ИЗЛУЧАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована для нагрева и сушки поверхностей различных объектов тепловым инфракрасным излучением. Наиболее целесообразным является использование полезной модели при локальном обогреве рабочих мест, не обеспеченных общим обогревом, например в мастерских, ремонтных площадках автомобилей и сельскохозяйственной техники, при обогреве молодняка в коровниках, свинофермах, при сушке сырых оштукатуренных стен. Во всех перечисленных примерах важно не только направить весь поток тепловой лучистой энергии нагревательного элемента на обогреваемый объект, но и как можно более равномерно распределить его по обогреваемой поверхности.
Уровень техники
Известно устройство кварцевого излучателя тепловой энергии, состоящее из линейной кварцевой лампы, размещенной внутри зеркально отражающего рефлектора, имеющего форму цилиндрического параболоида, так, что продольная ось лампы совпадает с линией фокусов параболоида (Гинзбург А.С. Инфракрасная техника в пищевой промышленности / А.С. Гинзбург. - М.: Пищевая промышленность, 1966. - 407 с. - Рис. II-15, стр. 113). Недостатками устройства являются существенное рассеяние энергии излучения за пределы обогреваемой поверхности, а также высокая степень неравномерности теплового воздействия на различные области обогреваемой поверхности. Так, по данным (Гинзбург А.С. Инфракрасная техника в пищевой промышленности / А.С. Гинзбург. - М.: Пищевая промышленность, 1966. - 407 с. - Рис. II-4, стр. 105) при отклонении от оси рефлектора на 20° плотность теплового потока излучения уменьшается более чем в 2 раза. По нашим данным для рефлектора шириной 200 мм и фокусным расстоянием 50 мм при облучении площадки шириной 300 мм, размещенной на расстоянии 1000 мм от нагревательного элемента, потери потока излучения составляют более 51%.
Известно устройство формирования светового потока в фарах головного света (Справочная книга по светотехнике / под ред. Ю.Б. Айзенберга. - М.: Знак, 2006. - 972 с., - Рис. 17.10, стр. 780), состоящее из лампы накаливания, спираль которой размещена в фокусе зеркально отражающего параболического рефлектора, часть поверхности колбы лампы покрыта диффузно отражающим материалом так, что препятствует распространению светового потока от спирали в направлении света фары и отражает световой поток спирали на поверхность рефлектора. Недостатком конструкции является рассеяние энергии светового излучения из-за разнонаправленного отражения излучения спирали лампы диффузным отражателем на поверхность рефлектора, что приводит к отклонению лучей отражения от рефлектора от осевого направления света фары.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция излучателя тепловой энергии с параболическим рефлектором (Излучатель тепловой энергии. Патент РФ №2172453, авторы Зяблов В.А.; Атаров М.Н.; Капралов О.В., опубл. 20.08.2001 г.), состоящая из цилиндрического нагревательного элемента и рефлектора в форме цилиндрического параболоида, установленных так, что ось нагревательного элемента совпадает с линией фокусов параболоида рефлектора, а длина рефлектора равна длине нагревательного элемента, экрана, длина которого равна длине рефлектора, установленного на оси рефлектора так, что излучение от нагревательного элемента отражается на поверхность рефлектора, при этом в экране выполнено щелевое отверстие, обеспечивающее поток излучения от нагревательного элемента на обогреваемый объект, принятая за прототип.
Недостатками прототипа являются рассеяние энергии теплового излучения из-за разнонаправленного отражения излучения нагревательного элемента экраном на поверхность рефлектора, что приводит к отклонению лучей отражения от рефлектора от осевого направления излучения, а также неравномерность нагрева поверхности из-за потока прямого излучения от нагревательного элемента через щелевое отверстие в экране.
Раскрытие полезной модели
Целью полезной модели является снижение потерь потока энергии излучения от нагревательного элемента к нагреваемой поверхности, обеспечение равномерного нагрева этой поверхности.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение плотности теплового потока излучения от нагревательного элемента излучателя к объекту нагрева и обеспечение равномерного распределения потока излучения по поверхности объекта нагрева.
Излучатель тепловой энергии состоит из цилиндрического нагревательного элемента, рефлектора с зеркально отражающей поверхностью в форме цилиндрического параболоида, линия фокусов которого совпадает с осью нагревательного элемента, а длина равна длине нагревательного элемента, экрана с зеркально отражающей поверхностью в форме цилиндрического параболоида, установленного перед нагревательным элементом по всей длине последнего так, что оси симметрии рефлектора и экрана совпадают, а ось нагревательного элемента лежит на линии фокусов экрана, при этом величина фокуса рефлектора больше величины фокуса экрана, а плоскость среза рефлектора расположена так, что плоскость, касательная к поверхности цилиндра нагревательного элемента и касающаяся линии среза поверхности экрана, пересекает поверхность рефлектора. Боковые стенки рефлектора выполнены плоскими зеркально отражающими поверхностями от линии параболы рефлектора до плоскости среза рефлектора в поперечной плоскости рефлектора. К боковым стенкам рефлектора примыкают плоские зеркально отражающие экраны, расположенные под углом к боковым стенкам, раскрывающим поток излучения от рефлектора. Длина и угол раскрытия плоских экранов определяются удалением и размером обогреваемой поверхности.
Предлагаемая конструкция излучателя тепловой энергии состоит из нагревательного элемента (1), зеркального рефлектора в форме цилиндрического параболоида (2), зеркального экрана в форме цилиндрического параболоида (3), зеркально отражающих боковых стенок рефлектора (4), зеркально отражающих плоских экранов (5). Она предназначена для нагрева объекта (6) (см. фиг. 1, 2).
Отличительными существенными признаками, характеризующими полезную модель, являются:
- форма цилиндрического параболоида экрана;
- зеркальная отражательная способность поверхности цилиндрического параболоида экрана;
- совпадение положения продольной оси нагревательного элемента и линии фокусов цилиндрического параболоида экрана;
- соотношение фокусных расстояний f1>f2, где f1 - фокусное расстояние рефлектора; f2 - фокусное расстояние параболического экрана;
- расположение плоскости среза рефлектора так, что плоскость, касательная к поверхности цилиндра нагревательного элемента и касающаяся линии среза поверхности цилиндрического параболоида экрана, пересекает поверхность рефлектора;
- зеркальная отражательная способность плоских боковых поверхностей и экранов;
- расположение плоских боковых экранов под углом к поперечному сечению рефлектора.
Представленная совокупность отличительных существенных признаков привела к достижению цели полезной модели.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого излучателя, где:
1 - нагревательный элемент;
2 - рефлектор в форме цилиндрического параболоида;
3 - зеркально отражающий экран в форме цилиндрического параболоида (параболический экран);
4 - зеркально отражающие боковые стенки рефлектора;
5 - зеркально отражающие плоские экраны;
f1 - фокусное расстояние рефлектора;
f2 - фокусное расстояние рефлектора параболического экрана;
b - расстояние от плоскости среза рефлектора до пересечения поверхности рефлектора с плоскостью (показана пунктиром), касательной к поверхности цилиндра нагревательного элемента и касающейся линии среза параболического экрана.
На фиг. 2 представлена схема теплового облучения обогреваемой поверхности, где:
1-5 - обозначения на фиг. 1;
6 - поверхность обогреваемого объекта;
L - расстояние от плоскости среза рефлектора до поверхности обогреваемого объекта;
α - угол раскрытия теплового потока излучения в продольной плоскости рефлектора;
β - угол раскрытия теплового потока излучения в поперечной плоскости рефлектора;
B - точки границ площадки облучения в поперечной плоскости рефлектора;
D - точки границ площадки облучения в продольной плоскости рефлектора;
С - точка пересечения отраженных от рефлектора лучей на поверхности объекта нагрева.
Осуществление полезной модели
Устройство работает следующим образом. Нагревательный элемент 1, например, нихромовая или фехралевая спираль в трубке кварцевого стекла, при подаче напряжения питания нагревается и излучает энергию лучистой теплоты. Излучение нагревательного элемента падает на рефлектор 2, изготовленный, например, из зеркально полированного анодированного алюминия, и, благодаря размещению оси нагревательного элемента на линии фокусов параболы рефлектора 2, отражается пучком параллельных лучей в направлении поверхности объекта нагрева 6. Излучение нагревательного элемента 1, падающего на поверхность параболического зеркально отражающего экрана 3, изготовленного, например, из зеркально полированного анодированного алюминия, отражается пучком параллельных лучей на поверхность рефлектора 2, от которой отражается, фокусируясь на нагревательном элементе 1. Фокус экрана f2 меньше фокуса рефлектора f1, что обеспечивает наличие двух плоских щелей для потока излучения на поверхность нагреваемого объекта.
В результате на поверхность объекта нагрева попадает два расширяющихся пучка теплового излучения, границы которых на схеме фиг. 2 обозначены буквами В и С. При увеличении расстояния L между объектом нагрева и излучателем тепловой энергии расширяющиеся пучки теплового излучения будут накладываться друг на друга, увеличивая тем самым плотность потока излучения в области наложения пучков. Угол расширения потока теплового излучения β (см. фиг. 2) определяется диаметром нагревательного элемента и качеством зеркально отражающих поверхностей, что позволяет для заданного расстояния L проектировать параболические поверхности рефлекторов, обеспечивающие требуемую ширину нагреваемой поверхности и равномерность распределения по этой поверхности теплового излучения.
Нагревательный элемент излучает тепловую энергию диффузно, то есть излучение от поверхности нагревательного элемента происходит и по прямым, принадлежащим плоскости, касательной к поверхности цилиндра нагревательного элемента и касающейся линии среза параболического экрана (показана пунктиром на фиг. 1). Для того чтобы эти лучи не уходили за пределы рефлектора, плоскость его среза расположена на расстоянии b (см. фиг. 1) от линии пересечения поверхности рефлектора с плоскостью, касательной к поверхности цилиндра нагревательного элемента и касающейся линии среза параболического экрана. Расстояние b определяется экспериментально, так как зависит от геометрических размеров нагревательного элемента, рефлекторов и качества их поверхностей.
Плоские зеркально отражающие боковые стенки рефлектора, выполненные, например, из зеркально полированного анодированного алюминия, размещенные в поперечной плоскости рефлектора и примыкающие к ним плоские зеркально отражающие экраны, расположенные под углом к поперечной плоскости рефлектора, обеспечивающим раскрытие потока излучения под углом α (см. фиг. 2), направляют излучение от нагревательного элемента и отраженное от рефлектора излучение в направлении поверхности объекта нагрева в продольной плоскости рефлектора, что обеспечивает уменьшение рассеяния теплового излучения в продольной плоскости за пределы поверхности объекта нагрева. Длина и угол раскрытия плоских экранов определяются удалением и размером обогреваемой поверхности.
Длительную работоспособность устройства обеспечивает значительная разница степени черноты материала спирали нагревательного элемента и поверхности анодированного алюминия, из которого могут выполняться рефлекторы устройства. В результате теплового лучистого взаимодействия нагревательного элемента и поверхностей рефлекторов температура рефлекторов существенно ниже температуры нагревательного элемента.
Результаты теплового моделирования предложенного устройства показали, что если для рефлектора шириной 200 мм с фокусным расстоянием 50 мм при облучении площадки шириной 300 мм, размещенной на расстоянии 1000 мм от нагревательного элемента, потери потока излучения составляют более 51%, то при использовании параболического зеркально отражающего экрана с фокусным расстоянием 10 мм потери потока излучения снижаются до 15%.
Экспериментальное устройство оснащено нагревательным элементом из фехралевой спирали электрической мощностью 920 Вт в трубке из кварцевого стекла длиной 500 мм, рефлектором размерами 500×300 мм в плане с фокусным расстоянием 60 мм, зеркальным параболическим экраном размерами 500×116 мм в плане с фокусным расстоянием 30 мм, плоскими зеркальными экранами размерами 300×150 мм, расположенными под углом α=56°.
Экспериментальная проверка работы устройства показала, что не менее 75% потока теплового излучения облучает площадку 3200×1000 мм, размещенную на расстоянии 2500 мм от среза рефлектора устройства, что позволяет использовать такое устройство, например, для локального обогрева одного рабочего места слесарных мастерских.