0

Miért az infravörös?

Az infravörössel történő fűtésről

Elvek, Definíciók és Vonatkozó Törvények

Az infravörössel történő (IR) fűtés egy egzakt és mérhető tudomány. Saját történettel és terminológiával rendelkezik; kereteit és határait számos általános érvényű tudományos és fizikai törvény szabja meg. Miközben ezen elveket törvényeknek tartjuk, szintúgy körvonalazzuk, hogy melyek az IR technológia főbb alkalmazásai, illetve alkalmazására mily módon kerül sor napjainkban.

Kezdve a legalapvetőbbekkel; tudnunk kell, hogy az IR hő tárgyak közötti hőmérséklet különbözet során termelődik. Bármely olyan tárgy, melynek hőmérséklete meghaladja a 0 K-t (azaz -273.15°C-t), az infravörös energiát sugároz; és mikor az egyik test melegebb, mint egy másik, akkor az IR energia a melegebb testből a hidegebbe fog átáramolni. A tárgyak felülete kulcsszerepet játszik mind az IR energia kibocsátása, mind a kibocsátott energia elnyelésének vonatkozásában.

Hol jelenik meg az infravörös az elektromágneses spektrumon?

Where infrared appears on the electromagnetic spectrum

Mivel nagyon sok hasonlóságot mutat a Nap sugárzásával, néha köznyelvileg úgy is le szokták írni ezen jelenséget, mint „világítás nélküli napfényt”. Az IR energia fizikája hasonló a fényéhez – ez megint egy másik naphoz hasonló jellemvonás. Azonban az IR spektrum lentebb helyezkedik el, mely okán az emberi szem számára nem látható. Leginkább tehát úgy kell tekintenünk az infravörös hőre, mint egyfajta energiasugárzásra.

A tudományos meghatározás szerint viszont, az IR hő elektromágneses sugárzás hulláma. Ipari célokra az IR hullámokat három fő közvetítési formában hasznosítják:

Rövidhullám (0.78 – 1.4 μm)
Közepeshullám (1.4 – 3 μm)
Hosszúhullám (3 – 1000 μm)

About infrared heat

A fűtés és a hőátvitel fő elvei –nem IR alapon

A hő úgy definiálható, mint hőmérséklet különbözetnek köszönhetően átadott energia. Mivel a hő csak egy irányú mozgást végez, azaz a magasabb hőmérsékletű helyről az alacsonyabb hőmérsékletű területre áramlik, természetszerű, hogy a hőenergia addig fog az egyik helyről a másik irányába áramolni, míg mindkét helyen egyforma nem lesz a hőmérséklet.

A hő mérésére szolgáló definíciók

A hő egy energiaforma és vagy Joules-ban (J) vagy British Thermal Units (BTUs) egységben is mérhető. A Joule egy SI mértékegység és leggyakrabban ezt alkalmazzák ezen a szektoron belül. A BTUs főképpen amerikai meghatározás neve ellenére. A kalória (cal) ritkán használatos az IR szektor berkeiben.

A hő erejét Watt-ban (W) szokták mérni és úgy lehet definiálni, mint 1 Joule per szekundum.

A Hő Fluxus (Φq)  úgy definiálható, mint hőerő per egységnyi terület és az itt mért egységek a következők lehetnek: vagy W/m2 vagy W/cm2.

A hőmérséklet mérésére szolgáló definíciók

A hőmérsékletet különböző skálákon lehet mérni, melyek közül az iparágban a legelterjedtebb a Celsius Fok (°C). Azonban a Kelvin (K) egy tudományosabb egység, mely abszolút fokbeosztással rendelkezik; miközben a Fahrenheit (°F) főképp az USA-ban bevett mértékegység.

About infrared heat

A hőátvitel típusai

A hőátvitelnek három fő metódusa létezik: vezetés, konvekció (áramoltatás), sugárzás.

About infrared heat

A konduktív (vezető) hő egy közvetlen hőátvitelt jelent két fizikai tárgy/ test között.

 

A ‘k szimbólum arra szolgál, hogy megmutassa, különböző anyagok mennyire jól képesek vezetni a hőt. Az, hogy mekkora hőmennyiség vezethető át egy adott felületen attól függ, hogy mekkora a hőmérséklet különbség; valamint függ az adott felszín területétől, az anyag hővezetőképességétől és az anyag vastagságától is egyaránt.

About infrared heatKonvekciós hő átadása akkor következik be, mikor cseppfolyós anyagok (folyadékok és gázok) mozognak.  Amikor egy folyékony anyag felmelegszik, tágulni kezd és sűrűsége csökkenésnek indul. A konvekciós áramlás úgy jön létre, hogy a meleg folyadék emelkedésnek indul, míg a hideg elkezd apadni. A hőenergia szállításáról a részecskék gondoskodnak ezekben, az egyik helyről a másikra áramló mozgási folyamatokban. Az áramoltatás lehet szabad konvekció, mely esetén a körülvevő cseppfolyós anyag (folyadék vagy gáz) kerül felhasználásra; avagy alkalmazhatunk mesterséges konvekciót is, mely során pumpa vagy fúvókészülék kerül bevonásra.

About infrared heat

Az áramoltatással járó hő a felszíni területtől függ. Amennyiben a folyadékkal kapcsolatba lépő felület nő, a hőátadás mértéke is nőni fog. Ez az, ami miatt szinte minden konvencionális eszköz rendelkezik bordázattal. Így garantálható ugyanis a hatékony működés és átvitel.

A Sugárzó hőátvitel nem fizikai kontaktuson alapul.  Ennél fogva nincs szükség közvetítő közegre sem ahhoz, hogy a hőátvitel megtörténjen. A sugárzás elektromágneses hullámok segítségével bekövetkező hőátvitel (beleértve a fényt), mely létrejöttére a tárgyak hőmérséklete miatt kerül sor. Minél magasabb egy adott tárgy hőmérséklete, annál nagyobb az általa kibocsátott hőkisugárzás.

A sugárzási hő átadására akkor kerül sor, amikor a kibocsátott sugárzás behatol egy másik testbe és a hőt ez a test elnyeli.

Az IR fűtés és hőátvitel kulcs elemei

Ahogyan már említettük, az infravörös sugárzás egy elektromos hullám, mely nem igényli semmilyen közvetítő közeg bevonását ahhoz, hogy a hőátadás megtörténhessen. Az infravörös (vörös alattit jelent latinul) elektromágneses hullámhosszának skálája 0.78 μm-től 1000 μm-ig (1 mm) terjed. A rövidebb hullámhosszok sugárzása erőteljesebb és több hőenergiát tartalmaz. A lenti diagram a frekvencia és a hullámhossz közti viszonyrendszert mutatja be:

About infrared heat

Az infravörös sugárzás elektromágneses hullámokat használ, melyek fénysebességgel közlekednek.

A Hő sugárzására minden tárgy esetében sor kerül, amennyiben annak hőmérséklete a 0 K (273.15°C) hőmérséklet fölött található.

A sugárzó hő átadására akkor kerül sor, mikor a kibocsátott elektromágneses hullámok elnyelésre kerülnek.

A sugárzás kibocsátása

Elméletben, az IR sugárzás minden irányba tart. Az infravörös sugárzókat ennél fogva úgy kell tervezni valamint kialakítani, hogy kövessék a láthatóság vonalát, más néven a view factor elvét. A Vf- View factor 0 és 1 közötti tartományba kalibrálja a sugárzást, és a sugárzás azon energiaértékét határozza meg, mely a céltárgyat azután éri el, hogy a leadó test a sugárzást kibocsátotta.

A view factor jobb, ha az 1 értékhez közelebb áll, mert így reflektorok, illetve hőtovábbító eszközök tovább tudják javítani a láthatósági arányt.

A sugárzás elnyelése

Az összes infravörös kibocsátásra az igaz, hogy vagy visszaverődnek, vagy elnyelésre vagy továbbadásra kerülnek. Egyszerű és aritmetikai viszony áll fenn ezen három tényező vonatkozásában, melyeknek végösszege 1-et vagy 100%-ot képez. Ezek összességét egy ’fekete test’ határolja, mely egy olyan idealizált fizikai entitás, amely minden elektromágneses sugárzást képes elnyelni.

About infrared heatAbout infrared heat

Teljes sugárzás= Visszaverődés + Elnyelés + Továbbadás

Az infravörös fűtéssel kapcsolatos alapvető törvények

Ahogy az IR fűtés az idő előrehaladtával fejlődésnek indult, úgy bontakozott ki az alapvető tudományos háttér is, mely alapul szolgál a hőátadás gyakorlati működtetéséhez. Három fő törvény alkalmazandó ezen vonatkozásban:

Stefan-Boltzmann Törvény: Meghatározott hőmérséklet esetén megadja, hogy mekkora az IR hőforrásból érkező kisugárzás erejének nagysága.

Planck-féle Törvénye: Egy feketetest forrásból érkező sugárzás spektrális (színkép) eloszlását adja meg, mely 100%-os sugárzást bocsát ki egy meghatározott hőmérséklet esetén.

Wien-féle Törvénye: Planck Törvényéből fakadóan olyan irányú feltevést fogalmaz meg, hogy melyik lenne az a hullámhossz, amely esetén a feketetest által kibocsátott spektrális eloszlás maximumát el lehetne érni.

A Steffan-Boltzmann Törvény elsődlegesen az infravörös kisugárzással kapcsolatos. Olyan energiakisugárzást segít kiszámolni, mely infravörös forrásból ered. Ezen számítás alapjául a tárgy felszínének hőmérséklete, valamint a fekete test tényezője szolgál. Egy tökéletes feketetest egyes faktorszámmal rendelkezik, miközben egyéb anyagok változó faktorszámmal bírnak (lásd a lenti táblázatot). Amikor normál anyagok kibocsátását vesszük szemügyre a Stefan-Boltzmann törvény a következőkép alakul:

About infrared heat

A hő sugárzásról szóló Kirchhoff törvény definíciója értelmében, bármely tetszőleges test vonatkozásában, mely hősugárzást kibocsájt, illetve elnyel; a kibocsájtás volumene megegyezik az elnyelésével. Ez azt jelenti, hogy a sugárzóképesség volumenének meghatározása azért hasznos, mert ezen keresztül megkaphatjuk, hogy egy felület mennyi energiát bocsájt ki, illetőleg mennyit képes elnyelni.

Különböző felületek emissziós táblázata

Polírozott alumínium 0.09 Polírozott sárgaréz 0.03 Polírozott bronz 0.10
Szén ( gyertya korom ) 0.95 Kerámia (zománcos porcelán) 0.92 Polírozott króm 0.10
Beton 0.85 Polírozott vörösréz 0.02 Oxidált vörösréz 0.65
Üveg – olvasztott kvarc 0.75 Polírozott vas 0.21 Rozsdás vas 0.65
Műanyag, átlátszatlan (opálos) 0.95 Polírozott ezüst 0.05 Polírozott rozsdamentes acél 0.16
Oxidált rozsdamentes 0.83 Víz 0.96

About infrared heat

Ezen törvény használatával képesek vagyunk  a két kibocsátó T1 és T2 felszín között végbemenő nettó hőátadás mértékét kiszámítani. Mivel mindkettő energiát bocsát ki, így a nettó erőátvitelt a két kibocsátó által közvetített outputok közötti különbség adja meg.

About infrared heat

Planck Törvénye a feketetest által kibocsátott elektromágneses sugárzás mértékét hőegyensúlyi helyzetben meghatározott hőmérséklet esetén írja le. Max Planck, német fizikus, után került elnevezésre, aki 1900-ban állította fel ezen tézisét.

About infrared heat

Amikor különböző fűtő (kibocsájtó) hőmérsékleteket grafikusan ábrázolunk, Planck törvénye az alábbiakat határozza meg:

  1. Azon frekvenciák skáláját, melyek viszonylatában infravörös hőenergia termelődik
  2. Adott hullámhosszokhoz mekkora kibocsájtási erősség párosul

Alul megtalálhatja a Plank törvényéhez kapcsolódó magyarázó lábjegyzeteket.

Wien-féle eltolódási törvénye

Wien törvénye a Plank törvényét követi és azon hullámhosszt irányozza elő, amely esetén a feketetest által kibocsájtott sugárzás spektrális eloszlása eléri maximális pontját.

About infrared heat

Egy tökéletes feketetest olyan felszínnel rendelkezik, melyről nem verődik vissza semmi és teljesen elnyeli a hősugárzást. Az energia vs. hullámhossz grafikon, mely tökéletes fekete testre vonatkozik, az úgynevezett feketetest spektrumot mutatja (lásd lenti diagram). Fontos megjegyezni, hogy a pöttyözött piros színű vonalat úgy kapjuk meg, ha minden, Planck eloszlása szerinti hőmérsékleti görbe esetén a maximum pontokat összekötjük.

About infrared heat

Mivel a hőmérséklet emelkedik, a hősugárzás rövidebb hullámhosszokat generál, valamint magasabb energiájú fényt is. A lenti grafikonból látható, hogy egy izzó miképpen termel bizonyos energiamennyiség(ek)et, melyből csupán egy rész tartozik a látható spektrumba. Mivel a hőmérséklet emelkedik, a csúcs hullámhossz annál rövidebbé válik, minél nagyobb mennyiségű sugárzott energia keletkezik.

A grafikon szintén megmutatja, hogy egy kőzet szobahőmérsékleten nem fog fényesen izzani, mivel az 20 °C-os görbe esetén nem esik bele a látható spektrumba. Ahogyan azonban a tárgyak melegedésnek indulnak, úgy kezdenek el szemmel látható fényt kibocsájtani, illetve izzani. 600°C-os hőmérsékleten a tárgyak tompa vörös fénnyel izzanak. 1000°C esetén a szín sárgás-narancssárgásra változik, majd 1500°C-hoz érve fehérre vált.

About infrared heat

Két másik tudományos törvény szolgáltat felvilágosítást azzal kapcsolatban, hogy milyen gyakorlati alkalmazásai lehetnek az infravörös hőnek. Ezek az Inverz Négyzetes Törvény, valamint a Lambert-féle Koszinusz törvény.

Az inverz négyzetes törvény megmagyarázza az IR forrás és annak tárgya közti, sugárzási energiával kapcsolatos viszonyát; azaz leírja, hogy az intenzitás per egységnyi terület fordított arányosságban áll a távolság négyzetével. Mindazonáltal az inverz négyzetes törvény kevésbé mutatkozik meg a gyakorlatban, ha nagy kiterjedésű olyan párhuzamos felszínekre vonatkoztatjuk, mint például fűtött fémlapok vagy kemence rendszerek.

A Lambert féle Koszinusz törvény lehetővé teszi olyan esetben az infravörös intenzitás kiszámítását, amikor a sugárzás nem közvetlenül a céltestet veszi célba, hanem csupán csak egy bizonyos szögben éri azt. Ez a törvény főképp kisméretű forrásokra vonatkoztatható; melyekre igaz, hogy relatív nagy távokat kell, hogy besugározzanak.

About infrared heat

Az ipari léptékben használt infravörös sugárzóknak általában van hasznosítható csúcskibocsátással rendelkező hullámhossza a 0,7-től 10 μm–ig terjedő skálán. Ezen tartományban három alosztály lelhető fel: a hosszú, a közepes hosszúságú illetve a rövid hullámok.

About infrared heat

A hosszú hullámhosszal rendelkező sugárzók, – melyeket távoli infravörös sugárzóknak (FIR-nek) is neveznek – csúcskibocsátási tartománya a 3-10 μm közötti szegmensbe tehető. Ezen tartomány általában az olyan kerámia elemeknek felel meg, melyek magas hőmérsékletnek ellenálló ötvözet tekercsekkel rendelkeznek, melyek vagy szilárd vagy üreges felépítésű erőteljesen sugárzó kerámiatestbe kerülnek beágyazásra.  A kerámiaalapú sugárzók gyártására számos ipari szabvány szerinti méretben kerül sor, mely során a sugárzó felület kialakítása lehet vagy lapos vagy hajlított (teknőszerű) is egyaránt.

Rövidebb csúcskibocsátású hullámhosszokat úgy lehet elérni, hogy olyan sugárzási forrásokat használunk, melyek magasabb felületi hőmérséklettel rendelkeznek. A kvarc kazetta típusú sugárzók épp úgy elérhetőek különböző ipari szabvány szerint kialakított méretekben, mint a kerámiaalapúak. Ezen sugárzók olyan áttetsző kvarccsövek kötegéből állnak, melyeket polírozott alumíniumos acélburkolatba építenek bele. Ezen kibocsátó testek képesek magasabb frontális felületi hőmérséklettel is működni; az általuk kisugárzott hullám hossza a hosszú illetve a középhosszú tartományba esik.

A közepes hullámhossz tartomány rövidebb végén található a kvarc volfrámos sugárzó, mely olyan lezárt lineáris tiszta kvarc csőből áll, amely egy csillagos tervezésű volfrám tekercset tartalmaz. A volfrám tekercs gyors válaszadási idővel bír alacsony hőtermikus tehetetlenség (inercia) esetén.

A rövid hullámhosszal rendelkező kvarc halogén skála a gyors-közepes hullámhosszal bíró volfrámos sugárzóhoz hasonló szerkezetű, azzal a kivétellel, hogy itt kerek volfrám tekercs kerül alkalmazásra, valamint halogén gázzal történik a kvarc csövek feltöltése. A magasabb tekercs hőmérsékletnek fehér fény generálás lesz az eredménye, valamint így realizálható a rövid hullámhossz tartományban elérhető maximális kibocsátású hullámhossz is.

A Planck-féle törvényre vonatkozó magyarázó jegyzetek

A Planck-féle törvény kimondja, hogy amint bármely sugárzó felület hőmérséklete emelkedésnek indul, úgy egyre több energia szabadul fel infravörös energiaként. Minél magasabb az adott tárgy hőmérséklete, annál nagyobb az infravörös energia termelődésének mértéke. Amellett, hogy egyre erőteljesebbé válik az energiakibocsátás; a sugárzott frekvenciák szélesebbé válnak és a csúcs hullámhosszok is rövidülnek.

Nagyon magas hőmérséklet esetén, nem csak infravörös, hanem néhány rövidebb hullámhosszú látható fény is keletkezik. Először ez tompa vörös színű izzás formájában manifesztálódik; majd narancsszínűre, utána citromsárgára, végül pedig fehérre vált. A (lenti) 1-es ábra a Planck-törvénye szerinti tipikus görbéket mutatja be különböző hőmérsékletek esetén 1050°C-tól 50°C-ig terjedő skálán.

About infrared heat
Figure 1: Infrared distribution for various emitter temperatures from 1050°C to 50°C

A rózsaszínű, 1050 °C-ra vonatkozó görbe mutatja a legerőteljesebb teljesítményt. Ábrázolása szerint a legmagasabb volumenű teljesítmény csúcsa 2,5 mikronnál található. Ezt a 850°C-os görbe követi, amely esetén a termelt maximális energia az 1150 °C-on termelthez képest kevesebb, mint a fele.

Ahogyan a hőmérséklet csökkenésnek indul, úgy esik az energia szint is és a maximális energia hullámhossz is átkerül a hosszú hullámhossz tartományába. A legalacsonyabb hőmérséklettel rendelkező görbék (250°C, 100°C, és 50°C esetén) már-már nem is láthatóak a grafikonon, de amikor kinagyítjuk az ábrát, hogy ezeket az alacsony hőmérsékletű görbéket is megtekintsük, jobban érzékelhetjük, hogy valóban megtörténik a hosszú hullámhosszra való átváltás. Mindamellett észrevehető az is, hogy az energia intenzitás számottevően csökken.

Ezt a (lenti) 2-es ábrán figyelhetjük meg. 250°C esetén a kék színű görbe hozzávetőleges csúcsa 6 mikronra tehető, miközben 100°C-osnál a maximális hullámhossz nagyjából 7,5 mikron. Érdemes megjegyezni, hogy a hullámhosszok eloszlása sokkal egyenletesebben történik, és nem mutat annyira koncentrált szoros maximumokat, mint ahogyan az a magas hőmérsékletek esetén igaz.

About infrared heat
Figure 2: Close up of infrared distribution for various emitter temperatures from 350°C to 50°C

Ha ezen ábrát ismételten felnagyítjuk és csak az alacsony hőmérsékletekre fókuszálunk – ez látható a (lenti) 3-as ábrán – akkor azt láthatjuk, hogy 50 és 25°C esetén a maximális hullámhossz 9 illetve 10 mikronra tehető.

About infrared heat
Figure 3: Close up of infrared distribution for various emitter temperatures from 100°C to 25°C

Összegzés

A Planck-féle törvény hőegyensúlyi állapotban, meghatározott hőmérsékleten egy feketetest kibocsátott elektromágneses sugárzását írja le. Amikor grafikusan ábrázoljuk a különböző fűtési (sugárzó) hőmérsékleteket, a törvény a következőket tételezi fel:

  1. Különböző frekvenciatartományok skáláját, melyeknél energia – köztük infravörös hő is – termelődik
  2. Az adott hullámhosszhoz mekkora sugárzási erő párosul

Amikor egy bizonyos infravörös sugárzót egy adott fűtési feladathoz választunk, nagyon fontos a céltárgy anyagának abszorpciós tulajdonságait szem előtt tartani. Ideális esetben, a kibocsátott infravörös frekvenciák és a céltárgy anyagának abszorpciós frekvenciái egyezőséget kell, hogy mutassanak, annak érdekében, hogy a hőátvitel a lehető leghatékonyabb legyen.

Azonban, ahogy az már a korábbi ábrákból is kiderült, hosszabb hullámhosszok esetén az átadott energia szintje alacsonyabb lesz, mely a sugárzó alacsonyabb hőmérsékletből fakad. Következésképpen a fűtési idők meghosszabbodnak.  Minél rövidebb a hullámhossz, annál nagyobb a sugárzó hőmérséklete és ennek folyományaképpen a rendelkezésre álló infravörös erő is sebesen növekszik.

Infravörös fűtési megoldásra van szüksége?

Kérje árajánlatunkat az alábbi elérhetőségeinken.

Hírlevél feliratkozás



Hírlevél feliratkozás

Email*
Név*
 

Bejelentkezés

Signup

Register