NAGRZEWANIE PROMIENNIKOWE

NAGRZEWANIE PROMIENNIKOWE Nagrzewanie promiennikowe jest to nagrzewanie elektryczne oparte na zjawisku promieniowania temperaturowego i luminescencyjnego emitowanego przez specjalnie do tego celu zbudowane źródła promieniowania. Prawo Kirchhoffa stwierdza, Ŝe emisyjność całkowita powierzchni ciała (a więc zdolność do emisji promieniowania cieplnego) jest równa absorpcyjności ε = A Prawo Plancka wyraŝa zaleŝność między monochromatyczną gęstością strumienia cieplnego q λ, w W/m 3, długością fali promieniowania λ, w m, oraz bezwzględną temperaturą powierzchni promieniującej T, w K q = 1 λ ε λ c / λ T 5 λ ( e c 2 przy czym c 1 = (3,741832 ± 0,000020) 10-16 W m 2 - pierwsza stała wzoru Plancka, c 2 = (1,438786 ± 0,000045) 10-2 m K - druga stała wzoru Plancka, λ - długość fali 1) Rys. 3.1. ZaleŜność monochromatycznej gęstości strumienia promieniowania emitowanego przez ciało doskonale czarne (ε λ = 1) od długości fali λ przy stałych temperaturach T 1

Prawo Wiena odnosi się do ciał czarnych i szarych. Określa ono zaleŝność między długością fali λ max, przy której q λ osiąga wartość maksymalną q λmax i temperaturą termodynamiczną T. λ max = 2,89779 10 T 3 Prawo Stefana-Boltzmanna określa związek między całkowitą gęstością strumienia cieplnego emitowanego przez źródło lub wsad i temperaturą bezwzględną powierzchni promieniującej q = 0 ε λ ( λ) q dλ Dla ciał szarych i czarnych (ε = 1) obowiązuje zaleŝność λ q = εσ 0 T gdzie: σ 0 = (5,67032 ± 0,0071) 10-8 W/(m 2 K 4 ) - stała Stefana. Prawo Lamberta-Bouguera, niekiedy nazywane prawem zanikowym Lamberta, opisuje rozkład gęstości strumienia cieplnego we wsadzie q x w funkcji odległości od powierzchni, przez którą strumień ten wnika do wsadu q x = qe 4 αx Rys. 3.2. Rozkład mocy w promiennikowym układzie grzejnym 2

Urządzenia promiennikowe i ich zastosowania Techniczne źródła promieniowania, specjalnie wykorzystywane w celu emisji i kierowania w Ŝądanym kierunku promieniowania uzyskiwanego w wyniku konwersji energii elektrycznej, czyli promienniki elektryczne składają się z dwóch podstawowych elementów: emitującego i kierującego promieniowanie. Element emitujący promieniowanie moŝe mieć charakter konstrukcyjny (część promiennika) lub funkcjonalny (np. plazma łuku elektrycznego). Element funkcjonalny źródła przestaje istnieć wraz z ustaniem pracy promiennika. Elementem kierującym promieniowanie w Ŝądanym kierunku jest sam element emitujący promieniowanie, np. promiennik rurkowy bez odbłyśnika promieniujący do całej przestrzeni, lub odrębna część promiennika zwana odbłyśnikiem, odbijająca i kierująca promieniowanie do określonego kąta bryłowego. Z punktu widzenia zakresu promieniowania wyróŝnia się promienniki podczerwieni i nadfioletu. Promienniki podczerwieni dzielą się na 3 kategorie; długofalowe, charakteryzujące się tym, Ŝe długość fali, przy której emitowana jest największa moc λ max > 4 µm; średniofalowe (2 µm < λ max 4 µm) i krótkofalowe (λ max 2 µm). Jeśli moŝna przyjąć, Ŝe promienniki te emitują tak jak ciała szare, to temperatury elementów promieniujących dla wymienionych 3 kategorii wynoszą odpowiednio: T< 725 K, 725 K T < 1450 K, T 1450 K, co wynika wprost z prawa Wiena. W obszarze nadfioletu - 0,015 0,40 µm - budowane są źródła emitujące promieniowanie w zakresie falowym 0,2 0,4 µm. Rodzaje promienników: 1.Promienniki podczerwieni o otwartych Ŝarnikach metalowych skrętkowych 2.Promienniki podczerwieni o nieosłoniętych Ŝarnikach niemetalowych i metalowych prętowych, rurowych lub płytowych 3.Promienniki podczerwieni o Ŝarnikach w osłonach szklanych 3

Rys. 3.8. Kształty współczesnych promienników lampowych z odbłyśnikami wewnętrznymi: a) dwu-paraboloidalnym, b) paraboloidalnym, c) kulistym, d) paraboloidalnym z bańką rubinową Rys. 3.10. Przykłady promienników liniowych o Ŝarnikach w rurowych osłonach szklanych: a) kwarcowy z Ŝarnikiem ze stopu rezystancyjnego; b) kwarcowy z Ŝarnikiem wolframowym; c) kwarcowy z rurką podwójną oraz z Ŝarnikiem wolframowym i chłodzeniem wodnym (przy ich uŝyciu uzyskuje się napromienienia wsadu rzędu 400 kw/m 2 ) 1 - Ŝarnik, 2 - pręt kwarcowy, 3 - rurka kwarcowa, 4 - trzonek, 5 - doprowadnik prądowy, 6 - pierścień dystansowy, 7 - doprowadzenie wody chłodzącej, 8 - wylot wody chłodzącej, 9 - pozłacany odbłyśnik zewnętrzny, 10 - rurka kwarcowa z wodą chłodzącą 4

4.Promienniki podczerwieni o ceramicznych oraz metalowych płaszczach promieniujących Rys. 3.14. Przekrój segmentu z powierzchniowym promiennikiem ceramicznym 1 - Ŝarnik, 2 - masa ceramiczna, 3 - odbłyśnik, 4 - obudowa, 5 - zacisk przyłączeniowy, 6 pokrywa 5. Łukowe lampy wyładowcze 6. W zakresie nadfioletu uŝywa się w przewaŝającej mierze wysokociśnieniowych lamp rtęciowych, lamp bezelektrodowych i ksenonowych Rys. 3.15. Charakterystyka promieniowania łukowej lampy rtęciowej bardzo wysokopręŝnej o mocy 200 W przy gęstości mocy wydzielanej w kolumnie wyładowania 1 - dla 8-10 10 W/m 3, 2 - dla 2,6-10 12 W/m 3, (q λmax leŝy w zakresie widzialnym) Urządzenia promiennikowe atmosferowe 5

Są to urządzenia, których człony grzejne są wyposaŝone w promienniki elektryczne, przekazujące energię ośrodkom (wsadom) w atmosferze naturalnej bądź sztucznej wyłącznie lub głównie za pośrednictwem promieniowania elektromagnetycznego. Rys. 3.16. Przykłady urządzeń promiennikowych atmosferowych: a) piec promiennikowy z segmentów z odbłyśnikami eliptycznymi; b) nagrzewnica z segmentów z odbłyśnikami parabolicznymi; c) piec z segmentami promiennikowymi i odbłyśnikowymi; d) nagrzewnica z segmentami promiennikowymi i odbłyśnikowymi 1 - wsad, 2 - element promieniujący, 3 - korpus segmentu z odbłyśnikiem, 4 - segment bezpromiennikowy z odbłyśnikiem Zalety metody wynikają z takich jej cech jak: 6

- fakt doprowadzania ciepła bezpośrednio w głąb wsadu, ze względu na wnikanie fal pod jego powierzchnię; - moŝliwość uzyskania duŝego napromienienia wsadu; - moŝliwość kierowania i skupiania promieniowania na wybranych elementach wsadu; - duŝa szybkość nagrzewania; - mała bezwładność cieplna urządzeń i ich natychmiastowa gotowość do pracy; - łatwość regulacji i automatyzacji procesu; - łatwość instalowania urządzeń w zautomatyzowanych liniach produkcyjnych. Obszary zastosowań: 1. Obróbka cieplna metali: - nagrzewanie przed hartowaniem, odpuszczanie, utwardzanie dyspersyjne, wyŝarzanie; - nagrzewanie drutów i taśm w celu ich gięcia, tłoczenia, zgrzewania, uplastyczniania; - lutowanie lutami twardymi Rys. 3.18. Charakterystyki nagrzewania blach o grubości 1 mm przy trzech róŝnych zadanych temperaturach (regulacja PID) w układzie z promiennikami kwarcowymi podwójnymi i napromienieniu 370 kw/m 2 1 - blacha aluminiowa; 2, 3 i 4 - blachy stalowe 7

2.Obróbka cieplna niemetali - głównie obróbka tworzyw sztucznych 3. Suszenie Rys. 3.19. Rozkłady temperatur w powłokach lakierniczych: a) suszonej konwekcyjnie; b) suszonej promiennikowe x - odległość od powierzchni powłoki, τ 1 τ 7 - czas, t p - temperatura powietrza w suszarce konwekcyjnej, t o - temperatura początkowa 4.Ogrzewanie promiennikowe polega na wykorzystaniu bezpośredniego fizjologicznego działania grzejnego promieniowania podczerwonego na organizmy Ŝywe 8

Urządzenia promiennikowe próŝniowe Rys. 3.24. Schematy promiennikowych pieców próŝniowych: a) z gorącą komorą próŝniową i źródłem ciepła w obszarze o ciśnieniu atmosferycznym; b) z gorącą komorą próŝniową i źródłem ciepła w obszarze o obniŝonym ciśnieniu; c) z zimną komorą próŝniową i elementem grzejnym w obszarze o ciśnieniu roboczym 1 - źródło ciepła, 2 - komora próŝniowa, 3 - izolacja cieplna, 4 - zbiornik próŝniowy, 5 - do układu pompowego, 6 - do układu pompowego (próŝnia pośrednia), 7 - doprowadzenia prądowe Obszary zastosowań: 1. Obróbka cieplna metali 2. Suszenie próŝniowe 9