Emettitori infrarossi a gas per ambienti industriali: struttura, principio di funzionamento, varietà

I dispositivi IR, che generano flussi termici e luminosi, sono ampiamente utilizzati in vari settori produttivi e domestici. I più richiesti sono gli emettitori infrarossi a gas per ambienti industriali. Il loro funzionamento si basa sulla capacità di un corpo riscaldato di rilasciare nello spazio il calore assorbito.

Tutto sui principi di funzionamento delle apparecchiature a infrarossi lo scoprirete nell'articolo che vi proponiamo. Vi parleremo delle varietà di apparecchiature a infrarossi e delle loro differenze caratteristiche. Vi presenteremo i modelli leader sul mercato.

L'essenza della radiazione infrarossa

La radiazione infrarossa differisce dalla luce visibile ordinaria e così familiare. Sono simili per la velocità con cui si propagano e attraversano lo spazio. Entrambe le varietà sono in grado di rifrangersi, riflettersi e concentrarsi 'in un fascio'.

A differenza della normale radiazione luminosa, che consiste in onde elettromagnetiche, il flusso IR possiede sia proprietà ondulatorie che quantistiche. Cioè trasmette sia luce che calore.

Sia la luce ordinaria che la radiazione infrarossa sono flussi di onde elettromagnetiche. La differenza è che nel primo caso predomina la componente visibile, nel secondo – la componente visibile si combina con quella termica.

La luce fornita dai dispositivi infrarossi si muove in modo ondulatorio. Le oscillazioni elettromagnetiche della luce si trovano nel segmento dello spettro da 760 nm (nanometri) a 540 µm (micrometri). Il calore emesso dagli emettitori IR è un flusso di quanti. La loro energia occupa un intervallo da 0,0125 a 1,25 eV (elettronvolt).

I flussi termici e luminosi emessi dai dispositivi a infrarossi sono interconnessi. Con l'aumento dell'intensità della luce, il flusso quantico di calore si riduce. A seconda della temperatura, la radiazione infrarossa può essere percepita o meno dai nostri occhi. La radiazione termica non è determinabile visivamente.

Questa specificità della radiazione infrarossa viene utilizzata nell'industria per accelerare i processi di polimerizzazione e indurimento. La parte termica della radiazione infrarossa offre la possibilità di determinare la presenza e la posizione di una persona o di un animale in periodi notturni poco illuminati o non illuminati.

I dispositivi di riscaldamento a infrarossi emettono luce in combinazione con energia termica, utilizzata per creare un microclima confortevole in aree di sosta, officine, capannoni produttivi, allevamenti di pollame, serre e molti altri siti.

L'atipicità del funzionamento dei dispositivi IR, che emettono luce in combinazione con calore, è diventata la base per lo sviluppo di dispositivi per la visione notturna. Viene utilizzata nella difettoscopia, nei sistemi di allarme nascosti e nei dispositivi tecnici per la fotografia notturna.

Entrambe le componenti della radiazione infrarossa non si disperdono quasi per nulla nello spazio trattato, ma si concentrano sugli oggetti presenti nella loro zona di azione. Il calore penetra nel corpo dell'oggetto riscaldato; la profondità di penetrazione dipende dalle proprietà, dalla struttura e dal materiale dell'oggetto. La profondità varia da un decimo di millimetro a diversi millimetri.

I riscaldatori a infrarossi vengono installati a pavimento, fissati a parete o sospesi al soffitto. I dispositivi si distinguono per la combustione senza fiamma, la conservazione dell'ossigeno nell'ambiente circostante e non sollevano nuvole di polvere, a differenza dei convettori.

Quando utilizzati a fini industriali, la lunghezza d'onda degli emettitori a infrarossi viene selezionata in base alle caratteristiche tecniche dell'oggetto o della sostanza. I raggi IR attraversano liberamente la massa d'aria, quindi il riscaldamento avviene senza perdite apprezzabili. Questa circostanza è giustamente considerata un notevole vantaggio nella produzione.

Oltre al riscaldamento e all'illuminazione dell'area trattata dal dispositivo, gli emettitori a infrarossi vengono utilizzati per risolvere i seguenti compiti:

Tipi di sorgenti di radiazione infrarossa

Tra le più semplici sorgenti di radiazione infrarossa rientrano le ben note lampade a incandescenza, che funzionano a bassa tensione. In tali condizioni, emettono principalmente flussi infrarossi. La percentuale di onde elettromagnetiche luminose è trascurabile, ma comunque rilevabile otticamente.

Attualmente, il consumatore privato e le organizzazioni edili e produttive dispongono di molti tipi diversi di emettitori IR.

Il loro campo di applicazione è determinato da:

• temperatura di esercizio;
• valore massimo della lunghezza d'onda;
• zona in cui il flusso infrarosso è distribuito uniformemente.

In base alle caratteristiche elencate, si sceglie il dispositivo emettitore destinato a risolvere compiti specifici.

Le varietà più comuni di emettitori IR includono:

• Lampade con dispositivi riflettenti a specchio. Alla massima emissione, la loro lunghezza d'onda è di 1,05 µm.
• Lampade tubolari al quarzo. La loro lunghezza d'onda alla massima emissione è compresa tra 2 e 3 µm.
• Riscaldatori non metallici a stelo. Strutturalmente sono dotati di riflettori; la lunghezza d'onda massima è compresa tra 6 e 8 µm.
• Riscaldatori elettrici tubolari. Dispositivi con elementi riscaldanti, ampiamente diffusi in ambito domestico e utilizzati nell'industria.
• Bruciatori a infrarossi. Sono dotati di ugelli perforati in ceramica o metallo. Vengono utilizzati in edilizia per riscaldare aree aperte e chiuse durante la costruzione di edifici e per lavori di finitura.

Le sorgenti di raggi infrarossi trovano applicazione nell'agricoltura. Con il loro aiuto si riscaldano i pulcini e gli animali domestici appena nati. Gli emettitori vengono installati nelle serre per stimolare la crescita delle varietà coltivate, e nei fienili e nei granai per l'essiccazione.

Le sorgenti di flussi infrarossi si suddividono in:

• Lampade infrarosse. Sono emettitori «luminosi» e dispositivi che forniscono radiazione termica.
• Riscaldatori. Dispositivi utilizzati per il riscaldamento di ambienti chiusi e spazi aperti. Tra questi vi sono modelli che funzionano con alimentazione elettrica, combustibile liquido o gassoso. L'elemento riscaldante può essere sia un TEN sia una spirale in lega ad alta resistenza.

Secondo la classificazione basata sulla lunghezza d'onda, le sorgenti infrarosse si dividono in due gruppi principali: scure e chiare. Le prime emettono onde lunghe, le seconde onde corte.

Emettitori IR scuri e chiari

Secondo la definizione, le sorgenti «chiare» sono in grado di emettere luce. I flussi da esse irradiati sono percepiti dalla vista, anche se è difficile definirli illuminazione brillante e non è affatto consigliabile usarli per questo scopo.

Gli apparecchi «scuri» forniscono un flusso di calore invisibile all'uomo, percepito dalla pelle dell'utente ma non rilevabile visivamente. Il valore limite tra «chiari» e «scuri» è considerato una lunghezza d'onda di 3 µm. La temperatura limite della superficie riscaldata è 700°.

La proprietà degli emettitori infrarossi di fornire energia termica è ampiamente utilizzata in serricoltura, nei pollai e nelle fattorie per il supporto dei giovani animali.

Il più noto rappresentante degli apparecchi di riscaldamento «scuri» è il forno russo in mattoni, che per molti secoli ha riscaldato con successo case a pochi piani. Tra quelli «luminosi», come già capiamo, figura la lampadina elettrica a incandescenza, se essa fornisce non più del 12% di luce. La sua energia principale è quindi destinata alla produzione di calore.

Caratteristiche costruttive dei dispositivi chiari

Strutturalmente, le sorgenti chiare sono simili a una tipica lampada a incandescenza. Tuttavia, vi sono differenze nei corpi di incandescenza. Negli apparecchi infrarossi chiari la temperatura non può superare il limite di 2270-2770 K. Ciò è necessario per aumentare il flusso termico riducendo l'emissione di luce.

Proprio come nelle lampadine standard, il corpo di incandescenza, realizzato in filamento di tungsteno, è collocato all'interno di un bulbo di vetro. Tuttavia, il bulbo è dotato di un riflettore, grazie al quale tutta l'energia radiante viene focalizzata sull'oggetto da riscaldare. Allo stesso tempo, una piccola parte dell'energia viene spesa per riscaldare l'attacco della lampadina.

Il bulbo delle sorgenti infrarosse chiare si riscalda a temperature elevate, quindi partecipa anch'esso al processo di trasferimento di calore nell'ambiente. L'energia termica del bulbo riscaldato non viene focalizzata dal riflettore e fuoriesce nello spazio non trattato, ed è proprio questa a essere la componente che riduce il rendimento dell'apparecchio.

Per struttura e metodo di connessione, le lampade a infrarossi sono molto simili alle normali lampadine a incandescenza. Tuttavia, la temperatura di esercizio del corpo riscaldante è significativamente più bassa, grazie a ciò la durata è notevolmente aumentata.

La resa di una sorgente a infrarossi luminosa non supera in media il 65%. Viene aumentata collocando il corpo riscaldante in tungsteno in un tubo di vetro al quarzo o in una ampolla simile. Questa soluzione consente di aumentare la lunghezza d'onda fino a 3,3 µm e di ridurre la temperatura a 600°.

Questa variante viene utilizzata nei riscaldatori a infrarossi al quarzo, in cui attorno a un'asta di quarzo viene avvolto un filo di cromo-nichel e il tutto è collocato all'interno di un tubo di quarzo.

Gli emettitori a infrarossi luminosi si distinguono per la loro bassa resa. L'efficienza del loro flusso a infrarossi di solito non supera il 65%.

L'essenza del funzionamento risiede nel doppio utilizzo del riscaldamento del filo. L'energia termica rilasciata viene in parte utilizzata per il riscaldamento diretto, in parte per aumentare la temperatura dell'asta di quarzo. L'asta riscaldata al rosso emette anch'essa flussi di calore.

Tra i vantaggi degli apparecchi tubolari si annovera, con buoni argomenti, la resistenza di tutti i componenti in quarzo e ceramica agli agenti atmosferici. Come svantaggio viene considerata la fragilità delle parti in ceramica.

Specifiche di funzionamento e costruzione dei riscaldatori scuri

Le cosiddette sorgenti 'scure' di flussi infrarossi sono molto più pratiche delle loro controparti 'luminose'. Il loro elemento radiante differisce in meglio per struttura. Il conduttore riscaldato non emette energia termica da solo, ma è la guaina metallica circostante a fornirla.

Di conseguenza, la temperatura di esercizio dell'apparecchio non supera i 400 – 600°. Per evitare che l'energia termica venga sprecata, gli emettitori scuri sono dotati di riflettori che reindirizzano i flussi nella direzione desiderata.

Gli emettitori a onde lunghe del gruppo scuro non temono urti e simili sollecitazioni meccaniche, poiché il fragile elemento polimerico o ceramico è protetto da una sorta di involucro metallico e da uno strato isolante termico. L'efficienza degli emettitori di questo gruppo raggiunge il 90%.

Ma anch'essi non sono privi di difetti. I riscaldatori del gruppo scuro dipendono dalle caratteristiche costruttive dell'apparecchio. Se la distanza tra l'elemento radiante principale e la superficie dell'apparecchio è grande, essa verrà lambita e raffreddata dall'aria che passa. Di conseguenza, il rendimento diminuisce.

A causa delle caratteristiche costruttive, i modelli scuri vengono installati per il riscaldamento di ambienti con soffitti bassi e di aree che richiedono una fornitura lineare di calore. I modelli chiari vengono invece posizionati dove è necessario il trattamento di stanze con soffitto alto e di aree sviluppate verticalmente.

Bruciatori a gas come fonte di raggi IR

Gli apparecchi in cui avviene la lavorazione del gas senza fiamma sono chiamati bruciatori a gas o emettitori infrarossi a gas. L'energia termica emessa con grande intensità viene trasmessa nello spazio attraverso la superficie radiante dell'unità.

Sono proprio i riscaldatori infrarossi a gas del tipo a bruciatore che vengono utilizzati su scala industriale durante i lavori di costruzione e montaggio. Il volume predominante di energia termica viene trasmesso dagli accessori radianti in ceramica dei bruciatori.

Come accessori vengono utilizzati:

• piastre in ceramica perforate, che possono essere piatte o in rilievo;
• piastre in ceramica con pori uniformemente distribuiti;
• elementi in ceramica con schermo in nichelcromo a rete, accessori metallici a rete e vari accessori catalitici.

Tutti i tipi di fori sopra elencati nell'elemento ceramico o metallico sono canali di fuoco.

La generazione di calore tramite accessorio catalitico si basa sul processo di ossidazione, attivato quando il gas viene fornito alla piastra.

Il carburante per il funzionamento di questo tipo di emettitori infrarossi è il gas di rete, nonché la sua versione liquefatta o gas artificiali. In Russia vengono prodotti bruciatori progettati per la lavorazione del gas liquefatto e di rete. Le apparecchiature straniere sono progettate principalmente per la lavorazione delle versioni liquefatta e artificiale.

I bruciatori a gas infrarossi trattano il gas con un coefficiente di combustione della massa d'aria praticamente uguale a uno. Funzionano con gas naturale, liquefatto e artificiale.

Se le regole operative non vengono violate, i prodotti della combustione del bruciatore a gas vengono emessi in quantità minime, con un contenuto trascurabile di ossidi di azoto e monossido di carbonio.

Per l'alimentazione del gas, i bruciatori a gas infrarossi (GIG) sono dotati di ugelli attraverso i quali il gas viene iniettato ad alta velocità. Questa alimentazione del gas garantisce l'iniezione dell'aria necessaria alla combustione. Essa viene «spinta» dal flusso ad alta velocità attraverso l'iniettore nella camera di distribuzione.

Sopra la testa radiante del dispositivo è posizionata una struttura metallica. Essa aumenta l'efficienza e funge da supporto per pentole, se si cucina sui bruciatori.

Il gas non solo inietta aria, ma si mescola con essa nell'iniettore, ottenendo così una miscela gas-aria adatta alla combustione completa. Questa miscela si sposta sulla superficie della testa ceramica attraverso i suoi pori, fori perforati o fessure, dove brucia completamente in uno strato sottile di spessore non superiore a 1,5 mm.

Bruciatori con ugelli ceramici piatti

La maggior parte dell'energia termica viene trasferita alle piastrelle ceramiche, che vengono riscaldate a temperature ultraelevate in meno di un minuto. La superficie esterna dell'elemento ceramico diventa un'ulteriore fonte di flusso termico.

Alla testa ceramica spetta dal 40 al 60% dell'irraggiamento trasmesso dal riscaldatore a gas IR industriale. Per aumentare l'efficienza del dispositivo, sopra la testa viene installato uno schermo a rete. Per aumentare la superficie di trasmissione del calore, le piastrelle forate vengono incollate con mastice refrattario.

Un parametro importante è il diametro dei canali di fiamma. Da esso dipende quale gas può trattare il dispositivo. Dal diametro dipende il numero totale di fori nella piastrella ceramica. Più sono numerosi, più l'elemento radiante sarà fragile e sensibile ai danni meccanici del GIG (bruciatore a gas infrarosso).

Riscaldatori con ugello a coste

Oltre agli ugelli ceramici piatti con perforazione, vengono utilizzati elementi in rilievo. L'uso di una superficie nervata in questo caso stimola il flusso di scambio termico tra la superficie radiante e il gas in combustione. La piastrella ceramica nervata si riscalda meglio, senza che il carico termico sull'elemento radiante aumenti.

Gli ugelli ceramici piani e nervati si riscaldano fino a 1473 K. Invece gli elementi ceramici porosi solo fino a 1237 K. La versione porosa è più semplice da produrre, quindi più economica. Inoltre, nella sua produzione vengono utilizzati gli scarti dell'industria ceramica.

L'utilizzo di ugelli ceramici con elemento termoradiante in rilievo consente di aumentare notevolmente la superficie che trasmette calore all'utente.

Lo spessore delle piastrelle porose raggiunge i 30 mm, aumentando notevolmente la resistenza dell'ugello alle sollecitazioni meccaniche. Durante il funzionamento del bruciatore con tale ugello, la miscela gas-aria uscita dalla camera di distribuzione brucia sulla superficie esterna della piastrella ceramica in uno strato fino a 2 mm.

La zona di combustione nell'ugello poroso si sposta dalla superficie esterna a una profondità fino a 3-5 mm. In questo caso la temperatura di riscaldamento raggiunge solo 1123 K.

Uno svantaggio degli ugelli porosi per i bruciatori a gas infrarossi è l'eccessiva resistenza idraulica, che impedisce l'utilizzo di gas di rete a bassa pressione.

Apparecchiature con reti metalliche

Tuttavia, tutti i tipi di ugelli elencati sono realizzati in ceramica, il che significa che, nonostante lo spessore e gli accorgimenti del produttore per aumentare la resistenza, rimangono comunque fragili. La fragilità è particolarmente problematica se l'apparecchio deve essere spostato frequentemente.

Pertanto, per il riscaldamento di aree durante lavori di costruzione o montaggio, è stato sviluppato un tipo di bruciatore più robusto, dotato di una doppia rete metallica. In tale apparecchio, la miscela gas-aria viene elaborata nello spazio tra l'ugello e le reti. La superficie della rete esterna si riscalda solo fino a 1023 K.

L'uso della rete metallica ha permesso di aumentare notevolmente la potenza termica dell'emettitore IR, nonché di proteggere l'ugello ceramico da eventuali danni.

Nei bruciatori a gas infrarossi con ugelli a rete, questi elementi sono realizzati in leghe resistenti al calore con cromo e nichel. Gli ugelli sono progettati in modo che la dimensione delle maglie della rete superiore permetta alla fiamma di passare liberamente, mentre quella inferiore sia minima, critica per il ritorno di fiamma. Qui gli emettitori di calore IR possono essere entrambe le reti o una sola.

Se il bruciatore a infrarossi utilizza gas di rete o una miscela liquefatta di propano-butano da una bombola di gas, nella diffusione dell'energia termica è coinvolta solo la griglia superiore. Se viene utilizzato gas a basso carico, il calore viene emesso da entrambe le griglie. In questo modo si aumenta la trasmissione del calore.

Tuttavia, il valore massimo del rendimento dei bruciatori a infrarossi a gas con griglie non supera il 60%, perché la resistenza idraulica degli ugelli è due volte maggiore rispetto a quella delle piastrelle ceramiche forate di tutti i tipi. È vero che è inferiore a quella degli ugelli porosi.

Dispositivi con maggiore potenza termica

L'efficienza piuttosto bassa degli emettitori di gas a infrarossi con piastre e griglie in ceramica ha spinto a cercare modi per aumentare la potenza termica. Il risultato è stato raggiunto introducendo un nuovo tipo di ugello, che consiste in un pannello ceramico con una serie di fessure.

In sezione, le fessure presentano un'espansione improvvisa, i loro fori di ingresso sono più piccoli di quelli di uscita. Questa soluzione aumenta l'efficienza del bruciatore grazie alla ricircolazione dei prodotti di combustione, cioè al loro ritorno alla base della fiamma all'interno del canale di fuoco. Inoltre, in questi modelli la fiamma è più stabile e si spegne molto meno spesso all'aria aperta.

Per aumentare la potenza termica vengono utilizzati vari accorgimenti, uno dei quali è lo spostamento dei fori delle fessure l'uno rispetto all'altro. Questa soluzione contribuisce anche alla protezione dall'azione del vento.

La sezione libera dei pannelli fessurati è in media del 55-60% della loro sezione totale reale. I bruciatori equipaggiati con essi funzionano a gas a media pressione. Il piano esterno dell'ugello si riscalda fino a 1723 K.

Emettitori resistenti al carico del vento

La stabilità di funzionamento sotto carico del vento è un parametro importante per la scelta di un bruciatore a gas a infrarossi impiegato in edilizia o nell'assemblaggio di impianti produttivi. Non tutti gli emettitori a infrarossi industriali che utilizzano gas possiedono questa qualità.

Per le aree aperte sono necessari dispositivi speciali che:

• si distinguono per un'iniezione stabile, non dipendente dalle raffiche di vento;
• sono dotati di un dispositivo che impedisce la deviazione del getto che esce dall'ugello;
• sono protetti dal raffreddamento attivo della superficie di irraggiamento, dovuto all'azione dei venti.

Nel libretto tecnico delle apparecchiature a gas in grado di riscaldare in caso di vento rafficato senza spegnersi, è indicata la resistenza al vento. Questa caratteristica nei bruciatori a infrarossi prodotti in serie è circa la stessa sia per l'impatto diretto, cioè frontale, del vento, sia per la ventilazione laterale.

La riduzione del coefficiente di iniezione provoca la comparsa di fiamme sulla superficie esterna del pannello radiante. La temperatura diminuisce bruscamente. È l'aria fredda che penetra nella zona di combustione a ridurla.

La resistenza al vento è fisicamente correlata al carico termico specifico e al volume d'aria che arriva all'ugello durante la combustione. Con un eccesso e un'alta velocità del flusso d'aria, l'efficienza dell'emettitore a infrarossi diminuisce. La riduzione è accompagnata dalla comparsa di lingue di fiamma, dall'oscuramento della superficie radiante e dall'interruzione del funzionamento dell'unità in modalità senza fiamma.

Panoramica dei produttori di riscaldatori IR

Gli apparecchi a gas per creare un microclima favorevole in cantieri, officine, stabilimenti produttivi e luoghi simili sono prodotti sia da aziende nazionali che da società straniere.

Secondo i consumatori, la classifica dei prodotti di fabbricazione russa è guidata dai bruciatori a gas del marchio Soljarogaz. Nella gamma presentata da questa azienda ci sono modelli progettati per riscaldare aree di diverse dimensioni. Le unità possono essere utilizzate in serre, garage e aree aperte.

Uno dei tipi più richiesti sul mercato nazionale e collaudati nella pratica di apparecchiature a gas a infrarossi è la gamma di bruciatori e piastre a gas dell'azienda Soljarogaz.

L'unico inconveniente che gli acquirenti e i reali possessori dei modelli di bruciatori e piastre a gas del produttore della capitale devono considerare è l'assenza di sensori dei sistemi di sicurezza. Pertanto, possono essere utilizzati in ambito domestico, ma osservando le misure di precauzione.

I prodotti dell'azienda Sledopyt non sono secondi in popolarità. Tuttavia, nella gamma commerciale offerta al cliente predominano i prodotti per uso domestico e le varianti da turismo.

Godono di una popolarità ben meritata i fornelli, utilizzati sia per il riscaldamento sia per la preparazione di piatti semplici, e i mini bruciatori da bomboletta.

Gli aerotermi a gas con il logo Aeroheat hanno ricevuto ottime valutazioni dai consumatori. Questa attrezzatura attrae per l'affidabilità, dovuta all'uso di componenti di alta qualità, e per il costo accessibile. I fornelli e i bruciatori a gas di Dixion e Sibiryachka si sono ben affermati.

L'elenco dei degni aerotermi a gas di fornitori esteri è guidato dai bruciatori e fornelli a gas dell'azienda sudcoreana Kovea. I prodotti del marchio sono attivamente utilizzati in piccole officine, in aree di lavori di verniciatura e costruzione, nelle escursioni e nella pesca.

I fornelli e i bruciatori a gas di Hyundai per qualità e specifiche tecniche non sono inferiori agli apparecchi dei produttori europei. Per alcuni aspetti li superano addirittura.

Per l'allestimento di officine si utilizzano più spesso aerotermi a gas dell'azienda italiana Sistema. I modelli della sudcoreana Hyundai, le stufe a gas italiane Bartolini, che possono essere utilizzate sia in casa che in ufficio, sono molto richieste. Per affidabilità e funzionamento stabile si distinguono le stufe svedesi Timberk e le attrezzature cinesi Ballu.

Conclusioni e video utili sull'argomento

L'autore del seguente video spiegherà nel dettaglio il principio di funzionamento e i vantaggi dei bruciatori a gas a infrarossi:

I dettagli sull'organizzazione del riscaldamento a infrarossi sono presentati nel seguente video:

Le fasi di installazione di un apparecchio di riscaldamento a gas di tipo a soffitto sono qui dimostrate:

In Russia vengono prodotti diversi tipi di bruciatori a infrarossi, tra cui modelli resistenti al vento. La gamma offerta dall'azienda consente di scegliere un apparecchio per il riscaldamento di aree aperte e chiuse.

È importante, prima dell'acquisto, stabilire per quale scopo e in quali condizioni l'attrezzatura verrà utilizzata, per poi scegliere un modello più performante o più robusto, che non teme spostamenti ripetuti.