Домашнє сонце
Вам коли-небудь доводилося грітися в сонячних променях, тоді як термометр показував температуру нижче за нуль? Якщо доводилося, то напевно у вас виникало бажання випробувати це незабутнє відчуття ще безліч разів.
Інфрачервоні обігрівачі, про яких піде мова, створюють такий же тепловий ефект, як сонце. Вони посилають теплові промені, що поглинаються поверхнями стенів, підлоги, предметів меблів, а ті, у свою чергу, віддають це тепло довколишньому повітрю.
Що таке інфрачервоний обігрів
Спершу нагадаємо деякі елементарні поняття. Будь-яке нагріте тіло віддає тепло предметам, що оточують його, трьома способами: за допомогою теплопровідності (теплообмін між двома тілами через поверхню розділу між ними), конвекцією (процес перенесення тепла шляхом нагріву рідини або газу, оточуючих нагріте тіло, а від них вже довколишніх предметів) і тепловим випромінюванням (електромагнітне випромінювання в інфрачервоному діапазоні довжини хвиль, що випускається тілом). Інфрачервоним обігрівачем в принципі можна рахувати будь-яке нагріте тіло, що віддає тепло в основному випромінюванням, тоді як останні способи передачі тепла від нього зведені до мінімуму.
Аби стало ще зрозуміліше, уявимо собі звичний радіатор опалювання. Якщо він встановлений на стіні, тепло від нього передається двома шляхами: конвекцією, тобто нагрівом оточуючого радіатор повітря (близько 80%), і випромінюванням (близько 20%). Якщо той же радіатор помістити під стелею, конвективна складова зведеться до мінімуму і залишиться в основному випромінювання, яке можна підсилити, встановивши за радіатором відбивач тепла. В результаті ми отримаємо прилад, який в принципі можна назвати інфрачервоним обігрівачем. Це зовсім не жарт , а сповна серйозна технічна ідея, реалізована, як ми побачимо надалі, в конструкції інфрачервоних обігрівачів, що працюють на гарячій воді.
Що таке інфрачервоні промені
Інфрачервоні промені – це електромагнітне випромінювання, що підкоряється законам оптики і, отже, що має ту ж природу, що і видиме світло. Ці промені займають спектральну область між червоним видимим світлом (довжина хвилі 0,74 мкм) і короткохвильовим радіовипромінюванням (1-2 мм). У свою чергу, інфрачервону область спектру умовно розділяють на короткохвильову (від 0,74 до 2,5 мкм), середньохвильову (2,5-50 мкм) і довгохвильову (50-1000 мкм) частини. ІЧ-промені виділяються всіма нагрітими твердими і рідкими тілами. При цьому довжина випромінюваної хвилі залежить від температури тіла – чим вона вища, тим коротша хвиля і вище інтенсивність інфрачервоного випромінювання.
Хочемо також нагадати, що при невисоких температурах випромінювання нагрітого твердого тіла майже цілком розташоване в інфрачервоної області, і таке тіло здається темним. При підвищенні температури випромінювані предметом хвилі зміщуються у видиму область спектру, і предмет спочатку здається темно-червоним, потім червоним, жовтим і, нарешті, при високих температурах – білим.
Для чого ми про це розповіли? Перш за все, аби читач зміг розібратися з плутаниною, що існує в термінології. Один виробник пише, що його обігрівачі інфрачервоні, другий – що довгохвильові, третій – що темні, четвертий – що світлі. Так от, всі ці прилади є інфрачервоними обігрівачами, але використовуються в них хвилі завдовжки приблизно від 1 до 20 мкм. Просто ті з них, які називають довгохвильовими, мають невисоку температуру випромінюючої поверхні і тому виділяють хвилі найбільш довгі з використовуваного діапазону. Їх же називають темними – при робочій температурі поверхні до 300°С обігрівачі не світяться. В “середньохвильових” приладів температура поверхні вища (до 600°С), і їх зазвичай називають сірими, а короткохвильові, з максимальною температурою (вище 800°С), – білими або світлими.
Властивості інфрачервоного випромінювання
Оптичні властивості речовин (прозорість, коефіцієнт віддзеркалення, коефіцієнт заломлення) в інфрачервоної області спектру, як правило, значно відрізняються від тих же властивостей в звичної для нас видимої області. Наприклад, шар води завтовшки в декілька сантиметрів непрозорий для інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі більше 1 мкм (у зв’язку з чим вода часто використовується як теплозахисний фільтр). А пластинки кремнію, непрозорі у видимої області, прозорі в інфрачервоній. У більшості металів відбивна здатність для інфрачервоного випромінювання значно більше, ніж для видимого світла, і зростає із збільшенням довжини хвилі інфрачервоного випромінювання. Скажімо, коефіцієнт віддзеркалення алюмінію, золота, срібла і міді при довжині хвилі близько 10 мкм досягає 98%. Матеріали, які прозорі для ІЧ-променів або володіють високою здатністю до їх віддзеркалення, використовуються при створенні інфрачервоних приладів. Перші – як “світлофільтри” (в основному кварц), другі, – як рефлектори, що дозволяють направити інфрачервоне випромінювання в певному напрямі, і випромінюючі поверхні (в основному алюміній).
Через повітря ІЧ-промені проходять майже безперешкодно. Тобто молекули азоту і кисень самі по собі інфрачервоного випромінювання не поглинають, а лише декілька ослабляють в результаті розсіяння. А ось пари води, вуглекислий газ, озон і інші домішки, що є в повітрі, селективно поглинають інфрачервоне випромінювання: пари води – майже у всій інфрачервоній області спектру, вуглекислий газ – в середній інфрачервоній області. Наявність в повітрі зважених часток – диму, пилу, дрібних крапель води – також наводить до ослаблення інфрачервоного випромінювання внаслідок його розсіювання на цих частках.
Принцип інфрачервоного опалення
Теплове випромінювання від інфрачервоного обігрівача, як ми з’ясували, не поглинається повітрям. Тому вся енергія від приладу майже без втрат досягає предметів і людей в зоні його дії. І гріє саме їх, а не повітря, як відбувається при використанні конвекторів. Іншими словами, тепло від інфрачервоного обігрівача передається, в першу чергу, твердим предметам (підлога, стіни, меблі і т. п.), а вже від них – повітрю. Природно, чим ближче до інфрачервоного обігрівача, тим щільніше потік тепла і вище температура предметів. Причому виділення тепла від інфрачервоного обігрівача відбувається лише в зоні його прямої дії, тобто обігрів носить локальний характер. Це і забезпечує інфрачервоному обігрівачу цілий ряд особливостей, частина з яких дуже корисна в споживчому плані.
По-перше, при використанні інфрачервоного опалення тепліше повітря практично не скупчується під стелею, що характерний, наприклад, для конвективного обігріву (в цьому випадку тепле повітря у високих приміщеннях доводиться навіть примусово повертати вниз, застосовуючи стельові вентилятори. Кажучи простіше, інфрачервоний обігрівач – це опалювальні прилади, які найкраще реалізують стару лікарську мудрість: “Тримай ноги в теплі, а голову в холоді”. Ця особливість роботи інфрачервоних обігрівачів робить їх практично незамінними при вирішенні завдань економного обігріву приміщень з високими стелями. Адже прогрівати великий об’єм технічно складно і тому дорого. Корисні такі випромінювачі і для ситуацій, коли опалювання вимагають лише певні зони, або ж коли створення конвективних потоків повітря, а значить, і потоків, що містять в собі пил небажано (для алергіків це важлива вимога).
По-друге, при використанні локального “догріву” за допомогою зон, в яких знаходяться люди, можна дозволити собі зниження температури, створюваної основною системою опалювання у всьому приміщенні, на декілька градусів. При цьому температура, що “відчувається”, залишиться незмінною, оскільки зниження загальної температури повітря компенсуватиметься інфрачервоною “добавкою”, яка поглинається безпосередньо людським тілом.
Таким чином, використання інфрачервоних обігрівачів призводить до зниження вжитку енергії і зменшення витрат на обігрів в порівнянні з традиційними способами його здійснення.
По-третє, інфрачервоні обігрівачі, що вмонтовуються під стелею або навіть вбудовувані в неї, не накладають жодних обмежень на розміщення меблів і устаткування.
По-четверте, за допомогою інфрачервоних обігрівачів можливо вирішувати специфічні завдання, з якими іншим способом просто не впораєшся. Це може бути, наприклад, захист від холоду, що віє від стекол високих скляних вітражів, куполів, вікон великої площі і тому подібних світлопрозорих конструкцій, оскільки їх теплозахисні властивості, як правило, вельми далекі від сучасних нормативів. Інфрачервоні обігрівачі, направлені на таку конструкцію, не лише створюють ефективний тепловий бар’єр для холоду, але й вирішують задачу очищення конструкцій від снігу і льоду. Причому очищення такої якості, на яку навряд чи здатні навіть “золоті” людські руки, – інфрачервоний обігрівач нагріває конструкцію, внаслідок чого сніг і лід просто розтають. До речі, так само вирішується і завдання очищення від снігу і льоду ганку, доріжки, до нього ведучої, і виїздів з гаражів, розташованих нижче рівню землі.
І ще дещо про виділення і поглинання ІЧ-променів.
Цього разу мова піде про людський організм. Всі нагріті тіла випромінюють інфрачервоні промені. Наприклад, Земля, прогріта сонцем, випромінює їх в смузі від 7 до 14 мкм з піком інтенсивності близько 10 мкм. І організм людини виключенням з цього правила не є – він випромінює ІЧ-промені в діапазоні від 3 до 50 мкм з піком в 9,6 мкм. Причому не лише випромінює, але й інтенсивно поглинає – при довжині хвилі 9,6 мкм вони найглибше проникають в тіло. Саме на цій властивості інфрачервоного випромінювання заснований ефект теплового лікування, широко використовуваного у фізіотерапевтичних кабінетах. Промені як з більшою, так і з меншою довжиною хвилі проникають в організм менш глибоко.