Как работает инфракрасный нагрев
Инфракрасные системы содержат инфракрасные излучатели
, нагревающие объект до высоких температур. Конечная температура детали определяется временем выдержки ее в инфракрасной печи. Передача ИК энергии растет по мере увеличения разницы между температурой нагревателя и температурой нагреваемой детали.
Инфракрасная или ИК энергия состоит из электромагнитных волн
, которые передают энергию непосредственно продукту со скоростью света. При высоких температурах окружающей среды в печи немного энергии рассеивается на влажность воздуха внутри, и эта потеря оказывает незначительное влияние на производительность системы. Если энергия отражается или не попадает в продукт, она не теряется. Вместо этого инфракрасные лучи отражаются от внутренних стенок печи, которые могут быть с отражающей поверхностью, или повторно излучается на продукт от противоположного нагревателя.
Все органические материалы, такие как краски, порошки, пластмассы, пленки, ткани и бумага, имеют уникальные спектры электромагнитного поглощения, которые, как и отпечатки пальцев, являются характеристиками, специфичными для состава материала. Спектры поглощения обычно основаны на определенной толщине материала и будут показывать максимальную и минимальную длины волн. То есть области, где материал поглощает инфракрасную энергию, области, где материал пропускает инфракрасное излучение через материал, и области с частичным поглощением.
Основываясь на этих знаниях, можно выбрать длину волны нагревателя, эффективную для нагрева поверхности или всей толщины для каждого материала.
Поглощение
Инфракрасное излучение может отражаться, поглощаться и проводиться. Есть простое арифметическое соотношение между 3 этими стадиями, которое даёт в сумме 1 или 100%. 1 или 100% по-другому называют абсолютным чёрным телом. Абсолютно чёрное тело — физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах. Таким образом, у абсолютно чёрного тела поглощательная способность равна 1 для излучения всех частот, направлений распространения и поляризаций.
Излучение = Отражение + Поглощение + Передача.
Определите, когда использовать инфракрасный, а когда конвекционный обогрев
Конвекционные печи
— самый простой способ разогреть продукт. При конвекции, будь то электрическая или газовая система, энергия передается продукту, сначала нагревая воздух, который затем передает энергию материалу.
В электрических системах обычно используются открытые нихромовые спирали, сухие керамические ТЭНы или ТЭНы с металлической оболочкой для воздуха. В газовых системах прямого сжигания пламя используется для непосредственного нагрева воздуха. В газовых системах косвенного сжигания используется теплообменник для отделения технологического воздуха от воздуха для горения.
Чтобы понять разницу между конвекционным обогревом и инфракрасным излучением, рассмотрим следующий пример: вы сидите перед закрытым окном перед восходом солнца, а в комнате прохладно. Вы включаете обогрев в комнате, и температура в комнате постепенно повышается до вашего комфортного уровня. Когда солнце начинает светить в окно, сразу становится тепло, хотя температура воздуха в комнате не изменилась. Солнце дает вам инфракрасную энергию быстрее, чем воздух в комнате отводит ее. Инфракрасная энергия может передаваться непосредственно продукту с гораздо большей скоростью, чем конвекция.
В конвекционной печи продукт проводит значительную часть от общего времени пребывания в ней только до достижения температуры процесса. Это основная часть потребляемой энергии.
Инфракрасное излучение нагревает материал до температуры быстрее, чем конвекционная печь, из-за более высокой скорости передачи энергии, а также производит нагрев с большей эффективностью.
В конвекционной печи с типичным временем выдержки от 20 до 30 минут может потребоваться от 15 до 20 минут, чтобы довести детали до температуры; инфракрасная печь может сократить время до 1–3 мин. Это связано с тем, что инфракрасное излучение является прямой формой передачи энергии, которая не зависит от проводимости через такую среду, как воздух. Другие преимущества включают уменьшенную длину конвейера, меньшее количество креплений и экономию площади пола. Общая цель — снизить удельные затраты на обработку.
Термины, используемые для измерения тепла
Тепло — это вид энергии, которая измеряется Джоулях (Дж) или в БТЕ (британская тепловая единица). Джоуль — это единица измерения, которая и используется в термодинамике. БТЕ чаще используется даже в США, несмотря на своё имя. Калории очень редко используются в термодинамике. Мощность нагрева измеряется в Ваттах (Вт) и рассчитывается как 1Дж/сек. Тепловой поток (Φq) рассчитывается как единица мощности на единицу площади и измеряется в Вт/м² или в Вт/см².
Несмотря на то что температуру можно измерять различными единицами, в промышленности чаще всего используют градусы Цельсия (°С). Однако, Кельвины (К) используются в научных целях, так как они помогают сделать более точные измерения, а Фаренгейты (°F) в основном используются в США.
Проверьте совместимость деталей с инфракрасным излучением
Цель состоит в том, чтобы определить, будет ли система, разработанная с использованием инфракрасного излучения, иметь преимущества перед конвекционной системой.
Трудности с инфракрасным нагревом
могут возникнуть, если:
- Собранные детали, изготовленные из нескольких материалов.
- Материалы разной плотности.
- Плохо проводящие тепло изделия со скрытыми участками сложной формы.
Инфракрасный нагрев будет эффективен
в случаях, если:
- Материал будет быстро проводить тепло (например, большинство металлов).
- Деталь, если на ней есть скрытые области, можно повернуть.
- Детали подвешиваются на подвесном конвейере только в один ряд (не складываются вдвое, если части детали скрыты от инфракрасной энергии), или детали представляют собой низкопрофильные конструкции, плоские панели или непрерывные полотна.
Чтобы компенсировать детали, которые не являются идеальными кандидатами для инфракрасного излучения, часто разрабатываются комбинированные инфракрасные / конвекционные системы. Чем выше доля энергии процесса, обеспечиваемая конвекцией, тем ниже будет общий КПД печи. В какой-то момент преимущества комбинированной инфракрасной / конвекционной системы больше не будут экономичными, и следует использовать традиционную конвекционную систему.
Потолочный, настенный или, может быть, напольный?
И главная «головная боль» – это потолочный, настенный или напольный инфракрасный обогреватель подойдет именно вам? Самым популярным по типу крепления является потолочный. Он заслуженно лидирует за счет трех факторов: не занимает дополнительного места, имеет самый широкий диапазон действия и выпускается в большом количестве вариантов. Из недостатков же – нужен точный расчет мощности с учетом высоты потолка, площади помещения и уровня теплоизоляции. Настенный инфракрасный обогреватель выигрывает у потолочного при необходимости нагреть только определенную зону, например диван в гостиной, на котором семья комфортно сможет смотреть ТВ. А настенные пленочные панели еще и послужат эксклюзивным элементом декора. Неизменным лидером в мобильности служит напольный инфракрасный обогреватель. Его можно перемещать из комнаты в комнату при необходимости, или даже брать с собой на дачу для дополнительного отопления в выходные дни. А некоторые пленочные панели можно даже спрятать под ковер.
Поймите разницу между коротковолновым, средним и длинноволновым инфракрасным излучением
Доступны инфракрасные обогреватели, которые излучают в коротковолновой, средней и длинноволновой областях инфракрасного спектра. Наиболее эффективный тип нагревателя для конкретного процесса определяется фактическим процессом и потребностями продукта. Это относится к спектрам электромагнитного поглощения нагреваемого продукта и к тому, сколько энергии требуется для этого процесса.
Коротковолновые нагреватели
Коротковолновые или высокоинтенсивные нагреватели
излучают энергию в диапазоне длин волн менее 2 микрон. Поскольку коротковолновые нагреватели могут излучать часть своей энергии в области видимого света, процесс может быть чувствительным к разным цветным покрытиям и может потребовать различных настроек печи для каждого из них. Коротковолновая энергия имеет тенденцию проникать через тонкие органические покрытия.
Коротковолновые нагреватели обычно представляют собой кварцево-вольфрамовые галогенные лампы и обычно используют отражатели или огнеупоры, чтобы направить часть производимой энергии на продукт. Предполагаемый срок службы нагревателя составляет примерно 5000 часов при работе на номинальной мощности.
Средневолновые нагреватели
Обогреватели средней длины волны
или средней интенсивности излучают в диапазоне длин волн от 2 до 4 микрон. Средневолновые нагреватели доступны во многих конфигурациях, включая трубчатые кварцевые нагреватели, стандартные кварцевые панели QP, карбоновые ик излучатели, а также нестандартные кварцевые панели.
Инфракрасное излучение средней длины волны имеет тенденцию непосредственно поглощаться органическими покрытиями. Пиковое поглощение воды попадает в этот режим, что делает его пригодным для эффективного нагрева продуктов с высоким содержанием влаги или покрытий на водной основе. Некоторые конструкции обогревателей имеют встроенные световозвращающие устройства для сокращения затрат на техническое обслуживание. Продолжительность жизни может превышать 30 000 часов.
Длинноволновые нагреватели
Длинноволновые или низкоинтенсивные нагреватели
излучают в области более 4 микрон. На самых низких уровнях энергии длинноволновые обогреватели приближаются к более низкой эффективности конвекционной печи.
Керамические инфракрасные нагреватели относятся к средне и длинноволновому излучению, так как они могут иметь длину волны от 2 до 10 мкм в зависимости от мощности.
Устройство ИК обогревателей
Конструкция ИК нагревателей является довольно простой. Нагревательная проволока или нить размещается в корпусе, который зависимо от требований к нагревателю может иметь различную форму и вид. Внутри корпусной основы помещается специальный отражатель, клеммные элементы для подключения к сети. Снаружи корпуса размещена клемма, через которую проходят внешние выводы.
Такой дизайн обогревателя имеет большую схожесть с прожекторами для галогеновых ламп, которые используются для подсветки фасадов, рекламы, дворов и т.д. Данные элементы применяют для локального освещения небольшой территории. С их помощью можно легко поддерживать температуру отдельных участков, не неся энергетических затрат на нагрев всего площади.
Точечный ИК нагрев
Подразумевает тепловое воздействие направленным тепловым потоком. В ресторанах такие элементы используются для обогрева локальных зон у отдельных столиков. Устанавливают их, как и светильники, привинчивая к потолку.
Полный нагрев
Эти нагреватели изготавливаются в различных вариантах, т.к. пользуются большим спросом. Ими можно обогреть помещения большой площади: промышленные цеха, складские помещения, офисы, гостиные, залы ресторанов и т.д. В конструкции полого нагревателя входит карбоновая лампа.
Разработайте конвейерную систему, совместимую с инфракрасным излучением
Инфракрасное излучение, как и свет, передает энергию тому, что видит. Внутри инфракрасной печи энергия, которая не поглощается продуктом напрямую, будет отражаться или повторно излучаться (обычно на более низкой длине волны) внутри корпуса печи, предоставляя множество возможностей для поглощения энергии продуктом. Материал, из которого изготовлено изделие, может способствовать передаче энергии, получаемой от инфракрасного обогревателя, к скрытым областям на изделии. Это касается металлических изделий с высокой проводимостью.
При использовании инфракрасной системы наиболее эффективное представление детали происходит в одном измерении. Если покрытие находится на одной стороне, инфракрасное излучение можно разместить на стороне с покрытием или на обеих сторонах, чтобы сократить общее время пребывания в печи. Для трехмерных деталей вращение детали в печи часто повышает однородность нагрева продукта.
Инфракрасное излучение не обеспечивает максимальной эффективности:
- когда детали имеют большие размеры и сложную форму;
- когда они транспортируются с несколькими частями по ширине конвейера;
- когда они подвешены на стойке, где одна часть может быть заблокирована или скрыта от инфракрасной энергии другой частью.
Если вы не полагаетесь на теплопроводность от открытых участков или на помощь горячего воздуха, изделие должно иметь близкую к «прямой видимости» инфракрасную энергию.
Кварцевые излучатели
Данный тип излучателей воздействует теплом на окружающие поверхности, не растрачивая энергии на воздушное пространство. Подача лучей происходит в диапазоне волн средней длины. Расположенная внутри кварцевой трубки катушка высокого сопротивления позволяет нагревателю быстро выходить на заданный рабочий режим и быстро сбрасывать температуру. За счет этого при цикличных методах обработки изделий высокими температурами удается значительно сэкономить электричество. Зачастую кварцевые трубки устанавливают в оборудование вакуумной и термической формовки, ИК-сушилки и термоусадочные машины. Выводы для включения в сеть располагаются на обоих концах трубки. Соединение можно произвести болтами или термостойкими проводами. На провода с целью термозащиты производитель может нанести бусы из керамики. На гибкость выводов это не влияет. Для фокусировки лучей и их направленности в правильную сторону кварцевые трубки могут быть заключены в стальной отражатель.
Контроль температуры процесса
Управление процессом без обратной связи
— это когда источник инфракрасного излучения, газовый или электрический, устанавливается в процентах от полной мощности. Это похоже на обычную электрическую или газовую кухонную плиту, где у вас есть низкие, средние или высокие настройки. В систему управления не поступает информация о фактической температуре нагревателя или продукта.
В управлении процессом с обратной связью
используется устройство измерения, такое как термопара. Системы управления с обратной связью могут автоматически компенсировать изменения температуры окружающей среды, изменения температуры продукта на входе и колебания линейных напряжений в электрических системах.
Для некритических процессов, где допустимая температура продукта может находиться в диапазоне от 14 до 28 o C, регулирование с разомкнутым контуром является более эффективным с точки зрения затрат и может обеспечить достаточный контроль продукта и повторяемость процесса. Там, где требуется жесткий контроль температуры, например, менее 5 ø C, замкнутый контур управления является предпочтительным выбором.
Комбинированные системы могут использоваться, когда первая часть процесса регулируется без обратной связи, чтобы поднять продукт до общего температурного диапазона, а последняя часть системы является замкнутой, обеспечивая желаемый конечный температурный допуск и повторяемость для всего процесса.
Особенности монтажа
Процедура установки инфракрасных нагревательных панелей не отличается сложностью: достаточно выполнить указания в инструкции. Ее можно отыскать на сайте изготовителя приобретенного оборудования. После окончания монтажных работ нужно будет лишь включить прибор в электросеть.
ИК обогреватели монтируются на стены и потолок. При выборе потолочного устройства стоит учитывать такие рекомендации:
- Важно подготовить подходящий крепеж: он непременно должен быть прочным, чтобы надежно удерживать массу устанавливаемого прибора.
- Обогреватель фиксируется посредством креплений, идущих с ним в комплекте. Зачастую это стальные цепи, жесткие кронштейны.
- В процессе монтажа нужно исключить соприкосновение нагревающей поверхности с легковоспламеняющимися веществами, материалами.
- Используя специальную ленту, важно сделать изоляцию контактов электропроводки.
Используйте инфракрасный нагрев для модернизации и замены систем
Если у вашей компании есть конвекционная печь или даже существующая инфракрасная печь, которая не работает должным образом для достижения ваших производственных целей, подумайте о модернизации системы.
Если существующая печь находится в хорошем состоянии и на линии есть место для добавления инфракрасной системы предварительного или последующего нагрева, бустерная система может обеспечить наибольшую окупаемость инвестиций.
Обычное применение — инфракрасная система предварительного нагрева на линии порошкового покрытия. Инфракрасное излучение будет обеспечивать энергию для плавления порошка. Фактические эксплуатационные расходы на каждую деталь могут снизиться, поскольку энергия, потребляемая конвекционной печью, будет уменьшена до энергии, необходимой только для поддержания температуры детали. Качество продукта может повыситься, потому что с бустерной системой продукт может дольше выдерживать температуру для лучшей текучести.
Компания Полимернагрев производит инфракрасные нагреватели различных типов
: керамические, кварцевые, галогенные лампы, карбоновые, а также готовое инфракрасное оборудование, такое как печи полимеризации порошкового окрашивания, формовочные столы, инфракрасные панели, туннельные сушки и многое другое.
В чем таится реальная опасность?
Одно из наиболее вероятных вредных воздействий ИКО – это пересыхание кожных покровов. Поверхность кожи, находясь под воздействием инфракрасного источника, нагревается и с ее поверхности испаряется влага. Но так как подкожные слои при этом не успевают нагреться, выделения организмом пота не наступает. Из-за этого кожа и «высыхает», иногда получаются ожоги.
Галерея изображений
Фото из
Реальная опасность газовых приборов
Газовый фонарь-обогреватель на даче
Уличный вариант газового оборудования
Установка газового обогревателя в доме
Если верить отзывам потребителей об инфракрасных агрегатах, то эффект «подпекания» при их эксплуатации довольно распространен, особенно страдает кожа в ИК-саунах. Влияние интенсивного инфракрасного излучения на людей изучается уже давно – и физиотерапевтами, и заведующими вопросами охраны труда специалистами.
При длительном или не дозированном воздействии ИК-лучи считаются высоковредным фактором. В физиотерапии эффект от применения лучистого тепла считается благотворным при строго регламентированных «порциях» и небольшой продолжительности облучения.
Допустимая интенсивность инфракрасного облучения поверхности человеческого тела (при длительном пребывании в помещении с ИК-источником) регламентируется СанПиН 2.2.4.548—96
Таят ИК-обогреватели в себе опасность и для глаз – термальное поражение хрусталика и сетчатки может спровоцировать развитие катаракты, а также способствовать прогрессированию имеющихся проблем с органами зрения.
Направленные непосредственно на голову инфракрасные лучи вызывают мигрень, тошноту, ухудшение общего самочувствия. Особенно часты подобные жалобы от владельцев потолочных излучателей.
Принесет ли реальный вред инфракрасный обогреватель, зависит в каждом конкретном случае от таких моментов:
- Длина излучаемых оборудованием волн. Наиболее благоприятны для человеческого организма длинные тепловые волны; короткие же, проникая сквозь кожу и даже кости черепа действуют не наилучшим образом;
- Интенсивность излучения. На ИК-лучи интенсивностью до 100 Вт/м2 организм реагирует положительно: повышается активность биохимических процессов, появляется бодрость, улучшается аппетит. А вот интенсивность излучения свыше 150 Вт/м2 может быть опасна: она угнетает иммунитет, приводит к необратимым поражениям клеток;
- Индивидуальная восприимчивость. Одни люди прекрасно реагируют на воздействие ИК-лучей, у других моментально ухудшается самочувствие. Нужно всегда прислушиваться к своим ощущениям.
Стоит также помнить, что есть ряд заболеваний, при которых ИК-обогрев противопоказан вне независимости от пожеланий (опухоли, сердечнососудистые заболевания).
