ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

ВСТУП

Інфрачервоне випромінювання (ІЧ) займає ділянку електромагнітних хвиль з довжинами від 0,74 мкм. (червоний видиме світло) до 100 мкм. (короткохвильове випромінювання радіодіапазоні).

Види випромінювання

Рисунок 1 – види випромінювання

Інфрачервоне випромінювання умовно поділяють на:

  1. короткохвильове 0,74 < l < 2,5 мкм.
  2. середньохвильове 2,5 < l < 50 мкм.
  3. довгохвильове 50 < l < 100 мкм.

Також необхідно знати, що всі тіла, тверді і рідкі, нагріті до певної температури є джерелом ІЧ-випромінювання.

Інфрачервоне випромінювання також називають «тепловим» випромінюванням, так як інфрачервоне випромінювання від нагрітих предметів сприймається шкірою людини як відчуття тепла. При цьому довжини хвиль, що випромінюються тілом, залежать від температури нагрівання: чим вище температура, тим коротше довжина хвилі і вище інтенсивність випромінювання. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла при відносно невисоких (До декількох тисяч кельвінів) температурах лежить в основному саме в цьому діапазоні. Інфрачервоне випромінювання випускає збуджені атоми або іони. [1]

Інфрачервоне випромінювання це практично те ж, що і звичайне світло. Єдина відмінність полягає в тому, що при попаданні на предмети видима частину спектру стає освітленням, а інфрачервоне випромінювання поглинаються тілом, перетворюючись при цьому в енергію тепла. Без нього немислиме життя на  нашій планеті. При поширенні інфрачервоного випромінювання в просторі практично не відбувається втрат енергії. По суті, це природний і найдосконаліший метод обігріву. Тому для теплоенергетики питання використання інфрачервоного випромінювання є вельми цікавим.

1. ІНФРАЧЕРВОНІ ПРОМЕНІ. ПРОЗОРІСТЬ, ВІДДЗЕРКАЛЕННЯ, ЗАЛОМЛЕННЯ

Оптичні властивості речовин в ІК-області спектру (прозорість, коефіцієнт віддзеркалення, коефіцієнт заломлення), як правило, значно відрізняються від оптичних властивостей у видимій і УФ-областях спектра. Багато речовин, прозорі у видимій області, виявляються непрозорими в деяких  областях ІЧ-випромінювання., і навпаки. Наприклад, шар води завтовшки в декілька см непрозорий для ІЧ-випромінювання з l> 1 мкм (тому вода часто використовується  як теплозахисний фільтр), пластинки германію і кремнію, непрозорі у видимій області, прозорі для ІЧ-випромінювання (германій для l> 1,8 мкм, кремній для l> 1,0 мкм). Чорний папір прозорий в далекій ІЧ-області. Речовини, прозорі для ІЧ-випромінювання і непрозорі у видимій області, використовуються як світлофільтри для виділення ІК-випромінювання.

Поглинання ІЧ-випромінювання для більшості речовин в тонких шарах носить селективний характер у вигляді відносно вузьких областей - смуг поглинання. Деякі речовини, головним чином монокристали, навіть при товщині до декількох см прозорі в досить великих певних діапазонах ІЧ-спектру. Відбивна здатність для ІЧ-випромінювання у більшості металів значно більше, ніж для видимої області, і зростає із збільшенням l ІЧ-випромінювання.  Рідкі і тверді неметалічні речовини володіють в ІК-області селективним відбиттям, причому положення максимумів віддзеркалення залежить від хімічного складу речовини.[2]

Відбивна здатність більшості металів для інфрачервоного випромінювання значно більше, порівняно з видимим світлом, і зростає в міру збільшення довжини хвилі інфрачервоного випромінювання. Наприклад: коефіцієнт відбиття Al, Au, Ag, Сu коли довжина хвилі ~ 10 мкм може досягати 98%. Вище наведені матеріали, прозорі для ІЧ променів, або мають високу здатність по відношенню до їх відображення і тому застосовуються для створення інфрачервоних обігрівальних приладів.

Перший тип - використовують як «світлофільтр» (у більшості кварц), другий тип - використовують для рефлекторів, які дозволяють направляти  ІЧ-промені в певному напрямку (у більшості алюміній).[3]

Прозорість земної атмосфери для І. і. (Так само як і для видимого і УФ-випромінювання) відіграє велику роль у процесі теплового радіаційного обміну між  випромінюванням Сонця, падаючим на Землю, і ІЧ-випромінювання Землі в світовий простір (зворотне випромінювання Землі розташоване головним чином в області спектра з максимумом приблизно 10 мкм), а також істотна при практичному використанні ІЧ-випромінювання (для зв'язку, в ІЧ-фотографії, для застосування ІЧ-випромінювання у військовій справі і т. д.). Проходячи через земну атмосферу, ІЧ-випромінювання ослабляється в результаті розсіяння і поглинання. Азот і кисень повітря не поглинають ІЧ-випромінювання, а послаблюють його лише в результаті розсіяння, яке значно менше, ніж для випромінювання видимого світла (Т. к. коефіцієнт розсіювання ~ l-4). Пари води, СО2, озону та ін домішки, наявні в атмосфері, селективно поглинають ІЧ-випромінювання. Особливо сильно  поглинають ІЧ-випромінювання пари води, смуги поглинання яких розташовані майже у всій ІЧ-області спектра. Завдяки сильному поглинанню ІЧ-випромінювання  земною атмосферою лише невелика частина зворотного ІЧ-випромінювання Землі виходить за межі атмосфери, тобто атмосфера служить теплоізолюючої оболонкою, перешкоджає охолодженню Землі. Наявність в атмосфері частинок диму, пилу, дрібних крапель води (серпанок, туман) призводить до додаткового ослаблення ІЧ-випромінювання в результаті розсіювання на цих частках, причому величина розсіяння залежить від співвідношення розмірів часток і довжини хвилі ІЧ-випромінювання.

2. ІНФРАЧЕРВОНЕ ОПАЛЕННЯ

У сучасному світі стають все більш поширеними прилади інфрачервоного випромінювання. Їх використовують у промисловості, комунальному господарстві, медицині.  При поширенні інфрачервоного випромінювання в просторі практично не відбувається втрат енергії. По суті, це природний і найдосконаліший метод обігріву. Промениста енергія поглинається навколишніми поверхнями, перетворюючись на теплову енергію, нагріває їх, які в свою чергу віддають тепло повітрю.  Витрати на будівництво систем опалення високих приміщень з великим повітрообміном при використанні інфрачервоних випромінювачів в два рази менше, ніж при використанні водних центральних систем опалення.[4]

Інфрачервоне опалення - один з різновидів систем опалення, де в якості джерела тепла використовуються інфрачервоні випромінювачі. інфрачервоне опалення може використовуватися як у якості допоміжного, так і самостійного типу опалення. Завдяки особливостям ІЧ- випромінювання можлива організація  локального опалення, при якому тепло подається лише в ті зони, де це необхідно, що особливо актуально у великих приміщеннях з високими стелями. Крім того, це єдиний вид опалення, що дозволяє організувати ефективний обігрів відкритих (у тому числі вуличних ) просторів.

Оскільки теплове випромінювання від інфрачервоного обігрівача практично не поглинається і не розсіюється повітрям, вся випромінювана енергія досягає безпосередньо людей  і предметів. Об'єкти, у свою чергу, нагріваються і передають тепло навколишньому повітрю. Тому інфрачервоне опалення називають опаленням прямого нагріву, а конвекційне - непрямого нагріву. Це і є основною відмінністю інфрачервоних обігрівачів від інших видів опалення.[5]

Інфрачервоне і конвективное опалення

Рисунок 2 – Інфрачервоне і конвективное опалення

Інфрачервоний обігрівач - опалювальний прилад, який віддає тепло в навколишнє середовище за допомогою інфрачервоного випромінювання. У побуті іноді неточно називається рефлектором. Промениста енергія поглинається навколишніми поверхнями, перетворюючись на теплову енергію, нагріває їх, які в свою чергу віддають тепло повітрю. Це дає суттєвий економічний ефект порівняно з конвекційним обігрівом, де тепло істотно витрачається на обігрів невикористаного підстельового простору. Крім того, за допомогою ІК обігрівачів з'являється можливість місцевого обігріву тільки тих площ у приміщенні, в яких це необхідно без обігріву всього об'єму приміщення ; тепловий ефект від інфрачервоних обігрівачів відчувається відразу після включення, що дозволяє уникнути попереднього нагрівання приміщення. Ці фактори знижують витрати енергії.

Поширення інфрачервоного випромінювання від обігрівача

Рисунок 3 – Поширення інфрачервоного випромінювання від обігрівача

Головним конструктивним елементом інфрачервоного обігрівача є випромінювач, що випускає інфрачервоне випромінювання за рахунок нагрівання. В електричних обігрівачах зазвичай використовується трубчастий електронагрівач (ТЕН ) або відкрита ( або захищена кварцовою трубкою) спіраль, в газових - металева сітка або трубка з чорним  покриттям або керамічна пластина зі спеціальними отворами, що нагрівається проходять крізь неї продуктами згоряння природного газу. [6]

Для більш спрямованого обігріву та захисту корпусу і його вмісту від перегріву застосовується рефлектор з добре відбиваючого і теплостійкого металу. Якщо випромінювач має  компактну форму, то рефлектор роблять у формі параболоїда обертання, якщо лінійну - параболічного циліндра. Для пом'якшення і часткового розширення діаграми спрямованості  рефлектор іноді роблять матовим або наносять на нього нерівності.

Якщо обігрівач призначений для розміщення в місці, доступному людям або домашнім тваринам, випромінювач додатково захищають металевою сіткою або прозорою перегородкою.

Типи інфрачервоних обігрівачів

Залежно від діапазону випромінювання, інфрачервоні обігрівачі ділять на:

     
  1. Короткохвильові;  
  2. Середньохвильові;  
  3. Довгохвильові.

За типом джерела енергії розрізняють:

     
  1. Електричні;  
  2. Газові;  
  3. Дизельні.

За способом установки:

     
  1. Мобільні (переносні)  
  2. Стаціонарні - підлогові, настінні, стельові, підвісні

Залежно від діапазону випромінювання та використовуваного джерела енергії інфрачервоні обігрівачі можуть застосовуватися для різних цілей:

     
  1. Додаткове опалення;  
  2. Самостійне опалення;  
  3. Локальний (точковий обігрів) у приміщенні;  
  4. Локальний обігрів поза приміщеннями;  
  5. Обігрів виїзних заходів.

Керамічний інфрачервоний випромінювач

Керамічний інфрачервоний випромінювач складається з резистивного нагрівального кабелю, повністю зануреного в відповідний керамічний матеріал.  Завдяки повному зануренню створювана нагрівальним кабелем енергія передається навколишньому його матеріалу. Це захищає нагрівальний кабель від перегріву і збільшує його термін служби. Матеріал, що використовується для укладання нагрівального кабелю, є неелектропровідних і повинен володіти хорошими абсорбційними і емісійними якостями в необхідному інфрачервоному діапазоні хвиль. З урахуванням цих критеріїв виробляються  керамічні ІЧ- випромінювачі різної геометрії.

Керамічні інфрачервоні випромінювачі є керамічні тіла, частина поверхні яких використовується в якості випромінюючої поверхні з вбудованою нагрівальною спіраллю. Більше того, керамічні ІЧ- випромінювачі дозволяють розміщувати термоелемент стаціонарно в безпосередній близькості від нагрівального кабелю.

Керамічний інфрачервоний випромінювач був винайдений компанією Elstein - Werk. Базова модель керамічного випромінювача з гвинтовим цоколем запатентована  24 березня 1949. Паралельно з цим був розроблений плоский керамічний ІК - випромінювач, який дозволяв вибудовувати великі інфрачервоні нагрівальні площі. Патент на плоскі керамічні ІЧ- випромінювачі був виданий компанії Elstein - Werk 8 березня 1950 .

Газовий інфрачервоний обігрівач - різновид теплового обладнання, обігрівач, використовуваний для нагрівання предметів та обігріву приміщень  за допомогою інфрачервоного випромінювання.

Головним показником, що характеризує енергоефективність газового інфрачервоного обігрівача, є променистий ККД. Показник променистого ККД відображає відсоток енергії, перетвореної в теплове випромінювання, що досягає опалювальної зони. Сучасні газові інфрачервоні обігрівачі досягають у виробленому променистім ККД - 80 %.

Потрапляючи на Землю, теплове випромінювання Сонця нагріває її поверхня: грунт, каміння, дерева, воду і т.д. і лише потім від контакту з ними нагрівається повітря .

Інфрачервоні обігрівачі діють також. Зазвичай розташовуючись в приміщеннях на висоті від 4 до 32 метрів, вони, як маленькі сонця, направляють  теплі промені вниз. Нагрівання приміщення проводиться шляхом прямого впливу інфрачервоних променів на поверхні: підлогу, нижню зону зовнішніх стін, обладнання, людей.[7]

Вони поглинають тепло в першу чергу, і тільки потім, від нагрітих поверхонь, починається процес тепловіддачі в навколишнє повітря.  У цьому і полягає принцип роботи інфрачервоних обігрівачів, і сама суть інфрачервоного опалення. При такому методі опалення поверхні предметів тепліше навколишнього повітря на 7-10 С.

Основними елементами конструкції газового інфрачервоного обігрівача є:

Однією з конструктивних різновидів газових інфрачервоних обігрівачів, які використовують той же принцип променистого нагріву, є інфрачервоні трубчасті  газові обігрівачі, основними елементами конструкції якого є:

Перший газовий інфрачервоний обігрівач був винайдений і запатентований в 1933 році німецьким конструктором Гюнтером шванки (сьогодні його ім'я носить найбільший світовий виробник інфрачервоного газового обладнання - компанія Schwank ).

газоповітряної променисте опалення

В системі газоповітряного опалення з випромінювачами функцію опалювальних приладів виконують тепловипромінюючі труби, прокладені у верхній зоні (не нижче 5 м від поверхні підлоги ) приміщення. Всередині замкнутого контуру тепловипромінюючих труб циркулює суміш нагрітого повітря з продуктами згоряння. Тепловіддача з поверхні труб в приміщення відбувається переважно випромінюванням (до 60 %).

Переваги газоповітряного променевого опалення в порівнянні з повітряним опаленням : економія теплової енергії за рахунок зменшення градієнта температури по висоті приміщення, можливість зниження температури повітря в робочій зоні при збереженні умов теплового комфорту, автономність,  незамерзаемость, зручність регулювання.

Газове променисте опалення

Опалювальними приладами в цій системі опалення є пальники інфрачервоного випромінювання. Систему променевого опалення найбільш доцільно застосовувати у великих приміщеннях із значними тепловтратами . Особливо ефективна вона при обігріві частково або повністю відкритих робочих майданчиків ( монтажних, складальних, відкритих стоянок автомобілів і т.д.). Невеликі розміри і маса інфрачервоних пальників роблять їх зручними для розміщення в опалюваних приміщеннях . Їх теплопередающей поверхню за площею майже в 10 разів менше, ніж площа нагрівальної поверхні опалювальних приладів водяного опалення. Газове променисте опалення застосовується також у різних сільськогосподарських та складських приміщеннях.[8-11]

Перелік посилань

  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