Инфракрасные устройства, создающие световые и тепловые потоки, находят широкое применение как в промышленности, так и в личном хозяйстве. Особенно актуальны газовые инфракрасные излучатели для производственных помещений, которые работают на основе способности нагретых объектов выделять тепло в окружающую среду.
В данной статье мы подробно рассмотрим принципы работы инфракрасного оборудования. Вы ознакомитесь с различными типами таких устройств и их особенностями, а также с популярными моделями на современном рынке.
Краткое содержание статьи
Суть инфракрасного излучения
Инфракрасное излучение существенно отличается от привычного видимого света. Эти два типа света схожи по скорости распространения и могут преломляться, отражаться и собираться в пучок. Однако, в отличие от обычного света, который представляет собой электромагнитные волны, ИК-излучение обладает как волновыми, так и квантовыми характеристиками, обеспечивая передачу света и тепла одновременно.
Как обычный свет, так и инфракрасное излучение являются потоками электромагнитных волн. Главное отличие заключается в том, что в видимом свете доминирует его видимая часть, а в инфракрасном — видимый компонент сочетан с тепловым.
Свет, излучаемый инфракрасными устройствами, движется волнообразно, и его электромагнитные колебания варьируются в диапазоне от 760 нм до 540 мкм. В то же время, тепло, выделяемое ИК излучателями, представляет собой поток квантов с энергией от 0,0125 до 1,25 эв.
Тепловые и световые потоки, генерируемые инфракрасными приборами, имеют взаимосвязь: при увеличении световой интенсивности уменьшается поток тепла. В зависимости от температуры, инфракрасное излучение может восприниматься или не восприниматься человеческим глазом, в то время как тепловое излучение обычно невидимо.
Эта уникальная характеристика инфракрасных излучений применяется в промышленности для ускорения процессов полимеризации и отверждения, а также позволяет обнаружить наличие человека или животного в условиях недостаточного освещения или темноты.
Приборы с инфракрасным обогревом излучают сочетание света и тепловой энергии, что способствует созданию комфортного микроклимата на различных объектах: от стойплощадок и мастерских до теплиц и птицеферм.
Инновационные технологии инфракрасного излучения стали основой для создания устройств ночного видения, используемых как в дефектоскопии, так и в скрытых системах сигнализации, а также для фотографирования в условиях низкой освещенности.
Обе составляющие инфракрасного излучения слабо рассеиваются в воздухе и фокусируются на объектах в своей зоне действия. Тепло может проникать в нагреваемое тело на различную глубину, которая зависит от материала и структуры объекта — от долей миллиметра до нескольких миллиметров.
Инфракрасные обогреватели можно устанавливать на пол, крепить к стенам или подвешивать к потолку. Они отличаются отсутствием открытого пламени, сохраняют кислород в воздухе и не поднимают пыли, как это делают конвекторы.
В промышленных условиях длина волны инфракрасных источников выбирается, исходя из технических характеристик нагреваемого материала. ИК-излучения легко проходят через воздух, что обеспечивает эффективный обогрев без потерь, что является значительным преимуществом для производства.
Помимо своих основных функций, инфракрасные излучатели применяются для:
- ускорения процессов сушки древесины, пленок и полимеров;
- обеспечения быстрых этапов затвердевания покрытий на металлах и железобетоне;
- разработки эффективного медицинского оборудования;
- обогрева растений в теплицах.
Виды источников инфракрасного излучения
К наиболее простым источникам инфракрасного излучения относятся знакомые всем лампы накаливания, работающие от незначительного напряжения, которые в основном излучают инфракрасные волны, при этом доля видимого света незначительна, хотя ее можно заметить.
Сегодня на рынке доступны различные виды ИК-излучателей для частных и промышленных нужд.
Сферы их применения зависят от:
- рабочей температуры;
- максимальной длины волны;
- однородности распространения инфракрасного потока.
С учётом вышеуказанных факторов, подбирается необходимый прибор для решения конкретных задач.
К популярным вариантам инфракрасных излучателей относятся:
- Лампы с зеркальными отражателями, у которых максимальная длина волны достигает 1,05 мкм;
- Кварцевые трубчатые лампы с длиной волны от 2 до 3 мкм;
- Стержневые неметаллические обогреватели, которые комплектуются рефлекторами и имеют максимальную длину волны от 6 до 8 мкм;
- Трубчатые электрические нагреватели, широко используемые в бытовых и производственных условиях с ТЭНами;
- Инфракрасные горелки с керамическими или металлическими перфорированными насадками, применяемые в строительстве для обогрева площадок во время выполнения отделочных работ.
Инфракрасные устройства находят применение и в сельском хозяйстве, например, для обогрева молодняка птицы и новорожденных животных или в теплицах для стимуляции роста растений.
{H2_2}
Среди источников инфракрасного излучения можно выделить следующие категории:
- Инфракрасные лампы – это устройства, которые излучают световые и тепловые потоки;
- Нагреватели, используемые для обогрева как закрытых помещений, так и открытых пространств, работающие на электричестве или любом топливе, будь то жидкое или газообразное. Нагреватель может состоять из ТЭНа или сопротивляющей спирали.
Согласно классификации по длине волны, инфракрасные источники делятся на темные и светлые группы. Первые излучают длинные волны, в то время как вторые — короткие.
Темные и светлые ИК излучатели
Светлые источники infrakrasovyh лучей способны создавать видимый свет. Потоки, которые они излучают, могут восприниматься зрением, хотя слабыми и неэффективными для освещения они являются. Использовать их именно с этой целью обычно нецелесообразно.
Темные устройства излучают невидимый поток тепла, который можно ощутить на коже, однако визуально он недоступен для восприятия. Граничное значение между этими двумя типами составляет 3 мкм, а температура нагреваемой поверхности — 700°C.
Способность инфракрасных источников выделять тепловую энергию активно используется в тепличном и животноводческом хозяйствах для поддержки молодого поголовья.
Наиболее известным представителем «темных» нагревателей считается традиционная русская печь, которая на протяжении веков успешно обогревает дома. К «светлым» источникам можно отнести лампы накаливания, которые, как правило, производят лишь до 12% света, в то время как основное количество энергии уходит на тепло.
Особенности конструкции светлых приборов
Конструкция светлых источников схожа с привычными лампами накаливания, но есть различия в материалах и характеристиках. Такие устройства, как правило, не превышают температуры 2270-2770 К, что позволяет увеличить тепловую мощность за счёт уменьшения светового потока.
Так же, как и у стандартных лампочек, нить накала изготавливается из вольфрама и помещается в герметичную стеклянную колбу. Однако для светлых инфракрасных приборов колба оснащена отражателями для фокусировки излучаемой энергии на нагреваемом объекте, при этом минимальная часть тепла уходит на нагрев цоколя лампы.
Светлая инфракрасная колба подвержена нагреванию до высоких температур, что приводит к её участию в процессе передачи тепла в окружающую среду. Тепловая энергия, выделяемая горячей колбой, не концентрируется рефлектором и уходит в атмосферу, что существенно снижает эффективность прибора.
Инфракрасные лампы схожи по своей конструкции и технологии подключения с традиционными лампочками накаливания. Однако их температура накала намного ниже, что способствует многократному увеличению срока службы.
Средний КПД светлого инфракрасного источника составляет около 65%. Увеличить его можно, разместив вольфрамовый элемент в кварцевой трубке или колбе. Это позволяет продлить длину волны до 3,3 мкм и снизить рабочую температуру до 600°С.
Такой подход используется в кварцевых инфракрасных обогревателях, в которых хромоникелевая проволока оборачивается вокруг кварцевого стержня, расположенного в кварцевой трубке.
Светлые инфракрасные излучатели, как правило, имеют низкую эффективность. Обычно их инфракрасный поток не перевышает 65% КПД.
Работа этих источников состоит в двойном использовании нагретого провода. Часть выделяемой тепловой энергии идет на обогрев, а другая повышает температуру кварцевого стержня, который также излучает тепло.
Преимуществами трубчатых устройств можно считать устойчивость к неблагоприятным атмосферным условиям всех компонентов, сделанных из кварца и керамики. Однако керамика может быть довольно хрупкой.
Особенности работы и конструкции темных обогревателей
Темные инфракрасные источники более практичны по сравнению со светлыми. Их излучающие элементы имеют более продуманную конструкцию. Нагреваемый проводник не выделяет тепло напрямую, так как это делает окружающая металлическая оболочка.
Рабочая температура таких приборов составляет 400-600°C. Чтобы предотвратить нецелевое использование тепловой энергии, темные излучатели оснащаются рефлекторами, которые направляют тепловые потоки в нужном направлении.
Длинноволновые темные источники не боятся механических повреждений, благодаря тому что хрупкие полимерные и керамические детали защищены металлической оболочкой и теплоизоляцией. КПД этой группы излучателей достигает 90%.
Темные инфракрасные излучатели подбираются исходя из желаемой интенсивности теплового потока, при этом световой эффект не является основным критерием.
Чтобы сконцентрировать тепловой поток на определенной зоне, инфракрасные приборы оборудованы рефлекторами, что позволяет увеличить уровень нагрева при минимальных затратах энергии.
Инфракрасные излучатели эффективно применяются на открытых пространствах, находя применение как в промышленных, так и в коммерческих и жилых зонах.
Для помещений с невысокими потолками рекомендуется использовать греющее оборудование темной группы.
Тем не менее, эти устройства тоже имеют свои недостатки. Обогреватели темного типа требуют внимательного подхода к конструктивным особенностям. Если расстояние между основным излучающим элементом и обрабатываемой поверхностью велико, то это может привести к охлаждению излучателя за счет проходящего воздуха, что снижает эффективность работы.
Из-за особенностей конструкции темные модели хорошо подходят для обогрева помещений с низкими потолками и площадей, которым требуется линейное распределение тепла. Светлые же рекомендованы для высоких потолков и вертикально вытянутых пространств.
Газовые горелки как источник ИК лучей
Приборы, функционирующие по принципу беспламенной переработки газа, именуются газовыми горелками или инфракрасными газовыми излучателями. Они выделяют значительное количество тепла, которое передается в пространство через их излучающую поверхность.
В промышленных масштабах газовые инфракрасные обогреватели, представляющие собой горелки, находят широкое применение в строительстве и монтаже. Основная часть выделяемой тепловой энергии поступает от керамических насадок горелок.
В качестве насадок используются:
- керамические пластины с перфорацией, плоские или рельефные;
- керамические щиты с равномерно распределенными порами;
- керамические элементы с сетчатым никелевым экраном, а также металлические и каталитические насадки.
Все указанные отверстия в керамических или металлических элементах служат как огневые каналы.
Тепло, выделяемое каталитической насадкой, образуется в результате окислительной реакции, активируемой подачей газа на пластину.
Для работы этого вида инфракрасных излучателей используется магистральный газ, сжиженный газ или искусственные смеси. В России производятся горелки для обработки как сжиженного, так и магистрального газа, тогда как зарубежное оборудование в основном работает с сжиженным и искусственным газом.
Газовые инфракрасные горелки перерабатывают газ с коэффициентом сжигания приблизительно равным единице. Их работа осуществляется на магистральном, сжиженном и синтетическом газе.
При соблюдении правил эксплуатации продукты сгорания от газовой горелки выделяются в минимальных количествах с низким уровнем окислов азота и угарного газа.
Газовые инфракрасные горелки (ГИГ) оснащаются соплами для подачи газа, позволяющими накачивать газ с высокой скоростью. Это обеспечивает необходимую подачу воздуха для горения, который «впрыскивается» потоками через инжектор в распределительную камеру.
Сверху над излучающей деталью установлена металлическая конструкция, которая не только увеличивает КПД, но и может служить поддержкой для посуды, если на горелке осуществляется приготовление пищи.
Газ не только ввлекает воздух, но и смешивается с ним в инжекторе, образуя газовоздушную смесь, подходящую для полного сгорания. Эта смесь проходит через поры, перфорацию или щели керамической насадки, где происходит полное сгорание в тонком слое толщиной не более 1,5 мм.
Горелки с плоскими керамическими насадками
Большая часть тепловой энергии передается керамическим плиткам, которые нагреваются до очень высоких температур за короткий срок. Внешняя сторона керамического элемента становится дополнительным источником тепла.
На долю керамической насадки приходится от 40 до 60% излучаемой энергии от промышленного газового инфракрасного обогревателя. Для повышения эффективности устройства над насадкой устанавливают сетчатый экран. Для увеличения площади теплопередачи перфорированные плитки соединяются с применением огнеупорной замазки.
Практически все модели мобильных газовых горелок оснащены механизмами, позволяющими изменять положение агрегата.
Устройства, предназначенные для закрытых помещений, комплектуются системами безопасности, предотвращающими возможность возгорания в критических ситуациях.
Основные технические характеристики оборудования указаны на шильдике, прикрепленном к корпусу, устойчивому к высоким температурам.
Полный набор данных о инфракрасном излучателе можно найти в техническом паспорте, который обязательно следует изучить перед покупкой.
Ключевым показателем является диаметр огневых каналов, который определяет, какой газ способен перерабатывать прибор. Он также влияет на общее количество отверстий в керамической плитке: чем их больше, тем более хрупким становится теплоизлучающий элемент, и он будет более подвержен механическим повреждениям.
Нагреватели с ребристым типом насадки
Кроме плоских керамических насадков с перфорацией используются рельефные элементы. Их применение стимулирует теплообмен между излучающей поверхностью и горящим газом. Ребристые керамические плитки лучше нагреваются, при этом тепловая нагрузка остается на прежнем уровне, что не увеличивает ее.
Плоские и рельефные керамические насадки могут нагреваться до 1473 К, тогда как пористые керамические элементы ограничиваются 1237 К. Пористые варианты проще в производстве, следовательно, стоят дешевле, а также могут быть изготовлены из отходов керамической промышленности.
Использование керамических насадок с рельефной текстурой существенно увеличивает площадь, передающую тепло конечному пользователю.
Толщина пористых плиток составляет 30 мм, что значительно увеличивает их устойчивость к физическому воздействию. Когда горелка с такой насадкой работает, газовоздушная смесь, покидая распределительную камеру, сгорает на наружной поверхности керамической плитки, образуя слой в 2 мм.
Область горения в пористом элементе может продвигаться от внешней стороны к глубине до 3-5 мм. При этом температура нагрева не превышает 1123 К.
Недостатком пористых насадок для ГИГ является чрезмерное гидравлическое сопротивление, что делает невозможным использование магистрального газа низкого давления.
Оборудование с металлической сеткой
Все упомянутые виды насадок являются керамическими, что делает их хрупкими, несмотря на толщину и различные усилия производителя, цель которого — повысить прочность. Хрупкость становится особенно значительной, если устройство необходимо часто перемещать.
Поэтому для обогрева строительных площадок разработан более прочный тип горелки, который используется с металлической двойной сеткой. В этом устройстве газовоздушная смесь проходит между насадкой и сетками. Температура внешней сетки достигает 1023 К.
Использование металлической сетки позволило значительно увеличить тепловую мощность инфракрасного излучателя и защитить керамическую насадку от повреждений.
В горелках с сетчатыми насадками эти элементы изготавливаются из жаропрочных сплавов с добавлением хрома и никеля. Насадки проектируются так, чтобы размер ячеек внешней сетки позволял свободно проходить пламени, в то время как ячейки нижней сетки имеют минимальный размер, который критичен для предотвращения утечки огня. В таких устройствах инфракрасные излучатели могут быть как обе сетки, так и одна.
Если инфракрасная горелка работает на магистральном газе или сжиженной смеси пропан-бутана из газового баллона, то только верхняя сетка участвует в распространении тепловой энергии. Когда используется газ с низкой нагрузкой, тепло излучают обе сетки, что увеличивает эффективность теплопередачи.
Тем не менее, максимальная эффективность ГИГ с сетками не превышает 60%, поскольку гидравлическое сопротивление этих насадок вдвое выше, чем у перфорированных керамических плиток всех типов. Хотя оно и меньше, чем у пористых насадок.
Приборы с увеличенной тепловой мощностью
Сравнительно низкая эффективность инфракрасных газовых излучателей с керамическими элементами и сетками побудила искать способы повышения их тепловой мощности. Успех был достигнут за счет введения нового типа насадки, представляющей собой керамическую панель с несколькими щелями.
Щели имеют внезапное расширение в сечении, и их входные отверстия меньше выходных. Это решение увеличивает эффективность работы горелки за счет рециркуляции продуктов горения, возвращая их к основанию пламени в пределах огневого канала. Кроме того, такие модели обеспечивают более устойчивое пламя и реже гаснут на открытом ветру.
Для повышения тепловой мощности применяются различные методы, одним из которых является смещение щелевых отверстий относительно друг друга. Такой подход также помогает защитить от воздействия ветра.
Живое сечение щелевых панелей в среднем составляет 55-60% от их общего сечения. Оснащенные ими горелки предназначены для работы на газе среднего давления, при этом наружная поверхность насадки нагревается до 1723 К.
Излучатели с устойчивостью к ветровой нагрузке
Способность к работе при ветровой нагрузке – важный критерий для выбора газовой инфракрасной горелки, используемой в строительстве или сборке промышленных установок. Это свойство есть не у всех промышленных инфракрасных излучателей, работающих на газе.
Для открытых площадок необходимы специальные устройства, которые:
- обладают стабильной инжекцией, не зависимой от порывов ветра;
- оснащены системой, предотвращающей отклонение струи, выходящей из сопла;
- защищены от активного охлаждения поверхности излучения, вызванного воздействием ветра.
В технической документации на газовое оборудование, способное функционировать при порывистом ветре и не гаснуть, обозначена ветроустойчивость. Эта характеристика для серийно производимых инфракрасных горелок примерно равна как при прямом, так и при боковом воздействии ветра.
Галерея изображений
Ветроустойчивость – важный критерий для крупных производственных помещений, особенно с мощными вентиляционными системами.
Устойчивость к ветровым нагрузкам критична для тех, кто выбирает обогревательные приборы для установки в зонах с частыми открывающимися дверями, а также на застекленных или открытых верандах и террасах.
Желающим приобрести ветроустойчивое оборудование следует помнить, что при ослаблении ветрового потока эффективность этих устройств также снижается.
Чтобы правильно подобрать прибор, необходимо выяснить, как именно сокращается его производительность при уменьшении ветровой нагрузки и учесть местные климатические условия.
