Газовые инфракрасные обогреватели для промышленных объектов: устройство, принцип работы и виды

Приборы, использующие инфракрасное излучение для генерации тепла и света, находят широкое применение в различных отраслях производства и бытовой сфере. Особенно популярны газовые инфракрасные обогреватели, предназначенные для производственных помещений, которые действуют на основе принципа выделения тепла нагретыми телами.

В данной статье вы сможете узнать о механизмах функционирования инфракрасного оборудования, их типах и особенностях. Мы также познакомим вас с наиболее популярными моделями на рынке.

Природа инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение существенно отличается от привычного нам видимого света. Они обобщаются по скорости, с которой распространяются, и могут преломляться, отражаться и концентрироваться.

В отличие от видимого света, который представляет собой электромагнитные волны, ИК поток обладает как волновыми, так и квантовыми характеристиками. Это означает, что он передает как свет, так и тепло.

Общие черты заключаются в том, что и видимый свет, и инфракрасное излучение возникают из потоков электромагнитных волн. Однако в первом случае выделяется видимая компонента, в то время как во втором — наблюдается сочетание видимого и теплового излучения.

ИК свет, излучаемый инфракрасными устройствами, имеет волнообразную природу. Электромагнитные колебания находятся в диапазоне от 760 нм до 540 мкм. При этом тепло, исходящее от инфракрасных обогревателей, представляет собой поток квантов с энергией от 0,0125 до 1,25 эв.

Гармония между теплом и светом, производимыми инфракрасными приборами, играет важную роль. С увеличением интенсивности света происходит уменьшение теплового потока. Исходя из температуры, инфракрасное излучение может быть видимым или невидимым для человеческого глаза, тогда как тепловое излучение не видно.

Эти особенности инфракрасного излучения активно используются в производстве для ускорения процессов полимеризации и отверждения. Тепловая составляющая ИК излучения также позволяет определять местоположение людей и животных в условиях низкой освещенности, например, ночью.

Инфракрасные обогреватели сочетают в себе свето- и тепловую энергию, создавая комфортный микроклимат в различных помещениях: от производственных цехов до теплиц и птицеферм.

Оригинальные свойства инфракрасных приборов, работающих с теплом и светом, послужили основой для создания систем ночного видения. Эти технологии находят применение в дефектоскопии, системах скрытой сигнализации и в фотооборудовании для съёмок в темноте.

Составляющие инфракрасного излучения почти не рассеиваются в пространстве, направляя свои потоки на объекты. Тепло проникает в поверхности нагреваемого материала, причём глубина такого воздействия варьируется от десятой доли миллиметра до нескольких миллиметров.

Инфракрасные обогреватели могут устанавливаться на полу, крепиться к стенам или подвешиваться к потолкам. Эти устройства характеризуются отсутствием открытого пламени, что сохраняет кислород в воздухе и минимизирует поднятие пыли по сравнению с конвекционными обогревателями.

При использовании в промышленности длина волны инфракрасных излучателей подбирается в зависимости от свойств обрабатываемого материала, что позволяет нагреваць без значительных потерь. Этот аспект представляет собой неоспоримое преимущество в производстве.

Кроме обогрева и освещения зон действия инфракрасные излучатели решают такие задачи, как:

• Ускорение сушки древесины, пленок, полимерных изделий на производстве;
• Увеличение скорости затвердевания покрытий на металлических и железобетонных элементах;
• Создание эффективного медицинского оборудования для восстановления и поддержания здоровья;
• Обогрев растений в теплицах, обеспечивая им необходимое тепло и свет для их роста;

Типы источников инфракрасного излучения

Наиболее простыми источниками ИК излучения считаются лампы накаливания, которые работают при низком напряжении. В таких условиях они, в основном, выделяют инфракрасные потоки, при этом доля видимого света у них минимальна.

На современном рынке доступны разнообразные типы инфракрасных обогревателей, которые различаются по:

• Рабочей температуре;
• Максимальной длине волны;
• Зоне равномерного распределения инфракрасного потока.

С учетом указанных параметров подбираются обогревательные устройства для решения конкретных задач.

Наиболее распространённые виды инфракрасных обогревателей:

• Лампы с зеркальными отражателями, максимальная длина волны которых составляет 1,05 мкм;
• Кварцевые трубочные лампы с длиной волны от 2 до 3 мкм;
• Стержневые неметаллические нагреватели с максимальной длиной волны от 6 до 8 мкм;
• Трубчатые электронагреватели, часто используемые в быту и на производстве;
• Инфракрасные горелки с керамическими или металлическими насадками, применяемые в строительстве для обогрева площадок.

Источники инфракрасных излучений находят применение в аграрной сфере, помогая обогревать птичий молодняк и недавно родившихся животных. Их также устанавливают в теплицах для стимуляции роста растений и в овинах и зернохранилищах для сушки.

Рассмотрим более подробно источники инфракрасного излучения

• Инфракрасные лампы, которые представляют собой устройства, генерирующие как световое, так и тепловое излучение;
• Нагреватели, предназначенные для обогрева замкнутых и открытых пространств, работающие на электропитании, жидком или газообразном топливе. Нагревательными элементами могут быть ТЭНы или спирали из высокосопротивляющего сплава;

По длине волны инфракрасные источники подразделяются на две основные категории: тёмные и светлые. Первые излучают длинные волны, вторые — короткие.

Тёмные и светлые инфракрасные излучатели

Определение «светлые» источники относится к тем, которые излучают видимый свет. Хотя их потоки можно увидеть, их яркость не достаточна для того, чтобы использовать их в качестве основного источника освещения.

С другой стороны, «тёмные» устройства производят невидимый для человеческого глаза поток тепла, который может быть ощущён через кожу, но не определяется зрительно. Граничное значение между «светлыми» и «тёмными» источниками составляет длину волны в 3 мкм, а граничной температурой нагреваемой поверхности является 700 градусов Цельсия.

Свойство инфракрасных источников обеспечивать тепловую энергию активно применяется в теплицах, птичниках и на фермах для поддержания молодняка.

Наиболее известным примером «тёмного» обогревателя является русская дровяная печь, которая успешно использовалась на протяжении веков для обогрева небольших домов. К числу «светлых» источников относится электрическая лампочка накаливания, которая вырабатывает менее 12% света, в остальном её энергия уходит на тепло.

Особенности конструкции светлых приборов

По своей конструкции светлые источники схожи с лампами накаливания, однако имеются отличия в материалах, использованных для накала. У светлых инфракрасных устройств температура не превышает 2270-2770 К, что необходимо для увеличения теплового потока и уменьшения светового излучения.

Так же, как и у обыкновенных лампочек, вольфрамовая нить помещается в стеклянную колбу, оснащенную отражателями, что позволяет концентрировать излучаемую энергию на нагреваемом объекте, а минимальная часть энергии расходуется на нагрев основания лампочки.

Колба инфракрасных источников света, обладающая светлым типом излучения, прогревается до высоких температур, что способствует ее участию в процессе распространения тепла в окружающее пространство. Тепловая энергия, выделяемая нагретой колбой, не направляется рефлектором, а выбрасывается в открытое пространство, что делает вклад в снижение эффективности работы устройства.

Инфракрасные лампы, по своей конструкции и способам подключения, схожи с обычными лампочками накаливания, однако температура накала у них заметно ниже, что значительно увеличивает срок их службы.

Производительность светлых инфракрасных источников, как правило, не превышает 65%. Чтобы повысить этот показатель, вольфрамовое нагревательное тело помещают внутри кварцевой трубки или подобной колбы. Это решение позволяет увеличить длину волны до 3.3 мкм и снизить температуру до 600°C.

Данная конструкция используется в кварцевых инфракрасных обогревателях, где вокруг кварцевого стержня обвивается хромоникелевая проволока, а затем все это размещается в кварцевой трубке.

Светлые инфракрасные излучатели, как правило, имеют невысокую производительность, поскольку их эффективность инфракрасного потока обычно составляет не более 65%.

Принцип их работы базируется на двойном использовании нагрева проволоки. Часть выделяемого тепла идет на прямой обогрев, а другая часть используется для повышения температуры кварцевого стержня, который, в свою очередь, также излучает тепло.

Среди преимуществ трубчатых устройств можно отметить устойчивость всех составляющих, выполненных из кварца и керамики, к негативным воздействиям внешней среды. Однако к недостаткам можно отнести хрупкость керамических элементов.

Особенности работы и конструкции темных обогревателей

Темные инфракрасные источники значительно более практичны, чем их светлые аналоги. Излучающий элемент у них сконструирован более эффективно. Нагреваемый проводник не выделяет тепловую энергию сам по себе, а передает ее через окружающую металлическую оболочку.

В результате, температура работы таких приборов колеблется от 400 до 600°C. Для предотвращения потерь тепла темные излучатели оборудуются рефлекторами, которые направляют тепловые потоки в нужное русло.

Темные длинноволновые излучатели обладают стойкостью к ударам и механическим повреждениям, так как хрупкие элементы из полимера или керамики защищены металлическим корпусом и теплоизоляционным слоем. Их КПД достигает 90%.

Темные инфракрасные излучатели выбираются в зависимости от интенсивности теплового потока, при этом световая составляющая не имеет решающего значения.

Чтобы сконцентрировать тепловой поток на нужной области, ИК приборы оснащаются рефлекторами, что позволяет повысить уровень нагрева при минимальных затратах энергии.

Обогреватели инфракрасного типа прекрасно функционируют на открытых территориях. Их применяют не только в промышленных зонах, но и в коммерческих и жилых помещениях.

Темные инфракрасные устройства рекомендованы для использования в помещениях с низкими потолками.

Однако и у них есть свои недостатки. Темные обогреватели зависят от конструктивных характеристик; если расстояние между излучающим элементом и рабочей поверхностью слишком велико, то происходит охлаждение ее потоком воздуха, что снижает эффективность.

В связи с особенностями конструкции, темные модели чаще устанавливаются в помещениях с низкими потолками и на участках, где требуется равномерное распределение тепла. Светлые же обогреватели подходят для помещений с высокими потолками и пространств, требующих вертикальной подачи тепла.

Газовые горелки как источник инфракрасных лучей

Газовые горелки, в которых осуществляется беспламенная переработка газа, также известны как газовые инфракрасные излучатели. Тепловая энергия, выделяемая ими, передается в окружающее пространство через излучающую поверхность устройства.

Газовые инфракрасные обогреватели данного типа широко используются в промышленности для выполнения строительных и монтажных работ. Основная часть тепла передается через керамические насадки горелок.

К насадкам относятся:

• перфорированные керамические пластины, которые могут быть как плоскими, так и рельефными;
• керамические плиты с равномерно распределенными порами;
• керамические элементы с сетчатым нихромовым экраном, а также металлические сетки и каталитические насадки.

Все обозначенные варианты отверстий в керамическом или металлическом элементе выступают в качестве огневых каналов.

Процесс генерации тепла в каталитических насадках основан на окислении, которое активируется при подаче газа на поверхность пластины.

В качестве топлива для этих инфракрасных излучателей используется магистральный газ, а также его сжиженные или искусственные разновидности. В России производятся горелки, рассчитанные на переработку как сжиженного, так и магистрального газа, а зарубежные модели чаще всего предназначены для сжиженного и искусственного газа.

Инфракрасные газовые горелки утилизируют газ с коэффициентом сжигания, близким к единице, и используют магистральный, сжиженный и искусственный газ.

При соблюдении условий эксплуатации, продукты сгорания от работы газовой горелки выделяются в минимальных количествах с незначительным содержанием оксидов азота и угарного газа.

Для подачи газа газовые инфракрасные горелки оборудованы соплами, которые обеспечивают быструю подачу газа. Это позволяет инжектировать необходимый для горения воздух, который «втягивается» высокоскоростным потоком через инжектор на входе распределительной камеры.

Над насадкой устройства находится металлическая конструкция, которая увеличивает эффективность и служит опорой для посуды, если на горелке готовят.

Газ не только инжектируется, но и смешивается с воздухом в инжекторе, в результате чего формируется смесь, пригодная для полного сгорания. Эта смесь проходит на поверхность керамической насадки через её поры, перфорированные отверстия или щели, где и сгорает на тонком слое, не превышающем 1.5 мм.

Горелки с плоскими керамическими насадками

На керамические плитки передается большая часть тепловой энергии, они нагреваются до очень высоких температур за короткое время, менее минуты. Внешняя поверхность керамического элемента также становится дополнительным источником тепла.

Доля излучения, которую передает керамическая насадка, составляет от 40 до 60% для газовых инфракрасных обогревателей. Для повышения эффективности устройства над насадкой устанавливается сетчатый экран. Для увеличения теплообменной поверхности перфорированные плитки склеиваются с использованием жаропрочной замазки.

Важно отметить, что диаметр огневых каналов оказывает влияние на тип газа, который может перерабатывать прибор. От диаметра также зависит количество отверстий в керамической плитке: чем их больше, тем более хрупким становится тепловыделяющий элемент, что делает его уязвимым к механическим повреждениям.

Нагреватели с рифлеными насадками

Помимо плоских керамических насадок с перфорацией, используются и рельефные элементы. Применение рифленой поверхности в данном случае улучшает теплообмен между излучающей поверхностью и горящим газом. Рифленые керамические плитки быстрее нагреваются, не увеличивая тепловую нагрузку на излучающий элемент.

Плоские и рифленые керамические насадки могут прогреваться до 1473 К, тогда как пористые керамические элементы — только до 1237 К. Пористый вариант проще в производстве, следовательно, он более доступен. Кроме того, при производстве пористых элементов используются отходы керамической промышленности.

Использование керамических насадок с рифленым теплоизлучающим элементом позволяет значительно увеличить площадь, передающую тепло потребителю.

Толщина пористых плиток составляет 30 мм, что значительно усиливает их устойчивость к механическим воздействиям. При запуске горелки с такой насадкой газовоздушная смесь, выходящая из распределительного узла, сгорает на наружной поверхности керамической плитки в слое толщиной до 2 мм.

Зона горения в пористой насадке перемещается от внешней поверхности на глубину до 3-5 мм. При этом температура нагрева не превышает 1123 К.

Недостатком пористых насадок для газовых инфракрасных горелок (ГИГ) является чрезмерно высокое гидравлическое сопротивление, что делает невозможным использование магистрального газа низкого давления в работе.

Оборудование с металлическими сетками

Тем не менее, все описанные типы насадок изготовлены из керамических материалов, и даже при значительной толщине и различных инженерных решениях производителей, нацеленных на повышение прочности, они остаются хрупкими. Это особенно становится проблемой, если устройство необходимо часто перемещать.

С этой целью для обогрева строительных площадок была разработана более прочная модель горелки, использующая металлическую двойную сетку. В этом устройстве газовоздушная смесь обрабатывается в пространстве между насадкой и сетками. Температура внешней сетки слабо поднимается — всего до 1023 К.

Внедрение металлической сетки позволило значительно увеличить тепловую мощность инфракрасного излучателя и защитить керамическую насадку от повреждений.

В горелках с сетчатыми насадками эти элементы изготавливаются из жаропрочных сплавов, содержащих хром и никель. Насадки проектируются таким образом, что размер ячеек верхней сетки обеспечивает свободное прохождение пламени, а нижней – минимален, чтобы не допускать чрезмерного огня. В таких системах обе сетки могут служить излучателями инфракрасного тепла или только одна из них.

Если инфракрасная горелка использует магистральный газ или сжиженную пропан-бутановую смесь, тепловая энергия передается через верхнюю сетку. При работе с газом низкого давления обе сетки участвуют в процессе теплопередачи. Таким образом, достигается большая эффективность передачи тепла.

Однако максимальный коэффициент полезного действия (КПД) ГИГ с сетками не превышает 60%, поскольку гидравлическое сопротивление этих насадок в два раза выше, чем у всех видов перфорированных керамических плиток. Хотя оно и меньше, чем у пористых насадок.

Приборы с увеличенной тепловой мощностью

Низкая эффективность инфракрасных газовых излучателей на основе керамических плиток и сеток подтолкнула к поиску способов повышения их тепловой мощности. Успех был достигнут благодаря созданию нового типа насадки, представляющей собой керамическую панель с рядом щелевых отверстий.

Профиль щелевых отверстий имеет внезапные расширения, при этом их входные размеры меньше, чем выходные. Данная конструкция повышает эффективность работы горелки за счет рециркуляции продуктов сгорания, возвращающихся к основанию пламени в пределах огневого канала. Также пламя в этих моделях значительно более устойчиво и реже затухает на открытом ветру.

Для увеличения тепловой мощности применяются различные методы, одним из которых является смещение щелевых отверстий относительно друг друга, что также обеспечивает защиту от воздействия ветров.

Эффективное сечение щелевых панелей составляет в среднем 55-60% от их общего суммарного сечения. Горелки с такими панелями подходят для газа среднего давления, а температура внешней поверхности насадки может достигать 1723 К.

Излучатели с устойчивостью к ветровой нагрузке

Устойчивость работы в условиях ветровой нагрузки является важным критерием выбора газовой инфракрасной горелки, используемой в строительстве или при монтаже производственных установок. Такой характеристикой обладают далеко не все промышленные инфракрасные излучатели, которые работают на газе.

Для открытых пространств необходимы специальные устройства, которые:

• обеспечивают стабильную инжекцию, не зависящую от порывов ветра;
• имеют механизмы, предотвращающие отклонение струи газа, выходящей из сопла;
• защищены от активного охлаждения поверхности излучения под воздействием ветра.

В технической документации газового оборудования, которое способно работать при ветровых порывах и не затухает, указывается его ветроустойчивость. Эта характеристика для серийно производимых инфракрасных горелок как при прямом, так и боковом воздействии ветра примерно одинаковая.

Ветроустойчивость — весьма важный фактор для больших производственных помещений, особенно если они оборудованы мощной вентиляционной системой.

Устойчивость к ветеру также имеет значение для тех, кто планирует устанавливать обогревающее оборудование в зонах, подверженных частым проемам, например у входных групп, на застекленных или открытых верандах и террасах.

Тем, кто заинтересован в приобретении ветроустойчивого оборудования, стоит учитывать, что при снижении ветровой нагрузки также уменьшается его КПД.

Для правильного выбора прибора следует выяснить, на сколько падает его производительность при уменьшении ветрового давления, и учесть местные климатические условия.