ИЗЛУЧАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
HEAT ENERGY RADIATOR

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для создания и формирования новых керамических и композиционных материалов, например, методом селективного лучевого спекания, а также для нагрева поверхностей различных объектов до требуемой температуры методом лучистого и конвективного теплообмена.
Например, для диагностики характеристик термопрочности и термостойкости:
- эксплуатируемых металлов;
- композиционных и керамических материалов;
- покрытий на их основе, в частности, при создании тепло-, огнезащитных, теплоизолирующих спецсредств;
- при разработке теплонагруженных элементов промышленного оборудования и транспортных средств.
А также и в тех областях техники, где предъявляются повышенные требования к вопросам теоретических и экспериментальных исследований излучательных и отражательных характеристик изделий, изготовленных из различных материалов или имеющих разные покрытия.
Из уровня техники известен излучатель тепловой энергии (патент на изобретение RU2172453, опубликован 29.11.1999), состоящий из нагревательного элемента, рефлектора в виде параболоида, 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.
Такой излучатель тепловой энергии позволяет увеличить КПД путем увеличения плотности теплового потока со стороны излучателя на объект и тем самым исключая потери энергии на рассеивание от нагревательного элемента вне объекта; снизить затраты электрической энергии для обеспечения нагрева объекта при проведении испытаний; уменьшить теплоприток на холодильник со стороны рефлектора и расход жидкого азота при проведении испытаний в вакуумной термобарокамере.
Недостатком данного устройства является ограничение по площади облучения на поверхности испытуемого объекта, недостаточная плотность мощности и ограниченный (солнечный) спектр подводимой лучистой энергии.
Также известны светолучевые кварцевые галогенные лампы накаливания, шаровые дуговые ксеноновые сверхвысокого давления с комбинированным и воздушным охлаждением (Фролов В.А. Светолучевые технологии тепловой обработки материалов // Фотоника. Технологическое оборудование и технологии, 2010, №3, с.23-26). Спектр излучения дуговых ксеноновых ламп близок к солнечному, но с интенсивным излучением в ультрафиолетовой и коротковолновой (0,8-2,0 мкм) инфракрасной области. Благоприятное сочетание спектральных и энергетических характеристик дуговых ксеноновых ламп открывает широкие перспективы их использования при решении различных технологических задач в машиностроении и приборостроении. Светолучевые лампы обычно относят или к нормально-круговым, или к нормально-полосовым тепловым источникам.
Недостатком известных ламп является работа в узком интервале изменения мощности, что ограничивает возможности управляемости нагрева, а также то, что в связи с многократной перегрузкой, обуславливающей жесткий температурный режим стеклянной колбы лампы и эрозию электродов, ресурс источника излучения резко падает.
Наиболее близко по технической сущности к предлагаемому изобретению относятся нагреватели по патенту (RU1342210, опубликован 15.11.1994), принятому нами за прототип, используемые в термокамерах к испытательным машинам. Нагреватель выполнен в виде лампы с токоподводами и содержит оптически прозрачный экран, выполненный в виде цилиндра, установленного коаксиально лампе, а также средство для подвода и отвода хладагента в зазор между экраном и лампой.
Недостатками описанного нагревателя являются: неопределенный диапазон спектра излучения, неуправляемость величиной и направлением теплового потока; невозможность модульной компоновки нагревателей для облучения объектов большой площади - порядка квадратного метра. Кроме того, применение указанных ламп с широким спектром излучения не позволяет моделировать терморадиационную нагрузку, характерную для штатного режима эксплуатации различного термоэнергитического оборудования. Например: имитации теплового потока в ультрафиолетовом диапазоне при входе в атмосферу летательных аппаратов; испытания для материалов камер сгорания дизелей или турбин в ближнем инфракрасном диапазоне.
Задачей заявляемого изобретения является снижение энергетических затрат при натурных испытаниях объектов, обеспечение управляемости тепловым потоком, а также расширение интервала изменения мощности при увеличении ресурса работы нагревателя.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что излучатель тепловой энергии, содержащий лампу с оболочкой и токоподводами по торцам, размещенную вместе с ними в потоке хладагента, оптически прозрачный экран, выполненный из стекла, средство для подвода и отвода хладагента в зазор между экраном и лампой, согласно изобретению выполнен в виде унифицированного однолампового модуля, снабженного отражателем в виде полого корпуса с патрубками для подвода и отвода хладагента, оптически прозрачный экран выполнен из стекла с добавками спектральных поглотителей, а средство для подвода и отвода хладагента снабжено каналом ввода пигмента-поглотителя, при этом лампа выполнена газоразрядной, ее оболочка из материала с заданными значениями показателей поглощения и рассеяния, а токоподводы в виде цанговых зажимов.
Кроме того, отличия изобретения состоят еще в том, что:
- оболочка газоразрядной лампы выполнена из лейкосапфира с показателем поглощения не более 0,3 1/м и коэффициентом теплопроводности не менее 1,5 Вт/(м·К);
- содержание в хладагенте пигмента-поглотителя в виде фильтрующих дисперсных частиц органической или не органической природы (водорастворимых красителей или полидисперсных частиц) с концентрацией до 5%;
- в качестве добавок спектральных поглотителей в стекло оптически прозрачного экрана использованы оксиды циркония, алюминия, кремния, при этом оптическая толщина h экрана - внешней цилиндрической оболочки определяется из соотношения
<mrow><mi>h</mi><mo>≥</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msqrt><mrow><mn>3</mn><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mi>σ</mi><mi>k</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
где h - оптическая толщина оболочки экрана;
k, σ - осредненные по спектру показатели (коэффициенты) поглощения, рассеяния;
τ - интегральный коэффициент пропускания экрана.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является:
- обеспечение заданного спектрального коэффициента пропускания оболочки излучателя тепловой энергии за счет моделирования спектральных характеристик, путем применения двухкаскадного фильтра:
- первый каскад (грубый) - внешняя оболочка (оптически прозрачный экран) выполнена из стекла с добавками соответствующих поглотителей излучения на основе оксидов циркония, алюминия, кремния (постоянный фильтр излучения);
- второй каскад (тонкий), обеспечивается соответствующими добавками органических (неорганических) поглотителей, например водорастворимых красителей или полидисперсных частиц, которые вводятся в хладагент с концентрацией до 5% (изменяющийся по спектру жидкостный фильтр), что позволяет регулировать спектр даже в ходе эксперимента;
2
- предельно достижимые уровни форсирования мощности источника излучения - газоразрядной лампы, определяются температурным режимом ее оболочки - внутренней оболочки. Использование прозрачных материалов с малым коэффициентом поглощения и высокой теплопроводностью, например лейкосапфира, позволяет существенно увеличить мощность источника излучения (более чем в два раза на форсированных режимах), а следовательно, и плотность потока излучения до 4 МВт/м, обеспечивающим повышение плотности потока излучения на поверхности нагреваемого объекта, а также формирование заданного поля излучения;
- значительное увеличение ресурса работы нагревателя (до десятков минут) непосредственно связано с устранением причин, вызывающих перегрев оболочки лампы свыше 1200°С, а также сильноточных токоподводов. Размещение газоразрядной лампы вместе с токоподводами в потоке охладителя резко улучшает температурное состояние теплонапряженных оболочки лампы и сильноточных электродов, что позволяет многократно (в 10… 12 раз) форсировать мощность лампы, за счет чего и достигается увеличение генерации потока излучения;
-1
- выбором поглотителя достигается регулирование спектра излучения, воздействующего на объект, в том числе в процессе нагрева, что обеспечивает нужное спектральное распределение теплового излучения источника нагрева. Введение поглотителей в материал оболочки газоразрядной лампы ужесточает температурный режим, однако рациональная схема охлаждения способствует увеличению эффективного показателя (коэффициента) поглощения до 0,3 м без нарушения допустимого температурного режима оболочки. Это позволяет вводить поглотители в материал внешней оболочки для формирования нужного спектра излучения вплоть до получения решетчатого спектра, содержащего набор узких полос излучения;
- источник излучения совместно с отражателем представляют законченную конструкцию - одноламповый модуль с унифицированными узлами подвода электроэнергии и хладагента. Это позволяет компоновать единичные модули в многоламповые блоки для нагрева поверхностей сложной геометрической формы (например, профили крыла гиперзвуковых летательных аппаратов или лопатки газотурбинных установок).
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг.1 - излучатель тепловой энергии в виде унифицированного однолампового модуля в комплекте с газоразрядной лампой и водоохлаждаемым отражателем;
фиг.2 - разрез по А-А излучателя тепловой энергии. Предлагаемая конструкция излучателя тепловой энергии состоит из унифицированного однолампового модуля, включающего газоразрядную лампу 1 с токоподводами по ее торцам, выполненными в виде цанговых зажимов 2, помещенных вместе с лампой 1 в поток хладагента (например, технической воды), и отражатель, выполненный в виде полого корпуса 3 с патрубками 4 для прокачки хладагента через его полость 5, при этом полый корпус 3 установлен с возможностью регулировки относительно облучаемой поверхности объекта (не показаны). Коаксиально лампе 1 установлен цилиндрический экран 6 (внешняя оболочка) из оптически прозрачного материала (стекла) с добавками спектральных поглотителей. Полый корпус 3 отражателя оснащен средством для подвода и отвода хладагента в зазор 7 между цилиндрическим экраном 6 (внешней оболочкой) и газоразрядной лампой 1, выполненным с каналом 8, предназначенным для прокачки хладагента через зазор 7. Канал 8 соединен с соответствующим патрубком 9 подачи хладагента. Средство для подвода и отвода хладагента снабжено каналом 10 для ввода пигмента-поглотителя, при этом пигмент-поглотитель (в виде фильтрующих дисперсных частиц органической или неорганической природы) вводится в хладагент с концентрацией до 5%. К токоподводам лампы 1 подстыковываются электрокабели (не показаны). Оболочка лампы выполнена из материала с показателем поглощения не более 0,3 1/м, показателем рассеяния менее 0,01 1/м и коэффициентом теплопроводности не менее 1,5 Вт/(м·К), например из лейкосапфира.
В случае использования в качестве фильтрующих добавок полидисперсных частиц, например оксидов циркония, алюминия, кремния (т.е. организация дисперсионного фильтра), оптическая толщина h экрана - внешней цилиндрической оболочки определяется из соотношения
<mrow><mi>h</mi><mo>≥</mo><mfrac><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msqrt><mrow><mn>3</mn><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mi>σ</mi><mi>k</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
где h - оптическая толщина оболочки экрана;
k, σ - осредненные по спектру показатели (коэффициенты) поглощения, рассеяния;
τ - интегральный коэффициент пропускания экрана.
Излучатель тепловой энергии работает следующим образом.
После установки облучаемого объекта по электрокабелям подают напряжение на токоподводы лампы 1, выполненные в виде цанговых зажимов 2. Перед запуском высоковольтным импульсом лампы 1 через патрубок 9 подают хладагент, который через канал 8 поступает на цанговые зажимы 2 токоподводов лампы 1, охлаждая их, а затем в зазор 7 между лампой 1 и цилиндрическим экраном 6, охлаждая последние. Полый корпус 3 отражателя охлаждается путем прокачки технической воды через его полость 5 посредством патрубков 4. Моделирование спектральных характеристик обеспечивается вводом соответствующих добавок поглотителей в хладагент (жидкостный фильтр) через канал 10, что позволяет регулировать спектр даже в ходе эксперимента.
Наибольшими перспективами в области отработки и исследования теплопрочностных характеристик конструкций обладают установки высокоинтенсивного радиационного нагрева на основе предлагаемого унифицированного однолампового модуля, допускающего многократное форсирование мощности и регулировку плотности потока излучения за счет изменения оптических характеристик внутренней и внешней оболочек излучателя тепловой энергии, а также пигмента с заданным поглощением в зазоре между экраном и лампой.
Кроме того, особенностью конструкции модуля-излучателя является возможность оперативной смены источника излучения без демонтажа самого модуля, а также цанговые зажимы сильноточных токоподводов, обеспечивающие снижение контактного сопротивления, а следовательно, и тепловыделение при больших рабочих токах (до 500 А). Это способствует снижению тепловых потерь, повышению КПД, улучшению температурного режима электродов и связанному с этим повышению ресурса источников излучения.
Таким образом, использование данного технического решения в народном хозяйстве позволяет:
- оперативно изменять тепловую энергию излучателя и таким образом обеспечивать заданную температуру нагрева поверхностей облучаемых объектов;
- реализовать режим высокотемпературного нагрева в течение десятков минут;
- создать установки для нагрева фрагментов конструкций с характерным размером порядка квадратного метра на основе унифицированных одноламповых модулей;
- интегрироваться с устройствами статического и динамического нагружения конструкции, что позволяет реализовать режимы комплексных воздействий.
Отличительной особенностью конструкции модуля-излучателя является возможность оперативной смены источника излучения без демонтажа самого модуля, а также цанговые зажимы сильноточных токоподводов, обеспечивающие снижение контактного сопротивления, а, следовательно, и тепловыделение при больших рабочих токах (до 500 А). Это способствует снижению тепловых потерь, повышению КПД, улучшению температурного режима электродов и связанному с этим повышению ресурса источников излучения.