Дипломная (вкр): Использование инфракрасной пленки для отопления помещений

Использование инфракрасной пленки для отопления помещений

Выпускная квалификационная работа

Использование инфракрасной плёнки для отопления помещений

Введение

энергопотребление отопление инфракрасный пленка

Отопление осуществляется для поддержания оптимального температурного режима в помещениях.

Инновационная система отопления - инфракрасный (ИК) пленочный теплый пол выигрывает по многим параметрам при сравнении с более привычными вариантами - водяными и кабельными конструкциями. В данном случае для оборудования альтернативного источника обогрева не требуются масштабные работы по сооружению бетонной стяжки и прокладке нагревательных элементов. Кроме того, практически отсутствуют ограничения в выборе типа финишного напольного покрытия.

Нагревательная пленка устойчива к повреждениям любого рода, в том числе и механическим. А при обрыве из строя выходит только один сегмент системы.

Традиционное конвекционное отопление помещений является довольно неэффективным. Воздух нагревается и устремляется вверх, создавая при этом конвективный поток. Большая часть энергии при таком типе отопления тратится на бесполезный обогрев пространства в районе потолка. Кроме того, воздух - один из самых плохих проводников тепла.

По другому принципу работает ИК пленочный теплый пол. Отличие заключается в том, что инфракрасное излучение нагревает в первую очередь предметы, находящиеся на его пути. Отсутствие восходящих потоков избавляет жильцов дома от сквозняков и пыли. Особенно выгоден такой вид обогрева в помещениях с высоким потолком.

При использовании лучистого тепла температура воздуха субъективно воспринимается как более высокая. Этим преимуществом в полной мере обладает инфракрасный пленочный теплый пол, в помещении комфортно находиться, даже если оно не прогрелось в достаточной мере.

Кроме того, инфракрасное отопление дает возможность локального обогрева. Оно позволяет поддерживать индивидуальный температурный режим в разных зонах одной комнаты. А при необходимости можно просто отключить часть оборудования.

Еще одно достоинство - инфракрасного пленочного пола заключается в том, что он обеспечивает более быстрый по сравнению с остальными системами прогрев, ведь передача тепла происходит очень быстро.

Также немаловажным аргументом в пользу именно этого вида теплых полов является то, что инфракрасное излучение считается не просто безвредным, а очень полезным.

Область применения ИК пленочного теплого пола не ограничивается жилыми или общественными помещениями. Его обустраивают в хозяйственных постройках - гаражах, теплицах или сараях для домашнего скота, куда затруднительно провести центральное отопление.

Широко применяется инфракрасная пленка для теплого пола в сельском хозяйстве (например, в инкубаторах и яслях для молодняка). С её помощью защищают от обледенения взлетно-посадочные полосы, автостоянки и открытые спортивные площадки.

В данной дипломной работе рассмотрен вопрос применения инфракрасной пленки для отопления помещений.

Цель работы - исследование системы отопления помещения с применением инфракрасной пленки.

Задачи:

-       изучение системы отопления с применением инфракрасной пленки;

-       изучение устройства и видов инфракрасной пленки;

-       расчет эффективности системы отопления помещения с применением инфракрасной пленки по сравнению с централизованным отоплением;

-       проведение экспериментальных измерений.

1. Виды отопления

Физический процесс передачи тепла от одного физического тела к другому называется теплопередачей. Передача тепла осуществляется от горячего физического тела к холодному либо при непосредственном контакте, либо через перегородку.

Тепловая энергия будет передаваться до тех пор, пока температуры физических тел не сравняются. В физике это состояние называется термодинамическим равновесием. Теплопередача, как правило, происходит от горячего тела к холодному, что полностью соответствует второму закону термодинамики. Согласно этому закону работают все системы отопления.

С точки зрения физики существуют три элементарных типа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Но в чистом виде, по отдельности, они практически не встречаются, в общем случае тепло передается сочетанием простых типов. В основном различают три типа теплопередачи: теплоотдача, теплопередача и конвективно-лучевой метод передачи тепла. [2]

Классификация видов отопления происходит по его видоизменяемому параметру комбинации способов теплопередачи. При этом, абсолютно все виды отопления можно разделить на автономные (со встроенным генератором тепловой энергии) и системные или магистральные (подключённые в отопительные системы и магистрали, и являющиеся частью их). [7]

.        Конвективное и лучистое виды отопления.

В зависимости от преобладающего способа теплоотдачи передачи, отопление помещений может быть конвективным и лучистым.

Конвективное отопление - это вид отопления, при котором тепло передается, преимущественно благодаря перемешиванию объемов горячего и холодного воздуха.

Лучистое отопление - это вид отопления, когда тепло передается, в основном инфракрасным излучением.

.        Огневоздушное, воздушное, инфракрасное виды отопления.

В комбинациях конвективного и лучистого видов передачи тепла можно определить три основные способы теплопередачи - огневоздушное, воздушное, а также инфракрасное виды отопления. Примеры огневоздущного отопления - очаги с открытым пламенем, камины, костры, жаровни с раскалёнными углями. Пример воздушного отопления - печки, отопительные радиаторы и конвекторы всех типов, тепловые воздушные установки. Пример инфракрасного отопления - тёплые полы, тепловые панели, газовые и электрические рефлекторы.

.1 Традиционные системы отопления

К традиционным системам отопления относятся те системы, в которых используется какое-либо топливо. В настоящее время чаще всего используется газ, хотя в некоторых случаях применяется жидкое и твердое топливо. Но независимо от типа топлива принцип работы всех традиционных систем одинаков. Теплота от сгорания топлива нагревает теплоноситель, который поступает в радиаторы отопительной системы и нагревает воздух в помещении. В качестве теплоносителя в традиционных системах отопления используется вода, поэтому такие системы называют водяными.

По всем законам физики теплый воздух устремляется вверх, а холодный, естественно, перемещается вниз. Такое движение воздуха есть не что иное, как упомянутая выше конвекция. Этот холодный воздух как раз и создает холодные полы, что приходится устранять устройством «теплых полов». Если помещение достаточно высокое (производственный корпус, зрительный или спортивный зал и т.п.), то прогрев всего объема длится достаточно долго, создается расслоение воздуха.

Поднимающийся вверх теплый воздух создает сквозняк в помещении, кроме того увеличиваются потери тепла через крышу и стены, тепло попросту уходит из здания. В этом случае говорят, что мы отапливаем улицу. Люди, находящиеся внизу, оказываются в зоне холодного воздуха.

На рисунке 1 схематично показано распределение тепла при работе традиционной системы отопления.

Рисунок 1. Распределение тепла при работе традиционной системы отопления

Основным устройством системы водяного охлаждения является котел, чаще всего газовый. Нагретая в котле вода по трубам поступает в отопительные приборы - радиаторы. Для циркуляции воды в системе устанавливается насос, если циркуляция принудительная, хотя циркуляция может быть естественной. В этом случае можно обойтись и без насоса.

Кроме этих основных устройств и деталей в водяную систему отопления входит также множество «вспомогательных», но нужных деталей. Прежде всего, это расширительный бак для компенсации температурного расширения воды, фитинги для соединения труб, воздушные клапаны и многое другое, необходимое для нормальной работы всей системы в целом.

В индивидуальном доме для установки газового котла требуется дополнительное помещение, оборудованное системой вентиляции и дымоходом, не говоря уже о системе подведения газа. В случае централизованного отопления требуется строительство большой котельной и прокладка целой сети теплотрасс. Вся система получается дорогой и сложной. Но в некоторых случаях, например для небольшого загородного дома, и если поблизости нет газа, приходится делать электрическую систему отопления.

Наиболее распространенными в таких случаях являются электрические котлы для водяного отопления или различные электрические обогреватели. В первую очередь это масляные радиаторы, электрокамины и тепловентиляторы различных конструкций. Принцип работы этих приборов также конвекционный, как у водяных систем отопления: сначала греется воздух, а уже потом стены, мебель, люди. Такая система малоэффективна и малоэкономична. [2]

.2 Инфракрасные отопительные приборы

В настоящее время выпускаются различные приборы инфракрасного отопления, которые обеспечивают рациональный и экономный обогрев помещений в самых различных условиях.

С точки зрения природы традиционные системы отопления действуют неправильно. Сначала нагревается воздух, а потом и все остальное. В природных условиях все происходит наоборот.

Естественным источником тепла на Земле является Солнце. Солнечные лучи обладают очень широким спектром, но именно его инфракрасная составляющая нагревает Землю, людей, растения и все предметы, а уже от них нагревается воздух и создаются комфортные условия для жизнедеятельности человека.

Именно по такому принципу работают инфракрасные обогреватели. Воздух для инфракрасного излучения абсолютно прозрачен, поэтому инфракрасные лучи беспрепятственно доходят до обогреваемых поверхностей и предметов.

На рисунке 2 схематично показано распределение тепла при использовании инфракрасного обогревателя.

Рисунок 2. Распределение тепла при использовании инфракрасного обогревателя

2. Инфракрасное излучение

Ученые классифицировали энергию солнечного излучения с помощью такого понятия, как спектр электромагнитного излучения. С помощью этого спектра солнечная энергия распределяется по длинам волн, которые излучаются солнцем. В зависимости от того, насколько волна длинная, определяется количество её энергии. Например, длинная волна обладает малой долей низкочастотной энергии, а короткая волна обладает большой долей высокочастотной энергии. К сожалению, мы можем видеть только те волны видимого диапазона (видимый свет), которые составляют цвета радуги. Но, несмотря на то, что наш глаз может различать только видимые волны, нас окружает большое количество других энергетических волн, по-разному влияющих на организм. Существует семь энергетических волн, входящих в солнечный электромагнитный спектр, лежащие между самыми длинными, радиоволнами, и самыми короткими, гамма-лучами (рис. 3). [5]

Рисунок 3. Спектр электромагнитного излучения

Отправляясь от видимого света в длинноволновую сторону спектра, мы попадаем в диапазон инфракрасного излучения. Ближнее ИК-излучение физически ничем не отличается от видимого света, за исключением того, что не воспринимается сетчаткой глаза. Его можно регистрировать теми же приборами, в частности, телескопами, что и видимый свет. Человек также ощущает инфракрасное излучение кожей - как тепло. Именно благодаря инфракрасному излучению нам тепло сидеть у костра. Большую часть энергии горения уносит вверх восходящий поток воздуха, на котором мы кипятим воду в котелке, а инфракрасное (и видимое) излучение испускается в стороны молекулами газов, продуктов сгорания и раскаленными частицами угля.

С ростом длины волны атмосфера теряет прозрачность для инфракрасного излучения. Это связано с так называемыми колебательно-вращательными полосами поглощения молекул атмосферных газов. Будучи квантовыми объектами, молекулы не могут вращаться или колебаться произвольным образом, как грузы на пружинке. У каждой молекулы есть свой набор энергий (и, соответственно, частот излучения), которые они могут запасать в форме колебательных и вращательных движений. Однако даже у не самых сложных молекул воздуха набор этих частот столь обширен, что фактически атмосфера поглощает всё излучение в некоторых участках инфракрасного спектра - это так называемые инфракрасные полосы поглощения. Они перемежаются небольшими участками, в которых космическое ИК-излучение достигает поверхности Земли - это так называемые окна прозрачности, которых насчитывается около десятка. Их существование представлено на плакате разрозненными голубыми стрелками в инфракрасном диапазоне. Интересно отметить, что поглощение ИК-излучения почти полностью происходит в нижних слоях атмосферы из-за повышения плотности воздуха у поверхности Земли. Это позволяет вести наблюдения почти во всем инфракрасном диапазоне с аэростатов и высотных самолетов, которые поднимаются в стратосферу. [3]

Деление инфракрасного излучения на поддиапазоны также весьма условно. Граница между ближним и средним инфракрасным излучением проводится примерно в районе абсолютной температуры 300 К, которая характерна для предметов на земной поверхности. Поэтому все они, включая приборы, являются мощными источниками инфракрасного излучения. Чтобы в таких условиях выделить излучение космического источника, аппаратуру приходится охлаждать до температур, близких к абсолютному нулю, и выносить за пределы атмосферы, которая сама интенсивно светит в среднем ИК-диапазоне - именно за счет этого излучения Земля рассеивает в космос энергию, постоянно поступающую от Солнца. Основной тип приемника излучения в этом диапазоне - болометр, то есть, попросту говоря, маленькое черное тело, поглощающее излучение, соединенное со сверхточным термометром.

Дальний инфракрасный диапазон - один из наиболее сложных, как для генерации, так и для регистрации излучения. В последнее время благодаря разработке особых материалов и сверхбыстродействующей электроники с ним научились достаточно эффективно работать. В технике его часто называют терагерцевым излучением. Сейчас активно идет разработка бесконтактных сканеров для определения химического состава объектов на основе генераторов терагерцевого излучения. Они смогут выявлять пластиковую взрывчатку и наркотики на контрольных пунктах в аэропортах.

3. Виды инфракрасного отопления

.1 Потолочные системы инфракрасного обогрева

При инфракрасном отоплении потолочного типа нагревательные приборы подвешиваются к потолку - за счет этого тепловой поток направлен вниз и немного в стороны. Таким образом, основная поверхность, которая нагревается ИК лучами - это напольное покрытие. Поэтому температура на уровне ног человека при данном способе обогрева оказывается на пару градусов выше, чем на уровне его головы. При конвективном принципе нагрева воздуха, пол - это всегда самая холодная поверхность, а основная масса теплого воздуха «обитает» под потолком.