CC BY
86
УДК 621.31
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ОБОГРЕВА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ
ЛУЧЕВОГО ДЕЙСТВИЯ
Г.С. Сухов1, JI.B. Карп2
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7
Аннотация - Проведено сопоставление месячных энергетических затрат на обогрев производственного помещения традиционной системой пароводяного и с помощью предлагаемой системы дифференцированного обогрева. На одном из примеров показано, что затраты при применении системы дифференцированного обогрева могут быть снижены в 2,7 раза.
Ключевые слова: дифференцированный обогрев; производственное помещение; отопление, конвективная теплоотдача; температура воздуха.
THE HEATING TECHNOLOGY BASES OF INDUSTRIAL PREMISES BY ELECTROHEATING DEVICES OF BEAM ACTION
G.S.Suhov, L.V.Karp
The St.-Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, streetKavalergardsky, 7
The summary - Comparison of monthly power expenses for heating of an industrial premise by traditional system steam-and-water and by means of offered system of the differentiated heating is spent. On one of examples it is shown that expenses at application of system of the differentiated heating can be lowered in 2,7 times.
Keywords: the differentiated heating; an industrial premise; heating, convective warmly return; air temperature.
Проблема энергосбережения, особенно в экономически развитых странах с мощным промышленным производством в настоящее время становится всё более актуальной. Одной из ветвей этой проблемы является задача экономного обогрева производственных предприятий в зимний отопительный период.
В развитых странах запада, технологии обогрева уделялось и уделяется серьёзное внимание, чего нельзя сказать о России. Здесь в основе обогрева жилого фонда и промышленных предприятий сохраняется введённая ещё в конце 30-х годов прошлого столетия т.н. теплофикационная система пароводяного отопления. Она основана на реализации тепловой энергии отработанного в турбинах ТЭЦ влажного водяного пара для обогре-
ва жилых и производственных помещений.
Традиционно считается, что теплофикация является удачным решением сразу двух проблем: охлаждения отработанного пара и обогрева жилого и производственного фонда.
В действительности - это далеко не так [1].
Доставка горячего пара к потребителям приводит к необходимости создания гигантской в масштабах страны, разветвлённой системы, для поддержания работоспособности которой необходимы: -размещение в сети систем мониторинга и контроля за распределением тепла (тепловые пункты, сетевые насосы, аппаратура и др.)
-организация и содержание технически оснащённых служб аварийного и
профилактического ремонта, проектирования и строительства новых трубопроводов и т.д.
Следует также иметь в виду, что в большинстве случаев укладка труб осуществляется безканально, что приводит к большим потерям при транспортировке тепловой энергии из-за утечек её в землю.
Этот далеко не полный перечень упомянутых факторов показывает, что практика использования т.н. «даровой» тепловой энергии отработанного турбинного пара в действительности обходится государству очень дорого. На практике, однако, реальная себестоимость парового отопления систематически занижается ввиду очевидной невозможности населения и предпринимателей оплачивать его в полном объёме.
Львиная доля оплаты ложится на плечи госбюджета. Подобная ситуация, вполне допустимая при социализме, в условиях рыночной экономики аномальна и не может длится неограниченно долго.
Это обстоятельство делает актуальными поиски и развитие альтернативных рациональных систем обогрева. В развитых странах Европы и Северной Америки (Германия, Франция, США, Канада) уже давно осуществлён переход на иные принципы отопления. В жилых помещениях - это электричество. В производственных помещениях диапазон способов отопления более широкий, например:
- газовый обогрев;
- бойлерный пароводяной обогрев;
- тепловентиляция;
- масляные электронагреватели и
др.
Каждый из этих методов наряду с преимуществами обладает и определён-
ными недостатками. Поэтому поиски более совершенной системы обогрева продолжаются.
В последнее время, особенно в Германии, Англии и Италии, проявляется усиленный интерес к применению для обогрева производственных помещений инфракрасных электронагревателей. Они обладают уникальными свойствами:
-мобильностью ориентации в пространстве;
-избирательностью обогрева; -быстротой регулирования мощности;
-отсутствием сжигания атмосферного кислорода.
В России данный принцип обогрева вполне может стать реальной альтернативой теплофикационному пароводяному отоплению. Наиболее привлекательной выглядит система, построенная на базе электронагревательных приборов лучевого действия, в теплоотдаче которых преобладает радиационная составляющая [2]. Такие приборы способны к передаче направленным излучением большого количества энергии. Это делает возможным реализацию дифференцированного обогрева производственного помещения - интенсивного в той его части, где сосредоточен персонал и производственный процесс - рабочие места (температура 18-20 °С) и минимально допустимого -в отдельной, неработающей части помещения (температура 5-7°С). Такой подход, принципиально отличающийся от рассеянного обогрева, свойственного радиаторам пароводяного отопления, даёт реальную возможность существенно сократить энергозатраты на обогрев помещения.
Очевидно, что практическая реализация этого по существу инновацион-
ного принципа обогрева помещений требует детальной разработки соответствующей расчётной технологии. Она достаточно сложна и включает в себя целый ряд взаимосвязанных задач, центральной среди которых является расчёт теплового режима объёма рабочего места (ОРМ). Стабильная повышенная температура в пределах ОРМ обеспечивается балансом поступления греющего направленного радиационного потока Qг от лучевого электронагревателя и потока теплоотдачи рабочего места Qт в окружающее его нерабочее пространство с пониженной температурой, т.е.
= 0г . (1)
Решение проблемы теплового баланса основано с одной стороны на использовании основных законов и дифференциального уравнения теории радиационного теплообмена, а с другой стороны - базируется на теории теплового подобия конвективной теплоотдачи.
В результате анализа составляющих уравнения (1) была получена система интегральных соотношений [2], которая при заданных конкретных условиях учитывает:
-габариты рабочего места; -параметры размещённого в нём оборудования;
-конструкцию и мощность электронагревателя;
-температурный режим ОРМ и нерабочей части помещения.
Полученная система позволяет определить мощность тепловых потерь рабочего места Qт и мощность обогревающего радиационного теплового потока, зависящего, в свою очередь, от дистанции обогрева Qг = У(И) (см. рис. 1)
Следует иметь в виду, что взаимная ориентация излучателя и ОРМ существенно влияет на эффективность обогре-
ва. Поэтому расчёты проводились в условиях «нормальной» взаимной ориентации греющего и нагреваемого объектов [2], обеспечивающей минимум потерь греющего лучевого потока.
О,
Вт
О ^06
Рисунок 1 - К вопросу определения дистанции обогрева
Для конкретного вычисления энергетических затрат на обогрев рабочих мест и всего производственного помещения в целом были определены следующие исходные данные:
-внутренние габариты производственного помещения (м) 25x20 х 10, объём ¥=5000 м3;
-наружный объём здания, определяемый согласно существующим СНиП
[3] ¥н=7100 м3;
-габариты рабочего места (м) 3х2х1.6, объём ¥р=9,6 м3;
-количество рабочих мест в помещении #=10;
-содержание рабочего места: токарно-винторезный станок ОН-1640, габариты (м) 2.46x1.01x1.22, масса 2120 кг, шкаф металлический, габариты (м) 1.5х0.4х0.8;
-карбоновый электронагреватель: тип ТОР-1, номинальная мощность 900 Вт, мощность излучения 690 Вт, мощ-
ность конвективной теплоотдачи 210 Вт
[4];
-температурный режим: рабочее место ?і=18°С, воздух в нерабочем пространстве ґ2=5°С.
В результате расчетов, основанных на перечисленных данных, получены следующие результаты.
Рисунок 2 - К вопросу распределения энергии в производственном помещении: 1 -
электронагреватели; 2 - ОРМ; 3 - экраны; 4 -поток лучистой энергии; 5 - конвективная теплоотдача энергии; 6 - нерабочее пространство производственного помещения
Для поддержания в пределах одного ОРМ на уровне 18°С мощность греющего потока излучения должна составлять Qг=429 Вт. Она обеспечивается двумя электронагревателями ТОР - 1, работающими в режиме симметричного обогрева на мощности 900 Вт, с дистанции h =1,7 м. Таким образом, для обогрева 10 рабочих мест затрачивается мощность 18 кВт. Вся эта мощность явно большая, чем необходимо для поддержания установленной температуры обору-
дования во всех 10 рабочих местах (а это 4,3 кВт) не пропадает бесследно, а затрачивается, в конечном счёте, для обогрева воздуха в нерабочем пространстве помещения до температуры на уровне ^2=5°С (рис. 2).
Чтобы обосновать достаточность этой мощности (18 кВт) проведем анализ известного в строительной теплотехнике уравнения теплопотребления. Адаптированное для решения данного вопроса, оно принимает вид:
q=Vнqo(t2 - 4р.0)/3600, (кВт), (2)
где: q - мощность необходимая для нагрева воздуха внутри производственного помещения до температуры ^2; 7ср.0- усреднённая наружная температура отопительного периода, для Санкт-Петербурга и области 7ср.0=-2,2 °С; q0 - удельная отопительная характеристика здания при зао
данном ¥н; q =1,44 кДж/(м час°С).
Из уравнения (2) следует, что для поддержания температуры воздуха на уровне ^2=5°С требуется мощность
q=20,45 кВт.
Дефицит мощности Дq=2,45 кВт восполняется подключением из группы поддержки масляного низкотемпературного электронагревателя. Основная задача этой группы состоит в самостоятельном обеспечении температуры воздуха на уровне ^2=5°С в часы отсутствия рабочего процесса в рабочие дни, а также круглосуточно - в выходные.
Исходя из сказанного, нетрудно составить регламент работы системы дифференцированного электрообогрева на один из месяцев отопительного периода, например ноябрь и определить месячные затраты энергии.
Ноябрь 2010г. включает 30 дней, из которых 21 день - рабочие (работа в одну 8 часовую смену) и выходные - 9
дней. Основываясь на этой информации можно вычислить месячный расход энергии на электрообогрев производственного помещения.
В соответствии с существующим стандартом при обогреве производственного помещения системой объёмного обогрева воздуха (например - пароводяного отопления) температура воздуха должна удерживаться на минимальном уровне ^=18°С круглосуточно.
Соответствующие вычисления, результаты которых представлены в таблице, приводят к следующим выводам:
Месячные энергозатраты на обогрев производственного помещения системой пароводяного отопления в 2,7 раза превосходят аналогичные затраты системы дифференцированного электрообогрева. При этом месячная себестоимость традиционного обогрева помещения в рублях в сравнении с электрообогревом обходится в 1,5 раза дороже.
Эти факты подтверждают достаточно высокую экономичность и перспективность метода дифференцированного электрообогрева и целесообразность его внедрения в эксплуатацию.
Затраты на обогрев за тот же месяц определяются уравнением теплопо-требления. В данном случае оно принимает вид:
Q = Vнqo(t2 - 4р.0>п^ 10-6 (ГДж) (3) где: Q - энергетические затраты на отопление; ^=18°С - температура воздуха в помещении; п=30 дней - период отопления.
Из уравнения (3) следует Q=148,7
ГДж.
Литература
1. Лепеш Г.В., Сухов Г.С.. К проблеме электрообогрева помещений коммунального и промышленного назначения/Технико-технологические проблемы сервиса. №1(3) 2008 г. стр. 57 - 62
2. Сухов Г.С., Лепеш Г.В., Карп Л.В. Теоретиче-
ские основы технологии дифференцированного электрообогрева помещений. Постановка задачи и математическая модель. Технико-
технологические проблемы сервиса. №1(11) 2010 г. стр. 29 - 36
3. Лепеш Г.В., Сухов Г.С., Карп Л.В., Шмелёв
М.Ю. Разработка экспериментально -
методического обеспечения для исследования физических характеристик радиационных электронагревателей. Технико-технологические проблемы сервиса. №1(1) 2007 г. стр. 22 - 33
Таблица 1 - Результаты расчета
Системы обогрева помещений Официальные тарифы на теплоносители в СПб на 2010г. Адаптированные тарифы (Руб/Дж) Месячный расход энергии на обогрев помещения (ГДж) Месячная стоимость обогрева помещения (Руб)
Пароводяное отопление 1096,7 Руб/ГКал 0,26-10-6 148,7 38662
Диффиринциальный электрообогрев 1700,5 Руб/МВтчас 0,46-10-6 54,9 25756
1 Сухов Герман Саулович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Сервис торгового оборудования и бытовой техники» СПбГУСЭ. тел.: (812)3684289.
Карп Лев Владимирович, аспирант кафедры «Сервис торгового оборудования и бытовой техники» СПбГУСЭ. тел.: (812) 3684289
