Разработка системы отопления технических помещений инфракрасными обогревателями ИТФ «Элмаш-микро»

Содержание Аннотация

Synopsis

1. Технические помещения и задача их обогрева в холодное время года

1.1 Требования к техническим помещениям

1.2 Предпосылки применения лучистого отопления

1.3 Законы и особенности лучистого теплообмена

2. Инфракрасные нагреватели. Типы, параметры, условия эксплуатации

2.1 Газовые инфракрасные излучатели

2.2 Электрические инфракрасные нагреватели

3. Экспериментальное исследование температурных полей инфракрасного нагревателя ИТФ «Элмаш-микро»

3.1 Технические характеристики инфракрасного нагревателя ИТФ «Элмаш-микро»

4. Расчет инфракрасного оборудования для обогрева технических помещений

4.1 Потери теплоты через ограждающие конструкции помещений

4.2 Расчет тепловых потерь ангара 22Ч44Ч10 м

4.3 Проектирование систем отопления с обогревателями ИТФ «Элмаш-микро»

4.3.1 Оптимизация расположения обогревателей

4.3.2 Размещение обогревателей в ангаре

4.4 Система контроля температуры в ангаре

4.4.1 Назначение двухканального регулятора 2ТРМ1

4.4.2 Устройство и работа прибора

5. Организационно-экономический раздел

5.1 Расчет текущих годовых затрат у потребителя

5.1.1 Затраты на электроэнергию технологическую

5.1.2 Заработная плата с начислениями основных производственных рабочих

5.1.3 Затраты на ремонт оборудования

5.2 Расчет сопутствующих капитальных затрат

5.2.1 Транспортировка оборудования

5.2.2 Монтаж оборудования

5.2.3 Производственные здания и сооружения

5.3 Бизнес план

5.3.1 Резюме

5.3.2 Краткое описание продукта

5.3.3 Цель проекта

5.3.4 Партнеры по бизнесу

5.4 Описание рынка

5.4.1 Основные характеристики рынка

5.4.2 Сегментация рынка

5.4.3 Потенциальная сумма продаж и прогноз объемов продаж

5.4.4 Конкуренция

5.5 Существо проекта

5.5.1 Описание товара

5.6 Производственный план

5.6.1 Характеристика технологического процесса

5.6.2 Необходимое оборудование

5.7 Стратегия маркетинга

5.8 Организационный план

5.8.1 Форма собственности

5.8.2 Отношения с местной администрацией

5.9 Риск проекта

6. Безопасность электропечи

6.1 Анализ объекта на действие опасных и вредных производственных факторов

6.1.1 Активные опасные и вредные факторы

6.1.2 Пассивно-активные опасные и вредные факторы

6.1.3 Пассивные опасные и вредные факторы

6.2 Обеспечение электробезопасности при обслуживании электроустановок

6.2.1 Проектирование и расчет схемы заземления

6.3 Эксплуатация проектируемого объекта в условиях чрезвычайной ситуации

7. Экологическое обоснование применения инфракрасных нагревателей ИТФ «Элмаш-микро» для обогрева технических помещений Заключение Список использованной литературы

Аннотация

Пояснительная записка содержит 131 листов, 41 рисунков, 15 таблиц, 27 источников

Инфракрасный нагреватель, обогрев помещений, свободная конвекция, теплообмен излучением, температура, лучистая энергия, экономический эффект, экологическая безопасность.

Целью проекта является разработка системы отопления технических помещений инфракрасными обогревателями ИТФ «Элмаш-микро» .

Применение в технологических процессах систем и установок инфракрасного нагрева для отопления и обогрева позволяет создать благоприятные параметры микроклимата с меньшими тепловыми потерями, чем при конвективном отоплении, повышает производительность, улучшает качество обогрева, в большинстве случаев снижает капитальные и эксплуатационные затраты.

В процессе работы проводилось экспериментальные исследования инфракрасного обогревателя ИТФ «Элмаш-микро», рассчитывалось необходимое количество инфракрасных элементов для обогрева ангара 22Ч44Ч10 м, рассмотрен вопрос оптимизации размещения обогревателей в помещении, выбрана система автоматического подержания температуры в ангаре.

Степень внедренияскладские помещения для хранения чувствительной к перепаду температур продукции, обогрев производственных помещений.

Эффективность предполагаемого проекта определяется высоким экономическим эффектом от внедрения новой системы обогрева помещений.

Synopsis

Explanatory Note Pages 131, figures 18, tables 15, original sources 27, appendices 1.

Infrared heater, house heating, free convection, infrared furnace, temperature, infrared energy, annual expenditures, ecological safety.

The object of this working is the development of system for infrared heating of technical houses.

The using of infrared energy for heating make sure to get more comfortable microclimate with low heat looses afterward convection heating, increase quality of heating and reduces financial capital.

There were observed the following problems in this work: the experimental research of infrared heater by ITF «Elmash-micro», was found the power and quantity of infrared heaters for heating the hangar 22Ч44Ч10 m, were find the best position of heaters in hangar, were chosen the system of automatically temperature control.

The efficiency of this project is defined by the high quality of the heating.

Развитие народного хозяйства на современном этапе научно-технической революции в энергетике характеризуется тем, что ввод новых энергетических мощностей отстает от роста потребности в энергии. Одной из важнейших государственных задач является рациональное использование и экономия энергоресурсов.

По данным Всесоюзного научно-исследовательского комплексного института теплоэнергетических проблем в 11-й пятилетке на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение зданий и сооружений промышленного назначения израсходовано более 120 млн. т у. т., что составляет почти 9% от общего потребления энергии народным хозяйством страны. С учетом большого удельного веса топлива, расходуемого на отопление и вентиляцию, что составляет около 50% в балансе тепловой энергии предприятий, проблема уменьшения тепловой нагрузки отопительных систем представляет собой большое народнохозяйственное значение. Расчеты показывают, что вследствие серьезных недостатков, допускаемых при проектировании, строительстве и эксплуатации производственных зданий, несовершенства и несоответствия отопительных систем конструктивным особенностям зданий и технологическим процессам, происходящим в них, фактические расходы тепла на 1 м² их площади превышают нормативные, регламентируемые СНиП, в среднем на 40—50%.

Важнейшим резервом экономии тепловой энергии при отоплении производственных зданий является снижение температуры воздуха в помещениях. Это может быть достигнуто за счет применения систем и установок инфракрасного отопления.

Отечественный и зарубежный опыт применения систем и установок инфракрасного нагрева для отопления помещений и зонного обогрева свидетельствует, что весьма эффективно их применение в помещениях с большой кратностью воздухообмена, при реконструкции существующих производственных зданий, когда действующие отопительные системы и установки не создают требуемых санитарными нормами параметров микроклимата, а увеличение мощности котельной или системы теплоснабжения не представляется возможным; при отоплении сооружений с нетеплоемкими и малотеплоемкими ограждающими конструкциями; сельскохозяйственных производственных помещений, особенно ферм для молодняка, ремонтных мастерских, теплиц.

Существенный экономический эффект достигается и при использовании инфракрасных обогревателей в различных теплотехнических установках (печах низкои среднетемпературного нагрева, сушилках и т. д.). Эффективность применения таких систем и установок должна оцениваться соответствующими санитарно-гигиеническими и технологическими показателями, а также уменьшением металлеи энергоемкости, а в некоторых случаях социальным эффектом.

Задача технико-экономической оценки систем и установок с ГИГ, на наш взгляд, должна решаться в двух направлениях:

1) выбор оптимального варианта системы, установки;

2) сравнение принятого оптимального варианта с традиционными базовыми системами, установками.

При проектировании систем и установок с инфракрасными излучателями вариантность играет существенную роль, так как тип излучателя (установочная мощность, линейные размеры), высота подвеса и угол их наклона к облучаемой поверхности (геометрия размещения) существенно изменяют эффективность работы при одной и той же суммарной установочной мощности.

1. Технические помещения и задача их обогрева в холодное время года

1.1 Требования к техническим помещениям Развитие малого и среднего бизнеса в России породило повышенный спрос на коммерческую недвижимость. При этом, по оценкам риэлторов, в структуре продаж нежилых объектов около 16% занимают складские помещения. Однако далеко не все предприниматели спешат покупать склады. У одних просто нет денег на подобное приобретение. Другие и вовсе не стремятся иметь собственный склад (к примеру, категорию иногородних и мелких бизнесменов в большей степени устраивает аренда уже действующих складских помещений). Последних не сложно понять: ведь, кроме приобретения складского помещения, придется вкладывать деньги в охрану, специальное оборудование, обустройство территории. Зато от всей этой головной боли их, как правило, избавляет аренда. Вот и растет нынче спрос, опережая предложение, и маркетологам ничего не остается, кроме как давать благоприятный прогноз развития рынка складских услуг. В первую очередь это относится к высокопрофессиональным складским комплексам, оборудованным по западным технологиям. Соответственно, компании, решившиеся потратиться на постройку или перестройку объектов под склады, в дальнейшем могут рассчитывать на получение достаточно весомых доходов.

Большинство помещений, предлагаемых под склады, сосредоточены на территории заводов, предприятий и складских комплексов, построенных в советское время (исключение составляют небольшие площади и помещения, приспособленные для хранения. Например, подвалы жилых домов, подсобные помещения). Бывшие советские промышленные комплексы имели широко развитую инфраструктуру собственности с большим количеством зданий и сооружений. Плотность построек от 5 до 15 тыс. квадратных метров на гектар земли.

По наблюдениям экспертов, большинство складских площадей находится в приспособленных помещениях. Специализированных складских комплексов, удовлетворяющих всем современным стандартам, пока не так много.

В зависимости от категории арендодателя на рынок аренды выставляются склады площадью от 50 до 2000 и более квадратных метров. Наибольшие арендные площади сдаются промышленными предприятиями, малые (в том числе и в виде боксов в крупных складских комплексах) можно арендовать у частных владельцев.

Большинству потребителей складских и производственных помещений приходится вкладывать деньги в реконструкцию арендованных помещений, чтобы они соответствовали их требованиям. Среди таких потребителей предприятия с иностранными инвестициями и другие. Большинство иностранных клиентов жалуются на очень низкий уровень качества помещений, предлагаемых в аренду. Самыми актуальными проблемами, связанными с использованием построек, являются плохое техническое обслуживание, неудобная планировка, отсутствие или плохое состояние грузовых приспособлений (погрузчики, кран-балки, рампы, железнодорожные ветки и т. д.). К недостаткам специалисты также относят отсутствие отопления или даже электричества, регулировки температуры и влажности, квалифицированного персонала.

Спрос на тот или иной район расположения склада обусловлен производственной или юридической (связанной с местом регистрации предприятия) необходимостью каждого конкретного субъекта предпринимательской деятельности. Основными критериями, определяющими выгодное расположение, являются удобные подъездные пути, наличие рядом основных транспортных магистралей. Обращают внимание арендаторы и на удобство транспортной развязки городского пассажирского транспорта. Ведь в случае отдаленности склада от автобусных остановок или метро им придется дополнительно раскошелиться на развозку сотрудников. Впрочем, сейчас этот фактор предприниматели учитывают в последнюю очередь. Отдаленность от центральной части города их уже не пугает. Значительно более серьезным преимуществом арендаторы считают относительно дешевую арендную плату и большие площади, чего практически нет в прилегающих к центру города районах.

В зависимости от товаров и материалов, которые требуют хранения, к складам могут также предъявляться и специальные требования: возможность регулярной влажной уборки, требования к стабильности температурного режима, уровню загрязненности (запыленности) помещения и т. д.

Требования, предъявляемые к складской недвижимости, и текущая конъюнктура рынка, которая нынче играет на руку арендодателям, во многом диктуют и цены на данную недвижимость. В крупных городах России ставки аренды одного квадратного метра складских площадей можно условно поделить на три группы: дешевую, среднюю и дорогую.

Дешевые склады, как правило, сдаются в аренду по ставке 0,51 долл. в месяц за 1 кв. м охраняемой территории. Они могут быть оснащены козловым краном, используемым для перемещения крупногабаритных металлоконструкций, металлолома, металлопроката, леса и т. д. Как правило, такие объекты оборудуются в неотапливаемых кирпичных помещениях или же металлических ангарах, расположенных в пригороде. К категории дешевых специалисты также относят склады, расположенные в приспособленных помещениях, гаражах и в частном секторе. Цены на такие помещения могут быть до 1 долл. в месяц за 1 кв. м.

Средняя цена — 1,52 долл. за 1 кв. м складского помещения взимается за неотапливаемые помещения из кирпича, бетонных блоков, металлических ангаров на бетонном основании с асфальтовым покрытием пола, находящиеся на охраняемой территории в промышленной части города. По этой же цене небольшие (до 100 кв. м) неотапливаемые помещения сдают в аренду фабрики, предприятия, гаражные кооперативы и т. д. К средней ценовой группе можно отнести и склады с арендной ставкой от 3 до 4 долл. за кв. м. Как правило, это капитальные складские помещения, без отопления, но со всем необходимым обустройством: наличием рампы, разгрузочно-погрузочных механизмов, хороших подъездных путей, круглосуточной охраны.

К категории дорогих складских площадей специалисты относят помещения стоимостью от 5 до 7 долл. за 1 кв. м. Это отапливаемые профессиональные складские помещения, оборудованные и оснащенные в соответствии с условиями, требуемыми для хранения дорогостоящих товаров и материалов. Сюда относятся склады для хранения бытовой техники, промышленных товаров, пищевых продуктов. По такой же цене сдаются в аренду морозильные камеры для долгосрочного хранения пищевых продуктов и прочие помещения, в которых поддерживается стабильный температурный режим. Аналогичная по величине арендная ставка устанавливается на склады, используемые для хранения медпрепаратов.

Следует заметить, что за последние несколько лет примерно на 10% выросли цены именно на аренду отапливаемых складов и современных специализированных складских комплексов. Это связано с высокими затратами на создание и поддержание в необходимом состоянии подобных объектов, а так же обусловлено ростом расходов на их отопление. Стоимость же аренды других типов складов практически стабильна.

По прогнозам экспертов, цены на аренду отапливаемых складских помещений будут и дальше расти по мере удорожания тепла, роста тарифов на электроэнергию и размеров коммунальных платежей. Скажется на ценах и модернизация складов и повышение качества предоставляемых ими услуг.

Таким образом, обогрев технических помещений является актуальной проблемой, а разработка технических решений по утеплению и обогреву технических помещений позволят арендодателям значительно увеличить свои доходы.

1.2 Предпосылки применения лучистого отопления В современных теплотехнических системах и установках все шире применяют радиационные методы передачи тепловой энергии. Причем это относится как к системам отопления зданий и сооружений, так и к различным нагревательным устройствам и агрегатам. Преобразование тепловой энергии в излучение — довольно простой и эффективный способ передачи энергии от нагревателя к нагреваемым объектам.

В теплотехнической практике, начиная с 30-х годов, достаточно широко применяются излучатели и излучающие панели, в которых в качестве энергоносителей используются горячая вода, пар, нагретый воздух, продукты сгорания и электричество.

Интенсификации технологических процессов, повышения коэффициента полезного действия (КПД) энергетических установок, улучшения качества изделий, требующих для их изготовления термообработки, можно достичь путем замены конвективного обогрева лучисто-конвективным или лучистым теплообменом. Во многих случаях особенно эффективно применение для этих целей электронагревателей, которые широко используют в терморадиационных установках низкои среднетемпературного нагрева. Перспективно их применение в строительной индустрии как для термообработки стеновых панелей и изделий из полимербетона, так и при омоноличивании стыков, для сушки штукатурки, производства стеклотканей, при выполнении кровельных работ рулонными материалами и других технологических процессов.

Для применения систем лучистого отопления зданий и сооружений существуют объективные предпосылки. Так, системы и установки лучистого отопления в производственных помещениях различного назначения позволяют создать благоприятные параметры микроклимата в обслуживаемой зоне или на отдельных рабочих местах.

Быстрые темпы развития техники, стремление к максимальному использованию производственных площадей, внедрение комплексной механизации и автоматизации производства требуют новых конструктивных и объемно-планировочных решений при промышленном строительстве. Возводят промышленные здания, большие по объему и площади, с одним, часто бесфонарным, перекрытием. Новые архитектурные и конструктивные решения элементов зданий из стекла, металла и сборного железобетона требуют устройства новых эффективных и вместе с тем экономичных систем отопления. Стены со сплошным остеклением в зимний период имеют низкую по сравнению с воздухом помещения температуру, что обусловлено большим коэффициентом теплопроводности стекла и отрицательно сказывается на тепловом ощущении людей, так как при этом увеличивается радиационная составляющая тепловых потерь человеком в помещении. Конвективные системы отопления для таких зданий малоэффективны особенно при больших строительных объемах и кратностях воздухообмена, потому что компенсация радиационных тепловых потерь человеком требует повышения температуры воздуха в помещении. При этом возникает необходимость нагревать весь объем воздуха в помещении до расчетной температуры [4,5].

Многолетняя практика строительства и эксплуатации систем конвективного отопления с применением в качестве теплоносителя воды и пара показала, что такие системы имеют ряд существенных недостатков. Наличие промежуточного теплоносителя в конвективных системах отопления, какими являются вода и пар, снижает КПД. По данным Гипроэнергопрома (г. Москва) затраты на приготовление теплоносителя и на его подачу нагревательным приборам составляют около 60—65% от полной стоимости системы отопления. Кроме того, системы конвективного отопления металлоемки, трудоемки по монтажу, требуют больших капитальных вложений и эксплуатационных затрат. Конвективный перенос теплоты, сопровождающийся перемещением нагретых масс воздуха, приводит к нагреву всего воздуха в помещении. При этом массы воздуха с более высокой температурой стремятся в верхнюю часть здания, а нижняя, рабочая, зона остается менее нагретой. При таком распределении теплоты приходится для обеспечения нормальных температурных условий в рабочей зоне допускать перегрев верхней зоны. Значителен градиент температуры воздуха по высоте помещения, достигающий в промышленных зданиях высотой более 6 м в среднем 7—10 °С [5], что приводит к большим непроизводительным потерям теплоты. С санитарно-гигиенической точки зрения недостатком конвективных систем отопления является неравномерное распределение температуры воздуха как по высоте, так и по площади отапливаемого помещения, а также низкий уровень радиационной температуры помещения.

Системы лучистого отопления в основном лишены недостатков конвективных систем отопления, создают благоприятные условия микроклимата для работающих.

В конце 50-х — начале 60-х годов системы инфракрасного обогрева стали широко применяться за границей: в Англии, Венгрии, ГДР, ФРГ, США и других странах. В СССР первые системы лучистого отопления промышленных зданий были осуществлены в г. Саратове в 1962 г. на заводе тяжелых зуборезных станков, а в 1964 г. на заводе «Строймаш». В настоящее время такие системы находят все более широкое применение: для отопления зданий и сооружений большого объема, для зонного обогрева, т. е. обогрева части площади здания, вызванного санитарно-гигиеническими или технологическими требованиями; при отоплении зданий и сооружений, для которых по экономическим соображениям нецелесообразно строить котельные или развивать мощность существующих котельных на производство теплоты для покрытия отопительно-вентиляционных нагрузок; для обогрева открытых и полуоткрытых площадок различного назначения, а также для поддержания мобильного состояния автотракторного парка при его безгаражном содержании. Максимальное использование производственных площадей, интенсификация производства и экономическая целесообразность часто требуют от проектировщиков и производственников располагать оборудование на открытых и полуоткрытых площадках. Вопросы обогрева рабочих мест и оборудования на открытых площадках удачно решаются за счет использования некоторых видов инфракрасных нагревателей, специально сконструированных для работы на открытом воздухе, устойчиво работающих три воздействии неблагоприятных метеорологических факторов: ветра, дождя, снега и т. п.

Анализ работы систем лучистого отопления показывает, что существуют санитарно-гигиенические, конструктивные и экономические предпосылки, обусловливающие их применение. Человек и теплокровные животные в процессе жизнедеятельности выделяют тепловую энергию, которая отводится в окружающую среду. Количество отводимой теплоты должно быть строго определенным в зависимости от активности организма, одежды человека, температуры воздуха в помещении и температуры на внутренних поверхностях ограждающих конструкций, а также от подвижности окружающего воздуха. Если же оно превышает это определенное количество, то организм начинает мерзнуть, если же оно меньше — ощущается перегрев организма.

По данным современных гигиенистов и зоологов, для создания благоприятных (комфортных) микроклиматических условий недостаточно просто организовать отвод излишков теплоты. Очень важна качественная сторона теплообмена. Имеет существенное значение, какая часть теплоты отводится от организма конвекцией, излучением, испарением и кондукцией (теплопроводностью). Последняя составляющая имеет особенно важное значение при рассмотрении теплообмена живых организмов. Доказано, что самочувствие человека и благоприятное состояние животных значительно улучшаются, если большая часть тепловых потерь организмом происходит за счет конвекции, а меньшая — посредством лучеиспускания. Такое соотношение теплообмена может быть достигнуто в системах отопления, при работе которых температура внутренних поверхностей ограждающих конструкций или средняя лучистая температура помещения превышает температуру воздуха в нем, что как раз и приводит к уменьшению отдачи теплоты посредством излучения и увеличению за счет конвекции. Средняя лучистая температура (ОПТ), создаваемая в отапливаемом помещении — показатель отвечающий за то, какое чистое количество инфракрасной энергии должно быть использовано для создания комфортных для человека условий в определенном пространстве. Проще говоря, это объясняет, как поверхности вокруг нас (полы, стены и т. д.) реагируют на излучение. Главная цель обогрева инфракрасным излучением — увеличение показателя средней лучистой температуры. Чем оно равномернее, тем ниже температура воздуха, при которой достигается уровень комфорта, и, следовательно, тем ниже энергозатраты.

Исследования советских и зарубежных гигиенистов показали, что необходимо стремиться к тому, чтобы, не нарушая условий комфорта, температура воздуха в помещении была несколько выше 10 °C, так как это улучшает экзотермические реакции, протекающие в организме. Организовать теплообмен в отапливаемом помещении или обогрев части его таким образом, чтобы были выполнены вышеперечисленные условия, можно при использовании систем лучистого обогрева. Аналогично можно решить вопросы обогрева рабочих мест и площадок на открытом воздухе, открытых и полуоткрытых остановок трамвая, троллейбуса и другого транспорта, витрин магазинов, отдельных узлов технологических трубопроводов и различного оборудования.

При выборе системы отопления для сельскохозяйственных зданий (животноводческих ферм и птицефабрик) следует учитывать, что в них всегда повышенная влажность, которая неблагоприятно влияет на развитие и рост животных и птиц, служит источником простудных заболеваний. Опыт эксплуатации систем инфракрасного отопления и обогрева в сельскохозяйственных помещениях показывает, что они создают благоприятный температурно-влажностный режим как воздуха, так и строительных ограждений и подстилки.

В последние годы в строительстве гражданских, промышленных и сельскохозяйственных зданий наметилась тенденция — использовать малотеплоемкие материалы в элементах ограждающих конструкций. Внутренние поверхности этих ограждений в зимний период имеют более низкую температуру по сравнению с воздухом помещения, что может привести к дискомфорту вследствие резкого увеличения тепловых потерь организмом за счет излучения. Компенсировать увеличение лучистой составляющей в общем балансе этих потерь можно, применяя лучистые системы отопления.

Во многих случаях не требуется создания комфортных микроклиматических условий во всем строительном объеме зданий или сооружений. Так, в металлургической промышленности, где многие технологические процессы происходят с большим выделением теплоты, необходим лишь зонный обогрев холодных участков и пролетов. Его применяют также при бройлерном выращивании птиц, при стойловом содержании и выращивании животных. Один из наиболее рациональных вариантов зонного обогрева — системы с газовыми инфракрасными горелками (ГИГ) или электронагревателями. Системы и установки инфракрасного отопления рекомендуется применять в промышленных цехах большого объема, со значительными кратностями воздухообмена, в производственных помещениях с малотеплоемкими и нетеплоемкими ограждениями, а также таких, где по технологическим требованиям в разных зонах требуется различная температурная обстановка. Такими системами отопления можно оборудовать помещения, используемые в течение относительно короткого времени: спортивные манежи, теннисные корты, частично открытые, монтажные и сборочные площадки, спортивные трибуны, террасы, кафе, витрины, ангары, гаражи и другие аналогичные сооружения. Целесообразно применять эти системы и установки отопления на животноводческих фермах и птицефабриках, где по технологическим условиям требуются местный обогрев молодняка, птиц, полная или частичная компенсация дефицита теплоты для нужд отопления и вентиляции стойловых помещений.

Гигиенические и конструктивные предпосылки использования высокотемпературных систем лучистого отопления и обогрева необходимо подкреплять технико-экономическими расчетами.

1.3 Законы и особенности лучистого теплообмена Для того чтобы понять сущность лучистого теплообмена, действие лучистых отопительных устройств и систем, необходимо знание основных физических законов инфракрасного излучения. Лучистый теплообмен представляет собой теплообмен между телами с разной температурой поверхности посредством инфракрасного излучения, т. е. электромагнитного излучения, занимающего область спектра электромагнитных волн от 0,77 до 340 мкм. При этом диапазон 340—100 мкм считается длинноволновым, 100—15 мкм — средневолновым, а 15—0,77 мкм — коротковолновым. Коротковолновая часть инфракрасного спектра примыкает к видимому свету, а длинноволновая к области ультракоротких радиоволн. Инфракрасное излучение распространяется прямолинейно, преломляется, отражается и поляризуется, так же как видимый свет. В то же время, подобно радиоволнам, оно может проходить сквозь некоторые материалы, непрозрачные для видимого излучения.

Любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, излучает тепловую энергию в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитных волн. Различные тела при одной и той же температуре обладают различной лучеиспускательной способностью, которая зависит от природы и строения тел, а также от формы и состояния их поверхности. Электромагнитное излучение имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. Электромагнитное поле обладает квантовым характером. Квантами его являются фотоны. При взаимодействии с веществом фотон поглощается его атомами, передает свою энергию электрону, а сам исчезает. При этом возрастает энергия тепловых колебаний атомов в молекулах вещества, т. е, энергия излучения переходит в теплоту. Перенос энергии происходит от тела с более высокой температурой к телу с меньшей температурой.

Теплопередача излучением характеризуется потоком излучения [8]

(1.1)

где W — энергия излучения, измеряемая в джоулях (Дж);

t — время излучения, значительно превышающее период колебания.

Общее количество энергии, падающей на облучаемое тело в единицу времени равно [8]

Q=Q_А+Q_R+Q_D ,(1.2)

где Q_А — поглощенная энергия;

Q_R — отраженная энергия;

Q_D — энергия, прошедшая сквозь тело.

Если общее количество излучаемой энергии принять за 1, то [10]

.(1.3)

Интегральный поток, испускаемый с единицы поверхности, носит название поверхностной плотности потока интегрального излучения, измеряемой в ваттах на метр квадратный (Вт/м²):

(1.4)

где dQ — поток излучения, испускаемый элементарной площадкой dF. Поток излучения со всей поверхности выразится интегралом [11]

.(1.5)

Если поток излучения dQ падает на поверхность dF, поверхностная плотность потока излучения называется энергетической освещенностью (облученностью) Е_пад:

.(1.6)

Если поток излучения dQ испускается поверхностью dF, поверхностная плотность потока излучения называется энергетической светимостью М:

.(1.7)

Если даже на тело не падает никакого излучения извне, то с единицы его поверхности испускается (отводится) поток лучей энергии Е, Вт/м². Этот поток, определяемый температурой и физическими свойствами тела, представляет собой собственное излучение тела или его излучательную способность. Обычно со стороны других тел на рассматриваемое тело поступает энергия падающего излучения Е_пад. Часть энергии падающего излучения поглощается телом (поглощенное излучение), остальная часть энергии Е_отр представляет собой энергию отраженного излучения.

Собственное излучение тела в сумме с отраженным называется эффективным излучением тела Е_эф; это — фактическое излучение тела, которое можно ощущать и измерять приборами [8]

Е_эф=Е+Е_отр=Е+(1-А)Е_пад.(1.8)

Эффективное излучение Е_эф зависит от физических свойств и температуры не только данного излучающего тела, но и других окружающих его тел, а также от формы, размеров и относительного расположения тел в пространстве. Так как падающее излучение Е_пад определяется температурой и свойствами окружающих тел, то физические качества собственного и отраженного излучения неодинаковы, их спектры различны. Однако для тепловых расчетов это различие часто не имеет значения, если рассматривается лишь энергетическая сторона процесса.

Тело, для которого при любой температуре часть поглощенной телом энергии, А = 1 (вся энергия поглотилась), часть отраженной R = 0 (от тела ничего не отражается) и D = 0 (тело не прозрачное), называется абсолютно черным. Существует понятие «черное излучение». Этот вид излучения соответствует тепловому равновесию тела, и количество испускаемой энергии излучения определяется только температурой тела и не зависит от его природы. Этому понятию и отвечает абсолютно черное тело, которое способно поглощать всю падающую на него энергию излучения.

Поток собственного монохроматического излучения Е_0л абсолютно черного тела для заданной длины волны л и температуры Т определяется зависимостью:

Е_ол=f (л, T). (1.9)

Интегральный поток для всех длин волн определяется законом Стефана — Больцмана [10]:

(1.10)

где С_о = 5,75 — Вт/(м²-К⁴) — коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Абсолютно черных тел в природе не существует. Излучение реальных тел в зависимости от их физических свойств может протекать по-разному. По характеру излучения реальные тела можно разделить на две группы: с серым излучением и с селективным излучением.

Для описания излучения тел первой группы приемлемы все законы, которым подчиняется излучение черного тела, если по интенсивности эти излучения различаются только постоянным множителем, который не зависит от длины волны. Поэтому для серых тел закон Стефана — Больцмана может быть записан в виде [11]:

.(1.11)

где С — коэффициент излучения.

Отношение энергии излучения серого тела к энергии излучения черного при той же температуре называют степенью черноты тела е:

.(1.12)

где С₀ — коэффициент излученияабсолютно черного тела.

Зная е, можно подсчитать энергию излучения серого тела:

.(1.13)

Селективным, или избирательным, называется такое излучение, которое наблюдается лишь в отдельных узких участках спектра электромагнитных колебаний.

Связь между излучательной и поглощательной способностями тела устанавливает закон Кирхгофа: отношение излучательной способности тела Е_{С, Т} к его поглощательной способности А_Т не зависит от природы тела и равно излучательной способности абсолютно черного тела Е_0,Т, при той же температуре

(1.14)

Закон Планка устанавливает зависимость спектральной интенсивности излучения абсолютно черного тела от его температуры Т и длины волны л [8]:

(1.15)

где C₁ = 5,944Ч10^-17 Вт м² первая постоянная Планка;

С₂ = 1,4388Ч10^-2 м К вторая постоянная Планка.

По закону смещения Вина максимум интенсивности излучения с повышением температуры смещается в сторону коротких волн спектра:

л_Т Т=К,(1.16)

где л_Т — длина волны в максимуме спектральной характеристики, мкм; К = 2897 мкм К.

Другими словами, закон Вина гласит, что произведение длины волны в максимуме спектральной характеристики излучения на абсолютную температуру является величиной постоянной. На основании данного закона можно определить длину волны, которая соответствует максимуму интенсивности излучения абсолютно черного тела.

Лучистый теплообмен между телами — это сложный процесс, при котором происходят многократные поглощения и отражения лучистой энергии. В расчетах отопительных устройств и систем многократным отражением и поглощением можно пренебречь. Лучистый теплообмен между телами определяется потоком результирующего излучения q_рез, Вт/м²:

q_рез=Е_эф — Е_пад.(1.17)

Из (1.8) и (1.17), получим

.(1.18)

На основании закона Стефана — Больцмана двух параллельных серых плоскостей, участвующих в теплообмене можно записать следующие соотношения [2]:

; ,

где Е₁, е₁, Т₁ — тепловое излучение, степень черноты и температура первого из участвующих в теплообмене тел;

Е₂, е₂, Т₂ — тепловое излучение, степень черноты и температура второго тела.

Для плотности потока результирующего излучения двух параллельных серых плоскостей [8]:

. (1.19)

где — приведенная степень черноты.

В простейшем случае лучистого теплообмена между серыми непрозрачными телами, разделенными прозрачной средой, при диффузном излучении количество теплоты, которое передается в единицу времени от одного тела с температурой Т₁ другому телу с температурой Т₂, полный результирующий поток, Вт/м²,

(1.20)

где F_np — взаимная расчетная площадь поверхности теплообмена, м².

(1.21)

Здесь ц₁₋₂, ц₂₋₁ — средние угловые коэффициенты, или коэффициенты облученности, учитывающие, какая доля общей энергии излучения, испускаемой поверхностью тела 1, падает на тело 2 и тела 2 на тело 1:

F_пр=ц₁₋₂F₁= ц₂₋₁F₂.(1.22)

Коэффициент облученности ц является комплексным геометрическим параметром, зависящим от формы поверхностей тел, их размеров, взаимного расположения и расстояния между телами:

; ,(1.23)

где F₁₋₂=F₂₋₁=F_пр, полная взаимная поверхность теплообмена тел.

Закон Ламберта точно соблюдается лишь для абсолютно черных тел и устанавливает, что наибольшее количество энергии несет излучение (независимо от длины волны), направленное по нормали к излучающей поверхности. В других направлениях количество излучаемой энергии будет меньше и пропорционально косинусу угла между направлением излучения и нормалью к излучающей поверхности [10]:

Е_ц=Е_нcosц,(1.24)

где E_н — количество энергии, излучаемой по нормали к поверхности излучения;

Е_ц — количество энергии, излучаемой по направлению, составляющему с нормалью угол ц.

Облученность от точечного источника излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до облучаемой поверхности. Этот закон выполняется достаточно точно лишь тогда, когда линейные размеры источника излучения значительно меньше расстояния между источником и облученной поверхностью.

2. Инфракрасные нагреватели. Типы, параметры, условия эксплуатации В настоящее время существует два основных вида инфракрасных нагревателей, используемых для обогрева технических помещений: газовые излучающие горелки (ГИГ) и электронагреватели.

2.1 Газовые инфракрасные излучатели Газовые излучающие горелки (в РФ и особенно за рубежом за ними устойчиво закрепилось название «газовые инфракрасные излучатели») — горелки, в которых осуществляется беспламенное сжигание газа с большой теплонапряженностью, при этом значительное количество теплоты передается излучением в окружающее пространство от излучающей поверхности горелки. В качестве излучающего насадка могут применяться плитки керамические как перфорированные (с различным диаметром перфорации), так и пористые или щелевые (с сеткой-экраном из нихромовых сплавов); металлические и сетчатые насадки с двумя сетками или большим числом их, а также различные типы каталитических насадков.

Газовые инфракрасные горелки (рис. 2.1) представляют собой разновидность инжекционных горелок, рассчитываемых на работу с коэффициентом избытка воздуха б=1,05, что обеспечивает полноту сжигания газа. В качестве топлива в ГИГ могут сжигаться природный газ, сжиженные и искусственные газы, характеризующиеся различной теплотой сгорания. В РФ серийно выпускаются ГИГ, рассчитанные на использование природного и сжиженных газов. При нормальной эксплуатации горелок в продуктах сгорания обнаруживаются только следы угарного газа СО и малые концентрации или следы окислов азота NO_х.

Газ, выходя с большой скоростью из сопла 2, инжектирует необходимое для горения количество воздуха и через инжектор 3 вместе с воздухом направляется в распределительную камеру 4. При этом в инжекторе происходит интенсивное перемешивание газа с воздухом. Из распределительной камеры полностью подготовленная для горения газовоздушная смесь через отверстия керамического излучающего насадка 6 выходит на поверхность последнего, где сгорает в тонком (примерно 1—1,5 мм) слое. Значительная часть теплоты при горении передается керамическим плиткам (излучателю), поверхность которых через 40—50 с после зажигания нагревается до рабочей температуры 1123—1473 К. Поверхность излучающего насадка становится в свою очередь мощным источником теплового (инфракрасного) излучения. В зависимости от конструкции на садка и его температуры количество передаваемой излучением теплоты составляет примерно 40—60% от тепловой мощности излучателя. Для того чтобы увеличить интенсивность излучения, над керамическим насадком устанавливают жаропрочную сетку-экран 5.

Рис. 2.1. Схема газовой излучающей горелки. 1 — корпус; 2 — газовое сопло; 3 — инжектор; 4 — распределительная камера; 5 — сетка-экран; 6 — излучающий насадок В качестве керамического излучателя применяют перфорированные керамические плитки размером 45Ч65Ч12 и 47Ч69Ч14 мм, которые выпускаются в основном казанским заводом «Газаппарат» Мингазпрома РФ. Из таких плиток набирают необходимую по площади излучающую поверхность. Плитки склеивают огнеупорной замазкой. Диаметр огневых каналов в плитках зависит от состава «сжигаемого газами» удельной тепловой мощности на излучатель. Подробно вопросы изготовления керамических насадков изложены в работе.

Серийно выпускаются керамические плитки с диаметром огневых каналов 1,55—0,8 мм. Число отверстий в стандартной плитке в зависимости от диаметра может быть в среднем от 625 до 1625. Отверстия огневых каналов размещаются таким образом, что расстояния между их центрами по всем направлениям равны, а минимальная толщина перемычек между соседними отверстиями 0,5 мм. Суммарное живое сечение плиток по отношению к диаметру огневых каналов колеблется от 40 до 20%. Большое суммарное рабочее сечение обеспечивает малое гидравлическое сопротивление насадка и высокую теплонапряженность излучающей поверхности. Номинальная тепловая нагрузка на стандартную плитку составляет примерно 464 Вт. Отклонения от указанной нагрузки зависят от диаметра и числа огневых каналов в плитке, ее химического состава.

Исследования зависимости температуры поверхности излучения от диаметра огневых каналов и удельной тепловой нагрузки показали, что при больших диаметрах каналов температура излучающей поверхности выше, чем при меньших. Так, при нагрузке на плитку 493 Вт температура излучающей поверхности с диаметром каналов 1,75 мм равна 1143 К, с диаметром 1,55 мм—1053 К, а с диаметром 0,85 мм — 923 К.

Исследования устойчивой работы ГИГ, проведенные А. М. Левиным и О. Н. Брюхановым, позволили рекомендовать для работы на природном и сжиженном газе перфорированные керамические плитки с диаметром каналов 1,55 мм. Выбор диаметра каналов зависит от вида и состава сжигаемого газа, а также от удельной тепловой мощности. Иногда по условиям работы излучателя необходимо иметь наибольшую температуру на его поверхности, чтобы получить наибольший поток излучения с единицы поверхности, при этом лучистый (пирометрический) КПД горелки уменьшится. В этих случаях следует применять керамический насадок с меньшим диаметром огневых каналов, так как зона развития проскока при меньшем диаметре каналов наступает при большей удельной тепловой нагрузке.

Повысить температуру на поверхности излучения можно с помощью установки над насадком металлической сетки-экрана. При этом температура излучающей поверхности в диапазоне 1073—1173 К может быть достигнута при удельных тепловых нагрузках (поверхностной плотности энергии) 127,6— 220,4 кВт/м², что соответствует 413—715 Вт на стандартную плитку размером 47×69×14 мм. В качестве сетки-экрана рекомендуется применять нихромовые жаропрочные сетки марки 1Х18Н9Т, которые наиболее устойчивы к температурным воздействиям, а оптимальное расстояние сетки-экрана от керамического насадка 5—6 мм. Сетка-экран служит добавочным вторичным излучателем. При прочих равных условиях наличие ее позволяет снизить температуру уходящих продуктов сгорания, что увеличивает КПД излучателя.

Наряду с плоскими перфорированными плитками применяют плитки с ребристой или холмистой поверхностью излучателя, что улучшает условия теплообмена между фронтом горения и поверхностью излучения. При этом температура последней возрастает, а повышения тепловой нагрузки на плитку не происходит. Условия работы излучающих перфорированных плиток с ребристой поверхностью подробно изучены В. Ф. Дребенцовым [15,16]. Наличие ребер и перфорация с малым диаметром каналов (d_отв= 0,8 мм) позволяют получить температуру на поверхности излучения керамического насадка до 1623 К без проскока пламени при установке горелок в замкнутом объеме, т. е. при наличии обратного излучения. При излучении в открытое пространство температура на поверхности излучения такого типа горелок может быть 1423—1473 К.

Кроме рассмотренных выше применяют и пористые керамические насадки. Основными преимуществами таких излучающих насадков являются простота, дешевизна изготовления (так как исходными материалами служат в основном отходы керамической промышленности), а также возможность изготовить насадок любой формы и площади. Толщина плиток около 30 мм. Однако пористые насадки имеют существенный недостаток — большое гидравлическое сопротивление (20—60 Па) при удельной тепловой нагрузке 348 кВт/м², что не позволяет использовать в качестве топлива для ГИГ газ низкого давления. При работе пористого керамического излучателя газовоздушная смесь из распределительной камеры через поры проникает к его наружной (рабочей) поверхности и сгорает в тонком слое (1,5—2 мм). Зона горения при выходе горелки на режим перемещается с поверхности насадка в поры на глубину до 3—5 мм, при этом поверхность насадка нагревается до 1123—1237 К.

Керамические излучающие насадки хрупки, не переносят ударов и тряски, а следовательно, малопригодны в передвижных обогревательных установках и устройствах, в которых применяют ГИГ с металлическими сетками. В этих ГИГ газовоздушная смесь (б=1,05) сгорает в объеме между сетками, последние раскаляются до 1023—1273 К, становясь источником инфракрасного излучения. Естественно, что при такой температуре следует использовать жаростойкие хромоникелевые сетки из стали марки 1Х18Н9Т или Н80Х20. Размер ячеек верхней сетки должен быть таким, чтобы обеспечивал проскок пламени в достаточно широком диапазоне изменения удельной тепловой нагрузки (2Ч2; 2,5Ч2,5 и 3Ч3, реже 5Ч5 мм), а нижней — меньше критических, т. е. предотвращающих проскок пламени (меньше 0,8Ч0,8 мм). Можно рекомендовать предохранительные сетки с размерами ячеек 0,63Ч0,63 и 0,35Ч0,35 мм.

При значительных удельных тепловых нагрузках (от 410 до 970 кВт/м² при работе на природном газе и от 290 до 580 кВт/м² при сжигании технического пропана) основным излучателем служит верхняя сетка, а при меньших нагрузках обе сетки. Максимальный лучистый КПД — около 55—60% при удельной тепловой нагрузке 170—230 кВт/м² и температуре на сетках 1023—1073 К. Гидравлическое сопротивление сетчатых излучателей почти в 2 раза больше, чем у перфорированных керамических плиток, но меньше, чем у пористых, и составляет 5—12 Па.

Для отопления и обогрева при монтажных и строительных работах в качестве нагревателей применяют горелки с повышенной тепловой мощностью. К таким следует отнести высокотемпературные газовые излучатели ВГИ, разработанные на кафедре теплогазоснабжения и вентиляции Саратовского политехнического института (СПИ) [17−19], беспламенные панельные горелки типа ГБПш ВНИИнефтемаша, серийно изготовляемые Новочеркасским заводом нефтяного машиностроения, а также ВГИ с перфорированным излучающим насадком, разработанные ВНИИГазом.

Особенностью ВГИ является огневой керамический насадок, состоящий из ряда прямоугольных щелей, выполненных по типу плоского внезапного расширения (рис. 2.2). Устойчивая работа горелки по отношению к проскоку пламени обеспечивается малыми размерами входных щелей, а по отношению к отрыву — рециркуляцией нагретых продуктов сгорания к корню факела в огневых каналах. Коэффициент живого сечения — около 55—60% от общей площади поперечного сечения насадка. Средняя температура излучателя 1473—1723 К при удельной тепловой нагрузке 290—520 кВт/м². Горелки инжекционного типа работают на среднем давлении газа в диапазоне 19,6—49 кПа при коэффициенте избытка первичного воздуха б=1,05.

Во многих случаях в системах отопления и обогрева необходимо использовать горелки, устойчиво работающие при ветровой нагрузке. Однако не все ГИГ, применяемые в системах отопления закрытых помещений, могут быть пригодны для обогрева открытых площадок, так как при воздействии ветра они работают неустойчиво, а иногда и гаснут.

Рис. 2.2. Излучающий керамический насадок с плоским внезапным симметричным расширением.

Для того чтобы принять решение о возможности использования горелок, способных работать в условиях обдува поверхности излучения потоками воздуха, необходимо знать характеристику ветроустойчивости (предел ветровой нагрузки по скорости), при которой горелка гаснет.

Анализ работы ГИГ на ветру показал, что неудовлетворительная их работа и погасание происходят в основном из-за уменьшения коэффициента инжек-ции и отклонения струи газа, вытекающей из сопла, а также из-за интенсивного охлаждения поверхности излучения. Уменьшение коэффициента инжекции приводит к появлению языков пламени на поверхности излучающей панели и резкому снижению ее температуры. Быстрое охлаждение поверхности излучения происходит также из-за проникновения холодного воздуха в зону горения и увеличения теплопередачи конвекцией от поверхности излучения.

На основании исследований, проведенных автором, выявлено, что предел ветроустойчивости повышается с увеличением удельной тепловой нагрузки при поддержании коэффициента избытка воздуха в момент воздействия ветровой нагрузки на расчетном уровне (б=1,05). Кроме того, установлено, что предел ветроустойчивости излучающих горелок, серийно выпускаемых промышленностью, при лобовом обдуве и обдуве под углом к излучающей поверхности практически одинаков (температурные режимы идентичны). Правда, при боковом воздействии ветра на горелку температура на излучающей поверхности выше, чем при воздействии его под углом к ней или лобовом, однако погасание горелки происходит практически при одинаковой скорости ветра за счет срыва фронта горения. Обработка экспериментальных данных позволила выявить зависимость ветроустойчивости W_у от удельной тепловой нагрузки q и коэффициента избытка воздуха б при изменении его от 0,85 до 1,06:

W_y = 0,0144q + 3,32б. (2.1)

Рассмотрение ветроустойчивости в данной области значений б обусловливается значительным снижением КПД излучателей при б, меньшем 0,8—0,85. В этом случае поверхность излучения горелки темнеет и над ней появляются языки пламени: горелка перестает работать в режиме беспламенного горения.