В помещениях промышленного и общественного назначения с повышенными влагоизбытками, а также при наличии радиационного охлаждения возможно выпадение конденсата на строительных и ограждающих конструкциях. Как правило, решение подобной проблемы состоит либо в продувке верхней зоны помещения нагретым воздухом, либо в организации дополнительной теплоизоляции перекрытий. Эти технические решения имеют свои достоинства и недостатки при вероятной конденсации влаги на значительной площади.
Однако в случае возникновения локальных зон, например, непосредственно под поверхностями с интенсивным радиационным охлаждением, применение данных решений на практике невыгодно. Бóльший интерес вызывает местное лучистое отопление, способное повышать температуру поверхностей выше точки росы в локальных зонах, что позволяет избежать излишних капиталовложений в теплоизоляцию и оборудование, а также снизить затраты на обработку значительных объёмов продувочного воздуха.
Устройство тёмных газолучистых обогревателей включает линейные греющие элементы в виде прямых или изогнутых труб, снабжённых прямоугольными рефлекторами. Они устанавливаются симметрично вдоль стен или поверхности кровли с направлением действия излучения в обслуживаемую зону. Недостатком данных устройств является возможность работы излучающей поверхности только в одном направлении. Затраты на сами системы лучистого отопления могут быть сокращены при использовании, например, двухзонных обогревателей. Примером такого устройства может служить разработанная модель двухзонного газолучистого обогревателя, принципиальная схема которой приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема двухзонного тёмного газолучистого обогревателя
Конструкция двухзонного газолучистого обогревателя
Данное излучающее устройство состоит из горелки, трубчатого нагревательного элемента, параболического рефлектора и экрана с высокой отражательной способностью и работает следующим образом.
Через нагретую цилиндрическую U-образную трубу 6 при сгорании углеводородов в газовой горелке 1 перемещаются продукты сгорания разнокомпонентной смеси с высокой температурой, в результате чего труба нагревается и передаёт лучистую энергию в зону обогрева. Часть тепловой энергии попадает в рефлектор и отражается им в сторону той зоны, которую необходимо обслужить. Продукты сгорания выводятся вентилятором 2. За счёт правильного расположения и U-образной формы греющей трубы излучение направлено на две зоны при помощи двухстороннего рефлектора 5. Зона, находящаяся ниже, нагревается нижним участком устройства, где наблюдается высокая температура газовой среды, после этого за счёт штампованного отвода продукты сгорания движутся в обратном направлении по второму участку трубы.
Тепловые потоки от нагретых поверхностей, расположенных в верхней части устройства, устремляются вверх и обтекают параболический экран 3, вследствие чего наблюдается появление обратных вихревых течений. Воздух теряет свою скорость в районе соприкосновения с экраном и способствует полной остановке свободного конвективного течения от горизонтально расположенной цилиндрической трубы.
Одной из основных задач, которые необходимо решить при проектировании систем газолучистого отопления, является определение их установочной мощности. Для этого в настоящее время имеется ряд методик, которые можно разделить на две группы: определение тепловых потерь помещения с учётом комфортной или допустимой облучённости и определение комфортной облучённости обогреваемых людей [1].
Плотность лучистого притока теплоты в общем случае определяется по известной зависимости:
здесь T1 и T2 — температуры взаимодействующих поверхностей, К; φ — коэффициент облучения, который учитывает взаимное расположение поверхностей теплообмена; cп — приведённый коэффициент излучения, Вт/( м²·К4):
где с0 — коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, c0 = 5,67 Вт/( м²·К4); c1 и c2 — коэффициенты излучения серых тел при взаимном облучении, Вт/( м²·К4).
Поскольку любое изменение места взаимного расположения облучающей и облучаемой поверхностей приводит к изменению коэффициента облучения, величина лучистого притока может значительно возрасти, что способствует перегреву рассматриваемых поверхностей. Для предотвращения этого необходимо обеспечить как можно более точный расчёт данного интегрального параметра при определении величины плотности лучистого потока.
В общем случае коэффициент облучения определяется с помощью двойного интегрирования по зависимости (3) или по номограммам, приведённым в [1, 4]:
где F1 и F2 — площади взаимодействующих поверхностей, м²; R — расстояние между поверхностями, м; β1 и β2 — углы падения и излучения, соответственно.
Программа расчёта коэффициента облучения
Подробно решение уравнения (2) было рассмотрено в работе [1], однако оно достаточно громоздкое для практического применения, поэтому становится актуальной разработка и реализация алгоритма автоматизированного расчёта коэффициента облучения с произвольным взаимным расположением поверхностей теплообмена.
Поскольку поиск решения поставленной задачи предполагает большой объём вычислений, использование компьютера позволит сократить временные и трудовые затраты при проектировании систем газолучистого отопления. Реализация программной части выполнялась на высокоуровневом объектно-ориентированном языке программирования Python [10, 11]. Блок-схема предлагаемой программы приведена на рис. 2.
Рис. 2. Блок-схема программы расчёта коэффициента облучения
Разработанная программа расчёта позволяет определить коэффициент облучения системы «лучистый обогреватель — облучаемая поверхность» при произвольном расположении плоской поверхности облучателя и элементарной площадки обогреваемой поверхности. При расчёте вводятся исходные геометрические данные, характеризующие взаимное расположение излучателя и площадки, которые показаны на рис. 3.
Рис. 3. Вывод расчётных данных программы оптимизации
Далее программа проводит расчёт коэффициента облучения согласно методике, приведённой выше.
Выводы
В качестве заключения можно констатировать, что разработан двухзонный тёмный газовый обогреватель, который за счёт наличия греющей трубы U-образной формы, двухстороннего рефлектора с наклонными боковыми поверхностями и параболического экрана из материала с высокой отражательной способностью позволяет одновременно отапливать рабочую и верхнюю зоны помещения и, следовательно, уменьшить число отопительных приборов в этих зонах.
Параболический экран обогревателя предотвращает беспрепятственное развитие свободных конвективных потоков от нагревательного элемента в верхнюю зону помещения. Фокус экрана совпадает с осью греющей трубы, что повышает её температуру за счёт взаимодействия с отражённым излучением.
Также разработана программа расчёта коэффициента облучения, которая позволяет сократить трудоёмкость и время проектирования систем лучистого отопления при произвольном расположении отопительного прибора и обогреваемой поверхности.
