Г л а в а 5. УСТАНОВКИ ИНФРАКРАСНОГО НАГРЕВА
5.1. ОСОБЕННОСТИ ИНФРАКРАСНОГО НАГРЕВА
Поглощение электромагнитных волн вызывает нагрев среды. Значительным тепловым действием обладает излучение с длиной волны 0,76... 420 мкм, которое называют инфракрасным (ИК).
Инфракрасные излучения условно делят на коротковолновые (0,76...2,5 мкм), средневолновые (2,5...25 мкм) и длинноволновые (свыше 25 мкм).
ИК излучение является следствием преобразования тепловой энергии излучателя в колебания электромагнитного поля.
Излучательная способность различных тел при одинаковой температуре различна и зависит от степени черноты. Это следует учитывать при выборе материала излучателей. Высокой излучательной способностью обладают стекло, окисленная сталь, огнеупоры, фарфор; плохой — полированные металлы.
Эффективность ИК нагрева повышается с увеличением поглощательной способности тел. Тела, обладающие высокой излучательной способностью, имеют хорошую поглощательную способность.
Каждое тело имеет свой максимум поглощения и пропускания ИК излучений, а иногда и несколько максимумов при различных длинах волн.
Коротковолновые излучения обладают повышенной проникающей способностью, вызывая глубокий прогрев прозрачных тел, а длинноволновые нагревают только поверхностные слои.
Количественная зависимость для интегрального излучения реальных серых тел определяется законом Стефана-Больцмана
(5.1),
где Е — плотность потока излучения, Вт/м2; Т — температура излучающей поверхности, °К; Со — постоянная, равная 5,67- 1C-8 Вт/(м2-К4); г—степень черноты тела.
Из формулы видно, что плотность потока инфракрасного излучения пропорциональна четвертой степени температуры излучателя (нагревателя). Нагрев при температуре более 800°К позволяет передавать гораздо большие мощности по сравнению с конвективным нагревом.
Другой особенностью ИК нагрева является избирательность действия, позволяющая осуществлять селективный нагрев. Например, при облучении зерна ИК лучами с длиной волны 2,7... 3,7 мкм достигается наилучший эффект дезинсекции. При этом амбарные вредители, имея максимум поглощения в указанном диапазоне погибают от теплового удара.
ИК излучения можно концентрировать при помощи различных отражателей и экранов, подобно видимому излучению.
Области применения ИК излучений весьма разнообразны. В сельском хозяйстве их используют в качестве теплоносителя
для обогрева молодняка животных и птиц, лечения животных, сушки и дезинсекции сельскохозяйственных продуктов, пастеризации молока, сушки лакокрасочных покрытий, обмоток электрических машин и т. д.
5.2. УСТРОЙСТВО И ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
Эффективность ИК нагрева в значительной степени зависит от устройства и рационального выбора излучателя.
К электрическим излучателям предъявляют следующие основные требования: максимальное соответствие длины волны ИК излучения поглощательной способности объектов нагрева, пожаробезопасность, простота и надежность в работе.
Электрические излучатели условно делят на темные и светлые. Темные излучатели имеют сравнительно невысокую температуру (до 700°С). Светлые изчучатели нагреваются до температуры видимого свечения и испускают большую долю коротковолнового излучения.
К светлым излучателям относят лампы-термоизлучатели типа ИКЗ, отличающиеся от обычных ламп накаливания формой колбы и пониженной температурой тела накала. Их выпускают на напряжение 220 и 127 В мощностью 250 и 500 Вт. Они имеют параболическую форму, верхняя внутренняя поверхность их покрыта слоем серебра для отражения и концентрации ИК излучения. Температура тела накала составляет около 2200°С. Срок службы
Рис. 5.1. Эпюры энергетической облученности, создаваемой лампой ИКЗ мощностью 250 Вт при различной высоте подвеса:
1 — 10 см; 2 — 20 см; 3 — 30 см: 4 —40 см; 5 — 50 см; 6 — 60 см; 7—80 ем.
ламп достигает 5000 ч. Основная часть энергии излучается с длиной волны от 0,8 до 3,5 мкм, а максимум излучения приходится на длину волны 1,05 мкм.
Эпюры энергетической облученности, создаваемой лампой ИКЗ мощностью 250 Вт при разной высоте подвеса, приведены на рисунке 5.1.
В отличие от описанных лампы-термоизлучатели ИКЗК имеют колбу из красного стекла, создающего наиболее целесообразный спектр излучения для обогрева животных.
Лампы из обычного стекла не обладают высокой термостойкостью. Более надежны в работе кварцевые лампы, представляющие собой трубки из кварцевого стекла, внутри которых размещена вольфрамовая спираль.
Рис. 5.2. Кварцевая инфракрасная лампа КИ-220-1000:
1— кварцевая трубка; 2— вольфрамовая спираль; 3— вольфрамовые поддержки; 4 — выводы.
Кварц обладает малым температурным коэффициентом линейного расширения, поэтому он весьма термостоек к перепадам температур. На рисунке 5.2 показана кварцевая инфракрасная лампа КН-220-1000 на 220 В, 1000 Вт. Наполнителем служит аргон с добавкой йода, который увеличивает срок службы спирали до 5000 ч. Температура спирали достигает 2500°С, а стенок трубки — 500 ... 700°С. Основная часть спектра излучений находится в пределах 0,77... 3 мкм.
Светлые лампы-излучатели удобны в эксплуатации, так как они имеют малую тепловую инерционность и взаимозаменяемы. К недостаткам следует отнести сравнительно невысокий срок службы из-за боя колб и перегорания тела накала, необходимость в повышенных мерах пожарной безопасности.
Темные излучатели генерируют ИК излучения в диапазоне выше 3 мкм. Их изготавливают в виде открытых спиралей из жаростойкого сплава (нихрома и др.) на керамических стержнях, а также в герметических трубках (ТЭНы), заполненных кварцевым песком. Температура трубки из хромоникелевой стали достигает 700°С.
Недостаток открытых спиралей состоит в малом сроке службы (до 500... 1000 ч) из-за интенсивного окисления на воздухе.
Спираль в ТЭНах работает без доступа воздуха и имеет лучшие условия теплоотдачи, поэтому срок службы их увеличен в несколько раз, достигая 3... 5 тыс. ч.
Кроме ТЭНов, в качестве излучателей используются керамические трубки, нагреваемые изнутри спиралями. Температура поверхности трубок достигает 600°С.
В зависимости от назначения электрические излучатели монтируют в специальной арматуре для защиты от механических повреждений и капель воды, лучшего использования лучистого потока и концентрации его в нужном направлении.
Рис. 5.3. Электрический облучатель ССП-01-250:
1 — сальник; 2 — клеммные колодки; 3 — патрон; 4 — корпус; 5 — уплотнитель; 6 — отражатель; 7 — защитная сетка; 8 — фиксатор; 9 — подвеска.
Для примера на рисунке 5.3 показана конструкция инфракрасного облучателя ССП-01-250, предназначенного для поросят. Облучатель состоит из штампованного металлического отражателя с защитной сеткой и пластмассового корпуса с фарфоровым патроном и другими крепежными и уплотнительными деталями. Внутренняя и наружная поверхности отражателя покрыты химостойкой стекло-эмалью белого цвета.
Излучателем служит лампа типа ИКЗК мощностью 250 Вт на напряжение 220 В. Горловина лампы плотно охватывается резиновым диском, благодаря чему патрон надежно уплотнен. Защитный угол отражения облучателя—15°, а энергетический к. п. д.— 70%.
При высоте подвеса 60 см над логовом для поросят температура воздуха под облучателем на площади в 0,8 м2 равна 28... 32°С, что вполне достаточно для обогрева поросят одного опороса при температуре воздуха в помещении, равной 12...16°С.
Электрические излучатели выбирают, используя законы светотехники и теплопередачи.
Необходимая энергетическая облученность (Вт/м2) на расчетной поверхности нагрева может быть определена из уравнения теплового баланса:
где а — коэффициент теплоотдачи от нагреваемого тела, Вт/(м2-°С);
отношение полной поверхности тела к облучаемой; ©i и ©о — температура тела и окружающей среды, °С; еп — коэффициент поглощения лучистого потока нагреваемым телом.
Для молодняка животных и птицы еп колеблется в пределах от 0,54 до 0,88, а £ от 100 до 500 Вт/м2 в зависимости от возраста молодняка и температуры воздуха в помещении.
Число излучателей
(5.3)
где k3 — коэффициент запаса (1,1... 1,25); Р — энергетический к. п. д.; и — коэффициент эффективности использования излучателя; Pi — мощность излучателя, Вт.
Энергетический к. п. д. светлых излучателей составляет 0,7... 0,8. а темных — 0,35... 0,4.
Коэффициент эффективности использования излучателя зависит главным образом от высоты подвеса и изменяется от 0,7 до 0,85.
Расстояние между облучателями (м), размещенными над облучаемой поверхностью
(5.4)
где kp — коэффициент, зависимый от расположения излучателей (при коридорном — 1, шахматном — 0,93).
5.3. АВТОМАТИЗАЦИЯ УСТАНОВОК ИК НАГРЕВА
ИК излучения обладают специфической особенностью избирательного поглощения нагреваемой средой, что затрудняет автоматизацию установок по температуре среды, связанную с неудобством размещения чувствительных элементов лучистого потока.
Автоматизация установок инфракрасного нагрева при оптимальной энергетической облученности нагреваемых тел осуществляется обычно по временному принципу с использованием программных устройств. В частности, при обогреве поросят-сосунов рекомендуется устанавливать циклический режим работы облучателя. Длительность каждого цикла 60 мин: 45 мин — работа и 15 мин — пауза. Такой режим создает наиболее благоприятный микроклимат для молодняка и уменьшает расход электроэнергии по сравнению с непрерывным облучением.
В качестве программных устройств широко применяют различные программные реле времени (2РВМ, КЭП-12У и др.).
В некоторых случаях используют только дистанционное управление установками инфракрасного нагрева, а там, где удобно измерять температуру нагреваемой среды (например, при инфракрасной сушке зерна в потоке), применяют методы терморегулирования электронагревательных установок.
