ1 и I_λ2 на границах диапазона волн λ1 и λ2 должны быть равны. Таким образом, мы исключаем в инженерных расчетах часть ближнего и дальнего диапазонов излучения с относительно низкой интенсивностью, незначительно влияющей на режим инфракрасного обогрева, и считаем, что при проектировании систем инфракрасного обогрева именно эффективный диапазон длин волн излучения по возможности должен перекрывать область спектра максимального поглощения разогреваемого материала.

Практика проектирования и испытания устройств лучевого разогрева показывает, что учет в расчетах именно эффективной энергии излучения E_ef1 , Вт/см² дает наиболее близкие к экспериментам результаты, особенно для систем скоростного инфракрасного разогрева в режиме термошока.

На рисунке 8 показан эффективный диапазона длин волн излучения для керамических излучателей ИКН-101 с электрической мощностью P_iz1 = 1000 Вт при температуре излучающей поверхности T_iz1 = 720 °C, полученный путем численного решения системы уравнений (12) относительно λ1 и λ2

где E_ef1, Вт/см² — удельная эффективная энергия излучения, соответствующая диапазону длин волн от λ1 и λ2;
I(λ), (Вт/(м²•мкм) – текущая спектральная интенсивность излучения, рассчитанная по формуле (3);
k_ef1 = 0,8 — принятый коэффициент эффективности (80 % от общей энергии излучения).

Коэффициент эмиссии электрической энергии в энергию излучения (лучевой к.п.д.)

При обогреве с помощью инфракрасных керамических и кварцевых излучателей ИКН электрическая энергия преобразуется в энергию теплового излучения, т.е. непосредственно в полезную энергию теплового обогрева, а также частично теряется в виде тепловых потерь в окружающую среду с воздухом, разогретым от корпуса нагревателя и от излучателей (см. энергетический баланс излучателей ИКН на рисунке 5). Чем больше будет доля энергии направленного инфракрасного излучения в общем потреблении электроэнергии нагревателя, тем эффективнее будет обогрев с точки зрения экономии электроэнергии на инфракрасное отопление.

Таким образом, сравнить эффективность различных устройств инфракрасного обогрева возможно по такому важному показателю, как коэффициент эмиссии электрической энергии в энергию излучения или лучевой коэффициент полезного действия (лучевой КПД) η_em1, рассчитываемый, как отношение генерируемой направленной энергии излучения к общей потребляемой электрической энергии излучателем P_iz1 при установившемся режиме разогрева с температурой излучающей поверхности T_iz1. На основании уравнения сохранения энергии для излучателя (6) выражение для расчета η_em1 примет вид:

При обогреве помещений значение попадающей на излучатель энергии излучения пола и стен помещения в сумме с отраженной от них лучистой энергией обогрева составляет не более E_os1 = 20-35•Вт/м², что является совершенно незначительным количеством по сравнению с поверхностной энергией излучения E_iz1 = 35000-52000•Вт/м². Таким образом, для расчета η_em1 в данном случае значением E_os1 можно пренебречь. Если при этом выразить потребляемую электроэнергию P_iz1 через удельную потребляемую электрическую мощность P_уд1 (см. формулу 7), то выражение (13) для η_em1 примет вид:

Значения удельной потребляемой электрической мощности (или электрической мощности на единицу излучающей поверхности) P_уд1 , Вт/cм² и значения удельной поверхностной энергии излучения E_iz1 , Вт/cм², , рассчитанные для измеренных соответствующих температур излучающей поверхности T_iz1, приведены в таблицах «Технические характеристики» на страницах излучателей. Рассчитанные по формуле (14) сравнительные значения лучевого к.п.д. η_em1 для керамических и кварцевых излучателей марки НОМАКОНТМ ИКН-101 и ИКН-401 приведены на рисунке 9.

Следует отметить, что конструктивно приведенные характеристики F_iz1, P_уд1 и T_iz1 керамического излучателя ИКН-101 и кварцевого излучателя ИКН-401 достаточно близки. Расхождения в величинах лучевого КПД связаны, в основном, с более низким значением коэффициента излучения (степени черноты) пучка кварцевых трубок (ε₁=0,85 для ИКН-401) по сравнению с покрытием керамических элементов (ε₁=0,96 для ИКН-101).

Изменение характеристик инфракрасного излучения на различном расстоянии от излучающей поверхности

Следует отметить, что на характеристики распределения лучевого тепла от излучателей в пространстве существенное влияние оказывает конструкция рефлектора-отражателя, а также взаимное расположение излучателей в плоскости зоны излучения нагревателя.

Для расчета удельной мощности инфракрасного излучения на различном расстоянии от излучающей поверхности по направлению нормали к данной поверхности E_n1 = f(L_n1), Вт/м² воспользуемся законом обратных квадратов для электромагнитного излучения.
Применительно к конструкции инфракрасного электронагревателя НОМАКОН ЭИУС-211 с инфракрасным керамическим излучателем ИКН-101 возможно записать:

где E_ot1, Вт/м² — удельная мощность излучения, приведенная к площади рефлектора-отражателя нагревателя;
L_n1, м – текущее значение расстояния от поверхности излучения по нормали к данной поверхности;
α₁, град. — объемный угол раскрытия лучевого потока на выходе из рефлектора-отражателя;
R₁,м — приведенный радиус лучевого потока на выходе из рефлектора-отражателя.

Если принять размеры рефлектора-отражателя в плане: длина L_ot1 = 250 мм, ширина B_ot1 = 100 мм, то выражения для расчета E_ot1 и R₁ примут вид:

Объемный угол раскрытия лучевого потока на выходе из рефлектора-отражателя α₁ определялся экспериментально путем измерения распределения удельной мощности излучения E_n1 по нормали на различном расстоянии L_n1 от поверхности излучения. Измерялось также распределение удельной мощности излучения по радиусу в плоскости с приведенным радиусом лучевого потока R_s1, перпендикулярной нормали и расположенной на расстоянии L_n1 = 200, 300, 400 и 500 мм от поверхности излучения. Измерения проводились неселективным радиометром АРГУС-03 с выносным термоэлементом-приемником излучения, определяющим среднюю удельную мощность в спектральном диапазоне длин волн от 0,5 до 20 мкм. Испытания проводились для электрообогревателя ЭИУС-211, установленного горизонтально с направлением излучения вертикально вниз, с применением излучателей ИКН-101 электрической мощностью 1000, 500 и 250 Вт.

Обработка эпюр распределения удельной мощности излучения на различных расстояниях от поверхности излучения (см. рисунок 10) позволила рассчитать среднестатистическое значение угла раскрытия лучевого потока для рефлектора-отражателя обогревателя ЭИУС-211 α₁=68-72°.

На рисунке 11 представлены графики распределения удельной мощности излучения по нормали к излучающей поверхности с расчетными значениями E_n1ras в точках измерений L_n1 при заданном значении угла раскрытия лучевого потока α₁=68°. Точками E_n1izm отмечены данные измерений удельной мощности излучения радиометром.

Режимы работы нагревателя соответствовали значениям P_iz1, T_iz1 и E_iz1, которые представлены под соответствующими графиками.