Riscaldamento a infrarossi in fibra di carbonio: Principi e applicazioni

Ieri pomeriggio abbiamo spedito 15 tubi di riscaldamento in fibra di carbonio, ciascuno lungo 1,8 metri, con una specifica di 380V e 2000W. Questa lunghezza è relativamente elevata. Oggi continuerò a presentare il principio di riscaldamento dei tubi riscaldanti in fibra di carbonio e a parlare dei settori in cui vengono utilizzati principalmente. Condividerò alcuni casi di studio provenienti da diversi settori, affinché tutti possano trarne insegnamento.

Conoscenza di base della radiazione infrarossa

Per prima cosa, iniziamo con alcune nozioni di base sulla radiazione infrarossa. Questa è una breve panoramica; una spiegazione dettagliata potrebbe facilmente riempire un'intera lezione di fisica, quindi lavoriamo insieme per saperne di più.

Processo di riscaldamento dei tubi riscaldanti in fibra di carbonio

Quando il tubo di riscaldamento in fibra di carbonio Quando viene eccitato, emette una luce rosso-arancione e contemporaneamente produce radiazioni infrarosse che riscaldano gli oggetti circostanti. La temperatura della superficie del tubo riscaldante può superare i 500°C. Il processo di riscaldamento integra le tre comuni modalità di trasferimento del calore: conduzione termica, convezione termica e irraggiamento termico, di cui l'irraggiamento termico è la modalità principale. Di seguito, presenterò queste tre modalità di trasferimento del calore.

Conduzione termica

Conduzione termica si riferisce al processo attraverso il quale il calore viene trasferito dalla parte a temperatura più alta di un oggetto alla parte a temperatura più bassa lungo l'oggetto stesso. La conduzione termica avviene nei solidi, nei liquidi e nei gas, ma in senso stretto si tratta di conduzione termica pura solo nei solidi. Anche nei fluidi stazionari si verifica una convezione naturale dovuta alla differenza di densità causata dal gradiente di temperatura, il che significa che nei fluidi si verificano contemporaneamente convezione e conduzione termica. Un esempio comune nella vita quotidiana è quello di riscaldare un'estremità di un tondino di ferro sul fuoco e sentire l'altra estremità diventare calda: questa è conduzione termica. Un altro esempio è il manico di una spatola che si scalda mentre si cucina: anche questa è una forma di conduzione termica.

Convezione termica

Convezione termicaIl trasferimento di calore, noto anche come trasferimento convettivo, è il processo di trasferimento di calore causato dal movimento relativo delle particelle all'interno di un fluido. Questa modalità di trasferimento del calore può avvenire solo nei fluidi (gas e liquidi) ed è sempre accompagnata dalla conduzione causata dal movimento delle molecole del fluido.

La convezione termica può essere classificata a grandi linee in due tipi:

• Per mezzo di Medium: Convezione gassosa e convezione liquida, con la convezione gassosa più evidente di quella liquida.
• Per causa: La convezione naturale, causata esclusivamente dalle differenze di densità tra le parti calde e fredde del fluido, ha generalmente una portata bassa. La convezione forzata, causata dalla spinta di pompe, ventilatori o altre forze esterne, ha spesso una portata elevata.

L'esempio più comune di convezione termica nella vita quotidiana è l'ebollizione dell'acqua.

Radiazione termica

Radiazione termica si riferisce al fenomeno per cui un oggetto emette onde elettromagnetiche a causa della sua temperatura. Qualsiasi oggetto con una temperatura superiore allo zero assoluto può emettere radiazioni termiche e più alta è la temperatura, maggiore è l'energia totale emessa. Lo spettro della radiazione termica è continuo e copre teoricamente lunghezze d'onda da 0 a ∞. La maggior parte della radiazione termica viene trasmessa attraverso lunghezze d'onda maggiori nello spettro della luce visibile e dell'infrarosso.

A temperature inferiori, la radiazione avviene principalmente nella regione invisibile dell'infrarosso. Quando la temperatura raggiunge i 300°C, la lunghezza d'onda più forte della radiazione termica rientra nella regione dell'infrarosso. Quando la temperatura è compresa tra 500°C e 800°C, la componente più forte della lunghezza d'onda si sposta nella regione della luce visibile.

L'energia emessa (o assorbita) da una superficie per unità di tempo e per unità di area è legata alla natura e alla temperatura della superficie stessa. Più la superficie è scura e ruvida, maggiore è la sua capacità di emettere (o assorbire) energia. Tutti gli oggetti irradiano energia all'ambiente circostante sotto forma di onde elettromagnetiche. Quando queste onde incontrano un oggetto lungo il loro percorso di propagazione, eccitano le particelle microscopiche all'interno dell'oggetto, provocandone il riscaldamento.

Anche a distanza da una fiamma, possiamo percepire il calore: ciò è dovuto alla radiazione infrarossa, che ci fa sentire caldi. L'uso più comune delle radiazioni termiche è quello di sedersi accanto a un fuoco, mentre uno scaldamani, ad esempio, utilizza una modalità diversa di trasferimento del calore e non deve essere confuso. La radiazione infrarossa emessa dai tubi riscaldanti in fibra di carbonio si colloca nella stessa banda di lunghezza d'onda di quella prodotta dalle fiamme ardenti, compresa tra 2,0 e 15 micron.

Materiali come alimenti, tessuti, vernici e colture assorbono più facilmente questa gamma di lunghezze d'onda. Pertanto, quando questi materiali sono esposti alla radiazione infrarossa emessa dai tubi riscaldanti in fibra di carbonio, assorbono la radiazione e la convertono in calore, aumentando la temperatura del materiale per ottenere effetti di essiccazione, riscaldamento o indurimento. Quando si riscalda con la radiazione infrarossa, la sostanza da riscaldare assorbe la radiazione in modo più efficiente grazie alla risonanza tra la banda di assorbimento del materiale e la lunghezza d'onda dell'infrarosso. Questo massimizza l'assorbimento del calore infrarosso, aumentando rapidamente la temperatura e migliorando l'efficienza del riscaldamento, che a sua volta aumenta l'efficienza della produzione.

Applicazione nell'industria automobilistica

Nel processo di produzione automobilistica, tubi di riscaldamento in fibra di carbonio sono più comunemente utilizzati nelle cabine di verniciatura, come indicato negli articoli precedenti. Pertanto, non mi soffermerò ulteriormente sull'applicazione dei tubi riscaldanti a infrarossi in fibra di carbonio nelle cabine di verniciatura.

Applicazione nell'industria della stampa e della tintura tessile

Nell'industria della stampa e della tintura tessile, apparecchiature come le macchine a piani, gli essiccatori a tunnel e le macchine di asciugatura mobili sono esempi tipici di riscaldamento a infrarossi. Quando il tubo riscaldante in fibra di carbonio viene alimentato, emette una luce giallo-arancio e una radiazione infrarossa, con una banda di lunghezza d'onda compresa tra 2,0 e 15 micron. Questo intervallo di lunghezze d'onda corrisponde alla banda di assorbimento di molti tessuti e coloranti idrosolubili. Quando viene riscaldato con i raggi infrarossi, il tessuto o il colorante assorbe rapidamente il calore infrarosso grazie alla lunghezza d'onda corrispondente, aumentando rapidamente la temperatura, migliorando l'efficienza di riscaldamento e l'efficienza di produzione.

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