Инфракрасное отопление производственных помещений Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Болотских Н. Н., канд. техн. наук, доц. Харьковский национальный университет строительства и архитектуры

ИНФРАКРАСНОЕ ОТОПЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

bolotskikh@kstuca.kharkov.ua

Описаны типы, модели и конструкции современных инфракрасных нагревателей, используемых для отопления производственных помещений, приведена их классификация, даны рекомендации по расчету и дальнейшему расширению области применения эффективных инфракрасных систем обогрева.

Ключевые слова: инфракрасные нагреватели, излучающая труба, газовая горелка, интенсивность облучения.

В условиях постоянного роста цен на энергоресурсы, а также возрастающего их дефицита проблема эффективного отопления производственных помещений становится все более актуальной. Особенно она ощутима при отоплении таких помещений как цеха крупных производственных предприятий, складские помещения, логистические терминалы, ангары и многие другие. Эти помещения обычно имеют большие внутренние площади и высокие потолки. Кроме того, многие из них имеют недостаточную либо плохую теплоизоляцию. Отапливать эти помещения с помощью традиционных централизованных водяных либо воздушных систем дорого и малоэффективно. Многолетний мировой опыт убедительно доказал то, что для отопления таких помещений в настоящее время безальтернативными являются инфракрасные системы. С целью расширения области эффективного использования этих систем отопления на отечественных предприятиях в настоящей статье приводятся некоторые результаты их исследований и рекомендации по дальнейшему применению.

Многими ведущими мировыми компаниями и фирмами для отопления производственных помещений выпускается значительное количество различных типов, конструкций и моделей энергоэффективных инфракрасных нагревателей. Ниже в сжатой форме будет показано все это многообразие представленных на рынке СНГ таких нагревателей. Прежде всего проведенный глубокий анализ всех выпускаемых в настоящее время инфракрасных нагревателей позволил автору статьи составить их классификацию в виде, представленном на рис. 1. Как видно из рассмотрения этого рисунка инфракрасные нагреватели по типу энергоносителя делятся на электрические, газовые и пароводяные. Для отопления производственных помещений наибольшее распространение на практике получили газовые инфракрасные нагреватели. Эти нагреватели бывают двух типов: открытой и закрытой конструкции. Нагреватели

открытой конструкции обычно называют «светлыми», а закрытой - «темными». Инфракрасные газовые нагреватели открытой конструкции работают на принципе беспламенного сгорания газовоздушной смеси на поверхности пористой керамики при температурах от 600 до 1000°С и более. Нагретая таким образом керамическая плитка с помощью электромагнитных волн инфракрасного диапазона отдает тепло в зону обогрева.

Цифр л кр ясные нагр ева тели

и _

образ-

ные

А

К Й 3 к s

я X Си и а и « и я о* ю

«

s а

s fct щ"

и и

Рисунок 1. Классификация инфракрасных нагревателей

Нагреватели открытой конструкции выпускаются рядом ведущих мировых компаний и фирм: SOLARONICS (Франция),

CARLIEUKLIMA и FRACCARO (Италия), DETROIT RADIANT PRODUCTS (США), PAKOLE (Венгрия) и др. На рис. 2, для примера, показаны устройство и схема работы открытого газового инфракрасного нагревателя серии

БиСЕКАМГС industry HE, выпускаемого компанией CARLIEUKLIMA [1]

Рисунок 2. Устройство и схема работы открытого газового инфракрасного нагревателя серии

БиСЕКАМГС industry HE У этих нагревателей в качестве излучающих элементов используются альвеолярные керамические пластины. Благодаря высокой температуре нагрева и специальной структуре керамических пластин обеспечивается полное сгорание газовой смеси. Такой принцип работы обеспечивает выделение большого количества тепла и соблюдение строгих норм экологической безопасности.

Упомянутыми выше компаниями и фирмами освоен выпуск достаточно широкого модельного ряда открытых инфракрасных нагревателей. Эти нагреватели имеют некоторые конструктивные и другие отличия, вызванные спецификой помещений, для отопления которых

они созданы. Номинальная тепловая мощность нагревателей открытых конструкций лежит в пределах от 1 до 54, 2 кВт, а вес от 0,9 до 43 кг.

У инфракрасных газовых нагревателей закрытой конструкции горение газа происходит в горелке и частично в излучающей трубе. Средняя температура поверхностей излучающих труб в различных типах и моделях закрытых трубчатых инфракрасных нагревателей находится в пределах от 500 до 100°С. Эти нагреватели делятся на три группы: модульные короткие с длиной излучающей трубы от 6 до 25 м, блочные мультигорелочные и ленточные одногоре-лочные с длиной излучающих труб до 350 м.

Модульные короткие нагреватели [2] бывают одно- и двухгорелочными. Одногорелоч-ные нагреватели выпускаются в двух исполнениях: линейном и U-образном. При этом U-образные нагреватели оснащаются одним общим либо двумя отдельными рефлекторами. Двухгорелочные модульные короткие нагреватели имеют линейное либо U -образное конструктивное исполнение. Модульные инфракрасные короткие нагреватели используются как для отопления помещений в целом, так и для локального (зонального) обогрева. Такие нагреватели выпускаются рядом компаний и фирм: ROBERTS GORDON и DETROIT RADIANT PRODUCTS (США), CARLIEUKLIMA и FRACCARO (Италия), СОСАБ (Германия), АDRIАN (Словакия), PAKOLE (Венгрия) и др. На рис. 3, для примера, приведены общие виды линейных и U-образных модульных одногоре-лочных инфракрасных нагревателей, выпускаемых фирмой СОСАБ.

б

Рисунок 3. Общие виды модульных закрытых одногорелочных инфракрасных нагревателей: а - линейный; б - ^образный; 1 - блок газовой горелки с вентилятором и приборами регулирования и безопасности; 2 - излучающая труба; 3 - рефлектор

Модульные закрытые инфракрасные нагреватели, выпускаемые различными компаниями и фирмами, имеют отличия друг от друга как по конструкции, так и по их параметрам. В частности, линейные и И-образные нагреватели имеют различные мощности, находящиеся в пределах от 12 до 69 кВт.

Для отопления производственных помещений особенно больших размеров в последние годы получают все более широкое применение блочные мультигорелочные инфракрасные нагреватели [3]. Они состоят из стандартных модулей теплоизлучающих труб с рефлекторами и горелками, из которых собирается любая конфигурация инфракрасного нагревателя требуе-

мой мощности. Такие нагреватели снабжаются централизованным отводом продуктов сгорания газа, при котором их удаление осуществляется одним вентилятором (дымососом). Блочные мультигорелочные нагреватели бывают трех модификаций: с последовательным, параллельным и последовательно-параллельным (комбинированным) расположением газовых горелок. Выпуск таких нагревателей освоили зарубежные фирмы и компании: SOLARONICS (Франция), ROBERTS GORDON и DETROIT RADIANT PRODUCTS (США), PAKOLE (Венгрия), FRACCARO (Италия) и др. На рис. 4, для примера, представлена схема блочного мультигоре-лочного инфракрасного нагревателя с последовательно-параллельным (комбинированным) расположением газовых горелок и непрерывными теплоизлучающими трубами серии ТRIАТНЕRМ, выпускаемого фирмой SOLARONICS.

Рисунок 4. Схема блочного мультигорелочного инфракрасного нагревателя серии ТШАТНЕКМ: 1 - газовая горелка; 2 - излучающая труба с рефлектором; 3 - дымосос; 4 - трубопроводы для подвода газа к горелкам.

Этот нагреватель представляет собой совокупность параллельно и последовательно смонтированных горелок мощностью 20, 30 или 40 кВт на излучающих трубопроводах диаметром 114 мм. Максимальное количество горелок в одной ветви в зависимости от их мощности находится в пределах от 2 до 5 шт. Такие нагреватели предназначены для отопления производственных помещений площадью более 800 м2 и с большой внутренней высотой (4^12 м).

Особую группу представляют ленточные закрытые одногорелочные инфракрасные нагреватели с излучающим контуром длиной до 350 м. Они предназначены для отопления протяженных, больших по объему и сложной конфигурации помещений, в том числе и с плохой теплоизоляцией. Ленточные инфракрасные газовые нагреватели выпускаются рядом фирм, например, тремя итальянскими: CARLIEUKLIMA, FRACCARO и SYSTEMA. Основными элемен-

тами конструкций таких нагревателей являются: горелочные блоки, теплоизлучающие трубчатые ленты и системы автоматического регулирования мощности и управления. Горелочный блок вместе с системой управления и контроля, вентилятором и дымоходом располагаются за пределами обогреваемого помещения. Теплоизлу-чающая лента, находящаяся внутри помещения, представляет собой замкнутый контур, состоящий из каркаса с теплоизлучающими трубами диаметром 200 или 300 мм, изолированными сверху и по бокам с помощью высокоплотной стекловаты и оснащенными отражающими поверхностями. Принцип действия таких нагревателей заключается в следующем. В горелочном блоке происходит сгорание топлива. Продукты сгорания принудительно с помощью центробежного вентилятора непрерывно циркулируют с большой скоростью внутри герметичной трубы теплоизлучающей ленты. При этом в трубе постоянно поддерживается отрицательное давление. Возвращаясь по трубе в горелочный блок часть дымовых газов снова поступает в камеру сгорания, изготовленную из нержавеющей стали, подогревается и смешивается с новыми продуктами сгорания. Другая их часть, соответствующая объему поступивших для горения воздуха и топлива, отводится через специальный коллектор и дымоход наружу. Продукты сгорания, циркулируя внутри теплоизлучающих труб, нагревают их до температуры от 100 до 300°С. Нагретые таким образом теплоизлучающие ленты с помощью инфракрасного излучения отдают тепло в рабочую зону отапливаемого помещения.

Упомянутые выше типы, модели и конструкции всех инфракрасных нагревателей в подавляющем большинстве своем являются достаточно совершенными. В сравнении с традиционными централизованными системами водяного и воздушного отопления они имеют ряд весьма важных преимуществ [4], которые способствуют их широкому применению для отопления производственных помещений во многих странах мира.

При использовании таких нагревателей для целей отопления производственных помещений в Украине, да и в других странах СНГ, целесообразно соблюдать не только рекомендации фирм-изготовителей, но и все требования действующих национальных нормативных документов, касающихся применения инфракрасных газовых систем отопления. В Украине особенно важно соблюдать требования ГОСТа 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» [5]. Этим ГОСТом в качестве показателей, характеризующих микро-

климат в производственных помещениях, утверждены следующие: температура воздуха, относительная влажность воздуха, скорость движения воздуха и интенсивность теплового облучения. В ГОСТе 12.1.005-88 указаны оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений в зависимости от пяти категорий выполняемых работ (легкая - 1а и 1б, средней тяжести - 11а и II6 и тяжелая - III), а также двух периодов года (холодный и теплый). Кроме того, в ст. 1.8 этого ГОСТа приведены соответствующие допустимые значения интенсивности теплового облучения работающих в зависимости от величины облучаемой поверхности их тела (не более 25%, от 25 до 50%, 50% и более). В связи с этим при проектировании систем газового инфракрасного отопления необходимо производить проверку выполнения упомянутых выше санитарно-гигиенических требований. При этом следует иметь в виду то, что при инфракрасном отоплении находящиеся в отапливаемом помещении люди оценивают температуру в этом пространстве (температуру ощущения) всегда выше температуры воздуха.

Немецкая фирма «Шванк» (г. Кельн) для определения температуры ощущения в зоне действия инфракрасных нагревателей рекомендует использовать следующую эмпирическую зависимость [6]

1эф = tB + 0,0716q, (1)

где 1зф - эффективная температура (температура ощущения), °С;

^ - фактическая температура воздуха, °С; 0,0716 - эмпирический переводной коэффициент, °См2/Вт;

q - интенсивность облучения (удельная облученность), Вт/м2.

В виду того, что интенсивность облучения (q) в различных точках рабочей зоны отапливаемого помещения неодинакова целесообразно при расчетах эффективной температуры принимать ее максимальные значения. В случаях использования для целей отопления нескольких инфракрасных нагревателей следует принимать величину максимальной суммарной интенсивности облучения в рабочей зоне (q™M). С учетом этого зависимость (1) принимает вид

„max

Ц = tв + 0,0716- ^сум. (2)

Для выполнения требований ГОСТа 12.1.005-88 необходимо соблюдение двух условий [6]

max .

q <

J сум

[q],

(4)

ц = [t opt]

где [ t в ] - рекомендуемые ГОСТом оптимальные значения температуры воздуха в рабочей зоне помещения, °C;

[q] - допустимое значение интенсивности облучения в рабочей зоне, Вт/м2.

Формулу для определения значений расчетной температуры воздуха (в) в рабочей зоне отапливаемого помещения, отвечающих условиям (3) и (4), получаем путем несложных преобразований. Подставляя (2) в (3), получаем „max +opt

te + 0,0716- 4сум. = [tв ], (5)

а из уравнения (5) получаем

.fopt „max

= [tв ] - 0,0716 дСуМ. (6)

При выборе расчетных значений максимальной суммарной интенсивности облучения следует иметь ввиду то, что при заданной конкретной высоте подвески нагревателей большим

значениям ^сум1 соответствуют и большие величины температуры излучающих поверхностей. При этом чем выше эти температуры, тем будет больше лучистая составляющая передачи энергии, а следовательно будет выше их эффективность. В связи с этим на начальном этапе расчета системы инфракрасного отопления целесообразно принимать наибольшие возможные значения максимальной суммарной интенсивно-

[q].

сти облучения в рабочей зоне, т.е. ^сум.

В этом случае формула для определения расчет ной температуры воздуха в рабочей зоне отап ливаемого помещения принимает вид

ъ = [*в ] - 0,0716 \_д\. (7)

Вычисленную по формуле (7) величину температуры воздуха в рабочей зоне и следует принимать для дальнейших расчетов теплопо-терь в отапливаемом помещении и, соответственно, для определения тепловой нагрузки.

При расчетах и эксплуатации систем отопления на базе газовых инфракрасных нагревателей необходимо также строго контролировать интенсивность облучения в рабочей зоне, чтобы

всегда соблюдалось условие ^суМ. — . Величина максимальной суммарной интенсивности облучения в любой точке рабочей зоны может быть определена расчетным путем либо путем замеров непосредственно на объекте отопления. При отоплении помещений открытыми инфракрасными нагревателями расчет интенсивности облучения головы человека, находящегося в рабочей зоне отапливаемого помещения, может

opt

[q ].

(3)

и

выполняться с использованием методики, разработанной Уральским государственным техническим университетом [7]. Интенсивность облучения головы человека подсчитывается по формуле

Я

1,8Лх2 К

Я4

+ 273 100

- 92

(8)

где Дх - продольное расстояние от головы человека до середины излучающей поверхности нагревателя,м;

К - площадь поверхности излучения открытого нагревателя, м ;

- температура излучающей поверхности нагревателя, °С;

Я - расстояние между цэпрами излучающей по-всрхнэсти и головы человека, м.

При наличии в системе отопления нескольких открытых инфракрасных нагревателей интенсивность облучения головы человека, находящегося в рабочей зоне, расчитывается по формуле (8) отдельно от каждого нагревателя, а затем с использованием метода суперпозиции эти полученные значения суммируются. Именно это максимальное суммарное значение интенсивности облучения и не должно превышать допустимое ГОСТом 12.1.005-88. В качестве примера, с использованием этой методики для трех открытых инфракрасных нагревателей серии ГИИ-26123 (ОАО «Сибшванк», Россия) мощностью 30 кВт, подвешенных на высоте 9 м, построены графики и эпюра распределения интенсивности облучения в рабочей зоне на расстоянии 1,5 м от пола (рис.5).

0 5 10 15 20

Рисунок 5. Эпюра суммарной интенсивности облучения в рабочей зоне: 1,2 и 3 - номера нагревателей и графики распределения интенсивности облучения от них

ПШЛ

Полученное таким образом значение qсум

должно быть всегда меньшим или равным допустимому ГОСТом [5] значению. При отоплении помещений с помощью закрытых модульных и блочных мультигорелочных нагревателей расчет интенсивности облучения головы человека в рабочей зоне может быть выполнен с использо-

7ДХ') + 273

ванием методики, разработанной Харьковским национальным университетом строительства и архитектуры (ХНУСА) [6]. Согласно этой методики распределение интенсивности облучения в рабочей зоне характеризуется интегралом, записанным в виде

1,8 • • Ь

я-I-

100

- 92

где Х' =

Ь

[к2 +АУ + (АХ - ЬХ ')2

- относительная текущая координа-

• к(к ■ cos а + АУ • sin а) ■ йх'.

(9)

та; I - текущая координата вдоль оси нагревателя, м; Ь - длина излучающей трубы нагревателя, м; - ширина отражателя, м; Ь - высота подвески нагревателя, отсчитываемая от уровня головы человека, м; а - угол наклона нагревателя, град; ДХ - продольное расстояние от головы человека до точки подсоединения горелки к излучающей трубе нагревателя, м; ДУ - попереч-

ное отклонение головы человека от оси нагревателя, м.

Решение этого интеграла с использованием пакета программ численного интегрирования по методу Симпсона в системе МАТЬАВ 7 позволило ХНУСА разработать алгоритм и соответствующую компьютерную программу для расчета интенсивности облучения и нахождения ее максимального значения.

С использованием этой методики, в качестве примера, для одной ветви блочного муль-

4

I

тигорелочного инфракрасного нагревателя серии ТЫАТНЕКМ (рис. 4) построен график распределения интенсивности облучения головы человека в рабочей зоне отапливаемого помещения (рис. 6).

Рисунок. 6. Структурная схема одной ветви блочного мультигорелочного газового инфракрасного нагревателя серии TRIATHERM и график распределения интенсивности облучения головы человека, находящегося в рабочей

зоне вдоль оси теплоизлучающей трубы: а - структурная схема; б - график распределения интенсивности облучения;

1 - горелки; 2 - излучающие трубопроводы с отражателями; 3 - труба горения; 4 - подсоеди-

нитель горелки; 5 - дымосос Из представленного графика видно, что

max max

2 > q1 и это максимальное значение

max

Зг < [q]. ВЫВОДЫ

1. Для отопления производственных помещений с большими площадями и внутренней высотой, а также с плохой либо недостаточной теплоизоляцией, в настоящее время безальтернативными являются системы на базе энергоэффективных газовых инфракрасных нагревателей. Расширение области их дальнейшего применения будет способствовать ускорению решения проблемы энергосбережения и в первую очередь экономии газа.

2. Предложенная классификация (рис. 1) в полной мере отражает все многообразие и взаимосвязи инфракрасных нагревателей, выпускаемых в настоящее время ведущими мировыми фирмами и компаниями.

При использовании для целей отопления производственных помещений инфракрасных нагревателей, выпускаемых различными компаниями и фирмами мира, целесообразно выполнять не только требования и рекомендации их изготовителей, но и очень тщательно контролировать выполнение всех санитарно-гигиенических и других требований, содержащихся в действующих национальных нормативных документах, касающихся применения газовых инфракрасных систем отопления.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Газовые инфракрасные излучатели EUCERAMIC. Италия, CARLIEUKLIMA, www.energopolis.dp.ua, 2011. - c. 9.

2. Болотских Н.Н. Современные конструкции газовых трубчатых нагревателей для инфракрасного отопления помещений больших размеров/Н.Н. Болотских// Науковий вюник будiвництва: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2010. - вип. 61. - с. 291-300.

3. Болотских Н.Н. Мультигорелочные системы инфракрасного отопления с непрерывными теплоизлучающими трубами/Н. Н. Болотских //Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. -2010. - № 11. - с. 14-21.

4. Болотских Н.Н. Использование систем инфракрасного газового отопления помещений больших размеров - одно из направлений решения проблемы энергосбережения/ Н. Н. Болот-ских //Науковий вюник будiвництва: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2011. - вип. 63. - с. 506-516.

5. ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны». Система стандартов безопасности труда. - М.: Государственный стандарт СССР, 1988. -78 с.

6. Болотских Н.Н. Совершенствование методики расчета систем отопления газовыми трубчатыми инфракрасными нагревателями/ Н.Н. Болотских//Науковий вюник буд1вництва: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2009. - вип. 54. - с. 7691.

7. Шумилов Р.Н. Совершенствование методики расчета инфракрасного отопления/Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции//Р.Н.Шумилов, Ю.И. Толстова, А.А. Поммер: Сб.докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Москва: Изд-во МГСУ, 2005. -107-112 с.