CC BY
309
УДК 62-69
СПОСОБ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ОБОГРЕВА ВЕНТИЛИРУЕМЫХ
ПОМЕЩЕНИЙ
Г.В. Лепеш1, Т.В., Потемкина2
Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21
Рассмотрен способ обогрева вентилируемых помещений и помещений не изолированных от окружающей среды с помощью инфракрасных обогревателей. Исследуются характеристики излучения. Вводится система граничных и начальных условий для расчета обогрева вентилируемых помещений численными методами.
Ключевые слова: энергоэффективность, инфракрасный нагрев, излучение, ощущаемая температура.
THE ENERGY EFFICIENT WAY OF HEATING VENTILATED AREAS
St. Petersburg state University of Economics (SPbSEU), 191023, Saint-Petersburg, Sadovaya street, 21;
G. V. Lepesh, T. V., Potemkina
Method of heating ventilated areas and spaces not as isolated from the environment using infrared heaters. Examines the characteristics of radiation. Introduces a system of boundary and initial conditions for the calculation of heating ventilated rooms by numerical methods.
Keywords: energy efficiency, infrared heat radiation sensed temperature.
Введение
В настоящее время среди задач, которые встречаются в области обогрева вентилируемых или вовсе неизолированных от окружающей среды помещений, особенно в постпериод введения в действие Федерального закона об энергосбережении и энергетической эффективности [1] заметно выделяется проблема обогрева таких помещений в отопительный период. Наиболее затратным способом здесь является применение традиционных систем пароводяного отопления, которым свойственны высокие затраты на содержание, обслуживание и ремонт инфраструктуры, нецелевые потери, низкая эффективность нагревательных приборов (радиаторов пароводяного отопления), а также высокая и постоянно растущая стоимость источников тепла (преимущественно газа).
Соответственно растёт интерес к разработкам альтернативных, менее затратных систем обогрева. В последние годы рынок техники, предназначенной для обогрева помещений, стремительно развивается - создаются новые технологии обогрева, растет эффективность технических средств — обогревателей, систем
управления обогревом и др. К примеру, сейчас все более популярным становится воздушное отопление, которое характеризуется высоким уровнем КПД вследствие отсутствия промежуточных теплоносителей. Самыми экономичными в российских условиях можно многие считают газовые обогреватели - стоимость газа в России относительно низкая. Самыми управляемыми и не требующими специального монтажа и обслуживания общепризнанны - электрические.
Все обогреватели, использующие в своей работе газ или электрическую энергию, по способу передачи тепла следует разделить на два основных типа конвективные и инфракрасные.
Конвективные обогреватели, предназначены для непосредственного нагрева воздуха помещения посредством его контактного взаимодействия с относительно "горячими" те-плообменными поверхностями нагревательного прибора конвективного действия. Температура таких поверхностей, как правило, не должна превышать 70 0С с целью обеспечения безопасности передачи тепла.
1Лепеш Григорий Васильевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения",СПбГЭУ, моб.:+7 921 751 28 29, e-mail: GregoryL@yandex. ru;
2Потемкина Татьяна Владимировна — старший преподаватель кафедры "Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения",СПбГЭУ, моб. :+7 905 256 04 74, e-mail: [email protected].
Понятно, что конвективные обогреватели в вентилируемых и плохо изолированных помещениях не эффективны вследствие того, что нагретый воздух будет покидать помещение или перемещаться в зону с меньшим нагревом тем интенсивнее, чем больше будет тепловой напор (£вн — £нар) (т.е. разность температур внутри помещения или зоны нагрева £вн и снаружи *нф).
Инфракрасные обогреватели преобразуют электрическую энергию в направленное электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным видимым светом (длина волны 0,74 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (1 ^ 2 мм). В свою очередь, инфракрасную область спектра условно разделяют на коротковолновую (0,74 ^ 2,5 мкм), средневолновую (2,5^50 мкм) и длинноволновую (50 ^ 1000 мкм) части. Причем длина излучаемой волны зависит от температуры тела - чем она выше, тем короче волны и выше интенсивность излучения. Поскольку тепловое излучение от ИК-обогревателя не поглощается воздухом, то вся излучаемая от прибора энергия почти без потерь достигает поглощающих или отражающих поверхностей предметов и людей в зоне его действия. Происходит нагрев этих поверхностей и частичное отражение теплового излучения на другие. Воздух может нагреваться лишь конвективным способом, соприкасаясь с уже нагретыми поверхностями. Область применения ИК обогревателей на сегодняшний день велика. Так они применяются для:
-ускоренного обогрева жилых, офисных, складских и промышленных помещений;
-обогрева ресторанов, баров, гостиниц, банков, магазинов, открытых летних кафе (с целью продления сезона работы), муниципальных учреждений (детских садов, школ, больниц и т.д.), обогрев аэропортов и железнодорожных вокзалов;
-обогрева выходов из метро, вокзалов и подземных переходов (как с целью предотвращения их обледенения), так и с целью создания относительно комфортных температурных условий и др.
В качестве энергосберегающей технологии рассмотрим применение инфракрасных нагревателей, рекомендуемых в качестве НДТ для нагрева и отопления помещений (см. разд. 2) особенно плохо изолируемых от окружающей среды.
Поскольку тепловое излучение от ИК-обогревателя практически не поглощается и не рассеивается воздухом, вся излучаемая энергия достигает непосредственно людей и предметов. Эти объекты, в свою очередь, нагреваются и передают тепло окружающему воздуху, в то время как при конвекционном нагреве тепло передается воздуху непосредственно от нагревательного прибора. Поэтому инфракрасное отопление называют отоплением прямого нагрева, а конвекционное - косвенного нагрева. Это и является основным отличием инфракрасных обогревателей от других видов отопительных приборов.
Некоторые из обогревателей, обладают повышенными техническими характеристиками. В них установлен противопылевой фильтр препятствующий попаданию пыли на нагретую поверхность.
Современные модели снабжены микропроцессорными системами управления и удовлетворяют всем требованиям противопожарной безопасности. Благодаря интеллектуальному управлению обогреватели автоматически выключаются при достижении нужной температуры, что позволяет им быть на 20^40% экономичнее неуправляемых. Использование терморегулятора, позволяет достичь еще большей экономии электричества, поскольку при отсутствии людей в помещении достаточно поддерживать температуру на уровне +10°С.
Инфракрасные обогреватели преобразовывают электрическую энергию в тепловую при помощи специального нагревательного элемента. Вырабатываемая инфракрасными обогревателями тепловая энергия распределяется следующим образом: 92% энергии (подобно солнечному теплу) направляется непосредственно на обогрев объектов, находящихся в зоне действия обогревателя, и лишь 8% расходуется на прямой нагрев воздуха.
Если ощущаемая температура в помещении представляет комфортные и уютные условия, то считается что, цель установленного отопительного оборудования достигнута. Ощущаемая температура зависят от следующих факторов:
• температуры окружающего воздуха;
• температуры ИК излучения в окружении;
• распределения температуры воздуха по вертикали;
• потоков воздуха через помещение, сквозняков;
• относительном влажности воздуха в помещении.
В случае ИК-обогрева надо учитывать что, если стены помещения или предметы имеют различные поверхностные температуры, то в данном помещении устанавливается температурная асимметрия.
Асимметрии можно избежать, если использовать панели с температурами излучающей поверхности более не 100 ^ 120оС. В противном случае, эта асимметрия чувствуется особенно отчетливо.
В помещении наиболее важным является вертикальное, так называемое «послойное» распределение воздуха, где ощущаемая температура воздуха зависит от высоты подвеса ИК нагревателя (рис. 1) [2].
3 2,5 2
.1,5 1
0,5 0
Ощущаемая
температур...
24
23
22 i,0C
21
20
Рисунок 1 - Зависимость ощущаемой температуры воздуха от высоты подвеса ИК-нагревателя
Ощущаемая температура воздуха зависит в первую очередь непосредственно от температуры воздуха и от температуры окружающих предметов.
В простейшем случае, без проявления сильного сквозного ветра, ощущаемая температура воздуха Т0 равна средней арифметической величине из температуры воздуха в помещении ¿вн и средней температуры излучения предметов в данном пространстве ¿0 = (/вн + £и)/2.
Таким образом, при повышении температуры излучения ИК нагревателя, можно без вреда для ощущения субъекта, понизить температуру воздуха в помещении. Это, в свою очередь становится важным фактором экономии затрат энергии на отопление помещения по сравнению с системами конвекционного отопления.
Оптимальная ощущаемая температура зависит в основном от активности и одежды
человека в помещении. При сидячей деятельности и легкой одежде оптимальное значение ощущаемой температуры составляет около 21,5°С. Это значит, что при температуре воздуха 18°С температура излучения ИК панели и окружающих предметов в сумме должна достигать 25°С.
Как уже отмечалось выше, ИК панели отопления нагревают все окружающие предметы в помещении, включая стены. Через некоторое время эти предметы становятся излучателями тепла, способствуя установлению в помещении равновесного уютного состояния.
Температура воздуха остается ниже температуры стен. Вследствие этого конденсация влаги из воздуха на стенах не происходит, теплоизоляция стен резко улучшается. Воздух не поднимается в верхнюю часть помещения и более не теряется на непродуктивный нагрев верхней и наружной части здания.
Инфракрасные обогреватели, размещенные под самым потолком, позволяют рационально использовать объем помещения и не накладывают каких-либо ограничений на размещение предметов и оборудования. Использование обогревателей позволяет создавать сложные системы обогрева помещений, недоступные для прочих обогревательных приборов. Например, при обогреве в зимнее время помещений с большой площадью остекления и сложной поверхностью, инфракрасные обогреватели создают тепловую защиту от холода. Дополнительным эффектом в данном случае можно считать очистку конструкций от накопившегося снега и льда.
Рассмотрим пример применения инфракрасного обогревателя . Пусть известно:
F3>2]- площадь ограждающих конструкций;
KQ I Вт I ~ термическое сопротивление
ограждающих конструкций. Тогда потеря тепловой энергии за отопительный период в помещении определяется по формуле:
Q= -Т'Гзд- (fBH - ¿ср) ■ Т0т • 24 ■ 3600 ■ 0,239 ■ 10"9 Гкал,
где: Т0т - продолжительность отопительного периода, суток; 24 - число часов в сутках, ч; tBH [°С] - расчетная температура внутреннего воздуха отапливаемых зданий, (18°С - для жилых, общественных и административных зданий, 21°С-для дошкольных и детских лечебных учреждений, для производственных зданий принимается температура в зданиях характер-
ная для конкретного производства); £ср [°С] -средняя температура наружного воздуха за отопительный период.
При использовании излучающих панелей для поддержания комфортной ощущаемой человеком температуры возможно снижение общей температуры воздуха в помещении на 35 °С в зависимости от типа объекта.
Потери тепла при отоплении от батарей и с использованием инфракрасных излучателей определяются по формулам, соответственно:
& = Т0 • рзд • (^н - *гр) • Т0т • 24 • 3600 • 0,239 • 10"9 Гкал;
Q2=-^•FЗЛ• (Ссн - Сср) • Тот • 24 • 3600 • 0,239 • 10"9 Гкал,
£сн [°] - расчетная температура внутреннего воздуха отапливаемых излучателями помещений.
Годовая экономия тепловой энергии в результате использования инфракрасных излучателей рассчитывается по следующей формуле:
Щ = & - & = [(*вн - *ср) -
Кн-Крх1Я0^зд-Гот-24-3600-0,239-10~9=(в н-СснХ 1Я0^зд-Тот-24-3600-0,239-10-9 Гкал;
ДЭ = ДQ • ТТЭ, где ТТЭ [руб./Гкал] - тариф на тепловую энергию.
Определим годовую экономию тепловой энергии за счет использования инфракрасных излучателей в спортивном зале площадью 50x25 м, высотой 9 м. = 3750 [м2]; Я0 =
0,41 ¿вн = 18 ГО; ¿сн = 15 [°С].
Получим: ДQ = Q1-Q2 = [(Свн -
Сср-Кн-СсрХ1Я0-Рзд-Гот-24-3600-0,239-10-9=Свн—^нХ 1/?0-Рзд-Гот-24-3600-0,239-10—9 Гкал = [18 - 15] X — • 3750 • 214 • 24 • 3600 •
0,41
0,239 • 10"9 = 121,25 Гкал;
ДЭ = Д^ • ТТЭ = 121,25 • 1818,70 = 220 518 руб. Известно, что для обогрева площади размером 3750 м2 необходимо одновременное включение до 100 инфракрасных обогревателей общей стоимостью 900 000 руб. Таким образом, находим срок окупаемости мероприятия: lnv 900 000 ,_
DP = — =-= 5 лет.
Et 220 518
Поскольку максимальный срок службы устройства составляет 30 лет, таки образом, за 30 лет мероприятие потенциально может принести доход (экономию) в размере 4,5 млн. руб.
Постановка задачи исследования
Расчет систем обогрева с применением ИК-обогревателей, особенно в вентилируемых помещениях и помещениях не изолированных от окружающей среды, связан с учетом множества факторов и моделированием множества одновременно-протекающих процессов, определяющих тепломассоперенос в расчетной области. Результат решения при этом будет определяться значительными градиентами полученных значений физических величин, определяющих поведение воздушной среды даже в стационарном режиме. Получить подобное решение возможно лишь путем численного моделирования с применением специальных пакетов программ, реализующих моделирование происходящих процессов. В современной практике теплового проектирования технических систем, в том числе основанных на ИК-нагреве широко применяются программные пакеты системного численного анализа, такие как ANSYS, обладающие следующими достоинствами:
1. Наглядностью геометрической модели изучаемого объекта, легкостью в отслеживании свойств материалов, размеров его составных элементов
2. Высокой степенью автоматизации выполнения и дискретизации расчетной области и задания граничных условий.
3. Возможность сочетать быстроту подготовки модели с наглядностью выполнения действий, благодаря совместному использованию задания операций, как в командном режиме, так и в режиме графического интерфейса.
4. Богатыми возможности анализа и обработки полученных результатов в режиме постпроцессора.
5 . Возможностью проводить оптимизацию конструкции и системы по заданным значениям искомых величин.
Опыт применения численных методов и, в частности, пакета ANSYS для решения ряда задач показывает, что в сравнении с аналитическими методами, они требуют существенно больше времени на получение решения. Особенно это характерно для трехмерных тепловых и газодинамических моделей сложных, протяженных конструкций. Именно к такой
модели следует прибегать в случае моделирования и последующего анализа в задачах дифференцированного обогрева вентилируемых помещений, где необходимо учитывать как радиационное излучение имеющихся источников, поглощение и излучение тепловой энергии окружающими предметами и ограждениями, так и конвективный массоперенос нагревающегося и уходящего воздуха. В некоторых задачах, например, при применении газовых ИК-обогревателей необходимо учитывать химизм процесса горения газа и изменения концентрации газов в пространстве расчетной области. Такие возможности предусмотрены в пакете А^УБ.
Причины длительности процесса вычисления заключаются в следующем:
а) для таких моделей характерно достаточно большое количество конечных элементов, а следовательно и решаемых уравнений;
б) реализуемые в методе конечных элементов уравнения имеют наиболее сложный вид в сравнении с балансными уравнениями других программ;
в) используются сложные граничные условия в условиях ограничения постановки размеров расчетной области либо расчетная область значительно расширяется с целью упрощения граничных условий.
Исходя из этого, одна из целей, которая став
менении данной методики, состоит в том, чтобы выработать подходы по построению оптимальных, с точки зрения скорости решения, моделей. Как правило, это связано с проведением экспериментальных исследований с объектами системы, влияющими на эффективность процесса с целью определения границ расчетной области, степени дискретизации самой области и учета граничных условий на всех поверхностях объектов, участвующих в процессе тепломассопереноса.
Эффективность работы систем обогрева с ИК-обогревателями определяется различными их свойствами и условиями и способами использования. Рассмотрим некоторые из них.
Конструкция инфракрасных обогревателей
Инфракрасный обогреватель состоит, как правило, (рис.2 из прямоугольного, металлического корпуса 1, покрытого термостойкой
эмалью, с плавающей петлей крепления к потолку 2, нагревательного элемента 3 (ТЭН или ТВЭЛ). Между корпусом и теплоизлучающей пластиной может находиться специальный теп-лоизолятор и защитный экран из фольги.
Основным узлом конструкции является тепловыделяющий элемент. В наиболее эффективных ИК нагревателях это ТВЭЛ, состоящий из кварцевой трубки 1 и карбоновой ленты 3, помещенной в вакууме внутри трубки. Направленное излучение тепловой энергии ТВЭЛ формируется цилиндрическим рефлектором 4 и боковыми плоскими отражателями 5, изготовленными из полированного алюминия. В одном ИК-обогревателе могут быть установлены параллельно несколько трубчатых или пластинчатых ИК-излучателя (рис.2 а), с целью создания относительно плоского распределения потока электромагнитного излучения.
Рисунок 2 - Конструкция ИК-нагревателя: а) -
Рисунок 3 - Схема распространения тепловых потоков от тепловыделющего теплоэлемента
При моделировании конструкции ИК-нагревателя в пакетах системного анализа применяются специальные препроцессорные средства, позволяющие провести пространственной моделирование всех ее элементов, определить все необходимые физические и др. свойства. В частности в пакете АЫ8У8 для этой цели используется модуль Вез^МойеЫг.
Распределение тепловых потоков в нагревателе
Структура теплового излучения нагревателя носит весьма сложный характер. Наглядное представление о ней дает рис.3. Первичным источником тепла в нагревателе является карбоновая лента 2. Разогреваясь за счет потребляемой электроэнергии мощностью Р, она излучает тепловой поток в направлении кварцевой трубки 1. Последняя эту энергию поглощает практически полностью, так как коэффициент поглощения кварца составляет а=0,94.
Следовательно, в данном случае только 6 процентов потока первичного (реликтового) излучения карбона проникает сквозь кварцевую стенку во внешнюю среду 0рел.
1000
^ 800
§ 600 о
5 400 и 200 0
0 50 100 150 200 250 1= 8Е-05С/3 - 0,008СЯ + 1,5618С/"- 26,955 Ш^я^ни^ В
Рисунок 4 - Вольт-амперная характеристика карбонового ИК-нагревателя
Остальная энергия идет на разогрев кварцевой трубки до весьма высокой температуры, что вызывает интенсивную теплоотдачу кварца во внешнюю среду. Теплоотдача имеет две составляющих - радиационную 2рад и конвективную екон. Последняя формируется благодаря омыванию поверхности трубки свободно восходящим потоком воздуха. Следует также иметь в виду, что радиационный поток энергии частично уходит во внешнюю среду непосредственно, а частично - после отражения от поверхности рефлекторов 4, 5. Поскольку коэффициент отражения поверхности рефлекторов составляет ^?=0,95 [1], то 5 процентов энергии
падающего потока поглощается и идет на прогрев корпуса нагревательного прибора (2кор)-
Электрофизические характеристики
электронагревателя
Поскольку нагреватель является, прежде всего, электрическим прибором целесообразно в первую очередь рассмотреть его электрические характеристики. На рис.4. представлена вольт-амперная характеристика [ 3].
Вольт-амперная характеристика карбона весьма своеобразна. С достаточной степенью точности в исследуемых границах она выражена полиномом третьей степени
1= 8Е-05С3 - 0,008£/ + 1,5618£/- 26,955.
При этом, в пределах до 120 В, что соответствует мощности Р=200 Вт, она характеризуется отчетливо выраженной нелинейностью, а затем при дальнейшем росте мощности приобретает практически линейный характер. При этом на нелинейном участке величина производной (11/с1У непрерывно меняется (возрастает), а на линейном сохраняется постоянной и равной 0,02 (А/В). Если иметь в виду, что величина с1ШУ отражает реакцию механизма электропроводности карбона на изменение разности электрических потенциалов, то очевидно, что на нелинейном участке характеристики происходит перестройка, а на линейном имеет место стабилизация механизма электропроводности. При этом линейный участок вольт-амперной характеристики, перекрывающий весьма широкий диапазон изменения мощности нагревателя от 200 до 900 Вт, может быть аппроксимирован функцией следующего вида /=0,02 и- 0,7.
Изменение активного сопротивления Як карбонового нагревателя показало, что оно незначительно отличается от величины сопротивления Яс спирального нагревателя аналогичной мощности, то есть Як= 75 Ом и 2?с=50 Ом.
Тепловой режим нагревателя
В основу модели процесса теплоотдачи нагревателя положим уравнение теплового баланса [3], структура которого вытекает из показанных выше направлений тепловых потоков (рис.2.)
Р=Qрад+Q кон +Qрел+Q кор. (1)
Составляющие управления определяются следующим образом. Радиационный компонент теплоотдачи Qрад определяется модифицированным законом излучения серого тела, в котором учтен тот факт, что излучение, генери-
руемое с 2/3 поверхности S кварцевой трубки, прежде чем попасть в окружающую среду, отражается от рефлектора
(
\4
брад=0,333 S а Со(1+2Д)
ч100у
(2)
Утечки теплоты в корпус нагревательного прибора <кор и поток реликтового излучения карбона Qрел определяются очевидными соотношениями
QKOр=- S а СО (1-Я)
/ ^ Л4
100
(3)
и с точностью до величины первого порядка малости
Qрел=0,06 (4)
Что касается конвективной теплоотдачи, то ее мощность определяется управлением теплоотдачи Ньютона
2кон=а^ (Тк-То), (5)
в котором коэффициент теплоотдачи а вычисляется с помощью критериального соотношения
а= —В^Рг)п а
(6)
<2% рад Qрад+Q рел (7)
и суммарной конвективной теплоотдачи
2 £ кон <кон+2кор (8)
в зависимости от электрической мощности Р, потребляемой прибором. В формуле (8) при этом учтено то обстоятельство, что теплота <кор, израсходованная на нагрев корпуса прибора, благодаря механизму конвективной теплоотдачи в конечном счете отдается в окружающую среду.
Таблица 1 - Значения коэффициентов В и п в формуле (6)
(ар) В п
10-3-102 1,18 1/8
5' 102-210' 0,54 1/4
>2'107 0,135 1/3
В уравнениях (2 - 6) введены следующие обозначения:
Gг=g в А^ С /и - тепловой критерий Грасгофа; в=1/Т -коэффициент теплового расширения воздуха; С0=5,67 Вт/(м2К4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела; £=9,81 м/с2; ¿=0,5 (¿к+^0) - средняя (по шкале Цельсия) температура воздуха, омывающего кварцевый излучатель; -
температурный напор; Т=+273 -средняя абсолютная температура воздуха; индексы «к» и «0» относятся к кварцевому излучателю и воздуху в окружающей среде; X, и и Рг -коэффициенты теплопроводности и вязкости воздуха и тепловой критерий Прандтля. Эти величины зависят только от температуры воздуха и определяются на основе справочных данных; С=12 мм -диаметр кварцевой трубки; S - площадь поверхности излучателя; коэффициенты критериального уравления (6) определяются из таблицы1. В расчетах температура окружающей среды принята равной ¿0=20°С.
Система уравнений (1 - 6) является замкнутой и позволяет вычислить величины всех тепловых потоков: 2рад, <рел, 2КоН, 2кор и температуру кварцевого излучателя ¿к, а также мощность суммарной радиационной теплоотдачи
Результаты расчета тепловых характеристик нагревателя представлены графиком на рис.5. Расчеты указывают на рост всех характеристик с увеличением электрической мощности, потребляемой прибором.
Особый интерес представляет суммарное значение радиационной 2храд и конвективной 2хкон составляющих теплоотдачи нагревателя. Прирост этих параметров обусловлен их зависимостью от возрастающей температуры кварцевого излучателя и носит различный характер. Это связано с тем, что температурная зависимость радиационной составляющей резко нелинейная, в то время, как температурная зависимость конвективной составляющей близка к линейной. Такая ситуация приводит к тому, что с увеличением тепловой мощности нагревателя процентная доля содержащейся в ней радиационной составляющей растет, а доля конвективной составляющей падает.
Из графиков на рис.5 следует, что при номинальной мощности нагревателя Р=900 Вт это соотношение соответственно составляет: 78 % и 22 %, а при дальнейшем возрастании мощности асимптотически стремится к предельному: 80 % и 20 %. Полученные данные характеризуют исследуемый прибор, как эффективный радиационный обогреватель направленного действия.
Пространственное распределение энергии излучения
Степень насыщенности лучевой энергией обогреваемого пространства наиболее полно
отражает понятие энергетическом освещенности Е. Это локальная энергетическая величина электромагнитного излучения, определящая количество энергии в джоулях за одну секунду через единичную лощадку в окрестности за-
800
700
данной точки пространства. Соответственно энергетическая освещенность Е измеряется в (Вт/м2).
о я о,
и
н
8-X
2 &
И
со
600
500
400
300
200
100
0
0
200
400
600
800 1000 Мощность, Вт
Рисунок 5 - Энергетические характеристики карбонового нагревателя
боры-теплоприемники. Наиболее простой способ измерения был предложен в работе [4] специально разработанным теплоприемником теплоизолированным от окружающей среды с коэффициентом поглощения а=0,95].
Пространственная структура энергетического поля лучевого обогрева исследовалась в горизонтальном и вертикальном сечениях.
Реконструкция поля энергетической освещенности, полученная при реализации измерения, представлена на рис .7. Здесь структура поля лучевой энергии представлена в виде хро-мограммы, которая позволяет дать оценку величины Е в любой точке поля, выделить области наибольшей концентрации лучевой энергии, определить зоны наибольших и наименьших градиентов величины энергетической освещенности и т.д.
Рисунок 6 - Процентное распределение составляющих излучения нагревателя
Для измерения этой величины используются весьма сложные и дорогостоящие при-
К
К—кварцевый излучатель
Рисунок 7 - Хромограмма поля энергетической освещенности: а) - в горизонтальной плоскости; б) - в
вертикальной плоскости
Обращает на себя внимание необычность распределения энергетической освещенности в центральной части лучевого потока. Вместо монотонного убывания величины Е от оси прибора к периферии имеет место локальное возрастание данной величины. Вследствие этого на периферии ядра лучевого потока энергетическая освещенность несколько выше, чем на оси. Эта аномалия объясняется действием плоских боковых отражателей прибора, создающих накрест пересекающиеся потоки излучения. В результате их наложения на основной поток, параллельный оси прибора, образуются периферийные зоны избыточной энергетической освещенности.
Представляет определенный интерес оценка площади, в пределах которой реализуется интенсивный обогрев материальных объектов. Введя в качестве критерия интенсивного обогрева условие Е>0,1 Вт/см2, на хромограм-ме рис.6 . можно оценить линейные масштабы зоны обогрева 4=2,2 м, /у=1,9 м, а также - площадь обогрева 5=4,2 м2.
Обращает на себя внимание эволюция конфигурации зоны наибольшей концентрации лучевой энергии, в пределах которой Е > 0,6 Вт/см . Если в горизонтальной плоскости она имеет вид прямоугольника, то в вертикальной приобретает клиновидную форму.
Полученная информация позволяет оценить поперечный масштаб вертикальной зоны интенсивного обогрева. Согласно данным на рис.7. он составляет 4 = 2,1 м. С учетом ранее определенных масштабов 4 и 1У объем зоны интенсивного обогрева карбонового нагревателя оценивается величиной V = 1Х1У12 = 8,8 м .
Хронограмма показывает, что на расстоянии 1,5 м от ИК обогревателя интенсивность лучевой энергии выравнивается в пространстве, ограниченной по площадью самого
прибора. При этом на "освещаемой" поверхности появится тепловое пятно, размеры которого будут определяться как свойствами ИК -нагревателя, так и свойствами материала (например теплопроводностью) нагреваемой поверхности, коэффициентом поглощения, степенью черноты и др.
Крепление инфракрасных обогревателей осуществляется на высоте 2,4 3,5 м при помощи специальных петель подвеса, высота легко регулируется использованием вертикальных тросов. Электромонтаж осуществляется подводкой электрического провода через верхнее отверстие в обогревателе, для этого необходимо снять защитный кожух.
Для более эффективного использования инфракрасных обогревателей, как правило, в зоне действия тепловых лучей устанавливается терморегулятор.
Т.о. выделение тепла от ИК-обогревателя происходит только в зоне его прямого действия, то есть обогрев носит локальный характер. Это и обеспечивает целый ряд особенностей применения, в том числе и для целей, поставленных в данном исследовании. Так наибольшее распространение получила система обогрева, в которой источники излучения размещаются над поверхностью нагрева. Основным недостатком такой системы нагрева является неравномерное облучение поверхности нагрева и вследствие этого низкая эффективность из-за локального перегрева облучаемой поверхности. Неравномерность обусловлена в основном малыми геометрическими размерами источников излучения по отношению к облучаемой поверхности. Для выравнивания теплового воздействия на поверхность применяют технические решения, увеличивающие площадь поверхности источника излучения:
- используют источники излучения больших физических размеров;
- большое количество источников малого размера;
-источники с отражателями.
Карбоновый и спиральный нагреватели
Представляет интерес сравнить некоторые важные характеристики карбонового нагревателя с их аналогами у спирального нагревателя. Приборы этого типа сравнительно недорогие, весьма популярны и широко распространены в быту. По этой причине они могут рассматриваться, как потенциальные конкуренты карбонового электронагревателя. В качестве образца для сравнения был выбран спиральный электронагреватель типа КОБ - 0,8/1-1 с номинальной мощностью Р = 800 Вт и конструкцией, аналогичной карбоновому электронагревателю. Источником тепловой энергии (нагревателем) здесь служит вольфрамовая проволока, одновременно являющаяся излучателем. Она намотана на полую керамическую трубку в виде плотной спирали диаметром 13 мм при длине намотки 255 мм.
Следуя известной методике были получены данные по полю энергетической освещенности спирального нагревателя. Сопоставление радиационных полей обоих нагревателей показало, что поле карбонового нагревателя по степени энергонасыщенности существенно превосходит поле спирального. Это видно по результатам измерения величины энергетической освещенности Е в наиболее «горячей» точке энергетического поля {X = X = У = 0,5 м). У карбонового нагревателя Е = 0,67 Вт/см2, а у спирального Е = 0,55 Вт/см2. Превышение составляет 22 %. В целом по полю оно изменяется в пределах от 20 до 40 %. При этом характерные размеры зоны интенсивного лучевого обогрева спрального нагревателя равны 1Х = 2м, 1У= 1,5 м, 4 = 1,5 м. Это соответствует объему зоны V = 4,5 м3, что почти вдвое меньше, чем у карбонового нагревателя.
Температурный режим нагревателя
Температура карбонового нагревателя является важным фактором, определяющим ресурс работы нагревательного прибора. В данной конкретной ситуации излучение карбона не полностью поглощается кварцевой оболочкой. Как отмечалось ранее, около 6 процентов собственного излучения нагревателя про-
никает в окружающую среду и может диагностироваться методами оптической пирометрии. В частности, для измерения температуры карбона использовался оптический пирометр типа ОППИР - 09 с температурным диапазоном 800^2000°С, производства России. Измерения, выполненные на номинальном режиме нагревательного прибора, показали, что температура карбоновой ленты составляет ¿Н = 940оС при погрешности измерения ± 2 %.
При данной ситуации термическое разрушение карбона практически исключено по двум причинам:
- нагреватель находится в вакууме и не подвергается химической эрозии;
- испарение углерода - возгонка так же исключена, так как она происходит при значительно более высокой температуре 3700 С.
Вместе с карбоновым исследовался упомянутый ранее аналог - спиральный нагреватель. Измерение температуры вольфрамовой спирали при номинальной мощности нагревателя Р = 800 Вт определило ее значение, равное ^ = 820оС. При такой температуре вольфрам можно считать серым телом с коэффициентом теплового излучения а = 0,28. Эта информация позволяет, пользуясь изложенной выше методикой, оценить соотношение мощностей радиационной и конвективной теплоотдачи данного прибора. Они соответственно составляют брад = 224 Вт (28 %) и Qкон = 576 Вт (72 %). В сравнении с полученными ранее аналогичными показателями карбонового электронагревателя (78 % и 22 %) возможности радиационного обогрева у спирального обогревателя существенно ниже.
Релаксация нагревательного прибора
После включения нагревательного прибора в электрическую сеть обычно проходит определенный промежуток времени (время релаксации), в течение которого процесс теплоотдачи прибора во внешнюю среду выходит на стационарный режим. Одни приборы релакси-руют быстро, а другим для выхода на стационарный режим требуется значительный промежуток времени. В связи с этим представляет практический интерес определение этого времени для карбонового и других типов нагревателей (спирального, масляного).
Разработанная для решения этой задачи методика состоит в следующем. На расстоянии 0,2м от излучателя нагревательного прибора на штативе с термоизолятором устанавливается
термопара. Затем прибор включается в электросеть и начинается регистрация показаний термопары, нагреваемой тепловым потоком от прибора. Время выхода системы «термопара -электронагреватель» на стационарный режим т фиксируется по моменту прекращения нагрева термопары.
В опытах использовались: цифровой 4-х канальный термометр типа УОЬТСКАРТ - 304 с микротермопарой хромель-копель, диаметр измерительного спая 1 мм, производства Германии. Показания термометра загружались в компьютер, оснащенный программой «ТЕКМ» с графопостроителем.
Для источника теплоты - карбонового нагревателя было получено время релаксации системы «термопара - электронагреватель» т = 94 с.
При этом, однако, следует иметь в виду , что термопара - тоже инерционный прибор, обладающий собственным временем релаксации тТ. Согласно измерениям время релаксации термопары составляет тТ = 21 с. Очевидно, что только в этом случае, когда тТ << т, время релаксации системы т может отождествляться с временем релаксации нагревательного прибора.
Следуя описанной методике были определены также время релаксации спирального (т = 251 с) и масляного нагревателя, тип «Эе ЬогщЫ», мощность Р = 1 кВт производства Италии (т = 48 мин.)
Из приведенных выше данных следует, что карбоновый электронагреватель с момента включения выходит на стационарный режим работы в 2,7 раза быстрее спирального и в 30 раз быстрее масляного.
Спектральный состав излучения
К спектральному составу радиационной составляющей теплоотдачи электронагревательных приборов в настоящее время предъявляются определенные требования.
Во-первых, излучение прибора должно быть сосредоточено преимущественно в инфракрасной области спектра, где поглощение энергии электромагнитного излучения происходит наиболее эффективно.
Во-вторых, желательно, чтобы инфракрасное излучение прибора было локализовано в пределах волнового диапазона, наиболее благоприятного для человеческого организма. Условно его можно назвать диапазоном экологически комфортного излучения (ЭКИ). Он определяется на основе следующих соображений. Дело в том, что человеческий организм не только потребляет энергию извне, но и сам ее
излучает. Спектр этого излучения практически полностью находится в инфракрасной зоне и весьма близок к спектру абсолютно черного тела с максимумом интенсивности излучения на длине волны Х«9,5 мкм [3]. Поэтому зона ЭКИ определяется в окрестности этой длины волны, где инфракрасное излучение гармонично сочетается с природой человеческого организма. Однако, как следует из табл. 2, нормативы, определяющие эту зону, в различных странах несколько различаются.
Представляется, однако, целесообразным усреднить эти показатели и в дальнейшем придерживаться универсального диапазона ЭКИ, который с точностью до целого значения X составляет АХ=8 14 мкм.
В работе исследованы спектры излучения базового карбонового нагревателя ТОР - 1 №1 с номинальной мощностью Р=900 Вт (рис.8 а) и инфракрасного карбонового нагревателя №2 с мощностью Р=1000 Вт, производства Швеции (рис.8 б).
Спектры были получены с помощью стационарного лабораторного комплекса на основе инфракрасного Фурье - спектрометра типа ДСМ - 1201 с разрешающей способностью АХ=0,01 мкм, производства России. (см. фото рис.9)
Для проведения количественного анализа оригиналы спектров были обработаны и представлены в виде соответствующих гистограмм на рис.8. Ширина информационных полос на гистограммах составляет АХ=1 мкм, а их высота, пропорциональная средней интенсивности излучения в пределах полосы, представлена в относительных (безразмерных) единицах п.
Как видно из рис.8. спектры обоих приборов находятся в ближней и средней зонах инфракрасной области в интервале длин волн Х=2 - 22 мкм. Оба спектра характеризуются первоначально резко нарастающей с увеличением X интенсивностью излучения с последующим плавным ее убыванием. По показаниям оригиналов спектров максимумы интенсивности излучения у обоих приборов находятся в ближней инфракрасной зоне и соответствуют
Таблица 2 - Нормативы диапазона ЭКИ
Страна Диапазон ЭКИ, мкм
США 8 - 14
Япония 8 - 14
Страны ЕС 6 - 11
Россия 7 - 14
Китай 10 - 15
^=3,45 мкм (прибор №1) и ^=5,03 мкм (прибор №2).
лучения, абсолютное значение которой определяется формулой
а)
—
- —
б)
-
— — - —
2 3 4 5 S 7
9 10 11 12 13 14 15 1ь 17 13 19 20 21 22
Х,мкм
Рисунок 8- Спектры излучения ИК-нагревателей: а) - ТОР 1, б) - «INFRA WA^^lRE»
А = toО
i=i
i^lO\Вт!мъ), (9)
Рисунок 9 - Внешний вид Фурье спектрометра ДСМ-1201 с карбоновым ИК-нагревателем ТОР 1
Полученные гистограммы спектров позволяют в пределах каждой информационной полосы вычислить среднюю интенсивность из-
где: 1=1,2,..., т - текущий номер полосы в гистограмме; т - полное количество полос в гистограмме спектра; S - площадь поверхности излучателя.
Следует отметить, что диапазон экологически комфортного излучения полностью умещается в пределах спектров обоих приборов. При этом процентная доля энергии ЭКИ по отношению к энергии излучения всего спектра может быть определена с помощью следующего соотношения:
Ь т
А^ = (Еи!./ЕП,.)-100, (10)
|=в 1-1
где: а и Ь - номера полос на гистограмме спектра, соответствующих границам диапазона ЭКИ.
Вычисленная процентная доля составляет: N=33,3% для прибора №1 и N=34,9% для прибора №2.
Что касается спирального электронагревателя, то при мощности Р=800 Вт, когда температура вольфрамовой спирали составляет Г=1093 К, он излучает в диапазоне длин волн ^=0,8 - 4,5 мкм с максимумом интенсивности при ^=2,65 мкм. Очевидно, что в потоке лучевой энергии спирального нагревателя экологически комфортная составляющая отсутствует полностью.
Выводы
Результаты настоящей работы можно сформулировать в виде положений, отражающих основные итоги исследования.
Предметом исследования являлся, кар-боновый электронагревательный прибор типа ТОР - 1 с номинальной мощностью 900 Вт, работающий от сети с напряжением 220 В.
1. Исследования электрофизических характеристик нагревателя показали, что его реальная мощность близка к номинальной и составляет Р=800 Вт при активном сопротивлении карбонового нагревателя Я=75 Ом. Вольт-амперная характеристика прибора в широком диапазоне потребляемой мощности от 200 до 900 Вт близкий к линейному характер и аппроксимируется функцией вида
1= 0,02Г- 0,7.
2. Исследование теплового режима нагревательного прибора показало его способность к интенсивному генерированию потока лучевой энергии, обеспечивающей быстрый обогрев материальных объектов. Из общей мощности теплоотдачи прибора на долю излучения приходится 75%, а на долю конвективной теплоот-
n
дачи (медленный обогрев) - только 25%. Показано, что это соотношение весьма близко к предельному, составляющему соответственно 80% и 20%.
3. Для исследования пространственного распределения излучаемой прибором энергии была разработана и реализована на практике оригинальная методика измерения локальной энергетической освещенности, основанная на дистанционном измерении температуры облучаемого металлического светоприемника, работающего в режиме «световой ловушки».
4. Результаты изучения структуры поля энергетической освещенности в горизонтальной и вертикальной плоскостях позволили, в частности, оценить масштабы зоны интенсивного лучевого обогрева. Ее конфигурация компактна, а объем составляет примерно 9 м3.
5. Исследование спектра излучения прибора показало, что он практически полностью находится в инфракрасной зоне, располагается в широком диапазоне длин волн от 2 до 22 мкм и имеет максимум интенсивности излучения при X = 3,45 мкм. Спектр полностью включает в себя диапазон экологически комфортного излучения от 8 до 14 мкм, на которое приходится 1/3 часть полного лучевого потока.
6. Исследование температурного режима карбонового нагревателя методом оптической пирометрии показало, что температура нагревателя 940оС существенно ниже температуры возгонки углерода 3700оС. С учетом того факта, что карбоновая лента находится в вакууме, эти данные позволяют сделать заключение о практически неограниченном рабочем ресурсе нагревателя.
7. Измерение времени выхода карбоново-го нагревателя на стационарный режим обогрева, осуществленное с помощью микротермопары, показало, что оно весьма незначительно (94 с) в сравнении с аналогичным временем нагревателя другого типа, например, масляного (48 мин.).
8. Проведено сопоставление рабочих характеристик карбонового нагревателя с аналогичными характеристиками весьма распространенного в быту спирального электронагревателя такой же мощности. Сравнение показало, что по всем основным характеристикам последний уступает первому и не может рассматриваться, как потенциальный конкурент на рынке бытовой техники.
Результаты разностороннего исследования карбонового электронагревателя ТОР 1 дают основания рекомендовать его потребите-
лям в качестве оригинального бытового тепло-нагревателя, а также для обогрева производственных вентилируемых помещений, неизолированных от окружающей среды помещений с пребыванием людей и др . Этому способствуют следующие свойства энергоэффективные свойства прибора:
- обеспечение интенсивного, направленного излучения;
- экономия электроэнергии;
- интенсивный обогрев пространства в объёме 9 кубометров;
- тепловое излучение в режиме, экологически благоприятном для человека;
- конструкция, полностью осключаю-щая сжигание кислорода;
- практически неограниченный рабочий ресурс карбонового нагревателя;
- экологическая безопасность прибора;
- компактность конструкции (малый вес и габариты ).
В результате проведенного исследования получены необходимые данные для проведения расчетов систем обогрева с применением ИК-нагревателей ТОР-1 в численных программных средах, таких как ANSYS/Flotran и др.
В целом при правильном расчете система инфракрасного обогрева позволяет экономить от 40 до 50 % электроэнергии даже в жилых помещениях.
Литература
1. ФЗ от 23 ноября 2009 г. № 261 ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергоэффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ».
2. Ушакова А.С., Тупикова Ю.С. Особенности инфракрасного обогрева./Термодинамические и гидравлические процессы в бытовой и коммунальной технике: Сборник материалов семинара кафедры «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения»/ под редакцией д-ра техн. наук, профессора Лепеша Г.В.- СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2013. -с 40 -45
3. Сухов Г.С., Лепеш Г.В. Теоретические основы технологий дифференцированного электрообогрева производственных помещений. Расчёт обогрева объёма рабочего места. Технико-технологические проблемы сервиса. №3 (21). 2012. с. 22-25.
4. Лепеш Г.В., Сухов Г.С., Карп Л.В., Шмелёв М.Ю. Разработка экспериментально-методического обеспечения для исследования физических характеристик радиационных электронагревателей. Технико-технологические проблемы сервиса. №1(1) 2007г. стр.22-33.
