Молька В. Три Э в отоплении промышленных зданий
Подождите немного. Документ загружается.
41
II.5.3.1. Третье «Э».
Чтобы снизить уровни эмиссий NO
x
при сжигании природного газа,
пользуются несколькими способами, которые влияют на условия сжигания. Сутью
данных способов является понижение температуры пламени и температуры самой
камеры сгорания , а также сокращение времени пребывания воздуха в пространстве
высоких температур.
Для понижения температуры факела пламени одним из самых эффективных
способов является рециркуляция отработанных газов, которая, кроме понижения
температур, вызывает также понижение парциального давления кислорода – оба эти
фактора подавляют образование NO
x
. Данный принцип применяется в горелках типа
«Е». Для понижения температур применяется ещё один способ, когда в область самых
высоких температур (в трубе со стороны факела) вкладываются охлаждающие пламя
металлические конструктивные элементы. Один конец данного элемента находится в
области максимальных температур, а другой вне факела. Тепло распространяется
вдоль металлического элемента и уводится за пределы факела. При использовании
комбинации из трех факторов, а именно: рециркуляции отработанных газов, наличия
отводящего тепло элемента и головки горелки, изготовленной из специального
алюминиевого сплава, можно получить NO
x
на уровне 65 мг/м
3
, при наличии СО в
размере 3 мг/м
3
.
Рекуперация применяется для увеличения температуры воздуха смешиваемого с
газом. Более нагретые молекулы воздуха имеют большую вероятность
соприкосновения с молекулами газа. Это приводит к понижению уровня СО в эмисиях.
Оба физических принципа в итоге приводят к экономии финансовых средств
пользователя.
42
III. Информация, полезная при проектировании, покупке,
монтаже, настройке и эксплуатации излучателей.
Вопросы, затрагиваемые в этой главе:
- как расчитать теплопотери объекта и мощность инфраизлучателей?;
- при каких параметрах зданий и при каких условиях лучистое отопление
конкурентно и при каких его применениене не выгодно;
- предварительная оценка теплопотерь;
- уравнения расчета;
- механизмы теплопотерь;
- теплопотери инфильтрацией (пример расчета);
- примеры теплотехнических расчетов;
- коэффициенты теплопотерь элементов зданий;
- часто встречающиеся ошибки проектантов.
В следующей части шаг за шагом опишем путь, который необходимо пройти от
принятия решения по покупке излучателей до их успешной, долгосрочной
эксплуатации.
Рассмотривать данную тему будем моделируя реальное развитие событий,
отвечая при этом на важные вопросы, которые позволят избежать ошибок.
Последовательность шагов от принятия решения по использованию инфракрасных
обогревателей до их эксплуатации следующая:
- выполнение теплотехнических расчетов;
- выбор подходящего оборудования (сравнение отопительного оборудования
по техническим данным, по параметрам и качеству комплектующих, по
возможностям внешних системы управления микроклиматом, по условиям
поставки, по цене, по гарантийным обязательствам и прочее);
- разработка, оформление и утверждение проектной документации;
- выполнение общестроительных работ;
- покупка оборудования;
- выполнение монтажа;
- выполнение требований к эксплуатации;
- выполнения мероприятий по сбережению выработанного тепла.
Последовательность шагов может несколько отличаться, но для получения
максимального эффекта от внедрения лучистого отопления желательно соблюдать
приведенные рекомендации.
III.1 Рассчёты.
III.1.1. Введение в расчеты.
При принятии решения о использовании и в расчётах необходимо учитывать,
что:
• Инфракрасные излучатели особенно экономно отапливают большие
помещения, если их высота не менее 6 м и ширина (меньший размер,
ограничивающий площадь помещения) равен или больше, чем трехкратная
высота. При этом необходимо заметить, что независимо от размеров
отопление промышленных и других помещений большого объёма газовыми
инфракрасными излучателями выгоднее, чем другим оборудованием.
Исключением являются случаи низких (ниже 6 м), хорошо изолированных
помещений, когда децентрализованное тепловоздушное отопление является
43
конкурентноспособным вариантом лучистого отопления. В особенности,
если это газовое тепловоздушное оборудование.
• Излучателями возможно выборочно отапливать зоны (значительные части
площадей всего помещения) и отдельные локальные места.
• В полной мере преимущества излучателей проявляются, когда коэффициент
теплопроводности конструкции зданий не менее К=1,16 Вт/м
2
˚C. Данное
утверждение не означает, что при К<1,16 Вт/м
2
˚C лучистое отопление
неэффективно, а лишь подчёркивает при этих условиях в качестве
альтернативного отопления возможно рассматривать децентрализованное
тепловоздушное или комбинированное лучисто-конвективное отопление
(например, супертемные излучатели).
• Особенно экономичным бывает лучистый способ отопления при
ограждающих поверхностях здания с коэффициентом теплопотерь не более
К=2,3 Вт/м
2
˚C.
Примечание: Определение диапазона наиболее благоприятных технических
параметров помещения в зависимости от коэффициентов теплопотерь
элементов конструкций здания, указывает на условия получения особо
эффективного использования результатов применения лучистых
обогревателей.
• В случае принудительного воздухообмена в промышленных зданиях с
коэффициентом воздухообмена от h
-1
>3 , а в отдельных случаях и при
меньших значениях, не нарушая гигиенических требований нельзя
обеспечить отопление только инфракрасными обогревателями. В таком
случае лучше всего применять комбинированные конвективно-лучевые
системы отопления.
III.1.2. Предварительная оценка теплопотерь одноэтажного объекта.
Для упрощенной оценки теплопотерь объекта и необходимой компенсирующей
эти потери общей мощности лучистой системы отопления в условиях Украины
возможно воспользоваться следующей таблицей:
Мощность на 1м
3
объема помещения при t
i
=18°С и t
э
= -20°С
Цеха очень
хорошо
утепленные,
двойные окна,
ворота с
тамбуром
Цеха менее
утепленные,
двойные окна,
ворота внешние
Цеха не
утепленные,
простые окна,
металлические
ворота
Цеха не
утепленные
Отапливаемый
объем в м
3
Вт/м³ Вт/м³ Вт/м³ Вт/м³
0-100 63 79 95 Лучше выбрать
локальный
обогрев
-500 45 56 68 -//-
-1000 37 46 55 -//-
-2000 28 32 39 -//-
-5000 23 29 35 44
-10000 19 23 29 35
-15000 18 22 27 33
Таблица 4. Теплопотери объекта при отоплении излучателями в зависимости от его
теплотехнических параметров и объема.
44
Общие теплопотери и общая необходимая устанавливаемая мощность для
помещения определяется умножением объема помещения на расходуемую тепловую
мощность для обогрева 1 м
3
помещения (Вт/м
3
)
Примечание 1: Данные в таблице исходят из значения внешней температуры -20ºС и
внутренней температуры +16ºС. В случае других значений температур необходимо
сделать коррекцию согласно формулам расчета теплопотерь.
Примечание 2: таблица служит для целей предварительной оценки и не может
заменять теплотехнический расчет!
III.1.3. Уравнения расчета теплопотерь объекта.
При отоплении помещений больших объемов по всей площади предполагается,
что средняя температура стен и потолка приблизительно равняется температуре
воздуха внутри помещения и, что внутренний воздух в рабочей зоне (зоне нахождения
людей) обогревается прежде всего за счет конвективной передачи тепла от пола, стен и
предметов, находящихся под облучением.
Интенсивность облучения площади пола q, необходимая для достижения
результирующей температуры t
k
, вместе с двумя другими неизвестными величинами –
t
в
-температурой внутреннего воздуха и t
с
– температурой пола под излучением,
расчитывается из системы трех линейных уравнений ( уравнение теплового баланса
площадей под облучением, уравнением теплового баланса внутреннего воздуха и
уравнением теплового комфорта человека). Конечный вид этих уравнений следующий:
(8+Λ
c
)t
c
-8t
в
-q- Λ
c
t
zc
=0;
3.5t
c
-(3,5+0,3V/S
c
)t
в
+0,31V/S
c
t
е
=0;
0,25t
c
+0,75t
в
+0,11qφ
t
/φ
c
-t
k
=0,
где:
Λ
c
- теплопроводимость пола (при условии отсутствия подвальных помещений под
полом, Λ
c
=1/Σ(d/λ), где : λ - теплопроводимость материалов пола, d-толщина отдельных
слоев пола);
V-объемное количество воздухообмена;
t
c
- поверностная температура пола (на облучаемой поверхности);
t
в
-температура внутреннего воздуха;
t
zc
-температура на внешней стороне пола (температура грунта под полом);
t
е
-внешняя температура для данного региона согласно СНИП (или ДБН);
t
k
-требуемая заданная температура в объекте;
qφ
t
/φ
c
-интенсивность облучения человеческого тела (т.е тепловая энергия, которая
передается прямо от излучателя человеческому телу. Величины φ
t
и φ
c
получаем из
специальных диаграмм).
Упрощённый практический рассчёт тепловой мощности излучателей с помощью
решения трёх линейных уравнений действителен если:
• Коэффициент теплопотерь необлучаемых стен и потолка : k <2.3 Вт.м
-
².К
-1
;
• Инфраизлучатели подвешены под потолком;
• Суммарное время отопления больше 4 часов в сутки;
Если не выполнены вышеперечисленные предпосылки, необходимо увеличить
плотность потока
q (Вт.м
-2
) за счёт добавок мощности р
1,
р
2
, р
3,
р
4.
Добавки вводятся для:
а) компенсации влияния холодных стен:
р
1
=10% для 2,3 < к < 3,5 (Вт.м
-2
К
-1
);
р
1
=20% для к>3,5 (Вт.м
-2
К
-1
);
б) компенсации подвески на стене с наклоном излучателя по отношению к полу
р
2
=10%;
45
в) на ускорение растопки (в случае непрерывного отопления эта добавка не
используется):
р
3
=20% для больших объемов;
р
4
=40% для локального отопления.
Для понимания того как правильно обустроить отопление необходимо описать
и другие факторы, влияющие на устанавливаемую мощность излучателей в помещении
(например, наиболее важные из этих факторов абсорбционные потери и потери на
рассеивание):
III.1.4. Абсорбционные потери.
Тепловое излучение не нагревает воздух, а, проникая сквозь него, передает
тепло непосредственно предметам и человеку. Трехатомные газы (например, СО
2
, Н
2
0
и т.д.), а также пыль и аэрозоли поглощают часть излучения. Поглощение в первую
очередь зависит от расстояния обогреваемого объекта до излучателя, от состава и
степени запыленности воздуха, а также от длины волны. Поглощение слоем воздуха
определяет потери на абсорбцию, величина которой практически колеблется в пределах
3-6%. Значение абсорбционных потерь для различных помещений, зависят от характера
производства. Например, если лучистая мощность излучателя равняется 22 кВт, а
воздух в помещении средней степени загрязнённости и поглощение мы оценили в 4%
(4% энергии используется как конвективное тепло), то полезное тепло, переданное
излучением, будет меньше на 4%, т.е. будет 22 х 0,96=21,12 кВт.
III.1.5. Потери на рассеивание.
Излучение от нагретого тела подобно свету распространяется прямолинейно, т.е.
точку, из которой наблюдатель видит излучающее тело, излучающее тело также
«видит» ( в таком случае наблюдатель будет находиться под облучением). Можно
отметить следующее, если с ограничивающих плоскостей конструкции здания видно
излучающее тело, очевидно, что определенная часть излучения попадет на эти
плоскости.
Менее очевидна доля вторичного излучения, попадающего на ограничивающие
поверхности. Часть излучения отражается от тел, попадающих под облучение.
Отраженные лучи снова попадают на некоторое тело, откуда их определённая часть
снова отразится. Процесс напоминает затухающую систему. Наиболее полезная часть
излучаемой энергии - тепло, поглощенное полом, которое и есть причиной
характерного теплого пола, а также тепло, поглощённое окружающими предметами и
попадающее на людей. Потери на рассеивание, в первую очередь – это доля излучения,
попадающего на ограничивающие конструкции здания, выше зоны пребывания людей.
Величина этой доли зависит, в основном, от расположения излучателей, угла его
наклона по отношению к полу, конструкции отражателя лучистого обогревателя,
геометрии объекта и отражающих свойств среды.
Излучение, попадающее на ограничивающие поверхности выше зоны обитания
людей , считается потерями с точки зрения лучистого отопления, но не с точки зрения
конвекции. Потери на рассеивание тем больше, чем меньше коэффициент поглощения
среды. (Если, например, пол масляный или бетонный, а предметы темного цвета, то
коэффициент поглощения относительно высокий, а потери, связанные с отражением,
относительно низкие и наоборот, если пол покрыт металлическими решетками
(пластинами и т.д) или покрашен светлыми красками его отражающие свойства
увеличиваются, а поглощение лучей уменьшается).
При большой относительной высоте помещения (высота здания больше 1/3
ширины в одном из направлений), потери на рассеивание увеличиваются.
На практике потери на рассеивание составляют 10 – 20%. В крайних случаях
возможно отклонение на несколько процентов. В больших по площади и низких
помещениях потери на рассеивание могут снижаться до 10%, и, наоборот , для высоких
и узких помещений – повышаться до 20%. Автору неизвестно существует ли методика
точного определения потерь на рассевание. Поэтому ограничимся вышеприведенным
диапазоном значений и общими принципами оценки.
46
В любом случае, исходя из выше сказанного, потери можно определить с
достаточной степенью точности, которая будет находиться в пределах погрешности
расчетов.
Например, в помещении с бетонным полом высотой 8 м и шириной 36 м потери
можно принять за 10%. Если излучаемое тепло 50 кВт, то полезное излучение будет
составлять:
50 х (1 - 0,10) = 45 кВт.
Для оценки условий в зданиях, с точки зрения поглощения и отражения лучей,
необходимо знать свойства материалов конструкций и оборудования. Ниже по тексту
приводится таблица отражающиъ (поглощающих свойств некоторых материалов.
III.1.6. Теплопотери инфильтрацией.
При естественном воздухообмене инфильтрацией объемный поток воздуха V
vp
определяется из соотношения:
V
vp
=Σ(I
LV
.L).B.M,
где:
Σ(I
lv
.L) - сумма воздухопропускных способностей окон и внешних дверей (м
3
.s
-1
.Pa
-0,67
);
I
lv
-
коэффициент воздухопропускной способности (м
3
.s
-1
.м
-1
Pa
-0,67
);
L – длина щелей, открывающихся частей окон и внешних дверей, а также щелей между
стеклами и рамами;
В – число, характеризующее здание (Pa
-0,67
);
М - число характеризующее помещение (-);
Таблица 5. Коэффициент воздухопропускной способности окон и внешних дверей.
Тип окон и дверей Коэфициент воздухопропускной способности I
(м
3
. s
-1
.м
-1
Pa
-0,67
)
Деревянные или Простые 1,9.10
-4
пластмассовые Двойные 1,4.10
-4
Сдвоенные 1,2. 10
-4
Из прессованого или
Металлические Из согнутого профиля прокатного металлопрофиля
окна (хорошая плотность)(очень хорошая плотность)
Простые 2,4. 10
-4
0,9. 10
-4
Двойные 2,4. 10
-4
0,9. 10
-4
Сдвоенные 2,1. 10
-4
0,7. 10
-4
Внешние Не утепленные 3,6. 10
-4
входные двери Утепленные 1,9. 10
-4
Табл.6. Коэффициент характеризующий здание.
Коэффициент помещения В
в (Ра
0,67
)
Местность
Местонахождение
помещения
Скорость
ветра
(м/с)
Групповая
застройка
Отдельно стоящие
здания
Нормальная
местность
Защищено
Не защищено
Очень неблагоприятно
4
6
8
3
6
9
4
8
12
Местность с
интенсивными
ветрами
Защищено
Не защищено
Очень неблагоприятно
6
8
10
6
9
12
8
12
16
47
Табл.7. Коэффициент помещения М.
Значение суммы
Σ (I х L)
Коэффициент
помещения
Внутренние
двери (ворота)
(м
3
.s
-1
. Pa
-0,67
) М
Неутепленные без порогов
1
2
3
<30.10
-4
30-50. 10
-4
>50. 10
-4
<60.10
-4
60-100. 10
-4
>100. 10
-4
<90.10
-4
90-150.10
-4
>150.10
-4
0,7
0,5
0,4
0,7
0,5
0,4
0,7
0,5
0,7
Утепленные с порогами
1
2
3
<15.10
-4
15-25. 10
-4
>25. 10
-4
<30.10
-4
30-50. 10
-4
>50. 10
-4
<45.10
-4
45-75.10
-4
>75.10
-4
0,7
0,5
0,4
0,7
0,5
0,4
0,7
0,5
0,7
III.2. Примеры расчетов.
III.2.1. Пример расчета воздухообмена инфильтрацией в помещении.
Помещение имеет следующие параметры :
• высота 8 м, длина 50 м, ширина 18 м;
• остекление окон 200 м
2
(окна одинарные, металлические из прокатного
уголка, высота окон 2 м, размеры стекол 100 см (в) х 50 см (ш);
• ворота: 4 х 6 м металлические (без порога не утепленные) – 2 шт.
Здание отдельно стоящее на местности с сильными порывистыми ветрами,
ничем не защищено.
Рассчёт.
Объем помещения равняется 7200 м
3
.
V
vp
=Σ(I
LV
.L).B.M;
V
vp
=((0,9х 10
-4
х1200)+3,6х 10
-4
(4+6+4+6)х2))х12х0,7=
(1224)х10
-4
х12.0,7=1,03 (м
3
/сек)
Примечание: в скобках приводится общая длина соприкосновения стекол и рамы окон
(общая площадь остекление окон 200 м
2
, площадь одного окна 100 см х 50 см = 0,5 м
2
48
т.е таких окон 400 шт, длина соприкосновения стекла и рамы у одного окна
((50+100+50+100)см=3м), а также идентичные данные для дверей.
Инфильтрация воздуха за час:
V= 1,03 м
3
/сек* 3600сек=3708 м
3
Коэффициент воздухообмена инфильтрацией: h
-1
=3708м
3
/7200 м
3
=0,52
III.2.2. Пример теплотехнических расчетов.
Сегодня для теплотехнических расчетов лучше всего применять специальные
компьютерные программы. В большинстве случаев фирмы – изготовители предлагают
свои программы для расчета теплопотерь объекта и для определения устанавливаемой
мощности обогревателей. Предварительную оценку теплопотерь обьекта при
отоплении ИК-обогревателями можно делать с помощью приведенной выше таблицы
№ 4.
Если под рукой нет таблицы и программы можно использовать следующий
метод расчёта. Для наглядности выберем гипотетический объект и расчитаем
устанавливаемую мощность, а также климатические параметры внутри помещения.
Основные параметры объекта:
• ширина цеха - 18м, длина - 50 м, высота - 8 м (площадь пола S = 18 х 50 =
900м
2
, объем 900 х 8 = 7200 м
3
);
• внешняя температура согласно СНИП: -20°С, эффективная температура
(температура тепловосприятия): +18°С;
• стены из бетона толщиной 0,25 м, крыша прямая из бетонного перекрытия
толщиной 0,1 м, пол бетонный: 0,5 м;
• площадь одинарных окон 200 м
2
;
• ворота размером 4х6 м , металлические, не утепленные, без порога в
колличестве – 2 шт;
• фонари отсутствуют.
Коэффициенты теплопотерь расчитываются, исходя из известной
формулы К=1/(1/α
ί
+Σd
n
/λ
n
+1/α
е
), где :
Σd
n
/λ
n
– тепловое сопротивление стены (м
-2
К.Вт
-1
);
d
n
- толщина ограничивающей плоскости (м);
λ
n
-удельная теплопроводность материалов отдельных слоев ограничивающей
плоскости (Вт.м
-1
К
-1
);
α
ί
- коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны стены (=8 Вт.м
-2
.К
-1
);
α
е
- коэффициент теплоотдачи с внешней стороны стены (=23 Вт.м
-2
.К
-1
) .
Для упрощения процедуры расчёта воспользуемся таблицей коеффициентов
теплопотерь элементов зданий.
49
Табл.8. Коеффициенты теплопотерь элементов зданий.
Примечание: В данной таблице приводятся значения К для конвективного отопления.
При лучистом отоплении данные коэфициенты могут несколько отличаться в связи с
изменением скорости воздуха внутри помещения. Автор не имеет точных значений
коэфициента К для этого случая и предлагает пользоваться данной таблицей и при
проектировании систем лучистого отопления.
Подставив соответствующие значения в формулы и оформив промежуточные
результаты в виде таблицы получим следующую информацию:
Тип окон и дверей Коэффициент К
(W.m
-2
.K
-1
)
Деревянные или
пластмассовые
Простые
Простые с двойным стеклом:
• Расстояния между стеклами
меньше 10 мм
• Расстояние больше чем 10 мм
сдвоенные
двойные
5,2
3,7
3,3
2,9
2,7
Металлические Обычные
Простые с двойным стеклом
• Расстояния между стеклами
меньше 10 мм
• Расстояние больше чем 10 мм
сдвоенные
двойные
7,0
4,7
4,2
4,0
3,7
Внешние окна
Застекленные
стены
Простые
Двойные
7,0
4,0
Внутренние окна Деревянные Простые
Двойные
3,5
2,3
Деревянные
Пластмассовые
Входные
Балконные простые
с простым стеклом
Балконные простые
с двойным стеклом
Балконные двойные
с простым стеклом
7,0
4,7
4,2
4,0
Внешние двери
Металлические Без стекла
С простым стеклом
С двойным стеклом
3,7
7,0
4,0
Внутренние
двери
Деревянные 2,3
Металлические
ворота
7
50
Элементы конструкции
и процессы, влияющие на
теплопотери
Длина Высота k
S (m
2
)
∆ T (°C) Qp (W)
Σ
теплопоте
рь
Наружняя стена 1
18 8 3,36 144 38 18386
Наружняя стена 2 18 8 3,36 144 38 18336
Наружняя стена 3 50 8 3,36 400 38 51072
113 330 W
Наружняя стена 4 50 4 3,36 200 38 25536
Наружняя стена 5 0 0 0 0 0 0
Длина Высота k Te
*
S (m
2
)
∆ T (°C)
Qp (W)
Внутрен. стена 1
0 0 0 0 0 0 0
Внутрен. стена 2 0 10 0 5 0 0 0
Внутрен. стена 3 0 10 0 5 0 0 0
0 W
Внутрен. стена 4 0 0 0 0 0 0 0
Внутрен. стена 5 0 0 0 0 0 0 0
Длина Высота
Количе-
ство
k
S (m
2
)
∆ T (°C)
Qp (W)
Окна
50 4 1 5,7 200 38 43320
Ворота 6 4 2 3,7 48 38 6749
43 320 W
Крыш.фонари
0 0 0 7 0 42,9 0
Ширина
Д
лина k
S (m
2
)
∆ T (°C) Qp (W)
Крыша
18 50
Λ
4,65 900 41 171585
Пол 18 50 0,67 0,53 900 34 16218
187 803 W
ρ (kg.m
3
)
c (J.kg
-1
.K
-
1
)
h
-1
P (m
3
)
∆ T (°C) Qp (W)
Воздухообмен
1,004 1,353 0,5 7200 38
148664
185830 W
Теплопотери объекта
530283W
Табл. 9. Пример расчета теплопотерь объекта.
Из таблицы видно,что общие теплопотери равняются 530283 Вт. Теплопотери
объекта в пересчете на 1ºС = 530283/38 = 13,95 (кВт/ºС).
Для получения нужной температуры теплоощущения необхлдимо
компенсировать эти теплопотери установленной мощностью обогревателей.
Для расчета необходима инфомация о лучистом КПД обогревателей,
абсорбционных потерях и потерях на рассевание.
Из ТУ обогревателя известно лучистый КПД излучателя - 60%.
Абсорбционные потери (здание средней высоты, относительно чистый воздух)
оценим как равняющиеся 4%.
Потери на рассеивание - 15% (здание средней высоты, пол тёмный бетонный,
площадь плотно укомплектованна станками).
Полезно используемая часть лучевой энергии (вклад излучения в отопление)
равняется: 1 х 0,60 х (1-0,04) х (1-0,15) = 0,49 (т.е. 49 %).