Temel IR Kanunları
iNFRARED ISI TRANSFERİNİN TEMEL YASALARI
infrared ısı transferinin bazı yasalarını aşağıda bulabilirsiniz. Zamanla bu bilgileri geliştirip daha fazlasını ekleyeceğiz, lütfen bizi takip edin. Bu bilgiler “Infrared Heating for Food and Agriculture Processing “ den alınmıştır.
İnfrared radyasyon resim 1.1 (modest , 1993) ‘de gösterildiği gibi güneşin ısıtma etkisi için sorumlu elektromanyetik spektrumun bir parçasıdır. İnfrared radyasyon üç farklı kategoride gruplanmaktadır ; yakın infrared (NIR/ Kısa dalga), orta infrared (MIR/ orta dalga), ve uzak infrared (FIR/uzun dalga) (Tablo 1.1; Sakai ve Hanzawa, 1994). İnfrared radyasyon bir elektromanyetik dalga olduğu için spektral ve yön bağımlılığı vardır. İnfrared ısıtmanın spektral bağımlılığı dikkate alınmalıdır. Çünkü infrared yansıtıcıdan çıkan enerji farkı dalga boylarından oluşmaktadır ve her gruptaki radyasyonun parçası yansıtıcı sıcaklığı, yansıtıcı yayma özelliği gibi bazı faktörlere bağlıdır.
Maksimum radyasyonda meydana gelen dalga boyu rezistans sıcaklığı ile belirlenir. Bu ilişki siyah cisim için Planck Yasası, Wien Yasası ve Stefan-Boltzmann Yasası gibi temel kanunlarla açıklanmıştır. (Sakai ve Hanzawa, 1994; Dangerskog ve Osterstrom, 1979).
Şekil 1.1, Elektromanyetik Dalga Spektrumu
Tablo 1.1 - İnfrared Radyasyon Sınıfları
Dalga Sınıfı
Spektral Aralık
Kısa Dalga (Yakın-infrared (NIR))
0.75 – 1.4μm
Orta Dalga (Orta-infrared (MIR))
1.4 - 3 μm
Uzun Dalga (Uzak-infrared (FIR))
3 - 10 μm
Kaynak: Sakai, N., and T. Hanzawa. 1994. Trends in Food Science and Technology 5: 357-362. İzinle alınmıştır.
PLANCK YASASI
Planck Yasası belirli bir sıcaklıkta %100 infrared radyasyon yayan siyah cismin spektral dağılımını ortaya koyar. İnfrared kaynaklar farklı sıcaklıklardaki kaynak noktalarının binlercesinden oluşur. Nokta kaynakları birleştirilerek, belirli bölgeler için tüm spektral dağılım elde edilebilir. Bu teori yayma değerini ve ortalama yüzey sıcaklığını kullanarak infrared radyasyonu karakterize etmek için ana hatlarıyla spektral dağılım yaklaşımını kullanır.
Max Planck Planck Yasası olarak bilinen spektral siyah cisim yayılan güç dağılımını, kırılma indisi n olan saydam bir ortamla sınırlanan siyah yüzey için raporladı.
Ebλ(T,λ)= (2πhc 2/0)/(n2λ5[e(hc0⁄nλkT)-1) (1.1)
K Boltzmann sabiti (1.3806 X-23J/10 K) ve n ise orta kırılma indeksidir. Tanım olarak emmenin kırılma indisi = 1 dir. λ dalga boyu, T kaynak sıcaklığı (K), c_0 ışık hızı (Km/s) ve h Planck sabiti (6.626 X 10-34J-s).
Şekil 1.2: Siyah cisim sıcaklığı için 1.1 bağlantısına bağlı olarak Planck eğrisini göstermektedir. Genel olarak sıcaklık artmasıyla birlikte maksimum yayılan güce karşılık gelen dalga boyu, kısa dalgalara karşı değişirken yayılan güç seviyesi de artar Dalga boyuyla ilgili belirli bir sıcaklıkta infrared yayma gücünün toplamı infrared bir bölge içinde Planck yasasının entegrasyonuyla tahmin edilebilir.
Isıtma rezistanslarının belirli yüzey sıcaklıkları bilindiğinde ısı akış miktarını tahmin etmek için Planck Yasası uygulanabilir. Enerji dengesi, İnfrared kaynaktan yayılan enerjinin miktarını değerlendirebilmek için, taşıma haznesiyle yönlendirilebilir. Dolayısıyla hedef malzeme tarafından absorbe edilen ısı akışının gerçek miktarı, toplam güç yayıcıyı ve kaynaktan hedefe görünen faktörleri hesaplayarak tahmin edebilir.
Wien yasası
Wien Yasası maksimum yayma gücüne ulaşan siyah cisim tarafından yayılan radyasyonun spektral dağılımında dalga boyunu verir.
[d/d(nλT)](E_bλ/n3λ5)=0 (1.2)
İstenilen spektral dağılım için gerekli olan infrared lambaların kaynak sıcaklıkları tahmin edilebilir. (Modest, 1993)
λmax=2898/T (1.3)
Buradaki T kaynak sıcaklığı ve λ_max en yüksek dalga boyudur. Eğer kaynak sıcaklık biliniyorsa, en yüksek dalga boyu denklem 1.3 ‘ten elde edilebilir. Şekil 1.2’deki noktalı çizgi (a) kaynak sıcaklığı ve en yüksek dalga boyu arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Örnek olarak, bilinmeyen yüzey sıcaklığı ile orijinal infrared kaynağın yayılan güç spektrumu ölçülebilir ve kaydedilebilir. Denklem 1.3’e ve çizime dayalı olarak, 2.92μm yüksek dalga boyu ve 7200C infrared kaynak sıcaklığı elde edilir.
Şekil 1.2 (a), Siyah cisim yansıtıcı güç spektrumu.
Şekil 1.2 (b), İnfrared ısıtma rezistanslarından ölçülen yansıtıcı güç spektrumu.
Stefan-Boltzmann yasası
Stefan-Boltzmann Yasası infrared kaynağından belirli bir sıcaklıkta yayılan toplam gücü verir. Bu yasa kullanılarak ısı akış miktarının tamamı tahmin edilebilir. Ancak Sakai ve Hanzawa’da verilen Planck Yasası kullanılarak tahmin edilen ısı akış miktarının spektral entegrasyonuyla tutarlı olmalıdır.
Buradaki C1 = 2πhc20= 3.7419 X10-16Wm2, C2 = hcolk=14,388μmK ve σ ise Stefan-Boltzmann sabitidir(5.670 X 10-8 W/m^2 K^4). Stefan-Boltzmann Yasası belirli bir kaynak sıcaklığındaki ısı akış miktarının tahmini için kullanılabilir.
RADYASYON TÜKETİMİ, İLETİM, EMME VE YANSIMA
Emme ve saçılma mekanizmaları elektromanyetik radyasyonun azalmasını açıklarlar. Radyasyon enerjisinin başka şekillere dönüşmesine emilim olayı denir, saçılma mekanizmaları radyant enerjinin yayılma yönünü değiştirir. Elektromanyetik radyasyon zayıflama mekanizmaları toplamına genellikle radyasyonun tükenmesi denir. (Sandu, 1986; Modest, 1993).
Söndürme malzemeleri parçalarda toplandığında ya da örnek yoğunluklarında değişiklikler meydana geldiğinde, Beer Yasası homojen olmayan sistemleri kullanmak için ayarlanabilir olmalıdır.
Hλ=Hλ0 exp(-σλ*u) (1.5)
Buradaki Hλ aktarılan spektral ışınım (W review(m2µm)), Hλ0 olay spektral ışınım (W review(m2µm)), u, kitle emici orta bölge birim (kg ölçü m2 ) ve σλ* spektral yok olma katsayısıdır.(m2/kg).
Beer Kanunu çözeltinin konsantrasyonu ve çözelti içinde ışık yolu uzunluğu ile emilen ışık miktarını belirtmektedir.
Homojen sistemler için spektral yok olma katsayısı, σλ* (m2/kg) ortama yayılan kimyasal bileşimin ve fizikokimyasal durumun karmaşık bir özelliğidir.
Işınım ısıtmada radyasyonun yok oluşuyla ilgili olarak fiziksel bir cisim ile enerji dengesi belirlenebilir. Bu cisimin verilen fizikokimyasal bileşim levhası olduğunu ve absorbe edilen enerjinin cisim içinde ısıya dönüşen toplam radyasyon olduğunu varsayarsak, tüm tükenme işlemleri yansıma, emme ve radyasyon iletimi açısından belirlenebilir.
Üç ana ışınım özellikleri vardır; yansıtma (ρ) , emicilik (α) ve geçirgenlik (τ). Bu koşullarda enerji dengesi bilinen bir ilişkiyi ortaya koyar;
ρ+α+τ= 1 (1.6)
Radyasyon tükenmesi kavramı çok önemlidir. Çünkü İnfrared ısı transfer modelleri penetrasyon derinliğinde gıda malzemelerine uygulanan yerel ısı akış miktarına göredir.
Şekil 1.3, Radyasyonun yok oluşu (emilim, iletim, ve yansıma).
Copyright (2011) From (Infrared Heating For Food and Agriculture Processing) by (Zhongli Pan and Griffiths Gregory Atungulu). Reproduced by permission of Taylor and Francis Group, LLC, a division of Informa plc.
iNFRARED ISI TRANSFERİNİN TEMEL YASALARI
infrared ısı transferinin bazı yasalarını aşağıda bulabilirsiniz. Zamanla bu bilgileri geliştirip daha fazlasını ekleyeceğiz, lütfen bizi takip edin. Bu bilgiler “Infrared Heating for Food and Agriculture Processing “ den alınmıştır.
İnfrared radyasyon resim 1.1 (modest , 1993) ‘de gösterildiği gibi güneşin ısıtma etkisi için sorumlu elektromanyetik spektrumun bir parçasıdır. İnfrared radyasyon üç farklı kategoride gruplanmaktadır ; yakın infrared (NIR/ Kısa dalga), orta infrared (MIR/ orta dalga), ve uzak infrared (FIR/uzun dalga) (Tablo 1.1; Sakai ve Hanzawa, 1994). İnfrared radyasyon bir elektromanyetik dalga olduğu için spektral ve yön bağımlılığı vardır. İnfrared ısıtmanın spektral bağımlılığı dikkate alınmalıdır. Çünkü infrared yansıtıcıdan çıkan enerji farkı dalga boylarından oluşmaktadır ve her gruptaki radyasyonun parçası yansıtıcı sıcaklığı, yansıtıcı yayma özelliği gibi bazı faktörlere bağlıdır.
Maksimum radyasyonda meydana gelen dalga boyu rezistans sıcaklığı ile belirlenir. Bu ilişki siyah cisim için Planck Yasası, Wien Yasası ve Stefan-Boltzmann Yasası gibi temel kanunlarla açıklanmıştır. (Sakai ve Hanzawa, 1994; Dangerskog ve Osterstrom, 1979).
Şekil 1.1, Elektromanyetik Dalga Spektrumu
|
Tablo 1.1 - İnfrared Radyasyon Sınıfları |
|
|
Dalga Sınıfı |
Spektral Aralık |
|
Kısa Dalga (Yakın-infrared (NIR)) |
0.75 – 1.4μm |
|
Orta Dalga (Orta-infrared (MIR)) |
1.4 - 3 μm |
|
Uzun Dalga (Uzak-infrared (FIR)) |
3 - 10 μm |
|
Kaynak: Sakai, N., and T. Hanzawa. 1994. Trends in Food Science and Technology 5: 357-362. İzinle alınmıştır. |
|
PLANCK YASASI
Planck Yasası belirli bir sıcaklıkta %100 infrared radyasyon yayan siyah cismin spektral dağılımını ortaya koyar. İnfrared kaynaklar farklı sıcaklıklardaki kaynak noktalarının binlercesinden oluşur. Nokta kaynakları birleştirilerek, belirli bölgeler için tüm spektral dağılım elde edilebilir. Bu teori yayma değerini ve ortalama yüzey sıcaklığını kullanarak infrared radyasyonu karakterize etmek için ana hatlarıyla spektral dağılım yaklaşımını kullanır.
Max Planck Planck Yasası olarak bilinen spektral siyah cisim yayılan güç dağılımını, kırılma indisi n olan saydam bir ortamla sınırlanan siyah yüzey için raporladı.
Ebλ(T,λ)= (2πhc 2/0)/(n2λ5[e(hc0⁄nλkT)-1) (1.1)
K Boltzmann sabiti (1.3806 X-23J/10 K) ve n ise orta kırılma indeksidir. Tanım olarak emmenin kırılma indisi = 1 dir. λ dalga boyu, T kaynak sıcaklığı (K), c_0 ışık hızı (Km/s) ve h Planck sabiti (6.626 X 10-34J-s).
Şekil 1.2: Siyah cisim sıcaklığı için 1.1 bağlantısına bağlı olarak Planck eğrisini göstermektedir. Genel olarak sıcaklık artmasıyla birlikte maksimum yayılan güce karşılık gelen dalga boyu, kısa dalgalara karşı değişirken yayılan güç seviyesi de artar Dalga boyuyla ilgili belirli bir sıcaklıkta infrared yayma gücünün toplamı infrared bir bölge içinde Planck yasasının entegrasyonuyla tahmin edilebilir.
Isıtma rezistanslarının belirli yüzey sıcaklıkları bilindiğinde ısı akış miktarını tahmin etmek için Planck Yasası uygulanabilir. Enerji dengesi, İnfrared kaynaktan yayılan enerjinin miktarını değerlendirebilmek için, taşıma haznesiyle yönlendirilebilir. Dolayısıyla hedef malzeme tarafından absorbe edilen ısı akışının gerçek miktarı, toplam güç yayıcıyı ve kaynaktan hedefe görünen faktörleri hesaplayarak tahmin edebilir.
Wien yasası
Wien Yasası maksimum yayma gücüne ulaşan siyah cisim tarafından yayılan radyasyonun spektral dağılımında dalga boyunu verir.
[d/d(nλT)](E_bλ/n3λ5)=0 (1.2)
İstenilen spektral dağılım için gerekli olan infrared lambaların kaynak sıcaklıkları tahmin edilebilir. (Modest, 1993)
λmax=2898/T (1.3)
Buradaki T kaynak sıcaklığı ve λ_max en yüksek dalga boyudur. Eğer kaynak sıcaklık biliniyorsa, en yüksek dalga boyu denklem 1.3 ‘ten elde edilebilir. Şekil 1.2’deki noktalı çizgi (a) kaynak sıcaklığı ve en yüksek dalga boyu arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Örnek olarak, bilinmeyen yüzey sıcaklığı ile orijinal infrared kaynağın yayılan güç spektrumu ölçülebilir ve kaydedilebilir. Denklem 1.3’e ve çizime dayalı olarak, 2.92μm yüksek dalga boyu ve 7200C infrared kaynak sıcaklığı elde edilir.
Şekil 1.2 (a), Siyah cisim yansıtıcı güç spektrumu.
Şekil 1.2 (b), İnfrared ısıtma rezistanslarından ölçülen yansıtıcı güç spektrumu.
Stefan-Boltzmann yasası
Stefan-Boltzmann Yasası infrared kaynağından belirli bir sıcaklıkta yayılan toplam gücü verir. Bu yasa kullanılarak ısı akış miktarının tamamı tahmin edilebilir. Ancak Sakai ve Hanzawa’da verilen Planck Yasası kullanılarak tahmin edilen ısı akış miktarının spektral entegrasyonuyla tutarlı olmalıdır.
Buradaki C1 = 2πhc20= 3.7419 X10-16Wm2, C2 = hcolk=14,388μmK ve σ ise Stefan-Boltzmann sabitidir(5.670 X 10-8 W/m^2 K^4). Stefan-Boltzmann Yasası belirli bir kaynak sıcaklığındaki ısı akış miktarının tahmini için kullanılabilir.
RADYASYON TÜKETİMİ, İLETİM, EMME VE YANSIMA
Emme ve saçılma mekanizmaları elektromanyetik radyasyonun azalmasını açıklarlar. Radyasyon enerjisinin başka şekillere dönüşmesine emilim olayı denir, saçılma mekanizmaları radyant enerjinin yayılma yönünü değiştirir. Elektromanyetik radyasyon zayıflama mekanizmaları toplamına genellikle radyasyonun tükenmesi denir. (Sandu, 1986; Modest, 1993).
Söndürme malzemeleri parçalarda toplandığında ya da örnek yoğunluklarında değişiklikler meydana geldiğinde, Beer Yasası homojen olmayan sistemleri kullanmak için ayarlanabilir olmalıdır.
Hλ=Hλ0 exp(-σλ*u) (1.5)
Buradaki Hλ aktarılan spektral ışınım (W review(m2µm)), Hλ0 olay spektral ışınım (W review(m2µm)), u, kitle emici orta bölge birim (kg ölçü m2 ) ve σλ* spektral yok olma katsayısıdır.(m2/kg).
Beer Kanunu çözeltinin konsantrasyonu ve çözelti içinde ışık yolu uzunluğu ile emilen ışık miktarını belirtmektedir.
Homojen sistemler için spektral yok olma katsayısı, σλ* (m2/kg) ortama yayılan kimyasal bileşimin ve fizikokimyasal durumun karmaşık bir özelliğidir.
Işınım ısıtmada radyasyonun yok oluşuyla ilgili olarak fiziksel bir cisim ile enerji dengesi belirlenebilir. Bu cisimin verilen fizikokimyasal bileşim levhası olduğunu ve absorbe edilen enerjinin cisim içinde ısıya dönüşen toplam radyasyon olduğunu varsayarsak, tüm tükenme işlemleri yansıma, emme ve radyasyon iletimi açısından belirlenebilir.
Üç ana ışınım özellikleri vardır; yansıtma (ρ) , emicilik (α) ve geçirgenlik (τ). Bu koşullarda enerji dengesi bilinen bir ilişkiyi ortaya koyar;
ρ+α+τ= 1 (1.6)
Radyasyon tükenmesi kavramı çok önemlidir. Çünkü İnfrared ısı transfer modelleri penetrasyon derinliğinde gıda malzemelerine uygulanan yerel ısı akış miktarına göredir.
Şekil 1.3, Radyasyonun yok oluşu (emilim, iletim, ve yansıma).
Copyright (2011) From (Infrared Heating For Food and Agriculture Processing) by (Zhongli Pan and Griffiths Gregory Atungulu). Reproduced by permission of Taylor and Francis Group, LLC, a division of Informa plc.
