Электрический излучательный обогреватель

(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники(72) Авторы Достанко Анатолий Павлович Тхостов Михаил Хаджи-Муратович Баранов Валентин Владимирович Бурский Вячеслав Александрович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники(ИК) излучения, выполненный в виде одной или нескольких галогенных кварцевых ламп,установленных на поверхности крепления в токопроводящих элементах таким образом,что нагреваемое пространство помещения находится в зоне их прямого воздействия, рефлектор, установленный со стороны поверхности крепления, частично непрозрачный для ИК излучения экран, установленный со стороны обогреваемой зоны, теплоизолирующую пластину, установленную позади рефлектора, и элементы крепления, причем рефлектор и частично непрозрачный для ИК излучения экран образуют замкнутый объем источника ИК излучения, отличающийся тем, что замкнутый объем источника ИК излучения, теплоизолирующая пластина и элементы крепления образуют незамкнутый объем, а удельная мощность источника ИК излучения, приведенная к величине незамкнутого объема, составляет 0,02-0,75 Вт/см 3. 2. Обогреватель по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере две стенки незамкнутого объема выполнены по меньшей мере с одним отверстием для вентиляции. 3. Обогреватель по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что частично непрозрачный для ИК излучения экран выполнен с формой, выпуклой в направлении излучения. 8310 1 2006.08.30 Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в качестве локального электрического обогревателя помещений. Известна конструкция электрических обогревателей помещений, в которой используется энергия электрических нагревателей, обдуваемых с помощью вентилятора потоком воздуха, который затем направляется на нагреваемый объект 1. В известной конструкции обогревателя между нагревателями и поверхностью крепления обогревателя имеется теплозащитный узел из теплоизолирующей пластины и центральный вентилятор, создающий воздушный поток, обдувающий нагреватели и направляемый боковыми участками теплоизолирующей пластины на нагреваемый объект. В другой известной конструкции обогревателя с целью повышения эффективности нагрева и достижения локального обогрева помещений низкоэнергетических зданий нагреватели выполнены как излучательные элементы, которые переключаются с теплового излучения для помещений на более интенсивное излучение для обогрева людей 2. Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, которое содержит излучатель, установленный в полости рефлектора, выполненного из теплоизолирующего материала, причем излучатель и рефлектор образуют замкнутый объем. Устройство также содержит защитный кожух, а с целью повышения качества обогрева путем изменения спектров излучения в обогревателе установлен экран в виде пластины, частично поглощающей инфракрасное излучение 3. При этом уменьшаются потери мощности на нагрев объектов (оборудования, персонала и т.п.), т.к. данное устройство обеспечивает нагрев за счет прямого действия ИК излучения, а не конвекции, при которой, по определению, происходит нагрев воздушного пространства вокруг объектов. Главный недостаток аналогов и прототипа состоит в том, что они имеют недостаточно высокую эффективность обогрева относительно удаленных объектов, что требует значительной мощности. Кроме того, в помещениях с ограниченной высотой и имеющих потолок или стены из недостаточно термостойких материалов такие обогреватели применять нельзя из-за опасности воспламенения прилегающих поверхностей крепления (потолка,стен). Кроме того, из-за тепловых ударов при циклической работе обогревателя покрытия поверхностей крепления могут отслаиваться или коробиться. Предлагаемое изобретение решает задачу повышения эффективности обогрева объектов в помещениях различных классов, в том числе относительно небольшого объема. Поставленная задача решается тем, что в электрическом обогревателе, содержащем источник инфракрасного (ИК) излучения, выполненный в виде одной или нескольких галогенных кварцевых ламп, установленных на поверхности крепления в токоподводящих элементах таким образом, что нагреваемое пространство помещения находится в зоне их прямого воздействия, при этом рефлектор, установленный со стороны поверхности крепления, частично непрозрачный для ИК излучения экран, установленный со стороны обогреваемой зоны, теплоизолирующую пластину, установленную позади рефлектора, и элементы крепления, причем рефлектор и частично непрозрачный для ИК излучения экран образуют замкнутый объем источника ИК излучения, с целью повышения эффективности обогрева объектов в помещениях, замкнутый объем источника ИК излучения, теплоизолирующая пластина и элементы крепления образуют незамкнутый объем, а удельная мощность источника ИК излучения, приведенная к величине незамкнутого объема, составляет 0,02-0,75 Вт/см 3. Обогреватель по п. 1 отличается тем, что по меньшей мере две стенки незамкнутого объема выполнены по меньшей мере с одним отверстием для вентиляции. Обогреватель по любому из пп. 1, 2 отличается тем, что частично не прозрачный для ИК излучения экран выполнен с формой, выпуклой в направлении излучения или излучателя. 2 8310 1 2006.08.30 Отличительные признаки предлагаемого устройства в своей совокупности обладают новизной и существенными отличиями по сравнению с существующими электрическими обогревателями с источниками ИК излучения. Решение поставленной задачи изобретения объясняется следующим образом. Как показывает анализ распределения тепловой энергии, приблизительно 82-85 энергии лучистого потока передается на нагреваемый объект непосредственно (в исходном виде). Это обеспечивает высокую эффективность и динамику нагрева объекта, а также минимизирует потери тепловой энергии на нагрев всего объема воздуха в помещении и, соответственно,потолка, стен и пола при теплообмене с воздухом. Некоторое количество тепловой энергии (не более 15 ) рассеивается по конвективному механизму и нагревает прилегающий к нагревателю объем. Однако, поскольку нагреватель имеет теплоизолирующий элемент и находится в теплообмене с относительно прохладным воздухом всего помещения, то температура наружной поверхности, прилегающей к месту крепления (потолок, стена), не превышает 300 С, что соответствует достаточно жестким нормам для строительных конструкций. Этому также способствует контакт элементов крепления с излучательным элементом в местах, затененных от ИК излучения, что исключает непосредственную передачу через них тепла теплоизолирующему элементу. На фигуре показана принципиальная схема предлагаемого устройства. Электрический обогреватель содержит кварцевые галогенные лампы ИК излучения 1,рефлектор 2 и теплоизолирующую пластину 3, частично непрозрачный для ИК излучения экран 4, элементы крепления экрана 5, которые вместе образуют замкнутый объем 6 и незамкнутый объем 7 обогревателя. Работает предлагаемый электрический обогреватель следующим образом. При включении галогенных ламп образуется мощный поток ИК излучения (лучистый поток). 90 мощности излучения передается в спектральной области 0,95-1,2 мкм. Часть лучистого потока (приблизительно 1/2) попадает на рефлектор и 80 его отражается от его поверхности. Т.е.40 энергии отраженного лучистого потока оказывается направленным на нагреваемый объект. Остальная энергия (до 20 ) рассеивается по конвективному механизму через имеющиеся отверстия в незамкнутом объеме стороны обогреваемой зоны частично непрозрачным для ИК излучения экраном, которые образуют замкнутый объем источника ИК излучения, соединенный в затененных от ИК излучения местах элементами крепления с располагаемой позади рефлектора теплоизолирующей пластиной,причем замкнутый объем источника ИК излучения, элементы крепления и теплоизолирующая пластина образуют незамкнутый объем, а удельная мощность источника ИК излучения, приведенная к величине незамкнутого объема, составляет 0,02-0,75 Вт/см 3. Достижение поставленной цели изобретения объясняется следующим образом. Как показывает анализ распределения тепловой энергии, приблизительно 82-85 энергии лучистого потока передается на нагреваемый объект непосредственно (в исходном виде). Это обеспечивает высокую эффективность и динамику нагрева объектов в помещении, а также минимизирует потери тепловой энергии на нагрев всего объема воздуха в помещении и, соответственно, потолка, стен и пола при теплообмене с воздухом. Некоторое количество тепловой энергии (не более 15 ) рассеивается по конвективному механизму и нагревает прилегающий к нагревателю объем. Однако, поскольку нагреватель имеет теплоизолирующий элемент и находится в теплообмене с относительно прохладным воздухом всего помещения, то температура наружной поверхности, прилегающей к месту крепления (потолок, стена), не превышает 300 С, что соответствует ДОСтаточно жестким нормам для строительных конструкций. Этому также способствует контакт элементов крепления с излучательным элементом в местах, затененных от ИК излучения, что исключает непосредственную передачу через них тепла теплоизолирующему элементу. 3 8310 1 2006.08.30 Частично непрозрачный для ИК излучения экран играет роль теплового трансформатора, аккумулирующего часть энергии источника и переизлучающего эту часть в пространство. Если частично непрозрачный для ИК излучения экран выполнен с формой, выпуклой в направлении излучения, то указанная выше доля энергии источника возрастает из-за роста доли конвективного воздухообмена вокруг выступающей части устройства. При этом диаграмма направленности устройства также несколько расширяется из-за переизлучения части энергии боковыми (наклонными) участками этого теплового трансформатора по нормали к поверхности этих участков. Именно данный вариант устройства показан на фигуре. Если же экран выполнен с формой, выпуклой в направлении излучателя, по существу вогнутой в направлении излучения, то доля конвективной составляющей снижается и возрастает доля чисто излучательной составляющей, при этом также сужается индикатриса рассеяния ИК мощности, т.е. устройство дает более узкую диаграмму направленности в направлении объектов нагрева. Возможны различные варианты конструктивного исполнения заявляемого устройства с различными видами рефлекторов, отличающихся по профилю, видам отражающих покрытий и т.д. Регулирование доли лучистой составляющей теплового потока от электрического обогревателя и спектра производится выбором материала частично непрозрачного экрана либо его пленочного покрытия. При этом может использоваться термостойкое стекло без пленочных покрытий или с различными покрытиями, например на основе кремния, оксидов и нитридов кремния и переходных металлов. Вследствие преимущественного механизма излучения для нагрева объектов заявляемое устройство не требует применения вентиляторов, которые могут использоваться в конвективных нагревателях для повышения их эффективности, но при этом существенно удорожают их конструкцию, снижают надежность и создают шум. Нижний предел удельной мощности источника ИК излучения - 0,02 Вт/см 3 обусловлен тем, что при меньшем значении этой величины падает эффективность нагрева уделенных объектов. Верхний предел в 0,75 Вт/см 3 обусловлен тем, что при больших значениях имеют место значительные потери лучистой энергии и возрастает доля конвективной составляющей. При этом эффективность электрического обогревателя в целом снижается. Как показали экспериментальные исследования, эффективность предложенного электрического обогревателя приблизительно вдвое выше по сравнению с обогревателем,снабженным стандартными электронагревательными элементами (так называемыми ТЭНами) и вентилятором и существенно выше по сравнению с электрическим обогревателем, конструкция которого соответствует выбранному прототипу. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице. Основные характеристики электрического обогревателя в сравнении с прототипом Заявляемый электрической обогреватель ПотребТемпеляемая Удель- Наличие ратура энергия Время Удельна поная на экрана обогрев нагре- Приме- ная мощмощ- не пленверхнообъектов в ва,чание ность,сти объность,ки из зоне пломин Вт/см 3 Вт/см 3 2 ектов,щадью С 4 м 2, кВтч 1 2 3 4 5 6 7 Не дос 0,01 Нет 0,45 20 10 0,01 тигается более 25 Имеется 0,50 20 11 С Прототип Потребляемая энергия Время на обогрев нагреобъектов ва,в зоне пло- мин щадью 4 м 2, кВтч 8 9 0,60 Нет Имеется Нет Имеется Нет Имеется Нет Имеется Нет Имеется Нет Прототип реализован на действующем макетном образце, но без использования рефлектора теплоизолирующего элемента и экрана.Удельная мощность регулировалась количеством устанавливаемых в макетный образец ламп, а в небольших пределах - напряжением питания (при условии удержания спектральных характеристик в установленном интервале). Измерения мощности проводились с помощью измерительного комплекта типа К-50. Источники информации 1. Патент Японии. Заявка 3-57378, МПК 24 3/04, 1991. 2. Патент Германии 4312400, МПК 24 1/08, 1994. 3. Патент 1455394 А 1, 1989. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5