Инфракрасные нагреватели

05.02.2024

Инфракрасное нагревание - это метод нагрева материалов. Он использует электромагнитные волны для передачи энергии от ИК-источника к продукту без нагрева воздуха между ними. Излучаемая инфракрасная энергия составляет от 0,7 мкм до 6 мкм. При максимальной эффективности выбираются длины волн для нагрева продукта, чтобы минимизировать потребление энергии.

Тепловая энергия передается непосредственно на материал при более низкой температуре. Окружающий воздух не нагревается и не вовлечен в передачу тепла, что делает инфракрасные нагреватели энергоэффективными, удобными и здоровыми. Электроэнергия подается электричеством, природным газом или пропаном для эффективного и экономичного производства тепла.

Электромагнитные волны в инфракрасном спектре имеют широкий диапазон длин волн, от 780 нм до 10 мкм для промышленных процессов. Более короткие длины волн в инфракрасном спектре имеют высокие частоты и связанные с ними энергии. Тепло, производимое инфракрасными волнами, колеблется от сотен до 3600 °C.

В последние годы были приняты меры по использованию энергии на основе этих научных принципов. Сегодня ИК-обогреватели доступны с различными функциями и дизайнами для полного удовлетворения промышленных, коммерческих и жилых потребностей. Они нагревают поверхности в жилых помещениях, офисах, рабочих местах, гаражах и складских помещениях. Промышленность извлекает выгоду из инфракрасных нагревателей, поскольку они могут выполнять несколько процессов, таких как сушка, отверждение, печать и термоформования. В медицине инфракрасные нагреватели используются в физиотерапии для улучшения реабилитации.

История инфракрасного отопления

Инфракрасная область была открыта британским астрономом Уильямом Гершелем во время первой промышленной революции (1760-1840 гг.). Однако инфракрасное отопление не было широко распространено до Второй мировой войны, где оно использовалось для сушки красок и лаков, применяемых к военной технике. Этот исключительно эффективный процесс отопления заменил потребляющие топливо конвекционные печи, которые были гораздо дороже и истощали ценные запасы топлива.

Инфракрасные обогреватели во время войны часто видели в мастерских и на фабриках. Их популярность резко снизилась после Второй мировой войны, так как все больше людей стали использовать системы центрального отопления.

Благодаря стремлению к более экологичным технологиям, развитие инфракрасных нагревателей возобновилось между концом ХХ века и началом XXI века. Диапазон ИК-отопления в этот период расширился и стал использоваться чаще. Были изучены вопросы, касающиеся гибкости конструкции и новых конфигураций, с тем чтобы инфракрасные нагреватели могли устанавливаться в различных местах, включая дома и офисы, использоваться на промышленных объектах для производства. Быстрое технологическое развитие и совершенствование систем контроля привели к дальнейшему росту и развитию использования инфракрасного отопления.

Принципы эксплуатации инфракрасных нагревателей

Инфракрасное тепло является основной формой термического повышения и представляет собой прямую передачу тепла от нагревателя к объекту (материалу) без расхода ресурса на нагрев воздуха. Тип тепла, производимого инфракрасным нагревателем, такой же, как и природное излучение от солнца.

В инфракрасном нагревателе панели нагреваются до тех пор, пока они не разогреются достаточно, чтобы испускать инфракрасное излучение. Тепловой поток постоянно перемещается и, встретившись с твердым объектом или заготовкой, отдаёт свой накопленный потенциал. Это прямой процесс теплопередачи, который похож на перенос тепла между металлами, катушками и материалами с использованием лучистых волн.

При традиционном нагреве воздух в среде нагревается прежде, чем какие-либо объекты почувствуют повышение температуры. Инфракрасные обогреватели предназначены для прямого проецирования тепла на объекты и не меняют температуру в пространстве. Помимо их способности быстро повышать температуру объектов или материалов, ИК-нагреватели завершают процесс с минимальным количеством энергии. Ценовые затраты при этом невелики.

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны (ЭМВ) состоят из волн, которые формируют колебания перпендикулярно друг другу. Одна из волн - электрическое поле, а другая - магнитное поле.

Электромагнитные волны отличаются по размеру и частоте. Длиной волны называется расстояние между соседними гребнями в цикле волны. Длина обычно выражаются в нанометрах (ангстремах). Частота - это число волновых циклов в секунду, которое выражается в Гц.

Длина волны и частота связаны друг с другом обратной зависимостью. Энергия волны прямо пропорциональна частоте, но обратно пропорциональна длине волны. Волны с более высокими частотами и более короткими длинами волн несут увеличенную энергию и имеют повышенную тепловую трансмиссию.

В отличие от механических волн, ЭМВ не требуют среды для генерации. Это причина, по которой можно почувствовать тепло солнца, хотя оно находится за тысячи миль от Земли, а также окружающий холодный воздух, когда мы остаемся под солнцем. Этот принцип также применяется в работе ИК-нагревателей, которые сопоставимы с солнцем.

Инфракрасные волны

Инфракрасная область находится между видимой и микроволновой областями электромагнитного спектра. Инфракрасные волны имеют длину волны от 700 нм (430 ТГц) - 1 мм (300 ГГц).

Инфракрасная область, а также связанный с ней энергетический и температурный диапазон широки, а ее волны классифицированы по следующим категориям.

Регион	Аббреви-атура	Длина волны (нм)	Частота (Гц)	Фотоэнергия (meV)	Термодиапазон (℃)
Инфракрас-ный свет с ультракорот-кой длиной волны	NIR	0.75-1.4	214-400	886-1653	+3591…+1797°C
Инфракрасное излучение с короткой длины волны	SWIR	1.4-3	100-214	413-886	+1797…+693°C
Волны ИК средней длины	MWIR	3-8	37-100	155-413	+693…+89°C
Длинновол-новое ИК-излучение	LWIR	8-15	20-37	83-115	+89…−80°C
ИК-волны максимальной длины	FIR	15-1000	0.3-20	1.2-83	−80.15…−270.15°C

Излучение нагрева является одним из важных показателей инфракрасных волн. Они также полезны в спектроскопии, визуализации и связи.

Радиационный теплообмен

Излучение является механизмом теплопередачи, вызванной излучением, поглощением и отражением электромагнитных волн тел. Все тела, находящиеся выше абсолютной температуры (-273 °C), испускают тепловое излучение. Высвобождение его вызвано случайными вибрациями и столкновениями элементов молекулярной решётки.

Различные типы материалов, предметов и объектов формируют тепло в зависимости от их температуры. По мере нагревания эти объекты выделяют энергию, которая передается излучением, но не влияет на окружающие молекулы. Она легко проходит по воздуху, объектам и даже вакууму и не зависит от количества излучения, испускаемого принимающим материалом. Другими факторами, влияющими на радиацию, являются характер поверхности и угол падающего излучения.

• Проводимость и конвекция - иные механизмы теплопередачи, которые могут происходить одновременно с излучением. В проводимости тепло передается через столкновения и вибрации между соседними атомами или молекулами, которые легко возникают в твердых телах. Направление теплопередачи в проводимости выполняется от области с более высокой кинетической энергией к области с более низким аналогом.

В конвекции тепловая энергия передается через смещение молекул в объемной жидкости. Когда часть жидкости нагревается, молекулы, возле первичного источнику тепла расширяются и удаляются от него. Тепловая энергия распространяется через движение составных частиц и передаётся на более холодную часть вещества.

Как работают ИК-нагреватели

Инфракрасные нагреватели состоят из системы нагрева и отражателя. Первые преобразует электрическую или химическую энергию из источников топлива в тепловую энергию. Вторые направляет её в виде излучения на объекты, находящиеся вокруг.

Отражатели должны иметь высокую рабочую способность и поглощать минимальное излучение от системы отопления, чтобы хранить меньше тепла. Их формы и контуры предназначены для предотвращения отскакивания ИК-волн назад. Другими желательными свойствами отражателей являются высокая стойкость к коррозии и влаге, способность выдерживать значительные термопоказатели в течение всего срока службы.

Отражающие материалы, которые обычно используются - это алюминий, нержавеющая сталь, керамика, кварц. Часть из них покрывают золотом или рубином, чтобы увеличить их функциональную способность и накопить больше тепла на окружающих объектов.

Промышленное использование ИК-нагревателей

Несколько промышленных применений требуют использования беспламенного нагрева для процессов сушки, подготовки поверхности под различное применение, улучшения рабочего процесса. Точность и контролируемое нагревание необходимы для обеспечения качества продукции.

При включении ИК-систем тепло сразу доступно и готово к применению. Это важно для подготовки заготовки в ходе штамповки, прессования или сварки. Цена на работу снижается благодаря экономии энергии.

1.Сушка с инфракрасным нагревом

Существует ряд процессов, связанных с нанесением порошков, жидкостей, красок, лаков. Независимо от типа нанесения, центральным элементом успешного сцепления покрытия является способ его сушки.

В случае жидких покрытий ИУ-обогреватели используют для получения гладкой, ровной поверхности. Порошковые покрытия нуждаются в отверждении. ИЕ-нагреватели нужны для ускорения процессов гелеобразования и отверждения при сокращении времени производства.

2. Сварка с инфракрасным нагревом

Инфракрасная сварка пластика требуется для уплотнения и подключения компонентов вентилятора. Он также используется на контейнерах и трубах, которые должны выдерживать рабочее давление. При герметизации сосудов под давлением ИК-сварка соединяет части, не оставляя частиц или мусора в изделиях.

В некоторых процессах производства пластмасс инфракрасное нагревание сочетается с вибрационной сваркой, которая использует как вибрацию, так и давление для соединения компонентов. ИКЕ-излучение подготавливает поверхность пластмассы к вибрационной сварке и минимизирует образование частиц.

3. Тиснение и ламинирование с инфракрасным отоплением

Когда пластмасса ламинируется, она должна быть нагрета равномерно, чтобы избежать потери материалов границ. Способность инфракрасных нагревателей модулироваться для точного нагрева поверхностей делает их идеальными для процессов тиснения и ламинирования.

В автомобильной промышленности ИК-печи (отдельные нагреватели) создают слияние между слоями материала, что приводит к превосходной защите и повышенной долговечности. Автомобильные двери, консоли и приборные панели имеют пластиковые части, которые покрыты фольгой. Инфракрасные нагреватели быстро нагревают фольгу, чтобы закрепить ее на поверхностях этих частей. Быстрая и эффективная работа сокращает время цикла и разумно расходует энергию.

Типы промышленных инфракрасных обогревателей

Представляют собой инфракрасные нагреватели электромагнитного излучения, которые, в зависимости от используемого материала, быстро достигают температур от +704 °C д+871 °C для повышения эффективности и производительности. Кварцевые ИК-нагреватели могут достигать самых высоких температур, в то время как керамические инфракрасные нагреватели являются наиболее экономичными.

1. Кварцевые ИК-нагреватели: кварцевые производят короткие волны, чтобы обеспечить самый горячий тип формируемого тепла. Они идеально подходят для применения при высоких температурах, но не для обогрева открытых помещений.
2. Керамические инфракрасные нагреватели недороги по цене, используются для обогрева рабочих помещений.
3. ИК-нагреватели с металлической оболочкой являются наиболее долговечными и могут достигать температуры более +1093 °C. Они востребованы при погружном нагреве.

Типы инфракрасных нагревателей

Рассмотрим эту тему в деталях.

1. Электрические инфракрасные нагреватели используют ток для переноса тепла в окружающую среду. Система отопления производит энергию по закону Джоуля, путем передачи электрического тока на элемент с высоким электрическим сопротивлением. Значение сопротивления нагревательного элемента не должно быть таким же высоким, как сопротивление изоляторов. Материалами, используемыми в этом процессе, являются вольфрам, никель (80% никель, 20% хром), медный никель и углеродные волокна.
2. Газовые ИК-нагреватели зависят от химической энергии, хранящейся в природном газе, пропане или нефти. Они нуждаются в нагревательном элементе, который преобразует тепловую энергию от газового пламени в электромагнитное излучение с ИК-спектром. Нагревательные элементы и камеры сгорания содержатся в металлической, керамической или стеклянной оболочке.

Различают такие типы излучающих газовых нагревателей.

• В ИК-обогревателях газовоздушная смесь сжигается в длинной стальной трубе, которая нагревается до +500…+800 °C, после чего излучает энергию в окружающую среду. Одна из самых популярных технологий, так как повышение температуры происходит в том месте, которое требуется.

• В светящихся инфракрасных нагревателях смесь нагревается непосредственно через пористую матрицу тугоплавкого материала, которая нагревает поверхность выше +732 °C. Большое количество лучистого тепла выделяется в окружающую среду и может быть направлено туда, где оно востребовано. При использовании светящихся нагревателей нужна организация качественной вентиляции.

ИК-нагреватели классифицируют по длине волны излучения.

• Коротковолновые инфракрасные нагреватели NIR. Они производят волны длиной около 0,78-1,5 мкм и работают при высоких температурах в диапазоне +1300…+2600 °C. Поскольку здесь присутствуют более высокие частоты, они характеризуются интенсивным отражением, но небольшим поглощением поверхностями, на которые они попадают. Поэтому не подходят для сушки. Способны вырабатывать сильный жар, который ощущается в 2-3 метрах от источника, но не обеспечат постоянство тепла.

Нагреватели NIR мгновенно согревают окружающую среду и обычно используются в наружном отоплении.

• Средневолновые инфракрасные нагреватели –MWIR. Производят волны около 1,5-3 мкм при t= +500-…+300 °C. Имеют более низкие частоты, которые лучше поглощаются объектами, но они все еще не пригодны для комфортного нагрева. Они используются в промышленных областях, таких как сушка и отверждение красок, лаков и растворителей, а также в экономичной обработке пластиковых фольг и листов.
• Длинноволновые инфракрасные нагреватели FIR. Производят волны около 3-1000 мкм и работают при более низких термопоказателях. Поскольку имеют более низкие частоты, то лучше поглощаются поверхностью, на которую попадают. Вода начинает поглощать инфракрасное тепло в этом спектре.

Нагреватели FIR производят комфортное тепло, которое оптимально поглощается нашей кожей и далее вводится в наши ткани, кровь и остальные наши тела. Им требуется около 5 минут, чтобы согреть окружающие территории. Востребованы в саунах, инкубаторах, отопительных кабинах и пр..

Некоторые инфракрасные нагреватели можно отличить по материалу, используемому в них.

1. Кварцевые тепловые лампы Известны более 70-ти лет. Они испускают средние и короткие ИК-волны. Кварц используется в качестве закрывающего материала, защищающего вольфрамовый нагревательный элемент, поскольку он может выдерживать более высокие температуры, чем стекло. Он наполнен инертным газом под высоким давлением, содержащим галогены, газообразный бром или йод, который регенерирует атомы вольфрама в нити накала и продлевает срок службы нагревательного элемента.

Кварцевые тепловые лампы используются в качестве наружных нагревателей, для промышленных процессов сушки, отверждения и оттаивания замороженных продуктов.

2. Углеродные инфракрасные нагреватели имеют нагревательные элементы из тканых углеродных волокон, которые размещены в кварце. Они также заполнены галогенным газом. Функционируют при t=+1200 °C, испуская волны средней длины. Углеродные волокна производят более мягкое тепло, их свет менее интенсивен, чем вольфрам, имеют длительный срок службы.

Углеродные инфракрасные нагреватели используются в отопительных помещениях в общественных залах, террасах кафе и пространствах с наличием сквозняков.

3. Керамические нагреватели имеют нагревательный элемент, который непосредственно отливается в керамический материал. Они работают t = +149…+371 °C. Испускают средние и длинные ИК-волны длиной 2-10 мкм. Плоская литая форма распределяет тепло по более широкой области, а вогнутое литье фокусирует продуцируемую энергию в одном месте. Поверхность застеклена для предотвращения коррозии.

Керамические нагреватели используются в обогреве и промышленных процессах, таких как сушка краски, отверждение, печать, отжиг, термоформование и упаковка. Предприятия пищевой промышленности и медицинские учреждения часто применяют керамические нагреватели.

Применение ИК-обогревателей

Ниже представлены четыре основных варианта.

1. Строительные нагреватели. Являются портативными устройствами, используемыми в наружных или внутренних строительных зонах. Также могут быть установлены на верхней части резервуара. Используются в точечном нагреве. Тепло излучается в окружающую среду через керамическую или стальную поверхность.
2. Наружные дверные обогреватели. Расположены на входах в здания и часто открывающихся дверях, где внутренний воздух заметно горячее. Используют осевые вентиляторы для генерации высокоскоростного воздушного потока, чтобы избежать потерь тепла. Наружные нагреватели также известны, как воздушные завесы. Могут функционировать в противоположном ракурсе в течение лета, чтобы уменьшить затраты на кондиционеры.
3. Гаражные нагреватели. Пригодятся в больших помещениях, которые не предназначены для изоляции, как гаражи и мастерские. Испускают высокочастотное излучение, чтобы тепло проникало на большие площади и согревало персонал.
4. Складские нагреватели. Нужны для больших по объёму помещений с изоляцией, где принудительная конвекция не целесообразна.

Преимущества ИК-отопления

Инфракрасные обогреватели универсальны, просты в монтаже, обслуживании и доступны в различных конструкциях для удовлетворения различных потребностей. Преимущества инфракрасного отопления следующие.

1. Энергоэффективность. ИК-нагреватели нагревают окружающие объекты напрямую. Теплопотерь нет, ведь устройства не тратят энергию на окружающую среду.

2. Мгновенное действие. Поскольку продуцируемое тепло направляется на окружающие тела, они не тратят время на нагрев воздуха, а затем перенос его на объекты, такие как традиционные конвекционные нагреватели. Это не меняет уровень влажности, не снижает содержание кислорода в окружающей среде.

3. Инфракрасные нагреватели уменьшают рост плесени, так как перемещение влаги ограничено. Эта особенность уменьшает случаи заложенности носа, появления горловых хрипов, зуда глаз и кожи. Такая энергия не создаёт вреда продуктам питания и медикаментам.

4. ИК-нагреватели работают тихо. В отличие от конвекционных аналогов, в конструктивной схеме отсутствуют вентиляторы и воздуходувки, служащие для циркуляции нагретого воздуха. При установке в спальнях и офисных помещениях отсутствует нежелательный шум.

5. Электрические устройства экологически чистые. Они не производят газообразные продукты, токсичные пары или мелкие частицы, которые оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Энергетическая эффективность приборов способствует экологизации окружающей среды.

Польза для здоровья

ИК-нагреватели имеют удивительные преимущества. Они улучшают общее состояние здоровья, поскольку:

• не высушивают кожу и слизистые оболочки;
• способствуют правильной циркуляции крови;
• улучшают здоровье органов дыхания;
• снижают мышечную, суставную боль, воспаления;
• укрепляют иммунную систему;
• способствуют хорошему сну.

Несмотря на все это, ИК-нагреватели могут представлять угрозу для безопасности. Горячий материал сердечника способен вызвать серьезные ожоги при прикосновении или при длительном воздействии на слишком близком расстоянии. Наблюдение за свечением приводит к ухудшению зрения. Травмы и вред могут быть предотвращены путем установки инженерного контроля и личной аккуратности людей, находящихся инфракрасного нагревателя.

Краткие выводы

Инфракрасное нагревание открыто новые возможности для организации тепловых процессов. Длительные эксперименты показали, что такой тип продуцирования энергии можно использовать на благо человечества.

В инфракрасном нагреве тепловая энергия переносится соответствующими по названию волнами. Более короткие длины волн имеют повышенные частоты и увеличенные температуры нагрева.

Излучение - механизм передачи тепла в инфракрасных нагревателях. Он согревает поверхности объектов в пределах видимости без нагрева окружающего воздуха, что делает инфракрасные нагреватели уникальными и выгодными.

ИК-нагреватели состоят из термоэлемента и отражающей поверхности. Отражатель значительно влияет на эффективность процесса.

Нагреватели классифицируют в зависимости от источника энергии. Электрические модели преобразуют ток в тепло путем резистивного нагрева. Излучающие газовые нагреватели используют энергию, накопленную в топливе.

Инфракрасные обогреватели различают по длине излучаемой волны. Есть коротковолновые, средневолновые и аналоги длинноволнового типа. Каждый из них отличается характеристиками энергии, которую они производят, и работает в различных температурных диапазонах.

Для изготовления ИК-обогревателей подходят несколько материалов. Устройства отличаются сферой применения.

Инфракрасные обогреватели - это выгодно. Они энергоэффективны, работают без задержек. Способствуют общему здоровью пользователей и производят полезное для живых существ тепло.

При работе с инфракрасными нагревателями необходимо принимать дополнительные меры предосторожности. Однако преимущества, обеспечиваемые инфракрасными нагревателями, намного перевешивают те немногие отрицательные стороны, которые связаны с этими устройствами.