CC BY
73
15. Семенов, Б. Л. Применение сжиженного газа в судовых дизелях [Текст] / Б. Н. Семенов. — Л. : Судостроение, 1969. - 176 с.
16. Ведрученко, В. Р. О расчете процесса топливопода-чи тепловозного дизеля на маловязких топливах [Текст] / В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, Н. В. Жданов // Известия Транссиба. - 2015. - № 2. - С. 68-72.
ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры теплоэнергетики.
КРАЙНОВ Василий Васильевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры теплоэнергетики.
КОКШАРОВ Максим Валерьевич, старший преподаватель кафедры теплоэнергетики. ЖДАНОВ Николай Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики. ЛАЗАРЕВ Евгений Сергеевич, аспирант кафедры теплоэнергетики.
Адрес для переписки: Incoe@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 15.10.2015 г. © В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, М. В. Кокшаров, Н. В. Жданов, Е. С. Лазарев
УДК 6213 Е. В. ПТИЦЫНА
Д. В. ПТИЦЫН А. Б. КУВАЛДИН
Омский государственный технический университет Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СВЕТЛЫХ И ТЕМНЫХ ИНФРАКРАСНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ С ПИТАНИЕМ ТОКОМ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
Исследованы факторы, определяющие выбор эффективных режимов работы электротехнологических установок инфракрасного нагрева со светлыми и темными излучателями и показана эффективность применения тока сложной формы для их питания.
Ключевые слова: инфракрасный излучатель, электрический режим, потребляемая мощность, ток сложной формы.
Инфракрасные (ИК) излучатели применяются не только для обогрева помещений, но и в промышленных низкотемпературных электрических печах сопротивления для термообработки и сушки. Например, инфракрасные туннельные и шахтные печи используют темные инфракрасные излучатели — это основные элементы линии термической вулканизации кабельных покрытий, сушки и оплавления полимерных трубок, устройств разогрева труб перед термоформованием. В электронагревателях инфракрасных туннельных (ЭНТ) осуществляется непрерывный разогрев наружной поверхности трубчатых полимерных материалов с помощью направленного инфракрасного излучения заданного диапазона длин волн. Их основными элементами являются темные излучатели серий ИКН-100, ИКН-200, ИКН-300, которые выполнены из высокоглиноземистых шамотов с содержанием оксида — 72 %. Излучатели выпускаются обычного исполнения (1) и с встроенным датчиком температуры излучающей поверхности (2). Термодатчик ТХА — это хромель-алюмелевый преобразователь типа «К»
(№Сг- №А1) с контактными выводами. Темные ИК-излучатели — керамические нагревательные элементы серии ИКН-100 имеют вогнутую излучающую поверхность, серии ИКН-200 — плоскую, ИКН-300 — внутреннюю теплоизоляцию и плоскую излучающую поверхность. Диапазон мощностей ИКН-100, ИКН-300 составляет 250-1000 Вт, а ИКН-200 — 60-250 Вт. Эти излучатели обеспечивают равномерную температуру поверхности излучения и равномерный лучистый обогрев. Все излучатели ИКН покрыты глухой матовой ангоби-рованной керамической глазурью на основе оксида циркония, которая не чувствительна к пыли и органическим загрязнениям, а также к влажности. Выпускают установки ЭИТ с плотно установленными темными ИК-излучателями и зональным расположением обогревателей. Для создания терморезонансного эффекта перераспределения и выравнивания удельной инфракрасной мощности излучения на поверхности материала внутри установки ЭИТ размещают специальные рефлекторы-отражатели из полированной нержавеющей стали.
Важной интегральной характеристикой работы излучателей является энергия излучения, которая учитывает энергию излучения всех волн диапазона, поскольку зависит и от длины волны и от температуры излучающей поверхности [1—6].
Наряду с темными ИК-излучателями используют устройства со светлыми ИК-излучателями в виде ламп с вольфрамовой нитью (температура нити накала 2200 0С) и с внутренним зеркалом-отражателем или в виде трубки из кварцевого стекла с нитью накала. Основная часть энергии в светлых излучателях приходится на длины волн в диапазоне 0,8^3,5 мкм, а максимум излучения наблюдается при длине волны Х = 1,3 мкм. В темных излучателях — спектр излучения соответствует диапазону Х = 2^5 мкм. Пик интенсивности излучения приходится на диапазон 1,5^6 мкм, что является оптимальным для процесса инфракрасного обогрева и сушки. Спектр излучения обоих типов излучателей непрерывный, характерный для твердых веществ [1 — 6].
Повышение энергетической эффективности работы установок с темными и светлыми ИК-излучателями является актуальным по настоящее время. Улучшение качества изделий и увеличение сроков службы зависят, в том числе, и от электрических режимов работы темных и светлых ИК-излучателей.
В работах авторов [3 — 5] показано, что в электролизных и плавильных электротехнологических установках (ЭТУ) для повышения энергетической эффективности целесообразно применять ток сложной формы (ТСФ), т.е. ток полигармонического состава с частотами гармоник в диапазоне 102^103 Гц.
Оптимальный состав гармоник определяется физическими и химическими процессами, протекающими при электролизе и в электрической дуге.
Регулирование спектра частот питающего напряжения и, следовательно, состава (формы) ТСФ может быть реализовано с использованием управляемых полупроводниковых приборов (тиристоров) или нелинейных индуктивностей (дросселей).
Применение ТСФ для питания ИК-излучателей позволяет повысить их энергетические показатели, так как при этом возрастает поток излучения при том же потреблении электроэнергии от сети, что определяется физическим эффектом воздействия электромагнитного поля повышенной частоты на молекулы и атомы материала излучателя. Этот эффект ранее был отмечен рядом исследователей, например, профессором Г. Н. Рохлиным [2 — 7].
Целью данной работы является экспериментальное исследование влияния параметров электрических режимов (обычного и с питанием током сложной формы) на процессы в темных и светлых ИК-излучателях и определение энергетической эффективности применения ТСФ в установках инфракрасного нагрева.
Используемые приборы. Исследование изменения спектра излучения ИК-излучателя выполнены с использованием следующего измерительного комплекса:
— высокочувствительный оптоволоконный спектрометр с ультранизким рассеянием света АуаБрес-иЬБ 2048-и8Б2, в комплекте которого предусмотрено универсальное программное обеспечение АуаБоИ-АЬЬ [1-6];
— для измерения температуры поверхности излучения использована термопара ТХА, встроенная в темный керамический ИК-излучатель ИКН-200 [1-6].
— для измерения электрических параметров установки использован анализатор качества электрической энергии типа ANALYST 2060. В экспериментах определяли среднеквадратичные значения токов, напряжений, активной, реактивной, полной мощности, значение коэффициента мощности в сети [1—6].
Для выполнения экспериментов также была разработана методика исследований.
Первая серия экспериментов выполнена на физической модели ЭТУ для исследования скорости возрастания температуры на поверхности темного ИК-излучателя типа ИКН-203, а также установившихся значений температуры в сравнении обычного режима при питании переменным током (напряжением) частотой 50 Гц и нового при питании ТСФ. В экспериментах использован излучатель инфракрасный керамический типа ИКН-203-0,1/230-2, мощностью 100 Вт, с плоской излучающей поверхностью размером 60х60мм и встроенной термопарой ТХА (табл. 1). Физическая модель промышленной ЭТУ содержала однофазный трансформатор 220/110 В, темный ИК-излучатель со встроенной термопарой и дроссель насыщения (ДН). В обычном и новом режимах напряжение на ИК-излучателе составило 120 В. Регулирование формы тока (напряжения) в новом режиме осуществлялось ДН. В обычном режиме дроссель не использовался.
Значения составляющих мощности, измеренные со стороны первичной обмотки трансформатора в обычном режиме, составили: активная мощность Р — 0,056 кВт, S — полная мощность — 0,152 кВА, Q — реактивная мощность — 0,141 квар, коэффициент мощности установки — 0,368. В новом режиме с питанием ТСФ составляющие мощности, измеренные со стороны первичной обмотки трансформатора были равны: активная мощность Р — 0,045 кВт, S — полная мощность — 0,055 кВА, Q — реактивная мощность — 0,031 квар, коэффициент мощности установки — 0,82.
Экспериментально установлено, что совершенствование электрического режима ЭТУ за счет применения ТСФ увеличивает скорость подъема температуры, а также температуру излучающей поверхности в установившемся режиме (98 0С и 105 0С), что обусловливает увеличение интегральной характеристики — энергии излучения темного ИК-излучателя. О повышении эффективности установки в режиме с питанием ТСФ свидетельствует
Таблица 1
Обычный режим Новый режим
Время, мин Темпера-тура,0С Время, мин Темпера-тура,0С
0 23 0 23
1 28 1 28
2 36 2 40
3 45 3 51
4 52 4 60
5 59 5 67
6 65 6 74
7 69 7 80
8 74 8 85
9 77 9 89
10 81 10 91
15 93 15 102
20 98 20 105
Рис. 1. Спектр излучения светлого ИК-излучателя мощностью 100 Вт в обычном режиме при напряжении 110 В
Рис. 2. Окно цветовой диаграммы для светлого ИК-излучателя мощностью 100 Вт при напряжении 110 В в обычном режиме: хроматические координаты, график поверхностной плотности потока излучения — и его наибольшее значение 2,0 мкВт/см2 и график данных Л^ счета, интегральные параметры
также значение кпд установки, как отношение температуры ИК-излучателя в установившемся режиме к потребляемой из сети мощности, кВА. В новом режиме установка работает с более высоким значением коэффициента мощности 0,82 против 0,368 в обычном режиме.
В [7, 8] исследовано распределение энергии излучения по длинам волн при отклонениях напряжения в сети и соответственно напряжения на ИК-излучателе. В качестве объекта исследования выбраны светлые ИК-излучатели (мощностью 40-100 Вт), номинальное напряжение 12,0 и 220,0 В. Результаты опытов для ИК-излучателя мощностью 100 Вт при работе в обычном режиме и для излуча-
теля мощностью 40 Вт при работе в новом режиме с питанием ТСФ.
Экспериментально установлено, что при увеличении мощности ИК-излучателя от 40 до 100 Вт характер спектральной зависимости излучения имеет наибольшую интенсивность для длины волны 700-800 нм. При регулировании напряжения характер спектра для излучателей мощностью 40 и 100 Вт различен. Для излучателя мощностью 40 Вт отмечены максимумы в спектре на длинах волн 500, 620 и 700 нм. Для излучателя мощностью 100 Вт, при регулировании напряжения от 50 до 250 В, максимумы имели место при длинах волн 550, 600, 700, 900 нм. Однако по мере уменьшения напря-
Рис. 3. Спектр излучения светлого ИК-излучателя мощностью 100 Вт в новом режиме при напряжении 110 В
Рис. 4. Окно цветовой диаграммы для светлого ИК-излучателя мощностью 100 Вт при напряжении 110 В в новом режиме: хроматические координаты, график поверхностной плотности потока излучения и его наибольшее значение 2,0 мкВт/см2 и график данных Л^ счета, интегральные параметры
жения на излучателе отмечено сужение диапазона излучаемых волн и соответствующее сглаживание и исчезновение пиков излучения для длин волн 550, 600, 900 нм. Диапазон длин волн для соответствующих значениях напряжения на ИК-излучателе следующий: при 250 В — [400-1030 нм]; при 200 В — [420-1015 нм]; при 150 В — [450-1000 нм]; при 100 — [500-990 нм]; при 50 В — [625-800 нм]. При регулировании напряжения интенсивность излучения для волны 700 нм соответственно составило 1138, 540, 240, 225 и 30 [6-8].
В опытах измеряли интегральную характеристику: величину поверхностной плотности потока излучения, мкВт/см2. В обычном режиме при питании
переменным током частотой 50 Гц и при регулировании напряжения от 250 до 50 В поверхностная плотность потока излучения изменялась в диапазоне 20,0-0,5 мкВт/см2/нм. По результатам измерений спектров получены цветовые диаграммы.
Вторая серия экспериментов. Опыты проведены для определения распределения энергии излучения по длинам волн при регулировании формы питающего напряжения на светлом ИК-излучателе. Схема экспериментальной установки включала однофазный трансформатор 220/110 В, ДН для регулирования формы тока (напряжения), светлый ИК-излучатель. В качестве объекта исследования выбран светлый ИК-излучатель мощностью 100 Вт,
номинальное напряжение 220 В [2 — 4, 7]. Исследования проведены в сравнении обычного режима при питании от сети переменного тока частотой 50 Гц и нового — с питанием ТСФ. На рис. 1, 2 представлены для обычного режима спектр и окно цветовой диаграммы для излучателя мощностью 100 Вт при напряжении 110 В. На первом графике — на цветовой диаграмме определены хроматические координаты S(x), S(y), S(z). Температура излучателя составила 1772 0К.
На втором графике (рис. 2) изображено изменение интегрального параметра — поверхностной плотности потока излучения в функции длины волны. Область длин волн — это спектральный диапазон, по которому выбранные радиометрические параметры интегрируются. Значение этого параметра составило 2,0 мкВт/см2.
Третий график (рис. 2) — это график счета. Он показывает необработанные данные A/D счета (АЦП), поступающие со спектрометра. Этот график используется для определения оптимального времени интегрирования [6].
Значения составляющих мощности, измеренные со стороны первичной обмотки трансформатора в обычном режиме: активная мощность Р— 0,052 кВт, S — полная мощность — 0,105 кВА, Q — реактивная мощность — 0,091 квар, коэффициент мощности установки cos ф — 0,495.
Результаты исследования ИК-излучателя мощностью 100 Вт в новом режиме с питанием ТСФ при напряжении 110 В представлены на рис. 3 и 4. Плотность потока излучения составила 2,0 мкВт/см2, температура излучателя — 1769 0К.
Значения составляющих мощности, измеренные со стороны первичной обмотки трансформатора в новом режиме, соответственно были равны: активная мощность Р — 0,045 кВт, S — полная мощность — 0,051 кВА, Q — реактивная мощность — 0,02 квар, коэффициент мощности установки — 0,88.
Следовательно, используя понятие кпд установки, как отношение плотности потока излучения от светлого ИК-излучателя к мощности, потребляемой установкой из сети, получаем значение этой величины для обычного режима при напряжении 110 В равное 19,0 %, а для нового режима с питанием ТСФ при том же напряжении — 39,0 %. Это свидетельствует о повышении эффективности установки за счет совершенствования электрического режима на основе применения ТСФ.
Выводы. Повышение эффективности установок со светлыми и темными ИК- излучателями возможно за счет совершенствования электрического режима на основе применения ТСФ, что обеспечивает работу ЭТУ с более высоким значением кпд установки и коэффициентом мощности при снижении потребляемой из сети мощности, при более равномерном спектре излучения, при расширении диапазона излучаемых длин волн в видимой и инфракрасной областях, при снижении температуры излучателя.
Библиографический список
1. Электротехнологические промышленные установки : учеб. для вузов [Текст] / И. П. Евтюкова [и др.] ; под ред. А. Д. Свенчанского. — М. : Энергоиздат, 1982. — 400 с.
2. Птицына, Е. В. Работа дуговых печей небольшой емкости при питании током сложной формы [Текст] / Е. В. Птицына, А. Б. Кувалдин // Электрометаллургия. — 2006. — № 6. - С. 26-36.
3. Птицына, Е. В. Электролизные и газоразрядные электротехнологические установки с питанием током сложной формы : моногр. [Текст] / Е. В. Птицына ; под ред. А. Б. Ку-валдина. - Павлодар : ТОО НПФ «ЭКО», 2007. - 420 с.
4. Птицына, Е. В. Анализ процессов в электротехнологических установках как основа разработки алгоритмов управления [Текст] / Е. В. Птицына, Д. В. Птицын // Электротехнология в первом десятилетии XXI века : сб. докл. науч.-техн. семинара, посвящ. 100-летию проф. М. Я. Смелянского. - М., 2013. - С. 242-257.
5. Оффициальный сайт фирмы «Avantes» [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http: // www.avantes.ru /. - Загл. с экрана (дата обращения: 28.10.15).
6. Официальный сайт фирмы «НОМАКОН» [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://homacoh.ru/production/ izluchateli-infrokrasnue/own/. - Загл. с экрана (дата обращения: 28.10.15).
7. Птицына, Е. В. Экспериментальное определение влияния формы тока на характеристики излучателей [Текст] / Е. В. Птицына, Д. В. Птицын, А. Б. Кувалдин // Энерго- и ресурсосбережение XXI век : сб. матер. IX Междунар. науч.-практ. интернет-конф., март-июнь. - Орел, 2011. -С. 163-165.
8. Птицына, Е. В. Исследование процессов в инфракрасных излучателях при изменении значения и формы питающего напряжения / Е. В. Птицына, Д. В. Птицын, А. Б. Кувалдин // Энерго- и ресурсосбережение XXI век : сб. материалов XIII Междунар. науч.-практ. интернет-конф., март-июнь. -Орел, 2015. - С. 61-66.
ПТИЦЫНА Елена Витальевна, доктор технических наук, профессор кафедры «Теоретическая и общая электротехника» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). Адрес для переписки: evptitsyna@yandex.ru ПТИЦЫН Дмитрий Вячеславович, ассистент кафедры «Теоретическая и общая электротехника» ОмГТУ.
Адрес для переписки: fcdimon@ostu.ru КУВАЛДИН Александр Борисович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Автоматизированных электротехнологических установок и систем» Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт», академик Российской академии электротехнических наук.
Адрес для переписки: a.kuvaldin2013@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 28.10.15 г. © Е. В. Птицына, Д. В. Птицын, А. Б. Кувалдин
