Aquecedor infravermelho - Infrared heater

Um aquecedor infravermelho ou lâmpada de calor é um corpo com uma temperatura mais alta que transfere energia para um corpo com uma temperatura mais baixa por meio de radiação eletromagnética. Dependendo da temperatura do corpo emissor, o comprimento de onda do pico da radiação infravermelha varia de750  nm a 1 mm. Nenhum contato ou meio entre os dois corpos é necessário para a transferência de energia. Os aquecedores infravermelhos podem funcionar no vácuo ou na atmosfera.

Uma classificação dos aquecedores infravermelhos é pelas bandas de comprimento de onda da emissão infravermelha.

• Ondas curtas ou infravermelho próximo para a faixa de 750  nm para1,4  μm , esses emissores também são chamados de brilhantes porque ainda alguma luz visível é emitida;
• Infravermelho médio para a faixa entre 1,4 μm e3 μm ;
• Emissores infravermelhos distantes ou escuros para tudo acima 3 μm .

História

O astrônomo alemão-britânico Sir William Herschel é responsável pela descoberta do infravermelho em 1800. Ele fez um instrumento chamado espectrômetro para medir a magnitude da potência radiante em diferentes comprimentos de onda . Este instrumento foi feito de três peças. O primeiro era um prisma para captar a luz do sol e direcionar e dispersar as cores sobre uma mesa, o segundo era um pequeno painel de papelão com uma fenda larga o suficiente para que apenas uma única cor passasse e, finalmente, três mercúrio-em- termômetros de vidro . Por meio de seu experimento, Herschel descobriu que a luz vermelha tinha o maior grau de mudança de temperatura no espectro de luz ; no entanto, o aquecimento infravermelho não era comumente usado até a Segunda Guerra Mundial. Durante a Segunda Guerra Mundial, o aquecimento infravermelho tornou-se mais amplamente usado e reconhecido. As principais aplicações foram nos campos de acabamento de metais, particularmente na cura e secagem de tintas e vernizes em equipamentos militares. Bancos de lâmpadas foram usados ​​com muito sucesso; embora pelos padrões atuais as intensidades de potência fossem muito baixas, a técnica oferecia tempos de secagem muito mais rápidos do que os fornos de convecção de combustível da época. Após a Segunda Guerra Mundial, a adoção de técnicas de aquecimento infravermelho continuou, mas de forma muito mais lenta. Em meados da década de 1950, a indústria de veículos motorizados começou a mostrar interesse nas capacidades do infravermelho para a cura de tintas e uma série de túneis infravermelhos de linha de produção entraram em uso.

Elementos

O material de filamento mais comum usado para aquecedores elétricos infravermelhos é o fio de tungstênio , que é enrolado para fornecer mais área de superfície. As alternativas de baixa temperatura para o tungstênio são o carbono ou ligas de ferro , cromo e alumínio ( marca registrada e nome comercial Kanthal ). Embora a produção de filamentos de carbono seja mais instável, eles aquecem muito mais rapidamente do que um aquecedor de onda média comparável baseado em um filamento FeCrAl.

Quando a luz é indesejável ou desnecessária em um aquecedor, os aquecedores infravermelhos de cerâmica são a escolha preferida. Contendo 8 metros (26 pés) de fio de resistência de liga em espiral, eles emitem um calor uniforme em toda a superfície do aquecedor e a cerâmica é 90% absorvente da radiação. Como a absorção e a emissão são baseadas nas mesmas causas físicas em cada corpo, a cerâmica é idealmente adequada como um material para aquecedores infravermelhos.

Aquecedores infravermelhos industriais às vezes usam um revestimento de ouro no tubo de quartzo que reflete a radiação infravermelha e a direciona para o produto a ser aquecido. Consequentemente, a radiação infravermelha que incide sobre o produto é virtualmente duplicada. O ouro é usado por causa de sua resistência à oxidação e refletividade infravermelha muito alta de aproximadamente 95%.

Tipos

Aquecedores infravermelhos são comumente usados ​​em módulos infravermelhos (ou bancos de emissores) combinando vários aquecedores para alcançar áreas aquecidas maiores.

Os aquecedores infravermelhos são geralmente classificados pelo comprimento de onda que emitem:

Os aquecedores de infravermelho próximo (NIR) ou de ondas curtas operam em altas temperaturas de filamento acima de 1.800  ° C (3.270  ° F ) e quando dispostos em um campo atingem altas densidades de potência de algumas centenas de kW / m ² . Seu comprimento de onda de pico está bem abaixo do espectro de absorção de água, tornando-os inadequados para muitas aplicações de secagem. Eles são adequados para aquecimento de sílica onde uma penetração profunda é necessária.

Aquecedores de ondas médias (MWIR) e infravermelho de carbono operam em temperaturas de filamento de cerca de 1.000 ° C (1.830 ° F). Eles atingem densidades máximas de potência de até 60  kW / m ² (5,6 kW / pés quadrados ) (onda média) e 150 kW / m ² (14 kW / pés quadrados) (carbono).

Emissores de infravermelho distante (FIR) são normalmente usados ​​nas chamadas saunas de infravermelho distante de baixa temperatura . Estes constituem apenas a gama mais elevada e mais cara do mercado de sauna de infravermelhos. Em vez de usar carbono, quartzo ou emissores de cerâmica de alto watt, que emitem radiação infravermelha próxima e média, calor e luz, os emissores de infravermelho distante usam placas de cerâmica de baixo watt que permanecem frias, embora ainda emitindo radiação infravermelha distante.

A relação entre temperatura e comprimento de onda de pico é expressa pela lei de deslocamento de Wien .

Elemento de arame de metal

Os elementos de aquecimento de fio metálico apareceram pela primeira vez na década de 1920. Esses elementos consistem em arame feito de chromel. O cromel é feito de níquel e cromo e também é conhecido como nicrômio . Este fio foi então enrolado em uma espiral e enrolado em um corpo de cerâmica. Quando aquecido a altas temperaturas, forma uma camada protetora de óxido de cromo que protege o fio contra queima e corrosão e faz com que o elemento brilhe.

Lâmpadas de calor

Uma lâmpada de calor é uma lâmpada incandescente usada com o objetivo principal de criar calor. O espectro da radiação de corpo negro emitida pela lâmpada é alterado para produzir mais luz infravermelha . Muitas lâmpadas de calor incluem um filtro vermelho para minimizar a quantidade de luz visível emitida. As lâmpadas de calor geralmente incluem um refletor interno.

Lâmpadas de calor são comumente usadas em chuveiros e banheiros para aquecer banhistas e em áreas de preparação de alimentos de restaurantes para mantê-los aquecidos antes de servir. Eles também são comumente usados ​​para a criação de animais . As luzes usadas para aves são freqüentemente chamadas de lâmpadas de cria. Além de pássaros jovens, outros tipos de animais que podem se beneficiar de lâmpadas de calor incluem répteis , anfíbios , insetos , aracnídeos e os filhotes de alguns mamíferos .

As tomadas usadas para lâmpadas de calor são geralmente de cerâmica porque as tomadas de plástico podem derreter ou queimar quando expostas à grande quantidade de calor residual produzido pelas lâmpadas, especialmente quando operadas na posição "base para cima". A cobertura ou cobertura da lâmpada é geralmente de metal. Pode haver uma proteção de arame na frente da cobertura, para evitar tocar a superfície quente da lâmpada.

Lâmpadas incandescentes comuns de uso doméstico também podem ser usadas como lâmpadas de calor , mas lâmpadas vermelhas e azuis são vendidas para uso em lâmpadas de cria e lâmpadas de réptil. As lâmpadas de calor de 250 watts são comumente embaladas no fator de forma "R40" (lâmpada refletora de 5 ") com uma base de rosca intermediária.

As lâmpadas de calor podem ser usadas como um tratamento médico para fornecer calor seco quando outros tratamentos são ineficazes ou impraticáveis.

Sistemas de aquecimento infravermelho de cerâmica

Os elementos de aquecimento infravermelho cerâmicos são usados ​​em uma ampla gama de processos industriais onde a radiação infravermelha de onda longa é necessária. Sua faixa de comprimento de onda útil é de 2–10 μm. Eles são frequentemente usados ​​na área de saúde animal / animal de estimação também. Os aquecedores infravermelhos de cerâmica (emissores) são fabricados com três faces básicas do emissor: canal (côncavo), plano e bulbo ou elemento de parafuso Edison para instalação normal através de um suporte de lâmpada de cerâmica E27.

Infravermelho distante

Essa tecnologia de aquecimento é usada em algumas saunas infravermelhas caras. Também é encontrado em aquecedores de ambiente. Esses aquecedores usam emissores de cerâmica de baixa densidade (geralmente painéis bastante grandes) que emitem radiação infravermelha de ondas longas. Como os elementos de aquecimento estão a uma temperatura relativamente baixa, os aquecedores infravermelhos não emitem gases e cheiros de poeira, sujeira, formaldeído, gases tóxicos do revestimento de tinta, etc. Isso tornou esse tipo de aquecimento muito popular entre as pessoas com alergias graves e sensibilidade química múltipla na Europa. Como a tecnologia do infravermelho distante não aquece o ar da sala diretamente, é importante maximizar a exposição das superfícies disponíveis que, então, reemitem o calor para fornecer um calor ambiente uniforme e completo. Isso é conhecido como aquecimento radiante.

Lâmpadas de calor de quartzo

As lâmpadas halógenas são lâmpadas incandescentes preenchidas com gás inerte altamente pressurizado combinado com uma pequena quantidade de gás halógeno ( bromo ou iodo ); isso aumenta a vida útil do filamento (consulte Lâmpada halógena # Ciclo de halogênio ). Isso leva a uma vida útil muito mais longa das lâmpadas halógenas do que outras lâmpadas incandescentes. Devido à alta pressão e temperatura produzidas pelas lâmpadas halógenas, elas são relativamente pequenas e feitas de vidro de quartzo, pois tem um ponto de fusão mais alto do que o vidro padrão. Os usos comuns para lâmpadas halógenas são aquecedores de mesa.

Os elementos de aquecimento infravermelho de quartzo emitem energia infravermelha de onda média e são particularmente eficazes em sistemas onde é necessária uma resposta rápida do aquecedor. As lâmpadas infravermelhas tubulares em lâmpadas de quartzo produzem radiação infravermelha em comprimentos de onda de 1,5–8 μm. O filamento fechado opera a cerca de 2.500 K (2.230 ° C; 4.040 ° F), produzindo mais radiação de comprimento de onda mais curto do que fontes de bobina de fio aberto. Desenvolvidas na década de 1950 na General Electric , essas lâmpadas produzem cerca de 100 watts por polegada (4 W / mm) e podem ser combinadas para irradiar 500 watts por pé quadrado (5.400 W / m ² ). Para atingir densidades de potência ainda maiores, lâmpadas halógenas foram usadas. As lâmpadas infravermelhas de quartzo são usadas em refletores altamente polidos para direcionar a radiação em um padrão uniforme e concentrado.

As lâmpadas de calor de quartzo são usadas no processamento de alimentos, processamento químico, secagem de tintas e descongelamento de materiais congelados. Eles também podem ser usados ​​para aquecimento de conforto em áreas frias, em incubadoras e em outras aplicações para aquecimento, secagem e cozimento. Durante o desenvolvimento de veículos de reentrada no espaço, bancos de lâmpadas infravermelhas de quartzo foram usados ​​para testar materiais de blindagem térmica em densidades de potência de até 28 kW / pés quadrados (300 kW / m ² ).

Os designs mais comuns consistem em um tubo de vidro de quartzo branco leitoso acetinado ou quartzo transparente com um elemento eletricamente resistente, geralmente um fio de tungstênio ou uma bobina fina de liga de ferro-cromo-alumínio. O ar atmosférico é removido e preenchido com gases inertes, como nitrogênio e argônio, e então selado. Nas lâmpadas halógenas de quartzo, uma pequena quantidade de gás halogênio é adicionada para prolongar a vida útil do aquecedor.

A maior parte da energia radiante liberada em temperaturas operacionais é transmitida através do tubo de quartzo fino, mas parte dessa energia é absorvida pelo tubo de vidro de quartzo de sílica fazendo com que a temperatura da parede do tubo aumente, o que faz com que a ligação silício-oxigênio irradie muito raios infravermelhos. Os elementos de aquecimento de vidro de quartzo foram originalmente projetados para aplicações de iluminação, mas quando uma lâmpada está em plena potência, menos de 5% da energia emitida está no espectro visível.

Quartzo tungstênio

Os aquecedores infravermelhos de quartzo tungstênio emitem energia de onda média atingindo temperaturas operacionais de até 1.500 ° C (2.730 ° F) (onda média) e 2.600 ° C (4.710 ° F) (onda curta). Eles atingem a temperatura operacional em segundos. Emissões de pico de comprimento de onda de aproximadamente 1,6 μm (infravermelho de onda média) e 1 μm (infravermelho de onda curta).

Aquecedor de carbono

Os aquecedores de carbono usam um elemento de aquecimento de fibra de carbono capaz de produzir calor infravermelho distante de ondas longas, médias e curtas . Eles precisam ser especificados com precisão para os espaços a serem aquecidos.

A gás

Existem dois tipos básicos de aquecedores infravermelhos.

• Luminoso ou de alta intensidade
• Aquecedores de tubo radiante

Aquecedores a gás de tubo radiante usados ​​para aquecimento de edifícios industriais e comerciais queimam gás natural ou propano para aquecer um tubo emissor de aço. O gás que passa por uma válvula de controle flui por um queimador de copo ou um venturi . Os gases do produto da combustão aquecem o tubo emissor. Conforme o tubo aquece, a energia radiante do tubo atinge o chão e outros objetos na área, aquecendo-os. Esta forma de aquecimento mantém o calor mesmo quando um grande volume de ar frio é introduzido repentinamente, como em garagens de manutenção . Eles não podem, entretanto, combater uma corrente de ar frio.

A eficiência de um aquecedor infravermelho é uma classificação da energia total consumida pelo aquecedor em comparação com a quantidade de energia infravermelha gerada. Embora sempre haja alguma quantidade de calor convectivo gerado durante o processo, qualquer introdução de movimento de ar no aquecedor reduzirá sua eficiência de conversão infravermelha. Com os novos refletores não manchados, os tubos radiantes têm uma eficiência radiante descendente de cerca de 60%. (Os outros 40% compreendem perdas irrecuperáveis ​​para cima radiante e convectiva e perdas de combustão.)

Efeitos na saúde

Além dos perigos de tocar no bulbo ou elemento quente, a radiação infravermelha de onda curta de alta intensidade pode causar queimaduras térmicas indiretas quando a pele fica exposta por muito tempo ou o aquecedor está posicionado muito perto do objeto. Indivíduos expostos a grandes quantidades de radiação infravermelha (como sopradores de vidro e soldadores de arco) por um longo período de tempo podem desenvolver despigmentação da íris e opacidade do humor aquoso , portanto, a exposição deve ser moderada.

Eficiência

Aquecedores infravermelhos aquecidos eletricamente irradiam até 86% de sua entrada como energia radiante. Quase toda a entrada de energia elétrica é convertida em calor radiante infravermelho no filamento e direcionada ao alvo por refletores. Parte da energia térmica é removida do elemento de aquecimento por condução ou convecção , o que pode não haver perda para alguns projetos onde toda a energia elétrica é desejada no espaço aquecido, ou pode ser considerada uma perda, em situações onde apenas o radiativo a transferência de calor é desejada ou produtiva.

Para aplicações práticas, a eficiência do aquecedor infravermelho depende da correspondência entre o comprimento de onda emitido e o espectro de absorção do material a ser aquecido. Por exemplo, o espectro de absorção de água tem seu pico em torno de3 μm . Isso significa que a emissão de aquecedores infravermelhos de onda média ou carbono é muito melhor absorvida por água e revestimentos à base de água do que NIR ou radiação infravermelha de ondas curtas. O mesmo se aplica a muitos plásticos como PVC ou polietileno. O pico de absorção deles é próximo3,5 μm . Por outro lado, alguns metais absorvem apenas na faixa de ondas curtas e mostram uma forte refletividade no infravermelho médio e distante. Isso torna uma seleção cuidadosa do tipo de aquecedor infravermelho correto importante para a eficiência energética no processo de aquecimento.

Os elementos cerâmicos operam na temperatura de 300 a 700 ° C (570 a 1.290 ° F), produzindo comprimentos de onda infravermelhos de 2 a Faixa de 10 μm . A maioria dos plásticos e muitos outros materiais absorvem melhor o infravermelho nessa faixa, o que torna o aquecedor de cerâmica mais adequado para essa tarefa.

Formulários

Os aquecedores IR podem satisfazer uma variedade de requisitos de aquecimento, incluindo:

• Temperaturas extremamente altas, limitadas em grande parte pela temperatura máxima do emissor
• Tempo de resposta rápido, da ordem de 1–2 segundos
• Gradientes de temperatura, especialmente em teias de material com alta entrada de calor
• Área aquecida focada em relação aos métodos de aquecimento condutivo e convectivo
• Sem contato, portanto, não perturbando o produto como os métodos de aquecimento condutivo ou convectivo fazem

Assim, os aquecedores IR são aplicados para muitas finalidades, incluindo:

• Sistemas de aquecimento
• Cura de revestimentos
• Aquecedores de ambiente
• Encolhimento de plástico
• Aquecimento de plástico antes da formação
• Soldagem de plástico
• Tratamento térmico de vidro e metal
• Cozinhando
• Aquecimento de animais lactentes ou animais em cativeiro em zoológicos ou clínicas veterinárias

Referências

Leitura adicional

• Deshmukh, Yeshvant V .: Aquecimento industrial, princípios, técnicas, materiais, aplicações e design . Taylor e Francis, Boca Raton, Fl .: 2005.
• Siegel, Robert e Howell, John R .: Thermal Radiation Heat Transfer . 3ª Ed. Taylor e Francis, Filadélfia.