Глава 9. Газовые аппараты

По всей России 8 800 500-92-62 Москва +7 (495) 120-07-78 Санкт-Петербург +7 (812) 318-75-80
Горючие газы. Режимы потребления, нормы расхода

Глава 9. Газовые аппараты

9.1. ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ГАЗОВЫХ АППАРАТОВ

Ассортимент различного газового оборудования, позволяющего эффективно и безопасно использовать горючие газы, сегодня весьма широк. Наряду с продукцией отечественного производства на рынке представлены импортные товары, по многим техническим и эксплуатационным параметрам сильно опережающие российские. Однако эффективная и безопасная работа таких аппаратов, независимо от места производства, возможна только при их исправном состоянии и правильной эксплуатации.

Работу газовых аппаратов характеризуют по следующим параметрам:

  • тепловая мощность аппарата или установки;
  • эффективность (коэффициент полезного действия);
  • теплопроизводительность.

Различаются их номинальные и предельные значения. При работе в режиме номинальной тепловой мощности аппарат обеспечивает наибольшую полноту сгорания газа при наиболее высоком КПД, при этом в конструктивных элементах не должны возникать опасные тепловые напряжения, сокращающие установленный срок службы. Номинальная тепловая мощность (паспортная) определяется при номинальной тепловой нагрузке.

Предельная тепловая мощность — максимальная тепловая нагрузка, превышающая номинальную на 20%, не ухудшающая ощутимо полноту сгорания газа, КПД и срок службы аппаратов.

На эффективность и безопасность работы газовых приборов оказывают влияние не только особенности конструкции (газовые горелки, рабочий стол, духовой шкаф плиты, топочное пространство и тепловоспринимающие поверхности и др.). Для нормальной работы необходимо обеспечить:

  • подачу топлива с определенными параметрами;
  • подачу воздуха в количестве, достаточном для полного сжигания газа;
  • хорошее перемешивание газа с воздухом (до процесса сжигания газа);
  • зажигание газовоздушной смеси и поддержание в зоне горения температуры, достаточной для полного сгорания горючих компонентов смеси;
  • своевременный отвод продуктов сгорания из зоны горения без нарушения процессов сжигания газа.

Несоблюдение хотя бы одного из этих условий приведет к ненормальной работе газогорелочного устройства: пламя может погаснуть (отрыв), проскочить внутрь горелки (проскок) или гореть коптящим пламенем. При недостатке воздуха (отсутствии достаточного количества кислорода в зоне горения) газ полностью не сжигается, и часть его горючих компонентов не вступает в химическую реакцию. Также нужно хорошее предварительное перемешивание газа с первичным воздухом, засасываемым струей газа внутрь горелки, и благоприятные условия для подхода вторичного воздуха. Если в зоне горения возникают условия, приводящие к отводу теплоты и охлаждению зоны горения (например, пламя омывает металлические детали приборов, нагреваемой посуды и др.), то химические реакции в этих случаях могут прекратиться, горючие компоненты газов не прореагируют с кислородом воздуха и в результате газ полностью не сгорит.

Большое значение имеет своевременный отвод продуктов сгорания из зоны горения. Если они будут задерживаться в зоне горения и создадут малокислородную атмосферу, это приведет к ухудшению процессов горения, увеличению выхода вредных веществ в продуктах сгорания и возможному погасанию пламени. Но и слишком интенсивный отвод продуктов сгорания может привести к отрыву пламени в результате больших скоростей вторичного воздуха.

Бытовую газовую аппаратуру условно можно разделить на следующие группы:

  • приборы для приготовления пищи (газовые плиты различной конструкции и теплопроизводительности, автономные духовые шкафы, жарочные устройства и т.д.);
  • приборы для горячего водоснабжения (проточные водонагреватели);
  • приборы для индивидуального отопления (емкостные водонагреватели, газовые камины, специальные газовые горелки, отопительные с водяным контуром и отопительно-варочные аппараты, отопители конвективного и излучающего обогрева);
  • приборы для освещения (переносные осветительные);
  • приборы для специальных целей (горелки автономные печные инфракрасного излучения).

9.2. ГАЗОВЫЕ ПЛИТЫ

Основной тип газовых бытовых плит — стационарные напольные 2-, 3 и 4-горелочные с духовым шкафом. Выпускаются также настольные переносные преимущественно 2-горелочные плиты. Основные параметры и размеры унифицированных газовых бытовых плит должны отвечать требованиям ГОСТ 10798–85.

Детали бытовых газовых плит изготавливают из материалов, обеспечивающих коррозионную и термическую стойкость, долговечность и надежность в эксплуатации. Для ручек кранов используют пластмассы или другие материалы, устойчивые при температуре до 150°С. Горелки и их детали должны быть взаимозаменяемы, должны легко сниматься и устанавливаться вновь без применения инструментов.

Газопроводы и арматура бытовых газовых плит должны быть герметичными. Потери давления в приборах автоматики контроля не должны превышать 100 Па. Плиты изготовляют для работы на природных и сжиженных газах с номинальным давлением 2–3 кПа.

Унифицированная бытовая газовая плита представляет собой тумбу без ножек. На лицевой стороне плиты размещен распределительный щиток с ручками управления. Все ручки снабжены устройствами, предохраняющими от случайного поворота из положения «закрыто». Поворот ручки возможен лишь после нажатия (вдавливания) в осевом направлении. Стол плиты — закрытый и одновременно служит поддоном. На задней кромке установлен щиток-экран или откидная крышка. Конфорочные решетки — прутковые, эмалированные или оксидированные. Духовой шкаф — цельносварной, снабжен съемным дном и подвесками для полок. Объем духового шкафа зависит от модели плиты и варьируется в пределах от 50 до 100 л. В комплект шкафа входят противень, жаровня и решетка. Дверца духового шкафа снабжена смотровым стеклом, за которым размещается биметаллический термоуказатель. Ручки дверок изготовлены из стального листа с покрытием хромом или из полированного листового алюминия.

Горелки стола обладают различной тепловой мощностью: нормальной (≈ 1,7–2,0 кВт), повышенной (≈ 2,5–3,0 кВт) и пониженной (≈ 0,5–0,8 кВт). Краны горелок могут фиксироваться в положении «малое пламя». Автоматика терморегулирования снабжена отсекателем газа (на случай погасания пламени).

Бытовые газовые плиты иностранных производителей, широко представленные на российском рынке, по своим эксплуатационным характеристикам в основном соответствуют требованиям нормативных документов и принципиально не отличаются от продукции отечественных производителей. Существенные различия могут быть только в эргономике и внешнем дизайне, степени автоматизации, выражающейся в большей насыщенности электронными устройствами.

9.3. ГАЗОВЫЕ ПРОТОЧНЫЕ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ

До недавнего времени для быстрого получения горячей воды при наличии водопровода широкое распространение имели газовые проточные водонагревательные аппараты, соответствующие требованиям ГОСТ 19910–74. Водонагреватели («колонки») оборудуются газоотводящими устройствами и тягопрерывателями, которые в случае кратковременного нарушения тяги предотвращают погасание пламени газогорелочного устройстве для присоединения к дымовому каналу имеется дымоотводящий патрубок.

Конструктивно водонагреватели весьма похожи. Все основные элементы смонтированы в эмалированном кожухе прямоугольной формы. Для удобства профилактики и ремонта передняя и боковые стенки кожуха сделаны съемными. На передней стенке расположены ручка управления газовым краном, кнопка включения электромагнитного клапана и смотровое окно для наблюдения за пламенем запальной и основной горелок. Вверху размещено газоотводящее устройство, через которые продукты сгорания направляются в дымоход, внизу — патрубки для подсоединения аппарата к газовой и водяной сетям.

Принцип работы водонагревательного аппарата. Газ поступает в электромагнитный клапан, кнопка включения которого находится справа от ручки включения газового крана. Принудительное включение запальной горелки и подача газа к основной горелке осуществляется специальным блокирующим краном, снабженным ручкой, фиксируемой в определенных положениях. Крайнее левое положение обычно прекращает подачу газа на горелки. Среднее фиксированное положение позволяет полностью открыть кран для поступления газа на запальную горелку и закрыть кран для подачи газа на основную горелку. Третье фиксированное положение обеспечивает полное открытие крана для поступления газа на основную и запальную горелки.

Водонагреватель снабжается автоматическими блокировочными устройствами-газоотсекателями. Блокировку поступления газа в основную горелку при обязательной работе запальной горелки обеспечивает электромагнитный клапан, работающий от термопары. Блокировка подачи газа в горелку в зависимости от наличия протока воды через аппарат осуществляется с помощью клапана, имеющего привод через шток от мембраны, расположенной в водогазогорелочном блоке. При нажатой кнопке электромагнитного клапана и открытом положении блокировочного газового крана на запальную горелку через электромагнитный клапан газ поступает в блокировочный кран, а далее через тройник — по газопроводу к запальной горелке.

При нормальной тяге в дымоходе (разрежение не менее 2,0 Па) термопара, нагреваемая пламенем запальной горелки, передает импульс электромагнитному клапану, который автоматически открывает доступ газа к блокировочному крану. Если тяга нарушена, биметаллическая пластина датчика тяги нагревается уходящими продуктами сгорания газа, открывает сопло датчика тяги и газ, поступающий во время нормальной работы аппарата на запальную горелку, уходит через сопло датчика тяги. Пламя запальной горелки гаснет, термопара охлаждается и электромагнитный клапан прекращает подачу газа. Для плавного зажигания основной горелки предусмотрен замедлитель зажигания.

Модели водонагревателей повышенного класса обеспечивают ряд дополнительных функций:

  • доступ газа к запальной горелке только при наличии пламени на этой горелке и протока воды;
  • прекращение подачи газа к основной и запальной горелкам при отсутствии разрежения в дымоходе;
  • регулирование давления (расхода) газа;
  • регулирование расхода воды;
  • автоматический розжиг запальной горелки.

9.4. ГАЗОВЫЕ ОТОПИТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ

Для отопления жилых домов применяются отопительные агрегаты с передачей теплоты конвекцией и излучением — камины, а также аппараты, имеющие в качестве теплоносителя воду (котлы).

Аппараты отопительные водонагревательные емкостные. Такие аппараты, называемые двухконтурными, сравнительно недавно приобрели широкое распространение, кроме отопления, обеспечивая еще горячее водоснабжение. Они разрабатываются и изготавливаются в соответствии с требованиями ГОСТ 11032-80.

Водонагреватели мощностью до 10 кВт могут быть использованы для отопления помещений площадью до 100 м2. Обычно емкостной водонагреватель состоит из:

  • внешнего кожуха;
  • внутреннего цилиндрического бака из стального оцинкованного листа;
  • жаровой трубы с удлинителем тяги;
  • газогорелочного устройства с запальной горелкой;
  • блока автоматики, включающего в себя электромагнитный клапан и термопару;
  • терморегулятор и тягопрерыватель с патрубком для присоединения к дымоходу.

Внутреннее пространство между кожухом и баком проложено термоизоляционными материалами. Вода в баке водонагревателя постоянно находится под давлением, аналогичным давлению воды в городском водопровод. При зажигании горелки вода в баке нагревается до требуемой температуры (80–90°С), после этого терморегулятор автоматически прекращает доступ газа к горелке. Пламя запальника продолжает гореть и воспламеняет газовоздушную смесь на основе горелки, как только вода охладится, т.е. температура будет ниже заданной. В этом случае терморегулятор открывает проход газа на основную горелку. Запальник нагревает термопару, ЭДС которой удерживает открытым электромагнитный клапан подачи газа. При падении давления в подводящем газопроводе пламя запальной горелки гаснет, ЭДС исчезает и электромагнитный клапан закрывает подвод газа, независимо от клапана терморегулятора.

Аппараты отопительные газовые бытовые с водяным контуром (ГОСТ 20219-74), предназначенные для отопления помещений, могут изготавливаться следующих типов:

  • работающие на природном газе;
  • работающие на сжиженном газе;
  • смешанного питания — на природном и сжиженном газах,

и в следующих климатических исполнениях:

  • У — для эксплуатации в районах с умеренным климатом,
  • ХЛ — для эксплуатации в районах с холодным климатом.

Одним из лидеров рынка отопительного оборудования является немецкая компания Buderus, представляющая полный спектр решений отопительного оборудования, способного обеспечить теплом квартиру, индивидуальный коттедж, многоквартирный дом, большое предприятие и целый городской район. Будет целесообразно рассмотреть современные газовые котлы на примере продукции этой компании.

Настенные газовые конденсационные котлы (на примере котла Logamax plus GB022). Газовые котлы такого типа применяются при устройстве систем горячего водоснабжения в коттеджах на одну, две и несколько семей, а также домов рядовой застройки и работают на природном газе.

Внешний вид конденсационного котла Buderus Logamax plus GB022
Рис. 9.1. Внешний вид конденсационного
котла Buderus Logamax plus GB022

Таблица 9.1. Характеристики котла Buderus Logamax plus GB022

Типоразмер котла 24
Категория вида газа согласно EN 437 II2H3P 20, 50 мбар (природный газ H и сжиженный газ P)
Максимальная устанавливаемая температура
подающей линии, С°
90
Допустимое избыточное рабочее давление, бар 3,0
Теплопроизводительность, кВт,
полная/частичная нагрузка
5,7–23/6,3–25,3
Коэффициент полезного действия котла (40/30°C), %,
полная/частичная нагрузка
104/107
Максимальный расход газа (отопление), м3/час 2,43
Уровень шума, дб, полная нагрузка отопления/полная нагрузка теплой воды/частичная нагрузка 43,4/47,1/30,4
Диаметр газового сопла, мм, природный/сжиженный газ 4,45/3,45
Температура горячей воды, °C 60/100
Стандартный коэффициент эмиссии NOx, ppm (мг/кВт•ч) <30
Стандартный коэффициент эмиссии CO, ppm (мг/кВт•ч) <22
Потребление электрической мощности, Вт,
режим ожидания/частичная нагрузка/полная нагрузка
4/88/110
Располагаемый напор, Па 140
Стандартизированный коэффициент использования, % 110
Вес без кожуха (с кожухом), кг 30 (33)

Котлы этого типа отличают:

Габаритные размеры конденсационного котла Buderus Logamax plus GB022

Рис. 9.2. Габаритные размеры конденсационного котла
Buderus Logamax plus GB022

  • широкий диапазон плавного изменения мощности — 25–100%;
  • стандартизированный КПД — до 109%;
  • оптимальная гидравлическая схема для максимального использования теплотворной способности газа;
  • низкая температура дымовых газов;
  • встроенный теплообменник выполненный из ребристых труб с большими поверхностями нагрева и низкий уровень шума.

В котлах данного типа производится предварительное смешивание в горелке с низкими эмиссиями вредных веществ. Монтаж таких котлов благодаря компактной и удобной конструкции предпочтителен в подвале или на чердаке строения. Регулирующие функции адаптированы к гидравлической схеме системы и требуют минимума действий для настройки всех функций системы управления.

В комплектацию котла Logamax plus GB022-24 входит следующее оборудование:

  • манометр давления с краном наполнения и выпуска;
  • переходной штекер внешнего датчика наполнителя;
  • шланг выпуска конденсата;
  • настенный держатель.

Для приготовления воды для ГВС используется прямой нагрев в проточном водонагревателе (модификация котла GB022-24K). Температура горячей воды на выходе устанавливается в диапазоне 30–60°C.

Минимальный объем циркулирующей воды обеспечивается встроенным перепускным клапаном.

Котел устанавливается в закрытую отопительную систему с давлением до 3 бар. Мембранный расширительный бак (7,5 л) встроен в котел.

Приготовление воды для обогревательного контура. Перед заполнением установку следует тщательно промыть. Заполнение котла разрешается только необработанной водой из водопровода, не умягченной катионитами. Запрещается применение ингибиторов, антифризов или других добавок. При использовании трубопроводов, пропускающих кислород, например, для отопления полов, в системе должен быть предусмотрен разрыв в виде теплообменника. Котловая вода низкого качества способствует образованию шлама и приводит к коррозии. Это может привести к сбоям в работе и к повреждению теплообменника.

Для предотвращения попадания шлама в настенный котел, монтируемый в уже существующую систему, специалисты рекомендуют установку грязевого фильтра в общую обратную линию. До и после фильтра рекомендуется установить запорный орган. Если установка была тщательно промыта перед пуском в эксплуатацию и возникновение кислородной коррозии исключено, то от установки грязевого фильтра обычно отказываются. Прямое подключение в систему отопления полов не допускается.

Конденсат, образующийся в настенном котле отвода дымовых газов, сбрасывается в канализацию в соответствии с требованиями соответствующих коммунальных служб. При необходимости рекомендуется устанавливать нейтрализатор Neutrakon на выходе конденсатоотводчика из котла.

Напольные газовые конденсационные котлы Logano plus GB 312. Компактный газовый конденсационный котел с высокопроизводительным алюминиевым теплообменником и газовым конденсационным котлом по EN 667 имеет высокий стандартизированный коэффициент использования — до 108%. Диапазон модуляции — 30–100% (40-100% — для типоразмера 90). Серия выпускается в 6-ти типоразмерах с номинальной теплопроизводительностью от 90 до 280 кВт. Также выпускаются каскадные модификации с расширенным диапазоном мощностей до 560 кВт.

Габаритные размеры напольного конденсационного котла Buderus Logano plus GB312

Рис. 9.3. Габаритные размеры напольного конденсационного котла
Buderus Logano plus GB312

Данные напольные газовые конденсационные котлы работают с пониженным уровнем шума, низкими выбросами вредных веществ и минимальными потерями тепла через теплоизоляцию. Кроме того, при их эксплуатации требуется минимальный объем циркулирующей воды.

Котлы данного вида отличает простое и удобное управление, обусловленное применением цифровых систем управления с регулированием по наружной температуре (фирменные системы управления EMS и Logomatic 4000) с возможностью выбора или расширения оснащения по потребности.

Данный тип котлов отличает простой сервис и техническое обслуживание благодаря развитым встроенным системам диагностики. Все поверхности, соприкасающиеся с отопительными газами и конденсатом, выполнены из высококачественного алюминия. Для высокоэффективного использования конденсационной техники в теплообменниках применяется противоточный принцип теплообмена между водяным контуром и контуром отопительных газов. Пониженное гидравлическое сопротивление в водяном контуре позволяет снизить мощность насоса.

Пересчет номинальной теплопроизводительности для различных температур теплоносителя

Рис. 9.4. Пересчет номинальной теплопроизводительности
для различных температур теплоносителя

Для оптимальной работы и эффективного использования тепла конденсации расчетный перепад температур отопительного контура должен составлять 15–20°С. Конденсат, образующийся при работе установки, как в конденсационном котле, так и в тракте дымовых газов, подлежит отводу в соответствии с действующими нормами. Для слива конденсата из конденсационных котлов и связанных с ними систем отвода дымовых газов действуют следующие требования:

  • для отопительных установок мощностью до 25 кВт не требуется нейтрализации конденсата. На отопительных установках мощностью 25–200 кВт можно отказаться от нейтрализации, если имеется слив большого количества хозяйственных стоков в городскую канализацию через тот же сток (среднегодовой объем хозяйственных стоков должен минимум в 25 раз превышать ожидаемый объем конденсата);
  • на отопительных установках мощностью более 200 кВт нужно предусматривать нейтрализацию конденсата. В установке по нейтрализации конденсат проходит через щелочной гранулят, при этом показатель Рh повышается и достигает 6,5–10.

Воздух для горения не должен содержать пыль высокой концентрации и галогеносодержащие вещества, иначе возможно повреждение топочной камеры и поверхностей нагрева (особенно активную коррозию вызывают галогеновые соединения, содержащиеся в аэрозольных баллонах, разбавителях, моющих, обезжиривающих, растворяющих средствах).

Перед монтажом отопительного котла в существующую отопительную систему необходимо очистить ее от грязи и шлама. Рекомендуется устанавливать грязеи шламоуловители после котла в непосредственной близости от самой низкой точки отопительной установки в хорошо доступном месте.

Таблица. 9.2. Характеристики напольных конденсационных котлов Buderus серии Logano GB312

Типоразмер котла 80 120 160 200 240 280
Номинальная теплопроизводительность, кВт при 50/30°C 90 120 160 200 240 280

при 80/60°C

84 113 150 187 225 263
Тепловая мощность сжигания, кВт 86,5 116 155 193 232 271
Глубина, мм 994 994 1202 1202 1410 1410
Габариты, мм, глубина/ширина/высота 851×612×1400 1059×612×1400 1267×612×1400
Температура дымовых газов, °C при 80/60 °C 69 78 77 76 75 78

при 50/30 °C

49 56 54 55 55 56
Весовой поток дымовых газов при полной нагрузке, г/с при 80/60 °C 38,9 53,9 69,9 88,0 105,0 125,7

при 50/30 °C

38,2 53,8 70,2 87,8 106,0 125,9
Содержание CO2, природный газ, при полной нагрузке, % 9,1
Электрическая потребляемая мощность, Вт полная нгрузка 84 150 190 230 270 330

частичная нагрузка

40 40 45 50 50 50
Максимальная температура подающей линии, °C 80
Допустимое избыточное рабочее давление, бар 4

Настенные газовые двухконтурные котлы 8,9 24 кВт (на примере серии Buderus Logamax U042/ U044). Газовые циркуляционные водонагреватели (т.н. двухконтурные котлы) удобны для поквартирного отопления и отопления небольших коттеджей на одну или несколько семей. Их отличают типоразмер котла с диапазоном регулирования от 8,9 до 24 кВт, компактные легкие варианты исполнения для природного и сжиженного газа, усовершенствованная система отвода дымовых газов (с забором воздуха для горения из помещения, так и вне помещения) и высокий коэффициент полезного действия — 90–92%. Эти котлы отличает экологически чистый режим работы (отмеченный знаком CE), выбросы по оксидам азота соответствуют классу 2 норм экологической безопасности.

Таблица. 9.3. Характеристики настенных двухконтурных котлов Buderus серии Logamax U042K/U044K

Параметр U042K U044K
Минимальная/максимальная теплопроизводительность 8,9–24 7–24
Тепловая мощность сжигания, кВт Полная нагрузка 26,7

Частичная нагрузка

10,2 8,2
Давление расширительного бака, бар 0,5
Объем расширительного бака, л 8
Расход горячей воды при разнице температур на входе и выходе
35°С, л/мин
10
Диапазон температуры ГВС на выходе, °C 40–60
Минимальное давление в контуре ГВС для максимального расхода воды, бар 1,0
Минимальное/максимальное давление в контуре ГВС, бар 0,25/10,0
Температура дымовых газов, °C Полная нагрузка 136 116

Частичная нагрузка

89 87
Содержание CO2, % Полная нагрузка 6,9 5,3–5,5

Частичная нагрузка

2,2 1,6–1,9
Класс NOx 3 2
Подключение дымохода, мм 60/100 130
Электрическая потребляемая мощность, Вт 130 100
Диапазон температуры подающей линии, °C 40
Минимальное/максимальное давление в отопительном контуре, бар 0,5–3,0
Высота, мм 740
Ширина, мм 400
Глубина, мм 360
Вес с упаковкой, кг 38 40

Настенные котлы серии Logamax U042/U044 отличает простое и удобное управление. Регулирующие функции согласованы с гидравликой установки. Комнатный термостат включен в поставку.

Внешний вид настенного двухконтурного котла Logamax U042
Рис. 9.5. Внешний вид настенного
двухконтурного котла Logamax U042
Внешний вид напольного мультитопливного котла Logano GE315

Рис. 9.6. Внешний вид
напольного мультитопливного
котла Logano GE315

Напольные чугунные мультитопливные (газ/дизельное топливо) котлы Buderus Logano GE315. Котлы данного типа отличает современная универсальная концепция. В устройстве применен низкотемпературный мультитопливный отопительный котел Ecostream (без смесительного насоса) с плавным регулированием температуры котловой воды. Котлы серии GE315 выпускаются в пяти типоразмерах с номинальной теплопроизводительностью 86–230 кВт.

Отопительный котел может работать на дизельном топливе, природном и сжиженном газе, рапсовом масле и биохимическом газе. Стандартизированный коэффициент использования достигает 95%. Для снижения шума предпринят ряд мер: звукопоглощающая подставка, глушитель дымовых газов и звукопоглощающий кожух горелки.

Функции системы управления устанавливаются крайне просто (по принципу «push and turn»). Возможно индивидуальное расширение комплектации всех систем управления дополнительными модулями.

Напольные котлы серии Logano отличаются упрощенным доступом к топочной камере (большая поворотная дверца). Секции котла, изготовленные из высококачественного чугуна GL 180M, поставляются раздельно, что значительно облегчает транспортировку и монтаж.

В котлах применяется технология Thermostream: повышение температуры внутри котла происходит за счет гидравлического выравнивания при поступлении воды в котел через верхнюю ступицу, дальнейшего смешивания воды и распределения ее внутри котла для подогрева обратного потока. Применение технологии имеет ряд конструктивных преимуществ:

  • нет ограничения объемного расхода теплоносителя, поэтому не требуется установка насоса котлового контура;
  • не требуется поддерживать минимальную температуру обратной линии;
  • оптимизированная водоохлаждаемая камера и 3-ходовая схема движения отопительных газов внутри котла существенно улучшают условия сгорания топлива.
Гидравлическое сопротивление напольного мультитопливного котла Logano GE315
Рис. 9.7. Гидравлическое сопротивление напольного
мультитопливного котла Logano GE315
Схема установки котла Logano GE315
Рис. 9.8. Схема установки котла Logano GE315

Таблица 9.4. Рекомендуемые модели горелок Buderus Logatop для мультитопливных котлов Logano GE315

Вид топлива Типоразмер
котла
Давление
подключения,
мБар
Тип горелки
Природный газ 105, 140 20 Logatop GZ 2.1N-1021, 1”
Жидкотопливная 105, 140 Logatop DZ 2.1-2111, 1”
Природный газ 170 Logatop GZ 2.1N-1021, 1”
Жидкотопливная 170 Logatop DZ 2.1-2131, 1”
Природный газ 200 Logatop GZ 2.1N-1021, 1”
Жидкотопливная 200 Logatop DZ 2.1-2141, 1”
Природный газ 230 Logatop GZ 2.2N-1022, 1¼”
Жидкотопливная 230 Logatop DZ 2.2-2211, 1¼”

Таблица 9.5. Габаритные размеры котлов Logano GE315

Типоразмер котла 105 140 170 200 230
Высота, мм (с системой управления) 1195 1195 1195 1195 1195
Ширина, мм 880 880 880 880 880
Глубина, мм (с горелкой) 1605 1765 1925 2085 2342
Вес, кг (без горелки) 543 631 719 807 895

Таблица 9.6. Технические характеристики котлов Buderus серии Logano GE315

Типоразмер котла 105 140 170 200 230
Количество секций котла 5 6 7 8 9
Номинальная теплопроизводительность, кВт 86–105 106–140 141–170 171–200 201–230
Тепловая мощность сжигания, кВт 92,1–113,5 113,5–151,4 151,0–183,4 183,1–215,1 215,2–247,9
Длина, мм 1125 1185 1445 1605 1765
Размеры котельной секции, мм 712×934×160
Размеры котлового блока, мм 712×994×970–1610 (в зависимости от числа секций)
Длина камеры сгорания, мм 790 950 1110 1270 1430
Вес, кг 543 631 719 807 895
Объем воды, л 143 171 199 227 255
Объем газа, л 147 181 215 249 263
Температура дымовых газов при частичной нагрузке (60%), °C 137 138 136 132 141
Температура дымовых газов при полной нагрузке, °C 162–185 154–182 162–180 158–176 168–190
Весовой поток дымовых газов при частичной нагрузке (60%), кг/с 0,0284 0,0379 0,0460 0,0541 0,0622
Весовой поток дымовых газов при полной нагрузке, кг/с 0,0392-0,0484 0,0484-0,0645 0,0643-0,0781 0,0780-0,0916 0,0917-0,1056
Содержание CO2, % 10
Сопротивление газоотводящего тракта, мбар 0,28–0,41 0,46–0,79 0,71–1,30 1,34–1,78 1,32–1.77
Температура нагрева теплоносителя, °C 115
Допустимое избыточное рабочее давление, бар 6
Внешний вид напольного котла Buderus Logano G234 WS

Рис. 9.9. Внешний вид
напольного котла Buderus
Logano G234 WS

Напольные чугунные котлы Buderus Logano G234 WS. В них применен низкотемпературный отопительный котел с бесступенчатым регулированием температуры котловой воды. Серия выпускается в четырех типоразмерах с номинальной теплопроизводительностью 38–55 кВт. Котел комплектуется газовой горелкой атмосферного типа с предварительным смешиванием и эксплуатируется с баками-водонагревателями Logalux ST и Logalux SU емкостью 150–300 л.

Таблица. 9.7. Ориентировочный расход газ котлов серии G234WS

Типоразмер котла Природный газ (метан), м3 Сжиженный газ (пропан), кг/ч Сжиженный газ (пропан-бутан), кг/ч
38-5 4,17 3,07 3,1
44-5 4,84 3,55 3,6
50-6 5,50 4,03 4,1
55-6 6,02 4,42 4,5

В котлах применена газовая атмосферная горелка на основе трубки Вентури с предварительным смешиванием и автоматическим розжигом. В горелке применен ионизационный контроль пламени и двойной магнитный клапан.

Труба Вентури газовой горелки обеспечивает смешивание топлива с воздухом. В процессе сгорания образуется много отдельных очагов пламени без высокотемпературного ядра. Поэтому в таких газовых горелках температура сгорания значительно снижена. Кроме того, короткое пламя этих очагов легко отрывается от стержня горелки, уменьшая тепловую нагрузку на него.

Заводская установка рассчитаны на использование природного газа (индекс «H»), переналадка на сжиженный газ осуществляется сервисной службой с использованием заводского комплекта перенастройки.

Секции котла выполнены из высококачественного чугуна марки GL 180M. Увеличение эффективности теплоотдачи достигается специальным профилированием (оребрением) поверхностей нагрева.

Варианты подключения водогрейных баков к котлу Buderus Logano G234
Рис. 9.10. Варианты подключения водогрейных баков к котлу Buderus Logano G234
Схемы подключения внешних отопительных контуров к котлу Buderus Logano G234
Рис. 9.11. Схемы подключения внешних
отопительных контуров к котлу
Buderus Logano G234
Гидравлическое сопротивление котла на различных режимах работы
Рис. 9.12. Гидравлическое сопротивление котла
на различных режимах работы

Таблица 9.8. Характеристики отопительного котла Logano G234 WS

Типоразмер котла 38-5 44-5 50-6 55-6
Номинальная теплопроизводительность, кВт 38 44 50 55
Тепловая мощность сжигания, кВт 41,6 48,2 54,7 60,0
Потери при эксплуатационной готовности, % 2,1 1,8 1,8 1,7
Температура дымовых газов, °С 94 103 106 109
Весовой поток дымовых газов, кг/с 0,0407 0,0411 0,0432 0,0441
Содержание СО2, % 4,1 4,6 5,0 5,4
Напор, Па 3      


Габаритные размеры котлов Buderus серии Logano G234

Типоразмер котла 38 44 50 55
Высота, мм 1204 1204 1204 1204
Ширина, мм 650 650 740 740
Глубина, мм 726 726 726 726

Когенерационные установки. Собственное производство энергии снижает ее стоимость. Наибольшая экономическая эффективность достигается при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии с помощью так называемых когенерационных установок: генератор, приводимый в движение силовым агрегатом, вырабатывает электрическую энергию, а тепло получается из выхлопных газов и системы охлаждения.

Упрощенная схема работы когенерационной установки
Рис. 9.13. Упрощенная схема работы когенерационной установки
Внешний вид когенерационной газовой установки средней мощности производства фирмы FAS (Германия)

Рис. 9.14. Внешний вид когенерационной
газовой установки средней мощности
производства фирмы FAS (Германия)

В качестве силового агрегата для когенерационных установок небольшой мощности применяются поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие как на жидком, так и на газообразном топливе. С точки зрения первичных вложений дешевле дизельные когенераторы, однако эксплуатационные расходы у них существенно выше (дороговизна дизельного топлива, большой расход масла, малый моторесурс и т.д.). Себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии оказывается достаточно высокой. Использование сжиженного углеводородного газа в качестве топлива для когенераторов имеет ряд неоспоримых преимуществ:

  • возможность быстрого ввода в эксплуатацию в любом доступном для наземного транспорта (газовоза) месте;
  • высокая экологическая безопасность эксплуатации;
  • низкий уровень шума и крайне малые выбросы продуктов горения (сажи, золы, остатков несгоревших углеводородов, соединений серы и т.д.) в отработанных газах позволяют устанавливать когенераторы вблизи жилых объектов;
  • автономность работы определяется объемом емкостей СУГ;
  • возможность гибкого изменения конфигурации оборудования.
Внутреннее устройство когенерационной газовой установки

Рис. 9.15. Внутреннее устройство
когенерационной газовой установки

Главное преимущество технологии когенерации — эффективность топливоиспользования, недостижимое при раздельном производстве тепловой и электрической энергии. КПД электростанций составляет 30–50% (остальная часть энергии первичного топлива теряется в виде неиспользуемого тепла), котельной — в среднем около 80%. Таким образом, полный КПД системы с раздельным производством тепла и электричества находится в пределах 55–65%.

При этом для когенерационных установок (их также называют мини-ТЭЦ или когенераторами), где наряду с генерацией электрической энергии осуществляется утилизация тепла, полный КПД может достигать 90%. Соотношение теплового и электрического КПД когенерационных установок составляет 1:1,2–1,6.

Также следует отметить высокое качество электрической (стабильность частоты и напряжения) и тепловой (стабильность температуры) энергии, вырабатываемой когенерационными установками. Из преимуществ энергоэффективности и гибкости технологии когенерации напрямую вытекает высокий экономический потенциал автономных систем энергоснабжения на базе когенерационных установок.

По ряду оценок, сделанных применительно к российским условиям, рационально спроектированная система когенерации позволяет добиться сокращения затрат на энергию в 7 раз по сравнению со стоимостью электричества и тепла от централизованных сетей энергоснабжения. Это, в свою очередь, означает существенное снижение себестоимости продукции или услуг в целом. Окупаемость такого рода проектов составляет в среднем от 3 до 6 лет.

Технологическая схема когенерационной газовой установки
Рис. 9.16. Технологическая схема когенерационной газовой установки
Сравнение энергоэффективности когенерационной технологии и раздельной генерации тепло- и электроэнергии
Рис. 9.17. Сравнение энергоэффективности когенерационной технологии и раздельной генерации тепло- и электроэнергии

Основными компонентами системы когенерации являются:

  • первичный двигатель;
  • электрогенератор;
  • система утилизации тепла.

Тип первичного двигателя — базовый признак, по которому классифицируются системы когенерации. В настоящее время распространены следующие виды когенерационных установок: газотурбинные; газопоршневые; микротурбинные.

Когенерационная установка со снятым кожухом

Рис. 9.18. Когенерационная установка со снятым кожухом

В газотурбинных мини-ТЭЦ роль первичного двигателя (привода электрогенератора) выполняет газовая турбина (ГТ). Установки данного типа используются преимущественно для обеспечения энергетических нужд крупных промышленных потребителей; их применение целесообразно в диапазоне мощностей от 6 МВт и выше.

Для малых и средних мощностей альтернативными вариантами являются следующие два типа когенераторов. В газопоршневых мини-ТЭЦ приводом электрогенератора служит поршневой ДВС на газообразном топливе. На сегодняшний день этот тип установок является наиболее распространенной разновидностью когенерационных систем небольшой мощности. Основным видом топлива для газопоршневых мини-ТЭЦ является природный газ. Также в газовых ДВС могут использоваться альтернативные виды газообразного топлива, как высококалорийные (пропан, бутан), так и газы с низкой и средней теплотворной способностью (древесный, пиролизный, коксовый, попутный нефтяной, биогаз и т. д.). Кроме того, многие виды газопоршневых когенерационных установок допускают перенастройку с одного вида газового топлива на другой.

Нижний предел допустимых нагрузок для газопоршневых установок составляет 30–50% от номинальной мощности, причем снижение нагрузки в этих пределах почти не влияет на электрический КПД. Ресурс газопоршневых мини-ТЭЦ составляет от 200 до 250 тыс. моточасов. Газопоршневые установки характеризуются высокой эффективностью топливоиспользования (общий КПД может достигать 90%). Удельная стоимость газопоршневых мини-ТЭЦ находится в пределах $750–1100 за 1 кВт установленной мощности.

Микротурбинные когенераторы представляют собой новейший тип когенерационных установок, в которых выработка тепла и электроэнергии осуществляется газотурбинным генератором малой мощности (25–300 кВт). Единственная движущаяся деталь микротурбинной установки — высокоскоростной вращающийся вал, на котором размещены турбина, электрогенератор и компрессор. Используемый принцип компоновки обеспечивает высокую эксплуатационную надежность и компактность турбинных генераторов.

Основное преимущество микротурбинных когенерационных установок — возможность работы с переменной нагрузкой в полном диапазоне без сокращения ресурса. Также микротурбинные установки характеризуются низким уровнем шума при работе и хорошими экологическими показателями, что делает возможным их использование в жилых районах. Общий КПД микротурбинных когенераторов составляет 85–90%. Основным недостатком микротурбинных установок по сравнению с газопоршневыми является их высокая удельная стоимость (около $2000 за 1 кВт), сильно влияющая на доступность решений на их основе.

Газопоршневые системы представлены большим числом моделей зарубежных и российских производителей и в диапазоне мощностей от 250 кВт до 6 МВт остаются рациональным и эффективным решением для большинства типовых задач автономного теплои электроснабжения.

Компания FAS (Германия) предлагает широкий спектр когенерационных установок на базе газопоршневых ДВС, способных обеспечить тепловой и электрической энергией самых разных потребителей.

Газовый двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания (двигатель со свободным впуском) без турбонаддува. Охлаждение поршней обеспечивается потоком масла под давлением. Выхлопные газы отводятся через водохлаждаемый сборный коллектор. Картер и блок цилиндров представляют собой единый литой узел. Картер переходит в блок, состоящий из 4 цилиндров, расположенных в ряд. На стороне картера, где находится маховик, расположен зубчатый ременной привод механизма газораспределения. Коленчатый вал изготовлен из закаленной хромомолибденовой стали. Подшипниковые вкладыши изготовлены из свинца/бронзы со стальной спинкой. Штампованные шатуны также выполнены из хроммолибденовой стали.

Поршни сделаны из алюминиевого сплава с очень низким коэффициентом теплового расширения. Благодаря специальной конструкции камеры сгорания не происходит повреждения поршней и клапанов при выходе из строя зубчатого ремня привода механизма газораспределения. Двигатель имеет циркуляционную систему смазки под давлением. Масло подается из масляной ванны насосом с шестеренчатым приводом. Очистка смазочного масла происходит в масляном фильтре с бумажной вставкой. Фильтр расположен на главной магистрали маслопровода. Из главной магистрали очищенное масло распределяется по различным масляным каналам. Смазка поступает к коренным и шатунным подшипникам коленчатого вала, цапфам поршней, опорам распределительного вала, клапанным рычагам и одновременно через сопла охлаждает днища поршней.

Двигатель имеет замкнутую систему охлаждения. Насос подает охлаждающую жидкость сначала к картеру двигателя. По внутренним каналам картера охлаждающая жидкость поступает к гильзам и головкам цилиндров. Пройдя через двигатель, жидкость подается для охлаждения сборного коллектора выхлопных газов и затем поступает в теплообменник выхлопных газов. Система охлаждения двигателя состоит из центробежного насоса с электроприводом, предохранительного клапана и мембранного расширительного бака.

Стартер двигателя оборудован пусковым реле и редуктором. Питающее напряжение приводного механизма стартера составляет 24 В при потребляемой мощности 1,2 кВт. Для пуска двигателя электроэнергия поступает на стартер двигателя и в систему зажигания (12 В) от двух аккумуляторных батарей. Кроме этого, ток от аккумуляторных батарей подается на устройства контроля и регулирования (24 В).

Воздушный фильтр изготовлен из полностью утилизируемой пластмассы со сменным бумажным патроном и представляет собой двухступенчатый фильтр для очистки сухого воздуха. Подача газа осуществляется по участку газопровода с предохранительной арматурой. Газовоздушная смесительная камера с дроссельным клапаном работает по принципу трубки Вентури, в которой газ смешивается с воздухом, идущим на горение.

От датчика с кулачковым валом на цилиндры поступает импульс так, что зажигание происходит на такте впуска и выпуска. Смещение зажигания в цилиндрах управляется зубчатой шайбой на шкиве привода зубчатого ремня на коленчатом валу. Момент зажигания зависит от разрежения во всасывающем колене и температуры двигателя. Зажигание выполнено как бесконтактная электронная система на базе кулачкового вала, без механического распределителя. Она состоит из блока катушек зажигания, электронного распределителя, датчика числа оборотов, силиконового кабеля, штекеров для свечей и самих свечей зажигания для стационарных газовых двигателей.

Высокоэластичная фланцевая муфта, соединяющая двигатель с трехфазным синхронным генератором, изготовлена из силиконовой резины и вставляется по оси. Она обеспечивает торсионное эластичное соединение между газовым двигателем и трехфазным синхронным генератором. Подверженный тангенциальным нагрузкам дисковидный резиновый элемент демпфирует колебания при вращении и выравнивает несоосность валов.

Резиновый диск вулканизирован непосредственно на внутреннюю сторону ступицы. По краю элемента имеется зубчатое зацепление с фланцем муфты, за счет которого при работе создается почти без зазора вставное соединение с геометрическим замыканием.

Система трубопроводов мощной когенерационной установки

Рис. 9.19. Система трубопроводов
мощной когенерационной установки


Смонтированная когенерационная установка мощностью 23 кВт, предназначенная для обслуживания коттеджного поселка

Рис. 9.20. Смонтированная когенерационная
установка мощностью 23 кВт, предназначенная
для обслуживания коттеджного поселка

В установке применен трехфазный синхронный генератор индуктивного типа с автоматическим регулированием cos φ в диапазоне 0,8–1,0 с электронным регулированием напряжения и защитой от пониженных оборотов. Стандартная на ⅔ хордовая обмотка статора и пусковая демпферная клетка обеспечивают рабочий режим при 100% относительной несимметричной нагрузке. Для контроля температуры обмотки имеется встроенный комплект термисторов (3 терморезисторных датчика с положительным температурным коэффициентом). Генератор с внутренним полюсом и автоматическим регулированием соответствует действующим предписаниям VDE 0530 и DIN 6280, часть 3, а также стандарту качества ISO 9002.

Система трубопроводов монтируется в заводских условиях и соединяет основные элементы — теплообменник охлаждающей жидкости, теплообменник выхлопных газов и двигатель. Полностью осуществлена обвязка трубопроводами и необходимая изоляция систем охлаждения, отопления и выхлопных газов. Все соединения труб для предохранения от колебаний имеют металлические компенсаторы и гибкие шланги и выполнены в виде фланцевых или резьбовых соединений с уплотнениями. Водопроводы выполнены из нормальной стали, трубопроводы для выхлопных газов и шумоглушитель — из нержавеющей стали.

В систему теплообменников входят два устройства: для выхлопных газов и для охлаждающей жидкости, использующие тепло, выделяющееся при работе двигателя, и тепло, содержащееся в выхлопных газах.

Теплообменник выхлопных газов связан с контуром охлаждения двигателя и состоит из теплопередающих труб из нержавеющей стали, внутри которых — легкосъемные турбулентные пластины. Трубы тангенциально соединены между собой сварными переходами из нержавеющей стали и с каждой стороны имеют общий коллектор. Теплопередающие трубы омываются водой в общем корпусе.

Когенерационная установка мощностью 750 кВт в контейнерном исполнении производства фирмы FAS (Германия)

Рис. 9.21. Когенерационная установка мощностью 750 кВт
в контейнерном исполнении производства фирмы FAS (Германия)

В паяном пластинчатом теплообменнике охлаждающей жидкости происходит передача тепла, выделяющегося при работе газового двигателя, и тепла, содержащего в выхлопных газах, в водяной контур. Каждая вторая пластина повернута в плоскости на 180°, за счет чего образуются два независимых друг от друга пространства, в которых циркулируют противотоком среды (охлаждающая жидкость двигателя, вода системы отопления). Штамповка пластин обеспечивает высокую турбулентность потока и эффективную теплопередачу уже при малых объемных расходах.

Компания FAS, учитывая растущий интерес рынка к технологиям независимой генерации электрической и тепловой энергии, разработала ряд когенерационных установок в контейнерном исполнении.

Далее приведены технические характеристики установок мощностью 750 и 1000 кВт.

Таблица 9.9. Характеристики контейнерной когенерационной установки мощностью 750 кВт фирмы FAS

Тип двигателя TCG 2020 V12 OLS
Число/расположение цилиндров – 12/V-образное. Диаметр цилиндра/ход поршня  – 170/195 мм. Объем – 53,1 л. Степень сжатия – 12 : 1. Средняя скорость поршней – 9,8 м/с. Стартер, кВт/В – 15/24. Объем масла, мотор/ бак, л – 205/490. Расход масла при 100%-й нагрузке, г/кВт – 0,20. Количество охлаждающей жидкости мотора/величина KVS, л/м3/ч, – 111/4,20. Температура охлаждающей жидкости мотора, вход/выход, °C – 82,0/90,0. Поток ох- лаждающей жидкости мотора, мин/макс, м3/ч – 36/56. Поток охлаждающей жидкости мотора/падение давления, м3/ч/бар, – 41,8/0,99. Температура охлаждающей жидкости смесителя мотора, вход/выход, °C – 40,0/41,3.
Генератор Marinelli MJB 400 LC 4
Напряжение/частота, В/Гц, – 400/50. Частота оборотов ротора – 1500 об/мин. КПД при cos φ = 1,00, % – 96,8 (под полной нагрузкой).
Нагрузка, % 100 75 55
Мощность мотора по нормам ISO 3046/1, кВт 770 577 420
Среднее эффективное давление, бар 11,6 8,7 6,3
Температура выхлопных газов, °C 530 540 550
Вес сырых выхлопных газов, кг/ч 4145 3116 2382
Количество сжигаемого воздуха по нормам ISO 3046/1, кг/ч 3995 3000 2294
Энергобаланс (точность данных по теплу ±8%)
Электрическая мощность при cos φ = 1,00, кВт 745 557 402
Теплота охлаждающей жидкости, кВт 378 305 239
Теплота смеси NT при входной температуре 40°C, кВт 50 33 20
Теплота выхлопных газов (при охлаждении до 120 °C), кВт 527 406 318
Излучение двигателя, кВт 60 60 60
Излучение генератора, кВт 25 20 18
Энергия топлива, кВт 1925 1486 1137
Механический КПД, % 40,0 38,8 36,9
Электрический КПД, % 38,7 37,5 35,4
Тепловой КПД (при охлаждении выхлопа до 120 °C), % 47,0 47,8 49,0
Суммарный КПД, % 85,7 85,3 84,4
Условия эксплуатации
Поток воздуха при ΔТ = 15 К, кг/ч 28968
Температура всасывания воздуха, минимальная/расчетная (100 м), °C 20/25
Противодавление в системе ОГ, мбар 30–50
Максимальная потеря давления на воздушном фильтре, мбар 5
Входная регуляторная группа нулевого давления, мбар 20–200
Входная регуляторная группа низкого давления, бар 0,5–10
Емкость аккумуляторной батареи 24 В, А•ч 430
Вес двигателя, кг 4200
Вес агрегата, кг 9400

Таблица 9.10. Характеристики контейнерной когенерационной установки мощностью 1000 кВт фирмы FAS

Тип двигателя – TCG 2020 V16 OLS
Число/расположение цилиндров – 16/V-образное. Диаметр цилиндра/ход поршня – 170/195 мм. Объем – 70,8 л. Степень сжатия – 12 : 1. Средняя скорость поршней –  9,8 м/с. Стартер, кВт/В – 15/24. Объем масла, мотор/бак (опт.), л – 265/685. Расход масла при 100%-й нагрузке – 0,20 г/кВт. Количество охлаждающей жидкости мотора/величина KVS, дм33/ч – 151/46,0. Температура охлаждающей жидкости мотора, вход/выход, °C – 82,0/90,0. Поток охлаждающей жидкости мотора, мин/макс,  м3/ч – 50/65.
Генератор – Marinelli MJB 450 LA 4
Напряжение / частота, В/Гц, – 400/50. Частота оборотов ротора – 1500 об/мин. КПД при cos φ = 1,00 и нагрузке 100% – 97,2%.
Нагрузка, % 100 75 55
Мощность мотора по нормам ISO 3046/1, кВт 1027 770 560
Среднее эффективное давление, бар 11,6 8,7 6,3
Температура выхлопных газов, °C 525 539 550
Вес сырых выхлопных газов, кг/ч 5535 4170 3188
Кол-во сжигаемого воздуха по нормам ISO 3046/1, кг/ч 5335 4016 3070
Энергобаланс (точность данных по теплу ±8%)
Электрическая мощность при cos φ = 1,00, кВт 998 748 540
Теплота охлаждающей жидкости, кВт 516 407 322
Теплота смеси NT при входной температуре 40°C, кВт 73 51 30
Теплота выхлопных газов (при охлаждении до 120 °C), кВт 693 542 426
Излучение двигателя, кВт 72 72 72
Излучение генератора, кВт 29 22 20
Энергия топлива, кВт 2567 1984 1518
Механический КПД, % 40,0 38,8 36,9
Электрический КПД, % 38,9 37,7 35,6
Тепловой КПД (при охлаждении выхлопа до 120°C), % 47,1 47,8 49,3
Суммарный КПД, % 86,0 85,5 84,9
Условия эксплуатации
Поток воздуха при ΔТ = 15 К, кг/ч 35505
Температура всасывания воздуха, минимальная/расчетная (100 м), °C 20/25
Противодавление в системе ОГ, мбар 30–50
Максимальная потеря давления на воздушном фильтре, мбар 5
Вход регуляторной группы нулевого давления, мбар 20–200
Вход регуляторной группы низкого давления, бар 0,5–10
Емкость аккумуляторной батареи 24 В, А•ч 430
Вес двигателя, кг 5800
Вес агрегата, кг 10200

9.5. АВТОМАТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ

Одно из серьезных преимуществ газового топлива — возможность автоматического контроля и регулирования процессов сжигания газа. Устройства автоматического регулирования и безопасности могут применяться как совместно, так и раздельно. Автоматические устройства, применяемые в газовых приборах и аппаратах, по-своему назначению подразделяются на группы:

  • устройства регулирования;
  • устройства, обеспечивающие удобство пользования;
  • устройства, повышающие надежность, безотказность и долговечность работы аппаратов;
  • устройства безопасности.

Большинство устройств автоматики или их комплексы служат средствами повышения безопасности и могут относиться к последней группе устройств. Все эксплуатируемые газовые приборы снабжены такими устройствами.

Автоматические устройства бытовых газовых плит. В современных моделях газовых плит предусматриваются автоматическое зажигание горелок, терморегулирование духового шкафа, контроль пламени, подсветка. Для автоматизации розжига широко применяется система пьезозажигания, принцип действия которой основан на пьезоэффекте — генерировании высоковольтных импульсов малой длительности.

Пьезокерамическое устройство, применяемое для газовых плит, состоит из общего корпуса, в котором установлены пьезоэлемента в изолирующей обойме. В этом же корпусе установлен боек с пружиной, взводимой при повороте ручки крана. При повороте крана боек ударяет по торцу пьезоэлемента, вызывая импульсы тока напряжением 10–15 кВ, достаточными для получения искрового разряда в разряднике, установленном у зоны пламени горелки. Наилучший эффект дает использование пьезозажигания на горелке с верхним пламенем управления, где за счет наличия кольцевой зоны горючего газа не требуется ориентировать огневые отверстия горелки по оси искрообразования. Этот же способ применяют и для переносных зажигалок разовых плит.

Автоматика контроля пламени представляет собой систему термопар, устанавливаемых у зоны пламени горелок датчика и связанных о электромагнитным клапаном, встроенным в кран горелки. Спай термопары, устанавливаемой у горелки, возбуждает при нагреве термо-ЭДС, передаваемую электромагниту, связанному штоком с подпружиненным клапаном, перекрывающим вход в газовый кран.

Клапан при разжигании открывается осевым нажатием на рукоятку крана и в процессе работы горелки клапан электромагнитом удерживается открытым. При охлаждении спая термопары и снижении термо-ЭДС в случае погасания горелки пружина возвращается в закрытое положение. Хромелькопелевая термопара при нагреве до 400–500°С обеспечивает термо-ЭДС до 15 мВ.

Автоматическое регулирование подачи газа на газовые горелки в зависимости от температуры нагрева духового шкафа осуществляется благодаря большей разнице в коэффициентах объемного расширения Кv при нагревании: у латуни 19•10-6, у сплава инвара ~0. Работа терморегулятора осуществляется по принципу пропорционального действия. До зажигания горелок духового шкафа его температура равна температуре помещения, и клапан открыт.

Дилатометрический терморегулятор представляет собой трубчатый стержень дилатометра, введенного в зону духового шкафа. За счет линейного расширения при нагреве этот стержень толкает подвижной клин и передает усилие толкателю. Последний перемещает подпружиненный клапан, регулируя подачу газа на горелку. Терморегулятор встроен в газопровод горелки и настраивается на заданный режим рукояткой, выведенной на лицевой щиток плиты. Терморегулирование выполняют в диапазоне 150–350°С по градуированной шкале.

Автоматические устройства газовых проточных водонагревательных аппаратов. Эти устройства отключают газовый тракт при недостатке или отсутствии протока воды и подачи газа. Ранее устройство розжига для водонагревателей не предусматривалось, хотя наличие запального пламени позволяло осуществлять автоматический розжиг основной горелки в процессе пользования при включении и выключении водоразбора.

Устройства автоматического отключения подачи газа при отсутствии тяги чаще всего работают на основе электромагнитного клапана с термопарой (см. выше).

Автоматические устройства газовых отопительных аппаратов (емкостных водонагревателей с водяным контуром). Эти аппараты оснащаются устройствами для отключения газового тракта при отсутствии подачи газа и разрежения в дымоходе. Дополнительно они оборудуются автоматикой регулирования температуры теплоносителя (воды). Принципиально автоматические устройства безопасности не отличаются от применяемых в проточных водонагревателях.

9.6. ОСОБЕННОСТИ СЖИГАНИЯ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА В КОТЛАХ

Производства пара и горячей воды осуществляется в котлах, номенклатура которых многообразна и зависит от тепловой мощности, параметров теплоносителя и вида используемого топлива. Котлы различают по следующим признакам:

  • по назначению — энергетические, отопительные, производственноотопительные;
  • по материалу — чугунные и стальные;
  • по характеру теплоносителя — водогрейные и паровые;
  • по устройству топок – слоевые (для твердого топлива) и камерные (для жидкого и газового топлива);
  • по аэродинамическому режиму топки — с разрежением, с наддувом;
  • по перемещению газов и воды — газотрубные (жаротрубные и с дымогарными трубами), комбинированные и водотрубные;
  • по конструктивным особенностям — секционные, цилиндрические, вертикально-цилиндрические, горизонтальнои вертикально-водотрубные; вертикально-прямоугольные;
  • по движению водяного или пароводяного потока — с естественной, принудительной и комбинированной циркуляцией и прямоточные;
  • по транспортабельности — стационарные (на неподвижном фундаменте) и передвижные.

Сегодня проблема выбора схемы газоснабжения котла уже потеряла былую актуальность и практически не зависит от необходимости предусматривать быстрый перевод котла на сжигание резервного вида топлива или же его работу только на основном — газовом. Для котельного оборудования практически любой мощности разработаны принципиальные схемы резервного газоснабжения на пропан-бутановых смесях, включающие в себя смесительные установки.

Правильный выбор типа и конструкции газогорелочных устройств, их число и место установки в топке определяют экономичность, безопасность и долговечность работы котлоагрегата, а также количество выбросов в атмосферу с продуктами сгорания вредных веществ. При сжигании топлива должно быть исключено ударное воздействие факелов горелок на поверхности нагрева, а размер факела при любых режимах работы котла — меньше размеров топки.

Соприкосновение газового факела с поверхностями нагрева (экранами, секциями) приводит к его охлаждению, обрыву реакции горения, химической неполноте сгорания, вплоть до выделения сажистых частиц. И в то же время перегрев поверхностей в месте соприкосновения их с факелом может привести к образованию трещин и разрывов. Кирпичная кладка обмуровки также не выдерживает длительного воздействия пламени.

Газовые горелки при работе не должны сильно шуметь, а также не должны вызывать вибрацию котла. Горелки должны работать устойчиво во всем диапазоне изменения нагрузки котла без отрыва и проскока пламени и должны иметь устройство для надежного их розжига.

Для предохранения котлов от разрушения при возможном взрыве топки и газоходы должны оборудоваться предохранительными взрывными клапанами, а также автоматикой регулирования и безопасности. Автоматика регулирования в паровых котлах должна обеспечивать поддержание заданного давления пара, уровень воды в котле, разрежение в топке и постоянство соотношения «газ-воздух», а в водогрейных котлах — поддержание необходимой температуры горячей воды на выходе из котла по температурному отопительному графику.

Автоматика безопасности должна контролировать параметры работы котла и при аварийном отклонении их от допустимых значений быстро отключать подачу газа, что необходимо выполнять в следующих случаях:

  • при понижении или повышении сверх допустимых значений давления газа;
  • при погасании пламени;
  • при повышении температуры воды или давления пара в барабане котла или в сборном распределительном коллекторе выше допустимых;
  • при прекращении подачи электроэнергии;
  • при понижении давления воздуха перед горелками ниже допустимого уровня;
  • при недостаточном разрежении в топке котла;
  • при неисправности самой автоматики безопасности.

9.7. промышленные ПЕЧи на газовом топливе

Широко распространенными газопотребляющими агрегатами являются промышленные печи. Применение газа (взамен других видов топлива) в промышленных печах при рациональной организации его сжигания дает значительный экономический эффект, определяющийся как более низкими затратами на топливную составляющую в себестоимости продукции, так и улучшением технико-экономических показателей самих агрегатов. Широкое использование газа открывает возможности для создания высокоэффективных автоматизированных печей новых типов: безокислительного и скоростного нагрева, с кипящим слоем, рециркуляционных и др.

Промышленные печи классифицируются по следующим основным признакам:

  • по технологическому назначению — плавильные, нагревательные, термические, обжиговые, сушильные и т.д.;
  • по источнику тепловой энергии — пламенные, электрические;
  • по режиму работы — периодического и непрерывного действия;
  • по конструкции рабочей камеры — камерные, проходные, с выдвижным и с вращающимся подами, методические, шахтные и туннельные;
  • по способу использования теплоты уходящих продуктов сгорания — рекуперативные, регенеративные.

При организации сжигания газового топлива в печах особое внимание необходимо уделять правильному теплообмену в рабочей камере печи. По условиям теплообмена промышленные печи можно разделить на три группы:

  • Высокотемпературные печи (температура в рабочей камере — выше 1000°С). Теплопередача осуществляется в основном излучением; топливо сжигается в рабочем пространстве печи;
  • Среднетемпературные печи (температура в рабочей камере — 650– 1000°С). В этих печах теплопередача осуществляется, как излучением, так и конвекцией, газовое топливо сжигается в отдельных камерах, чаще отделенных от рабочего пространства печи.
  • Низкотемпературные печи (температура в paбочей камере — до 650°С). Теплопередача осуществляется в основном конвекцией. Газовое топливо сжигается в отдельной топочной камере, а теплоноситель, образуемый смешением высокотемпературных продуктов сгорания с воздухом или рециркулятором необходимой температуры, подается в рабочее пространство печи.

В высокои среднетемпературных печах теплообмен совершается главным образом за счет излучения пламен и раскаленных трехатомных газов (СО2 и Н2О) к нагреваемым изделиям и к кладке. Роль кладки как вторичного излучателя особенно ощутима при теплопрозрачных продуктах сгорания, образующихся при кинетическом сжигании газа (например, при применении инжекционных горелок среднего давления, работающих с коэффициентом избытка первичного воздуха α1>1,0).

Интенсивность теплообмена в низкотемпературных печах, где основное значение имеет передача теплоты конвекцией, достигается путем циркуляции газов, которая одновременно приводит к выравниванию температуры в печах и равномерному прогреву находящихся в них изделий.

Таблица 9.11. Удельный расход газа (теплоты) для нагрева металла в некоторых печах

Печи Температура
в печах, °С
Расход теплоты, кДж/кг КПД печей, %
Кузнечные 1200 3780–6300 20–14
Закалочные 800 2100–2940 27–23
Отпускные 550 1260–1680 31–23
Цементационные 930 2940–3360 23–20

Таблица 9.12. Количество теплоты газа, %, при его полном сгорании в зависимости от температуры уходящих газов и коэффициента избытка воздуха

Температура уходящих газов, °С Коэффициент избытка воздуха
1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30
200 91,8 91,4 91,1 90,7 90,4 90,0 89,7
300 87,6 87,0 86,5 86,0 85,4 84,0 83,4
400 83,2 82,5 81,8 81,1 80,4 79,7 78,9
500 78,7 77,7 76,9 76,0 75,2 74,3 73,3
600 74,2 73,1 72,0 70,9 69,8 68,8 67,6
700 69,4 68,1 66,9 65,7 64,3 63,0 61,8
800 64,7 63,2 61,7 60,2 58,7 57,3 55,8
900 59,8 58,1 56,4 54,7 53,1 51,4 49,7
1000 54,8 52,9 51,0 49,1 47,3 45,4 43,5
1100 49,8 47,7 45,5 43,4 41,3 39,3 37,2
1200 44,6 42,3 39,9 37,8 35,5 33,2 30,9
1300 39,5 37,0 34,3 32,1 29,5 27,0 24,5
1400 34,2 31,4 28,8 24,0 23,3 20,6 17,9

Расход газа в печах зависит от их конструкции, эксплуатационного состояния, режима работы, производительности и температуры уходящих газов. Расход газа (теплоты) на 1 кг металла, нагреваемого в печах без рекуператоров, приведен в табл. 9.11.

В печах, использующих теплоту уходящих газов для нагрева воздуха, расход газа уменьшается на 20–30% . Количество используемой в печах химической теплоты газа зависит от температуры уходящих газов и коэффициента избытка воздуха (табл. 9.12) Приведенные в таблице данные указывают на необходимость работы с минимальным коэффициентом избытка воздуха и использования теплоты уходящих газов, в особенности для высокотемпературных печей.

Газовое оборудование нагревательных и термических печей. Нагревательные печи предназначены для нагрева металла перед ковкой, штамповкой или прокаткой. При нагреве черных металлов температура в печах в зависимости от марки стали достигает 1250–1400, в отдельных случаях — 1500°С, при нагреве цветных металлов — 500–950°С. Рабочее пространство нагревательных печей выложено шамотным или высокоглиноземистым кирпичом. В печах с температурой выше 1400°С свод выполнен из динасового кирпича.

Термические печи предназначены для нагрева металла перед последующей технологической обработкой. Термическая обработка металлов улучшает их структуру и придает свойства, необходимые для определенных конкретных условий: прочность, твердость, износоустойчивость, вязкость и т.п. Термическая обработка включает в себя ряд операций: нагрев до определенной температуры, выдержку при ней в течение заданного времени и охлаждение с заданной скоростью. Наиболее распространенные операции термической обработки — отжиг, нормализация, закалка, отпуск и цементация.

Для термической обработки применяются камерные, проходные, вертикальные, муфельные и ванные печи. Выбор типа горелок и их числа определяются типом и размером печи, технологией нагрева и т. п. Применение газа позволяет внедрять прогрессивные методы ускоренного и скоростного нагрева металла. Сталь обладает большими возможностями для проведения скоростного нагрева, при котором значительно уменьшаются окисление и разуглероживание стали, а структура и механические свойства улучшаются. В основу этого метода положен принцип транспортирования изделий через печь в течение строго заданного времени, так как температура в печи значительно превышает температуру нагрева металла и достигает 1500–1600°С.

Важнейшим требованием, предъявляемым к скоростным печам, является обеспечение равномерного и всестороннего нагрева. Последнее достигается интенсивным подводом теплоты не только за счет излучения газов и кладки, но и за счет больших скоростей продуктов сгорания, приводящих к увеличению конвективного теплообмена. Тепловые напряжения в печах скоростного нагрева достигают нескольких десятков и даже сотен тысяч киловатт на 1 м3, продолжительность нагрева сокращается в 3–5 раз, а угар металла снижается на 0,3–0,5%.

Печи безокислительного (малоокислительного) нагрева. Для получения после нагрева или термообработки изделий чистой неокисленной поверхностью применяют печи безокислительного нагрева, резко сокращающие потери металла, переходящего в окалину, составляющие в обычных печах 2–5% нагреваемого металла. Кроме того, отсутствие окалины исключает брак от вдавливания ее в поверхность металла при ковке, штамповке или прокате; повышает стойкость штампов и валков. Нагрев заготовок без образования окалины позволяет применять точную штамповку с минимальными допусками, что дает значительную экономию металла и уменьшает затраты на механическую обработку деталей. Для нагрева изделий до 900– 1000°С, главным образом для термообработки, а также для газовой цементации, применяют муфельные печи или печи с радиационными трубами.

Для предотвращения угара металла применяется безокислительный нагрев заготовок и изделий в специальных газовых печах. Газ в нагревательных камерах сжигают с большим недостатком воздуха, в результате чeгo в продуктах неполного сгорания появляется значительное количество оксида углерода и водород, которые не окисляют, а при определенных условиях даже восстанавливают окисленный нагретый металл.

Печь безокислительного нагрева состоит из двух камер и рекуператора для нагрева воздуха. Предварительный разогрев печи осуществляется при сжигании газа с α = 1,05–1,10. После разогрева печи нижняя рабочая камера переводится на горячий воздух с α = 0,5, а в верхнюю камеру подается холодный воздух для дожигания продуктов неполного сгорания из нижней камеры. Образовавшиеся в верхней камере продукты завершенного сгорания поступают в рекуператор, где отдают теплоту проходящему через него воздуху, и отводятся в атмосферу. Передача теплоты заготовкам или изделиям в рабочей камере происходит от факела, продуктов неполного сгорания газа и излучения свода, отделяющего нижнюю камеру от верхней.

Если требуется полностью устранить окисление или обезуглероживание поверхности металла или необходима ее цементация, изделия нагревают в пламенных муфельных или радиационных печах. Рабочее пространство таких печей полностью изолируется от продуктов сгорания газа и заполняется специальными газами необходимого химического состава. Изделия помещают в муфели, заполняемые нужной газовой средой. Нагрев муфелей снаружи осуществляется пламенем горелок и продуктами сгорания газа. В радиационных печах изделия, находящиеся в камерах, заполненных газовой средой, нагревают за счет излучения труб, в которых сжигают газ. Радиационные трубы применяют в безмуфельных печах при термической или химико-термической обработке металла в специальной атмосфере. Наиболее часто с помощью радиационных труб обогревают протяжные и проходные печи для светлой термической обработки полосовой стали, прутков, труб и пр. По мере создания сталей с высокой жаростойкостью (до 1300°С) можно ожидать значительного расширения области применении радиационных труб для безокислительного нагрева металла под ковку и штамповку, для высокотемпературного подогрева воздуха и пр.

В качестве защитной среды, которой заполняют муфели, камеры или туннели с нагреваемыми в них изделиями, широко используют продукты неполного сгорания углеводородных газов, очищенные частично или полностью от водяных паров и углекислого газа, в зависимости от необходимого состава защитной среды процесс неполного сгорания газа проводится при α = 0,60–0,90/0,25–0,40. В первом случае реакция является экзотермической, идущей с выделением теплоты, и полученный газ называется экзогазом; во втором случае эндотермической, требующей подвода теплоты извне. Полученный при этом газ носит название эндогаз.

Печи с кипящим слоем. Одним из наиболее перспективных способов интенсификации теплообмена между греющими газами и поверхностью металла является кипящий слой, образующийся при продувании засыпки зернистого материала потоком газа. При относительно низких скоростях газового потока слой материала неподвижен, сопротивление фильтрации возрастает пропорционально скорости газа. Когда гидравлическое сопротивление слоя становится равным его удельному весу (на единицу площади опорной решетки), наступает состояние пеевдоожижения: высота слоя возрастает, частицы (зерна) материала под действием потока газа начинают перемешиваться.

В качестве зернистой засыпки в печах кипящего слоя применяют кварцевый песок, корунд, карборунд, шамот, магнезит и другие огнеупорные материалы с размером частиц (зерен) от 50 мкм до 2 мм и более. Для получения высоких значений коэффициента теплоотдачи выгоднее использовать засыпку из мелкозернистого материала (dср = 0,3–1,0 мм).

Частицы (зерна) твердого материала, нагретые газовым потоком, соприкасаются с поверхностью нагреваемого металла и отдают теплоту. Постоянное обновление частиц у нагреваемой поверхности следствие их интенсивного перемешивания, высокая объемная теплоемкость и их большая поверхность в единице объема слоя обеспечивают высокие значения коэффициентов теплоотдачи от газов к частицам и наоборот. Таким образом, частицы служат эффективным промежуточным теплоносителем. По нагревающей способности кипящий слой превосходит все применяемые в промышленной практике способы нагрева, за исключением индукционного. Так, например, при температуре среды 900°С средний коэффициент теплоотдачи αк, кВт/(м2•°С), при нагреве металла от 20 до 900°С достигает:

  • для кипящего слоя — 1021,
  • для расплава щелочи — 696,
  • для расплава соли — 394,
  • для обычной газовой печи — 209.

С увеличением плотности частиц и температуры слоя, с уменьшением размера частиц коэффициент теплоотдачи к поверхности возрастает. За счет подбора размеров и плотности инертного материала, а также скорости газов, проходящих через слой, можно в широких пределах регулировать коэффициент теплоотдачи.

Весьма ценное качество кипящего слоя как промежуточного теплоносителя — постоянство температур по всему объему камеры, объясняемое интенсивным перемешиванием частиц. Высокая равномерность нагрева (±5°С), незначительная зависимость интенсивности теплообмена от температуры нагреваемых изделий, возможность регулирования скорости нагрева — все это позволяет быстро нагревать и охлаждать в кипящем слое детали переменного сечения и сложной формы без перегрева и коробления отдельных частей. К недостаткам кипящего слоя следует отнести значительные расходы газа на псевдоожижение, неодинаковую интенсивность теплообмена с вертикальными и горизонтальными плоскими поверхностями, унос и пр.

Для нагрева кипящего слоя применяются два способа сжигания газа: в выносных топках под газораспределительным устройством (решеткой) и в самом слое. Способ сжигания газового топлива под решеткой и подвод теплоты в слой с горячим дутьем широко применяют в процессах сушки и дегидратации различных материалов, при сушке литейных песков и пр. Он весьма прост, надежен и безопасен. Выносные топки указанных установок работают под давлением.

При втором способе предварительно подготовленная смесь газа с воздухом проходит через решетку, раздробляясь при этом на мелкие струйки, и попадает в разогретый кипящий слой инертного материала. Процесс горения идет в присутствии частиц с раскаленной поверхностью.

Для кипящего слоя характерно использование мелких частиц (диаметром от 0,2 до 5 мм). Суммарная площадь поверхности таких частиц в единице объема велика и растет с уменьшением их размеров (для сферических частиц диаметром 1 мм она составляет 3600 м2 на 1 м3). Высокая объемная теплоемкость частиц, в сотни раз превышающая теплоемкость псевдоожижающей среды, способствует тому, что горячая смесь, попадая в слой, подогревается практически мгновенно и без снижения температуры частиц. При высоких температурах скорость химической реакции чрезвычайно велика, и сгорание подготовленной смеси в слое происходит в зоне высотой 30–100 мм. Устойчивое горение гомогенной смеси в слое обеспечивается при температуре 800–850°С и выше.

9.8. ГАЗОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ СУШИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Сушка — термический процесс удаления влаги или растворителей путем их испарения. При сушке протекают три основных процесса:

  • испарение влаги с поверхности материала, сопровождаемое поглощением тепла;
  • перемещение образующегося на поверхности материала пара в окружающую среду;
  • перемещение влаги внутри материала от центральных слоев к поверхности испарения.

Благодаря испарению концентрация влаги на поверхности уменьшается. При этом создается разность (градиент) влагосодержаний на поверхности и в центральных слоях материала, обеспечивающая непрерывное движение влаги от центра к поверхности испарения.

Сушка в зависимости от вида теплообмена подразделяется на конвективную, когда передача теплоты от сушильного агента к высушиваемому материалу (изделию) осуществляется конвекцией, и радиационную, когда теплота материалу передается излучением.

Наиболее распространена конвективная сушка, интенсивность которой зависит от разности парциальных давлений водяных паров на поверхности испарения и сушильного агента, характера и скорости движения сушильного агента, влажности материала и температурного режима сушки. Поэтому сушка в вынужденном потоке идет быстрее, чем естественная в свободном потоке газовой среды.

Таблица 9.13. Сравнение эксплуатационных показателей конструктивных групп выносных топок сушильных установок

Топки
Допустимая
плотность
теплового потока
топочного объема,
МВт/м3
Удельная
материалоемкость
(кирпич), т/МВт
Срок службы
(долговечность
кладки), ч
КПД, %
Камерные 0,5–0,7 5–6 менее 2000 85–90
Цилиндрические 0,8–2,0 0–5 3000–4000 до 98
Циклонные и прочие особых конструкций 1,5–15,0 0–3 5000 и более до 96

Для разных материалов и изделий в зависимости от размеров и нормы их устанавливают режим сушки, который определяется на основании технологических требований путем соответствующих лабораторных исследований. Большинство сушильных установок, а также ряд других тепловых агрегатов (например, печи дожигания) оборудуются выносными топками, необходимость применения которых обусловлена невозможностью выноса процесса горения в рабочий объем сушилки (из-за низкого температурного уровня сушильных процессов) и опасностью неблагоприятного воздействия высокотемпературного ядра факела на обрабатываемый материал (оплавление, обжиг, сгорание); возможностью обрыва реакций горения при соприкосновении с материалом и частями сушила и образования химического недожога; необходимостью получения сушильного агента с высокой равномерностью полей температуры; технической сложностью совмещения газогорелочного и топочного оборудования с сушилкой (например, при вращении или вибрации последней).

Однако применение выносных топок связано с большими трудностями из-за громоздкости конструкции, а также быстрого выхода из строя. Недолговечность топок объясняется условиями их эксплуатации. Газ в топках сжигается с малыми коэффициентами избытка воздуха (α = 1,1–1,3), а продукты сгорания разбавляются затем до необходимой температуры в специальных смесительных камерах. Отсутствие полезного теплоотвода приводит к тому, что даже при сравнительно невысокой плотности теплового потока (0,2–0,5 МВт/м3) в объеме топки и на поверхности кладки развиваются высокие температуры (до 1600°С). Происходящее в результате стеклование поверхности кладки обусловливает ее быстрое разрушение вследствие температурных перепадов, вибрации, передаваемой от сушила, и т. д.

Даже при кладке из шамотного кирпича период безопасной эксплуатации камерных топок барабанных сушил не превышает полугода.

Высокая температура ограждающих поверхностей топок приводит к значительным потерям теплоты в окружающую среду (10–15%) и повышенному синтезу оксидов азота. По удельному выбросу NOх на единицу затраченной теплоты сушильные установки часто превосходят крупные котлоагрегаты.

9.9. ИНФРАКРАСНОЕ ГАЗОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Принцип радиационной сушки заключается в поглощении обрабатываемым телом инфракрасных лучей, которые, превращаясь в теплоту, нагревают его и обеспечивают за счет этого удаление влаги. Количество поглощаемой энергии зависит от длины волны падающего на тело инфракрасного излучения и поглощательной способности этого тела. Вещества, хорошо пропускающие и отражающие излучение, мало нагреваются.

Схема процессов, происходящих при проникновении инфракрасных лучей внутрь облучаемых тел, представлена на рис 9.22. Падающее на однослойный материал инфракрасное излучение (рис. 9.22, а) частично отражается от поверхности материала, а частично проникает в его слой. Часть проникшего излучения поглощается (превращается в теплоту и нагревает материал), незначительная доля его отражается на нижней границе слоя и возвращается в слой материала, а остальная часть пропускается в окружающую среду.

Схема проникновения инфракрасных лучей
Рис. 9.22. Схема проникновения инфракрасных лучей в одно- и двухслойные материалы.
а–б – однослойный материал: а – слабое поглощение, б – сильное поглощение; в–г – двухслойный материал: в – сильное поглощение вторым слоем, г – слабое поглощение вторым слоем;
I–IV – излучение: I – падающее, II – отраженное, III – поглощенное

Эффективно только инфракрасное излучение, поглощенное нагреваемым материалом. Это излучение, превращающееся в теплоту, используют для сушки однослойного материала. На рисунке показано распределение температуры в слое материала: на облучаемой поверхности материала температура несколько выше, чем на противоположной. Следует отметить, что схема проникновения инфракрасных лучей и распределение температур по толщине материала в процессе сушки с удалением большого количества влаги несколько меняется. В этом случае одновременно происходят теплои массообмен. На рис. 9.22, б, показаны проникновение инфракрасного излучения и распределение температуры по толщине слоя для материала с высоким коэффициентом поглощения и достаточной толщиной слоя. Падающее излучение, кроме частично отраженного от облучаемой поверхности, поглощается материалом и превращается в теплоту, которая приводит к повышению температуры тела и обеспечивает удаление влаги. Этот вариант дает наивысший КПД.

На рис. 9.22, в, г, показано облучение двухслойного материала, когда основной материал (подложка) покрыт слоем лака. В первом случае в качестве подложки применен материал, хорошо поглощающий лучи (черное листовое железо), во втором — хорошо отражающий их (листовой алюминий). Слой лака хорошо пропускает инфракрасное излучение. Температура на внутренней поверхности лакового слоя в первом случае выше, чем на наружной. В результате этого высушивание лака происходит от внутренней поверхности, которая, соприкасаясь с подложкой, получает от нее теплоту за счет теплопроводности. При такой сушке устраняются различные дефекты покрытия (пузыри, трещины и т.п.), которые характерны для конвективной сушки, когда под действием горячего теплоносителя на поверхности лака за счет более интенсивного испарения образуется тонкая пленка, препятствующая дальнейшему испарению растворителя. В ряде случаев парам растворителя из внутренних слоев приходится проходить через более или менее непроницаемую твердую пленку, которая образуется при конвективной сушке. В результате верхний засохший слой может быть разорван. Сушка инфракрасными лучами обеспечивает не только высокое качество лакокрасочного покрытия, но и возможность интенсифицировать сам процесс сушки.

Для второго случая (рис. 9.22, г), когда подложка обладает сильным отражением и слабым поглощением, в теплоту превращается лишь малая его часть, и температура последней остается низкой. Это один из неблагоприятных случаев использования инфракрасных лучей для сушки.

При сушке инфракрасными лучами особое внимание следует обращать на спектральные характеристики излучателя и облучаемого материала. В общем случае максимум энергии излучателя должен совпадать с максимумом поглощения ее материалом. Интенсивность удаления влаги по сравнению с конвективной сушкой увеличивается в несколько раз. Это объясняется тем, что количество теплоты, которое можно передать материалу при радиационной сушке, значительно выше, чем при конвективной.

При использовании инфракрасных лучей для сушки можно получить желаемое распределение теплоты в массе обрабатываемого материала, что приводит к ускорению процесса сушки. В этом случае энергия посылается в наиболее целесообразной форме и используется с высоким КПД.

Процессы инфракрасной сушки протекают значительно быстрее и обеспечивают технико-экономический эффект, однако они могут применяться далеко не везде (конвективная сушка по-прежнему еще сохраняет свое значение и широко применяется). Тем не менее в таких областях, как сушка лакокрасочных покрытий, эмалей, керамики, текстиля, фарфоро-фаянсовых изделий, бумаги и картона, сыпучих материалов, некоторых сельскохозяйственных изделий (табак, зерно, и др.), тонких изделий из древесины, литейных форм и стержней и других материалов, технологии инфракрасной сушки дают превосходный результат.

В большинстве случаев целесообразно применять стационарные туннельные сушилки закрытого типа с тепловой изоляцией, так как при открытой установке материал охлаждается потоками внешнего холодного воздуха и, как правило, в этом случае теплота продуктов сгорания газа не используется. При этом увеличивается расход теплоты и уменьшается скорость сушки.

На основании длительного опыта можно дать следующие рекомендации.

По технологии сушки.

  • Подвод теплоты должен быть дифференцирован по времени. Сначала к материалу подводится большое количество теплоты (интенсивное выделение влаги предохраняет высушиваемый материал от опасного повышения его температуры). Когда же материал отдал большую часть влаги, подвод теплоты должен быть уменьшен.
  • При инфракрасной сушке в закрытых сушилах необходимо использовать теплоту продуктов сгорания газа (рециркуляция продуктов сгорания), что повышает КПД сушилки.
  • Сушило должно предназначаться для однотипных изделий и материалов, выпуск которых носит массовый характер.
  • ИК-сушка может с успехом применяться для изделий простой плоской формы или для тонкослойных материалов.
  • Целесообразно, чтобы у высушиваемых материалов максимум поглощения энергии по длине волны совпадал с максимумом инфракрасного излучения газовой горелки.
  • При сушке неподвижных материалов необходимо особое внимание обращать на равномерность облучения. Это особенно важно для материалов с низкой теплопроводностью, так как в этом случае температура их не выравнивается за счет теплопроводности.
  • При сушке пластин и других плоских материалов целесообразно подводить теплоту с двух сторон.

По конструированию сушила:

  • Сечение туннеля должно повторять (насколько возможно) форму высушиваемых изделий. Газовые горелки в камере туннеля устанавливаются из расчета равномерного облучения всех поверхностей изделия. Длина туннеля определяется исходя из необходимой производительности сушила и экспериментально полученного времени сушки.
  • Внутренние поверхности сушильной камеры следует выполнять из материалов с высоким коэффициентом отражения (листовой алюминий).
  • Конструкция сушила должна обеспечивать подвод чистого воздуха к горелкам и исключать попадание продуктов сгорания газа в смесители. При наличии в камере сушила переменного разрежения горелки устанавливаются в уравнительных камерах.
  • Давление газа перед горелками должно поддерживаться на строго заданном уровне (колебания будут менять температуру излучающей насадки и интенсивности облучения высушиваемого материала).
  • Транспортные устройства для перемещения материала во время сушки не должны мешать облучению изделий, а потери теплоты на их нагрев должны быть сведены к минимуму.
  • Горелки устанавливаются на сушиле с учетом удобства их эксплуатации и ремонта. В закрытых камерах сушила должны предусматриваться смотровые устройства, необходимые для наблюдения за работой горелок.
  • Промышленные сушила должны быть оборудованы контрольно-измерительными приборами и автоматикой безопасности.

Таблица 9.14. Параметры процесса газовой терморадиационной (инфракрасной) сушки гипсобетонных перегородок

Параметры сушки Период сушки
I II
Время сушки τс, мин 50 80
Влажность образца, %:

начальная

32 19

конечная

19 8
Температура образца, °С:

начальная

20 90

максимальная

92 90

конечная

90 74
Расход теплоты на сушку 1 м2  образца, МДж 80 20
Коэффициент избытка воздуха в сушильной камере 5-8 10-15
Расстояние от излучающей насадки до перегородки, мм 300 500

Рассмотрим пример применения ИК-оборудования в строительной индустрии. Сушило для гипсобетонных перегородок (соответствующие данные приведены в табл. 9.14) представляет собой горизонтальную камеру, имеющую форму прямоугольного параллелепипеда, с вертикальными щелями на концах (для входа и выхода). Горелки смонтированы на боковых стенках. Внизу камеры — роликовый конвейер. Сушилка разделено на зону интенсивного подвода теплоты (Q2 = 80 МДж/м2) и зону «мягкого» подвода теплоты (Q2 = 20 МДж/м2). Теплота к перегородкам подводится с двух сторон.

При высушивании гипсобетонных перегородок до необходимой влажности (8%) применим режим дифференцированного подвода теплоты: в начальный период количество подводимой теплоты должно быть достаточным для поддержания постоянной скорости сушки, а в последующий период падающей скорости сушки — уменьшено, чтобы не допустить опасного перегрева гипсобетона. Как показывает практика, применение конвейерных терморадиационных сушил позволяет организовать непрерывный технологический поток и автоматизировать производство.

Значительное сокращение времени, повышение экономичности и производительности дает инфракрасная сушка лакокрасочных покрытий, которые служат наилучшим объектом для применения этого вида сушки. Процесс высушивания (запекания) лакокрасочных материалов протекает при одновременном воздействии температуры и кислорода воздуха. В результате сложных химических процессов получают твердую пленку.

Длительность этих процессов зависит от метода сушки. При конвективной сушке процесс полимеризации начинается с поверхности покрытия. Образующаяся при этом поверхностная пленка затрудняет удаление растворителя и снижает скорость сушки. При ИК-сушке лучи, проникая через слой покрытия, нагревают поверхность подложки. Возникает перепад температур между внутренней поверхностью пленки, соприкасающейся с металлом (подложкой), и ее слоями, находящимися ближе к наружной поверхности покрытия. Температурный градиент, направленный изнутри к поверхности, способствует интенсивному испарению растворителя. Таким образом, при радиационной сушке во внутренних слоях лакокрасочных покрытий градиенты температур и общего давления паров растворителя совпадают по направлению (от подложки к поверхности покрытия), способствуя интенсификации сушки и полимеризации.

Для сушки лакокрасочных покрытий широкое применение нашли сушила с т.н. «темным» излучателем, представляющим собой короб, внутри которого сгорает газ. В нижней части короба установлена многофакельная инжекционная горелка с α = 0,4–0,6. Для полного сжигания газа снизу через отверстия подается вторичный воздух. Поверхность излучателя, обращенная к высушиваемому изделию, обычно имеет температуру 350–500°С, внешняя поверхность теплоизолирована. Продукты сгорания отводятся через специальные патрубки. Поперечное сечение камеры сгорания темного излучателя кверху уменьшается, за счет чего скорость движения продуктов сгорания и коэффициент теплопередачи увеличиваются, а температура по высоте излучающей поверхности остается одинаковой. Изделия, проходящие между излучателями, высыхают за счет интенсивного разогрева. В некоторых случаях целесообразно использовать теплоту продуктов сгорания, для чего их направляют в рабочую камеру.

Сушила с «темными» излучателями конструктивно просты, надежны и не имеют факела в рабочей камере. Их применяют, например, для сушки кузовов автомобилей, сельскохозяйственных комбайнов и т. д. В табл. 9.15 приведены некоторые показатели по сушке «темными» излучателями различных лакокрасочных покрытий.

Таблица 9.15. Параметры газовой терморадиационной (инфракрасной) сушки лакокрасочных покрытий на стальных подложках

Лакокрасочный материал
Вязкость, Па•с
Толщина пленки, мкм
Режим сушки
Твердость
по маятнику
Эластичность, мм
Прочность, МПа
Расстояние
от излучателя
до образца, мм
Температура
образца, °С
Время
высыхания, мин.
Грунты 25 25 110–200 85–110 3–6 0,45–0,60 1–3 5
Грунты свинцово-суриковые 40 30 150 85 20
Шпаклевки лаковые 28 210 150 85 15
Эмали типа ПФ 25 22–25 100–200 70–110 3–12 0,26–0,40 1 5
Эмали типа У 30 30 150 85 3–5 0,45 3 5

9.10. Инфракрасное оборудование в аграрно-пищевых отраслях

Одна из крупных проблем сельского хозяйства — сушка сельскохозяйственной продукции. Газ является лучшим видом топлива для сушки вообще и сельскохозяйственной продукции в особенности. Чистота продуктов сгорания газа позволяет в ряде случаев подавать их вместе с воздухом непосредственно в сушильные камеры. При использовании газа значительно упрощается конструкция сушильных агрегатов, улучшается регулировка процесса сушки, создаются условия для полной автоматизации процесса, полностью исключается загромождение и засорение территории, уменьшается пожароопасность (особенно по сравнению с твердым топливом, при применении которого необходимо использовать искроулавливатели). Большую часть сельскохозяйственных продуктов сушат в летнее время, когда имеются большие резервы газа. Сушка многих сельскохозяйственных продуктов ускоряет процесс уборки и повышает сохранность сельскохозяйственных продуктов.

Важнейшей проблемой животноводства до настоящего времени остается проблема заготовки кормов на зимний период. При естественной сушке и силосовании значительная часть питательных веществ разрушается: потери питательных веществ травами при сушке составляют около 50, а при силосовании — 20%. Даже в самых благоприятных условиях сохраняется не более 25% каротина. При искусственной сушке трав в сушильных установках, использующих газовое топливо сохраняется 80–95% питательных веществ и более 97% каротина. Таким образом, в результате искусственной сушки можно получить высококачественный продукт, не уступающий по своей питательности зерновым концентратам и содержащий такое же количество витаминов, какое имеет зеленая трава.

Для сушки трав, кукурузы в початках, гороха, бобов и фуражного зерна в ряде хозяйств применяют сушильную установку, в комплект которой входят теплогенератор, сушильные лотки с цепочными транспортерами, воздухопровод, соединяющий теплогенератор с сушильными лотками, а также молотковые дробилки, приемные бункера с циклонами, электрораспределительный щит и комплект контрольно-измерительной аппаратуры. Технология сушки с помощью такой установки заключается в продувке потоком горячей газовоздушной смеси неподвижного слоя травы, размещаемой на решетчатом полотне лотка.

Газовое топливо широко используют в тепловых установках пищевой промышленности: в хлебопекарных и кондитерских печах, для сушки и термической обработки различных продовольственных товаров, копчения мясных и рыбных продуктов и др. Применение газа улучшает санитарногигиенический уровень и культуру производства, значительно повышает производительность печей.

Горючие газы могут быть использованы по двум направлениям:

  • для косвенного обогрева (замена в существующих установках твердого или жидкого видов топлива газом без значительной реконструкции агрегатов, при сохранении прежней технологии);
  • для прямого обогрева (применение новых агрегатов, непосредственно использующих контакт продуктов сгорания газа с обрабатываемыми изделиями, что обычно приводит к интенсификации процессов термической обработки и увеличению производительности оборудования).

Немаловажно, что газовые печи различного назначения с непосредственным обогревом не оказывают вредного влияния на качество выпускаемой продукции в силу экологической пассивности продуктов сгорания природного и сжиженного газа.

Канальные тупиковые печи, используемые в хлебопекарной и кондитерской промышленности, являются универсальными как по сжигаемому в них топливу, так и по выпекаемой продукции. Они относятся к печам с косвенным обогревом, т.е. продукты сгорания топлива не контактируют с выпекаемыми изделиями.

В них применяются инжекционные горелки с α1 < 1 при низком давлении газа или с α1 > 1 при среднем давлении, устанавливаемые с фронта топки на месте топочной дверки или по разные стороны от нее. Для предохранения колосниковой решетки от пережога ее перекрывают асбестовым листом и слоем шамотного кирпича. Продукты сгорания из топки по нижнему газоходу и стоякам поступают в радиаторную коробку, затем по передним или задним стоякам в два широких канала верхнего газохода. Передача теплоты в пекарную камеру осуществляется через стенки этих каналов и топки. Для изменения направления движения газов в зависимости от вида выпекаемой продукции используются шиберы.

Однако газовое топливо позволяет сжигать его непосредственно в печной камере. Поэтому эффективней использовать специализированные газовые хлебопекарные и кондитерские печи прямого нагрева, в которых интенсифицированы процессы термообработки, повышены производительность и качество продукции.

Примером такого агрегата является печь РМК, состоящая из корпуса каркасного типа, конвейерного пода, привода конвейера, системы газопроводов и горелок, установленных в пекарную камеру. Печь условно разделена на четыре зоны длиной около 3000 мм каждая. Пекарная камера представляет собой туннель, через который проходит конвейерный под с изделиями. В каждой зоне размещено разное число горелок, определенное условиями подвода необходимого по технологическим требованиям количества теплоты к выпекаемой продукции. В печи установлены инжекционные многофакельные горелки с α1 < 1 (на низком давлении газа). Общее число горелок — 35 с расходом газа на горелку 0,75 м3/час.

Применение в пекарной камере газовых горелок инфракрасного излучения позволяет интенсифицировать процессы выпечки и повысить качество продукции, так как важной особенностью инфракрасных лучей является их способность проникать на некоторую глубину материалов растительного происхождения (в т.ч. теста). Проникающая способность увеличивается с уменьшением длины волны. Кроме того, коротковолновые лучи почти не поглощаются водяными парами, находящимися в пекарной камере между излучателем и изделием. Применение «светлых» излучателей, имеющих более короткие волны, позволяет получить одновременно и аппетитную румяную корку, и хорошо пропекшийся мякиш.

Выпечка печенья и хлеба, поджаривание зерен кофе и какао или сухарей и другие процессы требуют довольно высокой температуры (около 200°С). Инфракрасные горелки позволяют достигать таких плотностей облучения изделий, которые приводят к ускорению их термообработки и дают экономический эффект. Наиболее благоприятные условия создаются при выпечке печенья. При этом достигаются следующие преимущества:

  • сокращается продолжительность выпечки и повышается производительность печи без увеличения ее габаритных размеров;
  • значительно сокращается время разогрева печи и обеспечивается возможность немедленной остановки печи во время перерывов и в случае неисправности;
  • уменьшаются удельные расходы теплоты и повышается КПД печи;
  • обеспечивается хорошее качество выпечки и становится возможным автоматизированное поточное производство.

Преимущества газового топлива дали возможность перевести на этот вид топлива выпечку крупных изделий из теста, прежде всего хлеба. При выпечке хлеба необходимо одновременно соблюдать два температурных режима. С одной стороны, для образования качественного мякиша необходима температура около 100°С; с другой — для образования хорошей корки необходима температура до 170°С. Возможна ситуация, когда слишком быстро образуется корка, препятствующая равномерному пропеканию мякиша. Этот недостаток устраняется введением в пространство, окружающее выпекаемый хлеб, водяного пара, замедляющего образование корки. Инфракрасная выпечка хлебобулочных изделий дает хорошие техникоэкономические показатели. Время выпечки в зависимости от ассортимента изделий колеблется от 3 до 15 мин. Печи с радиационными горелками для хлебобулочных изделий, как правило, конвейерного туннельного типа.

Горелки инфракрасного излучения применяются для получения других продуктов. Так, сырой кофе поджаривается за 5–7 мин, сухая рожь — за 28 мин (с потерей массы 17,5%), солодовое зерно — за 18–20 мин.

9.11. ПРИМЕНЕНИЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ

Газовый инфракрасный обогреватель линейного типа
Рис. 9.23. Газовый инфракрасный
обогреватель линейного типа

Отопление горелками инфракрасного (лучистого) излучения отличается от обычного тем, что необходимая теплота к потребителю в основном подводится непосредственно излучением. Энергия от насадок горелок распространяется как световые лучи и поглощается облучаемыми предметами, что приводит к их нагреванию. Хотя температура воздуха может быть ниже, чем при конвективном отоплении, создаются условия, при которых человек отдает в окружающую среду не больше теплоты, чем получает и выделяет, т. е, создаются условия теплового комфорта. Это позволяет с помощью газовых инфракрасных горелок обогревать такие помещения и площадки, для которых применение обычных (конвективных) отопительных систем экономически нецелесообразно или технически неосуществимо.

К таким сооружениям можно отнести промышленные цехи с большими потерями теплоты, открытые монтажные и сборочные площадки, открытые спортивные трибуны, плавательные бассейны, выставки, витрины, террасы, открытые кафе, производственные сельскохозяйственные помещения (фермы для содержания скота, птицы, боксы для содержания цыплят), отдельные рабочие места, тротуары улиц, транспортные остановки и т. п. Газовыми излучающими горелками можно обогревать отдельные зоны (части) помещения, в которых работают люди. Отопление газовыми инфракрасными горелками практически лишено тепловой инерции. Сразу после включения система обогрева дает необходимое ощущение комфорта. Это отопление может использоваться также периодически, в течение нескольких часов.

По капитальным затратам и эксплуатационным расходам газовое отопление инфракрасными горелками оказывается более экономичным, чем конвективное. Однако системы отопления с газовыми инфракрасными излучателями требуют удаления продуктов сгорания газа с помощью приточно-вытяжной вентиляции.

Системы газового инфракрасного отопления создают благоприятные микроклиматические условия в отапливаемых помещениях за счет лучистого потока определенной интенсивности, направленного в рабочую зону. Система отопления включает в себя газовый ввод, распределительные и подводящие газопроводы, узел учета расхода газа, горелки, запорные устройства, КИП и автоматику дистанционного розжига и безопасности. Система может работать как на природном сетевом газе, так и на сжиженном от групповой резервуарной установки. При газоснабжении от сетей среднего или высокого давления должны предусматриваться ГРП и ГРУ.

Система газового инфракрасного отопления
Рис. 9.24. Система газового инфракрасного отопления.
а – схема вентиляции помещения; б – отопительный агрегат из газовых излучающих горелок; в – газовый брудер; 1 – горелки инфракрасного излучения; 2 – вытяжные каналы с осевым вентилятором; 3 – коллекторы приточной вентиляции; 4 – вытяжная шахта с шибером [I – схема коллекторов (в сечении)]; 5 – керамический излучающий насадок; 6 – инжекционный смеситель; 7 – газопровод; 8 – рамка; 9 – запальник; 10 – газорегулятор; 11 – кран; 12–13 – трубы: 12 – к горелке, 13 – к запальнику; 14 – шлаковата; 15 – подвеска; 16 – излучающий насадок; 17 – нагреватель; 18 – ножка
Крепление инфракрасного излучателя
Рис. 9.25. Крепление инфракрасного излучателя

Применяемые системы газового инфракрасного отопления должны быть изготовлены серийно, иметь паспорт завода с технической характеристикой, в котором должна быть указана продолжительность безопасной эксплуатации горелки. Горелки могут присоединяться непосредственно к газопроводу с помощью металлических труб или резинотканевых рукавов. Крепление рукавов к горелкам и газопроводам должно осуществляться хомутами. Горелки следует устанавливать на несгораемые конструкции, отключающие устройства — перед каждой горелкой или группой горелок до резинотканевого рукава по ходу газа. Розжиг горелок может осуществляться вручную переносным запальником или дистанционно (электроспираль или искровой разрядник).

Системы газового инфракрасного отопления, предназначенные для помещений, где отсутствует постоянный обслуживающий персонал, оборудуются автоматическими устройствами, обеспечивающими прекращение подачи газа в случае погасания пламени горелки. Теплоотдачу системы отопления можно регулировать только путем изменения числа включенных горелок.

Расчет инфракрасной системы отопления сводится к комплексному решению следующих вопросов:

  • определение тепловой нагрузки системы отопления;
  • определение числа и типа излучателей;
  • выбор схемы расположения излучателей;
  • определение необходимого воздухообмена и выбор общеобменной приточно-вытяжной вентиляции.

Таблица 9.16. Допустимая интенсивность инфракрасного облучения в зависимости от температуры

Температура воздуха в помещении, °С Допустимая интенсивность облучения, кДж/(ч•м2)
5–9 420–290
10–13 250–210
14–16 170–125

Размещение горелок инфракрасного излучения обусловлено допустимой плотностью облучения и равномерностью облучения площади пола. Допустимая интенсивность инфракрасного облучения человека Qдоп на уровне головы (без головного убора) при определенной температуре воздуха в помещении приведена в таблице 9.16. Отклонения интенсивности облучения до 10% от среднего значения на человека практически не влияет, поэтому неравномерность облучения допускается в пределах 20–30% и определяется из соотношения

а = 100(1 – Qmin /Qmax)

где Qmin и Qmax — минимальная и максимальная интенсивность инфракрасного облучения, кДж/(ч•м2).

Для обеспечения заданной интенсивности облучения пола и стен необходимо размещать горелки в определенном порядке. При этом учитывают размеры излучающей насадки горелок, высоту размещения над полом, расстояние между ними. В практических расчетах можно воспользоваться следующим соотношением (если горелки расположены горизонтально):

L/H < 1(9.1)

где L — расстояние между центрами (шаг) горелок, м; Н — расстояние от пола до горелок (высота подвеса), м.

Оценку по допустимой облученности можно сделать в этом случае по усредненным данным для всего отапливаемого помещения из формулы

zQик/(ηикFп) = Qср < Qд(9.2)

где ηик — лучистый пирометрический коэффициент (принимается равным 0,5–0,6); Qср — средняя интенсивность инфракрасного облучения, кДж/ (ч•м2); Fп — отапливаемая площадь пола и стен, м2.

В связи с большой теплоотдачей вблизи охлаждающих поверхностей и холодных токов воздуха края пола у наружных стен по периметру здания должны получать теплоту на 20–50% больше, чем остальная часть. Кроме того, следует учитывать, что на горелки крайнего ряда уже не действуют соседние. Поэтому необходимо либо уменьшать расстояние между горелками, либо увеличивать их тепловую мощность.

Горелки инфракрасного излучения размещаются равномерно под потолком по периметру отапливаемого помещения с наклоном излучающей насадки горелки к наружным ограждениям или горизонтально таким образом, чтобы обеспечить заданную облученность поверхности пола и наружных стен на высоте до 2 м. Единичную тепловую мощность применяемых для отопления горелок целесообразно изменять в зависимости от высоты их установки.

Следует исключить попадание продуктов сгорания в инжектор горелки. Концентрация оксида углерода в продуктах сгорания газа при горизонтальном положении горелки излучателем вниз из-за частичного подсоса этих продуктов инжектором возрастает в 2 — 8 раз по сравнению с вертикальным положением. Она становится меньше предельно допустимой при наклоне горелки к горизонту не менее 20°.

Помещения с отоплением с помощью горелок инфракрасного излучения оборудуются общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией, обеспечивающей требования технологии основного производства и необходимый воздухообмен для достижения допустимых концентраций вредных веществ от сбрасываемых в помещение продуктов сгорания газа. При проектировании вентиляции необходимо проводить не только расчет технологически вредных веществ, но и поверочный расчет достаточности воздухообмена для удаления водяных паров и вредных веществ, образующихся при сжигании газа.

Таблица 9.17. Состав продуктов сгорания и расход кислорода при сжигании газа в горелках инфракрасного излучения (на 10 МДж теплоты)

Показатели Газ
природный сжиженный
Расход газа, м3/час 0,286 0,110
Объем влажных продуктов сгорания, м3/час 3,05 2,86
Концентрация в продуктах сгорания диоксида углерода, объемная/массовая, м3/час/кг/час 0,286/0,563 0,329/0,647
Концентрация в продуктах сгорания водяного пара, объемная/массовая, м3/час/кг/час 0,613/0,491 0,477/0,384
Объем сухих продуктов сгорания, м3/час 2,441 2,386
Объем окиси углерода в продуктах сгорания при концентрации 0,005%, объемный/массовый, м3/час/мг/час 0,00012/152,7 0,00012/149,2
Расход кислорода, объемный/массовый, м3/час/кг/час 0,57/0,82 0,55/0,79

Таблица 9.18. Удельные тепловые нагрузки обогреваемой поверхности

Обогреваемый объект Удельная тепловая нагрузка (интенсивность инфракрасного облучения), кДж/(ч•м2)
Закрытые помещения высотой до 5 м при размещении горелок инфракрасного излучения на высоте до 4 м 460–565
Закрытые высокие помещения, промышленные цехи без теплоизбытков, спортивные залы и т. п. при размещении горелок инфракрасного излучения на высоте от 5 до 8 м 750–960
Сельскохозяйственные помещения (фермы для содержания молодняка, птиц, для дойки и др.) 250–840
Предприятия общественного питания и другие общественные помещения (залы, кафе и т. п.) 250–840
Частично открытые, защищенные от ветра террасы, трибуны и монтажные площадки 960–2100
Сборочно-монтажные площадки, участки стапелей и других промышленных и строительных объектов До 4200

В табл. 9.17 даны состав продуктов сгорания и расход кислорода для горелок инфракрасного излучения. В производственных помещениях с газовым инфракрасным отоплением концентрация СО не должна превышать 6, в общественных — 2 мг/м3. Для исключения попадания продуктов сгорания в рабочую зону отапливаемого помещения вентиляционная система должна обеспечивать удаление воздуха из верхней зоны выше уровня расположения горелок.

Приближенный расчет тепловой нагрузки системы отопления и определение числа горелок можно выполнить по обобщенным усредненным экспериментальным значениям удельных тепловых нагрузок обогреваемой поверхности (пола), приведенным в табл. 9.18. Данными таблицы можно пользоваться при проектировании систем временного обогрева, необходимыми при выполнении работ на открытых или полуоткрытых площадках в зимнее время. Традиционные системы отопления (водяные, воздушные) для таких площадок практически неосуществимы. Применение для местного обогрева горелок инфракрасного излучения позволяет создать благоприятные условия микроклимата. Для этих целей могут быть использованы стационарные и передвижные установки (типа шатра, термодуша) с блоками горелок инфракрасного излучения. При работе на открытой площадке эти установки могут иметь ограждающие конструкции из листовых материалов для защиты людей от ветра.

Газовый инфракрасный излучатель FAS-SPACERAY закрытого типа для обогрева производственный помещений
Рис. 9.26. Газовый инфракрасный излучатель
FAS-SPACERAY закрытого типа для обогрева
производственный помещений

В связи с высокой температурой излучающих насадок и их огнеопасностью системы газового отопления с горелками инфракрасного излучения по противопожарным требованиям применять не разрешается в помещениях:

  • с производствами А, Б, В и Е;
  • хранения горючих и легковоспламеняющихся материалов и кормов;
  • животноводческих ферм, крытых соломой и камышом;
  • не обеспеченных электрическим освещением;
  • из легких металлических конструкций со сгораемыми утеплителями в ограждениях (стенах и перекрытиях).

Для производственных зданий III–V степеней огнестойкости применение систем согласуется с органами технического и пожарного надзора. Не допускается применять указанные системы отопления также в помещениях с материалами, которые под действием инфракрасного излучения могут изменять свои свойства и разлагаться с образованием токсичных или взрывоопасных веществ.

Системы газового инфракрасного отопления FAS-SPACERAY

Системы газового инфракрасного отопления FAS-SPACERAY

Газовые инфракрасные излучатели изготовлены на заводе фирмы Space-Ray (Великобритания), сертифицированном по стандарту ISO 9002. Теплоизлучающие трубки выполнены из специального алюминиевого сплава, обеспечивающего высокий коэффициент теплоотдачи. Дополнительная обработка поверхности трубок позволила добиться монолитной структуры, исключающей тепловые потери. Излучатели выпускаются в форм-факторе «U» и «Linear» и могут устанавливаться на высоте от 2,1 до 15 метров. Срок гарантии на излучающие трубки – 5 лет.

Газовая часть системы разработана фирмой FAS (Германия) с учетом специфики технологии инфракрасного отопления и включает в себя полный комплекс контрольно-регулирующей аппаратуры.

Инфракрасные излучатели обеспечивают комфортную микроклиматическую обстановкуИнфракрасные излучатели обеспечивают комфортную микроклиматическую обстановку

Рис. 9.27. Инфракрасные излучатели обеспечивают комфортную микроклиматическую обстановку

Таблица 9.19. Технические характеристики газовых инфракрасных излучателей FAS-SPACERAY

Характеристика «U» форма «Линейная» форма
SRU 25 SRU 30 SRU 35 SRU 40 SRU 45 SRL 09 SRL 12 SRL 15 SRL 25 SRL 30 SRL 35 SRL 40 SRL 45
Тепловая мощность, кВт 23.0 29.20 34.50 42.20 47.0 9.0 11.40 15.0 23.0 29.20 34.50 42.20 47.0
Длина, мм 5385 5510 6970 5495 10065 9955 13000
Ширина, мм 460 715 340
Высота, мм 175 210 180
Вес, кг 47 66 81 27 46 62 79
Разъем для газа 1/2
Допустимое давление, мБар Природный газ — 17–25; пропан — 25–45; бутан — 20–35
Электрическое подключение 230 В, 50 Гц, потребляемая мощность — 125 Вт
Диаметр трубопровода отвода продуктов сгорания, мм 127
Диаметр трубопровода воздушного подключения, мм 101,6

Газовый обогрев железнодорожного оборудования (стрелочных переводов). Автоматические устройства, устанавливаемые на железной дороге, нуждаются в тщательном и своевременном уходе и обслуживании, так как речь идет прежде всего, о безопасности. Особенно это касается зимы, когда современные стрелочные переводы, оборудованные автоматическими устройствами и сигнализацией, требуют весьма тщательной очистки их ото льда и снега, особенно в зоне прилегания остряка к рамному рельсу.

Снег в стрелочных желобах накапливается непрерывно при снегопадах, метелях, а также от поездов, движущихся по стрелкам с высокими скоростями. При определенных условиях интенсивность заноса стрелочного желоба может оказаться значительной. Наиболее опасными являются скопления снега на стрелочных подушках, в зоне упорных болтов, корневом креплении и шпальных ящиках с переводными тягами. Несвоевременная очистка желобов стрелки сопровождается при ее переводе запрессовкой снега между остряком и рамным рельсом и препятствует плотному прижатию их.

Среди вариантов очистки стрелочных переводов (пневматический, требующий сооружения специальной компрессорной станции, и электрообогрев с расходом 10–12 кВт на одну стрелку) газовый обогрев представляется весьма перспективным.

Узел верхнего газового обогрева представляет собой блок горелок инфракрасного излучения, устанавливаемый над рельсами стрелочного перевода на специальных колоннах. Горелки оборудованы рефлекторами, обеспечивающими концентрированный подвод инфракрасных лучей непосредственно к стрелочному переводу и защищающими их от ветра. Система обогрева оборудована автоматикой, зажигающей горелки при появлении снега и льда и выключающей их при прекращении снегопада. Верхний газовый обогрев в условиях мягкого климата обеспечивает достаточную очистку стрелочного перевода, однако требует больших расходов теплоты.

Нижний газовый обогрев при любом климате дает высокое качество очистки стрелочного перевода и требует в 4–6 раз меньше газа, чем верхний. В качестве обогревателей при этом применяют специальные газовые горелки с керамическими насадками, факельные горелки и «темные» металлические излучатели.

Если учесть, что в эксплуатационных условиях элементы стрелочного перевода подвергаются интенсивным динамическим нагрузкам и работают в тяжелых метеорологических условиях, самой надежной следует считать установку с применением «темных» излучателей. Также находят применение газовые обогревательные установки с инфракрасными горелками, оборудованными перфорированными керамическими насадками. Излучатели устанавливаются с наружной стороны рамного рельса (в виде коробок) на определенном расстоянии друг от друга. Дистанционное зажигание, отключение и контроль производятся автоматически. Недостаток такого решения — низкая стойкость керамических насадок к динамическим нагрузкам и недостаточный нагрев остряка в отжатом положении при суровых климатических условиях.

Газовые обогревательные установки могут работать как на природном газе, так и на сжиженном пропане. На крупных станциях, вблизи которых имеются газопроводы, применяют природный газ, на промежуточных раздельных пунктах, постах примыкания и одиночных стрелках — сжиженный. Для хранения этого газа используют подземные резервуары или групповые газобаллонные установки. Запас газа устанавливают с учетом числа обогреваемых стрелок и метеорологических условий. Обычно его принимают из расчета непрерывной работы обогревательных установок в течение наиболее затяжных метелей и снегопадов, наблюдавшихся в данной местности.

Качество очистки стрелочных желобов от снега и льда зависит от тепловой мощности обогревателей и схемы их размещения на стрелке. Определение тепловой мощности обогревателей выполняется на основе теплового расчета и экспериментальных испытаний.

© 1997 — 2017 «ГазТехника»