Основы технологии обогрева производственных помещений электронагревательными приборами лучевого действия

Проблема энергосбережения, особенно в экономически развитых странах с мощным промышленным производством в настоящее время становится всё более актуальной. Одной из ветвей этой проблемы является задача экономного обогрева производственных предприятий в зимний отопительный период.

В развитых странах запада, технологии обогрева уделялось и уделяется серьёзное внимание, чего нельзя сказать о России. Здесь в основе обогрева жилого фонда и промышленных предприятий сохраняется введённая ещё в конце 30-х годов прошлого столетия т.н. теплофикационная система пароводяного отопления. Она основана на реализации тепловой энергии отработанного в турбинах ТЭЦ влажного водяного пара для обогре- ва жилых и производственных помещений.

Традиционно считается, что теплофикация является удачным решением сразу двух проблем: охлаждения отработанного пара и обогрева жилого и производственного фонда.

В действительности – это далеко не так [1].

Доставка горячего пара к потребителям приводит к необходимости создания гигантской в масштабах страны, разветвлённой системы, для поддержания работоспособности которой необходимы:

-размещение в сети систем мониторинга и контроля за распределением тепла (тепловые пункты, сетевые насосы, аппаратура и др.)

-организация и содержание технически оснащённых служб аварийного и профилактического ремонта, проектирования и строительства новых трубопроводов и т.д.

Следует также иметь в виду, что в большинстве случаев укладка труб осуществляется безканально, что приводит к большим потерям при транспортировке тепловой энергии из-за утечек её в землю.

Этот далеко не полный перечень упомянутых факторов показывает, что практика использования т.н. «даровой» тепловой энергии отработанного турбинного пара в действительности обходится государству очень дорого. На практике, однако, реальная себестоимость парового отопления систематически занижается ввиду очевидной невозможности населения и предпринимателей оплачивать его в полном объёме.

Львиная доля оплаты ложится на плечи госбюджета. Подобная ситуация, вполне допустимая при социализме, в условиях рыночной экономики аномальна и не может длится неограниченно долго.

Это обстоятельство делает актуальными поиски и развитие альтернативных рациональных систем обогрева. В развитых странах Европы и Северной Америки (Германия, Франция, США, Канада) уже давно осуществлён переход на иные принципы отопления. В жилых помещениях - это электричество. В производственных помещениях диапазон способов отопления более широкий, например:

• -    газовый обогрев;

• -    бойлерный пароводяной обогрев;

• -    тепловентиляция;

• -    масляные электронагреватели и др.

Каждый из этих методов наряду с преимуществами обладает и определён- ными недостатками. Поэтому поиски более совершенной системы обогрева продолжаются.

В последнее время, особенно в Германии, Англии и Италии, проявляется усиленный интерес к применению для обогрева производственных помещений инфракрасных электронагревателей. Они обладают уникальными свойствами:

• - мобильностью ориентации в пространстве;

• - избирательностью обогрева;

• - быстротой регулирования мощности;

• - отсутствием сжигания атмосферного кислорода.

В России данный принцип обогрева вполне может стать реальной альтернативой теплофикационному пароводяному отоплению. Наиболее привлекательной выглядит система, построенная на базе электронагревательных приборов лучевого действия, в теплоотдаче которых преобладает радиационная составляющая [2]. Такие приборы способны к передаче направленным излучением большого количества энергии. Это делает возможным реализацию дифференцированного обогрева производственного помещения - интенсивного в той его части, где сосредоточен персонал и производственный процесс - рабочие места (температура 18—20 °С) и минимально допустимого -в отдельной, неработающей части помещения (температура 5—7°С). Такой подход, принципиально отличающийся от рассеянного обогрева, свойственного радиаторам пароводяного отопления, даёт реальную возможность существенно сократить энергозатраты на обогрев помещения.

Очевидно, что практическая реализация этого по существу инновацион- ного принципа обогрева помещений требует детальной разработки соответствующей расчётной технологии. Она достаточно сложна и включает в себя целый ряд взаимосвязанных задач, центральной среди которых является расчёт теплового режима объёма рабочего места (ОРМ). Стабильная повышенная температура в пределах ОРМ обеспечивается балансом поступления греющего направленного радиационного потока Qг от лучевого электронагревателя и потока теплоотдачи рабочего места Qт в окружающее его нерабочее пространство с пониженной температурой, т.е.

Q г = Q т . (1)

Решение проблемы теплового баланса основано с одной стороны на использовании основных законов и дифференциального уравнения теории радиационного теплообмена, а с другой стороны - базируется на теории теплового подобия конвективной теплоотдачи.

В результате анализа составляющих уравнения (1) была получена система интегральных соотношений [2], которая при заданных конкретных условиях учитывает:

• - габариты рабочего места;

• - параметры размещённого в нём оборудования;

• - конструкцию и мощность электронагревателя;

• - температурный режим ОРМ и нерабочей части помещения.

Полученная система позволяет определить мощность тепловых потерь рабочего места Q _т и мощность обогревающего радиационного теплового потока, зависящего, в свою очередь, от дистанции обогрева Q _г = f(h ) (см. рис. 1)

Следует иметь в виду, что взаимная ориентация излучателя и ОРМ существенно влияет на эффективность обогре- ва. Поэтому расчёты проводились в условиях «нормальной» взаимной ориентации греющего и нагреваемого объектов [2], обеспечивающей минимум потерь греющего лучевого потока.

Рисунок 1 - К вопросу определения дистанции обогрева

Для конкретного вычисления энергетических затрат на обогрев рабочих мест и всего производственного помещения в целом были определены следующие исходные данные:

• - внутренние габариты производственного помещения (м) 25 x 20 x 10, объём V =5000 м³;

• - наружный объём здания, определяемый согласно существующим СНиП [3] V н =7100 м³;

• - габариты рабочего места (м) 3x2x1.6, объём V р =9,6 м³;

• - количество рабочих мест в помещении N =10;

• - содержание рабочего места: токарно-винторезный станок GH-1640, габариты (м) 2.46x1.01x1.22, масса 2120 кг, шкаф металлический, габариты (м) 1.5x0.4x0.8;

  -карбоновый электронагреватель: тип ТОР-1, номинальная мощность 900 Вт, мощность излучения 690 Вт, мощ-

• ность конвективной теплоотдачи 210 Вт [4];

  -температурный режим: рабочее место 1₁=18°C, воздух в нерабочем про-

• странстве 12=5°C.

В результате расчетов, основанных на перечисленных данных, получены следующие результаты.

Рисунок 2 - К вопросу распределения энергии в производственном помещении: 1 -электронагреватели; 2 - ОРМ; 3 - экраны; 4 -поток лучистой энергии; 5 - конвективная теплоотдача энергии; 6 - нерабочее пространство производственного помещения

Для поддержания в пределах одного ОРМ на уровне 18°C мощность греющего потока излучения должна составлять Qг=429 Вт. Она обеспечивается двумя электронагревателями ТОР - 1, работающими в режиме симметричного обогрева на мощности 900 Вт, с дистанции h =1,7 м. Таким образом, для обогрева 10 рабочих мест затрачивается мощность 18 кВт. Вся эта мощность явно большая, чем необходимо для поддержания установленной температуры обору- дования во всех 10 рабочих местах (а это 4,3 кВт) не пропадает бесследно, а затрачивается, в конечном счёте, для обогрева воздуха в нерабочем пространстве поме- щения до температуры на уровне 12=5°C (рис. 2).

Чтобы обосновать достаточность этой мощности (18 кВт) проведем анализ известного в строительной теплотехнике уравнения теплопотребления. Адаптированное для решения данного вопроса, оно принимает вид:

q = V н q о ( 1 2 - 1 ср.о )/36ОО, (кВт),      (2)

где: q - мощность необходимая для нагрева воздуха внутри производственного помещения до температуры 1 ₂; 1 _ср . _о- усреднённая наружная температура отопительного периода, для Санкт-Петербурга и области 1 _ср . ₀=-2,2 °C; q ₀ - удельная отопительная характеристика здания при заданном V н ; q =1,44 кДж/(м³час°C).

Из уравнения (2) следует, что для поддержания температуры воздуха на уровне 1 2 =5°C требуется мощность q =20,45 кВт.

Дефицит мощности ∆ q =2,45 кВт восполняется подключением из группы поддержки масляного низкотемпературного электронагревателя. Основная задача этой группы состоит в самостоятельном обеспечении температуры воздуха на уровне 1 ₂=5°C в часы отсутствия рабочего процесса в рабочие дни, а также круглосуточно - в выходные.

Исходя из сказанного, нетрудно составить регламент работы системы дифференцированного электрообогрева на один из месяцев отопительного периода, например ноябрь и определить месячные затраты энергии.

Ноябрь 2010г. включает 30 дней, из которых 21 день - рабочие (работа в одну 8 часовую смену) и выходные - 9

дней. Основываясь на этой информации можно вычислить месячный расход энергии на электрообогрев производственного помещения.

В соответствии с существующим стандартом при обогреве производственного помещения системой объёмного обогрева воздуха (например – пароводяного отопления) температура воздуха должна удерживаться на минимальном уровне t 2 =18°C круглосуточно.

Затраты на обогрев за тот же месяц определяются уравнением теплопо-требления. В данном случае оно принимает вид:

Q = V н q 0 ( t 2 – t ср.0 )∙ n ∙24∙10^-6 (ГДж) (3) где: Q – энергетические затраты на отопление; t 2 =18°C – температура воздуха в помещении; n =30 дней – период отопления.

Из уравнения (3) следует Q =148,7 ГДж.

Таблица 1 – Результаты расчета

Системы обогрева помещений	Официальные тарифы на теплоносители    в СПб на 2010г.	Адаптированные тарифы (Руб/Дж)	Месячный расход энергии на обог рев помещения (ГДж)	Месячная стоимость обогрева помещения (Руб)
Пароводяное отопление	1096,7 Руб/ГКал	0,26∙10-6	148,7	38662
Диффиринциальный электрообогрев	1700,5 Руб/МВтчас	0,46∙10-6	54,9	25756

Соответствующие вычисления, результаты которых представлены в таблице, приводят к следующим выводам:

Месячные энергозатраты на обогрев производственного помещения системой пароводяного отопления в 2,7 раза превосходят аналогичные затраты системы дифференцированного электрообогрева. При этом месячная себестоимость традиционного обогрева помещения в рублях в сравнении с электрообогревом обходится в 1,5 раза дороже.

Эти факты подтверждают достаточно высокую экономичность и перспективность метода дифференцированного электрообогрева и целесообразность его внедрения в эксплуатацию.