Применение горелок инфракрасного излучения для отопления

Отопление горелками инфракрасного (лучистого) излучения отличается от обычного тем, что необходимая теплота к потребителю в основном подводится непосредственно излучением. Энергия от насадок горелок распространяется как световые лучи и поглощается облучаемыми предметами, что приводит к их нагреванию. Хотя температура воздуха может быть ниже, чем при конвективном отоплении, создаются условия, при которых человек отдает в окружающую среду не больше теплоты, чем получает и выделяет, т. е, создаются условия теплового комфорта. Это позволяет с помощью газовых инфракрасных горелок обогревать такие помещения и площадки, для которых применение обычных (конвективных) отопительных систем экономически нецелесообразно или технически неосуществимо.

К таким сооружениям можно отнести промышленные цехи с большими потерями теплоты, открытые монтажные и сборочные площадки, открытые спортивные трибуны, плавательные бассейны, выставки, витрины, террасы, открытые кафе, производственные сельскохозяйственные помещения (фермы для содержания скота, птицы, боксы для содержания цыплят), отдельные рабочие места, тротуары улиц, транспортные остановки и т. п. Газовыми излучающими горелками можно обогревать отдельные зоны (части) помещения, в которых работают люди. Отопление газовыми инфракрасными горелками практически лишено тепловой инерции. Сразу после включения система обогрева дает необходимое ощущение комфорта. Это отопление может использоваться также периодически, в течение нескольких часов.

По капитальным затратам и эксплуатационным расходам газовое отопление инфракрасными горелками оказывается более экономичным, чем конвективное. Однако системы отопления с газовыми инфракрасными излучателями требуют удаления продуктов сгорания газа с помощью приточно-вытяжной вентиляции.

Системы газового инфракрасного отопления создают благоприятные микроклиматические условия в отапливаемых помещениях за счет лучистого потока определенной интенсивности, направленного в рабочую зону. Система отопления включает в себя газовый ввод, распределительные и подводящие газопроводы, узел учета расхода газа, горелки, запорные устройства, КИП и автоматику дистанционного розжига и безопасности. Система может работать как на природном сетевом газе, так и на сжиженном от групповой резервуарной установки. При газоснабжении от сетей среднего или высокого давления должны предусматриваться ГРП и ГРУ.

Применяемые системы газового инфракрасного отопления должны быть изготовлены серийно, иметь паспорт завода с технической характеристикой, в котором должна быть указана продолжительность безопасной эксплуатации горелки. Горелки могут присоединяться непосредственно к газопроводу с помощью металлических труб или резинотканевых рукавов. Крепление рукавов к горелкам и газопроводам должно осуществляться хомутами. Горелки следует устанавливать на несгораемые конструкции, отключающие устройства — перед каждой горелкой или группой горелок до резинотканевого рукава по ходу газа. Розжиг горелок может осуществляться вручную переносным запальником или дистанционно (электроспираль или искровой разрядник).

Системы газового инфракрасного отопления, предназначенные для помещений, где отсутствует постоянный обслуживающий персонал, оборудуются автоматическими устройствами, обеспечивающими прекращение подачи газа в случае погасания пламени горелки. Теплоотдачу системы отопления можно регулировать только путем изменения числа включенных горелок.

Расчет инфракрасной системы отопления сводится к комплексному решению следующих вопросов:

определение тепловой нагрузки системы отопления;
определение числа и типа излучателей;
выбор схемы расположения излучателей;
определение необходимого воздухообмена и выбор общеобменной приточно-вытяжной вентиляции.

Размещение горелок инфракрасного излучения обусловлено допустимой плотностью облучения и равномерностью облучения площади пола. Допустимая интенсивность инфракрасного облучения человека Qдоп на уровне головы (без головного убора) при определенной температуре воздуха в помещении приведена в таблице 9.16. Отклонения интенсивности облучения до 10% от среднего значения на человека практически не влияет, поэтому неравномерность облучения допускается в пределах 20-30% и определяется из соотношения

а = 100(1 – Q_min /Q_max )

где Q_min и Q_max — минимальная и максимальная интенсивность инфракрасного облучения, кДж/(ч•м²).

Для обеспечения заданной интенсивности облучения пола и стен необходимо размещать горелки в определенном порядке. При этом учитывают размеры излучающей насадки горелок,
высоту размещения над полом, расстояние между ними. В практических расчетах можно воспользоваться следующим соотношением (если горелки расположены горизонтально):

L/H < 1 (9.1)

где L — расстояние между центрами (шаг) горелок, м; Н — расстояние от пола до горелок (высота подвеса), м.

Оценку по допустимой облученности можно сделать в этом случае по усредненным данным для всего отапливаемого помещения из формулы

zQ_ик/(η_икF_п) = Q_ср < Q_д (9.2)

где Qик — лучистый пирометрический коэффициент (принимается равным 0,5-0,6); Q_cp — средняя интенсивность инфракрасного облучения, кДж/(ч•м²); F_n — отапливаемая площадь пола и стен, м².

В связи с большой теплоотдачей вблизи охлаждающих поверхностей и холодных токов воздуха края пола у наружных стен по периметру здания должны получать теплоту на 20-50% больше, чем остальная часть. Кроме того, следует учитывать, что на горелки крайнего ряда уже не действуют соседние. Поэтому необходимо либо уменьшать расстояние между горелками, либо увеличивать их тепловую мощность.

Горелки инфракрасного излучения размещаются равномерно под потолком по периметру отапливаемого помещения с наклоном излучающей насадки горелки к наружным ограждениям или горизонтально таким образом, чтобы обеспечить заданную облученность поверхности пола и наружных стен на высоте до 2 м. Единичную тепловую мощность применяемых для отопления горелок целесообразно изменять в зависимости от высоты их установки.

Следует исключить попадание продуктов сгорания в инжектор горелки. Концентрация оксида углерода в продуктах сгорания газа при горизонтальном положении горелки излучателем вниз из-за частичного подсоса этих продуктов инжектором возрастает в 2-8 раз по сравнению с вертикальным положением. Она становится меньше предельно допустимой при наклоне горелки к горизонту не менее 20°.

Таблица 9.8. Состав продуктов сгорания и расход кислорода при сжигании газа в горелках инфракрасного излучения (на 10 МДж теплоты)

Показатели	Газ
Показатели	природный	сжиженный

Расход газа, м³/час	0,286	0,110
Объем влажных продуктов сгорания, м³/час	3,05	2,86
Концентрация в продуктах сгорания диоксида углерода, объемная/массовая, м³/час/кг/час	0,286/0,563	0,329/0,647
Концентрация в продуктах сгорания водяного пара, объемная/массовая, м³/час/кг/час	0,613/0,491	0,477/0,384
Объем сухих продуктов сгорания, м³/час	2,441	2,386
Объем окиси углерода в продуктах сгорания при концентрации 0,005%, объемный/массовый, м³/час/мг/час	0,00012/152,7	0,00012/149,2
Расход кислорода, объемный/массовый, м³/час/кг/час	0,57/0,82	0,55/0,79

Помещения с отоплением с помощью горелок инфракрасного излучения оборудуются общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией, обеспечивающей требования технологии основного производства и необходимый воздухообмен для достижения допустимых концентраций вредных веществ от сбрасываемых в помещение продуктов сгорания газа. При проектировании вентиляции необходимо проводить не только расчет технологически вредных веществ, но и поверочный расчет достаточности воздухообмена для удаления водяных паров и вредных веществ, образующихся при сжигании газа.

В табл. 9.8 даны состав продуктов сгорания и расход кислорода для горелок инфракрасного излучения. В производственных помещениях с газовым инфракрасным отоплением концентрация СО не должна превышать 6, в общественных — 2 мг/м³. Для исключения попадания продуктов сгорания в рабочую зону отапливаемого помещения вентиляционная система должна обеспечивать удаление воздуха из верхней зоны выше уровня расположения горелок.

Таблица 9.9. Удельные тепловые нагрузки обогреваемой поверхности

Обогреваемый объект	*Удельная тепловая нагрузка (интенсивность инфракрасного облучения), кДж/(чм²**)
Закрытые помещения высотой до 5 м при размещении горелок инфракрасного излучения на высоте до 4 м	460-565
Закрытые высокие помещения, промышленные цехи без теплоизбытков, спортивные залы и т. п. при размещении горелок инфракрасного излучения на высоте от 5 до 8 м	750-960
Сельскохозяйственные помещения (фермы для содержания молодняка, птиц, для дойки и др.)	250-840
Предприятия общественного питания и другие общественные помещения (залы, кафе и т. п.)	250-840
Частично открытые, защищенные от ветра террасы, трибуны и монтажные площадки	960-2100
Сборочно-монтажные площадки, участки стапелей и других промышленных и строительных объектов	До 4200

Приближенный расчет тепловой нагрузки системы отопления и определение числа горелок можно выполнить по обобщенным усредненным экспериментальным значениям удельных тепловых нагрузок обогреваемой поверхности (пола), приведенным в табл. 9.9. Данными таблицы можно пользоваться при проектировании систем временного обогрева, необходимыми при выполнении работ на открытых или полуоткрытых площадках в зимнее время. Традиционные системы отопления (водяные, воздушные) для таких площадок практически неосуществимы. Применение для местного обогрева горелок инфракрасного излучения позволяет создать благоприятные условия микроклимата. Для этих целей могут быть использованы стационарные и передвижные установки (типа шатра, термодуша) с блоками горелок инфракрасного излучения. При работе на открытой площадке эти установки могут иметь ограждающие конструкции из листовых материалов для защиты людей от ветра.

В связи с высокой температурой излучающих насадок и их огнеопасностью системы газового отопления с горелками инфракрасного излучения по противопожарным требованиям применять не разрешается в помещениях:

производств А, Б, В и Е;
хранения горючих и легковоспламеняющихся материалов и кормов;
животноводческих ферм, крытых соломой и камышом;
не обеспеченных электрическим освещением;
из легких металлических конструкций со сгораемыми утеплителями в ограждениях (стенах и перекрытиях).

Для производственных зданий III-V степеней огнестойкости применение систем согласуется с органами технического и пожарного надзора. Не допускается применять указанные системы отопления также в помещениях с материалами, которые под действием инфракрасного излучения могут изменять свои свойства и разлагаться с образованием токсичных или взрывоопасных веществ.

Газовый обогрев железнодорожного оборудования (стрелочных переводов). Автоматические устройства, устанавливаемые на железной дороге, нуждаются в тщательном и своевременном уходе и обслуживании. Особенно это касается зимы, когда современные стрелочные переводы, оборудованные автоматическими устройствами и сигнализацией, требуют тщательной очистки их ото льда и снега, особенно в зоне прилегания остряка к рамному рельсу.

Снег в стрелочных желобах накапливается непрерывно при снегопадах, метелях, а также от поездов, движущихся по стрелкам с высокими скоростями. Несвоевременная очистка желобов стрелки сопровождается при ее переводе запрессовкой снега между остряком и рамным рельсом и препятствует плотному прижатию их. Среди вариантов очистки стрелочных переводов (пневматический, требующий сооружения специальной компрессорной станции, и электрообогрев с расходом 10-12 кВт на одну стрелку) газовый обогрев представляется весьма перспективным.

Узел верхнего газового обогрева представляет собой блок горелок инфракрасного излучения, устанавливаемый над рельсами стрелочного перевода на специальных колоннах. Горелки оборудованы рефлекторами, обеспечивающими концентрированный подвод инфракрасных лучей непосредственно к стрелочному переводу и защищающими их от ветра. Система обогрева оборудована автоматикой, зажигающей горелки при появлении снега и льда и выключающей их при прекращении снегопада. Верхний газовый обогрев в условиях мягкого климата обеспечивает достаточную очистку стрелочного перевода, однако требует больших расходов теплоты. Нижний газовый обогрев при любом климате дает высокое качество очистки стрелочного перевода и требует в 4-6 раз меньше газа, чем верхний. В качестве обогревателей при этом применяют специальные газовые горелки с керамическими насадками, факельные горелки и «темные» металлические излучатели.

В эксплуатационных условиях, когда элементы перевода подвергаются интенсивным нагрузкам и работают в тяжелых метеоусловиях, самой надежной следует считать установку с применением «темных» излучателей. Также применяются установки с инфракрасными горелками, оборудованными перфорированными керамическими насадками. Излучатели устанавливаются с наружной стороны рамного рельса (в виде коробок) на определенном расстоянии друг от друга. Дистанционное зажигание, отключение и контроль производятся автоматически. Недостаток такого решения — низкая стойкость керамических насадок.

Газовые обогревательные установки могут работать как на природном газе, так и на СУГ. На крупных станциях, вблизи которых имеются газопроводы, применяют природный газ, на промежуточных раздельных пунктах, постах примыкания и одиночных стрелках — сжиженный. Для хранения этого газа используют подземные резервуары или групповые газобаллонные установки. Запас газа устанавливают с учетом числа обогреваемых стрелок и метеорологических условий.

Качество очистки стрелочных желобов от снега и льда зависит от тепловой мощности обогревателей и схемы их размещения на стрелке. Определение тепловой мощности обогревателей выполняется на основе теплового расчета и экспериментальных испытаний.