ТЕПЛОВОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ШАРОВОЙ ФОРМЫ
SPHERIC THERMAL RADIATOR

Изобретение относится к химической промышленности и машиностроению и может быть использовано для нагрева поверхностей различных объектов до требуемой температуры методом лучистого теплообмена и, в частности, наиболее эффективно может быть использовано в вакууме, например, работах, связанных с высокотемпературными возгонками материалов при химическом синтезе новых материалов. Известно устройство «ИЗЛУЧАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ», RU 2172453 С2, МПК 7 F26B 3/30, F24J 2/18, заявка: 99125050/06.
Излучатель тепловой энергии состоит из нагревательного элемента, рефлектора, тепловой изоляции, размещенной на обратной от нагревательного элемента поверхности рефлектора по всей его площади, и экрана, закрепленного по оси симметрии рефлектора перед нагревательным элементом по всей длине последнего. По центру экрана вдоль его продольной оси симметрии предусмотрена щель. Изобретение позволяет увеличить КПД излучателя тепловой энергии путем увеличения плотности теплового потока со стороны излучателя на объект и тем самым исключения потерь энергии на рассеивание от нагревательного элемента вне объекта; снижения затрат электрической энергии для обеспечения нагрева объекта при проведении испытаний; уменьшения теплопритока на холодильник со стороны рефлектора и расхода жидкого азота при проведении испытаний в вакуумной термобарокамере. Конструкция излучателя тепловой энергии достаточно проста и не требует существенной доработки, а также ввода специальных производственных технологических линий.
Недостатком является низкий КПД использования вторичного излучения от разогреваемого материала. Нагревательный элемент находится в зоне нагрева материала, что ограничивает число возможных типов нагрева.
Известно устройство «ТЕПЛОВОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ», RU 2039343 С1, МПК 6 G01J 1/08, G02B 17/02, заявка: 4942157/10, 05.06.1991.
Использование: в качестве источника теплового излучения. Сущность: в тепловом излучателе нагреватель расположен на наружной поверхности сердечника, а его полость имеет форму эллипсоида вращения, поверхность которого выполнена отражающей, причем выходное отверстие полости излучателя расположено на большей оси эллипсоида. 1 ил.
Недостатками являются использование в качестве формы излучателя эллипса вращения, т.к. эллипс по определению имеет больше 1 радиуса при построении, и это исключает точную фокусировку всего потока энергии в едином фокусе, низкая возможность использования вторичного потока энергии, исходящего от нагреваемого материала. Это снижает КПД (коэффициент полезного действия) всей системы.
Известно устройство «Высокотемпературная солнечная печь», SU, Патент №1781516 А, МПК 5 F24J 2/00, заявка №:4706401, 19.06.1989. Изобретение солнечная печь содержит гелиоконцентратор, состоящий из трех оптически сопряженных зеркал, фокусирующих солнечное излучение на плоскость выходного окна фокона, в котором размещен светопроводный элемент, выполненный в виде жгута, волоконные световодов, выходные торцы которых введены в сферическую высокотемпературную камеру 6 через сквозные отверстия. Камера имеет зеркальное покрытие. Гомоцентрично ей размещены сферическая герметическая оболочка и нагреваемый элемент. Параболическое зеркало имеет круговое отверстие при вершине, размеры которого определены размерами параболического зеркала 2, сопряженного с зеркалом и фоконом (Прототип).
Недостатком является использование солнечной энергии, которая есть не везде и только в светлое время суток.
Целью изобретения служит нагревание различных материалов до высокой температуры в условиях низкого вакуума с высоким КПД (коэффициентом полезного действия) использования первичного потока энергии излучателя.
Технический результат (техническое решение) достигается тем, что корпус состоит из двух частей, одна из которых выполнена из жаропрочного материала с полированной внутренней поверхностью и нагревателем, расположенным по всей наружной поверхности, а вторая часть корпуса тоже имеет полированную поверхность и содержит трубы вставленные одна в другую, а именно: трубу для подачи материала в центр шара, трубу для удаления шлаков, трубу для продуктов распада и синтеза и трубу для создания низкого вакуума, причем зона нагрева материала располагается в центре шара.
Тепловой излучатель по пункту 1 отличается тем, что одна из труб может совмещать функции других труб, например трубы под вакуум и удаления продуктов распада и синтеза.
На Фиг.1 изображено устройство «Тепловой излучатель шаровой формы».
Статика
На Фиг.1 изображен тепловой излучатель, состоящий из корпуса (1) с полостью (2), выполненной в форме шара (3), и нагревателем (4) на наружной поверхности (5), и корпус (1) состоит из двух частей, одна (6) из которых выполнена из жаропрочного материала с полированной внутренней поверхностью (7) и нагревателем (4), расположенным по всей наружной поверхности (5), а вторая часть (8) корпуса (1) тоже имеет полированную поверхность (7) и содержит трубы (9), вставленные одна в другую, а именно: трубу для подачи (10) материала (11) в центр шара (12), трубу для удаления (13) шлаков (14), трубу (16) для продуктов распада и синтеза и трубу для создания низкого вакуума (17), причем зона нагрева (18) материала (11) располагается в центре шара (12).
Тепловой излучатель по пункту 1 имеет одну из труб (9), которая может совмещать функции других труб, например трубы под вакуум (17) и трубы (16) удаления продуктов распада и синтеза.
Работа устройства
Тепловой излучатель (1), состоящий из корпуса (2) с полостью (3) и нагревателем (4) на наружной поверхности (5) (Фиг.1), отличается тем, что полость (3) выполнена в форме шара (6), состоящего из двух частей, одна (7) из которых выполнена из жаропрочного материала с полированной внутренней поверхностью (8) и нагревателями (4), расположенными по всей наружной поверхности (9), а вторая часть (10) шара (6) тоже имеет полированную внутреннюю поверхность (11) и имеет в себе трубы (12), вставленные одна в другую, а именно: труба для подачи (13) материала (19) в центр (14) шара (6), труба для удаления шлаков (15), труба для продуктов распада и синтеза (16) и труба для создания низкого вакуума (17), причем зона нагрева (18) материала (19) располагается в центре (14) шара (6).
Тепловой излучатель (1), состоящий из корпуса (2) с полостью (3) и нагревателем (4) на наружной поверхности (5) по пункту 1, отличается тем, что одна из труб (12) может совмещать функции других труб (12), например общая труба (12) для вакуума (17) и удаления продуктов распада и синтеза (16).
Нагревательные элементы (4) могут быть различного типа, а именно газовые горелки любого типа, индуктивный нагреватель, электрический нагреватель на основе ТЭНов, прямой электрический разогрев от пропускания по корпусу (2) электрического тока. Разогретая полированная внутренняя поверхность (11) в полости (3) начинает излучать поток энергии. Его мощность зависит от плотности потока и площади излучения. В сферическом излучателе вся энергия идет в вакууме в форме потока квантов энергии инфракрасного диапазона, идет от перпендикулярной плоскости в точках излучения в направлении центра (20) шара (6). При этом энергия в точке фокуса (21) (центре (20) шара (6)) прямо пропорциональна коэффициенту отношения пощади излучаемой поверхности к площади нагрева материала (19) в фокусе (21). Разогревая полированную внутреннюю поверхность (11) до температуры в 600-800 градусов и при, например, отношении площадей 100 к 1 на поверхности разогреваемого материала (19) с учетом потерь на рассеивание и расстояние, можно получить до 4000 градусов Цельсия. Излучаемая вторичная энергия от разогретого материала (19) отражается от полированных поверхностей первой (11) и второй (10) половины шара (6) и возвращается в центр (14) шара (6). Таким образом, резко повышается КПД использования первичного теплового потока. Можно снижать постепенно (в зависимости от степени прогрева системы) подаваемую на поверхность (9) первой части шара (6) энергию.
Подаваемый по трубе (13) материал (19) разогревается, испаряется, происходит синтез нового материала. При температуре в 4000 градусов количество негорючих шлаков минимально, и оно будет выдавливаться новым материалом (19) в наружную трубу (15). В другие трубы (12) будут удаляться синтезированный материал и продукты распада, и создаваться низкий вакуум.
Технико-экономические показатели относительно прототипа значительно выше, т.к. снижается потребляемая энергия для первичного потока и увеличивается КПД системы. Уменьшается возможность засорения шлаками полированных внутренних поверхностей шара, что снижает число остановок процесса на чистку и снижает стоимость продукции
Перечень позиций:
1 - тепловой излучатель
2 - корпус
3 - полость
4 - нагреватель
5 - наружная поверхность
6 - шар
7 - одна часть корпуса
8 - полированная внутренняя поверхность
9 - наружная поверхность
10 - вторая часть корпуса
11 - полированная внутренняя поверхность
12 - труба
13 - труба для подачи материала (19)
14 - центр шара
15 - труба для удаления шлаков
16 - труба для продуктов распада и синтеза
17 - труба для создания низкого вакуума
18 - зона нагрева материала (19)
19 - материал