سخان الأشعة تحت الحمراء

ظهرت عناصر التسخين السلكية المعدنية لأول مرة في عشرينيات القرن العشرين. تتكون هذه العناصر من سلك مصنوع من الكروميل، وهو مركب من النيكل والكروم ، ويُعرف أيضاً باسم النيكروم . يُلف هذا السلك بشكل حلزوني حول جسم خزفي. عند تسخينه إلى درجات حرارة عالية، يُشكّل طبقة واقية من أكسيد الكروم تحمي السلك من الاحتراق والتآكل، مما يؤدي إلى توهج العنصر. ^{[ 5 ]}

المصباح الحراري هو مصباح متوهج يُستخدم أساسًا لتوليد الحرارة. ويمكن تغيير طيف إشعاع الجسم الأسود المنبعث من المصباح لإنتاج ضوء الأشعة تحت الحمراء ذي طول موجي أطول عن طريق خفض درجة حرارة الفتيل. ^{[ 6 ]}

مع ذلك، تُصنع العديد من مصابيح التسخين الشائعة للأشعة تحت الحمراء القريبة (قصيرة الموجة) على شكل مصابيح كاشفة من الزجاج وعاكس داخلي، وتستخدم فتيلًا بدرجة حرارة تقارب 2000 كلفن ومرشحًا أحمر لتقليل كمية الضوء المرئي المنبعث. غالبًا ما تُعبأ مصابيح التسخين هذه، التي تبلغ قدرتها 250 واط، في عبوات من نوع "R40" (مصباح عاكس 5 بوصات) بقاعدة لولبية متوسطة.

تُستخدم مصابيح التدفئة عادةً في مناطق تحضير الطعام بالمطاعم للحفاظ على دفء الطعام قبل تقديمه، وكذلك في تربية الحيوانات . تُسمى المصابيح المستخدمة للدواجن بمصابيح الحضانة. إلى جانب صغار الطيور، تشمل أنواع الحيوانات الأخرى التي يمكن أن تستفيد من مصابيح التدفئة الزواحف والبرمائيات والحشرات والعناكب وصغار بعض الثدييات . يمكن استخدام المصابيح المتوهجة البيضاء المنزلية العادية كمصابيح تدفئة، كما استغلتها شركة هيتبول للتحايل على قرار التخلص التدريجي من المصابيح المتوهجة ، ولكن هذه المصابيح شديدة السطوع ما لم يتم تخفيض الجهد الكهربائي لها أو ترشيحها ، وتُباع مصابيح خاصة مزودة بمرشحات ألوان للاستخدام الحيواني.

يمكن استخدام مصابيح الحرارة كعلاج طبي لتوفير الحرارة الجافة عندما تكون العلاجات الأخرى غير فعالة أو غير عملية. ^{[ 7 ]}

تُستخدم عناصر التسخين بالأشعة تحت الحمراء الخزفية في مجموعة متنوعة من العمليات الصناعية التي تتطلب إشعاعًا بالأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة. ويتراوح نطاق الطول الموجي الفعال لها بين 2 و10  ميكرومتر. كما تُستخدم بكثرة في مجال الرعاية الصحية للحيوانات الأليفة. تُصنع سخانات الأشعة تحت الحمراء الخزفية (الباعثات) بثلاثة أوجه أساسية للباعث: مقعر، ومسطح، وعنصر لولبي (مثل المصباح) للتركيب العادي باستخدام حامل مصباح خزفي E27.

تُستخدم الأشعة تحت الحمراء البعيدة أحيانًا لتوليد الحرارة في غرف الساونا وأجهزة التدفئة الموفرة للطاقة . وهي عادةً عبارة عن ألواح مسطحة كبيرة نسبيًا تُثبّت على الجدران أو الأسقف ^{[ 8 ]} أو تُدمج في الأرضيات. ^{[ 9 ]} تُصدر هذه الأجهزة إشعاعًا تحت أحمر طويل الموجة باستخدام مُشعّات سيراميكية منخفضة الكثافة تعتمد على تقنية ألياف الكربون. وتستخدم التصاميم الأكثر كفاءة بلورات الكربون، وهي مزيج من ألياف الكربون، مُدمجة بتقنية النانو، لتحويل الكربون إلى شكل نانوي. ^{[ 10 ]} ولأن عناصر التسخين تعمل عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا، فإن أجهزة التدفئة بالأشعة تحت الحمراء البعيدة لا تُصدر انبعاثات أو روائح من الغبار أو الأوساخ أو الفورمالديهايد أو الأبخرة السامة من طلاء الدهانات، وما إلى ذلك. ^{[ 11 ]} وقد جعل هذا النوع من التدفئة شائعًا جدًا بين الأشخاص الذين يعانون من حساسية شديدة وحساسية كيميائية متعددة في أوروبا. ^{[ 12 ]} ولأن تقنية الأشعة تحت الحمراء البعيدة لا تُسخّن هواء الغرفة مباشرةً، فمن المهم زيادة تعريض الأسطح المتاحة التي تُعيد إشعاع الحرارة لتوفير دفء مُتجانس في جميع أنحاء الغرفة. يُعرف هذا باسم التدفئة الإشعاعية. ^{[ 13 ]}

مصابيح الهالوجين هي مصابيح متوهجة مملوءة بغاز خامل مضغوط للغاية ممزوج بكمية صغيرة من غاز الهالوجين ( البروم أو اليود )؛ مما يطيل عمر الفتيل (انظر المرجع). وهذا ما يجعل عمر مصابيح الهالوجين أطول بكثير من عمر المصابيح المتوهجة الأخرى. ونظرًا للضغط العالي ودرجة الحرارة المرتفعة التي تنتجها مصابيح الهالوجين، فهي صغيرة الحجم نسبيًا ومصنوعة من زجاج الكوارتز نظرًا لارتفاع درجة انصهاره مقارنةً بالزجاج العادي. ومن الاستخدامات الشائعة لمصابيح الهالوجين استخدامها كسخانات مكتبية. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

تُصدر عناصر التسخين بالأشعة تحت الحمراء المصنوعة من الكوارتز ^{[ 16 ]} طاقة الأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة، وهي فعّالة بشكل خاص في الأنظمة التي تتطلب استجابة تسخين سريعة. تُنتج مصابيح الأشعة تحت الحمراء الأنبوبية داخل مصابيح الكوارتز إشعاعًا بالأشعة تحت الحمراء بأطوال موجية تتراوح بين 1.5 و 8  ميكرومتر. يعمل الفتيل المغلق عند درجة حرارة تقارب 2500 كلفن (2230 درجة مئوية؛ 4040 درجة فهرنهايت) ، مما يُنتج إشعاعًا بأطوال موجية أقصر من مصادر الملفات السلكية المفتوحة. طُوّرت هذه المصابيح في خمسينيات القرن الماضي في شركة جنرال إلكتريك ، وتُنتج حوالي 100 واط لكل بوصة (4 واط/مم) ، ويمكن دمجها لتُشعّ 500 واط لكل قدم مربع (5400 واط/م² ⁾ . ولتحقيق كثافة طاقة أعلى، استُخدمت مصابيح الهالوجين . تُستخدم مصابيح الأشعة تحت الحمراء المصنوعة من الكوارتز في عاكسات مصقولة للغاية لتوجيه الإشعاع بنمط موحد ومركز.     

تُستخدم مصابيح الكوارتز الحرارية في معالجة الأغذية، والمعالجة الكيميائية، وتجفيف الدهانات، وإذابة المواد المجمدة. كما يمكن استخدامها للتدفئة في المناطق الباردة، وفي الحاضنات، وفي تطبيقات أخرى للتدفئة والتجفيف والخبز. خلال تطوير مركبات العودة إلى الغلاف الجوي، استُخدمت مجموعات من مصابيح الكوارتز بالأشعة تحت الحمراء لاختبار مواد الحماية الحرارية بكثافات طاقة تصل إلى 28 كيلوواط/قدم ^مربع (300 كيلوواط/متر مربع ⁾ . [ ^{17 ] في} عام 2000، أطلقت شركة جنرال إلكتريك أول مصباح كوارتز مقاوم للماء بالتعاون مع شركة تانسون البريطانية المتخصصة في تصنيع أنظمة التدفئة بالأشعة تحت الحمراء. ^{[ 18 ]}  

تتكون معظم التصاميم الشائعة إما من أنبوب زجاجي كوارتزي أبيض حليبي لامع أو كوارتز شفاف مع عنصر مقاوم للكهرباء، عادةً ما يكون سلكًا من التنجستن ، أو ملف رفيع من سبيكة الحديد والكروم والألومنيوم. يُفرغ الهواء الجوي ويُملأ الأنبوب بغازات خاملة مثل النيتروجين والأرجون ثم يُغلق بإحكام. في مصابيح الهالوجين الكوارتزية، تُضاف كمية صغيرة من غاز الهالوجين لإطالة عمر تشغيل السخان.

تنتقل غالبية الطاقة الإشعاعية المنبعثة عند درجات حرارة التشغيل عبر أنبوب الكوارتز الرقيق، لكن جزءًا من هذه الطاقة يمتصه أنبوب زجاج الكوارتز السيليكا، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة جدار الأنبوب، وهذا بدوره يتسبب في إشعاع رابطة السيليكون والأكسجين لأشعة تحت الحمراء البعيدة. صُممت عناصر التسخين المصنوعة من زجاج الكوارتز في الأصل لتطبيقات الإضاءة، ولكن عندما يكون المصباح بكامل طاقته، فإن أقل من 5% من الطاقة المنبعثة تقع ضمن الطيف المرئي. ^{[ 19 ]}

تُصدر سخانات الأشعة تحت الحمراء المصنوعة من الكوارتز والتنغستن طاقة موجية متوسطة تصل إلى درجات حرارة تشغيل تصل إلى 1500 درجة مئوية (2730 درجة فهرنهايت) (موجة متوسطة) و 2600 درجة مئوية (4710 درجة فهرنهايت) (موجة قصيرة). وتصل إلى درجة حرارة التشغيل في غضون ثوانٍ. ويبلغ طول الموجة القصوى المنبعثة حوالي 1.6 ميكرومتر (أشعة تحت حمراء متوسطة الموجة) و1 ميكرومتر (أشعة تحت حمراء قصيرة الموجة).      

تستخدم سخانات الكربون عنصر تسخين من ألياف الكربون قادر على إنتاج حرارة الأشعة تحت الحمراء البعيدة ذات الموجات الطويلة والمتوسطة والقصيرة . ويجب تحديد مواصفاتها بدقة لتناسب المساحات المراد تدفئتها. ^{[ 20 ]}

توجد عدة أنواع أساسية من أجهزة التسخين الإشعاعي بالأشعة تحت الحمراء.

• مضيء أو عالي الكثافة
• سخانات الأنابيب المشعة
• سخانات تحفيزية

تستخدم سخانات الغاز الأنبوبية المشعة، المُخصصة لتدفئة المباني الصناعية والتجارية، الغاز الطبيعي أو البروبان لتسخين أنبوب فولاذي باعث للحرارة. يمر الغاز عبر صمام تحكم ، ثم يتدفق عبر موقد كوبي أو أنبوب فنتوري . تعمل غازات الاحتراق الناتجة على تسخين الأنبوب الباعث للحرارة. ومع ارتفاع درجة حرارة الأنبوب، تنعكس الطاقة الإشعاعية منه على الأشخاص والأرضيات والأشياء الأخرى في المنطقة، مما يؤدي إلى تدفئتها. إذا كان الموقد محميًا، فإن السخان يكون مقاومًا للتيارات الهوائية.

تستخدم السخانات التحفيزية محفزًا مثل البلاتين لأكسدة الوقود عند درجات حرارة تتراوح بين 300 و550 درجة مئوية. ولأن هذه الدرجة أقل من درجة حرارة اشتعال معظم أنواع الوقود، يجب تسخين المحفز بواسطة لهب تجريبي أو كهربائيًا لبدء التفاعل.

تستخدم سخانات الأشعة تحت الحمراء التي تعمل بالديزل والكيروسين موقد زيت يعمل بتقنية التذرية بالضغط لحرق الوقود السائل، مما يؤدي إلى تسخين باعث إشعاعي فولاذي أو أنبوب مبادل حراري إلى درجات حرارة تسمح بانبعاث الأشعة تحت الحمراء. يتم تذرية الوقود تحت ضغط (عادةً من 0.5 إلى 1.2 ميجا باسكال) إلى رذاذ دقيق يشتعل داخل غرفة الاحتراق.

تقوم غازات الاحتراق الساخنة بنقل الطاقة إلى سطح الباعث، والذي يشع بعد ذلك طاقة الأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة (حوالي 2-5 ميكرومتر) باتجاه المنطقة المستهدفة.

تُعدّ هذه السخانات مناسبة بشكل خاص للتطبيقات الصناعية والإنشائية التي لا تتوفر فيها شبكات الغاز الطبيعي، كما أن إمدادات البروبان غير عملية. وتشمل سياقات الاستخدام الشائعة: مواقع البناء المؤقتة، والمباني الزراعية، وحظائر الطائرات، والعمليات العسكرية الميدانية، والمستودعات النائية.

تُستخدم الوحدات المحمولة على نطاق واسع في المناطق التي تكون فيها البنية التحتية لوقود الديزل أكثر سهولة في الوصول إليها من مصادر الطاقة الأخرى.

نظراً لأن احتراق الهيدروكربونات السائلة ينتج ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء وآثار منتجات الاحتراق الثانوية، فإن سخانات الأشعة تحت الحمراء التي تعمل بالديزل/الكيروسين تتطلب تهوية كافية أو تهوية غازات الاحتراق، وهي غير مناسبة للتشغيل بدون تهوية في الأماكن المغلقة المشغولة بدون تبادل هواء مناسب.

تتأثر كفاءة استهلاك الوقود والناتج الإشعاعي بشدة بزاوية رش الفوهة ومعدل التدفق ونسبة الهواء إلى الوقود وانبعاثية وهندسة السطح المشع.

كان الكيروسين (زيت الوقود رقم 1) يُفضّل تاريخيًا على الديزل (زيت الوقود رقم 2) في التطبيقات المغلقة أو شبه الدائمة، وذلك أساسًا بسبب الرائحة الكبريتية المصاحبة لوقود التقطير عالي الكبريت. مع ذلك، ومع اعتماد ديزل منخفض الكبريت للغاية (ULSD، ≤15 جزءًا في المليون من الكبريت) إلزاميًا في معظم أنحاء الولايات المتحدة والعديد من المناطق الأخرى، ^{[ 21 ]} لم تعد انبعاثات أكاسيد الكبريت والرائحة المصاحبة لها تشكل مصدر قلق تشغيلي كبير في أسواق الوقود المتوافقة مع المعايير.

في التطبيقات المعاصرة، يُعدّ التشغيل في درجات الحرارة المنخفضة الاعتبار الرئيسي لاختيار نوع الوقود. يُصبح ديزل رقم 2 عرضةً لتكوّن بلورات الشمع عند اقتراب درجات الحرارة من نقطة تعكّره (عادةً من -7 إلى -12 درجة مئوية للديزل رقم 2 القياسي)، ^{[ 22 ]} مما قد يُعيق تدفق الوقود عبر المرشحات وفتحات الفوهات. في التطبيقات التي تتطلب تشغيلًا في الطقس البارد، يُوصى باستخدام ديزل الشتاء - وهو مزيج يحتوي على نسبة عالية من زيت الوقود رقم 1 - لخفض نقطة التعكّر وضمان تذرية واشتعال موثوقين في درجات الحرارة المحيطة المنخفضة. ^[2] تحمل بعض السخانات المحمولة وسخانات مواقع البناء تصنيفات من الشركة المصنّعة لكلا النوعين، مع اختلاف نسبة المزج الموصى بها وفقًا لأدنى درجة حرارة تشغيل متوقعة.

كفاءة سخان الأشعة تحت الحمراء هي نسبة إجمالي الطاقة التي يستهلكها السخان إلى كمية طاقة الأشعة تحت الحمراء التي ينتجها. مع أن عملية التسخين ستؤدي دائمًا إلى توليد قدر من الحرارة بالحمل الحراري، إلا أن أي حركة للهواء عبر السخان ستُقلل من كفاءة تحويله للأشعة تحت الحمراء. مع العواكس الجديدة غير المتآكلة، تصل كفاءة الإشعاع الهابط في الأنابيب المشعة إلى حوالي 60%. (أما النسبة المتبقية البالغة 40% فتشمل فقدان الحرارة غير القابل للاسترداد بالإشعاع الصاعد والحمل الحراري، بالإضافة إلى فقدان الحرارة عبر المدخنة).