3
NAGRZEWANIE
PROMIENNIKOWE
3.1. Zasady nagrzewania promiennikowego
3.1.1. Ogólna charakterystyka metody
Nagrzewanie promiennikowe jest to nagrzewanie elektryczne oparte na zjawisku
promieniowania temperaturowego i luminescencyjnego emitowanego przez specjalnie do tego
celu zbudowane źródła promieniowania.
Promieniowanie temperaturowe i luminescencyjne wiąże się z przemianą energii
cieplnej w energię promieniowania w źródle promieniowania (inkadescencja), z jej przesyłem
za pośrednictwem fal elektromagnetycznych do odbiornika, a następnie z absorpcją i
przemianą w energię cieplną w odbiorniku promieniowania. Tej dwukrotnej konwersji energii
towarzyszy jeszcze jedna, a mianowicie przemiana energii elektrycznej w cieplną w źródle
promieniowania. Źródło to może emitować wyłącznie promieniowanie temperaturowe,
temperaturowe i luminescencyjne bądź wyłącznie luminescencyjne (przypadek rzadko
spotykany). Nagrzewanie promiennikowe jest więc formą nagrzewania pośredniego. Źródłem
energii jest promiennik elektryczny specjalnie wykorzystywany w celu emisji i kierowania w
żądanym kierunku tego promieniowania. Jest to promieniowanie podczerwone lub z
dominującym jego udziałem względnie nadfioletowe z udziałem innych zakresów widma.
Promienniki przekazują energię do otoczenia nie tylko przez radiację, lecz także częściowo
przez kondukcję i konwekcję, przy czym udział radiacji w tej wymianie - na zasadzie umowy
- nie powinien być mniejszy od 50%. Jeśli chodzi o promienniki nadfioletu, to bezpośrednio
wykorzystuje się nietermiczne oddziaływanie tego zakresu promieniowania, przy czym ciepło
jest czynnikiem zawsze towarzyszącym, lecz niekoniecznie niezbędnym.
149
3. Nagrzewanie promiennikowe
_________________________________________________________________________
Wyjaśnienia wymaga również potraktowanie nagrzewania promiennikowego jako
wyodrębnionego działu elektrotermii zwłaszcza, że wielu autorów dział ten włącza do
nagrzewania rezystancyjnego. Za jego wyodrębnieniem przemawiają zarówno istotnie
odmienne rozwiązania konstrukcyjne znacznej części urządzeń promiennikowych w
porównaniu z rezystancyjnymi jak i konieczność zaliczenia do źródeł promieniowania także
lamp wyładowczych, a więc promienników działających na innej zasadzie aniżeli
przetworniki rezystancyjne.
Powszechnie utożsamia się też nagrzewanie promiennikowe z nagrzewaniem
podczerwienią. Jest to pogląd jedynie częściowo słuszny, bowiem promieniowanie widzialne,
które często ma znaczący udział w całkowitej mocy emitowanej przez promiennik też może
być absorbowane przez wsad i zamienione na ciepło. Z kolei żarówki zaliczane do źródeł
światła w rzeczywistości emitują większą moc w zakresie podczerwieni i dlatego bywają
niekiedy używane w charakterze promienników podczerwieni.
3.1.2. Podstawowe prawa dotyczące nagrzewania
promiennikowego
Są nimi głównie prawa promieniowania temperaturowego oraz wiele praw rządzących
promieniowaniem luminescencyjnym [131], [210], [278].
Prawo Kirchhoffa stwierdza, że emisyjność całkowita powierzchni ciała (a więc
zdolność do emisji promieniowania cieplnego) jest równa absorpcyjności
ε
= A (3.1)
Prawo to ma zastosowanie zarówno do źródeł promieniowania, jak i do nagrzewanych
wsadów. Dotyczy ono ciał doskonale czarnych i szarych, a więc takich, które mają wartość
ε
= const w całym zakresie długości fal. W przypadku tzw. ciał barwnych, a więc
promieniujących selektywnie
ε
λ
= A
λ
(3.2)
przy czym
ε
λ
= f (
λ
).
Prawo Plancka wyraża zależność między monochromatyczną gęstością strumienia
cieplnego q
λ
, w W/m
3
, długością fali promieniowania
λ
, w m, oraz bezwzględną temperaturą
powierzchni promieniującej T, w K
)
1
e
(
c
q
T
/
c
5
1
2
−
=
λ
λ
λ
λ
ε
(3.3)
przy czym
c
1
= (3,741832 ± 0,000020) 10
-16
W·m
2
- pierwsza stała wzoru Plancka,
c
2
=
(1,438786 ± 0,000045) 10
-2
m·K - druga stała wzoru Plancka,
λ
- długość fali
150
3.1. Zasady nagrzewania promiennikowego
___________________________________________________________________________
w m,
ε
λ
- emisyjność monochromatyczna (dla ciał szarych
ε
λ
= const =
ε
, dla ciała doskonale
czarnego
ε
= 1). Prawo to ma zastosowanie zarówno do źródeł jak i odbiorników promienio-
wania. Graficzną ilustracją prawa Plancka jest rys. 3.1.
Rys. 3.1. Zależność monochromatycznej gęstości strumienia promieniowania emitowanego przez ciało
doskonale czarne (
ε
λ
= 1) od długości fali
λ przy stałych temperaturach T
Znajomość
q
λ
=f(
λ
,T) ma niezwykle istotne znaczenie przy wyborze źródła promieniowania.
Źródło to musi być tak dobrane, by emitowało największe wartości
q
λ
w tych zakresach fal,
które są najintensywniej pochłanianie przez wsad. Wiadomo bowiem, że absorpcyjność
wsadu dla ciał technicznych jest najczęściej funkcją
λ
. Właściwe dopasowanie źródła do
wsadu jest podstawowym elementem decydującym o sprawności układu promiennikowego.
Prawo Wiena odnosi się do ciał czarnych i szarych. Określa ono zależność między
długością fali
λ
max
, przy której
q
λ
osiąga wartość maksymalną
q
λ
max
i temperaturą
termodynamiczną
T.
T
10
89779
,
2
3
max
−
⋅
=
λ
(3.4)
Prawo to ilustruje na rys. 3.1 krzywa przerywana. We wzorze (3.4)
λ
max
wyrażona jest w m,
T
w K.
Prawo Stefana-Boltzmanna określa związek między całkowitą gęstością strumienia
cieplnego emitowanego przez źródło lub wsad i temperaturą bezwzględną powierzchni
promieniującej
(3.5)
∫
∞
0
d
q
)
(
q
λ
λ
ε
λ
λ
=
151
3. Nagrzewanie promiennikowe
___________________________________________________________________________
Dla ciał szarych i czarnych (
ε
= 1) obowiązuje wtedy zależność
(3.6)
4
0
T
q
εσ
=
gdzie:
σ
0
= (5,67032 ± 0,0071) 10
-8
W/(m
2
·K
4
) - stała Stefana.
Prawo Lamberta, niekiedy nazywane także kierunkowym prawem Lamberta,
stwierdza, że moc
d
2
P
c,f1,f2
docierająca do powierzchni elementarnej
f2, a wypromieniowana
przez powierzchnię elementarną
f1 w kierunku tworzącym kąt
ϕ
1
z normalną do
f1 równa jest
iloczynowi mocy
d
2
P
c,f1,n
promieniowanej w kierunku normalnej do
f1 i cos
ϕ
1
[131]
(3.7)
1
n
,
1
f
,
c
2
2
f
,
1
f
,
c
2
cos
P
d
P
d
φ
=
Prawo to jest ścisłe w odniesieniu do ciał czarnych (indeksy
c), dobrze opisuje rozsył
promieniowania cieplnego ciał o powierzchniach matowych oraz doskonale rozpraszających.
Największe odstępstwa od rozsyłu lambertowskiego wykazują metale polerowane.
Wymianę mocy promieniowania między źródłem o powierzchni
F
1
, temperaturze
T
1
i
emisyjności całkowitej
ε
1
oraz odbiornikiem o parametrach
F
2
, T
2
,
ε
2
opisuje zależność
(3.8)
∗
∗
→
−
=
−
=
1
,
2
2
4
2
4
1
0
2
,
1
1
4
2
4
1
0
2
1
F
)
T
T
(
F
)
T
T
(
P
φ
σ
φ
σ
przy czym
)
)(
1
)(
1
(
)
1
(
)
1
(
1
1
,
2
2
,
1
2
,
2
1
,
1
2
1
2
,
2
2
1
,
1
1
2
,
1
2
1
2
,
1
φ
φ
φ
φ
ε
ε
φ
ε
φ
ε
φ
ε
ε
φ
−
−
−
+
−
−
−
−
=
∗
(3.9)
gdzie:
ϕ
1,2
;
ϕ
2,1
;
ϕ
1,1
;
ϕ
2,2
-
średnie współczynniki konfiguracji między powierzchniami źródła
F
1
i odbiornika F
2
. W liczniku wyrażenia na
ϕ
2,1
* (druga część wzoru (3.8)) występuje
ϕ
2,1
i
zamiast
ϕ
1,2
. Wyrażenie (3.8) pozostaje słuszne gdy
F
1
i
F
2
są doskonale czarne lub szare
[131].
Prawo Lamberta-Bouguera, niekiedy nazywane prawem zanikowym Lamberta,
opisuje rozkład gęstości strumienia cieplnego we wsadzie
q
x
w funkcji odległości od
powierzchni, przez którą strumień ten wnika do wsadu
(3.10)
x
x
qe
q
α
−
=
przy czym współczynnik a wyrażony w 1/m jest pochłanialnością materiału na-
promieniowanego. Prawo (3.10) jest ścisłe, gdy
α
nie zależy od długości fali, co zawsze jest
spełnione w przypadku promieniowania monochromatycznego.
Zależność (3.10) jest analogiczna do wyrażenia na tłumienie fali elektromagnetycznej
przy nagrzewaniu indukcyjnym (patrz rozdz. 6), przy czym
α
jest równoważne odwrotności
głębokości wnikania
δ
, także określającej skuteczność tłumienia promieniowania
elektromagnetycznego. Zasadnicza różnica między obu wielkościami
152
3.2. Urządzenia promiennikowe i ich zastosowania
_________________________________________________________________________
polega na tym, że wartość
δ
może być obliczona na podstawie równań Maxwella, podczas
gdy wartości a metodami obliczeniowymi praktycznie nie można określić. Przyczyną tego jest
fakt, że równania Maxwella tracą swój sens w przedziale falowym, z jakim mamy do
czynienia przy nagrzewaniu promiennikowym 0,16
÷10 µm.
Rys. 3.2. Rozkład mocy w promiennikowym układzie grzejnym
W niektórych promiennikowych układach grzejnych, w celu określenia rozkładu mocy
pochłanianej przez wsad w funkcji
x należy uwzględnić odbicie mocy od podłoża na jakie
wsad jest naniesiony (rys. 3.2). W każdym przypadku prawidłowy dobór źródła
promieniowania do odbiornika powinien opierać się na znajomości absorpcyjności wsadu w
funkcji długości fali.
3.2. Urządzenia promiennikowe
i ich zastosowania
3.2.1. Techniczne źródła promieniowania
Techniczne źródła promieniowania, specjalnie wykorzystywane w celu emisji i kierowania w
żądanym kierunku promieniowania uzyskiwanego w wyniku konwersji energii elektrycznej,
czyli promienniki elektryczne składają się z dwóch podstawowych elementów: emitującego
i kierującego promieniowanie. Element emitujący promieniowanie może mieć charakter
konstrukcyjny (część promiennika) lub funkcjonalny (np. plazma łuku elektrycznego).
Element funkcjonalny źródła przestaje istnieć wraz z ustaniem pracy promiennika.
Elementem kierującym promieniowanie w żądanym kierunku jest sam element
emitujący promieniowanie, np. promiennik rurkowy bez odbłyśnika promieniujący do całej
przestrzeni, lub odrębna część promiennika zwana odbłyśnikiem, odbijająca i kierująca
promieniowanie do określonego kąta bryłowego [79].
153
3. Nagrzewanie promiennikowe
___________________________________________________________________________
Z punktu widzenia zakresu promieniowania wyróżnia się promienniki podczerwieni i
nadfioletu. Promienniki podczerwieni dzielą się na 3 kategorie; długofalowe,
charakteryzujące się tym, że długość fali, przy której emitowana jest największa moc
λ
max
> 4
µm; średniofalowe (2 µm <
λ
max
≤ 4 µm) i krótkofalowe (
λ
max
≤ 2 µm). Jeśli można przyjąć,
że promienniki te emitują tak jak ciała szare, to temperatury elementów promieniujących dla
wymienionych 3 kategorii wynoszą odpowiednio:
T< 725 K, 725 K
≤ T < 1450 K, T ≥ 1450
K, co wynika wprost z prawa Wiena.
W obszarze nadfioletu - 0,015
÷0,40 µm - budowane są źródła emitujące
promieniowanie w zakresie falowym 0,2
÷0,4 µm. Ze względu na specyfikę działania nie
promieniują one jak ciała szare, wobec tego prawo Wiena nie ma do nich zastosowania
(promienniki selektywne). W zakresie tym wyodrębnia się trzy obszary
promieniowania: UV-
A, dla którego
λ
< 0,315
µm; UV-B, 0,28 µm <
λ
< 0,315
µm; UV-C,
λ
< 0,28
µm. W
zastosowaniach przemysłowych wykorzystuje się głównie obszary A i B, a w szczególności
przedział falowy 0,2
÷0,28 µm. Wiąże się to z kwarcem używanym do budowy
promienników. Otóż granica jego przepuszczalności leży w przedziale 0,16
÷0,20 µm.
Rys. 3.3. Charakterystyki promieniowania źródeł nieselektywnych o różnych temperaturach
Promienniki podczerwieni dzieli się także na jasne (świecące) i ciemne (nieświecące).
Przy temperaturach
≤ 430°C całkowite promieniowanie emitowane jest w podczerwieni, przy
czym do ciemnych zalicza się przeważnie promienniki o temperaturze
≤ 1000°C, ponieważ
udział promieniowania widzialnego w obszarze 430
÷1000°C jest jeszcze bardzo mały [37].
Jest to wyraźnie widoczne na rys. 3.3, na którym pokazano względne charakterystyki
promieniowania 4 źródeł emitujących strumienie o tej samej gęstości przy różnych
temperaturach. Źródłem odniesienia jest w tym przypadku promiennik o temperaturze żarnika
T
1
= 3500 K.
154
3.2. Urządzenia promiennikowe i ich zastosowania
__________________________________________________________________________
);
(
f
k
T
T
)
T
(
q
)
T
(
q
4
n
1
1
n
max
λ
λ
λ
=
=
4
...
1
n
=
Pod względem konstrukcyjnym wyróżnić można 5 podstawowych grup promienników
podczerwieni i promienniki nadfioletu.
Promienniki podczerwieni o otwartych żarnikach metalowych skrętkowych. Są
one najprostsze konstrukcyjnie. Żarniki, czyli elementy w których następuje konwersja
energii elektrycznej w cieplną, wykonuje się ze stopów rezystancyjnych. Umieszcza się je w
kształtkach z otwartymi kanałami. Oba te elementy emitują promieniowanie w pożądanym
kierunku, dzięki stosowanym odbłyśnikom z cienkiej blachy stalowej z naniesioną
galwanicznie powłoką o dużym współczynniku odbicia w obszarze podczerwieni. Stosowane
są też odbłyśniki z Al o dużej czystości, polerowane elektrolitycznie.
Rys. 3.4. Charakterystyki widmowe odbicia odbłyśnika z blachy stalowej pokrytej błyszczącą powłoką
chromową przy różnych temperaturach powłoki, wg [37]
Rys. 3.5. Wpływ czasu starzenia
τ na całkowity współczynnik odbicia r, wg [37]
1 - dla aluminium polerowanego metodą Brytal, 2 - dla stali nierdzewnej, 3 - dla chromu, 4 - dla niklu
155
3. Nagrzewanie promiennikowe
_________________________________________________________________________
Jakość odbłyśników jest istotnym czynnikiem zarówno przy konstrukcji, jak i
eksploatacji promienników wszystkich rodzajów, a o ich przydatności decydują m.in.
całkowity oraz monochromatyczny współczynnik odbicia, będące funkcją temperatury oraz
czasu eksploatacji (starzenie). Rysunki 3.4 i 3.5 przedstawiają przykłady takich zależności.
Moce promienników omawianej kategorii nie przekraczają 2 kW, temperatury żarnika
- 900°C. Są one stosowane głównie w ogrzewnictwie, w mniejszym zakresie do
promiennikowego suszenia lub nagrzewania różnych materiałów oraz drobnych przedmiotów.
Promienniki podczerwieni o nieosłoniętych żarnikach niemetalowych i metalo-
wych prętowych, rurowych lub płytowych. Żarnikami są elementy grzejne wykonywane ze
stopów rezystancyjnych, metali wysokotopliwych i materiałów niemetalowych
przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach (
≥ 1400°C). Podobnie jak w przypadku
pieców i nagrzewnic rezystancyjnych są to elementy promieniujące, będące integralnymi
częściami promiennikowych urządzeń grzejnych. Bardzo rzadko stanowią one jednostki
autonomiczne.
Źródła tej grupy stosowane są głównie w promiennikowych piecach próżniowych.
Zakresy temperaturowe zastosowań wynikają z rodzaju materiału użytego do ich wykonania i
są podane w p. 2.3.2.
Promienniki podczerwieni o żarnikach w osłonach szklanych. W promiennikach
tych moc emitowana jest przez żarnik i nagrzaną od niego osłonę szklaną. Ciepło jest
przejmowane przez osłonę wskutek pochłaniania części mocy promienistej, a także w wielu
konstrukcjach w wyniku konwekcji [48]. Stosunek mocy promienistych oddawanych przez
układ żarnik - osłona bywa zróżnicowany. Żarnik, stanowiący pierwotne źródło
promieniowania, ma zazwyczaj postać skrętki wykonanej z materiałów rezystancyjnych i nie
styka się z osłoną szklaną. Wewnątrz osłony jest powietrze, częściej gaz obojętny lub próżnia.
Układ żarnik - osłona może być wyposażony w odbłyśnik wewnętrzny lub zewnętrzny,
tworząc promiennik lub tzw. segment promiennikowy, czyli także promiennik o konstrukcji
umożliwiającej zestawianie różnej wielkości i kształtu urządzeń grzejnych [38].
Temperatury żarników tej kategorii promienników uzasadniają ich zaliczenie do
jasnych, emitujących promieniowanie o największym procentowym udziale podczerwieni
krótko- i średniofalowej [37].
Wyróżnia się - biorąc pod uwagę konstrukcję, charakterystyki pracy i zastosowania - 4
podgrupy tych źródeł promieniowania: lampy żarowe, promienniki lampowe, rurowe i
płaszczyznowe. Żarniki wykonuje się głównie z wolframu i stopów rezystancyjnych.
Niekiedy używa się węgla, tantalu oraz węglików, borków i azotków. Wolfram w stosunku do
ciała doskonale czarnego wykazuje przesunięcie maksimum promieniowania w stronę fal
krótszych. Jego wadą jest mała emisyjność, a zaletą wysoka temperatura pracy. Porównanie
promieniowania wolframu i ciała doskonale czarnego pokazuje rys. 3.6.
156
3.2. Urządzenia promiennikowe i ich zastosowania
__________________________________________________________________________
Rys. 3.6. Charakterystyki promieniowania
1 - ciała doskonale czarnego, 2 – wolframu
Jak to już zaznaczono, w większości promienników żarniki pracują w gazie
obojętnym. W przypadku promienników halogenowych jest on domieszkowany jodem.
Zastosowanie atmosfery gazowej przeciwdziała parowaniu i rozpylaniu materiału żarnika, co
pozwala na podwyższenie jego temperatury. Równocześnie jednak zmniejsza się udział
promieniowania podczerwonego w całkowitym bilansie mocy żarnika na rzecz konwekcji i
kondukcji. Te dwie ostatnie formy przekazywania ciepła mają udział największy przy
stosowaniu azotu, a najmniejszy przy wypełnianiu osłony ksenonem. Z uwagi na cenę
ksenonu używa się powszechnie argonu z domieszką azotu, co zapobiega jonizacji i
powstaniu łuku. Podstawowym wymaganiem stawianym materiałowi osłony jest jak
największa przepuszczalność dla promieniowania emitowanego przez żarnik. Stosuje się do
tego celu szkła zwykłe, twarde, wysokiej jakości, krzemowe i kwarcowe. Osłony te działają
jak filtry w zakresie fal długich. Tak np. szkło wapniowe bardzo silnie ogranicza
promieniowanie przy
λ
> 2,5
µm, kwarcowe zaś dopiero przy
λ
> 4
µm. Stąd też promienniki
z żarnikami w osłonach szklanych buduje się na zakres krótko- i średniofalowy.
W promiennikach o żarniku w osłonie szklanej stosowane są odbłyśniki zewnętrzne i
wewnętrzne. Odbłyśniki zewnętrzne wykonuje się ze stali z powłoką galwaniczną o dużym
współczynniku odbicia, z Al, ze złota nanoszonego galwanicznie lub naparowywanego w
próżni. Wykonywane są także odbłyśniki ceramiczne z naparowaną warstwą złota (odbłyśniki
cergoldowe). Złoto ma, w porównaniu z innymi metalami, szczególnie dużą odbijalność w
podczerwieni (rys. 3.7). Odbłyśniki wewnętrzne wykonuje się z naparowywanych w próżni
Al, Ag i Au. Największą ich zaletą jest znacznie powolniejsze starzenie się i niewrażliwość na
zabrudzenie.
Pierwsza podgrupa promienników o żarnikach w osłonach szklanych - lampy żarowe -
są bardzo zróżnicowane, przy czym wszystkie mogą być zaliczone do źródeł punktowych, a
więc o stosunkowo niewielkiej długości żarnika. Najszersze
157
3. Nagrzewanie promiennikowe
___________________________________________________________________________
Rys. 3.7. Charakterystyki widmowe odbicia niektórych metali
1 - złota, 2 - miedzi, 3 - aluminium, 4 – cynku
zastosowanie znalazły lampy żarowe głównego szeregu (żarówki), lampy żarowe z bańką o
kształcie parabolicznym i odbłyśnikiem wewnętrznym, lampy reflektorowe (projektorowe) o
geometrii żarnika i osłony pozwalającej na skupienie strumienia promieniowania, lampy
halogenowe. Te ostatnie, dzięki niewielkiej domieszce jodu do argonu jako gazu ochronnego,
pracują w tzw. cyklu wolframowo-jodowym. Polega on na łączeniu się parującego wolframu
żarnika z cząsteczkami jodu w związek WJ
2
, a następnie na rozkładzie tego związku z
równoczesnym osadzaniem W na żarniku. Cykl ten zachodzi przy minimalnej temperaturze
osłony (bańki) równej 250°C. Pozwala to na podwyższenie temperatury
Rys. 3.8. Kształty współczesnych promienników lampowych z odbłyśnikami wewnętrznymi: a) dwu-
paraboloidalnym, b) paraboloidalnym, c) kulistym, d) paraboloidalnym z bańką rubinową
barwowej żarnika do 3000
÷3400 K, przy równoczesnym zmniejszeniu wymiarów osłony i
zwiększeniu trwałości lampy do ok. 2000 h.
Zmodyfikowaną odmianą lamp żarowych są promienniki lampowe. W wyniku ich
modyfikacji zwiększa się moc emitowana w podczerwieni i polepsza rozsył strumienia
promienistego. Osiągnięte to zostało przez obniżenie temperatury żarnika (najczęściej do
około 2200 K) i zastosowanie odbłyśników wewnętrznych. Bańki współczesnych
promienników mają kształty przedstawione na rys. 3.8. Odbłyśniki wykonywane są przez
naparowanie Al, a także Au. Kopuła bańki jest lekko matowiona
158
3.2. Urządzenia promiennikowe i ich zastosowania
_________________________________________________________________________
- w celu polepszenia równomierności rozsyłu promieniowania lub rubinowana (zabarwiona na
czerwono) - w celu ograniczenia strumienia w zakresie widzialnym. Większość
promienników lampowych ma trzonek gwintowy i jeden żarnik wolframowy. Produkuje się
jednak promienniki o dwóch żarnikach i trzystykowych trzonkach, co pozwala na skokową
regulację ich mocy. Bańki takich promienników wykonuje się ze szkła Vycor, odpornego na
szybkie zmiany temperatury. Moce promienników jednożarnikowych sięgają 500 W,
dwużarnikowych - 1550 W (odbłyśniki ze złota), ich trwałość osiąga 2000
÷5000 h.
Zasadnicze zalety promienników lampowych to: krótki czas rozgrzewu, łatwość
instalowania i wymiany, możliwość jednoczesnego oświetlenia nagrzewanego wsadu. Ich
wady to: mała wytrzymałość mechaniczna i mała odporność na nagłe zmiany temperatury
powodowane np. zetknięciem bańki z cieczą.
Do kategorii źródeł liniowych należą rurowe promienniki podczerwieni. Żarniki
wykonuje się ze stopów rezystancyjnych i wolframu. Na osłony szklane używa się szkła
zwykłego, kwarcowego oraz szkła Vycor. Długości części roboczych promienników z
osłonami ze szkła zwykłego osiągają obecnie 1 m , ze szkła kwarcowego - 4 m, ze szkła
Vycor - 1,5 m. Rurki mają z reguły przekroje kołowe o średnicy zewnętrznej 5 x 32 mm
[130]. Firma Heraeus wytwarza promienniki średniofalowe podwójne z rurkami kwarcowymi
pokazanymi na rys. 3.9. Maksymalny ich przekrój: 33 x 15 mm [222]. Promienniki z
żarnikami wolframowymi i rurami kwarcowymi wykonywane są także jako halogenowe.
Buduje się promienniki jedno- i dwużarnikowe, przy czym żarniki mogą być umieszczone w
jednej rurce lub w obu, co jest jednym z możliwych rozwiązań promiennika podwójnego.
Rys. 3.9. Promiennik podwójny z rurkami kwarcowymi z pozłacanym odbłyśnikiem zewnętrznym
1 - żarnik, 2 - podwójna rurka kwarcowa, 3 - odbłyśnik, 4 - doprowadzenie prądowe
W promiennikach z rurami ze szkła zwykłego i kwarcowego źródłem promieniowania
jest w przeważającej mierze żarnik. Wyjątkiem są promienniki z rurkami z barwionego na
czerwono szkła Vycor, pochłaniającego praktycznie całą moc emitowaną przez żarnik. Szkło
to osiągając 700 K staje się wtórnym ciemnym źródłem promieniowania. Promienniki z
rurkami kwarcowymi, a zwłaszcza wyposażone w żarniki wolframowe pracujące w cyklu
halogenowym należą do najbardziej wydajnych źródeł promieniowania o jednostkowych
standardowych obciążeniach rzędu kilkudziesięciu W/cm i maksymalnych - 300 W/cm
długości części roboczej rurki [130].
159
3. Nagrzewanie promiennikowe
__________________________________________________________________________
Rys. 3.10. Przykłady promienników liniowych o żarnikach w rurowych osłonach szklanych, wg [37], [182]: a)
kwarcowy z żarnikiem ze stopu rezystancyjnego; b) kwarcowy z żarnikiem wolframowym; c)
kwarcowy z rurką podwójną oraz z żarnikiem wolframowym i chłodzeniem wodnym (przy ich
użyciu uzyskuje się napromienienia wsadu rzędu 400 kW/m
2
)
1 - żarnik, 2 - pręt kwarcowy, 3 - rurka kwarcowa, 4 - trzonek, 5 - doprowadnik prądowy, 6 -
pierścień dystansowy, 7 - doprowadzenie wody chłodzącej, 8 - wylot wody chłodzącej, 9 - pozłacany
odbłyśnik zewnętrzny, 10 - rurka kwarcowa z wodą chłodzącą
Rys. 3.11. Segment promiennikowy przystosowany do promiennika typu b) wg rys. 3.10
1 - zacisk doprowadnika prądowego, 2 - izolacja elektryczna, 3 - doprowadzenie powietrza
chłodzącego, 4 - kanał chłodzenia, 5 - odbłyśnik eliptyczny z pozłacanej folii stalowej, 6 -
aluminiowy korpus
Zaczerpnięto z [53]
Temperatura rzeczywista żarnika w promienniku halogenowym osiąga ok. 3000 K. Rurka
kwarcowa staje się wówczas wtórnym źródłem promieniowania o temperaturze 900°C. W
tych warunkach trwałość promiennika wynosi kilka tysięcy godzin pracy
160
3.2. Urządzenia promiennikowe i ich zastosowania
_________________________________________________________________________
przy napięciach znamionowych 110
÷420 V, w zależności od długości żarnika. Przy użyciu
promienników z żarnikami wolframowymi w rurkach kwarcowych można uzyskać w
warunkach pracy ciągłej gęstość mocy napromienienia
1
wsadu rzędu 700 kW/m
2
, a przy pracy
dorywczej do 2000 kW/m
2
. Korzysta się wówczas z segmentów promiennikowych -
wykonywanych najczęściej z Al o odpowiednio ukształtowanym zwierciadle zewnętrznym z
pozłacaną powierzchnią odbijającą. Stosuje się także powietrzne i wodne chłodzenie
segmentu oraz chłodzenie niektórych odmian promienników podwójnych [128], [130], [140].
Przykłady rozwiązań promienników i segmentu promiennikowego przedstawiają rys.
3.10 i 3.11. Na rysunku 3.12 pokazana jest charakterystyka promieniowania promiennika
kwarcowego (żarnik wolframowy w rurce kwarcowej o średnicy zewnętrznej 10 mm).
Temperatura żarnika - 2400 K, temperatura rurki - 900°C. Widoczne są dwa maksima
odpowiadające obu tym temperaturom. Na rysunku 3.13 pokazane są rozkłady gęstości mocy
na powierzchniach napromienianych przy stosowaniu segmentów z promiennikami o mocy
jednostkowej żarnika ok. 48 W/cm.
Rys. 3.12. Charakterystyka promieniowania promiennika kwarcowego, wg [53]
Kolejną podgrupą promienników o żarnikach w osłonach szklanych stanowią szklane
promienniki płaszczyznowe. Rolę żarnika pełni naniesiona na płytę szklaną warstewka z
materiału przewodzącego (tlenki cyny, tytanu, kadmu, ołowiu i mieszaniny tych tlenków z
niewielkimi dodatkami tlenku miedzi, cynku, kobaltu, chlorku cynowego i in.). Po przeciwnej
stronie płyty umieszczony jest odbłyśnik, niekiedy izolowany cieplnie. Temperatury żarników
- w zależności od obciążenia powierzchniowego - osiągają wartości w przedziale 100
÷900°C.
Zasilane są napięciem sieciowym.
Promienniki podczerwieni o żarnikach w osłonach szklanych znalazły najszersze
zastosowanie spośród wszystkich odmian tego rodzaju źródeł promieniowania. Są one
wykorzystywane w procesach suszenia, opiekania, homogenizacji tworzyw sztucznych,
obróbki cieplnej i plastycznej metali, w ogrzewnictwie, w medycynie itp.
161
1
Wielkość ta bywa nazywana także „napromienieniem".
3. Nagrzewanie promiennikowe
______________________________________________________________________
Rys. 3.13. Charakterystyki napromienienia wsadu przy użyciu liniowych promienników kwarcowych, wg [53]:
a) z odbłyśnikiem eliptycznym; b) z odbłyśnikiem parabolicznym
Promienniki podczerwieni o ceramicznych oraz metalowych płaszczach pro-
mieniujących. Żarniki tych promienników są umieszczone lub zaprasowane w ceramice.
Masa ta, nagrzewana przez przewodzenie, emituje promieniowanie bezpośrednio lub oddaje
ciepło do promieniującego płaszcza metalowego względnie ceramicznego.
162
3.2. Urządzenia promiennikowe i ich zastosowanie
_______________________________________________________________________
Promienniki eksploatuje się zarówno bez odbłyśnika, jak i z odbłyśnikiem, przy czym
w tym drugim przypadku oba elementy wchodzą na ogół w skład segmentu
promiennikowego. Przy stosowaniu płaszczy metalowych (stal żaroodporna, chromowa lub
chromoniklowa), elementy promieniujące są wykonywane w kształcie rurek (promienniki
rurkowe) o przekroju okrągłym, owalnym, a niekiedy także prostokątnym. Średnice rurek, lub
największe wymiary przekroju poprzecznego, zawierają się w granicach 6
÷30 mm, długości
sięgają 4 m. Obciążenie powierzchniowe płaszczy: 10
÷70 kW/m
2
, liniowe 3
÷20 kW/m.
Maksymalne temperatury - 1150°C. Są to elementy o trwałości nie mniejszej od 5000 h [37].
Metalowe rury promieniujące mają przekroje kołowe o średnicach rzędu kilkunastu
cm z kilkoma równoległymi żarnikami umieszczonymi w kształtkach ceramicznych. Żarniki
wykonuje się ze stopów rezystancyjnych, a ostatnio także z MoSi
2
.
Promienniki o ceramicznych płaszczach promieniujących (punktowe, liniowe i
płaszczyznowe) są wyposażone w żarniki ze stopów rezystancyjnych. Temperatura
powierzchni promieniującej zawiera się w granicach 400
÷750°C, a tylko niekiedy przekracza
1000°C. Promienniki punktowe wyposaża się w znormalizowane trzonki E27 lub E40.
Promienniki liniowe (o mocach jednostkowych 20
÷30 W/cm) są krótsze i o większych
średnicach aniżeli rurowe szklane, płaszczyznowe zaś mają kształty kołowe lub prostokątne
ukształtowane w sposób ułatwiający kierowanie strumienia promienistego w żądanym
kierunku (rys. 3.14). Są one wykonywane w postaci segmentów o mocy jednostkowej
150
÷1000 W.
Rys. 3.14. Przekrój segmentu z powierzchniowym promiennikiem ceramicznym, wg [94]
1 - żarnik, 2 - masa ceramiczna, 3 - odbłyśnik, 4 - obudowa, 5 - zacisk przyłączeniowy,
6 – pokrywa
Promienniki o ceramicznych oraz metalowych płaszczach promieniujących są
najbardziej rozpowszechnione spośród wszystkich rodzajów źródeł podczerwieni.
Łukowe lampy wyładowcze. Działanie tych źródeł polega na wykorzystaniu promieniowania
gazów i par metali zawartych w szklanych bańkach podczas
163
3. Nagrzewanie promiennikowe
wyładowania elektrycznego oraz towarzyszącego mu promieniowania nagrzewanych elektrod
i bańki. Promieniowanie tych źródeł znamienne jest występowaniem szeregu mniej lub
bardziej ostrych maksimów, charakterystycznych dla wzbudzonych atomów gazu lub pary, w
których zachodzi wyładowanie (rys. 3.15). Moce niektórych lamp dochodzą do 30 kW
(wysokoprężne wypełnione ksenonem). W urządzeniach promiennikowych znalazły
zastosowanie głównie ksenonowe lampy łukowe (produkcja super czystych materiałów,
topienie strefowe, wyciąganie kryształów) [37].
W zakresie nadfioletu używa się w przeważającej mierze wysokociśnieniowych lamp
rtęciowych, lamp bezelektrodowych i ksenonowych [58].
Rys. 3.15. Charakterystyka promieniowania łukowej lampy rtęciowej bardzo wysokoprężnej o mocy 200 W przy
gęstości mocy wydzielanej w kolumnie wyładowania, wg [37]
1 - dla 8-10
10
W/m
3
, 2 - dla 2,6-10
12
W/m
3
, (q
λ
max
leży w zakresie widzialnym)
3.2.2. Urządzenia promiennikowe atmosferowe
Są to urządzenia, których człony grzejne są wyposażone w promienniki elektryczne,
przekazujące energię ośrodkom (wsadom) w atmosferze naturalnej bądź sztucznej wyłącznie
lub głównie za pośrednictwem promieniowania elektromagnetycznego.
Za podstawę klasyfikacji urządzeń promiennikowych przyjęto kryterium środowiska
wsadu. Urządzenia promiennikowe sklasyfikowane na podstawie tego kryterium wykazują
największe różnice pod względem konstrukcji, wyposażenia, sposobu eksploatacji i
przeznaczenia w porównaniu z innymi podziałami opartymi na pozostałych, sformułowanych
p. 1.2 kryteriach. Wynika to m.in. z faktu budowy wszelkiego rodzaju nagrzewnic oraz
pieców, czyli głównych członów urządzeń bezkomorowych i komorowych, przy
zastosowaniu identycznych modułów konstruk-
164
3.2. Urządzenia promiennikowe i ich zastosowanie
________________________________________________________________________
cyjnych, czyli segmentów promiennikowych [328]. Człony grzejne tych urządzeń
(nagrzewnice, piece) są często nie tylko ich podstawowymi, lecz jedynymi podzespołami. W
ich skład mogą wchodzić różne liczby promienników (w przypadku nagrzewnic - czasem
tylko jeden).
Pod względem konstrukcyjnym urządzenia promiennikowe atmosferowe mają kilka
cech szczególnych, różniących je od rezystancyjnych. Przede wszystkim ściany wewnętrzne
pieców są wykonane z metali o dużym współczynniku odbicia. Jeśli do ich budowy używa się
segmentów promiennikowych, zasada ta jest z reguły spełniona, ponieważ segmenty są
wyposażone we własne odbłyśniki. To samo dotyczy nagrzewnic. Rysunek 3.16 przedstawia
przykłady takich rozwiązań.
Rys. 3.16. Przykłady urządzeń promiennikowych atmosferowych: a) piec promiennikowy z segmentów z
odbłyśnikami eliptycznymi; b) nagrzewnica z segmentów z odbłyśnikami parabolicznymi; c) piec z
segmentami promiennikowymi i odbłyśnikowymi; d) nagrzewnica z segmentami
promiennikowymi i odbłyśnikowymi
1 - wsad, 2 - element promieniujący, 3 - korpus segmentu z odbłyśnikiem, 4 - segment
bezpromiennikowy z odbłyśnikiem
Urządzenia promiennikowe nie zawsze są wyposażone w izolację cieplną, w której
zastosowano materiały termoizolacyjne. W celu ograniczenia strat cieplnych stosuje się
konstrukcje zwiększające opory radiacyjne, lub chłodzenie segmentów,
165
3. Nagrzewanie promiennikowe
___________________________________________________________________________
Rys. 3.17. Piec promiennikowy z wymuszonym obiegiem atmosfery
1 - promiennik rurkowy bez odbłyśnika, 2 - ściana odbłyskowa, 3 - ściana zewnętrzna, 4 - wlot i
powietrza, 5 - wlot powietrza do komory, 6 - wylot atmosfery
ścianodbłyskowych, fragmentów promienników, z równoczesnym odzyskiem ciepła (rys.
3.17).
Z uwagi na rozstrzygający wpływ radiacji w procesie grzejnym, bardzo duże
znaczenie ma równomierność napromienienia nagrzewanego (ogrzewanego) obiektu.
Istotnym staje się więc rozmieszczenie promienników. Zadowalające rozwiązanie tej
kwestii jest szczególnie trudne w układach nieprzelotowych, przy stosowaniu promienników
punktowych oraz przy obróbce wsadów o złożonej geometrii. W celu uzyskania pożądanego
rozkładu temperatur, dobiera się nie tylko rodzaj i liczbę promienników, lecz także ich
rozmieszczenie i odległość od wsadu. W układach przelotowych wsad podczas transportu
może być dodatkowo wprawiany w ruch, np. obrotowy, co polepsza równomierność jego
nagrzewania.
Urządzenia promiennikowe omawianej kategorii są prawie zawsze zasilane
bezpośrednio z sieci niskiego napięcia. Niekiedy, zwłaszcza przy stosowaniu promienników
kwarcowych i halogenowych, używa się napięć wyższych, lecz rzadko przekraczających 600
V. Coraz częściej wyposaża się nagrzewnice i piece w zasilacze tyrystorowe, umożliwiające
ciągłą regulację temperatury. Z uwagi na bardzo małą bezwładność cieplną urządzeń
promiennikowych, ten rodzaj regulacji jest szczególnie korzystny.
Technika nagrzewania promiennikowego znalazła zastosowanie w wielu dziedzinach.
Istnieją jednak takie, w których jej zalety są tak wyraźne, że zarówno z punktu widzenia
obszaru wdrożeń, jak i zalet technologicznych, należy im poświęcić uwagę szczególną.
Trzeba tu wymienić: nagrzewanie w procesach obróbki cieplnej i plastycznej metali i
niemetali, suszenie - zwłaszcza farb i lakierów oraz ogrzewanie.
Zalety metody wynikają z takich jej cech jak:
- fakt doprowadzania ciepła bezpośrednio w głąb wsadu, ze względu na wnikanie fal pod jego
powierzchnię;
166
3.2. Urządzenia promiennikowe i ich zastosowania
_______________________________________________________________________
- możliwość uzyskania dużego napromienienia wsadu;
- możliwość kierowania i skupiania promieniowania na wybranych elementach wsadu;
- duża szybkość nagrzewania;
- mała bezwładność cieplna urządzeń i ich natychmiastowa gotowość do pracy;
- łatwość regulacji i automatyzacji procesu;
- łatwość instalowania urządzeń w zautomatyzowanych liniach produkcyjnych.
Obróbka cieplna metali to obszar zastosowań głównie nagrzewnic i pieców z
promiennikami rurowymi, kwarcowymi i halogenowymi (rys. 3.16a). Ich użycie umożliwia
nagrzewanie wsadów stalowych w powietrzu lub w atmosferze gazów ochronnych do
temperatur rzędu 1400°C. Nagrzewanie w gazach ochronnych wymaga umieszczenia wsadu
w rurze kwarcowej.
Spośród zastosowań z zakresu obróbki cieplnej metali należy wymienić:
- nagrzewanie przed hartowaniem, odpuszczanie, utwardzanie dyspersyjne, wyżarzanie;
- nagrzewanie drutów i taśm w celu ich gięcia, tłoczenia, zgrzewania, uplastyczniania;
- lutowanie lutami twardymi [348].
Rys. 3.18. Charakterystyki nagrzewania blach o grubości 1 mm przy trzech różnych zadanych temperaturach
(regulacja PID) w układzie z promiennikami kwarcowymi podwójnymi i napromienieniu 370
kW/m
2
, wg [128]
1 - blacha aluminiowa; 2, 3 i 4 - blachy stalowe
Znane są zastosowania urządzeń promiennikowych wyposażonych w promienniki z
żarnikami wolframowymi z chłodzeniem wodnym rurek (rys. 3.10) do szybkiego
nagrzewania blach tytanowych i stalowych. Blachy o grubości 1 mm osiągają temperaturę
1000°C w ciągu 80 s, tak jak to ilustruje rys. 3.18 [128]. Do tego celu niezbędne jest
napromienienie około 370 kW/m
2
. Przeprowadzono także udane próby nagrzewania
stalowych wsadów o masie 9 Mg do temperatury 600°C w piecu
167
3. Nagrzewanie promiennikowe
______________________________________________________________________
o mocy 1,2 MW. Zużycie energii w tym procesie było niższe o 42% w porównaniu ze
zużyciem w konwencjonalnym urządzeniu rezystancyjnym [16].
Oprócz wcześniej wymienionych generalnych zalet nagrzewania promiennikowego, w
odniesieniu do obróbki cieplnej metali wskazać należy dalsze, a mianowicie: energo- i
materiałooszczędność, mniejsze koszty obsługi, podwyższenie jakości obróbki, niskie koszty
inwestycyjne, korzystniejsze warunki pracy [128].
Obróbka cieplna niemetali to głównie obróbka tworzyw sztucznych. Nagrzewa się je
w celu zwiększenia ich plastyczności koniecznej do walcowania i wytłaczania, przed
formowaniem próżniowym, przy pokrywaniu kabli i przewodów elektrycznych izolacją. Inne
zastosowania to: topienie tworzyw, uplastycznianie klejów i materiałów wiążących,
utwardzanie żywic epoksydowych, poliestrów i innych tworzyw sztucznych, wytwarzanie
laminatów warstwowych, wulkanizowanie i wypalanie tworzyw, hermetyczne zatapianie
[130].
Biorąc pod uwagę różną grubość napromienianych warstw, należy tak dobierać zakres
promieniowania, aby otrzymać możliwie równomierny rozkład pochłoniętej energii w masie
napromienianej substancji. W związku z tym, przy obróbce warstw grubszych należy
stosować źródła emitujące promieniowanie w dużym procencie przepuszczane, a przy
obróbce warstw cienkich - w dużym procencie pochłaniane przez materiał. Oczywiście nie
wszystkie materiały mogą być racjonalnie nagrzewane tą techniką. Większość tworzyw
sztucznych dobrze jednak pochłania promieniowanie długofalowe i dlatego do ich obróbki
używać należy źródeł niskotemperaturowych.
Suszenie jest jednym z najbardziej spektakularnych zastosowań urządzeń
promiennikowych ze źródłami podczerwieni i nadfioletu [58], [334], [347]. Pierwszy raz
sposób ten zastosowano w r. 1934 w zakładach Forda do suszenia lakieru na karoseriach
samochodów. Obecnie wyodrębnia się trzy główne grupy zastosowań: suszenie powłok
(lakierów, farb, emalii, klejów itp.), płatów (tkanin, papieru, skóry itp.) oraz drobnic
(materiałów sproszkowanych, ziaren itp.) [210].
Powłoki są trwale połączone z podłożem i wobec tego nagrzewanie promiennikowe w
procesie suszenia obejmuje powłokę i jej podłoże. Parametry podłoża, a zwłaszcza
współczynnik odbicia, dyfuzyjność oraz grubość, wpływają pośrednio na rozkład temperatury
w powłoce. O charakterze tego rozkładu decyduje więc zarówno pochłanianie energii
promienistej w powłoce, jak i oddawanie ciepła do powłoki z podłoża przez przewodzenie.
Dzięki temu uzyskuje się znacznie korzystniejszy rozkład temperatur w powłoce aniżeli przy
suszeniu konwekcyjnym (rys. 3.19). Mechanizm tego zjawiska przedstawia rys. 3.2.
Skrócenie czasu suszenia o 50
÷95% w porównaniu z techniką konwekcyjną uzyskuje się przy
obróbce tzw. powłok przemiennych (lakierów piecowych), których schnięcie polega nie tylko
na odparowywaniu rozpuszczalnika, lecz przede wszystkim na utlenianiu i polimeryzacji (rys.
3.20). Skrócenie czasu suszenia jest mniej wyraźne w przypadku lakierów olejnych
należących do tzw. powłok nieprzemiennych, których schnięcie polega wyłącznie na
odparowaniu rozpuszczalnika.
168
3.2. Urządzenia promiennikowe i ich zastosowania
_______________________________________________________________________
Rys. 3.19. Rozkłady temperatur w powłokach lakierniczych: a) suszonej konwekcyjnie; b) suszonej promienni-
kowe
x - odległość od powierzchni powłoki,
τ
1
÷τ
7
- czas, t
p
- temperatura powietrza w suszarce konwek-
cyjnej, t
o
- temperatura początkowa
Rys. 3.20. Charakterystyki nagrzewania powłoki lakierniczej (na styku z podłożem)
1 - podczas nagrzewania konwekcyjnego; 2 - podczas nagrzewania promiennikowego przy małej
wartości napromienienia; 3 - podczas nagrzewania promiennikowego oraz dużej wartości
napromienienia; A - obszar przegrzania (lakier zmienia barwę i traci swoje właściwości mechaniczne),
B - obszar nadmiernego nagrzania (częściowa utrata właściwości mechanicznych, przejawiająca się
nadmierną twardością i kruchością powłoki), C - obszar prawidłowego nagrzania i wysuszenia, D -
obszar niedogrzania
Metodę promiennikową można stosować przy suszeniu powłok na różnych podłożach
pod warunkiem, że nie ulegnie zmianom ich struktura. Najczęściej suszy się lakiery na
podłożach metalowych. Szczególne znaczenie technika ta znalazła w przemyśle
samochodowym, zarówno przy ich produkcji, jak i naprawie.
Ważnym zastosowaniem jest suszenie farb drukarskich. Przy wzroście szybkości
druku, zwłaszcza wielobarwnego, szybkie suszenie staje się rozstrzygającym
169
3. Nagrzewanie promiennikowe
___________________________________________________________________________
elementem w procesie produkcyjnym. Korzystne rezultaty uzyskuje się przy suszeniu druku
offsetowego, fleksograficznego i wklęsłego (wzrost szybkości druku do ok. 200 m/min).
W zależności od przeznaczenia stosuje się przy tym napromienienia 15
÷30 kW/m
2
przy użyciu promienników średniofalowych oraz 90
÷100 kW/m
2
- z użyciem promienników
krótkofalowych. Większe wartości mocy niezbędne są przy suszeniu lakierów wodnych oraz
proszkowych.
Bardzo pozytywne rezultaty uzyskuje się przy suszeniu powłok na podłożu drewnia-
nym w przemyśle meblarskim. Wynika to z łatwości regulacji temperatury (m.in. ogranicza
się ryzyko przegrzania podłoża), z małego zużycia energii, krótkiego czasu rozgrzewu. Na
przykład przy wzroście temperatury powłoki do 150°C, 5 mm pod jej powierzchnią tempera-
tura nie przekracza 50°C. Przy napromienieniu mocą 70 kW/m
2
, po 5 s uzyskuje się tempe-
raturę powłoki równą 90°C [81].
Do utwardzania powłok, a zwłaszcza farb drukarskich wprowadza się coraz częściej
urządzenia z promiennikami ultrafioletowymi. Poddaje się obróbce powłoki o składzie czu-
łym na promieniowanie UV powodujące szybką polimeryzację. Proces ten może być skró-
cony do rzędu 1 s. Większość tego typu farb i lakierów nie zawiera w ogóle rozpuszczalników
[58].
Suszarki promiennikowe do farb i lakierów - zwłaszcza przelotowe - osiągają moce do
kilku MW, a długości ich komór sięgają kilkudziesięciu metrów przy szybkości przesuwu
wsadu do 50 m/min.
W odróżnieniu od powłok, wsady w postaci płatów nie są związane z podłożem i
mogą być nagrzewane dwustronnie. Przykładami są tekstylia, wykładziny podłogowe, skóry,
papier. W przemyśle papierniczym urządzeń promiennikowych używa się zwłaszcza tam,
gdzie proces wymaga uzyskania ściśle określonej wilgotności papieru. Do tego celu używa
się promienników krótkofalowych.
Przy suszeniu drobnic (materiały proszkowe, ziarniste, produkty spożywcze) podłoże
jest niezbędne jedynie w celu podtrzymania ich w urządzeniu suszarniczym. Rodzaj podłoża
nie jest więc narzucony i może być tak dobrany, by sprawność procesu była największa.
Oprócz wymienionych trzech głównych grup zastosowań urządzeń promiennikowych,
w suszarnictwie istnieje wiele innych jak np.: suszenie półfabrykatów w przemyśle ceramicz-
nym i materiałów budowlanych, odwadnianie produktów mięsnych, pieczenie itd.
Ogrzewanie promiennikowe polega na wykorzystaniu bezpośredniego fizjologicz-
nego działania grzejnego promieniowania podczerwonego na organizmy żywe. Węzłowym
zagadnieniem staje się więc nie tyle ogrzewanie pomieszczenia, ile konieczność zapewnienia
jego użytkownikowi tzw. komfortu cieplnego [165].
Ogrzewanie promiennikowe jest formą korygowania warunków klimatycznych zarówno w
pomieszczeniach zamkniętych, jak i otwartych. Metoda ta jest stosowana przy użyciu ogrze-
waczy stałych oraz mobilnych. Do ogrzewania większych obszarów
170
3.2. Urządzenia promiennikowe i ich zastosowania
_________________________________________________________________________
(powierzchni) używa się urządzeń ogrzewczych opartych na promiennikach o temperaturze
wyższej od 250°C lub tzw. niskotemperaturowych powierzchniowych układach
promieniujących (sufity, tapety grzejne) o temperaturze 25
÷80°C [27], [120].
Ogrzewanie promiennikowe charakteryzuje się bardzo małą bezwładnością cieplną i
jest szczególnie przydatne do ogrzewania pomieszczeń zamkniętych eksploatowanych
doraźnie oraz obszarów otwartych (trybuny stadionów, leżalnie sanatoryjne, tarasy, place
budowy [31], [148], [149]. Wykorzystuje się je także do rozmrażania ładunków masowych
(węgiel, ruda) transportowanych w odkrytych wagonach metalowych. Do tego celu używa się
nagrzewnic tunelowych o mocy kilku MW. Dzięki dobrej przewodności cieplnej stali, po
krótkim ogrzaniu skrzyni wagonu, przymarznięty do niej ładunek daje się bez trudu usunąć na
wywrotnicy wagonów.
3.2.3. Urządzenia promiennikowe próżniowe
Są to urządzenia z elektrycznym piecem próżniowym -jako członem podstawowym, w
którym energia do wsadu umieszczonego w próżni technicznej dopływa wyłącznie lub
głównie za pośrednictwem promieniowania temperaturowego. Konwekcja w tych fazach
procesów technologicznych, podczas których wzrasta temperatura wsadu, a więc przy
ciśnieniu niższym od 100 Pa, nie ma wpływu na ogólny bilans transportu ciepła.
Zakwalifikowanie tej kategorii urządzeń do grupy promiennikowych, a nie
rezystancyjnych, wynika z definicji metody, mimo że źródła ciepła stosowane w piecach
próżniowych są pod względem konstrukcyjnym bliższe elementom grzejnym rezystancyjnym
niż klasycznym promiennikom elektrycznym i nie zawsze oddają bezpośrednio ciepło do
wsadu na drodze radiacji. Nie ulega jednak wątpliwości, że w urządzeniach tych mamy do
czynienia z nagrzewaniem wsadu przez radiację wyłącznie, lub w stopniu nie spotykanym w
urządzeniach rezystancyjnych. Dotyczy to w szczególności podstawowej kategorii
promiennikowych pieców próżniowych średnio- i wysokotemperaturowych. Kondukcja ma
pewien udział jedynie w niektórych rodzajach pieców niskotemperaturowych, np.
przeznaczonych do suszenia, czyli w promiennikowych suszarkach próżniowych.
W skład urządzenia promiennikowego próżniowego, oprócz członu podstawowego (pieca),
wchodzi zawsze człon próżniowy. Jest to pompa lub zespół pomp z wyposażeniem, mający za
zadanie usunąć z komory próżniowej gazy i pary w jak najkrótszym czasie i utrzymywać
żądaną próżnię w czasie procesu technologicznego. W tablicy 3.1 podano zakresy stosowania
różnych pomp, przy czym dla promiennikowych pieców próżniowych charakterystyczny jest
przedział 10
÷10
-7
Pa [40].
171
3. Nagrzewanie promiennikowe
_________________________________________________________________________
Tablica 3.1. Zakresy stosowania pomp próżniowych
Ciśnienie Rodzaj
pompy
Pa
Wielo-
stopniowa
Jedno-
i dwustop-
niowa, łopat-
kowa oraz
mimośrodowa
Rootsa Wielostop-
niowa
i dyfuzyjna
Turbomo-
lekularna
Krioge-
niczna
10
5
÷10
2
X X X
10
2
÷10
-1
X
X
X
X
10
-1
÷10
-5
X
X
X
10
-5
÷10
-10
X
X
Człony chłodzenia technologicznego są stosowane w urządzeniach do obróbki cieplnej
przeznaczonych do realizacji procesów wymagających większych niż naturalne szybkości
chłodzenia wsadów. Stosuje się chłodzenia gazowe (także przy nadciśnieniach sięgających 1
MPa), olejowe, wodne oraz inne kąpiele schładzające. Chłodzenie sztuczne stosowane bywa
jako czynnik zwiększający wydajność procesu z gazem obojętnym jako medium chłodzącym
przepływającym w obiegu zamkniętym, którego elementem składowym jest wymiennik
ciepła. W związku z tym, że chłodzenie musi być realizowane także w próżni, urządzenia
wyposaża się w przegrody, śluzy, dodatkowe komory schładzające, pozwalające na prze-
mieszczenie wsadu poza przestrzeń grzejną. Chłodzenie w przestrzeni grzejnej stosowane jest
przeważnie w celu zwiększenia stygnięcia wsadu i nie musi mieć
Rys. 3.21. Przykładowe charakterystyki nagrzewania i stygnięcia pieca próżniowego
1 - nagrzewanie, 2 - stygnięcie naturalne, 3 - stygnięcie przy wprowadzeniu do komory gazu
obojętnego w temperaturze 620°C, 4 - stygnięcie przy konwekcji wymuszonej od temperatury 620°C,
5 - stygnięcie przy konwekcji wymuszonej od temperatury 1060°C
172
3.2. Urządzenia promiennikowe i ich zastosowanie
_________________________________________________________________________
związku z obróbką cieplną wsadu w tej fazie procesu, lecz jedynie z przelotnością urządzenia
(rys. 3.21).
Większość próżniowych pieców promiennikowych wyposażonych jest w układy
chłodzenia różnych elementów składowych takich jak zbiornik próżniowy, uszczelki,
wszelkiego rodzaju przepusty itd. Człony chłodzenia należą do bardziej złożonych
podzespołów promiennikowego urządzenia próżniowego.
Większość urządzeń ma człon lub człony napędowe. Stosowane są napędy
elektryczne, hydrauliczne, pneumatyczne. Używa się ich m.in. do transportu wsadu zarówno
w piecach przelotowych, jak i nieprzelotowych; do uruchamiania pokryw piecowych,
wewnętrznych przegród i śluz oraz jako elementów wyposażeniowych innych członów
składowych urządzenia.
Rys. 3.22. Źródła ciepła z metali wysokotopliwych stosowane w promiennikowych piecach próżniowych: a)
trójfazowe typu koszowego; b) jednofazowe typu rurowego
Człon zasilania elektrycznego w wielu typach urządzeń, zwłaszcza do obróbki
cieplnej, umożliwia dopasowanie napięcia zasilającego do charakterystyk elektrycznych
źródeł ciepła oraz realizację programowej regulacji temperatury. Bezpośrednie zasilanie
elektrycznych źródeł ciepła z sieci jest regułą w przypadku pieców nisko- i
średniotemperaturowych o naturalnych temperaturowych charakterystykach roboczych.
Pozostałe piece, a zwłaszcza wysokotemperaturowe, ze źródłami z materiałów o zmieniającej
się rezystywności (z wolframu, molibdenu, grafitu) wyposaża się w zasilanie o regulowanym
napięciu. Konieczność taka wynika również z konstrukcji samych źródeł ciepła (rys. 3.22),
które często mają bardzo małe rezystancje. Wartość napięcia zasilającego jest istotnym
parametrem pieca z uwagi na nieliniową zależność wytrzymałości elektrycznej próżni na
przebicie od ciśnienia i temperatury (rys. 3.23). Zasilacze z przekształtnikami półprzewo-
dnikowymi są szczególnie przydatne, ponieważ umożliwiają ciągłą regulację napięcia w
szerokim zakresie.
173
3.2. Nagrzewanie promiennikowe
___________________________________________________________________________
Rys. 3.23. Wytrzymałość elektryczna na przebicie próżni w układzie ostrze - płaszczyzna (materiał elektrod -
stal o zawartości 18% Cr, 10% Ni) w funkcji ciśnienia i temperatury, wg [190]
Człony pomiarowo-kontrolne zapewniają utrzymanie trzech podstawowych wielkości:
temperatury źródeł ciepła, temperatury wsadu i ciśnienia w komorze. Niezależna regulacja
temperatury źródeł ciepła jest konieczna w warunkach utrudnionej wymiany ciepła w próżni
przy niewielkich różnicach między dopuszczalnymi temperaturami źródeł i maksymalnymi
temperaturami wsadu. Z tego samego powodu pomiary temperatur w próżni nie należą do
zadań łatwych. Dotyczy to w szczególności obszarów wysokotemperaturowych, w których
obok termometrów termoelektrycznych i rezystancyjnych o nietypowych charakterystykach,
stosowane są także pirometry.
Z uwagi na złożoność wielu urządzeń promiennikowych próżniowych, układy pomia-
rowe i automatyki są rozbudowane i z tego względu opłaca się stosowanie sterowania mikro-
procesorowego.
Promiennikowe urządzenia próżniowe klasyfikuje się m.in. według cyklu nagrzewa-
nia, technologii, charakteru urządzenia i kinetyki wsadu. Budowane są urządzenia przezna-
czone do pracy przerywanej, okresowej i ciągłej. Znalazły one zastosowanie głównie w pro-
cesach obróbki cieplnej, spiekania, topienia, suszenia i lutowania. Spośród zastosowań spe-
cjalnych wymienić można wyciąganie kryształów [171], prasowanie próżniowe, badania wy-
trzymałościowe oraz technologię fizycznego osadzania warstw (PVD) [39]. Kryterium kine-
tyki wsadu prowadzi do ich podziału na nieprzelotowe i przelotowe. Wypada w tym miejscu
wspomnieć o konstrukcjach specjalnych przeznaczonych do nagrzewania zarówno w próżni,
jak i atmosferze sztucznej [108].
Oprócz wymienionych kryteriów klasyfikacyjnych, w użyciu jest kryterium stanu
temperaturowego komory próżniowej pieca. Prowadzi ono do wyróżnienia urządzeń z ko-
morą próżniową pieca gorącą oraz - zimną i jest rozstrzygające w zakresie konstrukcji członu
podstawowego, a zwłaszcza komory próżniowej i izolacji cieplnej. Rysunek 3.24 przedstawia
schematy obu wymienionych grup pieców.
174
3.2.Urządzenia promiennikowe i ich zastosowanie
_________________________________________________________________________
Rys. 3.24. Schematy promiennikowych pieców próżniowych, wg [190]: a) z gorącą komorą próżniową i źródłem
ciepła w obszarze o ciśnieniu atmosferycznym; b) z gorącą komorą próżniową i źródłem ciepła w
obszarze o obniżonym ciśnieniu; c) z zimną komorą próżniową i elementem grzejnym w obszarze o
ciśnieniu roboczym
1 - źródło ciepła, 2 - komora próżniowa, 3 - izolacja cieplna, 4 - zbiornik próżniowy, 5 - do układu
pompowego, 6 - do układu pompowego (próżnia pośrednia), 7 - doprowadzenia prądowe
Piece z gorącą komorą (rys. 3.24a, b) mają izolację cieplną poza obszarem próżni
między komorą próżniową i obudową pieca. Elektryczne źródła ciepła umieszczone są po
zewnętrznej stronie komory, a w pewnych rozwiązaniach sama komora stanowi źródło. Takie
rozwiązanie ma wiele zalet i umożliwia korzystanie z klasycznych układów grzejnych oraz
termoizolacyjnych. Jego wadą zasadniczą jest ograniczenie temperaturowego zakresu pracy z
uwagi na niebezpieczeństwo implozji komory próżniowej, której temperatura podczas
nagrzewania jest wyższa od temperatury wsadu.
Piece z zimną komorą (rys. 3.24c) nie mają tej wady, ponieważ źródła ciepła znajdują
się w próżni i są oddzielone od komory próżniowej - stanowiącej zarazem zewnętrzną
obudowę pieca - izolacją cieplną umieszczoną także w próżni. Komora znajduje się więc poza
obszarem wysokiej temperatury i bywa często dodatkowo chłodzona wodą. Takie rozwiązanie
ogranicza lub uniemożliwia stosowanie izolacji klasycznej, a w większości konstrukcji także
elementów grzejnych tego rodzaju jakich używa się w budowie pieców rezystancyjnych.
Powodem jest konieczność rezygnacji z materiałów silnie gazujących w próżni przy
wyższych temperaturach, a do takich należy ceramika piecowa i większość materiałów
termoizolacyjnych. Dotyczy to w szczególności pieców o wysokiej próżni. Osiągnięcie i
utrzymanie takiej próżni zależy od ilości i stopnia porowatości ceramiki, której nadmiar
uniemożliwia wytworzenie wymaganego ciśnienia [189].
Jako izolacji używa się w takich przypadkach tzw. kaskad radiacyjnych, wykonanych
z cienkich ekranów metalowych (niejednokrotnie z folii) o małej
175
3. Nagrzewanie promiennikowe
_________________________________________________________________________
emisyjności całkowitej, umieszczonych w niewielkich od siebie odległościach. Tego rodzaju
kaskada przedstawia sobą na tyle duży opór radiacyjny, że przy liczbie ekranów nie większej
od dziesięciu można ją z dobrym skutkiem stosować w piecach o najwyższych temperaturach
roboczych, sięgających 3000°C [132].
Zalety nagrzewania w promiennikowych urządzeniach próżniowych są związane z
realizowanymi technologiami. Można jednak wyodrębnić kilka, które mają charakter
uniwersalny. Przejawia się on w:
- ochronie wsadu przed utlenianiem;
- eliminacji, względnie silnym ograniczeniu oddziaływania innych składników atmosferycz-
nych (np. pary wodnej) na wsad;
- możliwości uzyskania ekstremalnie wysokich temperatur;
- mniejszej energochłonności w porównaniu z procesami substytucyjnymi;
- wysokim stopniu bezpieczeństwa pracy przy urządzeniach;
- całkowitej eliminacji zanieczyszczania środowiska;
- istotnym ograniczeniu bądź eliminacji cieplnego obciążenia środowiska.
Obróbka cieplna metali jest tą dziedziną, w której promiennikowe urządzenia
próżniowe znalazły zastosowanie najszersze (pierwszy raz już w końcu lat dwudziestych).
Jednak dopiero lata pięćdziesiąte należy uznać za początek szybkiego rozwoju technik
próżniowych. Miało to związek głównie z rozwojem przemysłu atomowego, lotniczego i
kosmicznego. Nie dalekie od rzeczywistości jest twierdzenie, że wszystko co pracuje w
próżni powinno być w próżni wytwarzane i obrabiane. Zakres zastosowań i zalety tej
technologii, mimo stosunkowo wysokich kosztów, są tak duże, że wg prognoz w roku 2000
służyć ona będzie (wraz z kilkoma innymi niekonwencjonalnymi technikami próżniowymi)
do obróbki 15
÷25% całej masy obrabianych cieplnie wsadów.
Szczególnymi zaletami obróbki cieplnej metali w próżni są:
- eliminacja operacji czyszczenia powierzchni wsadów po obróbce;
- zmniejszenie pracochłonności obróbek wykańczających przez zmniejszenie nad datków
materiałowych;
- odgazowanie warstwy przypowierzchniowej wsadu, a tym samym polepszenie jego
charakterystyk mechanicznych [297].
Dzięki wymienionym zaletom uniwersalnym i szczegółowym, technikę tę stosuje się w
procesach:
- hartowania wysokostopowych stali narzędziowych oraz urządzeń ze stali szybkotnących;
- odpuszczania i starzenia stali narzędziowych, kwasoodpornych i metali nie żelaznych;
- hartowania i wyżarzania stali nierdzewnych, kwasoodpornych i stopów żaroodpo-
rnych;
176
3.2. Urządzenia promiennikowe i ich zastosowania
_________________________________________________________________________
- wyżarzania i starzenia łatwo utleniających się stopów miedzi, srebra, tytanu, aluminium oraz
permaloy’ów;
- odgazowywania metali trudnotopliwych (Ta, Nb, Ti, W) przed dalszą obróbką plastyczną,
- odwodorowywania wyrobów z Ti, Cu, Ta oraz warstw ochronnych i niklowych nakładanych
galwanicznie,
- odazotowywania powierzchni stali chromowych;
- osadzania próżniowego metali, np. chromu i węgla na stopach żelaza;
- oczyszczania próżniowego z tlenków.
Rys. 3.25. Promiennikowy piec próżniowy trójkomorowy do obróbki cieplnej, wg [14]
1 - źródła ciepła, 2 - komora grzejna, 3 - izolacja cieplna, 4 - komora chłodzenia gazowego wsadu, 5 -
komora chłodzenia olejowego wsadu, 6 - wanna z olejem, 7 - wentylator wymuszający ruch gazu w
komorze, 8 - śluza próżnioszczelna, 9 - pokrywa pieca, 10 - zasuwa komory grzejnej, 11 - woda
chłodząca
Rysunek 3.25 przedstawia przykład pieca do obróbki cieplnej.
Suszenie próżniowe charakteryzuje się m.in. znacznym obniżeniem temperatury
wrzenia czynników odparowywanych co sprawia, że wrażliwe lub ulegające łatwemu
rozpadowi materiały mogą być wysuszone w próżni znacznie łatwiej aniżeli przy ciśnieniu
atmosferycznym. Regułą jest, z uwagi na większą szybkość parowania, skrócenie czasu
suszenia. Często towarzyszące suszeniu odgazowanie materiału ma również istotne znaczenie.
Znane są trudności z suszeniem wsadów masywnych z uwagi na utrudniony odpływ
rozpuszczalników lub wody z wnętrza materiału. W tym przypadku suszenie próżniowe, a
szczególnie impulsowe suszenie próżniowe (z okresowym przerywaniem napromienienia
wsadu), daje dobre wyniki i pozwala utrzymać w materiale naprężenia mechaniczne w takich
granicach, że nie następuje jego zniszczenie.
177
3. Nagrzewanie promiennikowe
___________________________________________________________________________
Wpływ na rezultaty suszenia próżniowego impulsowego materiałów masywnych
(grubościennych) mają głównie: ciśnienie, stosunek czasu nagrzewania dl przerwy - czyli tzw.
stosunek impulsowania, porowatość suszonego materiału [54| Rodzaj źródeł promieniowania
ma analogiczny wpływ na rezultaty suszenia, żarowa w warunkach nagrzewania impulsowego
jak i ciągłego (rys. 3.26). Najkorzystniejsze
Rys. 3.26. Wpływ ciśnienia na czas suszenia materiałów do 50% wilgotności przy różnej porowatości wsadu
1 - duże pory - suszenie ciągłe, 2 - drobne pory - suszenie ciągłe, 3 - duże pory - suszenie impulsowe
5:5 s, 4 - drobne pory - suszenie impulsowe 5:5 s
Zaczerpnięto z [166]
Rys. 3.27. Zależność zawartości wilgotności od czasu suszenia i stosunku impulsowania, wg [166]
rezultaty uzyskuje się przy stosowaniu promienników emitujących największą moc w
przedziale 1,2
µm ≤
λ
max
≤ 3,5 µm, czyli pracujących w obszarze średniofalowym.
Szybkość suszenia zwiększa się przy malejącym ciśnieniu i to zarówno w przypadku
nagrzewania impulsowego, jak i ciągłego. Oczywiście całkowity czas suszenia przy
nagrzewaniu impulsowym wydłuża się, lecz tę samą wartość wilgotności
178
3.2. Urządzenia promiennikowe i ich zastosowanie
_________________________________________________________________________
względnej uzyskuje się przy krótszym całkowitym czasie napromienienia, a więc przy
mniejszym zużyciu energii elektrycznej. Na rysunku 3.27 przedstawiono zależność zawartości
wilgotności w suszonym materiale od czasu suszenia
τ przy różnych ciśnieniach p i rożnych
stosunkach impulsowania.
Przy nagrzewaniu impulsowym korzystniejsze efekty energetyczne uzyskuje się w
procesach suszenia materiałów drobnoporowatych. Dotyczy to w szczególności materiałów
ceramicznych. Korzyści z suszenia impulsowego, realizowanego zarówno w układach
nieprzelotowych jak i przelotowych (suszarki ze strefami czynnymi wyposażonymi w
promienniki i ze strefami biernymi bez promienników), wynikają ze zgodności kierunków
gradientów temperatury i wilgotności. W przerwach między napromienieniem wsadu ciepło
głębiej wnika we wsad, a obszary bardziej odległe od powierzchni nagrzewają się do wyższej
temperatury aniżeli ona sama.
Technologie promiennikowego suszenia próżniowego nie należą do bardzo
rozpowszechnionych. W tych jednak dziedzinach, w których znalazły zastosowanie
potwierdziły swoje walory. Spośród nowszych, bardziej spektakularnych zastosowań
wymienić można procesy suszenia sublimacyjnego (odparowanie z fazy stałej) w przemyśle
farmaceutycznym i spożywczym. Technologię tę stosuje się m.in. do suszenia zmielonej
kawy przed pakowaniem próżniowym. Standardowe urządzenie typu przelotowego
przeznaczone do tego celu ma dzienną wydajność 18 Mg przy ciśnieniach około 10 Pa [223].
Oprócz zastosowań w procesach suszenia niskotemperaturowego, znane są procesy
suszenia w temperaturze sięgającej 1000°C. W takich temperaturach suszy się pluton w
procesie formowania prętów paliwowych [336]. Do tego celu używa się pieców przelotowych
wyposażonych w śluzy próżniowe.
Techniki nagrzewania promiennikowego zarówno w środowiskach gazowych, jak i w
próżni, mimo że znane od dawna, należą do rozwojowych, a dzięki wprowadzeniu do
eksploatacji nowego rodzaju promienników stają się konkurencyjne nie tylko dla metod
paliwowych, lecz także dla metod elektrotermicznych opartych na innych rodzajach
przemian.
179
