Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Оптимизация использования газа в излучающих горелках

Авторы:

Г. П. Комина, профессор кафедры теплогазоснабжение и вентиляции,

А. Г. Жданова, аспирант кафедры теплогазоснабжение и вентиляции

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

В работе рассматриваются особенности отопления крупногабаритных помещений с использованием темных газовых инфракрасных излучателей, повышение коэффициента полезного использования газа, а также использование остаточного тепла продуктов сгорания для нагрева воды на технологические нужды завода.

Ключевые слова: излучатель, теория лучистого отопления, газовый, инфракрасный, отопление лучистое.

При проектировании крупногабаритных помещений часто возникает вопрос о выборе наиболее эффективной и экономически выгодной системы отопления. Одним из современных методов решения этой проблемы является система лучистого отопления на базе темных инфракрасных газовых излучателей. Существенная экономия средств достигается в процессе эксплуатации данной системы, однако можно повысить коэффициент полезного использования газа за счет утилизации теплоты продуктов сгорания на выходе из горелки. Примером может быть система лучистого отопления цехов крупного промышленного предприятия СПб. В одном из цехов завода применена система инфракрасного отопления с помощью излучателей фирмы PENDER c газовой горелкой WG 30 номинальной мощностью Q_Г = 350 кВт. Система отопления расположена под потолком цеха на высоте 11 метров, работает в автоматическом режиме, поддерживая на рабочих местах комфортную постоянную температуру. Рассмотрим зависимость КПД и КПИ (коэффициент полезного использования газа) лучистого отопления в зависимости от габаритов помещения, места расположения излучающих трубок и устройств газовых горелок.

Рис. 1. Газовый инфракрасный «темный» излучатель фирмы ADRIAN SA

При отоплении газовыми инфракрасными излучателями полезной частью является излучение, попадающее непосредственно на пол, окружающие предметы и людей, находящихся в рабочей зоне. При этом потерями на рассеивание считаются потери, связанные с попаданием части излучения на ограждающие конструкции выше зоны пребывания людей. Величина этих потерь зависит от расположения излучателей, высоты их установки и угла наклона, конструкции отражателей и отражающих свойств среды, находящейся под облучением:

— при высоте помещения, составляющей больше 1/3 ширины в одном из направлений, потери на рассеивание увеличиваются. На практике потери на рассеивание составляют 10–20%.

— различают два основных типа газовых излучателей. Это «темные» излучатели и «светлые» (или «красные») излучатели. В нашем случае использовались горелки с темными излучателями, поэтому будем рассматривать только эти горелки.

Первый тип горелок с темными излучателями изображен на рис. 1.

В горелках этого типа сгорание газовоздушной смеси происходит внутри металлической трубы, которая и является излучающим элементом. Температура излучающей поверхности у данного типа не превышает 600 °С. Этот тип излучателей имеет газогорелочный блок с принудительной подачей воздуха на горение и отводом продуктов сгорания с помощью вентилятора в атмосферу.

Рис. 2. Модель «темного» излучателя «novoSchwank» компании Schwank (коэффициент излучения 52%)

Рис. 3. Модель «calorSchwank» компании Schwank

Обычно применяют одиночные или спаренные каналы U-образной формы, закрытые сверху рефлектором, покрытым изоляцией. Такое спаренное расположение нагретых труб обеспечивает равномерное температурное поле по всей длине излучателя. Конструкция «супертемных» излучателей похожа на конструкцию «темных» излучателей. Основным отличием является наличие более мощной горелки, мощность которой может достигать нескольких сотен кВт. Излучающие трубы имеют больший диаметр, а их длина может достигать сотен метров. «Сверхтемные» излучатели можно устанавливать на высоте 4 м.

В среднем КПД лучистой составляющей для большинства моделей «темных» излучателей не превышает 55…60 %. На рис. 2 представлен подобный тип излучателей.

Для увеличения лучистого КПД в «темных» излучателях используют рефлекторы различной конструкции и различной тепловой изоляцией для уменьшения конвективной составляющей. Совершенствуют выпускающие фирмы сами горелочные устройства. Благодаря применению инновационных технологий сгорания, высококачественной теплоизоляции и комбинации различных материалов, улучшающих характеристики рефлектора и излучающей трубы, компании Schwank удалось достичь значений лучистого КПД 70,2% в модели излучателя calorSchwank (см. рис. 3). Эти данные были получены компанией Schwank при проведении испытания горелок в лаборатории по стандартам, принятым в Германии согласно DIN EN 416-2.

Рис. 4. Модель горелки WG30 компании Weishaupt

Рис. 5. Схема сравнения параметров оборудования «темных» газовых излучателей компании Schwank

Общий КПД и КПИ излучателя зависит от количества теплоты, выбрасываемой с отработанными газами. У «темных» и «сверхтемных» излучателей предусмотрен организованный отвод продуктов сгорания на улицу. В зависимости от конструкции этих излучателей общий КПД может варьироваться в пределах 55–78%.

Схема для сравнения параметров оборудования «темных» газовых излучателей компании Schwank представлена на рис. 5.

В некоторых конструкциях воздух на горение забирается снаружи (горелки фирмы Schulte). При этом воздухозаборная труба располагается внутри трубы для удаления дымовых газов наружу. Это позволяет максимально утилизировать тепло дымовых газов.

Рис. 5. Схема сравнения параметров оборудования «темных» газовых излучателей компании Schwank

Фирма Schulte выпускает шесть типов инфракрасных газовых нагревателей как с одинарными, так и со спаренными черными каналами диаметром 150 и 250 мм и мощностью в широком диапазоне от 22 до 150 кВт. Аналогичные конструкции излучателей выпускают фирмы Pakole мощностью в пределах от 14 до 58 кВт, Fraccaro мощностью от 10 до 50 кВт, GoGaS мощностью от 10 до 48 кВт, ADRIAN мощностью от 12 до 50 кВт, Pender мощностью 350 кВт.

Рис. 6. Схема горелки фирмы ADRIAN SA

Ниже рассмотрена конструкция горелки фирмы ADRIAN.

Горелка фирмы ADRIAN сконструирована таким образом, что имеются три контура смешивания воздуха и газа. Первичный контур 1 использует как кинетическую энергию втягиваемого вентилятором воздуха, так и принцип эжектирования воздуха газовой струей. В контуре 2 происходит смешивание воздуха и газа в основном за счет кинетической энергии воздуха. Оба первичных контура создаются отверстиями (для каждого контура свое количество) с разным наклоном, разными местами расположения по отношению к струе воздуха и с разными диаметрами. На работу всей горелки значительным способом влияет взаимное расположение калиброванного отверстия газового шкафа, через которое вентилятор втягивает воздух в смесительную камеру, и 10 отверстий двух первых контуров. В третьем контуре на конце (срезе) горелки процесс образования газовой смеси завершается.

Рис. 7. Схема горелки типа Whisper-Jet компании Schwank, применяемая в конструкции «темных» излучателей

Другая конструкция горелки, отличная от представленной выше, разработана компанией Schwank.

Горелочная система Whisper-Jet состоит из горелки и нагнетающего вентилятора. Эта система производит длинное ламинарное пламя, проходящее внутри излучающей трубы. При этом обеспечивается равномерная теплопередача в излучающей трубе, более сбалансированная теплоотдача. Преимуществом данного типа горелок является то, что нагнетающий вентилятор не контактирует с горячими отработанными газами, и, как следствие, он более надежен и долговечен в эксплуатации.

В цехе смонтированы теплоизлучающие трубы фирмы PENDER c газовой горелкой Weishaupt WG 30 номинальной мощностью Q_Г = 350 кВт.

Используется природный газ с теплотой сгорания Q_н = 34 299 кДж/м³, что составляет 9,53 кВт·ч/м³ при сжигании 1 м³ газа. При среднем КПД горелки = 80% расход газа на горелку составляет . Потери тепла с продуктами сгорания составляют 20%. По результатам наших измерений температура уходящих газов составляет 120 ^°С.

Объем продуктов сгорания , тогда теплота продуктов сгорания будет  кВт.

Актуальным является дальнейшее использование остаточного тепла продуктов сгорания темных излучателей. Можно использовать остаточное тепло в гибридном сочетании трех высокоэффективных технологий: инфракрасный нагрев, соединенный с обычным водяным отоплением, при помощи теплообменного аппарата, в котором происходит передача тепловой энергии продуктов сгорания газа жидкости. Рационально использовать теплообменник в непосредственной близости к газовым излучателям.

Энергию продуктов сгорания можно использовать для нагрева воды на технологические нужды завода или на нагрев воздуха. Так, возможно установить газовый напольный котел Bosch Gaz 2500 F мощностью 25 кВт, КПД которого 92% и температура подающей/обратной линии 80/60 °C. Температура дымовых газов на выходе из котла 60 °C.

Таким образом, можно сделать вывод: совокупность преимуществ за счет оптимизированного КПД излучения инфракрасных излучателей, эффективной автоматики управления и инновационного использования остаточного тепла обеспечивает полную интегрированную систему, которая является самым эффективным концептом тепла, поднимающим общий энергетический КПД в экономичном современном отоплении больших помещений до 108%.

Литература

1. Молька В.  «Три «Э» в отоплении промышленных предприятий» // Словакия. Банска Быстрица, 2006. С. 51–57

2. Романова Е.А. Энергосберегающие системы газового отопления и вентиляции. Журнал «Новости теплоснабжения» № 12 (88), 2007. — С. 55–61.

3. Шиванов В. В. Обеспечение теплового режима производственных помещений системами газового лучистого отопления: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.23.03 / Шиванов Владимир Владимирович; [Нижегор. гос. арх.-строит. ун-т]. — Нижний Новгород, 2007. — 21 с.

4. Электронный ресурс http://www.schwank.ru/ru/produkcija/assortiment/ tjomnye-obogrevateli/tekhnologii-infrakrasnykh-gorelok.html.

Скачать статью  в pdf-формате: Оптимизация использования газа в излучающих горелках