Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002
.pdf
находится в допустимых пределах.
Расчет амплитуды колебаний температуры воздуха в обогреваемом помещении. Для определения амплитуды вычислим сумму произведений коэффициента теплопоглощения В на площадь А всех ограждений помещения, используя значения В, приведенные в справочной литературе:
наружные стены дощатые с известковой штукатуркой
двойные окна
внутренние стены дощатые с известковой штукатуркой
дверь
пол деревянный
потолок деревянный
Амплитуду колебаний температуры воздуха в помещении найдем по формуле (12.16)
Вывод: печь марки ПТК-3000 (см. рис. 12.6) пригодна для отопления заданного помещения при условии увеличения высоты ее газоходов на 0,13 м, т.е. на один ряд кладки кирпича на ребро.
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И УПРАЖНЕНИЯ
1.Составьте порядовки кладки кирпича, начиная с 10-го ряда печи, представленной на рис. 12.7 двумя разрезами.
2.Изобразите расположение оголовков дымовых труб, удаленных от конька крыши здания на 1, 2 и более 3 м.
3.Какого вида песок применяют для приготовления глиняного раствора?
401
4.Разработайте конструкцию кирпичной разделки дымовой трубы (дополнительно используя негорючие материалы) в месте соприкосновения ее с перекрытием из горючего материала толщиной 210 мм.
5.Рассчитайте плотность теплового потока, воспринимаемого стенками газохода печи при температуре газов 700 °С и скорости их движения 2 м/с.
6.Выполните аэродинамический расчет печи, изображенной на рис. 12.4, при температуре наружного воздуха О °С, сжигании в печи дров и расстоянии от устья дымовой трубы до колосниковой решетки 5 м.
7.Подсчитано, что при печном отоплении амплитуда колебаний температуры воздуха в проектируемом помещении превышает 3 °С. Какими способами можно довести амплитуду до 3 °С?
ГЛАВА 13. ГАЗОВОЕ ОТОПЛЕНИЕ
§ 13.1. Общие сведения
Из всех видов топлива газ - экологически наиболее чистое, так как при правильной организации процесса его сжигания содержание вредных веществ (канцерогенов, окислов азота, оксида углерода) в продуктах сгорания минимально. Около 30 % потребляемого в России газа в силу ее климатических особенностей расходуется на нужды теплоснабжения. Использование газа экономически выгодно, что обусловлено повышением КПД агрегатов и сокращением расхода топлива, более легким регулированием температурных полей и состава газовой среды в рабочем пространстве отопительных установок. Значительно упрощается и эксплуатация теплогенерирующих агрегатов.
В России используют природные и сжиженные газы. Природные газы состоят в основном из метана, других углеводородов метанового ряда, а также небольшого количества азота и диоксида углерода (углекислого газа). Низшая теплота сгорания сухих природных газов QPн=36000...40000 кДж/м3, плотность ρ = 0,73..1,0 кг/м3. Сжиженные углеводородные газы (СУГ), которые получают на специальных заводах в результате переработки нефти и природных газов, состоят из пропана и бутанов. Хранят и транспортируют пропан-бутаны на большие расстояния в сжиженном виде, а перед использованием жидкий газ испаряют. Низшая теплота сгорания паров СУГ (смесь 50 % пропана и 50 % бутанов) примерно 110000 кДж/м3, а плотность 2,35 кг/м3.
Газовое топливо имеет два основных недостатка: взрывоопасность газовоздушных смесей и токсичность самого газа (особенно продуктов его неполного сгорания), в связи с чем необходимо предусматривать систему безопасности, а также предъявлять повышенные требования при эксплуатации установок газового отопления.
Для отопления газ используют в различных установках: обычных или специальных котлах, комнатных печах, приборах квартирного или местного отопления, в газовых отопи- тельно-вентиляционных агрегатах. Под термином "газовое отопление" понимают системы отопления:
- с комнатными печами, работающими на газе;
- с газовыми водонагревателями;
- с газовыми не теплоемкими отопительными приборами;
- с газовоздушными теплообменниками;
- с газовоздушными излучателями;
- с газовыми горелками инфракрасного излучения.
402
Первый и третий виды систем газового отопления - местные, остальные могут устраиваться как центральными, так и местными. Ниже даны особенности конструкции перечисленного оборудования. Газовые водонагреватели были рассмотрены в главе 3.
§ 13.2. Газовые отопительные печи
Газовые печи наиболее экономичны среди других видов печей (их КПД примерно в 1,3 раза выше КПД печей на твердом топливе). Работа их может быть полностью автоматизирована.
В теплоемкой кирпичной печи (рис. 13.1) стенки топливника при установке горелок непрерывного действия выкладывают из глиняного кирпича, горелок периодического действия - из огнеупорного. В верхней части топливника устанавливают решетку из огнеупорного кирпича. Излучение от нее дополнительно нагревает стены топливника, что способствует более равномерному нагреванию помещения по высоте.
Каналы печи выкладывают из кирпича в три яруса для развития тепловоспринимающей поверхности на коротком пути движения продуктов сгорания газа. В центре восходящих потоков горючих газов расположены один над другим три ряда рассекателей, которые направляют продукты сгорания к боковым стенам печи. Печь сверху дополняют тягопрерывателем (показан на рис. 13.3), который предохраняет ее от избыточной и обратной тяги, что важно для устойчивой работы горелки. Кроме того, через тягопрерыватель осуществляется постоянное вентилирование верхней зоны помещения.
Тепловая мощность показанной на рис. 13.1 печи при двух топках в сутки (продолжительностью не более 2 ч подряд) составляет порядка 2600 Вт, КПД достигает 90 %. При работе с горелками непрерывного действия теплоотдача печи увеличивается на 30 %. Недостатком печи является ее кустарное изготовление.
Печь заводского изготовления (рис. 13.2) тепловой мощностью 2000 Вт рассчитана на непрерывную топку. Ее доставляют в готовом виде и устанавливают без фундамента. Топливник печи не футеруют огнеупорным кирпичом, так как его внутренняя поверхность нагревается не выше 250 °С. В нижней зоне печи устанавливают горелку и металлический патрубок для подачи воздуха в топливник. Для наблюдения за горением в нижней части печи расположено смотровое окно. Над горелкой установлена металлическая полая камера. Продукты сгорания газа поднимаются вверх по кольцевому каналу между корпусом печи и камерой и передают теплоту стенкам печи. В верхней зоне продукты сгорания проходят в газосборник и, минуя заслонку, через стальной соединительный патрубок попадают в дымоход. Подачу воздуха в печь регулируют заслонкой, установленной непосредственно перед выходным патрубком.
403
Рис. 13.1. Газовая отопительная печь: 1 - рассекатель; 2 - заслонка; 3 - герметичная дверка; 4 - путь движения продуктов сгорания газа; 5 - сборные коллекторы; 6 - кирпичи насадки; 7 - топливник; 8 - горелка
404
Рис. 13.2. Отопительная газовая печь заводского изготовления: 1 - корпус печи; 2 - поддувало; 3 - горелка; 4 - выходной патрубок; 5 - тепловая изоляция из шлаковаты; 6 - заслонка; 7 - крышка; 8 - муфта; 9 - металлическая полая камера; 10 - съемная оправа; 11 - смотровое стекло; 12 - терморегулятор
В газовых печах устанавливают горелочное устройство, главные элементы которого - основная и запальная горелки и автоматика безопасности. Основная горелка эжекционная, первичный воздух (50 % необходимого для полного сжигания) проходит в горелку, остальная часть воздуха подмешивается к пламени непосредственно в топке. Подача газа на запальную горелку начинается при нажатии пусковой кнопки автоматики безопасности. Автоматика безопасности предназначена для прекращения подачи газа на основную и запальную горелки в следующих случаях: при отсутствии тяги в дымоходе печи, погасании пламени на запальной горелке, падении давления газа перед горелкой ниже допустимого предела (последнее может привести к проскоку пламени внутрь горелки или погасанию его).
Для поддержания заданной температуры воздуха в помещении устанавливают терморегулятор (см. рис. 13.2), теплоотдачу печи регулируют изменением расхода газа. Внутри цилиндрического корпуса терморегулятора помещен баллон, заполненный керосином, в который впаян сильфон. Шток затвора находится внутри сильфона. При повышении температуры воздуха в помещении керосин расширяется, сжимает сильфон, и затвор закрывает седло. В этом случае газ идет через малое отверстие в количестве, необходимом для устойчивого горения. При понижении температуры затвор отходит от седла, и расход газа увеличивается.
§ 13.4. Газовоздушные теплообменники
В системах воздушного отопления (см. гл. 10) воздух может нагреваться в газовоздушных теплообменниках, когда теплота продуктов сгорания газа частично или полностью передается холодному воздуху. При теплопередаче через стенку КПД прямоточных или ре-
405
циркуляционных газовоздушных теплообменников составляет 70...90 %, а при нагревании воздуха в результате непосредственного смешения с продуктами сгорания газа КПД смесительных теплообменников возрастает до 100 %.
Особое значение такие воздухоподогреватели приобретают при отоплении объектов на севере России, где при низкой температуре наружного воздуха возможны замерзание теплоносителя и длительная остановка систем водяного отопления, что приносит большой экономический и социальный ущерб.
Прямоточные или рециркуляционные газовоздушные теплообменники могут быть мощностью до 6 МВт (рис. 13.5). В этом теплогенераторе установлена вихревая газовая горелка. Из камеры сгорания газы по радиальному каналу поступают в кольцевой теплообменник, откуда через дымовую трубу удаляются в атмосферу. Стенки кольцевого теплообменника с обеих сторон омываются нагреваемым воздухом, нагнетаемым радиальным вентилятором. Воздух в количестве до 16000 м3/ч, не смешиваясь с продуктами сгорания, нагревается на 100...ПО °С и поступает в систему воздушного отопления. Теплогенератор снабжен системой автоматики, которая обеспечивает двухступенчатое регулирование тепловой мощности (50 и 100 % номинальной нагрузки). Автоматика безопасности предусматривает автоматический пуск теплогенератора и аварийное отключение газа.
Рис. 13.5. Газовоздушный теплообменник: 1 - газовая горелка; 2 - воздушный патрубок горелки; 3 - радиальный вентилятор; 4 - дымовая труба; 5 - камера сгорания; 6 - кольцевой теплообменник; 7 - винтообразная перегородка; 8 - проволочная сетка; 9 - экран; 10 - наружный кожух
Смесительные газовоздушные теплообменники (рис. 13.6) применяют для совместного отопления и вентиляции производственных помещений, когда вентиляционная тепловая нагрузка превышает отопительную, что характерно для большинства промышленных зданий. Смесительные воздухонагреватели находят широкое применение в качестве децентрализованных теплоисточников. В помещения подают смесь наружного воздуха с продуктами сгорания газа, причем рециркуляция воздуха исключается.
В смесительных воздухонагревателях газ можно сжигать при небольшом коэффициенте избытка воздуха (1,05... 1,2), а продукты сгорания далее смешивать с потоком холодного
406
воздуха (рис. 13.6, а). Можно сжигать непосредственно в потоке нагреваемого воздуха, при этом коэффициент разбавления продуктов сгорания воздухом определяется температурой нагреваемого воздуха (рис. 13.6, б).
Рис. 13.6. Принципиальные схемы смесительных газовоздушных теплообменников: а - с разбавлением продуктов сгорания в специальной камере; б - со сжиганием газа непосредственно в потоке воздуха; 1 - блок газовых горелок; 2 - камера смешения; 3 - радиальный вентилятор
Чаще применяют теплообменники второго типа. Смесительные воздухонагреватели из-за того, что температура наружного воздуха переменна, имеют широкий диапазон регулирования. В нагревателях установлены диффузионные горелки (без предварительного смешения газа с воздухом). Все нагреватели оснащены автоматикой регулирования температуры смеси, а также автоматикой безопасности.
Основные достоинства смесительных теплообменников - практически полное использование химической теплоты сжигания газа (КПД около 100 %), значительное снижение затрат на сооружение котельных и тепловых сетей из-за уменьшения их мощности и протяженности. Основной недостаток - повышенное содержание вредных веществ (в основном СО) в воздухе, подаваемом в помещение.
В производственных и вспомогательных зданиях промышленных предприятий подобные теплообменники применяют также в качестве первой ступени нагревания воздуха (с последующим догреванием его до требуемой температуры в водяных калориферах) или второй ступени нагревания воздуха после первичного нагревания в утилизаторах теплоты выбросного вентиляционного воздуха.
§ 13.5. Газовоздушное лучистое отопление
В системе газовоздушного отопления с излучателями функцию отопительных приборов выполняют теплоизлучающие трубы, проложенные в верхней зоне (не ниже 5 м от поверхности пола) помещения (рис. 13.7). Внутри замкнутого контура теплоизлучающих труб циркулирует смесь нагретого воздуха с продуктами сгорания. Теплоотдача с поверхности труб в помещение происходит преимущественно излучением (до 60 %).
407
Рис. 13.7. Система газовоздушного отопления с теплоизлучающими трубами в межферменном пространстве цеха: 1 - теплоизлучающие трубы; 2 - теплогенератор; 3 - теплоизоляция; 4 - козырьки
Излучатели собирают на фланцах из тонкостенных стальных труб (толщина стенки 0,7 мм) диаметром 400 мм и длиной 6 м. Для уменьшения теплопотерь в верхнюю зону помещения теплоизлучающие трубы покрывают сверху теплоизоляцией, а сбоку устанавливают продольные вертикальные стальные экраны (козырьки).
Смесь воздуха с продуктами сгорания газа проходит через теплогенератор. Принципиальная схема движения потоков в теплогенераторе показана на рис. 13.8. Охладившийся в системе отопления до температуры 80...90 °С теплоноситель в теплогенераторе разделяется на два потока. Основной смешивается с новой порцией продуктов сгорания газа. Газ сгорает в дутьевой горелке, которая может работать с переменным коэффициентом расхода воздуха. Далее нагретая смесь с температурой до 340 °С поступает в систему отопления. Другая часть теплоносителя в объеме, равном объему продуктов сгорания, проходит через теплоутилизатор (ТУ) и выбрасывается в атмосферу. В ТУ за счет теплоты теплоносителя нагревается воздух, забираемый из помещения и направляемый в горелку для сжигания газа. При этом несколько снижается расход газа и повышается КПД установки (до 96 %).
408
Рис. 13.8. Принципиальная схема движения газовоздушных потоков в теплогенераторе: 1 - газовая горелка; 2 - дутьевой радиальный вентилятор; 3 - теплоутилизатор
Преимущества газовоздушного лучистого отопления по сравнению с воздушным отоплением: экономия тепловой энергии за счет уменьшения градиента температуры по высоте помещения, возможность снижения температуры воздуха в рабочей зоне при сохранении условий теплового комфорта, автономность, не замерзаемость, удобство регулирования.
§ 13.6. Газовое лучистое отопление
Отопительными приборами в этой системе отопления являются горелки инфракрасного излучения. Систему лучистого отопления наиболее целесообразно применять в больших помещениях со значительными тепло-потерями. Особенно эффективна она при обогревании частично или полностью открытых рабочих площадок (монтажных, сборочных, открытых стоянок автомобилей и т.д.). Небольшие размеры и масса инфракрасных горелок делают их удобными для размещения в отапливаемых помещениях. Их теплопередающая поверхность по площади почти в 10 раз меньше, чем площадь нагревательной поверхности отопительных приборов водяного отопления. Газовое лучистое отопление применяется также в различных сельскохозяйственных и складских помещениях. Существуют системы газолучистого отопления крупных сборочных, прокатных и литейных цехов машиностроительных заводов.
На рис. 13.9 показана унифицированная газовая горелка инфракрасного излучения тепловой мощностью 3,7...4,4 кВт. Излучающая огнеупорная огневая насадка горелки собрана из 10 керамических плиток размером 65×45×12 мм каждая. В каждой плитке имеется большое количество (около 1000) цилиндрических каналов диаметром 1,5 мм.
Применяется горелка эжекционного типа для газа низкого давления с полным предварительным смешиванием газа и воздуха. Газ, выходя из сопла, засасывает окружающий воздух в количестве, необходимом для полного сжигания, и перемешивается с ним в смесителе.
409
Газовая смесь после диффузора смесителя поступает в распределительную камеру относительного большого объема. Скорость потока смеси значительно уменьшается, чем обеспечивается почти одинаковое статическое давление на внутреннюю поверхность плиток. При этом газовоздушная смесь движется с примерно равной скоростью во всех огневых цилиндрических каналах и, следовательно, создает факелы одинаковой длины.
При работе горелки керамические плитки прогреваются на некоторую глубину и подогревают газовоздушную смесь в огневых каналах. Газовоздушная смесь сгорает в тонком слое над наружной поверхностью плиток, которая разогревается примерно до 850 °С. Металлическая сетка, расположенная над керамическим излучателем, при работе горелки нагревателя становится сама дополнительным излучателем и, кроме того, служит стабилизатором горения, предотвращая отрыв пламени.
Рис. 13.9. Газовая горелка инфракрасного излучения: 1 - излучатель; 2 -сетка; 3 - сопло; 4 - смеситель; 5 - кронштейн
При температуре излучающей поверхности 850 °С около 60 % теплоты, выделившейся при сгорании газа, передается излучением, в основном, в виде инфракрасных лучей с длиной волны 2,5...2,7 мкм.
Расчеты систем отопления с излучающими -горелками для помещений различного назначения могут значительно отличаться. Так, для помещений с малоили не теплоемкими ограждающими конструкциями, а также для отопления рабочих мест на открытом воздухе или в случае зонного обогрева отопительную нагрузку можно определить по условию комфортной облученности человека. В остальных случаях нагрузку следует определять с
410