Молька В. Три Э в отоплении промышленных зданий

Подождите немного. Документ загружается.

Возбуждение электрона приводит к его переходу на более высокий

энергетический уровень. Переход электрона на высший энергетический уровень

(ближе к ядру) - это энергозатратный процесс. Энергию электрону передаёт, например,

квант тепловой энергии полученный в результате химической реакции окисления в

процессе сгорания топлива. Возвращение электрона на более низкий энергетический

уровень сопровождается избавлением его от лишней энергии. Эта энергия

освобождается в виде эмиссии фотона излучения. Колебательный процесс может

иметь разный характер. В зависимости от результатов колебательного процесса

разделяем освобождаемую энергию на флюоресцентную, химическую

люминисцентную, излучение типа Х, радиоволны и т.д. Если колебание происходит в

результате столкновений с молекулами, которые характеризуют температуру

вещества, излучение называется тепловым. Излучение имеет двойственный характер.

Его можно характеризовать и как поток частиц (фотонов) и как волну, т.е излучению

присущ корпускулярно-волновой характер. Квантовые (корпускулярные) свойства в

большей мере присущи коротковолновым излучениям, а волновые свойства в

основном, характерны для длинноволновых излучений.

Спектр инфракрасного излучения, так же как и спектр видимого и

ультрафиолетового излучений, может состоять из отдельных линий, полос или быть

непрерывным в зависимости от природы источника инфракрасного излучения.

Возбуждённые атомы или ионы чистых металлов и газов испускают линейчатые

инфракрасные спектры. Например, при электрическом разряде пары ртути испускают

ряд узких линий в интервале 1,014 - 2,326 мкм, атомы водорода - ряд линий в интервале

0,95 - 7,40 мкм. Возбуждённые молекулы испускают полосатые инфракрасные спектры,

обусловленные их колебаниями и вращениями. Колебательные и колебательно-

вращательные спектры расположены главным образом в средней, а чисто

вращательные - в далёкой инфракрасной области. Так, например, в спектре излучения

газового пламени наблюдается полоса около 2,7 мкм, испускаемая молекулами воды, и

полосы с длиной волн 2,7 мкм и 4,2 мкм, испускаемые молекулами углекислого газа.

Большинство твердых и жидких тел имеют непрерывный спектр излучения. При

низких температурах (ниже 800 К) излучение нагретого твёрдого тела почти целиком

расположено в инфракрасной области, и такое тело кажется тёмным. При повышении

температуры доля излучения в видимой области увеличивается, и тело вначале кажется

тёмно-красным, затем красным, жёлтым и, наконец, при высоких температурах (выше

5000 К) - белым; при этом меняется распределение передаваемой энергии на разных

длинах волн, возрастает как полная энергия излучения, так и энергия инфракрасного

излучения

Открытие инфракрасного излучения произошло в 1800 г. Английский учёный

В. Гершель обнаружил, что в полученном с помощью призмы в спектре Солнца за

границей красного света (т. е. в невидимой части спектра) показания температуры на

термометре повышается.

Термометр, помещённый за красной частью солнечного спектра, показал

повышенную температуру по сравнению с контрольными термометрами,

расположенными сбоку.

Было доказано, что инфракрасное излучение подчиняется законам оптики и,

следовательно, имеет ту же природу, что и видимый свет. В 1923 советский физик

А. А. Глаголева-Аркадьева получила радиоволны с длиной волны приблизительно

равной 80 мкм, т. е. соответствующие инфракрасному диапазону длин волн. Таким

образом, экспериментально было доказано, что существует непрерывный переход от

видимого излучения к инфракрасному излучению и радиоволновому и, следовательно,

все они имеют электромагнитную природу.

Некоторые важные законы и определения теплообмена:

• Второй закон термодинамики.

Самостоятельно энергия (тепло) переходит только от тел с более высокой

температурой к телам с меньшей температурой.

• Абсолютно чёрное тело.

Абсолютно чёрное тело полностью поглощает попадающее на него излучение

(его коэффициент черноты ε =1). В действительности нет абсолютно черных тел и их ε

изменяется от 0 до 1 в зависимости от материала вещества и температуры тела.

• Закон Кирхгофа.

В состоянии термодинамического равновесия соотношение плотности потока и

относительной способности поглощения одинаковы для всех поверхностей. Величина

плотности потока излучения абсолютно черного тела зависит только от температуры

тела.

Из этого закона следует, что тела, интенсивно поглощающие энергию, также

интенсивно будут ее излучать.

• Поглощение, отражение, проницаемость.

Если энергия излучения или направленный поток излучения попадает на

поверхность тела, некоторая часть её отражается, некоторая часть проходит через тело,

а часть поглощается.

В общем случае можно записать соотношение :

А + Т + R = 1;

где: А- характеризует поглощение,

R – характеризует отражение,

Т – характеризует прохождение.

Для большинства твердых и жидких тел, которые можно считать практически

непроходимыми для лучей это соотношение имеет вид:

А + R = 1;

Для газов действительно соотношение :

А + Т = 1;

В технической практике значения коэффициентов А, Т, R зависят от разных

факторов , например, от свойств тела, его температуры, длин попадающих на тело

волн и т.д.

В частности, отражение лучистой энергии от поверхности тела зависит от

свойств поверхности тела. Если неравномерность поверхности тела значительно

меньше чем длина волны , такое тело можно считать зеркальным с максимальными

отражающими способностями и наоборот.

• Теплообмен излучением (Закон Стефана-Больцмана).

Основное соотношение теплообмена излучением, определяющее интегральный

поток энергии для всех длин волн выглядит следующим образом:

= δ(T/100)

;

где:

- излучение 1 м

абсолютно черного тела (Вт/м

);

δ - постоянная излучения абсолютно черного тела (5,68 Вт/м

);

Т- температура излучающего тела в К (°С+273).

Закон Стефана-Больцмана в виде:

= ε δ S (Т/100)

основное соотношение теплообмена излучением для практического применения.

Поскольку лучистый теплообмен взаимообусловлен, то и более холодное тело

будет излучать согласно приведенной выше формуле. Теплообмен между двумя телами

равен разности значений излучений обеих тел. В случае двух тел имеющих площади

равные 1 м

и находящихся бесконечно близко друг к другу (облучают только друг

друга) величина теплообмена равняется:

Q = ε

δ (Т

/100)

- ε

δ (Т

/100)

;

Для практических целей (для оценки) теплоотдачу излучающих тел определяем

по формуле :

Q = S

δ(T

/100)

– S

δ (Т2 /100)

где:

Q - результирующая энергия теплообмена двух тел;

, S

- площадь поверхности излучающих тел в м

;

, ε

- коэффициенты эмиссий излучающих тел (степень черноты);

δ - константа равная 5,68 Вт/м

;

- температура поверхности излучающего тела в градусах Кельвина;

- температура среды (помещения в К).

Условие применения соотношения теплообмена излучением при нормальной

температуре в помещении: температура излучающего тела должна быть не менее 150°С

(423К).

Например, энергия переданная излучением при температуре среды +27°С (З00К)

для оксидированной трубы с алюминиевым покрытием (ε = 0,95) длиной 1м, диаметром

Ø= 100 мм (S=0,314 м

) и температурой +400°С (673 К) равняется :

Q = 0,314 х 0,95 х 5,68[(673/100)

- (300/100)

] = 3339 Вт.

Та же труба при +800°С излучает 22322 Вт.

• Между длиной волны максимума излучения и температурой (в градусах

Кельвина) существует строгая зависимость ( закон Вина):

макс

Т=Const=2896 х10

-6

м;

• Распределение энергии излучения по различным направлениям описывается

законом Ламберта:

Количество энергии dE

, излучаемой элементом поверхности dS

в направлении

элемента dS

, равно количеству энергии излучаемой в направлении нормали dЕ

умноженному на величину телесного угла dω и косинуса угла φ между нормалями к

этим элементам:

= dω dЕ

cosφ;

Примечание.

Закон Ламберта точно соблюдается лишь для абсолютно черных тел.

Из закона Ламберта следует, что излучательная способность в направлении

нормали Е

в π раз меньше полной излучательной способности:

= Е/ π=С

ε(Т/100)

/ π;

Согласно закону квадратов расстояний, плотность потока для точечного

источника (источника малых размеров) равняется Е

=Е

где Е

– плотность потока

на расстоянии единицы длины от излучателя.

Для протяженного источника показатель степени r уменьшается от 2 до 0 при

увеличении размеров источника от 0 до бесконечности. В частности, для линейного

источника (размеры источника соизмеримы с расстоянием от источника к

облучаемому объекту) этот показатель степени равен 1.

• Закон Планка устанавливает зависимость спектральной интенсивности

излучения абсолютно черного тела от его температуры Т и длины волны λ.

0λ

=2πС

-5

/(е

С2/(λТ)

– 1);

где:

- постоянная равная 5,944 10

-17

Вт/м

;

- 1,438810

-2

мК.

II.3.2. Отопление излучателями.

Отапливаемый объект

Использование энергии газа 90 %

Энергия газа 100%

Рис.3. Децентрализованный лучистый способ отопления.

Рассмотрим объект тех же параметров, что и в случае применения конвективной

централизованной системы, но предложим для отопления лучистые обогреватели. В

данном случае система отопления будет состоять из децентрализованных источников

энергии, которыми являются излучатели и приёмником энергии, которым являются

элементы здания, станки и сам человек. Энергия вырабатывается на месте

использования и подается в рабочую зону без промежуточных носителей.

Электромагнитная волна передаётся от излучателя окружающей среде практически

прямолинейно с незначительными потерями связанными с абсорбцией и отражениями.

Попадая на предметы и элементы здания, поглощенная веществом энергия волны

преобразуется в тепловую энергию. Таким образом согретые поверхности элементов

здания и предметов в помещении согревают воздух. При этом температура

теплоощущения всегда выше температуры воздуха в объме помещения, так как часть

энергии человек получает не от соприкосновения с воздухом, а посредством

излучением. Чтобы лучше понять данный феномен вспомните один из солнечных

дней проведённых Вами на пляже. Светит ли солнце или оно на короткое время

закрыто тучами температура воздуха практически не успевает измениться. Но как при

этом меняется Ваше ощущение комфортности! Получение или неполучение

определённого количества лучевой энергии мы воспринимаем как изменение

температуры. Это так и есть, если учесть, что в данном случае эффективную

температуру теплоощущения формируют температура воздуха и температура лучистой

добавки. Данный процесс можно описать формулой:

эф

= t

+ t

(°C);

где:

эф

температура теплоощущения человека;

температура воздуха;

добавка к температуре, образованная лучистым потоком, равняющаяся

= I

.0,0716;

где:

- это интенсивность потока, а число 0,0716 - это опытным путем полученная

константа. Согласно этому равенству лучистый поток с интенсивностью 100 Вт/м

образует ощущаемую добавку температуры от излучения в размере 7,16°C.

Это значит, что для результирующей комфортной температуры +18°С при

лучистом потоке 100 Вт/м

, достаточно температуры воздуха в +10,84°С (!!!)

эф

= t

+ I

.0,072;

18°C = t

+ 100(Вт/м

).0,0716(°C*м

/Вт

);

= 18°C – 7,2°C.

Отсюда следует, что температура воздуха будет: t

= 10,8 °C.

11 12 13 14

16 17 18

22 23 24

25 26 27 28 29

30 31 32

33 34 35

°C

H (m)

Sálavé

Teplovzdušné

Рис.4. Распределение температур при конвективном и при лучистом отоплении.

Разница значений температуры воздуха определяет экономию энергии при

отоплении.

II.3.2.1. О зональном и локальном отоплении.

Информация о лучистом отоплении была бы неполной, если бы мы в

достаточной мере не объяснили возможности этого вида отопления, связанные с

обустройством отопления по зонам или даже по отдельным рабочим местам.

Рассказывая о чудо-формуле, которая имеет вид:

эф

= t

+ I

.0,072,

мы должны осознавать, какие возможности для экономии энергии и средств скрыты в

простом физическом принципе, описываемом данной формулой.

Из формулы следует, что, изменяя интенсивность облучения площадей, мы

можем получать различные температуры теплоощущения в разных частях

здания. Естественно, что воздух имеет практически одинаковую температуру во всем

33˚С 16˚С

18˚С 15˚С

14˚С 20˚С

лучистое

тепловоздушное

здании, но участки с большей интенсивностью облучения будут иметь температуру

теплоощущения выше. Это позволяет создать зоны и локальные места с температурой

выше, чем в остальных частях помещения.

Рис.5. Принцип зонального отопления.

II.3.3. Второе - «Э».

(Экономия = экономика).

Первая составляющая экономии – использование децентрализованного принципа

отопления.

Отказ от централизованного отопления экономит финансы потому, что нет

затрат на:

- подготовку воды,

- изготовление и обслуживание теплотрасс,

- ремонты теплосетей,

- заработную плату,

- потери тепла и теплоносителя при транспортировке,

- на амортизацию здания котельной,

- оплату прибыли поставщика тепла и т.д.

Вторая составляющая экономии

– экономия за счёт различия в физических принципах

отопления.

- обогреваются предметы и человек, а не воздух;

- более равномерным способом распределена температура по всей высоте

отапливаемого объекта.

Третья составляющая экономии

– возможность применения зонального и локального

отопления.

Четвертая составляющая экономии - безинерционность лучистой системы отопления.

- достижение необходимой температуры после утреннего запуска настаёт

довольно быстро - примерно за 10-30 минут. По истечении этого времени на рабочем

месте устанавливается глобальный температурный комфорт.

Пятая составляющая экономии – возможность управлять отоплением c учётом

изменения внешней температуры, что очень важно в переходные времена года осень -

зима, зима - весна). При наличии специальных систем управления, учитывающих

особенности отопления, именно в эти периоды лучистое отопление позволяет

экономить до 60-80% энергии по сравнению с централизованным конвективным

способом отопления.

Класический способ отопления:

- одна зона отопления

Отопление инфраизлучателями:

- нескольких зон

II.3.4. Преимущества отопления.

Возможно не удастся избежать некоторых повторений уже сказанного, но когда

идёт разговор о преимуществах лучистого способа отопления, эти повторения не

должны испортить строгость подачи материала. Итак, подведем итог под некоторыми

известными фактами и приведем новые.

Поскольку рабочая (обитаемая) зона производственных зданий составляет

примерно 20% их общего объема, именно здесь целесообразно поддерживать

комфортные условия. Нагрев остальных 80% воздуха в помещении до температуры

комфорта следует отнести к прямым потерям. Поэтому преимуществом лучистого

отопления является:

- более низкая по сравнению с конвективным отоплением температура

воздуха вне обитаемой зоны;

- малый градиент температур, равняющийся 0,1-0,3 ºС/м (по сравнению с

конвективным отоплением, у которого градиент температуры внутри здания

может составлять до 1,5 ºС/м).

Рассматривая режим работы предприятий в течение суток и дней недели, при

условии двухсменной работы, мы получим, что за отопительный сезон, который в

Восточноевропейских странах продолжается примерно 4560 часов, рабочее время

составляет около 2100 часов (46%). Лучистое отопление позволяет нам обеспечить

экономию, связанную с потреблением энергии только в рабочее время.

Суточное колебание наружной температуры в Восточноевропейских странах

часто достигает 12-15ºС. При таких колебаниях значительно повышается роль

управляемости самой системы отопления, а также важность использования правильно

сконструированной и хорошо программируемой системы управления. Ведь,

работа службы главного энергетика по переводу (как правило ручному) системы

конвективного отопления в дежурный режим сложна, малоэффективна и небезопасна,

т.к. невозможно обеспечить точное соблюдение режима работы в зависимости от

изменившихся внешних и внутренних условий, а при резком понижении температур,

например, можно разморозить систему.

Лучистая система позволяет:

- отапливать с учетом изменения внешней температуры;

- избежать размораживания системы.

Можно указать на другие преимущества:

- на рабочих местах обеспечивается тепловой комфорт потому, что

температура воздуха на полу на 2-3°С выше, чем на высоте 1,7 м над

полом;

- в случае лучистого отопления нет движения масс воздуха и пыли;

- лучистое отопление значительным способом участвует в охране

жизненной среды тем, что экономит топливо, а также тем, что газ

является самым экологическим топливом;

- исключены потребление и подготовка воды;

- опыт показывает сокращение расходов на ремонт и обслуживание в

размере 95%;

- не существует косвенных затрат на отопление, связанных с

транспортировкой пепла, других твёрдых продуктов сгорания, затрат на

свалку и штрафов за загрязнение окружающей среды;

- лучистая система, по сравнению с тепловоздушной, создаёт

минимальный шум, а в некоторых случаях практически его не

имеет;

- управление лучистым отоплением с помощью специализированной

микропроцессорной СУ приводит к тому, что люди даже не замечают,

что отопление включено, в отличие от тепловоздушного отопления, при

котором имеются жалобы на значительный тепловой дискомфорт,

сквозняки, пыль;

- благодаря тому, что излучатели размещаются в верхних частях

помещения и не занимают активную площадь пространства

производственного помещения, монтаж и ремонт излучателей не

нарушают рабочий цикл в цеху;

- газопровод не требует дорогой теплоизоляции в отличии от систем

подачи воды или пара;

- при применении лучистых систем отопления в сравнении с

центральным конвективным отоплением уменьшаются :

• капитальные затраты в 1,5-2 раза;

• металлоёмкость в 4-5 раз (например, подводка газа к

излучателям требует одной трубы, а не двух как при

паро-водяном конвективном отоплении и т.д.);

• эксплуатационные расходы в 3-5 раз;

• при зональном обогреве капитальные вложения

уменьшаются по сравнению с централизованным

отоплением в 3,5 раза.

Для того, чтобы расставить все точки над «і» привожу таблицы, показывающие

затраты на выработку энергии при использовании центральной котельной,

автономной котельной и лучистой системы отопления.

Примечание: Данный материал публиковался в Интернете со ссылкой на проведенные

экспериментальные измерения.

Табл.1. Показатели затрат для разных систем отопления.

Удельные показатели ИК- отопление Центральное отопление

Ср. часовой расход тепла ккал. 338 1337

Макс. часовой расход тепла,

ккал.

731 2872

Средний расход газа, м

/ч 0,042 0,168

Табл. 2. Удельные затраты на обогрев 100 м

объема здания высотой 8 м.

Показатели

Централизованная

котельная

Автономная

котельная

Инфракрасное

отопление

Затраты на 1 Гкал, дол. США:

единовременные затраты 80 000 – котельная

8 000 – теплотрасса

100 000 70 000

эксплуатационные расходы 5 000 – теплотрасса

9 000 – котельная

10 000 10 000

средние затраты в расчете на

год, исходя из срока службы

оборудования

18 000 15 000 12 800

КПД – теплового транзита:

- теплотрассы

- установки

- суммарный

0,8

0,9

0,72

0,9

Затраты на 1 Гкал с учетом

КПД (средние в расходе на

год, исходя из срока службы

оборудования), дол. США.

26 100 16 700 12 800

Коэффициент гибкости ис-

пользования оборудования

1 1,5 >3

Срок окупаемости обору-

дования по фактическим

проектам, лет

4-5 3-4 1,5-2

Срок службы, лет 20 – котельная

10 – теплотрасса

20 25

II.3.5. Недостатки отопления.

Лучистая отопительная система не может быть использована в таких

помещениях, где есть опасность возникновения взрыва или пожара (категории «А» и

«Б», а применение в категории «В» требует согласования в соответствующих

органах).

Ответ на вопрос о других недостатках отопления невозможно сформулировать

однозначно. Более правильно формулировать вопрос как соответствие (любое)

отопительной системы конкретному объекту с заданными параметрами.

Поскольку именно неправильный выбор и неправильное проектирование

отопительной системы в большинстве случаев позже воспринимается как недостаток

лучистой системы, мы будем данной теме уделять пристальное внимание с точки

зрения теплотехнических расчетов, правильности применения тех или иных

излучателей, систем управления (СУ) и с точки зрения ожидаемых результатов от

внедрения лучистой системы отопления.

II.4. Характеристика лучистых газовых отопительных приборов.

II.4.1. Светлые газовые инфраизлучатели. Краткое описание.

Светлые излучатели представляют собой разновидность инжекционных

горелок, расчитанных на работу с коэффициентом избытка воздуха α=1,05-1,1, что

обеспечивает стандартную полноту сгорания газа. При нормальной эксплуатации

горелок в продуктах сгорания обнаруживаются только следы угарного газа СО и

небольшие концентрации окислов азота NO

. Газ, выходя с большой скоростью из

сопла, инжектирует необходимое для сгорания количество воздуха и вместе с

воздухом, поступает в смесительную камеру. При этом происходит интенсивное

перемешивание воздуха с газом. Из распределительной камеры, полностью

подготовленная для сгорания смесь через отверстия керамического излучающего тела

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 40-60 сек нагревается до температуры +850-

1200ºС (+1123-1473К). Поверхность излучающих пластин становится мощным

источником теплового (инфракрасного) излучения. В зависимости от конструкции

керамических плиток и их температуры лучистый КПД составляет 40-65% от тепловой

мощности излучателя.