Принцип работы отопления: Водяное отопление – принцип работы и устройство

Содержание

Принцип работы газового котла отопления: основы и правила

Отопление и снабжение горячей водой загородного дома или дачи уже давно перестали быть роскошью, наоборот, — это важная составляющая комфортной жизни. Но для того, чтобы оборудование работало бесперебойно, недостаточно выбрать и грамотно установить газовый котел

Необходимо знать его принципы работы. Чтобы правильно эксплуатировать газовый котел, и вовремя заметить, если появятся неполадки или сбои в работе.

Какие составляющие влияют на то, как работает газовый котел отопления

Сегодня котельное оборудование, работающее на газе, можно назвать одним из самых оптимальных. Оно технологично, надежно и максимально комфортно в использовании.

Следует отметить, что популярным газовое отопление сделало не только доступность топлива, но и достаточно простое устройство самого оборудования.

Основные элементы:

  • Горелка,
  • Теплообменник,
  • Система управления подачей газа.

Некоторые модели могут иметь:

  • Предохранительный клапан,
  • Встроенные насос,
  • Различные элементы управления (механические или электронные),
  • Средства самодиагностики или защиты.

Самая важная деталь – это горелка. Именно она отвечает за то, как работает газовый котел отопления. С ее помощью можно регулировать температуру теплоносителя или горячего водоснабжения. Для этого достаточно увеличить или уменьшить пламя. Чтобы понять этот принцип работы, вспомните газовые колонки, которые устанавливали в старых домах.

Большинство современных котлов оснащены автоматическим управлением. И теперь нет необходимости вручную добавлять или убавлять пламя. Достаточно один раз выставить нужную температуру, а «умное» оборудование будет само подстраивать всю систему, чтобы получить на выходе необходимый результат.

Принцип работы газового котла с одним и двумя контурами

Но даже несмотря на всю, казалось бы, простоту строения оборудования, необходимо знать, как работает котел отопления. Ведь знания – сила, которая поможет вам избежать дорогостоящего ремонта и сделает эксплуатацию оборудования полностью безопасной.

Основная классификация газовых котлов делит их на:

  • Одноконтурные,
  • Двухконтурные.

Первые необходимы только для того, чтобы обеспечивать дом отоплением. Вторые же могут еще и нагревать воду для бытовых нужд, создавая систему горячего водоснабжения.

Основной принцип работы обоих газовых котлов одинаков: установленная в оборудование автоматика, учитывая показания датчиков, фиксирует, необходимо системе тепло или нет. Если да, то запускается работа газовой арматуры (горелки и составляющих, обеспечивающих ее функционирование). Вода, выступающая теплоносителем, в теплообменнике нагревается до установленной температуры и при помощи насоса под давлением подается в отопительный контур. Именно так работают одноконтурные котлы.

Как же должен работать газовый котел с двумя контурами? Различие заключается в том, что у такого оборудования есть второй контур для СГВ. Но тут необходимо помнить, что такой котел может работать либо только на отопление, либо только на обогрев воды. Одновременно и то, и другое невозможно.

Когда вы включаете контур ГВС, работа системы отопления немного замедляется. Это необходимо знать, но в обычных условиях это заметить практически невозможно. Ведь для того, чтобы в помещении ощутимо снизилась температура, необходимо длительное время. Например, если котел проработает в режиме ГВС более трех часов. А такого, как правило, не бывает: для нагрева воды требуется не более часа.

Удаление дыма при работе газового котла отопления

Удаление дыма зависит от того, какой камерой сгорания оснащено оборудование. При открытой камере все дымовые газы выходят из помещения по специальной трубе. Для нормальной работы такой системы необходимы хорошая вентиляция и постоянный приток воздуха.

Если же предусмотрена закрытая камера сгорания, то дым будет удаляться принудительно, с помощью специально установленного вентилятора. Он под большим напором выбрасывает дым в специальный канал (алюминиевую или стальную труду), который выводится на улицу через стену здания.

Вот так и выглядят основные принципы работы газового котла, которые подтверждают факт, что это оборудование современное, но простое и надежное.

В любом случае, эксплуатируя газовое оборудование, помните, каким бы качественным оно не было, необходимо соблюдать меры предосторожности, которые станут залогом долгой и безупречной работы системы отопления и ГВС.

Если вам необходимо получить более подробную консультацию или подобрать оптимальное оборудование, обращайтесь к нашим специалистам

как сделать своими руками, его плюсы и минусы

На чтение 6 мин Просмотров 340 Опубликовано Обновлено

Паровое отопление считается одним из самых опасных, тем не менее продолжает применяться в различных условиях. Его эффективность работы доказана многолетним опытом эксплуатации. Различается нагревательное оборудование за счет разных вариантов разводки.

Как работает паровое отопление

Схема парового отопления

Многие путают паровые отопительные системы с водяными. На самом деле это два совершенно разных по конструкции устройства. Принцип работы парового отопления заключается в нескольких этапах.

  1. В действующий прибор (котел) выполняется подача топлива.
  2. Под воздействием горения происходит нагрев патрубков с водой, находящихся внутри.
  3. При их нагреве вода движется вверх и поступает в расширительный бачок.
  4. Отсюда происходит выделение пара, которое транспортируется в теплоносители за счет чего происходит обогрев помещений.
  5. В процессе сжигания топлива все отходы выводятся в дымоход, который устанавливается в стене либо выходит на крышу.

Паровые котлы с данным принципом работы небезопасны, так как велик риск ожогов во время соприкосновения с деталями приборов. Температура теплоносителя достигает 100 градусов.

Достоинства и недостатки

Использовать паровое отопление можно лишь в исключительных случаях. При этом нужно учитывать некоторые плюсы и минусы оборудования. К положительным качествам можно отнести:

  • Эффективность и оперативность теплоотдачи. Через несколько минут с момента запуска прибора происходит обогрев помещения.
  • Система способна отдавать при образовании пара КПД более 2300 кДж, в то время как обычный водяной котёл при остывании всего 100 кДж.
  • Не требует обустройства специальных радиаторов: можно обойтись с помощью нескольких трубок.
Запрещено использование оборудования в многоквартирных домах

Минусов больше, и они достаточно серьезные.

  • Оборудование запрещено для использования в общественных помещениях и многоквартирных домах. Это связано с тем, что при неправильном обращении велик риск взрыва.
  • Из-за быстрого нагрева происходит слишком активная циркуляция теплого воздуха в помещении, что уничтожает всю влагу и поднимает пыль.
  • Элементы системы нагреваются до критических температур, поэтому считаются травмоопасными и требуют специальной отделки.
  • Подходит не для всех видов отделки в помещении. Большинство современных строительных материалов легко поддаются деформации под воздействием высоких температур.
  • Отсутствует возможность регулировать теплоотдачу. Чтобы сделать в помещении комфортную температуру, необходимо дополнительно обустраивать ветки отопления и включать их по мере необходимости.
  • Во время нагрева пара создается сильный шум, который невыносим для домашних условий.
  • Наблюдаются постоянные колебания температуры в комнате, так как в системе устроена автоматика, которая по мере нагрева отключает рабочий механизм.

Будьте осторожны при эксплуатации паровых радиаторов. Любой контакт с холодной водой может стать причиной разгерметизации системы (лопнет металл).

Где применяется

Паровое отопление в частном доме

Область использования данного варианта отопления довольно узкая. Такие агрегаты допустимы для эксплуатации в производственных цехах, частных домах при условии соблюдения техники безопасности.

Паровое отопление в частном доме будет уместно, если его использовать кратковременно, так как слишком сильно сушит воздух. В зимний период такое оборудование можно оставлять без присмотра. В системе минимальное количество воды, поэтому риск взрыва и разгерметизации не велик.

Виды разводки

Разводка систем отопления

Паровой тип отопления может быть разведен по помещению несколькими способами. Каждый из них имеет свои особенности.

  • Верхняя. Подразумевает размещение пароотвода под потолком. Вниз выходят трубы к радиаторам. Обычно для эффективного отопления стараются использовать этот тип системы, так как здесь пар движется по одному носителю, а конденсат по другому.
  • Нижняя. По одним и тем же патрубкам осуществляется движение конденсатора и пара. В результате возможно возникновение гидроудара и разгерметизации системы. Трубы располагаются на уровне пола.
  • Промежуточная. Укладывается пароотвод на уровне подоконника, поэтому горячие патрубки находятся в зоне доступа. Из-за этого повышается риск получения ожога. Принцип работы такой конструкции схож с верхним вариантом разводки.

Независимо от способа разведения теплоносителей все трубы, транспортирующие пар, необходимо укладывать под уклоном 1-2 градуса.

Организация парового отопления

Отопление паром имеет разный источник топлива. Это может быть природный газ, жидкое или твердое топливо. Перед обустройством желательно правильно выбрать нагреватель и комплектующие к нему.

Выбор котла

Выбор мощности котла зависит от размера здания

С разновидностью оборудования определяются по площади помещения. Чем больше здание, нуждающееся в отоплении, тем мощнее должен быть котел.

  • Для помещений площадью до 200 кв.м — 25 кВт;
  • Зданий от 200 до 300 кв.м — 30 кВт
  • Помещениям площадью 300-600 кв.м — 35-60 кВт.

Традиционно при расчете используется 1 кВт мощности на 10 кв.м. Такое правило оптимально, если в помещении высота потолков не менее 2,5-2,7 м. При покупке отопительного оборудования обязательно требуйте у продавца наличие сертификата.

Трубы

Среди большого ассортимента труб при обустройстве парового отопления используются только металлические варианты. Они не деформируются под воздействием высокой температуры. Среди них преобладают бюджетные стальные. Однако при сильной влажности на поверхности быстро образуется коррозия.

Допускается использовать оцинкованные или медные патрубки. Последние стоят дорого, требуют пайки для герметичного соединения, при этом считаются максимально надежными. Они намного эффективнее отдают тепловую энергию в помещение. При этом являются очень горячими.

Срок службы

Долговечность эксплуатации парового отопления зависит от соблюдения требований безопасности

Срок эксплуатации отопления парового типа зависит от соблюдения требований безопасности. Обычно при правильной настройке и запайке системы конструкция служит не один десяток лет. Однако при скачках давления внутри труб возможны неполадки в работе котла и его составляющих.

Применяя стальные трубы для обогревателя, стоит помнить, что они прослужат недолго. В носителе будет циркулировать горячий и влажный пар. Это оптимальные условия для развития коррозии и появления ржавчины. Часто такая проблема возникает именно на швах.

Общие рекомендации по монтажу

Многие сталкиваются с ошибками или дисфункцией отопления после его организации. Поэтому важно учесть некоторые советы. Они помогут исключить разные неприятности.

  • Металлопластиковые трубы не подходят для пайки из-за высокой температуры теплоносителя.
  • Каждый этап установки должен быть выполнен специалистами или хотя бы контролироваться ими. Один неверный шаг и система может выйти из строя, причинить вред имуществу и здоровью.
  • Обязательно учитывается количество вырабатываемого пара (прописывается на упаковке). От этого зависит скорость обогрева помещения.

Паровые системы теплоснабжения считаются эффективными и удобными для эксплуатации. Чтобы устройство корректно работало, необходимо соблюдать требования безопасности, а также не забывать регулярно его обслуживать.

Система воздушного отопления: принцип работы и особенности

Человечество с давних времен использует самые разнообразные способы и средства для обогрева жилых помещений. С техническим прогрессом в наш быт пришли газ, электричество, другие виды топлива, благодаря которым стало возможным с высокой эффективностью отапливать здания самого разного назначения. Однако в этот ряд с точной уверенностью можно поставить отопление воздухом – технология, которой вот уже практически 2000 лет.

В наши дни, с появлением новых видов нагревательного оборудования, воздушные системы утратили свою актуальность. В основном подобная схема обогрева используется в промышленных масштабах, где имеют крупные по площади технические здания и сооружения. Отопление для многих нас играет решающую роль. Мы всегда стараемся оборудовать свой дом, квартиры максимально эффективной схемой нагрева, используя для бытовых целей газовые и электрические котлы. Воздушное отопление не заслуженно позабыто, хотя у него есть целый ряд неоспоримых преимуществ, на которых стоит остановиться для ознакомления.

Отопление с использованием воздуха  —  принцип работы

Отопление с использованием воздушной массы, поступающей внутрь помещения, построено на принципе терморегуляции. Другими словами, нагретый или охлажденный до определенной температуры воздух подается непосредственно внутрь помещений. Т.е. таким образом, может осуществляться и обогрев внутренних пространств и кондиционирование.

Основным элементом системы является нагреватель — печь канального типа, оснащенный газовой горелкой. В процессе сгорания газа вырабатывается тепло, которое поступает в теплообменник и уже после этого, нагретые до определенной температуры массы поступают в воздушное пространство отапливаемого помещения. Система воздушного отопления обязательно должна быть оборудована сетью воздуховодов и каналом для выхода наружу токсичных продуктов горения.

За счет постоянного притока свежего воздуха печь получает приток кислорода, который является одним из основных компонентов топливной массы. Смешиваясь в камере сгорания с горючим газом, кислород увеличивает интенсивность горения, повышая тем самым температуру топливной массы. В старых системах, используемых еще древними римлянами, основная проблема заключалась в попадании в отапливаемые помещения вместе с теплым воздухом вредных продуктов горения.

Важно! При работе печи канального типа количество угарного газа в составе воздуха, поступающего во внутренние помещения, превышает норму на 10-15%. Для примера можно взять домашний камин или печь, которые, при плохой работе вытяжки, в процессе горения топлива в больших количествах выделяют опасные для человеческого организма продукты горения.

*

Автономные структуры отопления, построенные на принципе нагрева воздушных масс, нашли свое применение в системе обогрева больших промышленных зданий и объектов. С появлением компактных и удобных в эксплуатации воздухонагревателей, для работы которых используется газ, твердое или жидкое топливо, стало возможным применение систем такого обогрева в быту. Обычный, традиционный нагреватель воздуха, который принято называть теплогенератор, имеет камеру сгорания, теплообменник рекуперационнного типа, горелку и нагнетательную группу.

Установка печей воздушного отопления в частных и загородных домах вполне оправдана и экономически выгодна. Для квартиры данная схема обогрева не подходит, ввиду необходимости прокладки большого количества громоздких воздуховодов, присутствия технического шума и высокой пожароопасности.


Современные комплексы отопления в основном построены на подобном принципе, однако в большинстве конструкций  прямой нагрев воздушной массы не предусматривается. Нагрев осуществляется с помощью тепловых генераторов, которых на сегодняшний день достаточно много. Такие агрегаты имеют в своей конструкции рекуперативные теплообменники, благодаря которым происходит отделение высокотемпературных дымовых газов от подогретого воздуха. Такая технологическая особенность современных воздушных отопительных систем, подавать в помещения чистый, нагретый до необходимой температуры воздух.

Продукты сгорания в данном случае уходят через дымоход. Хорошо отлаженная работа вытяжки и чистый дымоход, обеспечивают безопасность всей системы обогрева подобного типа во время работы.

Преимущества и недостатки системы воздушного отопления

*

Благодаря своим преимуществам, воздушное отопление получило широкое распространение в странах Запада. В Великобритании, а затем в США и в Канаде, где большинство частных домовладений было принято оборудовать печами-каминами канального типа, со временем стало традиционным оборудовать жилые постройки автономными системами этого нагрева. Такие системы обогрева очень удобны для обогрева больших по площади внутренних пространств. К тому же, монтаж воздуховодов в крупных каменных постройках значительно проще, чем прокладка коммуникаций водяного отопления.

Главное достоинство такой схемы — совмещение сразу двух важных для жилья компонентов, обогрева и вентиляции. Это позволяет существенно сэкономить средства домовладельца на прокладку этих коммуникаций.

К преимуществам отопления помещений теплым воздухом относятся:

  • отсутствие в структуре промежуточного теплоносителя, что значительно упрощает эксплуатацию;
  • отсутствие завоздушивания, проблемы воздушных пробок, которые являются постоянными спутниками водяных систем;
  • возможность регулировки температурного режима в любом помещении;
  • отсутствие батарей дает широкие возможности для создания оригинального интерьера внутренних помещений.

Важно! Новые теплогенераторы обладают высоким коэффициентом теплоотдачи, расходуя при этом минимальное количество топлива. Современные модели тепловых генераторов оснащены функцией фильтрации воздуха и увлажнителями, благодаря которым воздух внутри жилых помещений проходит дополнительную санитарную обработку и соответствует оптимальным физическим параметрам.

Говоря о преимуществах данной системы отопления, следует отметить, что зона основного обогрева в жилом доме не сосредоточена непосредственно вокруг печей и конвекторов. Тепло равномерно циркулирует по всему дому. Ввиду отсутствия резких перепадов температур в помещении, оборудованном воздушным обогревом, отсутствует конденсат. Новые модели теплогенераторов рассчитаны на возможность установки даже в квартире, которая может быть переоборудована в соответствии с проектом.

Что касается недостатков, то таковых у данной системы отопления просто нет.

Единственный минус, который имеет далеко идущие последствия – это при отказе от воздушного обогрева, многие элементы системы, включенные в домовые конструкции, останутся.

Проектировать систему необходимо вместе с разработкой проекта жилого дома, так как многие элементы (вентиляционные шахты, каналы и воздуховоды) являются неотъемлемой частью внутридомовых конструкций.

Особенности воздушного отопления в домашних условиях

*

В отличие от традиционных у нас схем водяного отопления, которые сильно подвержены опасности быть размороженными в зимнее время, воздушное отопление таких недостатков не имеет. Тепловые генераторы легко запускаются в любое время года. Главное, что бы имелось топливо для горения и постоянный доступ свежего воздуха. Такие устройства идеальны для загородных домов, которые не нуждаются в постоянном обогреве.

К тому же работающий нагреватель не выделяет абсолютно никаких токсичных веществ. Нагретый до температуры 45-700С   воздух в процессе теплообмена распространяется по всему объему отапливаемой жилплощади. Благодаря рециркуляции достигается возможность использовать для обогрева одну и ту же воздушную массу. В ряде случаев автономные системы оборудуются другими опциями, допускающие подачу наружного воздуха. Наличие в системе внешнего блока создает условия для охлаждения внутренних помещений в жаркий период.

Автоматические терморегуляторы поддерживают необходимый температурный баланс в доме. Автономная система домашнего отопления с использованием нагревателя канального типа одновременно выполняет функции вентиляции.

Важно! Существующий миф о том, что воздушное отопление сильно иссушает окружающее пространство внутри жилого помещения, в корне не верен. В современных системах Пыль улавливается на специальном фильтре., а Для увлажнения существуют специальные приборы – увлажнители воздуха. Подающие решетки необходимо устанавливать возле мест частого пребывания людей.

Разновидности воздушного отопления

Как и в других отопительных системах, воздушное отопление имеет разновидности. Прямоточная, самая простая и распространенная в прошлые века система, подразумевает обычное сжигание топлива в печи, установленной в подвальном помещении. Топливом могут быть дрова, каменный или древесный уголь. Нагретая воздушная масса самотеком поднимается по каналам, оборудованным в стенах, распространяется по полостям в полу. Выход отработанной воздушной массы осуществлялся просто через отверстия в крыше.

Обогрев в помещении в данном случае осуществлялся опосредованно, от нагреваемых стен и пола. На рисунке – схеме представлена обычная система отопления воздухом, практикуемая еще нашими предками.

Воздушное отопление в гараже — основная статья.

*

Эффективностью подобная система не отличалась. Большая часть тепловой энергии уходило на обогрев в глубину конструкций здания. За счет разницы температур внутри и снаружи создавалась необходимая тяга.

Другой, более современный вид отопления воздухом — рециркуляционная система. Принцип работы основан на использовании чистого топлива, количество продуктов горения которого ничтожно мало. Воздух, нагретый при помощи газовых горелок или электрических приборов накаливания, поступает по воздуховодам в самую верхнюю точку здания. В результате теплообмена, остывший воздух замещается новыми подогретыми воздушными массами и поступает снова в тепловой нагреватель.

На рисунке представлена принципиальная схема работы рециркуляционной системы воздушного отопления.

Отопительный сезон, который все с нетерпением ожидают, с помощью системы воздушного отопления можно начать в любое время. Рециркуляционный вид называется гравитационным ввиду того, что весь процесс происходит естественным образом благодаря законам физики и гравитационным силам. Такой способ обогрева жилого дома наиболее прост, экономичен и удобен в эксплуатации. В отличие от прямоточной системы отопления, которую выгодно использовать только в домашних условиях, рециркуляционные системы идеальны для обогрева крупных промышленных зданий и сооружений.

Экономическая составляющая воздушного отопления

Основной эффект, который достигается за счет применения воздушного отопления  —  это полная автономность. Наличие любого топлива может обеспечить работу системы и достижение желаемого результата. При работе без теплоносителя практические тепловые потери сведены к минимуму. Высокий КПД достигается за счет минимального расхода топлива и большого теплового эффекта.

В обслуживании системы нет необходимости. Отсутствует необходимость проводить регулярные опрессовки системы отопления. Достаточно следить за состоянием дымохода и периодически чистить его.

Самотечная система отопления с естественной циркуляцией – расчеты, уклоны, виды


Для частных загородных домов и дач, часто устанавливается система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя. Данное решение имеет свои положительные и отрицательные стороны. Схему выполняют четырьмя различными способами.

Система с гравитационной циркуляцией чувствительна к ошибкам, допущенным во время монтажа отопления.

Принцип работы системы с естественной циркуляцией

Схема отопления частного дома с естественной циркуляцией пользуется популярностью благодаря следующим преимуществам:

  • Простой монтаж и обслуживание.
  • Отсутствие необходимости в установке дополнительного оборудования.
  • Энергонезависимость – во время работы не требуются дополнительные расходы на электроэнергию. При отключении электричества, система обогрева продолжает работать.


Принцип работы водяного отопления, с использованием самотечной циркуляции, основан на физических законах. При нагревании уменьшается плотность и вес жидкости, а при остывании жидкостной среды, параметры возвращаются в первоначальное состояние.

При этом, давление в системе отопления практически отсутствует. В теплотехнических формулах принимается соотношение 1 атм., на каждые 10 м. напора водяного столба. Расчет системы отопления 2-х этажного дома покажет, что гидростатическое давление не превышает 1 атм., в одноэтажных зданиях 0,5-0,7 атм.

Так как при нагреве жидкость увеличивается в объеме, для естественной циркуляции, обязательно потребуется расширительный бак. Вода, проходящая через водяной контур котла, нагревается, что приводит к увеличению в объеме. Расширительный бачек должен находиться на подаче теплоносителя, в самом верху системы отопления. Задачей буферной емкости является компенсация увеличения объема жидкости.

Система отопления с самоциркуляцией может применяться в частных домах, делая возможным следующие подключения:

  • Подсоединение к теплым полам – требует установить циркуляционный насос, только на водяной контур, уложенный в пол. Остальная система продолжит работать с естественной циркуляцией. После отключения электричества, помещение продолжит отапливаться с помощью установленных радиаторов.
  • Работа с бойлером косвенного нагрева воды – подключение к системе с естественной циркуляцией возможно, без необходимости в подключении насосного оборудования. Для этого бойлер устанавливают в верхней точке системы, чуть ниже воздушного расширительного бака закрытого или открытого типа. Если это невозможно, тогда насос устанавливают непосредственно на накопительную емкость, дополнительно устанавливая обратный клапан, чтобы избежать рециркуляции теплоносителя.

В системах с гравитационной циркуляцией, движение теплоносителя осуществляется самотеком. Благодаря естественному расширению, нагретая жидкость поднимается вверх по разгонному участку, а после, под уклоном «стекает», через трубы, подключенные к радиаторам, обратно к котлу.

Виды систем отопления с гравитационной циркуляцией

Несмотря на простое устройство системы водяного отопления с самоциркуляцией теплоносителя, существует как минимум четыре, пользующихся популярностью, схемы монтажа. Выбор типа разводки зависит от характеристик самого здания и ожидаемой производительности.

Чтобы определить, какая схема будет работоспособной, в каждом отдельном случае требуется выполнить гидравлический расчет системы, учесть характеристики отопительного агрегата, рассчитать диаметр трубы и т.п. При выполнении вычислений может потребоваться помощь профессионала.

Закрытая система с самотечной циркуляцией

В странах ЕС, системы закрытого типа пользуются наибольшей популярностью среди других решений. В РФ схема пока не получила широкого применения. Принципы действия водяной системы отопления закрытого типа с безнасосной циркуляцией заключается в следующем:

  • При нагревании теплоноситель расширяется, происходит вытеснение воды из контура отопления.
  • Под давлением жидкость поступает в закрытый мембранный расширительный бак. Конструкция емкости представляет полость, разделенную мембраной на две части. Одна половина бачка заполнена газом (в большинстве моделей используется азот). Вторая часть остается пустой для наполнения теплоносителем.
  • При нагревании жидкости создается давление, достаточное, чтобы продавить мембрану и сжать азот. После остывания, происходит обратный процесс, и газ выдавливает воду из бачка.

В остальном, системы закрытого типа, работают, как и остальные схемы отопления с естественной циркуляцией. В качестве минусов можно выделить зависимость от объема расширительного бака. Для помещений с большой отапливаемой площадью, потребуется установить вместительную емкость, что не всегда целесообразно.

Открытая система с самотечной циркуляцией

Система отопления открытого типа отличается от предыдущего типа только конструкцией расширительного бака. Данная схема чаще всего использовалась в старых зданиях. Преимуществами открытой системы является возможность самостоятельного изготовления емкости из подручных материалов. Бачок, обычно имеет скромные габариты и устанавливается на кровле или под потолком жилой комнаты.

Главным недостатком открытых конструкций является попадание воздуха в трубы и радиаторы отопления, что приводит к усилению коррозии и быстрому выходу из строя греющих элементов. Завоздушивание системы также частый «гость» в схемах открытого типа. Поэтому, радиаторы устанавливаются под углом, обязательно предусматриваются краны Маевского, для стравливания воздуха.

Однотрубная система с самоциркуляцией

Однотрубная горизонтальная система с естественной циркуляцией имеет низкую теплоэффективность, поэтому используется крайне редко. Суть схемы такова, что подающая труба последовательно подключена к радиаторам.

Нагретый теплоноситель поступает в верхний патрубок батареи и выводится через нижний отвод. После этого тепло поступает к следующему узлу отопления и так до последней точки. От крайней батареи к котлу возвращается обратка.

Преимуществ у данного решения несколько:

  1. Отсутствует парный трубопровод под потолком и над уровнем пола.
  2. Экономятся средства на монтаж системы.


Недостатки такого решения очевидны. Теплоотдача радиаторов отопления и интенсивность их нагрева снижается по мере отдаленности от котла. Как показывает практика, однотрубная система отопления двухэтажного дома с естественной циркуляцией, даже при соблюдении всех уклонов и подбора правильного диаметра труб, зачастую переделывается (посредством монтажа насосного оборудования).

Двухтрубная система с самоциркуляцией

Двухтрубная система отопления в частном доме с естественной циркуляцией, имеет следующие конструктивные особенности:

  1. Подача и обратка проходят по разным трубам.
  2. Подающий трубопровод подсоединен к каждому радиатору через входной отвод.
  3. Второй подводкой батарея подключается к обратке.


В результате, двухтрубная система радиаторного типа дает следующие преимущества:

  1. Равномерное распределение тепла.
  2. Отсутствие необходимости в добавлении секций радиатора для лучшего прогрева.
  3. Проще выполнить регулировку системы.
  4. Диаметр водяного контура, по крайней мере, на размер меньше чем в однотрубных схемах.
  5. Отсутствие строгих правил установки двухтрубной системы. Допускаются небольшие отклонения относительно уклонов.

Главным достоинством двухтрубной системы отопления с нижней и верхней разводкой является простота и одновременно эффективность конструкции, что позволяет нивелировать ошибки, допущенные в расчетах или во время проведения монтажных работ.

Как правильно сделать водяное отопление с естественной циркуляцией

Все гравитационные системы объединяет общий недостаток – отсутствие давления в системе. Любые нарушения во время проведения монтажных работ, большое количество поворотов, несоблюдение уклонов, моментально отражаются на работоспособности водяного контура.

Чтобы сделать грамотно отопление без насоса, учитывается следующее:

  1. Минимальный угол уклонов.
  2. Тип и диаметр труб, используемых для водяного контура.
  3. Особенности подачи и вид теплоносителя.

Какой уклон труб нужен при самотечной циркуляции

Нормы проектирования внутридомовой системы отопления с гравитационной циркуляцией, подробно прописаны в строительных нормах. В требованиях учитывается, что движению жидкости внутри водяного контура будет мешать гидравлическое сопротивление, препятствия в виде углов и поворотов, и т.д.

Уклон отопительных труб регламентируется в СНиП. Согласно указанным в документе нормам, на каждый погонный метр требуется сделать наклон в 10 мм. Соблюдение данного условия гарантирует беспрепятственное движение жидкости в водяном контуре.

Нарушение наклона при прокладке труб, приводит к завоздушиванию системы, недостаточному прогреву отдаленных от котла радиаторов, и, как следствие, снижению теплоэффективности.

Нормы уклона труб при естественной циркуляции теплоносителя указаны в СП 60.13330 (ранее СНиП 41-01-2003) «Прокладка трубопроводов отопления».

Какие трубы применяют для монтажа

Выбор труб для изготовления отопительного контура имеет важное значение. Каждый материал имеет свои теплотехнические характеристики, гидравлическую сопротивляемость и т.д. При самостоятельном выполнении монтажных работ, дополнительно учитывают сложность монтажа.

Чаще всего используют следующие строительные материалы:

  • Стальные трубы – к достоинствам материала следует отнести: доступную стоимость, устойчивость к высокому давлению, теплопроводность и прочность. Недостатком стали является сложный монтаж, невозможный, без применения сварочного оборудования.
  • Металлопластиковые трубы – имеют гладкую внутреннюю поверхность, не дающую контуру засориться, небольшой вес и линейное расширение, отсутствие коррозии. Популярность металлопластиковых труб несколько ограничивает небольшой срок эксплуатации (15 лет) и высокая стоимость материала.
  • Полипропиленовые трубы – получили широкое применение благодаря простоте монтажа, высокой герметичности и прочности, длительному сроку эксплуатации и устойчивости к размерзанию. Трубы из полипропилена монтируются с помощью паяльника. Срок службы не менее 25 лет.
  • Медные трубы – не получили широкого распространения за счет большой стоимости. Медь имеет максимальную теплоотдачу. Выдерживает нагрев до + 500°С, срок эксплуатации свыше 100 лет. Особенной похвалы достоин внешний вид трубы. Под воздействием температуры, поверхность меди покрывается патиной, что только улучшает внешние характеристики материала.

Какого диаметра должны быть трубы при циркуляции без насоса

Правильный расчет диаметров труб на водяное отопление с естественной циркуляцией осуществляется в несколько этапов:

  • Подсчитывается потребность помещения в тепловой энергии. К полученному результату добавляют около 20%.
  • СНиП указывает соотношение тепловой мощности к внутреннему сечению трубы. Высчитываем по приведенным формулам сечение трубопровода. Чтобы не выполнять сложные вычисления, стоит воспользоваться он-лайн калькулятором.
  • Диаметр труб системы с естественной циркуляцией должен быть подобран согласно теплотехническим расчетам. Чрезмерно широкий трубопровод приводит к снижению теплоотдачи и увеличению расходов на отопление. На ширину сечения влияет тип используемого материала. Так, стальные трубы не должны быть уже 50 мм. в диаметре.


Существует еще одно правило, помогающее усилить циркуляцию. После каждого разветвления трубы, диаметр сужают на один размер. На практике это значит следующее. К котлу подключена двухдюймовая труба. После первого разветвления контур сужают до 1 ¾, дальше до 1 ½ и т.д. Обратку наоборот собирают с расширением.

Если расчеты диаметра были выполнены верно, и соблюдены уклоны трубопроводов при проектировании и выполнении монтажных работ системы отопления с самотечной циркуляцией, проблемы в работе встречаются крайне редко и в основном происходят по причине неправильной эксплуатации.

Какой розлив лучше сделать – нижний или верхний

Естественная циркуляция воды в системе отопления одноэтажного дома во многом зависит и от выбранной схемы подачи теплоносителя непосредственно к радиаторам. Принято классифицировать все типы подключения или розлива на две категории:

  • Система с нижним розливом – имеет привлекательный внешний вид. Трубы располагаются на уровне пола. Однотрубная система с нижней разводкой имеет малую теплоэффективность и требует тщательного планирования и проведения расчетов. Схемы с нижним розливом наиболее востребованы для трубопроводов высокого давления.
  • Система с верхним розливом – данное решение оптимально подходит для частного дома. Подача горячей воды осуществляется посредством трубы, расположенной под потолком. Поступающий сверху теплоноситель, вытесняет скопившийся воздух (воздух стравливается через краны Маевского). Однотрубная система водяного отопления с верхним розливом, также отличается эффективностью.

Ошибки в выборе типа розлива приводят к необходимости модифицировать водяной контур посредством установки циркуляционного оборудования.

Какой теплоноситель лучше для систем с самоциркуляцией

Оптимальный теплоноситель для системы отопления с естественным движением жидкости – это вода. Дело в том, что антифриз имеет большую плотность и меньшую теплоотдачу. Для нагрева гликолевых составов до необходимого состояния, требуется больше времени, сжигаемого топлива, при этом теплоотдача остается на уровне воды.

За использование незамерзающей жидкости, в качестве довода можно привести два довода:

  1. Высокая текучесть материала, улучшающая циркуляцию.
  2. Способность сохранять текучесть при достижении -10°С, -15°С.


Антифриз используют, если планируется в течение долгого времени не отапливать помещение, или делать это с периодичностью, а постоянно сливать жидкость из системы нет возможности.

Какое отопление лучше выбрать – естественное или принудительное?

Конструктивные особенности системы с естественной гравитационной циркуляцией, простота монтажа и возможность самостоятельного выполнения работ, сделали такую схему достаточно популярной у отечественного потребителя.

Но самоциркулирующая конструкция проигрывает по сравнению с контуром, подключенным к насосному оборудованию, в следующих аспектах:

  • Начало работы – система отопления с естественной циркуляцией начинает работать при температуре теплоносителя около 50°С. Это необходимо, чтобы вода расширилась в объеме. При подключении к насосу, жидкость двигается по водяному контуру сразу после включения.
  • Падение мощности отопительных приборов при естественной циркуляции теплоносителя по мере отдаленности от котла. Даже при грамотно собранной схеме, разница температуры составляет порядка 5°С.
  • Влияние воздуха – основной причиной отсутствия циркуляции является завоздушивание части водяного контура. Воздух в системе отопления может образовываться из-за несоблюдения уклонов, использования открытого расширительного бачка и других причин. Чтобы продавить систему, приходится включать котел на максимальную мощность, что приводит к существенным затратам.
  • Отопление двухэтажного дома при естественной циркуляции теплоносителя затруднено по причине существующих препятствий для движения жидкости.
  • Относительно регуляции нагрева, самоциркулирующие системы также уступают контурам, подключенным к насосам. Современное циркуляционное оборудование подключается к комнатным термостатам, что обеспечивает точность теплоотдачи и нагрев температуры в помещении с погрешностью до 1°С. Установка терморегуляторов допускается и в схемах с самоциркуляцией, но погрешность настроек составит 3-5°С.


Выбрать систему с естественной циркуляцией, оправдано, в случае отопления небольших одноэтажных зданий. Если требуется отапливать коттеджи и загородные дома площадью более 150-200 м², нужна установка циркуляционного оборудования.

Главным достоинством схем с самоциркуляцией является их энергонезависимость, но произведя несложные расчеты, можно прийти к выводу, что экономия на электроэнергии не оправдывает потери тепла в процессе самостоятельного движения теплоносителя. Схемы с принудительной циркуляцией имеют большую теплоотдачу и эффективность.

Самотечная система отопления: Принцип работы, Плюсы, Минусы, Схемы | 5energy

При строительстве небольших домов, достаточно часто, в проектах изначально закладывают самотечную систему отопления. В первую очередь, связано это с глобальной экономией. Данная система позволяет запустить отопление без использования дополнительного насоса. О преимуществах, недостатках и особенностях данной системы  мы и поговорим в этой статье.

Принцип работы самотечной системы

В основе данной системы стоят законы физики. Ведь давно известно, что нагретое вещество всегда легче холодного. На этом принципе построена вся система отопления.

В котле теплоноситель нагревается до наивысшей температуры. По мере нагревания вода поступает по трубам в радиаторы, передавая свое тепло радиатору, а уже радиатор отдает тепло в помещение.  В процессе остывания, теплоноситель движется по наклоненным трубам, дальше он возвращается в котел. Цикл продолжается непрерывно. Горячий теплоноситель постоянно выдавливает остывший, в следствии чего процесс постоянный.

Что бы все работало как надо, должно соблюдаться несколько условий:

  1. Нагревательный элемент котла должен находиться ниже уровня приточной трубы охлажденного теплоносителя, иначе приток будет нарушен и система не сможет функционировать.
  2. Разность температур на всходе охлажденного теплоносителя и на выходе должна быть не менее 25 градусов, иначе скорость циркуляции будет слишком низкой.
  3. Расстояние от котла до ближайшего радиатора не должно быть слишком большое (до 25 метров), иначе сопротивление материалов, из которого выполнена труба не позволит нормально работать системе.
  4. Система должна полностью заполняться теплоносителем. Для этого, рекомендуется установить расширительный бачок.

Пример схемы самотечной системы отопления

Схема №1

Схема №2

Схема №3

Преимущества самотечной системы отопления:

  1. Энергонезависимость. В случае отсутствия электроэнергии, система будет полноценно работать, так как нет необходимости подачи напряжения на насос.
  2. Отсутствие вибрации теплоносителя, создаваемой насосом.
  3. Простота обслуживания, высокая ремонтопригодность системы, безотказность.
  4. Система регулируется сама, в отличие от температуры воздуха в помещении. Если температура низкая — тепло принимается быстрее, в следствии чего ускоряется движение теплоносителя.

Недостатки самотечной системы отопления:

  1. Возможность стабильной работы только в небольших домах.
  2. Необходимо создавать специальный уклон, для нормальной циркуляции системы.
  3. Более высокая вероятность промерзания системы на минимальных режимах работы котла (из-за более низкой скорости прохождения теплоносителя).
  4. Необходимость расширительного бачка и постоянного контроля уровня теплоносителя в нем.

Самотечная система отопления хорошо считается с водогрейными котлами на отработанном масле, газовыми, твердотопливными котлами и т.д. Такая система хорошо подойдет тем, у кого есть небольшой одноэтажный дом без планов его достройки и т.д.

В любом случае, при изменении конструкции сисиемы (при достройке, перестройке, монтажа теплого пола и т.п.) для улучшени циркуляции, в данну систему можно врезать циркуляционный насос и уставовить мембранный расширительный бак. 

 

примеры замкнутой отопительной системы, схема на фото и видео

Содержание:

1. Элементы системы отопления замкнутого типа
2. Принцип работы замкнутой отопительной системы
3. Особенности схемы замкнутой системы отопления
4. Плюсы и минусы замкнутой отопительной системы
5. Переоборудование открытой системы в закрытую
6. Установка системы отопления

Отопительная система – это целый комплекс устройств, которые объединены в единый контур при помощи трубопровода. Работа отопления в таком случае заключается в постоянном движении теплоносителя (как правило, жидкости). Нагреваясь, теплоноситель расширяется, и в закрытой отопительной системе для нейтрализации этого явления используется расширительный бак. Эти устройства делятся на два типа, и именно от них зависит, будет система закрытой или открытой. Замкнутая система отопления подразумевает наличие бака, который не контактирует с окружающей средой, а в открытой отопительной системе бак взаимодействует с воздухом. 

Для циркуляции теплоносителя в закрытых отопительных системах используются насосы, которые обеспечивают постоянное движение жидкости на достаточном уровне. Использование насосов позволяет закрытой системе работать гораздо эффективнее, варьируя скорость движения теплоносителя (прочитайте: «Закрытая и открытая система отопления на примерах схем»).
Принудительная циркуляция хороша еще и тем, что в такую систему можно подключать дополнительные контуры с подключенными отопительными приборами. Конечно, такие системы становятся энергозависимыми, поскольку для функционирования насосов требуется электричество, но этот недостаток компенсируется высоким КПД всей конструкции. 

Насосы в замкнутой отопительной системе монтируется на трубе обратки непосредственно перед котлом. В этом же месте можно разместить и расширительный бачок. Закрытая система отопления имеет ряд плюсов, которые становятся очевидными при сравнении с другими типами отопительных систем: установка системы осуществляется без особых затруднений, поскольку не нужно соблюдать постоянный уклон. Трубопроводу не потребуется утепление, да и сам трубопровод можно сделать потоньше, что скажется не только на его эстетических качествах, но и на стоимости конструкции.

В закрытой отопительной системе теплоноситель не может испаряться, поэтому следить за его уровнем придется гораздо реже. Кроме того, использование циркуляционных насосов обеспечивает ускоренный прогрев помещений, а если установить в контуре термостаты, то появляется возможность тонкой настройки температурного режима во всем доме. 

Элементы системы отопления замкнутого типа


Схема замкнутой системы отопления содержит большое количество элементов:
  • отопительный котел;
  • мембранный расширительный бачок;
  • циркуляционный насос;
  • отопительные приборы;
  • трубы для прокладки контура, установки стояков и подводок;
  • фитинги;
  • краны;
  • фильтры;
  • крепежные элементы.

Принцип работы замкнутой отопительной системы


В котле происходит нагрев теплоносителя, после чего он разносится по отопительным приборам через трубопровод. Когда теплоноситель заполняет все пространство контура, к работе присоединяется расширительный бак, вмещая в себя излишки жидкости. Мембранный расширительный бачок состоит из двух полостей: в одну из них поступает лишний теплоноситель, а вторая часть заполнена газом или воздухом. Читайте также: «Плинтусная система отопления — оригинально и практично».

При монтаже в закрытой отопительной системе создается давление, которое в дальнейшем задает давление всему контуру. Нагрев теплоносителя провоцирует увеличение давления в системе, и его излишки вместе с возникшим давлением поступают в бак, прогибая расположенную в нем мембрану. Дальнейший путь теплоносителя пролегает через циркуляционный насос, и работа системы продолжается в штатном режиме. 

Особенности схемы замкнутой системы отопления


В закрытой отопительной системе с принудительной циркуляцией есть несколько особенностей:
  1. Возможность установки расширительного бачка и циркуляционного насоса рядом с отопительным котлом, что позволяет снизить затраты на трубы и упрощает монтаж всей системы.
  2. Полная герметичность бака приводит к тому, что теплоноситель не может испаряться из системы, а сам трубопровод надежно защищен от попадания воздуха.
  3. Устанавливать расширительный бачок и насос нужно на трубе обратки. Эксплуатация насоса возможна лишь в том случае, когда через него проходит жидкость, имеющая низкую температуру.
  4. По сравнению с открытой отопительной системой, замкнутая может располагаться в помещениях любой площади.

Плюсы и минусы замкнутой отопительной системы


Схема замкнутой системы отопления, в которой движение теплоносителя осуществляется принудительно, имеет свои преимущества и недостатки. Отрицательных моментов меньше, но они в некоторых случаях являются решающими. Бывает зависимая и независимая система отопления, выбирать из которых нужно систему, которая оптимально подойдет именно в вашем случае.

Достоинства замкнутой системы отопления:

  • высокий КПД;
  • невозможность испарения жидкости;
  • использование труб уменьшенного диаметра;
  • повышение срока службы котла за счет разности температур на подающем и обратном контурах;
  • снижение коррозийного влияния на трубопровод;
  • возможность применения антифриза.

Недостатки замкнутой системы отопления:
  • зависимость от электричества, особенно в регионах, где перебои с электроэнергией – не редкость;
  • необходимость установки более сложного, вместительного и дорогого расширительного бачка. 

Переоборудование открытой системы в закрытую


Замкнутая система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя используется довольно редко, но исключительно из-за своих особенностей. О каких особенностях идет речь, и как осуществляется переход от одного типа системы к другой? При монтаже открытой отопительной системы мысль о переходе на замкнутую систему приходит нечасто, но сделать это довольно просто – достаточно установить мембранный расширительный бак, и конструкция сразу же станет закрытой. 
Конечно, всегда есть возможность спроектировать подобную схему, но она будет обладать некоторыми минусами двух типов систем. Для обеспечения естественного движения теплоносителя трубопровод необходимо укладывать с соблюдением постоянного уклона, что нередко приводит к появлению воздушных пробок и существенно усложняет монтаж.

Какие преимущества даст такая конструкция? Независимость от электричества в данном случае является единственным плюсом, но его необходимость можно подвергнуть сомнению: как правило, в большинстве домов электричество есть всегда. Стоимость насоса и эксплуатационные расходы, связанные с его использованием, достаточно невысоки, поэтому классическая замкнутая схема все же гораздо лучше, чем открытая. 

Установка системы отопления


Перед монтажом отопительной системы составляется проект, согласно которому и будут устанавливаться все элементы. Чтобы выбранная схема оправдывала себя, необходимо грамотно подобрать устройства, которые будут работать в контуре, и начать стоит с выбора отопительного котла. Выбирая котел, нужно отталкиваться от типа котла, зависящего от используемого топлива, и его мощности.
В последние годы получают распространение твердотопливные котлы, которые практически не требуют эксплуатационных затрат, но можно выбрать и другой вариант из числа представленных на рынке. 

Как рассчитывается мощность системы? При проведении усредненных расчетов обычно берется соотношение 1 кВт мощности на 10 квадратных метров помещения. Выбрав подходящий котел, можно начинать расчет отопительных приборов. Лучшим вариантом являются радиаторы, характеристики которых индивидуальны, но отличий в них обычно немного, поэтому выбирать подходящие устройства можно, исходя из личных предпочтений. Кроме котла и отопительных приборов, потребуются и остальные элементы, да и установку системы тоже нужно включать в расчеты.

Приблизительная стоимость конструкции может колебаться в пределах от 4000 до 4500 тысяч долларов, но при желании можно найти варианты дешевле или дороже. Важно помнить, что слишком дешевая конструкция может не обеспечить дом необходимым количеством тепла, а чересчур дорогие варианты часто не оправдывают возложенных надежд. 

Заключение

Какие выводы можно сделать из всего вышесказанного? Замкнутая система отопления с принудительной циркуляцией достаточно надежна и долговечна, и такая конструкция прослужит дому на протяжении многих лет. При необходимости можно использовать в закрытой схеме и естественную циркуляцию, но этот вариант создаст некоторые неудобства, без которых вполне можно было бы обойтись.


принцип работы, монтаж коллектора своими руками + видео

Проектирование и монтаж системы отопления, пожалуй, самый трудоемкий процесс при строительстве дома. На первый взгляд – ничего сложно, но если углубиться в проблему, то всплывает множество нюансов, которые нужно учитывать. Смонтировать систему отопления своими руками возможно, но для этого потребуется просмотреть множество видео и прочитать десятки статей. Одной из этих статей – будет сегодняшняя, которая поможет разобраться с распределительными гребенками: принцип работы, виды коллекторов.

Сферы применения отопительных гребенок

Главным предназначением отопительной гребенки является оптимизация и рациональное распределение теплоносителя. Без правильно рассчитанного и смонтированного распределительного коллектора отопление может работать неправильно. Гребенка позволяет использовать всю полезную мощность котла, при этом получать максимальный КПД всей системы.

Также коллекторы позволяют включать в систему несколько точек потребителей и быть уверенными, что температура теплоносителя на всех участках магистрали будет одинаковой. Если не использовать распределительную гребенку, то часто получается, что радиатор возле котла очень горячий, а радиатор, к примеру, на втором этаже, чуть теплый.

Это происходит из-за того, что теплоноситель остывает пока доходит до последней батареи. Такого эффекта можно избежать и уменьшить путь теплоносителя до конечного потребителя путем разбивки на определенные контуры.

Совет. Очень часто в контур объединяют всего две комнаты, таким образом теплоноситель проходит через 2-3 радиатора и возвращается в котел. Нередко отдельным контуром выделяют теплый пол, ведь путь теплоносителя, который ему нужно пройти по трубам, даже в комнате 10 кв. м., может составить 100 м.

Устройство и принцип работы распределительной гребенки

Как упоминалось выше, распределительная гребенка – это прибор, который позволяет разбить отопительную систему дома на отдельные контуры. А значит, она должна состоять из двух отсеков:

  • подающая гребенка;
  • обратная гребенка.
Распределительный коллектор системы отопления

От каждой отходит по несколько выводов, их количество зависит от количества контуров. На подающей и обратной гребенке количество выводов всегда одинаковое. Таким образом, этот прибор является промежуточным узлом, через который проходит теплоноситель и распределяется по разным участкам отопительной системы.

Внимание! Каждая из гребенок дополнительно может быть оснащена различными датчиками, кранами или термостатами.

Принцип работы отопительного коллектора прост: нагретая в котле жидкость поступает в подающую гребенку, при этом происходит уменьшение скорости жидкости, так как диаметр гребенки больше диаметра подающей трубы. Уменьшение скорости жидкости позволяет распределить теплоноситель по контурам равномерно. Благодаря этому эффекту можно рассчитать диаметр подающей и обратной гребенки, зная скорость движения жидкости и нужный объём всей отопительной системы.

Распределенная жидкость устремляется по отдельному контуру и достигает радиатора или места замыкания теплого пола, отдает тепло отопительному прибору и возвращается по трубе. Так называемая «обратка» подключена ко второй гребенке, где все контуры сходятся, и собранная остывшая жидкость направляется в котел.

Виды и модификации гребенок для отопления

Современные распределительные коллекторы могут быть двух основных видов. Из-за различий в своём строении они применяются в различных случаях.

  1. Радиаторные коллекторы нашли своё применение в системах небольшого объема. Они хорошо подходят для отопительных систем двухэтажного частного дома, в которых имеется несколько контуров отопления и теплые полы. Такие коллекторы выпускаются с различными вариантами подвода теплоносителя: нижний, верхний и боковой. Чаще всего встречаются распределительные гребенки с нижним подводом теплоносителя. Это обусловлено тем, что трубы проложенные под полом намного лучше сохраняют тепло, а также совсем незаметны и не портят внешний вид комнат.

    Радиаторный коллектор

  2. Распределительная гидравлическая стрелка. Этот отопительный прибор предназначен для многоэтажных домов и больших объёмов жидкости. Принципиальным отличием в строении такого коллектора является емкость, которая находится между распределительными гребенками и объединяет их. Это нужно для того, чтобы выровнять давление по всей системе, а также не допустить резкого перепада температуры в трубах. Максимально реализовать КПД гидрострелки можно при наличии циркуляционного насоса на каждый отдельный контур.

На рынке можно найти гребенки, изготовленные из различных металлов и сплавов: латунные, нержавеющие и полипропиленовые. Каждый из материалов предназначен для определенного типа отопительных систем и имеет свои плюсы и минусы.

По количеству выходов можно встретить модели от 2 до 10 обслуживаемых контуров. В зависимости от потребности можно найти коллекторы, оборудованные циркуляционными насосами, дополнительными сливными кранами или отверстиями. Также нередки случаи наличия в конструкции гребенки термостатов и датчиков.

Самостоятельный монтаж коллектора

Ознакомившись с принципом работы и устройством коллекторной гребенки, можно сделать вывод, что смонтировать такой отопительный прибор можно самому. Вот несколько советов и правил, которым нужно следовать при монтаже:

  • выбирать и монтировать гребенку лучше всего на этапе проектирования отопительной системы, так как внедрение данного агрегата в уже работающую систему весьма сложно и практически нереально;
  • нишу под ящик или коллекторную гребенку нужно расположить на небольшом расстоянии над полом, таким образом, чтобы эту гребенку было удобно обслуживать, а дверцы шкафчика, при их наличии, открывались полностью;
Расположение ниши под коллекторную гребенку
  • вам потребуется установить расширительный бачок, если его у вас нет, объемом не менее 10% от объема всей циркулирующей жидкости в системе. Устанавливать бачок рекомендуют перед основным циркуляционным насосом, таким образом бачок будет защищён от гидроударов;
  • наличие циркуляционного насоса на каждый контур необходимо, если протяженность контура весьма большая, а мощность насоса, установленного на котле невелика;
  • при монтаже коллекторной гребенки лучше всего применять специальные металлические хомуты, которые будут крепиться к стене и крепко держать всю конструкцию. Для крепления труб можно использовать пластиковые хомуты.

Более подробные советы и сам процесс сборки распределительной гребенки можно найти в видео-блоке. Также там можно понаблюдать за работой профессионала и взять какие-то хитрости на вооружение.

Рекомендуем не пожалеть денег и времени и обратиться к специалисту, который поможет выбрать нужную распределительную гребенку. Однако если вы решили все же разобраться в данной проблеме сами, то следует помнить, что распределительная гребенка – это малая часть всей отопительной системы, которую нужно отладить и настроить под определенные потребности. А для этого вам потребуется чуть больше знаний и информации в данной сфере.

Что такое коллектор: видео

Что такое индукционный нагрев? Принцип действия, работа, преимущества, недостатки и применение индукционного нагрева

Определение : Индукционный нагрев — это процесс бесконтактного электрического нагрева, при котором электропроводящие материалы нагреваются по принципу электромагнитной индукции. Здесь тепло генерируется внутри проводящего материала без прямого контакта с источником.

Все мы знаем о том, что раньше для процесса нагрева, который в основном использовался, требуется прямой контакт между нагреваемым металлом и пламенем.Более конкретно, мы можем сказать, что неэлектрический нагрев требует прямого размещения металла над пламенем. Однако индукционный нагрев позволяет нагревать металл за счет циркуляции электрического тока.

Введение

Прежде чем продолжить, мы должны знать преимущества электрического обогрева перед другими методами обогрева.

  • Отсутствие движущихся частей, что упрощает обслуживание.
  • Эффективная работа.
  • Надежность и компактность.

Электрический нагрев — это метод нагрева материала или поверхности под действием внешнего источника питания. Электрический нагрев достигается при высокой частоте или промышленной частоте, однако принцип их действия совершенно разный.

В основном, при нагреве промышленной частоты передача тепла материалу происходит с помощью трех основных методов теплопередачи, то есть теплопроводности , конвекции или излучения .Напротив, при высокочастотном нагреве подводимая электрическая энергия превращается в тепло внутри самого материала. Таким образом, высокочастотный нагрев считается более эффективным методом нагрева.

Этот высокочастотный нагревательный механизм подразделяется на две категории, а именно: ,

.
  1. Индукционный нагрев
  2. Диэлектрический нагрев

Эти два метода нагрева принципиально различаются в зависимости от материала, который нагревается во время процесса.В основном, в процессе индукционного нагрева, проводящие материалы, такие как металл, нагреваются, а в процессе диэлектрического нагрева нагреваются изоляционные материалы, такие как дерево.

Однако нас интересует индукционный нагрев, о котором мы поговорим подробнее.

Принцип работы

Принцип работы индукционного нагрева основан на принципе закона электромагнитной индукции Фарадея и концепции джоулева нагрева.

Его действие очень похоже на работу трансформатора, работающего по закону Фарадея.В трансформаторах, когда первичная обмотка находится под напряжением, протекание через нее тока приводит к генерации переменного магнитного поля. Созданный магнитный поток, когда он связан с вторичной обмоткой, генерирует ЭДС во вторичной обмотке, и ток начинает течь через нее. Здесь сила магнитного поля зависит от величины приложенного электрического поля.

Здесь следует отметить, что между двумя катушками нет прямого контакта, однако они магнитно связаны, что приводит к протеканию тока через вторичную обмотку трансформатора.

Кроме того, согласно эффекту Джоуля, когда ток течет через материал, его внутреннее сопротивление противодействует потоку, поэтому мощность рассеивается в виде тепла.

Как происходит индукционный нагрев?

Прежде чем обсуждать операцию индукционного нагрева, вы должны отметить, что нагреваемый материал известен как заготовка , а катушка вокруг заготовки, которая индуцирует в ней ток, называется рабочей катушкой .

Индукционный нагрев происходит таким образом, что сначала, когда высокочастотный переменный ток пропускается через катушку (которая действует как первичная обмотка), затем переменное магнитное поле окружает катушку и генерируется магнитный поток.Это происходит из-за закона электромагнетизма. Теперь заготовка (ведет себя как цельная короткозамкнутая вторичная обмотка) помещается в катушку, как показано на рисунке ниже:

Затем магнитное поле рабочей катушки индуцирует ЭДС в заготовке, в результате чего через нее протекает вихревой ток. И этот принцип работы аналогичен тому, который имеет место в трансформаторах в соответствии с законом Фарадея . Поток вихревых токов внутри токопроводящей детали образует петлю, как показано ниже:

Однако во время протекания тока к нему будет действовать противодействующая сила i.е., конечное сопротивление, и это приводит к рассеиванию мощности в виде тепла через материал, и этот эффект известен как эффект Джоуля .

Здесь следует отметить, что из-за скин-эффекта во время высокочастотной работы рассеивание тепла ограничивается только поверхностью заготовки. При скин-эффекте ток концентрируется только на поверхности детали. При более глубоком проникновении в поверхность детали вихревые токи уменьшаются. Таким образом, изменение плотности тока в зависимости от расстояния представлено ниже:

Приведенное выше графическое изображение ясно показывает, что с увеличением расстояния плотность тока постепенно уменьшается.

Факторы, влияющие на индукционный нагрев

Предположим, что l и d — длина и диаметр цилиндрической заготовки. Рабочая катушка имеет N витков, по которым проходит ток I.

Согласно закону Ленца, направление индуцированного вихревого тока в цилиндре будет противодействовать вертикальному потоку IN. Здесь вихревой ток I2 — это вторичный ток с одним витком. Таким образом, учитывая отсутствие конечных эффектов,

Первичный ампер-виток, I * N = Вторичный ампер-виток, I 2 * 1

Таким образом, I 2 = I.№

Потери мощности в заготовке,

Длина соответствует направлению потока тока, а площадь — окружности круглой заготовки, т.е. πd .

Если δ — глубина проникновения, то площадь, перпендикулярная течению тока I2, равна lδ, таким образом,

Мы недавно обсуждали, что величина индуцированного тока уменьшается с увеличением расстояния от поверхности. Таким образом,

: I 0 — ток на поверхности в амперах,

x обозначает расстояние от поверхности в метрах,

δ — глубина проникновения,

I (x) — ток на расстоянии x от поверхности.

Предположим, что P s — это мощность, поступающая в металлический цилиндр на квадратный метр площади πdl, тогда

Следовательно,

: H = дюйм / л, т. Е. MMF на единицу длины заготовки.

Выражение для глубины проникновения имеет следующий вид:

: μ r обозначает относительную проницаемость металла,

ρ — удельное сопротивление заготовки,

f — частота питания.

Подставив значение δ в выражение P s , мы получим

Таким образом, факторы, влияющие на индукционный нагрев, будут:

Следовательно, для высоких значений H, f и μ r и ρ большее количество тепла происходит за счет индукционного нагрева.

Преимущества

  • Глубина проникновения зависит от частоты, поэтому при изменении частоты можно избежать потерь мощности во время нагрева.
  • Он подходит для таких применений, как обработка поверхности из-за концентрации тепла в ограниченных частях.
  • Он обеспечивает быстрый нагрев, что в конечном итоге позволяет экономить электроэнергию.
  • Индукционный нагрев достаточно эффективен.
  • Обеспечивает хорошие условия эксплуатации, т.е. без загрязнения.
  • Это автоматический процесс управления, поэтому квалифицированные рабочие не требуются.
  • Он предлагает функцию автоматического контроля температуры.

Недостатки

  • Требуется высокочастотный источник питания, поэтому он довольно дорогостоящий.
  • Электроснабжение обязательно при эксплуатации.

Применение индукционного нагрева

Широко известное применение индукционного нагрева — индукционное приготовление пищи, которое предлагает приготовление пищи с минимальным рассеиванием тепла в окружающую среду. Наряду с этим индукционный нагрев используется для ковки, отжига, сварки, пайки металлов, а также пайки различных металлов.Он также используется при закалке стали, спекании, стерилизации медицинского оборудования и т. Д.

Что такое диэлектрический нагрев? Принцип, работа схемы, преимущества, недостатки и применения диэлектрического нагрева

Диэлектрический нагрев — это процесс электрического нагрева, при котором температура диэлектрического (непроводящего) материала повышается за счет приложения переменного электрического поля (высокая сигнал напряжения переменного тока). Повышение температуры приводит к нагреванию вещества, находящегося в контакте с внешним полем.

Диэлектрический нагрев иногда называют высокочастотным или радиочастотным нагревом, емкостным нагревом. Этот процесс позволяет равномерно нагревать неметаллические материалы, которые не проводят электричество.

Введение

Когда мы слышим слово «огонь», первое, что мы понимаем из него, это что-то, связанное с « отопление ». Итак, по сути, огонь был одним из основных элементов, которые раньше использовались людьми для таких целей, как приготовление пищи, формование или сварка металлов и т. Д.

Тем не менее, благодаря различным технологическим достижениям в последние годы появилось так много альтернатив для выполнения таких приложений без необходимости пожара. Диэлектрический нагрев является одним из ценных изобретений в этой области, поскольку благодаря этому появился новый способ для таких процессов без использования огня.

Что такое диэлектрик?

Диэлектрики — это в основном изоляторы, которые обладают очень плохой проводящей способностью по сравнению с электрическим током.Мы знаем, что каждая материя во Вселенной состоит из молекул, элементарной частицей которых является атом.

Когда внешнего поля нет, полярные молекулы в материале располагаются внутри него случайным образом. Однако при приложении электрического поля материал поляризуется, потому что дипольные моменты полярных молекул правильно ориентируются. Теперь возникает вопрос — как это происходит?

В основном, в проводниках слабо связанные электроны дрейфуют через материал, когда он подключен к внешнему электрическому полю.Однако это не относится к диэлектрикам, поскольку у них нет слабосвязанных электронов или свободных электронов для таких воздействий. Но здесь возникает диэлектрическая поляризация.

Диэлектрическая поляризация — это не что иное, как наличие полярных молекул в правильной ориентации. Чтобы понять это, рассмотрим рисунок, показанный ниже:

Здесь есть две токопроводящие пластины, разделенные диэлектрическим материалом на обоих изображениях.

Первый неполяризован из-за отсутствия электрического поля.Однако на втором рисунке видно, что устройство подвергается воздействию электрического поля, из-за которого происходит небольшое смещение положительных зарядов в направлении электрического поля и отрицательных зарядов в противоположном ему направлении.

Мельчайшее разделение зарядов внутри диэлектрика известно как поляризация , и это приводит к уменьшению электрического поля внутри диэлектрика.

Принцип действия диэлектрического нагрева

Принцип работы диэлектрического нагревателя заключается в том, что между двумя электродами находится непроводящий материал, и к этим двум электродам прикладывается внешнее электрическое поле.В основном электроды имеют широкий диапазон частот.

  • Здесь следует отметить, что радиочастотное излучение — это форма энергии, а не тепла. Итак, для преобразования тепла из энергии требуется материальной материи .

Диэлектрический материал, который находится между двумя электродами, может быть любым, например деревом, пластиком, стеклом и т. Д. Хотя считается, что диэлектрик не пропускает электрический ток через него, на практике это невозможно.
Итак, всякий раз, когда эти материалы снабжены переменным источником высокого напряжения, даже незначительное движение заряженных частиц приводит к протеканию тока, что приводит к диэлектрическим потерям. В результате внутри материала выделяется тепло.

Схема работы диэлектрического нагрева

До сих пор мы считали, что единственное назначение диэлектрического нагревателя — нагрев изоляционного материала. Диэлектрический нагреватель считается электрическим нагревателем, поскольку он преобразует электрическую энергию в тепло.

Мы уже обсуждали индукционный нагрев (который также является одним из видов электрического нагрева) в нашем предыдущем содержании, где принцип электромагнитной индукции используется для нагрева магнитного материала без прямого контакта с источником.

На рисунке ниже показана схема диэлектрического нагревателя, который образован изоляцией изоляционного материала между двумя проводящими пластинами, образующими систему конденсаторов с параллельными пластинами.

Здесь очень высокочастотный сигнал переменного напряжения i.е., 20 кВ с частотой от 10 до 50 МГц предоставляется по всей емкостной схеме.

Мы уже обсуждали, что диэлектрические потери приводят к выделению тепла. Теперь возникает вопрос — , когда эти диэлектрические потери становятся настолько значительными, что нагревают изолятор?

Итак, как правило, когда на конденсатор, показанный выше, подается синусоидальное напряжение, конденсатор потребляет некоторый ток.Однако этот ток никогда не опережает напряжение точно на 90 °. Это означает, что существует некоторая синфазная зависимость между подаваемым напряжением и протекающим током. Это приводит к потере мощности в диэлектрике емкостных пластин.

В обычном частотном диапазоне 50 Гц эти потери не настолько значительны, чтобы вызывать тепловыделение, и ими можно пренебречь. Однако на более высоких частотах, то есть в мегагерцовом диапазоне, потери становятся довольно большими, что приводит к нагреванию диэлектрика.Это свойство всей конфигурации используется для нагрева диэлектриков (изоляционных материалов).

  • Здесь следует отметить, что величина возникающих диэлектрических потерь зависит от напряжения и частоты питания. Следовательно, чтобы получить сильный нагревательный эффект, необходимо обеспечить очень высокочастотный сигнал напряжения, так как это приведет к высоким диэлектрическим потерям и такому высокому тепловому эффекту.

Эквивалентная схема и вектор для показанной выше схемы приведены ниже:

Мощность, рассеиваемая в диэлектрическом материале, будет выражена как:

.

С,

Таким образом,

И подставив значение I из I C = I sinθ в приведенное выше уравнение, мы получим,

Кроме того, приведенное выше уравнение будет записано как:

Из приведенного вектора ясно, что θ = 90 ° — δ

Следовательно,

По тригонометрическому тождеству,

Мы знаем,

Следовательно, при замене

Предположим, что диэлектрическая плита имеет ширину b (в м) с площадью A (в м 2 ) с диэлектрической проницаемостью ε (в фарад / м), тогда ее емкость будет равна

С,

Заменить значение I C ,

Также, положив, значение C,

Объем диэлектрической плиты = Площадь * ширина = A * b (в м 3 )

Таким образом, потери мощности на единицу объема будут,

Так как, ε = ε 0 .ε р

ε 0 = относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала = 1 / 36π * 10 -9

Для ширины диэлектрика в см

Об упрощении,

Для конденсатора с малыми углами потерь

Коэффициент мощности, (p.f) = tan δ = тангенс угла потерь

Следовательно,

Коэффициент потерь диэлектрика = ε r (p.f)

Таким образом, из этого уравнения мы можем сказать, что потери мощности на единицу объема диэлектрика прямо пропорциональны

  • рабочая частота,
  • квадрат градиента напряжения и
  • коэффициент потерь материала.

Преимущества

  1. Это недорого .
  2. В отличие от других методов электрического нагрева, он предлагает равномерный нагрев .
  3. Диэлектрический нагрев обеспечивает хорошую нагревательную способность непроводящих материалов, таких как пластмассы.
  4. Для нагрева требуется умеренного времени .
  5. Heat Управляемость проста.
  6. Выработанное тепло зависит от применяемой частоты.
  7. Процесс быстрого нагрева, вызывающий эффективное повышение температуры за счет устранения разницы температур внутри непроводящего материала.

Недостатки

  1. Его КПД составляет всего 50% , что считается его основным недостатком.
  2. Нагревать можно только материалы с высокими диэлектрическими потерями .
  3. Иногда радиопомехи возникают из-за высокочастотного входа.

Применение диэлектрического нагрева

Различные области применения диэлектрического нагрева: :

  1. Пищевая промышленность : В области пищевой промышленности он используется для различных применений, таких как концентрирование жидкостей в бутылках, приготовление пищи без удаления внешней оболочки, размораживание, обезвоживание, бактерицидный нагрев и т. Д.
  2. Предварительный нагрев пластиковых преформ : Это одно из важных применений диэлектрического нагрева, поскольку ни один другой метод не может обеспечить его единообразия.Необработанный пластиковый материал в виде печенья или таблеток называется пластиковой преформой , и для преобразования большей части этого печенья или таблеток в определенную форму они хранятся внутри требуемой формы.
    В основном, чтобы получить желаемую форму, требуется равномерный нагрев до определенного уровня перед помещением в форму.
  3. Стерилизация : Этот процесс подходит для стерилизации медицинского оборудования и вспомогательных средств, таких как бинты, хлопок, ножницы и другие инструменты.
  4. Диатермия : Чтобы создать определенную температуру тела, чтобы вылечить определенные виды болей или заболеваний, ткани и кости тела подвергаются диэлектрическому нагреву.
  5. Электронное шитье : Это процесс, с помощью которого пластиковые листы зонтов, плащей, контейнеров с лекарствами могут быть запечатаны или соединены. Материалы с пластиковыми пленками не соединяются обычным сшиванием, таким образом, под воздействием тепла обеспечивается герметизация материала под действием механического давления.

Это все о диэлектрическом нагреве.

Определение и применение микроволнового нагрева

Электромагнетизм Микроволновое отопление

Принцип микроволнового нагрева

Микроволновое нагревание — это мультифизическое явление, которое включает электромагнитные волны и теплопередачу; любой материал, подвергающийся воздействию электромагнитного излучения, будет нагреваться.Быстро меняющиеся электрические и магнитные поля приводят к четырем источникам нагрева. Любое электрическое поле, приложенное к проводящему материалу, вызовет протекание тока. Кроме того, изменяющееся во времени электрическое поле заставляет диполярные молекулы, такие как вода, колебаться взад и вперед. Изменяющееся во времени магнитное поле, приложенное к проводящему материалу, также будет индуцировать ток. В некоторых типах магнитных материалов также могут быть гистерезисные потери.

Применение микроволнового нагрева

Нагревание пищи

Одним из очевидных примеров микроволнового нагрева является микроволновая печь.Когда вы помещаете еду в микроволновую печь и нажимаете кнопку «Пуск», в духовке колеблются электромагнитные волны с частотой 2,45 ГГц. Эти поля взаимодействуют с пищей, вызывая выделение тепла и повышение температуры.

Эффективность микроволнового нагрева зависит от свойств материала. Например, если вы поместите в микроволновую печь продукты с разным содержанием воды, они будут нагреваться с разной скоростью. На обеденной тарелке может оказаться немного еды, которая будет очень горячей, а остальная часть останется холодной.Кроме того, положение продуктов относительно друг друга также влияет на электромагнитное поле внутри духовки. Вот почему в большинстве микроволновых печей есть поворотные столы, которые позволяют вращать пищу и способствовать равномерному нагреванию.

Лечение рака

Еще одно приложение, в котором используются эффекты микроволнового нагрева, — это лечение рака, в частности гипертермической онкологии. Этот тип лечения рака включает в себя локализованное нагревание опухолевой ткани без повреждения здоровой ткани вокруг нее.

Врачи, выполняющие микроволновую коагуляционную терапию, вставляют тонкую микроволновую антенну прямо в опухоль и нагревают ее. При нагревании микроволнами образуется коагулированная область, убивающая раковые клетки. Этот метод лечения требует контроля пространственного распределения и мощности нагрева. Датчики температуры должны быть хорошо спроектированы и стратегически размещены, чтобы не повредить здоровые ткани.

Дата публикации: 14 января 2015 г.
Последнее изменение: 21 февраля 2017 г. Принцип индукционного нагрева

| Теория, что такое индукционный нагрев?

Что такое индукционный нагрев?

Основы принципа индукционного нагрева были изучены и применялись в производстве с 1920-х годов.Во время Второй мировой войны технология быстро развивалась, чтобы удовлетворить насущные потребности военного времени в быстром и надежном процессе упрочнения металлических деталей двигателя. В последнее время акцент на бережливых производственных технологиях и упор на улучшенный контроль качества привели к повторному открытию индукционной технологии, наряду с разработкой полностью контролируемых твердотельных источников питания для индукционного нагрева .

Induction_heating_principle

Индукционный нагрев — это процесс нагрева электропроводящего объекта (обычно металла) с помощью электромагнитной индукции, при котором в металле генерируются вихревые токи (также называемые токами Фуко), а сопротивление приводит к джоулеву нагреву металла. Индукционный нагрев — это форма бесконтактного нагрева для проводящих материалов, когда в индукционной катушке протекает переменный ток, вокруг катушки создается переменное электромагнитное поле, в ней генерируется циркулирующий ток (индуцированный, ток, вихревой ток) В заготовке (проводящем материале) тепло выделяется, поскольку вихревой ток течет против сопротивления материала.

Индукционный нагреватель (для любого процесса) состоит из индукционной катушки (или электромагнита), через которую пропускается высокочастотный переменный ток (AC).Тепло также может генерироваться потерями на магнитный гистерезис в материалах, которые имеют значительную относительную проницаемость.
Используемая частота переменного тока зависит от размера объекта, типа материала, связи (между рабочей катушкой и нагреваемым объектом) и глубины проникновения.
Высокочастотный индукционный нагрев — это процесс, который используется для склеивания, упрочнения или размягчения металлов или других проводящих материалов. Для многих современных производственных процессов индукционный нагрев предлагает привлекательное сочетание скорости, стабильности и контроля.

Индукционный нагрев — это быстрый, чистый, экологически чистый вид нагрева, который можно использовать для нагрева металлов или изменения свойств проводящего материала. Сам змеевик не нагревается, и эффект нагрева находится под контролем. Технология твердотельных транзисторов значительно упростила процесс индукционного нагрева , а также сделала его более экономичным для таких применений, как пайка и индукционная пайка, индукционная термообработка, индукционная плавка, индукционная ковка и т. Д.

теория индукционного нагрева

Принцип индукционного нагрева

Принцип индукционного нагрева (принцип индукционного нагрева) — United Induction Heating Machine Limited of China


индукционный нагрев


ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ было впервые отмечено, когда было обнаружено, что тепло выделяется в обмотках трансформатора и двигателя, как упоминалось в главе «Термическая обработка металла» этой книги.Соответственно, был изучен принцип индукционного нагрева, чтобы двигатели и трансформаторы могли быть сконструированы с максимальной эффективностью за счет минимизации потерь тепла. Разработка источников высокочастотной индукционной мощности предоставила средства использования индукционного нагрева для поверхностной закалки. Вначале индукция использовалась методом проб и ошибок с накоплением личных знаний о конкретных приложениях, но с отсутствием понимания основных принципов. С годами понимание основных принципов расширилось, и в настоящее время оно распространяется на компьютерное моделирование отопительных систем и процессов.Знание этих основных теорий индукционного нагрева помогает понять применение индукционного нагрева применительно к индукционной термообработке . Индукционный нагрев происходит из-за электромагнитных силовых полей, вызывающих электрический ток в детали. Детали нагреваются из-за сопротивления прохождению этого электрического тока.
Сопротивление
Все металлы проводят электричество, оказывая сопротивление потоку этого электричества. Сопротивление этому потоку тока вызывает потери мощности, которые проявляются в виде тепла.Это потому, что, согласно закону сохранения энергии, энергия преобразуется из одной формы в другую, а не теряется. Потери, вызванные сопротивлением, основаны на основной электрической формуле: P i2R, где i — количество энергии. ток, а R — сопротивление. Поскольку величина потерь пропорциональна квадрату тока, удвоение тока значительно увеличивает производимые потери (или тепло). Некоторые металлы, такие как серебро и медь, имеют очень низкое сопротивление и, как следствие,
6 / Practical Индукционная термообработка — очень хорошие проводники.Серебро дорогое и обычно не используется
для электрического провода (хотя в WorldWar II было несколько индукционных нагревателей, которые имели серебряную проводку из-за нехватки меди). Медные провода используются для передачи электроэнергии по линиям электропередач из-за низких потерь тепла при передаче. Другие металлы, такие как сталь, обладают высоким сопротивлением электрическому току, поэтому, когда электрический ток проходит через сталь, выделяется значительное количество тепла. Стальной нагревательный змеевик в верхней части электрической плиты является примером нагрева из-за сопротивления потоку электрического тока 60 Гц в доме.Подобным образом тепло, выделяемое в части индукционной катушки, происходит из-за электрического тока, циркулирующего в этой части.
Переменный ток и электромагнетизм
Индукционные нагреватели используются для подачи переменного электрического тока в электро-
. трикотажная катушка (индукционная катушка). Индукционная катушка становится электрическим (тепловым) источником, который индуцирует электрический ток в нагреваемой металлической детали (называемой заготовкой). Никакого контакта между заготовкой и индукционной катушкой как источником тепла не требуется, а тепло ограничивается локализованными областями или зонами поверхности, непосредственно примыкающими к катушке.Это связано с тем, что переменный ток (ac) в индукционной катушке имеет невидимое силовое поле (elec-
Рис. 2.1 Индукционная катушка с электромагнитным полем. OD, внешний диаметр; ID,
внутренний диаметр Источник: Ref1
Теория индукционного нагрева
Когда индукционная катушка размещается рядом с деталью или вокруг нее, силовые линии концентрируются в воздушном зазоре между катушкой и деталью. Индукционная катушка фактически функционирует как первичная обмотка трансформатора, а нагреваемая деталь становится вторичной обмоткой трансформатора.Силовое поле, окружающее индукционную катушку, индуцирует равный и противоположный электрический ток в заготовке, которая затем нагревается из-за сопротивления потоку этого индуцированного электрического тока. Скорость нагрева заготовки зависит от частоты индуцированного тока, интенсивности индуцированного тока, удельной теплоемкости материала, магнитной проницаемости материала и сопротивления материала протеканию тока. На рисунке 2.1 показана индукционная катушка с магнитными полями и индуцированными токами, создаваемыми несколькими катушками.Индуцированные токи иногда называют вихревыми токами, при этом ток наибольшей интенсивности возникает в области сильных магнитных полей.
Индукционная термообработка включает нагрев заготовки от комнатной температуры до более высокой температуры, что требуется для индукционного отпуска или индукционной аустенитизации. Скорость и эффективность нагрева зависят от физических свойств заготовок во время их нагрева. Эти свойства зависят от температуры, а удельная теплоемкость, магнитная проницаемость и удельное сопротивление металлов изменяются с температурой.На рисунке 2.2 показано изменение удельной теплоемкости (способности поглощать тепло) с температурой
° С. Рис. 2.2 Изменение удельной теплоемкости материалов в зависимости от температуры Источник: Ref2
8 / Практическая индукционная термообработка
для различных материалов. Сталь может поглощать больше тепла при повышении температуры. Это означает, что для нагрева стали, когда она горячая, требуется больше энергии, чем когда она холодная. В таблице 2.1 показана разница в удельном сопротивлении меди и стали при комнатной температуре, причем сталь демонстрирует сопротивление примерно в десять раз выше, чем медь.При 760 ° C (1400 ° F) сталь демонстрирует увеличение удельного сопротивления примерно в десять раз больше, чем при комнатной температуре. Наконец, магнитная проницаемость стали высока при комнатной температуре, но при температуре Кюри, чуть выше 760 ° C (1400 ° F), стали становятся немагнитными, в результате чего проницаемость становится такой же, как у воздуха.

Конструкция индукционной катушки


Принцип индукции

теория индукционного нагрева

  • Физические характеристики:

    Элементарный символ

    Имя

    Атомный вес

    Удельный вес

    Температура плавления

    Точка кипения

    Удельная теплоемкость

    Коэффициент
    тепла проводимость

    Номер элемента

    Ag

    Серебряный

    107.880

    10,49

    960,80

    2210

    0,056 (0 ‘)

    1,0 (0 ° C)

    47

    Al

    алюминий

    26,97

    2,699

    660,2

    2060 г.

    0.223

    0,53

    13

    В качестве

    мышьяк

    74,91

    5,73

    814

    610

    0,082

    —

    33

    Au

    золото

    197.21 год

    9,32

    1063,0

    2970

    0,031

    0,71

    79

    B

    бор

    10,82

    2.3

    2300 + -300

    2550

    0,309

    —

    5

    Быть

    бериллий

    9.02

    1,848

    1277

    2770

    0,52

    0,038

    4

    Ба

    барий

    137,36

    33,74

    704 + -20

    1640

    0,068

    —

    56

    Би

    висмут

    209.0

    9,80

    271,30

    1420

    0,034

    0,020

    83

    C

    углерод

    12,010

    2,22

    3700 + -100

    4830

    0.165

    0,057

    6

    Ca

    кальций

    40,8

    1,55

    850 + -20

    1440

    0,149

    0,30

    20

    CD

    кадмий

    112.41 год

    8,65

    320,9

    765

    0,055

    0,22

    48

    Ce

    церий

    140,13

    6.9

    600 + -50

    1440

    0,042

    —

    58

    Co

    кобальт

    58.94

    8,85

    1499 + -1

    2900

    0,099

    0,165

    27

    Cr

    хром

    52,01

    77,19

    1875 г.

    2500

    0.11

    0,16

    24

    CS

    цезий

    132,91

    1.9

    28 + 2

    690

    0,052

    —

    55

    Cu

    медь

    63.54

    8,96

    1083,0

    2600

    0,092

    0,94

    29

    Fe

    железо

    55,85

    7,896

    1536,0

    2740

    0,11

    0.18

    26 год

    Ga

    галлий

    69,73

    5,91

    29,87

    2070

    0,079

    —

    31 год

    Ge

    германий

    72.60

    5,36

    958 + -10

    2700

    0,073

    —

    32

    Hg

    Меркурий

    200,61

    13,546

    38,36

    357

    0,033

    0.0201

    80

    В

    индий

    114,76

    7.31

    156,4

    1450

    0,057

    0,057

    49

    Ir

    иридий

    193.1

    22,5

    2454 + -3

    5300

    0,031

    0,147

    7

    K

    калий

    39,096

    0,86

    63,7

    770

    0,177

    0.24

    19

    Ла

    лантадуим

    138,92

    6,15

    826 + -5

    1800

    0,045

    —

    57 год

    Ли

    литий

    6.940

    0,535

    186 + -5

    1370

    0,79

    0,17

    3

    Mg

    водород

    24,32

    1,74

    650 + -2

    1110

    0.25

    0,38

    12

    Mn

    марганец

    54,93

    7,43

    1245

    2150

    0,115

    —

    25

    Пн

    молибден

    95.95

    10,22

    2610

    3700

    0,061

    0,35

    42

    Na

    натрий

    22,997

    0,971

    92,82

    892

    0,295

    0.32

    11

    Nb

    ниобий

    92,91

    8,57

    2468 + -10

    > 3300

    0,065 (0 ° С)

    —

    41 год

    Ni

    никель

    58.69

    8,902

    1453

    2730

    0,112

    0,198

    28 год

    Операционные системы

    осмий

    190,2

    22,5

    2700 + -200

    5500

    0.031

    —

    76

    п

    фосфор

    30,98

    1,82

    441

    280

    0,017

    —

    15

    Pb

    привести

    207.21 год

    11,36

    327,4258

    1740 г.

    0,031

    0,08

    82

    Pd

    палладий

    106,7

    12,03

    1544

    4000

    0.058 (0 ° C)

    0,17

    46

    Pt

    платиновый

    195,23

    21,45

    1769

    4410

    0,032

    0,17

    78

    Руб.

    рубидий

    85.48

    1,53

    39 + -1

    680

    0,080

    —

    37

    Rn

    радон

    102,91

    12,44

    1966 + -3

    4500

    0,059

    0.21 год

    45

    RU

    рутений

    101,7

    12.2

    2500 + -100

    4900

    0,057 (0 ° С)

    —

    44 год

    S

    сернистый

    32.066

    2,07

    119,0

    444,6

    0,175

    —

    16

    Sb

    сурьма

    121,76

    6,62

    630,5

    1440

    0,049

    0.045

    51

    Se

    селен

    78,96

    4.81

    220 + -5

    680

    0,084

    —

    34

    Si

    селикон

    28.06

    2.33

    1430 + -20

    2300

    0,162 (0 ° C)

    0,20

    14

    Sn

    банка

    118,70

    7,298

    231,9

    2270

    0.054

    0,16

    50

    Sr

    стронций

    87,63

    2,6

    770 + -10

    1380

    0,176

    —

    38

    Та

    тантал

    180.88

    16,654

    2996 + -50

    > 4100

    0,036 (0 ° С)

    0,13

    73

    Tc

    технеций

    127,61

    6,235

    450 + -10

    1390

    0.047

    0,014

    52

    Чт

    торий

    232,12

    11,66

    1750 г.

    > 3000

    0,126

    —

    22

    Ti

    титан

    47.90

    4,507

    1688 + -10

    > 3000

    0,126

    —

    22

    Tl

    таллий

    204,39

    11,85

    300 + -3

    1460

    0.031

    0,093

    81 год

    U

    уран

    238,07

    19.07

    1132 + -5

    —

    0,028

    0,064

    92

    V

    ванадий

    50.95

    6.1

    1900 + 25

    3460

    0,120

    —

    23

    W

    вольфрам

    183,92

    19.03

    3410

    5930

    0,032

    0.48

    74

    Zn

    цинк

    65,38

    7,133

    419,505

    906

    0,0915

    0,27

    30

    Zr

    цирконий

    91.22

    6,489

    6,489

    > 2900

    0,066

    —

    40

Закон Ома

Закон Ома гласит, что в простой электрической цепи сила тока (I), протекающего через сопротивление (R), пропорциональна приложенному напряжению (E). Это выражается формулой:


Таким образом, если вы увеличите напряжение, а сопротивление останется прежним, ток будет увеличиваться пропорционально.

Resistive Heating
Resistance хорошо названо, так как оно препятствует прохождению тока. Чем ниже сопротивление, тем выше ток в цепи и, следовательно, больше мощность. Эта мощность (P) — это скорость, с которой электрическая энергия преобразуется в тепло. Это выражается формулой:

Это тепло можно использовать с пользой, и это принцип, лежащий в основе нагревательных элементов, которые вы найдете в фенах и обогревателях для плинтусов. Однако такое прямое производство тепла неэффективно, локализовано и сложно контролировать.Для промышленных целей предпочтительнее производить тепло с помощью индуцированного тока, а не постоянного.

Индукционный нагрев
При индукционном нагреве мы заменяем наведенный ток постоянным, что, конечно же, является принципом трансформатора. Так работает. Переменный ток, протекающий через первичные обмотки трансформатора, создает переменное электромагнитное поле. Поскольку верно и обратное, поместив вторичные катушки в это поле, мы заставим ток течь через них.И в зависимости от соответствующего количества электрических витков в первичной и вторичной обмотках, мы можем повышать или понижать уровни напряжения. Это напряжение во вторичных витках, которое при приложении к нагревательным элементам создает энергию для нагрева или плавления металлов.

Показано резистивное нагревание

Индукционный нагрев, показанный

Поток тока индуцируется во вторичной цепи, помещая вторичные витки в изменяющееся магнитное поле, создаваемое первичными витками.

Термодинамика: определение и законы | Живая наука

Термодинамика — это раздел физики, изучающий отношения между теплом и другими формами энергии. В частности, он описывает, как тепловая энергия преобразуется в другие формы энергии и из них, и как она влияет на материю.

Тепловая энергия — это энергия, которую вещество или система имеет благодаря своей температуре, то есть энергия движущихся или колеблющихся молекул, согласно веб-сайту Energy Education Агентства образования Техаса.Термодинамика включает в себя измерение этой энергии, что, по словам Дэвида Макки, профессора физики Южного государственного университета Миссури, может быть «чрезвычайно сложным». «Системы, которые мы изучаем в термодинамике … состоят из очень большого числа атомов или молекул, взаимодействующих сложным образом. Но если эти системы соответствуют правильным критериям, которые мы называем равновесными, их можно описать с помощью очень небольшого количества измерений или Часто это идеализируется как масса системы, давление в системе и объем системы или какой-либо другой эквивалентный набор чисел.Три числа описывают 10 26 или 10 30 номинальных независимых переменных «.

Тепло

Термодинамика, таким образом, касается нескольких свойств материи; главным из них является тепло. Тепло — это энергия, передаваемая между веществами или системами за счет разница температур между ними, согласно Energy Education. Как форма энергии, тепло сохраняется, т. е. не может быть создано или разрушено. Однако оно может передаваться из одного места в другое.Тепло также может быть преобразовано в другие формы энергии и обратно. Например, паровая турбина может преобразовывать тепло в кинетическую энергию для работы генератора, преобразующего кинетическую энергию в электрическую. Лампочка может преобразовывать эту электрическую энергию в электромагнитное излучение (свет), которое при поглощении поверхностью преобразуется обратно в тепло.

Температура

По данным Energy Education, количество тепла, передаваемого веществом, зависит от скорости и количества движущихся атомов или молекул.Чем быстрее движутся атомы или молекулы, тем выше температура и чем больше атомов или молекул находится в движении, тем большее количество тепла они переносят.

Температура — это «мера средней кинетической энергии частиц в образце вещества, выраженная в единицах или градусах, обозначенных на стандартной шкале», согласно словарю American Heritage Dictionary. Чаще всего используется шкала температур по Цельсию, которая основана на точках замерзания и кипения воды, присваивая соответствующие значения 0 и 100 градусов Цельсия.Шкала Фаренгейта также основана на точках замерзания и кипения воды, которым присвоены значения 32 F и 212 F соответственно.

Ученые всего мира, однако, используют шкалу Кельвина (K без знака градуса), названную в честь Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина, потому что она работает в расчетах. Эта шкала использует то же приращение, что и шкала Цельсия, т. Е. Изменение температуры на 1 C равно 1 K. Однако шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, температуры, при которой полностью отсутствует тепловая энергия и вся молекулярная энергия. движение останавливается.Температура 0 K равна минус 459,67 F или минус 273,15 C.

Удельная теплоемкость

Количество тепла, необходимое для повышения температуры определенной массы вещества на определенное количество, называется удельной теплотой или удельной теплотой. емкость, согласно Wolfram Research. Традиционной единицей измерения является калорий на грамм на кельвин. Калорийность определяется как количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры 1 грамма воды при 4 C на 1 градус.

Удельная теплоемкость металла почти полностью зависит от количества атомов в образце, а не от его массы.Например, килограмм алюминия может поглотить в семь раз больше тепла, чем килограмм свинца. Однако атомы свинца могут поглощать только примерно на 8 процентов больше тепла, чем такое же количество атомов алюминия. Однако данная масса воды может поглотить почти в пять раз больше тепла, чем равная масса алюминия. Удельная теплоемкость газа более сложна и зависит от того, измеряется ли она при постоянном давлении или постоянном объеме.

Теплопроводность

Теплопроводность ( k ) — это «скорость, с которой тепло проходит через указанный материал, выражается как количество тепла, протекающего в единицу времени через единицу площади с температурным градиентом в один градус на единицу. расстояние », согласно Оксфордскому словарю.Единица измерения для k — ватты (Вт) на метр (м) на кельвин (К). Значения k для металлов, таких как медь и серебро, относительно высоки и составляют 401 и 428 Вт / м · К соответственно. Это свойство делает эти материалы полезными для автомобильных радиаторов и ребер охлаждения для компьютерных микросхем, поскольку они могут быстро отводить тепло и обмениваться им с окружающей средой. Наивысшее значение k для любого природного вещества — это алмаз 2200 Вт / м · К.

Другие материалы полезны, потому что они очень плохо проводят тепло; это свойство называется термическим сопротивлением или значением R , которое описывает скорость, с которой тепло передается через материал.Эти материалы, такие как минеральная вата, гусиный пух и пенополистирол, используются для изоляции внешних стен зданий, зимних пальто и термокружек. R — значение дано в квадратных футах, умноженных на градусы Фаренгейта, умноженные на часы на британскую тепловую единицу (футы 2 · ° F · час / британские тепловые единицы) для плиты толщиной 1 дюйм.

Закон охлаждения Ньютона

В 1701 году сэр Исаак Ньютон впервые изложил свой закон охлаждения в короткой статье под названием «Scala gradum Caloris» («Шкала градусов тепла») в «Философских трудах Королевского общества».Утверждение закона Ньютона переводится с оригинального латинского как: «Превышение градусов тепла … было в геометрической прогрессии, когда время в арифметической прогрессии». Вустерский политехнический институт дает более современную версию закона, поскольку «скорость изменения температуры пропорциональна разнице между температурой объекта и окружающей среды».

Это приводит к экспоненциальному спаду разницы температур.Например, если в течение определенного времени поместить теплый предмет в холодную ванну, разница в их температурах уменьшится вдвое. Затем за тот же промежуток времени оставшаяся разница снова уменьшится вдвое. Это повторное уменьшение вдвое разницы температур будет продолжаться через равные промежутки времени, пока она не станет слишком маленькой для измерения.

Теплопередача

Тепло может передаваться от одного тела к другому или между телом и окружающей средой тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.Проводимость — это передача энергии с через твердый материал . Проводимость между телами возникает, когда они находятся в прямом контакте, и молекулы передают свою энергию через поверхность раздела.

Конвекция — это передача тепла жидкой среде или от нее. Молекулы в газе или жидкости, контактирующие с твердым телом, передают или поглощают тепло к этому телу или от него, а затем удаляются, позволяя другим молекулам перемещаться на место и повторять процесс. Эффективность можно повысить, увеличив площадь нагреваемой или охлаждаемой поверхности, как в случае с радиатором, и заставив жидкость перемещаться по поверхности, как в случае вентилятора.

Излучение — это излучение электромагнитной (ЭМ) энергии, в частности инфракрасных фотонов, переносящих тепловую энергию. Все вещества испускают и поглощают некоторое электромагнитное излучение, чистое количество которого определяет, приведет ли это к потере или приросту тепла.

Цикл Карно

В 1824 году Николя Леонар Сади Карно предложил модель теплового двигателя, основанную на так называемом цикле Карно. Цикл использует взаимосвязь между давлением, объемом и температурой газов, а также то, как подводимая энергия может изменять форму и работать вне системы.

Сжатие газа увеличивает его температуру, поэтому он становится горячее окружающей среды. Затем тепло можно отводить от горячего газа с помощью теплообменника. Затем, если позволить ему расшириться, он остынет. Это основной принцип тепловых насосов, используемых для отопления, кондиционирования и охлаждения.

И наоборот, нагревание газа увеличивает его давление, заставляя его расширяться. Затем давление расширения можно использовать для приведения в действие поршня, таким образом преобразуя тепловую энергию в кинетическую энергию.Это основной принцип тепловых двигателей.

Энтропия

Все термодинамические системы производят отходящее тепло. Эти потери приводят к увеличению энтропии, которая для закрытой системы является «количественной мерой количества тепловой энергии, недоступной для выполнения работы», согласно словарю American Heritage Dictionary. Энтропия в любой замкнутой системе всегда увеличивается на ; это никогда не уменьшается . Кроме того, движущиеся части выделяют отходящее тепло из-за трения, и радиационное тепло неизбежно выходит из системы.

Это делает невозможным создание так называемых вечных двигателей. Сиабал Митра, профессор физики в Государственном университете Миссури, объясняет: «Вы не можете построить двигатель со 100-процентной эффективностью, что означает, что вы не можете построить вечный двигатель. Однако есть много людей, которые до сих пор этого не делают. Не верю, и есть люди, которые все еще пытаются построить вечные двигатели ».

Энтропия также определяется как «мера беспорядка или случайности в замкнутой системе», которая также неумолимо увеличивается.Вы можете смешать горячую и холодную воду, но поскольку большая чашка теплой воды более беспорядочная, чем две меньшие чашки, содержащие горячую и холодную воду, вы никогда не сможете разделить ее обратно на горячую и холодную без добавления энергии в систему. Другими словами, вы не можете разбить яйцо или удалить сливки из кофе. Хотя некоторые процессы кажутся полностью обратимыми, на практике это не так. Таким образом, энтропия дает нам стрелу времени: вперед — это направление увеличения энтропии.

Четыре закона термодинамики

Фундаментальные принципы термодинамики первоначально были выражены в трех законах.Позже было установлено, что более фундаментальный закон был проигнорирован, по-видимому, потому, что он казался настолько очевидным, что его не нужно было прямо указывать. Чтобы сформировать полный набор правил, ученые решили, что необходимо включить этот фундаментальный закон. Проблема, однако, заключалась в том, что первые три закона уже были приняты и были хорошо известны по присвоенным им номерам. Столкнувшись с перспективой изменения нумерации существующих законов, что вызовет значительную путаницу, или помещения главного закона в конец списка, что не имело бы логического смысла, британский физик Ральф Х.Фаулер предложил альтернативу, которая разрешила дилемму: он назвал новый закон «нулевым законом». Вкратце, это следующие законы:

Нулевой закон гласит, что если два тела находятся в тепловом равновесии с некоторым третьим телом, то они также находятся в равновесии друг с другом. Это устанавливает температуру как фундаментальное и измеримое свойство материи.

Первый закон гласит, что общее увеличение энергии системы равно увеличению тепловой энергии плюс работа, проделанная в системе.Это говорит о том, что тепло является формой энергии и, следовательно, подчиняется принципу сохранения.

Второй закон гласит, что тепловая энергия не может передаваться от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой без добавления энергии. Вот почему запуск кондиционера стоит денег.

Третий закон гласит, что энтропия чистого кристалла при абсолютном нуле равна нулю. Как объяснялось выше, энтропию иногда называют «пустой тратой энергии», т.е.е. энергия, которая не может выполнять работу, и поскольку нет никакой тепловой энергии при абсолютном нуле, не может быть потерь энергии. Энтропия также является мерой беспорядка в системе, и хотя идеальный кристалл по определению идеально упорядочен, любое положительное значение температуры означает, что внутри кристалла есть движение, которое вызывает беспорядок. По этим причинам не может быть физической системы с более низкой энтропией, поэтому энтропия всегда имеет положительное значение.

Наука термодинамика развивалась веками, и ее принципы применимы почти ко всем когда-либо изобретенным устройствам.Его важность в современных технологиях невозможно переоценить.

Дополнительные ресурсы

Что такое джоулевое нагревание? | Документация SimWiki

Джоулевое нагревание — это физический эффект, при котором прохождение тока через электрический проводник производит тепловую энергию. Эта тепловая энергия затем проявляется в повышении температуры материала проводника, отсюда и термин «нагрев». Джоулева нагревание можно рассматривать как преобразование между «электрической энергией» и «тепловой энергией», следуя принципу сохранения энергии. 1 \) .

Среди этих экспериментов было исследование связи между электрическим током, протекающим через проводник, и повышением его температуры. Эксперимент состоял из погруженного в воду провода, подключенного к клеммам батареи. Когда контур был включен, можно было измерить повышение температуры воды. Анализ записанных данных привел к первоначальной форме соотношения, теперь известного как первый закон Джоуля, согласно которому «тепло, выделяемое в проводе за единицу времени, пропорционально сопротивлению провода и квадрату силы тока».2R \ tag {1} $$

где:

  • \ (H \) — тепло, выделяемое проводником, в Джоулях;
  • \ (I \) — электрический ток, протекающий по проводнику, в амперах;
  • \ (R \) — электрическое сопротивление, Ом;
  • \ (t \) — прошедшее время в секундах.

Самый распространенный современный способ записать соотношение, задаваемое законом, включает генерируемую мощность \ (P \) вместо тепла и времени:

$$ \ frac {H} {t} = P = I ^ 2R \ tag {2} $$

Как это работает?

Тогда было известно, благодаря Джоуля, что тепло в проводнике генерируется под действием электрического тока, но как?

Электрический ток — это не что иное, как движение потока электронов, вызванное так называемой «электродвижущей силой»: разницей в электрическом потенциале через две точки в материале, которая имеет тенденцию заставлять электроны в материале двигаться.Обратите внимание, что он «имеет тенденцию» вызывать движение, потому что это движение зависит от многих факторов: наличия свободных электронов для перемещения, «легкости», с которой электроны могут двигаться, и величины электродвижущей силы. Этот эффект резюмируется в законе Ома:

$$ I = \ frac {V} {R} \ tag {3} $$

В нем говорится, что электрический ток \ (I \), который представляет собой количество движущегося электрического заряда в единицу времени, протекающего через проводник, пропорционален разности электрических потенциалов на его концах \ (V \) и обратно пропорционален сопротивление материала проводника \ (R \).

Это сопротивление представляет собой противодействие проводника току: чем выше сопротивление, тем труднее течь току. Эксперименты показали, что сопротивление зависит не только от материала проводника, но и от его геометрии (длины и площади поперечного сечения). Следовательно, указывается внутреннее свойство материала, удельное сопротивление, такое, что сопротивление (\ (R \)) проводника можно рассчитать как:

$$ R = \ frac {\ rho l} {A} \ tag {4} $$

где:

  • \ (\ rho \) — собственное удельное сопротивление материала проводника;
  • \ (l \) — длина проводника между точками приложения разности электрических потенциалов;
  • \ (A \) — площадь поперечного сечения проводника. 3 \).

    Но как все это связано с джоулевым нагревом? Глядя на закон Джоуля, мы можем видеть, что для данного тока, чем выше сопротивление проводника, тем больше тепла выделяется. Проще говоря, чем сложнее перемещать электроны по проводнику, тем больше работы затрачивается на их перемещение, работа, которая непосредственно преобразуется в тепло в материале. А «напрямую» означает, что в этом процессе энергия не теряется в других формах. Действительно, это один из немногих в природе процессов, обладающих такой характеристикой.

    Как рассчитать Джоулевое нагревание?

    Учитывая, что у нас есть электрический проводник (может быть проволокой, стержнем или пластиной) длиной \ (l \), площадью поперечного сечения \ (A \), который сделан из материала с удельным сопротивлением \ (\ rho \) , можно рассчитать его электрическое сопротивление с помощью уравнения 4, которое было опубликовано выше.

    $$ R = \ frac {\ rho \ l} {A} \ tag {4} $$

    Если на проводник затем воздействует разность электрических потенциалов \ (V \) на его концевых выводах (при постоянном токе), ток \ (I \) будет течь через него, согласно закону Ома, из уравнения 3:

    $$ I = \ frac {V} {R} \ tag {3} $$

    Мощность \ (P \), рассеиваемая в проводнике и превращающаяся в тепло, определяется законом Джоуля.2R \ tag {2} $$

    Количество тепла \ (Q \) затем накапливается в проводнике через время \ (t \):

    $$ Q = Pt \ tag {5} $$

    Скорость повышения температуры в проводнике может быть определена с помощью соотношения:

    $$ T = \ frac {Q} {cm} \ tag {6} $$

    Где \ (c \) — удельная теплоемкость материала, а \ (m \) — полная масса проводника.

    Здесь предполагается, что все геометрические и материальные параметры постоянны по всей длине проводника и что для величин используется согласованная система единиц.2R \ tag {8} $$

    А в остальном расчет остается равным.

    Приложения для Джоулевого нагрева

    Джоулевое нагревание материалов широко используется во многих приложениях дома, на транспорте и в промышленных продуктах. Назову несколько:

    Лампы накаливания , в которых нить накаливания нагревается электричеством и излучается свет.

    Духовки сопротивления, , в которых тепло от проводника используется за счет теплового излучения и конвекции.Например:

    • Домашняя печь-бройлер, в которой в верхней части духовки размещены резисторы для нагрева пищи с этого направления.
    • тостеры, в которых сверху и снизу размещены сопротивления для разогрева пищи со всех сторон.
    • промышленные электрические печи, в которых с каждой стороны размещены резисторы для равномерного нагрева обрабатываемого продукта, например, для отверждения краски или удаления влаги.

    Сопротивление прямого нагрева, , где тепло от проводника используется за счет прямого теплового потока.Примеры:

    • печи сопротивления, в которых горшок помещается непосредственно над тостером для хлеба
    • , где есть сопротивление с каждой стороны ломтика хлеба, находящегося в прямом контакте
    • обогрев лобового стекла автомобиля, где сопротивление приклеивается к стеклу для его нагрева равномерно и предотвращать конденсацию,
    • офисная кофеварка, в которой сопротивление используется в два этапа: сначала для кипячения воды и повышения ее температуры, а затем для поддержания температуры кастрюли горячей

    Индукционный нагрев, с переменными магнитными полями индуцируют токи, протекающие в материале, что создает эффект Джоуля.2 \).

    Один важный аспект, который следует обсудить при разговоре о применении электрического отопления, — это энергоэффективность. Как было сказано ранее, преобразование электрической энергии в тепло в процессе обработки материала проводника не приводит к потерям. Это означает, что этот процесс на 100% энергоэффективен. Хотя этого нельзя сказать о том, как используется тепло от проводника. Будь то теплопроводность, конвекция, излучение или накал, применение электрического тепла имеет тенденцию быть ужасно неэффективным, потому что большая часть тепла теряется в окружающей среде, а не в полезном применении.6 \), где показано, что светодиодная лампа может потреблять примерно в пять раз меньше энергии при том же количестве излучаемого света. Забота об окружающей среде привела к замене многих неэффективных приложений электрического отопления на более эффективные технологии, такие как лампы накаливания для светодиодов или электрические плиты, духовки и обогреватели для природного газа.