4/2005

22

IntroducereSistemele de încãlzire prin radiaþie se ba-

zea zã pe emisia energiei radiante de cãtre su pra-fe þele metalice spre suprafeþele ce deli mi tea zã o incintã (pardosealã, pereþi, tavan, obsta cole), su-pra feþele metalice (tuburile radian te) pri mind

Contribuþii la studiul tuburilor radiante de joasã temperaturã utilizate la încãlzirea incintelor cu volum mare

Fig. 1 – Reprezentarea schematicã a principiului de funcþionare a tubului radiant

Fig. 2 – Fluxul de radiaþie pe suprafaþa receptoare planã

Legenda: 1- Arzãtor, 2- Tub radiant, 3- VentilatorFig. 3 – Tub Radiant liniar ºi tub radiant în forma de U

Fig. 4 – Instalaþie de ardere ºi tub radiant de tip U

ener gia radiantã de la gazele de ar de re, re zul tate în ur ma procesului de ardere a ga zu lui metan în fo care-tunel.

Sistemele de încãlzire prin radiaþie ter mi-cã a incintelor cu volum mare cuprind, în prin-ci pal douã soluþii tehnologice de bazã:

• instalaþii de încãlzire prin radiaþie cu tuburi ra-dian te de joasã temperaturã (tsr=250-500°C);

• instalaþii de încãlzire prin radiaþie cu panouri ra diante de medie temperaturã (tsr=750-900°C).

Tuburi radiante de joasã temperaturãTuburile radiante de joasã presiune se consti-

tu ie în emiþãtori de unde radiaþii infraroºii (unde ne luminoase) caracterizaþi printr-o combustie in-ter nã efectuatã într-un corp purtãtor de cãldurã, la temperaturi de 250-500°C. Lungimea de undã co respunzãtoare intensitãþii spectrale de radiaþie maxime este de 4μm.

Un tub radiant de joasã temperaturã are urmã-toa rele pãrþi componente: arzãtorul, exhaustorul, tu bu rile radiante, elemente de turbionare, cone-xiuni de dilatare, deflectori, izolaþia termicã, ele-ment de susþinere, tabloul electric ºi de auto ma ti-zare.

Principiul de funcþionare al tuburilor este prezentat schematic în fig. 1.

Radiaþia tuburilor este dirijatã spre sol, prin plã cile reflectoare plasate deasupra. Fluxul ra-diant emis de tubul radiant liniar ºi de cel în for-mã de U fiind prezentat în figura 2:

Pãrþile componente ale unui tub radiant de joasã presiune sunt evidenþiate conform sche me-lor din fig. 3 ºi detaliat în schema din fig. 4, iar an-sam blul funcþional în fig. 5

Grupul de combustie are rolul de a genera cãl-durã cu ajutorul unui arzãtor ºi de a realiza cir cu-

Fig. 5 – Pãrþile componente ale tubului radiant

Consideraþii teoretice

4/2005

23

laþia produselor rezultate în urma arderii (gazele de ardere) prin intermediul unui ventilator. Ga ze-le de ardere reprezintã fluidul colportor ºi sunt ve hiculate în interiorul unei tubulaturi radiante etan ºe. Dupã realizarea circuitului o parte din ga-zele de ardere sunt evacuate iar o parte sunt re cir-cu late cu ajutorul aceluiaºi ventilator.

Pãrþile componente ale grupului de combustie sunt evidenþiate în fig. 6.

Arzãtoarele sunt de tipul cu ardere atmo sfe ri-cã ºi flacãrã stabilizatã urmate de o camerã de ar-dere. Ele sunt înzestrate cu o bujie de aprindere, un termocuplu sau o sondã de ionizare pentru de tec tarea flãcãrii, comandã deschiderea valvei prin ci pale de alimentare cu gaz.

Arzãtoarele produse în prezent au puteri cu-prin se între15 ºi 19kW. Reglarea fiecãrui arzãtor se efec tueazã în sistemul „tot sau nimic“, dar exis-tã posibilitatea unui sistem de comandã ºi re gla-re, care acþioneazã asupra fiecãrui arzãtor in de-pen dent ºi care permite obþinerea unei în cãl ziri adap tate la zonele sau la locurile de mun ca cu ne-ce sar de cãldura fix.

Tuburile radiante pot avea secþiune circularã sau pãtratã ºi sunt fabricate din oþel special, re zis-tent la ºocuri termice, dilatãrile fiind preluate prin dispozitive lenticulare.

Reflectoarele, care separã zona radiantã infe-rioa rã de zona superioarã, sunt din aluminiu ºle-fuit, montate deasupra tuburilor ºi repartizate pe toatã lungimea acestora. Pentru instalaþiile situa te în încãperi comportând emisii de gaze (de exemplu ateliere de sudurã) reflectoarele de alu mi niu pot fi înlocuite cu reflectoare din oþel in oxi dabil.

Accesoriile instalaþiei sunt: termostatul pla-sat în încãperea încãlzitã (ca la toate sistemele de încãlzire prin radiaþie va fi esenþialã fixarea unui punct de funcþionare a aparaturii de reglare ºi a unei temperaturi ambiante a încãperii), re gu la-torul manometric de presiune, plasat la intra-rea ventilatorului de extracþie ce serveºte la buna funcþionare a electrovalvei principale de ali men-

tare cu combustibil ºi racorduri pentru com bus-tibil (GN, GPL), energie electricã, aer de com bus-tie ºi evacuarea gazelor de ardere (exhaus tor).

Parametri principali sunt: randamentul glo-bal de ardere de 0.85 - 0.90 din PCI, ran da men-tul practic al radiaþiei spre sol de 0.55 - 0.70.

Parametrii de performanþã pentru echi-pa men te le instalaþiilor de încãlzire prin radiaþie:• eficienþa termicã a echipamentului; • emisivitatea materialelor utilizate în cadrul

echipamentelor; • reflectivitatea materialului din care este

confecþionat reflectorul;• absorbþia materialelor pe care cade radiaþia

termicã incidentã;• eficienþa dispozitivelor de fixare;• eficienþa modelului.

Eficienþa termicã a echipamentului insta-la þiei de încãlzire prin radiaþie termicã se defineºte ca raport dintre fluxul de energie ob-þi nut în punctul de utilizare ºi fluxul de energie to ta lã. Practic eficienþa termicã poate fi uºor de-ter mi natã prin stabilirea pierderilor de energie termicã:

Eu = Et - Ep; [W] [1]unde

Eu = energia utilã [W]Et = energia totalã [W]Ep = energia pierdutã [W]

Emisivitatea materialelor utilizate în cadrul echi pa mentelor de încãlzire prin

radiaþie termicã re prezintã raportul dintre can-ti tatea de energie ra diantã emisã în infraroºu de suprafeþele ma te ria lelor respective ºi can ti ta tea de energie ra dian tã emi sã de suprafaþa unui corp negru. Emisi vi tatea unui echipament reprezintã ener gia to ta lã emi sã sub format de radiaþie ter mi-cã pe toa te lun gimile de undã raportatã la uni ta-tea de su pra fa þã.

Determinând emisivitatea fiecãrei unitãþi de supra faþã aparþinând unui echipament radiant, se poa te face o estimare teoreticã a energiei ra-dian te totale rezultate, utilizând legea Stepfan-Boltz man.

W = e T4; [W] [2]unde:

W este puterea emisivã;e - emisivitatea materialului;

- constanta Stephan Boltzmann.În diagrama din fig. 7 se prezintã puterea emi-

si vã a tubului radiant în forma de U, ex pri ma-tã în kW/ml pentru tuburi radiante de 200mm ºi 300mm.• Reflectivitatea este o caracteristicã a mate ria-

lu lui legatã direct de emisivitatea, care depinde de forma reflectorului ºi de materialul din care este confecþionat reflectorul: aluminiul, având

=0.91-0.95; oþelul-inox, având =0.48-0.66 ºi de forma sau configuraþia reflectorului care in fluen-þeazã radiaþia emisã de panoul radiant ast fel:- înãlþimea medie a reflectorului controleazã

pier derile de energie prin convecþie, blocând aerul cald în ascensiunea sa;

Fig. 6 Instalaþia de ardere a tubului radiantLEGENDA: 1 - Arzãtor; 2 - Camerã de combustie; 3 - Panou electric; 4 - Panou de reglaj cu termostat; 5 - Intrare gaze de ardere în tubulatura de radiaþie; 6 – Întoarcere gaze de ardere din tubulatura de ra-dia þie; 7 – Ventilator pentru recirculare ºi eva cua re gaze de ardere; 8 - Evacuare gaze de ardere

Consideraþii teoretice

4/2005

24

Temperatura medie a suprafeþei pe lungimea tubului radiant (°C)

Fig. 7 – Diagrama q - T

q (k

W/m

l) - unghiul reflectorului are influenþã directã asu pra cantitãþii de energie redirecþionatã în spaþiul încãlzit.

• Absorbþia radiaþiei termice emise sub for-ma de unde electromagnetice, de cãtre dife-ri te ma te ria le conduce la observarea ur mã toa-re lor as pec te:- coeficientul de absorbþie are valori identice

cu coeficientul de emise pentru majoritatea ma terialelor;

- existã ºi materiale care absorb diferenþiat ra dia-þia pe diferitele lungimi de undã, fiind foar te im-por tantã ºi temperatura la care emi te sursa:

- betonul absoarbe 78% din radiaþia emisã de o sursã de 900°C;

- betonul absoarbe 83.8% din radiaþia emisã de o sursã de 450°C;

- apa absoarbe 28.3% din radiaþia emisã de o sursã de 900°C;

- apa absoarbe 42.4% din radiaþia emisã de o sursã de 450°C.

• Eficienþa dispozitivelor de fixare reflectã ca pa citatea echipamentului de a asigura ne ce-sa rul ter mic spaþiului ce trebuie încãlzit.

• Eficienþa modelului unui echipament de în cãl zi re prin radiaþie termicã evalueazã ca pa citatea unui model de a distribui energia radian tã într-un spaþiu definit, în concordanþã cu necesarul de cãl durã a zonei de lucru, cu func þiunile sale ºi cu natura materialelor supra-fe þe lor, care de li mi tea zã spaþiul.În funcþie de poziþia ventilatorului (exhaus to-

ru lui) ºi a tubulaturii de extracþie a gazelor de ardere faþã de poziþia arzãtorului de gaze com bus-tibile, schemele de montare pentru tu bu ri le radiante sunt prezentate în fig. 8.

Încãlzirea prin radiaþie cu module de tuburi radiante

Înãlþimea minimã de instalare a tuburilor radiante H este stabilitã pe baza cerinþei de li mi-ta re a fluxului termic maxim asupra capului unei per soane aflate în planul receptor. Alegerea înãl-þimii de instalare H a modulelor de tuburi radian-te este strict legatã de dezvoltarea verticalã a spa-þiu lui care urmeazã a se încãlzi în aceastã mo da li-ta te þinând seama de eventualele limitãri pe care le pot aduce elemente ca: poduri rulante, corpuri de iluminat, rafturi înalte, cabluri electrice. Odatã Fig. 8 – Scheme de montare pentru tuburile radiante

Consideraþii teoretice

4/2005

26

Fig. 9 – Încãlzirea prin radiaþie cu module de tuburi radiante. A - radiaþie directã + indirectã 50%+50%=100%; B - Radiaþie directã = 100%; C - Radiaþie directã 50% + 50% = 100%; D - Radiaþie directã 30% + 70% = 100%; E - Radiaþie directã = 50% insuficientã.

Fig. 10 – Montajul în paralel (a) ºi în serie (b) al tuburilor radiante

a) Montajul în paralel b) Montajul în serie

Fig. 11 – Încãlzirea generalã a incintei cu tub radiant

aleasã înãlþimea de instalare, se determinã dis tan-þa D între tuburile radiante ºi pereþii delimi ta tori, în ipoteza încãlzirii totale a spaþiului con si de rat sau doar a unei anumite zone de lucru. Veri fi ca-

Fig. 12 – Încãlzirea localã a incintei cu tub radiant

rea puterii instalate care þine seama de carac te ris-ti cile reale ale izolaþiei clãdirii ºi ale activitãþii des-fã ºu rate de persoanele prezente se poate face cu aju torul unui program de calcul.

În fig. 9 – 12 se ilustreazã câteva tipuri de mon-taj a tuburilor radiante.

Distribuþia fluxului radiant, variaþia tempe ra tu rii peretelui tubului radiant ºi câmpul de tem pe ra turi în planul de captare a radiaþiei termice

Dupã cum se vede în figurile 13, 14 ºi 15, con-struc torii de tuburi radiante, în urma studiilor ºi mã su rãrilor realizate pe diferite tipuri de tuburi ra diante, au realizat termograme care pre-zin tã re par tiþia fluxului radiant în incin ta încãlzitã, varia þia temperaturii pe su pra faþa exterioarã în lungul tu bului ra diant precum ºi distribuþia câmpului de tem pe raturi în pla nul de captare al radiaþiei ter mi ce.

În figura 13 se prezintã modul de transfer ter-mic dintre tubul radiant (radiaþie ºi convecþie) ºi su pra faþa de captare a radiaþiei termice. Sunt puse în evidenþã fluxul radiant incident ºi cel reflec tat, conul de radiaþie al tubului radiant ºi zona de radiaþiei în planul receptor. Din figurã se ob ser vã dirijarea fluxului radiant spre zona ocu-pan þi lor incintei încãlzite

În planul receptor, în lungul tubului radiant, este prezentatã distribuþia temperaturilor, pe o zo-na având dimensiunile 600x145 cm. În planul de cap tare a radiaþiei, în zona aflatã sub arzãtor tem-pe ra turile sunt mai ridicate ele scãzând cons tant spre zona aflatã sub exhaustorul tubului ra diant.

În figura 15 se prezintã câmpul de temperaturi în planul de captare a radiaþiei termice pentru ca-zul sistemului liniar de încãlzire, cât ºi pentru ca-zul tuburilor radiante singulare.

Consideraþii teoretice

4/2005

28

În planul receptor, pe linia proiecþiei tubului ra-diant pe acest plan, temperaturile sunt maxime, ele scã zând spre marginea planului receptor, deoa re ce intensitatea de radiaþiei este afectatã de co si nusul unghiului fãcut de radiaþia incidentã cu nor mala la planul receptor. De asemenea obser-vãm cã în cazul sistemului liniar de încãlzire câm-pul de temperaturi este mai uniform faþã de cazul tu bu rilor radiante singulare.

ConcluziiTuburile radiante de joasã temperaturã cu func-

þio nare pe gaze combustibile îºi gãsesc multiple apli-caþii în încãlzirea incintelor cu volum mare, având numeroase avantaje faþã de sistemele de în cãl zire convective în ceea ce priveºte asigurarea con for-tului termic, realizarea criteriilor de con fort termic ºi eficienþa energeticã a sistemului de în cãlzire.

De aceea cunoaºterea, în detaliu, a pãrþilor con-struc tive ale tuburilor radiante, a principiului de func þionare, a modului de realizare a arderii gaze-lor naturale în focare tunel înguste, a tipurilor con-struc tive de incinte reflectante, a modului de in-tegra re a tuburilor radiante în sistemele de încãl-zi re prin radiaþie, a parametrilor de performanþã a acestora precum ºi a modului de distribuþie a ra-dia þiei termice în planuri de captare de aºezare ar-bi tra rã (orizontal, înclinat, vertical) constituie o preo cupare de bazã a specialiºtilor din domeniul insta laþiilor pentru construcþii.

Bibliografie:[1] Cãldare Ioan, „Stadiul actual al cercetãrii în

domeniul încãlzirii prin radiaþie“, Cluj-Na po ca, 2002, referat doctorat;

[2] Cãldare Ioan, „Contribuþii la studiul re gi mu-lui de temperaturã a suprafeþei tubului ra-diant ºi a fluxului termic transmis pe supra-fe þe în condiþiile unui corp interpus“, Cluj-Napoca, 2003, referat doctorat;

[3] Cãldare Ioan, „Instalaþie de modelare a tu bu-lui radiant; prezentarea instalaþiei, a mo du lui de lucru, prelucrarea ºi interpretarea re zul-tatelor mãsurãtorilor“, referat doctorat, Cluj-Napoca 2004;

[4] www.robersgordon.com;[5] www.systema.it;[6] www.fraccaro.it;[7] www.solaronic.fr.

Ing. Ec. Ioan CãldareDoctorand al Universitãþii Tehnice

din Cluj-Napoca

Fig. 13 – Distribuþia spaþialã a fluxului radiant incident

Fig. 15 – Câmpul de temperaturi pe planul de captare a radiaþiei termice

Fig. 14 – Variaþia temperaturii peretelui tubului radiant

Consideraþii teoretice