سخان الأشعة تحت الحمراء
التاريخ [ عدل ]
ويعود الفضل في اكتشاف عالم الأشعة تحت الحمراء الألمانية البريطانية السير ويليام هيرشيل إلى الأشعة تحت الحمراء في عام 1800. وقدم أداة تدعى مطياف لقياس قوة الإشعاع في أطوال موجية مختلفة. هذا الصك مصنوع من ثلاث قطع. وكان الأول هو منظور للقبض على أشعة الشمس وتوجيه وتفريق الألوان إلى أسفل على الطاولة، والثاني كان لوحة صغيرة من الورق المقوى مع فتحة واسعة بما يكفي فقط لون واحد لتمرير من خلال ذلك، وأخيرا، الزجاج. من خلال تجربته وجدت هيرشيل أن الضوء الأحمر كان على أعلى درجة من تغير درجة الحرارة في الطيف الضوئي ، ومع ذلك، لم تكن تسخين الأشعة تحت الحمراء تستخدم عادة حتى الحرب العالمية الثانية . خلال الحرب العالمية الثانية أصبحت التدفئة بالأشعة تحت الحمراء أكثر استخداما ومعترف بها. وكانت التطبيقات الرئيسية في حقول الانتهاء من المعادن، وخاصة في علاج وتجفيف الدهانات واللكات على المعدات العسكرية. تم استخدام البنوك لمبات المصابيح بنجاح كبير ولكن وفقا لمعايير اليوم، كانت كثافة الطاقة منخفضة جدا. تقنية عرضت أسرع بكثير مرات التجفيف من أفران الحمل الحراري من الوقت. وتم التخفيف من حدة الاختناقات في الإنتاج واستمرت الإمدادات العسكرية للقوات المسلحة. بعد الحرب العالمية الثانية استمر اعتماد تقنيات التدفئة بالأشعة تحت الحمراء ولكن على أساس أبطأ بكثير. في منتصف 1950s بدأت صناعة السيارات لإظهار الاهتمام في قدرات الأشعة تحت الحمراء لعلاج الطلاء وعدد من خط إنتاج الأنفاق تحت الحمراء دخلت حيز الاستخدام. [
العناصر [ عدل ]
مادة الفتيل الأكثر شيوعا المستخدمة سخانات الأشعة تحت الحمراء الكهربائية هو سلك التنغستن ، وهو ملفوف لتوفير مساحة أكبر. بدائل الحرارة المنخفضة للتنغستن هي الكربون ، أو سبائك الحديد والكروم والألومنيوم (العلامة التجارية واسم العلامة التجارية كانثال ). في حين أن خيوط الكربون أكثر متقلبة لإنتاج، فإنها تسخن بسرعة أكبر بكثير من سخان موجة المتوسطة مماثلة على أساس خيوط فيكرال.
عندما يكون الضوء غير مرغوب فيه أو غير ضروري في سخان، سخانات الأشعة تحت الحمراء السيراميك مشع هي الخيار المفضل. تحتوي على 8 متر من الأسلاك المقاومة سبيكة ملفوفة، أنها تنبعث الحرارة موحدة عبر كامل سطح سخان والسيراميك هو 90٪ ماصة من الإشعاع. وبما أن الامتصاص والانبعاث يعتمدان على نفس الأسباب الفيزيائية في كل جسم، فإن الخزف مناسب بشكل مثالي كمواد لسخانات الأشعة تحت الحمراء.
سخانات الأشعة تحت الحمراء الصناعية تستخدم أحيانا طلاء الذهب على أنبوب الكوارتز الذي يعكس الأشعة تحت الحمراء وتوجيهها نحو المنتج لتكون ساخنة. وبالتالي، فإن الأشعة تحت الحمراء التي تؤثر على المنتج تضاعف تقريبا. يستخدم الذهب بسبب مقاومة الأكسدة وعالية جدا إر انعكاسية حوالي 95٪. [4]
الأنواع [ عدل ]
وتستخدم سخانات الأشعة تحت الحمراء عادة في وحدات الأشعة تحت الحمراء (أو البنوك باعث) الجمع بين عدة سخانات لتحقيق أكبر المناطق ساخنة.
وتصنف سخانات الأشعة تحت الحمراء عادة بالطول الموجي الذي تنبعث منه:
تعمل الأشعة تحت الحمراء القريبة أو سخانات الأشعة تحت الحمراء القصيرة الموجة عند درجات حرارة عالية للخيوط فوق 1800 درجة مئوية وعندما تكون مرتبة في حقل تصل إلى كثافة عالية من الطاقة تبلغ حوالي مئات كيلوواط / متر مربع . ذروة موجاتهم هو أقل بكثير من امتصاص الطيف للمياه، مما يجعلها غير مناسبة للعديد من تطبيقات التجفيف. فهي مناسبة تماما لتسخين السيليكا حيث هناك حاجة إلى اختراق عميق.
تعمل سخانات الأشعة تحت الحمراء ذات الموجات المتوسطة والكربون (سير) عند درجات حرارة خيوط تبلغ حوالي 1000 درجة مئوية . وتصل إلى أقصى كثافة قدرة تصل إلى 60 كو / m 2 (الموجة المتوسطة) و 150 كو / m 2 (سير).
وعادة ما تستخدم بواعث الأشعة تحت الحمراء البعيدة (فير) في ما يسمى بحمامات البخار تحت الحمراء المنخفضة الحرارة. وتشكل هذه فقط مجموعة أعلى وأكثر تكلفة من سوق ساونا الأشعة تحت الحمراء. بدلا من استخدام الكربون، الكوارتز أو عالية واط بواعث السيراميك، التي تنبعث منها الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة، الحرارة والضوء، بعيدة الأشعة تحت الحمراء بواعث تستخدم منخفضة واط لوحات السيراميك التي لا تزال باردة، في حين لا تزال تنبعث منها الأشعة تحت الحمراء البعيدة. [5]
ويعبر قانون النزوح وين عن العلاقة بين درجة الحرارة وطول الموجة الذروة.
عنصر سلك معدني [ عدل ]
ظهرت عناصر التدفئة الأسلاك المعدنية لأول مرة في 1920s. تتكون هذه العناصر من سلك مصنوع من الكروميل. يرصد كروميل من النيكل والكروم ومن المعروف أيضا باسم نيتشروم . ثم تم لف هذا السلك في دوامة وملفوفة حول الجسم السيراميك. عندما تسخن إلى درجات حرارة عالية فإنها تشكل طبقة واقية من أكسيد الكروم الذي يحمي السلك من الحرق والتآكل، وهذا يؤدي أيضا إلى توهج العنصر. [6]
مصابيح الحرارة [ عدل ]
مصباح الحرارة هو المصباح المتوهجة التي تستخدم لغرض رئيسي لخلق الحرارة. يتم تحويل طيف الإشعاع الجسم الأسود المنبعث من المصباح لإنتاج المزيد من ضوء الأشعة تحت الحمراء . العديد من مصابيح الحرارة تشمل مرشح أحمر لتقليل كمية الضوء المرئي المنبعثة. وعادة ما تشتمل المصابيح الحرارية على عاكس داخلي.
وتستخدم المصابيح الحرارية عادة في الاستحمام والحمامات للاستحمام دافئ وفي مناطق إعداد الطعام من المطاعم للحفاظ على الطعام دافئا قبل أن يخدم. كما أنها تستخدم عادة لتربية الحيوانات . وغالبا ما تسمى المصابيح المستخدمة للدواجن المصابيح المكسورة. وبصرف النظر عن الطيور الشابة، وأنواع أخرى من الحيوانات التي يمكن أن تستفيد من مصابيح الحرارة وتشمل الزواحف والبرمائيات والحشرات والعناكب ، وصغار بعض الثدييات .
المقابس المستخدمة لمصابيح الحرارة عادة ما تكون من السيراميك لأن المقابس البلاستيكية يمكن أن تذوب أو تحرق عندما تتعرض لكمية كبيرة من حرارة النفايات التي تنتجها المصابيح، وخصوصا عندما تعمل في "صعودا" الموقف. كفن أو غطاء المصباح هو المعدن عموما. قد يكون هناك حرس سلك على الجزء الأمامي من الكفن، لمنع لمس السطح الساخن للمبة.
يمكن أيضا استخدام المصابيح المتوهجة المنزلية العادية العادية كمصابيح حرارة ، ولكن المصابيح الحمراء والزرقاء تباع للاستخدام في مصابيح الحضنة ومصابيح الزواحف. وعادة ما يتم تعبئتها 250 واط واط مصابيح الحرارة في "R40" (5 "مصباح عاكس) شكل عامل مع قاعدة المسمار المتوسطة.
يمكن استخدام المصابيح الحرارية كعلاج طبي لتوفير الحرارة الجافة عندما تكون العلاجات الأخرى غير فعالة أو غير عملية. [7]
أنظمة حرارة الأشعة تحت الحمراء السيراميك [ عدل ]
وتستخدم عناصر التدفئة السيراميك الأشعة تحت الحمراء في مجموعة متنوعة من العمليات الصناعية حيث موجة طويلة الأشعة تحت الحمراء المطلوبة. مدى الطول الموجي مفيد هو 2-10 ميكرون. وغالبا ما تستخدم في مجال الرعاية الحيوانية / الحيوانات الأليفة أيضا. يتم تصنيع سخانات الأشعة تحت الحمراء السيراميك (بواعث) مع ثلاثة وجوه باعث الأساسية: الحوض الصغير (مقعر)، شقة، والمصباح أو اديسون المسمار عنصر للتثبيت العادي عن طريق حامل مصباح السيراميك E27.
الأشعة تحت الحمراء البعيدة [ عدل ]
وتستخدم هذه التكنولوجيا التدفئة في بعض حمامات البخار الأشعة تحت الحمراء باهظة الثمن. كما أنها وجدت في سخانات الفضاء. هذه سخانات تستخدم منخفضة واط كثافة بواعث السيراميك (عادة لوحات كبيرة نسبيا) التي تنبعث موجة طويلة الأشعة تحت الحمراء. لأن عناصر التدفئة في درجة حرارة منخفضة نسبيا، سخانات الأشعة تحت الحمراء البعيدة لا تعطي الانبعاثات ورائحة من الغبار والأوساخ والفورمالديهايد والأبخرة السامة من الطلاء الطلاء، وما إلى ذلك جعل هذا النوع من التدفئة الفضاء شعبية جدا بين الناس مع والحساسية الشديدة والحساسية الكيميائية المتعددة في أوروبا. لأن تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء البعيدة لا تسخن الهواء من الغرفة مباشرة، فمن المهم لتحقيق أقصى قدر من التعرض للأسطح المتاحة التي ثم إعادة تنبعث منها الدفء لتوفير حتى كل الدفء المحيط جولة.
الكوارتز مصابيح الحرارة [ عدل ]
واضح عنصر الكوارتز
مصابيح الهالوجين هي مصابيح وهاجة مليئة بالغاز الهالوجين المضغوط للغاية. يتم الجمع بين هذا الغاز مع كمية صغيرة من البروم أو اليود الذي يسبب ذرات التنغستن لتجديد عن طريق تقليل التبخر من خيوط. وهذا يؤدي إلى حياة أطول بكثير من مصابيح الهالوجين من المصابيح المتوهجة. نظرا لارتفاع الضغط ودرجة الحرارة مصابيح الهالوجين تنتج، فهي صغيرة نسبيا و مصنوعة من زجاج الكوارتز لأنه يحتوي على درجة انصهار أكثر حرارة من الزجاج القياسية. الاستخدامات الشائعة لمصابيح الهالوجين هي أعلى سخانات الجدول. [8] [9]
الكوارتز الأشعة تحت الحمراء عناصر التدفئة تنبعث موجة متوسطة الطاقة الأشعة تحت الحمراء وفعالة بشكل خاص في النظم حيث مطلوب استجابة سريعة سخان. أنبوبي مصابيح الأشعة تحت الحمراء في المصابيح الكوارتز تنتج الأشعة تحت الحمراء في الأطوال الموجية من 1.5-8 ميكرون. وتعمل الخيط المغلق عند حوالي 2500 كيلو وات ، مما ينتج عنه إشعاعا أقصر طولا موجها من المصادر المفتوحة لفائف الأسلاك. وضعت هذه المصابيح في 1950s في جنرال الكتريك ، تنتج حوالي 100 واط / في ( 4 W / مم ) ويمكن الجمع بين لتشع 500 واط لكل قدم مربع ( 5400 W / م 2 ). ولتحقيق كثافة أعلى من الطاقة، استخدمت مصابيح الهالوجين . وتستخدم مصابيح الأشعة تحت الحمراء الكوارتز في عاكسات مصقولة للغاية لتوجيه الإشعاع في نمط موحد ومركزة.
وتستخدم مصابيح الحرارة الكوارتز في تجهيز الأغذية، والمعالجة الكيميائية، وتجفيف الطلاء، وذوبان المواد المجمدة. ويمكن أيضا أن تستخدم لتدفئة الراحة في المناطق الباردة، في الحاضنات، وفي تطبيقات أخرى للتدفئة والتجفيف، والخبز. وأثناء تطوير مركبات إعادة الدخول إلى الفضاء، استخدمت مصارف مصابيح الأشعة تحت الحمراء الكوارتز لاختبار مواد الدرع الحراري بكثافات طاقة تصل إلى 28 كيلوواط / قدم مربعة (300 كيلوواط / متر مربع ). [10]
وتتكون التصاميم الأكثر شيوعا إما من أنبوب زجاجي كوارتز أبيض حرير أبيض أو كوارتز واضح مع عنصر مقاوم كهربائيا، وعادة ما يكون سلك التنغستن ، أو لفائف رقيقة من سبائك الحديد والكروم والألومنيوم. [11] تتم إزالة الهواء الجوي وتملؤه بغازات خاملة مثل النيتروجين والأرجون ثم يتم إغلاقها. في مصابيح الهالوجين الكوارتز، يتم إضافة كمية صغيرة من غاز الهالوجين لإطالة عمر التشغيل سخان.
الكثير من الأشعة تحت الحمراء والطاقة المرئية التي تم إصدارها ناجمة عن التسخين المباشر للمواد الكوارتز ، يتم امتصاص 97٪ من الأشعة تحت الحمراء القريبة من قبل أنبوب زجاج الكوارتز السيليكا مما تسبب في ارتفاع درجة حرارة جدار الأنبوب، وهذا يسبب رابطة السيليكون والأكسجين لتشع الأشعة تحت الحمراء البعيدة. [ بحاجة لمصدر ] كانت عناصر التدفئة الزجاجية الكوارتز مصممة أصلا لتطبيقات الإضاءة، ولكن عندما يكون المصباح في طاقة كاملة أقل من 5٪ من الطاقة المنبعثة في الطيف المرئي. [12]
الكوارتز التنغستن [ عدل ]
سخان الكوارتز
الكوارتز تنغستن سخانات الأشعة تحت الحمراء تنبعث موجة متوسطة الطاقة تصل إلى درجات حرارة التشغيل تصل إلى 1500 درجة مئوية (موجة متوسطة) و 2600 درجة مئوية (موجة قصيرة). أنها تصل درجة حرارة التشغيل في غضون ثوان. ذروة انبعاثات الطول الموجي ما يقرب من 1.6 ميكرون (موجة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة) و 1 ميكرون (الموجة القصيرة الأشعة تحت الحمراء).
سخان الكربون [ عدل ]
ألياف الكربون سخان
سخانات الكربون استخدام عنصر التدفئة ألياف الكربون قادرة على إنتاج طويلة ومتوسطة وقصيرة موجة الأشعة تحت الحمراء البعيدة الحرارة. يجب تحديدها بدقة للمساحات التي يتم تسخينها. [13]
غاس-فيريد [ إديت ]
هناك نوعان أساسيان من سخانات الأشعة تحت الحمراء المشتعلة.
مضيئة أو كثافة عالية
سخانات أنبوب مشع
تسخين سخانات أنبوب اشعاعا تستخدم لتسخين المباني الصناعية والتجارية التدفئة حرق الغاز الطبيعي أو البروبان لتسخين أنبوب باعث الصلب. الغاز يمر من خلال صمام التحكم يتدفق من خلال كوب الموقد أو فينتوري . تعمل غازات احتراق المنتج على تسخين أنبوب المرسل. كما أن درجات الحرارة أنبوب، والطاقة مشع من الأرضيات الضربات أنبوب وغيرها من الأشياء في المنطقة، والاحترار لهم. هذا النوع من التدفئة يحافظ على الدفء حتى عندما يتم إدخال كمية كبيرة من الهواء البارد فجأة، كما هو الحال في كراجات الصيانة. لكنهم لا يستطيعون مكافحة مسودة باردة.
كفاءة سخان الأشعة تحت الحمراء هو تصنيف من إجمالي الطاقة المستهلكة من قبل سخان بالمقارنة مع كمية الطاقة الأشعة تحت الحمراء المتولدة. في حين سيكون هناك دائما قدر من الحرارة الحمل الحراري المتولدة من خلال هذه العملية، فإن أي إدخال الحركة الجوية عبر سخان يقلل من كفاءة تحويل الأشعة تحت الحمراء. مع عاكسات جديدة غير مدهشة، وأنابيب مشع لديها كفاءة الإشعاع الهابط من حوالي 60٪. [وتشمل ال 40٪ الأخرى خسائر إشعاعية + غير قابلة للاسترداد صعودا، وخسائر في المداخن.]
الآثار الصحية [ عدل ]
بالإضافة إلى مخاطر لمس لمبة الساخنة أو عنصر، عالية الكثافة الموجة القصيرة الأشعة تحت الحمراء قد يسبب حروق حرارية غير مباشرة عندما يتعرض الجلد لفترة طويلة جدا أو يتم وضع سخان قريبة جدا من هذا الموضوع. الأفراد الذين يتعرضون لكميات كبيرة من الأشعة تحت الحمراء (مثل زجاج المنفاخ واللحام القوس) على مدى فترة طويلة من الزمن قد تصبغ تصبغ القزحية والتعتيم من الفكاهة المائية ، لذلك ينبغي أن يكون الإشراف على التعرض. [14]
الكفاءة [ عدل ]
سخانات الأشعة تحت الحمراء ساخنة كهربائيا تشع ما يصل إلى 86٪ من مدخلاتها كطاقة مشعة. [15] يتم تحويل جميع مدخلات الطاقة الكهربائية تقريبا إلى حرارة إشعاع تحت الحمراء في خيوطها وتوجيهها إلى المنتج [ التوضيح المطلوب ] بواسطة العاكسات. تتم إزالة بعض الطاقة الحرارية من عنصر التسخين عن طريق التوصيل أو الحمل الحراري ، والتي قد لا تكون خسارة على الإطلاق لبعض التصاميم حيث يكون كل من الطاقة الكهربائية المطلوب في الفضاء ساخنة، أو يمكن اعتبار خسارة، في الحالات حيث فقط الإشعاعي نقل الحرارة هو المطلوب أو منتجة.
للتطبيقات العملية، وكفاءة سخان الأشعة تحت الحمراء يعتمد على مطابقة الطول الموجي المنبعث وطيف امتصاص المواد لتكون ساخنة. على سبيل المثال، طيف الامتصاص للمياه له ذروته في حوالي 3000 نانومتر . وهذا يعني أن الانبعاثات من سخانات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة الموجة أو الكربون هو أفضل بكثير تمتصها المياه والطلاء المياه القائمة من الجرد الوطني أو الموجة القصيرة الأشعة تحت الحمراء. وينطبق الشيء نفسه على العديد من البلاستيك مثل بولي كلوريد الفينيل أو البولي ايثيلين. ذروة امتصاصهم حوالي 3500 نانومتر . من ناحية أخرى، بعض المعادن تمتص فقط في نطاق الموجة القصيرة وتظهر انعكاسية قوية في المتوسطة وبعيدة الأشعة تحت الحمراء. وهذا يجعل اختيار دقيق من نوع الأشعة تحت الحمراء الصحيح سخان مهم لكفاءة الطاقة في عملية التسخين. [ بحاجة لمصدر ]
تعمل عناصر السيراميك في درجة حرارة 300 إلى 700 درجة مئوية (570 إلى 1،290 درجة فهرنهايت) تنتج أطوال موجية بالأشعة تحت الحمراء في 2000 إلى 10000 نطاق نانومتر . معظم المواد البلاستيكية والعديد من المواد الأخرى تمتص الأشعة تحت الحمراء أفضل في هذا النطاق، مما يجعل سخان السيراميك الأنسب لهذه المهمة. [ بحاجة لمصدر ]
التطبيقات [ عدل ]
سخان الأشعة تحت الحمراء للطهي دونر كباب
الأشعة تحت الحمراء سخانات يمكن تلبية مجموعة متنوعة من متطلبات التدفئة، بما في ذلك:
درجات حرارة عالية للغاية، محدودة إلى حد كبير من قبل الحد الأقصى لدرجة الحرارة من باعث
وقت الاستجابة السريعة، بناء على أمر من 1-2 ثانية
تدرجات درجة الحرارة، وخاصة على شبكات المواد مع مدخلات الحرارة العالية
تركز منطقة ساخنة بالنسبة لطرق التدفئة الموصلة والحمل الحراري
عدم الاتصال، وبالتالي لا يزعج المنتج كما طرق التدفئة موصل أو الحمل الحراري القيام به
وهكذا، يتم تطبيق سخانات الأشعة تحت الحمراء لأغراض عديدة بما في ذلك:
أنظمة التدفئة
علاج الطلاء
التدفئة البلاستيكية قبل تشكيل
لحام البلاستيك
الزجاج والمعادن علاج الحرارة
طبخ
الاحترار الرضاعة الحيوانات أو الحيوانات الأسير في حدائق الحيوان أو العيادات البيطرية
فصول اللياقة البدنية اليوغا الساخنة للتخفيف من مشاكل الجهاز التنفسي الناجمة عن التسخين الحراري [16]
