2.4. współczynnik przejmowania ciepła.

SPIS
TREŚCI
strona
Cel pracy.
4
1. Wiadomości wstępne.
5
1.1. Energooszczędność ogrzewania promiennikowego.
6
1.2. Zalety ogrzewania przez promieniowanie.
8
2. Zjawisko promieniowania podczerwonego.
10
2.1. Wiadomości wstępne.
10
2.2. Zjawisko fizyczne występujące przy ogrzewaniu
promiennikami podczerwieni.
17
1
2.2.1. Przewodzenie ciepła.
17
2.2.2. Konwekcja (unoszenie).
18
2.3. Współczynnik absorpcji.
22
2.4. Współczynnik przyjmowania ciepła.
35
2.5. Kątowy współczynnik promieniowania.
38
3. Gradient termiczny i komfort cieplny.
40
3.1. Gradient termiczny.
40
3.2. Komfort cieplny.
42
3.3. Wartości izolacyjne odzieży.
50
3.4. Skala oceny komfortu cieplnego.
51
3.5. Celowość stwarzania optymalnych warunków pracy.
54
4. Gaz ziemny jako źródło energii dla promienników ciepła.
57
4.1.Wiadomości ogólne.
57
4.2. Obciążenie i wydajność cieplna.
58
4.3. Ilość powietrza do spalania oraz spaliny.
60
4.4. Prędkość spalania gazu, granice zapłonu gazu w % objętości
ciśnienia gaśnięcia i temperatura płomienia.
4.5. Sposoby obliczania zużycia palie płynnych.
63
65
4.6. Dopuszczalne stężenie CO i NOX w pomieszczeniach ze spalaniem
gazu.
4.7. Wytyczne montażowe instalacji gazowej.
67
69
4.7.1. Ogólne zasady sytuowania wewnętrznych instalacji gazowych
w obiektach.
69
4.7.2. Materiały instalacyjne.
71
4.7.3. Zasady montażu gazomierzy.
71
4.7.4. Systemy szybkiego odcięcia gazu.
72
5. Wentylacja w pomieszczeniach ogrzewanych promiennikami
gazowymi.
5.1. Wymiana powietrza .
73
77
2
6. Rodzaje i budowa promienników.
80
6.1. Promienniki ceramiczne jasne.
80
6.2. Reflektory promienników podczerwieni.
82
6.3. Promienniki rurowe ciemne.
83
7. Koszty ogrzewania promiennikami.
84
7.1. Program oszczędności energetycznych.
85
7.2. Koszty ogrzewania hal promiennikami.
87
7.3. Przykładowe koszty ogrzewania hal.
88
7.3.1. Koszty ogrzewania dobrze izolowanej hali.
88
7.3.2. Koszty ogrzewania hali słabo izolowanej.
89
8. Kryteria doboru promienników i zasady rozmieszczenia ich
w pomieszczeniu.
91
8.1. Ograniczenie w zastosowaniu promienników podczerwieni.
94
9. Obliczanie zapotrzebowania ciepła.
95
9.1. Podstawowe informacje.
95
9.2. Obliczenia zapotrzebowania ciepła w budynkach
wielkokubaturowych.
96
9.3. Hale nowe, budowane ze znanymi współczynnikami przenikania
ścian.
98
9.4. Przybliżona metoda obliczania zapotrzebowania ciepła.
99
Podsumowanie
101
Spis tabel
102
Spis rysunków
103
Literatura
104
3
CEL PRACY.
Celem pracy jest wybranie systemu ogrzewania dla wielkokubatorowych,
wysokich hal przemysłowych oraz dla tak wybranego systemu, wykonanie
projektu ogrzewania zaproponowanego obiektu.
4
1. WIADOMOŚCI WSTĘPNE
Przyjmując za kryterium podziału sposób, który przeważa przy
oddawaniu (przekazywaniu) ciepła od powierzchni grzejnej (płaszczyzny)
do otoczenia rozróżniamy
-
ogrzewanie konwekcyjne
-
ogrzewanie przez promieniowanie
5
Przy ogrzewaniu konwekcyjnym grzejniki są umieszczone wewnątrz
pomieszczenia gdzie najpierw ogrzewają powietrze, które z kolei oddaje
ciepło przegrodom i innym przedmiotom w pomieszczeniu. Temperatura
powietrza jest wiec przy ogrzewaniu konwekcyjnym wyższa niż
temperatura powierzchni przegród.
Przy ogrzewaniu przez promieniowanie tylko niewielka część zostaje
zużyta na ogrzanie przez konwekcję powietrza w pomieszczeniu, natomiast
w większości wykorzystywane jest promieniowanie źródeł ciepła, które
bezpośrednio (tzn. bez pośrednictwa powietrza) ogrzewają otaczające
przegrody. Dlatego też temperatura powierzchni przegród przy ogrzewaniu
przez promieniowanie jest większa niż temperatura powietrza w
ogrzewanym pomieszczeniu.
Zgodnie z powyższą definicją pierwszymi sztucznie stworzonymi
urządzeniami ogrzewania przez promieniowanie były ogniska w szałasach
ludzi pierwotnych, jak również dotychczas spotykane kominki. W zasadzie
nowoczesne promienniki podczerwieni podobne są do starych sposobów
ogrzewania. Bardziej udoskonalonym sposobem ogrzewania przez
promieniowanie było znane w starożytnym Rzymie ogrzewanie ścienne w
łaźniach (w kanałach ściennych przepływało ciepłe powietrze) oraz
stosowane od paru stuleci piece kaflowe, które zaliczyć można do urządzeń
ogrzewania przez promieniowania z umiarkowaną temperaturą
powierzchni. Można więc powiedzieć, ogrzewanie przez promieniowanie
ma już długą historię. Zwykle jednak uważa się, że rozwój nowoczesnego
ogrzewania przez promieniowanie datuje się od roku 1906, w którym to
Anglik A.H. Barker zastosował do ogrzewania płaskie płyty ścienne z
rurkami grzejnymi umieszczonymi w gipsowym tynku. W krótkim czasie
powstało z nich ogrzewanie sufitowe a następnie podłogowe. W latach 30tych naszego stulecia opracowano metalowe płyty promieniujące, które
nadają się szczególnie do ogrzewania wysokich pomieszczeń. Dopiero w
6
1950 roku zaczęto stosować na większą skalę promienniki podczerwieni
(gazowe i elektryczne).[7]
1.1. ENERGOOSZCZĘDNOŚĆ OGRZEWANIA
PROMIENNIKOWEGO.
Obliczenia wskazują, ze Polska zużywa 2-3 razy więcej energii niż
porównywalne kraje Europy zachodniej. Porównując ekonomiczność
gospodarek krajów wysoko rozwiniętych z polską gospodarką widzimy, że
po naszej stronie występuje ogromna energochłonność tak po stronie
produkcji jak i wykorzystania energii do celów ogrzewczych.
Jednym ze sposobów ograniczenia zużycia energii jest zastosowanie
ogrzewnictwa promiennikowego jako najskuteczniejszego sposobu
ogrzewania dużych obiektów (hal produkcyjnych, sportowych, szklarni,
magazynów) zapewniającego obok zmniejszenia nakładów na eksploatację
obiektów, również poprawienia warunków ochrony środowiska poprzez
wykorzystanie gazów naturalnych, biogazów oraz gazów technicznych.
Obiekty o dużej kubaturze, których wysokość jest większa niż 5 m,
są trudne do ogrzania przy stosowaniu tradycyjnych sposobów. Straty
ciepła z tytułu ogrzewania konwekcyjnego są bardzo duże a ogrzewane są
najczęściej górne partie pomieszczeń. Ogrzewanie promiennikowe posiada
tę przewagę, że osoby i przedmioty są ogrzewane bezpośrednio z
jednoczesną możliwością sterowania strefowego i czasowego, co pozwala
na znaczne obniżenie kosztów eksploatacyjnych.
W systemie ogrzewania promiennikowego obowiązuje zasada, że im
wyższe pomieszczenie do ogrzania tym relatywnie mniejszy koszt ogrzania
1 m2 powierzchni hali. Koszt ogrzania 1 m2 takiej hali kształtował się
będzie w granicach 1,5-3,5 zł, przy czym istnieje możliwość obniżenia
kosztów po przez termorenowację obiektu, zainstalowanie automatycznego
7
sterowania strefami, zastosowanie zróżnicowanego poziomu komfortu
cieplnego dla wybranych stref, oraz wyeliminowanie pustych stref obiektu
nie wymagających ogrzewania.[3]
1.2. ZALETY OGRZEWANIA PRZEZ PROMIENIOWANIE.
Największą zaletą ogrzewania przez promieniowanie jest możliwość
skierowania strumienia ciepła tylko na te miejsca, które chcemy ogrzewać
oraz to, ze nie zachodzi potrzeba ogrzewania powietrza w pomieszczeniu.
Dzięki wykorzystaniu tych właściwości ogrzewania przez promieniowanie
8
obniża się znacznie zużycie ciepła oraz istnieje możliwość stosowania
ogrzewania na wolnej przestrzeni, której nie można ogrzać w inny sposób.
Bardzo cenną zaletą jest mała bezwładność cieplna układów
ogrzewania przez promieniowanie, szczególnie promienników
podczerwieni oraz w mniejszym stopniu płyt promieniujących. Mała
bezwładność cieplna promienników pozwala na zastosowanie ich przy
ogrzewaniu dorywczym; promienniki podobnie jak oświetlenie dają żądany
efekt natychmiast po włączeniu.
Ogrzewanie przez promieniowanie jest również bardzo ważne ze
względów higienicznych i fizjologicznych. Jest rzeczą ogólnie znaną, że
lepiej czujemy się w chłodnym powietrzu i gorących ścianach niż w
odwrotnych warunkach cieplnych. Przyjemniej jest bowiem wdychać
chłodne powietrze, a przy tym w takich warunkach wydajność pracy
wzrasta, o ile oczywiście zachowana jest równowaga cieplna organizmu
ludzkiego. Niższa temperatura powietrza ogranicza również rozwój
bakterii.
Dalszą zaletą ogrzewania przez promieniowanie jest to, że w
odróżnieniu od ogrzewania konwekcyjnego nie powoduje ono cyrkulacji
powietrza a tym samym unoszenia się pyłu i kurzu. Wiszące płyty
promieniujące oraz promienniki podczerwieni nadają się więc do
pomieszczeń przemysłowych, charakteryzujących się dużym zapyleniem.
Bardzo ciekawą zaletą ogrzewania przez promieniowanie jest tzw.
samoregulacja. Ta właściwość jest wynikiem tego, że przy wzroście
temperatury powierzchni otaczających zmniejsza się oddawanie ciepła
przez promieniowanie, a jednocześnie obniżenie temperatury powietrza
zwiększa oddawanie ciepła przez konwekcje. Na przykład dla spełnienia
warunków komfortu cieplnego w przypadku wykonywania przez
człowieka lżejszej pracy fizycznej (człowiek wydziela wtedy ok. 180 W)
9
otrzymamy przy ogrzewaniu wiszącymi płytami promieniującymi
następujące warunki
-
temperatura powietrza 10º C
-
średnia temperatura płaszczyzn otaczających 18º C
-
temperatura wynikowa wynosi więc 14º C
-
temperatura powierzchni odzieży wynosi 21º C
Jeżeli człowiek wykonuje chwilowo cięższą pracę fizyczną, wówczas
wzrośnie wydzielanie ciepła, ale jednocześnie wzrośnie szybkość
wykonywanych ruchów.
Przy stosunkowo dużej różnicy między temperaturą powierzchni odzieży,
a temperaturą powietrza (21-10=11º C) zwiększona prędkość ruchu
powietrza na powierzchni odzieży spowoduje zwiększenie ochładzania
przez konwekcję,
w wyniku czego ciało pomimo zwiększonego wysiłku jest dostatecznie
chłodzone. Ogrzewanie konwekcyjne nie ma właściwości samoregulacji.
Przy małej różnicy między temperaturą powierzchni odzieży, a temperaturą
powietrza (np. 21-18=3º C) nie przejawi się wpływ zwiększonej szybkości
ruchów i człowiek przy większym wysiłku odczuwa przegrzanie
organizmu.
2. ZJAWISKO PROMIENIOWANIA PODCZERWONEGO.
2.1. WIADOMOŚCI WSTĘPNE.
10
Promieniowanie świetlne ma charakter elektromagnetyczny, jest
pewnym wycinkiem widma fal elektromagnetycznych. Fala taka powstaje
w wyniku rozchodzenia się zmiennego pola elektromagnetycznego,
wytwarzanego na skutek ruchu ładunków elektrycznych. Rozpatrując to z
punktu widzenia fizyki klasycznej fale elektromagnetyczne wytwarzane są
przez elementarne oscylatory, jakimi są elektrony drgające w atomach.
Dopiero jednak mechanika kwantowa daje w miarę właściwy obraz
promieniowania zgodnie, z którą emisja fal elektromagnetycznych
zachodzi w wyniku przejścia elektronów ze stanów o wyższej energii do
stanów o niższej energii. Długość fali elektromagnetycznej wysyłanego
promieniowania zależy więc od różnicy energii w obu stanach i może
zmieniać się w szerokich granicach. Wszystkie fale elektromagnetyczne są
falami poprzecznymi. Wektory natężania pola elektrycznego E i
magnetycznego M są wzajemnie prostopadłe i leżą w płaszczyźnie
prostopadłej do wektora prędkości rozchodzenia się fali v.
Rysunek 2.1. Obraz fali elektromagnetycznej.
Źródło: M. Kowalczyk: Promiennikami podczerwieni ogrzewanie XXI wieku, wyd. SOLAREN – BIS,
Gdańsk 2000, s.11.
Światło rozchodzi się w postaci fali elektromagnetycznej z określoną
prędkością
C = ( 2,99792458 ± 1,2 · 10-8 ) · 108
[m/s]
11
C – prędkość światła [m/s]
Jest to metoda bezpośrednia pomiaru prędkości światła, można też
wyznaczyć prędkość metodami pośrednimi. Znając długość fali λ i
częstotliwość v mikrofal oblicza się prędkość światła ze wzoru:
C = λּv
[m/s]
λ – długość fali [m]
υ – częstotliwość [Hz]
Światło podlega odbiciu załamaniu. Przy obliczaniu tych wielkości
korzysta się tu z zasady Fermata, która tłumaczy prostolinijny bieg światła
w ośrodku jednorodnym.
Prędkość rozchodzenia się fali świetlnej przechodzącej przez
ośrodek materialny, zależy od współczynnika załamania tego ośrodka oraz
od częstotliwości drgań przechodzącej fali. Zjawisko to nazwane zostało
dyspersją.
Ze wzrostem częstotliwości fali świetlnej rośnie współczynnik załamania
ośrodka. Ze wzrostem częstotliwości fali maleje jej prędkość, a rośnie
współczynnik załamania.[1]
Pryzmat był pierwszym przyrządem za pomocą którego badano
skład promieniowania świetlnego. Oświetlając szczelinę światłem
słonecznym, otrzymujemy wąski strumień światła, który po przejściu przez
pryzmat oświetli ekran o kolorach tęczy, nazwany widmem. Przyczyną
powstania widma jest to, że współczynnik załamania pryzmatu jest różny
dla różnych długości fal promieniowania świetlnego. Najmniejszemu
załamaniu podlega światło o barwie czerwone, stąd wzięło się interesujące
12
nas określenie promieniowania podczerwonego, bowiem leży ono w
bliskim sąsiedztwie światła czerwonego.
Największemu załamaniu z kolei podlega światło o barwie fioletowej.
Pomiędzy tymi dwoma barwami leży całe widmo wszystkich możliwych
barw. Odkrycie i pierwsze badania promieniowania podczerwonego,
zawdzięczamy F.W. Herschelowi. Obserwował on działanie cieplne
promieniowania przypadającego na poszczególne zakresy widma
promieniowania słonecznego.
RYSUNEK 2.2. Rozkład temperatury wzdłuż widma promieniowania słonecznego
DŁUGOŚĆ FALI
CZERWONE
ŻÓŁTE
ZIELONE
NIEBIESKIE
PROM. WIDZIALNE
POMARAŃCZOWE
FIOLETOWE
TEMPERATURA
(wg Herschela)
PROM. PODCZERWONE
Źródło: M. Kowalczyk: Ogrzewanie obiektów promiennikami podczerwieni, wyd. SOLAREN – BIS,
Gdańsk 1999, s.23.
Zdziwienie Herschela budził fakt, że termometry umieszczone (poza
pryzmatem) za czerwoną granicą widma widzialnego, wskazywały większy
przyrost temperatury, niż termometry umieszczone w poszczególnych
widzialnych zakresach widma. Granica widma promieniowania
słonecznego nie pokrywa się z granicami widzialnymi. Z obszarem widma
13
czerwonego bezpośrednio łączy się obszar promieniowania niewidzialnego
gołym okiem,
które to widmo ulega mniejszemu załamaniu w pryzmacie. Początkowo,
dla określenia odkrytego promieniowania, Herschel używał nazwy „światło
niewidzialne”, a nieco później nazwano to zjawisko „promieniowaniem
podczerwonym” z uwagi na to, że widmo leżało poza czerwoną granicą
widma promieniowania widzialnego. Promieniowanie podczerwone,
podobnie jak promieniowanie widzialne (słoneczne) podlega tym samym
prawom fizycznym (odbiciu, załamaniu i pochłanianiu).
Do tej chwili, nie można jednoznacznie stwierdzić czymże jest
promieniowanie, czy falą elektromagnetyczną, czy rojem fotonów?
Przy interferencji i dyfrakcji można stwierdzić, że natura promieniowania
ma postać falową, natomiast zjawisko fotoelektryczne pokazuje, że
promieniowanie ma postać strumienia kwantów energii – fotonów.
Każdy rodzaj promieniowania można opisać za pomocą parametrów
Falowych lub kwantowych.[10]
Do parametrów falowych należą:
- częstotliwość – υ [Hz]
- okres drgań – T [1/Hz,s]
- długość fali – λ [m]
- prędkość rozchodzenia się fali – c [m/s]
Parametry te powiązane są ze sobą zależnością matematyczną:
  c T 
c

[m]
14
Parametrem kwantowym promieniowania jest wielkość kwantu energii,
która można określić przy pomocy wzoru:
E  h  [J]
E – energia kwantu [J]
h – stała Plancka 6,6260755ּ10-34 Jּs
υ – częstotliwość [Hz]
Wymienione wyżej parametry odnoszące się do fal i kwantów, związane są
zależnością, z której wynika, że energia kwantu promieniowania jest
wprost proporcjonalna do częstotliwości fali elektromagnetycznej.
Uporządkowanie wszystkich znanych promieniowań
elektromagnetycznych wg. długości fali (promieniowanie kosmiczne,
gamma, rentgenowskie, nadfioletowe, widzialne, podczerwone i fale
radiowe) pozwoli otrzymać widma promieniowania elektromagnetycznego,
obejmującego obszar o długości fal
1·10-10 cm do 1· 108 cm, co ilustruje rysunek:
Rysunek 2.3. Widmo promieniowania elektromagnetycznego.
15
Energię promieniowania oraz wszystkie z tym związane wielkości mierzy
się w jednostkach energetycznych albo w jednostkach świetlnych. Przy
mierzeniu jednostek w podczerwieni najczęściej stosuje się jednostki
energetyczne.[7]
Energia promieniowania –W – jest miarą ilości promieniowania
wysyłanego lub odbieranego i określona jest w jednostkach energii tj. w
dżulach [J].
Strumień promieniowania – Φ – jest to moc promieniowania czyli ilość
energii przenoszonej przez strumień fotonów w ciągu jednostki czasu.
Miarą jego są jednostki mocy w watach [W].
Natężenie promieniowania – I - określa się jako strumień energii
promieniowania Φ przypadający na jednostkowy kąt bryłowy ω wyrażony
w steradianach. Pełny kąt bryłowy wynosi 4 steradianów = srd.
I 


[W / srd ]
Oświetlenie energetyczne (napromieniowanie) – to strumień
promieniowania przypadający na jednostkę powierzchni.
16
2.2. ZJAWISKA FIZYCZNE WYSTĘPUJĄCE PRZY
OGRZEWANIU PROMIENNIKAMI PODCZERWIENI.
Generalnie rzecz biorąc przy ogrzewaniu promiennikami podczerwieni
obiektów oraz ludzi zachodzą trzy równoległe zjawiska fizyczne:
- przewodzenie
- konwekcja
- promieniowanie.
Przewodzenie ciepła zachodzi wewnątrz ciała, gdzie każda cząstka
będących w spoczynku przekazuje ciepło sąsiedniej cząsteczce ciała.
Konwekcja występuje wtedy, gdy następuje wymiana ciepła pomiędzy
cząsteczkami będącymi w ruchu np. pomiędzy dwoma ośrodkami
gazowymi, płynnymi lub pomiędzy ciałem stałym a ośrodkiem gazowym
(powietrze i ściana).
Promieniowanie podczerwone występuje, gdy ciepło w postaci
promieniowania przechodzi z jednego ciała na drugie, a ilość tego ciepła
zależy od różnicy temperatur emitera odbiorcy. Przy promieniowaniu nie
uczestniczą w wymianie żadne ciała pośrednie np. powietrze.
2.2.1. PRZEWODZENIE CIEPŁA.
Ilość ciepła uzyskanego w drodze przewodzenia można obliczyć ze wzoru;
Qp
 P
s


t1

t2
R
  P   t [W ]
17
Qp – ilość ciepła przewodzenia [W]
P – pole powierzchni wymiany [m2]
λ - współczynnik przewodności cieplnej [W/m·K]
s – grubość ściany [m]
t1 – temperatura powierzchni cieplejszej [˚C]
t2 - temperatura powierzchni zimniejszej [˚C]
R λ – opór przewodzenia ciepła [m2·K/W]
m2 K
 R[
]

W
s
Wartości λ czyli współczynnika przewodności cieplnej są różne dla
różnych materiałów i tak np. dla materiałów budowlanych wynoszą
od 0,2 do 3,5 W/m·K, dla metali czystych od 7 do 420 W/m·K, dla gazów
od 0,,1 do 0,23 W/m·K. Na wartości te duży wpływ mają: temperatura i
wilgotność.[1]
2.2.2. KONWEKCJA (UNOSZENIE)
Ilość ciepła otrzymanego w drodze konwekcji (unoszenia) można obliczyć
empirycznie na podstawie wzoru:
Qk    P  t 2  t1     P  t[W ]
Qk – ilość ciepła konwekcyjnego [W]
α - współczynnik przejmowania ciepła [W/m2ּK]
1/ α - opór przejmowania ciepła [m2ּK/W]
t1 – temperatura powierzchni ciała stałego [˚C]
18
t2 – temperatura cieczy lub gazu (powietrza) [˚C]
P- pole powierzchni wymiany ciepła [m2]
Wszystkie promienniki podczerwieni są tak konstruowane, aby
promieniowanie żarnika emitowane było w żądanym kierunku. Elementem
tym jest zarówno sam żarnik jak i osobna część promiennika jakim jest
odbłyśnik (reflektor).
O jakości promiennika świadczy stosunek mocy promiennika, którą to
sprawność określamy sprawnością kierunkową promiennika ηk
Qk
k 
Qc
ηk – sprawność kierunkowa promiennika [%]
Qk – moc radiacyjna wysyłana w żądanym kierunku [W]
Qc – moc całkowita promiennika [W]
Ponieważ trudno wyznaczyć wielkość mocy radiacyjnej bez stosowania
metod kalorymetrycznych dostosowanych każdorazowo do badanego
promiennika, dlatego też łatwiej zastosować metodę pośrednią, polegającą
na wyznaczeniu mocy strat konwekcyjnych i radiacyjnych z powierzchni
elementów konstrukcyjnych promiennika i określenie sprawności
kierunkowej na podstawie zależności:
k  1 
Qsk  Qsr
Qc
19
Qsk – moc strat konwekcyjnych do otoczenia z powierzchni elementów
konstrukcyjnych [W].
Qsr – moc strat radiacyjnych oddawana z powierzchni elementów
konstrukcyjnych promiennika w niepożądanym kierunku [W] .
Promieniowanie podczerwone jest to energia oddawana przez ciało
emitujące promieniowanie
elektromagnetyczne w zakresie widma od 0,76 do 1000 m. A zatem w
spektrum promieniowania występują fale elektromagnetyczne widzialne
jak i niewidzialne, co najlepiej zaobserwować przy promiennikach
ceramicznych, gdzie fale elektromagnetyczne widoczne są w postaci
żarzenia koloru pomarańczowo-czerwonego.
Promieniowanie pomiędzy dwoma ciałami o różnych temperaturach
jest to przejście ciepła w postaci fal elektromagnetycznych z ciała wyższej
temperaturze do ciała niższej temperaturze. Ilość wymienionej energii
zależy od właściwości ciał rozgrzanych, od ich ewentualnej absorpcji
ośrodka, w którym się znajdują (powietrza).Ośrodkiem najlepiej
przekazującym promieniowanie termiczne jest próżnia. Możliwość
wymiany ciepła pomiędzy dwoma przedmiotami o różnej temperaturze,
znajduje się w ośrodku powietrznym Najbardziej oczywisty przykład
przekazywania ciepła pomiędzy dwoma ciałami o różnej temperaturze to
przykład Słońca i Ziemi. Ciepło ze Słońca dociera do Ziemi właśnie
poprzez promieniowanie, przebiegając przez próżnię i powietrze.
Wszystkie ciała o danej temperaturze emitują energię w postaci
promieniowania elektromagnetycznego, przy czym ilość emitowanej
energii zależy nie tylko od temperatury, ale także od właściwości
powierzchni emitującej.
Ilość zatem energii wypromieniowanej jest proporcjonalna do czwartej
potęgi jego temperatury bezwzględnej.[14]
20
Trzeba także pamiętać, że wraz ze wzrostem temperatury ciała
promieniującego wzrasta gęstość strumienia ciepła na jednostkę długości
fali lub inaczej mówiąc wzrasta natężenie promieniowania. Wartości te
jako maksymalne występują zawsze w obszarze fal krótkich.
W przypadku urządzeń działających na zasadzie konwekcji, powietrze
ogrzewane jest za pośrednictwem cieplejszych „fluidów”(ogrzewacze
powietrza , generatory) i przy pomocy wentylatorów lub na skutek różnicy
gęstości powietrza jest ono przedmuchiwane lub przemieszcza się
samoistnie po całym obszarze objętym ogrzewaniem. Gorące powietrze o
mniejszym ciężarze właściwym unosi się do wyższych partii
pomieszczenia, nie przynosząc tym samym istotnych korzyści
zatrudnionym pracownikom (niski komfort ciepła). Przyczynia się to także
do zwiększenia kosztów ogrzewania, gdyż powoduje to większe
rozproszenie termiczne. Pyły lub ewentualnie inne szkodliwe cząstki są
stale zawieszone w powietrzu, co nie jest bez znaczenia dla zdrowia
pracowników. Rozkład ciepła nigdy nie jest jednolity – występują strefy
cieplejsze i bardziej wietrzne. Promienniki reakcyjne działają inaczej niż
urządzenia konwencjonalne, stosowane w grzejnictwie. Działają one na
zasadzie promieniowania elektromagnetycznego, które jest szczególną
formą przekazu energii.
Oddawanie ciepła w większej części następuje przez promieniowanie
mocno rozgrzanych płyt ceramicznych lub rur metalowych. Mieszaninę
powietrzno-gazową doprowadza się (na zasadzie palnika Bunsena), do
masy ceramicznej, gdzie pod wpływem katalizatorów następuje całkowite
spalanie i powstaje na powierzchni płyt ceramicznych temperatura od 800
do 1000C lub 300 – 400C na powierzchni promienników rurowych.
Wszystkie stosowane w Polsce promienniki gazowe (ceramiczne i rurowe)
posiadają dobrowolne homologacje dokonane przez Instytut Górnictwa
Naftowego i Gazu w Krakowie oraz certyfikaty na znak bezpieczeństwa
21
„B” Kilkaset istniejących już w Polsce obiektów posiadających systemy
ogrzewania potwierdza fakt, że jest to stabilny, bezpieczny i ekonomiczny
sposób ogrzewania.
2.3. WSPÓŁCZYNNIK ABSORPCJI.
Wiadomo, że dowolne ciało ogrzane do temperatury dostatecznie wysokiej
zaczyna wysyłać promieniowanie wydzielane i im wyższa jest ta
temperatura tym intensywniejsze jest to promieniowanie. Wskazuje na to
ścisły związek pomiędzy natężeniem promieniowania ciała a jego
temperaturą. Proces taki nazywa się promieniowaniem cieplnym i zachodzi
w temperaturze powyżej zera bezwzględnego.
Ciało o wyższej temperaturze, np. żarówka wysyła fale
elektromagnetyczne leżące w widzialnym paśmie fal, ultrafioletowym i
rentgenowskim.
Ciało o niższej temperaturze np. promienniki podczerwieni wysyła
promieniowanie z zakresu podczerwieni.
Ciało o jeszcze niższych temperaturach - z zakresu fal radiowych.
Promieniowanie elektromagnetyczne ma naturę falową oraz cząstkową
(korpuskularną) – jest to tzw. dualizm korpuskularno - falowy. Wg
hipotezy Maxwella (1865), światło ma postać fali elektromagnetycznej.
Wyjaśnienie z kolei zjawiska fotoelektrycznego na podstawie
korpuskularnej natury światła podał w roku 1905 Einstein. Przyjął on, że
światło jest wiązką
cząstek – fotonów, a energia tych fotonów jest proporcjonalna do częstości
fal, co można zapisać wzorem: [1]
EF  k [J ]
22
EF – energia [J]
k – współczynnik proporcjonalności
υ – częstość fal [Hz]
Przy omawianiu tych zjawisk należy przypomnieć jeszcze jedno z
podstawowych praw odnoszących się do promieniowania ,a mianowicie
prawo Kirchhoffa.
Na przykład, jeżeli jakieś ciało emituje promieniowanie
elektromagnetyczne o jakiejś częstości  oznacza to, że znajdują się w nim
oscylatory, które z tą częstością drgają .Jeżeli na te oscylatory padnie fala
elektromagnetyczna
o częstości równej częstości własnej, zajdzie zjawisko rezonansu i energia
fal zostanie przekazana oscylatorom. Mówimy wtedy, że nastąpiła
absorpcja promieniowania.
Podobne zjawisko występuje w przyrodzie w przypadku promieniowania
wysyłanego przez Słońce. Światło białe z powierzchni Słońca, przechodzi
przez warstwy atmosfery złożonej z rozrzedzonych gazów. Gazy te
pochłaniają te częstości, które w zasadzie same wysyłają.
W ten sposób na ciągłym widmie Słońca pojawiają się czarne „prążki”
tzw. linie Fraunhoffera.
Pozwoliło to ustalić, że w atmosferze Słońca znajduje się sód. Sód wysyła
charakterystyczne promieniowanie żółte. Rozrzedzone gazy wysyłają
zawsze promieniowanie o widmie liniowym. Jeżeli więc na promień
palnika sodowego padnie wiązka światła białego, sód pochłonie z niego
promieniowanie, które sam wysłał.
Bardzo ważną konsekwencją wspomnianego wyżej prawa Kirchhoffa dla
promieniowania jest powstanie zjawiska promieniowania
zrównoważonego. W określonej temperaturze natężenie promieniowania
zależy od częstości fal elektromagnetycznych.
23
Wiemy, że jedne ciała silniej pochłaniają promieniowanie a inne słabiej.
Na przykład sadza i biała kartka papieru.
Zdolność absorpcyjna ciała to stosunek mocy promieniowania Q1 które
zostało pochłonięte do mocy promieniowania Q2 ,które na ciało padło .
A(V )
Q1

Q2
A(V) – zdolność absorpcyjna
Q1 - moc promieniowania ciała Q1 [W]
Q2 - moc promieniowania ciała Q2 [W]
W określonej temperaturze (T) i dla określonej częstotliwości (υ), zdolność
absorpcyjna (A) i emisyjna (E) ciał są do siebie proporcjonalne.
E(c,T)=C(υ,T)ּA(υ,T)
E - zdolność emisyjna
C – współczynnik proporcjonalności
Współczynnik proporcjonalności C(υ,T) między zdolnością emisyjną ciała a
jego zdolnością absorpcyjną, zależy od częstości i temperatury ciała i taki
sam dla wszystkich ciał. Jest to tzw. Prawo Kirchhoffa dla
promieniowania. Jeżeli A(υ,T) jest równa jedności, to E(c,T)=C(υ,T) i o takim
ciele mówimy, że jest to ciało doskonale czarne. Z prawem Kirchhoffa
związane jest zjawisko promieniowania zrównoważonego.[10]
24
Rysunek 2.4. Zależność natężenia promieniowania zrównoważonego od energii
fotonów hv (czyli od częstości v) dla różnych temperatur. Zaznaczony
I (v, T)
obszar widzialny.
5
4
4ooo K
35oo K
3
25oo K
2
25oo K
2ooo K
1
0
2
3
obszar widzialny
Źródło: M. Kowalczyk: Ogrzewanie obiektów promiennikami podczerwieni, wyd. SOLAREN – BIS,
Gdańsk 1999, s.46.
Widać z tych wykresów, że dla ustalonej temperatury zależność natężenia
promieniowania, ma swoje charakterystyczne maximum.
Dla częstości małych i dużych natężenie tego promieniowania dąży do
zera. Natomiast wzrost temperatury powoduje wzrost natężenia
promieniowania dla wszystkich częstości. Maximum krzywej przesuwa się
w stronę częstości wyższych.
Zjawisko to można omówić na przykładzie:
25
Mamy więc powierzchnia S oddzielającą dwa ośrodki i E1 – energię
padającą na daną powierzchnię. Część energii zostaje odbita, podczas gdy
część
energii – Ea=E1-Er zostaje wchłonięta.
Rysunek 2.5. Promieniowanie zrównoważone
I˚
E1
Er
S
II˚
Ea
Źródło: M. Kowalczyk: Ogrzewanie obiektów promiennikami podczerwieni, wyd. SOLAREN – BIS,
Gdańsk 1999, s.37.
r
E – energia [J]
Er
E1
a
Ea
E1
r – współczynnik odbicia
a – współczynnik absorpcji
Możemy wyróżnić dwa ekstremalne przypadki:
a) Cała padająca energia zostaje odbita.
26
Er=0;
Ea=1;
a=0
Powierzchnia i w konsekwencji ciało zachowujące się w ten sposób
nazywa się „idealnie czarnym”.
b) Cała podająca energia zostaje wchłonięta.
Er=0;
Ea=1;
a=1
Ciało takie nazywamy „idealnie absorbującym”
W naturze nie istnieje ciało idealnie absorbujące ani idealnie odbijające.
Idealne ciało określane współczynnikiem absorpcji równym jeden nazywa
się ciałem absolutnie czarnym.
Przypadek często spotykany w technice, to przypadek dwóch równoległych
płaszczyzn A i B wymieniających ciepło przez promieniowanie.
Płaszczyzny A i B opisane współczynnikami absorpcji a1 i a2 i
temperaturami T1 i T2 w stopniach Kelvina, temperatury te są ponadto
niezmienne w czasie (stałe warunki eksploatacji) i występuje przejrzysty
ośrodek promieniowania cieplnego. W takich warunkach przepływ ciepła
na jednostkę powierzchni i jednostkę czasu wynosi:[10]
T

 T2
 
[W / s  m 2 ]
 1

1

 a  a  1

 1

2
4
1
4
Φ – przepływ ciepła [W/sm2]
T1 i T2 – temperatury płaszczyzn [K]
a1 – a2 – współczynniki absorpcyjne
27
Dla częstości małych i dużych natężenie tego promieniowania dąży do
zera.
Natomiast wzrost temperatury powoduje wzrost natężenia promieniowania
dla wszystkich częstości.
Pierwszemu, któremu udało się rozwiązać poprawnie zagadnienie
promieniowania ciała doskonale czarnego był Max Planck. Według jego
teorii promieniowanie nie ma charakteru ciągłego, lecz ma charakter
zmienny – energia promieniowania jest wysyłana porcjami. Energia
promieniowania ciała doskonale czarnego nie może zatem przyjmować
dowolnych wartości, lecz musi być wielokrotnością kwantu energii.
Kwanty energii promieniowania elektromagnetycznego nazywamy
fotonami.
W roku 1900 Planck powyższe zjawisko opisał funkcją:
I  ,T 
h  3

[W / m 2 ]
h 
e
1
k T
I – natężenie promieniowania [W/m2]
k – stała Boltzmana = 1,38ּ10-23 JּK-1 = 0,86ּ10-4ev
T – temperatura [K]
maksimum Vmax występuje przy zależności:
hּυmax ≈ 2,822ּkּT
Oznacza to, że położenie maksimum częstości przesuwa się w stronę
większych częstości fal, liniowo wraz ze wzrostem temperatury.
Całkowita moc promieniowania wysyłanego przez ciało o
wszystkich możliwych częstościach może być obliczona dla ustalonej
28
temperatury, jako pole pod krzywą przedstawiającą zależność I(υ,T) dla
ustalonego T. Z widać, że pole to rośnie ze wzrostem temperatury.[14]
Wzór Plancka:
Icałkowite = δּT4
[W/m2]
δ – stała Stefana - Boltzmana
δ = (5,67051±0,00019) ּ10-8
[Wּm-2ּK-4]
T – temperatura bezwzględna ciała
[K]
Prawo Stefana – Boltzmana które mówi, że całkowita energia
promieniowania wysyłanego przez ciało jest proporcjonalna do czwartej
potęgi jego temperatury, liczonej w skali bezwzględnej.
Widmowa wartość emisyjna ma wartość maksymalną dla pewnej długości
fali, co po przekształceniach wyrazić można wzorem:
 max
T
 [ m]
b
λ- dł. fali [m]
b = 2898, 10-6 [mּK]
T - temperatura bezwzględna ciała [K]
Wzór ten nosi nazwę przesunięć Wiena i mówi, że:
ze wzrostem temperatury maksimum promieniowania ciała przesuwa się w
stronę fali krótszych.
29
Zaobserwować to możemy praktycznie w czasie ogrzewania ciała w coraz
wyższych temperaturach.
Przyjmuje się, że energia padająca na powierzchnię ciała zostaje przez to
ciało wchłonięta. Takiej absorpcji jednak w rzeczywistości nie ma, gdyż
część energii zawsze pozostaje odbita. W naturze nie istnieje ciało idealnie
absorbujące, ani idealnie odbijające. Idealnie absorbujące ciało określone
jest współczynnikiem absorpcji równym „jeden”, nazywa się ciałem
absolutnie czarnym. Czynnik absorpcji dla danej temperatury, zależy od
długości fali promieni padających. Na polu techniki wszystkie ciała uważa
się za „szare”, przyjmując dla czynnika absorpcji wartości średnie i tak np.
współczynnik absorpcji dla aluminium polerowanego ([błyszczącego)
wynosi - 0,02, dla stali bezpośrednio po obróbce mechanicznej - 0,40, dla
żeliwa - 0,85, dla ściany ceglanej - 0,94, dla miedzi czystej - 0,75, dla
cementu - 0,90,dla szkła - 0,90.[1]
30
TABELA 2.2. Przykładowe wartości współczynnika absorpcji.
Współczynnik absorpcji
a
- aluminium polerowane [błyszczące ]
0,02
- aluminium błyszczące zanieczyszczone pyłami ciężkimi
0,03
- aluminium zwykłe
0,05
- aluminium kute
0,40
- srebro czyste
0,03
- żelazo toczone [ bezpośrednio po ]
0,40
- żelazo utlenione
0,80
- stal inox polerowana
0,40
- stal inox zwykła
0,48
- żeliwo
0,80
- gips
0,85
- tynk
0,90
- drewno błyszczące
0,80
- ściana ceglana
0,92
- sadza
0,94
- nikiel czysty
0,045
- nikiel matowy
0,11
- mosiądz błyszczący
0,042
- mosiądz matowy
0,20
- miedź jasna
0,10
- miedz czysta
0,30
- miedz utleniona
0,75
- piasek
0,90
- szkło
0,25
- cynk , cynkowanie
0,90
Źródło: M. Kowalczyk: Promienniki podczerwieni ogrzewanie XXI wieku, wyd. SOLAREN – BIS,
Gdańsk 2000, s.40.
31
Strumień promieniowania w stałych warunkach eksploatacyjnych na
jednostkę powierzchni i jednostkę czasu przez ciało doskonale czarne o
temperaturze
[T] K wynosi:
    T 4 [W / m 2 ]
Φ - strumień promieniowania [W/m2]
σ - to stała emanacji ciała doskonale czarnego
„σ” - jest stała uniwersalną, to znaczy zależy tylko od jednostki miary
obranej
do Φ i T.
T – temperatura [K]
mierząc moc promieniowania w watach i temperaturę w stopniach
Kelvina, otrzymujemy:
σ=5,76ּ10-8 [Wּm-2ּh-1ּK-4]
32
TABELA 2.3. Stała promieniowania C=εCs różnych powierzchni w temperaturze 0˚ do
200˚C w W/m2ּK4
Materiał lub powierzchnia
W/m2ּK4
Ciało doskonale czarne
5,67
metale szlachetne polerowane na wysoki połysk
0,1-0,3
metale nieszlachetne polerowane na wysoki połysk
0,15-0,40
aluminium surowe
0,40-0,50
aluminium polerowane
0,29
żelazo ,stal surowa z naskórkiem walcowniczym lub odlewniczym 4,3-4,7
miedź, skrobana
0,5
miedź oksydowana na czarno
4,5
mosiądz polerowany
0,3
brąz aluminiowy (brązal)
2,0-2,5
lakier emaliowany, śnieżnobiały
5,2
lakier do grzejników, kolor dowolny
5,2
farby olejne, kolory dowolne, również biały
5,1-5,6
szamoty, krzemiany [1000˚C]
3,5-4,1
węgiel (rozżarzony), ludzka skóra, świecący płomień, sadza
4,7
kafle (białe)
5,0
papa dachowa, drewno, papier, porcelana
5,2-5,4
gips, marmur, zaprawa murarska, tynk, cegła
5,2-5,4
lód, szkło, szron, woda
5,44-5,5
beton
5,3-5,4
Źródło: M. Kowalczyk: Ogrzewanie obiektów promiennikami podczerwieni, wyd. SOLAREN – BIS,
Gdańsk 1999, s.41
Wartość energii czyli Φ =σּT4 , otrzymana eksperymentalnie przez Stefana
i teoretycznie udowodniona przez Boltzmana jest prawdziwa tylko dla
ciała doskonale czarnego. W przypadku ciał szarych wyżej wymieniony
współczynnik absorpcji dołącza się do wzoru na obliczanie energii
promienistej i wzór ten przyjmuje postać:
33
  a    T 4 [W / m 2 ]
a – współczynnik absorpcji zależny od koloru materiału
Na stałą promieniowania C nie ma wpływu kolor materiału
promieniującego, natomiast istotny wpływ ma tzw. współczynnik
absorpcji. Tak więc zdolność emisyjna jakiegoś ciała „E” ma się tak do
zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego „E” jak dwa współczynniki
absorpcji: α i αs, gdzie αs oznacza współczynnik absorpcji ciała doskonale
czarnego.
Jest to tzw. Prawo Kirchhoffa:
E

 
Es
s
E – zdolność emisyjna ciała
Es - zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego
α i αs - współczynniki absorpcji
ponieważ αs =1 to ε=α.
Silnie promieniują ciała o wysokim współczynniku absorpcji w
przeciwieństwie do ciał polerowanych, gdzie ten współczynnik absorpcji
jest niski. Oczywiście zależności te odnoszą się do określonych długości
fal np. przy różnych zakresach fal, zmieniają się także współczynniki
absorpcji, ale przekazana idea promieniowania jest ta sama.
34
Gazy szlachetne, powietrze i gazy elementarne (CO2, NO2 i H2),
przepuszczają promieniowanie, a poza tym mają one niezależne
promieniowanie własne.
2.4. WSPÓŁCZYNNIK PRZEJMOWANIA CIEPŁA.
Ilość ciepła wypromieniowanego przez ciało obliczamy ze wzoru:
4
 T 
E  C
 [W ]
 100 
E - ilość ciepła promieniowania [W]
C – stałą promieniowania [ W / m2ּK 4]
T - temperatura absolutna [ K ]
Jeżeli to wzór Stefana – Boltzmana na emisję, czyli ilość ciepła
wypromieniowanego przez dane ciało. Aby natomiast ustalić ilość ciepła
otrzymanego w drodze promieniowania, należy wziąć pod uwagę różnicę
temperatur emitera i odbiorcy.
Poprzez wprowadzenie współczynnika przejmowania ciepła przez
promieniowanie s można określić ilość ciepła promieniowania, wzorem
podobnym do stosowanego przy przepływie ciepła:
Q = S ּ P ּ t = S ּ P ּ ( t1 - t2 ) ,
4
[W]
4
 T1   T2 

 

100   100 
s  
 C1, 2    C1, 2
T1  T2
35
Q – ciepło promieniowania [W]
αs - współczynnik przejmowania ciepła
β – wypadkowy współczynnik przejmowania ciepła przez promieniowanie
stanowiący wielkość w przybliżeniu:
 Tp 


1  
  0,04
 100 




3
nazywany jest również współczynnikiem temperaturowym.
Tp 
T1  T2
2
T1  T2  200 0 K
Jeżeli różnice temperatur dla promieniowania i konwekcji są jednakowe, to
można wprowadzić wypadkowy współczynnik przejmowania ciepła αg
αg = αpr + αk
Tp – temperatura promieniowania [K]
αg – wypadkowy współczynnik przejmowania ciepła
36
αpr – współczynnik przejmowania ciepła dla promieniowania
αk – współczynnik przejmowania ciepła przez konwekcję
TABELA 2.4. Wartości wskaźnikowe współczynników przejmowania
promieniowania S.
Współczynnik wnikania ciepła S
Różnice temperatur
Wypolerowanych
Powierzchni nie
powierzchni ºC
powierzchni metalowych
metalowych wszelkiego
rodzaju
W/m2K
W/m2K
Od 0 do 10
0,12
4,7
Od 10 do 20
0,12
5,0
Od 20 do 50
0,17
6,4
Od 50 do 100
0,23
10,5
Źródło: M. Kowalczyk: Ogrzewanie obiektów promiennikami podczerwieni, wyd. SOLAREN – BIS,
Gdańsk 1999, s.44.
2.5. KĄTOWY WSPÓŁCZYNNIK PROMIENIOWANIA.
Rysunek 2.6. Stożek promieniowania z powierzchni dA1 na powierzchnię dA2
dA1
37
A2
Źródło: M. Kowalczyk: Promienniki podczerwieni ogrzewanie XXI wieku, wyd. SOLAREN – BIS,
Gdańsk 2000, s.45.
Współczynnik promieniowania φ (współczynnik kątowy) jest to stosunek
promieniowania wysyłanego przez powierzchnie „1” i padająca na
powierzchnie „2” do całkowitego promieniowania emitowanego przez
powierzchnie „1”. Tylko część promieniowania „dA1” emitowanego
(zawarta w stożku) poda na powierzchnię A2.
Współczynnikiem kątowym promieniowania między powierzchniami A1 i
A2 jest stosunek promieniowania padającego na powierzchnię A2 do
całkowitego promieniowania dA1 stosując znany już współczynnik
promieniowania αs, można obliczyć ilość ciepła przeniesioną przez
promieniowanie na powierzchnię A2 za pomocą wzoru:
   s  1, 2  A2  t1  t 2     C1, 2  1, 2  A1 t1  t 2 W 
α – ilość ciepła promieniowania [W]
A1 - jest powierzchnią promieniującą,
A2 - powierzchnią napromieniowaną.
φ – współczynnik kątowy
αs – współczynnik przejmowania ciepła
c – stała promieniowania [W/m2/K4]
t1 i t2 – temperatury ciał [K]
38
Przy zmianie kierunku promieniowania na przeciwny, obowiązuje prawo
wzajemnego oddziaływania:
1, 2  A1  1, 2  A2
Gdy na powierzchnię A2 promieniuje A1 całą swoja powierzchnią należy
ustalić wartości średnie miejscowych współczynników kątowych.[7]
3. GRADIENT TERMICZNY I KOMFORT CIEPLNY.
3.1. GRADIENT TERMICZNY.
39
Gradient termiczny jest to zależność między różnicą temperatur na dwóch
różnych poziomach i odległością między tymi poziomami.
Zazwyczaj gradient termiczny odnosi się do pomieszczenia, w którym
temperaturę mierzy się odpowiednio blisko sufitu i na wysokości 1,5 metra
od ziemi. W urządzeniach z nadmuchem gorącego powietrza stwierdza się
znacznie wyższe temperatury przy suficie, niż przy podłodze. Jako że
powietrze cieplejsze (o mniejszym ciężarze właściwym) dąży do
podnoszenia się, co zwiększa rozproszenie cieplne. Mówimy wtedy o
dodatnim gradiencie termicznym.
Rysunek 3.1. Rozkład temperatur przy różnym ogrzewaniu.
Źródło: Systema Polska
Przy eksploatacji promienników radiacyjnych gradient termiczny jest
ujemny, jako że temperatura uzyskana na wysokości 1,5 m jest wyższa, niż
pod sufitem.
Wymagana jest więc mniejsza moc grzewcza dla uzyskania optymalnych
warunków. Aspekt ten przyczynia się do zmniejszenia strat ciepła w
pomieszczeniu, do obniżenia temperatury powietrza, a w konsekwencji do
oszczędności zużycia paliwa i lepszego samopoczucia ludzi.
W każdym pomieszczeniu występują różnice temperatury w kierunku
pionowym i poziomym, które zależą od rodzaju ogrzewania, wielkości
i temperatury grzejników, temperatury zewnętrznej, szybkości
przemieszczania się powietrza.
40
W ogrzewaniu konwencjonalnym gradienty są mniej korzystne przy
wysokich temperaturach i krótkich grzejnikach w porównaniu z
szerokością i wysokością okien. Tuż nad podłogą występują zawsze nieco
zimniejsze obszary, szczególnie przy nieszczelnych oknach.[2]
Taką równomierność ogrzewania (dobry gradient) uzyskuje się poprzez
solidną konstrukcję budowlaną, szczelne okna, oraz poprzez równomierne
ogrzewanie.
Najkorzystniejsze jest ogrzewanie sufitowe lub podłogowe z ew.
dodatkowymi grzejnikami pod oknami. Stosowane również coraz
powszechniej szyby zespolonej o współczynniku przeniknięciu rzędu 1,52,0 W/m2 K co zmniejsza znacznie nierównomierność metodami
klasycznymi.
W pomieszczeniach nie wentylowanych uwarstwienie temperatury,
(gradient temperatury) w zasięgu przebywania człowieka nie powinien
przekraczać
ok. 3K/m, przy temperaturze pomieszczenia + 24C na wysokości 0,6 m
powyżej podłogi, a na podłodze temperatura ta powinna wynosić ok. 21C.
W pomieszczeniach wentylowanych, różnica temperatur na jednym
poziomie nie powinna przekraczać ± 2K w stosunku do wartości żądanych,
a w stosunku do urządzeń klimatyzacyjnych nie więcej niż ± 1,5K.
Natomiast w stosunku do osób siedzących, dopuszczalne odchylenie
uwarstwienia może być maksymalnie w granicach 1,5 –2,0K/m .
3.2. KOMFORT CIEPLNY.
Techniką zdrowia nazywana była dawniej technika ogrzewania i
klimatyzacji pomieszczeń przeznaczonych na stały pobyt ludzi i zwierząt.
41
Do zadań tej techniki należało stworzenie w pomieszczeniach warunków
dobrego samopoczucia, a przez zachowanie zdrowia zwiększenia
satysfakcji z wyników pracy. Człowiek jako istota ciepłokrwista o stałej
temperaturze ciała potrzebuje w trakcie spoczynku dla utrzymania
procesów życiowych, niezbędną ilość ciepła tj. 80-85 W/m2 ciała. W
związku z zasadą równowagi, obowiązującą w przyrodzie człowiek musi
otrzymać równowartość wydatkowanej energii, a wiec musi istnieć
równowaga pomiędzy ciepłem wytworzonym, a oddanym czy
zakumulowanym. Ogrzewanie organizmu następuje w organach
wewnętrznych człowieka tj. w wątrobie, sercu, nerkach, mięśniach,
jelitach, tkankach itp. natomiast wydalanie ciepła następuje poprzez
zewnętrzne członki takie jak: palce rąk, nóg, skórę. Ciepło wytwarzane jest
podczas powolnego spalania białka, tłuszczów, węglowodanów, poprzez
pobierany z powietrza tlen i proces metabolizmu. Jest tzw. ciepło jawne
(odczuwalne ). Obok ciepła jawnego występuje też ciepło ukryte, (ciepło
parowania ). W każdej godzinie człowiek wydala około 40 g pary wodnej.
Jeżeli wzrasta temperatura otoczenia i ogranicza odpływ ciepła jawnego, to
musi wzrastać odparowanie wody.
Jeżeli natomiast ograniczymy i odpływ ciepła i odpływ pary wodnej to
wprowadzimy organizm w stan chorobowy. Człowiek nie wykonujący
pracy, wdycha około 5 m3 powietrza, natomiast podczas wysiłku
maksymalnie od 8 do 9 m3. Wydychane powietrze ma temp.+ 35C i
wilgotność względną 95% i zawiera ono średnio około 17% O2 , 4% CO i
79% N.
System regulacji chemicznej dostosowuje do warunków zewnętrznych
(otoczenia) ilość wytwarzanego przez człowieka ciepła.
Rysunek 3.2. Rozkład temperatur funkcji wysokości.
42
Źródło: M. Kowalczyk: Ogrzewanie obiektów promiennikami podczerwieni, wyd. SOLAREN – BIS,
Gdańsk 1999, s.49.
Regulacja fizyczna polega przede wszystkim na miejscowych lub ogólnych
zmianach ukrwienia skóry, zmniejszającego się przy spadku temperatury
otoczenia (bladnięcie) co obniża ciepłotę powierzchni ciała, a tym samym
obniża odpływ ciepła.
W temperaturach wyższych, ukrwienie skóry wzrasta
(zaczerwienienie), aby przez to zwiększyć oddawanie ciepła.
Nadmiernemu wzrostowi temperatury towarzyszy też zwiększona ilość
wydzielanego potu, który przez odparowanie z powierzchni skóry,
intensyfikuje chłodzenie powierzchni ciała człowieka. A zatem dobre
43
samopoczucie cieplne, to taki stan, gdy wymienione wyżej mechanizmy
regulacji nie są przeciążone,
a oddawanie ciepła do pomieszczenia (otoczenia) jest utrzymane na
optymalnym poziomie dla organizmu.
Na dobre samopoczucie wpływa szereg czynników:
- temperatura powietrza i jej równomierność w pomieszczeniu
- temperatura powierzchni otaczających
- wilgotność powietrza i jego zanieczyszczenie
- prędkość powietrza w strefie przebywania człowieka
- kierunek przepływu powietrza
- natężenie trwałego wysiłku fizycznego
- ubranie
a także cały inny szereg czynników psycho - fizycznych .
Mówiąc o temperaturze powietrza mamy tu na myśli średnie wartości
temperatury. Średnią tą określa się z codziennych odczytów temperatury w
godzinach 7 , 14 , 21 wg doświadczalnego wzoru.
T
t 7  t14  2t 21
4
[K]
T – temperatura średnia [K]
Bardzo ważną sprawą przy omawianiu komfortu cieplnego jest wilgotność
powietrza, którym oddychamy.
Zawartość pary wodnej w powietrzu można określić w sposób następujący:
- jako względną wilgotność powietrza [w %]
- jako temperaturę termometru mokrego [w ºC]
- jako ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu [w mbar]
44
- jako zawartość pary wodnej odniesionej do 1 kg powietrza suchego
[w kg/kg lub g/kg]
Powietrze atmosferyczne zawsze zawiera pewną ilość pary wodnej, od ok.
0,5g
przy największych mrozach do 15g przy największych upałach. Tak
określoną zawartość pary wodnej w powietrzu nazywamy wilgotnością
bezwzględną.
Wzrost temperatury powoduje zwiększenie zawartości pary wodnej w
powietrzu i odwrotnie, zmniejszenie temperatury powietrza, to
jednocześnie zmniejszenie ilości pary wodnej w powietrzu. Wilgotność
względna powietrza to stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej w
powietrzu do ciśnienia nasycenia pary wodnej w powietrzu. Stan nasycenia
powietrza parą wodną, występuje w chwili wykraplania się pary w postaci
mgły, określamy jako 100% wilgotności względnej. Wilgotność względna
to wielkość wynikająca z ilości suchego powietrza, w którym znajdują się
zmienne wielkości pary wodnej. Jeżeli zatem na 1kg suchego powietrza
przypada pewna ilość pary wodnej x, to całkowita masa mieszaniny
wynosić będzie : 1kg + x. Mówimy wtedy że bezwzględna wilgotność
powietrza wynosi x kg na każdy 1kg suchego powietrza.
Procesy fizycznej regulacji temperatury ciała ludzkiego mają za zadanie
oddawanie ciepła z organizmu, tak aby zachować stałą temperaturę ciała.
Oddawanie ciepła odbywa się zatem poprzez:
- konwekcję i przewodzenie ciepła ciała do powietrza otoczenia (ok.30%)
- promieniowanie ciepła z powierzchni ciała do otoczenia (ok. 45%)
- odparowanie wody z powierzchni skóry (ok. 10%)
- oddychanie (ok. 13%)
- wydzieliny i przyjmowanie pokarmów (2-3 % oddawanego ciepła).
45
W procesie chemicznej regulacji temperatury należy pamiętać, że podczas
spalania pokarmów, ilość wytwarzanego ciepła nie będzie nigdy mniejsza
od 1,2 W na każdy kilogram masy ciała. I tak człowiek o wadze 70 kg,
wytworzy ciepła o wartości ok. 85 W.[10]
Tabela 3.1. Oddawanie ciepła.
Rodzaj oddawanego ciepła
Sposób i droga oddawania ciepła
droga
Ciepło jawne
sposób
Poprzez skórę człowieka Promieniowanie 46%
(odczuwalne) ok. 79%
Przewodzenie i
konwekcja 33%
Ciepło ukryte (parowania)
Poprzez płuca
Ok. 21%
Odparowanie 19%
Oddychanie 2%
Źródło: Recknagel 1995
Gdy ciało spoczywa to najwyższą temperaturę ma skóra człowieka. Wraz
ze wzrostem aktywności ruchowej lub zmiany temperatury otoczenia,
maleje temperatura ciała, a wzrasta ilość oddawanego ciepła do otoczenia
.np. przy wyparowaniu przez człowieka 1l wody, traci on ok. 2400 Kj.
Wielkość parowania zależy od różnicy ciśnień pary wodnej nad
powierzchnią skóry i pary wodnej w powietrzu. W wyższej temperaturze
otoczenia pocenie będzie większe, gdyż wyższa jest wilgotność
względna.[5]
Różne są też ilości ciepła oddawane przez poszczególne części ciała. Jeżeli
przyjąć, że ubrany człowiek oddaje ok. 60W/m2 to dla:
- rąk wynosi to 75W/m2 przy temp. skóry + 28ºC
- głowy ok. 115W/m2 przy temp . +33ºC
- nóg (spody stóp) ok. 145W/m2 przy temp .+29ºC.
46
- Jak widać z tego nogi są najbardziej obciążone odprowadzaniem ciepła
z człowieka. Jak wiadomo z praktyki najczęstsze są zachorowania
spowodowane przemarznięciem nóg.
- Ciało ludzkie, jak i każde inne ciało posiadające temperaturę wyższą od
zera bezwzględnego, jest także źródłem promieniowania
podczerwonego.
- Komfort ciepła określają receptory zimna znajdujące się na całej skórze
człowieka, oraz receptory ciepła znajdujące się w rdzeniu mózgowym.
Receptory te sterują całą gospodarką cieplną człowieka. Gdy
temperatura skóry spada poniżej 33º C, człowiek zaczyna odczuwać
marznięcie, natomiast gdy temperatura rdzenia mózgowego, równego
temperaturze błony bębenkowej, wzrasta ponad 37 ºC, zaczyna się
pocenie. Jeżeli zatem te wielkości nie są przekraczane, możemy tu
mówić już o komforcie cieplnym.
- Jako optymalną dla sezonu grzewczego przyjmuje się temperaturę
powietrza +20ºC mierzoną na wysokości 1,5 nad podłogą, poza strefą
bezpośredniego oddziaływania urządzeń grzejnych. Temperatury
podwyższonej mogą wymagać tylko osoby chore lub starsze. Jak jednak
wiadomo, występują tu odchylenia indywidualne. Przeważnie jednak
zakres temperatur pomiędzy 19 a 21ºC jest traktowany w zimie jako
optymalny.
47
Rysunek3.3. Średnia temperatura promieniowania
Źródło: Kaspo – Czechy.
Inaczej przedstawia się odczuwanie temperatury w okresie letnim, gdzie
często temperatura przekracza + 20ºC, jako temperaturę optymalną
można wtedy przyjmować średnią temperaturę arytmetyczną.
48
Jeżeli zatem temperatura zewnętrzna zewnętrzną wynosić będzie +28
ºC, to w pomieszczeniach stałego pobytu ludzi powinna być
temperatura
ok. +24ºC. W pozostałych pomieszczeniach jak kuchnie, toalety,
przedpokoje itp. temperatury powinny być mniejsze. Poza wpływami
temperatury powietrza i ścian istotnym czynnikiem wpływającym na
komfort cieplny jest wilgotność powietrza, ponieważ część ciepła
człowieka oddaje przez odparowanie.
Odparowanie zależy w tych samych warunkach od różnicy ciśnienia
pary wodnej na powierzchni skóry i pary wodnej zawartej w powietrzu.
W temperaturze + 20ºC oddawanie ciepła przez odparowanie nie ma
istotnego wpływu na oddawanie ciepła przez człowieka, dopiero przy
wzroście temperatury powietrza i wzroście wilgotności powietrza,
człowiek odczuwa pogorszenie komfortu cieplnego.
Kolejnym elementem wpływającym na komfort cieplny jest ruch
powietrza.
Ruch ten ma duży wpływ na komfort cieplny, szczególnie w
zamkniętym pomieszczeniu gdzie ruch cząsteczek powietrza
odczuwalny jest jako dyskomfort. Ruch powietrza, w którym powietrze
ma temperaturę niższą od temperatury powietrza w pomieszczeniu
stwarza uczucie zimna i przewiewu i nosi nazwę przeciągu. Z kolei
minimalny ruch powietrza jest konieczny dla utrzymania wymiany
powietrza i przenoszenia ciepła.
49
3.3. WARTOŚCI IZOLACYJNE ODZIEŻY.
Ubranie ma duży wpływ na komfort cieplny. Wartość izolacyjna podana
jest zazwyczaj w „clo” (clothing) = 155 m2·K/kW, a jako wartość fizyczna
R  l 
m2 K
kW

oporu przewodzenia ciepła przyjmuje postać wzoru:
Rλ – opór przewodzenia [m2K/kW]
l – wartość izolacyjna odzieży [m2K/kW]
I tak np. wartości izolacyjne odzieży w zależności od rodzaju ubrania
przedstawiają się następująco:
TABELA 3.2 Wartości izolacyjne odzieży
[m2 K/kW]-
clo
Bez ubrania
0
0
Lekkie ubranie ( szorty , koszula )
80
0,5
Ubranie pełne ( spodnie ,koszula, skarpety, buty)
100
0,65
100 - 160
0,8 - 1,0
200
1,25
Ubranie na pogodę zimową
250 - 300
1,6 - 2,0
Ubranie na duże mrozy
450 - 600
3,0 - 4,0
Rodzaj ubrania
Normalne ubranie robocze
Ciepłe ubranie zimowe
Źródło: Recknagel 1995
Tak więc pięć podstawowych elementów decydujących o komforcie
cieplnym tj. temperatura powietrza, temperatura powierzchni ścian,
wilgotność powietrza, ubranie i prędkość powietrza.
50
Wyróżnia się także inne czynniki wpływające na komfort, oczywiście
wpływ ten nie jest jednoznaczny i zasadniczy, tym nie mniej wpływa on na
ocenę stopnia komfortu cieplnego.
Do tych pozostałych elementów zaliczyć można:
wpływ zawartości jonów w powietrzu, promieniowanie radioaktywne,
hałas, oświetlenie, zapylenie powietrza, oraz gazy, pary i zapachy, a także
trudne do określenia taki zjawiska jak:
barwa ścian, kolor sufitów, rodzaj mebli i wykładzin, kwiaty, zieleń, pole
elektryczne itp.[5]
Istotnym warunkiem komfortu jest oświetlenie. Jest to jeden z
podstawowych wymogów dobrego samopoczucia. Jednostką natężenia
światła jest luks. Istotną cechą oświetlenia jest też jego barwa i jasność.
Szczegółowe dane dotyczące oświetlenia dla poszczególnych stanowisk
pracy zawierają Polskie Normy.
3.4. SKALA OCENY KOMFORTU CIEPLNEGO.
Na skalę komfortu cieplnego składają się następujące parametry :
- temperatura powietrza
- średnia temperatura powierzchni ścian
- wilgotność
- prędkość powietrza
Podstawowym wymogiem obok dostarczenia odpowiedniej temperatury w
pomieszczeniu jest dostarczenie świeżego powietrza i możliwie niskiego
poziomu hałasu. A zatem na komfort cieplny składa się szereg parametrów
przy czym i tak określenie stopnia komfortu jest odczuciem
indywidualnym.
51
Stworzenie „sumarycznego komfortu cieplnego” napotkało szereg
trudności w przejęciu odpowiedniej skali. I tak przyjęto najpierw
temperaturę skóry człowieka jako miernik komfortu cieplnego.
Odpowiednikiem jest tu temperatura czoła głowy, która ma w przybliżeniu
temperaturę równą temperaturze skóry. Ten sposób badania stopnia
komfortu cieplnego okazał się zawodny, a to z uwagi m.in. na fakt, że
wartość temperatury skóry ludzkiej zależy od stanów powietrza i
wilgotności i jest równa dla różnych powierzchni skóry człowieka.
Zastosowanie termometru Kata, gdzie mierzy się temperaturę za pomocą
katatometru jest także zawodne, ponieważ nie uwzględnia się tu wartości
wilgotności powietrza i ruchu powietrza, oraz temperatury powietrza.
Termometr Kata zbudowany jest jako termometr najczęściej rtęciowy o
skali od 35 do 38 ˚C .
Frigorimetry Davosera używane są do pomiaru energii grzewczej, którą
doprowadza się do zaczernionej kuli o średnicy 7,5 cm utrzymywanej w
stałej temperaturze i rejestruje się odchylenia.
Termometr Misseranarda to inaczej „termometr wynikowy” rejestrujący
wyniki temperatury przy pomocy zaczernionej kuli miedzianej, owiniętej
kawałkiem gumy ze znajdującym się w środku termometrem rtęciowym.
Temperatura równoważona mierzona jest też za pomocą termometru
Duftona, gdzie pomiar dokonywany jest na podstawie zmiennej wartości
prądu elektrycznego płynącego w termometrze i ogrzewającego cylinder
eupatoskopu.
Termometr kulisty Vernona służy do mierzenia tzw. „temperatury
odczuwalnej” i jest to pomalowana na czarno kula miedziana w której w
części środkowej znajduje się termometr rtęciowy, przy czym czas
osiągania „równowagi” temperatury wynosi ok. 15 min.
52
Do określania komfortu cieplnego stosuje się równanie komfortu cieplnego
Fangara.
Top  0,52  Ta   0,48  Tmr [ K ]
Top – temperatura skuteczna (odczuwalna) [K]
Ta – temperatura powietrza [K]
Tmr – średnia temperatura promieniowania [K]
Temperaturę skuteczną mierzy się specjalnym aparatem zwanym
globotermostatem, który specjalnymi sondami odczytuje temperaturę
powietrza, średnią temperaturę promieniowania otaczających powierzchni i
automatycznie oblicza temperaturę skuteczną (temperatura dobrego
samopoczucia). Odczytana przy pomocy globotermostatu temperatura
skuteczna jest podawana do zespołu sterującego promiennikiem powodując
ciągłe utrzymanie warunków komfortu na stanowiskach pracy oraz nie
dopuszcza do zbyt dużego poboru paliwa.
W pomieszczeniach ogrzewanych gazowymi promiennikami podczerwieni
otrzymuje się temperaturę powietrza niższą, podczas gdy ściany mają
temperaturę wyższą poprzez to, że w trakcie ogrzewania otrzymały one
odpowiednią „dawkę” ciepła stwarzając przez to wrażenie dobrego
samopoczucia. Umożliwia to znaczną redukcję urządzeń grzewczych, gdyż
rozproszenia termiczne są znacznie mniejsze. Dzieje się to dlatego, że
energia emitowana przez promienniki zmienia się w ciepło w kontakcie z
powierzchnią ścian, podłóg, maszynami oraz ludźmi. W przypadku niskich
temperatur ścian
(ogrzewanie konwekcyjne) następuje wyrównanie podwyższoną
temperaturą powietrza i na odwrót - wyższa temperatura ścian ogrzewa
niską temperaturę powietrza (ogrzewanie przez promieniowanie).
53
Należy nadmienić, że wilgotność względna otrzymywana przy stosowaniu
promienników występuje w granicach optymalnych 50 – 60%.
3.5. CELOWOŚĆ STWARZANIA OPTYMALNYCH
WARUNKÓW PRACY.
Już ponad pół wieku temu uświadamiano sobie konieczność
ogrzewania (w zimie) stanowisk pracy, ale dopiero obecne wyniki badań
ekonomicznych potwierdzają, że opłacalne jest inwestowanie w urządzenia
stwarzające komfortowe warunki pracy.
Stwierdzić można, że w zimie staranne wykonanie ogrzewania zaowocuje
wzrostem wydajności pracy nawet o 15-20%.
Zaobserwowano np, że szybkość pracy maszynistek maleje
o 25-30%,gdy temperatura obniży się o ok.5 K poniżej poziomu komfortu.
Zaobserwowano również, że zręczność manualna maleje o ok. 10%, a
zręczność palców aż o 30%, gdy temperatura jest niższa o ok. 10 K od
poziomu warunków komfortu.
Zauważono, że temperatura zbyt niska powoduje również
zwiększenie występowania wypadków przy pracy w budynkach
przemysłowych. I tak zmniejszenie temperatury o 5 K spowodowało
wzrost częstotliwości wypadków o 15%. Skalę zagadnienia przedstawia
tabela.
54
TABELA 3.3 Wpływ temperatury na liczbę wypadków.
Zmiana temperatury otoczenia na
Względny przyrost częstotliwości
stanowisku
wypadków.
Pracy w odniesieniu do warunków
komfortu.
^t [K]
[%]
5
25
-5
15
-10
35
Źródło: Poradnik Instal 96
W niżej podanych ocenach wykorzystano normę PN-85/N-08013.
Wytwarzanie energii metabolicznej jest funkcją aktywności fizycznej
człowieka.
TABELA 3.4. Ilość wytwarzanej energii metabolicznej przez ludzi.
Aktywność
Wytwarzanie energii
metabolicznej
W /m2
Wypoczynek w pozycji
Półleżącej
46
Siedzącej
58
Stojącej
70
Aktywność niewielka w pozycji siedzącej
70
Aktywność niewielka w pozycji stojącej
93
Aktywność średnia w pozycji stojącej
116
Aktywność duża
174
Źródło: PN-85/N-08013
55
W tabeli przyjęto, że temperatura powietrza równa jest temperaturze
promieniowania, wilgotność powietrza wynosi 50%, a prędkość powietrza
jest mniejsza niż 0,1 m/s.
TABELA 3.5. Optymalna temperatura na stanowiskach pracy
Optymalna temperatura C
Rodzaj
aktywności
Aktywność
25
23
21
18
23
21
19
15
21
19
17
12
17
14
11
4
Zalecany
Lekka odzież
Lekka odzież
Typowa
Typowa
rodzaj odzież
letnia
robocza
niewielka w
pozycji
siedzącej
Aktywność
niewielka w
pozycji
stojącej
Aktywność
średnia w
pozycji
stojącej
Aktywność
duża
odzież zimowa odzież zimowa
noszona w
noszona do
domu
pracy
Żródło: PN-85/N-08013
56
4. GAZ ZIEMNY JAKO ŹRÓDŁO ENERGII DLA
PROMIENNIKÓW PODCZERWIENI.
4.1. WIADOMOŚCI OGÓLNE.
Wartość cieplna jest zbiorczym określeniem wartości opałowych.
Wartość opałowa H0 w kWh/m3 względnie w kWh/kg jest ciepłem
uwolnionym przy pełnym spaleniu jednego metra sześciennego gazu (faza
gazowa) – obliczonym w stanie normalnym - lub jednego kilograma gazu
(faza ciekła), jeżeli końcowy produkt przy spalaniu ma temperaturę 25°C
a powstająca przy tym woda jest w stanie ciekłym.
Wartość opałowa Hu gazu w kWh/m3 względnie w kWh/kg jest ciepłem
uwolnionym przy pełnym spaleniu jednego metra sześciennego gazu (faza
gazowa - obliczonym w stanie normalnym - lub jednego kilograma gazu
(faza ciekła), jeżeli początkowe i końcowe produkty spalania mają
temperaturę 25°C i powstająca przy tym spalaniu woda występuje w
postaci pary.
Inaczej wartość opałową stanowi ciepło spalania pomniejszone o
ciepło parowania wody wydzielonej z paliwa podczas procesu spalania.
Jest to wielkość (średnio) mniejsza od ciepła spalania o ok. 10%. Jest to
ciepło większe od wartości opałowej o tę ilość ciepła, jaka jest potrzebna
do odparowania wody zawartej w paliwie.
Rozróżnia się górną wartość opałową H0 i dolną wartość opałową Hu
w zależności czy ciepło parowania wody uwzględnia się czy też nie.
Ponieważ paliwa gazowe zawierają wodór H a zatem w paliwach tych
występuje para wodna powstająca przy spalaniu, w związku z tym przy
obliczeniach parametrów spalania należy brać pod uwagę dolną wartość
opałową.
57
Wartość opałową górną obliczamy wg. wzoru:
H0 = Hu + r (9h + w)/100 [kJ / kg lub kJ / m3]
Ho – wartość opałowa w stanie gazowym [kJ/m3]
Hu - wartość opałowa w stanie ciekłym [kJ/m3]
r - ciepło parowania wody = 2.500 kJ/kg lub 2.000 kJ/m3 przy 0°C
w - zawartość wody w paliwie w [%],
h - zawartość wodoru w paliwie w [%]
Jednostkami ilości ciepła (praca, energia) jest watosekunda (Ws) lub
dżul (J). [11]
4.2. OBCIĄŻENIE I WYDAJNOŚĆ CIEPLNA.
Wielkością obciążenia cieplnego (Qb) w kW lub w kJ/s przyrządu
gazowego jest doprowadzony do niego gaz w czasie, odniesiony do
wartości opałowej butanu. Jeżeli natomiast odnosi się to do wartości
opałowej propanu, to występujące obciążenie zmniejsza się o 14% (z
uwagi na inną wartość kaloryczną propanu). Takie wartości cieplne
przyrządów gazowych można odnieść do każdego gazu.
Znamionowa wydajność cieplna (QNI) W kW lub w kJ/s jest
wytworzoną w czasie, w przyrządzie gazowym, przy znamionowym
obciążeniu ilością użytecznego ciepła, odniesioną do wartości opałowej
gazu19.
Całkowita znamionowa wydajność cieplna, ΣQNL jest sumą
znamionowych wydajności cieplnych, ustawionych w pomieszczeniu
58
palenisk lub promienników, mogą wspólnie pracować. Jeżeli urządzenia
zabezpieczające gwarantują, że z palenisk lub promienników każdorazowo
tylko jedno lub kilka, w określonej kombinacji, mogą wspólnie pracować,
wówczas miarodajne dla określenia całkowitej znamionowej wydajności
cieplnej są każdorazowo tylko znamionowe wydajności tych palenisk lub
promienników, które mają równocześnie pracować.[8]
Wydajność (moc) przyłączeniowa, w (m3/s) jest godzinowym
zużyciem gazu jednego przyrządu gazowego przy znamionowym
obciążeniu cieplnym. Przy przeliczaniu między znamionowym
obciążeniem cieplnym i wydajnością (mocą) przyłączeniową brana jest za
podstawę dla ciekłego gazu wartość
opałowa Hu = 12,87 kWh/kg.
Wartość obciążeniowa jest ilością gazu w m3/s płynącego przez
przewód zasilający przy uwzględnieniu wszystkich wydajności (mocy)
przyłączeniowych, które są równocześnie używane34.
Zgodnie z definicją wartość obciążenia cieplnego możemy wyrazić
wzorem:
Q = H0 • V [J/s]
Q – obciążenie cieplne przyboru [J/s],
H0 – ciepło spalania [MJ/m3] lub [J/g],
V – natężenie wypływu gazu z dyszy [m3/s].
Z kolei ilość gazu „V”, wypływającego z dyszy palnika, można określić ze
wzoru:
V = P • ω = P • α √2Δp/pg [m3]
59
P – powierzchnia przekroju dyszy [m2], lub[mm2],
ω - liniowa prędkość wypływu gazu z dyszy [m/h],
α – współczynnik wypływu gazu z dyszy (bezwymiarowy)
Δp – różnica ciśnień przed wylotem i za wylotem z dyszy palnika [Pa],
pg – gęstość bezwzględna gazu [kg/m3].
4.3. ILOŚĆ POWIETRZA DO SPALANIA ORAZ SPALINY
Ilość powietrza potrzebną do całkowitego spalenia paliwa nazywa
się teoretyczną ilością paliwa i oznacza Lmin. Niestety jest to zbyt mała
ilość powietrza w stosunku do rzeczywistości.
Stosunek ilości powietrza potrzebnego do spalenia paliwa
rzeczywistego do ilości teoretycznej nazywa się współczynnikiem
nadmiaru powietrza i oznacza jako „lambda” λ.
Produktami spalania są: dwutlenek węgla, dwutlenek siarki i para
wodna. Niektóre paliwa nie zawierają siarki, w związku z tym nie
występują tam tlenki siarki (oraz niekiedy tlen, przy lambda >1.[8]
Teoretyczną ilością powietrza potrzebną do spalenia paliwa stałego i
ciekłego (bez siarki) obliczamy wg wzoru:
Lmin 

22,4  c h z 
      8,88c  26,44h  3,33 z m3 / kg
0,21  12 4 32 
22,4 – objętość molowa gazów w [m3/kg]
0,21 – zawartość tlenu w powietrzu w [m3/kg]
Lmin – min. ilość powietrza [m3/kg]
Ilość suchych spalin (bez siarki i azotu) wynosi:
60

Vsp = 1,85c + (λ – 1) • 0,21 Lmin + λ • 0,79 Lmin
Vsp= 1,85c + (λ – 0,21) • Lmin
[m3/kg]
Vsp - ilość suchych spalin [m3/kg]
λ - współczynnik nadmiaru powietrza
Ilość spalin wilgotnych jest większa od zawartości pary wodnej w
spalinach, bowiem para wodna w spalinach pochodzi nie tylko ze spalania
wodoru zawartego w paliwie, ale także w wilgoci zawartej w powietrzu
używanym do spalania.
Przybliżony wzór na obliczanie minimalnej ilości powietrza
potrzebnego do spalenia paliwa gazowego przybiera postać:
Lmin = 0,25 m3 na 1000 kJ
Lmin = 0,9 m3 na 1 kWh
Rzeczywista ilość powietrza potrzebna do spalenia paliwa gazowego
wynosi:
L = λ • Lmin [m3/m3]
L - Rzeczywista ilość powietrza potrzebna do spalenia paliwa gazowego
[m3/m3]
61
Ilość spalin wilgotnych (bez wilgoci z powietrza).
VSW = λ • Lmin + 0,5(CO + H2) + (m/4) CnHm +
CO2 + O2 + N2=
ilość gazu + λLmin - 0,5(CO + H2) – (1 - m/4) •
CnHm [m3/m3]
VSW - ilość spalin wilgotnych [m3/m3]
Ilość pary wodnej w spalinach:
H2 + (m/2) CnHm [m3/m3]
Zmniejszenie objętości (zmiana objętości gazu przy spalaniu) między
ilością gazu z powietrza a ilością spalin wilgotnych:
ΔV = 0,5(CO + H2) + (1 - m/4) • CnHm
[m3/m3]
Przy paliwach stałych i ciekłych należy dolną jednostkę wartości opałowej
Hn w kJ/kg, a przy jednostkach gazowych w kJ/m3.
Przybliżone ilości powietrza do spalenia oraz ilość spalin wynoszą:
powietrze: L = λ • Lmin spalin: Vsp = Vmin + (λ –1)
62
4.4. PRĘDKOŚĆ SPALANIA GAZU, GRANICE ZAPŁONU
GAZU,CIŚNIENIE GAŚNIĘCIA I TEMPERATURA
PŁOMIENIA.
Prędkość spalania to prędkość, z jaką przesuwa się płomień
względem mieszaniny gazu i powietrza lub mieszaniny i tlenu.[11]
Granica ta wyraża taka zawartość gazu w mieszaninie z powietrzem
(tlenem), pomiędzy którym zachodzi spalanie gazu.
Dolna granica zapłonu przedstawia minimalną zawartość paliwa
gazowego, poniżej której powstanie zapłonu paliwa nie jest możliwe.
Górna granica to maksymalna ilość paliwa w mieszaninie. A zatem proces
spalania nie zachodzi przy mieszaninach, gdzie zawartość paliwa jest
poniżej dolnej granicy zapłonu oraz nie zachodzi także tam, gdzie jest
przekroczona górna granica zawartości paliwa. Zawiera się on, zatem w
przedziale od – do.
Taką granicę zapłonu obliczamy wg wzoru (Le Chateliera):
Gz 
100
V1 V2 Vn


G1 G2 Gn
V1, V2, ... Vn – zawartość składników mieszaniny (w % objętości),
G1, G2, ... Gn – dolna lub górna granica zapłonu składników mieszaniny,
Gz – granica zapłonu.
Prędkość przesuwania się płomienia u wylotu palnika waha się w
granicach od 3 do 5 m/sek. w zależności od właściwości gazu palnego,
ilości powietrza w mieszaninie, powierzchni przekroju rury itp.
63
Spalanie ustabilizowane gazów palnych przebiega wg n/w reakcji
chemicznych:
tlenek węgla – 1CO + 0,5 O2 + 1,88N2 = 10CO2 +1,88 N2
wodór – 1H2 + 0,5N2 = 1H2O + 1,88 N2
metan – 1CH4 +2O2 + 7,52 N2 = 1CO2 + 2H2O + 7,52N2
propan - 1C3H8 : 5O2 + 18,8 N2 = 3CO2 + 4H2O + 18,8N2
butan - 1C4H10 + 6,5O2 + 24,44 N2 = 4CO2 + 5H2O + 24,44N2
Aby spalanie mogło zajść potrzebne jest jeszcze podgrzanie
mieszaniny gazu i powietrza do temperatury zapłonu.
Ciśnienie gaśnięcia
Jest to takie ciśnienie, przy którym płomień odrywa się od palnika na
skutek zbyt dużej szybkości wypływu gazu.
Maksymalna temperatura płomienia [oC]
Jest to temperatura płomienia przy jego wylocie z dyszy i dla propanu
wynosi ona 1725 oC przy zawartości gazu w mieszaninie z powietrzem w
wysokości 4,2% objętości a dla butanu wynosi odpowiednio 1900 oC i
3,2%.[11]
64
4.5. SPOSOBY OBLICZANIA ZUŻYCIA PALIW
PŁYNNYCH.
.
Roczne zapotrzebowanie na paliwo można obliczyć wg wzoru
Hottingera5:
B
86400  Q  Sd  y  a
Q1 w s  ti  tc 
24 h = 86400 sekund,
B - roczne zapotrzebowanie na paliwo [kg/r],
Q - zapotrzebowanie na moc cieplną w całym budynku [kW],
Sd - liczba stopniodni okresu ogrzewania w danej miejscowości,
y - współczynnik zmniejszający, zależny od sposobu eksploatacji
urządzenia, a - współczynnik zwiększający stosowany w
pierwszych sezonach ogrzewania, za pomocą którego uwzględnia
się dodatkową moc cieplną na suszenie budynku i pokrycie strat
ciepła przez nieotynkowane ściany zewnętrzne,
Qi - wartość opałowa paliwa [kJ/kg],
ηw - sprawność urządzenia c.o. z uwzględnieniem sprawności kotłów i
wewnętrznej sieci w budynku,
ηs - sprawność zewnętrznej sieci przewodów, którymi doprowadza się
czynnik grzejny z kotłowni do poszczególnych budynków (ustalana
najczęściej szacunkowo w przedziale 0,5 - 0,8),
ti - średnia temperatura wewnętrzna budynku obliczona jako średnia
ważona wszystkich wartości temperatury we wszystkich
pomieszczeniach w budynku,
te,- obliczeniowa temperatura powietrza zewnętrznego w danej strefie
65
klimatycznej.
W szacunkowych (orientacyjnych) obliczeniach zapotrzebowania na
paliwo dla c.o. można zastosować tu prosty wzór Recknagla
B = f • Q [kg/r]
B - jak w poprzednim wzorze,
Q - zapotrzebowanie na moc cieplną w całym budynku [W],
f - współczynnik zużycia paliwa.
współczynnik „f”
- koks 0,40
- węgiel kamienny 0,45
- węgiel brunatny 0,58
- gaz ziemny 0,25
- olej opałowy 0,20
We wzorze tym nie uwzględniono okresu trwania sezonu
ogrzewczego ani występującej w tym czasie na danym terenie temperatury
powietrza zewnętrznego.[5]
66
4.6. DOPUSZCZALNE STĘŻENIA CO I NOX W
POMIESZCZENIACH ZE SPALANIEM GAZU.
Zgodnie z normą PN-87/M-40307 dopuszczalne zawartości zanieczyszczeń
wynoszą:
- dla ogrzewaczy konwekcyjnych: CO – 0,05% objętości
NOx – nie określa się
Natomiast przy ogrzewaczach promiennikowo – konwekcyjnych brak jest
dopuszczalnych wartości zanieczyszczeń.
Norma PN-95/M-35350 podaje:
- dla kotła grzewczego:
CO – 28 g/GJ
NOx - 120 ppm przy gazie ziemnym
-180 ppm przy gazie płynnym
Zgodnie z wymaganiami PN-86/M-35001 dopuszczalne zanieczyszczenia
wynoszą:
- dla rury promieniującej:
CO – 0,10% objętości
NOx - nie określa się
- dla ogrzewacza promiennikowo – konwekcyjnego nie określa się.
- Dla palników przemysłowych w przedziale mocy 10 kW – 10 MW:
CO – 0,10% objętości
NOx - nie określa się
Dla porównania wartości dopuszczalnych zanieczyszczeń np. w Niemczech
w odniesieniu do palników gazowych wynoszą:
CO – 60 mg/kWh = 55 ppm
67
NOX – 80 mg/kWh = 45 ppm
(„błękitny anioł” )
Dla potrzeb firmy Solaronics Instytut GniG na podstawie PN-86/M-40305
określił przy promienniku zasilanym gazem GZ – 50 zawartość CO w
spalinach
rzędu 0,0014% objętości przy wymaganej 0,05%.
Przy zasilaniu gazem GZ – 35 wartość ta wyniosła 0,0055% objętości.
Należy podkreślić, że dopuszczalne stężenie w przypadku kotłów
grzewczych wynosi:
CO – 28 g/GJ = 92 ppm
NOx - 35 g/GJ = 70 ppm
Natomiast dla pozostałych urządzeń stężenie NO nie jest określane.
Sytuacja się zmieni, kiedy w Polsce zaczną obowiązywać przepisy Unii
Europejskiej.[9]
68
4.7. WYTYCZNE MONTAŻOWE INSTALACJI GAZOWEJ.
4.7.1. OGÓLNE ZASADY SYTUOWANI WEWNĘTRZNYCH
INSTALACJI GAZOWYCH W OBIEKTACH.
- Przewody instalacji gazowej nie mogą być prowadzone przez
pomieszczenia, w których sposób ich użytkowania może spowodować
naruszenie stanu technicznego instalacji lub może wpłynąć na
parametry eksploatacyjne gazu.
- Przewodów instalacji gazowych na gaz ziemny nie należy układać
ponad stropem ostatniej kondygnacji użytkowej ani pod powierzchnią
podłogi.
Nie dotyczy to instalacji na gaz płynny. Przewodów gazowych nie
można montować w windach, zsypach, kominach i kanałach
wentylacyjnych.
Przewody z gazem płynnym nie powinny być prowadzone po
zewnętrznej stronie budynku ( ostatecznością może być tylko instalacja
biegnąca w odległości 1 m od instalacji odgromowej).
- Przewody gazowe na kondygnacjach naziemnych, powinny być
prowadzone na powierzchni ścian o ile to możliwe w bruzdach. W
sutenerach i piwnicach przewody można prowadzić tylko po ścianach.
- Jeżeli przewód jest umieszczony w bruździe, to może być ona otwarta,
osłonięta nie uszczelnionym ekranem lub wypełniona masą tynkarską
nie powodującą korozji przewodów stalowych. Nie dopuszcza się
wypełnienia bruzd zaprawą z gipsem, wapnem i cementem.
Wypełnić bruzdy można po ówczesnej próbie szczelności.
- Odległości w świetle innych przewodów ( c.o, elektrycznych, wodnych
itp.)
69
Musi umożliwić wykonywanie prac konserwatorskich i naprawczych i
powinna wynosić min. 10cm. Natomiast przy krzyżowaniu się
przewodów odległość powinna wynosić min. 2 cm.
- Poziome odcinki z gazem ziemnym powinny być umieszczone powyżej
innych przewodów instalacyjnych, natomiast przy gazach płynnych
poniżej (przede wszystkim przewodów elektrycznych i urządzeń
iskrzących).
- Przewody gazowe przechodzące przez ściany, stropy powinny być w
rurach osłonowych.
- Urządzenia elektryczne należ umieszczać w odległości nie mniejszej
niż 0,6 m od pionowych przewodów instalacji gazowych. Gdy jest to
niemożliwe należy zainstalować przegrodę z materiału niepalnego.
- Przewodów gazowych nie można stosować jako przewodów
uziemiających i wspornikowych dla innych elementów.
- Uchwyty do montażu instalacji gazowej powinny być wykonane z
materiałów ogniotrwałych, a odległość między nimi nie powinna
przekraczać 3 m.
- Po wykonaniu próby szczelności należy przewody zabezpieczyć
antykorozyjnie (oprócz miedzianych, które trzeba odpowiednio
oznakować).
- Armaturę odcinającą itp. należy tak umieścić, żeby był do niej łatwy
dostęp.
Zbiorniki i elementy umieszczone pod ziemią muszą być oznakowane
odpowiednimi tabliczkami.[12]
70
4.7.2. MATERIAŁY INSTALACYJNE.
Materiały, które możemy zastosować do poprowadzenia instalacji gazowej
to:
- rury stalowe spełniające wymagania normy PN – 80/H-74219 oraz I
części załącznika do „Zarządzenia Nr 47 Ministra Przemysłu w sprawie
warunków technicznych w wykonaniu i odbioru robót budowlanych
sieci gazowych.”
- rury miedziane spełniające powyższe rozporządzenie oraz „wytycznymi
projektowania i odbioru instalacji gazowych z miedzi” wydany przez
Wielkopolski Okręgowy Zakład Gazownictwa, można się również
posiłkować wytycznymi COBRTI „Instal”
W krajach Unii Europejskiej obowiązuje Norma Opracowana przez
Europejskie Centrum Normalizacji (ECN) EN 1057.
- rury z tworzyw sztucznych zgodne z normą PN-70/C-89015 oraz z
normą ISO – 4437.[9]
4.7.3. ZASADY MONTAŻU GAZOMIERZY.
Instalowanie, rozruch i eksploatację należy prowadzić zgodnie z
„dokumentacją techniczno-ruchową (dtr) wydaną przez producenta.
Wymagania dotyczące stacji pomiaru gazów reguluje
Norma Zakładowa PGNiW ZN-94/G-1003 „Pomiary paliw stałych”,
budowę stacji gazowych określają przepisy zawarte w rozdziale 1
Rozporządzenia Ministra Przemysłu i Handlu z dn. 14.11.95.( Dz.U. Nr
139/95, poz. 686)
71
4.7.4. SYSTEMY SZYBKIEGO ODCIĘCIA GAZU.
Zastosowanie trójdrogowego, elektromagnetycznego zaworu Ex w
konfiguracji z zaworem szybkozamykającym:
Rysunek 4.1. Przykład zabezpieczenia przed wypływem gazu.
Źródło: Instalacje gazowe. R. Zajada COBO – Profil. Warszawa 1997 r.
Inne możliwości bezpiecznego eksploatowania urządzeń gazowych, np.:
- współpraca z aktywnymi systemami bezpieczeństwa instalacji gazowej
- połączenie z programatorem czasowym
- podłączenie impulsu zasilającego z dowolnego układu automatyki
- możliwość zdalnego sterowania zamknięciem zaworu
szybkozamykającego
- podłączenie do instalacji uruchomianej tonowoz aparatu
telefonicznego.[9]
72
5. WENTYLACJA W POMIESZCZENIACH
OGRZEWANYCH PRMIENNIKAMI GAZOWYMI
Przy stosowaniu wentylacji w pomieszczeniach, gdzie występuje
ogrzewanie promiennikowe należy pamiętać o kilku podstawowych
wytycznych. Przyjmuje się, że różnica temperatury w pomieszczeniach
wentylowanych wynosi zwykle Δt = 3 – 5 K, a w pomieszczeniach
klimatyzowanych Δt = 2 – 10 K.
W przypadku gdy głównym zanieczyszczeniem jest powstająca tam
para wodna, to strumień objętości powietrza wentylacyjnego obliczamy ze
wzoru:
 m3 
W
VW 
x p  xn    sek 
VW – strumień objętości powietrza wentylacyjnego [m3/sek]
W – zyski wilgoci (pary wodnej) w pomieszczeniu [kg/sek]
Xp – zawartość wilgoci w powietrzu wywiewanym [kg/sek]
Xn – zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym [kg/sek]
ρ – gęstość powietrza wilgotnego [kg/m3]
Jeżeli w pomieszczeniu wydzielają się zanieczyszczenia gazowe, pyłowe i
pary toksyczne, to strumień objętości powietrza wentylacyjnego oblicza się
ze wzoru:
73
Vx 
  Z  m3 
kd  k s  sek 
VW – strumień powietrza wentylacyjnego [m/s]
φ - współczynnik nie równomierności wydzielania się zanieczyszczeń i ich
rozprzestrzeniania się w pomieszczeniu,
Z – strumień zanieczyszczeń wydzielających się w pomieszczeniu [kg/s]
Kd – dopuszczalne stężenie danego zanieczyszczenia w pomieszczeniu
[kg/s]
Kx - stężenie danego zanieczyszczenia nawiewnego do pomieszczenia
[kg/s]
Dopuszczalne stężenie zanieczyszczeń w powietrzu, w środowisku pracy
nie powinno wywoływać zmian chorobowych, nawet w przypadku gdy
pracownik przebywa w nim przez 8 godz. dziennie. Jeżeli w pomieszczeniu
wydzielają się zanieczyszczenia różnych substancji szkodliwych to należy
obliczyć strumień powietrza wentylacyjnego, potrzebny do usunięcia
każdego z nich i przyjąć wartość maksymalną. Ponieważ jak wiadomo,
powietrze ma zdolności jednoczesnego pochłaniania zanieczyszczeń
różnego rodzaju (pary, gazy, pyły), należy przyjąć do obliczeń jako
miarodajne największe spośród obliczonych ilości powietrza względem
poszczególnych rodzajów zanieczyszczeń.[1,10]
74
TABELA 5.1. Wymagania higieniczne dotyczące strumienia objętości powietrza
wentylacyjnego.
Strumień objętości powietrza
Rodzaj pomieszczenia
wentylacyjnego przypadającego
na 1 osobę [m3/h]
Sale koncertowe, zebrań, widowiskowe w
Zalecane
Minimalne
30
20
50
30
60
40
teatrach i kinach przy zakazie palenia
Sale zebrań, poczekalnie przy dozwolonym
paleniu
Restauracje, kawiarnie, biura przy
dozwolonym paleniu.
Źródło: M. Kowalczyk: Ogrzewanie obiektów promiennikami podczerwieni, wyd. SOLAREN – BIS, Gdańsk
1999
Tabela 5.2. Wartości współczynnika φ
φ
Rodzaj zanieczyszczenia
Zanieczyszczenie szkodliwe dla zdrowia przy stosunkowo
1,2 – 1,3
równomiernym wydobywaniu się w czasie.
Zanieczyszczenia nietoksyczne lub zanieczyszczenia nie
1,1 – 1,2
wywołujące schorzeń ciężkich przy krótkotrwałych
podwyższeniach stężenia
Jak wyżej, lecz przy nie równomiernym wydobywaniu się
1,3 – 1,4
zanieczyszczeń
Źródło: M. Kowalczyk: Ogrzewanie obiektów promiennikami podczerwieni, wyd.
SOLAREN – BIS, Gdańsk 1999
75
Tabela 5.3. Najwyższe dopuszczalne stężenia zanieczyszczeń (NDS) powietrza w
pomieszczeniach.
Nazwa czynnika szkodliwego dla zdrowia
Kdop [mg/m3]
Aceton
200
Amoniak
20
Bromowodór
7
Chlor
1,5
Chlorowodór
Czterotlenek ołowiu
5
0,005
Dwutlenek siarki
20
Fenol
10
Fosgen
0,5
Ksylen
100
Kwas azotowy
10
Metanol
100
Nafta
300
Naftalen
20
Nikotyna
0,5
Ozon
0,1
Siarkowodór]
10
Tlenek węgla
30
Tlenek azotu
5
.
Źródło: M. Kowalczyk: Ogrzewanie obiektów promiennikami podczerwieni, wyd.
SOLAREN – BIS, Gdańsk 1999
76
5.1. WYMIANA POWIETRZA
Dostarczając do pomieszczenia odpowiednią ilość i jakość świeżego
strumienia powietrza, należy wziąć pod uwagę także to, że jego rozdział
(rozprowadzenie) może być niewłaściwe tak pod względem
rozprowadzenia jak i temperatury. Tylko dobrze zaprojektowany system
nawiewu powoduje, że cała objętość strumienia masy powietrza bierze
udział w asymilacji lub rozcieńczeniu wydzielającego się w pomieszczeniu
zanieczyszczenia. Właściwy rozdział powietrza to także konieczność
zapewnienia jego właściwego gradientu (uwarstwienia) o różnych
wartościach temperatury, zmiennych ruchach powietrza, lokalnych stratach
lub zyskach ciepła itp.
Tabela 5.4.Krotność wymiany powietrza
Rodzaj pomieszczenia
Krotność
Rodzaj pomieszczenia
Krotność
wymiany
wymiany
powietrza
powietrza
[1/h]
[1/h]
Biblioteki
4-5
Laboratoria
8-15
Pomieszczenia biurowe
4-8
Sklepy
6-8
Szatnie
4-6
Pływalnie
3-4
Pokoje gościnne
4-8
Sala posiedzeń
6-8
Audytoria
6-8
Pomieszczenia handlowe
4-8
Kantyny
6-8
Sale zebrań
5-10
Domy towarowe
4-6
Pralnie
10-15
Kina i teatry z zakazem palenia
4-6
Magazyny towarowe
Kina i teatry bez zakazu palenia
5-8
4-6
Źródło: M. Kowalczyk: Ogrzewanie obiektów promiennikami podczerwieni, wyd.
SOLAREN – BIS, Gdańsk 1999
77
Otwory nawiewne i wywiewne muszą być tak dobrane, oraz odpowiednio
umieszczone, a strumień powietrza tak obliczony, aby w strefie
przebywania ludzi uzyskać optymalne prędkości powietrza i odpowiednie
różnice temperatur przy zachowaniu samej istoty nawiewu.
Maksymalne prędkości powietrza na wysokości głowy człowieka, przy
ogrzewaniu powietrzem, zawierają się w gramach 0,2-0,45 m/sek. A przy
chłodzeniu powietrzem od 0,1 do 0,3 m/sek. I to w zależności od stopnia
aktywności człowieka (rodzaj pracy), natomiast przy ogrzewaniu
promiennikami mogą być „zdecydowanie” większe.
Strumień powietrza o prędkości 0,05-0,1 m/sek. może wywołać uczucie
duszności. Główne znaczenie przy wentylacji ma strumień powietrza
nawiewanego do pomieszczenia .Jego wartości mogą być kilka razy
większe od strumienia powietrza, wywiewanego z pomieszczenia. Ta cech
ma wyjątkowo ważne znaczenie przy projektowaniu wentylacji
pomieszczenia .Drugim ważnym elementem jest – zasięg strumienia, który
określany jest odległością od kratki nawiewnej lub płaszczyzny otworu
nawiewnego, a która w osi strumienia powietrza wynosić może 0,25 m/sek.
Należy też pamiętać, o tzw. ruchach naturalnych powietrza lub
wymuszonych (np. na skutek silnego źródła ciepła), które mogą
spowodować zakłócenie projektowanego pola prędkości powietrza i
temperatury.
W istniejących budynkach przemysłowych największe straty ciepła
występują podczas niekontrolowanej wymiany ciepła z otoczeniem.
Przeciętna liczba wymian powietrza w tych obiektach wynosi od jednej do
trzech w zależności od wysokości hali, przy mniejszej wysokości mniejsza
jest też wymiana powietrza, przy większej wysokości liczba wymian
dochodzi do trzech.
78
W nowobudowanych obecnie obiektach dąży się do zapewnienia wymiany
powietrza w granicach 0,5-0,8 v/h o ile oczywiście pozwalają miejscowe
względy technologiczne i przepisy BHP.
Przy liczbie wymian powietrza równej 0,5 v/h można przyjąć, że główne
straty ciepła rozkładają się następująco:
- 50% poprzez wymianę ciepła z otoczeniem,
- 25% na skutek przenikania ciepła przez stropodach
- 15% na skutek przenikania ciepła przez przeszklone ściany
- 10% przez pozostałe przegrody cieplne.
Niekiedy w procesie technologicznym uwzględnia się odzyski strat ciepła
od ludzi lub zwierząt .Moc cieplna wydzielana przez człowieka wynosi, w
zależności od zajmowanej przez niego pozycji fizycznej wynosi:
-120 W przy pracy w pozycji siedzącej
-200 W w pozycji stojącej
-300 W przy dużej aktywności i ciężkiej pracy.
Oprócz odzysków ciepła od ludzi i zwierząt uwzględnia się odzyski ciepła
od pracujących maszyn, z nasłonecznienia szyb i ścian itd. Ponieważ są to
na ogół niewielki wartości, przy obliczaniu zapotrzebowania ciepła są na
ogół pomijane. Nie dotyczy to sytuacji np. związanej z obliczaniem
zapotrzebowania ciepła dla tuczarni zwierząt rzeźnych, bojlerni czy innych
obiektów rolniczych, gdzie niekiedy znaczne ilości zwierząt oddające
ciepło jawne i utajone, wpływa istotnie na ogólny bilans cieplny.
Największy ujemny wpływ na komfort cieplny, obok wymiany powietrza,
ma wilgotność względna powietrza (45-75%) oraz prędkość powietrza,
która w zasadzie nie powinna przekraczać wartości 0,8 m/s chyba, że
względy technologiczne stanowią inaczej.[15]
79
6. RODZAJE I BUDOWA PROMIENNIKÓW.
6.1. PROMIENNIKI CERAMCZNE - JASNE.
Promienniki gazowe posiadają bardzo wysoką sprawność, nawet do 93%.
System grzewczy zawiera w sobie kilka systemów grzania połączonych w
jedną całość. Jest on bardzo podobny do systemu ogrzewania podłóg.
Promieniowanie podczerwone, emitowane przez promienniki, jest
absorbowane przez otaczające przedmioty i elementy obiektu oraz przez
ludzi. Promienniki stają się tu ogrzewaczami. Temperatura ogrzewanych
przedmiotów staje się wyższa od temperatury otaczającego powietrza i
wtedy te przedmioty działają jako niskopoziomowe wymienniki ciepła,
ogrzewając pomieszczenie na drodze konwekcji. Nagrzewane przedmioty,
wypromieniowując energię, wytwarzają tzw.” Średnią temperaturę
promieniowania”. Pomagają one w ten sposób wyrównać straty ciepła,
wypromieniowanie przez ściany, podłogi, szyby, nieszczelności i wymianę
powietrza. Można powiedzieć, że działają one jak system z nadmuchem
powietrza.
Podczas pracy promienników, ich energia skierowana jest także na ludzi.
Promienie podczerwone, padając na powierzchnię ludzkiego ciała poprzez
system krwionośny, powodują, że ciepło to jest rozprowadzane po całym
ciele ludzkim, powodując uczucie komfortu mimo, że przecież temperatura
otaczającego powietrza jest niższa niż przyjęta dla ogrzewania
podczerwonego, będzie również powodować cyrkulację powietrza.
Wewnątrz ogrzewacza, znajduję się palnik ceramiczny z
(wyperforowanymi ) otworami. Palnik ten wykonany jest jako 1,25 mm
grubości pustak ceramiczny z 36 otworami na jeden centymetr kwadratowy
80
powierzchni, oraz połączony jest z komorą sprężonego powietrza i odlaną
rurką Venturiego oraz panewkowym rozpraszaczem.
Gaz wchodzi do palnika poprzez otwór, który jest częścią składową
przewodu rurowego, rozgałęzionego, wypośrodkowanego na otwór rurki
Venturiego, gdzie on jest mieszany z powietrzem przeznaczonym do
spalania i mieszanka ta doprowadzona jest komorą sprężonego powietrza
na tylną stronę ceramicznego pustaka. Następnie mieszanka gazu i
powietrz wchodzi do małych otworków w pustaku gdzie następuje w
postaci płomienia spalanie niskopowierzchniowe o temp. 927 - 1010˚C.
Ciepło z promieniowania podczerwonego kierowane jest przy pomocy
reflektora standardowego lub parabolicznego na ogrzewane miejsce.
Promienniki przeznaczone są do montażu poziomego lub pod
maksymalnym kątem 30˚. Ta pozycja oraz standardowy lub paraboliczny
reflektor, zapewnia, że promieniowanie podczerwone jest kierowane na
żądane miejsce a nie np. na ściany czy okna. Reflektor paraboliczny,
stosowany jest tam, gdzie występuje konieczność ogrzewania punktowego
wytwarzając równoległą wiązkę promieniowania.[1]
Rysunek 6.1. Promiennik ceramiczny
Źródło: Kaspo Czechy
81
6.2. REFLEKTORY PROMIENNIKÓW PODCZERWIENI.
Materiały używane na odbłyśniki (reflektory) które stanowią integralną
część promienników ceramicznych powinny charakteryzować się dużą
zdolnością do odbijania promieniowania, zwłaszcza podczerwonego.
Największą zdolnością odbijania charakteryzują się metale jak: srebro,
złoto, miedź, polerowane aluminium i platyna. Spośród nich: srebro, złoto
oraz platyna a zwłaszcza miedź znacznie gorzej odbijają promieniowanie z
zakresu widzianego niż podczerwonego.
Polerowane aluminium znalazło najszersze zastosowanie przy budowie
promienników podczerwieni jasnych.
Natomiast takie metale jak: wolfram, chrom, cyna oraz stal odbijają
znacznie słabiej promieniowanie podczerwone dlatego stosujemy je do
produkcji płaszczy ( rur) promieniujących – promienniki ciemne.
Ze względu na cenę złoto, srebro powinny być stosowane w promiennikach
zainstalowanych w laboratoriach, natomiast miedź, aluminium ( zwłaszcza
polerowane ) do użytku przemysłowego. Na temperaturę nagrzewania duży
wpływ wywiera także kolor powierzchni odbłyskowej.
82
6.3. PROMIENNIKI RUROWE – CIEMNE.
Promiennik ciemny stanowi każde ciało, które ma temperaturę wyższą od
zera bezwzględnego. Promiennikami ciemnymi będą więc wszystkie ciała,
których temperatura jest wyższa od temperatury otoczenia.
Rurowe promienniki radiacyjne skonstruowane są z wielodyszowego
palnika gazowego spalającego dowolny gaz ziemny lub ciekły, z zespołu
ssania dla cyrkulacji gazów spalinowych wewnątrz przewodów
radiacyjnych ( wewnątrz
rur ), oraz ze specjalnej paraboli odbijającej, przeznaczonej do
kierunkowania promieniowania w określone miejsca. Mają podobne
właściwości co promienniki ceramiczne, różnią się przede wszystkim
ciężarem.
83
7. KOSZTY OGRZEWANIA PROMIENNIKAMI.
Koszty energii cieplnej, nakłady inwestycyjne oraz opłacalność inwestycji
związanych z zastosowaniem systemu ogrzewania na podczerwień.
Na koszty ciepła składają się następujące elementy:
- nakłady inwestycyjne,
- koszty energii,
- koszty eksploatacji,
- pozostałe koszty
Koszty kapitałowe dotyczą głównie nakładów inwestycyjnych oraz
odpisów amortyzacji i oprocentowania. Są to koszty silnie zróżnicowane.
Przy założeniu, że urządzenia promiennikowe pracować będą przez okres
20 lat i przy przyjęciu amortyzacji 15% i oprocentowaniu 10%, koszty
kapitałowe ogrzewania promiennikowego wyniosą około 200-250 zł/kW.
Koszty utrzymania szacować należy jako max. 1% wartości inwestycji.
Koszty eksploatacji dla urządzeń grzewczych tj. promienników
podczerwieni ceramicznych i rurowych są bardzo niskie i można przyjąć,
że mieszczą się poniżej 1% wartości inwestycji.
Dla celów praktycznych można przyjąć, że łączne koszty eksploatacyjne i
pozostałe wynoszą 1% wartości inwestycji.
W roku 1987 Unia Europejska zaproponowała aby w obiektach starych i
nowowznoszonych wprowadzić termin efektywności czyli podawać
roczne zużycie energii na dany obiekt.
84
7.1. PROGRAM OSZCZĘDNOŚCI ENERGETYCZNYCH.
Planowane stowarzyszenie Polski z Unią Europejską oznacza konieczność
przygotowania się podmiotów gospodarczych do nowych warunków
działania, a szczególnie konkurencji ze strony bardziej rozwiniętych
gospodarczo krajów zachodnioeuropejskich. Europejski Wspólny Rynek to
około 340 min potencjalnych klientów i około 7 milionów producentów
Jednym z elementów, które gwarantują utrzymanie się w czołówce krajów
nowoczesnych jest konieczność obniżenia energochłonności produktów
przez polski przemysł. A drogą do tego jest m.in. obniżka kosztów
produkcji, w tym kosztów pośrednich, związanych z zapewnieniem
właściwych warunków w pracy bezpośrednim wytwórcom towarów, co
wiąże się m.in. z kosztami eksploatacyjnymi w grzejnictwie.
Pozostaje szukanie zatem takich źródeł ciepła, które mogą wyeliminować
lub bardzo ograniczyć mankamenty ogrzewania konwencjonalnego. Na
pewno podstawowym czynnikiem obok zapewnienia właściwego komfortu
pracy, będą czynniki ekonomiczne. I tu zastosowanie promienników
gazowych lub elektrycznych, wykorzystujących zjawisko promieniowania
podczerwonego zdaje najlepiej egzamin. Nie tylko bowiem zapewnia
właściwy, pełny komfort pracy, a więc stałą temperaturę, przy ujemnym
gradiencie, ale także stałą wilgotność względną powietrza. Dochodzące do
70% oszczędności eksploatacyjne w stosunku do c.o., a także możliwość
strefowego i czasowego ogrzewania pomieszczenia oraz szereg innych
zalet czyni ten system ogrzewania znakomicie konkurencyjnym w stosunku
do systemów
tradycyjnych.
85
Rysunek 7.1. Koszy ogrzewania w zależności od czasu eksploatacji
Źródło: Kaspo Czechy
86
7.2. KOSZTY OGRZEWANIA HAL PROMIENNIKAMI.
Ograniczone możliwości otrzymania informacji o rzeczywistych kosztach
ogrzewania hal danym urządzeniem lub systemem ogrzewczym sprawiają,
że o wyborze urządzenia i jego zakupie najczęściej decyduje cena oraz
katalogowa wielkość zużycia nośnika energii: gazu, oleju lub prądu.
Zużycie nośnika w jednostce czasu pomnożone przez cenę jednostkową
tegoż nośnika ma dać pojęcie o kosztach ogrzewania hali produkcyjnej.
Wielkość kosztów ogrzewania hal zależy również od:
- charakterystyki technicznej hali
- wymaganego komfortu cieplnego wewnątrz hali
- zewnętrznych warunków pogodowych
- klasy urządzenia lub systemu ogrzewczego.
Wiadomo, że ze względów klimatycznych koszty ogrzewania hali np. na
Pomorzu i Śląsku są różne, choćby hale te miały podobną charakterystykę i
to samo urządzenie ogrzewcze. Co więcej – koszty mogą być inne dla tej
samej hali w różnych sezonach grzewczych.
Dla zakładu modernizującego system ogrzewania informacja o kosztach
ogrzewania hali o wiadomych parametrach jest niezwykle cenna, gdyż
stanowi podstawę do wstępnego wyliczania opłacalności zastosowania
nieznanego dobrze systemu ogrzewczego lub wyrobienia sobie opinii o
wstępnie wybranym urządzeniu.
87
7.3. PRZYKŁADOWE KOSZTY OGRZEWANIA HAL.
7.3.1. KOSZTY OGRZEWANIA DOBRZE IZOLOWANEJ
HALI.
Za przykład przyjęto halę produkującą okna PPH „Linda” w
Chrabaczowie.
Temperatura w hali w czasie pracy nie może przekroczyć 20°C, a dyżurna
18°C z uwagi na proces technologiczny i wysokie wymagania jakościowe.
W wysokiej części hali o powierzchni 624 m2 i kubaturze 5.304 m3
zamontowano 3 promienniki o mocy 38 kW nad suwnicą, na wysokości 6,4
m, w drugiej połowie hali o powierzchni 624 m2 i kubaturze 3.120 m3
zamontowano 4 promienniki o mocy 22kW.
Hala zbudowana jest ze słupków stalowych i belek trapezowych z wełną
mineralną o gr.13 cm. Dość znaczne przeszklenie ścian bocznych o
powierzchni ok.106 m2 z podwójną warstwą powietrza pomiędzy szybami
zapewnia bardzo dobre oświetlenie i dobrą izolację.
Dwie bramy wjazdowe dla samochodów ciężarowych są ocieplone wełną
mineralna, które są często otwierane podczas pracy.
Zachodnia część hali jest całkowicie odsłonięta i narażona na podmuchy
wiatru.
Dla takich warunków lokalizacyjno - konstrukcyjnych hali straty ciepła
przez przenikanie wyniosły 71 kW, a przez wentylację 82 kW.
W związku z dużą konfiguracją przestrzenną hali wydzielono 3 strefy z
niezależnym sterowaniem.
Średnie dobowe zużycie gazu wynosiło 66 kg, ale udało się obniżyć
zużycie do 55 kg dzięki zróżnicowaniu temperatur w niektórych strefach
roboczych.
88
Średni koszt ogrzewania 1 m2 liczony dla 7 miesięcy wyniósł 6,56 zł, a w
odniesieniu do 1 m3 3,44,zł z VAT.(10.1996-05.97).
Ponieważ jest to nowa hala nie można jednoznacznie porównać kosztów
ogrzewania promiennikami do innych metod ogrzewania. Ocenia się
jednak, że koszty te mogły by być 2-3 razy niższe od ogrzewania z
kotłowni lub nawiewem ciepłego powietrza.
7.3.2. KOSZTY OGRZEWANIA HALI SŁABO IZOLOWANEJ.
Hala produkcyjna w ZNMR Ostróda typu Mostostal o kubaturze 27.270 m3
i powierzchni 2.362 m2 to typowy obiekt lat 70 – tych.
Przeszklenie tej hali wynosi 75% powierzchni wszystkich ścian. Strop jest
izolowany wełną mineralną, ale ze świetlikami, nie stanowi większej
przeszkody dla ciepła emitowanego przez ponad 20 –to letnie grzejniki
Faviera.
Straty ciepła wyniosły 511 kW, a dla pozostałych pomieszczeń
warsztatowych 83 kW.
Na ogrzewanie wszystkich pomieszczeń zużyto 3.066 GJ energii nie
osiągając temperatury powyżej + 10°C. (10.1993.-03.1994).
Za ogrzewanie z pobliskiej kotłowni w sezonie 1992/93 i 1993/94
zapłacono odpowiednio 117.350 i 105.420 zł. I dlatego zdecydowano się
na zmianę ogrzewania.
W hali produkcyjnej zainstalowano 14 promienników o mocy 38 kW, a w
pozostałych 4 pomieszczeniach o łącznej powierzchni 542 m2 i kubaturze
1.016 m3 zainstalowano promienniki o mocy 22 i 13 kW. W każdym
pomieszczeniu zainstalowano indywidualny system odprowadzenia spalin
„przez ścianę”
Do wyliczeń liczby promienników i zużycia gazu przyjęto następujące
parametry:
89
- temperatura w pomieszczeniach 16°C
- średnia temperatura zewnętrzna w sezonie grzewczym 94/94 +3,5°C
- najniższa temperatura zewnętrzna -20°C
- liczba wymian powietrza na godz. –1
- sezon grzewczy trwa 180 dni
Za 6-cio miesięczny okres ogrzewania zapłacono 41.840 zł.
Promiennikowy system ogrzewczy, który jak zapewnia Zakład sprawdził
się w sezonie grzewczym 19994/45 i był ponad 2,5 - krotnie tańszy w
eksploatacji od centralnego ogrzewania konwekcyjnego zasilanego z
pobliskiej kotłowni, gdzie max. temperatura w hali wynosiła ok.10°C,
gdyby była możliwość podnieść temperaturę do 16°C – koszt ogrzewania
byłby 4,5 razy niższy.
Warto nadmienić, że w przypadku nagłej potrzeby ogrzania budynków,
można je uruchomić natychmiast, bez przygotowania i dodatkowych prac.
90
8. KRYTERIA DOBORU PROMIENNIKÓW I ZASADY
ROZMIESZCZENIA ICH W POMIESZCZENIU.
Dobierając ilość promienników należy wziąć pod uwagę nie tylko
obliczoną wydajność cieplną, ale również wysokość montażu, zasięgi
promieni cieplnych oraz odległości między urządzeniami. Należy
uwzględnić także warunki konstrukcyjne budynku, przeznaczenie obiektu,
sposób jego wyk9rzystania, konieczność równomiernego pokrycia
powierzchni hali lub ogrzewania tylko wydzielonych stanowisk pracy.
Tabela 8.1 Wysokość zawieszenia urządzeń w zależności od mocy.
Typ promiennika
Moc [kW]
Wysokość zawieszenia bezpośrednio
pod sufitem [m]
Min
Max
INFRA 6
28
4,0
6,0
INFRA 9
45
5,0
12,0
INFRA 12
45
5,0
8,0
Źródło: Systema Polska
Przy każdej wysokości instalacji natężenia promieniowania powinno się
rozkładać równomiernie. im wyżej umieszczony promiennik, tym większa
powierzchnia napromieniowania, a tym samym i większa moc potrzebna
dla zapewnienia równomiernego rozłożenia natężenia promieniowania.
pomocne w rozmieszczeniu urządzeń na hali mogą okazać się następujące
zależności przedstawione na rysunku:
91
Rysunek 8.1. Przykładowe rozmieszczenie promienników
Źródło: Kaspo Czechy
Przy projektowaniu ogrzewania na gaz ziemny nie wolno pominąć
wykonania otworów wywiewnych w najwyższej części budynku, zaś przy
ogrzewaniu na gaz płynny otwory należy umieścić w najniższej części
budynku.
Obowiązujące przepisy dotyczące przewodów spalinowych wymuszonego
ciągu:
- muszą być metalowe i wykonane z materiału odpornego na normalne
mechaniczne i termiczne naprężenia.
92
- mogą być użyte także sztywne rury ze stali nierdzewnej lub sztywne rury
aluminiowe (gr. 1,5 mm).
Powietrze musi być zasysane i spaliny muszą być usuwane przez oddzielne
przewody –połączone do końcówek, które przechodzą bezpośrednio przez
ścianę lub dach budynku.
Końcówki wylotu spalin i wlotu powietrza w ścianie powinny być
umieszczane w dostatecznej odległości od siebie aby zapobiec wejściu
spalin do wlotu powietrza (min. odległość – 200mm).
Do zasysania powietrza wlotowego i wyrzutu spalin zawsze powinny być
użyte sztywne rury metalowe o gładkiej wewnętrznej powierzchni i
średnicy 100 mm. Wszystkie rury i złączki powinny zapewnić
hermetyczność w stosunku do obsługiwanego pomieszczenia. W
przewodach spalinowych dłuższych niż 5-6 m, które nie są odpowiednio
izolowane, należy uwzględnić możliwo9ść powstania skroplin wewnątrz
przewodów.
Rysunek 8.2. Schemat układu odprowadzenia spalin.
Źródło: Systema Polska
93
1. Łańcuch
2. Haczyki „S”3.
3. Rura spalinowa ø100mm
4. Otwór do przeprowadzania analizy spalin
5. Kominek ø100mm
6. Podłączenie giętkie gazowe ¾”
7. Zawór kulowy
8. Linia gazowa zasilająca
9. przewód zasilający 6x1,5 mm2
8.1. OGRANICZENIA W ZASTOSOWANIU
PROMIENNIKÓW PODCZERWIENI.
Granica montowania promienników ceramicznych jest min. Wysokość 4,5
m, natomiast przy montowaniu promienników rurowych wysokość nie
może być mniejsza od 3,5 m.
Intensywność promieniowania dla tych wielkości nie powinna przekraczać
200 – 240 W/m2.
Dla przykładu „Instrukcja Robocza Niemieckiego Związku Gazownictwa”
podaje zastrzeżenia do montażu promienników.[1]
- w biurach i mieszkaniach
- w pomieszczeniach o zbyt niskiej wysokości
- w pomieszczeniach w których przechowuje się materiały łatwopalne
- w pomieszczeniach, w których występuje połączenie z w/w
pomieszczeniami.
94
9. OBLICZANIE ZAPOTRZEBOWANIA CIEPŁA.
9.1. PODSTAWOWE INFORMACJE.
Przy obliczaniu zapotrzebowania ciepła dla pomieszczenia ogrzewanego
przy pomocy promienników podczerwieni można stosować jako dokument
pomocniczy tzw. „Formularz doboru instalacji” zawierający podstawowe
dane do projektowania.
Podstawowe informacje zawarte w tym Formularzu to:
- wymiary pomieszczenia ogrzewanego, powierzchnia, objętość, grubość
murów, stopień przeszklenia i wartości odnoszące się do grubości szyb,
wielkość bram wjazdowych itp.
- możliwości zainstalowania promienników na danej wysokości z
uwzględnieniem wysokości toru suwnicy lub innych przeszkód
- ustalenie właściwej wymiany krotności powietrza,
- ustalenie technologii produkcji, rozmieszczenie stanowisk pracy,
zmianowości cyklu pracy, ilości pracujących mężczyzn i kobiet itp.
- ustalenia na żądanie właściciela obiektu {użytkownika} temperatury
wewnętrznej – maksymalnej i ew. temperatury dyżurnej oraz przyjęcie
zgodnie z wymaganiami normy polskiej odpowiedniej wielkości
temperatury zewnętrznej obliczeniowej,
- ustalenie wg miejscowych warunków lub na życzenie użytkownika
rodzaju paliwa (gazu) do zasilania instalacji grzewczej oraz przyjęcie
innych wytycznych odnoszących się do projektowania systemu
ogrzewania,
- zapoznanie się z dokumentacją budowlana obiektu, mapką sytuacyjno
wysokościową i ew. przeszkodami terenowymi.
95
Formularz ten jest podstawą do prowadzenia prac projektowych może on
być uzupełniony o inne niezbędne informacje, które w trakcie realizacji
prac projektowych projektant uzna za zasadne.
9.2 OBLICZENIA ZAPOTRZBOWANIA CIEPŁA W
BUDYNKACH WIELKOKUBATUROWYCH.
Hale istniejące, stare, z nieznanymi współczynnikami przenikania ścian.
1.Obliczenie sumarycznych strat ciepła:
Q=QP + Qw
[W]
2. Obliczenie strat ciepła przez przenikanie:
Q p= G ּ VR ּ (t i – t e) ּ (1 + K) [W]
3. Obliczenie strat ciepła na wentylację:
Qw 
n  VR  c p    (ti  te )
3,6
[W ]
G - oszacowany współczynnik izolacyjności zależy od powierzchni hali
[W/m2]
ti – żądana temperatura wewnątrz hali, [ºC]
te – temperatura wewnętrzna [ºC]
VR- kubatura obiektu [m3]
K- współczynnik zależny od wysokości hali
96
n – krotność wymian powietrza [h-1], dla wentylacji grawitacyjnej n = 0,50,8
cp - ciepło właściwe powietrza [średnio 1,02KJ/kgK]
ρ – gęstość powietrza [średnio 1/2kg/m3]
Qw – straty przez wentylację [W]
Qp – straty przez przenikanie [W]
Tabela 9.1. Tabela doboru współczynnika G
Powierzchnia (m2)/
MAX 200
200 - 500 500 - 1000 1000-3000
3000-
Współczynnik G
8000
(W/m2 ºC)
Bardzo dobrze izolowana
1,0
0,8
0,6
0,3
0,2
Dobrze izolowana
1,2
1,0
0,8
0,4
0,37
Średnio izolowana
1,8
1,6
1,0
0,6
0,5
Źle izolowana
2,6
2,2
1,4
0,9
0,7
Źródło: Systema Polska
Tabela 9.2. Tabela doboru współczynnika K
Wysokość
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0
0,025
0,05
0,075
0,1
0,125
0,15
0,175
0,2
hali
K
Źródło: Systema Polska
97
9.3. HALE NOWE , BUDOWANE ,ZE ZNANYMI
WSPÓŁCZYNNIKAMI PRZENIKANIA ŚCIAN.
1.Obliczenie sumarycznych strat ciepła
Q=Qp (1 + d1+ d2 ) + Qw [W]
2.Obliczenie strat ciepła przez przenikanie
Qp=kּA (ti – te) [W]
3.Obliczenie strat ciepła na wentylację
Qw 
n  V R  c p   (t i  t e )
3,6
[W ]
k– współczynnik przenikania ciepła [W/m2 °C]
A- powierzchnia przenikania ciepła [m²]
ti- żądana temperatura wewnątrz hali [ºC]
te-temperatura zewnętrzna [ºC]
d1-dodatek na wyrównanie wpływów niskiej temperatury powierzchni
przegród
chłodzących
d2-dodatek do strat ciepła pomieszczenia ,za pomocą którego uwzględnia
się
skutki nasłonecznienia przegród
VR- kubatura obiektu [m³]
98
n – krotność wymian powietrza (h-1) dla wentylacji grawitacyjnej n = 0,50,8
cp- ciepło właściwe powietrza [średnio 1,02 kJ/kgK]
ρ – gęstość powietrza [średnio 1,2kg/m³]
Tabela 9.3. Tabela doboru współczynnika d1
Liczba przegród chłodzących
1
2
3
4 i więcej
Parter
0,1
0,13
0,15
0,18
Piętro wyższe
0
0,03
0,05
0,08
d1
Źródło: Systema Polska
Tabela 9.4. Tabela doboru współczynnika d2
Rodzaj przegrody
d2
stropodach
-0,05
Strony świata
Przegrody pionowe
NE
N
NW
W
SW
S
SE
E
0
0
0
-0,05
-0,1
-0,1
-0,1
-0,05
Źródło: Systema Polska
9.4. PRZYBLIŻONA METODA OBLICZANIA
ZAPOTRZEBOWANIA CIEPŁA
1.Orjentacyjne zapotrzebowanie na moc cieplną
Q = Vּq( ti – te) [W]
2.Obliczenie charakterystyki cieplnej budynku
1,6
q  1/ 6 [W /( m 3 / K )]
V
99
q – charakterystyka cieplna budynku [W/(m3/K)]
V – kubatura budynku [m3]
ti – żądana temperatura wewnątrz hali [°C]
te- temperatura zewnętrzna [°C]
Tabela 9.5. Wartości charakterystyki cieplnej- q budynków użyteczności publicznej
Maksymalna kubatura budynku [m3]
q [W/(m3/K)]
5 000
0,35 – 0,40
10 000
0,35 - 0,38
25 000
0,32 - 0,35
50 000
0,30 - 0,32
Źródło: Systema Polska
100
PODSUMOWANIE.
Postawiony na wstępie pracy cel zakładał, że da się udowodnić istotność
stosowania ogrzewania promiennikowego w halach przemysłowych.
Zaproponowany w pracy system ogrzewania budynków
wielkokubaturowych promiennikami podczerwieni, jest
najkorzystniejszym rozwiązaniem z punktu widzenia ekonomicznego:
- niskie koszty serwisowo-obsługowe,
- niskie koszty inwestycyjne,
- mniejsze zużycie czynnika grzejnego (gazu),
- łatwy w regulacji i możliwy do uruchomienia w dowolnej chwili i
warunkach
z natychmiastowym skutkiem.
Systemy tego typu najlepiej sprawdzają się w pomieszczeniach o
wysokości powyżej pięciu metrów, oraz w halach słabo izolowanych.
101
SPIS TABEL.
TABELA 2.1. Długość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych. 15
TABELA 2.2. Przykładowe wartości współczynnika absorpcji.
31
TABELA 2.3. Stała promieniowania C=εCS różnych powierzchni
w temperaturze 0° do 200 °C w W/ m2 K4.
33
TABELA 2.4. Wartości wskaźnikowe współczynników przejmowania
promieniowania αs.
37
TABELA 3.1. Oddawanie ciepła.
46
TABELA 3.2. Wartości izolacyjne odzieży.
50
TABELA 3.3. Wpływ temperatury na liczbę wypadków.
55
TABELA 3.4. Ilość wytwarzanej energii metabolicznej przez ludzi. 55
TABELA 3.5. Optymalna temperatura na stanowiskach pracy.
56
TABELA 5.1. Wymagania higieniczne dotyczące strumienia
objętości powietrza wentylacyjnego.
TABELA 5.2. Wartości współczynnika φ.
75
75
TABELA 5.3. Najwyższe dopuszczalne stężenie zanieczyszczeń
(NDS) powietrza w pomieszczeniach.
TABELA 5.4. Krotność wymiany powietrza.
76
77
TABELA 8.1. Wysokość zawieszenia urządzeń w zależności od mocy.91
TABELA 9.1. Dobór współczynnika G.
97
TABELA 9.2. Dobór współczynnika K.
97
TABELA 9.3. Dobór współczynnika d1.
99
TABELA 9,4. Dobór współczynnika d2.
99
TABELA 9.5. Wartości charakterystyki cieplnej q budynków
użyteczności publicznej.
100
102
SPIS RYSUNKÓW.
Rys. 2.1. Obraz fali elektromagnetycznej.
10
Rys. 2.2. Rozkład temperatury wzdłuż widma promieniowania
słonecznego.
Rys. 2.3. Widmo promieniowania elektromagnetycznego.
12
15
Rys. 2.4. Zależność natężenia promieniowania zrównoważonego od
energii hv(czyli od czystości ) dla różnych temperatur
Zaznaczony obszar widzialny.
25
Rys. 2.5. Promieniowanie zrównoważone.
26
Rys. 2.6. Stożek promieniowania z powierzchni dA1 na
powierzchnię dA2.
38
Rys. 3.1. Rozkład temperatur przy różnym ogrzewaniu.
40
Rys. 3.2. Rozkład temperatur funkcji wysokości.
43
Rys. 3.3. Średnia temperatura promieniowania.
48
Rys. 4.1. Przykład zabezpieczenia przed wypływem gazu.
72
Rys. 6.1. Promiennik ceramiczny.
81
Rys. 7.1. Koszty ogrzewania w zależności od czasu eksploatacji.
86
Rys. 8.1. Przykładowe rozmieszczenie promienników.
92
Rys. 8.2. Schemat układu odprowadzenia spalin.
93
103
LITERATURA
1
Promienniki podczerwieni ogrzewanie XXI wieku M. Kowalczyk Gdańsk
2000
2
Ciepłownictwo - Poradnik. Praca zbiorowa. Warszawa 1995 r.
3
Ogrzewanie obiektów wielkokubaturowych przy pomocy promienników
podczerwieni. J. M. Borkowski i T. Budkiewicz. „Instalator Polski”. Nr
9/1995.
4
Ogrzewanie na podczerwień. M. Kowalczyk, „Rynek Instalacyjny” cz. 1
nr 8/96 i cz. 2 9/95.
5
Poradnik „Ogrzewanie + Klimatyzacja”. Recknagel, Sprenger,
Hoenmann,Schramek. Gdańsk 1995. Wyd. polskie V.
6
Warunki techniczne wykonania i odbioru robót budowlano –
montażowych. Praca zbiorowa. Warszawa 1996 r.
7
Ogrzewanie przez promieniowanie Dr Inż. Jaromir Cihelka Arkady 1965 r
8
Instalacje gazowe. R. Zajada COBO – Profil. Warszawa 1997 r.
9
Warunki techniczne instalowania urządzeń gazowych powszechnego
użytku. Rynek Instalacyjny Nr4/96. Warszawa.
10
Ogrzewanie obiektów wielkokubaturowych gazowymi promiennikami
podczerwieni M. Kowalczyk. Gdańsk 1997 r.
11
Gaz ziemny – paliwo i surowiec. J. Molenda. WZN, Warszawa 1993 r.
12
Sieci gazowe – projektowanie, budowa. K. Bąkowski, Arkady, Warszawa
1978 r.
13
Projektowanie instalacji gazowych. K. Bąkowski, R. Zajada. Arkady,
Warszawa 1983 r.
14
Podczerwień i jej zastosowanie, T. Barakowski, J. Giziński, A. Sala,
Warszawa 1961 r.
15
Podręcznik ogrzewania i wietrzenia. R. Rietschel, Warszawa 1960 r.
104
CZĘŚĆ PROJEKTOWO - OBLICZENIOWA
OBIEKT: ZAKŁAD PRODUKCYJNY
GRZEJNIKÓW ŁAZIENKOWYCH.
105
ZAWARTOŚĆ OPRACOWANIA.
1.
Lokalizacja obiektu
108
2.
Podstawa opracowania
108
2.1.
Projekt architektoniczno – konstrukcyjny hali
108
2.2.
Obowiązujące normy z zakresu ogrzewnictwa
109
2.3.
Materiały do projektu
109
3.
Zakres opracowania
110
3.1.
Opis techniczny
110
3.1.1. Wiadomości ogólne
110
3.1.2. Konstrukcja obiektu
111
3.1.3. Źródło ciepła
112
3.1.4. Ocena izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych
budynku
4.
Bilans cieplny obiektu
112
113
4.1.
Powierzchnie przegród stałych
113
4.2.
Współczynniki przenikania ciepła
113
4.3.
Straty ciepła przez przegrody stałe
115
4.4.
Straty ciepła przez wentylację
116
4.5.
Łączne straty ciepła obiektu
116
Dobór promienników podczerwieni ogrzewających halę
5.
główną
116
6.
Obliczenia instalacyjne wewnętrznej sieci gazowej
118
7.
Instalacja sterowania systemem promiennikowym i układ
detekcji wycieków gazu
118
7.1.
Parametry techniczne
118
7.2.
Opis techniczny obiektu
118
7.3.
Sterownica RS
119
7.4.
Instalacja zasilania promienników
119
106
7.5.
Instalacje automatyki i sterowania
120
7.6.
Układ wyłączenia awaryjnego
121
7.7.
Zabezpieczenia
122
7.8.
Zagadnienia bhp
122
8. Główne komponenty urządzenia
123
Spis tabel
130
Spis rysunków
130
107
1.
LOKALIZACJA OBIEKTU.
Omawiany budynek znajduje się w Poznaniu przy
ul. Wrześińskiej 20. Budynek znajduje się na terenie działki należącej do
firmy produkującej grzejniki łazienkowe.
Obiekt zbudowany w latach 60-tych,który należał niegdyś do Zakładów
Taboru Kolejowego.
2.
PODSTAWA OPRACOWANIA.
2.1. PROJEKT ARCHITEKTONICZNO –KONSTRUKCYJNY
HALI.
Omawiany obiekt składa się z dwóch części:
-
przeznaczonej na pomieszczenia produkcyjne,
-
i pomieszczeń pomocniczych.
Część produkcyjna podzielona jest na trzy części. Jedną część
stanowi komora lakiernicza grzejników, dwie pozostałe to pomieszczenia
do obróbki materiałów. W części zachodniej znajdują się pomieszczenia
biurowe i magazyny.
Całość stanowi obiekt jednokondygnacyjny, niepodpiwniczony,
kryty stropodachem.
Temperatura wymagana w hali produkcyjnej
18˚C
108
2.2. OBOWIĄZUJĄCE NORMY Z ZAKRESU
OGRZEWNICTWA.
 Temperatury obliczeniowe zewnętrzne PN – 82 – B – 02403
 Obliczenia zapotrzebowania na ciepło do 600 m3 PN – B – 03406
 Obliczenia sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania
budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej
PN – B – 02 – 025
 Ogrzewnictwo temperatury ogrzewanych pomieszczeń w budynkach
PN – 82/B - 02402
 Ogrzewnictwo obliczeniowe zewnętrzne PN – 82/B – 02403
 Ogrzewnictwo obliczeniowe zapotrzebowania ciepła pomieszczeń o
kubaturze do 600 m3.
2.3. MATERIAŁY DO PROJEKTU.
W opracowaniu wykorzystano jako merytoryczna podstawę:
• Polska Norma PN-91/B-02020 „Ochrona cieplna budynków.
Wymagania i obliczenia”
• Polska Norma PN-83/B-03430 „Wentylacja w budynkach mieszkalnych,
zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania”.
• Polska Norma PN-94/B-03-406 „Obliczenia zapotrzebowania na ciepło
pomieszczeń o kubaturze do 600 m3”.
• Instrukcja Instytutu Techniki Budowlanej Nr 330 „Obliczanie
sezonowego zapotrzebowania ciepła do ogrzewania budynków
mieszkalnych”, Warszawa 1994.
• Instrukcja Instytutu Techniki Budowlanej Nr 342/96 „Uproszczony
sposób obliczania sezonowego zapotrzebowania ciepła do ogrzewania
109
budynków mieszkalnych”. Warszawa 1996.
• Instrukcja Instytutu Techniki Budowlanej Nr 334/96 „Ocieplanie ścian
zewnętrznych budynków metoda lekka”, Warszawa 1996.
• Zarządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia
30.09.1997r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny
odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. nr.132 z dnia
28.10.1997r.)
3.
ZAKRES OPRACOWANIA.
PROJEKT OGRZEWANIA HALI PRODUKCYJNEJ ZA
POMOCĄ PROMIENNIKÓW GAZOWYCH.
3.1. OPIS TECHNICZNY.
3.1.1. WIADOMOŚCI OGÓLNE.
Dane techniczne:
-
liczba kondygnacji
-
-
wysokość kondygnacji nadziemnych:
-
hala
-
powierzchnia zabudowy
-
kubatura budynku:
-
hala
-
1
7,3 m,
-
2481,66 m2,
18116,12 m3,
110
3.1.2. KONSTRUKCJA OBIEKTU.
Posadzka
Ściany:
-
gres
-
beton
-
2 x papa na lepiku
-
piasek
-
pustak
-
tynk cem. – wapienny
Stropodach: -
-
2 cm,
-
20 cm,
20cm
-
35 cm,
-
4 cm.
2 x papa na lepiku
-
gładź cementowa
-
2 cm,
-
płyta żelbetowa
-
5 cm,
-
styropian
-
1 cm.
Okna w budynku w większości są pojedynczo szklone w metalowej
ramie. Okna w części administracyjno - biurowej są wykonane z PCW,
zespolone, podwójnie szklone.
Drzwi i wrota wjazdowe metalowe, uchylne.
111
3.1.3. ŹRÓDŁO CIEPŁA.
Obecnie budynek zasilany jest z zakładowej kotłowni opalanej
opałem stałym. Kotłownia zlokalizowana jest poza terenem zakładu w
osobnym budynku. Czynnik grzewczy do poszczególnych budynków, w
tym i do hali, rozprowadzany jest za pomocą sieci cieplnej.
Istniejąca instalacja c.o. jest instalacją wodna o parametrach
90/70°C. Ciepło oddawane jest do pomieszczeń za pomocą
zamontowanych grzejników żeliwnych żeberkowych.
W części administracyjno biurowej instalacja została
zmodernizowana. Zamontowane są tam grzejniki płytowe i kocioł gazowy.
3.1.4.OCENA IZOLACYJNOŚCI CIEPLNEJ PRZEGRÓD
ZEWNĘTRZNYCH BUDYNKU.
Na podstawie przeprowadzonych oględzin, dostępnej dokumentacji
technicznej budynku określono rzeczywisty stan techniczny budynków, a
współczynniki przenikania ciepła dla przegród budowlanych policzono za
pomocą programu komputerowego KAN ozc.
Poniżej przedstawiono podstawowe wielkości charakteryzujące
parametry cieplne przegród budowlanych.:
Ściany zewnętrzne
-
0,51 W/m2K
Stropodach
-
0,89 W/m2K
Posadzka
-
0,70 W/m2K
Okna
-
5,60 W/m2K
Drzwi i wrota metalowe
-
5,60 W/m2K
112
4.
BILANS CIEPLNY OBIEKTU.
4.1. POWIERZCHNIE PRZEGRÓD STAŁYCH.
Hala główna:
Posadzka
2481,66 m2
Ściany (tz = -180C)
1752 m2 (brutto)
Okna i wrota
960,0 m2
Ściany (tz = -180C)
792,0 m2 (netto)
Strop
2481,66 m2
4.2. Współczynniki przenikania ciepła.
Posadzka
g (m)
λ (W/mK):
R(m2K/W):
Gres
0,02
1,00
0,020
Beton
0,20
1,70
0,118
2 x papa na lepiku
0,01
0,18
0,056
Piasek
0,20
0,40
0,500
WARSTWA
0,694
Rg = 0,5 m2K/W
k = 1/(0,694 + 0,500) = 0,838 W/m2K
Okna: k = 2,600 W/m2K, k = 5,100 W/m2K
113
Drzwi: k = 2,500 W/m2K
Ściany:
λ (W/mK): R(m2K/W):
WARSTWA
g (m)
Cegła kratówka
0,35
0,560
0,625
Tynk wapienno –
0,04
0,820
0,049
cementowy
0,674
Ri = 0,13 m2K/W
Re= 0,05 m2K/W
k = 1/(0,674 + 0,13 + 0,05) = 1,17 W/m2K
Strop
WARSTWA
g (m)
λ (W/mK): R(m2K/W):
2 x papa na lepiku
0,01
0,180
0,056
Gładź cementowa
0,02
1,000
0,020
Płyta żelbetowa
0,05
1,700
0,029
Styropian
0,01
0,045
0,222
0,327
Ri = 0,13 m2K/W
Re= 0,05 m2K/W
k = 1/(0,327 + 0,13 + 0,05) = 1,99 W/m2K
114
4.3. STRATY CIEPŁA PRZEZ PRZEGRODY STAŁE.
Straty ciepła przez przegrody stałe hali produkcyjnej
PRZEGRODA
F(m2):
dt(K): k(W/m2K): Qs(kW):
Posadzka
2481,66
36
0,838
74,87
Ściany
792,00
36
1,17
33,36
Okna i wrota
960,00
36
5,10
176,26
Strop
2481,66
36
1,99
177,79
Razem
462,28
Obliczenie zapotrzebowania ciepła metodą proponowaną przez firmę „Systema”
zajmującą się produkcją i doborem promienników podczerwieni.
Qp=0,7x18116,12x36x1,075/1000=490,77 kW
4.4. STRATY CIEPŁA PRZEZ WENTYLACJĘ.
Hala główna:
Krotność wymiany powietrza:
n = 1,0 V/h
Kubatura obiektu:
V = 18116,12 m3
Qw = (18116,12 m3 : 3600s) x 1,20 kg/m3 x 1,02 kJ/kgK x 36 K =
=221,74 kW
115
4.5. ŁĄCZNE STRATY CIEPŁA OBIEKTU.
Hala główna:
Qu = Qs + Qw = 490,77 + 221,74 = 712,51 kW
5. DOBÓR PROMIENNIKÓW PODCZERWIENI
OGRZEWAJĄCYCH HALĘ GŁÓWNĄ.
Straty ciepła: Qu = 712,51 kW
712,51/45 = 15,83
Dobrano 16 szt. promienników rurowych– o parametrach:
Typ
Producent
Infra 12
„Systema”
Nominalna moc cieplna 1 szt.
45 kW
Łączna moc zainstalowana
720 W
Rodzaj gazu
GZ – 50
Zużycie gazu przez 1 szt.
4,60 m3/h
Zasilanie promiennika
Masa promiennika
220 V/50Hz
209,3 kg
116
6. OBLICZENIA INSTALACYJNE WEWNĘTRZNEJ SIECI
GAZOWEJ.
Łączne, maksymalne zużycie godzinowe gazu przez system grzewczy
obiektu:
Σ mhmax = 16 x 4,6 m3/h = 73,6 m3/h
Dobór średnic rurociągów gazowych:
Nr
Przepływ
Średnica
odcinka:
(m3/h):
nominalna:
11 – 10
46
DN80
10 – 9
41,4
DN65
9–8
36,8
DN65
8–7
32,2
DN50
7–6
27,6
DN50
6–5
23
DN40
5–4
18,4
DN32
4–3
13,8
DN25
3–2
9.2
DN25
2–1
4,6
DN20
11 – 12
27,6
DN50
12 – 13
23
DN40
13 – 14
18,4
DN32
14 - 15
13,8
DN32
15 – 16
9,2
DN25
16 – 17
4,6
DN20
Oznaczenia odcinków rurociągów – zgodne z rys. nr: 01/1.
Podstawa doboru średnic rurociągów:
117
Diagram:[13]
D = f(m,l)
gdzie:
D – średnica nominalna rury (mm)
m – przepływ masowy (m3/h)
l – długość odcinka rury(m)
7. INSTALACJA STEROWANIA SYSTEMEM
PROMIENNIKOWYM I UKŁAD DETEKCJI WYCIEKÓW
GAZU.
7.1. PARAMETRY TECHNICZNE.
Sieć zasilająca
- 220 V/50Hz, TN – S
Instalacje odbiorcze
- 220 V/50Hz
Instalacje sterowania
- 12 V DC
7.2. OPIS TECHNICZNY OBIEKTU.
Obiekt w części objętej projektem składa się z hali. Hala podzielona
została na 2 strefy grzewcze, z regulacją temperatury.
Strefy grzewcze będą ogrzewane promiennikami gazowymi typu Infra 12.
Na ścianie zainstalowana zostanie sterownica RS z układami: automatyki
do sterowania systemem promiennikowym, oraz wykrywania wycieków
gazu.
118
7.3. STEROWNICA RS.
Sterownica RS zasilana będzie z głównej rozdzielnicy napięcia. Napięcie
zasilania sterownicy RS: 220 V/50Hz w układzie TN – S.
Sterownica RS zasila i zabezpiecza, oraz steruje pracą promienników
podczerwieni.
W skład wyposażenia sterownicy wchodzą:
 aparaty elektryczne;
 regulatory temperatury;
 programator czasowy;
 moduł alarmowy detektorów gazu;
 zasilacz.
7.4. INSTALACJA ZASILANIA PROMIENNIKÓW.
Instalacje obejmują zasilanie 16 – tu promienników typu Infra 12
rozmieszczonych w 2 – óch strefach temperaturowych.
Obwody zasilania wykonać należy przewodami YDYżo 3 x 1,5 mm2.
Kable układać należy w korytkach kablowych; na odcinkach
przyłączeniowych do promienników, można je podwieszać do linek
stalowych.
W miejscach skrzyżowania z rurociągami, lub innymi instalacjami –
stosować należy osłony z rur stalowych. W pobliżu instalacji gazowych
kable należy prowadzić powyżej rur, w odległości min. 10 cm.
Kable wyprowadzone z rozdzielnicy RS wyposażyć należy w oznaczniki
opisane symbolami poszczególnych kabli.
Końcówki żył kabli wprowadzonych do sterownicy oznaczyć należy
numerem zacisku, do którego są podłączone.
119
7.5. INSTALACJE AUTOMATYKI I STEROWANIA.
Instalacje automatyki i sterowania obejmują:
 instalacje kontroli temperatury (czujniki: T1 i T2);
 instalacje kontroli wycieków gazu (detektory: DG1, DG2, DG3);
 instalację sterowania elektrozaworu odcinającego dopływ gazu;
 instalację buczka i lampy sygnalizacyjnej.
Obwody instalacji automatyki i sterowania wykonać należy przewodami:
 czujniki temperatury T1, T2
- LIYCY 3 x 0,75 mm2
 detektory gazu DG1 – DG4
- YstY 4 x 1,0 mm2
 elektrozawór EV – 386
- YstY 3 x 2,5 mm2
 buczek i lampa sygnalizacyjna - YstY 2 x 1,0 mm2
Sposób wykonania instalacji – wg wymagań pkt. 8.4.
UWAGA:
Przewody czujników temperatury i detektorów gazu muszą być ułożone w
odległości min. 0,5 m od przewodów zasilania promienników (oraz
innych, istniejących w hali przewodów elektrycznych).
Czujniki temperatury montować na wysokości 1,8 m nad poziomem
posadzki.
Detektory gazu montować w górnej części hali.
Na kablu połączeniowym, bezpośrednio przez wejściem do obudowy
czujnika – zaleca się zrobić pętelkę lub „U”.
120
Regulacja temperatury w strefach odbywa się poprzez regulatory typu
RET – 60 zamontowane w szafie RS.
Do pomiaru temperatury zastosowano czujniki typu PT – 100,
umieszczone w strefach grzewczych.
Zmianę trybu pracy systemu promiennikowego z dziennego na nocny
dokonuje się za pomocą sterownika czasowego z zadanym programem
tygodniowym.
Do wykrywania wycieków gazu zastosowano 4 detektory typu ALPA –
7G. Detektory połączone są z modułem alarmowym typu ALPA P –
17/XE, umieszczonym w szafie RS.
System kontroli wycieków gazu posiada 2 progi czułości:
 przekroczenie I – ego progu (10% DGW) powoduje zapalenie
lampki sygnalizacyjnej na drzwiach szafy RS, oraz zewnętrznej
lampy alarmowej;
 przekroczenie II – ego progu (20% DGW) powoduje załączenie
buczka, oraz odcięcie zewnętrznego elektrozaworu bezpieczeństwa.
121
7.6. UKŁAD WYŁĄCZENIA AWARYJNEGO.
Zadaniem układu jest wyłączenie dopływu gazu do promienników.
Wyłączenia dokonuje się przyciskiem na drzwiach szafy RS „STOP –
AWARIA”.
7.7. ZABEZPIECZENIA.
W obwodach zasilania wyprowadzonych ze sterownicy RS zastosowano
zabezpieczenia różnicowo – prądowe o progu zadziałania 30 mA, oraz
zabezpieczenia nadprądowe.
7.8. ZAGADNIENIA BHP
Instalacje elektryczne wykonać należy w układzie TN – S.
Zabrania się zabezpieczać, lub przerywać obwód PE.
Jako ochronę dodatkową przed porażeniem elektrycznym przewidziano
SZYBKIE WYŁĄCZANIE.
122
8. GŁÓWNE KOMPONENTY URZĄDZENIA.
8.1. PROMIENNIKI ZASTOSOWANE W PROJEKCIE.
Hermetyczny ogrzewacz gazowy typu promiennikowego, zaprojektowany przez
firmę Systema, składa się z palnika, przystosowanego do spalania różnych
typów gazu, wentylatora ssącego, podwójnego zaworu gazowego
i elektronicznej centralki sterująco-kontrolnej. Wszystkie te elementy znajdują
się wewnątrz stalowego, hermetycznego pojemnika. Korpus grzewczy składa się
z rury ze stali węglowej, ukształtowanej w formie litery „U”, wewnątrz której
zachodzi proces spalania, podczas którego jej zewnętrzna powierzchnia
rozgrzewa się do temperatury ok.380ºC. W warunkach tych korpus grzewczy
nie zmienia koloru, nie emitując tym samym fal elektro-magnetycznych z
zakresu widzialnego, lecz wyłącznie fale termiczne (podczerwone).
Ponad każdym korpusem grzewczym ,wzdłuż całej długości znajduje się
specjalnie ukształtowany reflektor, który odbija emitowane ciepło, kierując je
w dół na powierzchnie, które mają być ogrzewane.
Ogólne dane techniczne:
Wykaz dostarczanych elementów:
Wszystkie moduły ogrzewcze (INFRA 6, INFRA 9, INFRA 12) są dostarczane
rozmontowane i wymagają montażu określonej liczby części na miejscu.
a) Wentylator i palniki jest dostarczany łącznie ze wszystkimi do nich częściami
w tekturowym pudełku, które zawiera złącze kompensacyjne, wsporniki oparcia
rur, sprężyny trzymające osłony, torbę zawierającą śruby do połączeń
wsporników, rur promiennika i poszczególne uszczelki, panel elektryczny dla
modułów INFRA z indywidualnymi termostatami (na zamówienie), dwie
końcówki ścienne powietrze/spaliny. (na zamówienie).
123
b) Poszczególne części promienników są dostarczane jako przygotowane z
kołnierzami montażowymi. Są pomalowane i owinięte zabezpieczającą folią
nylonową i zestawione następująco:
Budowa modelu Infra 12
-1 szt. rura promieniująca ze stali nierdzewnej o średnicy 114 mm
(z wewnętrzną komorą ze stali nierdzewnej) o długości 5920 mm;
-1 szt. ukształtowana rura promieniująca typu U ze stali nierdzewnej, o średnicy
108 mm i długości 5957 mm;
-1 szt. rura promieniująca o średnicy 108 mm i długości 5950 mm
Kaptury reflektora ze stali nierdzewnej są dostarczane ułożone jeden na drugim
i każdy posiada zabezpieczenie z folii plastykowej chroniącej go przed
zarysowaniem, która musi być usunięta przed umieszczeniem kaptura na
wspornikach (każdy o wymiarach 180x530x3000 mm).
Kaptury RBT są dodatkowo wyposażone w warstwę wełny mineralnej na ich
górnej części .Izolacja ta przykryta jest osłoną z blachy ocynkowanej i
przymocowanej zawleczkami.
124
Rysunek 8.1. Widok palnika
Tabela 8.1. Widok promiennika.
Pozy.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10A
10B
11
12
Opis
Wentylator
Przyłącze gazowe
Uszczelka wentylatora
Palnik
Uszczelka palnika
Podkładka
Ekran promiennika
Sprężyna
Nakrętka M8
Część górna wspornika
Część dolna wspornika
Śruba M8
Śruba M5
Poz.
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
32a
32a
Opis
Rura powrotna
Kołnierz
Połączenie rurowe
Rura zasilająca
Kołnierz A108
Uszczelka 100-80
Uszczelka R80
Rura powrotna
Rura zasilająca
Redukcja centryczna
Kolano 180˚
Podpora przypalnikawa górna
Podpora przypalnikowa dolna
125
Rysunek 8.2. Widok palnika
Tabela 8.2. Widok zespołu palnika z listą komponentów
Poz.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Opis
Pokrywa połączeń elektrycznych
Złącze męskie 5 pin
Złącze damskie 5 pin
Złącze damskie 3 pin
Złącze męskie 3 pin
Kontrolka zatrzymania
Kontrolka pracy
Centralka elektryczna
Sterownik Brahma
Różnicowy włącznik ciśnienia
Śruba M4
Sztaba AL. Elektrozaworu
Śruba M6
Zespół elektrozaworu
Poz.
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
Opis
Śruba
Pokrywa
Śruba
Uszczelka
Przesłona powietrza
Tuba palnikowa
Obudowa palnika
Śruba
Końcówka pomiaru ciśnienia
Drzwiczki
Gałka
Wentylator
Tacka kondensacyjna
126
Tabela 8.3. Dane techniczne promienników
Modele
Moc cieplna promiennika
Moc cieplna palnika
Sprawność palnika
Max zużycie gazu Gaz ziemny GZ-50
Gaz ziemny GZ-35
Gaz ziemny GZ-41,5
Propan
Ciśnienie
Gaz ziemny GZ-50
zasilania
Gaz ziemny GZ-35
Gaz ziemny GZ-41,5
Propan
Ciśnienie na
Gaz ziemny GZ-50
dyszy
Gaz ziemny GZ-35
Gaz ziemny GZ-41,5
Propan
Średnica dyszy
Gaz ziemny GZ-50
Gaz ziemny GZ-35
Gaz ziemny GZ-41,5
Propan
Wymiary
Szerokość
promiennika
Wysokość
Długość
Waga
Średnica przewodu gazowego
Średnica
Powietrze
przewodu
Spaliny
Zasilanie elektryczne
Typ zabezpieczenia
Jedn.
kW
kW
%
m3/h
m3/h
m3/h
kg/h
mbar
mbar
mbar
mbar
mbar
mbar
mbar
mbar
mm
mm
mm
mm
mm
mm
mm
Kg
Cal
Mm
Mm
V/Hz
-
Infra 6
28
24,1
90,1
2,80
3,20
3,10
2,21
7,6
Infra 9
45
38,9
90,3
4,60
5,28
5,09
3,79
20
13
20
36
7,6
Nastawa
max
Nastawa
max
7,6
Nastawa
max
4,7
6,3
5,5
2,5
520
230
6625
94,2
¾
100
100
Infra 12
45
39
90,6
4,70
5,38
5,20
3,79
7,6
Nastawa
Max
7,6
7,6
Nastawa
max
Nastawa
Max
6,0
6,0
8,0
8,0
7,0
7,0
3,2
3,2
520
520
230
230
9625
12625
144,0
209,3
¾
¾
100
100
100
100
230/50
IP 40
Elektroniczna jednostka sterująca jest taka sama we wszystkich modelach,
steruje elektrozaworem, zapłonem palnika, pracą elektrody jonizującej. Po
otrzymaniu elektrycznego sygnału od termostatu pomieszczenia, sterownik
przeprowadza kontrolę normalnej pracy wyłącznika ciśnieniowego. Następnie
sterownik podaje sygnał do przedmuchu komory spalania (20 sekund) i wyzwala
iskrę wymaganą do uruchomienia palnika. Jeśli płomień nie pojawia się w ciągu
127
oznaczonego czasu (10s), urządzenie blokuje się. W celu uzyskania normalnych
warunków, operator musi odczekać kilka sekund po czym wyłączyć i włączyć
urządzenie ponownie.
Tabela 8.4. Dane techniczne elektronicznej jednostki sterującej
Nazwa
Model
Zasilanie
Temperatura pracy
Czas przedmuchu
Czas zapłonu
Czas wyłączenia
BRAHMA
CM 11
220/240 V 50/60 Hz
-20˚-+60˚ C
20 s
Max. 10 s
<1s
Zawór gazowy jest taki sam we wszystkich modelach: wielofunkcyjny,
wielogazowy i wyposażony w podwójny elektrozawór klasy B (połączony
szeregowo), regulator ciśnienia, urządzenie płynnego narastania mocy palnika i
filtr gazowy. Gwintowane połączenia wejścia /wyjścia z poszczególnymi
otworami kontrolnymi ciśnienia są umieszczone na aluminiowym korpusie
zaworu. Zarówno regulacja zaworu, jak i obsługa w postaci wymiany cewek,
musi być wykonana wyłącznie przez wykwalifikowany personel.
Tabela 8.5. Dane techniczne elektrozaworu gazowego
Model
Zasilanie
Zabezpieczenie elektryczne
Czas zamknięcia
Temperatura pracy
Max. Ciśnienie wejścia gazu
Zakres ciśnienia wyjścia
Przepływu gazu (przy spadku ciśnienia 5 mbar)
830 TANDEM – SIT
220/240 V 50/60 Hz
IP 54
< 1s
º
-20 C -+60 º C
60 mbar
3-50 mbar
4,8 m3 /h
Różnicowy wyłącznik ciśnienia służy do przerwania pracy urządzenia kiedy
występuje brak wystarczającego podciśnienia w układzie promiennika.
Wyłącznik ciśnieniowy umieszczony wewnątrz skrzyni palnika wykrywa
ciśnienie w samej skrzyni i przez silikonową rurkę ciśnienie wewnątrz komory
128
spalania. Różnica między tymi dwoma wartościami ciśnień podczas działania
palnika daje sygnał kontrolny dla bezpiecznego i poprawnego spalania.
Tabela 8.6. Charakterystyka różnicowego włącznika ciśnienia
Model
Pozycja zamontowania
Max. Ciśnienie pracy
Wartość zamknięcia
Wartość otwarcia
Przyłącze pneumatyczne
Temperatura pracy
SIT Kod 0,380,36
Pionowa
50 mbar
75 Pa (±5 Pa)
60 Pa (±5 Pa)
6 mm (średnica)
0-+85 Cº
Tabela 8.7. Silnik wentylatora.
Dane znamionowe silnika elektrycznego
Model
Zasilanie
Moc
Prąd znamionowy
Prędkość obrotowa
Kondensator
Izolacja
rf 89/2
230V-50Hz
0,10 Kw
0,9 A
2660
4Μf 450 V
H
129
Spis tabel:
TABELA 8.1. Widok promiennika Infra 12.
125
TABELA 8.2. Widok zespołu palnika z listą komponentów.
126
TABELA 8.3. Dane techniczne promienników.
127
TABELA 8.4. Dane techniczne elektronicznej jednostki sterującej.
128
TABELA 8.5. Dane techniczne elektrozaworu gazowego.
128
TABELA 8.6. Charakterystyka różnicowego włącznika ciśnienia.
129
TABELA 8.7. Silnik wentylatora.
129
Spis rysunków:
Rys. 10.1. Widok promiennika.
125
Rys. 10.2. Widok palnika.
126
Rys.10.3. Rozprowadzenie gazu
Rys. 10.4. Reduktor gazu
Rys.10.5. Gazomierz
130
131