Infrared Basics-IR Heating Equipment and Infrared Ovens by PROTHERM, LLC

INFRARED BASICS

Il materiale qui riportato è riprodotto con il permesso della Divisione Infrared Equipment della Industrial Heating Equipment Association dal “Infrared Process Heating Handbook for Industrial Applications,” Copyright c 2005. Tutti i diritti riservati. Per acquistare una copia del Manuale IR, visitare il sito web IHEA: www.ihea.org e clicca su BOOKSTORE.

Che cos’è l’infrarosso?

Confronto a raggi infrarossi con altri metodi di trasferimento di calore può aiutare a capire il metodo di riscaldamento a raggi infrarossi. Tutto il calore viene trasferito con uno dei tre metodi:

  • Il riscaldamento a conduzione è il trasferimento di calore per contatto fisico tra una fonte di calore e l’oggetto da riscaldare.
  • Il riscaldamento a convezione è il trasferimento di calore utilizzando aria riscaldata come mezzo di trasferimento tra la fonte di calore e l’oggetto da riscaldare
  • Il riscaldamento a radiazioni è il trasferimento di calore utilizzando onde elettromagnetiche invisibili di energia da una fonte di calore all’oggetto da riscaldare.

L’infrarosso è uno dei diversi modi per realizzare il riscaldamento delle radiazioni insieme all’ultravioletto, al microonde, alla radiofrequenza e all’induzione. Questo manuale riguarda solo il riscaldamento a infrarossi e quindi useremo i termini radiante e infrarosso in modo intercambiabile.

Una delle prime forme di trasferimento di calore che ognuno di noi incontra è radiosa. Il raggio di sole che ci riscalda è calore radiante.. L’energia radiante non viene assorbita dall’aria e in realtà non diventa calore fino a quando un oggetto non lo assorbe. Mentre l’energia radiante generalmente si presenta come calore, questo è perché vibra e ruota gli atomi nell’oggetto assorbente, il che si traduce in un aumento della temperatura di quell’oggetto. Tuttavia, l’energia radiante può anche presentarsi come un cambiamento chimico nell’oggetto assorbente (polimerizzazione) o evaporazione di acqua o solventi (essiccazione).

Legge di Stefan-Boltzman Come viene prodotta la radiazione infrarossa?

Ogni oggetto con una temperatura superiore allo zero assoluto emette energia infrarossa. Questo perché esiste in ogni oggetto una quantità misurata di calore, quindi ogni oggetto ha la capacità di irradiare calore da se stesso. L’oggetto che irradia calore è chiamato sorgente emettitrice e l’oggetto a cui irradia calore, con una minore quantità di contenuto di calore, è chiamato bersaglio.

Esistono diverse leggi fisiche che spiegano le proprietà della radiazione infrarossa. La legge di radiazione di Stefan-Boltzman afferma che all’aumentare della temperatura di una fonte di calore, la potenza radiante aumenta fino alla quarta potenza della sua temperatura. I componenti di conduzione e convezione aumentano solo in proporzione diretta con il cambiamento di temperatura. In altre parole, all’aumentare della temperatura di una fonte di calore, una percentuale molto maggiore della produzione totale di energia viene convertita in energia radiante.

Ai fini di questo manuale, tratteremo solo le fonti di calore infrarosso utilizzate nelle applicazioni di riscaldamento industriale. Questo in genere significa guardare emettendo temperature di sorgente in un intervallo da 500 gradi Fahrenheit a 4.200 gradi Fahrenheit. (Queste temperature non devono essere confuse con le temperature del set point del forno o altri requisiti di temperatura relativi al prodotto o al processo). Quando la temperatura della sorgente di emissione si sposta da 500 gradi a 4.200 gradi, l’uscita radiante aumenta con un corrispondente aumento della lunghezza d’onda del picco. Ad ogni punto di temperatura, c’è un insieme unico di caratteristiche di lunghezza d’onda e lunghezze d’onda di picco. Un ulteriore insieme di leggi fisiche ci aiuta a capire questa relazione. Applicando la Legge di Planck e la Legge di Wien, è possibile calcolare sia la distribuzione della lunghezza d’onda (distribuzione spettrale) che le lunghezze d’onda di picco di un dato emettitore, operando ad una data temperatura.

Caratteristiche della radiazione infrarossa

Il riscaldamento a infrarossi è il trasferimento di energia termica sotto forma di onde elettromagnetiche. È correlato alla luce visibile e ad altre forme di energia elettromagnetica mostrate nello spettro elettromagnetico sottostante. La parte infrarossa di questo spettro è stata ampliata per dimostrare che possiamo ulteriormente dividere l’infrarosso in onde lunghe, onde medie e onde corte.

Caratteristiche della radiazione infrarossa - grafico
Lo spettro elettromagnetico descrive i vari tipi di energia elettromagnetica in base alla lunghezza d’onda.

Descrivendo un emettitore infrarosso come onda lunga, onda media o onda corta, si può determinare rapidamente l’intervallo di temperatura approssimativo che un emettitore sta operando, nonché un intervallo di lunghezza d’onda approssimativo misurato in micron. Poiché la temperatura di una sorgente determina le caratteristiche di lunghezza d’onda di quella sorgente, la lunghezza d’onda di picco di un dato emettitore può essere controllata solo cambiando la temperatura dell’emettitore. Tutti gli emettitori possono essere regolati per lunghezza d’onda semplicemente regolando le loro temperature. Tuttavia, non tutti gli emettitori sono progettati per raggiungere lo spettro completo di lunghezza d’onda lunga, media e corta.

Ci sono alcune applicazioni di elaborazione del calore che sono piuttosto indulgenti e funzioneranno con infrarossi a lunghezza d’onda lunga, media o corta. D’altra parte ci sono applicazioni in cui è importante scegliere un emettitore in modo che la sua distribuzione di lunghezza d’onda e la lunghezza d’onda di picco corrispondano alle caratteristiche di assorbimento, riflessione e trasmissione del rivestimento o del substrato. In questi processi, la scelta della giusta lunghezza d’onda può fare un’enorme differenza nell’efficienza complessiva e nella velocità del processo e può anche determinare se il processo funziona o meno.

Caratteristiche spettrali dell’infrarosso
Ci sono molti fattori che determinano se un substrato o un rivestimento ha la capacità di riscaldarsi quando viene applicata l’energia infrarossa. Innanzitutto, comprendi che l’energia infrarossa viene assorbita, riflessa o trasmessa. Affinché un oggetto possa essere riscaldato dall’infrarosso, deve essere assorbita una parte dell’energia infrarossa proveniente dalla sorgente di emissione. Una volta che l’energia viene assorbita, il calore generato in superficie viaggia nel materiale per conduzione.

Sorgente infrarossa

I fattori che descrivono il comportamento dell’infrarosso sono indicati come Caratteristiche spettrali. Spiegano fino a che punto l’infrarosso viene riflesso o assorbito in diversi materiali. Per tutte le applicazioni di riscaldamento, l’abbinamento dell’uscita infrarossa con lo spettro di assorbimento produrrà un processo di riscaldamento efficace ed efficiente dal punto di vista energetico.
Emissività appoximata dei metalli La relazione tra riflettività e assorbimento è chiamata emissività. Una scala di emissività con un valore numerico da 0 a 1 è già stata sviluppata per tutti i materiali. Un assorbitore perfetto dell’infrarosso avrà un valore di emissività di 1 ed è chiamato assorbitore del corpo nero. All’altra estremità della scala, un perfetto riflettore a infrarossi avrà un valore di emissività pari a 0. Sebbene l’emissività possa variare con spessore, temperatura e lunghezza d’onda, l’emissività è generalmente approssimata con un valore costante. È possibile trovare questo valore per molti materiali comuni nelle tabelle di emissività trovate in molti manuali di ingegneria. Un breve elenco di valori di emissività per alcuni dei materiali più comuni utilizzati nei processi industriali è fornito nella tabella a destra.
Un’altra considerazione per le applicazioni a infrarossi è la sensibilità del colore, che descrive il ruolo che il colore ha nel determinare l’assorbimento e la riflettività dell’infrarosso. Questo può essere un problema con colori altamente riflettenti come argento o cromo, e deve essere considerato con alcuni colori bianchi e gialli poiché tendono a scolorire se surriscaldato. La sensibilità del colore è più pronunciata con temperature di emettitore più elevate. Per questo motivo, gli emettitori ad onde corte sono i più sensibili al colore e gli emettitori a lunghezza d’onda lunga sono i meno sensibili al colore. In molti processi industriali, la sensibilità del colore con emettitori di lunghezza d’onda media e lunga produce un cambiamento di temperatura così piccolo da essere trascurabile.

Le variazioni di assorbimento possono anche essere diverse per lo stesso colore a seconda che la finitura sia lucida, satinata o piatta. Quando si applica il calore a infrarossi, prendere in considerazione il colore e le caratteristiche superficiali del materiale. Per ottenere i migliori risultati, è necessario testare una gamma di temperature del riscaldatore per ottenere le migliori caratteristiche di assorbimento sui colori sospetti.

FAQ

L’infrarosso ha bisogno della linea di vista per curare o riscaldare i prodotti?
In genere l’infrarosso ha bisogno di una linea di vista per curare o riscaldare i prodotti, ma se si incorporano i giusti riscaldatori e una corretta configurazione del riscaldatore insieme a un controllo adeguato è possibile superare questo ostacolo. Una società rispettabile infrarossi dovrebbe essere in grado di dirvi attraverso l’esperienza o test se la vostra parte può essere riscaldata.

Qual è il modo migliore per controllare gli infrarossi?
Il processo di riscaldamento, il tipo di riscaldatori utilizzati e la parte in genere determinano il tipo di sistema di controllo da utilizzare. Il controllo dei radiatori può essere fatto facendo uso dei regolatori di temperatura semplici al controllo completo dello SPA. Inoltre è possibile utilizzare termocoppie nei riscaldatori o termocoppie senza contatto per un controllo molto preciso. Si consiglia vivamente di utilizzare il controllo della potenza SCR o il flusso di tensione lineare ai riscaldatori.

I forni a infrarossi sono meno costosi da utilizzare rispetto alla convezione?
Ci sono molte variabili che determinano se il forno a infrarossi costerà meno per funzionare. Nella maggior parte dei casi, se i riscaldatori adeguati insieme a una corretta progettazione del forno sono incorporati nel vostro processo di riscaldamento vi farà risparmiare denaro. La maggior parte delle aziende a infrarossi hanno esperienze di lavoro con le società di servizi e dovrebbe essere in grado di stimare i costi operativi.

Una lunghezza d’onda dell’infrarosso è migliore dell’altra per i prodotti specifici?
Tutti i prodotti hanno un intervallo di calore specifico che assorbono calore e in base al tipo di prodotto, materiale, rivestimento e velocità di processo del prodotto o rivestimento può essere necessario per vedere quale tipo di fonte di calore funziona meglio. In forse 95% di tutte le applicazioni di media lunghezza d’onda riscaldatori sono meglio utilizzati.

Quali sono le diverse lunghezze d’onda infrarosse?
La risposta breve a questo è a onde corte, a onde medie e a onde lunghe, ma se fai riferimento alla nostra sezione sulle basi dell’infrarosso sul nostro sito Web, fa un ottimo lavoro nel spiegare l’infrarosso come si riferisce allo spettro elettromagnetico. Si prega di tenere presente che a data lunghezza d’onda si dispone di una temperatura fissa. Lunghezza d’onda uguale alla temperatura.

Come posso sapere se ho riscaldatori a onde medie o a onde corte?
Il modo più rapido per dire quale hai è guardando il colore che il riscaldatore sta emettendo. Da una distanza di sicurezza visualizzare il riscaldatore e se si tratta di un opaco al colore arancione brillante allora è probabilmente onda media, ma potrebbe anche essere onda lunga. Se il riscaldatore (che è in genere un tubo di quarzo) è bianco brillante, allora è a onde corte o potrebbe anche essere UV.

Qual è la differenza tra tubi a onde corte, alogeni e T3 quarts?
Niente! Questi nomi diversi sono stati applicati da varie aziende per adattarsi alla strategia di marketing che utilizzano. Potrebbero esserci alcune differenze nella costruzione di ciascuno di questi tubi di quarzo, ma tutti producono calore nella lunghezza d’onda corta a circa 100 Watt per pollice lineare.

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