Techniczne podstawy promienników podczerwieni Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 1
Podstawy techniczne Rozdz. 1 1 Rozdział 1 Zasady promieniowania podczerwonego - Podstawy fizyczne - Widmo, Długość fali - Wydajność -Związek między temperaturą rzeczywistą a skutecznością ś Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 2
Podstawy techniczne Rozdz. 1 Widmo promieniowania elektromagnetycznego Prom. Gamma Prom. X UV Podczerwień (Ciepło) Prom. radiowe Telewizja Techn. nadawcza Telegrafia IR-A IR-B IR-C 1pm 1nm 380-780nm 10µm 1mm 1cm 10m 100m 1km 10km 100km Długość fali Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 3
Nasze promienniki IR w widmie podczerwieni UV Światło widzialne Podczerwień Halogenowy w bliskiej podczerwieni Krótkofalowy Średniofalowy o krótkim czasie reakcji Średniofalowy węglowy średniofalowy Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 4
Promieniowanie IR Słoń ce Promiennik IR Stratosfera Fale elektromagnetyczne t Powietrze lub próżnia Ziemiai Produkt Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 5
Przekazywanie ciepła za pomocą promieniowania podczerwonego Drgania energii = funkcja temperatury Ciało o wyższej temper = promiennik Fale elektromagnetyczne Ciało o niższej temperaturze Wzbudzanie atomów i cząsteczek przy użyciu fal elektromagnetycznych Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 6
Podstawy techniczne Fizyka Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 7
Widmo fal elektromagnetycznych Częstotliwość tli promieniowania i i i energia fotonu Promieniowanie widzialne IR-A IR-B IR-C 0.1 0.28 0.315 0.400 0.78 1.4 3 10 µm Długość fali promieniowania w µm Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 8
Promieniowanie padające na powierzchnię jest... - pochłaniane - odbijane - przekazywane Wg wzoru: α + r + τ = 1 α r τ = pochłanianie = odbicie = przekazywanie Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 9
Promieniowanie podczerwone IR Pochłanianie (Absorbcja),Odbicie i przekazywanie Odbicie Promieniowanie IR Absorbcja Absorbcja Przekazywanie Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 10
Prawo Kirhoffa ε = A = f (λ, T ) ε A λ T = zdolność emisyjna = wartość absorbcji (absorbancja) = długość fali = temperatura [K] Zdolność emisyjna i absorbancja materiału mają te same wartości liczbowe w danej temperaturze i długości fali. Oba parametry zależą od długości fali promieniowania i od temperatury. ε = A = 1 dla ciała doskonale czarnego Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 11
Zdolność emisji ε wyliczona jako całka emisyjności dla wszystkich długości fal dla niektórych metali metal całka emisyjności 1000 C 2000 C ε d λ Wolfram 0,15 0,28 Molibden 0,13 0,24 Tantal 0,26 Nikiel 0,19 Niob 0,14 0,28 λ [Koller:1965] Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 12
Maximum emitowanej mocy (prawo Wiena) [1] λ max = 2897.2 µm K -1 / T λ max T = długość fali przy której występuje maksimum emitowanej [µm] = temperatura promiennika [K] Długość fali, dla której występuje maksimum emitowanej energii zmienia się ze wzrostem temperatury w kierunku mniejszych długości fali lub większej energii fotonu (dla ciała czarnego). Ta sama zasada dotyczy również materiałów rzeczywistych, ale z nieznacznie różniącymi się stałymi. Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 13
Maximum emitowanej mocy (Prawo Wiena) [2] 10 2 Długość ć fali o em misjii max x. mocy [µm] [Piazena/Meffert 2002] 10 1 0 C Ludzkie ciało 100 C Wrząca 600 C woda 1000 C IR Spirala grzejna 10 0 słońce VIS UV 10-1 10 2 10 3 10 4 10 5 Temperatura promiennika [K] Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 14
Moc emitowana (prawo Stefana-Boltzmanna) [1] Φ = c e ε A (T 4 - T 4 ) Φ c e ε A T T = moc emitowana [W] = 5,67 10-8 W m -2 K -4 stała promieniowania ciała doskonale czarnego = zdolność emisyjna ciała promieniującego = pole powierzchni ciała promieniującego = temperatura ciała promieniującego [K] = temperatura otoczenia [K] Moc emitowana zależy od 4-tej potęgi temperatury. Prawo to dotyczy ciał rzeczywistych jeśli funkcja ε (λ, T) zmienia się tylko nieznacznie. i Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 15
Moc emitowana (prawo Stefana-Boltzmanna ) [2] 10 8 Całkowite promien niowanie w Wm -2 3000 C słońce Promiennik halogenowy 10 5 1000 C Promiennik węglowy woda 100 C 0 C ciało ludzkie [Piazena/Meffert 2002] 10 2 10 2 10 4 10 3 Temperatura w 0 K Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 16
Emisja promieniowania (Prawo Planck a ) [1] E = h υ E = energia jednego fotonu o częstotliwości υ = c / λ h = 6.6256 10-34 J s, stała Planck a c = 3 10 9 m/s, prędkość światła Promieniowanie ograniczone jest w małym kwancie (stąd pojęcie mechaniki kwantowej). Kwantem jest foton. Energia fotonu odpowiada określonej długości fali lub częstotliwości promieniowania. Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 17
Emisja promieniowania (Prawo Planck a )[2] Moc wypromieniowana przez ciało określona jest wzorem : W(λ, T) = (2 h c 2 / λ 5 ) e -(h c/ λ k T ) ε(λ, T) c = 3 10 9 m s -1, prędkość światła h = 6.6256 10-34 J s, stała Planck a λ = długość fali k = 5.67 10-8 W m -2 K -4,stała Boltzmann a T = temperatura t promiennika ik [ o K] Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 18
Długość fali Temperatura żarnika 3500 3000 Fale średnie Fale krótkie Bliska podczerwień-nir 3000 Temper ratura 2500 2000 1500 1000 950 1200 1400 1600 1800 2400 500 2,36 1,96 1,72 1,54 1,39 1,08 0,88 Długość fali µm Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 19
Długość fali Temperatura żarnika 3500 3300 3100 temp eratura żar rnika w C 2900 2700 2500 2300 2100 1900 1700 1500 1300 1100 900 700 wolfram Ciało ł czarne i węgiel 500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 długość fali w nm Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 20
Zdolność przekazywania ciepła: Porównanie promieniowania konwekcyjnego i w podczerwieni kw/m 2 Grzanie w podczerwieni do 1 MW/m 80 2 Fale krótkie 60 40 Fale średnie Gorące powietrze do 40 kw/m 2 20 Fale średnie 0 200 400 600 Source: RWE 1991 Technical Information,, 17.02.2009, Seite/Page 21 V = 10 m/s V = 1 m/s C Temperatura powietrza