Отопление на индустриални помещения
Начало > ОВК > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 6, 2007
Местно и централно топловъздушно отопление, излъчващи ленти, инфрачервени излъчватели и високотемпературни тръбни нагреватели
Изборът на оптимална като тип, характеристики, поддръжка и икономическа ефективност система за отопление на големи складови и производствени помещения не е лесна задача. За разлика от административните сгради, при които решението се свежда до осигуряване комфорта на пребиваващите в помещенията хора, в производствените халета, избора и изграждането на отоплителна система е задача, изискваща отчитането на значителен комплекс от фактори.
Защо изборът на промишлено отопление е сложна задача?
В повечето случаи към производствените помещения са поставени специфични изисквания по отношение параметрите на микроклимата. Наред с осигуряване на оптимални за хората параметри на микроклимата, стойностите на температурата, влажността и подвижността на въздуха се определят и от предназначението на помещението и конкретния производствен процес. Необходимо е да се предприемат мероприятия, чрез които да се ограничи максимално разпространението на прах. Не са редки и случаите, в които едно производствено помещение е разделено на отделни работни зони с различни изисквания по отношение параметрите на средата. Допълнително трябва да се вземат предвид и нормативните изисквания към взриво- и пожаробезопасността на помещенията, както и технологичните изисквания. Задачата допълнително се усложнява и от факта, че производствените цехове, в повечето случаи се характеризират, както с голяма площ, върху която е разположено различно производствено или техническо оборудване, така и с голяма височина, а и по ограждащите строителни елементи обикновено минават различни комуникационни връзки.
Конвективните системи често са неприложими
Освен успешно поддържане на предварително зададените параметри, отоплителната система следва да е икономически ефективна, което включва както вложените средства за изграждането й, така и средствата, необходими за нейните поддръжка и експлоатация.
Опитът показва, че конвективните системи за отопление, водни или с пара, са неефективни, дори понякога неприложими, за отопление на промишлени обекти. Причините са не само в необходимостта от изграждане на десетки километри разпределителни тръбопроводи, а и във факта, че отоплението е твърде неефективно поради голямата височина на помещенията. Благодарение на конвекцията, топлият въздух се издига към тавана, а на нивото на работната зона остава по-студеният въздух. Ето защо за отопляване на голямогабаритни помещения се използват предимно системи с топловъздушно или лъчисто отопление.
Системи за топловъздушно отопление
Топловъздушното отопление е сравнително широко използвано в областта на индустрията. Топлоносителят е въздух, който се подава предварително подгрят в отопляваното помещение. За загряването на топлоносителя се използват калорифери или друг вид топлообменници. В помещения, в които не се отделят вредности, е възможно изграждането на системи с пълна или частична рециркулация на въздуха. В зависимост от мястото и начина на загряване на въздуха, топловъздушното отопление се определя като местно и централно.
Местно топловъздушно отопление
При местното топловъздушно отопление въздухът се загрява във въздухоотоплителни апарати или агрегати, монтирани равномерно в близост до външните стени или колоните на отопляваното помещение.
Въздухоотоплителните апарати се характеризират с относително голяма топлинна мощност. Топлоносителят обикновено е вода с температура до 150 оС или пара с работно налягане до 0,8 MPa. Срещат се и въздухоотоплителни апарати с електрически нагреватели. Въздухоотоплителните апарати работят предимно с рециркулация, но при необходимост биха могли да се захранват и с пресен въздух. В тези случаи апаратът се комплектова със смесителна камера, в която се монтира клапа за регулиране на съотношението на рециркулационния и пресния въздух. Предназначени са предимно за таванен или стенен монтаж.
Принципът им на действие е сравнително елементарен. В приложения, в които апаратът работи с рециркулация, засмукваният чрез вентилатора въздух от помещението се нагнетява през топлообменник, в който се загрява и се подава отново в отопляваното помещение. При работа с частична рециркулация се затопля въздухът от смесителната камера. Системата би могла да се проектира с постоянен или стъпаловидно променящ се дебит на въздуха. За реализацията на системи със стъпаловидно променящ се дебит се използват дву- или трискоростни електродвигатели. Влияние върху топлинната мощност на апарата оказват видът на топлоносителя и температурата на въздуха преди вентилатора.
Топловъздушните агрегати представляват съоръжения с компактна конструкция и голяма топлинна мощност, в които се осъществява индиректно загряване на въздуха. За подгряването му се използва газообразно или течно гориво, което се подава в горивна камера чрез горелка. Въздухът се загрява, обтичайки камерата и сноп от димогарни тръби. Изгорелите газове се отвеждат извън отопляваното помещение. Обикновено за подаване на горивото в горивната камера се използват автоматични горелки. Димов вентилатор е необходим за отвеждане на димните газове към комина, когато се използват горелки с нулево налягане, докато за горелки, работещи на свръхналягане, използването на димов вентилатор не е необходимо.
Топловъздушните агрегати не изискват спазването на специални условия за монтаж или фундаменти. Могат да се монтират и вътре в сградата в непосредствена близост до отопляваното помещение. Разпределението на загретия въздух в помещението зависи от изпълнението на агрегата, което би могло да е хоризонтално или вертикално.
Важен конструктивен елемент на топловъздушните агрегати е акумулиращ блок. За загряване на въздуха се използва електроенергия. В акумулиращото ядро се формират канали, в които обикновено се монтират електрически съпротивителни нагреватели. Засмукваният с вентилатор външен въздух или въздух от помещението се загрява, преминавайки през каналите на ядрото. За регулиране на топлинната мощност се използва безстъпално регулиране дебита на вентилатора, а температурата на изходящия въздух зависи от изменящата се във времето температура на ядрото.
Броят на необходимите въздухоотоплителни апарати зависи от изискванията към системата. Когато апаратите се използват за отопление, изходна база са необходимата топлинна мощност на един апарат, отчетена за температура на въздуха в помещението. Когато апаратите са предназначени и за подаване на пресен въздух, при избора им се взема под внимание и дебитът. Изграждането на отоплителна система, базирана на въздухоотоплителни апарати, не изисква големи капиталовложения, но е подходяща само за неотговорни помещения. Прилага се в обекти, в които експлоатацията на апаратите няма да доведе до повишаване нивото на шума, тъй като в процеса на работата си те създават допълнителен аеродинамичен и механичен шум. Именно поради тази причина монтажът на въздухоотоплителни апарати не се препоръчва в близост до постоянни работни места. Друг недостатък е, че независимо от схемата им на разпределение, те създават значителен градиент на температурата на въздуха в различните зони на помещението. Подходящи са за вентилация на малки производствени помещения, в които се работи периодично за кратко време.
Централно топловъздушно отопление
Централните топловъздушни отоплителни инсталации обикновено съчетават функциите отопление и общообменна вентилация на помещенията. Загряването на въздуха се извършва извън отопляваните помещения и по въздухопроводна мрежа се разпределя в тях. С централни топловъздушни отоплителни системи успешно се поддържат чистота, подвижност и допустима температура на въздуха, и се осигурява качествено регулиране посредством промяна на температурата на подавания въздух. В зависимост от конкретните изисквания могат да се експлоатират само през отоплителния сезон или целогодишно. Работят на пълна или частична рециркулация, а също и без рециркулация на въздуха.
Като цяло, предимство на топловъздушното отопление е постигането на минимален температурен градиент в работната зона на помещението при правилно организиране на подавания и засмуквания въздух. Тези системи предлагат и възможност да се обслужват отделни зони от помещението. Предимство на централното топловъздушно отопление е и съвместимостта им с нагнетателна вентилационна система.
Недостатъците им са свързани преди всичко с топлофизическите свойства на въздуха като топлоносител. За да се отоплят големи площи, е необходимо подгряването на огромно количество топъл въздух, при което се получават значителни загуби. От друга страна, и при топловъздушните системи, както и при конвективните, се получава голяма разлика между температурата на въздуха в работната зона и в горната част на помещението. При този тип системи се изразходва и значително количество електроенергия, необходима за работа на вентилатора.
Лъчисто отопление
За отопляване на големи помещения значително по-добри резултати се постигат с използването на лъчисто отопление. Този вид отопление осигурява равномерно разпределение на температурата на въздуха във височина и в хоризонтална равнина. Повишената повърхностна температура на строителните елементи, ограждащи помещението, позволява да се поддържа по-ниска температура на въздуха, при запазване на топлинния комфорт на хората. Нагревните повърхности, разпределени по значителна част от пода или тавана, не затрудняват реконструкцията и модернизацията на помещенията при необходимост от промяна на функционалното им предназначение или при промяна на технологичния процес. Използването на лъчисто отопление води до намаляване запрашеността на помещението, вследствие на намалената конвективна подвижност на въздуха, поради ниските повърхностни температури на излъчващите повърхности. Лъчистото отопление се приема и като икономически ефективно. От различните видове лъчисто отопление, в промишлеността се използва предимно лъчистото отопление с излъчващи ленти и инфрачервени излъчватели.
Основно предимство на отоплението с излъчващи ленти и инфрачервени излъчватели е, че за разлика от конвективното и топловъздушното отопление, излъчвателите загряват хората в помещението директно, а не вторично – чрез затопляне на въздушното пространство. Отоплението се осъществява с помощта на поток инфрачервена топлинна енергия, излъчвана от разположените непосредствено над работната зона излъчватели. Чрез рефлектори тази енергия се насочва към отопляваната зона, загрявайки повърхността на пода, монтираното в зоната оборудване и работния персонал. Въздухът се загрява предимно от отдадената чрез конвекция топлина от нагретите повърхности. Тази принципна разлика с конвективното отопление позволява не само постигане на по-добър топлинен комфорт за работниците, но е свързана и с икономически ползи. Друго предимство на лъчистите отоплителни системи е краткият период от време, необходим за постигане на топлинен комфорт.
Отопление с излъчващи ленти
Отоплението с излъчващи ленти се приема като изключително подходящо за високи производствени помещения, халета, складове и други. Излъчващите ленти са предпочитани пред конвективните системи за отопление поради по-ниския разход на енергия, по-добрите условия за пребиваване, които осигуряват, възможността да се монтират извън технологичната зона на помещението, ефективността им на работа във вентилирани помещения и възможността за отопление на определена зона от помещението. Не се препоръчват за помещения, в които се предвижда поставяне на високи съоръжения и масиви от материали. Използването на системи с излъчващи ленти в ниски помещения се счита за изключително неподходящо.
Излъчващите ленти обикновено се подреждат успоредно на дългата страна на помещението. При много дълги производствени помещения се допуска и напречното им подреждане. Височината на окачване се определя на базата на конкретното предназначение на помещението, спецификите на технологичния процес и вътрешноцеховия транспорт.
Основният съставен елемент на излъчващите ленти са панелните излъчватели. В зависимост от начина им на подреждане се определя дължината и широчината на излъчващата лента. Самите панелни излъчватели представляват сноп тръби, захванати към стоманен лист, така че да се осигури минимално термично съпротивление между тях. Видът на тръбите се определя в зависимост от топлоносителя. Обикновено за топлоносител вода или пара се използват стоманени безшевни тръби. За горещи газове и въздух се работи с шевни тръби поради необходимостта от постигането на по-големи диаметри. Над листовете, към които са захванати тръбите, се полага топлинна изолация.
Отопление с инфрачервени излъчватели
Инфрачервените излъчватели се разделят основно на два вида - електрически излъчватели и газови излъчващи горелки. При първите нагряването се осъществява чрез преобразуване на електрическа енергия в топлинна, а във втория - чрез изгаряне на газообразно гориво.
В зависимост от повърхностната си температура електрическите излъчватели са светли и тъмни. Светлите излъчватели представляват тяло с изолационни свойства, около което е навит съпротивителен проводник. Повърхностната им температура достига до 2000 °С. Тъмните излъчватели достигат повърхностна температура до 700 °С и представляват съпротивителен проводник, монтиран в тръба, запълнена с инфузорна пръст. За да се концентрира топлинният поток в определена посока, се използва рефлектор от полирани метали.
Газовите излъчващи горелки, или по-известни в практиката като газови инфрачервени излъчватели, представляват разновидност на инжекционните горелки, оразмерени за коефициент на излишък на въздуха a = 1.05. Някои производители ги наричат още светли газови излъчватели. При тях се реализира безпламъчно изгаряне с голямо топлинно натоварване, а основната част от топлината се излъчва в околната среда с дължина на вълните от 2.5 до 6 микрометра. Горивото обикновено е природен газ, доменен газ или коксов газ. Принципът им на работа се базира на изгаряне на хомогенна горивна смес, съставена от въздух и природен газ, върху излъчваща плоча. Хомогенизирането на сместа е в ежектора на горелката, а преминалата през отворите на плочата горивна смес изгаря на повърхността й в тънък слой. В процеса на изгаряне повърхностната температура на плочата се повишава до 850-1200 °С. В повечето случаи излъчващата плоча представлява керамично перфорирано тяло. Използват се също порести керамични тела, пакет от метална мрежа, каталитични плочи. Диаметърът на отворите се избира в зависимост от състава на горивото и специфичната повърхностна топлинна мощност.
Отоплителни системи със светли инфрачервени излъчватели
Отоплителните системи с инфрачервени излъчватели са подходящи за отопляване на помещения, в които не се отделя органичен прах или пожароопасни аерозоли. Препоръчват се за сгради с недобра топлинна изолация и за отопление на отделни зони в неотоплявани помещения.
Основни елементи на системата са газови излъчващи горелки, разпределителна газопроводна мрежа и комплекс автоматика за запалване, контрол и обезопасяване на горивния процес. Изграждането на системи с инфрачервени излъчватели изключва необходимостта от използване на котли, помпи и топлопреносни мрежи. При топлотехническото оразмеряване на системата се определят мощността, броят и разположението на излъчвателите. Местата за монтаж, височината на окачване и ориентацията се избира с оглед постигане на равномерно облъчване на пода. За свързване на отделните излъчватели към разпределителната мрежа от стоманени или медни тръби се използват твърди или гъвкави връзки. Препоръчително е структуриране на разпределителната мрежа в отделни клонове, позволяващи едновременно изключване на група излъчватели. В приложения, в които съществуват технически или икономически пречки пред изграждане на система за дистанционно изключване на всеки излъчвател, се препоръчва разделянето им в няколко групи, най-малко две с относителна мощност 30% и 70% спрямо сумарната. Тръбите се оразмеряват според максималния разход на газ.
Отоплителните системи, изградени на базата на инфрачервени излъчватели, се отличават с редица предимства – малка топлинна инерционност, възможност за експлоатация в режим на общо или зоново отопление, икономична експлоатация, възможност за отопление на открити площадки или конкретни зони, в неотоплявани помещения с голяма височина, висока надеждност и лесна поддръжка. Коефициентът на полезно действие на системите с инфрачервени газови излъчватели достига 90 - 95%.
Недостатъците им се свеждат до високата температура на излъчващата плоча, необходимостта от вентилация за отвеждане на отпадните продукти от горенето. Не се допуска монтиране на инфрачервени излъчватели в помещения с повишена пожароопасност и в помещения, в които се намират материали, които под въздействието на инфрачервената радиация изменят свойствата си.
Отопление с високотемпературни тръбни нагреватели
Високотемпературните тръбни нагреватели са особено подходящи за отопление на помещения с големи обеми - производствени халета, спортни и търговски зали, тъй като над 70% от топлообмена се реализира чрез излъчване. Чрез използването им се постига и значителна икономия на енергия.
Отоплителното тяло при тези системи е изградено от сноп тръби, покрити с топлоизолиран ламаринен кожух. Броят на тръбите в един сноп обикновено е от 2 до 6, всяка с диаметър от 180 до 600 mm. Дължината им се определя в зависимост от формата и размерите на помещението. Загряването е чрез директно изгаряне на газ (пропан-бутан, метан, природен газ) или дизелово гориво. За отопление на помещенията с високотемпературни тръби се използват системи с рециркулация или правотокови системи.
При рециркулационните системи отоплителните тела образуват затворен контур, свързан към топловъздушен агрегат с вграден вентилатор и горелка. Горивото от горелката се подава директно в газо-въздушната смес. Циркулацията на сместа се осъществява чрез вентилатора. Системата е свързана и с атмосферата и част от сместа непрекъснато се изхвърля, за да се ограничи нарастването на налягането. Когато се отопляват пожароопасни помещения, агрегатът се монтира в сутерена или върху покрива на сградата. В случай че отопляваните помещения не са пожароопасни, ограничения към монтажа на агрегата не съществуват. Възможно е монтирането му на нивото на тръбните снопове или на пода. Коефициентът на полезно действие на система с високотемпературни тръбни нагреватели, работеща на газ, достига до 90-95%.
Правотоковите системи се използват за местно отопление. При тях, една от тръбите изпълнява функцията на горивна камера, а продължението й - на димогарна тръба.
Вижте още от ОВК
Новият брой 1/2025
