Infrarot-Grundlagen – IR-Heizgeräte und Infrarotöfen von PROTHERM, LLC

INFRAROT-GRUNDLAGEN

Das hierin enthaltene Material wird mit Genehmigung der Infrared Equipment Division der Industrial Heating Equipment Association aus dem „Infrared Process Heating Handbook for Industrial Applications“, Copyright c 2005, reproduziert. Alle Rechte vorbehalten. Um ein Exemplar des IR-Handbuchs zu erwerben, besuchen Sie die IHEA-Website: www.ihea.org und klicken Sie auf BUCHHANDLUNG.

Was ist Infrarot?

Der Vergleich von Infrarot mit anderen Methoden der Wärmeübertragung kann Ihnen helfen, die Infrarot-Heizmethode zu verstehen. Die gesamte Wärme wird durch eine von drei Methoden übertragen:

  • Leitungsheizung ist die Übertragung von Wärme durch physischen Kontakt zwischen einer Wärmequelle und dem zu erwärmenden Objekt.
  • Konvektionsheizung ist die Übertragung von Wärme unter Verwendung von erwärmter Luft als Übertragungsmedium zwischen der Wärmequelle und dem zu erwärmenden Objekt
  • Strahlungsheizung ist die Übertragung von Wärme unter Verwendung unsichtbarer elektromagnetischer Energiewellen von einer Wärmequelle auf das zu erwärmende Objekt.

Infrarot ist eine von mehreren Möglichkeiten, Strahlungserwärmung zusammen mit Ultraviolett, Mikrowelle, Hochfrequenz und Induktion zu erreichen. Dieses Handbuch befasst sich nur mit Infrarotheizung und daher werden wir die Begriffe strahlend und Infrarot synonym verwenden.

Eine der ersten Formen der Wärmeübertragung, der jeder von uns begegnet, ist die Strahlung. Der Sonnenstrahl, der uns wärmt, ist Strahlungswärme.. Strahlungsenergie wird nicht von der Luft absorbiert und wird erst dann zu Wärme, wenn ein Objekt sie absorbiert. Während Strahlungsenergie im Allgemeinen als Wärme auftritt, liegt dies daran, dass sie die Atome im absorbierenden Objekt vibriert und dreht, was zu einem Anstieg der Temperatur dieses Objekts führt. Strahlungsenergie kann sich jedoch auch als chemische Veränderung des absorbierenden Objekts (Polymerisation) oder Verdunstung von Wasser oder Lösungsmitteln (Trocknung) zeigen.

Stefan-Boltzman-GesetzWie entsteht Infrarotstrahlung?

Jedes Objekt mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt emittiert Infrarotenergie. Dies liegt daran, dass in jedem Objekt eine gemessene Wärmemenge vorhanden ist, sodass jedes Objekt die Fähigkeit hat, Wärme von sich selbst abzustrahlen. Das Objekt, das Wärme abstrahlt, wird als emittierende Quelle bezeichnet, und das Objekt, an das es Wärme abstrahlt, mit einem geringeren Wärmegehalt, wird als Ziel bezeichnet.

Es gibt mehrere physikalische Gesetze, die die Eigenschaften von Infrarotstrahlung erklären. Das Stefan-Boltzman-Strahlungsgesetz besagt, dass mit zunehmender Temperatur einer Wärmequelle die Strahlungsleistung auf die vierte Potenz ihrer Temperatur ansteigt. Die Leitungs- und Konvektionskomponenten nehmen nur in direktem Verhältnis zur Temperaturänderung zu. Mit anderen Worten, wenn die Temperatur einer Wärmequelle erhöht wird, wird ein viel größerer Prozentsatz der gesamten Energieabgabe in Strahlungsenergie umgewandelt.

Für die Zwecke dieses Handbuchs werden wir uns nur mit den Infrarotwärmequellen befassen, die in industriellen Heizungsanwendungen verwendet werden. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass die emittierenden Quellentemperaturen in einem Bereich von 500 Grad Fahrenheit bis 4.200 Grad Fahrenheit betrachtet werden. (Diese Temperaturen sind nicht zu verwechseln mit Ofensollwerttemperaturen oder anderen Temperaturanforderungen in Bezug auf Ihr Produkt oder Ihren Prozess). Wenn sich die emittierende Quellentemperatur von 500 Grad auf 4.200 Grad bewegt, steigt die Strahlungsleistung mit einem entsprechenden Anstieg der Spitzenwellenlänge. An jedem Temperaturpunkt gibt es einen eindeutigen Satz von Wellenlängeneigenschaften und Spitzenwellenlängen. Ein zusätzlicher Satz physikalischer Gesetze hilft uns, diese Beziehung zu verstehen. Durch Anwendung des Planckschen Gesetzes und des Wienschen Gesetzes ist es möglich, sowohl die Verteilung der Wellenlänge (Spektralverteilung) als auch die Spitzenwellenlängen eines gegebenen Emitters zu berechnen, der bei einer gegebenen Temperatur arbeitet.

Eigenschaften der Infrarotstrahlung

Infrarotheizung ist die Übertragung von Wärmeenergie in Form von elektromagnetischen Wellen. Es hängt mit sichtbarem Licht und anderen Formen elektromagnetischer Energie zusammen, die im folgenden elektromagnetischen Spektrum gezeigt werden. Der Infrarotanteil dieses Spektrums wurde erweitert, um zu zeigen, dass wir Infrarot weiter in langwellige, mittlere und kurze Wellen unterteilen können.

Eigenschaften der Infrarotstrahlung - Diagramm
Das elektromagnetische Spektrum beschreibt die verschiedenen Arten elektromagnetischer Energie basierend auf der Wellenlänge.

Durch die Beschreibung eines Infrarotstrahlers als langwellig, mittelwellig oder kurzwellig kann man schnell den ungefähren Temperaturbereich bestimmen, in dem ein Emitter arbeitet, sowie einen ungefähren Wellenlängenbereich, der in Mikrometern gemessen wird. Da die Temperatur einer Quelle die Wellenlängeneigenschaften dieser Quelle bestimmt, kann die Peakwellenlänge eines gegebenen Emitters nur durch Ändern der Temperatur des Emitters gesteuert werden. Alle Emitter können einfach durch Einstellen ihrer Temperaturen auf die Wellenlänge eingestellt werden. Allerdings sind nicht alle Emitter so ausgelegt, dass sie das gesamte Spektrum der langen, mittleren und kurzen Wellenlänge erreichen.

Es gibt einige Wärmeverarbeitungsanwendungen, die eher fehlerverzeihend sind und mit lang-, mittel- oder kurzwelligem Infrarot arbeiten. Auf der anderen Seite gibt es Anwendungen, bei denen es wichtig ist, einen Emitter so zu wählen, dass seine Wellenlängenverteilung und Peakwellenlänge mit den Absorptions-, Reflexions- und Transmissionseigenschaften der Beschichtung oder des Substrats übereinstimmen. Bei diesen Prozessen kann die Wahl der richtigen Wellenlänge einen enormen Unterschied in der Gesamteffizienz und Geschwindigkeit des Prozesses ausmachen und sogar bestimmen, ob der Prozess funktioniert oder nicht.

Spektrale Eigenschaften von Infrarot
Es gibt viele Faktoren, die bestimmen, ob ein Substrat oder eine Beschichtung die Fähigkeit hat, sich zu erwärmen, wenn Infrarotenergie aufgebracht wird. Verstehen Sie zunächst, dass Infrarotenergie absorbiert, reflektiert oder übertragen wird. Damit ein Objekt durch Infrarot erwärmt werden kann, muss ein Teil der Infrarotenergie von der emittierenden Quelle absorbiert werden. Sobald die Energie absorbiert ist, gelangt die an der Oberfläche erzeugte Wärme durch Wärmeleitung in das Material.

Infrarotquelle

Die Faktoren, die das Verhalten von Infrarot beschreiben, werden als Spektrale Eigenschaften bezeichnet. Sie erklären, inwieweit Infrarot in verschiedenen Materialien reflektiert oder absorbiert wird. Bei allen Heizanwendungen wird durch die Anpassung der Infrarotleistung an das Absorptionsspektrum ein effektiver und energieeffizienter Heizprozess erzeugt.
Ungefährer Emissionsgrad von MetallenDie Beziehung zwischen Reflektivität und Absorption wird als Emissionsgrad bezeichnet. Für alle Materialien wurde bereits eine Emissionsgradskala mit einem numerischen Wert von 0 bis 1 entwickelt. Ein perfekter Infrarotabsorber hat einen Emissionsgrad von 1 und wird als Schwarzkörperabsorber bezeichnet. Am anderen Ende der Skala hat ein perfekter Infrarotreflektor einen Emissionsgradwert von 0. Obwohl der Emissionsgrad mit Dicke, Temperatur und Wellenlänge variieren kann, wird der Emissionsgrad im Allgemeinen mit einem konstanten Wert angenähert. Sie finden diesen Wert für viele gängige Materialien in Emissionsgradtabellen, die in vielen technischen Handbüchern zu finden sind. Eine kurze Liste der Emissionsgradwerte für einige der gängigsten Materialien, die in industriellen Prozessen verwendet werden, finden Sie in der Tabelle rechts.
Eine weitere Überlegung für Infrarotanwendungen ist die Farbempfindlichkeit, die die Rolle der Farbe bei der Bestimmung der Absorption und Reflektivität von Infrarot beschreibt. Dies kann bei stark reflektierenden Farben wie Silber oder Chrom ein Problem darstellen und muss bei einigen weißen und gelben Farben berücksichtigt werden, da sie bei Überhitzung dazu neigen, sich zu verfärben. Die Farbempfindlichkeit ist bei höheren Emittertemperaturen ausgeprägter. Aus diesem Grund sind kurzwellige Emitter am farbempfindlichsten und langwellige Emitter am wenigsten farbempfindlich. In vielen industriellen Prozessen erzeugt die Farbempfindlichkeit mit mittel- und langwelligen Emittern eine so geringe Temperaturänderung, dass sie vernachlässigbar ist.

Variationen in der Absorption können sogar für die gleiche Farbe unterschiedlich sein, je nachdem, ob das Finish glänzend, satiniert oder flach ist. Berücksichtigen Sie bei der Anwendung von Infrarotwärme sowohl die Farbe als auch die Oberflächeneigenschaften des Materials. Für beste Ergebnisse sollte eine Reihe von Heiztemperaturen getestet werden, um die besten Absorptionseigenschaften für verdächtige Farben zu erhalten.

FAQs

Benötigt Infrarot eine Sichtlinie, um Produkte zu härten oder zu erhitzen?
Normalerweise benötigt Infrarot eine Sichtlinie, um Produkte zu härten oder zu erhitzen, aber wenn Sie die richtigen Heizungen und die richtige Heizerkonfiguration zusammen mit der richtigen Steuerung integrieren, können Sie dieses Hindernis überwinden. Eine seriöse Infrarotfirma sollte Ihnen durch Erfahrung oder Tests mitteilen können, ob Ihr Teil beheizt werden kann.

Was ist der beste Weg, um Infrarot zu steuern?
Der Heizprozess, die Art der verwendeten Heizungen und das Teil bestimmen normalerweise, welche Art von Steuerungssystem verwendet werden soll. Die Steuerung der Heizungen kann über einfache Temperaturregler bis hin zur vollständigen SPS-Steuerung erfolgen. Zusätzlich können Sie Thermoelemente in den Heizungen oder berührungslose Thermoelemente für eine sehr präzise Steuerung verwenden. Wir empfehlen dringend, SCR-Leistungsregelung oder linearen Spannungsfluss zu den Heizungen zu verwenden.

Sind Infrarotöfen kostengünstiger zu betreiben als Konvektionsöfen?
Es gibt viele Variablen, die bestimmen, ob Ihr Infrarotofen weniger kostet. In den meisten Fällen, wenn die richtigen Heizungen zusammen mit dem richtigen Ofendesign in Ihren Heizprozess integriert werden, sparen Sie Geld. Die meisten Energieunternehmen haben Erfahrungen mit Versorgungsunternehmen und sollten in der Lage sein, Ihre Betriebskosten abzuschätzen.

Ist eine Wellenlänge von Infrarot für bestimmte Produkte besser als die andere?
Alle Produkte haben einen bestimmten Wärmebereich, in dem sie Wärme aufnehmen, und je nach Produkttyp, Material, Beschichtung und Prozessgeschwindigkeit Ihres Produkts oder Ihrer Beschichtung kann es erforderlich sein, zu sehen, welche Art von Wärmequelle am besten funktioniert. In vielleicht 95% aller Anwendungen werden mittelwellige Heizungen am besten genutzt.

Was sind die verschiedenen Infrarotwellenlängen?
Die kurze Antwort darauf ist kurzwellig, mittelwellig und langwellig, aber wenn Sie sich auf unseren Abschnitt Infrarot-Grundlagen auf unserer Website beziehen, wird Infrarot in Bezug auf das elektromagnetische Spektrum sehr gut erklärt. Bitte beachten Sie, dass Sie bei gegebener Wellenlänge eine feste Temperatur haben. Wellenlänge gleich Temperatur.

Wie erkenne ich, ob ich Mittelwellen- oder Kurzwellenheizungen habe?
Der schnellste Weg zu sagen, welche Sie haben, ist durch einen Blick auf die Farbe Ihre Heizung emittiert. Aus sicherer Entfernung sehen Sie Ihre Heizung und wenn es eine stumpfe bis leuchtend orange Farbe ist, dann ist es wahrscheinlich Mittelwelle, könnte aber auch langwellig sein. Wenn Ihre Heizung (die typischerweise eine Quarzröhre ist) hellweiß ist, dann ist sie kurzwellig oder könnte auch UV sein.

Was ist der Unterschied zwischen Kurzwellen-, Halogen- und T3-Quarts-Röhren?
Nichts! Diese verschiedenen Namen wurden von verschiedenen Unternehmen angewendet, um der von ihnen verwendeten Marketingstrategie zu entsprechen. Es könnte einige Unterschiede in der Konstruktion jeder dieser Quarzröhren geben, aber sie alle erzeugen Wärme im kurzwelligen Bereich mit typischerweise etwa 100 Watt pro linearem Zoll.

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