Riscaldatore a infrarossi
Storia [ modifica ]
L' astronomo tedesco-britannico Sir William Herschel è accreditato della scoperta degli infrarossi nel 1800. Realizzò uno strumento chiamato spettrometro per misurare l'entità della potenza radiante a diverse lunghezze d'onda . Questo strumento è stato realizzato con tre pezzi. Il primo era un prisma per catturare la luce del sole e dirigere e disperdere i colori su un tavolo, il secondo era un piccolo pannello di cartone con una fessura abbastanza ampia perché solo un singolo colore potesse attraversarlo e infine tre mercurio termometri di vetro. Attraverso il suo esperimento, Herschel scoprì che la luce rossa aveva il più alto grado di variazione di temperatura nello spettro luminoso , tuttavia, il riscaldamento a infrarossi non era comunemente usato fino alla seconda guerra mondiale . Durante la seconda guerra mondiale il riscaldamento a infrarossi divenne più diffuso e riconosciuto. Le principali applicazioni riguardavano i campi di finitura dei metalli, in particolare per la cura e l'essiccazione di vernici e lacche su attrezzature militari. I banchi di lampadine sono stati usati con molto successo ma, secondo gli standard odierni, le intensità di potenza erano molto basse. La tecnica offriva tempi di asciugatura molto più rapidi rispetto ai forni a convezione del combustibile del tempo. I colli di bottiglia della produzione sono stati mitigati e le forniture militari alle forze armate sono state mantenute. Dopo la seconda guerra mondiale l'adozione delle tecniche di riscaldamento a infrarossi continuò, ma su una base molto più lenta. A metà degli anni '50 l'industria automobilistica iniziò a mostrare interesse per le capacità degli infrarossi per la polimerizzazione delle vernici e venne utilizzato un certo numero di tunnel a infrarossi della linea di produzione. [
Elementi [ Modifica ]
Il materiale filamentale più comune utilizzato per i riscaldatori a infrarossi elettrici è il filo di tungsteno , che è avvolto a spirale per fornire più superficie. Le alternative a bassa temperatura per il tungsteno sono carbonio , o leghe di ferro, cromo e alluminio (marchio e marchio Kanthal ). Mentre i filamenti di carbonio sono più volubili da produrre, si riscaldano molto più rapidamente di un riscaldatore a onde medie comparabile basato su un filamento FeCrAl.
Quando la luce non è desiderabile o non è necessaria in un riscaldatore, i riscaldatori radianti ceramici a infrarossi sono la scelta preferita. Contiene 8 metri di filo di resistenza in lega arrotolata, emettono un calore uniforme su tutta la superficie del riscaldatore e la ceramica è assorbente al 90% della radiazione. Poiché l'assorbimento e l'emissione si basano sulle stesse cause fisiche in ogni corpo, la ceramica è ideale come materiale per i riscaldatori a infrarossi.
I riscaldatori a infrarossi industriali a volte utilizzano un rivestimento in oro sul tubo di quarzo che riflette la radiazione infrarossa e lo indirizza verso il prodotto da riscaldare. Di conseguenza, la radiazione infrarossa che colpisce il prodotto è praticamente raddoppiata. L'oro viene utilizzato per la sua resistenza all'ossidazione e la riflettività IR molto elevata di circa il 95%. [4]
Tipi [ Modifica ]
I riscaldatori a infrarossi sono comunemente usati nei moduli a infrarossi (o emettitori) che combinano diversi riscaldatori per ottenere aree riscaldate più ampie.
I riscaldatori a infrarossi sono generalmente classificati in base alla lunghezza d'onda che emettono:
I radiatori a infrarossi nel vicino infrarosso (NIR) o a onde corte funzionano a temperature di filamento superiori a 1800 ° C e quando sono disposti in un campo raggiungono densità di potenza elevate di alcune centinaia di kW / m2. La loro lunghezza d'onda di picco è ben al di sotto dello spettro di assorbimento per l'acqua, rendendoli inadatti per molte applicazioni di essiccazione. Sono adatti per il riscaldamento di silice dove è necessaria una profonda penetrazione.
I riscaldatori a infrarossi a onda media e carbonio (CIR) funzionano a temperature dei filamenti di circa 1000 ° C. Raggiungono densità di potenza massime fino a 60 kW / m 2 (onde medie) e 150 kW / m2 (CIR).
Gli emettitori a infrarossi lontani (FIR) sono tipicamente utilizzati nelle cosiddette saune a infrarossi lontani a bassa temperatura. Questi costituiscono solo la gamma più alta e più costosa del mercato della sauna a infrarossi. Invece di usare emettitori ceramici al carbonio, al quarzo o ad alto watt, che emettono radiazioni infrarosse vicine e medie, calore e luce, gli emettitori all'infrarosso lontano utilizzano piastre in ceramica a basso watt che rimangono fredde, emettendo comunque radiazioni nell'infrarosso lontano. [5]
La relazione tra temperatura e lunghezza d'onda di picco è espressa dalla legge di spostamento di Vienna .
Metal Wire Element [ Modifica ]
Gli elementi riscaldanti a filo metallico sono apparsi per la prima volta negli anni '20. Questi elementi sono costituiti da fili realizzati in Chromel. Chromel è realizzato in nichel e cromo ed è anche conosciuto come nicromo . Questo filo è stato quindi avvolto a spirale e avvolto attorno ad un corpo ceramico. Quando riscaldato a temperature elevate forma uno strato protettivo di ossido di cromo che protegge il filo dalla combustione e dalla corrosione, questo fa sì che l'elemento si illumini. [6]
Heat Lamps [ Modifica ]
Una lampada di calore è una lampadina a incandescenza che viene utilizzata per lo scopo principale di creare calore. Lo spettro delle radiazioni del corpo nero emesse dalla lampada viene spostato per produrre più luce infrarossa . Molte lampade di calore includono un filtro rosso per ridurre al minimo la quantità di luce visibile emessa. Le lampade di calore includono spesso un riflettore interno.
Le lampade di calore sono comunemente utilizzate nella doccia e nei bagni per riscaldare i bagnanti e nelle aree di preparazione dei ristoranti per mantenere i cibi caldi prima di servire. Sono anche comunemente usati per l'allevamento di animali . Le luci utilizzate per il pollame sono spesso chiamate lampade da cova. Oltre ai giovani uccelli , altri tipi di animali che possono trarre beneficio dalle lampade di calore includono rettili , anfibi , insetti , aracnidi e giovani di alcuni mammiferi .
Le prese utilizzate per le lampade di calore sono in genere in ceramica, poiché le prese in plastica possono fondere o bruciare se esposte alla grande quantità di calore di scarto prodotto dalle lampade, specialmente se utilizzate nella posizione "base". La copertura o cappuccio della lampada è generalmente in metallo. Potrebbe esserci una protezione metallica sul lato anteriore della protezione, per evitare di toccare la superficie calda della lampadina.
Le normali lampadine a incandescenza bianche per uso domestico possono anche essere utilizzate come lampade di calore , ma le lampadine rosse e blu vengono vendute per l'uso in lampade a covata e lampade rettili. Lampade di calore da 250 watt sono comunemente confezionate nel fattore di forma "R40" (riflettore da 5 ") con una base intermedia a vite.
Le lampade di calore possono essere utilizzate come trattamento medico per fornire calore secco quando altri trattamenti sono inefficaci o poco pratici. [7]
Ceramic Infrared Heat Systems [ Modifica ]
Gli elementi riscaldanti a infrarossi in ceramica sono utilizzati in una vasta gamma di processi industriali in cui è richiesta la radiazione infrarossa a onde lunghe. Il loro intervallo utile di lunghezze d'onda è 2-10 μm. Sono spesso utilizzati anche nel settore sanitario per animali e animali domestici. I riscaldatori a infrarossi in ceramica (emettitori) sono prodotti con tre facce base dell'emettitore: trogolo (concavo), piatto e bulbo o elemento a vite Edison per installazione normale tramite portalampada E27 in ceramica.
Far-Infrared [ Modifica ]
Questa tecnologia di riscaldamento è utilizzata in alcune costose saune a infrarossi. Si trova anche negli scaldabagni. Questi riscaldatori utilizzano emettitori ceramici a bassa densità di watt (solitamente pannelli piuttosto grandi) che emettono radiazioni infrarosse a onde lunghe. Poiché gli elementi riscaldanti si trovano a una temperatura relativamente bassa, i riscaldatori a infrarossi lontani non emettono emissioni e odori da polvere, sporco, formaldeide, fumi tossici dovuti al rivestimento, ecc. Questo ha reso questo tipo di riscaldamento molto popolare tra le persone con allergie gravi e sensibilità chimica multipla in Europa. Poiché la tecnologia a infrarossi lontani non riscalda direttamente l'aria della stanza, è importante massimizzare l'esposizione delle superfici disponibili che poi riemettono il calore per fornire un calore ambientale omogeneo.
Quartz Heat Lamps [ Modifica ]
Chiaro elemento di quarzo
Le lampade alogene sono lampade ad incandescenza riempite con gas alogeno altamente pressurizzato. Questo gas è combinato con una piccola quantità di bromo o iodio che provoca la rigenerazione degli atomi di tungsteno diminuendo l'evaporazione del filamento. Ciò comporta una vita molto più lunga delle lampade alogene rispetto alle lampade a incandescenza. A causa della produzione di lampade alogene ad alta pressione e temperatura, sono relativamente piccoli e fatti di vetro al quarzo perché ha un punto di fusione più caldo rispetto al vetro standard. Gli usi comuni per le lampade alogene sono i riscaldatori da tavolo. [8] [9]
Gli elementi riscaldanti a infrarossi al quarzo emettono energia a infrarossi a onda media e sono particolarmente efficaci nei sistemi in cui è richiesta una risposta rapida del riscaldatore. Lampade a raggi infrarossi tubolari in lampade al quarzo producono radiazioni infrarosse in lunghezze d'onda di 1,5-8 μm. Il filamento racchiuso funziona a circa 2500 K , producendo radiazioni di lunghezza d'onda più corta rispetto alle fonti di filo-bobina aperte. Sviluppate negli anni '50 da General Electric , queste lampade producono circa 100 W / in ( 4 W / mm ) e possono essere combinate per irradiare 500 watt per piede quadrato ( 5400 W / m 2 ). Per ottenere densità di potenza ancora più elevate, sono state utilizzate lampade alogene . Le lampade a raggi infrarossi al quarzo sono utilizzate in riflettori altamente lucidati per dirigere la radiazione in un modello uniforme e concentrato.
Le lampade di calore al quarzo sono utilizzate nella lavorazione degli alimenti, nella lavorazione chimica, nell'essiccazione delle vernici e nello scongelamento dei materiali congelati. Possono anche essere utilizzati per il riscaldamento confortevole nelle zone fredde, negli incubatori e in altre applicazioni per il riscaldamento, l'essiccazione e la cottura. Durante lo sviluppo di veicoli di rientro nello spazio, sono stati utilizzati banchi di lampade a raggi infrarossi al quarzo per testare i materiali dello scudo termico a densità di potenza pari a 28 kilowatt / piede quadrato (300 kW / m 2 ). [10]
I progetti più comuni sono costituiti da un tubo di vetro di quarzo bianco satinato o quarzo trasparente con un elemento elettricamente resistente, di solito un filo di tungsteno o una bobina sottile di lega di ferro-cromo-alluminio. [11] L'aria atmosferica viene rimossa e riempita con gas inerti come azoto e argon, quindi sigillati. Nelle lampade alogene al quarzo viene aggiunta una piccola quantità di gas alogeno per prolungare la vita operativa del riscaldatore.
Gran parte dell'infrarosso e dell'energia visibile rilasciata è causata dal riscaldamento diretto del materiale di quarzo , il 97% del vicino infrarosso viene assorbito dal tubo di vetro al quarzo silice provocando un aumento della temperatura della parete del tubo, causando il legame silicio-ossigeno irradiare raggi infrarossi lontani. [ citazione necessaria ] Gli elementi riscaldanti in vetro al quarzo sono stati originariamente progettati per applicazioni di illuminazione, ma quando una lampada è a piena potenza, meno del 5% dell'energia emessa si trova nello spettro visibile. [12]
Quartz Tungsten [ Modifica ]
Riscaldatore al quarzo
I riscaldatori a infrarossi al tungsteno al quarzo emettono energia a onda media che raggiunge temperature di esercizio fino a 1500 ° C (onde medie) e 2600 ° C (onde corte). Raggiungono la temperatura operativa in pochi secondi. Emissioni di picco della lunghezza d'onda di circa 1,6 μm (onde a onde medie) e 1 μm (onde corte a infrarossi).
Carbon Heater [ Modifica ]
Riscaldatore in fibra di carbonio
I riscaldatori a carbone utilizzano un elemento riscaldante in fibra di carbonio in grado di produrre calore a infrarossi lontani a onde lunghe, medie e corte. Devono essere specificati con precisione per gli spazi da riscaldare. [13]
Gas-Fired [ Modifica ]
Esistono due tipi fondamentali di riscaldatori a raggi infrarossi.
Luminoso o ad alta intensità
Riscaldatori a tubi radianti
I riscaldatori a gas a tubi radianti utilizzati per il riscaldamento di edifici industriali e commerciali bruciano gas naturale o propano per riscaldare un tubo di emettitore d'acciaio. Il gas che passa attraverso una valvola di controllo scorre attraverso un bruciatore a tazza o un venturi . I gas del prodotto di combustione riscaldano il tubo dell'emettitore. Mentre il tubo si riscalda, l'energia radiante proveniente dal tubo colpisce i pavimenti e altri oggetti nell'area, riscaldandoli. Questa forma di riscaldamento mantiene il calore anche quando viene introdotto improvvisamente un grande volume di aria fredda, ad esempio nei garage di manutenzione. Tuttavia, non possono combattere una brutta copia a freddo.
L'efficienza di un riscaldatore a infrarossi è una valutazione dell'energia totale consumata dal riscaldatore rispetto alla quantità di energia a infrarossi generata. Mentre ci sarà sempre una certa quantità di calore convettivo generato attraverso il processo, qualsiasi introduzione di movimento dell'aria attraverso il riscaldatore ridurrà la sua efficienza di conversione infrarossa. Con i nuovi riflettori non verniciati, i tubi radianti hanno un'efficienza radiante verso il basso di circa il 60%. [L'altro 40% comprende perdite convettive verso l'alto irrecuperabili + perdite convettive, e perdite di fumo.]
Effetti sulla salute [ modifica ]
Oltre ai pericoli del toccare la lampadina o l'elemento caldo, le radiazioni infrarosse a onde corte ad alta intensità possono causare ustioni termiche indirette quando la pelle è esposta troppo a lungo o il riscaldatore è posizionato troppo vicino al soggetto. Gli individui esposti a grandi quantità di radiazioni infrarosse (come i soffiatori di vetro e le saldatrici ad arco) per un lungo periodo di tempo possono sviluppare la depigmentazione dell'iride e l'opacità dell'umore acqueo , quindi l'esposizione dovrebbe essere moderata. [14]
Efficienza [ modifica ]
I riscaldatori a infrarossi riscaldati elettricamente irradiano fino all'86% del loro ingresso come energia radiante. [15] Quasi tutta l'energia elettrica in ingresso viene convertita in calore radiante infrarosso nel filamento e diretta sul prodotto [ chiarificazione necessaria ] dai riflettori. Una certa energia termica viene rimossa dall'elemento riscaldante per conduzione o convezione , il che può non essere affatto una perdita per alcuni progetti in cui tutta l'energia elettrica è desiderata nello spazio riscaldato, o può essere considerata una perdita, in situazioni in cui solo la radiante il trasferimento di calore è desiderato o produttivo.
Per le applicazioni pratiche, l'efficienza del riscaldatore a infrarossi dipende dalla corrispondenza tra la lunghezza d'onda emessa e lo spettro di assorbimento del materiale da riscaldare. Ad esempio, lo spettro di assorbimento per l' acqua ha il suo picco a circa 3000 nm . Ciò significa che l'emissione di radiatori ad onde medie o di carbonio è molto meglio assorbita dall'acqua e dai rivestimenti a base d'acqua rispetto alla radiazione infrarossa a onde corte o NIR. Lo stesso vale per molte materie plastiche come il PVC o il polietilene. Il loro picco di assorbimento è di circa 3500 nm . D'altra parte, alcuni metalli assorbono solo nella gamma di onde corte e mostrano una forte riflettività nel medio e nel lontano infrarosso. Ciò consente di selezionare accuratamente il tipo di riscaldatore a infrarossi giusto per l'efficienza energetica nel processo di riscaldamento. [ citazione necessaria ]
Gli elementi ceramici operano a una temperatura compresa tra 300 e 700 ° C (da 570 a 1.290 ° F) producendo lunghezze d'onda infrarosse nell'intervallo da 2000 a 10.000 nm . La maggior parte delle materie plastiche e molti altri materiali assorbono meglio gli infrarossi in questo intervallo, il che rende la stufa in ceramica più adatta per questo compito. [ citazione necessaria ]
Applicazioni [ Modifica ]
Riscaldatore a infrarossi per cucinare döner kebab
I riscaldatori a infrarossi in grado di soddisfare una varietà di requisiti di riscaldamento, tra cui:
Temperature estremamente elevate, limitate in gran parte dalla temperatura massima dell'emettitore
Tempo di risposta rapido, nell'ordine di 1-2 secondi
Gradienti di temperatura, specialmente su nastri di materiale con elevato apporto di calore
Area riscaldata focalizzata rispetto ai metodi di riscaldamento conduttivo e convettivo
Non a contatto, quindi non disturbando il prodotto come metodi di riscaldamento conduttivo o convettivo
Pertanto, i riscaldatori IR vengono applicati per molti scopi tra cui:
Sistemi di riscaldamento
Polimerizzazione di rivestimenti
Riscaldamento di plastica prima della formazione
Saldatura plastica
Trattamento termico di vetro e metallo
cucinando
Riscaldare gli animali da latte o gli animali in cattività negli zoo o nelle cliniche veterinarie
Classi di fitness yoga calde per mitigare i problemi respiratori posti dal riscaldamento per convezione [16]
