Infraroodverwarming

Hoe werkt infraroodverwarming?

Bij infrarood verwarming worden producten verwarmd door ze te bestralen met infrarood licht. Dit licht wordt uitgestraald door een infraroodlamp of een infrarood buis. De straling wordt gericht op het te verwarmen product dat een deel van de stralingsenergie absorbeert en omzet in warmte. Bij infrarood verwarming wordt voornamelijk gebruikt gemaakt van straling om warmte over te brengen. Een klein deel van de energie wordt via convectie en geleiding overgebracht. Deze vorm van energieoverdracht via straling ondervinden we dagelijks aan den lijve; de energie van de zon wordt ook via straling aan ons overgedragen. Omdat de frequentie van de straling hoog is dringt de energie niet ver in het product door. Infrarood is vooral geschikt voor oppervlakteverwarming.


Straling

Elk lichaam met een bepaalde temperatuur straalt energie uit. Deze energie wordt grotendeels uitgestraald in het infrarood gebied van het frequentiespectrum. Het licht van een infraroodlamp wordt ook uitgestraald in het infrarode frequentiegebied ofwel bij infrarood golflengtes (1 tot 10 micrometer).

Uit de figuur blijkt dat de stralingsintensiteit van een infrarood lamp afhangt van de temperatuur van de straler. De golflengte van de uitgezonden straling, is ook afhankelijk van de stralertemperatuur. Naarmate deze toeneemt neemt de golflengte, waarbij het uitgestraalde vermogen maximaal is, af. Bij hogere temperaturen wordt de energie meer en meer uitgestraald in het golflengte gebied van het zichtbare licht. Bij zeer hoge stralertemperaturen (boven de 3000 K), bijvoorbeeld bij licht afkomstig van de zon, wordt een deel van de stralingsenergie ook afgegeven in het ultraviolet.

In het plaatje is A de geabsorbeerde warmte, D is de doorgelaten energie en R de gereflecteerde energie. De mate waarin een product reflecteert, absorbeert of doorlaat is van verschillende factoren afhankelijk. De meest gunstige situatie bij stralingsverwarming is de situatie waarbij het product alles absorbeert. Het reflecteert niets (R = 0) en laat ook niets door ( D = 0 ). Een dergelijk lichaam wordt een ideaal zwart lichaam genoemd. Een lichaam wordt wit genoemd wanneer alle energie wordt gereflecteerd ( A = D = 0). In praktijk zal een lichaam noch zwart noch wit zijn maar iets er tussen in ('grijs'). Een lichaam wordt transparant voor de straling genoemd als het alle energie doorlaat ( A = R = 0).

Infrarood verwarming kan alleen goed worden toegepast op producten die de straling goed absorberen. Papier, tegels, aardewerk, gietijzer, PVC en water absorberen infrarood over het algemeen goed. Aluminium reflecteert bijna alles en absorbeert daardoor bijna niets; aluminium fungeert bijna als een spiegel.

Infrarood verwarming wordt ingedeeld naar de golflengte van het uitgestraalde licht. In praktijk liggen de gebruikte golflengtes van infrarood stralers tussen 0,76 μm en 10 μm. Het gebied tussen 0,76 en 10 μm wordt in drie gebieden onderscheiden;

  • kortgolvig infrarood; golflengte tussen 0,76 en 2 μm
  • middengolvig infrarood; golflengte tussen 2 en 4 μm
  • langgolvig infrarood; golflengte tussen 4 en 10 μm

Bij 0,76 μm wordt de straling voor een groot deel zichtbaar als rood licht, een dergelijke straler heeft een temperatuur van ongeveer 3500 oC.


Installatie

De basis van een infrarood installatie wordt gevormd door een stralerelement. Elk golflengtegebied kent zijn eigen kenmerkende type stralerelement.

De figuur geeft enkele uitvoeringsvormen van stralers voor de verschillende golflengtegebieden. De keramische stralers worden in de huishoudelijke omgeving veel in badkamers gebruikt, de kortgolvige infrarood lamp als warmtelamp om bijvoorbeeld spieren te verwarmen.

Kortgolvige kwartsbuisstralers hebben stralingstemperaturen die liggen boven de 1800 oC. Kortgolvige stralers geven binnen een seconde na aanzetten hun volle vermogen. Dit maakt aan-uit-regelingen mogelijk.

Middengolvige stralers hebben stralingstemperaturen die liggen tussen de 800 en 1800 oC. Het frequentiespectrum is gunstig voor vochtige en organische materialen. Het duurt iets langer dan bij de kortgolvige straler voordat de straler op temperatuur is.

Langgolvige stralers hebben stralingstemperaturen die liggen tussen de 60 en 750 oC. De stralingsbron bestaat uit een materiaal van glas of keramiek, waarin een weerstandselement is aangebracht. Het duurt enkele minuten voordat de straler op temperatuur is.

Vooral middengolvige en kortgolvige stralers worden ingebouwd in panelen. Om de stralingsenergie zoveel mogelijk op het product te richten worden reflectoren gebruikt. Met reflectoren kan de straling geconcentreerd worden op een klein deel van het product of wat meer worden gespreid over een groter oppervlak van het product. Elementen of panelen met reflectoren kunnen alleenstaand worden toegepast, bijvoorbeeld voor het plaatselijk uitharden van lak. De lampen, stralers en panelen kunnen ook worden toegepast in ovens. Het voordeel van een oven is dat gereflecteerde straling in de oven blijft en het proces beter is te controleren. In geval van drogen kan de oven worden belucht om dampen te verwijderen.


Voor- en nadelen

Voor- en nadelen van infraroodverwarming
Voordelen Nadelen
korte procestijden door de hoge vermogensdichtheden energiekosten gelijk of iets hoger dan bij convectieovens
gering ruimtebeslag installatie onderhoudskosten iets hoger of gelijk aan convectieovens
groot regelbereik  
kortgolvig infrarood kan snel in en uitgeschakeld worden  
geen stilstandsverliezen  
een optimaal temperatuurprofiel kan worden ingesteld  
goede werkomstandigheden door lage thermische belasting naar de omgeving  
plaatselijke verwarming mogelijk  
goede regelbaarheid  
gemakkelijk te automatiseren  
geen rookgassen  
infrarood installaties zijn relatief goedkoop  


Toepassingen

Infrarood-verwarming wordt in een grote verscheidenheid van industriesectoren toegepast. Vooral in de automobielsector (drogen van spuitwerk, vooral na plaatwerkreparaties), in de voedingsmiddelen- en papierindustrie en in drukkerijen.

Toepassingen van infraroodverwarming
Industriesector Processen met infraroodverwarming
Voedingsmiddelen industrie bakken koekjes, drogen beschuit, roosteren vlees, pasteuriseren en steriliseren van melk en vruchtensap
Metaalindustrie drogen van verf, lak, vernis en glazuur, voorverwarmen van metalen delen, solderen, voorverwarmen voor lassen
Glasdustrie voorverwarmen van glas, steriliseren van medicijnflessen, drogen van glazuur en coating op glas
Kunststofindustrie voorverwarmen voor vacuümvormen, drogen van korrels, voorverwarmen voor het plooien van buizen, polymerisatie van plastificeermiddel, verwarmen van krimpfolie
Textielindustrie drogen van geverfd textiel, drogen van lijm op stof, polymerisatie van harsen, drogen van drukinkt, thermofixatie van latexschuim op de rugzijde van tapijten
Papierindustrie drogen van papier, drogen of harden van lak, drogen van lak op waterbasis, polymerisatie van de toegevoegde producten
Grafische industrie drogen of harden van inkt, drogen van behang papier, verwarmen van inkt, drogen of harden van plaklagen


Voorbeelden toepassingen

Infraroodinstallatie voor het drogen van lak

In de automobielsector wordt infrarood drogen van lak, plamuur, vullers en grondlagen toegepast na bewerken en spuiten van auto's. Infrarood wordt toegepast in spuitcabines waarin de gespoten carrosserie van alle kanten door infraroodpanelen kan worden gedroogd. De foto toont een cabine voor het drogen van watergedragen lak op auto carrosserieën (met dank aan Heraeus-Noblelight Duitsland). Over het algemeen wordt kortgolvig of middengolvig infrarood toegepast. De droogtijd van lak loopt tot 15 minuten voor het drogen van een hele carrosserie in spuitcabines.

Voor het zeer plaatselijk uitharden van plaatwerk, bijvoorbeeld na reparatie van blikschade, worden ook stralerpanelen op statief (staand op de vloer of hangend aan het plafond) of handstraalpanelen toegepast. De foto geeft een beeld van een statiefstraler voor het drogen van autolak na schadeherstel (met dank aan Glasurit, Maarssen). Over het algemeen wordt kortgolvig of middengolvig infrarood toegepast. Het vermogen van de infraroodinstallatie kan variëren van 800 tot 1.500 Watt voor handstralers tot 2.000 tot 12.000 Watt voor statiefstralers. De droogtijd van lak en plamuur varieert van 4 tot 10 minuten bij deelreparaties.

Een voorbeeld van toepassen van infrarood uit de kunststofindustrie. Deze foto geeft een beeld van een installatie voor het drogen van watergedragen lijm op latex matrassen. In deze situatie wordt kortgolvig infrarood toegepast (met dank aan Jac. de Vries Infraroodtechniek BV, Middenbeemster).