ИНФРАКРАСНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ и КВАРЦЕВЫЕ НАГРЕВАТЕЛИ

НАПРАВЛЕННЫЙ ЛОКАЛЬНЫЙ ОБОГРЕВ РАБОЧИХ МЕСТ
И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗОН
серия ЭИУС-300
Важным направлением применения обогревателей серии ЭИУС-200 является локальный обогрев рабочих мест и производственных зон в неотапливаемых помещениях типа мастерских, гаражей, станций СТО, небольших цехов и складов, где необходим постоянный или периодический экономичный обогрев, не требующий значительных капиталовложений.
Подтверждена эффективность данных обогревателей для местного обогрева в больших помещениях и цехах, которые отапливать целиком не рентабельно. Конструкция обогревателей позволяет устанавливать их на стену или потолок с возможностью направления лучевого потока под любым углом к горизонту β1=0-90° (см. рис. 1) При этом расстояние до нагреваемого объекта зависит от типа обогревателя и его электрической мощности. Проведенные сравнительные испытания обогревателей различных типов показали преимущества керамических излучателей перед панельными, кварцевыми трубчатыми, карбоновыми и галогенными излучателями (см. «Применение обогревателей различных типов в системах инфракрасного обогрева»). Безопасность направленного лучевого обогрева человека обогревателями ЭИУС подтверждается фактом их сертификации для использования в медицине в процессе обогрева новорожденных детей.


Рисунок 1


Расчеты, сделанные по упрощенной методике применимы, как правило, для предельных климатических условий: открытые и полуоткрытые неотапливаемые производственные помещения с пониженной температурой воздуха (+5 - +16°С), складские и ангарные помещения, открытые площадки и т.п. (см. примеры 1-5).

При применении ИК-обогрева в закрытых помещениях (при температуре от 0 до +25°С) предельные значения мощности и ширина зоны комфортного обогрева определяются по методике, подробно изложенной в разделе «Инфракрасный обогрев тела человека – нормативы и обеспечение микроклимата производственных помещений». (См. также примеры 6 и 7).

Упрощенный подбор количества обогревателей и их электрической мощности

Cхемы расположения обогревателей и минимальные допустимые расстояния до работников в закрытых помещениях с температурой окружающего воздуха +5 - +16 °С.

1. Направленный фронтальный односторонний обогрев при попадании головы работника в область обогрева.
Высота установленного обогревателя: не менее 1,8-2,0 м, угол: не более 60°

Схема обогрева Допустимые значения интенсивности теплового обогрева, Вт/м2 Минимальное расстояние до обогревателя к поверхности излучения (Ln1), м
ЭИУС-211ЭИУС-212ЭИУС-213
Обогрев не более 25-50% поверхности тела, интенсивность обогрева головы не более 60 Вт/м2 1,4 1,8 2,2

2. Направленный фронтальный односторонний обогрев при попадании области обогрева на туловище работника
Высота установленного обогревателя: не менее 1,8 м, угол: не более 60°

Обогрев не более 25-50% поверхности тела, интенсивность обогрева туловища не более 100 Вт/м2 1,0 1,4 1,7

3. Направленный фронтальный двухсторонний обогрев при попадании головы работника в область обогрева
Высота установленного обогревателя: не менее 1,8-2,0 м, угол: не более 60°

Обогрев более 50% поверхности тела, интенсивность обогрева головы не более 35 Вт/м2 1,8 2,4 2,9

2. Направленный фронтальный двухсторонний обогрев при попадании области обогрева на туловище работника
Высота установленного обогревателя: не менее 1,8 м, угол: не более 60°

Обогрев более 50% поверхности тела, интенсивность обогрева туловища не более 50 Вт/м2 1,5 2,0 2,4

5. Отопление помещения обогревателями, установленными на потолке
Угол: 90°

Обогрев не более 25-50% поверхности тела, интенсивность обогрева головы не более 60 Вт/м2 1,5 2,0 2,4


1. На основании приведенных выше схем обогрева выбираем режим обогрева работника: определяем количество обогревателей - один или два и их положение относительно работника.

2. Определяем реальное расстояние от обогревателя до центра рабочего места.

3. По данным таблицы определяем марку нагревателя (ЭИУС-211, ЭИУС-212, ЭИУС-213);

Рис. 1

Методика подробного расчета подбора количества обогревателей и их электрической мощности

Пример 1
Требуется подобрать обогреватель ЭИУС и определить оптимальную высоту его установки на стене для одностороннего фронтального направленного обогрева с высоты более 1,8 м с попаданием головы работника в область направленного лучевого потока (см. режим 1). При этом угол наклона отражателя к горизонтали составляет β1 = 30°, расстояние от работника в центре рабочего места до стены с обогревателем составляет A1 = 2,0 м, средний рост работника принят равным B1 = 1,75 м.

Рис. 2
1) Составляем схему обогрева согласно режиму 1 с учетом конструктивных параметров обогревателей ЭИУС-200: A2 = 75 мм, Ln0 = 80,5 мм, α1 = 70° (см. рисунок 2). При оптимальном варианте обогрева центральная ось лучевого потока (центральная нормаль к поверхности излучения) должна проходить примерно через середину тела по высоте и при этом B2 = (0,5 - 0,6) ⋅ B1. Для расчетов принимаем B2 = 0,55 ⋅ B1, B2 = 0,9625 м.

2) Высоту установки обогревателя определяем по формуле:
H1 = 2,07 м.

3) Формула для определения расстояния от обогревателя (поверхности излучения) до головы работника примет вид:
Ln1 = 1,87 м.

4) В соответствии с режимом 1 обогрева принимаем нормируемую допустимую удельную мощность ИК-обогрева головы работника, равную не более 60 Вт/м2. По графикам распределения удельной мощности излучения по нормали для каждой марки обогревателя ЭИУС определяем значения En1, Вт/м2 на расстоянии Ln1 = 1,87 м при угле наклона отражателя к горизонтали β1 = 30°: для ЭИУС-211 в базовой комплектации En1 = 28 Вт/м2, для ЭИУС-212 En1 = 48 Вт/м2, для ЭИУС-213 En1 = 65 Вт/м2
Рис. 1
Рис. 4
5) Анализ определенных значений удельной мощности излучения на уровне головы работника показывает: применение обогревателя ЭИУС-211 обеспечит лишь половину от допустимой мощности обогрева, применение обогревателя ЭИУС-213 несколько превысит допустимую мощность, но позволит обеспечить максимальный допустимый обогрев, если, например, увеличить расстояние Ln1 до 2,1 м, обогреватель ЭИУС-212 будет использоваться с некоторым недогревом относительно максимально допустимой величины удельной мощности обогрева, при этом эффективность обогрева возможно увеличить до максимума, например, уменьшив расстояние Ln1 до 1,7 м.


Пример 2.

Решение задачи, обратной примеру 1. Требуется определить минимальное допустимое расстояние от стены до рабочего места A1, м и оптимальный угол наклона отражателя к горизонтали β1, град. при установке на стену обогревателя ЭИУС-212 в базовой комплектации на высоте H1 = 2,2 м. Режим обогрева односторонний фронтальный с попаданием головы работника в область направленного лучевого потока (см. режим 1 в таблице). Средний рост работника принят равным B1 =1,75 м.
Рис. 2
1) Составляем схему обогрева согласно режиму 1 с учетом конструктивных параметров обогревателей ЭИУС-200: A2 = 75 мм, Ln0 = 85 мм, α1 = 70° (см. рисунок 2). При оптимальном варианте обогрева центральная ось лучевого потока (центральная нормаль к поверхности излучения) должна проходить примерно через середину тела по высоте и при этом B2 = (0,5 - 0,6) ⋅ B1. Для расчетов принимаем B2 = 0,55 ⋅ B1, B2 = 0,9625 м.

2) В соответствии с режимом 1 обогрева принимаем нормируемую допустимую удельную мощность ИК-обогрева головы работника, равную не более 60 Вт/м2. По графику распределения удельной мощности излучения по нормали для обогревателя ЭИУС-212 определяем расстояния Ln1, м при котором En1 = 60 Вт/м2 для углов наклона отражателя к горизонтали β1 = 30° и β1 = 60°: Ln1 = 1,65 м и Ln1 = 1,80 м. Для последующих расчетов принимаем среднее значение Ln1 = 1,725 м.
Рис. 1
3) Для расчета значения A1, м используем формулу (2) предыдущего примера 1:
A1 = 0,82 м.

4) Определим оптимальный угол наклона отражателя к горизонтали β1 из выражения (1) предыдущего примера 1:
β1 = 35,3°



Пример 3. Для задачи из примера 2 требуется определить ширину (радиус Rn1, м) зоны эффективного обогрева на рабочем месте, находящемся на расстоянии A1, м от стены с обогревателем (см. рисунок 4). Определить ширину зоны эффективного разогрева для обогревателей ЭИУС-211 и ЭИУС-213.

1) Для обогревателя ЭИУС-212 зона эффективного обогрева определяется наложением объемных лучевых потоков от каждого излучателя (см. рисунок 4). По таблице «Технические характеристики электрообогревателей ЭИУС-212» на соответствующей странице сайта принимаем расстояние между центрами излучателей Lm1=270 мм и угол раскрытия лучевого потока на выходе из отражателя α1 = 70°. Выражение для расчета длины зоны наложения лучевых потоков Lsp1, м в плане на расстоянии A1, м от стены примет вид:
Lsp1 =1,61 м.
2) Величину радиуса зоны эффективного обогрева Rn1, м определяем по формуле:
Rn1 = 1,13 м.
3) Для обогревателей ЭИУС-211 и ЭИУС-213 радиус зоны эффективного обогрева формируется центральным излучателем. В данном случае:
Rn1 = 1,26 м.



Пример 4.
Требуется подобрать обогреватель ЭИУС и определить оптимальную высоту его установки на стене для одностороннего фронтального направленного обогрева с высоты менее 1,8 м при попадании лучевого потока в основном только на туловище работника (см. режим 2 таблицы 2). При этом угол наклона отражателя к горизонтали составляет β1 = 45°, расстояние от работника в центре рабочего места до стены с обогревателем составляет A1 = 1,5 м, средний рост работника принят равным B1 = 1,75 м

Таблица 1. Показатели микроклимата производственных помещений, оборудованных СЛО

Температура воздуха, окружающей среды °С СанПиН 9-80 РБ 98 [3] ГОСТ 12.1.005-88 [5] Интенсивность теплового облучения, Вт/м2, не более, при облучаемой поверхности тела 50% и более СП 2.2.1.1312-03 [4] ISO 7726:1998 [6], формула (1) , Вт/м2
Интенсивность теплового облучения головы, Вт/м2, не более Интенсивность теплового облучения туловища, Вт/м2, не более
0---153
5---132
10---110
11-60150106
123560125101
136010097
14457592
15305087
16152583
20--63
25---38
Данные нормативных документов приведены на период 8-часовой рабочей смены применительно к человеку, одетому в комплект одежды с теплоизоляцией (термическим сопротивлением) (спецодежда от общих загрязнений) и выполняющему работу средней тяжести (категория IIа - IIб).


Таким образом, в зависимости от температуры окружающей среды, электрической мощности и конструкции обогревателя, а также от расстояния по нормали от поверхности излучения до объекта обогрева (см. раздел «Характеристики инфракрасного излучения – инженерные приложения»), возможно выделить три зоны лучистого обогрева в помещении, оборудованном СЛО: зону повышенной интенсивности теплового облучения при E1 > E1max, зону эффективного обогрева при E1min ≤ E1 ≤ E1max, а также зону комфортного, но недостаточного обогрева при E1 < E1min.

Следует отметить, что приведенное выше деление на зоны (см. рисунок 2), рассчитанные по формулам (2-3) с учетом выражения (1), необходимо для последующих расчетов при первом включении обогревателя, а также при выходе СЛО на заданный режим поддержания температуры в помещении. С ростом температуры в помещении границы зон E1max до E1min будут смещаться в сторону меньших значений 𝐸1и важно расположить объекты обогрева (работников, оборудование и т.п.) в помещении таким образом, чтобы они постоянно находились в зоне эффективного обогрева, или в зоне комфортного обогрева недалеко от границы раздела зон.

Для расчета распределения зон обогрева при применении СЛО на базе электрообогревателей ЭИУС-211 воспользуемся данными таблицы 2. Принимаем начальную температуру в помещении Tos1 = 10°C, температуру в помещении после разогрева (при термостабилизации) Tos2 = 18°C и по формуле (1) рассчитываем значения предельной интенсивности теплового облучения Eip1 = 111,4 Вт/м², Eip2 = 73,8 Вт/м² По формулам (2) и (3) рассчитываем граничные значения зон облучения: E1max = 66,5 Вт/м², E1min = 12,7 Вт/м² - для периода термической стабилизации.

Рисунок 2

Таблица 2. Технические характеристики ИК-электрообогревателей ЭИУС-211


Наименование показателя Электрическая мощность излучателя ИКН-101
250 400 500 650 1000
Размеры излучателя в плане, расчетная площадь и коэффициент излучения (степень черноты) поверхности излучения 245х60 мм, Fiz1 = 170,9 см², ε1 = 0.96
Размеры рефлектора-отражателя в плане, приведенные размеры центральной элементарной поверхности излучения и приведенный радиус поверхности излучения Lot1 = 250 мм, Bot1 = 100 мм
L1 = 100 мм, B1 = 100 мм, R1 = = 56,42 мм
Принятый объемный угол раскрытия лучевого потока на выходе из отражателя α1 = 68-72°
Температура излучающей поверхности 400 490 540 600 720
Коэффициент эмиссии электрической энергии в энергию направленного ИК-излучения (лучевой к.п.д.) при размещении отражателя под углом 27-30° вниз по отношению к горизонтали, степени черноты фона и температуре окружающей среды (осредненный) 69,7 73,0 79,5 81,3 84,9
Рисунок 3
Расчет распределения удельной мощности облучения по нормали к излучающей поверхности электрообогревателя En1, Вт/м² производим по зависимости
где – удельная мощность излучения, приведенная к площади рефлектора-отражателя, Вт/м², Ln1 – текущее значение расстояния от поверхности излучения, м. В вычислениях по формуле (4) принято значение объемного угла раскрытия лучевого потока на выходе из рефлектора-отражателя α1=70°.

На рисунке3 представлен полученный график распределения удельной мощности излучения по нормали к излучающей поверхности. Точками отмечены полученные граничные расстояния зон обогрева: L1max = 1,35 м, L1min = 2,5 м, для периода начального разогрева, L2max = 1,8 м, L2min = 3,2 м, для периода термической стабилизации.

На рисунке 4 с соблюдением масштаба представлены диаграммы обогрева помещения длиной 4 м с высотой потолков 2.5 м, которое оборудовано СЛО в виде ЭИУС-211, размещенного на стене на высоте 1.8 м с направлением рефлектора-отражателя по диагонали помещения под углом 27-30° вниз по отношению к горизонтали. Выделенное объемное расположение зон обогрева на диаграммах с возможностью изменения расположения электрообогревателя и направления лучевого потока позволяет найти оптимальный вариант размещения СЛО и объектов обогрева.

Рисунок 4
Следует отметить, что приведенные выше расчеты и на их основе зонирование помещения по режимам обогрева справедливы при лучистом облучении 50% и более тела человека. Оптимальное построение СЛО в данном случае определяет наличие двух и более обогревателей, расположенных диаметрально во всем помещении или в выделенной зоне обогрева. С целью снижения размеров зоны повышенной интенсивности облучения при достижении термической стабилизации электрообогреватель должен быть снабжен ступенчатым переключателем мощности обогрева.

Разработанная методика позволяет оценить интенсивность облучения, например, как на уровне пола, так и на уровне головы человека по мере приближения к обогревателю. Очевидно, что установка инфракрасных обогревателей на потолке с подачей излучения сверху вниз для помещений с потолками высотой 2,5-4 м всегда будет создавать интенсивность облучения головы человека намного выше, чем остального тела. При этом голова, как правило, будет находиться в зоне повышенной интенсивности облучения, что не позволяет выдержать действующие нормативы облучения и резко повышает непереносимость лучистого обогрева работниками.

Литература:
1. Рабко А.Е. Инфракрасные керамические излучатели и электрообогреватели НОМАКОНтм/ А.Е. Рабко и др. // Электроника инфо. - 2011. - №5. - С.26-29.
2. Рабко А.Е. Отопление помещений инфракрасными электрообогревателями НОМАКОНтм / А.Е. Рабко и др. // Электроника инфо. - 2013. - №9. - С.45-48.
3. СанПиН 9-80 РБ 98. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.
4. СП 2.2.1.1312-03. Гигиенические требования к проектированию вновь строящихся и реконструируемых промышленных предприятий. Приложение 2.
5. ГОСТ 12.1.005-88. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
6. ISO 7726:1998. Ergonomics of the thermal environment. Instruments for measuring physical quantities.