К истории разработки и использования газовых горелок инфракрасного излучения

Одним из наиболее эффективных способов передачи тепловой энергии от источника к нагреваемому объекту является тепловое излучение, особенно в инфракрасном диапазоне. Инфракрасное излучение обладает большой проницаемостью, а инфракрасные лучи в чистом воздухе практически не подвержены атмосферному поглощению, что позволяет тепловой энергии без существенных потерь достигать обогреваемой поверхности.

Такие свойства инфракрасных нагревателей способствуют их применению в промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве для отопления больших помещений и открытых площадок, термической обработки материалов и изделий. Широкому индустриальному применению инфракрасного нагрева способствовало появление газовых горелок инфракрасного излучения (ГИИ), которые оказались долговечнее и экономичнее своих электрических аналогов.

Первые ГИИ были разработаны и запатентованы в Германии еще до начала второй мировой войны. В Советском Союзе исследования газового инфракрасного нагрева и конструирование ГИИ началось в середине 50-ых годов прошлого столетия, что было обусловлено началом массовой газификации.

Наиболее масштабные в те годы научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области разработки и исследования ГИИ проводились в Саратовском институте «Гипрониигаз», институте «Мосгазпроект», ЦКБ Киевского совнархоза, институте использования газа АН УССР, Академии коммунального хозяйства им. Памфилова.

В 1959 году институту «Гипрониигаз» было поручено разработать опытные образцы ГИИ, работающих на природном газе низкого давления и пропан-бутане, а также исследовать возможность применения ГИИ в промышленности и городском хозяйстве.

Первые отечественные ГИИ имели излучающую поверхность, собранную, из керамических перфорированных плиток, внешний вид которых показан на рис. 1 (размеры плитки 70х47х11,5 мм; диаметр огневого отверстия – 1,55 мм; количество огневых отверстий – 682 шт.). Такие численные параметры, полученные в результате расчетов и экспериментальных исследований, обеспечивали малое гидравлическое сопротивление при сгорании газа, равномерность прогрева и высокую теплонапряженность поверхности. На рис. 2, а–е представлены фотографии первых ГИИ конструкции института «Гипрониигаз». Одновременно с исследованиями керамических насадок, специалисты института много экспериментировали с излучающими элементами из металлической сетки, которые затем широко применялись при серийном производстве ГИИ.

Рис. 1. Керамическая плитка для горелки инфракрасного излучения

С точки зрения современной классификации первые советские ГИИ относились к горелкам «светлого» типа, температура излучающей поверхности которых составляет 800–1000ºC, а продукты сгорания газа отводятся непосредственно в помещение. ГИИ «темного» типа с закрытой камерой сгорания (температура излучающей поверхности до 600 ºC и искусственное удаление продуктов сгорания газа за пределы помещения) также прорабатывались нашими учеными, но широкого применения в СССР не получили из-за более сложной конструкции и высокой стоимости изделий. Хотя, конечно, «темные» ГИИ имели существенно лучшие санитарно-гигиенические и экологические характеристики. Зарубежные компании, кстати, всегда равномерно развивали производство и «светлых», и «темных» ГИИ, поэтому в 90-ых «темные» горелки массово стали поступать в Россию из других стран.

Рис. 2, а. ГИИ с 16 излучающими плитками в рефлекторе на подставке

Рис. 2, б. ГИИ типа «Фонарь» с частично набранными плитками

Рис. 2, в. ГИИ типа «Фонарь» на подставке

Рис. 2, г. Удлиненная горелка инфракрасного излучения

Рис. 2, д. Восьмиплиточная горелка инфракрасного излучения

Рис. 2, е. Серийно выпускавшаяся горелка инфракрасного излучения

Работа в области газовых ГИИ в СССР развивалась по следующим основным направлениям:

• конструирование и исследование газовых излучателей нового типа, включая материалы излучающих поверхностей, автоматику розжига и безопасности ГИИ;
• исследование температурных режимов работы ГИИ и их спектральных характеристик;
• разработка методик расчета количества и размещения ГИИ для отопления помещений различного назначения (промышленные цеха, спортивные сооружения, животноводческие фермы, теплицы и т.д.);
• разработка методик расчета количества и размещения ГИИ для термической обработки (обогрева) сооружений, материалов и изделий на открытых площадках;
• апробация и внедрение разнообразных конструкций ГИИ на промышленных, транспортных, сельскохозяйственных и коммунальных объектах.

Огромный вклад в реализацию указанных направлений внесли такие известные специалисты в области газогорелочных устройств как А. М. Левин, А. К. Родин, М. А. Маевский, О. Н. Брюханов, Е. В. Крылов, Г. М. Оксюта и др.

Периодом наиболее массового исследования и внедрения ГИИ следует считать временной отрезок с 1960 г. по 1990 г. Газовые ГИИ выпускались в большом количестве и самой широкой номенклатуры.

Наибольшее распространение ГИИ получили при отоплении промышленных и, особенно, сельскохозяйственных зданий (коровников, свинарников, теплиц и т.п.). Институтом «Гипрониигаз» были разработаны многочисленные методики расчета количества и размещения ГИИ для отопления помещений различного назначения, а также соответствующие программные продукты для ЭВМ. Нормативные требования по проектированию систем лучистого отопления на базе ГИИ были включены в соответствующие строительные нормы и правила.

Кроме того, достаточно масштабное применение ГИИ нашли в различных технологических процессах. Их использовали, например, для разогрева смерзшегося железнорудного концентрата, термической обработки бетона, сушки лакокрасочных покрытий, для сушки и копчения мясных продуктов и еще для многих других процессов, связанных с необходимостью теплового воздействия. При этом в производственных условиях часто использовали мобильные установки с ГИИ, в которых в качестве источника газа использовались баллоны с пропан-бутаном. Автономность и транспортабельность таких установок позволяла разрабатывать и реализовывать самые оригинальные и актуальные технические решения. В частности, была разработана установка для обогрева газовыми ГИИ железнодорожных стрелочных узлов. В Саратове проводилась апробация систем лучистого отопления с ГИИ для открытых павильонов на остановках общественного транспорта. Еще в 60-ые годы прошлого века предлагалось осуществлять локальное отопление клиентских зон уличных кафе с помощью газовых ГИИ типа «Фонарь». Кстати, эта идея была успешно реализована в ряде стран, подобные современные изделия сегодня широко используются для обогрева открытых площадок кафе и ресторанов.

Прошло уже больше 60 лет с начала разработки отечественных ГИИ и их практического использования. Проведенные в те годы научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы стали хорошим фундаментом для нынешних разработчиков инфракрасного газоиспользующего оборудования. На рис. 3 и 4 показаны два вида современных «светлых» ГИИ. Преемственность инженерных решений, характерная для газовой отрасли, очень заметна в этом сегменте газоиспользующего оборудования.

Безусловно, расширяется сфера применения ГИИ, совершенствуются материалы излучающих поверхностей, автоматика розжига и безопасности горелок, но актуальными остаются полученные нашими предшественниками основополагающие теоретические зависимости, принципиальные конструктивные решения и расчетные методики размещения ГИИ.

Рис. 3. Горелка газовая инфракрасная ГИИ-2.9

Рис. 4. Горелка газовая инфракрасного излучения ГИИ-3.65 «Сибирячка»