Анализ технических решений при разработке газовых инфракрасных излучателей мощностью 50 кВт

В.А. Николаев, ООО «Оргпримтепло», г. Москва

Введение

Газовый инфракрасный излучатель представляет собой преобразователь тепловой энергии, выделяемой при горении газа, в инфракрасный участок спектра с длиной волны от 4х10-6 до 8,5х10-6 метра. Это так называемые «темные» излучатели, работающие в пределах температур 300 - 500о С. Здесь инфракрасное излучение выступает теплоносителем: тепловая энергия горящего газа переносится потребителю с помощью электромагнитных волн. Данный эффект возникает при тепловом нагреве рабочей трубы излучателя. В связи с этим при разработке системы отопления с использованием газовых инфракрасных излучателей (далее ГИИ), необходимо учитывать два показателя КПД: общий тепловой КПД (сколько тепла при сжигании газа выделится и уйдёт на нагревание рабочей трубы излучателя), имеющий в среднем показатель 88-92%, и КПД излучения (какое количество этого тепла переведётся в инфракрасное излучение). Для ГИИ значение КПД излучения является очень важным, т. к. от него зависит степень прогрева помещения. Максимальный теоретически возможный КПД излучения в настоящее время составляет 70% от общего теплового КПД и основной задачей при проектировании ГИИ, является приближение технических характеристик к этому значению. В связи с тем, что ГИИ устанавливается в верхней части помещения, то именно от КПД излучения зависит эффективность его работы. Немаловажную роль в этом играет конструкция отражателя. Он должен обеспечить эффективное и равномерное распределение излучения по площади помещения при большой высоте подвески ГИИ. Именно это вводит ограничение максимальной высоты установки излучателя. Из всего выше сказанного следует, что, являясь энергосберегающим оборудованием, ГИИ обязаны максимально эффективно использовать энергию сжигаемого газа.

Технические условия

Для отопления высокопролётных помещений в последнее время на рынке появились ГИИ большой мощности (50 кВт и выше). Многие фирмы стараются расширить свои модельные ряды излучателей введением новых более мощных моделей. Однако разработка и производство инфракрасных излучателей большой мощности связано с некоторыми затруднениями. Необходимо соблюсти несколько обязательных условий:
Срок службы излучателя должен быть не меньше предыдущих моделей.
Габаритные размеры и масса должны быть приемлемыми.
Нагрев рабочих труб должен быть равномерным.
Излучатель должен иметь хорошую излучающую способность (это очень важно при работе на большой высоте).
Стоимость излучателя должна соответствовать его техническим возможностям. 

Варианты конструкций

Вариант №1. Длина излучателя и диаметр труб не были изменены.

Увеличение тепловой мощности на 25% повлечёт за собой более сильный нагрев рабочей поверхности трубы (600 °С и выше). Также увеличивается температура продуктов сгорания газа, т. к. разогретый газ не успевает отдать всю свою тепловую энергию стенкам трубы. Это приводит к увеличению тепловой нагрузки на вытяжной вентилятор. Плюс ко всему снижается тепловой КПД излучателя (следовательно, и КПД излучения), за счёт высокой температуры выбрасываемых на улицу продуктов сгорания (вариант выброса продуктов сгорания в помещение не рассматривается). При этом следует учитывать, что излучатель, в реальных условиях эксплуатации редко работает в круглосуточном непрерывном режиме, а периодически включается/выключается для поддержания необходимой температуры внутри помещения. Таким образом, труба около горелки постоянно нагревается выше 600 °С и затем остывает. Эти постоянные циклические «тепловые удары» могут быстро привести к разрушению рабочей трубы и выходу нагревателя из строя. Отсюда следует значительное снижение срока службы излучателя. Не следует забывать также о том, что излучатель с такими техническими параметрами выходит из разряда «тёмных излучателей» (температура теплоотдающей поверхности выше 500 °С), и занимает некоторое промежуточное положение между «светлым» и «тёмным» классом излучателей. Такое положение может создать затруднения при согласовании системы отопления с контролирующими организациями. Но одно достоинство в этом варианте есть: отсутствие значительных затрат изготовителя на разработку и производство излучателя. Следствием этого является низкая рыночная стоимость ГИИ.

Вариант №2. Длина излучателя увеличена, диаметр труб остался прежним.

Этот вариант на первый взгляд лучше первого - температура продуктов сгорания не увеличивается, общий тепловой КПД излучателя не меняется и может быть даже выше, но возникает другая проблема. Нагрев рабочей трубы около горелки остаётся по-прежнему высоким, т. к. внутренний факел пламени сложно вытянуть на большую длину без увеличения температуры продуктов сгорания. Этому препятствует увеличившаяся длина трубы, повышающая сопротивление движению разогретых газов. Есть ещё один аргумент не в пользу такого решения. Температура поверхности трубы по длине излучателя становится очень неравномерной и ухудшает перевод тепла в инфракрасное излучение. То есть, проще говоря, добиться высокого КПД излучения очень сложно.

Вариант №3. Длина излучателя и диаметр труб были увеличены.

В этом случае плюсов становится больше чем минусов. Температура продуктов сгорания - в пределах нормы, тепловой КПД - достаточно высокий, КПД излучения - выше, чем во втором варианте (благодаря увеличившейся площади поверхности рабочих труб). Улучшение показателей происходит за счёт простого соблюдения пропорций: больше мощность - больше размеры. Но при этом имеются и недостатки: увеличившиеся размеры повышают массу излучателя; увеличение производителем затрат на разработку новой модели и появление новых деталей, невзаимозаменяемых с предыдущими моделями, приводят к повышению рыночной стоимости излучателя.

В данных вариантах для упрощения не было рассмотрено содержание в продуктах сгорания вредных выбросов. Хотя от технического решения конструкции излучателя, этот показатель зависит очень сильно. Из представленных трёх вариантов, можно сделать вывод: разработка ГИИ мощностью 50 кВт должна представлять собой поиск производителем «золотой середины» между техническими характеристиками и итоговой стоимостью излучателя. Такую работу могут позволить себе производители, имеющие большой товарооборот, достаточную техническую базу и большой опыт в разработке подобных систем. Именно поэтому фирм, предлагающих высококачественные излучатели большой мощности, встречается на рынке немного.

4. Конструкция «Helios 50UD+».

Потребности рынка давно требовали создания излучателя имеющего возможность эффективно работать на высоте подвески более 20 метров. Существующие на тот момент у фирмы «Mandik, a.s.», «Helios 40UD+» (40 кВт) с трудом справлялись с такой высотой, поэтому приходилось увеличивать количество излучателей, что негативно сказывалось на общей стоимости системы отопления. В связи с этим фирма разработала модель «Helios 50UD+» (50 кВт). Разработка излучателя проводилась по третьему варианту, описанному выше, но с некоторыми техническими доработками. Были увеличены длина и диаметр труб излучателя («Helios 50UD+»- 127 мм, «Helios 40UD+» - 102 мм), но при этом было применено оригинальное техническое решение: «труба в трубе». Внутри основной трубы, сразу от горелки, установлена жаропрочная труба меньшего (102 мм) диаметра длиной 4,5 метра, в которой горит факел пламени. Изоляция пламени от внешней трубы позволила понизить её температуру в районе горелки, и наоборот повысить в удалённой от горелки части. Такая схема позволила значительно выровнять распределение температуры на поверхности внешней трубы по всей длине. Применение системы двухступенчатого регулирования мощности излучателя, дала возможность защитить внутреннюю жаропрочную трубу от лишних температурных нагрузок. Объединение горелки и вентилятора в один блок позволило проводить предварительный подогрев подаваемого на горение воздуха за счёт горячих продуктов сгорания. Такое решение увеличило тепловой КПД излучателя до 93,7%, что является одним из самых высоких показателей для ГИИ. При этом содержание вредных выбросов в составе продуктов сгорания остался на очень низком уровне. По сравнению с предыдущими моделями была основательно доработана конструкция отражателя. Применение рельефного алюминиевого листа с теплоизоляцией позволило получить КПД излучения 68%, и тем самым приблизиться к максимально возможному. Увеличившаяся масса излучателя компенсирована за счёт увеличения количества точек подвески распределённых по всей длине излучателя. Благодаря этому статическая нагрузка одной точки осталась практически прежней. Неизбежное увеличение стоимости излучателя «Helios 50UD+» на 30%, компенсировано его улучшенными техническими характеристиками. Пример: при необходимой мощности системы отопления 200 кВт, потребуется 5 шт. «Helios 40UD+» или 4 шт. «Helios 50UD+». Общая стоимость вторых окажется на 5 % дешевле. Это даже при условии, что найти помещение с тепловыми потерями 200 кВт (т. е. небольшой площади), имеющего высоту более 20 метров, довольно затруднительно. Поэтому чем больше и выше помещение, тем экономически и технически выгоднее использование излучателей «Helios 50UD+». Благодаря перечисленным техническим решениям излучатель «Helios 50UD+» полностью отвечает требованиям пяти технических условий (п. 2 см. выше), что делает его способным составить достойную конкуренцию лучшим моделям излучателей, поставляемым на российский рынок от различных производителей.