Инновации 16 июня 2021

Промышленник, не копти цеха зря!

Российские ученые из Томского политехнического и Тюменского индустриального университета разработали систему отопления цехов, которая позволит снизить энергозатраты минимум в пять раз. Для этого нужно заменить традиционный конвекционный обогрев производственных помещений на системы лучистого нагрева, использующие газовые инфракрасные излучатели

«Светлый» газовый инфракрасный излучатель мощностью 15 кВт производства Schwank GmbH (Германия)

Фото из архива Николая Куриленко

« Р абочие места занимают малую долю промышленных помещений, и нагревать всю воздушную массу крайне невыгодно. Мы тщательно исследовали теплоперенос в “экосистемах” локальных рабочих мест, учитывая в том числе характер нагрева одежды рабочего и ориентацию отдельных участков относительно излучения. Расчетов аналогичных систем обогрева сейчас нет ни в России, ни за рубежом», — рассказал профессор Научно-образовательного центра И. Н. Бутакова Инженерной школы энергетики ТПУ Гений Кузнецов. Результаты исследования опубликованы в журнале Thermal Science and Engineering Progress.

Как объяснили ученые, инфракрасное излучение адресно нагревает необходимые участки пола и оборудования, которые передают тепло прилегающим слоям воздуха. Нагретый воздух поднимается, вытесняя холодный из локальной рабочей зоны. КПД таких систем может достигать 80%.

Сложнейшая техническая задача

О проблеме отопления промышленных предприятий и преимуществах лучистого нагрева «Стимулу» согласился рассказать доцент ТИУ, профессор Николай Куриленко, который стоял у истоков работ по системам лучистого отопления в России.

Доцент Тюменского индустриального университета, профессор Николай Куриленко стоял у истоков работ по системам лучистого отопления в России

Фото из архива Николая Куриленко

«Отопление производственных помещений — сложнейшая техническая задача, — пояснил ученый, — и ее решение зависит от множества объективных причин, таких как климатические условия в регионе, расположение объекта относительно центров выработки тепловой энергии, достижения науки и техники в области создания теплоизолирующих материалов для ограждающих конструкций, а также субъективных, таких как габариты здания, материал, из которого выполнены ограждающие конструкции, особенности микроклимата, необходимого для работы технических устройств и механизмов и для производства того или иного продукта, особенности микроклимата, необходимого для работы обслуживающего персонала. Производственные здания создаются под определенную, зачастую уникальную технологию. Часто в объеме одного производственного помещения необходимо организовать несколько участков рабочих зон с разными условиями климатического комфорта».

Инфракрасное излучение адресно нагревает необходимые участки пола и оборудования, которые передают тепло прилегающим слоям воздуха. Нагретый воздух поднимается, вытесняя холодный из локальной рабочей зоны. КПД таких систем может достигать 80%

При создании системы отопления производственных зданий необходимо помнить, что каждое производство связано с жестким исполнением нормативных требований по промышленной санитарии, параметрам взрыво- и пожароопасности.

В настоящее время существуют паровая, водяная, воздушная и лучистая (радиационная) системы отопления. Причем система лучистого отопления отличается от других последовательностью создания требуемой температуры воздуха в рабочей зоне. Каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки.

«Если есть возможность выбора между различными видами производственных систем отопления с учетом специфики производства, следует отдавать преимущество системам, имеющим наименьшие капитальные и эксплуатационные затраты, в том числе с наименьшим удельным расходом топлива, и на этом строить технико-экономические обоснования», — говорит Николай Куриленко.

Светлые и темные ГИИ

Газовые инфракрасные излучатели — это приборы, направляющие тепловое излучение в зону обогрева за счет использования теплоты, выделяющейся при сжигании газа. При этом нагреваются элементы, которые непосредственно излучают тепловую энергию. Способы и методы нагрева газом излучающих поверхностей элементов зависят от выбора их вида и конструкции излучателя.

Различают два основных вида ГИИ: «светлые» и «темные».

В «светлых» ГИИ происходит многофакельное сжигание газа внутри керамических перфорированных плиток, а в «темных» подводимый к излучателю газ сжигается внутри труб. Керамические пластины при этом нагреваются до 800‒1000 °С, а трубы — до 400‒450 °С.

Газовые инфракрасные горелки выпускают многие ведущие мировые компании. На российском рынке первые ГИИ появились в результате создания в 1996 году в Тюмени совместного российско-германского предприятия Сибшванк (ОАО «Запсибгазпром» и Schwank GmbH). Оно действует и в настоящее время.

Современный «светлый» излучатель типовой модели представляет собой корпус горелки со смесительной трубой, которая крепится при помощи присоединительной трубы. На присоединительную трубу крепится соединительная деталь, в резьбовом отверстии которой установлено сопло для подачи газа в смесительную трубу. В корпусе устанавливаются распределители и перфорированные керамические плитки. Тепловая мощность одной разогретой керамической плитки в среднем составляет 1,5 кВт. На заданном расстоянии от керамической плитки устанавливается металлическая сетка, изготовленная из жаростойкого сплава, обеспечивающая равномерный нагрев плитки и предотвращающая выпадение плитки в случае поломки. К корпусу крепится рефлектор и торцевые щитки. Перед корпусом горелки устанавливается блок автоматики, который представляет собой блок клапанов для управления и регулирования давления газа на входе в горелку, а также контроллер для управления процессом розжига и контроля горения.

Николай Куриленко пояснил принцип работы «светлого» излучателя: «Газ из газопровода подается на вход блока клапанов, который снижает давление до требуемой величины. После газ, проходя сопло, попадает в смесительную камеру, в процессе чего инжектируется необходимое количество воздуха для горения и смешивается с природным газом. Газовоздушная смесь равномерно распределяется по перфорированным керамическим плиткам и выходит из отверстий. Контроллер посредством высоковольтного разряда на свече зажигания воспламеняет газовоздушную смесь. После появления пламени, контролируемого датчиком наличия пламени, контроллер отключает свечу зажигания. Газовоздушная смесь горит в отверстиях диаметром 1‒2 мм у наружной поверхности керамических плиток, которые разогреваются до 700‒1200 °С в зависимости от материала плитки и давления газа перед соплом. Продукты горения газа поступают непосредственно в помещение (в верхнюю его зону) и удаляются системой вентиляции».

«Темные» ГИИ работают следующим образом. После включения и продувки излучающей трубы в течение 25‒30 секунд автоматически включается зажигание и открываются электромагнитные клапаны, газ поступает в смесительную камеру через сопло и смешивается с воздухом, подаваемым вентилятором, а смесь подается к горелке с керамической перфорированной насадкой, где и воспламеняется от свечи зажигания. Воздух для сжигания берется из помещения или снаружи. Пламя горелки контролируется ионизационным электродом. Ламинарное пламя горелки и продукты сгорания газа направляются в излучающую трубу, которая нагревается и испускает лучистый тепловой поток. Рефлектор направляет этот поток в заданном направлении.

При организации обогрева помещения с помощью ГИИ очень важно рационально разместить ГИИ в объеме помещения. От этого в большой степени будет зависеть микроклимат обогреваемого объема. Некорректное размещение ГИИ даже при обоснованной теплопроизводительности системы отопления ведет к нарушению теплового режима. В общем случае возможны различные варианты размещения ГИИ, зависящие от конструктивных особенностей здания, допустимой плотности теплового потока в рабочей зоне, необходимости равномерного облучения пола и так далее. В любом случае, по требованиям нормативных документов высота подвески излучателя независимо от его тепловой мощности не должна быть меньше четырех метров.

Ни недогреть, ни перегреть

Известно, что человек в процессе жизнедеятельности выделяет теплоту, 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 поверхностей, окружающих человека на рабочем месте, а также от скорости движения окружающего воздуха. Если же оно превышает необходимый уровень или становится меньше, то человек испытывает дискомфорт, начинает мерзнуть или перегревается.

Самочувствие человека улучшается, если большая часть тепловых потерь организма происходит за счет конвекции, а меньшая — посредством излучения. Такое состояние теплообмена может быть достигнуто, если температура внутренних поверхностей ограждающих конструкций или средняя лучистая температура помещения превышает температуру воздуха в нем

По данным отечественных гигиенистов, для создания комфортных микроклиматических условий имеет существенное значение, какая часть теплоты отводится из организма конвекцией, излучением, испарением и кондукцией (теплопроводностью). Установлено, что самочувствие человека улучшается, если большая часть тепловых потерь организма происходит за счет конвекции, а меньшая — посредством излучения. Такое состояние теплообмена может быть достигнуто, если температура внутренних поверхностей ограждающих конструкций или средняя лучистая температура помещения превышает температуру воздуха в нем.

Кроме того, как показали исследования, необходимо стремиться к тому, чтобы температура воздуха в помещении была несколько выше 10‒14 °C, так как это улучшает экзотермические реакции, протекающие в организме.

Схема работы «светлого» газового инфракрасного излучателя типовой модели производства Schwank GmbH (Германия)

Фото из архива Николая Куриленко

Направленное тепло

По словам Николая Куриленко, организовать теплообмен в отапливаемом помещении или только на рабочем месте таким образом, чтобы были выполнены условия для требуемого комфорта, можно достаточно легко, используя систему лучистого обогрева.

Теплопотери зависят от разницы температур наружного и внутреннего воздуха, и возникает вопрос: нужно ли закладывать в расчет температуру, требуемую для создания комфортных условий для всей территории здания?

В настоящее время ученые ТПУ и ТИУ проводят теоретические и экспериментальные исследования теплопереноса в экосистемах локальных рабочих мест. Изучаются различные факторы, влияющие на самочувствие работающих при лучистой системе обогрева.

Лучистое (радиационное) отопление производственного помещения — способ отопления помещения посредством лучистого теплообмена, источником которого служит поверхность потолка, стен, пола, обогреваемая каким-либо теплоносителем. «В нашем случае носителями энергии служат электромагнитные волны в инфракрасном и видимом спектре длин волн, излучаемые разогретыми поверхностями газовых инфракрасных излучателей (ГИИ), — поясняет Николай Куриленко. — Диапазон длин волн, в котором работает большая часть современных ГИИ, колеблется от 1,5 до 4 микрометров».

Воздух в обогреваемом помещении считается диатермичной средой (среда, не поглощающая и не излучающая электромагнитные волны). Поэтому тепловые волны поглощаются препятствиями на их пути (стены, полы, поверхности станков, одежда работающих), и эти препятствия нагреваются. В помещении становится теплее за счет конвекции от нагретых поверхностей, если их температура выше температуры воздуха.

Схема работы «тёмного» газового инфракрасного излучателя U-образного исполнения производства Schwank GmbH (Германия)

Фото из архива Николая Куриленко

Использовать все преимущества

«При проектировании систем лучистого отопления каждый раз приходится иметь дело с решением уникальной задачи, требующей больших трудозатрат, — рассказывает Николай Куриленко. — Проектированием таких систем в России занимаются, как правило, производители излучателей, основная цель которых — продать выпускаемой продукции как можно больше. Поэтому при проектировании выполняется основная задача не лучистых, а конвективных систем отопления — компенсация теплопотерь здания при создании комфортных условий в рабочей зоне всего производственного помещения. Но даже в этом случае переход от конвективной системы отопления к лучистой приводит к снижению приведенных затрат на 30‒50 процентов. Теплопотери зависят от разницы температур наружного и внутреннего воздуха, и возникает вопрос: нужно ли закладывать в расчет температуру, требуемую для создания комфортных условий для всей территории здания?»

Обычно в границах одного помещения существует ограниченное количество участков с постоянным пребыванием персонала (более двух часов подряд), в рабочих зонах которых требуется создание комфортных условий. Уникальность газовых инфракрасных излучателей как раз и состоит в том, что с их помощью проще всего организовать обогрев отдельных рабочих мест с разными условиями климатического комфорта.

«При расчете теплопотерь здания достаточно заложить дежурную температуру внутреннего воздуха, а создание комфортных условий предусмотреть уже на рабочих местах, — считает Николай Куриленко. — В производственных помещениях территория участков, в рабочих зонах которых требуется создание комфортных условий, занимает в среднем 10‒20 процентов площади всего помещения. Это именно тот процент, который требует определенного температурного режима в нужном пределе, а про остальные 80‒90 процентов помещения можно сказать, что их отопление — это деньги на ветер».

Как показали расчеты, если при проектировании лучистых систем отопления с газовыми инфракрасными излучателями учитывать и использовать все их возможности, то можно снизить затраты на обогрев производственных помещений как минимум в пять раз.

Ученые ТПУ и ТИУ считают целесообразным применение газовых излучателей для отопления любых предприятий машиностроительной, приборостроительной, нефтегазовой отраслей, в том числе открытых площадок. Но, к сожалению, несмотря на все плюсы, метод еще не нашел массового применения. «Это может быть связано с тем, — говорит Николай Куриленко, — что из-за недостатка рекламы руководство предприятий просто не знает о значительных преимуществах лучистых систем отопления».

Темы: Инновации