01 марта 2016г.
Инфракрасный нагрев известен достаточно давно [1,2] и может представлять интерес в том случае, когда классические системы обогрева являются неэффектиными. Областью применения ИК-нагревателя могут являться промышленные цеха, открытые площадки, торговые центры и т.д.
В данной статье описан нагревательный элемент, который был разработан с учетом следующих факторов: механическая и термическая стойкость к нестационарным режимам нагрева-охлаждения, температуры поверхности нагрева, направленности потока излучения.
В качестве матрицы нагревателя использовался корунд с 0.2% примесью ZrO2 и 0.1% MgO, что обеспечило термомеханическую прочность элемента. Нагревательным элементом выступала нихромовая проволока диаметром 0.4 мм расположенная в приповерхностном слое матрицы нагревателя. Выбор длины и диаметра проволоки делался из расчета баланса мощностей:
Prad+Pconv=PU+PQ (1)
где Prad=εζTsur4S ε-излучательная способность поверхности образца, ζ-постоянная Стефана-Больцмана, Tsur и S –
температура и площадь излучающей поверхности соответственно;
PU=U2/R U-напряжение в сети R=ρl/S-сопротивление нихромовой проволоки;
PQ=cm(Tsur-Tmat)η c- теплоемкость матрицы нагревателя, m-масса матрицы, Tmat-равновесная температура матрицы, η-время работы элемента;
Pconv=α(Tsur-Tair)η α-коэффициент теплоотдачи, Tair-температура окружающей среды Выбор Tsur осуществлялся из следующих соображений:
1. Температура поверхности не должна быть меньше 500 0С, иначе основным механизмом теплопереноса
будет не излучение, а конвекция (т.е. Prad/ Pconv<<1). В данном случае Pconv в уравнении 1 можно пренебречь.
2. Максимум полосы излучения должен приходиться на окно прозрачности атмосферы 3-5 мкм [1]. Проверка корректности данного условия на основе закона смещения Вина: λTsur=b, b=2.89*10-3, λ-длина волны излучения.
3. В диапазоне длин волн 3-5 мкм большинство материалов имеют коэффициент поглощения от 0.78 до
1.97 [3], что приводит к лучшему прогреву приповерхностного слоя обогреваемой площадки.
Температура поверхности нагревателя была выбрана в диапазоне (530±30) 0С. А геометрия нагревателя - параболической [4] с учетом следующих условий:
1. Расстояние нагревателя от рабочей поверхности составляет 2-5 м. При этом 95% излучаемой мощности должно приходится на обогреваемую площадку, т.е. она должна видится под углом в 0.5 мсрад.
2. 80% мощности, которая приходит на рабочую поверхность, должно поглотится, и лишь 20% могут быть израсходованы на конвекционные потери с отапливаемой поверхности. Т.е. глубина прогретого слоя должна составить не менее 10 мкм, а температура поверхности при этом должна составлять 23 0С, при температуре окружающей среды 0 0С.
Таким образом, было установлено, что фокальная область должна составлять ~ 8 см в диаметре, а фокусное расстояние (длина) 12±2 см от основания конструкции нагревательного элемента.
Изготовленный нагреватель тестировался следующим образом. На расстоянии 3 м устанавливались различные материалы (алюминиевая пластины, брусок из ДВП, ламинат и т.д.). Термопара типа К закреплялась в заранее высверленном отверстии с обратной стороны пластин на расстоянии от поверхности (50±15) мкм. Измерения проводились на открытой площадке в зимний период (температура воздуха составляла -2 0С). Эксперимент показал, что температура поверхности в безветренную погоду достигает 19 0С, что достаточно хорошо согласуется с теоретически расчетами.
Представленный нагревательный элемент можно использовать для обогрева промышленных помещений, цехов, открытых террас, торговых центров, выставочных салонов, залов ожидания и т.д. Дальнейшая модификация ИК нагревателя будет направлена на повышения энергоэффективности за счет использования индуктивного нагрева и уменьшения массы матрицы.
Список литературы
1. Борхерт Р. Юбиц В. Техника инфракрасного нагрева.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 280 с.
2. Спэрроу Э.М. Сесс Р.Д. Теплообмен излучением.-Л.: Энергия, 1971. - 294 с.
3. O. Breitenstein W. Warta M. Langenkamp Lock-in Thermography.- Berlin, Springer-Verlag, 2010.- 266p.
4. Вычислительная оптика под ред. М.М. Русина.-Л.: Машиностроение, 1984. - 423 с.
