Menu Close

Принцип работы системы отопления: принцип работы, как работает по этой технологии

Главные принципы работы отопления дома. На чем все основано?

принцип работы отопления домаМы живем с Вами в век активного строительства частного жилья. Строя свой дом, важно разбираться в куче аспектов, чтобы избежать каких-либо недопониманий с прорабами и строителями. Немаловажно так же знать принцип работы отопления дома, от которого по сути зависит весь Ваш комфорт в холодные времена года.

Прошли уже давно времена контрамарок и печек. Сегодня в домах ставят куда более современные системы отопления, которые работают не только на угле, но и на других энергоресурсах.

Итак, на чем же основывается принцип работы отопления дома? Давайте разберемся по порядку.

Весь принцип работы отопления начинается по сути с котла. Котел служит для нагрева теплоносителя. Чаще всего теплоносителем выступает вода, реже специальные незамерзающие растворы.

Котлы сегодня бывают разных типов и работают на разном горючем, таких как уголь, дизель, газ, электричество.

Котлы сегодня устанавливают в специальных помещениях, так называемых котельных. Котельная не ограничивается одним котлом. В ней сконцентрированы все отопительные узлы: распределительный коллектор, гидрострелка, насосы, бойлеры косвенного нагрева

В этой статье мы не будем концентрироваться на принципе работы котельной. Об этом Вы можете почитать отдельно по этой ссылке.

Итак, котел нагревает нам теплоноситель. Далее наш теплоноситель начинает передвигаться по трубам к источнику «отдачи тепла». Сегодня под этими источниками чаще пподразумевают либо радиаторы, либо теплые полы.

Теплоноситель передвигается либо естественным путем (такая система называется системой с естественной циркуляцией), либо принудительным путем.

В случае естественной циркуляции система отопления не зависит от электричества и работает строго по законам физики. Такую систему проще всего сделать на основе радиаторного отопления.

Недостатки систем с естественной циркуляцией:система отопления открытого типа

  • невозможно автоматически регулировать температуру;
  • больший расход энергоносителей за счет увеличенных диаметров труб
  • невозможность использования бойлера косвенного нагрева
  • далеко не всегда можно спрятать трубы в стене;

В случае принудительной циркуляции система отопления зависит напрямую от электричества, так как для работы системы необходимо наличие насосов. К таким системам относятся теплые полы, двухтрубная радиаторная система и другие.

Преимущества систем с принудительной циркуляцией:

принудительная система отопления

  • Более экономичная по сравнению с системой естественной циркуляции;
  • Трубы можно прятать в стены;
  • Возможна автоматическая покомнатная регулировка температуры

С принципом движения теплоносителя разобрались. Далее принцип работы системы отопления заключается в движении нашего теплоносителя по трубам и поступление его в источник отдачи тепла. Таким источником выступает сам радиатор. В случае теплого пола – это трубы, которые греют стяжку.

Нагрев дома от источника тепла происходит по принципу конвекции или по принципу излучения. Теплый пол, например, работает по принципу излучения. По такому же принципу работает солнце. Оно нагревает землю и земля отдает тепло.

Медно-алюминиевый радиатор наоборот работает на 90% по принципу конвекции. Он нагревает потоки воздуха, проходящие сквозь него.

В системах отопления есть такое понятие, как подача и обратка. Подача – это то, куда поступает горячий теплоноситель. Обратка – это то, куда поступает (возвращается) остывший теплоноситель.

Чтобы добиться эффективной работы системы отопления, теплоноситель постоянно циркулирует в системе отопления. Горячая вода поступает в источник отдачи тепла, затем возвращается обратно в котел, где вновь подогревается. И так по замкнутому кругу.

Во время нагрева происходит расширение теплоносителя. Для компенсации этого явления в систему монтируют расширительный бак. Бак вместе с котлом монтируют в котельной.

Вот мы с Вами и рассмотрели основной принцип работы отопления дома. Хотите больше разобраться в системах отопления? Воспользуйтесь нашей бесплатной видеоинформацией.

Читайте так же:

система обогрева и ее схема, виды, трубы для нее, принцип работы, монтаж

На территории нашего государства самым популярным видом обогрева жилища является водяное отопление, как традиционный и наиболее рациональный вариант. Его высокая популярность обусловлена относительно доступной ценой материалов, из которых собрана система, и топлива, роль которого в большинстве случаев выполняет природный газ.

Как функционирует?

Принцип работы водяного обогрева примечателен своей простотой. Для такого отопления характерна замкнутая система, основными элементами которой являются трубы, радиаторы и нагревательный котел.
Теплогенератор разогревает теплоноситель (воду, гликолевый раствор), а тот, в свою очередь, по трубам перетекает к радиаторам, установленным в отапливаемых помещениях.

Водяное отопление дома

Горячие батареи за счет теплоотдачи прогревают воздух, и в комнатах устанавливается комфортная температура. После остывания жидкость возвращается к котлу, где ее температура поднимается, и цикл повторяется снова и снова.

Тип циркуляции

Как говорилось ранее, водяное отопление функционирует за счет передвижения теплоносителя по системе. Сейчас мы рассмотрим существующие виды циркуляции воды, имеющие принципиальные отличия, которые необходимо учитывать при выборе схемы.

Естественная (гравитационная)

В данном случае процесс обогрева заключается в разных плотностях горячего и холодного теплоносителя.

Естественная система отопления

Подогретая жидкость теряет свою плотность и уменьшается в весе, поэтому выталкивается вверх, протекая по трубопроводу. Отдав тепло и снизив температуру, вода становится плотнее, опускается вниз и уходит обратно в котел.

К достоинствам естественной системы водяного отопления можно отнести ее автономность, так как она не нуждается в электричестве, и очень простую конструкцию.

Если говорить о недостатках, то здесь потребуется внушительное количество труб с большим диаметром, иначе процесс гравитации будет нарушен, а современные радиаторы с небольшим сечением просто не смогут состыковаться с магистралью. Также при монтаже трубопровода необходимо обеспечивать уклон от 2°, что будет способствовать корректной работе системы.

Принудительная

Перетекание воды по трубопроводу происходит при помощи циркуляционного насоса. Избыточная масса теплоносителя, которая образуется после нагрева, отводится в бачок расширения (в большинстве случаев закрытой конструкции), что предотвращает испарение жидкости.

Принудительная циркуляция

Это правило особенно касается тех случаев, когда в качестве теплоносителя используются гликолевые составы. Давление в принудительных обогревательных системах обязательно контролируется при помощи манометра.

Преимущества такой системы водяного отопления весьма очевидны и заключаются в небольшом объеме теплоносителя при малом расходе труб, диаметр которых уступает предыдущему варианту.

Принудительная циркуляция

Также здесь появляется возможность устанавливать желаемую температуру нагрева радиаторов, которые могут быть абсолютно любого типа. Недостатком является зависимость от подачи электроэнергии, без которой невозможна работа насоса.

Оборудование

Водяное отопление будет надежным и эффективным только в том случае, если все его детали правильно подобраны, а монтаж выполнен грамотно. В данном случае элементы системы должны взаимодействовать между собой и подходить друг к другу по типу.

Котел

Выбор основного отопительного прибора обусловлен топливом, которое будет использоваться для обогрева дома. По своему типу котлы бывают:

Котел отопления

  • газовыми;
  • электрическими;
  • жидко- и твердотопливными;
  • комбинированными.

Самыми экономичными по праву считаются приборы, работающие на природном газе, однако они требуют проведения магистрали и постоянного контроля специальными службами.

Полной независимости от центральной энергосистемы можно добиться при помощи твердого или жидкого топлива, но придется смириться с заботами по заготовке и хранению энергоресурсов.

Электрический котел наименее востребован, так как он потребляет много энергии и, как следствие, тянет за собой большие расходы на отопление. В данном случае лучше устанавливать радиаторы, которые напрямую преобразовывают электричество в тепло.

Твердотопливный котел

Мощность агрегата выбирают согласно площади помещения, которое будет обогреваться при помощи системы водяного отопления. Подбор производят при усредненном соотношении 1 кВт:10 м², при этом высота стен должна быть не более 3 м. Также нужно брать во внимание степень теплоизоляции помещения, размер оконных рам и наличие сторонних точек потребления тепла.

Магистрали

Традиционные трубы для контура, легко поддающиеся коррозии, все чаще уступают место изделиям, у которых отсутствует такой существенный недостаток. На их смену пришли образцы из оцинкованных металлов и нержавеющей стали.

Самым надежным вариантом по праву считаются медные детали, устойчивые перед резким перепадом давления и температурных показателей. Они не ржавеют и легко прячутся в стену. Единственным их недостатком является высокая стоимость материала, который считается представителем премиум сегмента.

Контур отопления

Трубы из металлопластика отличаются длительным сроком эксплуатации. Они обладают отличной прочностью, устойчивы к проявлениям коррозии, не накапливают осадки на внутренних стенках, их монтаж прост, а работы по установке проводятся быстро.

Недостатком является высокий коэффициент линейного расширения при температурных перепадах, что может привести к повреждению.

Разводка

Водяное отопление частного дома можно смонтировать по-разному, в зависимости от того, какие виды функций на него возлагаются. Существует две схемы:

  1. Одноконтурная.
  2. Двухконтурная.

Один контур

Первый тип рассчитан только на обогрев помещения. Он включает в себя одноконтурный котел с воздушной вытяжкой, однотрубную разводку и батареи с необходимым количеством секций.

одноконтурная система отопления

Для обеспечения подачи горячей воды, которая используется в хозяйственных нуждах, можно устанавливать две такие конструкции одновременно. Так, одна из них будет отапливать дом, а вторая отвечать исключительно за ГВС. Это практичное решение, так как в теплое время года нет смысла обогревать жилище ради получения теплой воды для душа или кухни.

Данная конструкция очень проста в сборке и доступна по цене. Она подходит для домов с небольшой площадью (до 100 м²). Это и объясняет ее популярность среди владельцев небольших дач. Одноконтурное водяное отопление можно усовершенствовать путем установки циркуляционного насоса, регуляторов температуры на батареях и двухтрубной разводки.

Два контура

Такой принцип разводки предусматривает одновременную подачу горячей воды и обогрев площади. Подходит для домов, где живет не более 4 человек.

двухконтурная система отопления

Стоит учитывать, что здесь подойдет водопроводная или умягченная вода. Жесткая жидкость из скважины может повредить оборудование системы, поэтому не может быть использована.

Тип системы

Ознакомившись со способами циркуляции теплоносителя по магистралям, стоит знать, что контур системы водяного отопления может быть однотрубным, двухтрубным и коллекторным. Рассмотрим все три варианта более подробно.

Одна труба

В данном случае вода последовательно передвигается от радиатора к радиатору, при этом по дороге теряя температуру, отчего каждая следующая батарея будет холоднее.

Разводка труб

Это негативно сказывается на достижении комфортного климата в комнатах.

Две трубы

Для такой схемы характерно более качественное отопление помещений. Здесь предусмотрен монтаж двух труб, которые подведены к каждому радиатору. Одна из них снабжает батареи горячим теплоносителем, а вторая отводит остывшую воду обратно к котлу, таким образом, потери тепла будут минимальными.

Коллектор

Самый эффективный вариант, при котором обязательным элементом является коллектор, отдельно подводящий трубу с горячей водой к каждому обогревательному элементу. Другая труба возвращает остывший теплоноситель обратно.

Коллектор

Учитывая такую особенность можно проводить ремонт и устанавливать температуру каждого радиатора отдельно, не выводя из эксплуатации весь контур. К сожалению, здесь значительно увеличивается расход труб и возникает необходимость проведения работы по установке коллекторного шкафа.

Отличительные характеристики

Если проводить сравнение с воздушным и электрическим обогревом, то водяное отопление прочно заняло лидирующие позиции благодаря многим факторам. В первую очередь, это доступная цена на материалы, работу и эксплуатацию системы, включая оплату за потраченный энергоресурс, чем не могут похвастаться остальные виды обогрева домов.

Здесь мы можем отметить высокую теплоотдачу отопительных элементов, способствующую равномерному прогреванию комнат и установке комфортного климата. Также немаловажен тот факт, что теплоноситель можно подогревать при помощи любого вида топлива, что невозможно при электрическом обогреве.

Все работы по установке водяной системы легко выполняются своими руками и это тоже огромный плюс. С воздушными магистралями дела обстоят сложнее и, скорее всего, придется обращаться за помощью к специалистам.

принцип работы, особенности, виды, плюсы и минусы

Весьма распространенный тип обогрева помещений – гравитационный. Система такого типа функционирует, благодаря циркуляции воды по отопительным трубам. Метод отопления используется во многих квартирах, но отлично подходит для загородного дома. Гравитационная обогревательная система проста, надежна и применяется уже много лет.

Особенности гравитационного метода отопления дома и принцип работы

Содержание статьи

Метод обогрева был разработан с применением базовых законов физики и применялся на протяжении многих лет. Базовая особенность – циркуляция жидкости не нуждается в поддержке электроэнергии, протекание является самоподдерживающимся. Гравитационный обогрев отличается надежностью – трубы функционируют десятилетиями, не нуждаясь в замене. От владельца жилплощади требуется только эпизодическая профилактика.

Из-за слабого давления при циркуляции жидкости система не способна прогреть пространство в большом радиусе. Действие распространяется на расстояние около 30 м от источника тепла. Прогрев происходит неспешно, ввиду свойств воды, также, жидкость в расширительном баке может начать замерзать при экстремально низких температурах. Для правильной работы гравитационного отопления учитывают особенности этого способа обогрева для сведения недостатков к минимуму.

Компоненты, составляющие систему:

  • радиаторы;
  • расширительный бак;
  • котел;
  • в некоторых случаях — гравитационный капкан.

Схема функционирования звучит просто. Нагретая в котле вода проходит по трубам и подается в радиаторы, которые отдают тепло в помещения. По возвратным трубам жидкость протекает назад, в котел, где снова подвергается нагреву и подается к батарее. Для равномерного нагрева цикл проходит постоянно. Для бесперебойной и правильной работы системы трубы устанавливают под углом. Они наклонены по направлению течения.

Работа схемы объясняется физическими свойствами воды. Горячая вода подвергается физическим изменениям на молекулярном уровне. Она поднимается по трубам благодаря расширению из-за высокой температуры. Холодная вода, присутствующая в системе в обратной трубе участвует в процессе – она выталкивает массу горячей воды и задает направление.

Гравитационная система отопления

Схема работы гравитационного метода отопления дома

Теплая жидкость распространяется по отводам самопроизвольно, благодаря температуре и текучести. Форма трубопровода помогает в этом. Холодная часть воды протекает по тем же законам, но двигается в обратном направлении. Наклон трубы одновременно стимулирует движение и способствует выходу воздушных пузырей в сторону расширительного бака. Пузырьки стремятся вверх, ввиду разницы массы газа и воды, полегание трубопровода под углом не позволяет воздуху скопиться в профиле.

Бак поддерживает давление во всей системе. В него протекает теплая вода, объем которой увеличен, а когда жидкость охлаждается (с уменьшением объема), она покидает бак и вновь участвует в цикле. Давление позволяет воде беспрепятственно продвигаться по трубам с относительно постоянной скоростью. В основе цикла лежит разница между плотностями горячей и холодной воды, помещенной в специальные условия. Без влияния давления или в трубопроводе неверной конструкции циркуляция не произойдет.

Проектирование системы производит обученный специалист. Сложность конструкции и множество нюансов не позволят обывателю точно спланировать и установить схему гравитационного отопления без помощи теплотехника. Особенности конкретного проекта зависят от множества аспектов. Для правильного проекта понадобится рассчитать показатели гидравлики (по которым определяется размер труб для системы), учтет внешние условия и т. д., чтобы отопление работало без перебоев.

Выбор труб

Необходимый размер профиля для трубопровода называют по завершении проектирования системы – это задача мастера. Владелец дома, в свою очередь, может выбрать трубы для монтажа. Вариант всегда может порекомендовать специалист по проектированию, но нужно понимать, какие параметры имеет тот или иной материал, как он повлияет на работу отопления. Для гравитационного обогрева используют следующие варианты:

  • профиль из нержавеющей стали;
  • полипропилен;
  • медь.

Полипропиленовая труба считается лучшим выбором. Материал мало весит, прост в монтаже и не поддается коррозии. Последнее свойство особенно важно, поскольку материал будет в постоянном контакте с жидкостью. Полипропилен имеет отличную шумоизоляцию. Обычно течение воды не сопровождается громкими звуками, но благодаря свойствам материала работа системы будет проходить абсолютно беззвучно.

Основной момент при монтаже полипропиленового трубопровода – максимальная температура, которую выдерживает выбранная труба. Сопротивляться температурной деформации полипропиленовому трубопроводу помогает армирующее покрытие. Это защитный слой, нейтрализующий воздействие горячей воды на материал.

Часть трубопровода, по которой вода возвращается в котел рекомендовано монтировать из стали. Этот металл ускоряет охлаждение жидкости и снижает гидравлическое сопротивление во время работы отопительной системы.

Разновидности систем гравитационного отопления

Всего существует 2 типа систем. Они различаются по сложности конструкции, монтажа и проектирования. Для каждой есть свои рекомендации по установке и эксплуатации. Отопительные установки бывают двухтрубными и однотрубными.

Двухтрубные системы

Отличаются сложной конструкцией, непростым монтажом. Для работы используют 2 контура. Один отвечает за движение жидкости от котла в сторону радиаторов, а другой за возвращение воды в котел. Данный вариант отопительной системы ставят чаще, ввиду больше надежности, лучшего эффекта. Проектирование отнимает больше времени, поскольку учитываемых позиций элементов, а также переменных в расчетах становится больше (по сравнению с однотрубным проектом).

Двухтрубная гравитационная система отопления

Двухтрубная система отопления

Однотрубные системы

Имеют только один контур. При проектировании, зависимости от количества установленных батарей, проводится расчет объема расширительного бака. Уровень воды в данной емкости должен постоянно отслеживаться. Он не должен падать ниже трубы, распределяющей жидкость по батареям. Нормальный уровень заполнения бака – ¾ от всего объема. Сильное снижение уровня может стать помехой для циркуляции воды, полностью прекратить процесс.

Схема однотрубной системы гравитационного отопления проще, чем двухтрубная, но проект должен быть продуман до мелочей. Небольшой просчет может стать причиной отсутствия циркуляции и обогрева дома.

Двухтрубная гравитационная система отопления

Однотрубная система отопления

Работа установки всецело зависит от правильного давления в трубах, его равномерному распределению. Без этого циркуляция будет невозможна.

Дополнения для повышения эффективности системы

Отопительная установка может работать лучше, если в проект будут внесены усовершенствования. Данные меры оптимизируют систему, увеличивают КПД и сглаживают недостатки, которые могут сказаться на качестве функционирования. Можно предложить следующие дополнения:

  1. Монтаж обратного капкана, который блокирует случайное движение жидкости не в том направлении.
  2. Монтирование циркуляционного насоса. Установка этого дополнения снижает инерционность гравитационной системы. В случае превышения времени, отведенного на нагрев, данное улучшение увеличивает скорость протекания воды. В результате жидкость нагревается до необходимого уровня.
  3. Уклон магистрали. Позволяет получить оптимальный уровень давления в ходе работы системы.

Гравитационное отопление в базовой комплектации будет работать и без дополнительных мер, но монтаж вспомогательных элементов значительно повысит эффективность и снизит вероятность поломок. Для внесения изменений, их заранее обговаривают с теплотехником, ответственным за проект.

Плюсы и минусы

Любой метод отопления имеет свои сильные и слабые стороны. На них следует обратить внимание для сравнения с альтернативными вариантами отопления. Знание плюсов и минусов позволяет оценить, насколько удобен этот вид обогрева для конкретного здания.

Преимущества:

  1. Работа без электропитания.
  2. Прочность (металлические трубы очень устойчивы к разрушению, они могут служить до 40 лет без ремонта).
  3. Легкость в использовании.
  4. Бесшумная работа (течение воды не сопровождается громкими звуками, их наличие указывает на возможную неисправность).

Недостатки:

  1. Организация гравитационного отопления для дома требует значительных финансовых вложений. Затраты на проект, материалы и монтаж, вкупе с возможными дополнениями могут быть действительно крупными.
  2. Отдельные разводные схемы бывают связаны с сильной разницей температур в радиаторах системы.
  3. Прогрев всех батарей в доме – медленный процесс, когда установку для обогрева запускают впервые. На нагрев уходит от 4 часов.
  4. Есть риск замерзания расширительного бака. Это случается, когда вода циркулирует с небольшой скоростью. Чтобы исключить возникновение подобной проблемы, некоторые части системы придется утеплить.

Гравитационная система отопления – самая архаичная, но самая надежная из существующих. С момента изобретения она прошла некоторые этапы «эволюции», но основной принцип остался неизменным. При сотрудничестве с грамотным проектировщиком, затрате определенных средств и наличии условий для проведения отопления это один из лучших вариантов для загородного дома.

О гравитационной системе отопления дома можно узнать и из видео:

Принцип работы сервопривода для системы отопления

Среди многочисленного оборудования, которое участвует в работе систем отопления «теплый пол» можно обнаружить небольшой приборчик, играющий важнейшую роль в управлении и в регулировке отопительной системы. Это сервопривод, электромеханическое устройство, без которого автоматическая регулировка температурного режима для теплого водяного пола не возможна.

В основе прибора лежит электротермическая реакция на изменение температуры нагрева теплоносителя в основной подающей трубе и последующее механическое действие, обеспечивающие в комплексе открытие или закрытие поступление горячей воды в отопительные контуры. Сервоприводы или сервомоторы, официально на языке профессионалов устройство называется сервопривод электротермический, сегодня присутствуют практически во всех автономных системах отопления. Новые загородные жилые постройки, коттеджи и дачи, оборудованные теплыми полами, имеют на оснащении теплый пол, который управляется сервоприводами. Именно сервопривод, устанавливаемый для теплого пола на коллектор, выполняет задачу по регулировке потока теплоносителя в системе отопления водных полов.

Существующие виды сервоприводов на сегодняшний день

Среди существующих на сегодняшний день регуляторов, получивших распространение в быту, встречаются следующие сервоприводы. Все приборы можно разделить на несколько видов. Каждая разновидность отличается принципом действия и функционалом. По типу конструкции устройства бывают двух видов:

По названиям можно судить о принципе действия. Для закрытых сервоприводов характерным является открытое положение при отсутствии питания. Поступающие сигнал приводит в действие механическую часть, перекрывая доступ воды в систему. Для устройств открытого вида, принцип действия в обратном порядке. В обычном состоянии сервопривод закрыт, только с поступлением сигнала механическая часть приводится в действие, открывая поступление воды в трубопровод. О том, какой вид лучше подходит для бытового использования, судить вам, оценивая возможности собственной системы обогрева и климатические условия за окном. Чаще всего используются у нас в стране нормально открытые сервоприводы.

На заметку: при выходе из строя прибора, теплоноситель в трубопроводе продолжает циркулировать, оставляя пол теплым на определенное время. Такая особенность особенно актуальная для загородных домов, расположенных в холодной климатической зоне.

По способу питания сервомоторы делятся на приборы, питающиеся постоянным поток напряжением 24В и устройства, подключаемые к обычной электросети переменного тока напряжением 220В. Сервоприводы с питанием в 24В оснащаются инверторами.

Нередко потребители используют еще один, достаточно редкий вид устройств. Речь идет о приборах, которые выставляются в нормальное положение в зависимости от технологических требований отопительной системы. Такие сервоприводы называются универсальными и могут менять функциональность с нормально открытого состояния на нормально закрытое состояние, и наоборот.

Подключить к коллектору можно все три вида сервомоторов. Единственное условие, правильная настройка, балансировка и условия эксплуатации отопительной системы.

Критерии выбора вида сервопривода

В данном разделе постараемся ответить на вопрос. На чем основывается выбор приборов того или иного вида.

Если вырешили оснастить свою отопительную систему «теплый водяной пол» сервоприводами, учитывайте параметры эксплуатации вашего отопления. В каком положении большую часть времени должен находиться клапан. В той ситуации, когда для вас теплый пол является основным вариантом обогрева жилых помещений, когда горячий теплоноситель постоянно поступает в трубопровод, делайте ставку на сервомотор нормально открытый. Такой вид является идеальным в условиях длительного отопительного сезона.

На заметку: при перебоях с электрическим снабжением, выход прибора из строя не остановит циркуляцию теплой воды в отопительных водяных контурах. Теплый пол будет продолжаться снабжаться теплоносителем подготовленной водой.

Для регионов с теплым климатом подойдет сервомотор нормальный закрытый. Если вам не страшна размораживание отопительного контура, и вы периодически включаете напольный обогрев, этот прибор будет вполне справляться со своими функциями.

Важно! Сервопривод для теплого пола с плавной настройкой имеют регулятор электронного типа. Такие устройства более точно реагируют на изменения температуры потока теплоносителя, плавно переводя шток в необходимое положение. Сервомоторы с плавной настройкой рассчитаны на теплые полы, в которых часто приходится выполнять дозировку объема поступающего потока.

В большинстве случае подобные устройства в домашних системах отопления с греющими полами не используются. Поэтому при покупке, обратите внимание, требуется или нет к прибору монтаж электронного регулятора. Если в инструкции написано что такое оснащение необходимо, значит, вы имеете дело с электронным сервоприводом. Скажем сразу, такой прибор использовать в домашних условиях нецелесообразно и нерентабельно.

Обязательно прочтите: как сделать водяной пол от газового котла?

Устройство и принцип работы сервомоторов


Основным рабочим элементом сервопривода является сильфон. Т.е. такая же деталь, как и в трехходовом клапане. Небольшой по размерам, герметичный цилиндр с эластичным корпусом заполнен веществом, чутко реагирующим на температуру.  В зависимости от того, происходит повышение или понижение температуры, происходит соответственно изменение объема вещества. Рисунок – схема наглядно демонстрирует устройство сервомотора, где основным местом занимает сильфон.

Сильфон находится в тесном контакте с электрическим нагревательным элементом. Получая сигнал с термостата, нагревательный элемент включается от сети и включается в работу. Внутри сильфона вещество подогревается и увеличивается в объеме. Таким образом, увеличившийся в размерах цилиндр начинает давить на шток, меняя его положение и перекрывая путь потоку теплоносителя. Оценивая работу сервопривода можно сделать вывод – прибор не оснащен никакими моторами, в нем нет никаких шестерней и передаточных звеньев. Обычная рабочая связь «тепловая энергия и электричество». Отсюда и распространенное название приборов, термоэлектрические регуляторы.

Для того, что бы клапан снова стал открытым, весь процесс повторяется только в обратном направлении. Отсутствие электропитания приводит к тому, что нагревательный элемент перестает работать. Следовательно, вещество внутри цилиндра остывает, уменьшаясь в объеме. Давление на шток уменьшается, он подымается, действуя на клапан, а, следовательно, открывается доступ горячей воды в систему.

На заметку: вещество, помещенное внутрь цилиндра – толуол, обладающее высокими термодинамическими характеристиками. Электрическим нагревательным элементом выступает нихромовая нить.

Ознакомившись с принципом работы устройства, важно помнить, что для механического действия клапана необходимо определенное время.  Несмотря на то, что при поступлении сигнала с термостата, нагревательный элемент начинает нагревать вещество внутри цилиндра. Время, необходимое на изменения физического состояния жидкости, составляет 2-3 минуты, поэтому клапан приводится в действие не сразу.

Для справки: при выборе модели сервопривода обратите внимание на параметры нагревательного элемента и время нагрева жидкости, указанные в паспорте прибора.

В отличие от нагрева, остывание жидкости проходит медленнее. На обратный процесс, т.е. на закрытие клапана потребуется уже не 2-3 минуты, а 10-15 минут. При перегреве каждый сервомотор должен автоматически отключаться. Для этого в конструкции предусмотрен механизм аварийного отключения.

Для примера: используемые в работе коллекторной группы сервоприводы не все оснащаются цилиндрами и баллонами с веществом. Ест модели, в которых эту роль играют термоэлементы, напоминающие собой пружину или пластину, которые под действием все того же нагревательного элемента нагреваются. Расширяясь, эти детали воздействуют опять же, на шток, приводя в конечном итоге в рабочее состояние клапан.  Определить в каком положении находится клапан, можно по изменению внешнего вида сервопривода. Выдвигающийся элемент сигнализирует о работе прибора. Если этого не происходит, значит, ваш прибор неправильно подключен или система отопления работает с перебоями.

Для справки: горячий на ощупь сервомотор означает, что в данном случае прибор закрыт и отключен. Если прибор на ощупь прохладный, следовательно, клапан открыт, теплоноситель нормально циркулирует по водяным контурам теплого пола.

Установка сервопривода. Особенности и нюансы

Перед монтажом сервопривода определитесь, с каким типом термостата прибору придется взаимодействовать. В случаях, когда термостат контролирует работу одного водяного контура, оба прибора напрямую связываются между собой проводами. Когда речь идет об использовании мультизонального термостата, прибора, обслуживающего сразу несколько трубопроводов, подключение сервомоторов осуществляется следующим образом.

Что бы правильно присоединить все провода и клеммы, используются коммутатор теплого пола. В функции этого устройства входит подключение и соединение устройств различного назначения в единую цепь. Помимо распределительной и связующей функции, коммутатор играет еще роль и предохранителя. В ситуациях, когда закрыты все отсекающие клапаны водяных контуров, коммутатор отключает питание циркуляционного насоса.

Коммутатор очень удобен в тех случаях, когда теплые полы работают от автоматизированного автономного газового котла. Рисунок показывает, каким образом подключаются термостаты и сервоприводы к единой системе управления.

Место установки сервопривода, термостатический клапан, устанавливаемый на коллектор.

Важно! При работе системы отопления теплые полы от твердотопливного котла, такая функция коммутатора, как отключение насоса, чревата остановкой самого нагревательного прибора. Установка байпаса и перепускного клапана позволит вам избежать остановки насоса и работы нагревательного прибора в холостую.

Выводы

Следует отметить, что благодаря появлению современных устройств и приспособлений, управление и регулировка теплых полов стала  обыденным и простым процессом. Конструкция многих приборов, используемых для работы отопительных контуров, особой сложностью не отличается. Понятен и принцип работы многих узлов и агрегатов. Это можно с уверенностью сказать и о сервоприводах. Приборы в большинстве своем надежны, практичны и удобны в эксплуатации. Благодаря сервомоторам стало возможным полностью автоматизировать систему управления теплыми полами, сделать условия использования отопительного оборудования простым и понятным.

Выбирая вариант попроще, можно обойтись установкой обычных регулирующих кранов. Автоматические регуляторы, термодатчики и сервоприводы, категория устройств, работающих на ваш комфорт и безопасность. Установка дополнительных приборов, таких как коммутатор и перепускной клапан, сделают вашу систему отопления максимально эффективной и безопасной.

Теплоаккумулятор для котлов отопления, принцип работы и расчет

Твердым топливом отапливают дома в регионах, где нет газопровода, а дрова и уголь обходятся дешевле затрат на электроэнергию. Но, возникает неудобство, которого лишены газовые и электрические котлы и заключено в необходимости постоянно находиться рядом с котлом и загружать очередную порцию топлива вручную. Чтобы делать это реже, котел нужно оборудовать теплоаккумулятором (далее ТА), который будет накапливать избыточное тепло и отдавать его когда дрова или уголь уже сгорели.

Что такое теплоаккумулятор и какую функцию он выполняет

При сильном горении происходит перегрев системы, при слабом она остывает. Сократить амплитуду и увеличить период колебаний можно за счет вместительного бака с теплоаккумулятором. Последний представляет собой теплообменник с большой емкостью, заполненой теплоностилем. Одна часть системы забирает излишки энергии с котла, вторая постепенно отдает тепло в отопительную систему, не давая температуре резко упасть. Весь это процесс происходит автоматически через змеевики под управлением трехходовых клапанов.

Другими словами. ТА позволит Вам загрузить полную топку дров и не переживать что вода в котле закипит. После догорания топлива система отопления еще некоторое время сможет работать за счет накопленного в емкости тепла.

Принцип действия

Теплоаккумулятор – это емкость, внутри которого циркулирует горячий жидкий теплоноситель. Температура поддерживается в нужном диапазоне благодаря дозированию энергии, передаваемой в контур. Разогретый бак отдает тепло в комнаты постепенно. В результате пропадает необходимость постоянно поддерживать горение в топке котла.

Видео обзор такой системы

Достоинства и недостатки отопления с теплоаккумулятором

Плюсами таких систем являются:

  1. Снижение затрат на энергоносители.
  2. Увеличение КПД отопительной системы.
  3. Отсутствие перегрева.
  4. Снижение количества (периодичности) загрузки твердого топлива в котел.
  5. Тонкая настройка температурного режима в помещениях.
  6. Возможность модернизации (совмещение с системой подачи горячей воды, использование альтернативных источников энергии вместо топлива).

При всех достоинствах отопительное оборудование такого типа имеет и недостатки:

  1. Мощность установленного котла позволяет отапливать площадь, вдвое больше, чем требуется (запас мощности).
  2. Система долго запускается из холодного состояния до вхождения в нормальный рабочий режим.
  3. Ввиду громоздкости оборудования и большого числа комплектующих усложняется транспортировка, размещение и монтаж.
  4. Сохраняется необходимость топливного склада в непосредственной близости от котельной.
  5. Стоимость оборудования и отсутствие быстрой окупаемости затрат, особенно при замене котла.

Последний недостаток успешно решается, если смонтировать теплоаккумулятор своими руками.

Типы отопительных систем с теплоаккумулятором и разным количеством змеевиков

Змеевик играет роль теплообменника, то есть жидкости различных систем не смешиваются между собой, а передача тепла происходит через стенки этой спирали. Изготавливается из меди или нержавеющей стали. Иногда используется черный металл что бы удешевить конструкцию.

Различают четыре основных типа систем:

Без змеевика. Вместо него может быть вмонтирован дополнительный бак меньшего диаметра, подключенный к малому контуру. Передача тепла происходит благодаря физическим свойствам, при котором она поднимается вверх, а холодный теплоноситель опускается в нижнюю часть емкости. Такая система является самой простой и работает только с одним потребителем, например системой отопления и одним источником. Это может быть как твердотопливный котел так и солнечный коллектор. Особенности – минимальная себестоимость, простота монтажа.

С одним змеевиком. Спираль находится внутри основного бака, по ней циркулирует теплоноситель от источника. Энергия передается в накопительную емкость откуда и циркулирует далее к потребителю. Особенности такой системы является не смешивание различных теплоносителей. Это может быть важно если они имеют различные химические составы.

Система может работать и в обратном порядке, через змеевик может бить запитана система отопления или ГВС. 

С двумя змеевиками. Дополнительный малый контур теплообменника запитан в систему, подключенную к альтернативному источнику энергии. Эта система позволяет использовать более широкий спект оборудования для нагрева теплоносителя.

С тремя спиралями. Предполагается, что в единый отопительный комплекс входит котел на твердом топливе и два альтернативных источника, например, солнечная и геотермальная батареи. Максимальная экономия твердого топлива. Котел может использоваться как дополнительный (резервный).

С дополнительным баком. Существуют системы, в которых включен еще один контур с теплообменником для того, чтобы горячая вода в кране появлялась сразу же после запуска котла, не дожидаясь выхода в оптимальный режим обогрева. Однако в таких системах, запас горячей води ограничен, по его истечению дальнейший прогрев будет проходить медленнее чем через змеевик.

Применение различных типов систем

Отопительные системы, в состав которых входят только твердотопливные котлы применяются, как правило, для обогрева частных домов. Необходимость сооружать угольный (дровяной) склад доставляет неудобство, но такой конфигурации достаточно для отопления в самые суровые морозы.

Системы отопления, в которые включен солнечные коллекторы позволяют экономить до 30% затрат на энергоносители, но не заменить твердотопливный котел. Поэтому ее используют как вспомогательную, тем более что солнце светит не всегда. А вот для того, чтобы дома всегда была вода, мощности достаточно (замещает на 50-90%).

Совмещенные конфигурации предполагают применение газового и твердотопливного котлов. Это удобно при запуске системы в промерзшем здании. Если газовый агрегат подключить к системе горячего водоснабжения, то вода будет всегда. При этом не нужно подбрасывать дрова, достаточно нажать пусковую кнопку газовой горелки. а основную задачу по нагреву води возьмет на себя твердотопливный котел.

Схемы подключения

Полная схема подключения ТА для системы отопления

Простейшая схема подключения предполагает наличие контурного кольца прогрева котла. Это даст возможность сократить время разогрева основного контура. Термостат не позволит прогонят через теплоаккумулятор холодный теплоноситель (воду или гликоль), пока температура не установится на требуемом уровне.

Как только это произойдет, теплоноситель распределяется в двух направлениях:

  1. Прогрев ТА.
  2. Прогрев основного бака.

В последнем случае предполагается перемешивание с теплоносителем и перенаправление в бак. Благодаря тому увеличивается КПД и сокращается время прогрева основного контура. Такое подключение дает возможность работать системе автономно (при выключенном насосе).

Отдельный контур сообщает ТА и радиаторы. Чтобы исключит необходимость контролировать работу отопительной системы, в ее состав вводится два байпаса:

  1. Содержит шаровый клапан, который перекрывается при выключенном насосе. В работу включается обратный клапан.
  2. Если насос остановлен, а шаровый клапан вышел из строя, прокачка теплоносителя производится по второму (резервному) байпасу.

Схему можно упростить, исключив обратный клапан. Это делают, мотивируя тем, что он характеризуется высоким сопротивлением потока. Прибегая к такому шагу нужно помнить, что в случае прекращения подачи электроэнергии придется вручную открывать шаровый клапан.

Более сложная система с использованием альтернативного источника энергии и контура горячего водоснабжения

Если отключения возможны, в систему включают альтернативный источник питания или бесперебойник. Это потребует дополнительных затрат. Целесообразность покупки данного оборудования проявляется после подсчета стоимости труб, фитингов, насоса и клапанов, которые могут прийти в негодность. В результате приобретение ИБП (источник бесперебойного питания) не кажется слишком дорогим удовольствием.

Подробный видео обзор системы

Расчет объема теплонакопителя

Слишком малый объем неэффективен, большой нецелесообразен с точки зрения затрат и потери полезной площади помещения. Точный расчет выполнить невозможно ввиду отсутствия информации о теплопотери здания, особенно, если оно находится в стадии проектирования.

Однако есть возможность рассчитать максимально приближенно. В качестве исходных данных служит мощность котла и суммарная площадь всех отапливаемых помещений. Расчеты производятся следующим образом:

  1. Мощность нагревателя в киловаттах находится в прямой зависимости с площадью. 1КВт способен обогреть 10 м2. Если дом 120 м2, то котел должен выдавать 12 КВт. Необходимо заложить запас, чтобы оборудование не работало на предельной нагрузке (средний коэффициент – 1,5). Получается, нужно устанавливать котел 18 КВт.
  2. Пренебрегая объемом жидкости в трубах и радиаторах, принимается, что каждый киловатт мощности расходуется на разогрев 25 л. теплоносителя в теплоакуумуляторе. Перемножив две величины, получаем 450 л. Эта величина не предельная, ведь на прошлом шаге был заложен запас мощности 50%.

Заложенного запаса хватит на самую холодную зиму. Оборудование будет работать не на пределе возможности, а значит, прослужит долго.

Расчет по формуле

Существует множество сложных математических формул, позволяющих произвести вычисления

Самая простая формула выглядит так: m = Q / 1.163 х Δt,

Где:

  • Q – расчетное количество тепловой энергии, которую мы можем накопить. Это разница вырабатываемой мощности котла и необходимой нам для отопления;
  • m – масса воды в резервуаре, кг. Ее мы хотим вычислить;
  • Δt – разница между начальной и конечной температурами теплоносителя, °С;
  • 1.163 кВт/кг – удельная теплоемкость воды.

Онлайн калькулятор

*Если калькулятор показывает 0 (ноль), значить у вас нет излишков энергии, которые можно накопить.

Пояснения:

Паспортная мощность котла, она указана производителем. Если документы на оборудование не сохранились, найти характеристики можно с сети интернет.

Мощность, необходимая для отопления вашего дома. Рассчитывается специалистами по сложной форме, которая включает: объем помещения, систему отопление, энергоэффективность всего дома.

Температура подачи и обратки. Если в системе не установлены термометры, ее можно снять любым теплосъемником.

Как сделать теплоаккумулятор своими руками

Такой вопрос возникает когда человек узнает цену на такое оборудование, в зависимости от количества змеевиков и материала изготовления, она колеблется в пределах 400-1500 уе. Что не всем по карману.

Схема устройства

ТА представляет собой цилиндрическую емкость или прямоугольной формы, изготовленную из металла. Размеры определяет требуемый объем, полученный в результате расчетов, приведенных ранее. Толщина стенки 2-3 мм.

Лист раскраивается при помощи плазмореза, болгарки, гильотины или сварочного аппарата. Сшивается он также при помощи сварки. Максимальное качество шва обеспечивает газовая сварка, но и инверторной можно получить желаемый результат. В любом случаи качество сварных швов необходимо будет проверить под давлением до 4 атмосфер. Торцевые стенки цилиндра закрываются плоскими металлическими кругами той же толщины.

Сталь или нержавка

Сегодня на рынке можно приобрести такие емкости как с черной стали так и с нержавеющей. Производители же утверждают что стоит брать только последний вариант так как он не подвержен коррозии, но и стоит в 2-2.5 раза дороже. Что же выбрать? На самом деле, есть нет денег на нержавку смело берите черный металл. Толщины 3 мм хватит на многие годы, так как эта емкость постоянно заполнена водой, содержащегося в ней кислорода недостаточно для образования коррозии.

Единственная проблема, это когда сливается вода, определенное время внутри сохраняется сырость. Но, запаса толщины металла достаточно чтобы это не было проблемой. Из моей практики: теплоаккумуляторы эксплуатируются уже около 10 лет, никаких проблем с коррозией при ревизии не обнаруживалось.

В качестве теплообменника выступает изогнутая гладкая или гофрированная труба. Покупка магниевого анода избавит от опасности быстрого покрытия конструкции коррозией.

Пример чертежа

Необходимо заблаговременно изготовить чертеж и отметить входное и выходное отверстия для врезки теплообменника и еще два подключения к главному контуру. Входное сверху, выходное внизу. В стенки врезаются штуцеры. Дополнительных два отверстия с патрубками нужно сделать в днище и верхней крышке. Одно для слива теплоносителя, второе для воздухоотводчика (избавит от переизбытка давления внутри бака).

Чтобы емкость, особенно если форма не цилиндрическая, после заполнения не раздуло, по периметру, на расстоянии 320-380 мм друг от друга устанавливаются ребра жесткости (снаружи бака). Их изготавливают из металлической полосы толщиной 3 мм. Внутри каждое кольцо стягивается двумя диаметральными усилителями стенок, перпендикулярными друг другу. То же самое делают с торцевыми стенками (усилитель соединяет центры окружностей).

Вся конструкция сваривается. Для установки потребуются опоры. Они будут прилажены к днищу. В этих местах снаружи бака прилаживают дополнительные ребра жесткости из такой же полосы, чтобы под массой ТА днище не деформировалось. На штуцеры нарезается резьба (если соединение с трубами планируется выполнить при помощи муфт). Это можно сделать до их установки на ТА.

Как альтернативу применяют сварное соединение контура. Это неудобно с точки зрения обслуживания. В случае выхода ТА из строя придется резать трубы. Муфту можно раскрутить, а после ремонта смонтировать все заново. Если в качестве змеевика используют сплавы цветных металлов, понадобится аргоновая сварка.

Когда система предполагает использование нескольких спиралей теплообменника, их устанавливают одна внутри другой. То есть диаметр первой меньше диаметра второй. Возможна конструкция с расположением друг над другом, если такое позволяет высота потолков в помещении.

Материалом для бака может служить углеродистая сталь с антикоррозийным покрытием, нанесенным гальваническим методом. Это дешевле, нежели сделать бак из нержавейки. Но последняя прослужит дольше. Единственное уязвимое место – сварочные швы. Их лучше обработать. Естественно, сварочный аппарат должен иметь возможность варить нержавеющую сталь.

В качестве дополнительного оборудования можно врезать электрический ТЭН. Включая его вы сократите время запуска и прогрева системы. Контрольно-измерительные приборы тоже не будут лишними (термометр, контроллер уровня теплоносителя и т.д.). В качестве устройств, обеспечивающих безопасность работы теплоаккумулятора, применяют предохранительный выпускной воздушный клапан. Такая система надежна, долговечна и неприхотлива.

Изготовление змеевика

Для изготовления этого элемента используется медная трубка 20-30 мм диаметром. Форма должна быть цилиндрическая, поскольку всегда являются слабым местом в системах с постоянно циркулирующей водой.

Что бы сделать такую спиральную конструкцию можно использовать простейшее приспособление в виде деревянно-фанерного каркаса, на который наматывается трубка.

С обеих краев трубки нужно приварить или припаять штуцеры с резьбой для дальнейшего подключения их в систему. Для спайки лучше всего использовать мягкий припой.

Проверка герметичности

Теперь необходимо проверить нашу конструкцию на протекание, причем сделать это необходимо под давлением. Во первых система отопления работает в пределах 0.8-3.5 атмосферы, во вторых давление может скакать достаточно резко при быстром прогреве системы и на это необходимо сделать определенный напуск. давления 4 Бар будет достаточно.

Наполняем резервуар водой максимально как только позволяет конструкция. Далее можно применить компрессор или даже автомобильный насос и накачать им необходимое давление. Подсоединить его можно через одно из технологических отверстий, о которых я писал выше.

Оставить в таком состоянии емкость на некоторое время и проверить не проявляется ли вода или сырость на швах.Если такая проблема возникла ее необходимо исправлять.

Principles of Heating and Cooling

Понимание того, как тепло передается с улицы в ваш дом и от вашего дома к вашему телу, важно для понимания проблемы поддержания прохлады в вашем доме. Понимание процессов, которые помогают сохранять ваше тело прохладным, важно для понимания стратегий охлаждения вашего дома.

Принципы теплопередачи

Тепло передается к объектам и от них — например, к вам и вашему дому — посредством трех процессов: теплопроводности, излучения и конвекции.

Проводимость — это тепло, проходящее через твердый материал. В жаркие дни тепло попадает в ваш дом через крышу, стены и окна. Теплоотражающие крыши, изоляция и энергоэффективные окна помогут снизить теплопроводность.

Излучение — это тепло, перемещающееся в виде видимого и невидимого света. Солнечный свет — очевидный источник тепла для дома. Кроме того, низковолновое невидимое инфракрасное излучение может переносить тепло непосредственно от теплых предметов к более холодным.Благодаря инфракрасному излучению вы можете почувствовать тепло горячего элемента конфорки на плите даже через всю комнату. Старые окна позволят инфракрасному излучению, исходящему от теплых предметов снаружи, проникать в ваш дом; оттенки могут помочь заблокировать это излучение. Новые окна имеют низкоэмиссионные покрытия, которые блокируют инфракрасное излучение. Инфракрасное излучение также будет переносить тепло от стен и потолка прямо к вашему телу.

Конвекция — еще одно средство для достижения тепла от ваших стен и потолка.Горячий воздух естественным образом поднимается вверх, унося тепло от стен и заставляя его циркулировать по всему дому. Когда горячий воздух проходит мимо вашей кожи (и вы вдыхаете его), он согревает вас.

Охлаждение вашего тела

Ваше тело может охладиться посредством трех процессов: конвекции, излучения и потоотделения. Вентиляция усиливает все эти процессы. Вы также можете охладить свое тело с помощью теплопроводности — например, некоторые автокресла теперь оснащены охлаждающими элементами, — но это обычно не практично для использования в вашем доме.

Конвекция возникает, когда тепло уносится от вашего тела через движущийся воздух. Если окружающий воздух холоднее вашей кожи, воздух поглотит ваше тепло и поднимется. По мере того, как нагретый воздух поднимается вокруг вас, более прохладный воздух движется, чтобы занять его место и поглотить больше вашего тепла. Чем быстрее движется конвекционный воздух, тем прохладнее вы чувствуете.

Излучение возникает, когда тепло распространяется через пространство между вами и предметами в вашем доме. Если предметы теплее, чем вы, тепло пойдет к вам.Удаление тепла через вентиляцию снижает температуру потолка, стен и мебели. Чем прохладнее ваше окружение, тем больше тепла вы излучаете на объекты, а не наоборот.

Perspiration может быть неудобным, и многие люди предпочли бы сохранять спокойствие без него. Однако во время жаркой погоды и физических упражнений пот — это мощный охлаждающий механизм тела. Когда влага покидает поры кожи, она переносит с собой много тепла, охлаждая ваше тело.Если ветерок (вентиляция) проходит по вашей коже, эта влага испарится быстрее, и вам будет еще прохладнее.

.

Глава 12: Отопление, кондиционирование и вентиляция | Справочное руководство по здоровому жилищу

Загрузить версию руководства для Adobe Acrobat Cdc-pdf [PDF — 6,65 MB]

«Наш климат нагревается быстрее, чем когда-либо ранее».

Д. Джеймс Бейкер
Администратор NOAA, 1993–2004 гг.

Введение
Приведенные ниже цитаты являются серьезным уроком о том, что жилье должно обеспечивать защиту как от жары, так и от холода.
«Число погибших от аномальной жары во Франции достигло 14 802: число погибших во Франции в результате сильной жары в августе достигло почти 15 000, согласно отчету, опубликованному в четверг по заказу правительства, что превысило предыдущий показатель более чем на 3000». USA Today, 25 сентября 2003 г.
«В исследовании аномальной жары в Чикаго в 1995 г. наибольшему риску смерти от жары подвергались люди с заболеваниями, которые были социально изолированы и не имели доступа к кондиционированию воздуха». Центры по контролю и профилактике заболеваний, Еженедельный отчет о заболеваемости и смертности, 4 июля 2003 г.

«3 смерти связаны с холодом. . Сильный холод, охвативший северо-восток в течение выходных и обледеневший дороги, стал причиной по меньшей мере трех смертей, в том числе человека из Филадельфии, найденного в доме без тепла ». Lexington [Kentucky] Herald Leader, 12 января 2004 г.
«Во многих странах с умеренным климатом уровень смертности в зимний период на 10–25% выше, чем в летний период». Всемирная организация здравоохранения, Сеть фактических данных о здоровье, 1 ноября 2004 г.
В этой главе представлен общий обзор систем отопления и охлаждения в современных домах.Отопление и охлаждение — это вопрос не только комфорта, но и выживания. И очень низкие, и очень высокие температуры могут угрожать здоровью. Чрезмерное воздействие тепла называется тепловым стрессом, а чрезмерное воздействие холода — холодным стрессом.

В очень жаркой среде наиболее серьезным риском для здоровья является тепловой удар. Тепловой удар требует немедленной медицинской помощи и может привести к летальному исходу или необратимым повреждениям. Каждое лето гибнут от теплового удара. Тепловое истощение и обмороки — менее серьезные заболевания.Обычно они не приводят к летальному исходу, но мешают трудоспособности человека.

При очень низких температурах наиболее серьезной проблемой является риск переохлаждения или опасного переохлаждения тела. Еще один серьезный эффект воздействия холода — обморожение или обморожение открытых конечностей, таких как пальцы рук, ног, носа и мочки ушей. Гипотермия может быть смертельной, если не получить немедленную медицинскую помощь.

Жара и холод опасны тем, что пострадавшие от теплового удара или переохлаждения часто не замечают симптомов.Это означает, что семья, соседи и друзья очень важны для раннего распознавания возникновения заболеваний. Выживание пострадавшего зависит от того, смогут ли другие определить симптомы и обратиться за медицинской помощью. Семья, соседи и друзья должны проявлять особую осторожность во время волн жары или холода, чтобы проверять, не живут ли одни.

Хотя симптомы варьируются от человека к человеку, предупреждающие признаки теплового истощения включают спутанность сознания, обильное и продолжительное потоотделение. Человека следует убрать с огня, охладить и сильно увлажнить.Признаки и симптомы теплового удара включают внезапную и сильную усталость, тошноту, головокружение, учащенный пульс, головокружение, спутанность сознания, бессознательное состояние, чрезвычайно высокую температуру, а также горячую и сухую поверхность кожи. Человека, который выглядит дезориентированным или сбитым с толку, кажется эйфоричным или необъяснимо раздражительным, или страдает недомоганием или симптомами гриппа, следует переместить в прохладное место и немедленно обратиться за медицинской помощью.

Предупреждающие признаки переохлаждения включают тошноту, усталость, головокружение, раздражительность или эйфорию.Люди также испытывают боль в конечностях (например, в руках, ногах, ушах) и сильную дрожь. Людей, у которых проявляются эти симптомы, особенно пожилых и молодых, следует переместить в отапливаемое убежище и при необходимости обратиться за медицинской помощью.

Функция системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ) заключается не только в обеспечении здоровья и комфорта человека. Система HVAC производит тепло, холодный воздух и вентиляцию, а также помогает контролировать пыль и влажность, что может привести к неблагоприятным последствиям для здоровья.Переменные, которые необходимо контролировать, — это температура, качество воздуха, движение воздуха и относительная влажность. Температура должна поддерживаться равномерно по всей обогреваемой / охлаждаемой зоне. От пола до потолка температура в помещении колеблется от 6ºF до 10ºF (от -14ºC до -12ºC). Адекватность системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и герметичность конструкции или помещения определяют степень личной безопасности и комфорта в жилище.

Газ, электричество, нефть, уголь, древесина и солнечная энергия являются основными источниками энергии для отопления и охлаждения дома.Обычно используются системы отопления паром, горячей водой и горячим воздухом. Инспектор жилищного фонда должен знать различные виды топлива и системы отопления, чтобы иметь возможность определить их соответствие требованиям и безопасность в эксплуатации. Чтобы полностью охватить все аспекты системы отопления и охлаждения, необходимо учитывать всю площадь и физические компоненты системы.

Щелкните здесь для определения терминов, относящихся к системам HVAC.

Отопление
Пятьдесят один процент домов в Соединенных Штатах отапливается природным газом, 30% — электричеством, а 9% — мазутом.Остальные 11% отапливаются топливом в бутылках, дровами, углем, солнечной, геотермальной, ветровой или солнечной энергией [1] . Любой дом, использующий горение в качестве источника отопления, охлаждения или приготовления пищи или имеющий пристроенный гараж, должен иметь надлежащим образом расположенные и обслуживаемые детекторы угарного газа (CO). По данным Комиссии по безопасности потребительских товаров США (CPSC), по данным, собранным в 2000 году, CO убивает 200 человек и ежегодно отправляет более 10 000 в больницу.

Стандартные виды топлива для отопления рассматриваются ниже.

Стандартное топливо

Газ
Более 50% американских домов используют газовое топливо. Газовое топливо — это бесцветные газы. Некоторые имеют характерный резкий запах; другие не имеют запаха и не могут быть обнаружены по запаху. Хотя газовое топливо легко использовать в отопительном оборудовании, его присутствие в воздухе в заметных количествах становится серьезной опасностью для здоровья. Газы легко диффундируют в воздухе, образуя взрывоопасные смеси. Часть горючего газа и воздуха, которая воспламеняется, горит с такой высокой скоростью, что создается взрывная сила.Из-за этих характеристик газового топлива необходимо принимать меры для предотвращения утечек, а также соблюдать осторожность при включении газового оборудования.

Газ в целом подразделяется на природный или промышленный.

Природный газ —Этот газ представляет собой смесь нескольких горючих и инертных газов. Это один из самых богатых газов, который добывают из скважин, обычно расположенных в нефтедобывающих районах. Теплосодержание может варьироваться от 700 до 1300 британских тепловых единиц (БТЕ) ​​на кубический фут, при общепринятом среднем значении 1000 БТЕ на кубический фут.Природные газы распределяются по трубопроводам к месту использования и часто смешиваются с промышленным газом для поддержания гарантированного содержания БТЕ.

Промышленный газ — Этот газ при распределении обычно представляет собой комбинацию определенных пропорций газов, произведенных из кокса, угля и нефти. Его значение BTU на кубический фут обычно строго регулируется, а затраты определяются на основе гарантированных BTU, обычно от 520 до 540 BTU на кубический фут.

Сжиженный углеводородный газ —Основными продуктами сжиженного нефтяного газа являются бутан и пропан.Бутан и пропан получают из природного газа или газа нефтепереработки и химически классифицируются как углеводородные газы. В частности, бутан и пропан находятся на границе между жидким и газообразным состоянием. При обычном атмосферном давлении бутан представляет собой газ с температурой выше 33 ° F (0,6 ° C), а пропан — газ при температуре -42 ° F (-41 ° C). Эти газы смешиваются для получения товарного газа, подходящего для различных климатических условий. Бутан и пропан тяжелее воздуха. Теплосодержание бутана составляет 3274 БТЕ на кубический фут, а у пропана — 2519 БТЕ на кубический фут.

Газовые горелки должны быть оборудованы автоматическим отключением при пропадании пламени. Запорные клапаны должны быть расположены в пределах 1 фута от соединения горелки и на выходной стороне счетчика.

Внимание: сжиженный углеводородный газ тяжелее воздуха; следовательно, газ будет скапливаться на дне замкнутых пространств. В случае возникновения утечки следует тщательно проветрить прибор перед зажиганием.

Электроэнергия
Электроэнергия приобрела популярность для отопления во многих регионах, особенно там, где затраты конкурентоспособны по сравнению с другими источниками тепловой энергии, при этом потребление увеличилось с 2% в 1960 году до 30% в 2000 году.В случае электрической системы жилищный инспектор должен полагаться в основном на электрического инспектора для определения правильности установки. Однако есть несколько вещей, о которых следует позаботиться, чтобы обеспечить безопасное использование оборудования. Убедитесь, что блоки одобрены аккредитованным испытательным агентством и установлены в соответствии со спецификациями производителя. Большинство блоков конвекторного типа необходимо устанавливать на высоте не менее 2 дюймов над уровнем пола, не только для обеспечения надлежащих конвекционных потоков через блок, но также для обеспечения достаточной воздушной изоляции от любого горючего материала пола.Инспектор жилья должен проверить, нет ли занавесей, которые заходят слишком близко к устройству, или свободных ковров с длинным ворсом, которые расположены слишком близко. Коврики или занавески должны отделяться от прибора на расстоянии 6 дюймов от пола и 12 дюймов от стен.

Тепловые насосы — это кондиционеры, содержащие клапан, позволяющий переключаться между кондиционером и обогревателем. Когда клапан переключается в одну сторону, тепловой насос действует как кондиционер; когда он переключается в другую сторону, он меняет направление потока хладагента и действует как нагреватель.Холод — это отсутствие энергии или калорий тепла. Чтобы что-то остудить, нужно снять тепло; чтобы что-то согреть, необходимо обеспечить энергию или калории тепла. Тепловые насосы подходят для обоих.

Тепловой насос имеет несколько дополнений помимо обычного кондиционера: реверсивный клапан, два терморегулирующих клапана и два байпасных клапана. Реверсивный клапан позволяет агрегату обеспечивать как охлаждение, так и обогрев. Рисунок 12.1 показывает тепловой насос в режиме охлаждения. Агрегат работает следующим образом:

  • Компрессор уплотняет пар хладагента и перекачивает его к реверсивному клапану.
  • Реверсивный клапан направляет сжатый пар к внешнему теплообменнику (конденсатору), где хладагент охлаждается и конденсируется в жидкость.
  • Воздух, проходящий через змеевик конденсатора, отводит тепло от хладагента.
  • Жидкий хладагент обходит первый клапан теплового расширения и течет ко второму клапану теплового расширения во внутреннем теплообменнике (испарителе), где расширяется в испаритель и превращается в пар.
  • Хладагент забирает тепловую энергию из воздуха, проходящего через змеевик испарителя, а холодный воздух выходит с другой стороны змеевика.Холодный воздух направляется в жилое пространство в виде кондиционированного воздуха.
  • Пар хладагента затем возвращается к реверсивному клапану и направляется в компрессор для повторного запуска цикла охлаждения.

Тепловые насосы [3] довольно эффективно используют энергию. Однако тепловые насосы часто замерзают; то есть катушки в наружном воздухе собирают лед. Тепловой насос должен периодически растапливать этот лед, поэтому он снова переключается в режим кондиционирования воздуха для нагрева змеевиков.Чтобы избежать закачки холодного воздуха в дом в режиме кондиционирования воздуха, тепловой насос также использует электрические ленточные нагреватели для нагрева холодного воздуха, который выкачивает кондиционер. Как только лед растает, тепловой насос снова переключается в режим нагрева и выключает горелки.

Лучистое тепло нагревает объекты непосредственно с помощью длинноволновой электромагнитной энергии. Нагревательные панели рассеивают лучи тепловой энергии по дуге 160º, равномерно распределяя тепло. Цель состоит в том, чтобы разница температур между уровнем пола и уровнем потолка не превышала 4 ° F (-16 ° C).При правильной установке лучистое тепло нагревает комнату быстрее и при более низких настройках температуры, чем другие виды тепла. Следует проявлять особую осторожность для защиты от опасности возгорания от предметов, находящихся в непосредственной близости от отражателей инфракрасного излучения. Инспекторы, работающие с этим источником тепла, должны пройти специальную подготовку. Лучистое отопление встраивается в потолок или стену в некоторых домах, а также в кирпичный или керамический пол в ванных комнатах. Если провода в штукатурке оголены, их следует рассматривать как открытую и оголенную проводку.Инспектор должен знать об этих технических системах, которые являются относительно новыми.

Мазут
Мазут получают из нефти, которая состоит в основном из соединений водорода и углерода (углеводородов) и меньших количеств азота и серы. Отечественное жидкое топливо контролируется жесткими техническими условиями. Шесть марок жидкого топлива с номерами от 1 до 6 обычно используются в системах отопления; две более легкие марки используются в основном для отопления жилых помещений:

Сорт номер 1 — летучее дистиллятное масло для использования в горелках, которые подготавливают топливо к сжиганию исключительно путем испарения (обогреватели, работающие на жидком топливе).

Номер сорта 2 — летучее дистиллятное масло умеренной массы, используемое для горелок, которые подготавливают масло к сжиганию путем сочетания испарения и распыления. Этот сорт масла обычно используется в бытовых отопительных печах.

Теплотворная способность масла варьируется от приблизительно 152 000 БТЕ на галлон для масла № 6 до 136 000 БТЕ на галлон для масла № 1. Сегодня нефть используется более широко, чем уголь, и обеспечивает более автоматический источник тепла и комфорта. Это также требует более сложных систем и элементов управления.Если подача масла находится в подвале или подвальном помещении, необходимо соблюдать определенные нормативные требования ( Рисунок 12.2 ) [4-7] . Не более двух резервуаров емкостью 275 галлонов могут быть установлены над землей на нижнем этаже любого здания. IRC рекомендует максимальный объем хранения мазута 660 галлонов. Бак не должен быть ближе 7 футов по горизонтали к любому котлу, печи, плите или открытому пламени (ям).

Трубопроводы для жидкого топлива следует закладывать в бетонный или цементный пол или защищать от повреждений, если они проходят по полу.В каждом баке должен быть запорный клапан, который остановит поток, если возникнет утечка в линии или в самой горелке. Под резервуарами и линиями, расположенными над полом, следует установить герметичную подкладку или поддон. Они содержат потенциальные утечки, поэтому масло не растекается по полу, создавая опасность пожара.

Резервуар или резервуары должны иметь вентиляцию наружу, а манометр, показывающий количество масла в резервуаре или резервуарах, должен быть герметичным и работоспособным. Срок службы стальных резервуаров, построенных до 1985 года, составлял 12–20 лет.Резервуары должны стоять над полом и на устойчивом основании, чтобы предотвратить оседание или движение, которое может привести к разрыву соединений. Рисунок 12.3 показывает заглубленную установку вне резервуара. В 1985 году было принято федеральное законодательство, требующее, чтобы внешние компоненты подземных резервуаров (UST), установленных после 1985 года, выдерживали воздействие давления, вибрации и движения. Федеральные правила для UST исключают следующее: фермы и жилые резервуары емкостью 1100 галлонов или меньше; цистерны для хранения мазута, используемого в помещениях; резервуары на полу подвала или над ним; септики; проточные технологические резервуары; все цистерны емкостью 110 галлонов или меньше; и резервуары для аварийного разлива и перелива [8] .Перед установкой подземных резервуаров следует ознакомиться с местными и государственными правилами, поскольку во многих юрисдикциях не разрешается захоронение резервуаров для газа или нефти.

Уголь
Четыре типа угля: антрацит, битуминозный, полубитуминозный и лигнит. Уголь готовится разных размеров и комбинаций размеров. Горючие части угля представляют собой фиксированный углерод, летучие вещества (углеводороды) и небольшие количества серы. В сочетании с ними негорючие элементы состоят из влаги и примесей, образующих золу.Различные типы различаются по теплосодержанию. Теплосодержание определяется путем анализа и выражается в британских тепловых единицах на фунт.

Неправильная работа угольной печи может привести к созданию чрезвычайно опасного и вредного для здоровья дома. Вентиляция пространства вокруг печи очень важна для предотвращения накопления тепла и подачи воздуха для горения.

Солнечная энергия
Солнечная энергия приобрела популярность в последние 25 лет, поскольку стоимость установки солнечных панелей и аккумуляторов снизилась.Усовершенствованная технология с панелями, установка панелей, трубопроводов и аккумуляторов создали гораздо больший рынок. Солнечная энергия в основном использовалась для нагрева воды. Сегодня в Соединенных Штатах существует более миллиона солнечных водонагревательных систем. Солнечные водонагреватели используют прямые солнечные лучи для нагрева воды или теплоносителя в коллекторах [3] . Это вода

.

термодинамика | Законы, определения и уравнения

Термодинамика , наука о взаимосвязи между теплотой, работой, температурой и энергией. В широком смысле термодинамика занимается передачей энергии из одного места в другое и из одной формы в другую. Ключевой концепцией является то, что тепло — это форма энергии, соответствующая определенному количеству механической работы.

Популярные вопросы

Что такое термодинамика?

Термодинамика — это изучение отношений между теплотой, работой, температурой и энергией.Законы термодинамики описывают, как изменяется энергия в системе и может ли система выполнять полезную работу со своим окружением.

Является ли термодинамика физикой?

Да, термодинамика — это раздел физики, изучающий изменение энергии в системе. Ключевой вывод термодинамики состоит в том, что тепло — это форма энергии, которая соответствует механической работе (то есть приложению силы к объекту на расстоянии).

Тепло не было официально признано формой энергии примерно до 1798 года, когда граф Рамфорд (сэр Бенджамин Томпсон), британский военный инженер, заметил, что при сверлении стволов пушек может выделяться безграничное количество тепла и Количество выделяемого тепла пропорционально работе, выполняемой при токарной обработке тупого расточного инструмента.Наблюдение Рамфорда пропорциональности между выделяемым теплом и проделанной работой лежит в основе термодинамики. Еще одним пионером был французский военный инженер Сади Карно, который ввел концепцию цикла тепловой машины и принцип обратимости в 1824 году. Работа Карно касалась ограничений на максимальный объем работы, которую можно получить от паровой машины, работающей с высокотемпературная теплопередача как движущая сила. Позже в том же веке эти идеи были развиты Рудольфом Клаузиусом, немецким математиком и физиком, в первый и второй законы термодинамики соответственно.

Наиболее важные законы термодинамики:

  • Нулевой закон термодинамики. Когда две системы находятся в тепловом равновесии с третьей системой, первые две системы находятся в тепловом равновесии друг с другом. Это свойство делает целесообразным использование термометров в качестве «третьей системы» и определения шкалы температур.
  • Первый закон термодинамики или закон сохранения энергии. Изменение внутренней энергии системы равно разнице между теплом, добавленным к системе из окружающей среды, и работой, выполняемой системой над своим окружением.

  • Второй закон термодинамики. Тепло не передается самопроизвольно из более холодной области в более горячую, или, что то же самое, тепло при данной температуре не может быть полностью преобразовано в работу. Следовательно, энтропия замкнутой системы или тепловая энергия на единицу температуры со временем увеличивается до некоторого максимального значения. Таким образом, все закрытые системы стремятся к состоянию равновесия, в котором энтропия максимальна, а энергия недоступна для выполнения полезной работы.
  • Третий закон термодинамики. Энтропия идеального кристалла элемента в его наиболее стабильной форме стремится к нулю, когда температура приближается к абсолютному нулю. Это позволяет установить абсолютную шкалу энтропии, которая со статистической точки зрения определяет степень случайности или беспорядка в системе.

Хотя термодинамика быстро развивалась в 19 веке в ответ на потребность в оптимизации производительности паровых двигателей, широкая общность законов термодинамики делает их применимыми ко всем физическим и биологическим системам.В частности, законы термодинамики дают полное описание всех изменений энергетического состояния любой системы и ее способности выполнять полезную работу со своим окружением.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

Эта статья посвящена классической термодинамике, которая не включает рассмотрение отдельных атомов или молекул. Такие проблемы находятся в центре внимания раздела термодинамики, известного как статистическая термодинамика или статистическая механика, которая выражает макроскопические термодинамические свойства в терминах поведения отдельных частиц и их взаимодействий.Его корни уходят во второй половине XIX века, когда атомные и молекулярные теории материи стали общепринятыми.

Основные концепции

Термодинамические состояния

Применение принципов термодинамики начинается с определения системы, которая в некотором смысле отличается от своего окружения. Например, система может представлять собой образец газа внутри цилиндра с подвижным поршнем, целую паровую машину, марафонца, планету Земля, нейтронную звезду, черную дыру или даже всю Вселенную.В общем, системы могут свободно обмениваться теплом, работой и другими видами энергии со своим окружением.

Состояние системы в любой момент времени называется ее термодинамическим состоянием. Для газа в баллоне с подвижным поршнем состояние системы определяется по температуре, давлению и объему газа. Эти свойства являются характеристическими параметрами, которые имеют определенные значения в каждом состоянии и не зависят от способа, которым система пришла в это состояние. Другими словами, любое изменение значения свойства зависит только от начального и конечного состояний системы, а не от пути, пройденного системой от одного состояния к другому.Такие свойства называются функциями состояния. Напротив, работа, выполняемая при движении поршня и расширении газа, и тепло, которое газ поглощает из окружающей среды, зависят от того, каким образом происходит расширение.

Поведение сложной термодинамической системы, такой как атмосфера Земли, можно понять, сначала применив принципы состояний и свойств к ее составным частям — в данном случае к воде, водяному пару и различным газам, составляющим атмосферу. Выделяя образцы материала, состояниями и свойствами которых можно управлять и управлять ими, можно изучать свойства и их взаимосвязи по мере того, как система изменяется от состояния к состоянию.

.

Что такое первый закон термодинамики?

Первый закон термодинамики гласит, что тепло является формой энергии, и поэтому термодинамические процессы подчиняются принципу сохранения энергии. Это означает, что тепловая энергия не может быть создана или уничтожена. Однако ее можно переносить из одного места в другое и преобразовывать в другие формы энергии и обратно.

Термодинамика — это раздел физики, который занимается взаимоотношениями 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. Основные принципы термодинамики выражаются в четырех законах.

«Первый закон гласит, что внутренняя энергия системы должна быть равна работе, которая выполняется в системе, плюс или минус тепло, которое течет в систему или выходит из нее, и любая другая работа, которая выполняется в системе. система «, — сказал Саибал Митра, профессор физики в Университете штата Миссури.«Итак, это повторение принципа сохранения энергии».

Митра продолжил: «Изменение внутренней энергии системы — это сумма всех входов и выходов энергии в систему и из нее, аналогично тому, как все вносимые и снятые вами средства определяют изменения в вашем банковском балансе». Математически это выражается следующим образом: Δ U = Q Вт , где Δ U — изменение внутренней энергии, Q — тепло, добавленное к системе, а Вт — работа. сделано системой.

История

Ученые конца 18-го и начала 19-го веков придерживались теории калорийности, впервые предложенной Антуаном Лавуазье в 1783 году, а затем подтвержденной работой Сади Карно в 1824 году, согласно Американскому физическому обществу. Теория калорий рассматривала тепло как своего рода жидкость, которая естественным образом перетекает из горячих регионов в холодные, так же как вода течет из высоких мест в низкие. Когда эта калорийная жидкость перетекала из горячего региона в холодный, ее можно было преобразовать в кинетическую энергию и заставить выполнять работу так же, как падающая вода может приводить в движение водяное колесо.Только после того, как Рудольф Клаузиус опубликовал «Механическую теорию тепла» в 1879 году, теория калорий была окончательно остановлена.

Термодинамические системы

Энергия можно разделить на две части, по словам Дэвида Макки, профессора физики Южного государственного университета Миссури. Один из них — макроскопический вклад в человеческий масштаб, такой как движение поршня и давление на систему газа. И наоборот, вещи происходят в очень крошечном масштабе, когда мы не можем отслеживать индивидуальный вклад.

Макки объясняет: «Когда я кладу два образца металла друг против друга, и атомы грохочут на границе, и два атома отскакивают друг от друга, и один из них отрывается быстрее, чем другой, я могу» t отслеживать это. Это происходит в очень маленьком масштабе времени и на очень маленьком расстоянии, и это происходит много, много раз в секунду. Итак, мы просто разделяем всю передачу энергии на две группы: то, что мы собираемся отслеживать, и то, что мы не собираемся отслеживать.Последнее из них мы называем теплом ».

Термодинамические системы обычно считаются открытыми, закрытыми или изолированными. Согласно Дэвису из Калифорнийского университета, открытая система свободно обменивается энергией и веществом с окружающей средой; замкнутая система обменивается с окружающей средой энергией, но не материей; и изолированная система не обменивается энергией или веществом со своим окружением. Например, котелок с кипящим супом получает энергию от плиты, излучает тепло от кастрюли и испускает вещество в виде пара, который также уносит тепловую энергию.Это будет открытая система. Если мы закроем кастрюлю плотной крышкой, она все равно будет излучать тепловую энергию, но больше не будет выделять вещество в виде пара. Это будет закрытая система. Однако, если бы мы налили суп в идеально изолированную термосную бутылку и закрыли крышку, не было бы ни энергии, ни материи, поступающей в систему или из нее. Это была бы изолированная система.

На практике, однако, полностью изолированных систем не может быть. Все системы передают энергию окружающей среде посредством излучения, независимо от того, насколько хорошо они изолированы.Суп в термосе будет оставаться горячим только несколько часов, а на следующий день достигнет комнатной температуры. В другом примере, белые карлики, горячие остатки сгоревших звезд, которые больше не производят энергию, могут быть изолированы световыми годами почти идеального вакуума в межзвездном пространстве, но в конечном итоге они остынут с нескольких десятков тысяч градусов. почти до абсолютного нуля из-за потерь энергии из-за излучения. Хотя этот процесс занимает больше времени, чем нынешний возраст Вселенной, остановить его невозможно.

Тепловые двигатели

Самым распространенным практическим применением Первого закона является тепловая машина. Тепловые двигатели преобразуют тепловую энергию в механическую и наоборот. Большинство тепловых двигателей относятся к категории открытых систем. Основной принцип теплового двигателя основан на соотношении тепла, объема и давления рабочей жидкости. Эта жидкость обычно является газом, но в некоторых случаях она может претерпевать фазовые переходы из газа в жидкость и обратно в газ во время цикла.

При нагревании газ расширяется; однако, когда этот газ ограничен, его давление увеличивается.Если нижняя стенка камеры удержания является верхней частью подвижного поршня, это давление оказывает давление на поверхность поршня, заставляя его двигаться вниз. Затем это движение можно использовать для выполнения работы, равной суммарной силе, приложенной к верхней части поршня, умноженной на расстояние, на которое перемещается поршень.

Существует множество вариантов основного теплового двигателя. Например, паровые двигатели используют внешнее сгорание для нагрева резервуара котла, содержащего рабочую жидкость, обычно воду.Вода превращается в пар, а давление затем используется для приведения в действие поршня, который преобразует тепловую энергию в механическую. Автомобильные двигатели, однако, используют внутреннее сгорание, при котором жидкое топливо испаряется, смешивается с воздухом и воспламеняется внутри цилиндра над подвижным поршнем, движущим его вниз.

Холодильники, кондиционеры и тепловые насосы

Холодильники и тепловые насосы — это тепловые двигатели, преобразующие механическую энергию в тепло. Большинство из них относятся к категории закрытых систем.Когда газ сжимается, его температура увеличивается. Затем этот горячий газ может передавать тепло окружающей среде. Затем, когда сжатому газу позволяют расширяться, его температура становится ниже, чем была до его сжатия, потому что часть его тепловой энергии была удалена во время горячего цикла. Затем этот холодный газ может поглощать тепловую энергию из окружающей среды. Это принцип работы кондиционера. На самом деле кондиционеры не производят холода; они отводят тепло. Рабочая жидкость перекачивается механическим насосом наружу, где нагревается за счет сжатия.Затем он передает это тепло в окружающую среду, обычно через теплообменник с воздушным охлаждением. Затем его возвращают в помещение, где ему позволяют расшириться и охладиться, чтобы он мог поглощать тепло из воздуха в помещении через другой теплообменник.

Тепловой насос — это просто кондиционер, работающий в обратном направлении. Тепло сжатого рабочего тела используется для обогрева здания. Затем он переносится наружу, где расширяется и становится холодным, тем самым позволяя ему поглощать тепло из внешнего воздуха, который даже зимой обычно теплее, чем холодная рабочая жидкость.

В геотермальных или наземных системах кондиционирования воздуха и тепловых насосов используются длинные U-образные трубы в глубоких скважинах или массив горизонтальных труб, заглубленных на большой площади, через которые циркулирует рабочая жидкость, а тепло передается к земле или от нее . В других системах для нагрева или охлаждения рабочей жидкости используется вода из рек или океана.

Дополнительные ресурсы

Вот еще три объяснения Первого закона термодинамики:

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *