Способ организации оптимального локального инфракрасного обогрева

Изобретение относится к области отопления и может применяться для локального обогрева. Способ включает источник инфракрасного обогрева с длинной волны от 0,5 до 7 мкм, введенный в рефлектор. При постоянной высоте подвеса обогревателя определяют тепловые потоки вдоль локальной поверхности обогрева: тепловой поток от источника ИК-обогрева, тепловой поток от инфракрасного обогревателя, тепловой поток от рефлектора как разность между тепловым потоком инфракрасного обогревателя и тепловым потоком от источника ИК-обогрева в зависимости от высоты (грани) рабочей поверхности рефлектора, находят максимум теплового потока рефлектора в зависимости от соответствующей ему высоты (грани) рабочей облучаемой поверхности рефлектора, определяют оптимальную высоту (грани) рефлектора, соответствующую максимуму теплового потока, при этом при оптимальной высоте грани рефлектора находят зависимость теплового потока рефлектора от изменения угла между нормалью к облучаемой поверхности и высотой (грани) боковой поверхности рефлектора при теплоизоляции ее внешней поверхности, например, материалом с коэффициентом теплопроводности 0,05-0,15 Вт/м·К со степенью черноты полного нормального излучения 0,02-0,3, а оптимальное значение угла для рефлектора выбирают соответствующим максимуму теплового потока ИК-излучения. Техническим результатом изобретения является обеспечение уровня оптимальной интенсивности в области локального обогрева при необходимой высоте подвеса облучателя и равномерного обогрева поверхности. 11 ил.

 

Изобретение относится к области отопления и может быть использовано для локального обогрева.

Известны способы локального инфракрасного обогрева (ИК-обогрева), реализованные при использовании инфракрасных обогревателей различных конструкций (Брамстон М.А. “Инфракрасное излучение нагретых тел” М.: Наука, 1964 г. 222 с.). Как правило, инфракрасные обогреватели своей нагретой поверхностью направляются на объект обогрева. Для локального ИК-обогрева сельскохозяйственных помещений источник обогрева устанавливается над местом обитания животных и птицы. Все конструкции современных источников локального ИК-обогрева (электрические, газовые и др.) не обеспечивают:

- уровень оптимальной интенсивности в области локального обогрева при необходимой высоте подвеса облучателя;

- равномерный обогрев поверхности (с минимальным продольным тепловым градиентом).

Это объясняется тем, что в ИК-облучателях отсутствует система концентрации и направленного распределения диффузионного лучистого потока в область локального обогрева. Как правило, ИК-облучатели вместе с их рефлекторами обеспечивают передачу до 25% лучистого потока в зону локального обогрева. Суть проблемы заключается в том, что общий радиационный поток Ф(1,α) от ИК-облучателя определяется:

где Ф_и - радиационный поток от ИК-источника (керамического насадка, металлического конуса или цилиндра, электронагревателя и др.),

Ф_рф[К_ф(1,α)] - радиационный поток от рефлектора облучателя, формирующийся за счет конструктивных особенностей источника ИК-излучения и формы рефлектора и определяющийся коэффициентом формы К_ф(1,α). Основными характеристиками коэффициента формы рефлектора являются: рабочий параметр 1 (высота грани или длинна рабочей поверхности и др.), угол α между нормалью к поверхности локального облучения и высотой грани (рабочей поверхности) рефлектора.

Экспериментально установлено:

При этом увеличение теплового потока выше max Ф_рф приводит к значительному повышению металлоемкости (габаритов) рефлектора. Экспериментально величина

и определяет максимальный уровень теплового потока при оптимальном угле α₀ расположения поверхностей рефлектора относительно нормали к поверхности локального облучения. В этом случае при α=α₀ повышается равномерность излучения во всей зоне локального обогрева. Для организации оптимального радиационного потока Ф_рф тепловой баланс на грани (рабочей поверхности) рефлектора описывается формулой:

где Фλ - тепловой поток вдоль грани (рабочей поверхности) рефлектора;

Ф_р - радиационный поток от внешней поверхности рефлектора в окружающую среду.

Согласно соотношению (5) для увеличения теплового потока Ф величины Фλ и Ф_р должны быть сведены к минимуму, например, путем теплоизоляции внешней поверхности рефлектора материалом с коэффициентом теплопроводности 0,05-0,15 Вт/мК и со степенью черноты полного нормального излучения 0,02-0,3.

Техническим результатом изобретения является обеспечение уровня оптимальной интенсивности в области локального обогрева при необходимой высоте подвеса облучателя и обеспечение равномерного обогрева поверхности.

Технический результат достигается тем, что способ включает источник инфракрасного обогрева с длиной волны от 0,5 до 7 мкм, введенный в рефлектор, при этом при постоянной высоте подвеса обогревателя определяют тепловые потоки вдоль локальной поверхности обогрева: тепловой поток от источника ИК-обогрева, тепловой поток от инфракрасного обогревателя, тепловой поток от рефлектора как разность между тепловым потоком инфракрасного обогревателя и тепловым потоком от источника ИК-обогрева в зависимости от высоты (грани) рабочей поверхности рефлектора, находят максимум теплового потока рефлектора в зависимости от соответствующей ему высоты (грани) рабочей облучаемой поверхности рефлектора, определяют оптимальную высоту (грани) рефлектора, соответствующую максимуму теплового потока, при этом при оптимальной высоте грани рефлектора находят зависимость теплового потока рефлектора от изменения угла между нормалью к облучаемой поверхности и высотой (грани) боковой поверхности рефлектора, при теплоизоляции ее внешней поверхности, например, материалом с коэффициентом теплопроводности 0,05-0,15 Вт/м К со степенью черноты полного нормального излучения 0,02-0,3, а оптимальное значение угла для рефлектора выбирают соответствующим максимуму теплового потока ИК-излучения.

На фиг.1-5 пояснено выполнение способа. На фиг.1 показана схема тепловых потоков в инфракрасном обогревателе. На фиг.2 представлена схема тепловых потоков в рефлекторе обогревателя:

1 - источник ИК-излучения;

2 - рефлектор;

Фλ - плотность потока теплопроводностью;

Ф_р - плотность радиационного потока;

Ф_рф - плотность потока от рефлектора.

На фиг.3 показано изменение плотности потока источника излучения Ф_и к плотности потока от рефлектора Ф_рф вдоль координаты Х в области локального ИК-обогрева. На фиг.4 представлено изменение плотности потока излучения Ф_рф от рефлектора в зависимости от обобщенной высоты грани рабочей поверхности рефлектора. На фиг.5 показано изменение плотности потока излучения Ф_рф от рефлектора в зависимости от угла α. На фиг.6 изображено изменение плотности теплового потока Ф_и при удалении от центра проекции керамического насадка (источника нагрева).

На фиг.7 представлено изменение плотности теплового потока Ф_рф от рефлектора при источнике облучения газовой ИК-горелки Ф_и от центра проекции керамического насадка на облучаемой поверхности.

На фиг.8 показано изменение плотности теплового потока Ф_рф в зависимости от обобщенной высоты грани рефлектора газовой ИК-горелки с керамическим насадком.

На фиг.9 показано изменение плотности теплового потока на облучаемой поверхности в зависимости от изменения угла α между нормалью к облучаемой поверхности и высотой грани (рабочей) поверхности рефлектора газовой ИК-горелки.

На фиг.10 представлено изменение прироста лучистого КПД рефлектора газовой ИК-горелки в зависимости от обобщенной высоты грани (рабочей) поверхности рефлектора.

На фиг.11 показано изменение плотности лучистого потока газовой ИК-горелки с заводским рефлектором и с рефлектором, изготовленным по предлагаемому способу.

Для ИК-обогревателей любого типа потоков на фиг.1 показано направление в них тепловых потоков Ф_и и Ф_рф (соотношение (1)), а на фиг.2 показано направление тепловых потоков рассеивания в рефлекторе за счет переноса тепла теплопроводностью Фλ вдоль рабочей поверхности 2, излучением от рефлектора Ф_рф и радиационным потоком рассеяния Ф_р в окружающую среду.

Для любого типа ИК-обогревателей предлагаемый способ выполняется следующим образом. Определяется изменение теплового потока источника ИК-излучения Ф_и вдоль поверхности локального обогрева, фиг.3. Определяется изменение Ф(1,α) всего радиационного потока от ИК-обогревателя, фиг.3, согласно соотношению (1), вдоль поверхности локального обогрева. При известном изменении значения Ф_и и Ф(1,α) у поверхности локального ИК-обогрева определяют изменение плотности теплового потока от рефлектора обогревателя, Ф_рф, (соотношение (1)), фиг.2, при угле α=const и изменении (l=l_max высота рабочей грани рефлектора, когда температура на его нижнем торце равна температуре окружающей среды), фиг.4. Находят величину фиг.4, рабочей грани рефлектора, соответствующую max При известном значении высоты рабочей грани рефлектора определяют изменение плотности теплового потока от рефлектора обогревателя Ф_рф, при изменении угла α находят угол α=α₀ при max

Рефлектор с и α=α₀ можно считать оптимальным для ИК-обогревателя.

Пример. Для реализации предлагаемого способа применительно к ИК-горелке с керамическим насадком температурой 800°С выполняются следующие операции.

1. Определяется изменение плотности теплового потока Ф_и от источника ИК-излучения горелки, фиг.6, на облучаемой поверхности вдоль координаты X.

2. Определяется изменение плотности теплового потока Ф_рф от рефлектора при постоянной плотности потока источника излучения горелки Ф_и, исходя из соотношения (1) при l=const и α=const на облучаемой поверхности вдоль координаты X, фиг.7.

3. Находят максимум теплового потока рефлектора Ф_рф (при теплоизоляции его внешней стороны и минимальной лучистой составляющей его внешней поверхности) в зависимости от обобщенной высоты грани рабочей поверхности рефлектора, при α=const, фиг.8. Величина l_max это максимальная высота грани рабочей поверхности рефлектора фиг.4, 5, при которой температура на ее нижнем торце равна температуре окружающей среды. Определяют высоту грани рабочей поверхности рефлектора, при которой имеет место max

4. При длине грани рабочей поверхности рефлектора определяют зависимость теплового потока рефлектора Ф_рф от изменения угла α между нормалью к облучаемой поверхности и высотой грани рабочей поверхности рефлектора, фиг.9. Определяют оптимальный угол α_опт раскрытия рефлектора при max Принимают оптимальными значения и α=α₀ для данного типа рефлектора ИК-горелки.

5. Определяют изменение лучистого КПД рефлектора горелки как отношение η=Ф_рф/(Ф_и+Ф_рф) при α=α_опт. Как видно из фиг.10, при введении рефлектора с длиной l=l_р прирост КПД изменяется от 18% до 62%.

Для прирост КПД ИК-горелки падает, некоторое повышение КПД горелки при приводит к увеличению площади рефлектора до трех раз, что является экономически невыгодным.

Для ИК-горелки, имеющей рефлектор и α=α_опт, получена возможность увеличения плотности локального лучистого потока в 2-2,5 раза, фиг.11.

Способ организации оптимального локального инфракрасного обогрева, включающий источник инфракрасного обогрева с длинной волны от 0,5 до 7 мкм, введенный в рефлектор, отличающийся тем, что при постоянной высоте подвеса обогревателя определяют тепловые потоки вдоль локальной поверхности обогрева: тепловой поток от источника ПК-обогрева, тепловой поток от инфракрасного обогревателя, тепловой поток от рефлектора, как разность между тепловым потоком инфракрасного обогревателя и тепловым потоком от источника ИК-обогрева в зависимости от высоты (грани) рабочей поверхности рефлектора, находят максимум теплового потока рефлектора в зависимости от соответствующей ему высоты (грани) рабочей облучаемой поверхности рефлектора, определяют оптимальную высоту (грани) рефлектора, соответствующую максимуму теплового потока, при этом при оптимальной высоте грани рефлектора находят зависимость теплового потока рефлектора от изменения угла между нормалью к облучаемой поверхности и высотой (грани) боковой поверхности рефлектора при теплоизоляции ее внешней поверхности, например, материалом с коэффициентом теплопроводности 0,05÷0,15 Вт/мК, со степенью черноты полного нормального излучения 0,02÷0,3, а оптимальное значение угла для рефлектора выбирают соответствующим максимуму теплового потока ИК-излучения.