Технология ИК-нагрева и отопления помещений известна достаточно давно. Наибольшую популярность в середине 20-го века приобрели так называемые «светлые» излучатели имеющие максимум излучаемой мощности на длинах волн 0.72-2 мкм. Более того, считалось, что именно такой тип нагрева является самым оптимальным и эффективным. При этом такому способу нагрева были присущи существенные недостатки: негативное воздействие на кожу, высокая потребляемая мощность, сложность в обслуживание и высокая цена. Все эти факторы привели к тому, что технику ИК-нагрева считали специфической и применимой лишь в узкоспециализированных промышленных задачах (таких как сушка кожи, лаков, красок, керамики и т.п.). Однако в последние годы возобновился интерес к системам ИК отопления в связи с повышение цены на энергоносители. В этой связи активно начало развиваться направление «темных» ИК- нагревателей, излучающих 90% своей энергии на длинах волн 8-14 мкм, к которым относятся и водяные инфракрасные нагреватели.

Электромагнитная шкала длин волн:

Для более глубокого понимания принципов работы ИК-нагревателей необходимо рассмотреть базовые физические принципы их работы. Сперва необходимо дать ответ на вопрос, а почему вообще тела, температура которых выше 0 К (-273.15 °С) излучают? Ответ на этот вопрос дал Макс Планк в 1900 году. Согласно Планку плотность энергии излучения зависит только от температуры черного тела и равна:

где:

с1 – первая радиационная постоянная, с1=2πhс2

с2 – вторая радиационная постоянная, с2=hc/k

h – постоянная Планка

λ – длина волны

T – абсолютная температура черного тела

График распределения спектральной яркости излучения черного тела в зависимости от длины волны при различных температурах. Обратите внимание, что при увеличении температуры максимум полосы излучения сдвигается в короткие длины волн (закон смещения Вина):

Мы использовали термин черное тело, не введя его определения. Исправляя ситуацию, обратимся к закону Кирхгофа: отношение спектральной энергетической яркости любого теплового излучателя Lλ при длине волны λ и температуре Т к его коэффициенту поглощения α(λ) равно спектральной энергетической яркости абсолютно черного излучателя (абсолютно черного тела) Lλs при той же температуре и длине волны:

Поскольку ε(λ)=1 верно лишь для абсолютно черного тела (согласно данному определению, черным телом является Солнце), то наибольшей будет спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела, достигаемая при длине волны λ и температуре Т, независимо от других его свойств. Все окружающие нас тела имеют коэффициент излучения ε(λ) меньше 1.

Примеры объектов с различным коэффициентом излучения:

Итак, для реальных тел закон Планка запишется в виде:

Иными словами максимальную мощность при одной и той же температуре излучает черное тело, реальные же объекты излучают меньшую мощность.

В этой связи возникает вопрос о том, почему излучаемая мощность реальных тел меньше той, которую излучало бы черное тело находись оно в тех же термодинамических условиях (имея ту же температуру)? Ответ на этот вопрос может дать закон сохранения энергии, сформулированный на языке оптики:

R+E+T=1

где R – коэффициент отражения,

E – коэффициент излучения,

Т – коэффициент пропускания

А = Е – закон Кирхгофа, А – коэффициент поглощения,

Для большинства тел Т = 0

Тогда

R+E=1

Иными словами: если тело имеет коэффициент излучения 0.85, то оно излучает 85% собственной энергии, в которой содержится информации о температуре данного тела и 15% переотражает энергию, которая соответствует температуре фона.

Иллюстрация закона сохранения энергии в оптике:

Нагреваемые поверхности облучаются суммарным ИК-излучением, которое может состоять из:

– собственного излучения ИК-нагревателя

– отраженного излучения от других тел, находящихся как в зоне нагрева, так и отстоящих на значительные расстояния.

Только собственное излучение ИК-нагревателя дает вклад в отопление помещения. При этом отраженное излучение может иметь два характера: зеркальное и диффузионное. Большинство тел отражают излучение диффузионно и только металлы, стекло и некоторые пленки отражают излучение зеркально.

Для того, чтобы рассчитать суммарный тепловой поток, пришедший на единицу нагреваемой поверхности можно воспользоваться приближенной формулой Стефана-Больцмана:

Где

T – температура тела в кельвинах (T=t+273 °C)

e – коэффициент излучения нагреваемой поверхности

TB – температура фона в градусах кельвина

Q – тепловой поток от нагревателя в Вт/м2

Кстати, ради интереса подсчитайте по данной формуле сколько энергии тратит человек за 1 с, если коэффициент излучения кожи равен 0.98, а температура тела нормального человека 36.6 °С. А теперь умножьте данное число на 3600*24 и вы получите потери тепла в сутки! Не правда ли интересный результат, научно подтверждающий пословицу: солнце, воздух и вода, наши лучшие друзья.

Таким образом, температура фона может быть либо температурой поверхности земли, либо температурой Солнца (при условии прямого блика), либо температурой неба (например ночью при отсутствии облачности она составляет -40 ?С на длинах волн 8-14 мкм), либо равновесной термодинамической температурой окружающих тел.

Основной вывод из формул состоит в том, что материал ИК-нагревателя с одной стороны должен быть приближен к 1, а с другой стороны желательно, чтобы нагреваемая поверхность так же имела коэффициент излучения порядка 1. Наиболее лучшим с точки зрения нагрева, являются деревянные поверхности, неполированная керамика, резина, ламинат, а нежелательными: мрамор, гранит, металлы, лакированные поверхности.

Надо также отметить, что испускаемое телами ИК-излучение (а все тела испускают электромагнитное излучение в ИК-диапазоне) может свободно проходить через трассу в атмосфере, только на определенных длинах волн, так как атмосфера имеет так называемые окна прозрачности на длинах волн до 1.8 мкм, 3-5 мкм, 8-14 мкм. То есть, в этих окнах поглощение атмосферы минимальное.

Окна прозрачности атмосферы:

Давайте рассчитаем длину волны, на которой излучается до 90% всей энергии ИК-нагревателя, если его температура равна 60 °С. Для этого воспользуемся законом смещения Вина: λmax = b/T ≈ 0,002898 м·К × T −1 (K) =(0,002898*10-3) /(273+60)=8.7 мкм

Выходит, что мы попадаем в окно прозрачности атмосферы и излучение от ИК-нагревателя не будет поглощаться атмосферой.

Однако мы можем задаться еще одним вопросом: а важно ли расстояние на котором мы устанавливаем ИК-нагреватель? То есть, сколько лучистой энергии будет приходится на 1 м2 поверхности, если ИК-нагреватель находится на расстоянии в 10 или 100 м? Будет ли нагреваемая поверхность получать одинаковое количество энергии на 1 м2? Для ответа на этот вопрос нужно ввести понятие телесного угла:

Телесный угол измеряется отношением площади той части сферы с центром в вершине угла, которая вырезается этим телесным углом, к квадрату радиуса сферы.

Телесный угол:

Тогда плотность потока излучаемого ИК-нагревателем на расстоянии R запишется в виде:

Иными словами мощность излучения с 1 м2 ИК-нагревателя пропорциональна квадрату расстояния до нагреваемого объекта. Надо отметить, что если коэффициент излучения нагреваемой поверхности близок к 1, то этот поток поглотится нагреваемым телом, то есть осуществится его нагрев.

Мы рассмотрели основные принципы ИК нагревательных элементов. В нашем рассмотрении мы считали, что единственный способ передачи энергии с ИК-нагревателя – это излучение, также мы считали, что единственный способ нагреть или охладить тело – также излучение. При учете конвекции мы приходим к нелинейным граничным условиям для дифференциального уравнения теплового баланса. В данной статье мы этот случай рассматривать не будем.

Таким образом, нами рассмотрены физические основы ИК-нагревателей, даны рекомендации по подбору излучающих и поглощающих поверхностей, оптимальных температур излучателя и геометрии расположения источника излучения и приемника.