Излучатель тепловой энергии

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для нагрева поверхностей различных объектов до требуемой температуры методом лучистого и конвективного теплообмена и, в частности, наиболее эффективно может быть использовано в вакууме, например, при проведении различного рода испытаний в вакуумных термобарокамерах. Излучатель тепловой энергии состоит из нагревательного элемента, рефлектора, тепловой изоляции, размещенной на обратной от нагревательного элемента поверхности рефлектора по всей его площади, и экрана, закрепленного по оси симметрии рефлектора перед нагревательным элементом по всей длине последнего. По центру экрана вдоль его продольной оси симметрии предусмотрена щель. Изобретение позволяет увеличить КПД излучателя тепловой энергии путем увеличения плотности теплового потока со стороны излучателя на объект и тем самым исключения потерь энергии на рассеивание от нагревательного элемента вне объекта; снижения затрат электрической энергии для обеспечения нагрева объекта при проведении испытаний; уменьшения теплопритока на холодильник со стороны рефлектора и расхода жидкого азота при проведении испытаний в вакуумной термобарокамере. Конструкция излучателя тепловой энергии достаточно проста и не требует существенной доработки, а также ввода специальных производственных технологических линий. 2 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для нагрева поверхностей различных объектов до требуемой температуры методом лучистого и конвективного теплообмена и, в частности, наиболее эффективно может быть использовано в вакууме, например, при проведении различного рода испытаний в вакуумных термобарокамерах.

Известна излучающая система с использованием кварцевых излучателей (М.А. Брамсон. Инфракрасное излучение нагретых тел. - М.: Наука, 1965. - С. 218. - Рис. 120), состоящая из рефлектора-отражателя параболической формы, закрепленного на подвижном основании. Со стороны вогнутой поверхности рефлектора располагаются кварцевые излучатели.

Известна конструкция системы головного освещения автомобиля типа ФГ140 (Под ред. Ю. П. Чижкова. Электрооборудование автомобилей. - М.: Транспорт, 1993. - С. 105. - Рис. 6.3), состоящая из отражателя, защитного экрана, рассеивателя и источника света.

Наиболее близкой по технической сущности является конструкция излучателя тепловой энергии с параболическим рефлектором (О.Б. Андрейчук, Н.Н. Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1982. - С. 49. - Рис. 3.23), состоящая из нагревательного элемента и рефлектора, принятая за прототип.

Недостатками конструкций аналогов и прототипа является то, что при их использовании для нагрева объекта направленным потоком тепла от нагревательных элементов одновременно происходит нагрев рефлектора, и отсутствие изоляции на обратной от нагревательного элемента поверхности рефлектора снижает эффективность нагрева. Кроме того, лишь часть энергии теплового излучения участвует в нагреве объекта, другая же рассеивается в окружающем пространстве.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение КПД при имитации теплового излучения, в том числе и в вакууме, с одновременным уменьшением влияния теплового воздействия на окружающее пространство.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение плотности теплового потока излучения от нагревательного элемента излучателя к объекту нагрева.

Излучатель тепловой энергии состоит из нагревательного элемента и рефлектора в виде параболоида, при этом в него дополнительно введены экран с щелью и тепловая изоляция, размещенная на обратной от нагревательного элемента поверхности рефлектора по всей его площади, при этом экран закреплен по оси симметрии рефлектора перед нагревательным элементом по всей длине последнего, причем расстояние от нагревательного элемента до экрана, высота экрана и угловая ширина щели выбираются в соответствии со следующими зависимостями: где k - коэффициент, выбираемый исходя из условия максимально возможного приближения экрана с щелью к нагревательному элементу; β - угловая ширина щели; d_н - диаметр нагревательного элемента; H_э - высота экрана с щелью; H_р - высота рефлектора; H_о - высота объекта нагрева; L₁ - расстояние от нагревательного элемента до кромок экрана с щелью; L₂ - расстояние от нагревательного элемента до кромок рефлектора;
L₃ - расстояние от нагревательного элемента до объекта нагрева.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого излучателя в комплексе с нагреваемым объектом, где:
1 - рефлектор;
2 - нагревательный элемент;
3 - тепловая изоляция;
4 - экран с щелью;
5 - нагреваемый объект.

На фиг. 2 представлена расчетная схема для определения геометрических параметров экрана с щелью:
β - угловая ширина щели;
b - ширина щели;
d_н - диаметр нагревательного элемента;
H_э - высота экрана с щелью;
H_р - высота рефлектора;
H_о - высота объекта нагрева;
L₁ - расстояние от нагревательного элемента до кромок экрана с щелью;
L₂ - расстояние от нагревательного элемента до кромок рефлектора;
L₃ - расстояние от нагревательного элемента до объекта нагрева.

Предлагаемая конструкция излучателя тепловой энергии состоит из рефлектора (1), фиг. 1, нагревательного элемента (2), тепловой изоляции (3) и экрана с щелью (4). Она предназначена для нагрева объекта (5).

Принцип работы предлагаемой конструкции основывается на том, что при подаче напряжения питания на нагревательный элемент 2, фиг. 1, осуществляется преобразование электрической энергии в энергию теплового излучения. Нагрев объекта 5 происходит за счет направленного теплового потока, отраженного от активной поверхности рефлектора 1, распространяющегося вдоль оптической оси с малым углом рассеивания. Экран с щелью 4 фокусирует отраженный от нагревательного элемента тепловой поток на рефлектор, тем самым, исключая рассеивание тепловой энергии нагревательного элемента в пространстве. Щель экрана позволяет повысить интенсивность нагрева объекта за счет его облучения прямым направленным потоком тепла от нагревательного элемента. Наличие тепловой изоляции 3, например, в виде экранно- вакуумной изоляции позволяет предотвратить рассеивание тепла в окружающую среду. В качестве нагревательных элементов могут использоваться керамические тепловыделяющие элементы, кварцевые излучатели и др.

Высота экрана с щелью, его расстояние от нагревательного элемента и ширина щели выбираются исходя из удаленности и габаритных размеров объекта. Расчетная схема для определения геометрических параметров экрана с щелью представлена на фиг. 2. Ниже приведены формулы для определения:
расстояния от нагревательного элемента до кромок экрана с щелью

где k - коэффициент, выбираемый исходя из условия максимально возможного приближения экрана с щелью к нагревательному элементу;
высоты экрана с щелью

угловой ширины щели

Ширина щели b экрана зависит от его формы и определяется графическим методом исходя из угловой ширины щели β экрана и его удаленности от нагревательного элемента.

В случае плоского экрана ширина щели определяется по формуле

Излучатель тепловой энергии с кварцевым нагревательным элементом активно используется при проведении различного рода испытаний в вакуумных термобарокамерах, оснащенных жидкостными азотными холодильниками. Тепловое излучение с обратной от нагревательного элемента поверхности рефлектора, обращенной к холодильнику камеры, приводит к чрезмерно повышенному расходу жидкого дорогостоящего азота при проведении испытаний. Проведенные экспериментальные исследования рабочих характеристик предложенного излучателя тепловой энергии с тепловой изоляцией (экранно-вакуумной) и экраном с щелью, а также его прототипа с кварцевым нагревательным элементом типа КГТ-220-1000 в термобарокамере объемом 350 м³ в вакууме показали, что при использовании излучателей конструкции прототипа расходуется 2517 кг/сутки жидкого азота (при напряжении питания на кварцевом нагревательном элементе 40В) и потребляется 9,12 кВт•ч электрической энергии (для нагрева объекта до температуры 50^oC), а при использовании излучателей предлагаемой конструкции с тепловой изоляцией и экраном с щелью при прочих равных условиях расходуется 1648 кг/сутки жидкого азота и потребляется 7,19 кВт•ч электрической энергии. Тем самым изобретение позволяет экономить 869 кг/сутки (34,5%) жидкого азота и 1,92 кВт•ч (21,1%) электрической энергии.

Предложенное изобретение позволяет увеличить КПД излучателя тепловой энергии за счет того, что:
увеличивается плотность теплового потока со стороны излучателя на объект, и тем самым исключаются потери энергии на рассеивание от нагревательного элемента вне объекта;
снижаются затраты электрической энергии для обеспечения нагрева объекта при проведении испытаний;
уменьшается теплоприток на холодильник со стороны рефлектора и расход жидкого азота при проведении испытаний в вакуумной термобарокамере.

Предлагаемая конструкция излучателя тепловой энергии достаточно проста и не требует существенной доработки, а также ввода специальных производственных технологических линий.

Формула изобретения

Излучатель тепловой энергии, состоящий из нагревательного элемента и рефлектора в виде параболоида, отличающийся тем, что в него дополнительно введены экран с щелью и тепловая изоляция, размещенная на обратной от нагревательного элемента поверхности рефлектора по всей его площади, при этом экран закреплен по оси симметрии рефлектора перед нагревательным элементом по всей длине последнего, причем расстояние от нагревательного элемента до экрана, высота экрана и угловая ширина щели выбираются в соответствии со следующими зависимостями:

где k - коэффициент, выбираемый исходя из условия максимально возможного приближения экрана с щелью к нагревательному элементу;
β - угловая ширина щели,
d_н - диаметр нагревательного элемента;
H_э - высота экрана с щелью;
Н_р - высота рефлектора;
Н_o - высота объекта нагрева;
L₁ - расстояние от нагревательного элемента до кромок экрана с щелью;
L₂ - расстояние от нагревательного элемента до кромок рефлектора;
L₃ - расстояние от нагревательного элемента до объекта нагрева.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2