Was ist Infrarotstrahlung?

Als Infrarotstrahlung (kurz IR-Strahlung) bezeichnet man elektromagnetische Wellen im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und den Mikrowellen (780 nm und 1 mm). Als natürliche Infrarot-Strahlungsquellen gelten beispielsweise die Sonne und das Feuer. Der infrarote Anteil der Sonnenstrahlung, welche den Erdboden erreicht, beträgt knapp 50 %. Infrarotstrahlung erzeugt eine angenehme Wärme, wie man sie von der Sonne oder dem Feuer kennt.

Einteilung der Infrarotstrahlung

Strahlung wird im Allgemeinen nach der Wellenlänge unterschieden (z. B.: Gamma-Strahlung < Röntgenstrahlung < Ultraviolettstrahlung (kurz: UV) < Infrarotstrahlung (kurz: IR) < Mikrowellenstrahlung). In vielen thermischen Prozessen kommen IR-Strahler zum Einsatz. Diese werden nach DIN 5031 in verschiedene spektrale Bereiche eingeteilt:

BenennungKurzzeichenWellenlänge in μmTemperatur nach Wien
nahes InfrarotNIR0,78...1,4über 3700 K
mittleres InfrarotMIR1,4...3,0über 3700 K
fernes InfrarotFIR3...50
50...1000
1000...60 K
bis 3 K

Unser spezielles Infrarot STIR® übernimmt dabei den Bereich zwischen 2-10 µm.

Hier finden Sie weitere Informationen zur STIR®-Technologie.

Anwendung von Infrarotstrahlung

Infrarot findet Anwendung in den verschiedensten Bereichen:

IR-Strahler Typen und die Optimierung der Infrarotstrahlung in der Anwendung

Für eine effiziente Nutzung von Infrarot in Wärmeprozessen ist es erforderlich den richtigen IR-Strahler auszuwählen. Die Auswahl des Wellenlängenbereiches hat einen entscheidenden Einfluss auf die Tiefenwirkung im Prozess.

Kurzwellige IR-Strahlen dringen bis zu 5 mm tief in Materialien ein. Dünne Werkstoffe werden dadurch vollständig durchwärmt. Auch dickschichtige Werkstoffe > 5 mm sind bis zur genannten Eindringtiefe der Strahlung bearbeitbar. Eine komplette Durchwärmung ist nicht immer erforderlich.

Mittel- und langwellige IR-Strahlung hingegen besitzt geringere Eindringtiefen. Sie wird schon an oberflächennahen Bereichen bis zu einer Tiefe von 0,3 bis 2 mm des Materials absorbiert. (Absorption bezeichnet die Aufnahme der IR-Strahlung durch das zu erwärmende Medium und dessen Umwandlung in Wärme.)

Mittelwellige Strahlung wird besonders gut von Wasser absorbiert. Sie eignet sich daher beispielsweise besonders gut zur Trocknung von Wasserlacken, für die Kunststoffverarbeitung oder auch für andere Erwärmungs- und Trocknungsprozesse. Im Lebensmittel-Bereich wird sie beim Backen sowie der Trocknung und Abtrocknung von Lebensmitteln eingesetzt.

Je nach Anwendungsfall wird der optimale Strahlertyp bestimmt und ausgewählt. Dabei wird das Absorptionsspektrum des Gutes einbezogen. Die Strahler und deren Leistung werden den Anforderungen angepasst. Weiterhin kann eine Regelung der Temperatur der Strahler oder des Gutes geschehen. Dabei gilt: mit steigender Temperatur verschiebt sich das Maximum der Strahlung zu niedrigeren Wellenlängen.

Keramikstrahler

Bei keramischen Infrarotstrahlern ist ein Widerstands-Heizleiter in ein keramisches Material vollständig eingebettet. Dadurch wird die vom Heizleiter erzeugte Energie gleichmäßig auf das ihn umgebende keramische Material übertragen. Die verwendete Keramik ist ein elektrischer Isolator und verfügt über gute Emissionseigenschaften im gewünschten Wellenlängenbereich. Keramikstrahler emittieren im mittleren und langwelligen IR-Bereich.

 Typ ATyp B
BeschaffenheitKeramik mit eingebetteter Heizwendel, ReflektorKeramik mit eingebetteter Heizwendel, Reflektor optional
SpektrumDer Strahlungsbereich liegt am Ende des IR-B- und vorwiegend im IR-C Wellenlängenbereich.Der Strahlungsbereich liegt am Ende des IR-B- und vorwiegend im IR-C Wellenlängenbereich.
Emitter-OberflächentemperaturBis 850°CBis 750°C
AusführungenZylindrisches Rohr
Flächenstrahler (in Entwicklung)
Zylindrisches Rohr
Flachstrahler
Gewölbte und birnenförmige Strahler
Vollkeramikstrahler
Hohlkeramikstrahler
OberflächeBeschichtet mit spezieller Funktionskeramik (STIR®)Unbeschichtet, gefärbte Glasuren
Besondere EigenschaftenSTIR®-Beschichtung
Geringe Aufheizzeit
Lange Lebensdauer
Universelle Einbaulage
Höhere Leistungsdichten im Vergleich zu Quarzglasstrahlern (Dunkelstrahlern) möglich
Robustheit
Einbau eines Thermoelementes in Nähe des Heizleiters möglich
Lange Lebensdauer
Universelle Einbaulage
Hohes Emissionsvermögen
Robustheit
Einbau eines Thermoelementes in Nähe des Heizleiters möglich

Quarzglasstrahler

Dunkelstrahler

Bei den Quarzglasstrahlern (Dunkelstrahlern) liegt ein Heizwiderstand innerhalb eines mit spezieller Funktionskeramik STIR® beschichteten Quarzglasrohres. Das Quarzglas sorgt für eine gute Transmission der Strahlung zur beschichteten Oberfläche hin.

Dort erfolgt werkstoffspezifisch die Transformation der IR-Strahlung in das gewünschte Spektrum. Im Gegensatz zu den Hellstrahlern ist das Quarzrohr dabei nicht mit einem Inertgas gefüllt, deshalb sind die erreichbaren Temperaturen der Heizwendel auch geringer.

Hellstrahler

Bei Hellstrahlern aus Quarzglas befindet sich die vom Strom durchflossene Heizspirale in einem mit einem Inertgas gefüllten und hermetisch geschlossenen Quarzglasrohr. Mittelwellige Quarzglasstrahler arbeiten unter Luftatmosphäre. Die Temperatur des Heizdrahtes ist vom Strahlertyp sowie Einsatzzweck abhängig (Halogen-Kurzwelle bis Mittelwelle). Die Emission der IR-Strahlung erfolgt je nach Filamenttemperatur in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen. Vor allem bei Halogen-, aber auch bei kurz- und mittelwelligen Quarzstrahlern wird aufgrund der hohen Temperatur der Heizwendel auch sichtbares Licht emittiert. Deshalb werden diese auch als Hellstrahler bezeichnet. Alle o. g. Strahler können mit integrierten oder mit externen Reflektoren betrieben werden.

 Typ A
Dunkelstrahler
Typ B
Hellstrahler
BeschaffenheitQuarzglas mit innenliegender Heizwendel, ReflektorQuarzglas mit innenliegender Heizwendel, Reflektor optional (integriert oder extern)
SpektrumDer Strahlungsbereich (mittel- bis langwellig) liegt im IR-B und IR-C Bereich mit kurzwelligen Anteilen.Der Strahlungsbereich (kurz- bis mittelwellig) liegt im IR-A oder IR-B Bereich.
Emitter-OberflächentemperaturBis 700°C 
Temperatur der Heizwendel Bis 2600°C
AusführungenZylindrisches RohrZylindrisches Rohr
Zwillingsrohr
Individuelle geometrische Formen (Brezelstrahler, Omegastrahler, Schlitzstrahler,...)
OberflächeBeschichtet mit spezieller Funktionskeramik (STIR®)Unbeschichtet
Besondere EigenschaftenLange Lebensdauer
Horizontale Einbaulage
Große Einbaulängen möglich
Hohe Leistungsdichten
Kurze bis sehr kurze Reaktionszeiten

Carbon Infrarotstrahler

Bei Carbon Infrarot-Strahlern ist ein Carbon-Heizfilament in ein mit Inertgas gefülltem Quarzglas eingebaut. Die Energieübertragung erfolgt im mittelwelligen Bereich. Durch die spezielle Anordnung werden dabei sehr kurze Reaktionszeiten erreicht.

BeschaffenheitQuarzglas mit innenliegendem Carbon-Heizfilament, Reflektor integriert
SpektrumDer Strahlungsbereich liegt im mittleren IR-B Bereich.
FilamenttemperaturBis 1200°C
AusführungenZylindrisches Rohr
Zwillingsrohr
OberflächeUnbeschichtet
Besondere EigenschaftenSehr schnelle Reaktionszeit
Hoher Wirkungsgrad
Hohe Flächenleistungen

Metall-Strahler (Dunkelstrahler)

Metallstrahler können aus einem Metallrohr mit innenliegendem Heizleiter bestehen, der allseitig von einem Magnesiumoxid-Pulver umgeben ist. Wird die Oberfläche mit der speziellen Funktionskeramik STIR® beschichtet, so erfolgt dadurch beim Betrieb die Transformation der vom Metallstrahler emittierten Strahlung in die gewünschten Spektralbereiche des zu behandelnden Gutes. Zur Vermeidung von Strahlungsverlusten ist der Einsatz von Reflektoren möglich.
Alternativ zu beschriebenen Rohrheizkörpern können gleichfalls Bleche mit der Funktionalkeramik beschichtet werden. Deren Beheizung kann im Einbauzustand sowohl elektrisch als auch durch Gas erfolgen. Metallstrahler geben keine sichtbare Strahlung ab und zählen daher zu den Dunkelstrahlern.

BeschaffenheitStahl, Edelstahl oder andere Metalle, optional mit Reflektor
SpektrumDer Strahlungsbereich liegt am Ende des IR-B- und vorwiegend im IR-C Wellenlängenbereich.
Emitter-Oberflächentemperaturbis 450°C
AusführungenStrahlergehäuse "Schwert" (Gehäuse mit innenliegendem Rohrheizkörper/Heizelement)
Rundrohrheizkörper mit beschichteten Blechen
Rundrohrheizkörper
Stabförmig
U-förmig
Individuelle Formen
Bleche
Lochbleche
Radiatoren
OberflächeBeschichtet mit spezieller Funktionskeramik (STIR®)
Besondere EigenschaftenLange Lebensdauer
Universelle Einbaulage
Hohe mechanische Stabilität und Robustheit

Metallfolienstrahler

Metallfolienstrahler bestehen aus einem hitzebeständigen Isolationsmaterial, auf dem als Widerstandsmaterial eine gewellte Metallfolie befestigt ist. Beim Anlegen eines elektrischen Stroms kommt es zum gleichmäßigen Glühen und zu einer vollflächigen Wärmestrahlung. Der Wärmeübergang zur Rückseite wird durch den Isolationsaufbau reduziert. Es sind keine Reflektoren erforderlich. Die Metallfolienstrahler emittieren im mittleren und langwelligen IR-Bereich.

BeschaffenheitMetallfolie auf Isolationsmaterial in Metallgehäuse mit Schutzgitter
SpektrumDer Strahlungsbereich liegt am Ende des IR-B- und vorwiegend im IR-C Wellenlängenbereich.
Emitter-Oberflächentemperaturbis 850°C
AusführungenFlächenstrahler unterschiedlicher Größe
Individuelle Maßanfertigung in Größe und Leistung
OberflächeUnbeschichtet
Besondere EigenschaftenVollflächige Wärmestrahlung
Schnelle Reaktionszeit
Hohe Strahlungsintensität
Lange Lebensdauer
Einfache Modulbauweise
Optimale Wirtschaftlichkeit

Strahlungswärme oder Konvektion?

Als gängiges Trocknungsverfahren sowohl im industriellen als auch im baugewerblichen Bereich werden derzeit Konvektions-Lösungen eingesetzt. Bei der Konvektionstrocknung wird die Luft erwärmt. Diese wiederum erwärmt den Körper. Dadurch entstehen erhöhte Verluste sowohl in der Wärmeübertragung als auch im Energieeinsatz. Die Erwärmung des Mediums erfolgt indirekt und daher sehr langsam. Weiterhin wird durch die zirkulierende Luft Staub aufgewirbelt. Beispielsweise bei Lacktrocknungsprozessen führt das zu unerwünschten Verunreinigungen auf der Lackschicht.

Infrarotstrahler bieten hierzu eine optimale Alternative. Die Erwärmung des Mediums erfolgt kontaktfrei und ohne Übertragungs-/Zwischenmedium, wie z. B. Luft. Die Wärmestrahlung ist die einzige Art der Wärmeübertragung, die auch das Vakuum durchdringen kann. Durch die direkte Erwärmung mit Strahlung können deutlich kürzere Erwärmungsvorgänge realisiert werden. Damit geht auch ein geringerer Energieeinsatz einher, d. h. Strahlungswärme hilft Energie sparen.

In verschiedenen Anwendungen fordert der Prozess allerdings eine Kombination von Wärmestrahlung und Konvektion, beispielsweise bei der Trocknung. Die Strahlungswärme verursacht die Verdunstung des Wassers auf der Oberfläche des zu trocknenden Gutes. Es wird in die Raumluft abgegeben. Hier sorgt die Konvektion für das Entfernen der feuchten Luft.

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