 |
Расчет облучательных установок
|
|
|
|
Практические занятия 14,15 (объем 2 часа)
Тема: расчет установок ИК и УФ облучения.
Цель занятий: освоить методику расчета установок ИК и УФ облучения.
Изучаемые вопросы:
- общие положения;
- расчет установок ИК обогрева;
- расчет установок УФ облучения.
Рекомендуемая литература:
- Жилинский Ю.М., Кумин В.Д. Электрическое освещение и облучение.- М.: Колос, 1982.
- Козинский В.А. Электрическое освещение и облучение. - М.: Агропромиздат, 1991.
- Баев В.И. Практикум по электрическому освещению и облучению. - М.: Агропромиздат, 1992.
Краткое содержание
1. Основное назначение облучательной установки передать требуемое количество лучистой энергии приемнику:
,
где S, τ, α - площадь, время облучения, направление. Для упрощения расчета производится замена полной энергии, упавшей на приемник, её поверхностной плотностью. В результате можно использовать формулу (для стационарных процессов):
Н = Еэф· τ,
где Еэф = Фэф /S.
Из формул видно, что одинаковую дозу облучения можно получить при различных соотношениях облученности и времени действия.
Для небольших уровней облученности справедлив закон аддитивности Бунзена - Роско, который гласит, что реакция приемника зависит только от поглощенной энергии излучения, а различие в сомножителях (облученность и время) существенного значения не имеет.
Оптический диапазон разделен на области:
УФ -С 100-280 нм;
УФ - В 280-315 (320);
УФ –А 315-380; ФАР 360-720 нм (физиологически активная радиация);
ВИ 380-760 нм (видимое);
ИКБ 760-10000 нм (ИК - ближняя).
2. При расчете облучательных установок чаще всего используется метод коэффициента использования потока облучательной установки. (СКИ - световой коэффициент использования). Применяется для площадей с небольшой неравномерностью облучения (Z ≤ 2).
|
|
|
Данный коэффициент в формулу не включается, т.к. расчет производится для средней облученности:
Е = 
,
где ФЛ - потоклампы в эффективных единицах;
N - число ламп в установке;
ηоу - коэффициент использования светового потока;
Sp - расчетная площадь облучения;
Кз - коэффициент запаса.
Коэффициент использования необходимо уточнить с учетом поправки определяемой по формуле:
k = 
,
где ηсв - КПД светильника;
ηλ·I - КПД светильника, для спектра излучения, в требуемом диапазоне;
и 
- доли прямого и отраженного потоков светильника;
ρλi и ρвид - коэффициенты отражения светильника (спектральной и видимой области).
3. При расчете облучательных установок, коэффициенты отражения стен, потолка, пола принимаются равными нулю (отражающие поверхности отсутствуют; абсолютно черное тело).
Пример 1.
Определить среднюю облученность в отсеке для телят, размером (6´3) м. Лампы типа ИКЗК 220-250 установлены в одноламповом светильнике (типа НСП 21). Высота подвеса, h = 0,5 м, над облучаемым объектом. Количество светильников, N = 6 шт.
Рабочую зону обогрева можно принять 0,25 ¸ 0,30 от общей площади, с учетом размера телят.
Решение:
1. Определим расчетную площадь:
SP = (6 ´ 3) · 0,3 = 5,4 м2
(а = 6 м; в = 0,9 м).
2. Находим индекс установки:
i = 
3. По таблицам, находим коэффициент использования потока излучения, для черной комнаты:
ηоу = 0,45
4. Уточняем коэффициент использования с учетом поправки К:
ηоу = к · ηоу = 0,9 · 0,45 = 0,41
5. Средняя облученность:
Е = 
Вт/м2
Далее, следует уточнить по таблицам требуемую облученность. При необходимости скорректировать число светильников.
Пример 2.
Если нет специальных инфракрасных излучателей или ИК - источников, то можно использовать обычные лампы накаливания, включенные на понижение напряжения.
|
|
|
Пусть, светильник того же типа, источник излучения - лампы накаливания Г 220-200. Принимаем уровень напряжения U =190 В (можно включить 2 лампы последовательно на сетевое напряжение 380 В.)
Решение:
1. Находим интегральный поток излучателя:
Фл = ηлуч ·Рл · (
)1,53 =0,9 · 200 (
)1,53 = 144 Вт.
(ηлуч = 0,8 ¸ 0,95 для ЛН)
(1,53 - показатель степени)
2. Рабочую зону оставим прежней
SP = 5,4 м2
3. Индекс установки i = 1,57; ηоу = 0,45; 
= 0,41
4. Тогда, средняя облученность:
Е = = 
= 51 Вт/м2
(что ниже, чем в примере 1. для обеспечения такого же уровня облученности потребуется не 6, а 10 ламп).
Точечный метод расчета основывается на формулах:
Е = 
; Фл = 
,
где Е - облученность в эффективных единицах, Вт/м2;
Фл - эффективный поток лампы, Вт;
к - поправочный коэффициент;
кз - коэффициент запаса;
- поправочный коэффициент для наклонной плоскости;
е - условная освещенность, лк
е = 
;
определяется по изолюксам или расчетом).
Пример 3.
Требуемая облученность для обогрева цыплят - 250 Вт/м2.
Лампы типа ЗК - 220 - 300 - 1, сила света Io = 3650 кд, Т = 750 ч.
(ЗК -200-500-1, Io = 6450 кд, Т = 750 ч; ЗК -220 -500, Io = 5050 кд, Т = 1500 ч.; или ИКЗК - 220-250; ИКЗ - 220 -500)
Необходимо определить высоту установки облучателей:
h = 
;
где 
; 
- сила излучения условного источника (за условный поток принято: Фу = 100 Вт; при расчетах освещения: Фу = 1000 лм.)
Решение: 1. Проведем расчет для лампы ЗК -220-500. Сила излучения в заданном направлении:
Iα = Фл· Iα·у / Фу, I α·у = 
;
(Iα - сила излучения реального излучателя)
Рисунок 4.16 К расчету силы излучения
Для данного примера: cos α = 0,59;
ηлуч = 0,9;
КЗ = 1,2.
Тогда:
Iα = I0 · cos α = 5050 · 0,59 = 2979 кд;
Iα ·у = 
кд; h= 0,89 м
2. Уменьшим мощность лампы:
Р = 300 Вт; I0 = 3650 кд. Iα = 2153 кд.
При тех же условиях:
I α·у = 
кд.
м.
Пример 4.
Проверим уровень облученности, для примера 3, при использовании лампы типа ЗК -220-500-1, с I0 = 6450 кд. Высота подвеса h = 1,5 м, радиус облучаемой поверхности - 1,5 м.
cos α = 0,7; Iα = I0 · cos α = 6450 · 0,7 = 4515 кд.
Iα ·у = 
кд;
ЕР = 
= 
Вт/м2
Уровень облученности ниже требуемой, поэтому необходимо провести расчет для меньшей высоты подвеса облучателя.
|
|
|
Пример 5.
Рассчитать бактерицидную установку с лампами типа ДБ-30, лампы установлены в люминесцентном светильнике группы 1 имеющем КСС типа - Д. Расчетная высота hP = 1,5 м. Длина лампы со штырями = 0,910 м. Определить облученность против торца лампы (рис. 4.17).
Рисунок 4.17 Схема размещения облучателя.
Исходные данные для расчета установки с лампами ДБ – 30:
Р = 30 Вт; 
= 0,5;
λ = 254 нм (Ф = 6,6 Вт); 
= 0,5;
Фсв. = 140 лм; ρУФ= 0,4;
Фвит. = 0,04 эр; ρвид. = 0,8;
Фбк = 6,6 бк;
Т = 5 тыс. ч.
Решение: 1. Определим относительные координаты:
; 
2. Используя кривые изолюкс, найдем относительную освещенность для данного типа светильника:
= 68 лк.
3. Произведем пересчет в относительную бактерицидную облученность:
бк/м2
4. Бактерицидная облученность непосредственно под светильником:
р=0; p¢ =0; 
; 
= 130 лк; 
= 0,64 бк/м2.
5. Облученность против торца лампы:
бк/м2;
kЗ = 2 (для бактерицидных ламп); к концу срока службы:
бк/м2
6.Облученность под светильником:
- для новых ламп, 
бк/м2;
- к концу срока службы, 
бк/м2
4.4.1 Основные положения по расчету установок УФ - облучения.
По данным [2] одна тысяча свиней, в сутки, выделяет 2-4 кг смеси углекислого газа, аммиака, сероводорода; 4-5 кг пыли, в которой находится до 4 млрд. микробных тел.
Комплекс на 108 тыс. голов выбрасывает в атмосферу в 1 час: 1,5 млрд. микробных тел; 159 кг аммиака, 145 кг сероводорода; 26 кг пыли от кормов.
Комплекс КРС на 10 тыс. голов выбрасывает в сутки: более 2 т органики.
Птицефабрики на 720 тыс. голов - 175 млрд. микробов в час. Все это распространяется в радиусе 2,5 ¸ 5 км и является серьезной экологической опасностью. В связи, с чем необходимо производить обеззараживание воздуха, воды и пр.
Процесс отмирания бактерий подчиняется экспоненциальному закону (так же как и при действии ядов):
В = В0 · 
,
где В - остаточная плотность бактерий после действия бактерицидной облученности Ебв течение времени τ (Ебτ );
Нб - сопротивляемость бактерий (табл. 33 [2]);
В0 - исходная плотность бактерий.
Из предыдущей формулы можно найти бактерицидную облученность:
|
|
|
Еб = - КЗ · Нбτ-1 ·ln · 
Значение В задается:
Для воды, в исходном состоянии, В0 = 1000 шт./л (не более). После обработки (ГОСТ), В = 3 шт./л.
Для обеззараживания воздуха и поверхностей отношение В/В0 принимают: 1/100…1/1000, для операционных помещений - 1/100000.
Бактерицидный поток пронизывает воздух и воду, тоже по экспоненциальному закону (закон Ламберта - Бугера - Бера - Вавилова):
Еh = 
,
где Е0 и Еh - облученность на поверхности среды и на глубине h;
α - показатель поглощения, см-1 (табл. 39 [2];
е -αh = τ0 - коэффициент пропускания бактерицидного потока.
Некоторые значения α для воды и воздуха приведены в таблице 4.8
Таблица 4.8. Значения коэффициента α
| Среда | α, см-1 |
| Вода - родник, колодец с хорошей фильтрацией Артезианские колодцы, глубокие горизонты Поверхностный источник | 0,15 0,10 0,20 ¸ 0,30 |
| Воздух - нормальная среда (кабинет врача) Запыленная среда (птичник) | (0,5 ¸ 0,7)·10-3 (2 ¸ 5) ·10-3 |
Для жидкости при хорошем перемешивании принимается среднее значение из Еh и 
:
Еср = 
,
где αб - коэффициент поглощения бактерицидного потока. Согласно методу коэффициента использования потока излучения:
Е0 = 
,
где N - количество ламп;
Фб - бактерицидный поток;
- скорректированный коэффициент использования (для наружных источников - 0,9);
S - расчетная поверхность облучения.
Из выше приведенных формул, с учетом того, что S·h /τ = Q, получим (для обеззараживания воды и воздуха):
N = 
Для дезинфекции поверхностей:
Nτ = 
;
Пример 6.
Рассчитать установку УФ обеззараживания воды для фермы КРС на 400 голов.
Решение:
1. Определим расход воды:
QP = 
л/с,
где g - 100 л, суточная норма на 1 дойную корову;
n - количество животных;
КСУТ. = 1,3, коэффициент суточной неравномерности;
КЧ = 2,5 коэффициент часовой неравномерности;
τ - число часов в сутках.
2. Принимаем к установке лампы ДБ-30, установленной в кварцевой трубе
Рл = 30 Вт
Фб = 6,6 бк
dл = 30 мм
lл = 0,9 м
dнар = 40 мм (диаметр кварцевой трубки)
lраб = 0,7 м
скорость движения воды, V = 0,3 м/с
Рисунок 4.18 Схема установки
1. - ДБ - 30
2. - кварцевая труба
3. - корпус облучателя
3. Определим живое сечение:
ω = QP /V= 1,5 / 3 = 0,5 дм2;
QP = 1,5 л/с = 1,5дм3/с;
V = 0,3 м/с = 3 дм/с
4. Находим внутренний диаметр установки (трубы)
D = 
дм
Принимаем диаметр, D =0,8 дм (8,0 см)
Определим толщину потока воды:
h = D - dнар = 8 - 4 = 4 см,
тогда
αб = 1- е-α·h= 1- е-0,25·4 = 0,63;
α - 0,25 (для открытого источника)
5. Принимаем: КЗ = 1,8; Нб = 2,4 мб·с /см2; В0 = 1000; В = 3; = 0,9.
6. Находим необходимое количество ламп:
N = 
(размеры в см; Фб = 6,6 бк = 6600 мбк, QP = 1500 см3/с)
|
|
|
Округляем до целых, N = 3 шт.
7. Определяем мощность установки с учетом ПРА:
Руст = 1,2 · N ·Pл = 1,2 ·3 · 30 = 108 Вт.
1,2 - потери мощности в балласте;
8. Найдем затраты электроэнергии на обработку 1 м3 воды;
кВт·ч/ м3
Пример 7.
Определить время облучения телят в возрасте до 6 месяцев, находящихся в помещении с размерами (60 ´ 20) м. Светильники типа ПВЛМ, с лампами ЛБР -40 и ЛЭР - 40, в количестве 72 шт. Установлены на высоте 3 м.
Расстояние от светильников до облучаемой поверхности 2,2 м.
Решение:
1. Определяем индекс установки:
i = 
2. Коэффициент использования потока излучения ОУ, при отсутствии отражающих поверхностей, ηоу = 0,58 (табл. 30 [2], КЗ = 1,8 (табл. 36 [2]).
3. Средняя облученность:
Е = 
[характеристики лампы типа ЛЭР - 40 (табл. 37 [2]): Р = 40 Вт; диапазон активного излучения 280-400 нм; Ф = 130 лм; Фвит. = 1,6 вит (ЭР); Фбк = 0,15 бк; τ = 3000 ч.]
4. Норма облучения Н = 130 
(табл. 33 [2]), тогда время облучения в сутки определиться отношением, τс= Н/Е:
- для новых ламп,
τн = Н/Е·к = 130 / 30,9·1,8 = 2,34 ч;
- для ламп к концу срока службы, τс =Н/Е= 130 / 30,9 = 4,2 ч.
Пример 8.
Кроме рассмотренных выше источников УФ излучения типа ЛЭР, используются более мощные лампы типа ДРТ (особенно в лечебных целях).
Рассчитаем облучательную установку в помещении для лечения телят (типа ОРК).
Лампа типа ДРТ – 400: Р = 400 Вт; диапазон активного излучения 240¸ 450 нм; Мощность потока в этом диапазоне Р = 37¸ 39 Вт; Ф = 8000 лм; Фвит. = 4,75 вит.; Фбк = 10,5 бк.
При использовании таких ламп могут потребоваться концентрированные дозы облучения, поэтому расчет проводится точечным методом.
Решение:
1. Определяется высота подвеса лампы:
h = 0,5 
,
- ширина зоны облучения, м;
α - угол, к удаленной точке облучаемой поверхности.
Принимаем коэффициент неравномерности Z = 1,2, тогда 
= 1,25 (рис. 120 [2])
Высота подвеса облучателя над объектом:
h0 = 0,5 ·2,0 · 1,25 = 1,25 м;
(ширина зоны облучения принята равной 2,0 м).
Высота подвеса облучателя над полом:
hп = 1,25 +1,0 = 2,25 м
(теленок ростом 1м, учитывая изменение роста животных, следует предусмотреть возможность регулирования высоты подвеса облучателя)
2. Найдем облученность под установкой:
Е = 
эр/м2
(Iэр = 1,15 эр/ср; рис. 121 [2]). при α = 0
3. Время облучения (при Н =130 , см. пр.7):
- для новой лампы,
τн = Н/Е = 130/614 = 0,21 ч.;
- к концу срока службы,
τс = τн·КЗ = 0,21·1,8 = 0,38 ч.
Пример 9.
Провести расчет подвижной облучательной установки типа УО - 4 м, для площадок КРС (30´6) м, ширину облучательного ряда принимаем, b´ = 2,5 м.
Решение:
1. Определяем высоту подвеса облучателей над животными (Z = 1,5):
h = 0,5·b´· = 0,5 · 2,5 · 1,2 = 1,5 м
2. Находим длину хода облучателей (принимаем в 1 ряду два облучателя; с целью создания одинакового уровня облученности по краям рядов длину хода увеличиваем на 1 м):
L = α/ 2 +1,0 = 30/2 +1 = 16 м
3. Для определения облученности, по табл. 40 [2] и рис. 121 [2] найдем необходимые значения. Так как облучаемая поверхность - цилиндр, то S = 0,64 · sinαн;
Iα0 = 0,98 вит./ср; αн = αrctg(
=αrctg(
= 57°;
Скорость движения облучателя:
v = L / τ1,
(τ1 - время одного прохода); sinαн = 0,84.
4. Определим среднюю облученность за один проход УФ установки:
Еср = 
5. Нормируемая доза облучения 280 (табл. 33 [2]), тогда время облучения τн = 280 / 43,9= 6,4 ч.
С учетом старения лампы время облучения будет увеличиваться. Для уменьшения времени облучения следует уменьшить ширину ряда и высоту подвеса облучателя, либо удвоить число проходов установки.
Лабораторные занятия
Лабораторные работы выполняются на стендах типового лабораторного оборудования «Светотехника» СТ1-С-К и ЭИСС1 – С – Р, укомплектованных необходимым оборудованием и измерительными приборами.
В комплект стенда СТ1 – С – К входит ноутбук Acer Aspire One D 250 и компакт – диск с программным обеспечением.
Данный комплект позволяет исследовать работу источников излучения и экспериментально определить основные характеристики светильников и облучателей.
Перечень лабораторных работ:
Лабораторная работа № 1. Исследование работы ламп накаливания.
Лабораторная работа № 2. Исследование электрических и световых характеристик люминесцентных ламп.
Лабораторная работа № 3. Исследование работы дуговой ртутной люминесцентной лампы.
Лабораторная работа № 4. Исследование источников ультрафиолетового излучения.
Лабораторная работа № 5. Исследование двухламповой схемы включения люминесцентных ламп.
Лабораторная работа № 6. Экспериментальное определение основных характеристик светильников и облучателей.
Лабораторная работа № 7. Определение освещенности помещения опытным и расчетным путем.
Лабораторная работа № 8. Изучение автоматической аппаратуры управления освещением.
Лабораторная работа № 9. Обследование условий освещения рабочих мест.
Лабораторная работа № 10. Измерение освещенности, определение координат цветности и цветовой температуры, построение диаграмм цветности и относительного спектрального распределения плотности, для различных источников.
Лабораторная работа № 11. Исследование электрических и световых характеристик компактных люминесцентных ламп.
Лабораторная работа № 12. Исследование электрических и световых характеристик светодиодных ламп.
Лабораторная работа № 13. Экспериментальное определение характеристик светодиодного светильника.
Лабораторная работа № 14. Оценка энергоэффективности источников света.
Лабораторная работа № 15. Технические средства энергосбережения в системах электрического освещения.
При выполнении лабораторных работ используются:
- методические указания к лабораторным работам по электрическому освещению и облучению. / Бабко А.Н., Кравченко А.А. – Астана, КАТУ им. С.Сейфуллина.
- техническая документация к лабораторному оборудованию «Светотехника» СТ1-С-К.
|
|
|
