ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Инфракрасное излучение (ИК) занимает участок электромагнитных волн с длинами от 0,74 мкм. (красный видимый свет) до 100 мкм. (коротковолновое излучение радиодиапазона).

Виды излучения

Рисунок 1 – Виды излучения

Инфракрасное излучение условно подразделяют на:

  1. коротковолновое 0,74 < l < 2,5 мкм.
  2. средневолновое 2,5 < l < 50 мкм.
  3. длинноволновое 50 < l < 100 мкм.

Также необходимо знать, что все тела, твердые и жидкие, нагретые до определенной температуры являются источником ИК-излучения.

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускает возбуждённые атомы или ионы. [1]

Инфракрасное излучение это практически то же, что и обычный свет. Единственное отличие заключается в том, что при попадании на предметы видимая часть спектра становится освещением, а инфракрасное излучение поглощаются телом, превращаясь при этом в энергию тепла. Без него немыслима жизнь на нашей планете. При распространении инфракрасного излучения в пространстве практически не происходит потерь энергии. По сути, это природный и самый совершенный метод обогрева. Поэтому для теплоэнергетики вопрос использования инфракрасного излучения является весьма интересным.

1. ИНФРАКРАСНЫЕ ЛУЧИ. ПРОЗРАЧНОСТЬ, ОТРАЖЕНИЕ, ПРЕЛОМЛЕНИЕ

Оптические свойства веществ в ИК-области спектра (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления), как правило, значительно отличаются от оптических свойств в видимой и УФ-областях спектра. Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в некоторых областях ИК-излучения., и наоборот. Например, слой воды толщиной в несколько см непрозрачен для ИК-излучения с l>1 мкм (поэтому вода часто используется как теплозащитный фильтр), пластинки германия и кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны для ИК-излучения (германий для l>1,8 мкм, кремний для l>1,0 мкм). Чёрная бумага прозрачна в далёкой ИК-области. Вещества, прозрачные для ИК-излучения и непрозрачные в видимой области, используются в качестве светофильтров для выделения ИК-излучения.

Поглощение ИК-излучения для большинства веществ в тонких слоях носит селективный характер в виде относительно узких областей - полос поглощения. Некоторые вещества, главным образом монокристаллы, даже при толщине до нескольких см прозрачны в достаточно больших определённых диапазонах ИК-спектра. Отражательная способность для ИК-излучения у большинства металлов значительно больше, чем для видимой области, и возрастает с увеличением l ИК-излучения. Жидкие и твёрдые неметаллические вещества обладают в ИК-области селективным отражением, причём положение максимумов отражения зависит от химического состава вещества.[2]

Отражательная способность большинства металлов для инфракрасного излучения значительно больше, в сравнении с видимым светом, и возрастает по мере увеличения длины волны инфракрасного излучения. К примеру: коэффициент отражения Al, Au, Ag, Сu когда длина волны ~10 мкм может достигать 98%. Выше приведенные материалы, прозрачны для ИК лучей, или обладают высокой способностью по отношению к их отражению и по тому применяются для создания инфракрасных обогревательных приборов.

Первый тип – используют как «светофильтр» (в большинстве кварц), второй тип – используют для рефлекторов, которые позволяют направлять ИК-лучи в определенном направлении (в большинстве алюминий).[3]

Прозрачность земной атмосферы для И. и. (так же как и для видимого и УФ-излучения) играет большую роль в процессе теплового радиационного обмена между излучением Солнца, падающим на Землю, и ИК-излучения Земли в мировое пространство (обратное излучение Земли расположено главным образом в области спектра с максимумом ок. 10 мкм), а также существенна при практическом использовании ИК-излучения (для связи, в ИК-фотографии, для применения ИК-излучения в военном деле и т. д.). Проходя через земную атмосферу, ИК-излучение ослабляется в результате рассеяния и поглощения. Азот и кислород воздуха не поглощают ИК-излучение, а ослабляют его лишь в результате рассеяния, которое значительно меньше, чем для излучения видимого света (т. к. коэффициент рассеяния ~l-4). Пары воды, СО2, озона и др. примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают ИК-излучение. Особенно сильно поглощают ИК-излучение пары воды, полосы поглощения которых расположены почти во всей ИК-области спектра. Благодаря сильному поглощению ИК-излучению земной атмосферой лишь небольшая часть обратного ИК-излучения Земли выходит за пределы атмосферы, т. е. атмосфера служит теплоизолирующей оболочкой, препятствующей охлаждению Земли. Наличие в атмосфере частиц дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман) приводит к дополнительному ослаблению ИК-излучения в результате рассеяния на этих частицах, причём величина рассеяния зависит от соотношения размеров частиц и длины волны ИК-излучения.

2. ИНФРАКРАСНОЕ ОТОПЛЕНИЕ

В современном мире становятся все более распространенными приборы инфракрасного излучения. Их используют в промышленности, коммунальном хозяйстве, медицине. При распространении инфракрасного излучения в пространстве практически не происходит потерь энергии. По сути, это естественный и самый совершенный метод обогрева. Лучистая энергия поглощается окружающими поверхностями, превращаясь в тепловую энергию, нагревает их, которые в свою очередь отдают тепло воздуху. Расходы на строительство систем отопления высоких помещений с большим воздухообменом при использовании инфракрасных излучателей в два раза меньше, чем при использовании водных центральных систем отопления.[4]

Инфракрасное отопление — одна из разновидностей систем отопления, где в качестве источников тепла используются инфракрасные излучатели. Инфракрасное отопление может использоваться как в качестве вспомогательного, так и самостоятельного типа отопления. Благодаря особенностям ИК-излучения возможна организация локального отопления, при котором тепло подается лишь в те зоны, где это необходимо, что особенно актуально в крупных помещениях с высокими потолками. Кроме того, это единственный вид отопления, позволяющий организовать эффективный обогрев открытых (в том числе уличных) пространств.

Поскольку тепловое излучение от ИК-обогревателя практически не поглощается и не рассеивается воздухом, вся излучаемая энергия достигает непосредственно людей и предметов. Объекты, в свою очередь, нагреваются и передают тепло окружающему воздуху. Поэтому инфракрасное отопление называют отоплением прямого нагрева, а конвекционное — косвенного нагрева. Это и является основным отличием инфракрасных обогревателей от других видов отопления.[5]

Инфракрасное и конвективное отопление

Рисунок 2 – Инфракрасное и конвективное отопление

Инфракрасный обогреватель — отопительный прибор, отдающий тепло в окружающую среду посредством инфракрасного излучения. В быту иногда неточно называется рефлектором. Лучистая энергия поглощается окружающими поверхностями, превращаясь в тепловую энергию, нагревает их, которые в свою очередь отдают тепло воздуху. Это дает существенный экономический эффект по сравнению с конвекционным обогревом, где тепло существенно расходуется на обогрев неиспользуемого подпотолочного пространства. Кроме того, при помощи ИК обогревателей появляется возможность местного обогрева только тех площадей в помещении, в которых это необходимо без обогрева всего объёма помещения; тепловой эффект от инфракрасных обогревателей ощущается сразу после включения, что позволяет избежать предварительного нагрева помещения. Эти факторы снижают затраты энергии.

Распространение инфракрасного излучения от обогревателя

Рисунок 3 – Распространение инфракрасного излучения от обогревателя

Главным конструктивным элементом инфракрасного обогревателя является излучатель, испускающий инфракрасное излучение за счёт нагрева. В электрических обогревателях обычно используется трубчатый электронагреватель (ТЭН) или открытая (либо защищённая кварцевой трубкой) спираль, в газовых — металлическая сетка или трубка с чёрным покрытием либо керамическая пластина со специальными отверстиями, нагреваемая проходящими сквозь неё продуктами сгорания природного газа. [6]

Для более направленного обогрева и защиты корпуса и его содержимого от перегрева применяется рефлектор из хорошо отражающего и теплостойкого металла. Если излучатель имеет компактную форму, то рефлектор делают в форме параболоида вращения, если линейную — параболического цилиндра. Для смягчения и частичного расширения диаграммы направленности рефлектор иногда делают матовым или наносят на него неровности.

Если обогреватель предназначен для размещения в месте, доступном людям или домашним животным, излучатель дополнительно защищают металлической сеткой или прозрачной перегородкой.

Типы инфракрасных обогревателей

В зависимости от диапазона излучения, инфракрасные обогреватели делят на:

  1. Коротковолновые;
  2. Средневолновые;
  3. Длинноволновые.

По типу источника энергии различают:

  1. Электрические;
  2. Газовые;
  3. Дизельные.

По способу установки:

  1. Мобильные (переносные)
  2. Стационарные — напольные, настенные, потолочные, подвесные

В зависимости от диапазона излучения и используемого источника энергии инфракрасные обогреватели могут применяться для различных целей:

  1. Дополнительное отопление;
  2. Самостоятельное отопление;
  3. Локальный (точечный обогрев) в помещении;
  4. Локальный обогрев вне помещений;
  5. Обогрев выездных мероприятий.

Керамический инфракрасный излучатель

Керамический инфракрасный излучатель состоит из резистивного нагревательного кабеля, полностью погруженного в подходящий керамический материал. Благодаря полному погружению создаваемая нагревательным кабелем энергия передается окружающему его материалу. Это защищает нагревательный кабель от перегрева и увеличивает его срок службы. Материал, используемый для укладки нагревательного кабеля, является неэлектропроводным и должен обладать хорошими абсорбционными и эмиссионными качествами в необходимом инфракрасном диапазоне волн. С учетом этих критериев производятся керамические ИК-излучатели различной геометрии.

Керамические инфракрасные излучатели представляют собой керамические тела, часть поверхности которых используется в качестве излучающей поверхности с встроенной нагревательной спиралью. Более того, керамические ИК-излучатели позволяют размещать термоэлемент стационарно в непосредственной близости от нагревательного кабеля.

Керамический инфракрасный излучатель был изобретен компанией Elstein-Werk. Базовая модель керамического излучателя с винтовым цоколем запатентована 24 марта 1949 года. Параллельно с этим был разработан плоский керамический ИК-излучатель, который позволял выстраивать большие инфракрасные нагревательные площади. Патент на плоские керамические ИК-излучатели был выдан компании Elstein-Werk 8 марта 1950 года.

Газовый инфракрасный обогреватель — разновидность теплового оборудования, обогреватель, используемый для нагрева предметов и обогрева помещений с помощью инфракрасного излучения.

Главным показателем, характеризующим энергоэффективность газового инфракрасного обогревателя, является лучистый КПД. Показатель лучистого КПД отражает процент энергии, преобразованной в тепловое излучение, достигающее отапливаемой зоны. Современные газовые инфракрасные обогреватели достигают в произведенном лучистом КПД — 80 %.

Попадая на Землю, тепловое излучение Солнца нагревает ее поверхность: грунт, камни, деревья, воду и т.д. и лишь потом от контакта с ними нагревается воздух.

Инфракрасные обогреватели действуют также. Обычно располагаясь в помещениях на высоте от 4 до 32 метров, они, как маленькие солнца, направляют теплые лучи вниз. Нагрев помещения производится путем прямого воздействия инфракрасных лучей на поверхности: пол, нижнюю зону наружных стен, оборудование, людей.[7]

Они поглощают тепло в первую очередь, и только потом, от нагретых поверхностей, начинается процесс теплоотдачи в окружающий воздух. В этом и состоит принцип работы инфракрасных обогревателей, и сама суть инфракрасного отопления. При таком методе отопления поверхности предметов теплее окружающего воздуха на 7-10 С.

Основными элементами конструкции газового инфракрасного обогревателя являются:

Одной из конструктивных разновидностей газовых инфракрасных обогревателей, использующих тот же принцип лучистого нагрева, являются инфракрасные трубчатые газовые обогреватели, основными элементами конструкции которого являются:

Первый газовый инфракрасный обогреватель был изобретён и запатентован в 1933 году немецким конструктором Гюнтером Шванком (сегодня его имя носит крупнейший мировой производитель инфракрасного газового оборудования — компания Schwank).

Газовоздушное лучистое отопление

В системе газовоздушного отопления с излучателями функцию отопительных приборов выполняют теплоизлучающие трубы, проложенные в верхней зоне (не ниже 5 м от поверхности пола) помещения. Внутри замкнутого контура теплоизлучающих труб циркулирует смесь нагретого воздуха с продуктами сгорания. Теплоотдача с поверхности труб в помещение происходит преимущественно излучением (до 60 %).

Преимущества газовоздушного лучистого отопления по сравнению с воздушным отоплением: экономия тепловой энергии за счет уменьшения градиента температуры по высоте помещения, возможность снижения температуры воздуха в рабочей зоне при сохранении условий теплового комфорта, автономность, незамерзаемость, удобство регулирования.

Газовое лучистое отопление

Отопительными приборами в этой системе отопления являются горелки инфракрасного излучения. Систему лучистого отопления наиболее целесообразно применять в больших помещениях со значительными теплопотерями. Особенно эффективна она при обогревании частично или полностью открытых рабочих площадок (монтажных, сборочных, открытых стоянок автомобилей и т.д.). Небольшие размеры и масса инфракрасных горелок делают их удобными для размещения в отапливаемых помещениях. Их теплопередающая поверхность по площади почти в 10 раз меньше, чем площадь нагревательной поверхности отопительных приборов водяного отопления. Газовое лучистое отопление применяется также в различных сельскохозяйственных и складских помещениях.[8-11]

Список источников

  1. З.Дене Инфракрасное излучение, Стройиздат, 1965
  2. М.А.Брамсон Инфракрасное излучение нагретых тел, «Наука», 1964
  3. П.Краус, Л.Макглоулин, Р.Макквистан Основы инфракрасной техники, Воениздат, 1964
  4. М.Дерибере Практика применения инфракрасных лучей, Госэнергоиздат, 1959
  5. Р.Борхерт, Б.Юбиц Техника инфракрасного нагрева. Госэнергоиздат, 1963
  6. Б.С.Ициксон, Ю.Л.Денисов Газовые инфракрасные излучатели и их использование в народном хозяйстве, «Недра», 1965
  7. Ж.Леконт Инфракрасное излучение Издательство физико-математической литературы, 1958
  8. А.А. Богомолов, Д.Я. Вигдорчик, М.А.Маевский Газовые горелки инфракрасного излучения - Москва: Издательство литературы по строительству – 1967, 255 с.
  9. П.Б.Майзельс, Д.Я. Вигдорчик Газогорелочные устройства, Стройиздат, 1964
  10. А. Миссенар Лучистое отопление. Госстройиздат, 1961
  11. Википедия [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BD%D1%84%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%80%D0%B0%D1%81%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BF%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5.