Меню Рубрики

Установки для инфракрасного излучения

Облучатели и установки для инфракрасного обогрева животных

В сельском хозяйстве в качестве ИК-источников излучения для обогрева животных используют лампы накаливания общего назначения, лампы-термоизлучатели, трубчатые излучатели и трубчатые электронагреватели (ТЭН).

Лампы накаливания различают по напряжению, мощности и исполнению. Конструкция ламп накаливания зависит от их назначения. Стеклянная колба, диаметр которой определяется мощностью лампы, укрепляется специальной мастикой в цоколе. На цоколе имеется винтовая нарезка для крепления в патроне, при помощи которого лампа включается в сеть. Для изготовления тела накала лампы применяется вольфрам. С целью уменьшения распыления вольфрама лампа наполняется инертным газом (например, аргоном, азотом и др.).

Основные параметры лампы накаливания:

• средняя продолжительность горения.

Лампы накаливания общего назначения выпускаются на напряжения 127 и 220 В.

Электрическая мощность ламп накаливания указывается как среднее значение для номинального напряжения, на которое рассчитана лампа. В сельском хозяйстве в основном используются лампы накаливания с диапазоном мощностей от 40 до 1500 Вт.

Световой поток лампы накаливания находится в прямой зависимости от электрической мощности лампы и температуры накала; для ламп, прогоревших 75% своего номинального срока службы, допускается уменьшение светового потока на 15—20% начального значения.

При использовании осветительных ламп для обогрева животных необходимо иметь в виду, что большая освещенность может вызвать раздражение у животных.

Средняя продолжительность горения лампы накаливания определяется в первую очередь распылением вольфрама. Для большинства ламп накаливания общего назначения средняя продолжительность горения составляет 1000 ч.

Изменение напряжения в сети по сравнению с номинальным значением вызывает изменение потока, излучаемого лампой, а также мощности и срока службы. При изменении напряжения на ±1% световой поток лампы изменяется на ±2,7%, а средняя продолжительность горения на ±13%.

Лампы накаливания с отражающим слоем. Для направления потока излучения в определенную зону используются лампы с зеркальным и с диффузным отражающим слоем, который наносится изнутри на верхнюю часть колбы.

Эти источники излучения являются «светлыми» излучателями, состоящими из вольфрамовой моноспирали и отражателя, которым является внутренняя алюминированная поверхность колбы специального профиля. Кривая распределения потока излучения Ф(λ) по спектру для ламп типа ИКЗ показана на рис. 1.

Рис. 1. Распределение потока излучения по спектру ламп ИКЗ 220-500 и ИКЗ 127-500.

Рис. 2. Распределение потока излучения по спектру ламп ИКЗК 220-250 и ИКЗК 127-250.

На рис. 2 приведена кривая распределения потока излучения по спектру ламп типов ИКЗК 220-250 и ИКЗК 127-250.

В обозначении типа ламп буквы указывают: ИКЗ — инфракрасная зеркальная, ИКЗК 220-250 — инфракрасная зеркальная с окрашенной колбой; цифры, стоящие после букв, указывают напряжение сети и мощность источника излучения. Лампа представляет собой стеклянную колбу параболоидной формы. Часть поверхности лампы покрыта изнутри тонким отражающим слоем серебра для концентрации лучистого потока в заданном направлении.

Очень важным параметром стеклянных колб, оказывающим влияние на срок службы ламп, является их нагревостойкость, т. е. способность выдерживать резкие изменения температур. Для увеличения нагревостойкости изменением состава шихты при варке стекла необходимо уменьшить его теплоемкость и температурный коэффициент линейного расширения, а также повысить теплопроводность.

В зависимости от формы колбы лампы имеют различное распределение потока излучения: либо концентрированное по оси (при параболической колбе), либо широкое, в телесном угле около 45° (при сферической форме колбы). Следует отметить преимущество применения в сельскохозяйственном производстве ламп со сферической формой колбы, эти лампы обеспечивают более равномерное распределение облученности в зоне обогрева.

Внутри колбы закреплено тело накала из вольфрамовой проволоки. Раскаленный материал тела накала в вакууме испаряется, оседая на внутренней поверхности колбы и образуя черный налет. Это приводит к уменьшению светового потока в результате более интенсивного его поглощения стеклом.

Для увеличения срока службы лампы и уменьшения скорости испарения тела накала колбу заполняют смесью инертных газов (аргона и азота).

Наличие газа создает теплопотери за счет теплопроводности и конвекции. В газополных лампах колба нагревается не только излучением от нити, но и конвекцией и теплопроводностью от наполняющего газа. Так, на нагрев газа в лампе мощностью 500 Вт расходуется 9% подведенной энергии.

В мощных лампах с массивным телом накала увеличение теплопотерь через газ полностью компенсируется резким уменьшением распыления нити, поэтому они всегда выпускаются газополными.

В отличие от вакуумных ламп температура отдельных участков колб с инертными газами зависит от их рабочего положения. Например, перевернув колбу цоколем книзу, можно снизить нагрев на участке спая металла со стеклом с 383—403 до 323—343 К.

Поток излучения зависит от температуры тела накала. Повышение температуры ускоряет испарение вольфрама и увеличивает долю видимого света в потоке излучения. Поэтому в лампах типа ИКЗ, где эффективным является ИК-излучение, рабочая температура нити накала с 2973 К (как у осветительной лампы) снижается до 2473 К с уменьшением на 60% световой отдачи. Это позволяет преобразовать в ИК-излучение до 70% потребляемой электроэнергии.

Понижение температуры нити накала позволило увеличить срок службы ИК-ламп с 1000 до 5000 ч. Длина волны максимального излучения 1,05 мкм, основная часть энергии генерируется на участке спектра от 0,8 до 2 мкм. Излучение тела накала с длиной волны более 3,5 мкм (7—8% всего потока) поглощается стеклом колбы, что является причиной частого преждевременного выхода ламп из строя из-за температурных перенапряжений.

Читайте также:  Установка бортовых компьютеров гамма

Облученность от лампы типа ИКЗ при расстоянии до обогреваемой поверхности 50—400 мм изменяется в пределах от 2 до 0,2 Вт/см2.

Эпюры энергетической облученности, создаваемой инфракрасной зеркальной лампой ИКЗ мощностью 250 Вт при высоте подвеса: 1 — 10 см, 2 — 20 см, 3 — 30 см, 4 — 40 см, 5 — 50 см, 6 — 60 см, 7 — 80 см.

Для теплопередачи излучением можно использовать и обычные лампы накаливания с вольфрамовой спиралью и шарообразной колбой. Повышение КПД излучения обеспечивается подачей напряжения, значение которого на 5—10% меньше номинального; кроме того, в установке должны быть смонтированы отражатели из полированного алюминия.

По конструкции трубчатые источники ИК-излучения разделяются на две группы — с телами накала из металлических резистивных сплавов и из вольфрама. Первые представляют собой трубку из обычного или тугоплавкого стекла диаметром 10—20 мм; внутри трубки по центральной оси расположено тело накала в виде спирали, к концам которой подается питающее напряжение. Такие излучатели мало распространены. Они используются, как правило, для обогрева помещений.

Излучатели с вольфрамовыми телами накала по конструкции аналогичны трубчатым лампам накаливания. Тело накала в виде вольфрамовой спирали расположено вдоль оси трубки и укреплено на молибденовых держателях, впаянных в стеклянный стержень. Трубчатый излучатель может быть изготовлен с внешним или внутренним отражателем, образованным испарением серебра или алюминия в вакууме. На рис. 3 показана конструкция такого ИК-излучателя.

Спектральное распределение излучения трубчатых излучателей близко к ламповым; температура накала составляет 2100—2450 К.

Рис. 3. Конструкция обычного трубчатого источника ИК излучения. 1 — цоколь; 2 — штенгель; 3 — пружина, поддерживающая стержень; 4 — молибденовые держатели; 5 — стеклянный стержень; 6 — электроды; 7 — вольфрамовое тело накала; 8 — стеклянная трубка.

Трубчатые излучатели малой мощности (100 Вт) могут найти широкое применение в сельском хозяйстве для обогрева молодняка животных и птицы. Так, во Франции они используются для обогрева молодняка птицы при клеточном выращивании. Излучатели монтируются непосредственно на потолке клетки, на высоте 45 см и обеспечивают равномерный обогрев 40 цыплят.

Трубчатые лампы могут быть использованы с успехом при создании комбинированных облучательно-осветительных установок для молодняка сельскохозяйственных животных и птицы, особенно если учесть, что УФ-лампы и эритемно-осветительные лампы имеют также трубчатую конструкцию.

Кварцевые ИК-излучатели аналогичны описанным выше, только в качестве колбы используется трубка из кварцевого стекла. Ограничимся здесь рассмотрением кварцевых ИК-излучателей с вольфрамовыми телами накала.

Рис. 4. Устройство инфракрасной лампы накаливания типа КИ 220-1000.

На рис.4 показано устройство кварцевого трубчатого излучателя — лампы типа КИ (КГ). Цилиндрическая колба 1 диаметром 10 мм изготовлена из кварцевого стекла, имеющего максимум пропускания в ИК-области спектра. В колбу помещают 1—2 мг йода и наполняют ее аргоном. Тело накала 2, выполненное в виде моноспирали, смонтировано по оси трубки на вольфрамовых поддержках 3.

Ввод в лампу выполнен посредством молибденовых электродов, впаянных в кварцевые ножки 4. Концы спирали тела накала навернуты на внутреннюю часть вводов 5. Цилиндрические цоколи 6 выполнены из никелевой ленты со швом, в который вварены наружные молибденовые выводы 7. Температура цоколей кварцевых излучателей не должна превышать 573 К. В связи с этим обязательно охлаждение излучателей во время работы в облучательных установках.

В сочетании с зеркальным отражателем в виде эллиптического цилиндра кварцевые лампы создают очень высокую облученность. Если зеркальные лампы обеспечивают облученность до 2—3 Вт/см2, то от кварцевой лампы с отражателем может быть получена облученность до 100 Вт/см2.

Кварцевые излучатели с вольфрамовыми телами накала выпускают такие фирмы, как «Осрам», «Филипс», «Дженерал электрик» и др. Мощность излучателей колеблется в пределах 100—7500 Вт, напряжение 110— 960 В. Чаще всего выпускают излучатели мощностью 500 и 1000 Вт на напряжение 110/130 и 220/250 В. Срок службы этих ламп 5000 ч.

Распределение энергии излучения лампы типа КИ-220-1000 по спектру показано на рис. 5. Спектральный состав излучения, генерируемого кварцевыми лампами, характерен тем, что в нем есть второй максимум в районе длин волн более 2,5 мкм, вызываемый излучением нагретой трубки. Добавление в колбу йода позволяет уменьшить распыление вольфрама и тем самым увеличить срок службы лампы. В инфракрасных кварцевых лампах повышение напряжения сверх номинального не вызывает резкого сокращения срока службы, поэтому возможно плавно регулировать поток излучения путем изменения подводимого напряжения.

Рис. 5. Распределение по спектру энергии излучения лампы типа КИ 220-1000 при различном напряжении на лампе.

Инфракрасные кварцевые лампы с йодным, циклом имеют следующие достоинства:

• высокая удельная плотность излучения;

• стабильность потока излучения в течение срока службы. Значение потока излучения в конце срока службы составляет 98% начального;

• способность выдерживать длительные и большие перегрузки;

• возможность плавного регулирования потока излучения в широких пределах путем изменения подводимого напряжения.

Основные недостатки этих ламп:

• при температуре вводов выше 623 К кварц под действием теплового расширения разрушается;

• лампы могут работать только в горизонтальном положении, в противном случае тело накала может деформироваться под действием собственного веса, и йодный цикл в результате концентрации йода в нижней части трубки будет нарушен.

Инфракрасные лампы с йодным циклом применяются для сушки лакокрасочных покрытий различных сельскохозяйственных объектов; для обогрева сельскохозяйственных животных (телят, поросят и др.).

Для защиты ИК-ламп от механических повреждений и капель воды, а также для перераспределения потока излучения в пространстве применяют специальные арматуры. Источник излучения вместе с арматурой называется облучателем.

Читайте также:  Установка деревянного блок хауса

Облучатели с различными ИК-лампами широко применяются в животноводстве для локального обогрева молодняка сельскохозяйственных животных и птицы.

источник

Установки инфракрасного излучения

Инфракрасные лучи, невидимые глазом человека, непосредственно примыкают к красному участку видимой части спектра и характеризуются непрерывным диапазоном частот электромагнитных колебаний от до Гц. Они не рассеиваются в пространстве, подчиняются законам оптики, способны проникать в глубину многих тел и в результате поглощения вызывать их нагрев. Глубина проникновения инфракрасных лучей зависит от свойств нагреваемого материала, его структуры, характера поверхности и длины волны.

Инфракрасные лучи разделяют на лучи коротковолнового диапазона с длиной волн от 0,76 до 2,5 мкм, средневолнового диапазона – от 2,5 до 25 мкм и длинноволнового диапазона – от 25 до 750 мкм, причём верхний предел использования этих волн для технических целей ограничивают 15 мкм, при котором реализуется максимум поглощения инфракрасных лучей.

Для коллоидных капиллярно-пористых продуктов, таких как тесто, хлеб, мука или зерно, глубина проникновения инфракрасных лучей может быть от десятых долей до нескольких миллиметров. Это проникновение приводит к тому, что продукты, подвергаемые воздействию инфракрасного облучения, нагреваются быстрее, чем при методах теплового воздействия, при которых нагрев всегда начинается с поверхности. Передача тепла от источников инфракрасного излучения к нагреваемому продукту происходит без заметных потерь в окружающую среду. Это объясняется тем, что воздух толщиной несколько метров является для инфракрасных лучей практически абсолютно прозрачным, что позволяет получить большую концентрацию тепловой энергии, обеспечивающую высокую скорость нагрева продукта. При тепловой обработке большинства пищевых продуктов состояние их поверхности не остаётся постоянным: изменяется цвет, степень шероховатости и т.п.

Простейшие источники инфракрасного излучения – лампы накаливания, эксплуатируемые при пониженном напряжении, дают преимущественно поток инфракрасных лучей и незначительную долю световых лучей, а нагретые тела с относительно низкой температурой поверхности – только инфракрасные лучи. Первые называют светлыми излучателями, а вторые – тёмными.

В промышленных установках в качестве источников инфракрасного излучения применяют терморадиационные лампы, кварцевые и трубчатые излучатели, керамические и металлические плиты, трубы, а также беспламенные газовые горелки, успешно конкурирующие с электрическими излучателями.

Терморадиационные газополные лампы (рис. 3.22) номинальной мощностью 250 и 500 Вт, предназначенные для напряжения 127 или 220 В, имеют вольфрамовую спираль, температура которой поддерживается током около 1600…2200 С, т.е. значительно ниже, чем в лампах накаливания, применяемых для освещения, что обеспечивает преобразование свыше 85% подведенной электрической энергии в инфракрасное излучение и длительный срок службы таких ламп порядка 5000 ч.

Рис. 3.22. Терморадиационная газополная лампа:

1 – вольфрамовая спираль; 2 – алюминиевая шайба; 3 – зеркальная поверхность; 4 – прозрачная или матированная поверхность стеклянной колбы.

Существуют терморадиационные лампы с двумя и тремя спиралями, что позволяет включать их по разным схемам и этим быстро изменять плотность инфракрасного излучения в отдельных зонах термической установки. Колбы этих ламп выполняют в форме параболоида, как из обыкновенного, так и термоустойчивого стекла. Последние перспективны для использования на пищевых предприятиях, поскольку при быстром охлаждении колбы не лопаются. Часть внутренней поверхности прозрачной или матированной стеклянной колбы излучателя покрывают тонким металлическим слоем, который представляет собой зеркальную поверхность, являющуюся рефлектором, обеспечивающим равномерное распределение инфракрасных лучей по диаметру лампы.

Терморадиационные лампы отличаются малой тепловой инерцией и допускают быстрое и лёгкое регулирование облучения по зонам и времени, чем не обладают тёмные излучатели. Однако ламповые излучатели – хрупкие и малопрочные, в особенности, когда они выполнены из обыкновенного стекла. Повышению эффективности использования терморадиационных ламп способствует доукомплектование их металлическими или стеклянными отражателями сферической, параболической, гиперболической или эллиптической формы с расположением ламп в главном фокусе этих устройств, что обеспечивает почти параллельный поток излучения, направленный на обрабатываемые пищевые продукты.

Трубчатые герметические электрические нагреватели (рис. 3.23) по отдаче потока инфракрасных лучей уступают терморадиационным лампам, но гораздо надёжнее их в работе. Для лучшей концентрации этого потока им придают оптическую систему – отражатель в виде параболического алюминиевого цилиндра с полированной поверхностью, по фокальной оси которого расположен нагреватель. Кварцевые излучатели открытого исполнения изготовляют в виде негерметизированных трубок из кварца диаметром 18…20 мм, длиной 400…2000 мм, внутри которых находится легко заменяемая хромоникелевая спираль, нагреваемая током до температуры 800…1100 С (рис. 9.14). Номинальная мощность таких излучателей составляет 500…7500 Вт при расчётном напряжении 220 В. Направленность излучения обеспечивают применением зеркальных металлических рефлекторов.

Рис. 3.23. Кварцевый излучатель с хромоникелевой спиралью:

1 – контактный стержень; 2 – керамический изолятор; 3 – хромоникелевая спираль; 4 – кварцевая трубка.

Газонаполненные кварцевые излучатели имеют накаливаемое тело в виде вольфрамовой спирали, помещённой в запаянную трубку из кварца диаметром около 10 мм, длиной 250…1000 мм, заполненную инертным газом с незначительной добавкой паров йода. Температура спирали 2100…2500 С поддерживается током. В таких лампах свыше 85% поглощаемой энергии трансформируется в энергию потока инфракрасных лучей. Наличие в трубке паров йода приводит к тому, что испарившийся со спирали вольфрам не оседает на её внутренней поверхности, а вновь осаждается на спираль. Номинальная мощность газонаполненных кварцевых излучателей составляет 500…4500 Вт при расчётном напряжении 127, 220 или 380 В, а средний срок службы их около 5000 ч.

Читайте также:  Установка аварийного знака вне населенного пункта

Основное преимущество кварцевых излучателей – высокая прозрачность кварца для инфракрасных лучей и способность его выдерживать быстрые переходы от одной температуры окружающей среды к другой, а также возможность увеличения интенсивности излучения по сравнению с терморадиационными лампами в 30…50 раз.

Силитовые излучатели – цилиндрические стержни из полупроводниковых химических соединений диаметром 4…32 мм и длиной 55…1220мм, разогреваемые током, до температуры 800…1500 С. Их изготовляют номинальной мощностью 180…8800 Вт при расчётном напряжении 30…110 В. Плотность инфракрасного излучения и равномерность его распределения от нагретого стержня определяется рефлектором, концентрирующим и направляющим инфракрасные лучи на обрабатываемый продукт.

Керамические излучатели изготовляют с хромоникелевой спиралью, расположенной внутри керамической трубки диаметром 15…20 мм и длиной 200…700 мм, а также с моно — или биспиралью, навитой по наружной поверхности такой же трубки. Инерционность керамических излучателей составляет 2…2,5 мин.

Панельные излучатели представляют собой чугунные плиты с залитыми в них трубчатыми герметическими нагревателями и характеризуются большой тепловой инерционностью.

Инфракрасные лучи используют в различных печах пищевых предприятий, в том числе в кондитерских и хлебопекарных печах с ленточными конвейерами, где применяют светлые и тёмные излучатели.

Рис. 3.24. Печь с терморадиационными лампами для выпечки печенья и кексов: а – продольный разрез по последней секции перед выгрузкой;

б – поперечный разрез.

В печи туннельного типа длиной 19 м с терморадиационными лампами (рис. 3.24) выпечка печенья и кексов осуществляется на стальной ленте конвейера шириной 0,8 м и толщиной 1,2 мм, которая получает движение от трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором номинальной мощностью 1,1 кВт через вариатор, позволяющий регулировать скорость ленты в соответствии с требованиями технологического процесса. Над лентой размещены 720 излучателей, а под ней – 360. Номинальная мощность каждого излучателя – 250 Вт, а всей установки – 270 кВт. При перегреве стальной ленты конвейера излучатели автоматически отключаются. Для максимального отражения лучей терморадиационных ламп верхняя и нижняя обшивки по всей длине печи изготовлены из листового алюминия толщиной 2 мм.

Тепловой режим печи регулируют с пульта управления включением отдельных групп терморадиационных ламп. Продолжительность выпечки печения в зависимости от содержания жира и сахара составляет 2,5…3,5 мин. а производительность печи — до 5 т печения в смену при удельном расходе энергии до 0,5 кВт∙ч на 1кг изделий. При выпечке твёрдых кексов, бисквитов солёной соломки и других изделий толщиной до 10 мм удельный расход энергии возрастает до 2 кВт∙ч/кг.

Основными преимуществами кондитерских печей с инфракрасными излучателями являются: высокое качество выпекаемых изделий, сокращение времени выпечки почти в два раза, уменьшение удельного расхода энергии по сравнению с печами с обычным электрообогревом, возможность удобного регулирования теплового режима и изменения его в различных зонах пекарной камеры, а также введение таких печей в поточные автоматизированные линии.

Аналогичные установки применяют для сушки пастильно-мармеладных изделий, сухофруктов, чая и других пищевых продуктов. На кондитерских фабриках используют конвейерные установки для комбинированной сушки и обжарки инфракрасным излучением и одновременным воздействием переменным электрическим полем высокой частоты таких пищевых продуктов, как бобы, какао, ядра ореха, миндаля и кунжута.

Хорошие результаты получаются при выпечке хлеба в туннельных печах с комбинированным обогревом инфракрасными лучами и воздействием переменного электрического поля частоты 10…30 МГц, где металлический под и расположенную над ним металлическую решётку присоединяют к высокочастотному генератору, а между решёткой и перекрытием печи устанавливают инфракрасные излучатели со ступенчатым регулированием их мощности, в то время как интенсивность высокочастотного нагрева изменяют плавно. При этом середина выпекаемых изделий нагревается за счёт диэлектрических потерь, а обогрев их внешних поверхностей и образование корки необходимого колера обеспечивается потоком инфракрасных лучей. Время выпечки хлеба в такой печи составляет 10…20 мин. Хлеб хорошо пропекается, имеет эластичный мякиш и равномерную пористость. Объём его на 10…15% больше по сравнению с хлебом, выпеченным в обычной печи и, будучи стерилизованным, сохраняет свежесть в течение 3…5 дней, не плесневеет даже при хранении в течение нескольких месяцев. Удельный расход энергии составляет 0,35…0,45

Существуют хлебопекарные печи, которые имеют только инфракрасный обогрев. У них под неподвижный, под которым находится около 60% светлых излучателей, а остальные – над ним. Продолжительность выпечки хлеба большого развеса в таких печах в два раза быстрее, чем в обычных, а расход энергии составляет до 0,35 кВт∙ч на 1 кг изделий.

Установки с инфракрасным излучением применяют на пищевых предприятиях при обжарке, копчении, варке и подсушке мясных и рыбных изделий, сушке муки, зерна, виноградных семян и других зернопродуктов, при пастеризации молока, пива, фруктовых соков, для ускорения длительно протекающих технологических процессов по старению и созреванию вин, ликёров и др., а также при обработке фруктов и овощей, причём в отдельных случаях вместо электрических излучателей применяют беспламенные газовые горелки, которые при наличии дешёвого природного газа отличаются высокими экономическими показателями.

При работе с инфракрасными излучателями недопустимо превышать уровень облучённости обслуживающего персонала выше 350 Вт/ .

При эксплуатации светлых излучателей необходимо применять защитные экраны из алюминия, окрашивать стеклянные поверхности аппаратов в красный цвет, а также пользоваться очками с соответствующими светозащитными фильтрами.

Последнее изменение этой страницы: 2016-09-19; Нарушение авторского права страницы

источник