II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ ЗАГОРОДНОГО ДОМА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Комарцова А.В. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средней общеобразовательной школы №1 г. Строитель Яковлевского района Белгородской области»

1

---

1

Работа в формате PDF

3.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

 Оглавление

1. Введение…………………………………………………………………………….3 стр.

2. Теоретическая часть……………………………………………………………. ….4 стр.

1.  

   1. Инфракрасное излучение ………………………………………………….4 стр.

   2. Отопление жилых помещений……………………………………………. 5 стр.

   3. Отличие инфракрасного обогревателя от традиционного ………………5 стр.

1. Практическая часть…………………………………………………………………6 стр.

2. Заключение………………………………………………………………………...11 стр.

3. Литература…………………………………………………………………………12 стр.

4. Приложение………………………………………………………………………..13 стр.

1. Введение

Системы отопления в наших широтах, где температура в зимнее время порой опускается до 30 градусов и ниже, играют решающую роль. В то время как жителям городов выбирать особо не приходится по причине существования централизованной системы отопления. Однако в Белгородской области большое значение сегодня уделяется загородному строительству. Дома и даже целые улицы, находятся вдали от городов, и провести туда отопление гораздо дороже, чем сделать индивидуальное отопление. Владельцы индивидуальных домов имеют больше степеней свободы при подборе принципа обогрева своего жилья. Кроме того, постоянный рост тарифов на газ заставляют человека задумываться над вопросами получения альтернативного тепла. Поэтому данная тема является актуальной. Несомненной популярностью среди прочих вариантов создания комфортного теплового режима пользуются системы инфракрасного (ИК) отопления, обеспечивающие равномерный прогрев помещения и позволяющие экономно расходовать электроэнергию.

Новизна моей работы состоит в том, что будет изучено инфракрасное излучение.

Цель работы: изучить ИК-излучение и изготовить ИК обогреватель из подручных материалов.

Задачи:

• изучить литературу об инфракрасном излучении;

• предложить способ обогрева помещения, если нет центрального отопления;

• рассмотреть особенности устройства инфракрасного отопления частного дома;

• рассмотреть преимущества и недостатки такого отопления;

• посчитать стоимость такой установки и сделать сравнительный анализ систем отопления;

• составить инструкцию по использованию инфракрасных обогревателей.

Проблема: стоит ли отапливать помещение источникамис инфракрасным излучением.

Методы и приемы исследования:

• Поиск информации в различных источниках

• Математические методы обработки и представления полученных данных

• Творчества и моделирования

• Обобщения

Предмет исследования:инфракрасное излучение

Планируемый результат:модель обогревателя инфракрасного излучением для загородного дома

1. Теоретическая часть

1.  

   1. Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света. Оно было открыто в 1800 году английским астрономом У. Гершелем. Занимаясь исследованием Солнца, Гершель искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения. Определяя с помощью термометров действия разных участков видимого спектра, Гершель обнаружил, что «максимум тепла» лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением». Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения.

Инфракрасные лучи выделяют все нагретые твёрдые и жидкие тела, при этом длина излучаемой волны зависит от температуры тела – чем она выше, тем короче волны, но выше интенсивность излучения.

Инфракрасное излучение имеет длину волны от 770 нм до 1 мм. Именно из-за этого диапазона человеческий глаз не в состоянии видеть эти лучи как обычный свет. Также известно, что спектр инфракрасного излучения состоит из отдельных линий и полос, но он также бывает и непрерывным. В отличие скажем от ультрафиолетовых или рентгеновских лучей, инфракрасные полностью безопасны для человека (если это в диапазоне излучения тела самого человека, т.е его температуры).

Инфракрасную область спектра условно разделяют

• коротковолновую (от 0,74 до 2,5 мкм);

• средневолновую (2,5 - 50 мкм);

• длинноволновую (50-2000 мкм). (Приложение, рис. 1)

Это излучение - фактор природной окружающей среды, который постоянно действует на человека. Наше тело непрерывно поглощает и отдает инфракрасные лучи. Оно является продуктом всевозможных современных технических устройств, к примеру, ИК-обогревателей.

1.  

   1. Отопление жилых помещений

После того, как люди стали стремиться к удобствам и комфорту, одной из проблем, которой они себя загрузили, стала проблема обогрева своего жилища. Сначала для этих целей использовался огонь, который применялся и для обогрева, освещения и приготовления пищи одновременно.

С развитием цивилизации и технологий на замену огню пришли в нашу жизнь другие обогревающие устройства. Это сначала были камины, попозже — системы центрального отопления, и потом уже различные электрические обогреватели. Однако они все имели один существенный недостаток. Прежде, чем обогреть жилище, они должны были нагреть сначала себя, окружающий воздух, а уж потом - все то, что находилось вокруг, поэтому КПД этих устройств был на низком уровне.

С развитием прогресса и новых технологий, человечество вернулось к технологии передачи тепла (огонь костра, как в древние времена), а не теплого воздуха. Это как раз и есть инфракрасные нагреватели, принцип действия которых достаточно прост. При поглощении любым телом (одушевленным или нет) инфракрасных лучей, оно нагревается и начинает отдавать тепло в окружающее пространство. Кстати, наиболее мощным и известным подобным обогревателем является солнце. И подобно солнцу, такие обогреватели являются наиболее комфортными, экологическими и экономичными источниками тепла. Процесс обогрева бесшумный, отсутствуют циркуляционные потоки. Кроме того, обогреватель инфракрасного излучения способен обеспечить комфорт для человека даже на открытом воздухе.

И так инфракрасные отопления создает такой же тепловой эффект, как солнце. Оно посылает тепловые лучи. Их поглощают поверхности стен, пола, предметов мебели, а затем, в свою очередь, отдают это тепло окружающему воздуху.

Вспомним физику. Любое нагретое тело отдает тепло окружающим его предметам тремя способами:

• Теплопроводность — способность материальных тел к переносу энергии (теплообмену) от более нагретых частей тела к менее нагретым телам, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.).

• Конвекция (от лат. convectiо — «перенесение») — вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками.

• Тепловое излучение — электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии тела.

Нередко все три способа осуществляются совместно. Например, конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, так как при перемещении неравномерно нагретых объемов неизбежно соприкосновение частиц.

Инфракрасным обогревателем можно считать любое нагретое тело, отдающее тепло посредством теплового излучения, в то время как остальные способы передачи сведены к минимуму.

Представим себе привычный радиатор отопления. Если он установлен на стене, тепло от него передается двумя способами: конвекцией, то есть нагревом обтекающего радиатор воздуха (около 80%), и излучением (около 20%). Если тот же радиатор поместить под потолком, конвекция сведется к минимуму, и останется в основном излучение, которое можно усилить, установив всего, лишь за радиатором отражатель. В результате получим прибор, который можно назвать инфракрасным обогревателем.

Инфракрасный обогреватель состоит из двух основных элементов:

• нагревательного элемента-излучателя;

• отражателя (рефлектора).

Оба эти элемента собираются в термостойком корпусе. Для изготовления рефлектора используется алюминий или полированная сталь. Задача отражателя – сформировать поток излучения и направить его в нужную зону.

В качестве нагревательного элемента (излучателя) используются лампы:

• галогенные;

• карбоновые и кварцевые.

Кроме излучателя и рефлектора, в конструкции нагревателя присутствуют датчик пожароопасности и термостаты. Первые автоматически отключают обогреватель при его перегреве или опрокидывании, вторые – служат для поддержания заданной температуры.

Инфракрасный нагреватель – это тоже отопительный прибор, но работает он по другому принципу, если сравнить с традиционными, электрическими. Главная часть такого устройства – это специальный элемент, испускающий инфракрасные волны, которые воздействуют на поверхность предметов и повышающие их температуру. Максимальное значение интенсивности излучения в этом спектре приходится на длину волны пропорциональной температуре нагрева излучающего тела. Тепловая энергия доставляется на необходимое место электромагнитными волнами со скоростью порядка 300000 км./сек.

Основная их особенность и принцип действия заключается в следующем. Инфракрасные лучи проходят сквозь воздух, не нагревая его. Они нагревают предметы, находящиеся в комнате: пол, стены, мебель, человека. И уже от разогретых предметов начинает нагреваться окружающий их воздух. Они в минимальной степени рассеивают тепло. Их располагают на потолке, на полу, стенах, что позволяет сохранить объем помещений.

В качестве излучателя могут выступать галогеновые, кварцевые или карбоновые лампы.

Использование инфракрасных обогревателей значительно экономят электроэнергию, тем самым уменьшают затраты на обогрев. КПД таких обогревателей достаточно высокий – 90% и рассчитанный ресурс работы такого прибора не менее, чем 20 лет. Нагревать участок такой обогреватель инфракрасного излучения начинает практически мгновенно. Достаточно нескольких секунд и в зоне его действия начинает повышаться температура.

1. Практическая часть

3.1. Модель отопления с инфракрасным излучением для загородного дома

1. Изучив виды инфракрасного обогрева, пришли к выводу, что для дома наиболее приемлемым является потолочная система.

Принцип действия: аналогично теплу от солнца, инфракрасное излучение от нагревательных элементов передается, минуя воздух, непосредственно полу, стенам, предметам и т.д., от которых нагревается воздух в помещении.

Преимущества: 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.

Вариант 1. Потолочные обогреватели ОНИКС используются как основной или дополнительный источник тепла при обогреве дачи и дома. Инфракрасное отопление обеспечивает быстрый прогрев помещений и экономию электроэнергии до 80%. Климатическое исполнение удовлетворяет госту ГОСТ15150-УХЛ4. Коэффициент полезного действия равен 90%.

Цены от производителя на 01.07. 2015 г. (приложение, таблица 1)

Расчет мощности обогревателя:

Из интернета узнали, что примерно 1 кВт энергии, вырабатываемой обогревателем, на 8-9 кв. м помещения со стандартной высотой потолков в 2,75 м. Поэтому для обогрева помещения в 20 кв.м потребуется обогреватель 2,5 кВт.

Для покупки выбрали ОНИКС- 2.25, мощность которого 2.25 кВт. Этого обогревателя будет достаточно, что бы обогреть комнату в 20 м². Цена- 5245.10 р.

Терморегулятор- 708.00 р.

Кронштейн потолочный -200.00р.

Итого:6153.10 р.

Прочитав отзывы в интернете, пришла к выводу, что срок службы такого обогревателя около 1,5 года.

Вывод:особое внимание надо обратить на ценовой диапазон, который все же не каждому по карману, удачной покупки и эффективной работы устройства.

1. Типы ИК-обогревателей, сделаны самостоятельно

Вариант 2. Установка на батарею листа из алюминиевой фольги

Тепло, исходящее от задней поверхности радиатора, направлено как раз на эту холодную стену, поэтому половина излучаемого тепла просто уходит на обогрев данной стены. Так как на улице температура воздуха по-прежнему остается низкой, мощности батареи не хватает на то, чтобы ее обогреть и затем уже начать отдавать тепло в само помещение, стена все равно будет постоянно остывать. Таким образом получается замкнутый круг, в котором ровно 50% тепла расходуется впустую. Для того чтобы решить данную проблему, требуется большой лист фольги. Его размер должен соответствовать размеру батареи отопления. Этот лист закрепляется на стену за батареей, причем именно на стену, а не на сам радиатор. Если лист просто прикрепить к батарее, он станет мешать отдаче тепла и никак не повлияет на температуру воздуха в помещении.

При наличии закрепленной на стене фольги тепловые лучи не уйдут в стену, а натолкнутся на отражающую поверхность и будут перенаправлены в комнату. То есть обогрев помещения возрастет в 2 раза и очень скоро это станет ощутимым.

Следовательно, самое простейшее устройство заключается в установке на батарею отопления небольшого листа алюминиевой фольги, ориентированного на комнату. Тепловые лучи, исходящие от радиатора, отражаются в зеркале фольги и возвращаются в жилое пространство, не теряя при этом энергию на ненужный прогрев стен.

Вывод: неудобен, так как в момент межсезонья, а так же в момент отключения батарей работать не будет.

Вариант 3.

Купить в магазине инфракрасный порт, спираль накаливания.

Инфракрасный порт- 1330,60 р.

Терморегулятор- 708.00 р.

Кронштейн потолочный -200.00р.

Пожаробезопасный датчик - 540.00р.

Всего: 2928.6 р.

Излучатель (спираль) помещается в объемный блок прямоугольной формы с подключением в электросеть. Сам порт подключается непосредственно на обогреватель. Вот, собственно, и все. Во время работы необычного прибора используется свойство ИК-порта передачи информации с помощью теплового диапазона волн, образующего среду их распространения.

Вывод:цена ниже, чем в варианте , однако на самом деле существует великое множество вариантов изготовления ИК обогревателей, ведь домашние мастера стремятся использовать разные вещи, отслужившие свое. Поэтому воспользуемся другими способами.

Оборудование:

• рефлектор советского производства;

• нихромовая нить;

• стальной стержень;

• диэлектрик огнеупорный. В качестве диэлектрика вы можете использовать тарелку любого диаметра, изготовленную из глазурованной керамики.

Ход работы:

• тщательно очистить отражатель рефлектор от грязи и пыли;

• проверить целостность сетевого шнура, вилки, соединения с клеммами для подключения спирали;

• измерить длину спирали, навиваемой на керамический конус прибора;

• взять стальной стержень такой же длины и навейте на него нихромовую нить. Шаг навивки – 2 мм;

• по окончании навивки снимите спираль со стержня;

• уложить спираль в свободном состоянии (ее витки не должны соприкасаться) на огнеупорный диэлектрик;

• к концам спирали подключить ток из сетевой розетки;

• разогретую спираль отключить и уложить в канавку керамического конуса обогревателя;

• подключить ее к клеммам питания.

Вывод: не у каждого найдетсярефлектор советского производства, поэтому нужен другой способ создания ИК обогреватель

Оборудование:

• Асбестовая труба

• Нихромовая спираль

• Болты

• Провод

• Вилка для розетки

• Старое ведро

• Краска

• Ножевка

• Плоскогубцы

• Ключ для закрутки болтов

• Дрель, сверло

Ход работы

•  

  1. Взять асбестовую трубу. Отрезать кусок (приложение, рис. 2)

  2. Взять два куска металлической полосы длиной по 200 мм. Просверлить отверстия, согнуть их пополам и прикрепить их к трубе болтами. Это будут ножки обогревателя.

  3. При помощи болтов укрепить на трубе нихромовую спираль

  4. Спираль присоединить к клеммам для подключения в сеть

  5. Последние соединить с сетевым шнуром, к концу которого присоединить вилку (все провода должны быть хорошо изолированы).

  6. Проверить работу данного прибора

  7. Присоединить к трубе с помощью шурупов кусок из металла (заранее вырезанного из ведра)

  8. Покрасить

Наш прибор готов к использованию

Вывод: Мощность можно регулировать толщиной спирали (от 0,5 до 2,5 кВт). Мощность нашего прибора 1,5 кВт. При этом длины излучаемых волн обогревателя зависят от их температуры: чем она выше, тем меньше длина и больше интенсивность излучения. Повышение температуры тела смещает спектр его ИК-излучения ближе к видимому свету, тело сначала видится темно-красным, затем ярко-красным, потом желтым и, наконец, раскаленное до высоких температур − белым.

Оборудование:

• стекло: два куска одного размера;

• фольга алюминиевая;

• герметик;

• свеча парафиновая;

• сетевой провод с вилкой;

• клей эпоксидный;

• ватные палочки;

• чистая х/б салфетка;

• держатель для свечи

Ход работы:

• удалить с поверхности стекла пыль, грязь, жир, следы краски, если таковые имеются и т. д.;

• зажечь свечку и плавно переместить над ее пламенем стеклянные пластины (поочередно и только с одной стороны). В результате этой операции на стекле должен образоваться равномерный слой копоти. Он в нагревателе будет служить проводником (Если перед обработкой стекло охладить, слой копоти ляжет на его поверхность ровнее);

• при помощи ватных палочек формируем по периметру стекла прозрачную «рамочку» шириной примерно в пять миллиметров;

• из листа алюминиевой фольги вырезать два прямоугольника. Их ширина должна равняться ширине токопроводящего слоя (той самой копоти, которую вы усердно осаживали на стекло в начале работы). Полоски фольги в ИК будут выступать в роли электродов;

• стеклянную пластину растить закопченной стороной вверх и нанести на ее поверхность эпоксидный клей; (приложение, рис. 3)

• на края пластины наложить фольгу таким образом, чтобы их концы выходили за пределы стекла;

• полученную конструкцию осторожно накрываем второй стеклянной пластиной (закопченной стороной внутрь) и склеиваем «пирог», тщательно прижимая его слои друг другу;

• периметр конструкции герметизируем;

• замеряем сопротивление проводящего слоя;

• используя полученный результат, рассчитываем мощность нагревателя по формуле:

N = R x I² , где

N – мощность (Вт);

R – сопротивление (Ом);

I — сила тока (А).

N = 0,015 кВт

Вывод: Для обогрева таким обогревателем нужно сделать их хотя бы 10 шт. При изготовлении прибора надо учитывать, что чем шире слой сажи, тем меньше сопротивление устройства и, соответственно, выше температура нагрева стекла. Если все выполнить аккуратно, то мощность не превысит допустимую нормативами величину, то самодельный инфракрасный нагреватель можете подключать к розетке. (Приложение, рис. 3)

1. Заключение

Исследуя литературу по вопросу инфракрасного излучения, сделала вывод, что ИК обогреватель выгоден, так как от такого вида нагревательных элементов тепло передается непосредственно полу, стенам, предметам, людям и т.д., от которых затем нагревается воздух в помещении. С помощью такого обогревателя можно создать более комфортные условия жизни.

В процессе выполнения исследования приобрела навыки работы с прибором мультиметром, который применяла для измерения силы тока, напряжения, сопротивления. Для изготовления обогревателя использовала доступные приборы и средства.

От результатов своей работы я получила удовольствие, так как уже сейчас могу использовать дома, изготовленный самостоятельно обогреватель. Думаю, что полученные знания помогут мне и в будущем. Я смогу выбрать наиболее выгодные источники отопления загородного дома.

Работа рассматривает лишь один из аспектов проблемы. Исследования в этом направлении могут быть продолжены. Это могло бы быть изучение не только инфракрасного, но и других видов теплового излучения.

Литература:

•  

  1. Мякишев , Г.Я. ,Физика. 11 кл.: учеб. Для общеобразоват. учреждений [Текст] /Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев.-12-е изд., -М.: Просвещение, 2009.-336 с.: ил.- ISBN 5-09-013165-1

  2. Яндекс картинки. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://images.yandex.ru/

  3. Портал Stroy-Aqua.com — строительные коммуникации [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://stroy-aqua.com/http://stroy-aqua.com/vodosnab_otopl/radiator/infrakrasnyj-obogrevatel-svoimi-rukami.html

  4. Балкон сами. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://balkonsami.ru

  5. Энциклопедия по отоплению, канализации и водоснабжению. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://aqua-rmnt.com/otoplenie/documents/infrakrasnoe-otoplenie-v-chastnom-dome.html

Приложение

Рис. 1 Условное деление инфракрасного спектра излучения.

Таблица 1. Обогреватели ОНИКС. Цены от производителя на 01.07. 2015 г

Рис. 2. ИК обогреватель из материалов нашего гаража

Рис. 3 Изготовление ИК обогреватель из стекла

15