Infračervený plynový hořák: princip činnosti a výhody. FAQ o kotlích a vytápění

Princip radiačního sušení je založen na absorpci infračervených paprsků ošetřovaným tělem, které se přeměňují v teplo, ohřívají jej a tím zajišťují odvod vlhkosti. Množství absorbované energie závisí na vlnové délce infračerveného záření dopadajícího na těleso a absorpční kapacitě tohoto tělesa. Látky, které dobře propouštějí a odrážejí záření, se málo zahřívají. Zahřívání je způsobeno pouze absorpcí paprsků.

Diagram procesů probíhajících při pronikání infračervených paprsků do ozářených těles je na obr. 9.20. Infračervené záření dopadající na jednovrstvý materiál (obr. 9.20, a) se částečně odráží od povrchu materiálu a částečně proniká jeho vrstvou. Část proniknutého záření je pohlcena (přeměněna na teplo a ohřívá materiál), malá část se odráží na spodní hranici vrstvy a vrací se zpět do vrstvy materiálu a zbytek je předán do okolí.

Účinné je pouze infračervené záření absorbované zahřátým materiálem. Toto záření, přeměněné na teplo, se využívá k sušení jednovrstvého materiálu. Obrázek ukazuje rozložení teploty ve vrstvě materiálu: na ozařovaném povrchu materiálu je teplota o něco vyšší než na opačném. Je třeba poznamenat, že vzor pronikání infračerveného paprsku a rozložení teploty po tloušťce materiálu se poněkud mění během procesu sušení s odstraňováním velkého množství vlhkosti. V tomto případě dochází k přenosu tepla a hmoty současně. Na obr. 9.20, b, je znázorněno pronikání infračerveného záření a rozložení teploty po tloušťce vrstvy pro materiál s vysokým koeficientem absorpce a dostatečnou tloušťkou vrstvy. Dopadající záření, navíc částečně odražené od ozařovaného povrchu, je absorbováno materiálem a přeměněno na teplo, což vede ke zvýšení tělesné teploty a zajišťuje odvod vlhkosti. Tato možnost poskytuje nejvyšší účinnost.

Rýže. 9.20. Schéma pronikání infračervených paprsků do jednovrstvých a dvouvrstvých materiálů. a–b – jednovrstvý materiál: a – slabá savost, b – silná savost; b–g – dvouvrstvé
materiál: b – silná nasákavost druhou vrstvou, g – slabá nasákavost druhou vrstvou; I–IV – záření: I – dopadající, II – odražené, III – absorbované.

Na obr. 9.20 c, d je znázorněno ozáření dvouvrstvého materiálu, kdy je základní materiál (substrát) pokryt vrstvou laku. V prvním případě je jako substrát použit materiál dobře pohlcující paprsky (černý plech), ve druhém případě materiál, který je dobře odráží (hliníkový plech). Vrstva laku dobře propouští infračervené záření. Teplota na vnitřním povrchu vrstvy laku je v prvním případě vyšší než na vnějším. Tím dochází k vysychání laku z vnitřního povrchu, který z něj při kontaktu s podkladem přijímá teplo díky tepelné vodivosti. Tento typ sušení odstraňuje různé vady povlaku (bubliny, praskliny apod.), které jsou typické pro konvekční schnutí, kdy se vlivem horkého nosiče tepla na povrchu laku v důsledku intenzivnějšího odpařování vytvoří tenký film zabraňující dalšímu odpařování rozpouštědla. V některých případech musí páry rozpouštědel z vnitřních vrstev procházet více či méně nepropustným pevným filmem, který vzniká při konvekčním sušení. V důsledku toho může být horní vysušená vrstva roztržena. Sušení infračervenými paprsky zajišťuje nejen vysokou kvalitu nátěru, ale také schopnost zintenzivnit samotný proces schnutí.

Ve druhém případě (obr. 9.20, g), kdy má substrát silný odraz a slabou absorpci, se pouze jeho malá část přemění na teplo a jeho teplota zůstává nízká. Jedná se o jeden z nepříznivých případů použití infračervených paprsků k sušení.
Při sušení infračervenými paprsky je třeba věnovat zvláštní pozornost spektrálním charakteristikám zářiče a ozařovaného materiálu. Obecně by se maximální energie zářiče měla shodovat s maximální absorpcí materiálu. Intenzita odvodu vlhkosti se oproti konvekčnímu sušení několikanásobně zvyšuje. To je vysvětleno skutečností, že množství tepla, které může být předáno materiálu během sušení zářením, je výrazně vyšší než při sušení konvekcí.

Použitím infračervených paprsků pro sušení je možné dosáhnout požadovaného rozložení tepla ve hmotě zpracovávaného materiálu, což vede k urychlení procesu sušení. V tomto případě je energie posílána v nejúčinnější formě a využívána s vysokou účinností.

Procesy infračerveného sušení jsou mnohem rychlejší a poskytují technický a ekonomický efekt, ale nelze je použít všude (konvektivní sušení si stále zachovává svůj význam a je široce používáno). V takových oblastech, jako je sušení barev a laků, smaltů, keramiky, textilu, porcelánu a kameninových výrobků, papíru a lepenky, sypkých materiálů, některých zemědělských produktů (tabák, obilí atd.), tenkých dřevěných výrobků, licích forem a tyčí a dalších materiálů, poskytují technologie infračerveného sušení vynikající výsledky.

Ve většině případů je vhodné používat stacionární tunelové sušárny uzavřeného typu s tepelnou izolací, protože při otevřené instalaci se materiál ochlazuje proudy vnějšího studeného vzduchu a v tomto případě se zpravidla nevyužívá teplo z produktů spalování plynu. To zvyšuje spotřebu tepla a snižuje rychlost sušení.
Na základě poměrně dlouhé doby provozních zkušeností lze poskytnout obecná doporučení.
Podle technologie sušení.

Dodávky tepla je třeba časově rozlišovat. Na začátku je do materiálu přiváděno velké množství tepla (intenzivní uvolňování vlhkosti chrání schnoucí materiál před nebezpečným zvýšením jeho teploty). Když materiál odevzdá většinu své vlhkosti, musí se snížit přívod tepla.

Při použití infračerveného sušení v uzavřených sušárnách je nutné využít tepla zplodin hoření plynu (recirkulace zplodin hoření), což zvyšuje účinnost sušárny.

Sušička by měla být určena pro podobné výrobky a materiály, jejichž výroba je masového charakteru.

Infračervené sušení lze s úspěchem použít pro výrobky jednoduchého plochého tvaru nebo pro tenkovrstvé materiály.
Je vhodné, aby maximální vlnová délka absorpce energie sušených materiálů souhlasila s maximálním infračerveným zářením plynového hořáku.

Při sušení stacionárních materiálů je třeba věnovat zvláštní pozornost rovnoměrnosti ozáření. To je zvláště důležité pro materiály s nízkou tepelnou vodivostí, protože v tomto případě není jejich teplota vyrovnána kvůli tepelné vodivosti.

Při sušení plechů a jiných plochých materiálů je vhodné přivádět teplo z obou stran.

Podle konstrukce sušičky:
Průřez tunelu by měl (pokud možno) opakovat tvar sušených výrobků. V tunelové komoře jsou instalovány plynové hořáky, které zajišťují rovnoměrné ozáření všech povrchů produktu. Délka tunelu je určena na základě požadované kapacity sušárny a experimentálně získané doby sušení.

Vnitřní povrchy sušicí komory by měly být vyrobeny z materiálů s vysokou odrazivostí (hliníkový plech).

Konstrukce sušičky musí zajistit přívod čistého vzduchu k hořákům a zamezit vnikání zplodin hoření do mísičů. Pokud je v sušicí komoře proměnný podtlak, instalují se hořáky do vyrovnávacích komor.

Tlak plynu před hořáky musí být udržován na přesně stanovené úrovni (kolísáním se změní teplota sálavé trysky a intenzita ozařování vysoušeného materiálu).

Transportní zařízení pro pohyb materiálu během sušení by neměla narušovat ozařování produktů a tepelné ztráty při jejich ohřevu by měly být sníženy na minimum.

Hořáky se instalují na sušičku s ohledem na snadnost jejich obsluhy a opravy. Uzavřené sušicí komory musí být vybaveny kontrolními zařízeními nezbytnými pro sledování provozu hořáků.

Průmyslové sušárny musí být vybaveny kontrolními a měřicími přístroji a bezpečnostní automatikou.

Uvažujme příklad použití IR zařízení ve stavebnictví. Sušárna pro sádrobetonové příčky (příslušné údaje jsou uvedeny v tabulce 9.34) je horizontální komora ve tvaru pravoúhlého rovnoběžnostěnu s vertikálními štěrbinami na koncích (pro vstup a výstup). Hořáky jsou namontovány na bočních stěnách. Ve spodní části komory je válečkový dopravník. Sušička je rozdělena na zónu intenzivního zásobování teplem (Q₂ = 80 MJ/m2) a zóna „měkkého“ přívodu tepla (Q₂ = 20 MJ/m2). Teplo je do příček přiváděno z obou stran.

Při vysoušení sádrobetonových příček na požadovanou vlhkost (8%) se používá diferencovaný režim přívodu tepla: v počátečním období by množství dodávaného tepla mělo stačit k udržení konstantní rychlosti vysychání a v následném období klesající rychlosti sušení by mělo být sníženo, aby se zabránilo nebezpečnému přehřívání sádrobetonu. Jak ukazuje praxe, použití dopravníkových termoradiačních sušáren umožňuje organizaci nepřetržitého technologického toku a automatizaci výroby sádrobetonových stěnových příček.

Infračervené sušení nátěrů barev a laků poskytuje výrazné zkrácení času, zvýšení účinnosti a produktivity, což je nejlepší objekt pro aplikaci tohoto typu sušení. Proces sušení (vypalování) barev a laků probíhá za současného působení teploty a vzdušného kyslíku. V důsledku složitých chemických procesů se získá pevný film.
Doba trvání těchto procesů závisí na způsobu sušení. Při konvekčním sušení začíná proces polymerace od povrchu povlaku. Výsledný povrchový film ztěžuje odstranění rozpouštědla a snižuje rychlost schnutí. Při infračerveném (radiačním) sušení pronikají paprsky přes vrstvu nátěru a ohřívají povrch substrátu. Mezi vnitřním povrchem fólie, která je v kontaktu s kovem (substrátem), a jejími vrstvami, které jsou blíže vnějšímu povrchu povlaku, dochází k teplotnímu rozdílu. Přítomnost teplotního gradientu směřujícího zevnitř k povrchu podporuje intenzivní odpařování rozpouštědla. Při radiačním sušení ve vnitřních vrstvách nátěrů barev a laků se tedy gradienty teplot a celkový tlak par rozpouštědla ve směru (od substrátu k povrchu nátěru) shodují, což přispívá k zintenzivnění procesů sušení a polymerace.

Sušičky s tzv. „tmavým“ zářičem, což je schránka, uvnitř které hoří plyn. Ve spodní části skříně je instalován více hořákový vstřikovací hořák s α = 0,4–0,6. Aby bylo zajištěno úplné spálení plynu, je sekundární vzduch přiváděn otvory zespodu. Povrch zářiče přivrácený k vysoušenému produktu má obvykle teplotu 350–500°C, vnější povrch je tepelně izolován. Produkty spalování jsou odváděny speciálním potrubím. Průřez spalovací komory tmavého zářiče se směrem nahoru zmenšuje, čímž se zvyšuje rychlost pohybu spalin a součinitel přenosu tepla a teplota po výšce sálavého povrchu zůstává stejná. Produkty procházející mezi zářiči vysychají intenzivním ohřevem. V některých případech je vhodné využít tepla spalin, pro které jsou směrovány do pracovní komory.

Sušičky s „tmavými“ zářiči jsou konstrukčně jednoduché, spolehlivé a nemají hořák v pracovní komoře. Používají se např. k sušení karoserií automobilů, zemědělských kombajnů apod. V tabulce. 9.35 ukazuje některé indikátory pro sušení různých nátěrů barev a laků pomocí „tmavých“ zářičů.

Tabulka 9.34. Parametry procesu plynového termoradiačního (infračerveného) vysoušení sádrobetonových příček

Tabulka 9.35. Parametry plynového termoradiačního (infračerveného) sušení nátěrů na ocelových podkladech

Vytápění hořáky s infračerveným (sálavým) sáláním se od klasického vytápění liší tím, že potřebné teplo je dodáváno především přímo spotřebiteli sáláním. Energie z trysek hořáku se šíří jako světelné paprsky a je absorbována ozařovanými předměty, což vede k jejich zahřívání. I když teplota vzduchu může být nižší než u konvekčního vytápění, jsou vytvářeny podmínky, za kterých člověk do prostředí neodevzdá více tepla, než přijme a vydá, tj. vytvoří se podmínky tepelné pohody. To umožňuje použití plynových infračervených hořáků k vytápění místností a prostor, pro které použití konvenčních (konvekčních) topných systémů není ekonomicky nebo technicky proveditelné.

Mezi takové stavby patří průmyslové dílny s velkými tepelnými ztrátami, otevřená místa instalace a montáže, otevřené sportovní stánky, bazény, výstavy, vitríny, terasy, venkovní kavárny, průmyslové zemědělské areály (farmy pro chov hospodářských zvířat, drůbeže, boxy pro chov kuřat), individuální pracoviště, uliční chodníky, dopravní zastávky apod. Plynové sálavé hořáky mohou vytápět jednotlivé prostory (části) prostor, ve kterých lidé pracují. Vytápění plynovými infračervenými hořáky je prakticky bez tepelné setrvačnosti. Ihned po zapnutí poskytuje topný systém potřebný pocit komfortu. Toto zahřívání lze také používat periodicky po dobu několika hodin.

Z hlediska investičních a provozních nákladů se plynové vytápění infračervenými hořáky ukazuje jako ekonomičtější než konvekční vytápění. Topné systémy s plynovými infračervenými zářiči však vyžadují odstranění produktů spalování plynu pomocí přívodní a odsávací ventilace.

Rýže. 9.21. Plynový infrazářič lineárního typu.

Plynové infračervené topné systémy vytvářejí příznivé mikroklimatické podmínky ve vytápěných místnostech díky sálavému proudu určité intenzity směrovanému do pracovního prostoru. Systém vytápění zahrnuje přívod plynu, rozvody a přívodní potrubí, průtokoměr plynu, hořáky, uzavírací zařízení, přístrojové vybavení a automatické dálkové zapalování a bezpečnost. Systém může fungovat jak na zemní plyn v síti, tak na zkapalněný plyn ze skupinové instalace zásobníku. Při dodávkách plynu ze středotlakých nebo vysokotlakých sítí by mělo být zajištěno hydraulické štěpení a rozvod plynu.

Rýže. 9.22. Plynový infračervený topný systém. a – schéma větrání místnosti; b – topná jednotka z plynových sálavých hořáků; in – líheň plynu; 1 – infračervené hořáky; 2 – výfukové potrubí s axiálním ventilátorem; 3 – přívodní větrací kolektory; 4 – výfuková šachta s klapkou; 5 – keramická radiační tryska; 6 – vstřikovací míchadlo; 7 – plynovod; 8 – rám; 9 – zapalovač; 10 – regulátor plynu; 11 – kohoutek; 12–13 – trubky: 12 – k hořáku, 13 – k zapalovači; 14 – strusková vlna; 15 – zavěšení; 16 – radiační tryska; 17 – ohřívač; 18 – noha.

Používané plynové infračervené topné systémy musí být sériově vyráběné a mít tovární pas s technickými specifikacemi, které musí udávat dobu bezpečného provozu hořáku. Hořáky lze napojit přímo na plynové potrubí pomocí kovových trubek nebo gumotextilních manžet. Hadice musí být připevněny k hořákům a plynovodům pomocí svorek. Hořáky by měly být instalovány na ohnivzdorné konstrukce, uzavírací zařízení by měla být instalována před každým hořákem nebo skupinou hořáků až po pryžotextilní manžetu podél proudu plynu. Hořáky lze zapálit ručně pomocí přenosného zapalovače nebo dálkově (elektrická spirála nebo jiskřiště).

Rýže. 9.23. Montáž infračerveného zářiče.

Plynové infračervené topné systémy, určené do prostor, kde není stálý personál údržby, jsou vybaveny automatickými zařízeními, která zajistí zastavení přívodu plynu v případě zhasnutí plamene hořáku. Tepelný výkon topného systému lze regulovat pouze změnou počtu zapnutých hořáků.

Výpočet infračerveného topného systému vede ke komplexnímu řešení následujících problémů:

• stanovení tepelného zatížení otopné soustavy;
• určení počtu a typu zářičů;
• volba rozmístění zářiče;
• stanovení požadované výměny vzduchu a výběr celkové přívodní a odsávací ventilace.

Umístění infračervených hořáků je dáno přípustnou hustotou záření a rovnoměrností sálání podlahové plochy. Přípustná intenzita infračerveného záření osoby Qдоп v úrovni hlavy (bez pokrývky hlavy) při určité teplotě vzduchu v místnosti je uvedena v tabulce 9.36. Odchylky intenzity záření do 10 % od průměrné hodnoty nemají na člověka prakticky žádný vliv, proto je povolena nerovnoměrnost záření v rozmezí 20–30 % a určuje se z poměru

A = 100 (1 – Q min / Q max)

Kde Q min a Q max jsou minimální a maximální intenzita infračerveného záření, kJ/(h m2).

Pro zajištění dané intenzity ozáření podlahy a stěn je nutné umístit hořáky v určitém pořadí. V tomto případě se berou v úvahu rozměry vyzařovací trysky hořáků, výška jejich umístění nad podlahou a vzdálenost mezi nimi. V praktických výpočtech lze použít následující poměr (pokud jsou hořáky umístěny vodorovně):

L / H Tabulka 9.8. Složení spalin a spotřeba kyslíku při spalování plynu v infrazářičích (na 10 MJ tepla)

Spotřeba plynu, m 3 /hod

Objem vlhkých spalin, m 3 /hod

Koncentrace oxidu uhličitého ve spalinách, objem/hmotnost, m 3 /hod/kg/hod

Koncentrace vodní páry ve spalinách, objem/hmotnost, m 3 /hod/kg/hod

Objem suchých spalin, m 3 /hod

Objem oxidu uhelnatého ve spalinách v koncentraci 0,005 %, objem/hmotnost, m 3 /hod/mg/hod.

Spotřeba kyslíku, objem/hmotnost, m 3 /hod/kg/hod

Prostory vytápěné infračervenými hořáky jsou vybaveny celkovou přívodní a odtahovou ventilací, která zajišťuje požadavky hlavní výrobní technologie a potřebnou výměnu vzduchu pro dosažení přijatelných koncentrací škodlivých látek ze zplodin hoření plynů vypouštěných do areálu. Při návrhu větrání je nutné provést nejen výpočet technologicky závadných látek, ale také ověřovací výpočet dostatečnosti výměny vzduchu k odvodu vodních par a škodlivých látek vznikajících při spalování plynu.

V tabulce Tabulka 9.8 ukazuje složení spalin a spotřebu kyslíku pro infračervené hořáky. V průmyslových prostorách s plynovým infračerveným vytápěním by koncentrace CO neměla překročit 6, ve veřejných prostorách – 2 mg/m3. Aby se zabránilo vniknutí spalin do pracovního prostoru vytápěné místnosti, musí ventilační systém zajistit odvod vzduchu z horní zóny nad úrovní hořáků.

Tabulka 9.9. Měrné tepelné zatížení vytápěné plochy

Vytápěný objekt

Měrná tepelná zátěž (intenzita infračerveného záření), kJ/(h*m 2 )

Uzavřené prostory do výšky 5 m při umístění infračervených hořáků ve výšce do 4 m

Uzavřené vysoké místnosti, průmyslové dílny bez přebytečného tepla, tělocvičny atd. při umístění infračervených hořáků ve výšce 5 až 8 m

Zemědělské prostory (farmy pro chov mladých zvířat, drůbeže, dojení atd.)

Stravovací zařízení a další veřejné prostory (sály, kavárny atd.)

Částečně otevřené terasy, tribuny a montážní plochy chráněné proti větru

Montážní a instalační místa, prostory skladů a dalších průmyslových a stavebních objektů

Přibližný výpočet tepelného zatížení otopného systému a stanovení počtu hořáků lze provést pomocí zobecněných zprůměrovaných experimentálních hodnot měrných tepelných zatížení vytápěné plochy (podlahy), uvedených v tabulce. 9.9. Tabulkové údaje lze využít při návrhu provizorních topných systémů nutných při provádění prací na otevřených nebo polootevřených plochách v zimě. Tradiční systémy vytápění (voda, vzduch) pro taková místa jsou prakticky neproveditelné. Použití hořáků s infračerveným zářením pro lokální vytápění umožňuje vytvořit příznivé mikroklimatické podmínky. Pro tyto účely lze použít stacionární a mobilní instalace (jako je stan, termální sprcha) s infračervenými hořákovými bloky. Při provozu na otevřeném prostranství mohou mít tyto instalace kryty z plošných materiálů, které chrání lidi před větrem.

Vzhledem k vysoké teplotě sálavých trysek a jejich hořlavosti není povoleno používat plynové topné systémy s infračervenými hořáky v následujících prostorách dle požadavků požární bezpečnosti:

• produkce A, B, C a E;
• skladování hořlavých a hořlavých materiálů a krmiv;
• farmy pro chov dobytka pokryté slámou a rákosím;
• nejsou vybaveny elektrickým osvětlením;
• z lehkých kovových konstrukcí s hořlavou izolací v plotech (stěny a stropy).

U průmyslových objektů III-V stupně požární odolnosti je použití systémů v souladu s orgány technického a požárního dozoru. Rovněž není dovoleno používat tyto topné systémy v místnostech s materiály, které vlivem infračerveného záření mohou měnit své vlastnosti a rozkládat se za vzniku toxických nebo výbušných látek.

Plynové vytápění železničních zařízení (výhybek). Automatická zařízení instalovaná na železnici vyžadují pečlivou a včasnou péči a údržbu. To platí zejména v zimě, kdy moderní výhybky, vybavené automatickými zařízeními a alarmy, vyžadují pečlivé čištění od ledu a sněhu, zejména v oblasti, kde výhybka přiléhá k rámové kolejnici.

Sníh se nepřetržitě hromadí ve výhybkách během sněžení, vánic a také z vlaků pohybujících se po výhybkách vysokou rychlostí. Včasné čištění drážek výhybky je provázeno přitlačením sněhu mezi výhybku a kolejnici rámu při jejím pohybu a zabraňuje jejich těsnému sevření. Mezi možnostmi čištění výhybek (pneumatické, vyžadující stavbu speciální kompresorové stanice a elektrické vytápění s průtokem 10-12 kW na výhybku) se jako velmi perspektivní jeví plynové vytápění.

Horní plynová topná jednotka je blok hořáků infračerveného záření instalovaných nad kolejnicemi výhybek na speciálních sloupech. Hořáky jsou vybaveny reflektory, které zajišťují soustředěný přísun infračervených paprsků přímo do vypínače a chrání je před větrem. Topný systém je vybaven automatickým systémem, který zapálí hořáky, když se objeví sníh a led, a vypne je, když sníh přestane. V mírném klimatu poskytuje horní plynový ohřev dostatečné čištění spínače, ale vyžaduje vysokou spotřebu tepla. Spodní plynový ohřev v jakémkoli klimatu poskytuje vysoce kvalitní čištění spínače a vyžaduje 4-6krát méně plynu než horní. Jako topidla se používají speciální plynové hořáky s keramickými tryskami, hořáky a „tmavé“ kovové zářiče.

V provozních podmínkách, kdy jsou translační prvky vystaveny intenzivnímu zatížení a pracují v drsných povětrnostních podmínkách, by měla být instalace s použitím „tmavých“ zářičů považována za nejspolehlivější. Používají se také instalace s infračervenými hořáky vybavenými perforovanými keramickými tryskami. Zářiče jsou instalovány na vnější straně lišty rámu (ve formě krabic) v určité vzdálenosti od sebe. Dálkové zapalování, vypínání a ovládání se provádí automaticky. Nevýhodou tohoto řešení je malá životnost keramických trysek.

Plynové topné jednotky mohou pracovat jak na zemní plyn, tak na LPG. Na velkých stanicích, v jejichž blízkosti jsou plynovody, se používá zemní plyn, na mezilehlých samostatných bodech, křižovatkách a jednotlivých výhybkách – zkapalněný plyn. Pro skladování tohoto plynu se používají podzemní nádrže nebo skupinové instalace plynových lahví. Zásoba plynu je nastavena s ohledem na počet vytápěných bodů a meteorologické podmínky.

Kvalita čištění žlabů vypínačů od sněhu a ledu závisí na tepelném výkonu topidel a rozložení jejich umístění na vypínači. Stanovení tepelného výkonu ohřívačů se provádí na základě tepelných výpočtů a experimentálních zkoušek.