3.1 Технические характеристики инфракрасного нагревателя итф "Элмаш-микро"

При обогреве технических помещений с помощью инфракрасных нагревателей необходимо, чтобы во всех точках обогреваемого помещения температура оставалась постоянной и не зависела от места расположения складируемых объектов. В случае, когда инфракрасный нагреватель обдувается вентилятором, температура внутри помещения выравнивается за счет циркуляции воздушных масс. В случае использования инфракрасных нагревателей ИТФ "Элмаш-микро" принудительного обдува нагревателей не предусмотрено. Инфракрасное излучение не нагревает воздух непосредственно. Электромагнитное излучение, проникая на небольшую глубину материала, нагревает его, а затем, вследствие конвективного теплообмена нагретая поверхность отдает тепло воздуху. Кроме того, часть воздуха нагревается за счет конвективного теплообмена горячих частей обогревателя. Таким образом, для равномерного распределения температуры по поверхности складируемых материалов необходимо, чтобы поверхности складируемых материалов облучались излучением одинаковой интенсивности. Инфракрасный нагреватель ИТФ "Элмаш-микро", (рис. 3.1) имеет следующие параметры:

Максимальная потребляемая мощность – 2 кВт;

Нагревательный элемент ЭНЭТИ-К3-220-700-800-20.5

Рис. 3.1. Инфракрасный обогреватель ИТФ "Элмаш-микро".

В наименовании марки нагревательного элемента буквы означают:

ЭНЭ - электронагревательный элемент;

Т - трубчатый;

И - слюдопластовое основание;

Номинальное напряжение – 220 В;

Длина нагревательного элемента – 800 мм;

Внешний диаметр слюдяного покрытия – 30 мм

Установленная безотказная наработка, ч, не менее 5000;

Рабочая температура не более 700 ⁰С;

Количество нагревательных элементов – 3 шт;

Габаритные размеры обогревателя 960×223×280 мм.

Для оптимизации размещения инфракрасных нагревателей в технических помещениях, с целью получения равномерного распределения тепловых лучей по поверхности складируемых материалов, необходимо знать диаграммы направленности обогревателей. Понятие диаграмм направленности, как правило используется в технике антенн. Диаграмма направленности – это распределение интенсивности излучения F( ) на одном расстоянии от точки (0,0,0) (см. рис. 3.2 а) [22].

Для установления диаграммы направленности обогревателя определим распределение температур по плоскому экрану 85×40 см², расположенному на расстоянии 50 см от обогревателя в поле излучения единичного инфракрасного нагревателя в плоскости параллельной апертуре нагревателя. Поскольку обогреватель симметричен относительно двух своих центральных осей (рис. 3.2 б), то можно сократить количество точек, в которых измеряется температура, в 4 раза.

Эксперимент был построен следующим образом:

Обогреватель был закреплен на плоской вертикальной поверхности, как показано на рис. 3.2 б, плоскость хz параллельна полу.

На расстоянии 50 см от излучающей поверхности обогревателя располагалась рейка перпендикулярная полу. В рейке были просверлены 18 отверстий (расстояние между двумя соседними отверстиями – 5 см) таким образом, что нижнее находилось в точке (0,0,50) см. В отверстия вставлялся термометр, таким образом, что конец термометра (со ртутью) немного выступал со стороны обогревателя. Рейка перемещалась по оси х с шагом 10 см. Температура для положений термометра во всех отверстиях измерялась при фиксированном положении рейки сверху вниз.

Для определения теплового поля было произведено пять серий измерений для различных положений рейки (координаты х) (см. табл. 3.1)

Рис. 3.2. Ориентация обогревателя в сферической системе координат (а), в декартовой (б).

Таблица 3.1 Температуры на расстоянии 50 cм от обогревателя Т ⁰С, координаты x и y в cм.

	x=0	x=10	x=20	x=30	x=40
y=0	51	52.5	46	42	37
y=5	50	52	46	42	37
y=10	49	52	45	41	36.5
y=15	48	49.5	45	41	36.5
y=20	47.5	49	44	40.5	36
y=25	45	47.5	43	40.5	35
y=30	44	46.5	42	40	35
y=35	42	45	41	38	35
y=40	37	43	40	36	34
y=45	35	40	37	34	33
y=50	33	37	35	33	32
y=55	32	35.5	34	32	31
y=60	30	33	32	31	30
y=65	28	31	31	30	39
y=70	27	29.5	31	29	28.5
y=75	26	28	29.5	28	28
y=80	24	27	28.5	27	28
y=85	24	26	27	27	27

В процессе измерения температура окружающего воздуха изменялась и составила (рис. 3.2 б):

Т_{окр_ср}=20 ⁰С для серии измерений с положением рейки х=0 см

Т_{окр_ср}=22 ⁰С для серии измерений с положением рейки х=10 см

Т_{окр_ср}=23 ⁰С для серии измерений с положением рейки х=20 см

Т_{окр_ср}=24 ⁰С для серии измерений с положением рейки х=30 см

Т_{окр_ср}=25 ⁰С для серии измерений с положением рейки х=40 см

По данным таб. 3.1 построим зависимости распределения температуры по плоскому экрану, расположенному на расстоянии 50 см от обогревателя в вертикальной плоскости (рис. 3.3) и в горизонтальной плоскости (рис. 3.4).

Рис. 3.3. Зависимость температуры плоского экрана в плоскости

Рис. 3.4. Зависимость температуры плоского экрана в плоскости xz

Очевидно, в них присутствует прогрессирующая систематическая погрешность, поскольку температура окружающей среды увеличивалась в процессе измерений. Предположим, что она изменялась линейно, что подтверждается измерениями после каждой серии измерений от 20 до 25 ⁰С. Уменьшим эту погрешность, введя безразмерную температуру, нормированную к температуре окружающего воздуха для каждой серии измерений

где – нормированная к температуре окружающей среды температура, с учтенной систематической погрешностью.

Таблица 3. Нормированные температуры на расстоянии 50 см от обогревателя

	x=0	x=10	x=20	x=30	x=40
y=0	1,55	1,386	1	0,75	0,48
y=5	1,5	1,346	1	0,75	0,48
y=10	1,45	1,364	0,957	0,708	0,46
y=15	1,4	1,25	0,957	0,708	0,46
y=20	1,375	1,227	0,913	0,688	0,44
y=25	1,25	1,159	0,87	0,688	0,4
y=30	1,2	1,114	0,826	0,667	0,4
y=35	1,1	1,045	0,783	0,583	0,4
y=40	0,85	0,955	0,739	0,5	0,36
y=45	0,75	0,818	0,609	0,417	0,32
y=50	0,65	0,682	0,522	0,375	0,28
y=55	0,6	0,614	0,478	0,333	0,24
y=60	0,5	0,5	0,391	0,292	0,2
y=65	0,4	0,409	0,348	0,25	0,16
y=70	0,35	0,341	0,348	0,208	0,14
y=75	0,3	0,273	0,283	0,167	0,12
y=80	0,2	0,227	0,239	0,125	0,12
y=85	0,2	0,182	0,174	0,125	0,08

Распределения нормированных температур при z=50 см представлено на рис. 3.5 и рис. 3.6.

Рис. 3.5. Зависимость исправленной нормированной температуры плоского экрана в плоскости уz (z=50 см)

Рис. 3.6. Зависимость исправленной нормированной температуры плоского экрана в плоскости хz (z=50 см)

В технике антенн обычно используется понятие нормированной диаграммы направленности, т. е., в направлении максимума излучения мощность излучения приравнивается единице. Вслед за техникой антенн примем

т.е., максимум температуры равен 1. Графики распределения приведенной исправленной температуры приведены на рис. 3.7, рис. 3.8.

Рис. 3.7. Зависимость исправленной приведенной температуры плоского экрана в плоскости уz (z=50 см)

Рис. 3.8. Зависимость исправленной приведенной температуры плоского экрана в плоскости хz (z=50 см)

Представим распределение температуры по экрану 85×40 см² в виде изотерм. Изотермы представлены для исправленной, нормированной к максимальной температуре (рис. 3.9 ).

Рис. 3.9. Изотермы нормированной к максимальной температуре (z=50 см)

Опираясь на полученные распределения температур можно определить оптимальное (с точки зрения равномерности инфракрасного излучения) расстояние между одинаковыми обогревателями. Рассмотрим ослабление излучения по мере удаления от обогревателя. Для этого будем отодвигать нагреваемый экран от обогревателя. Температуру будем измерять для двух точек экрана М₁(0,0) и М₂(0,20)

В результате эксперимента получены следующие значения температур:

Таблица 3.3 Результаты эксперимента

Z (см)	40	50	60	70	80	90
М1	42	42	40	37	31	23
М2	39	39	38	36	30	23

По данным табл. 3.3 построим зависимость изменения температуры по мере удаления от обогревателя для точек М₁ и М₂ (рис.3.10).

Рис. 3.10. Зависимость температуры контрольных точек по мере удаления от обогревателей

где Т1(z) – температура М₁

Т2(z) – температура М₂.

Для оценки динамики роста температуры во времени при включении обогревателя проведем измерения температуры точки М₁ во времени.

Таблица 3.4 Динамика роста температуры контрольной точки в процессе разогрева обогревателя

τ, мин.	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Т, 0С	20	20	21	22	24	26	27	28	29
τ, мин.	10	11	12	13	14	15	16	17	18
Т, 0С	30	31	32	33	34	34,5	35	35,5	36,5
τ, мин.	19	20	21	22	23	24	25	26	27
Т, 0С	37	38	38,5	39	39,5	40	40	41	41

По данным табл. 3.4 построим зависимость изменения температуры во времени после включения обогревателя для точки М₁ (рис.3.11).

Рис. 3.11 Зависимость температуры контрольной точки в процессе разогрева обогревателя

T(τ) – температура точки М₁.

Таким образом, обогреватель разогревается до своей рабочей температуры за 30 минут.