Kızılötesi ısıtıcı

Kızılötesi ısıtıcı veya ısı lambası, enerjiyi elektromanyetik radyasyon yoluyla daha soğuk bir nesneye aktaran yüksek sıcaklık yayıcı içeren bir ısıtma cihazıdır. Vericinin sıcaklığına bağlı olarak, kızılötesi radyasyon tepe noktasının dalga boyu 750 nm ila 1 mm arasında değişir. Enerji transferi için ısı yayıcı (ing:emitter) ile soğuk nesne arasında herhangi bir temas veya ortam gerekli değildir. Kızılötesi ısıtıcı, vakum veya atmosferde ısıtabilir.

Kızılötesi ısıtıcıların sınıflandırması kızılötesi emisyonun dalga boyu bantlarına göre yapılır.

• 750 nm ila 1,4 µm aralığı için kısa dalga veya yakın kızılötesi; bu ısıtıcılarda biraz görünür ışık vardır.
• 1,4 µm ve 3 µm arasındaki aralık için orta kızılötesi ortamı.
• 3 µm üzerindeki her şey için uzak kızılötesi veya ışıksız ısı yayanlar.

Alman-İngiliz astronom Sir William Herschel, 1800'de kızılötesinin keşfi ile tanındı. Herschel farklı dalga boylarında ışıma gücünü ölçmek için spektrometre adlı bir cihaz yaptı. Bu cihaz birincisi, güneş ışığını yakalayıp renkleri bir masanın üzerine yönlendirip dağıtan bir prizma, ikincisi içinden yalnızca tek bir rengin geçebileceği kadar geniş bir yarığı olan küçük bir karton plaka ve üçüncüsü de üç civalı cam termometreden oluşan üç parçadan yapılmıştı.

Herschel deneyi sayesinde kırmızı ışığın ışık spektrumunda en yüksek sıcaklık değişimine sahip olduğunu buldu ancak kızılötesi ısıtma 2. Dünya Savaşı'na kadar pek kullanılmadı. İkinci Dünya Savaşı sırasında kızılötesi ısıtma daha çok kullanılmaya ve tanınmaya başlandı. Bu dönemde daha çok metal kaplamada özellikle askeri teçhizat üzerindeki boya ve cilaların kürlenmesi ve kurutulmasında kullanıldı. Kızılötesi ampul dizileri başarılı şekilde kullanıldı; bugünün standartlarına göre güç yoğunlukları çok az olsa da bu teknik zamanın yakıt konveksiyonlu fırınlarından çok daha hızlı kuruma süreleri sağlıyordu. İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra kızılötesi ısıtma tekniğinin benimsenmesi devam etti. 1950'lerin ortalarında motorlu araç sanayisi boya kürlemede kızılötesinin yeteneğini ile ilgilenmeye başladı ve pek çok üretim hattında kızılötesi tünelleri kullanıma girdi.^[1][2][3]

Elektrikli kızılötesi ısıtıcılarda en çok kullanılan filaman malzemesi, daha çok yüzey alanı sağlamak için sarılı tungsten (Wolfram) teldir. Tungsten için alçak sıcaklık alternatifleri karbon veya demir, krom ve alüminyum alaşımlarıdır (bu alaşımım ticari markası Kanthal 'dır).

Karbon filamanların üretilmesi daha kararsız olsa da FeCrAl filaman esaslı benzer bir orta dalga ısıtıcıdan çok daha hızlı ısınır.

Kızılötesi ısıtıcıda ışık istenmediği veya gerekli olmadığı durumlarda seramik kızılötesi radyant ısıtıcılar tercih edilir. 8 metre (26 ft) sarmal alaşımlı direnç teli içeren bu teller, ısıtıcının tüm yüzeyi boyunca eşit bir ısı yayar ve seramik, radyasyonu %90 oranında emer. Isı emilimi (absorpsiyon) ve emisyon her cisimde aynı fiziksel nedenlere dayandığından, seramik ideal olarak kızılötesi ısıtıcılara uygun bir malzemedir.

Endüstriyel kızılötesi ısıtıcılar, bazen kuvars boru üzerinde kızılötesi radyasyonu yansıtan ve onu ısıtılacak ürüne yönlendiren altın bir kaplama kullanır. Sonuçta ürüne çarpan kızılötesi radyasyon neredeyse iki katına çıkar. Altın, oksitlenme direnci ve yaklaşık %95'lik çok yüksek kızılötesi yansıtıcılığı nedeniyle kullanılır.^[4]

Kızılötesi ısıtıcılar, büyük alanları ısıtmak için birkaç ısıtıcıyı birleştiren kızılötesi modüllerde yaygın kullanılır.

Kızılötesi ısıtıcılar genellikle yaydıkları dalga boyu'na göre sınıflandırılır:

Yakın kızılötesi (NIR) veya kısa-dalga kızılötesi ısıtıcılar 1.800 °C (3.270 °F) üzerindeki yüksek filaman sıcaklıklarında çalışır ve bir alana konulup da düzenlendiğinde yüzlerce kW/m²'lık yüksek güç yoğunluklarına ulaşır. Zirve dalga boyları, su için ısı emilim tayfının altındadır ve bu yüzden birçok kurutma uygulamasına uygun değildir.

Derin ısı nüfuzuna gerek duyulan silika ısıtılması için kızılötesi ısıtıcı çok uygundur.

Orta dalga (MWIR) ve karbon kızılötesi ısıtıcılar, yaklaşık 1.000 °C (1.830 °F) filaman sıcaklıklarında çalışır. 60 kW/m² (5,6 kW/ft²) (Orta dalga) ve 150 kW/m² (14 kW/ft²)'ye (karbon) varan maksimum güç yoğunluklarına ulaşırlar. Uzak-kızılötesi yayıcılar (FIR) genellikle düşük sıcaklıklı uzak-kızılötesi saunalarda kullanılır. Bunlar, kızılötesi sauna pazarının yalnızca daha yüksek ve daha pahalı aralığını oluşturur. Yakın ve orta kızılötesi radyasyon, ısı ve ışık yayan karbon, kuvars veya yüksek watt seramik yayıcılar kullanmak yerine, uzak kızılötesi yayıcılar, uzak kızılötesi radyasyon yayarken soğuk kalan düşük watt seramik plakalar kullanır. Sıcaklık ve zirve dalga boyu arasındaki ilişki Wien'in yer değiştirme yasası ile ifade edilir.

Metal tel ısıtma elemanı ilk olarak 1920'lerde ortaya çıktı. Bu elemanlar kromelden yapılmış telden oluşur. Kromel, nikel ve krom'dan yapılır ve nikrom da denir. Bu tel daha sonra spiral şeklinde kıvrılır ve seramik bir gövdenin etrafına sarılır. Yüksek sıcaklıklara ısıtıldığında, teli yanmaya ve korozyona karşı koruyan ve elementin parlamasına neden olan koruyucu bir krom oksit tabakası oluşturur.^[5]

Isı lambası, ısıtma için kullanılan bir akkor ampul'dür. Lamba tarafından yayılan siyah cisim radyasyonu spektrumu, daha çok kızılötesi ışık üretmek için kaydırılır. Çoğu ısı lambasının çıkan görünür ışık miktarını en aza indirmek için kırmızı filtresi vardır. Isı lambalarında genellikle dahili bir yansıtıcı vardır.

Isı lambaları genellikle duş ve banyolarda banyo yapanları ısıtmak için ve restoranların yemek hazırlama alanlarında yiyecekleri servis yapmadan önce sıcak tutmada kullanılır.

Ayrıca hayvancılık‘ta da çok yaygın kullanılırlar. Kümes hayvanları için kullanılan ışıklara genellikle civciv lambaları denir. Yavru kuşların yanı sıra sürüngenler, amfibiler, böcekler, örümceğimsiler ve bazı memeli hayvan türleri de ısı lambalarından yararlanabilir.

Isı lambaları için kullanılan soketler genellikle seramik‘tir çünkü plastik soketler,özellikle "taban yukarı" konumunda çalıştırıldıklarında, lambaların ürettiği büyük miktarda atık ısıya maruz kaldıklarından eriyebilir veya yanabilir. Lambanın örtüsü veya başlığı genellikle metaldir. Ampulün sıcak yüzeyine dokunmayı engellemek için muhafazanın önüne tel koruyucu takılabilir.

Ev tipi beyaz akkor ampuller de ısı lambası olarak kullanılabilir ama kırmızı ve mavi ampuller kuluçka lambaları ve sürüngen lambalarında kullanılmak üzere satılır. 250 watt ısı lambası genellikle ara vida tabanlı "R40" (5" reflektör lamba) form faktöründe yapılır.

Seramik kızılötesi ısıtma elemanları, uzun dalga kızılötesi radyasyonun gerekli olduğu çok çeşitli sanayi işlemlerde kullanılır. Yararlı dalga boyu aralığı 2–10 μm'dir. Hayvan/evcil hayvan sağlığı alanında da sıklıkla kullanılırlar. Seramik kızılötesi ısıtıcılar, oluk (içbükey), düz ve E27 seramik duy aracılığıyla normal ampul veya Edison vidalı olarak üç temel ısıtıcı yüzüyle üretilir.

Bu ısıtma teknolojisi bazı pahalı kızılötesi saunalarda kullanılır. Aynı zamanda enerji tasarruflu alan ısıtıcılarında da bulunur. Genellikle duvarlara, tavanlara^[6] yerleştirilen veya zemine sabitlenen oldukça büyük düz panellerdir.^[7] Bu ısıtıcılar, karbon fiber teknolojisine dayalı düşük watt yoğunluklu seramik yayıcılar kullanarak uzun dalga kızılötesi radyasyon yayar. Daha verimli tasarımlar, karbonu nanometre biçimine dönüştüren, nanoteknoloji ile birleştirilmiş bir karbon fiber bileşimi olan karbon kristallerini kullanır.^[8]

Isıtma elemanları nispeten düşük sıcaklıkta olduğundan, uzak kızılötesi ısıtıcılar toz, kir, formaldehit, boya vb. kaplama kaynaklı zehirli duman vb. kaynaklı emisyon ve koku yaymaz. Bu, Avrupa'da şiddetli alerjisi ve kimyasal duyarlılığı olan kişiler arasında bu tür ısınmayı popülerleştirdi.

Uzak kızılötesi teknolojisi odanın havasını doğrudan ısıtmadığından, her yönden eşit bir ortam sıcaklığı sağlamak için sıcaklığı yeniden yayan mevcut yüzeylerin maruz kalmasını en üst düzeye çıkarmak önemlidir. Bu ısıtma tarzına radyant ısıtma denilir.

Halojen lambalar, filamentin ömrünü uzatan (bkz.

) az miktarda halojen gazı (brom veya iyot) ile birleştirilmiş yüksek basınçlı soy gaz ile doldurulmuş akkor lambalardır. Halojen gazla doldurulması halojen lambaların diğer akkor lambalara göre çok daha uzun ömürlü yapar. Halojen lambalar oluşturdukları yüksek basınç ve sıcaklıktan dolayı nispeten küçüktür ve standart camdan daha yüksek erime noktalı kuvars camdan yapılır. Halojen lambalar en çok masa üstü ısıtıcılarda kullanılır.^[9][10]

Kuvars kızılötesi ısıtma elemanları, orta dalga kızılötesi enerji yayar ve özellikle hızlı ısıtıcı tepkisinin gerekli olduğu sistemlerde etkilidir. Kuvars ampullerdeki boru şeklindeki kızılötesi lambalar, 1,5–8 μm dalga boylarında kızılötesi radyasyon üretir. Kapalı filaman 2500 K (2227 °C; 4040,6 °F) civarında çalışır ve açık tel-bobin kaynaklarından daha kısa dalga boyunda radyasyon üretir. 1950'lerde General Electric'de geliştirilen bu lambalar, yaklaşık 100 watt / inç (4 W/mm) üretir ve 500 watt / fitkare (5.400 W/m²) yaymak için birleştirilebilir. Daha da yüksek güç yoğunlukları elde etmek için halojen lambalar kullanıldı. Kuvars kızılötesi lambalar, radyasyonu muntazam ve konsantre bir modelde yönlendirmek için oldukça parlak yansıtıcılarda kullanılır. Kuvars ısı lambaları, gıda işleme, kimyasal işleme, boya kurutma ve donmuş malzemelerin çözülmesinde kullanılır. Ayrıca soğuk alanlarda, inkübatörlerde ve diğer ısıtma, kurutma ve fırınlama uygulamalarında konforlu ısıtma için kullanılabilirler.

Uzaya yeniden giriş araçlarının geliştirilmesi sırasında, ısı kalkanı malzemelerini 28 kW/ft² (300 kW/m²) kadar yüksek güç yoğunluklarında denemek için kuvars kızılötesi lamba grupları kullanılmıştı.^[11]

En yaygın tasarımlar ya bir saten süt beyazı kuvars cam borudan ya da elektriğe dirençli elemanı olan şeffaf kuvars, genellikle tungsten tel ya da ince demir-krom-alüminyum alaşımlı bobindir.

Atmosferik hava boşaltılır ve azot ve argon gibi asal gazlarla doldurulur ve ardından kapatılır. Kuvars halojen lambalara, ısıtıcının çalışma ömrünü uzatmak için az miktarda halojen gazı eklenir.

Çalışma sıcaklıklarında salınan ışınım enerjisinin çoğunluğu ince kuvars boru aracılığıyla iletilir ancak bu enerjinin bir kısmı silika kuvars cam boru tarafından emilerek boru duvarının sıcaklığının artmasına neden olur, bu ise silikon -oksijen bağı uzak kızılötesi ışınları yayar. Kuvars cam ısıtma elemanları başlangıçta aydınlatma uygulamaları için tasarlanmıştır ancak lamba tam güçteyken yayılan enerjinin %5'inden azı görünür tayftadır^[12]

Kuvars tungsten kızılötesi ısıtıcılar, 1.500 °C (2.730 °F) (orta dalga) ve 2.600 °C (4.710 °F) (kısa dalga) çalışma sıcaklığına ulaşan orta dalga enerjisi yayar. Saniyeler içinde çalışma sıcaklığına ulaşırlar. Yaklaşık tepe dalga boyu emisyonları, 1,6 μm (orta dalga kızılötesi) ve 1 μm (kısa dalga kızılötesi)'dir.

Karbon ısıtıcı, uzun, orta ve kısa dalga uzak kızılötesi ısı üretebilen karbon fiber ısıtma elemanı kullanır. Isıtılacak mahaller için doğru bir şekilde belirtilmeleri gerekir.

Kızılötesi radyant ısıtıcıların iki temel tipi vardır.

• Aydınlık veya yüksek yoğunluklu
• Radyant borulu ısıtıcılar

Endüstriyel ve ticari bina alanlarını ısıtmak için kullanılan radyant borulu gazla çalışan ısıtıcılar, çelik ısı veren boruyu ısıtmak için doğalgaz veya propan yakar. Bir kontrol vanasından geçen gaz, kap yakıcı veya venturiden akar. Yanma ürünü gazlar ısıtma borusunu ısıtır. Boru ısınırken, borudan yayılan enerji zemine ve bölgedeki diğer nesnelere çarparak onları ısıtır. Bu ısıtma şekli oto bakım garajları gibi yerlerde ortama aniden büyük miktarda soğuk hava girdiğinde bile ortamdaki sıcaklığı korur. Ancak sürekli soğuk hava akımıyla başa çıkamazlar.

Kızılötesi ısıtıcının verimliliği, üretilen kızılötesi enerji miktarına kıyasla ısıtıcı tarafından tüketilen toplam enerjinin bir derecesidir. İşlem boyunca her zaman bir miktar konvektif ısı üretilecek olsa da, ısıtıcı boyunca herhangi bir hava hareketi girişi, kızılötesi dönüştürme verimliliğini azaltır. Yeni lekesiz yansıtıcılarla, radyant boruların aşağı doğru yaklaşık %60'lık bir radyant verimliliği vardır. (Diğer %40'lık kısım, geri kazanılmayan yukarı doğru radyan ve konvektif kayıplar ile baca kayıplarından oluşur.)

Sıcak ampul veya elemana dokunmanın tehlikelerine ek olarak, yüksek yoğunluklu kısa dalga kızılötesi radyasyona cilt çok uzun süre maruz kaldığında veya ısıtıcı özneye çok yakın yerleştirildiğinde dolaylı ısıl yanıklara neden olabilir. Uzun bir süre boyunca büyük miktarlarda kızılötesi radyasyona (cam üfleyiciler ve ark kaynak makineleri gibi) maruz kalan kişilerde iris depigmentasyonu ve sulu hümör opaklığı gelişebilir, bu nedenle maruz kalmaya uygun önlem alınmalıdır.^[13]

Elektrikle ısıtılan kızılötesi ısıtıcılar, girdilerinin %86'ya kadarını ışıma enerjisi olarak yayar.^[14] Cihaza giren elektrik enerjisinin neredeyse tamamı filamanda kızılötesi ışıma ısısına dönüştürülür ve yansıtıcılar tarafından hedefe yönlendirilir. Isı enerjisinin bir kısmı, iletim veya konveksiyon ile ısıtma elemanından uzaklaşır. Bu, elektrik enerjisinin tamamının ısıtılan mahalde istendiği bazı tasarımlarda hiç kayıp olmayabilir veya yalnızca ışınımla ısı transferinin istendiği veya verimli olduğu durumlarda ise bu kayıp olarak kabul edilebilir.

Pratik uygulamalarda kızılötesi ısıtıcının verimliliği, ısıtılacak malzemenin yayılan dalga boyunun ve ısı emilim spektrumunun eşleşmesine bağlıdır. Örneğin, su için emilim tayfının zirvesi 3 µm civarındadır. Bu, orta dalga veya karbon kızılötesi ısıtıcılardan çıkan ısının su ve su bazlı kaplamalar tarafından NIR veya kısa dalga kızılötesi radyasyona göre çok daha iyi emildiği anlamına gelir. Aynı şey, PVC veya polietilen gibi birçok plastik için de geçerlidir. En yüksek emilimleri 3,5 µm civarındadır. Öte yandan, bazı metaller yalnızca kısa dalga aralığında ısı soğurur ve orta ve uzak kızılötesinde güçlü bir yansıtma özelliği gösterir. Bu, ısıtma işleminde enerji verimliliği için doğru kızılötesi ısıtıcı tipinin dikkatli şekilde seçilmesini gerektirir.

Seramik elemanlar, 2 ila 10 µm aralığında kızılötesi dalga boyları üreten 300 ila 700 °C (570 ila 1.290 °F) sıcaklıkta çalışır. Çoğu plastik ve diğer birçok malzeme kızılötesini bu aralıkta en iyi şekilde emer, bu da seramik ısıtıcıyı bu göreve en uygun ısıtıcı yapar.^[15]

Kızılötesi ısıtıcılar, aşağıdakiler de dahil olmak üzere çeşitli ısıtma gereksinimlerini karşılar:

• Büyük ölçüde ısıtıcının maksimum sıcaklığı ile sınırlı son derece yüksek sıcaklıklar
• 1-2 saniyelik hızlı yanıt süreleri
• Sıcaklık gradyanları, özellikle yüksek ısı girişi olan malzeme ağlarında (folyo çekme vb.) kullanımlar
• İletken ve konvektif ısıtma yöntemlerine göre odaklanarak ısıtılan alanlar
• Kızıl ötesin ısıtıcının ısı aktarımı temassızdır bu nedenle iletken veya konvektif ısıtma yöntemlerinin yaptığı gibi ürüne zarar vermez

Böylece, IR ısıtıcılar aşağıdakiler de dahil olmak üzere birçok amaç için uygulanır:

• Isıtma sistemleri
• Kaplamaların kürlenmesi
• Mekan ısıtıcıları
• Ambalajlama sırasında plastik tabakanın ısıtılıp soğutularak büzülmesinde
• Termoform işlemi gibi şekillendirmeden önce plastiği ısıtmada
• Plastik kaynak
• Cam ve metal ısıl işlem
• Yemek pişirmede
• Hayvanat bahçelerinde veya veteriner kliniklerinde emziren veya tutsak hayvanları ısıtmak için kullanılır

• Deshmukh, Yeshvant V.: Industrial Heating, Principles, Techniques, Materials, Applications, and Design. Taylor and Francis, Boca Raton, Fl.: 2005.
• Siegel, Robert and Howell, John R.: Thermal Radiation Heat Transfer. 3rd Ed. Taylor and Francis, Philadelphia.