Infrarood verwarming
Geschiedenis [ bewerken ]
De Duits-Britse astronoom Sir William Herschel wordt gecrediteerd voor de ontdekking van infrarood in 1800. Hij maakte een instrument dat een spectrometer wordt genoemd om de magnitude van stralingskracht op verschillende golflengten te meten. Dit instrument is gemaakt van drie stukken. De eerste was een prisma om het zonlicht te vangen en de kleuren naar beneden op een tafel te dirigeren, de tweede was een klein paneel van karton met een gleuf die zo breed was dat slechts een enkele kleur er doorheen kon en uiteindelijk drie kwik-in glazen thermometers . Door zijn experiment ontdekte Herschel dat rood licht de hoogste graad van temperatuurverandering in het lichtspectrum had, infraroodverwarming werd echter niet vaak gebruikt tot de Tweede Wereldoorlog . Tijdens de Tweede Wereldoorlog werd infrarood verwarming op grotere schaal gebruikt en herkend. De belangrijkste toepassingen waren op het gebied van metaalafwerking, met name bij het uitharden en drogen van verven en lakken op militair materieel. Banken met lampen werden met succes gebruikt, maar volgens de huidige normen waren de vermogensintensiteiten erg laag. De techniek bood veel snellere droogtijden dan de brandstofconvectieovens van die tijd. Productieknelpunten werden beperkt en militaire leveranties aan de strijdkrachten werden gehandhaafd. Na de Tweede Wereldoorlog ging de adoptie van infrarood verwarmingstechnieken door, maar op een veel langzamere basis. In het midden van de jaren vijftig begon de motorvoertuigenindustrie belangstelling te tonen voor de mogelijkheden van infrarood voor het uitharden van verf en een aantal productielijnen voor infraroodtunnels werd in gebruik genomen. [
Elementen [ Bewerken ]
Het meest gebruikte filamentmateriaal voor elektrische infraroodverwarmers is wolfraamdraad , dat wordt opgerold om meer oppervlakte te bieden. Alternatieven voor lage temperaturen voor wolfraam zijn koolstof of legeringen van ijzer, chroom en aluminium (handelsmerk en merknaam Kanthal ). Hoewel koolstoffilamenten wispelturiger zijn om te produceren, worden ze veel sneller opgewarmd dan een vergelijkbaar middelgroot verwarmingselement op basis van een FeCrAl-gloeidraad.
Wanneer licht ongewenst of niet noodzakelijk is in een verwarmer, hebben keramische infraroodstralers de voorkeur. Ze bevatten 8 meter weerstandsdraad met opgerolde legering en stralen een uniforme warmte uit over het gehele oppervlak van de verwarmer en het keramiek is voor 90% absorberend voor de straling. Omdat absorptie en emissie zijn gebaseerd op dezelfde fysieke oorzaken in elk lichaam, is keramiek bij uitstek geschikt als materiaal voor infraroodverwarmers.
Industriële infraroodstralers gebruiken soms een gouden coating op de kwartsbuis die de infrarode straling reflecteert en richt deze naar het te verwarmen product. Dientengevolge is de infrarode straling die op het product valt praktisch verdubbeld. Goud wordt gebruikt vanwege de oxidatieweerstand en de zeer hoge IR-reflectie van ongeveer 95%. [4]
Typen [ bewerken ]
Infraroodstralers worden vaak gebruikt in infraroodmodules (of emitterbanken) die verschillende verwarmingselementen combineren om grotere verwarmde gebieden te bereiken.
Infraroodstralers worden meestal ingedeeld op basis van de golflengte die ze afgeven:
Nabij-infrarood (NIR) of kortegolf infraroodstralers werken bij hoge gloeidraadtemperaturen boven 1800 ° C en bereiken in een veld hoge vermogensdichtheden van enkele honderden kW / m 2 . Hun piekgolflengte ligt ver onder het absorptiespectrum voor water, waardoor ze niet geschikt zijn voor veel droogtoepassingen. Ze zijn goed geschikt voor het verwarmen van silica, waar een diepe penetratie nodig is.
Medium-wave en koolstof (CIR) infraroodverwarmers werken op gloeidraadtemperaturen van ongeveer 1000 ° C. Ze bereiken maximale vermogensdichtheden van maximaal 60 kW / m 2 (middengolf) en 150 kW / m 2 (CIR).
Far infrared stralers (FIR) worden meestal gebruikt in de zogenaamde lage temperatuur ver infrarood sauna's . Deze vormen alleen het hogere en duurdere bereik van de markt van infraroodsauna. In plaats van keramische emitters van koolstof, kwarts of hoge watt, die nabij en middelmatige infraroodstraling, warmte en licht afgeven, gebruiken ver-infraroodemitters keramische platen van lage watt die koud blijven, terwijl ze nog steeds ver infrarode straling uitstralen. [5]
De relatie tussen temperatuur en piekgolflengte wordt uitgedrukt door de verplaatsingswet van Wien .
Metaaldraadelement [ bewerken ]
Metaaldraad verwarmingselementen verschenen voor het eerst in de jaren 1920. Deze elementen bestaan uit draad gemaakt van chromel. Chromel is gemaakt van nikkel en chroom en is ook bekend als nichrome . Deze draad werd vervolgens opgerold in een spiraal en rond een keramisch lichaam gewikkeld. Bij verhitting tot hoge temperaturen vormt het een beschermende laag van chroomoxide die de draad beschermt tegen verbranding en corrosie, dit zorgt er ook voor dat het element gloeit. [6]
Warmtelampen [ bewerken ]
Een warmtelamp is een gloeilamp die wordt gebruikt voor het belangrijkste doel van het maken van warmte. Het spectrum van de zwarte lichaamstralen die door de lamp worden uitgezonden, wordt verschoven om meer infraroodlicht te produceren. Veel warmtelampen bevatten een rood filter om de hoeveelheid zichtbaar licht te minimaliseren. Warmtelampen bevatten vaak een interne reflector.
Warmtelampen worden vaak gebruikt in douches en badkamers om zwemmers warm te houden en in voedselbereidingsgebieden van restaurants om voedsel warm te houden voordat ze worden opgediend. Ze worden ook vaak gebruikt voor veeteelt . Lampen die voor pluimvee worden gebruikt, worden vaak broedlampen genoemd. Afgezien van jonge vogels , omvatten andere soorten dieren die kunnen profiteren van warmtelampen reptielen , amfibieën , insecten , spinachtigen en de jongen van sommige zoogdieren .
De stopcontacten die worden gebruikt voor warmtelampen zijn meestal van keramiek, omdat kunststof houders kunnen smelten of verbranden wanneer ze worden blootgesteld aan de grote hoeveelheid restwarmte die door de lampen wordt geproduceerd, vooral wanneer ze in de stand "omhoog" worden gebruikt. De mantel of kap van de lamp is meestal van metaal. Er kan een draadbeschermer zijn over de voorkant van de mantel, om te voorkomen dat u het hete oppervlak van de lamp aanraakt.
Gewone witte huishoudelijke gloeilampen kunnen ook worden gebruikt als warmtelampen , maar rode en blauwe lampen worden verkocht voor gebruik in broedlampen en reptiellampen. 250- watt warmtelampen worden gewoonlijk verpakt in de "R40" (5 "reflectorlamp) vormfactor met een tussenliggende schroefbasis.
Warmtelampen kunnen worden gebruikt als een medische behandeling om droge hitte te bieden wanneer andere behandelingen niet effectief of onpraktisch zijn. [7]
Keramische infraroodverwarmingssystemen [ bewerken ]
Keramische infraroodverwarmingselementen worden gebruikt in een breed scala aan industriële processen waar infraroodstraling met lange golfen vereist is. Hun bruikbare golflengtebereik is 2-10 μm. Ze worden ook vaak gebruikt op het gebied van dier- en huisdierenzorg. De keramische infraroodstralers (emitters) zijn vervaardigd met drie basis emittervlakken: trog (hol), plat en gloeilamp of Edison-schroefelement voor normale installatie via een E27 keramische lamphouder.
Ver-infrarood [ bewerken ]
Deze verwarmingstechnologie wordt gebruikt in sommige dure infraroodsauna's. Het wordt ook gevonden in ruimteverwarmingstoestellen. Deze kachels maken gebruik van keramische emitters met een lage wattdichtheid (meestal redelijk grote panelen) die infraroodstraling met lange golfen uitzenden. Omdat de verwarmingselementen zich op een relatief lage temperatuur bevinden, geven ver-infraroodstralers geen uitstoot en geur van stof, vuil, formaldehyde, giftige dampen van verflagen, enz. Dit heeft dit type ruimteverwarming erg populair gemaakt bij mensen met ernstige allergieën en meervoudige chemische gevoeligheid in Europa. Omdat ver-infraroodtechnologie de lucht in de kamer niet direct verwarmt, is het belangrijk om de belichting van beschikbare oppervlakken te maximaliseren, die vervolgens de warmte opnieuw afgeven om een gelijkmatige algehele omgevingswarmte te bieden.
Quartz-warmtelampen [ bewerken ]
Helder kwartselement
Halogeenlampen zijn gloeilampen die zijn gevuld met halogeengas met een hoge druk. Dit gas wordt gecombineerd met een kleine hoeveelheid broom of jodium , waardoor wolfraamatomen regenereren door de verdamping van het filament te verminderen. Dit leidt tot een veel langere levensduur van halogeenlampen dan gloeilampen. Door de hoge druk en temperatuur die halogeenlampen produceren, zijn ze relatief klein en gemaakt van kwartsglas omdat het een heter smeltpunt heeft dan standaardglas. Veelgebruikte toepassingen voor halogeenlampen zijn tafelverwarmers. [8] [9]
Kwartstraal infrarood verwarmingselementen zenden infrarood infrarode energie uit en zijn met name effectief in systemen waar een snelle reactie van de verwarming vereist is. Buisvormige infraroodlampen in kwartslampen produceren infraroodstraling in golflengten van 1,5-8 μm. Het ingesloten filament werkt op ongeveer 2500 K , en produceert meer kortere golflengtestraling dan bronnen met open draadspoelen. Deze lampen, ontwikkeld in de jaren 1950 bij General Electric , produceren ongeveer 100 W / inch ( 4 W / mm ) en kunnen worden gecombineerd om 500 watt per vierkante voet ( 5400 W / m 2 ) uit te stralen. Om nog hogere vermogensdichtheden te bereiken, werden halogeenlampen gebruikt. Kwartaal-infraroodlampen worden gebruikt in sterk gepolijste reflectoren om straling in een uniform en geconcentreerd patroon te richten.
Quartz-warmtelampen worden gebruikt in voedselverwerking, chemische verwerking, verfdroging en ontdooien van bevroren materialen. Ze kunnen ook worden gebruikt voor comfortverwarming in koude gebieden, in couveuses en in andere toepassingen voor verwarmen, drogen en bakken. Tijdens de ontwikkeling van voertuigen voor het herintreden van ruimtes werden banken van kwarts-infraroodlampen gebruikt om hitteschildmaterialen te testen bij vermogensdichtheden tot 28 kilowatt / vierkante voet (300 kW / m 2 ). [10]
De meest gangbare ontwerpen bestaan uit een satijnen melkwitte kwartsglazen buis of helder kwarts met een elektrisch bestendig element, meestal een wolfraamdraad of een dunne spiraal van ijzer-chroom-aluminiumlegering. [11] De atmosferische lucht wordt verwijderd en gevuld met inerte gassen zoals stikstof en argon en vervolgens afgesloten. In kwarts-halogeenlampen wordt een kleine hoeveelheid halogeengas toegevoegd om de levensduur van de kachel te verlengen.
Veel van de afgegeven infrarode en zichtbare energie wordt veroorzaakt door de directe verwarming van het kwartsmateriaal , 97% van het nabij-infrarood wordt geabsorbeerd door de kwartsglazen buis van siliciumoxide waardoor de temperatuur van de buiswand toeneemt, waardoor de silicium-zuurstofbinding ontstaat om veel infrarode stralen uit te stralen. [ nodig citaat ] Kwartsglas verwarmingselementen werden oorspronkelijk ontworpen voor verlichtingstoepassingen, maar wanneer een lamp op vol vermogen is, bevindt minder dan 5% van de uitgezonden energie zich in het zichtbare spectrum. [12]
Quartz Tungsten [ bewerken ]
Quartz verwarmer
Kwarts-wolfraam-infraroodstralers stoten gemiddelde golfenergie uit die bedrijfstemperaturen bereikt van maximaal 1500 ° C (middengolf) en 2600 ° C (korte golf). Ze bereiken de bedrijfstemperatuur binnen enkele seconden. Piekgolflengtemissies van ongeveer 1,6 μm (middengolf-infrarood) en 1 μm (kortegolf-infrarood).
Carbon Heater [ bewerken ]
Koolstofvezelverwarmer
Koolstofverwarmers gebruiken een koolstofvezel verwarmingselement dat in staat is lange, middellange en kortegolf ver infraroodwarmte te produceren. Ze moeten nauwkeurig worden gespecificeerd voor de ruimtes die moeten worden verwarmd. [13]
Op gas gestookt [ bewerken ]
Er zijn twee basistypen infraroodstralers.
Lichtgevende of hoge intensiteit
Radiusbuizen
Stralende gasgestookte kachels die worden gebruikt voor industriële en commerciële ruimteverwarming van gebouwen, verbranden aardgas of propaan om een stalen emitterbuis te verwarmen. Gas dat door een regelklep stroomt, stroomt door een bekerbrander of een venturi . De verbrandingsproductgassen verwarmen de emitterbuis. Terwijl de buis wordt verwarmd, raakt de stralingsenergie van de buis vloeren en andere objecten in de buurt, waardoor ze worden opgewarmd. Deze vorm van verwarming handhaaft warmte, zelfs wanneer plotseling een grote hoeveelheid koude lucht wordt geïntroduceerd, zoals in onderhoudsgarages. Ze kunnen echter geen koude tocht bestrijden.
De efficiëntie van een infraroodverwarming is een beoordeling van het totale energieverbruik van de verwarmer in vergelijking met de hoeveelheid geproduceerde infraroodenergie. Hoewel er altijd enige hoeveelheid convectiewarmte zal worden gegenereerd door het proces, zal elke introductie van luchtbeweging over de verwarmer de efficiëntie van de infraroodomzetting verminderen. Met nieuwe, ongeschoonde reflectoren hebben stralingsbuizen een neerwaartse stralingsrendement van ongeveer 60%. [De andere 40% bestaat uit niet-herstelbare opwaartse stralings + convectieverliezen en rookverliezen.]
Gezondheidseffecten [ bewerken ]
Naast de gevaren van het aanraken van de hete gloeilamp of het element, kan infraroodstralen met een hoge intensiteit en kortegolf indirecte thermische brandwonden veroorzaken wanneer de huid te lang wordt blootgesteld of de verwarming te dicht bij het onderwerp staat. Personen die worden blootgesteld aan grote hoeveelheden infrarode straling (zoals glasblazers en booglassers) gedurende een langere periode, kunnen depigmentatie van de iris en opaciteit van de kamerwaterhuid ontwikkelen , dus blootstelling moet gemodereerd worden. [14]
Efficiëntie [ bewerken ]
Elektrisch verwarmde infraroodstralers stralen tot 86% van hun input uit als stralingsenergie. [15] Bijna alle input van elektrische energie wordt omgezet in infrarode stralingswarmte in de gloeidraad en op het product gericht [ verduidelijking ] door reflectoren. Bepaalde warmte-energie wordt door geleiding of convectie van het verwarmingselement verwijderd, wat bij sommige ontwerpen waar helemaal geen elektrische energie in de verwarmde ruimte gewenst is, geen verlies kan zijn, of als een verlies kan worden beschouwd in situaties waarin alleen de warmteoverdracht is gewenst of productief.
Voor praktische toepassingen hangt de efficiëntie van de infraroodverwarming af van het afstemmen van de uitgezonden golflengte en het absorptiespectrum van het te verwarmen materiaal. Het absorptiespectrum voor water heeft bijvoorbeeld een piek bij ongeveer 3000 nm . Dit betekent dat de emissie van infrarood- of koolstof-infraroodstralers veel beter wordt geabsorbeerd door water en coatings op waterbasis dan NIR of kortegolf-infraroodstraling. Hetzelfde geldt voor veel kunststoffen zoals PVC of polyethyleen. Hun piekabsorptie is ongeveer 3500 nm . Aan de andere kant absorberen sommige metalen alleen in het kortegolfbereik en vertonen ze een sterke reflectiviteit in het medium en ver infrarood. Dit maakt een zorgvuldige selectie van het juiste type infraroodverwarming belangrijk voor de energie-efficiëntie in het verwarmingsproces. [ nodig citaat ]
Keramische elementen werken in de temperatuur van 300 tot 700 ° C (570 tot 1,290 ° F), wat infrarode golflengten produceert in het bereik van 2000 tot 10 000 nm . De meeste kunststoffen en vele andere materialen absorberen het beste infrarood in dit bereik, waardoor de keramische verwarmer het meest geschikt is voor deze taak. [ nodig citaat ]
Toepassingen [ bewerken ]
Infraroodstraler voor het koken van döner kebab
IR-verwarmingselementen kunnen aan verschillende verwarmingsbehoeften voldoen, waaronder:
Extreem hoge temperaturen, grotendeels beperkt door de maximale temperatuur van de emitter
Snelle reactietijd, in de orde van 1-2 seconden
Temperatuurgradiënten, vooral op materiaalbanen met een hoge warmte-inbreng
Gericht verwarmde zone ten opzichte van geleidende en convectieve verwarmingsmethoden
Contactloos, en verstoort het product niet zoals geleidende of convectieve verwarmingsmethoden
Aldus worden IR-verwarmingselementen voor vele doeleinden toegepast, waaronder:
Verwarmingssystemen
Uitharden van coatings
Plastic verwarming vóór het vormen
Kunststoflassen
Warmtebehandeling van glas en metaal
cooking
Het opwarmen van zogende dieren of dieren in gevangenschap in dierentuinen of veterinaire klinieken
Hot Yoga-fitnesslessen om luchtwegproblemen door convectieverwarming te verminderen [16]
