УДК 621.31: 658
ТЕПЛОВИЗИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ
СВЕТЛЫХ ИНФРАКРАСНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
,
Россия, г. Омск, ОмГТУ
Россия, г. Москва, МЭИ (НИУ)
Казахстан, г. Павлодар, ПГУ им. С. Торайгырова
Исследованы температурные поля светлых инфракрасных излучателей при регулировании напряжения для различных схемотехнических решений источников питания
Ключевые слова: инфракрасный излучатель, электрический режим, энергоэффективность, ток сложной формы, источник питания
Investigated the temperature field of infrared light emitters for regulation of the voltage for different circuit design of power supplies
Keywords: infrared emitter, the electric mode, energy efficiency, the current complex shapeк, power source
В [1-3] доказана возможность повышения эффективности инфракрасных (ИК) излучателей. Выполнены исследования спектров излучения и интегральных характеристик (освещенности, светового потока, цветовой температуры и др.) светлых и темных инфракрасных излучателей в сравнении обычного с питанием переменным током частотой 50 Гц и нового с питанием током сложной формы без постоянной составляющей (ТСФ) электрических режимов. В данной работе излагаются результаты тепловизионных исследований температурных полей инфракрасных излучателей и градиентов изменения температуры для различных схем источников питания (ИП): первый вариант – использование ЛАТРа типа SUNTEK, 2000 ВА, 0-300 В (питание переменным током частотой 50 Гц) и светлый ИК-излучатель; второй вариант ИП - однофазный трансформатор, неуправляемый мостовой выпрямитель (реализует питание излучателя постоянным (выпрямленным) током. Обе схемы позволяют регулировать амплитуду питающего напряжения.
Целью работы являются тепловизионные исследования температурных полей (градиентов температуры) светлых ИК-излучателей при изменении параметров электрических режимов: амплитуды питающего напряжения и его формы (синусоидальный и постоянный выпрямленный)).
В качестве объекта исследования выбран светлый ИК-излучатель (мощность 40 Вт), номинальное напряжение 12,0 В.
Для исследования температурных полей светлого ИК-излучателя использовали тепловизор типа Testo 885-2, серийный номер № 000, объектив стандартный 300, тип детектора – 3200х240 пикс., температурная чувствительность < 30 Мк, спектральный диапазон – 8-14, температурный диапазон – -20°C +100°C (0°C +350°), измерение высоких температур – +350, погрешность – ±2°C (±2%), таймер, амперметр и вольтметр.
При выполнении экспериментальных исследований измеряли тепловое поле светлого ИК-излучателя при различных значениях амплитуды питающего напряжения. Диапазон изменения напряжения в эксперименте от 0 до 12 В. Исследования выполнены для указанных выше схем источников питания при следующих настройках: дистанции от исследуемого объекта до прибора – фиксированная; температура воздуха - +25°С.
По результатам исследований получены файлы радиометрических термограмм, обработанные с использованием специального программного обеспечения, входящего в комплект портативного тепловизора Testo 885-2. При этом тепловизор визуализировал ИК-излучение (мощность излучения) от каждой точки светлого ИК-излучателя и бесконтактно измерял температуру его поверхности, то есть пересчитывал мощность излучения в температуру поверхности излучателя.
На рисунках 1-3 представлены окна радиометрических термограмм (тепловизионные снимки) поверхности светлого ИК-излучателя при питании постоянным током. Эксперименты представлены для эффективных значений напряжения 5, 8 и 11 В. Согласно представленным окнам радиометрических термограмм, амплитуда температура светлого ИК - излучателя зависит от амплитуды напряжения, что проявляется в увеличении интенсивности его излучения.
На рисунке 4 показан характер подъема температуры светлого ИК-излучателя при значениях напряжения 11,0 В и тока 2,8 А для двух исследуемых режимов (на переменном и постоянном токах).
Рисунок 1 Тепловизионный снимок поверхности светлого ИК-излучателя
при напряжении 5,5 В и токе 2,0 А. Точка HS1 – 116°С
Рисунок 2 Тепловизионный снимок поверхности светлого ИК-излучателя
при напряжении 8,0 В и токе 2,5 А. Точка HS1 – 142°С
Рисунок 3 Тепловизионный снимок поверхности светлого ИК-излучателя
при напряжении 11,0 В и токе 2,8 А. Точка HS1 – 169°С
Экспериментально подтверждено, градиент изменения температуры и ее установившееся значение на поверхности светлого ИК-излучателя обусловлено действующим значением напряжения ИП. Так, с увеличением напряжения с 5,50 до 11,0 В (соответственно, тока от 2,0 до 2,8 А) установившееся значение температуры составило 115 и 169 0С соответственно. В сравниваемых режимах (в обычном, при питании переменным током, и новом, при питании постоянным током) снижение электропотребления не достигнуто.
Рисунок 4 Скорость подъема температуры в светлом ИК - излучателе при напряжении
питания 110 В и токе 2,8 А (1-первый вариант ИП, 2 – второй вариант ИП)
В работах [4-6] исследовано изменение градиентов температуры темных ИК керамических излучателей «НОМАКОН» типа ИКН-203-0,1/230-2 мощностью 100 Вт с плоской излучающей поверхностью 60х60 мм в сравнении четырех электрических режимов: при питании переменным током частотой 50 Гц; постоянным током; ТСФ с постоянной составляющей и без нее (см. табл. 1) [4-6]. В обычном режиме питание излучателя осуществлялось от однофазного трансформатора 220/110 В с переключением ступеней напряжения без возбуждения. Во втором режиме дополнительно использовался выпрямительный блок, собранный по мостовой схеме выпрямления. В третьем режиме, для регулирования формы питающего напряжения, предусматривался дроссель, а в четвертом режиме в схеме источника питания не подключали выпрямительный блок. В первом режиме активная, реактивная, полная мощности и коэффициент мощности составили соответственно: 0,041 кВт, 0,096 квар, 0,105 кВА и 0,4 (напряжение на излучателе было равно 115 В). Во втором режиме активная, реактивная, полная мощности и коэффициент мощности составили соответственно: 0,040 кВт, 0,093 квар, 0,101 кВА и 0,40 (напряжение на излучаВ). Во третьем режиме активная, реактивная, полная мощности и коэффициент мощности были равны: 0,029 кВт, 0,017 квар, 0,034 кВА и 0,853 (напряжение на излучаВ). Во режиме с питанием ТСФ без постоянной составляющей активная, реактивная, полная мощности и коэффициент мощности составили: 0,030 кВт, 0,007 квар, 0,031 кВА и 0,967 (напряжение на излучаВ).
Таблица 1 Скорость изменения температуры на поверхности темного ИК-излучателя в различных электрических режимах
Обычный режим Синусоидальный ток 50 Гц | Новый режим Выпрямленный (постоянный) ток | ||
Время, мин | Температура,0С | Время, мин | Температура,0С |
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | 25 41 55 75 90 105 120 127 136 144 151 | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | 25 45 65 84 99 113 124 133 141 147 153 |
Новый режим ТСФ с постоянной составляющей | Новый режим ТСФ без постоянной составляющей | ||
Время, мин | Температура,0С | Время, мин | Температура,0С |
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | 25 41 57 78 90 104 116 126 135 142 149 | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | 25 49 67 82 98 111 123 131 140 147 153 |
Сравнительный анализ электрических режимов показал, что регулирование формы напряжения обеспечивает при той же скорости подъема температуры повышение значения коэффициента мощности и снижение мощности, потребляемой из сети, в установках с темными ИК-излучателями. Это указывает на влияние электромагнитной составляющей на процессы в темном излучателе.
Эффекты в светлых излучателях для исследуемых электрических режимов даны в табл. 2.
Таблица 2. Показатели работы светлых ИК-излучателей мощностью 100 Вт в различных электрических режимах (напряжение на излучаВ)
Обычный режим Синусоидальный ток 50 Гц | Новый режим Выпрямленный (постоянный) ток | ||
Число фотонов на поверхности диффузора, µMol | Цветовая температура,0К | Число фотонов на поверхности диффузора, µMol | Цветовая температура,0К |
9,57 – 9,679е-4 | 1736,3 | 9,69 – 9,785е-4 | 1729,4 |
Новый режим ТСФ с постоянной составляющей | Новый режим ТСФ без постоянной составляющей | ||
Число фотонов на поверхности диффузора, µMol | Цветовая температура,0К | Число фотонов на поверхности диффузора, µMol | Цветовая температура,0К |
6,792 – 7,208е-4 | 1710,6 | 1,069 -1,105е-3 | 1737,9 |
Экспериментально установлено, что коэффициент мощности и потребляемая из сети мощность в сравниваемых режимах соответственно были равны: cosц 0,44, 0,44, 0,95, 0,96; S 0,102, 0,110, 0,035, 0,037 кВА. В режиме с питанием ТСФ без постоянной составляющей отмечено увеличение числа фотонов с поверхности диффузора за счет увеличения подвижности заряженных частиц под воздействием электромагнитной составляющей при регулировании формы тока (напряжения) при том же значении цветовой температуры.
Следовательно, необходимость регулирования формы питающего напряжения (тока) обусловлена тем, что электромагнитная составляющая наряду с температурной влияет на подвижность заряженных частиц, что повышает эффективность процессов в установках с темными и светлыми ИК-излучателями [4-6].
Список литературы
1. Птицына, дуговых печей небольшой емкости при питании током сложной формы [Текст] / , // Электрометаллургия. – 2006. - № 6, - С. 26-36.
2. Птицына, и газоразрядные электротехнологические установки с питанием током сложной формы: Монография [Текст] / ; Под ред. . – Павлодар: ТОО НПФ «ЭКО», 2007. – 420 с.
3. Птицына, процессов в электротехнологических установках как основа разработки алгоритмов управления [Текст] / , // Электротехнология в первом десятилетии XXI века: сборник докладов научно-технического семинара, посвященного 100-летию профессора . – М., 2013. – С. 242-257.
4. Птицына, определение влияния формы тока на характеристики излучателей [Текст] / , , // Энерго - и ресурсосбережение XXI век : сборник матер. IX – ой Международной научно-практической интернет-конференции, март-июнь. – Орел, 2011. – С. 163-165.
5.Птицына, Е. В. Процессы в темных излучателях при питании током сложной формы [Текст] / , , // Актуальные направления научных исследований XXI века : теория и практика : сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции, - Воронеж, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ», 2015. № 8 часть 2 (19-2). – С. 344-348. (Сборник включен в РИНЦ. Сборник реферируется в ВИНИТИ РАН. Включен в «Ulrich, s Periodical directory»).
6. http: // homacoh. ru/ production/izluchateli-infrokrasnue/own/Оффициальный сайт фирмы «Номакон» (дата обращения 01.02.2016 г.).
– д-р техн. наук, профессор кафедры ТиОЭ ОмГТУ;
– д-р техн. наук, профессор, академик НИУ «МЭИ».
– инженер института территориального планирования «Град».
– канд. техн. наук, профессор, декан энергетического факультета Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова (ПГУ), 67-36-74.
