Wykorzystanie gazu do ogrzewania budynków przez promieniowanie

Transkrypt

1 Dr inż. Maciej Chaczykowski Zakład Inżyrii Gazownictwa Wydział Inżyrii Środowiska Politechnika Warszawska Wykorzysta gazu do ogrzewania budynków przez promieniowa Podstawowym warunkiem energooszczędnego ogrzewania budynków przy pomocy tradycyjnych systemów ogrzewania jest wyposaże ich w dobrą termoizolację. W przypadku wielkokubaturowych budynków przemysłowych ze zwiększoną wymianą powietrza lub zwiększonymi stratami ciepła, nakłady finansowe przeznaczone na ogrza pomieszczeń znacząco rosną. Dążąc do uzyskania dostatecz dobrych warunków cieplnych wewnątrz pomieszczeń przy ograniczonych kosztach ogrzewania oraz zmjszonej emisji szkodliwych substancji, powinniśmy rozważyć zastosowa ogrzewania przez promieniowa. Dla pomieszczeń wielkokubaturowych, czyli takich, w których wysokość oraz kubatura przekraczają odpowiednio 5 m i 5000 m 3, jednymi z najefektywjszych urządzeń grzewczych są gazowe promienniki podczerwieni. Rynek gazowych urządzeń grzewczych wykorzystujących tą technologię jest stosunkowo nowym rynkiem. Dopiero w latach siedemdziesiątych w Stanach Zjednoczonych i w Europie Zachodj wystąpiło znaczne zainteresowa tą techniką ogrzewania obiektów. Ogrzewa promieniowam podczerwonym jest szczegól godnym polecenia rozwiązam przy dużej kubaturze budynku i sprawdza się tam, gdzie izolacja termiczna ścian i stropów jest zła lub praktycz istje, oraz wszędzie tam, gdzie wymagane jest ogrzewa tylko określonych stref powierzchni. Zjawiska fizyczne Promieniowa między dwoma stykającymi się ciałami o różnych temperaturach polega na przejściu ciepła w postaci fali elekromagnetycznej z ciała o wyższej temperaturze do ciała o temperaturze niższej. Ilość wymienionej energii zależy od właściwości powierzchni ciał, ich wzajemnego ustawienia, absorpcji ośrodka w którym się znajdują. Ciało emitujące energię przez promieniowa obniża swoją temperaturę, a ciało przyjmujące promieniowa

2 staje się cieplejsze. Wymiana energii między ośrodkami następuje aż do momentu, gdy oba ciała osiągną jednakową temperaturę. Jeżeli różnica temperatur jest stała to ilość przekazywanej energii jest stała w czasie. Jest oczywistym, że ze wzrostem temperatury emitera wzrasta strumień przekazywanego ciepła, a zatem wzrasta natęże promieniowania. Promieniowa cieplne emitowane ze źródeł grzejnych obejmuje fale elektromagnetyczne z zakresu od 0,8 do 4,0 µm. Udział ilościowy poszczególnych form wymiany ciepła przy ogrzewaniu promiennikami podczerwieni kształtuje się następująco: przewodze 5 %, konwekcja 10 %, promieniowa %. Ogrzewa promiennikowe Podstawową wadą tradycyjnego systemu ogrzewania dużych pomieszczeń w oparciu o konwekcję jest fakt, że ogrzewamy rówż górne strefy budynków, które są wykorzystywane (rys. 1). Wśród nowoczesnych gazowych systemów grzewczych pozwalających na eliminację tej wady jest ogrzewa przez promieniowa, polegające na spalaniu gazu w promiennikach i emitowaniu promieniowania cieplnego z ich powierzchni. Wytworzone promieniowa cieplne wypełnia obszar pod promiennikami, ogrzewając przedmioty, ludzi, przegrody budowlane itd. Obec na rynku polskim dostępne są dwa rodzaje urządzeń: Niskotemperaturowe promienniki rurowe, w których spala odbywa się wewnątrz rury, a jej powierzchnia nagrzewa się do temperatury o C. Spaliny odprowadzane są za pomocą wentylatora, który powoduje powsta podciśnia wydłużającego płomień w rurze. Wysokotemperaturowe promienniki panelowe z otwartą komorą spalania, złożone z płytek ceramicznych nagrzewanych do temp. 950 o C. Urządzenia posiadają odprowadzenia spalin. Promiennik ogrzewa bezpośrednio powietrza, a jedy powierzch przedmiotów na które skierowane jest promieniowa. Otaczające powietrze ogrzewa się dopiero od powierzchni tych elementów. W zasięgu promiennika odczuwalna temperatura jest kilka stopni wyższa od temperatury powietrza w pomieszczeniu. Ogólna charakterystyka ogrzewania promiennikami przedstawiona została w tablicy 1.

3 Rys. 1. Rozkład temperatury w pomieszczeniu w zależności od wysokości dla różnych systemów ogrzewania. Tablica 1. Ogólna charakterystyka ogrzewania promiennikami. Minimalna wysokość montażu Wymagana termoizolacja pomieszczeń Ograniczona emisja zaczyszczeń Ogrzewa określonych stref pracy Unosze pyłów Możliwość stosowania w pomieszczeniach mieszkalnych i biurowych Możliwość stosowania w pomieszczeniach o znacznym zapyleniu oraz zawierających substancje łatwopalne i wybuchowe Równomierny pionowy rozkład temperatury Urządze powoduje hałas Potrzebna jest częsta konserwacja Wysokość pomieszczenia Czas po którym odczuwamy ciepło 4,0 m tak tak tak min. 5 m od razu po włączeniu Niskotemperaturowe promienniki rurowe W promiennikach rurowych elementami promieniującymi są rury wykonane ze stali węglowej i pokryte czarną emalią, wewnątrz których cyrkulują spaliny. Mogą być dostosowane do pośredgo bądź bezpośredgo odprowadzania spalin, przy czym doskonalszą konstrukcją są gazoszczelne, rurowe promienniki podczerwieni, wyposażone w elektryczny wentylator wyciągowy. Zewnętrzna powierzchnia rury rozgrzewa się i emituje ciepło za pośrednictwem promieni podczerwonych, które kierowane są na posadzkę pomieszczenia. Ciepło odczuwane jest w dolnej, a więc użytkowanej strefie pomieszczenia.

4 Podstawowym elementem promiennika rurowego (rys. 2) jest rura grzewcza (1), wyposażona w palnik (3), oraz wentylator (7). Wnętrze rury grzewczej pełni funkcję komory spalania. Palnik gazowy (3) umieszczony jest w hermetycznej obudowie (2). Gaz mieszany jest z powietrzem w specjal ukształtowanym mieszalniku w wyniku podciśnia wytworzonego przez wentylator spalin (7). Rys. 2 Schemat budowy promiennika rurowego, 1 rura promieniująca, 2 obudowa palnika, 3 palnik, 4 presostat, 5 zestaw zaworu elektromagnetycznego i stabilizatora ciśnia, 6 urządze kontrolne i zabezpieczające, 7 wentylator spalin. Zapłon gazu następuje we wnętrzu rury grzewczej stanowiącej komorę spalania w momencie przekazania przez termostat sterownikowi sygnału o potrzebie ogrzewania pomieszczenia. Komora spalania wypełniona jest gorącymi gazami spalinowymi, które zanim zostaną usunięte przez wentylator na zewnątrz pomieszczenia oddają ciepło ściankom rury grzewczej. Zewnętrzna powierzchnia rury w okolicach palnika osiąga temp. ok. 420 o C. Wmiarę oddalania się od palnika temperatura obniża się osiągając na końcu ok. 320 o C. Podtawowymi elementami zabezpieczającymi i sterującymi pracą promiennnika są: sterownik, zawór gazowy, czujnik różnicy ciśnia, wentylator spalin. Sterownik ma za zada sterowa zapłonem palnika. Po otrzymaniu sygnału z czujnika temperatury w pomieszczeniu sterownik kontroluje ciś w komorze spalania, daje sygnał do przedmuchu komory spalania i wyzwala iskrę potrzebną do uruchomienia palnika. Zawór gazowy pełni funkcje regulacji ciśnia wyjściowego. Wyposażany jest w filtr do gazu. Czujnik różnicy ciśnia pozwala przerwać pracę urządzenia w przypadku braku wystarczającego ciągu wentylatora spalin wywołanego zatorem w obwodzie spalania lub jego awarią wentylatora. Wentylator służy do zasysania spalin z komory spalania i wydmuchu na zewnątrz przez przewody spalinowe. Materiały użyte do produkcji płaszczy rur promieniujących powinny charakteryzować się niską zdolnością do odbijania promieniowania podczerwonego. Metalami posiadającymi taką

5 cechę są m.in. cyna, cynk, chrom, stal, wolfram, stąd właś emaliowana stal znalazła zastosowa przy budowie rurowych promienników podczerwieni. Rury grzewcze osłonięte są od góry aluminiowymi reflektorami, których zadam jest kierowa promieniowania na ogrzewaną strefę. Reflektory stanowią integralną część promienników i mogą być wyposażone w izolację termiczną z wełny mineralnej. Materiały użyte na reflektory powinny charakteryzować się dużą zdolnością do odbijania promieniowania, zwłaszcza podczerwonego. Największą zdolnością odbijania promieniowania charakteryzują się takie metale jak miedź, platyna, srebro, złoto, polerowane aluminium, przy czym zdolność odbicia w małym stopniu zależy od długości fali promieniowania podczerwonego. Spośród nich: srebro, złoto, platyna, a zwłaszcza miedź znacz gorzej odbijają promieniowa z zakresu widzialnego niż z zakresu podczerwonego. Polerowane aluminium ma w przybliżeniu jednakowe promieniowa obydwu zakresów, stąd znalazło najszersze zastosowa przy budowie reflektorów oraz panelowych promienników podczerwieni. Im materiał z którego wykonano reflektor odbija więcej promieniowania, tym mj się nagrzewa, czyli w mjszym stopniu promiennik pochłania energię promieniowania w sposób bezużyteczny. Rury promieniujące mogą być podłączone do przewodów odprowadzających spaliny na zewnątrz pomieszczenia. Promienniki rurowe podwiesza się do konstrukcji dachu. Istje możliwość sytuowania promiennika w poziomie lub ukoś, odchylając maksymal o 30 o. Promienniki rurowe mogą być łączone w systemy centralne, złożone ze szczel połączonych rur o dużej średnicy. System centralny wyposażony jest w jeden wentylator odprowadzający spaliny z szeregowo połączonych palników. Palniki umieszcza się w miejscu, gdzie temperatura spalin osiąga 320 o C. Promieniowa rówż kierowane jest na powierzch przeznaczone do ogrzewania za pośrednictwem reflektorów. Komory spalania palników wykonane są z żeliwa i połączone rurami grzejnymi za pomocą złączy kołrzowych. Dobór ilości urządzeń uzależniony jest od zapotrzebowania budynku na moc cieplną, uwzględniając wentylację oraz straty przez przenika. Wysokość montażu promienników rurowych zależy od mocy urządzeń oraz od wymaganej temperatury w ogrzewanej strefie. Niezależ od wysokości instalacji natęże promieniowania powinno rozkładać się równomier. Na rynku istje wiele firm produkujących promienniki rurowe. WPolsce oferowane są m.in. promienniki rurowe Heat Ray australijskiej firmy Celmec International. Komora spalania ma kształt zamkniętej, długiej, cienkościennej rury. Ciepło z dolnego fragmentu rury

6 dociera bezpośrednio do ogrzewanej części pomieszczenia, natomiast promieniowa z górnej powierzchni rury odbija się od reflektora i powraca w dół ogrzewając przewidziane miejsce. Wzależności od mocy zainstalowanego palnika, długość rury grzejnej może wynosić od 6m do 24 m. Istje typ rur prostych (modele SP) lub rur U (modele UP), gdzie pod jednym reflektorem zainstalowane są dwie równoległe rury (Rys. 3). Grzejniki typu UP zajmują mj miejsca i charakteryzują się większą ilością oddawanego ciepła na metr długości promiennika. Rys. 3 Promiennik rurowy firmy Celmec International. Gazowe promienniki podczerwieni Celmec International posiadają certyfikat Instytutu Górnictwa Naftowego i Gazownictwa w Krakowie. Innym przykładem promienników rurowych są promienniki Infra włoskiej firmy Systema. Od 1996 r. firma wykonała szereg instalacji promienników na tere całego kraju. Moduły Infra mają zwartą budowę, są ciche oraz łatwe w eksploatacji. Firma Systema wprowadziła na rynek model promiennika wyposażonego w urządze do recyrkulacji spalin. Wysokotemperaturowe promienniki panelowe W promiennikach panelowych gaz spalany jest w temperaturze około 1000 o C na powierzchni panela ceramicznego. Popular urządzenia te są nazywane promiennikami jasnymi poważ podczas ich działania pojawia się efekt wizualny żarze ceramiki, która emituje promieniowa cieplne. Emisja spalin do pomieszczenia wymaga przewidzenia dodatkowej wentylacji obiektu. Promienniki panelowe w porównaniu z rurowymi mają mjszą strefę wpływu promieniowania. Nie wymagają odprowadzenia spalin, dlatego ich stosowa jest szczegól wygodne w pomieszczeniach, w których znajdują się suwnice.

7 Charakterystycznym elementem promiennika (rys. 4) jest panel ceramiczny (5) złożony z perforowanych płytek, na którego zewnętrznej powierzchni spala się mieszanina gazu z powietrzem wytworzona w komorze zmieszania (4). Powierzchnia panelu nagrzewa się do temperatury o C. Emitowane promieniowa podczerwone odbija się od powierzchni reflektora (6) w kierunku powierzchni przewidzianej do ogrzania. Pracę promiennika nadzoruje sterownik (1). Dopływ gazu do palnika zabezpiecza zespół regulatora ciśnia i zaworu elektromagnetycznego (2). Pod panelem umieszczona jest stalowa siatka stabilizująca płomień (7). Zapłon gazu zapewnia elektroda zapłonowa. W przypadku zaniku spalania elektroda jonizacyjna (8) odcina dopływ gazu. Rys. 4 Schemat wysokotemperaturowego promiennika panelowego: 1 sterownik, 2 regulator ciśnia i elektromagnetyczny zawór gazowy, 3 dysza palnika gazowego, 4 komora zmieszania gazu z powietrzem, 5 panel promieniujący złożony z perforowanych płytek ceramicznych, 6 reflektor, 7 siatka stalowa stabilizująca płomień, 8 zespół elektrody zapłonowej i zabezpieczenia jonizacyjnego płomienia. Wysokość montażu promienników panelowych różni się od wysokości montażu promienników rurowych, gdyż panel ogrzewający nagrzewa się do znacz wyższej temperatury. Powietrze potrzebne do spalania pobierane jest z pomieszczenia, a także produkty spalania przekazywane są do pomieszczenia. Fakt ten, jak i wysoka temperatura panelu, ograniczają zakres ich stosowania. Promienniki panelowe są proste w konstrukcji i tańsze od rurowych. Instalacja ogrzewania przy zastosowaniu promienników powinna być tak zaprojektowana i wykonana, aby stęże CO 2 w powietrzu otaczającym stanowiska robocze przekroczyło wartości dopuszczonych normami (PN-74/ /01). Jeżeli poziom wymiany powietrza drogą infiltracji spełnia tych wymagań, należy wykonać dodatkowe otwory wentylacji nawiewno-wywiewnej. Stosownym rozwiązam jest doprowadze powietrza za pomocą wentylacji nawiewnej oraz zastosowa nadciśniowej wentylacji wywiewnej.

8 Ograniczony jest w ten sposób przepływ chłodnego powietrza szczelnościami ścian i otworów i polepsza się komfort cieplny w pomieszczeniu. Przykładem promienników panelowych oferowanych na polskim rynku są promienniki typu SR II francuskiej firmy Solaronics. Promienniki SR II (rys. 5) mają moc od 3,3 16,7 kw i posiadają dwa palniki, pozwalające na pracę dwustopniową (100 % lub 50 % mocy nominalnej). Liczba pracujących palników na wpływu na zasięg promieniowania. Rys. 5. Promiennik panelowy SR II firmy Solaronics. Zalety i wady promienników podczerwieni Wymienione systemy ogrzewania z zastosowam promienników podczerwieni posiadają wiele zalet. Najważjsze z nich to: Możliwość zmjszenia kosztów ogrzewania, w porównaniu z tradycyjnymi instalacjami ogrzewczymi, szczegól w budynkach ze słabo izolowanymi ścianami i stropami oraz o znacznej wymia powietrza. Możliwość kierowania strumienia ciepła w określone miejsce pozwala na ogrzewa dużych pomieszczeń bez koczności budowania przegród. Możliwe jest ogrzewa różnych stref w różnych godzinach pracy, co pozwala ograniczyć koszty eksploatacyjne instalacji ogrzewczej. Mała bezwładność promienników, pozwalająca na oszczędność zużycia gazu, gdyż mal natychmiast po włączeniu odczuwane jest ciepło. Ujemny i bliski zeru gradient temperatury w stosunku do tradycyjnych urządzeń, poważ 80 % energii produkowanej przez promiennik wydzielane jest w postaci ciepła radiacyjnego. Ciepło radiacyjne ogrzewa bezpośrednio osoby i przedmioty, pozwalając na znaczne obniże temperatury powietrza w górnej części pomieszczenia. Brak ruchów powietrza i pyłów.

9 Instalacja wymaga ochrony przed zamarzam - możliwość okresowego stosowania instalacji ogrzewczej. Eliminacja kosztów budowy kotłowni oraz układów rozprowadzania ciepła w budynku. Mała emisja zaczyszczeń do atmosfery. Prosta regulacja systemu, za pomocą sterowników mikroprocesorowych połączonych z czujnikiem temperatury. Systemy promiennikowe mają wiele ograniczeń zakresu stosowania. Najpoważjszą ich wadą jest możliwość instalowania jedy w pomieszczeniach o wysokości minimum 5 m, przy czym minimalna wysokość montażu wynosi 3,5 4,0 m. Promienników w zasadzie można stosować w budynkach mieszkalnych i biurowych, ze względu na niski poziom komfortu cieplnego przy silnych, punktowych źródłach ciepła. Promienniki rurowe obniżają wilgotność powietrza w pomieszczeniu. Nie wolno instalować promienników w pomieszczeniach łatwopalnych lub miejscach, w których przechowywane są materiały łatwopalne, a także w pomieszczeniach mających połączenia drzwiami lub otworami z pomieszczeniami, w których są zgromadzone środki łatwopalne. Promienników zasilanych gazem płynnym propanowym wolno instalować w pomieszczeniach z podłogą położoną poniżej poziomu gruntu. W otworach drzwi zewnętrznych pomieszczenia ogrzewanego tym gazem powinno być progu. Literatura [1] Antowicz B., Koczyk H.: Gazowe i elektryczne promienniki podczerwieni; Ogrzewnictwo praktyczne 8/1999 [2] Bąkowski K. Instalowa i uruchamia promienników rurowych; Rynek gazowy 9/1999 [3] Celińska E.: Gazowe promienniki podczerwieni; Rynek gazowy 1/1999 [4] Chmielowski A., Nowicki J., Rubik M.: Ogrzewa, wentylacja, termorenowacja warsztatów, salonów wystawowych, magazynów, budynków przemysłowych, Branżowy Ośrodek Informacji Naukowej i Technicznej-Instal, Warszawa [5] Kochański A.: Promiennikowe ogrzewa obiektów wielkokubaturowych; Rynek instalacyjny 3/2000.

10 [6] Kowalczyk M.: Ogrzewa obiektów promiennikami podczerwieni, Solaren-Bis, Gdańsk [7] Prochera G.: Gazowe ogrzewa promiennikowe; Ogrzewnictwo praktyczne 1/1999. [8] Sitarska K.: Ogrzewa gazem wielkokubaturowych obiektów przemysłowych, metodą promieniowania i konwekcji wymuszonej Praca dyplomowa, Politechnika Warszawska, Wydział Inżyrii Środowiska, [9] Materiały informacyjne firm Celmec International Australia, Solaronics Francja.