CC BY
50
кутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83.
Майзель Денис Игоревич, магистрант группы ПГСм-14-1, е-mail: [email protected]; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83.
Афанасьева Антонида Сергеевна, магистрантка группы ГСХм 14-1, е-mail: [email protected]; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83.
Тимофеева Евгения Евгеньевна, магистрантка группы ГСХм 14-1, е-mail: [email protected]; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83.
Information about the authors
Shelekhov I.Yu., candidate of technical sciences, associate professor, Department of Urban Construction and economy, tel.: +7 (3952) 40-54-74, e-mail: [email protected]; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Maizel D.I., candidate for a master's degree, е-mail: [email protected]; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Aphanasieva A.S., candidate for a master's degree, е-mail: [email protected]; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Timopheeva E.E., candidate for a master's degree, е-mail: [email protected]; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
УДК: 681.2-027.31
DOI: 10.21285/2227-2917-2016-3-118-124
ЭФФЕКТИВНАЯ КОНСТРУКЦИЯ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ
ИНФРАКРАСНОГО ОБОГРЕВА
© И.Ю. Шелехов, Т.И. Шишелова, В.П. Иноземцев, В.В. Пожидаев
Представлен опыт авторов по повышению эффективности использования электрической энергии и экономии затрат, связанных с локализованным обогревом мест для проведения общестроительных работ. Показано, что изменение конструкции нагревательного элемента благоприятно влияет на теплотехнические характеристики отопительного прибора и позволяет снизить энергетические затраты на обогрев локализованных зон. В результате проведенной работы определено, что при использовании нового типа нагревательных элементов поле комфортных температур значительно увеличивается. Обнаружено, что это достигается благодаря изменению принципа инфракрасного излучения от нагревательного элемента. Проведенные авторами эксперименты показали, что за счет применения новых технологий возможно сократить энергетические затраты или при использовании аналогичных энергетических затрат увеличить площадь локализованного нагрева.
Ключевые слова: резистивный слой, нагревательные элементы, инфракрасные обогреватели, энергосбережение, температурный коэффициент сопротивления, энергетические затраты.
EFFECTIVE CONSTRUCTION OF A HEATING ELEMENT FOR INFRA-RED
HEATING
© I.Iu. Shelekhov, T.I. Shishelova, V.P. Inozemtsev, V.V. Pozhidaev
We introduced experience of authors how to increase effectiveness of the use of electric energy and economy of the expenses, connected with local heating of the places to hold general construction works. It is shown that the change of construction of a heating element is favourable for heating and technical characteristics of a heating device and allows to decrease power expenses for the heating of local areas. As a result of the performed work it was stated that during the use of a new type of heating elements the field of comfortable temperatures considerably increases. It is found out that it is achieved due to the change of the principle of infra-red emission from a heating element. The experiments, held by the authors of the article, show that at the expense of the use of new technologies it is possible to reduce energy expenses or to increase the square of a local heating using the same energy expenses.
Keywords: resistive layer, heating elements, infra-red heating devices, energy consumption, temperature index of resistance, energy expenses
Введение
В связи с тем, что на большей части территории России в течение календарного года превалируют отрицательные температуры, возникает необходимость в создании благоприятных условий для производства строительных работ. Спектр работ, при которых нужно поддерживать положительную температуру, очень обширен, и для каждого вида работ предусмотрен свой способ обогрева. В ряде случаев предпочтительным и целесообразным является инфракрасный тип обогрева, особенно если требуется локализованный обогрев заданной площади. Для этих целей выпускается широкий спектр газовых инфракрасных обогревателей, но в подавляющем большинстве случаев применение их в процессе строительства невозможно по различным причинам. В первую очередь это связано с техникой безопасности, так как создать условия безопасного использования данных обогревателей во время строительства просто невозможно. Кроме этого, необходимо обеспечить строительный участок снабжением газовыми баллонами, особыми условиями их хранения и подготовить специализированный обслуживающий персонал.
Применением новых технологий при решении аналогичных задач занимаются ученые во всем мире, в «Материалах Второй международной конференции» [1] дается подробный анализ структурных изменений свойств электропроводящих материалов. В подавляющем большинстве случаев используются электрические инфракрасные обогреватели, излучающим элементом которых является трубчатый нагревательный элемент, использование кварцевых нагревательных элементов не целесообразно из-за их низкой механической прочности. При установке таких нагревательных приборов для локального обогрева необходимой площади следует учитывать, что тепловое излучение от нагревательного прибора распространяется только в зоне прямого действия, и интенсивность теплового потока максимальна в зоне действия излучающего элемента. Поэтому для определения места и высоты установки обогревателя необходимо учитывать конструктивные особенности прибора и углы первичного излучения от самого нагревательного элемента. Для жилых помещений аналогичный анализ изменения конструктивных элементов электроотопительных приборов рассматривался авторами статьи «Comparative analysis of radiator heaters and central heating system»[2].
Цель исследования
Цель данного исследования - определить зоны нагрева, благоприятные для производства строительных работ с конструкциями инфракрасных нагревательных приборов, у которых в качестве нагревательного элемента используется трубчатый нагревательный
элемент. На основании полученных результатов разработать новую конструкцию нагревательного элемента и осуществить модернизацию инфракрасного прибора для увеличения благоприятных зон нагрева. Для жилых помещений И.Ю. Шелеховым и Т.И. Шишеловой проводились аналогичные работы, подробно описанные в их статьях [3, 4].
Основные результаты
Для проведения экспериментов нами был выбран промышленный инфракрасный обогреватель марки «БиЛюкс У2000», который используется для обогрева промышленных площадок с рекомендуемой высотой установки от 3 до 5 м. Корпус данного обогревателя выполнен из оцинкованного стального листа, в качестве нагревателя используется стальной ТЭН.
Данный электрообогревательный прибор был установлен на высоте 3 м в неотапливаемом помещении с температурой воздуха и ограждающих конструкций -15 оС. На рис. 1 представлен график распределения температур непосредственно под обогревателем в установившемся режиме.
Рис. 1. Распределение температур при обогреве с открытым ТЭНом
Для проведения дальнейших экспериментов нами был изготовлен нагревательный элемент на стеклокерамической подложке по толстопленочной технологии, которая запатентована и ранее использовалась для производства отопительных приборов [5, 6]. Основой этой технологии является сеткотрафаретная печать. Через трафарет, нанесенный на сетку, на диэлектрическую подложку наносится топологический рисунок, который после специализированной термической обработки превращается в нагревательный элемент. Аналогичные разработки ведутся за рубежом, наилучшие результаты получены американскими учеными [7, 8].
Для своего нагревательного элемента мы применили материал, который обладает позисторным эффектом (высоким положительным температурным коэффициентом сопротивления). С повышением температуры возрастает электрическое сопротивление, которое ограничивает ток и, следовательно, мощность. Причем температурная зависимость сопротивления нагревательного элемента не является линейной функцией, а меняет свое значение в определенном температурном диапазоне. Данные свойства удалось получить путем применения толстопленочной технологии и новых композиционных материалов. Нагревательный элемент [9] сам регулирует необходимое количество выделяемой мощности для поддержания требуемой температуры, плавно выходит на заданный уровень мощности и скачкообразно увеличивает свое сопротивление при аварийных ситуациях. На конструкцию нагревательного элемента получен патент на полезную модель № 109628.
На рис. 2 представлена структура нагревательного элемента, которая представляет собой последовательное включение активных резистивных элементов. Каждый элемент собранной системы является независимым нагревательным элементом.
Рис. 2. Структура толстопленочного нагревательного элемента
Температура на поверхности нагрева такого элемента за счет изменения электрофизических свойств находится в диапазоне от 250 оС до 300 оС. Классические нагревательные элементы имеют линейный температурный коэффициент сопротивления (ТКС), в зависимости от применяемых материалов меняется только его величина. Так как спектр применения аналогичных приборов различный, соответственно, и ТКС должен быть различным в зависимости от температурного диапазона, в котором он используется, и в зависимости от изменения внешних метеорологических условий. К аналогичным выводам пришли ученые Томас Олофссон, Стаффан Андерссон, Ян-Улрик Сёгрен при сопоставлении параметров энергетических затрат и конструкций зданий [10]. На рис. 3 представлен внешний вид нагревательного элемента.
Рис. 3. Разработанный и изготовленный нагревательный элемент
В электрообогревательном приборе нагревательный элемент был заменен разработанным и изготовленным нами. Мы провели аналогичный эксперимент, результаты которого представлены на рис. 4.
Рис. 4. Распределение температур при обогреве толстопленочным нагревательным
элементом
При использовании аналогичной технологии для увеличения коэффициента излучения на внешнюю теплопередающую поверхность стеклокерамики был нанесен слой алюминия толщиной 100 мкм и проведен аналогичный эксперимент, результаты которого
Рис. 5. Распределение температур при обогреве толстопленочным нагревательным
элементом с нанесенным слоем алюминия
Выводы
На основании проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:
1. При использовании нового типа нагревательных элементов поле комфортных температур значительно увеличивается. Это достигается благодаря изменению принципа инфракрасного излучения от нагревательного элемента. Более наглядно это показано на рис. 6.
Рис. 6. Инфракрасное излучение от трубчатого нагревательного элемента и от
плоского элемента
2. За счет применения новых технологий возможно сократить энергетические затраты или при использовании аналогичных энергетических затрат увеличить площадь локализованного нагрева.
Статья поступила 26.04.2016 г.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. KhalinaT.M., Marsov V.U., Zhuykov A.V. Structure Formation Analysis of Electro-Conductive Dispersional Filled Polymers by the Electron Microscopy Methods // Technical and Physical Problems in Power Engineering (TPE - 2004): Second International Conference. Tabriz, Iran, 2004. P. 328-332.
2. Shelekhov I.Y., Dryanov O.A., Dukhovny L.I. Comparative analysis of radiator heaters and central heating system // Scientific Israel - Technological Advantages, Scientific Herald of Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering. 2012. Vol. 14, № 2. P. 39-43.
3. Шелехов И.Ю., Шишелова Т.И. Сравнительный анализ использования электронагревательных приборов в жилых помещениях // Фундаментальные исследования. 2012. № 9-2. С. 421-424.
4. Шелехов И.Ю., Шишелова Т.И. Разработка отопительного оборудования и исследования его эффективности в системах жизнеобеспечения // Вестник ИрГТУ. 2007. Т. 1, № 1 (29). С. 104-109.
5. Пат. 2463748, МПК H05B3. Способ изготовления толстопленочного резистивно-го нагревателя / Головных И.М., Иванов Н.А., Ким Бьянг Чул, Шелехов И.Ю., Шелехова И.В.; патентообладатель ООО «Термостат». От 10.08.2012 г.
6. Пат. на полезную модель 109536, МПК F24H3/04. Отопительный прибор / Шеле-хов И.Ю., Шелехова И.В., Иванов Н.А., Ким Бьянг Чул, Головных И.М.; патентообладатели ООО «Термостат», Институт кооперации науки и промышленности Пусанского национального университета (Ю. Корея). Приоритет от 21.03.2011; опубл. 20.10.2011.
7. Patent US6376810, USA, IPC H05B3/74. Radiant electric heater / Higgins G.A.; assignee Ceramaspeed Limited. № US 09/822,557, filed 30.03.2001; publ. 23.04.2002.
8. Patent US5892206, USA, IPC F24C7/04, H05B1/02, H05B3/74, F24C7/06, F24C15/10. Radiant electric heater arrangement and method of operating the same / Higgins G.A.; assignee Ceramaspeed Limited. № US 08/743,714, filed 06.11.96; publ. 06.04.1999.
9. Пат. на полезную модель 109628, МПК H05B3/14. Нагревательный элемент / Ким Бьянг Чул, Головных И.М., Иванов Н.А., Шелехова И.В., Шелехов И.Ю.; патентообладатели Институт кооперации науки и промышленности Пусанского национального университета (Ю. Корея), ООО «Термостат». От 21.03.2011.
10. Olofsson T., Andersson S., Sjogren J.-U. Building energy parameter investigations based on multivariate analysis [Электронный ресурс] // Energy and Buildings. 2009. № 41. P. 71-80. URL: http://www.icheh.com/Files/Posts/Portal1/10vm.pdf (24.03.2016).
REFERENCES
1. KhalinaT.M., Marsov V.U., Zhuykov A.V. Structure Formation Analysis of Electro-Conductive Dispersional Filled Polymers by the Electron Microscopy Methods. Technical and Physical Problems in Power Engineering (TPE - 2004): Second International Conference, Tabriz, Iran, 2004, pp. 328-332.
2. Shelekhov I.Y., Dryanov O.A., Dukhovny L.I. Comparative analysis of radiator heaters and central heating system. Scientific Israel - Technological Advantages, Scientific Herald of Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering, 2012, vol. 14, no. 2, pp. 39-43.
3. Shelekhov I.Yu., Shishelova T.I. The Comparative Analysis of Use of Electroheating Devices in Pre-Mises. Fundamental'nye issledovaniya [Fundamental researches], 2012, no. 9-2, pp. 421-424.
4. Shelekhov I.Yu., Shishelova T.I. Development of heating devices and research of its effectiveness in the systems of life necessities. Vestnik IrGTU [Proceedings of ISTU], 2007, vol. 1, no. 1 (29), pp. 104-109.
5. Golovnykh I.M., Ivanov N.A., Kim B'yang Chul, Shelekhov I.Yu., Shelekhova I.V. Sposob izgotovleniya tolstoplenochnogo rezistivnogo nagrevatelya [Method of producing a thick-film resistance-type heater]. Patent no. 2463748, 2012.
6. Shelekhov I.Yu., Shelekhova I.V., Ivanov N.A., Kim B'yang Chul, Golovnykh I.M. Otopitel'nyipribor [Heating device]. Patent no. 109536, 2011.
7. Higgins G.A. Radiant electric heater. Patent USA no. US6376810, 2002.
8. Higgins G.A. Radiant electric heater arrangement and method of operating the same. Patent USA no. US5892206, 1999.
9. Kim B'yang Chul, Golovnykh I.M., Ivanov N.A., Shelekhova I.V., Shelekhov I.Yu. Nagrevatel'nyi element [Heating element]. Patent no. 109628, 2011.
10. Olofsson T., Andersson S., Sjogren J.-U. Building energy parameter investigations based on multivariate analysis. Energy and Buildings, 2009, no. 41, pp. 71-80. Available at: http://www.icheh.com/Files/Posts/Portal1/10vm.pdf (accessed 24.03.2016).
Информация об авторах
Шелехов Игорь Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: +7 (3952) 40-54-74, e-mail: [email protected]; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Шишелова Татьяна Ильинична, доктор технических наук, профессор кафедры физики, тел.: +7 (3952) 40-52-32, e-mail: [email protected]; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Иноземцев Виктор Петрович, аспирант кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, e-mail: [email protected]; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Пожидаев Владимир Викторович, магистрант кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: +7 (3952) 40-54-74, e-mail: [email protected]; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the authors
Shelekhov I.Yu., candidate of technical sciences, associate professor, Department of Urban Construction and economy, tel.: +7 (3952) 40-54-74, e-mail: [email protected]; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Shishelova T.I., Doctor of Technical science, professor, Department of physics, tel.: +7 (3952) 40-52-32, e-mail: [email protected]; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Inozemtsev V.P., Post-graduate, Department engineering services and life-support systems, e-mail: [email protected]; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Pozhidaev V.V., candidate for a master's degree, Department of Urban Construction and economy, tel.: +7 (3952) 40-54-74, e-mail: [email protected]; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
