Как определить объем воды в системе отопления: Расчет количества воды в системе отопления, как рассчитать объем теплоносителя?

Содержание

Расчет объема воды в системе отопления с онлайн калькулятором

Каждая отопительная система обладает рядом значимых характеристик – номинальную тепловую мощность, расход топлива и объем теплоносителя. Расчет объема воды в системе отопления требует комплексного и скрупулезного подхода. Так, вы сможете выяснить, котел, какой мощности выбрать, определить объем расширительного бака и необходимое количество жидкости для заполнения системы.

Значительная часть жидкости располагается в трубопроводах, которые в схеме теплоснабжения занимают самую большую часть. Поэтому для расчета объема воды нужно знать характеристики труб, и важнейший из них – это диаметр, который определяет вместимость жидкости в магистрали. Если неправильно сделать расчеты, то система будет работать не эффективно, помещение не будет прогреваться на должном уровне. Сделать корректный расчет объемов для системы отопления поможет онлайн калькулятор.

Калькулятор объема жидкости в отопительной системе

В системе отопления могут использоваться трубы различных диаметров, особенно в коллекторных схемах. Поэтому объем жидкости вычисляют по следующей формуле:

S (площадь сечения трубы) * L (длина трубы) = V (объем)

Рассчитывается объем воды в системе отопления можно также как сумма ее составляющих:

V (система отопления)=V(радиаторов)+V(труб)+V(котла)+V(расширительного бака)

В сумме эти данные позволяют рассчитать большую часть объема системы отопления. Однако кроме труб в системе теплоснабжения есть и другие компоненты. Чтобы произвести расчет объема отопительной системы, включая все важные компоненты теплоснабжения, воспользуйтесь нашим онлайн калькулятором объема системы отопления.

Сделать вычисление с помощью калькулятора очень просто. Нужно ввести в таблицу некоторые параметры, касающиеся типа радиаторов, диаметра и длины труб, объема воды в коллекторе и т. д. Затем нужно нажать на кнопку «Рассчитать» и программа выдаст вам точный объем вашей системы отопления.

Выберите вид радиаторов

По умолчаниюАлюминиевые секционныеСтальные панельные

Проверить калькулятор можно, используя указанные выше формулы.

Пример расчета объема воды в системе отопления:

Приблизительный расчет делается исходя из соотношения 15 литр воды на 1 кВт мощности котла.
Например, мощность котла 4 кВт, тогда объем системы равен 4 кВт*15 литров = 60 литров.

Значения объемов различных составляющих

Объем воды в радиаторе:

  • алюминиевый радиатор — 1 секция — 0,450 литра
  • биметаллический радиатор — 1 секция — 0,250 литра
  • новая чугунная батарея 1 секция — 1,000 литр
  • старая чугунная батарея 1 секция — 1,700 литра.

Объем воды в 1 погонном метре трубы:

  • ø15 (G ½») — 0,177 литра
  • ø20 (G ¾») — 0,310 литра
  • ø25 (G 1,0″) — 0,490 литра
  • ø32 (G 1¼») — 0,800 литра
  • ø15 (G 1½») — 1,250 литра
  • ø15 (G 2,0″) — 1,960 литра.

Чтобы посчитать весь объем жидкости в отопительной системе нужно еще добавить объем теплоносителя в котле. Эти данные указываются в сопроводительном паспорте устройства или же взять примерные параметры:

  • напольный котел — 40 литров воды;
  • настенный котел — 3 литра воды.

Выбор котла напрямую зависит от объема жидкости в системе теплоснабжения помещения.

Основные виды теплоносителей

Существует четыре основных вида жидкости, используемых для заполнения отопительных систем:

  1. Вода – максимально простой и доступный теплоноситель, который может использоваться в любых отопительных системах. Вместе с полипропиленовыми трубами, которые предотвращают испарение, вода становится практически вечным теплоносителем.
  2. Антифриз – этот теплоноситель обойдется уже дороже воды, и используется в системах нерегулярно отапливаемых помещений.
  3. Спиртосодержащие теплоносители – это дорогостоящий вариант заполнения отопительной системы. Качественная спиртосодержащая жидкость содержит от 60% спирта, около 30% воды и порядка 10% объема составляют другие добавки. Такие смеси обладают отличными незамерзающими свойствами, но огнеопасны.
  4. Масло – в качестве теплоносителя используется только в специальных котлах, но в отопительных системах практически не применяется, так как эксплуатация такой системы обходится очень дорого. Также масло очень долго разогревается (необходим разогрев, как минимум, до 120°С), что технологически очень опасно, при этом и остывает такая жидкость очень долго, поддерживая высокую температуру в помещении.

В заключении стоит сказать, что если система отопления модернизируется, монтируются трубы или батареи, то нужно произвести перерасчет ее общего объема, согласно новым характеристика всех элементов системы.

Каким образом идет расчет объема воды в системе отопления дома

Тот, кому приходилось заниматься в своем доме монтажом или реконструкцией отопления, неизбежно искал ответ на вопрос: как вести расчет количества рабочей жидкости для того, чтобы отопление действовало эффективно?

Столкнувшись с такой проблемой, каждый, прежде всего, должен понять следующее: общий показатель находится в зависимости от общего объема всех элементов, входящих в отопительную систему дома.

Любая из них к тому же работает в условиях, когда то и дело изменяются такие показатели теплоносителя, как давление и нагрев.

Какие факторы влияют на расчеты

Когда выбираешь котел, также неизбежно занимаешься определением объема теплоносителя, которому предстоит заполнить отопительную систему. Без этого никак не обойтись. Ведь есть необходимость понять, какого объема хватит для того, чтобы оптимальным образом прогреть котел.

Отметим, что и характеристики труб очень важны. Они сказываются на общем показателе.

Если есть помпа, то без всяких сомнений можно подобрать трубу, у которой маленький диаметр, и произвести установку секций отопления. Желательно, чтобы их было, как можно больше.

ВАЖНО! Тот, кто выбирает трубы повышенного диаметра, должен учитывать, что при даже максимальной работе котла в этом случае теплоноситель может быть нагрет недостаточно. Значительный объем воды просто остывает перед тем, как добраться до отдаленных точек системы. Понятно, что в данной ситуации понадобятся дополнительные денежные затраты.

Суммарный объем определяется так, чтобы для удовлетворительного нагрева имеющихся комнат было достаточно выбранной мощности котла. Когда показатели допустимой мощности котла превышены, то прибор сильно изнашивается. Ко всему увеличивается потребление электричества.

Если нужен приблизительный расчет объема теплоносителя в системе, то можно учесть такое соотношение: на каждый 1 кВт мощности котла — 15 литров воды. В виде учебного примера давайте определим, сколько носителя необходимо системы, если мощность котла составляет 4 кВт. Ответ: 60 литров! Однако при этом необходимо учитывать следующее: каково количество секций радиаторов, каковы их размеры и использованные материалы.

Представим, что в доме четыре комнаты. Сколько секций нужно поставить? Больше 10-ти секций для каждой комнаты? Это слишком много! В комнате будет жарко, а котел заработает неэффективно. Исходите из того, что одна секция современного радиатора способна эффективно передавать тепло для площади в 2-2,5 кв. метра.

ВАЖНО! Характеристики для теплоснабжения всегда вычисляют перед тем, как приступают к монтажным операциям. Они важны, когда подбираешь комплектующие.

Итак, объем теплоносителя в отопительной системе в целом определяют в качестве суммирования некоторых составляющих:
V = V (радиаторов) + V (труб) + V (котла), где V – это объем.

Иными словами, общий объем определяется с учетом объема носителя в котле, трубах и радиаторах.

В расчет не включают параметры расширительного бака. Его необходимо учитывать, только когда рассчитываешь потенциальные критические состояния работы системы.

Есть отдельная формула, по которой рассчитывают объем носителя непосредственно в трубе:
V (объем) = S (площадь сечения трубы) х L (длина трубы)

ВАЖНО! Обращаем внимание, что характеристики у различных производителей отличаются. Это зависит от таких факторов, как тип трубы, технология ее выполнения и материал, из которого она изготовлена. Вот почему специалисты рекомендуют выполнять расчеты по реальному внутреннему диаметру трубы.

В большинстве случаев расчеты ведут специалисты. Тому есть простое объяснение. Обычно протяженность отопительной системы слишком велика. Она также сильно разветвленная.

Расчет объемов для различных типов радиаторов

Современных типов радиаторов, предназначенных для систем отопления, сегодня много. Есть из чего выбирать. Они отличаются по своим функциям. Но не только. У них бывает разная высота. Для определения объема рабочей жидкости в радиаторах первым делом нужно подсчитать, сколько их. Затем умножаем полученное количество на характеристики одной секции.

Для определения показателей одного радиатора необходимо воспользоваться данными, которые всегда указываются в техническом паспорте изделия. Если его нет под рукой по каким-либо причинам, то можно использовать усредненные параметры.

Далее предлагаем вам примерные параметры по объему носителя (в литрах) в одной секции радиатора в соответствии с его материалом и типом, а также его примерные габариты в мм (высота/ширина):
— биметаллические (600х80) – 0,25 л
— алюминиевые (600х80) – 0,45 л
— чугунные старого образца (600х110) – 1,7 л
— современные чугунные (плоские, 580х75) – 1 л

Львиная доля моделей всех производителей имеет ±20 мм колебания по ширине. Что касается высоты отопительных радиаторов, то она варьируется от 200 до 1000 мм.

Теперь маленький учебный пример, чтобы оценить, как верно рассчитывают значение. Например, есть пять алюминиевых батарей. В каждой – по 6 секций. Расчет таков: 5 х 6 х 0,45 = 13,5 литра.

ВАЖНО! Чтобы правильно рассчитать объем отопительной системы, у которой дизайнерские радиаторы нестандартной формы, использовать методику, о которой мы только что рассказали, нельзя. В данном случае нужно обратиться к производителю или его официальному дилеру. Только они могут указать объем.

Объем теплоносителя в трубопроводе

Львиная доля всей жидкости находится в трубах. В схеме теплоснабжения именно они занимают значительную долю. Какой объем теплоносителя необходим в такой системе? Какие характеристики труб необходимо учитывать?

Диаметр магистрали нужно считать важнейшим критерием. С его помощью можно установить, какова вместимость воды в трубах. Скажем, если диаметр трубы 20 мм, то вместимость будет составлять 0,137 литра на метр погонный. Если диаметр 50 мм, то вместимость будет составлять 0,865 литра на метр погонный.

В отопительной системе допускается применение труб самых разных диаметров. Особенно это характерно для коллекторных схем. Вот почему объем жидкости в отопительной системе определяют отдельно для каждого участка. А потом все необходимо будет суммировать.

ВАЖНО! Если у вас труба из пластика, то диаметр в ней определяют по размерам внешних стенок. Если из металла, то диаметр в ней определяют по размерам внутренних стенок. Для тепловых систем, у которых большая протяженность, это бывает существенно.

Как рассчитать объем расширительного бака?

Чтобы система работала без рисков, необходима установка специализированного оборудования. Она состоит из воздухоотводчика и спускного клапана. А еще необходим расширительный бак, который служит для того, чтобы компенсировать тепловое расширение горячей воды и снижать критическое давление до характеристик, предусмотренных по норме.

Основные правила:
— На объем бака должно приходиться от 10 процентов объема системы отопления. Этого вполне хватит, чтобы при нагреве расширить теплоноситель в пределах 45-80°С.

— Если мы говорим о протяженных системах, да еще когда температура теплоносителя существенная, то запас должен составлять не менее 80 процентов от объема всей отопительной системы. Это очень важно для тех котлов, у которых максимальная температура теплоносителя превышает 80-90°С. Это актуально и для паровых отопительных систем от печей.

— 3-5% от объема отопительной системы. Именно таким может быть объем расширительного бака с предохранительным клапаном. Очень важно осуществлять контроль над его работой. Как только срабатывает клапан, систему сразу же пополняют жидкостью.

ВАЖНО! Всегда нужно учитывать давление в системе, когда ведешь расчеты. Как правило, для коттеджей в один или два этажа оно достигает 1,5-2 атмосферы. Учтите, что большинство готовых баков рассчитано именно на указанные показатели. Да еще с запасом.

Но если проектируешь отопительную систему, у которой повышенные объем и характеристики давления (например, для многоэтажных домов), то такой параметр обязательно нужно учитывать. Как обязательно учитывать и вид теплоносителя, когда выбираешь бак. Правило простое: чем легче жидкость в системе – тем крупнее расширительный бак для нее нужен.

О видах теплоносителей

Чаще всего рабочей жидкостью служит вода. Однако без альтернативы в таком деле не обходится. Весьма эффективен и антифриз. Он хорош тем, что не замерзает и тогда, когда температура окружающей среды понижается до той отметки, которая для воды становится критической. То есть по сравнению с водой антифриз выглядит предпочтительнее.

Этим и можно объяснить тот факт, что цена на него очень высока. Она не каждому по карману. И потому такую жидкость применяют преимущественно для того, чтобы обогревать строения, у которых площади невелики.

ВОДА, конечно, является доступным ресурсом. Она подойдет для применения в любых отопительных системах. Она практически может стать вечным теплоносителем, если мы говорим о том, что она сочетается с трубами из полипропилена.

Перед тем, как заполнять системы водой, необходимо предварительно подготовить ее. Жидкость необходимо отфильтровать. Это делают, чтобы избавиться от содержащихся в ней минеральных солей. Обычно в таких случаях применяют специализированные химические реагенты. Их можно без проблем купить в магазине. Также из воды в системе обязательно удаляют весь воздух. Если этого не сделать, то снизится эффективность обогрева помещений.

АНТИФРИЗ применяют для того, чтобы наполнять системы зданий, которые отапливаются нерегулярно.

ЖИДКОСТИ, СОДЕРЖАЩИЕ СПИРТ, чтобы заполнять отопительные системы, может позволить себе не каждый. Они дорогие. Что касается качества препаратов, то в них обычно содержится, как минимум, 60 процентов спирта и примерно 30 процентов воды. На иные добавки приходится незначительная доля объема. Смеси воды с этиловым спиртом могут иметь различное процентное содержание.

ВАЖНО! Незамерзающий теплоноситель (при температуре до -30°С) при доле спирта не менее 45 процентов опасна. Он способна воспламениться. Ко всему этил – это яд, который несет явную угрозу человеку.

МАСЛО в качестве теплоносителя в настоящее время применяют лишь в некоторых приборах отопления. Однако в отопительных системах его не применяют. Покупка его обходится дорого. Это основной недостаток масла.

К тому же с маслом тяжело эксплуатировать систему. Оно опасно технологически и долго разогревается до температуры 120°С и выше. А достоинство масла в том, что оно остывает не сразу. Этот процесс длится долго. В результате можно длительный период поддерживать температуру в помещении.


Эта формула позволяет узнать, как посчитать объем трубы с любыми заданными параметрами и из любого материала, а также отдельные участки составного трубопровода. Чтобы не путаться в параметрах результатов, необходимо сразу выражать их в одних и тех же единицах, например, в метрах и кубических метрах, или в сантиметрах и кубических сантиметрах. Из компьютерных программ для начинающих пользователей или для тех, кто предполагает проводить одноразовые расчеты, можно предложить VALTEC.PRG, Unitconverter, Pipecalc и другие.

Как вычислить площадь поперечного сечения трубы

Для круглой трубы площадь поперечного сечения рассчитывается с использованием площади круга по следующей формуле:

Sтр = ∏ х R2;

Где:

  1. R – внутренние радиус трубы;
  2. ∏ – постоянная величина 3,14.

Пример:

Sтр Ø = 90 мм, или R = 90 / 2 = 45 мм или 4,5 см. Согласно формуле, Sтр = 2 х 20,25 см2 = 40,5 см2, где 20,25 – это 4,5 см в квадрате.

Параметры трубопровода

 

Площадь сечения профилированной трубы Sпр нужно рассчитывать по формуле, применяемой для вычисления площади прямоугольной фигуры:

Sпр = a х b;

Где:

a и b – стороны прямоугольной профилированной трубы. При сечении трубопровода 40 х 60 мм параметр Sпр = 40 мм х 60 мм = 2400 мм2 (20 см2, или 0,002 м2).

Как рассчитать объем воды в водопроводной системе

Для расчета объема трубы в литрах в формулу следует подставлять внутренний радиус, но это не всегда возможно, например, для радиаторов сложной формы или расширительной емкости с перегородками, для отопительного котла. Котел отопления.

Поэтому сначала нужно узнать объем изделия (обычно из технического паспорта или другой сопроводительной документации). Так, у чугунного стандартного радиатора объем одной секции равен 1,5 л, для алюминиевых – в зависимости от конструкции, вариантов которых может быть достаточно много. Геометрические параметры алюминиевых радиаторов

 

Узнать объем расширительного бачка (как и других нестандартных емкостей любого назначения) можно, залив в него заранее измеренный объем жидкости. Для подсчетов объема любой трубы нужно измерить ее диаметр, затем вычислить объем одного погонного метра, и умножить результат на длину трубопровода.

В справочной литературе, предназначенной для регламентирования параметров труб, приведены таблицы со значениями, которые нужны для расчетов объемов труб и других изделий. Эта информация является ориентировочной, но достаточно точной для того, чтобы использовать ее на практике. Выдержка из такой таблицы приведена ниже, и она пригодится для домашних расчетов:

Ø внутр, мм Vвнутр 1 погонного метра трубы, л Vвнутр 10 погонных метров трубы, л
4,0 0,0126 0,1257
5,0 0,0196 0,1963
6,0 0,0283 0,2827
7,0 0,0385 0,3848
8,0 0,0503 0,5027
9,0 0,0636 0,6362
10,0 0,0785 0,7854
11,0 0,095 0,9503
12,0 0,1131 1,131
13,0 0,1327 1,3273
14,0 0,1539 1,5394
15,0 0,1767 1,7671
16,0 0,2011 2,0106
17,0 0,227 2,2698
18,0 0,2545 2,5447
19,0 0,2835 2,8353
20,0 0,3142 3,1416
21,0 0,3464 3,4636
22,0 0,3801 3,8013
23,0 0,4155 4,1548
24,0 0,4524 4,5239
26,0 0,5309 5,3093
28,0 0,6158 6,1575
30,0 0,7069 7,0686
32,0 0,8042 8,0425
Параметры пластиковых труб

 

Материал, из которого изготавливаются трубы для водопровода или канализации, может быть разным, соответственно, характеристики труб тоже будут отличаться. Стальные трубы, например, которые имеют большой внутренний диаметр, пропустят намного меньшее количество воды, чем аналогичные трубы из пластика или пропилена.

Это происходит из-за разной гладкости внутренней поверхности трубы – у железных изделий она намного меньше, а ППР и ПВХ трубы не имеют шероховатостей на внутренних поверхностях. Но металлические трубы помещают в себя больший объем жидкости, чем изделия из других материалов с одинаковым внутренним сечением. Поэтому все расчеты для труб из разных материалов необходимо проверять, и сделать это можно как в онлайн калькуляторе, так и в настольной компьютерной программе, специально для этого предназначенной. Десктопная программа для расчетов объема

 

Условный проход Наружный диаметр Толщина стенки труб Масса 1 м труб, кг
Легких Обыкновенных Усиленных Легких Обыкновенных Усиленных
6 10,2 1,8 2,0 2,5 0,37 0,40 0,47
8 13,5 2,0 2,2 2,8 0,57 0,61 0,74
10 17,0 2,0 2,2 2,8 0,74 0,80 0,98
15 21,3 2,35 1,10
15 21,3 2,5 2,8 3,2 1,16 1,28 1,43
20 26,8 2,35 1,42
20 26,8 2,5 2,8 3,2 1,50 1,66 1,86
25 33,5 2,8 3,2 4,0 2,12 2,39 2,91
32 42,3 2,8 3,2 4,0 2,73 3,09 3,78
40 48,0 3,0 3,5 4,0 3,33 3,84 4,34
50 60,0 3,0 3,5 4,5 4,22 4,88 6,16
65 75,5 3,2 4,0 4,5 5,71 7,05 7,88
80 88,5 3,5 4,0 4,5 7,34 8,34 9,32
90 101,3 3,5 4,0 4,5 8,44 9,60 10,74
100 114,0 4,0 4,5 5,0 10,85 12,15 13,44
125 140,0 4,0 4,5 5,5 13,42 15,04 18,24
150 165,0 4,0 4,5 5,5 15,88 17,81 21,63

Если схема вашего трубопровода имеет свою специфику, рассчитать точные параметры для требуемого расхода жидкости можно по формулам, которые приведены выше.

База знаний ➔ Статьи и полезная информация

Для правильного функционирования отопительной системы крайне важно поддерживать необходимое давление в системе отопления. В случае если этот параметр изменяется в какую-либо сторону, возможны значительные сбои в работе, в зависимости от того, какое давление в системе отопления, они вполне могут привести к серьезной поломке. В частности, значительное повышение давления (до предельного уровня) может стать причиной разрушения отдельных элементов или даже полной остановки системы. А вот снижение давление в системах, где задействован циркуляционный насос, нередко вызывает кавитацию – вскипание теплоносителя. Поэтому обеспечить нормальное давление в системе отопления – это важное условие эффективной работы отопительной системы вашего жилища.

По сути, это воздействие жидкости на внутренние стенки элементов системы. При этом рабочее давление в системе отопления – является давлением, которое допускает работу системы при включенном нагревательном приборе и насосе. Следует отметить, что данная величина есть сумма: статическое давление в системе отопления, оказываемое столпом теплоносителя и динамическое давление, которое возникает при работе циркуляционного насоса.

В таком случае рабочее давление – величина, которая обеспечивает нормальную работу всех компонентов системы (насос, нагревательный прибор, расширительный бак), то есть, оптимальное давление в системе отопления.

Давление в автономно работающей системе отопления частного дома должно составлять 1,5-2 атмосферы. В домах, подключенных к централизованной теплосети, это значение зависит от этажности объекта. В малоэтажных зданиях величина давления в отопительной системе находится в диапазоне 2-4 атмосферы. В домах-девятиэтажках данный показатель равен 5-7 атмосферам. Для систем отопления высотных сооружений оптимальным значением давления считается 7-10 атмосфер. В теплотрассе, идущей под землей от ТЭЦ до точек теплопотребления, теплоноситель подается под давлением в 12 атм. Для снижения напора горячей воды на нижних этажах многоквартирных домов используют регуляторы давления. Повысить напор теплоносителя на верхних этажах позволяет насосное оборудование

При пробном запуске отопительной системы следует проводить испытание таким образом, как давление воды в системе отопления. То есть – система запускается с давлением, которое превышает нормальное рабочее примерно в 1,5 раз. Это позволяет не только проверить качество радиаторов, но и обнаружить незначительные протечки и дефекты системы (если они присутствуют). Такой простой метод позволяет исправить некоторые неполадки до начала отопительного сезона, определив минимальное давление в системе отопления.

Попадание в горячую воду: Практическое руководство по системам водяного отопления

Одним из положительных результатов недавнего энергетического кризиса стало развитие и совершенствование технологий использования альтернативных форм энергии. Нигде эти усилия не были более очевидными, чем рост использования древесины в качестве источника топлива. Многие односемейные дома, построенные в последние годы, предусматривают хотя бы частичное отопление дровами.Некоторые коммерческие, промышленные и сельскохозяйственные предприятия, которым требуется большое количество тепла, также либо перешли на древесину, либо рассмотрели ее.

Один из наиболее удобных, эффективных и рентабельных способов, с помощью которых жилые, сельскохозяйственные и небольшие коммерческие пользователи могут пользоваться преимуществами энергии на базе древесины, — это использование системы водяного отопления (часто называемой гидравлической). Системы горячего водоснабжения, работающие на древесном топливе, особенно подходят для малых и средних предприятий. Основным преимуществом этих систем является то, что они обеспечивают постоянный нагрев при относительно нечастой загрузке.Они также безопасны и могут сжигать недорогое древесное топливо во многих различных формах. Хотя этой технологии как минимум 200 лет, сегодня стоит подумать о ней.

Расширение биологической и сельскохозяйственной инженерии в Государственном университете Северной Каролины спроектировало и протестировало ряд гидравлических систем различных размеров за последние годы. Планы для этих систем доступны за небольшую плату. В настоящее время в Северной Каролине действует несколько тысяч жилых систем горячего водоснабжения, работающих на древесине.Кроме того, около 60 единиц используются для сушки табака и около 300 — для обогрева теплиц. Хотя многие из этих систем были построены на основе проверенных планов, некоторые из них — нет. Когда в системе возникают проблемы, это часто происходит из-за того, что некоторые важные конструктивные или эксплуатационные требования были упущены.

Для эффективной работы важно понимать и соблюдать определенные основные правила. Эта публикация предоставляет оператору системы водяного отопления важную базовую информацию об этом типе системы и ее работе.В первых двух разделах описывается система горячего водоснабжения и ее части, объясняются функции каждой части и даются некоторые простые расчеты конструкции для тех, кто хочет построить свою собственную систему. Третий раздел поможет читателю развить понимание древесного топлива, а четвертый описывает и объясняет экономику систем горячего водоснабжения.

В системе водяного отопления вода используется для хранения тепловой энергии и передачи ее от горящего топлива к месту, где будет использоваться тепло.Все системы горячего водоснабжения (гидроники) состоят из пяти основных частей:

  • Топка , камера, в которой сжигается топливо;
  • A резервуар для воды , в котором тепло поглощается и хранится;
  • А насосно-трубопроводная система для транспортировки нагретой воды;
  • Теплообменник для отвода тепла там, где оно необходимо;
  • Система управления для управления скоростью использования тепла.

При проектировании водонагревателя на дровах важны три фактора:

  1. Горение . Система должна быть спроектирована так, чтобы топливо сгорало максимально полно.
  2. Теплообмен . Конструкция должна позволять как можно большему количеству выделяемого тепла попадать в воду.
  3. Сохранение тепла . Система должна позволять как можно меньше тепла уходить неиспользованным.

Самая важная часть любой системы горячего водоснабжения — топка или камера сгорания.Если он неправильного размера или плохо спроектирован, производительность всей системы пострадает. Самая частая проблема домашних систем горячего водоснабжения — это плохо спроектированная топка. К сожалению, это также одна из самых сложных проблем, которую можно решить без изменения конструкции и восстановления топки.

Как горит древесина

Чтобы оценить необходимость правильно спроектированной топки, необходимо понимать, как горит дрова. Горение (горение) — это процесс, в котором кислород химически соединяется с топливом, выделяя тепло.Тепло также необходимо для запуска процесса. Однако, однажды начавшись, реакция может быть самоподдерживающейся.

Большинство людей знают, что для сжигания необходимы топливо и кислород. Однако многие не осознают, что тепло также необходимо. Многие проблемы в системах водяного отопления связаны с недостаточным количеством тепла в камере сгорания.

Двумя основными компонентами древесины являются целлюлоза и лигнин. Эти два химических вещества состоят в основном из углерода, водорода и кислорода.При повышении температуры древесины некоторые летучие вещества, содержащиеся в ней — вода, воск и масла — начинают выкипать. При температуре около 540 ° F тепловая энергия приведет к разрыву атомных связей в некоторых молекулах древесины. Когда тепловая энергия разрывает связи, которые удерживают вместе атомы, составляющие лигнин или целлюлозу, образуются новые соединения — соединения, которых изначально не было в древесине. Этот процесс известен как пиролиз. Эти новые соединения могут быть газами, такими как водород, окись углерода, двуокись углерода и метан, или они могут быть жидкостями и полутвердыми веществами, такими как смолы, пиролитовые кислоты и креозот.Эти жидкости в виде мелких капель и полутвердых частиц вместе с водяным паром образуют дым. Дым, который выходит из трубы (дымохода) несгоревшим, является потраченным топливом.

По мере того, как температура продолжает расти, производство пиролитических соединений резко возрастает. При температуре от 700 до 1100 ° F (в зависимости от присутствующих пропорций) кислород соединяется с газами и смолами с выделением тепла. Когда это происходит, происходит самоподдерживающееся горение.

В какой-то момент во время горения куска дерева вся смола и газы улетучатся.Остается в основном древесный уголь. В обиходе мы говорим, что древесина сгорела дотла. Эти угли медленно горят снаружи и почти без огня. Количество угля или древесного угля, которое остается после того, как другие части древесины выкипят, зависит в первую очередь от породы древесины, а также от того, как быстро и при какой температуре она была сожжена. Как правило, чем быстрее и горячее сгорает кусок дерева, тем меньше древесного угля остается в виде углей.

Лучше всего быстро обжечь дрова, чтобы получить от них как можно больше тепла.Медленный дымный огонь может тратить до трети тепловой энергии топлива. Для эффективного горения огонь должен получать достаточно кислорода. Высокая дымовая труба, механический вытяжной вентилятор или и то, и другое обычно используются для обеспечения достаточной тяги (потока воздуха в топку).

Однако существуют пределы того, насколько быстро можно заставить дерево гореть. Если воздух нагнетается в камеру сгорания слишком быстро, он имеет тенденцию «задуть» огонь. Результат почти такой же, как слишком мало воздуха.

Подача слишком большого количества воздуха в камеру сгорания также может привести к вздутию воздуха.Дыхание на самом деле представляет собой серию взрывов, возникающих в результате резкого смешивания воздуха и древесных газов. Чаще всего это происходит, когда свежее топливо добавляется в слой очень горячих углей. Сильное тепло от углей может отогнать большие объемы горючих газов, которые периодически воспламеняются по мере поступления кислорода. Эти взрывы редко вызывают какие-либо повреждения системы, но возникающий в результате обратный огонь может вызвать ожоги и летящий пепел.

Многие соединения образуются при горении древесины. Только в дыме было идентифицировано более 160 различных видов.В наибольшем объеме выделяются окись углерода, метан, метанол и водород. Хотя эти соединения будут гореть при относительно низких температурах, большая часть оставшихся выделенных соединений, таких как дым и смола, не сгорит полностью, пока температура не достигнет более 1000 ° F. Таким образом, для полного сгорания необходима горячая топка.

В большинстве хорошо спроектированных систем горячего водоснабжения топка окружена водой. По этой причине эти системы иногда называют водяными плитами.«В агрегатах этого типа стенки топки поглощают большую часть выделяемого тепла. Вода сохраняет стенки топки относительно прохладными, что приводит к хорошей теплопередаче, но не способствует хорошему сгоранию. В большинстве случаев необходимо изолировать стены и пол топку с огнеупорным кирпичом. огнеупорным кирпичом замедляет движение тепла от огня и тем самым повышает эффективность сгорания.

Обычный красный строительный кирпич, особенно с отверстиями, подходит для облицовки топки не хуже, чем белый огнеупорный кирпич.Хотя красный кирпич не столь эффективным, оно стоит около одной пятой столько, сколько белого огнеупорного кирпича.

Конструкция топки

На рис. 1 показано поперечное сечение типичного водонагревательного устройства. Очень важно, чтобы камера сгорания с водяной рубашкой была построена достаточно большого размера. Он должен быть такого размера, чтобы он не только принимал заряд топлива, но и позволял полностью сгореть расширяющимся газам сгорания, прежде чем они потеряют слишком много тепла и перейдут в дымовые трубы.

Одна из наиболее распространенных проблем домашних систем горячего водоснабжения заключается в том, что камера сгорания слишком мала для нормального сгорания. В этом случае трудно разжечь огонь достаточно горячим; он имеет тенденцию курить, даже когда ему дают много воздуха. Если топка уже не слишком мала, добавив огнеупоры подкладки может помочь, потому что это сделает огнь гореть более горячее. Однако иногда единственным выходом является замена топки на более крупную.

Мощность системы горячего водоснабжения можно описать двумя способами: с точки зрения ее мощности горелки или сгорания и с точки зрения ее способности аккумулировать тепло.(Последнее будет обсуждаться в другом разделе.) Мощность горелки системы определяется как наибольшее количество тепла, которое горелка может выделить из топлива за заданный период времени. Мощность горелки можно рассматривать как практический предел устойчивой мощности системы. Если вы продолжите увеличивать скорость подачи топлива в камеру сгорания, в конечном итоге будет достигнута точка, в которой топливо будет потребляться с той же скоростью, с которой оно добавляется. В этот момент горелка работает с номинальной мощностью.Более быстрое добавление топлива может фактически помешать процессу горения.

С практической точки зрения мощность горелки системы определяется размером топки и тем, насколько хорошо воздух может подаваться и распределяться по топливу. В общем, вы можете рассчитывать получить около 40 000 БТЕ в час на каждый квадратный фут площади решетки при условии, что глубина достаточна. Это означает, что вы можете ожидать около 800000 БТЕ в час от топки 5 футов в длину и 4 фута в ширину.

Между площадью колосниковой решетки и глубиной топки существует более чем случайная зависимость. Топка должна быть максимально глубокой. Большая глубина позволяет большему перемещению пламени и лучшему перемешиванию поднимающихся горячих газов для улучшения сгорания. В общем, глубина должна быть равна или больше наименьшего размера решетки. Например, если размер решетки составляет 5 на 8 футов, глубина топки должна быть не менее 5 футов. В таблице 1 показано предполагаемое соотношение между объемом топки и емкостью системы. Размеры не указаны, потому что размер и форма резервуара для хранения воды и свободное пространство, необходимое для пожарных труб, ограничивают глубину топки.Важно помнить, что высокие тонкие топки лучше, чем короткие толстые.


Таблица 1. Зависимость производительности системы от объема камеры сгорания.
Производительность системы (БТЕ / ч) Объем камеры сгорания (кубические футы)
50 000 2
100 000 5
200 000 9
300 000 27
400 000 40
500 000 75
750 000 100
1 000 000 200
2 000 000 400
3 000 000 500

Выбор вытяжного вентилятора

Практические ограничения размеров топки и конструкции дымовой трубы обычно требуют создания тяги с помощью вентилятора.Были использованы следующие схемы и их комбинации:

  • Вентилятор для подачи свежего воздуха под решетку;
  • Баллончик для нагнетания свежего воздуха в топку над решеткой;
  • Вытяжной вентилятор для подачи свежего воздуха в топку и через систему.

Использование вентиляторов для подачи воздуха в камеру сгорания имеет то преимущество, что вентиляторы остаются чистыми и охлаждаются воздухом, который они перемещают. Недостатком является то, что дым и искры могут выходить из любой трещины в топке, потому что давление внутри топки выше, чем снаружи.Если используется вытяжной вентилятор, любые утечки происходят внутрь. Недостатком является то, что тепло и копоть в дымовой трубе сильно воздействуют на систему вентиляторов, хотя существуют вентиляторы, специально разработанные для этой цели.

Скорострельность зависит от тяги. Вентилятор или вентиляторы с принудительной тягой должны подавать достаточно кислорода для максимальной ожидаемой скорости горения, но не должны обеспечивать больше этого количества. Слишком много воздуха охладит огонь и выбросит пепел в дымовые трубы. Например, чтобы определить размер стекового вентилятора, предположим, что максимальная мощность системы составляет 2 миллиона БТЕ в час.

2000000 БТЕ / час ÷ 6680 БТЕ / фунт древесины = 300 фунтов древесины / час

Для сжигания 1 фунта дров требуется около 6 фунтов воздуха. Следовательно, потребность в воздухе составляет:

.

6 фунтов воздуха / фунт древесины x 300 фунтов древесины / час = 1800 фунтов воздуха / час

Один фунт воздуха эквивалентен примерно 13,5 кубическим футам. Таким образом, требуемый объем воздуха составляет:

.

1800 фунтов воздуха / час x 13,5 кубических футов / фунт воздуха = 24 300 кубических футов воздуха / час или 405 кубических футов / мин (куб.фут / мин)

Обычно для эффективного сгорания требуется около 50 процентов избыточного воздуха.Следовательно, требуемый объем:

405 кубических футов в минуту x 1,5 = 608 кубических футов в минуту

Поскольку мы определяем объем воздуха и газов, перемещаемых вытяжным вентилятором, мы должны учитывать добавление продуктов сгорания и влажности древесины к дымовым газам. Для древесины с влажностью 20 процентов, влажная основа (w.b.), отношение объема дымовой трубы к входящему воздуху составляет 1,16 моль дымовых газов на моль свежего воздуха.

Это соотношение рассчитано исходя из 100-процентного сгорания. Таким образом, объем выходящих продуктов сгорания составляет:

608 кубических футов в минуту входящего воздуха x 1.16 = 705 куб. Футов в минуту

Наконец, объем необходимо отрегулировать в соответствии с температурой. Закон Чарльза гласит, что объем газа линейно увеличивается с его температурой. Чтобы использовать закон Чарльза, температуры по Фаренгейту должны быть преобразованы в температуры по шкале Ренкина (R), что достигается добавлением 460 ° к температуре по Фаренгейту.

При температуре входящего воздуха 510 ° R (50 ° F) и температуре дымовой трубы 760 ° R (300 ° F) скорректированный объем дымового газа составляет:

760/510 x 705 куб. Футов в минуту = 1050 куб. Футов в минуту

Таким образом, 608 кубических футов в минуту входящего воздуха соответствует общему объему 1050 кубических футов в минуту, выходящему через дымовую трубу.Подойдет типичный вентилятор мощностью 1100 кубических футов в минуту при статическом давлении воды 1 дюйм. Статического давления воды в 1 дюйм будет более чем достаточно для компенсации газового трения в системе.

Вышеприведенные расчеты можно применить к системам различного размера. Размеры вентиляторов указаны в таблице 2 для различных систем.


Таблица 2. Размеры стеклопакетов для различных систем.
Производительность системы (БТЕ / ч) Размер вентилятора стека (куб. Фут / мин при 1 дюйм.давление воды)
50 000 40
100 000 75
200 000 140
300 000 180
400 000 240
500 000 300
750 000 425
1 000 000 550
2 000 000 1,100
3 000 000 1,650

Двери с водяным охлаждением

Одной из наиболее часто встречающихся проблем в системах водяного отопления является коробление дверок топки. Двери должны быть большими для удобной топки. Одна сторона подвержена сильному нагреву камеры сгорания, а другая часто окружена зимними температурами. Возникающие в результате сильные термические нагрузки могут деформировать двери. Хотя дверь, показанная на Рисунке 2, была сделана из стали 1, 2 дюймов с существенным усилением, вскоре она так сильно покоробилась, что ее нельзя было закрыть.

Опыт показал, что полностью решить эту проблему невозможно, хотя ее можно существенно уменьшить, охладив двери водой.Водяное охлаждение не только предотвращает коробление, но и позволяет рекуперировать больше тепла.

Двери с водяным охлаждением обычно имеют внутреннюю и внешнюю металлические поверхности, разделенные 2- или 3-дюймовыми полостями, через которые может циркулировать вода. Часть мощности циркуляционного насоса воды отводится в полость двери. В полость обычно устанавливаются перегородки для обеспечения хорошей циркуляции и равномерного охлаждения.

Конструкция решетки

Для максимального удобства и эффективности в нижней части топки необходимо предусмотреть решетку.Идеальная решетка позволяет золе просачиваться сквозь нее, но удерживает большую часть древесины и древесного угля и обеспечивает непрерывный поток воздуха через всю площадь решетки без периодического перемешивания или встряхивания. На каждые 1000 БТЕ номинальной мощности необходимо не менее 5 квадратных дюймов площади решетки. Например, для системы мощностью 200 000 БТЕ / час потребуется:

200 x 5 = 1000 квадратных дюймов

Одна тысяча квадратных дюймов равна примерно 7 квадратным футам. Следовательно, решетки шириной 2 фута и длиной 3 1 2 футов будет достаточно для системы с номинальной производительностью 200 000 БТЕ / час.

Создать удовлетворительную решетку сложно. Лучше всего подходят чугунные решетки, но их трудно найти, они дороги и имеют тенденцию со временем треснуть и выгореть. Пластина из мягкой стали толщиной от 1 2 от дюймов до 1 дюйма будет деформироваться при нагревании, если она не будет хорошо поддерживаться снизу. Однако решетчатые опоры затрудняют удаление золы. Использованные железнодорожные рельсы, перевернутые вверх ногами, с умеренным успехом использовались для формирования решеток. Стандартные 80-фунтовые рельсы, расположенные на расстоянии 1 2 на расстоянии 1 дюйма друг от друга, будут охватывать 6 футов без поддержки.Рельсы изготовлены из марганцевой легированной стали, их трудно сваривать и резать. Однако они умеренно устойчивы к высокотемпературной эрозии и относительно недороги, если покупать их на свалке металлолома.

Накопление древесного угля во время непрерывного обжига может привести к закупорке решеток и нарушению циркуляции воздуха. Установка вентилятора высокого давления под решеткой гарантирует поддержание минимального потока воздуха и ускоряет сжигание древесного угля. Остальной воздух для горения может подаваться через вентиляционное отверстие или дополнительный вентилятор над решеткой.

Рисунок 1. Типовая система водяного отопления.

Рисунок 2.Двери должны иметь водяное охлаждение, чтобы они не коробились от сильного жара.

Самая заметная часть системы горячего водоснабжения — это бак для воды. Стандартные резервуары, подходящие для систем водяного отопления, доступны в различных размерах, объемах и толщинах стенок.Подземные резервуары имеют более толстые стенки, чем надземные, что делает их намного лучше для сварки. Если у вас есть выбор, лучше использовать короткий резервуар большого диаметра, чем длинный и тонкий, потому что более короткий резервуар имеет меньшую площадь поверхности, что снижает потери тепла и стоимость изоляции. В таблице 3 приведены размеры и вместимость широкого диапазона стандартных резервуаров для хранения нефти.


Таблица 3. Типоразмеры металлических резервуаров для хранения.
Емкость (галлонов) Диаметр Длина
500 48 из 64 в
560 42 из 92 из
1 000 49 1 2 дюймов 10 футов
2 000 64 в 12 футов
4 000 64 в 24 фута
6 000 8 футов 16 футов 1 дюйм
8,000 8 футов 21 фут 4 дюйма
10 000 8 футов
10 1 2 футов
26 футов 1 дюйм
15 футов 8 дюймов
12 000 8 футов
10 1 2 футов
31 фут 11 дюйм
18 футов 7 дюймов
15 000 8 футов
10 1 2 футов
39 футов 11 дюймов
23 фута 4 дюйма
20 000 10 1 2 футов 31 фут
25 000 10 1 2 футов 38 футов 9 дюймов
30 000 10 1 2 футов 46 футов 6 дюймов

Хотя лучше всего использовать новый резервуар, многие успешные системы были созданы с использованными резервуарами. Резервуары для хранения отработанного масла часто можно получить просто по запросу. Если вы решили попробовать использованный резервуар, внимательно осмотрите его на предмет дырок или тонких пятен. Также узнайте, какая жидкость хранилась в резервуаре. Внимание: Никогда не сваривайте и не резайте резервуар, который, как вы подозреваете, содержит горючие материалы, если он не будет тщательно очищен и проветрен. Один из методов удаления остатков масла или бензина из большого бака — смешать около 2 фунтов моющего средства на тысячу галлонов емкости с достаточным количеством воды, чтобы растворить его, и вылить этот раствор в бак.Затем полностью наполните резервуар водой и дайте ему постоять несколько дней, прежде чем слить его и приступить к работе.

Теплоемкость

Как упоминалось в предыдущем разделе, одним из показателей емкости системы является ее способность аккумулировать тепло. Вода — одно из наименее дорогих и наиболее легко перемещаемых и контролируемых веществ. Это также один из лучших известных носителей тепла. Вода может хранить в четыре или пять раз больше тепла, чем камень, в десять раз больше, чем большинство металлов, и примерно в четыре раза больше, чем воздух на единицу веса.Его единственный недостаток в том, что он не может сохранять тепло при температуре выше 212 ° F, если он не находится под давлением. Это ограничивает его пригодность для высокотемпературных применений. Однако для систем отопления помещений в теплицах и других сельскохозяйственных, коммерческих или жилых помещениях это ограничение обычно не является проблемой.

По определению, одна британская тепловая единица (BTU) — это количество тепла, необходимое для повышения температуры фунта воды на 1 ° F. Галлон воды весит примерно 8.3 фунта, поэтому тепловая энергия, необходимая для повышения температуры галлона на 100 ° F, составляет:

8,3 фунта x 100 ° F = 830 БТЕ

Для сравнения, для повышения температуры 8,3 фунта гравия на 100 ° F потребуется всего около 166 БТЕ.

Как указывалось ранее, воду нельзя нагревать до температуры выше 212 ° F при атмосферном давлении. Эта температура определяет верхний предел количества тепла, которое может хранить безнапорная вода. Нижний предел устанавливается желаемой температурой нагрузки.Например, если в теплице должна поддерживаться температура 65 ° F, то эта температура является нижним пределом. Разница между верхним и нижним пределом,

212 ° F — 65 ° F = 147 ° F

указывает, сколько тепла может удержать данный объем воды.

На самом деле, понижать температуру хранения до нижнего предела непрактично. Скорость передачи тепла нагрузке (например, от радиаторов к воздуху внутри теплицы) значительно снижается, поскольку температура нагретой поступающей воды приближается к температуре воздуха нагрузки.По этой причине желательно поддерживать нижнюю температуру хранения воды, по крайней мере, на 35 ° F выше желаемой температуры загрузки. Следовательно, в предыдущем примере нижний предел температуры будет 100 ° F, а разница температур будет не 147 ° F, а

.

212 ° F — (65 ° F + 35 ° F) = 112 ° F

Следовательно, диапазон температур хранения воды ограничен 112 ° F. Используя эту информацию в качестве руководства, теперь мы можем определить, какой объем памяти необходим.

Если заданная тепловая нагрузка определена как 200000 БТЕ в час и желательно иметь 6 часов нагрева после тушения пожара, количество воды должно быть достаточным для хранения:

200000 БТЕ / час x 6 часов = 1200000 БТЕ

Для подъема одного фунта воды на 1 ° F требуется 1 БТЕ.В каждом фунте воды может храниться только 112 БТЕ. Следовательно, необходимое количество воды составляет:

.

1,200,000 БТЕ ÷ 112 БТЕ / фунт = 10714 фунтов

Поскольку вода весит 8,3 фунта на галлон, 10 714 фунтов воды равны 1291 галлону.

На практике максимальная температура воды редко превышает 200 ° F; следовательно, требуется емкость, немного превышающая 1291 галлон.

Эти расчеты предполагают, что тепло не теряется из резервуара или из труб, по которым вода идет к загрузке и от нее.Эти потери могут быть значительными в зависимости от того, насколько хорошо изолирована труба, расстояния от резервуара до груза и температуры наружного воздуха.

Очень хорошая идея — установить термометр на выпускной линии резервуара. Это даст точную индикацию температуры воды внутри резервуара. Падение температуры воды более чем на 20 ° F в час является хорошим признаком того, что резервуар для воды слишком мал, поскольку цель системы горячего водоснабжения — обеспечить постоянный источник тепла без необходимости постоянно разжигать огонь.

Также хорошей идеей является установка термометра на линиях с обеих сторон нагрузки — например, на впускной и выпускной линиях радиатора или ряда радиаторов. Это позволяет определить не только, сколько энергии теряется между баком и грузом, но и насколько эффективно радиаторы извлекают тепло из воды.

Для оптимальной конструкции системы емкость накопителя должна основываться на максимальной номинальной мощности горелки, требуемой тепловой нагрузке и максимальном промежутке времени между загрузками топлива.Следующее обсуждение показывает, как взаимодействуют эти три фактора.

Предположим, как в приведенном выше примере, что требуемая средняя тепловая нагрузка составляет 200 000 БТЕ в час. Это означает, что в течение обычного часа работы требуется 200 000 БТЕ тепла. Вероятно, что посреди очень холодной ночи количество необходимого тепла превысит это количество. Но для того, чтобы иметь достаточно тепла, мощность горелки должна как минимум равняться средней нагрузке плюс потери. С практической точки зрения желательно, чтобы горелка была рассчитана на 1,5–2-кратную среднюю тепловую нагрузку.Горелка большего размера может производить тепло для хранения, а также для немедленного использования в периоды средней нагрузки.

Помимо энергии, хранящейся в горячей воде (накопительный бак), в системе также можно хранить тепловую энергию в виде несгоревшей древесины. Это называется хранилищем топки. В ожидании очень холодной ночи оператор теплицы может топить систему в течение дня, чтобы постепенно поднять температуру воды примерно до 212 ° F. Несмотря на то, что вода уже удерживает количество тепла, близкое к максимальному, оператор может снова заполнить топку непосредственно перед тем, как уйти на ночь.Это дополнительное топливо добавляет энергии системе. Горящее топливо может просто заменить уходящее тепло и, таким образом, поддерживать высокую температуру воды. Однако, если дополнительное топливо слишком быстро добавляет слишком много тепла, вода в баке закипит, и энергия будет потрачена впустую в виде пара.

Маловероятно, что система горячего водоснабжения во время реальной эксплуатации будет подвергаться очень большим колебаниям нагрузки. Другими словами, не требуется производить максимальную производительность один час и никакой в ​​последующие.Скорее, постепенное увеличение и уменьшение обычно происходит в течение дня по мере изменения наружной температуры и многих других факторов. С другой стороны, тепло, подаваемое в систему от огня, обычно бывает довольно спорадическим, в зависимости от того, сколько и как часто добавляется топливо. Ценность системы горячего водоснабжения частично основана на ее способности быстро накапливать тепловую энергию, но медленно выделять ее с контролируемой скоростью.

Если горелка вырабатывает больше тепла, чем используется системой, дополнительное тепло будет сохраняться при условии, что емкость аккумулирования не была превышена.При превышении емкости вода закипает. Когда это происходит, избыточное тепло уходит из системы в виде пара. Энергия, необходимая для кипячения воды, просто тратится зря. Частое кипение в системе горячего водоснабжения указывает на то, что горелка слишком велика, или она слишком часто зажигается, или что емкость аккумулирования тепла в системе слишком мала.

Если емкость аккумулирования тепла недостаточна, одно решение — добавить еще один резервуар. Тандемный резервуар обычно располагается как можно ближе к основному резервуару и соединяется впускной и выпускной трубой и насосом (Рисунок 3).Таким образом, емкость хранилища может быть легко увеличена без нарушения работы остальной системы. Между двумя баками всегда необходимо непрерывно перекачивать воду, чтобы тепло распределялось равномерно. Это можно сделать, добавив дополнительный насос или используя часть потока от существующего насоса, если он имеет избыточную производительность.

Система горячего водоснабжения не является паровой; то есть в системе никогда не бывает другого давления, кроме давления, создаваемого насосами. Из бака для горячей воды необходимо удалить воздух, чтобы предотвратить повышение давления, когда вода нагревается и расширяется или превращается в пар.Невентилируемый накопительный бак чрезвычайно опасен . В верхней части бака требуется как минимум два вентиляционных отверстия. Более того, люк, который обычно вырезается в верхней части резервуара во время строительства, можно оставить открытым, но прикрыть листом листового металла.

Изоляция

Необходимо изолировать бак и все трубы, чтобы предотвратить утечку тепла. Для наружных резервуаров подходит полиуретановая изоляция, напыляемая напылением, особенно если она окрашена и защищена от прямого воздействия огня и солнечных лучей.Покрытие толщиной 1 дюйм, обеспечивающее степень изоляции R-7, стоит около 1 доллара за квадратный фут. Например, для резервуара емкостью 2000 галлонов диаметром 64 дюйма и длиной 12 футов изоляция будет стоить приблизительно 250 долларов. В таблице 4 приведены расчетные значения теплоизоляции резервуаров различной толщины из полиуретана.


Таблица 4. Эффективность изоляции трех толщин на большом резервуаре для горячей воды.
Толщина изоляции (дюймы) Значение «R» Тепловые потери (БТЕ / ч) 1 Ежемесячная стоимость потерянной энергии 2 Стоимость изоляции 3
0. 0 0,5 200 000 384,00 $ $ 0
0,5 4,0 25 000 48,00 500
1,0 7,5 13 300 25,54 1 000 90 10 5
2,0 14,5 6 900 13.25 2 000
Примечание. Данные в этой таблице основаны на емкости резервуара 15 000 галлонов и площади поверхности 1 000 квадратных футов.
1 При разнице температур воды и окружающей среды 100 ° F.
2 При условии, что древесина стоит 40 долларов за шнур.
3 Предполагается, что прикладная стоимость составляет 1 доллар США за квадратный фут на дюйм толщины.

Эта таблица показывает, что затраты на нанесение минимального количества изоляции могут быть легко оправданы экономией на затратах на электроэнергию.Однако дополнительные затраты на изоляцию толщиной более 1 2 дюймов трудно оправдать.

Один из вариантов — разместить систему под односкатной крышей, где ее можно изолировать относительно недорогими войлоками из стекловолокна. Стекловолокно, которое может иметь основу из алюминиевой фольги, можно удерживать на месте с помощью проволочной сетки с крупными ячейками. Стоимость навеса, изоляции, пленки, провода и рабочей силы может быть больше, чем стоимость напыляемой полиуретановой изоляции, но этот тип изоляции, вероятно, прослужит намного дольше и даст лучшее значение R.

Защита от ржавчины

Рекомендуется использовать какие-либо меры по предотвращению ржавчины для защиты внутренней части резервуара и труб от коррозии. Доступен ряд коммерческих химикатов, предназначенных в основном для использования в высокотемпературных котлах. Некоторые из них были бы довольно дорогими в количестве, необходимом для защиты системы горячего водоснабжения среднего размера.

Один метод, который был признан подходящим для систем горячего водоснабжения, — это добавление некоторых относительно недорогих химикатов для повышения pH воды.Среди них карбонат калия, карбонат натрия (стиральная сода) и гексаметафосфат натрия (Calgon). Эти химические вещества предотвращают коррозию, покрывая металлические стенки систем. Из упомянутых выше химикатов лучше всего работает Калгон. Его можно купить в большинстве продуктовых магазинов. Используйте 5 фунтов на каждые 1000 галлонов воды. В нормальных условиях ни один из этих химикатов не разлагается и, следовательно, остается активным в системе в течение длительного времени.

Пожарные трубы

Хотя некоторое количество тепла проходит к воде через стенки топки, основной путь тепла от огня к воде проходит через дымовые трубы.Большинство систем спроектировано таким образом, что горячие газы, выделяемые при пожаре, проходят через серию пожарных труб, которые проходят от одного конца резервуара для хранения к другому. Во многих системах газы проходят через резервуар более одного раза.

Очень важно, чтобы количество и размер трубок были достаточными, чтобы большая часть тепла передавалась от горячих газов воде до выхода газов. Как показывает практика, на каждые 2000 БТЕ номинальной мощности требуется около 1 квадратного фута площади теплообмена.Например, если система рассчитана на производство 200 000 БТЕ в час, потребуется около 100 квадратных футов площади теплообмена. Эта область может включать охлаждаемую водой поверхность топки, а также сами дымовые трубы. Обе эти области часто называют поверхностью очага.

Наружный диаметр трубок используется для расчета площади. В таблице 5 перечислены несколько часто используемых размеров стандартных труб с указанием их фактического внешнего диаметра и количества ходовых футов, необходимых для получения 1 квадратного фута площади поверхности.


Таблица 5. Линейные футы на квадратный фут площади поверхности для обычных стальных труб.
Номинальный размер трубы (дюймы) Внешний диаметр (дюймы) Линейных футов на квадратный фут внешней площади
1/2 0,840 4,55
3/4 1.050 3.64
1 1,315 2,90
1 1/4 1,660 2,30
1 1/2 1.900 2,01
2 2,375 1,61
2 1/2 2,875 1,33
3 3.500 1,09
3 1/2 4.000 0,95
4 4.500 0,85
4 1/2 5.000 0,76
5 5,563 0,67
6 6,625 0,58

Правильный размер трубы зависит от ряда факторов.В примере системы с производительностью 200 000 БТЕ в час требуется 100 квадратных футов площади теплообмена. Из таблицы 1 рекомендуемый объем топки составляет 9 кубических футов. Подходящей топкой такого объема может быть топка 1 1 2 футов в длину, 2 фута в ширину и 3 фута в высоту. Площадь топки составляет 27 квадратных футов (включая дверь с водяным охлаждением). Таким образом, топка обеспечит 27 квадратных футов необходимых 100 квадратных футов. Остальные 73 квадратных фута должны обеспечивать пожарные трубы.

Чтобы найти длину трубы заданного диаметра, необходимую для обеспечения желаемой площади поверхности, умножьте числа в третьем столбце таблицы 5. Например, если вы выбрали 1 1 2 -дюймовая труба, умножьте 73 погонных футов на 2,01:

73 фута x 2,01 фут / кв. Фут = 146,72 фута

Около 147 погонных футов 1 1 2 трубы дюймов требуется для получения 73 квадратных футов площади теплообмена. С другой стороны, если вы используете 3-дюймовую трубу, вам понадобится всего около 80 футов:

73 фута x 1.09 фут / кв фут = 79,73 фут

Какой размер лучше? Если рассматривать строго с точки зрения затрат, нет большой разницы между 147 футами трубы 1 1 2 дюймов и 80 футами трубы 3 дюйма. Однако большую трубу сваривать намного проще. Кроме того, время от времени необходимо будет очищать внутреннюю часть трубы от золы, сажи и других отложений. Очистить меньшую длину и большую трубу проще. Однако большее количество труб меньшего размера будет несколько более эффективным в передаче тепла.Опыт показал, что в целом лучше всего подходят трубы диаметром от 2 до 3 дюймов.

Отложения золы в дымовых трубах значительно снизят скорость теплопередачи. Хорошо иметь способ определить, насколько хорошо они работают. Один из лучших и наименее дорогих методов — разместить высокотемпературный термометр в точке, где газы покидают пожарные трубы и запускают дымовую трубу. Чем ближе температура воды, тем эффективнее отвод тепла от пожарных труб. Температура газа от 300 до 350 ° F указывает на эффективную теплопередачу.Температура газа более 450 ° F указывает на то, что площадь теплообмена слишком мала или на дымовые трубы нанесено покрытие.

Стратификация

Любопытное состояние иногда возникает в средних и больших системах. Несмотря на то, что топка постоянно топится, и видно, как вода кипит из верхней части резервуара, температура воды, забираемой из резервуара для распределения, составляет всего 170–180 ° F. Такая ситуация возникает в системах, где вход и выход находятся около дна резервуара и нет вспомогательного циркуляционного насоса, поддерживающего движение воды.Это состояние называется стратификацией и возникает, когда вода при разных температурах разделяется на отдельные слои, причем самая теплая вода остается наверху. Стратификация может происходить в любой системе, но обычно более выражена в крупных.

Плотность воды при 100 ° F примерно на 3,5 процента больше, чем при 200 ° F. Как и воздух, горячая вода поднимается, а холодная опускается. Чтобы предотвратить расслоение, воду нужно поддерживать в движении. Один из способов — подсоединить возвратные трубы в верхней части бака над топкой (самая горячая часть системы) и забрать воду из нижней части бака с другого конца.Проблема с этим подходом заключается в том, что распределительные насосы могут не работать все время, и при выключении насосов может происходить расслоение.

Лучшее решение — установить непрерывно работающий вспомогательный циркуляционный насос для перемещения воды из самой холодной в самую горячую часть резервуара. Постоянное перемешивание воды предотвратит расслоение. Циркуляционный насос не обязательно должен быть большим, так как необходимо преодолеть очень небольшой напор. Он должен быть способен перекачивать от 0,2 до 0,5 производительности системы в час.Например, система на 2000 галлонов должна иметь насос, способный перекачивать от 400 до 1000 галлонов в час. Обычно достаточно электрического насоса мощностью 1 6 от до 1 2 .

Рисунок 3. Дополнительный резервуар увеличит емкость хранилища.

Трубопровод

Вода не только сохраняет тепло, но и передает тепло туда, где оно используется.Распределительный насос должен иметь подходящий размер для работы. Если насос слишком мал, он не будет перекачивать достаточно тепла к нагрузке. Если он слишком большой, это приведет к потере энергии. Подбор насоса — довольно сложный вопрос, поскольку он зависит от ряда взаимосвязанных факторов. К ним относятся размер груза, расстояние между баком и грузом, количество различных теплообменников в системе и размер используемой трубы. В таблице 6 приведены размеры труб для различных тепловых нагрузок. Эти скорости потока и размеры труб рассчитаны с учетом нормального падения температуры на 25 ° F при прохождении воды через теплообменник.


Таблица 6. Минимальные размеры труб для нагрузок на расстоянии 100 и 300 футов от резервуара.
Нагрузка (БТЕ / ч) Расход (галлон / мин) Диаметр стальной трубы (дюймы) 1
100 футов 300 футов
100 000 8 1 1/4 1 1/2
200 000 16 1 1/2 2
300 000 24 2 2 1/2
400 000 32 2 1/2 2 1/2
500 000 40 2 1/2 3
750 000 60 3 3
1 000 000 80 3 4
1 500 000 120 4 4
2 000 000 160 4 4
1 Для трубы из ХПВХ подходит следующий меньший размер

За исключением жилых помещений, большинство систем горячего водоснабжения поставляют тепло более чем в одно место. Например, несколько отдельных теплиц или помещений для выдержки могут потреблять тепло от одной и той же системы. Горячая вода подается к каждой нагрузке по большим магистральным распределительным и обратным линиям. Каждая нагрузка имеет свой собственный насос и подключена к основным линиям параллельно, что делает ее управляемой независимо (Рисунок 4). Каждое параллельное соединение должно иметь обратный клапан для предотвращения обратного потока, когда тепло не требуется.

Насосы

обычно оцениваются по количеству галлонов в минуту, которые они могут подавать при определенном напоре или общем сопротивлении.Это полное сопротивление является суммой сопротивлений каждой отдельной части системы, через которую вода проходит в своем контуре к насосу и от него. Сопротивление обычно выражается в количестве футов «головы», хотя с таким же успехом оно может быть выражено в фунтах на квадратный дюйм. Напор — это гипотетическая высота воды, против которой должен работать насос; чем больше голова, тем больше сопротивление.

По мере увеличения сопротивления расход уменьшается. Например, определенный насос может быть рассчитан на 50 галлонов в минуту на высоте 10 футов, но только 15 галлонов в минуту на высоте 30 футов.Один фут напора эквивалентен 0,43 фунта на квадратный дюйм (psi). При выборе насоса важно выбрать насос, рассчитанный на работу с горячей водой при температурах до максимально ожидаемых.

Во многих системах используются стандартные стальные трубы и резьбовые соединения. Они относительно недороги и подходят для горячего водоснабжения. В некоторых новых системах используются пластиковые трубы. Полиэтилен (черный пластик) и трубы из ПВХ не выдержат длительного использования горячей воды при умеренном давлении. Однако два типа пластиковых труб — ХПВХ и полибутилен — предназначены для горячего водоснабжения.ХПВХ — это жесткая пластиковая труба, похожая на ПВХ. Если используется труба из ХПВХ, все фитинги, такие как соединители, переходники и колена, также должны быть изготовлены из ХПВХ. Полибутиленовая труба также требует специальных соединителей, но она гибкая и с ней значительно легче работать. Однако он еще не доступен в размерах более 1 дюйма.

Изоляция труб

Для повышения эффективности важно, чтобы распределительные трубы как к нагрузке, так и от нее были изолированы. Количество тепла, которое может быть потеряно от длины трубы, является значительным и зависит от ряда факторов.К ним относятся температура воды, проходящей через трубу, температуру и движение воздуха, окружающего трубу, тип материала трубы, а также состояние поверхности и толщину стенки трубы. Неизолированная распределительная труба горячей воды может терять от нескольких сотен до нескольких тысяч БТЕ в час, в зависимости от условий и длины.

Если трубы должны быть проложены над землей, будет достаточно покрытия из стекловолокна, защищенного от дождя несколькими слоями устойчивой к солнечному свету пластиковой пленки.Любая изоляция, особенно стекловолокно, пропитанная водой, теряет почти все свои изоляционные свойства. Изоляция труб из пенопласта в виде разъемных трубок также хорошо работает, если она защищена от солнечных лучей.

Гораздо труднее изолировать трубу, когда она проложена под землей. просто закапывать трубы в землю без изоляции — очень плохая практика, потому что влажная холодная почва является очень хорошим проводником тепла. Большинство изоляционных материалов из пенопласта, таких как изоляция с разъемными трубками, изготовлены из пенопласта с закрытыми порами, что означает, что он не пропитается водой и, следовательно, сохранит свои изоляционные свойства под землей.Если вам необходимо проложить трубу под землей, убедитесь, что земля остается как можно более сухой.

Напыляемая полиуретановая изоляция, обычно используемая на резервуарах, также может использоваться для изоляции подземных трубопроводов, поскольку она относится к типу с закрытыми ячейками. Чтобы использовать этот метод, вырывается траншея шириной от 4 до 6 дюймов и глубиной от 12 до 14 дюймов. Трубы поддерживаются на расстоянии 2 или 3 дюймов от дна, а в траншею распыляется от 4 до 5 дюймов изоляции, которая полностью окружает и покрывает трубы. После того, как утеплитель схватится, траншея засыпается грунтом.

Независимо от того, какой метод используется для изоляции трубы, важно не забыть изолировать обратную трубу, а также трубу, идущую к нагрузке. Несмотря на то, что большая часть тепла была удалена из возвратной воды, любая энергия, потерянная в трубе, должна быть восполнена. Для повышения температуры 1 фунта воды с 80 до 85 ° F требуется такое же количество тепла, как и для повышения температуры с 200 до 205 ° F.

Рисунок 4.Типовая схема мультизагрузочной системы.

Важной частью любой системы горячего водоснабжения является теплообменник или радиатор. Если его размер неверен или поток воздуха через него недостаточен, производительность системы может сильно пострадать.К счастью, теплообменники бывают разных размеров. Доступен широкий ассортимент коммерческих радиаторов, разработанных специально для систем горячего водоснабжения. Большинство из них могут работать при давлении воды от 50 до 60 фунтов на квадратный дюйм и имеют резьбовые фитинги для подключения к распределительной системе.

Очень подходящей альтернативой коммерческому радиатору является новый или подержанный автомобильный радиатор. Они доступны во многих различных размерах и могут быть куплены на большинстве складов и в пунктах снабжения запчастями.У многих дилеров есть новые радиаторы для старых автомобилей, которые они могут продать по сниженным ценам. Однако автомобильные радиаторы обычно не подходят для воды с давлением выше 15-20 фунтов на квадратный дюйм. Это ограничение не должно быть проблемой, если насос и распределительные трубы имеют правильный размер. Однако автомобильные радиаторы потребуют некоторых модификаций, включая закрытие заливных и переливных отверстий и изменение перехода от резинового шлангового фитинга к распределительной трубе.

Характеристики теплопередачи любого радиатора зависят от ряда факторов.Наиболее важными являются скорость потока и температура водяных и воздушных потоков. Как правило, чем больше разница температур между водой и воздухом, тем быстрее передается тепло. Кроме того, чем больше воды и воздуха проходит через радиатор, тем больше передается тепла. Также важны такие факторы, как конструкция радиатора, количество и расположение ребер, а также материал, из которого изготовлен радиатор. Например, в типичных условиях эксплуатации многие коммерческие теплообменники, разработанные специально для горячего водоснабжения, производят около 20 000 БТЕ в час на каждый квадратный фут площади поверхности.

Поскольку большинство радиаторов имеют схожие характеристики теплопередачи, решающим фактором при определении мощности является их физический размер. Испытания показали, что автомобильные радиаторы могут передавать от 16 000 до 20 000 БТЕ в час на квадратный фут поверхности лица (от 140 ° F воды до 70 ° F воздуха). Например, радиатор размером 1 1 2 футов шириной и высотой 2 фута имеет площадь 3 квадратных фута. Таким образом, он может передавать от 48 000 до 60 000 БТЕ в час.

Управление системой горячего водоснабжения довольно простое.Обычно они состоят из термостата, подключенного к реле, которое управляет отдельным насосом для каждой нагрузки. Электродвигатель вентилятора, который продувает воздух через радиатор, также может быть подключен к тому же реле, поскольку он не должен работать при выключенном насосе. Такое расположение позволяет управлять каждой нагрузкой независимо. В некоторых системах насосу разрешается работать непрерывно, а вентилятор управляется термостатом.

Для большинства крупных систем требуется вытяжной вентилятор, как описано ранее, для обеспечения надлежащего сгорания.Вытяжной вентилятор обычно работает всякий раз, когда в топке возникает пожар. Когда нет огня, он не должен работать и может быть отключен вручную. Однако этот механизм не работает, когда систему топят, а затем оставляют без присмотра на длительное время, например, на ночь. Когда поле израсходовано, вентилятор продолжит работу, втягивая холодный воздух через пожарные трубы и, таким образом, охлаждая воду. Важно помнить, что дымовые трубы являются теплообменниками, и что тепло будет течь от горячей воды к охлаждающим трубам, а также наоборот.Одним из решений является установка термостата в дымовой трубе, чтобы останавливать вентилятор, когда температура падает примерно до 200 ° F, то есть когда в воду больше не поступает тепло. Может потребоваться ручное управление, чтобы разжечь огонь, когда система остыла.

Древесина — отличное топливо. По сравнению с большинством других видов топлива оно недорогое, его довольно легко хранить, его можно использовать в различных формах и размерах, и оно широко распространено в Северной Каролине.По оценкам, в этом штате в качестве топлива доступно более 14 миллионов тонн древесины в год.

Древесина, хотя и является хорошим топливом, имеет недостатки. Он содержит меньше энергии на фунт, чем большинство других видов топлива. Количество полезной энергии в образце древесины может широко варьироваться в зависимости от содержания влаги и породы.

Растущее дерево обычно наполовину состоит из воды. Когда дерево спиливается, древесина начинает терять влагу в окружающий воздух. Древесина, которая была свежесрезана и содержит высокий процент влаги, часто называется древесиной зеленая . После того, как древесина высохла в течение определенного периода времени (обычно несколько месяцев или более, ее называют выдержанной или сухой древесиной. По мере того, как древесина теряет влагу, ее влажность постепенно приближается к содержанию влаги от 12 до 15 процентов. Это значение называется равновесное содержание влаги (EMC). Фактическое процентное содержание определяется долгосрочным усреднением температуры и относительной влажности воздуха, окружающего древесину. Хотя было бы желательно, но нецелесообразно удалять всю воду из дрова.

Влажность топливной древесины обычно выражается в процентах от общей сырой массы. Например, если определенный кусок дерева весит 7 фунтов 6 унций (118 унций), но после сушки кости весит всего 5 фунтов 4 унции (84 унции), исходное содержание влаги в древесине выражается следующим образом:

118-84 = 34 унции воды

34 ÷ 118 = 0,288 или 28,8 процента

Это означает, что вода составляла 28,8% от веса влажной древесины.Содержание влаги, выраженное в процентах от сырого веса, часто обозначается сокращенно m.c.w.b. (влажность, влажная основа).

Эффективное теплосодержание древесного топлива снижается за счет содержащейся в нем влаги двумя способами. Во-первых, чем больше воды в данном куске дерева, тем меньше в нем древесины. Во-вторых, часть топлива, содержащегося в древесине, используется для испарения воды при сжигании древесины. Приблизительно 1000 БТЕ тепловой энергии требуется для испарения каждого фунта воды в древесине.Кусок дерева содержит одинаковое количество энергии, независимо от того, является ли он зеленым или сухим. Однако зеленая древесина плохо горит, потому что часть энергии уходит на испарение лишней воды. В таблице 7 приведена чистая энергетическая ценность (теплотворная способность) древесины при различной влажности.


Таблица 7. Энергетическая ценность древесины при различной влажности.
Влагосодержание во влажном состоянии (в процентах) Теплотворная способность (БТЕ на фунт) Вес (фунтов на шнур)
0 8 600 2,960
5 8,120 3,116
10 7,640 3 289
15 (правильно приправленный) 7,160 3 482
20 6 680 3,700
25 6 200 3 947
30 5,720 4 229
40 4,760 4 933
50 (зеленый) 3,800 5,920

Обратите внимание, что правильно выдержанная древесина имеет на 88 процентов более высокую теплотворную способность (по весу), чем зеленая древесина.Также обратите внимание, что зеленая древесина весит почти вдвое больше, чем выдержанная древесина. Кусок зеленого дерева весом в 1 фунт весит всего 0,59 фунта после выдержки. Кусок дерева, сгоревший в «зеленом» состоянии, дает примерно половину тепла, чем при правильной выдержке. Вот почему очень важно правильно выдерживать дрова. Для древесины, оставленной в виде цельного бревна, диаметром 12 дюймов или меньше, может потребоваться целый год, чтобы приправить ее должным образом. В идеале древесину, которая будет использоваться зимой, следует заготавливать предыдущим летом и дать ей высохнуть.Таким образом, древесина сушится за счет летнего тепла, а не за счет части энергии, содержащейся в самой древесине. Конечно, древесина, которой разрешили сезон, высохнет намного быстрее, если ее расколоть и хранить под навесом.

Плотность

Опыт показал, что дуб лучше для обогрева древесины, чем сосна, потому что дуб намного плотнее. Кубический фут сушеного на воздухе дуба весит около 42 фунтов, тогда как кубический фут сушеного на воздухе сосны лоблолли весит около 32 фунтов. Таким образом, дуб примерно на 32 процента плотнее сосны, а дубовый шнур обычно содержит на треть больше энергии, чем сосновый шнур.Это важное соображение, поскольку дрова обычно покупаются и продаются за шнур, который является мерой объема, а не веса. Важно помнить, что почти все породы древесины содержат примерно одинаковое количество энергии. Вы получаете больше фунтов древесины — и, следовательно, больше тепловой энергии — в веревке из более плотной древесины.

Другие виды топлива

Очень широко распространено мнение, что некоторые мягкие породы древесины, такие как сосна, производят больше смолы или креозота, чем лиственные породы.Многочисленные тесты показали, что это не так. Фактически, недавние испытания не показали заметной разницы в выходе смолы между сосной и дубом. При правильном обжиге древесины не должно образовываться смолы.

Помимо более традиционных форм древесного топлива, таких как щепа и дрова, колотые или круглые, могут быть доступны древесные отходы. Это могут быть древесные отходы мебельных заводов или обрезки пиломатериалов со стройплощадок или сносов. Все эти породы дерева подходят для использования. Однако следует помнить одну очень важную вещь: ни в коем случае нельзя сжигать обработанную древесину.Древесина, обработанная креозотом из каменноугольной смолы, например железнодорожные шпалы или опоры, сильно горит и выделяет густой черный токсичный дым. Древесина, обработанная такими соединениями, как хромированный арсенат меди (CCA), обычно имеет зеленовато-желтый или коричневый цвет и при горении выделяет очень токсичный дым. Обработка или вдыхание золы пиломатериалов, обработанных CCA, может вызвать острое отравление. Даже относительно небольшое количество обработанной древесины, смешанной с необработанной древесиной, может вызвать серьезные проблемы. Будьте осторожны и знайте, какой вид топлива вы используете.

Сравнение стоимости топлива

Сравнение древесины и мазута № 2 показывает, что энергосодержание различных видов топлива, обычно называемое удельной энергией, может широко варьироваться. Например, мазут номер 2 содержит около 19 000 БТЕ на фунт, тогда как сухая древесина содержит около 8 600 БТЕ на фунт. В пересчете на фунт за фунт мазут имеет более чем в два раза больше энергии, чем древесина. Однако сравнение удельной энергии древесины и мазута говорит только об этом.

При цене 1 доллар за галлон фунт мазута стоит около 13 центов. При цене 40 долларов за шнур фунт древесины белого дуба стоит менее одного цента. Таблица 7 показывает, что фунт правильно выдержанной древесины содержит около 7 160 БТЕ.

Следующие расчеты сравнивают эти виды топлива на основе стоимости на миллион БТЕ:

Мазут: 0,13 доллара за фунт ÷ 9000 БТЕ / фунт x 1000000 = 6,84 доллара за миллион БТЕ

Древесина: 0,008 долл. США / фунт ÷ 7 160 БТЕ / фунт x 1000000 = 1,12 долл. США за миллион БТЕ

Эти расчеты показывают, что стоимость мазута более чем в шесть раз превышает стоимость древесины, необходимой для производства того же количества тепла.Таким образом, древесина имеет большое преимущество в стоимости по сравнению с большинством других видов топлива.

Возражения против использования древесины в качестве источника энергии обычно связаны с удобством. В очень холодную погоду большинство систем горячего водоснабжения, работающих на древесном топливе, необходимо топить хотя бы один раз за ночь. Конечно, есть недостатки в том, чтобы вставать в 2 часа ночи, чтобы запустить систему. С другой стороны, использование дерева определенно дает преимущество в стоимости.

При рассмотрении системы горячего водоснабжения, работающей на древесном топливе, не следует упускать из виду два других важных сравнения.Один из них — системные затраты, а другой — эффективность. Стоимость установки системы правильного размера зависит от индивидуальных потребностей. Например, большинство нефтегазовых систем рассчитаны на индивидуальные теплицы и устанавливаются в них, тогда как одна большая система горячего водоснабжения может вместить множество теплиц или несколько помещений для сушки табака вместе с другими зданиями и жилым помещением.

Второй аспект, который следует учитывать, — это эффективность системы. Эффективность, которая обычно выражается в процентах, является мерой того, насколько хорошо система преобразует и доставляет химическую энергию, хранящуюся в топливе, в полезную тепловую энергию.Процентное соотношение описывает долю потребляемой энергии, которая фактически преобразуется и используется в качестве полезного тепла. Важно понимать, что общая эффективность также зависит от того, насколько хорошо система отводит тепло. Другими словами, для системы недостаточно эффективно сжигать топливо, но тепло также должно доставляться с минимальными потерями к месту, где оно должно использоваться. В следующем примере показано, как рассчитывается общая эффективность:

Система водяного отопления на древесном топливе, как известно, сжигает 200 фунтов высушенной на воздухе древесины в час, за это время 2300 галлонов нагретой воды проходит через теплообменники теплицы с понижением температуры на 45 ° F.Температура воды в накопительном баке остается постоянной.

Энергетическая ценность высушенной на воздухе древесины составляет 7 160 БТЕ на фунт. Таким образом, энергия, выделяемая при сжигании 200 фунтов в час, составляет:

.

7160 БТЕ / фунт x 200 фунтов / час = 1432000 БТЕ / час

По определению 1 БТЕ — это количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры 1 фунта воды на 1 ° F. Один галлон воды весит 8,3 фунта; следовательно, тепловая энергия, отдаваемая системой, составляет:

2300 галлонов / час x 8.3 фунта / галлон x 45 ° = 859 050 БТЕ / час

Эффективность системы — это отношение выходной энергии к вложенной энергии:

Общий КПД, E = выход энергии системы ÷ вход энергии в систему

E = 859 050 / 1,432 000

E = 0,60 или 60%

Эти расчеты предполагают, что температура воды в резервуаре для хранения остается постоянной и что падение температуры на 45 ° F включает потери в трубопроводах, по которым вода идет в теплицу и из нее.

Без некоторых довольно сложных тестов очень сложно определить точную эффективность нагревательного устройства. Однако таблица 8 показывает, что типичная эффективность обычных систем отопления сильно различается.

При исследовании общей стоимости отопления с использованием различных видов топлива очень важно сравнивать эффективность системы, особенно если разница в стоимости на миллион БТЕ между двумя альтернативными видами топлива очень мала. Эффективность системы в меньшей степени влияет на то, какой выбор лучше, поскольку разница в стоимости между видами топлива увеличивается.В настоящее время существует значительная разница в стоимости между древесным топливом и другими широко используемыми видами топлива, чтобы сделать древесные системы рентабельными даже при довольно низкой эффективности. Очевидно, что при правильном проектировании для обеспечения максимальной эффективности использование деревянных систем будет дешевле.


Таблица 8. КПД различных типов систем отопления.
Тип системы КПД (в процентах)
Электрический резистивный нагреватель 98
Обогреватель сжиженного или природного газа 75
Масляная печь 65
Система горячего водоснабжения на древесном топливе 60

Значения в Таблице 9 основаны на эффективности, показанной в Таблице 8, и на предположениях, что корд из выдержанной древесины весит 3492 фунта и содержит 7,160 БТЕ на фунт, мазут содержит 138000 БТЕ на галлон и что Сжиженный нефтяной газ содержит 86 000 БТЕ на галлон.Стоимость владения и эксплуатации различных систем не включена.


Таблица 9. Сравнение безубыточной стоимости древесного топлива по сравнению с мазутом и сжиженным нефтяным газом с учетом относительной эффективности системы.
Расходы на топливо
Дерево (на шнур) Мазут (на галлон) Сжиженный газ (на галлон)
$ 10 0 руб.06 0,043 $
20 0,12 0,086
30 0,18 0,129
40 0,24 0,172
50 0,30 0,215
60 0,36 0,258
70 0.42 0,301
80 0,48 0,344
100 0,60 0,430
140 0,84 0.602
180 1,08 0,774
200 1,20 0,860
250 1.50 1,075
300 1,80 1,290
400 2,40 1,720
500 3,00 2,150

Надеемся, что эта публикация помогла вам лучше понять, как работает правильно спроектированная система горячего водоснабжения, и определить, можете ли вы получить выгоду от ее установки.Если вы решите построить свою собственную систему, как это сделали многие, применение рекомендаций и процедур, приведенных в этой публикации, должно помочь вам построить высокоэффективную систему. Если вместо этого вы решите приобрести одно из имеющихся в продаже устройств, эта информация должна помочь вам выбрать лучшую систему для вашего приложения и эффективно управлять ею.

Для получения дополнительной информации о применении энергии на базе древесины см. Дополнительную публикацию AG-363, Руководство по энергии на базе древесины для сельского хозяйства и малых коммерческих предприятий .Кроме того, вам могут быть полезны следующие публикации:

Информационное руководство по энергии древесины. Роли, Северная Каролина: Отдел энергетики, Министерство торговли Северной Каролины, 1982 г.

Энергия древесины для малой энергетики в Северной Каролине. Роли, Северная Каролина: Отдел энергетики, Министерство торговли Северной Каролины, 1978 год.

Руководство для лиц, принимающих решения по древесному топливу для малых промышленных потребителей энергии. Голден, Колорадо: Исследовательский институт солнечной энергии, 1980.

Древесина как энергия, обзор вопросов сельского хозяйства № 5.Вашингтон, округ Колумбия: Национальная сельскохозяйственная библиотека, Министерство сельского хозяйства США, 1984.

Водонагреватель на дровах — 1 000 000 БТЕ в час.

Водонагреватель на дровах — 2 000 000 БТЕ в час.

Майк Бойет
Philip Morris Professor
Биологическая и сельскохозяйственная инженерия
р. В. Уоткинс
Профессор
Биологическая и сельскохозяйственная инженерия

Дополнительную информацию можно найти на следующих веб-сайтах NC State Extension:

Дата публикации: янв.1, 1995
AG-398

N.C. Cooperative Extension запрещает дискриминацию и домогательства независимо от возраста, цвета кожи, инвалидности, семейного и семейного положения, гендерной идентичности, национального происхождения, политических убеждений, расы, религии, пола (включая беременность), сексуальной ориентации и статуса ветерана.

Найдите галлонов в минуту, используя температуру системы

Это продолжение последней статьи Дока в Hotmail: Unbalanceable Hydronic System Solutions. Читатели спросили: «Как мне найти галлонов в минуту (галлонов в минуту), если в гидронной системе нет станций измерения расхода?»

Если станции измерения расхода (например, балансировочные клапаны) не встроены в систему, вы все равно можете рассчитать галлоны в минуту с помощью гидравлической системы, используя несколько простых измерений. Давайте посмотрим, какие измерения температуры воды вы можете проводить, и расчеты, необходимые для этого простого диагностического теста.

Чтобы не перегружать вас, я буду использовать очень простой пример небольшой системы отопления, вентиляции и кондиционирования с горячей водой с бойлером и устройством обработки воздуха.

Физика
Хотя многие из нас мало интересовались физикой в ​​школе, большинство из нас использует ее каждый день. Физика изучает природу и свойства материи и энергии. Он использует то, как они работают вместе. Вы используете принципы физики для улучшения производительности системы HVAC.

Формулы не имеют большого значения, если вы не можете использовать полученные от них знания для каких-либо целей. Обратите внимание, как приведенные ниже формулы превращаются в пошаговые инструкции, которые помогут вам найти нужную информацию.Как только вы найдете ответ, станет ясно, что вы должны сделать, чтобы повысить производительность системы.

Формула теплопередачи воды — BTU
Гидравлические системы, построенные для балансировки, оборудованы таким образом, чтобы вы могли напрямую измерять галлоны в минуту системы и оборудования. Эта формула теплопередачи первичной воды используется для расчета системы, поставляемой в британских тепловых единицах, если известно галлонов в минуту. Это не формула для расчета галлонов в минуту, но понимание того, что это мост для простых расчетов расхода.

Формула: британские тепловые единицы / час.= GPM x Δt x 500. Просмотр этой формулы значительно упростит использование следующего варианта GPM.

В этом примере этапы диагностического теста и вычислений будут следовать формуле:

Шаг первый: GPM

  • Подсоедините гидроманометр к балансировочному клапану, обслуживающему обработчик воздуха или змеевик. Измерьте давление воды, интерпретируйте и запишите систему в галлонах в минуту. В нашем примере предположим, что галлон составляет 8,8.

Шаг второй: Δt

  • Измерьте температуру воды на входе и выходе из змеевика с помощью датчика температуры накладного типа.Считайте и запишите две температуры.
  • Вычтите две температуры, чтобы найти изменение температуры воды (Δt) над змеевиком. В этом примере предположим, что Δt составляет 26,2 градуса F.

Шаг третий: 500

  • Умножьте два числа, найденных в предыдущих шагах, на 500, чтобы найти воду, подаваемую через змеевик.
  • Пример: галлонов в минуту x дельта t градусов x 500 = на стороне воды БТЕ / час. Измеренный галлон в минуту через балансировочный клапан составил 8.8 галлонов в минуту. Измеренное изменение температуры воды (Δt) через змеевик составляет 26,2 градуса. Примените эти числа к формуле, и вы получите 8,8 галлона в минуту x 26,2 градуса Δt x 500 = 115280 БТЕ / час.

Если номинальная тепловая мощность кондиционера составляет 120 000 БТЕ / час, у вас все хорошо. Если номинальная теплопроизводительность кондиционера составляет 250 000 БТЕ / час, Хьюстон, у нас есть проблема.

Формула теплопередачи воды: GPM
Формула теплопередачи вторичной воды поможет вам определить количество галлонов в минуту, проходящих через оборудование.Формула GPM: GPM = Воздушная сторона Btu ÷ (измеренная вода Δt x 500).

Мы рассмотрим эту версию формулы более подробно. Поскольку часть формулы в скобках должна быть заполнена первой, мы организуем действия, которые вы предпримете в поле, соответствующим образом.

Шаг первый: Δt

  • Измерьте Δt на входе и выходе из змеевика воздухообрабатывающего агрегата, используя датчик температуры с сухим термометром зажимного типа. Считайте и запишите две температуры.
  • Вычтите две температуры, чтобы найти Δt со стороны воды через змеевик.

Пример: Температура воды, поступающей в змеевик горячей воды, составляет 168,4ᵒ. Поскольку воздух, проходящий через змеевик, отводит тепло от воды, температура воды снижается до 136,3 градуса. Вычтите 168,4 — 136,3 градуса, чтобы найти Δt со стороны воды через змеевик, равный 31,1 градуса.

Шаг второй: 500

Умножьте изменение температуры на 500, чтобы найти делитель формулы. Пример : Изменение температуры воды в змеевике на 31,1 градуса x 500 = 15 550.

  • Это делитель в формуле для расчета галлонов в минуту для кондиционера.

Шаг третий — Air Btu

  • Следующий шаг — найти британские тепловые единицы в час. доставляется с воздушной стороны воздухоподготовителя.
  • Это число может быть получено из двух источников. Во-первых, вы можете использовать змеевик горячей воды с номинальной мощностью британских тепловых единиц в час. в обработчике воздуха. Предположим, номинальная тепловая мощность этого кондиционера составляет 50 000 британских тепловых единиц.
  • Во-вторых, вы можете измерить доставку Air Btu с помощью пневмопривода. Этот метод тестирования является наиболее точным, но требует больших усилий. Специалисты, измеряющие характеристики оборудования, знают, что установленное оборудование редко работает так, как нужно, из-за дефектов установки. Свяжитесь с доктором для процедуры проверки измеренной доставки Btu в воздушную зону .

Шаг четвертый — Выполните расчет

  • Имея данные испытаний и информацию, вы готовы рассчитать галлоны в минуту, проходящие через воздухообрабатывающий агрегат.
  • Примените расчет GPM = Air Btu ÷ (Δt x 500). Не забудьте сначала завершить расчет в скобках.
  • Разделите доставленные БТЕ в воздушную зону 50 000 на 15 550, чтобы получить 3,2 галлона в минуту через змеевик.

Подводя итог, вы можете расширить возможности диагностики гидравлических систем, измерив пару температур, вычитая и разделив, чтобы найти галлоны в минуту, когда тестовые порты и клапаны недоступны. Надеюсь, ваше будущее будет наполнено гидравлическими системами, включая балансировочные клапаны.В противном случае, возможно, этот метод проверки и расчета поможет вам выйти из затруднительного положения.

Роб «Док» Фалке служит в отрасли в качестве президента National Comfort Institute, Inc., обучающей компании и членской организации, работающей в сфере отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Если вы являетесь подрядчиком или техническим специалистом по ОВКВ, которого интересует процедура бесплатного тестирования, описывающая, как измерить доставленные британские тепловые единицы через воздушную систему, свяжитесь с Доком по адресу [email protected] или позвоните ему по телефону 800-633-7058. Посетите веб-сайт NCI по адресу nationalcomfortinstitute.com для бесплатной информации, статей и загрузок.

Объяснение конструктивных ограничений для систем водяного центрального отопления

Ограничивающий фактор 1 — температура воды из котла.
Ограничивающий фактор 2 — падение температуры в контуре.
Ограничивающий фактор 3 — скорость циркуляции воды.
Ограничивающий фактор 4 — расход относительно диаметра трубы.
Ограничивающий фактор 5 — длина трубы заданного размера.
Ограничивающий фактор 6 — влияние фурнитуры.

Идея страниц, посвященных проектированию систем центрального отопления, заключается не только в том, чтобы дать вам инструменты, необходимые для проектирования хорошая обслуживаемая система, но также чтобы дать вам понимание основных принципов.

На этой странице объясняется, почему при проектировании систем водяного центрального отопления применяются определенные ограничивающие факторы.

Ограничивающий фактор 1 — температура воды из котла.

Чем горячее циркулирующая вода, тем большее количество тепла она может удерживать и излучать через радиаторы (или другие излучатели).тем не мение вода превращается в пар при 100 ° C (212 ° F), и когда это происходит, она резко увеличивается в объеме и в ограниченном объеме. циркуляционного трубопровода / котла может вызвать избыточное давление. Чтобы вода не закипела, термостат бойлера в хорошем состоянии. конструкция системы обычно настраивается на отключение при температуре около 80 ° C (180 ° F).

Ограничивающий фактор 2 — падение температуры в контуре.

По мере охлаждения нагретой воды количество тепла, которое она передает окружающему воздуху, уменьшается.Чем выше разница температур, чем выше скорость передачи и когда вода остынет до температуры воздуха, дальнейшая передача тепла невозможна.

Нагретая вода из котла циркулирует по системе и остается относительно холодной, когда возвращается в котел. Чем больше разница температур между выходом и входом котла, тем тяжелее нужно работать котлу для повторного нагрева воды.

На практике оба вышеперечисленного способствуют необходимости минимизировать падение температуры вокруг контура.Падение температуры на 12 ° C (20 ° F) — хорошая цель, которой стоит стремиться при разработке, так как это обеспечит эффективную передачу тепла от радиаторов, пока не предъявлять слишком больших требований к котлу.

Ограничивающий фактор 3 — скорость циркуляции воды.

Из детального проекта системы центрального отопления будет определена необходимая скорость теплопередачи (в киловаттах или британских тепловых единицах). Необходимость поддерживать перепад температуры вокруг контура в пределах ограничивающего фактора 2, будет определять объем воды, необходимый для прохождения по системе.

Для достижения требуемого перепада температуры циркулирующая вода должна отдавать определенное количество тепла. При падении температуры на 12 ° C 1 литр воды дает около 14 ватт (или британских единиц при падении температуры на 20 ° F, 1 галлон воды дает 200 BTU).

В примере дома общая потребность в тепле составляет 7,25 кВт (24700 БТЕ), поэтому для достижения этого при падении температуры на 12 ° C всего 519 литров воды в час (или 124 галлона в час в британской системе мер). . Эти объемы представляют собой поток через котел, фактическая вода будет циркулировать много раз в час.

Чем больше объем воды, тем быстрее она должна двигаться, и чем быстрее она движется, тем больше создается трение и повышается риск внутренней резкости, вызывающей вибрацию и шум.

Опыт показал, что скорость около 90 см / сек (3 фута / сек) является оптимальным максимумом для обеспечения эффективной работы.

Ограничивающий фактор 4 — расход относительно диаметра трубы.

Скорость потока воды в ограничивающем факторе 3 выше не является реальной проблемой, поскольку размер водопровода напрямую влияет на скорость для данного объема воды, если для достижения требуемого потока воды скорость превышает 90 см / секунду в Для данного размера трубы увеличение размера трубы приведет к снижению скорости.

Ориентировочно скорости потока 500 литров в час рассчитываются как:

  • Ø 15 мм. труба — 148 см / сек
  • Ø 22 мм. Труба — 55 см / сек
  • Ø 28 мм. Труба — 31см / сек

В британских единицах скорости потока 100 галлонов в час рассчитываются следующим образом:

  • Ø 15 мм. Труба — 53 дюйма / сек
  • Ø 22 мм. Труба — 20 дюймов / сек
  • Ø 28 мм. Труба — 12 дюймов / сек

Возвращаясь к примеру, требуемый расход был рассчитан выше как 519 литров / час, поэтому:

  • При использовании трубы диаметром 15 мм требование 519 литров / час дает расход 154 см / секунду (т.е.е. 148 * (519/500)) — это превышает максимум 90 см / сек, поэтому труба 15 мм не подходит.
  • При использовании трубы диаметром 22 мм тот же общий поток требует потока 57 см / секунду (т.е. 55 * (519/500)) — это хорошо в пределах максимальной скорости, поэтому можно использовать трубу диаметром 22 мм.

Чтобы упростить вычисления, ниже приведены максимальные ватты и BTU, которые могут переноситься трубами разных размеров, исходя из того, что литр воды дает 1,4 Вт (12 градусов C) (или один галлон дает 200 BTU (20 градусов F)), не превышая при этом расхода, указанного в ограничивающем факторе 3 выше.

Диаметр 15 мм

4,25 кВт

13 620 БТЕ

Диаметр 22 мм 11,5 кВт 36 630 БТЕ
Диаметр 28 мм 20,5 кВт 65240 БТЕ

Ограничивающий фактор 5 — длина трубы заданного размера.

Хотя вышеупомянутый ограничивающий фактор 4 показал, как преодолеть максимальный расход для данного размера трубы, длина трубы также влияет на силу, необходимую для циркуляции воды.Чем длиннее труба, тем больше перепад давления при заданном расходе. В этой таблице приведены значения падения давления на единицу длины для различных расходов и размеров труб.

Падение давления важно знать для настройки циркуляционного насоса. У каждого насоса есть кривая производительности (пример справа), которая определяет его способность выдерживать различные скорости потока и давления (также называемые «потерей напора»). При условии, что когда рассчитанные расход и давление нанесены на график, они встречаются под кривой (т.е. в цветной области), насос подходит для установки. Немногое можно сделать, чтобы уменьшить поток воды в системе, однако увеличение размера труб уменьшит потерю напора.

Ограничивающий фактор 6 — влияние фурнитуры.

Приведенный выше ограничивающий фактор 5 поднял вопрос о потере напора из-за длины труб, фитингов и клапанов, которые также способствуют потере напора. Это одна из причин, по которой следует избегать соединителей, если фактическая труба может быть изогнута, поскольку это имеет оборотный эффект.Обжимной фитинг в трубе имеет тот же эффект, что и длина участка трубопровода длиной примерно 60 см (2 фута), паяные соединители имеют немного меньший эффект.

Если в проекте не предусмотрены пределы расхода для конкретного размера трубы, вместо расчета потери напора для каждого соединителя можно использовать простой процентный допуск. Для компрессионных соединений (или смеси компрессии / пайки) используйте припуск 35%, если используются только соединители под пайку, допускайте 30%. Для этого, если длина трубопровода составляет 10 метров (скажем, 30 футов), используйте эквивалентную длину 13.5 метров (40,5 футов) для компрессионных соединений или 13 метров (39 футов), если используются только паяные соединители.

Ограничивающий фактор 1 — температура воды из котла.
Ограничивающий фактор 2 — падение температуры в контуре.
Ограничивающий фактор 3 — скорость циркуляции воды.
Ограничивающий фактор 4 — расход относительно диаметра трубы.
Ограничивающий фактор 5 — длина трубы заданного размера.
Ограничивающий фактор 6 — влияние фурнитуры.

Температура и плотность | Глава 3: Плотность

Тебе это нравится? Разве это не нравится? Пожалуйста, уделите время и поделитесь с нами своим мнением.Спасибо!

Урок 3.6

Ключевые понятия

  • При нагревании вещества молекулы ускоряются и немного расходятся друг от друга, занимая больший объем, что приводит к снижению плотности.
  • Охлаждение вещества заставляет молекулы замедляться и немного сближаться, занимая меньший объем, что приводит к увеличению плотности.
  • Горячая вода менее плотная и будет плавать на воде комнатной температуры.
  • Холодная вода более плотная и тонет в воде комнатной температуры.

Сводка

Студенты наливают горячую и холодную цветную воду в воду комнатной температуры. Они замечают, что горячая вода плавает на воде комнатной температуры, а холодная опускается. Учащиеся объединят понятия температуры, молекулярного движения и плотности, чтобы узнать, что горячая вода менее плотная, чем вода комнатной температуры, а холодная вода более плотная.

Цель

Студенты смогут объяснить на молекулярном уровне, как нагрев и охлаждение влияют на плотность воды.

Оценка

Загрузите лист активности учащегося и раздайте по одному каждому учащемуся, если это указано в упражнении. Лист упражнений будет служить компонентом «Оценить» каждого плана урока 5-E.

Безопасность

Убедитесь, что вы и ваши ученики носите правильно подогнанные очки.

Об этом уроке

В этом уроке вы можете помочь студентам связать некоторые концепции плотности с идеями из главы 1. В главе 1 студенты увидели, что тепло увеличивает молекулярное движение.Это увеличенное движение конкурирует с притяжением между молекулами, заставляя молекулы раздвигаться немного дальше друг от друга. Они также увидели, что по мере охлаждения вещества молекулы замедляются, и их притяжение сближает их. Эти идеи также могут быть применены к концепции плотности.

материалов для каждой группы

  • Холодная вода (синего цвета) в стакане для пены
  • Горячая вода (желтого цвета) в стакане для пены
  • Вода комнатной температуры в прозрачном пластиковом стакане (бесцветный)
  • 2 капельницы

Материалы для демонстрации

  • Горячая вода (желтого цвета)
  • Холодная вода (синего цвета)
  • 2 одинаковых прозрачных баночки для детского питания
  • Карточка водонепроницаемая (из колоды карточек или ламинированной каталожной карточки)
  • Бумажные полотенца
  1. Проведите демонстрацию, чтобы показать, что горячая вода течет по холодной воде.

    Скажите студентам, что в главе 3 они увидели, что разные вещества имеют разную плотность. В этом упражнении они увидят, что одно и то же вещество может иметь разную плотность при разных температурах.

    Скажите студентам, что вы попытаетесь поставить одну банку, наполненную горячей цветной водой, вверх дном на другую банку с холодной водой.

    Попросите учащихся сделать прогноз:

    • Как вы думаете, горячая и холодная вода будут смешиваться или оставаться раздельными?

    Выполните описанную ниже процедуру или спроецируйте видео для учащихся.Если вы решите провести демонстрацию, вы можете сначала посмотреть видео, чтобы увидеть, как устанавливать банки.

    Спроектировать видео «Горячая вода на холодную воду».

    Материалы

    • Горячая вода (около 50 ° C, желтого цвета)
    • Холодная вода (около 5 ° C, синий цвет)
    • 2 одинаковых прозрачных баночки для детского питания
    • Карточка водонепроницаемая (из колоды карточек или ламинированной каталожной карточки)
    • Бумажные полотенца

    Процедура

    1. Горячая вода сверху
      1. Полностью наполните банку для детского питания горячей водой из-под крана и добавьте 2 капли желтого пищевого красителя.
      2. Полностью наполните другую банку детского питания очень холодной водой и добавьте 2 капли синего пищевого красителя. Размешайте воду в обеих банках, чтобы краситель хорошо смешался в обеих. Поставьте банку с холодной водой на бумажное полотенце.
      3. Держите водонепроницаемую карту над сосудом с горячей водой.
      4. Прижимая карту к отверстию емкости, осторожно переверните емкость вверх дном.

      5. Не снимая карты, поместите банку с горячей водой прямо над банкой с холодной водой так, чтобы верхние части были точно выровнены.
      6. Медленно и осторожно извлеките карту так, чтобы емкость с горячей водой находилась прямо поверх емкости с холодной водой.

    Ожидаемые результаты

    Хотя удаление карты может привести к небольшому перемешиванию или разливу, горячая желтая вода останется в верхней емкости, а холодная голубая вода останется в нижней емкости.

    Спросите студентов:

    Как вы думаете, почему горячая вода оставалась поверх холодной?
    Студенты должны понимать, что существует разница в плотности между горячей и холодной водой.Горячая вода менее плотная, поэтому она плавает на более плотной холодной воде.

    Попросите учащихся сделать прогноз:

    • Что может произойти, если вы поместите холодную голубую воду поверх горячей желтой воды, а затем удалите карту?
    1. Холодная вода сверху
      1. Выполните ту же процедуру, что и выше, но поставьте емкость с холодной водой вверх дном на емкость с горячей водой.

    Ожидаемые результаты

    Холодная голубая вода немедленно упадет в горячую желтую воду, вызывая перемешивание.Вода повсюду быстро станет зеленой.

    Спросите студентов:

    Как вы думаете, почему смешались горячая и холодная вода, когда холодная была налита сверху?
    Когда холодная вода наливается сверху, цвета смешиваются, потому что холодная вода более густая и тонет в горячей.

    Раздайте каждому учащемуся лист с упражнениями.

    Учащиеся запишут свои наблюдения и ответят на вопросы о деятельности в листе действий.«Объясни это с помощью атомов и молекул» и «Возьми это». Дальнейшие разделы рабочего листа будут заполнены либо в классе, либо в группах, либо индивидуально в зависимости от ваших инструкций. Посмотрите на версию листа с заданиями для учителя, чтобы найти вопросы и ответы.

  2. Попросите учащихся добавить холодную и горячую воду в воду комнатной температуры.

    Вопрос для расследования

    Есть ли разница в плотности между горячей и холодной водой?

    материалов для каждой группы

    • Холодная вода (синего цвета) в стакане для пены
    • Горячая вода (желтого цвета) в стакане для пены
    • Вода комнатной температуры в прозрачном пластиковом стакане (бесцветный)
    • 2 капельницы

    Подготовка учителей

    • Добавьте лед в воду, чтобы сделать очень холодную воду.Наполовину наполните одну чашку с пеной холодной водой (без кубиков льда), а другую — горячей водой для каждой группы.
    • Добавьте 2 капли желтого пищевого красителя в горячую воду и 2 капли синего пищевого красителя в холодную воду.
    • Наполните прозрачный пластиковый стакан примерно на водой комнатной температуры.
    • Раздайте набор из 3 чашек каждой группе.

    Процедура

    1. Залейте одну пипетку голубой холодной водой.Погрузите конец пипетки примерно на половину в бесцветную воду комнатной температуры.

    2. Наблюдая сбоку, очень осторожно сожмите пипетку, чтобы холодная вода медленно перетекала в воду комнатной температуры.
    3. Залейте в другую пипетку горячую желтую воду. Погрузите конец пипетки примерно на половину в воду комнатной температуры.
    4. Наблюдая со стороны, очень осторожно сожмите пипетку, чтобы горячая вода медленно перетекала в воду комнатной температуры.
    5. Запишите свои наблюдения в рабочий лист.

    Ожидаемые результаты

    Холодная голубая вода будет стекать вниз и собираться на дне воды комнатной температуры. Горячая желтая вода поднимется и собирается на поверхности.

  3. Обсудите наблюдения студентов.

    Спросите студентов:

    О холодной воде
    Что вы заметили, когда поместили холодную голубую воду в воду комнатной температуры?
    Холодная вода утонула в воде комнатной температуры.
    У холодной воды больше, меньше или такой же плотности, как у воды комнатной температуры?
    Холодная вода более плотная, чем вода комнатной температуры.
    О горячей воде
    Что вы заметили, когда поместили горячую желтую воду в воду комнатной температуры?
    Горячая вода всплыла на поверхность в воде комнатной температуры.
    У горячей воды больше, меньше или такой же плотности, как у воды комнатной температуры?
    Горячая вода менее плотная, чем вода комнатной температуры.
  4. Объясните разницу в плотности между горячей и холодной водой на молекулярном уровне.

    Спроектируйте анимацию «Холодная и горячая вода».

    Холодная вода

    Обратите внимание на то, что молекулы холодной воды движутся медленнее и расположены немного ближе друг к другу, чем молекулы горячей воды или воды комнатной температуры. Также обратите внимание на то, что при охлаждении воды уровень воды в градуированном цилиндре немного падает.

    Спросите студентов:

    На анимации вы видели, что по мере охлаждения воды уровень воды понижается. Холодная вода имеет меньший объем, но масса остается прежней. Что это говорит вам о плотности холодной воды?
    Учащиеся должны понимать, что когда молекулы объединяются при охлаждении воды, объем уменьшается. Но масса воды не меняется. Студенты должны понимать, что уменьшение объема без увеличения массы приведет к увеличению плотности.
    Как это помогает объяснить, почему холодная вода тонет в воде комнатной температуры?
    Более плотная холодная вода тонет в воде комнатной температуры.

    Горячая вода

    Укажите, что молекулы в горячей воде движутся быстрее и находятся немного дальше друг от друга, чем молекулы в воде комнатной температуры. Убедитесь, что учащиеся заметили, что когда вода нагревается, уровень воды в градуированном цилиндре немного поднимается.

    Спросите студентов:

    На анимации вы видели, что по мере нагрева воды уровень воды поднимается. Горячая вода занимает больше объема, но масса остается прежней. Что это говорит о плотности горячей воды?
    Основываясь на анимации, учащиеся должны понять, что распространение молекул увеличивает объем, но не влияет на массу воды. Студенты должны понимать, что увеличение объема без увеличения массы приведет к уменьшению плотности.
    Как это помогает объяснить, почему горячая вода течет по воде комнатной температуры?
    Менее плотная горячая вода плавает по более плотной воде комнатной температуры.
  5. Проведите демонстрацию, чтобы показать учащимся, как густая холодная вода вызывает перемешивание.

    Сообщите студентам, что зимой на вершинах прудов и озер может образовываться лед. Весной, когда лед тает, холодная вода тонет.Это вызывает перемешивание снизу, которое выводит питательные вещества на поверхность. Скажите студентам, что вы будете моделировать этот процесс.

    Материалы

    • Вода комнатной температуры
    • Кубики льда
    • 2 одинаковых высоких прозрачных пластиковых стакана
    • Маленькая чашка
    • Пищевой краситель, любой цвет, кроме желтого
    • Капельница
    • Лист обычной белой бумаги

    Процедура

    1. Наполните две высокие прозрачные пластиковые стаканчики примерно на ⅔ водой комнатной температуры.
    2. Налейте около 15 капель пищевого красителя в небольшую пустую чашку.
    3. С помощью пипетки возьмите пищевой краситель. Затем осторожно опустите пипетку в воду, пока кончик пипетки не окажется у дна чашки.
    4. Очень осторожно сожмите пипетку, чтобы весь пищевой краситель медленно стекал на дно чашки. Затем осторожно снимите пипетку, чтобы пищевой краситель не смешался с водой. (Ничего страшного, если немного красителя смешается с водой.)
    5. Повторите шаги 2–4 для другого стакана воды.
    6. Осторожно поместите два кубика льда в воду в одну из чашек. (Избегайте перемешивания воды.)
    7. Положите лист белой бумаги позади каждой чашки и наблюдайте.

    Ожидаемые результаты

    Окраска в чашке со льдом поднимется снизу вверх и начнет смешиваться с водой. Краска в этой чашке смешается быстрее, чем краска в чашке без льда.

    Спросите студентов:

    Пищевой краситель смешался быстрее в чашке со льдом. Используйте то, что вы знаете о плотности воды при разных температурах, чтобы объяснить, почему это произошло.
    Температура льда около 0 ° C, а воды в чашке около 20 ° C. По мере таяния льда вода из растаявшего льда становится холоднее, чем вода вокруг него. Эта более холодная вода также более плотная, поэтому она опускается на дно. Эта тонущая вода выталкивает пищевой краситель, вызывая перемешивание.

Учебник по физике

На предыдущей странице мы узнали, что тепло делает с объектом, когда оно накапливается или выделяется. Прирост или потеря тепла приводят к изменениям температуры, изменению состояния или выполнения работы. Тепло — это передача энергии. Когда объект приобретается или теряется, внутри этого объекта будут происходить соответствующие изменения энергии. Изменение температуры связано с изменением средней кинетической энергии частиц внутри объекта.Изменение состояния связано с изменением внутренней потенциальной энергии, которой обладает объект. А когда работа сделана, происходит полная передача энергии объекту, над которым она выполняется. В этой части Урока 2 мы исследуем вопрос Как измерить количество тепла, получаемого или выделяемого объектом?

Удельная теплоемкость

Предположим, что несколько объектов, состоящих из разных материалов, нагреваются одинаково.Будут ли предметы нагреваться одинаково? Ответ: скорее всего, нет. Разные материалы будут нагреваться с разной скоростью, потому что каждый материал имеет свою удельную теплоемкость. Удельная теплоемкость относится к количеству тепла, необходимому для изменения температуры единицы массы (скажем, грамма или килограмма) на 1 ° C. В учебниках часто указывается удельная теплоемкость различных материалов. Стандартные метрические единицы — Джоуль / килограмм / Кельвин (Дж / кг / К). Чаще используются единицы измерения — Дж / г / ° C.Используйте виджет ниже, чтобы просмотреть удельную теплоемкость различных материалов. Просто введите название вещества (алюминий, железо, медь, вода, метанол, дерево и т. Д.) И нажмите кнопку «Отправить»; результаты будут отображены в отдельном окне.


Удельная теплоемкость твердого алюминия (0,904 Дж / г / ° C) отличается от удельной теплоемкости твердого железа (0,449 Дж / г / ° C). Это означает, что для повышения температуры данной массы алюминия на 1 ° C потребуется больше тепла, чем для повышения температуры той же массы железа на 1 ° C.Фактически, для повышения температуры образца алюминия на заданное количество потребуется примерно вдвое больше тепла по сравнению с тем же изменением температуры того же количества железа. Это связано с тем, что удельная теплоемкость алюминия почти вдвое больше, чем у железа.

Теплоемкость указана из расчета на грамм или на килограмм . Иногда значение указывается на основе на моль , и в этом случае оно называется молярной теплоемкостью. Тот факт, что они перечислены из расчета на единиц, является показателем того, что количество тепла, необходимое для повышения температуры вещества, зависит от того, сколько в нем вещества.Эту истину, несомненно, знает всякий, кто варил на плите кастрюлю с водой. Вода закипает при температуре 100 ° C на уровне моря и при слегка пониженной температуре на возвышенностях. Чтобы довести кастрюлю с водой до кипения, ее сначала нужно поднять до 100 ° C. Это изменение температуры достигается за счет поглощения тепла горелкой печи. Быстро замечаешь, что для того, чтобы довести до кипения полную кастрюлю с водой, требуется значительно больше времени, чем для того, чтобы довести до кипения наполовину полную. Это связано с тем, что полная кастрюля с водой должна поглощать больше тепла, чтобы вызвать такое же изменение температуры.Фактически, требуется вдвое больше тепла, чтобы вызвать такое же изменение температуры в двойной массе воды.

Удельная теплоемкость также указана из расчета на K или на ° C . Тот факт, что удельная теплоемкость указана из расчета на градус , указывает на то, что количество тепла, необходимое для повышения данной массы вещества до определенной температуры, зависит от изменения температуры, необходимого для достижения этой конечной температуры.Другими словами, важна не конечная температура, а общее изменение температуры. Для изменения температуры воды с 20 ° C до 100 ° C (изменение на 80 ° C) требуется больше тепла, чем для повышения температуры того же количества воды с 60 ° C до 100 ° C (изменение на 40 ° C). ° С). Фактически, для изменения температуры данной массы воды на 80 ° C требуется вдвое больше тепла по сравнению с изменением на 40 ° C. Человек, который хочет быстрее довести воду до кипения на плите, должен начать с теплой водопроводной воды вместо холодной.

Это обсуждение удельной теплоемкости заслуживает одного заключительного комментария. Термин «удельная теплоемкость» в некоторой степени неправильный , что означает . Этот термин означает, что вещества могут обладать способностью удерживать вещь , которая называется теплотой. Как уже говорилось ранее, тепло — это не то, что содержится в объекте. Тепло — это то, что передается к объекту или от него. Объекты содержат энергию в самых разных формах. Когда эта энергия передается другим объектам с разной температурой, мы называем переданную энергию тепловой энергией или тепловой энергией .Хотя это вряд ли приживется, более подходящим термином будет удельная энергоемкость.


Связь количества тепла с изменением температуры

Удельная теплоемкость позволяет математически связать количество тепловой энергии, полученной (или потерянной) образцом любого вещества, с массой образца и ее результирующим изменением температуры. Связь между этими четырьмя величинами часто выражается следующим уравнением.

Q = м • C • ΔT

где Q — количество тепла, переданного объекту или от него, m — масса объекта, C — удельная теплоемкость материала, из которого состоит объект, а ΔT — результирующее изменение температуры объекта. Как и во всех других ситуациях в науке, значение дельта (∆) для любой величины рассчитывается путем вычитания начального значения количества из окончательного значения количества. В этом случае ΔT равно T final — T initial .При использовании приведенного выше уравнения значение Q может быть положительным или отрицательным. Как всегда, положительный и отрицательный результат расчета имеет физическое значение. Положительное значение Q указывает на то, что объект получил тепловую энергию от окружающей среды; это соответствовало бы повышению температуры и положительному значению ΔT. Отрицательное значение Q указывает на то, что объект выделяет тепловую энергию в окружающую среду; это соответствовало бы снижению температуры и отрицательному значению ΔT.

Знание любых трех из этих четырех величин позволяет человеку вычислить четвертое количество. Общая задача на многих уроках физики включает решение проблем, связанных с отношениями между этими четырьмя величинами. В качестве примеров рассмотрим две проблемы ниже. Решение каждой проблемы разработано для вас. Дополнительную практику можно найти в разделе «Проверьте свое понимание» внизу страницы.

Пример задачи 1
Какое количество тепла требуется для повышения температуры 450 граммов воды с 15 ° C до 85 ° C? Удельная теплоемкость воды 4.18 Дж / г / ° C.

Как и любая проблема в физике, решение начинается с определения известных величин и соотнесения их с символами, используемыми в соответствующем уравнении. В этой задаче мы знаем следующее:

м = 450 г
C = 4,18 Дж / г / ° C
T начальная = 15 ° C
T окончательный = 85 ° C

Мы хотим определить значение Q — количество тепла.Для этого мы использовали бы уравнение Q = m • C • ΔT. Буквы m и C известны; ΔT можно определить по начальной и конечной температуре.

T = T окончательный — T начальный = 85 ° C — 15 ° C = 70 ° C

Зная три из четырех величин соответствующего уравнения, мы можем подставить и решить для Q.

Q = m • C • ΔT = (450 г) • (4,18 Дж / г / ° C) • (70 ° C)
Q = 131670 Дж
Q = 1.3×10 5 J = 130 кДж (округлено до двух значащих цифр)

Пример задачи 2
Образец 12,9 грамма неизвестного металла при температуре 26,5 ° C помещают в чашку из пенополистирола, содержащую 50,0 граммов воды при температуре 88,6 ° C. Вода охлаждается, и металл нагревается, пока не будет достигнуто тепловое равновесие при 87,1 ° C. Предполагая, что все тепло, теряемое водой, передается металлу, а чашка идеально изолирована, определите удельную теплоемкость неизвестного металла.Удельная теплоемкость воды составляет 4,18 Дж / г / ° C.


По сравнению с предыдущей проблемой это гораздо более сложная проблема. По сути, эта проблема похожа на две проблемы в одной. В основе стратегии решения проблем лежит признание того, что количество тепла, потерянного водой (Q вода ), равно количеству тепла, полученного металлом (Q металл ). Поскольку значения m, C и ΔT воды известны, можно вычислить Q water .Это значение Q для воды равно значению для металла Q . Как только значение металла Q известно, его можно использовать со значением m и ΔT металла для расчета металла Q . Использование этой стратегии приводит к следующему решению:

Часть 1: Определение потерь тепла водой

Дано:

м = 50,0 г
C = 4,18 Дж / г / ° C
Т начальная = 88,6 ° С
Т финал = 87.1 ° С
ΔT = -1,5 ° C (T конечный — T начальный )

Решение для Q воды :

Q вода = m • C • ΔT = (50,0 г) • (4,18 Дж / г / ° C) • (-1,5 ° C)
Q вода = -313,5 Дж (без заземления)
(Знак — означает, что вода теряет тепло)

Часть 2: Определите стоимость металла C

Дано:

Q металл = 313.5 Дж (используйте знак +, так как металл нагревается)
m = 12,9 г
Т начальная = 26,5 ° С
T окончательный = 87,1 ° C
ΔT = (T конечный — T начальный )

Решить для металла C :

Переставьте металл Q = m металл • C металл • ΔT металл , чтобы получить металл C = Q металл / (м металл • ΔT металл )

C металл = Q металл / (м металл • ΔT металл ) = (313.5 Дж) / [(12,9 г) • (60,6 ° C)]
C металл = 0,40103 Дж / г / ° C
C металл = 0,40 Дж / г / ° C (округлено до двух значащих цифр)


Тепло и изменения состояния

Приведенное выше обсуждение и соответствующее уравнение (Q = m • C • ∆T) связывает тепло, полученное или потерянное объектом, с результирующими изменениями температуры этого объекта. Как мы узнали, иногда тепло накапливается или теряется, но температура не меняется.Это тот случай, когда вещество претерпевает изменение состояния. Итак, теперь мы должны исследовать математику, связанную с изменениями состояния и количества тепла.

Чтобы начать обсуждение, давайте рассмотрим различные изменения состояния, которые можно наблюдать для образца вещества. В таблице ниже перечислены несколько изменений состояния и указаны имена, обычно связанные с каждым процессом.

Процесс

Изменение состояния

Плавка

От твердого до жидкого

Замораживание

От жидкости к твердому веществу

Испарение

От жидкости к газу

Конденсация

Газ — жидкость

Сублимация

Твердое тело в газ

Депонирование

Газ в твердое вещество


В случае плавления, кипения и сублимации к образцу вещества должна быть добавлена ​​энергия, чтобы вызвать изменение состояния.Такие изменения состояния называют эндотермическими. Замораживание, конденсация и осаждение экзотермичны; энергия высвобождается образцом материи, когда происходят эти изменения состояния. Таким образом, можно заметить, что образец льда (твердая вода) тает, когда его помещают на горелку или рядом с ней. Тепло передается от горелки к образцу льда; энергия приобретается льдом, вызывая изменение состояния. Но сколько энергии потребуется, чтобы вызвать такое изменение состояния? Есть ли математическая формула, которая могла бы помочь в определении ответа на этот вопрос? Безусловно, есть.

Количество энергии, необходимое для изменения состояния образца материи, зависит от трех вещей. Это зависит от того, что такое субстанция, от того, сколько субстанции претерпевает изменение состояния, и от того, какое изменение состояния происходит. Например, для плавления льда (твердая вода) требуется другое количество энергии, чем для плавления железа. И для таяния льда (твердая вода) требуется другое количество энергии, чем для испарения того же количества жидкой воды. И, наконец, для плавления 10 требуется другое количество энергии.0 граммов льда по сравнению с таянием 100,0 граммов льда. Вещество, процесс и количество вещества — это три переменные, которые влияют на количество энергии, необходимое для того, чтобы вызвать конкретное изменение состояния. Используйте виджет ниже, чтобы исследовать влияние вещества и процесса на изменение энергии. (Обратите внимание, что теплота плавления — это изменение энергии, связанное с изменением состояния твердое-жидкое.)


Значения удельной теплоты плавления и удельной теплоты испарения указаны из расчета на количество .Например, удельная теплота плавления воды составляет 333 Дж / грамм. Чтобы растопить 1,0 грамм льда, требуется 333 Дж энергии. Чтобы растопить 10 граммов льда, требуется в 10 раз больше энергии — 3330 Дж. Такое рассуждение приводит к следующим формулам, связывающим количество тепла с массой вещества и теплотой плавления и испарения.

Для плавления и замораживания: Q = m • ΔH плавление
Для испарения и конденсации: Q = m • ΔH испарение

, где Q представляет количество энергии, полученной или высвобожденной во время процесса, m представляет собой массу образца, ΔH fusion представляет собой удельную теплоту плавления (на грамм) и ΔH испарения представляет собой удельную теплоемкость плавления. испарение (из расчета на грамм).Подобно обсуждению Q = m • C • ΔT, значения Q могут быть как положительными, так и отрицательными. Значения Q положительны для процесса плавления и испарения; это согласуется с тем фактом, что образец вещества должен набирать энергию, чтобы плавиться или испаряться. Значения Q отрицательны для процесса замораживания и конденсации; это согласуется с тем фактом, что образец вещества должен терять энергию, чтобы замерзнуть или конденсироваться.

В качестве иллюстрации того, как можно использовать эти уравнения, рассмотрим следующие два примера задач.

Пример задачи 3
Элиза кладет в свой напиток 48,2 грамма льда. Какое количество энергии будет поглощено льдом (и высвобождено напитком) в процессе таяния? Теплота плавления воды 333 Дж / г.

Уравнение, связывающее массу (48,2 грамма), теплоту плавления (333 Дж / г) и количество энергии (Q): Q = m • ΔH fusion .Подстановка известных значений в уравнение приводит к ответу.

Q = м • ΔH плавление = (48,2 г) • (333 Дж / г)
Q = 16050,6 Дж
Q = 1,61 x 10 4 Дж = 16,1 кДж (округлено до трех значащих цифр)

Пример Задачи 3 включает в себя довольно простое вычисление типа «подключай и исправляй». Теперь мы попробуем Пример задачи 4, который потребует более глубокого анализа.

Пример задачи 4
Какое минимальное количество жидкой воды на 26.5 градусов, которые потребуются, чтобы полностью растопить 50,0 граммов льда? Удельная теплоемкость жидкой воды составляет 4,18 Дж / г / ° C, а удельная теплота плавления льда — 333 Дж / г.

В этой задаче лед тает, а жидкая вода остывает. Энергия передается от жидкости к твердому телу. Чтобы растопить твердый лед, на каждый грамм льда необходимо передать 333 Дж энергии. Эта передача энергии от жидкой воды ко льду охлаждает жидкость.Но жидкость может охладиться только до 0 ° C — точки замерзания воды. При этой температуре жидкость начнет затвердевать (замерзнуть), а лед полностью не растает.

Мы знаем следующее о льду и жидкой воде:

Информация о льду:

м = 50,0 г
ΔH плавление = 333 Дж / г

Информация о жидкой воде:

С = 4.18 Дж / г / ° C
Т начальная = 26,5 ° С
T окончательный = 0,0 ° C
ΔT = -26,5 ° C (T конечный — T начальный )

Энергия, полученная льдом, равна энергии, потерянной из воды.

Q лед = -Q жидкая вода

Знак — указывает, что один объект получает энергию, а другой объект теряет энергию. Мы можем вычислить левую часть приведенного выше уравнения следующим образом:

Q лед = m • ΔH плавление = (50.0 г) • (333 Дж / г)
Q лед = 16650 Дж

Теперь мы можем установить правую часть уравнения равной m • C • ΔT и начать подставлять известные значения C и ΔT, чтобы найти массу жидкой воды. Решение:

16650 Дж = -Q жидкая вода
16650 Дж = -м жидкая вода • C жидкая вода • ΔT жидкая вода
16650 Дж = -м жидкая вода • (4.18 Дж / г / ° C) • (-26,5 ° C)
16650 Дж = -м жидкая вода • (-110,77 Дж / ° C)
м жидкая вода = — (16650 Дж) / (- 110,77 Дж / ° C)
м жидкая вода = 150,311 г
м жидкая вода = 1,50×10 2 г (округлено до трех значащих цифр)


Новый взгляд на кривые нагрева и охлаждения

На предыдущей странице Урока 2 обсуждалась кривая нагрева воды.Кривая нагрева показывала, как температура воды увеличивалась с течением времени по мере нагрева образца воды в твердом состоянии (т. Е. Льда). Мы узнали, что добавление тепла к образцу воды может вызвать либо изменение температуры, либо изменение состояния. При температуре плавления воды добавление тепла вызывает преобразование воды из твердого состояния в жидкое состояние. А при температуре кипения воды добавление тепла вызывает преобразование воды из жидкого состояния в газообразное.Эти изменения состояния произошли без каких-либо изменений температуры. Однако добавление тепла к образцу воды, не имеющей температуры фазового перехода, приведет к изменению температуры.

Теперь мы можем подойти к теме кривых нагрева на более количественной основе. На диаграмме ниже представлена ​​кривая нагрева воды. На нанесенных линиях есть пять помеченных участков.


Три диагональных участка представляют собой изменения температуры образца воды в твердом состоянии (участок 1), жидком состоянии (участок 3) и газообразном состоянии (участок 5).Две горизонтальные секции представляют изменения в состоянии воды. На участке 2 проба воды тает; твердое вещество превращается в жидкость. В секции 4 образец воды подвергается кипению; жидкость превращается в газ. Количество тепла, передаваемого воде в секциях 1, 3 и 5, связано с массой образца и изменением температуры по формуле Q = m • C • ΔT. А количество тепла, переданного воде в секциях 2 и 4, связано с массой образца и теплотой плавления и испарения формулами Q = m • ΔH fusion (секция 2) и Q = m • ΔH испарение (раздел 4).Итак, теперь мы попытаемся вычислить количество тепла, необходимое для перевода 50,0 граммов воды из твердого состояния при -20,0 ° C в газообразное состояние при 120,0 ° C. Для расчета потребуется пять шагов — по одному шагу для каждого раздела приведенного выше графика. Хотя удельная теплоемкость вещества зависит от температуры, в наших расчетах мы будем использовать следующие значения удельной теплоемкости:

Твердая вода: C = 2,00 Дж / г / ° C
Жидкая вода: C = 4,18 Дж / г / ° C
Газообразная вода: C = 2.01 Дж / г / ° C

Наконец, мы будем использовать ранее сообщенные значения ΔH слияния (333 Дж / г) и ΔH испарения (2,23 кДж / г).

Раздел 1 : Изменение температуры твердой воды (льда) с -20,0 ° C до 0,0 ° C.

Используйте Q 1 = m • C • ΔT

, где m = 50,0 г, C = 2,00 Дж / г / ° C, T начальный = -200 ° C и T конечный = 0,0 ° C

Q 1 = m • C • ΔT = (50.0 г) • (2,00 Дж / г / ° C) • (0,0 ° C — -20,0 ° C)
Q 1 = 2,00 x10 3 Дж = 2,00 кДж

Раздел 2 : Таяние льда при 0,0 ° C.

Используйте Q 2 = m • ΔH сварка

, где m = 50,0 г и ΔH плавление = 333 Дж / г

Q 2 = м • ΔH плавление = (50,0 г) • (333 Дж / г)
Q 2 = 1,665 x10 4 Дж = 16.65 кДж
Q 2 = 16,7 кДж (округлено до 3 значащих цифр)

Раздел 3 : Изменение температуры жидкой воды с 0,0 ° C на 100,0 ° C.

Используйте Q 3 = m • C • ΔT

, где m = 50,0 г, C = 4,18 Дж / г / ° C, T начальный = 0,0 ° C и T конечный = 100,0 ° C

Q 3 = m • C • ΔT = (50,0 г) • (4,18 Дж / г / ° C) • (100,0 ° C — 0,0 ° C)
Q 3 = 2.09 x10 4 J = 20,9 кДж

Раздел 4 : Кипячение воды при 100,0 ° C.

Используйте Q 4 = m • ΔH испарение

, где m = 50,0 г и ΔH испарение = 2,23 кДж / г

Q 4 = m • ΔH испарение = (50,0 г) • (2,23 кДж / г)
Q 4 = 111,5 кДж
Q 4 = 112 кДж (округлено до 3 значащих цифр)

Раздел 5 : Изменение температуры жидкой воды со 100.От 0 ° C до 120,0 ° C.

Используйте Q 5 = m • C • ΔT

, где m = 50,0 г, C = 2,01 Дж / г / ° C, T начальный = 100,0 ° C и T конечный = 120,0 ° C

Q 5 = m • C • ΔT = (50,0 г) • (2,01 Дж / г / ° C) • (120,0 ° C — 100,0 ° C)
Q 5 = 2,01 x10 3 J = 2,01 кДж

Общее количество тепла, необходимое для превращения твердой воды (льда) при -20 ° C в газообразную воду при 120 ° C, является суммой значений Q для каждого участка графика.То есть

Q итого = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5

Суммирование этих пяти значений Q и округление до нужного количества значащих цифр приводит к значению 154 кДж в качестве ответа на исходный вопрос.


В приведенном выше примере есть несколько особенностей решения, над которыми стоит задуматься:

  • Первое: длинная задача была разделена на части, каждая из которых представляет собой одну из пяти частей графика.Поскольку было вычислено пять значений Q, они были обозначены как Q 1 , Q 2 и т. Д. Этот уровень организации требуется в многоступенчатой ​​задаче, такой как эта.
  • Секунда: внимание было уделено знаку +/- на ΔT. Изменение температуры (или любой величины) всегда рассчитывается как конечное значение величины за вычетом начального значения этой величины.
  • Третий: На протяжении всей проблемы внимание уделялось подразделениям.Единицы Q будут либо в Джоулях, либо в килоджоулях, в зависимости от того, какие количества умножаются. Отсутствие внимания к устройствам — частая причина сбоев в подобных проблемах.
  • Четвертый: На протяжении всей задачи внимание уделялось значащим цифрам. Хотя это никогда не должно становиться основным акцентом какой-либо проблемы в физике, это, безусловно, деталь, на которую стоит обратить внимание.

Здесь, на этой странице, мы узнали, как рассчитать количество тепла, задействованного в любом процессе нагрева / охлаждения и в любом процессе изменения состояния.Это понимание будет иметь решающее значение, когда мы перейдем к следующей странице Урока 2, посвященной калориметрии. Калориметрия — это наука, связанная с определением изменений энергии системы путем измерения теплообмена с окружающей средой.

Проверьте свое понимание

1. Вода имеет необычно высокую удельную теплоемкость. Какое из следующих утверждений логически следует из этого факта?

а.По сравнению с другими веществами горячая вода вызывает сильные ожоги, потому что она хорошо проводит тепло.
б. По сравнению с другими веществами вода при нагревании быстро нагревается до высоких температур.
c. По сравнению с другими веществами, образец воды требует значительного количества тепла, чтобы изменить ее температуру на небольшое количество.

2. Объясните, почему в больших водоемах, таких как озеро Мичиган, в начале июля может быть довольно прохладно, несмотря на то, что температура наружного воздуха около или выше 90 ° F (32 ° C).

3. В таблице ниже описан термический процесс для различных объектов (выделен красным жирным шрифтом). Для каждого описания укажите, набирается или теряется тепло объектом, является ли процесс эндотермическим или экзотермическим, и является ли Q для указанного объекта положительным или отрицательным значением.

Процесс

Получено или потеряно тепло?

Эндо- или экзотермический?

Вопрос: + или -?

а.

Кубик льда помещают в стакан с лимонадом комнатной температуры, чтобы охладить напиток.

г.

Холодный стакан лимонада стоит на столе для пикника под жарким полуденным солнцем и нагревается до 32 ° F.

г.

Конфорки на электроплите выключаются и постепенно остывают до комнатной температуры.

г.

Учитель вынимает из термоса большой кусок сухого льда и опускает его в воду. Сухой лед возгоняется, образуя газообразный диоксид углерода.

e.

Водяной пар в увлажненном воздухе ударяется о окно и превращается в каплю росы (каплю жидкой воды).

4. Образец металлического цинка массой 11,98 грамма помещают в баню с горячей водой и нагревают до 78,4 ° C. Затем его удаляют и помещают в чашку из пенополистирола, содержащую 50,0 мл воды комнатной температуры (T = 27,0 ° C; плотность = 1,00 г / мл). Вода прогревается до температуры 28.1 ° С. Определите удельную теплоемкость цинка.

5. Джейк достает из туалета банку с газировкой и выливает ее в чашку со льдом. Определите количество тепла, теряемого содой комнатной температуры при плавлении 61,9 г льда (ΔH fusion = 333 Дж / г).

6. Теплота сублимации (ΔH сублимация ) сухого льда (твердый диоксид углерода) составляет 570 Дж / г. Определите количество тепла, необходимое для превращения 5,0-фунтового мешка сухого льда в газообразный диоксид углерода.(Дано: 1,00 кг = 2,20 фунта)

7. Определите количество тепла, необходимое для повышения температуры 3,82-граммового образца твердого пара-дихлорбензола с 24 ° C до жидкого состояния при 75 ° C. Пара-дихлорбензол имеет температуру плавления 54 ° C, теплоту плавления 124 Дж / г и удельную теплоемкость 1,01 Дж / г / ° C (твердое состояние) и 1,19 Дж / г / ° C (жидкое состояние).

Технический справочник — EnergyPlus 8.3

Водяные термобаки — это устройства для хранения тепловой энергии в воде. Самые распространенные виды — водонагреватели. устройства для хранения и нагрева воды. Типичные области применения водонагревателей — это нагрев воды для бытовых нужд, низкотемпературное лучистое отопление помещений и накопление энергии для солнечных систем горячего водоснабжения или рекуперация отработанного тепла. В EnergyPlus объекты водонагревателя могут быть связаны с имитацией контура установки или использоваться автономно. Существуют также резервуары для хранения охлажденной воды, которые можно использовать для хранения холодной воды.

Термобак со смешанной водой [ССЫЛКА]

Входной объект WaterHeater: Mixed предоставляет модель, которая имитирует хорошо перемешанный резервуар для воды, т. Е. Не стратифицированный, и подходит для моделирования многих типов водонагревателей и резервуаров для хранения воды, включая газовые и электрические водонагреватели для жилых помещений, множество крупных водонагреватели коммерческие, а также проточные, проточные водонагреватели. Эта модель используется как для смешанного водонагревателя, так и для смешанных резервуаров для хранения охлажденной воды.

Energy Balance [ССЫЛКА]

Предположение о хорошем перемешивании подразумевает, что вся вода в резервуаре имеет одинаковую температуру. Для расчета температуры воды модель аналитически решает дифференциальное уравнение, определяющее энергетический баланс резервуара для воды:

ρVcpdTdt = qnet

где

ρ = плотность воды

V = объем резервуара

c p = удельная теплоемкость воды

T = температура воды в баке

t = время

q net = чистая скорость передачи тепла в резервуар для воды

Плотность и объем можно заменить на общую массу м. воды в баке получится:

mcpdTdt = qnet

Чистый коэффициент теплопередачи q net — это сумма прибылей и убытков из-за нескольких путей теплопередачи.

qnet = qheater + qoncycpara + qoffcycpara + qoncycloss + qoffcycloss + quse + qsource

где

q нагреватель = тепло, добавляемое нагревательным элементом или горелкой

q oncycpara = добавленное тепло из-за паразитных нагрузок во время цикла (ноль, когда выключено)

q offcycpara = добавленное тепло из-за паразитных нагрузок вне цикла (ноль при включении)

q oncycloss = передача тепла в / из окружающей среды (ноль в выключенном состоянии)

q offcycloss = передача тепла в / из окружающей среды (ноль при включении)

q использование = теплопередача к / от подключений к установкам со стороны использования

q источник = теплопередача к / от соединений установки на стороне источника

q oncycloss и q offcycloss определены как:

qoncycloss = UAoncyc (Tamb − T)

qoffcycloss = UAoffcyc (Tamb-T)

где

UA oncyc = коэффициент потерь во время цикла в окружающую среду (ноль в выключенном состоянии)

UA offcyc = коэффициент потерь вне цикла в окружающую среду (ноль при включении)

T amb = температура окружающей среды

q использовать и q источник определяется как:

quse = εuse˙musecp (Tuse-T)

qsource = εsource˙msourcecp (Tsource-T)

где

εuse = эффективность теплообменника для подключений к установке на стороне использования

˙muse = массовый расход для подключений к установке со стороны использования

T use = температура жидкости на входе используемых соединений установки

εsource = эффективность теплообменника для подключений к установке на стороне источника

˙msource = массовый расход для соединений установки на стороне источника

T источник = температура жидкости на входе в соединениях установки на стороне использования

Включая все эти уравнения в исходное дифференциальное уравнение,

mcpdTdt = qheater + qoncyc + qoffcyc + UAoncyc (Tamb − T) + UAoffcyc (Tamb − T) + εuse˙musecp (Tuse − T) + εsource˙msourcecp (Tsource − T)

Сопутствующие термины, не зависящие от температуры T и термины, зависящие от температуры T дает:

dTdt = [1mcp (qheater + qoncyc + qoffcyc + UAoncycTamb + UAoffcycTamb + εuse˙musecpTuse + εsource˙msourcecpTsource)] + [- 1mcp (UAoncyc + UAoffcyc + εuse˙musecp + εpourcems)

Дифференциальное уравнение теперь имеет вид

dTdt = а + bT

где

a = 1mcp (qheater + qoncyc + qoffcyc + UAoncycTamb + UAoffcycTamb + εuse˙musecpTuse + εsource˙msourcecpTsource)

b = −1mcp (UAoncyc + UAoffcyc + εuse˙musecp + εsource˙msourcecp)

Решение дифференциального уравнения может быть записано в терминах a и b как:

Т (t) = (ab + Ti) ebt − ab

где

T (t) = температура воды в резервуаре во время t

T i = начальная температура воды в резервуаре в момент времени t = 0

Однако, если b = 0, решение вместо этого:

T (t) = at + Ti

Так как алгоритм управления иногда должен рассчитывать время, необходимое для достижения заданной температуры, приведенные выше уравнения также можно изменить для решения для t .

т = 1млрд (ab + Tfab + Ti)

или, если b = 0,

т = Tf − Tia

где

T f = конечная температура воды в резервуаре в момент времени t.

В особом случае, когда b = 0 и a = 0 и T f <> T i , время t равно бесконечности.

Алгоритм управления водонагревателем [ССЫЛКА]

Для водонагревателей опции управления позволяют водонагревателю циклически или модулироваться в соответствии с нагрузкой.Во время цикла нагревательный элемент или горелка либо включены, либо выключены. Нагреватель остается полностью включенным, пока бак нагревается до заданной температуры. При достижении заданного значения нагреватель выключается. Нагреватель остается выключенным до тех пор, пока температура бака не упадет ниже температуры включения, то есть заданной температуры за вычетом разницы температур зоны нечувствительности. Нагреватель непрерывно включается и выключается, чтобы поддерживать температуру бака в пределах зоны нечувствительности. Большинство водонагревателей с накопительным баком работают в цикле.

При плавном регулировании мощность нагревателя изменяется от максимальной до минимальной мощности нагревателя.Нагреватель остается включенным до тех пор, пока требуемая общая потребляемая мощность превышает минимальную мощность. Ниже минимальной мощности нагреватель начнет циклически включаться и выключаться в зависимости от разницы температур в зоне нечувствительности. Большинство безбакерных / проточных водонагревателей модулируются.

В пределах временного шага дифференциальное уравнение решается отдельно для случая, когда нагревательный элемент или горелка «включен» (рабочий цикл) и когда он «выключен» (не работает). Такой подход позволяет разделить потери окружающей среды и паразитные нагрузки на эффекты цикла и вне цикла и подробно учесть их.

Пример того, как алгоритм управления циклически включается и выключается, показан ниже. Потери окружающей среды охлаждают температуру бака до тех пор, пока не будет достигнута нижняя граница зоны нечувствительности (50 C), после чего нагреватель включится и снова нагреет бак до заданного значения (60 C). При заборе воды горячая вода заменяется холодной водой из водопровода. Поступающая холодная вода быстро охлаждает резервуар. В этом примере нагреватель не может справиться с забором воды, и температура в баке продолжает падать, пока забор воды не закончится.

Хотя мгновенная температура воды в резервуаре может значительно изменяться в пределах временного шага (из-за цикличности и т. Д.), Сообщается только средняя температура за временной интервал. Модель вычисляет среднее значение путем кусочного интегрирования площади под кривой мгновенной температуры для каждого уникального набора условий. Мгновенная температура сохраняется внутри программы и распространяется от конца одного временного шага до начала следующего.

Алгоритм управления циклом водонагревателя

Алгоритм управления резервуаром с охлажденной водой [ССЫЛКА]

Входные объекты ThermalStorage: ChilledWater: Mixed и ThermalStorage: ChilledWater: Stratified предоставляют модели резервуаров с охлажденной водой, которые не содержат активных охлаждающих элементов, есть только косвенное охлаждение с помощью удаленных устройств, таких как чиллер.Регуляторы уставки резервуара используются, чтобы определить, должен ли поток запрашиваться через исходную сторону резервуара. Схема управления уставкой и зоной нечувствительности аналогична водонагревателю, но логика меняется на охлаждение вместо нагрева. Уставка температуры — это температура «отключения», а уставка плюс зона нечувствительности — это температура «включения». Если температура резервуара (или узел измерения резервуара для многослойных резервуаров) выше температуры включения, то запрашивается поток. Если температура ниже температуры отключения, поток не требуется.Резервуары охлажденной воды также имеют отдельные графики доступности для стороны использования и стороны источника для дополнительных опций управления.

Стандартные рейтинги

[ССЫЛКА]

Для водонагревателей стандартные показатели эффективности рекуперации и коэффициента энергии рассчитываются в соответствии с процедурой испытания 10CFR430. Для имитации процедуры испытания выполняется внутреннее моделирование 24-часового водонагревателя с использованием заданных условий испытания:

  • Заданная температура = 57.2 C (135 F)

  • Температура окружающей среды = 19,7 C (67,5 F)

  • Относительная влажность окружающей среды = 50% (используется для водонагревателей с тепловым насосом)

  • Температура на входе (водопровод) = 14,4 C (58 F)

Для водонагревателей с тепловым насосом паразитные нагрузки нагревательного элемента резервуара водонагревателя и резервуара водонагревателя отключены, а определяемая пользователем мощность нагрева воды, использование энергии и паразитные нагрузки для теплового насоса используются для расчета эффективности рекуперации и коэффициента энергии .

Смоделированная процедура испытания выполняет шесть равных розыгрышей приблизительно 0,041 м 3 (10,7 галлона) в каждый из первых шести часов моделирования. Каждый розыгрыш происходит в течение первого временного интервала часа.

Эффективность рекуперации рассчитывается, когда водонагреватель восстанавливается до заданного значения после первого цикла.

RE = m1cp (57,2−14,4) E1

где

м 1 = масса воды первого розлива

c p = удельная теплоемкость воды

E 1 = энергия топлива, потребляемая до восстановления заданного значения (включая паразитные параметры)

Примечание. При расчете нормативов для водонагревателя теплового насоса потребляемая энергия топлива относится к общей энергии, потребляемой компрессором теплового насоса, вентилятором испарителя, насосом конденсатора и паразитными нагрузками.Предполагается, что паразитные нагрузки водонагревателя с тепловым насосом не способствуют нагреву воды (см. Водонагреватель с тепловым насосом).

Коэффициент энергии рассчитывается в конце 24-часового периода моделирования.

EF = mtotalcp (57,2−14,4) Etotal

где

м всего = общая водная масса всех шести розеток

c p = удельная теплоемкость воды

E всего = общая энергия топлива, потребленная за 24 часа (включая паразитные)

При определенных входных параметрах метод оценки не будет успешным, и будет сгенерировано предупреждающее сообщение.Проблемы возникают, когда входные данные не позволяют резервуару восстановиться до заданной температуры в течение периода тестирования. Это может произойти, если максимальная мощность нагревателя занижена или если разница температур в зоне нечувствительности достаточно велика, чтобы первое прохождение теста не привело к включению нагревателя. В любом случае тест эффективности восстановления не будет рассчитан должным образом, потому что восстановление до заданного значения не было достигнуто.

Источники [ССЫЛКА]

10CFR430. Раздел 10, Свод федеральных правил, Часть 430 — Программа энергосбережения для потребительских товаров, Приложение E к подразделу B — Единая процедура испытаний для измерения потребления энергии водонагревателями .

Водонагреватель с тепловым насосом [ССЫЛКА]

Обзор [ССЫЛКА]

Входной объект WaterHeater: HeatPump предоставляет модель для водонагревателя с тепловым насосом (HPWH), который представляет собой составной объект, состоящий из бака водонагревателя (например, WaterHeater: Mixed или WaterHeater: Stratified), змеевика прямого расширения (DX). ”(I.е., система сжатия DX воздух-вода, которая включает водяной нагревательный змеевик, воздушный змеевик, компрессор и водяной насос) и вентилятор для обеспечения потока воздуха через воздушный змеевик, связанный с системой сжатия DX. Эти объекты работают вместе, чтобы моделировать систему, которая нагревает воду с использованием зонального воздуха, наружного воздуха или комбинации зонального и наружного воздуха в качестве основного источника тепла.

Можно смоделировать многочисленные конфигурации расположения бака, источника входящего воздуха и расположения компрессора змеевика DX.Компрессор змеевика DX может быть расположен в зоне, на открытом воздухе, или температура окружающей среды вокруг компрессора может быть запланирована. Расположение компрессора контролирует работу его подогревателя картера. Расположение бака водонагревателя указывается в объекте бака водонагревателя и не зависит от расположения компрессора. Кроме того, конфигурация приточного воздуха может быть определена одним из нескольких способов. Узел воздушного змеевика и вентилятора водонагревателя теплового насоса может втягивать входящий воздух из зоны и наружный воздух с помощью дополнительного смесителя и разветвителя, как показано на первом рисунке ниже.При использовании воздушные потоки в смесителе и разделителе регулируются по единому расписанию входного воздушного смесителя. Когда HPWH забирает входящий воздух исключительно из зоны, смеситель / разделитель не требуется, как показано на втором рисунке ниже. В этом случае воздух, поступающий в испаритель и вентиляторный блок, полностью состоит из воздуха зоны, а воздух на выходе теплового насоса направляется обратно в зону. На последнем рисунке показан HPWH, который забирает воздух на входе исключительно снаружи и также выбрасывает воздух на выходе.Каждая из этих конфигураций также может быть подключена к контуру горячего водоснабжения установки (через узлы использования бака водонагревателя).

Схема водонагревателя с тепловым насосом с дополнительными узлами смесителя / разветвителя

Схема водонагревателя с тепловым насосом с впуском воздуха из зоны

Схема водонагревателя с тепловым насосом с воздухозаборником снаружи

Примечание. Расположение бака водонагревателя, показанное на рисунках выше, полностью не зависит от конфигурации воздуха на входе водонагревателя теплового насоса и расположения его компрессора.Бак водонагревателя может быть расположен вне помещения, в зоне, или температура окружающей среды вокруг бака может быть спланирована, как описано в разделе, посвященном смешанному водонагревателю, ниже.

Описание модели

[ССЫЛКА]

Для входа водонагревателя теплового насоса требуется график уставки температуры компрессора и разница температур зоны нечувствительности, которые не зависят от графика уставки температуры и разницы температур зоны нечувствительности для нагревателя (элемента или горелки), связанного с баком водонагревателя.Температура включения компрессора теплового насоса определяется как заданная температура компрессора теплового насоса за вычетом разницы температур в зоне нечувствительности.

THP, включение = THP, уставка-THP, зона нечувствительности

где:

THP, включение = температура включения компрессора теплового насоса (° C)

THP, уставка = уставка температуры компрессора теплового насоса (° C)

THP, зона нечувствительности = разность температур зоны нечувствительности компрессора теплового насоса (° C)

В этой модели система сжатия DX водонагревателя теплового насоса считается основным источником тепла, а нагреватель водонагревателя (элемент или горелка) обеспечивает дополнительное тепло по мере необходимости.Следовательно, температура включения компрессора теплового насоса (уставка минус разница температур в зоне нечувствительности) обычно выше, чем уставка температуры для нагревателя (элемента или горелки) в соответствующем объекте резервуара водонагревателя. Иногда, когда заданная температура бака водонагревателя превышает температуру включения компрессора теплового насоса, компрессор теплового насоса отключается, и нагреватель бака используется для нагрева воды.

Моделирование начинается с расчета условий воздуха, поступающего в воздушный змеевик (испаритель) / вентиляторный блок, на основе конфигурации входящего воздуха водонагревателя теплового насоса и наличия дополнительных узлов смесителя / разделителя.Когда HPWH всасывает входящий воздух из зоны и снаружи с помощью дополнительных узлов смесителя / разделителя (т.е.Конфигурация входящего воздуха = зона и наружный воздух), условия входящего воздуха рассчитываются следующим образом:

Frac = GetScheduleValue (MixerInletAirSchedule)

Tinlet = Toutdoor (Frac) + Tzone (1-Frac)

ωвход = ω наружный (Frac) + ωzone (1 − Frac)

где:

Frac = текущее значение графика впускного воздухосмесителя (доля наружного воздуха, 0-1)

Tinlet = температура воздуха по сухому термометру на входе в блок испарителя / вентилятора HPWH (° C)

Toutdoor = температура наружного воздуха по сухому термометру (° C)

Tzone = температура зоны (выхлопа) воздуха по сухому термометру (° C)

ωвход = соотношение влажности воздуха на входе в испаритель / вентилятор HPWH (кг / кг)

ωoutdoor = коэффициент влажности наружного воздуха (кг / кг)

ωzone = коэффициент влажности воздуха в зоне (вытяжной) (кг / кг)

Когда водонагреватель теплового насоса всасывает входящий воздух исключительно из зоны (т.е.e., конфигурация впускного воздуха = только зона для воздуха), условия воздуха на впуске в блок испарителя / вентилятора просто устанавливаются равными условиям зонального (вытяжного) воздуха. Если водонагреватель с тепловым насосом всасывает входящий воздух исключительно снаружи (т. Е. Конфигурация входящего воздуха = только наружный воздух), условия входящего воздуха в испаритель / вентиляторный блок просто устанавливаются равными условиям наружного воздуха. Когда входящий воздух в испаритель водяного нагревателя теплового насоса и вентиляторный блок запланированы (т. Е. Конфигурация входящего воздуха = Расписание), условия входящего воздуха определяются непосредственно из предоставленных пользователем расписаний следующим образом.

Tinlet = GetScheduleValue (График температуры воздуха на входе)

RHinlet = GetScheduleValue (InletAirHumiditySchedule)

ωinlet = PsyWFnTdbRhPb (Tinlet, RHinlet, OutBaroPress)

где:

RHinlet = относительная влажность воздуха на входе в узел испарителя / вентилятора нагревателя воды теплового насоса (0-1)

PsyWFnTdbRhPb = психрометрическая функция, возвращающая коэффициент влажности воздуха при заданной температуре по сухому термометру, относительной влажности и барометрическому давлению

OutBaroPress = атмосферное давление вне помещения (Па)

Для каждого временного шага моделирования мощность нагрева воды тепловым насосом, использование энергии и массовый расход на стороне воздуха / воды устанавливаются на ноль, а бак водонагревателя моделируется с отключенным компрессором теплового насоса при любом из следующих применяются условия:

HPWH запланировано на график его доступности,

заданная температура бака водонагревателя больше или равна температуре включения компрессора теплового насоса,

температура воздуха по сухому термометру на входе в испаритель / вентилятор меньше минимальной температуры воздуха на входе для работы компрессора теплового насоса (как указано пользователем в объекте ввода HPWH), или

, заданная температура HPWH больше или равна максимальному пределу температуры (указанному в Водонагревателе: смешанный объект).

В противном случае моделирование водонагревателя теплового насоса основано на его текущем режиме работы. Этот режим работы либо плавающий (компрессор теплового насоса выключен и температура воды в баке не упала ниже температуры включения компрессора теплового насоса), либо нагрев (температура воды в баке упала ниже температуры включения компрессора на предыдущем временном шаге, но не удалось достичь заданной температуры компрессора). Каждый режим обрабатывается по-своему, и они будут обсуждаться отдельно.

Если водонагреватель с тепловым насосом использует модель многослойного резервуара, тогда существует более одного значения для температуры резервуара. Модель включает входные данные для того, где органы управления тепловым насосом определяют температуру, в виде шести вариантов для выбора ключевых слов: Heater1, Heater2, SourceInlet, SourceOutlet, UseInlet и UseOutlet. Входные данные в связанном WaterHeater: Stratified включают высоты этих местоположений, и ближайший узел стратифицированного резервуара идентифицируется на основе этих высот.Когда модели теплового насоса необходимо оценить температуру в многослойном резервуаре, она оценивает температуру в узле резервуара, связанном с этими местоположениями.

Float Mode [ССЫЛКА]

Когда температура бака водонагревателя теплового насоса колеблется между температурами включения и выключения компрессора теплового насоса в конце предыдущего временного шага моделирования, и компрессор теплового насоса, и нагревательный элемент бака водонагревателя отключаются, и рассчитывается результирующая температура резервуара.Если результирующая температура в баке ниже температуры включения компрессора теплового насоса, коэффициент частичной нагрузки компрессора теплового насоса оценивается с использованием коэффициента разницы температур, показанного ниже. Коэффициент частичной нагрузки не может быть меньше нуля или больше единицы.

PLR = MIN (1,0; MAX (0,0; (THP, танк-в-Ttank, floatTtank, начальный-Ttank, float)))

где:

PLR = коэффициент частичной нагрузки компрессора водонагревателя теплового насоса

Ttank, float = температура бака в поплавковом режиме, когда мощность нагрева установлена ​​на ноль (° C)

Ttank, начальная = температура резервуара в начале временного шага моделирования (° C)

Поскольку предполагается, что насос и вентилятор включаются и выключаются вместе с компрессором теплового насоса, средний массовый расход воды в конденсаторе и испарителя для временного шага моделирования рассчитывается на основе PLR, рассчитанного выше:

воды, ср. = Воды (ρ воды) (PLR)

mair, avg = ˙Vair (ρair) (PLR)

где:

м воды, ср. = Средний массовый расход воды через конденсатор для временного шага (кг / с)

˙Vwater = объемный расход воды через конденсатор, вводимый пользователем (м 3 / с)

ρwater = плотность воды на входе в конденсатор (кг / м 3 )

˙mair, avg = средний массовый расход воздуха испарителя / вентилятора для временного шага (кг / с)

˙Vair = объемный расход воздуха испарителя / вентилятора, вводимый пользователем (м 3 / с)

ρair = плотность воздуха на входе в испаритель / вентилятор (кг / м 3 )

Температура водяного бака затем рассчитывается на основе работы теплового насоса при коэффициенте частичной нагрузки, оцененном выше, и при включенном нагревательном элементе водяного бака.Если результирующая температура бака для воды выше заданной температуры (температуры отключения) компрессора теплового насоса, то коэффициент частичной нагрузки уменьшается, и бак водонагревателя моделируется снова. Процесс выполняется итеративно, пока коэффициент частичной нагрузки компрессора теплового насоса не достигнет желаемой заданной температуры (насколько это возможно).

Режим нагрева [ССЫЛКА]

Когда HPWH находится в режиме нагрева в конце предыдущего временного шага моделирования (т.е.е. компрессор теплового насоса работал во время предыдущего временного шага моделирования, но не смог достичь заданной температуры), включаются как компрессор теплового насоса, так и нагревательный элемент бака водонагревателя. Коэффициент частичной нагрузки компрессора теплового насоса установлен на 1, а массовые расходы воды в конденсаторе и испарителя установлены на их максимальные значения.

воды, ср. = Воды (ρ воды)

mair, avg = ˙Vair (ρair)

Если результирующая температура в резервуаре выше заданной температуры (отключения) компрессора теплового насоса, коэффициент частичной нагрузки компрессора теплового насоса уменьшается, и резервуар водонагревателя моделируется снова.Процесс выполняется итеративно, пока коэффициент частичной нагрузки компрессора теплового насоса не достигнет желаемой заданной температуры (насколько это возможно).

Условия выпуска воздуха на стороне HPWH рассчитываются путем моделирования вентилятора и змеевика DX с продувкой или протяжкой вентилятора (выбирается пользователем). Если используются узлы смесителя / разветвителя, модель HPWH разделяет массовый расход воздуха на выходе теплового насоса с потоком отработанного воздуха, равным потоку наружного воздуха, а остаток отработанного воздуха направляется в узел приточного воздуха зоны (т.е., гарантирует, что водонагреватель теплового насоса не способствует повышению давления в зоне или ее разгерметизации). Расчеты теплопроизводительности теплового насоса по нагреванию воды, использования энергии, производительности на стороне воздуха и разницы температур на стороне воды выполняются в соответствующем объекте DX Coil. Дополнительные сведения см. В разделе технической справки по объекту Coil: WaterHeating: AirToWaterHeatPump.

Выходы модели

[ССЫЛКА]

После завершения расчетов поплавкового режима или режима нагрева и определения окончательного коэффициента частичной нагрузки выходные (отчетные) переменные рассчитываются следующим образом:

HeatPumpWaterHeaterCompressorPart-LoadRatio = PLR

HeatPumpWaterHeaterOn-CycleParasiticElectricPower (W) = Pparasitic, on (PLR)

HeatPumpWaterHeaterOn − CycleParasiticElectricConsicing (J) = Pparasitic, on (PLR) (3600) tsys ) (цыс)

где:

Паразитный, включен = паразитная электрическая нагрузка в рабочем режиме, ввод пользователя (Вт)

Паразитный, выкл. = Паразитная электрическая нагрузка вне цикла, ввод пользователя (Вт)

tsys = временной шаг моделирования системы HVAC (часы)

Примечание: Все выходные переменные на выходе водонагревателя теплового насоса, включая вспомогательную электроэнергию и потребление вне цикла, равны 0, когда график готовности водонагревателя теплового насоса равен 0 (т.е., водонагреватель теплового насоса по расписанию ВЫКЛЮЧЕН).

Термобак для стратифицированной воды [ССЫЛКА]

Входные объекты WaterHeater: Stratified и ThermalStorage: ChilledWater: Stratified предоставляют модели для термобака с стратифицированной водой, который делит резервуар для воды на несколько узлов равного объема. Эта модель используется как для стратифицированного водонагревателя, так и для накопительного бака стратифицированной охлажденной воды. Узлы связаны эффектами вертикальной проводимости, потоком жидкости между узлами и перемешиванием с инверсией температуры.Объект одновременно решает дифференциальные уравнения, управляющие балансами энергии в узлах, с использованием численного метода Форварда-Эйлера. Шаг системного времени разделен на подшаги продолжительностью в одну секунду, что позволяет моделировать события, которые происходят в очень коротком временном масштабе.

Energy Balance [ССЫЛКА]

Подобно хорошо перемешанной модели, стратифицированная модель решает одно и то же фундаментальное дифференциальное уравнение, определяющее баланс энергии в массе воды:

mcpdTdt = qnet

где

м = масса воды

c p = удельная теплоемкость воды

T = температура воды

t = время

q нетто = коэффициент теплопередачи нетто

Отличие стратифицированной модели состоит в том, что она должна решать энергетический баланс на n узлах одновременно.Узел 1 находится в верхней части резервуара для воды, а узел n находится в нижней части резервуара для воды.

mncpdTndt = qnet, n

где

м n = масса воды для узла n

c p = удельная теплоемкость воды

T n = температура воды для узла n

t = время

q net, n = чистая скорость теплопередачи для узла n

Чистый коэффициент теплопередачи q net — это сумма прибылей и убытков из-за нескольких путей теплопередачи.

qnet, n = qheater, n + qoncycpara, n + qoffcycpara, n + qoncycloss, n + qoffcycloss, n + qcond, n + quse, n + qsource, n + qflow, n + qinvmix, n

где

q Нагреватель , n = тепло, добавляемое Нагревателем 1 или Нагревателем 2

q oncycpara, n = тепло, добавленное из-за паразитных нагрузок во время цикла (ноль, когда выключено)

q offcycpara, n = тепло, добавленное из-за паразитных нагрузок вне цикла (ноль при включении)

q oncycloss, n = передача тепла в / из окружающей среды (ноль в выключенном состоянии)

q offcycloss, n = передача тепла в / из окружающей среды (ноль при включении)

q cond, n = теплопередача за счет теплопроводности между узлами выше и ниже

q использование, n = теплопередача к / от подключений к установкам со стороны использования

q источник, n = теплопередача к / от соединений установки на стороне источника

q поток, n = теплопередача за счет потока жидкости из узла выше и ниже

q invmix, n = теплопередача за счет инверсионного смешения от узла выше и ниже

q oncycloss, n и q offcycloss, n определены как:

qoncycloss, n = UAoncyc, n (Tamb − Tn)

qoffcycloss, n = UAoffcyc, n (Tamb − Tn)

где

UA oncyc, n = коэффициент потерь во время цикла в окружающую среду (ноль в выключенном состоянии)

UA offcyc, n = коэффициент потерь вне цикла в окружающую среду (ноль при включении)

T amb = температура окружающей среды

q cond, n определяется как:

qсекунда, n = kAn + 1Ln + 1 (Tn + 1 − Tn) + kAn − 1Ln − 1 (Tn − 1 − Tn)

где

k = жидкая теплопроводность воды, 0.6 Вт / м-К

A n + 1 = общая площадь поверхности между узлом n и узлом n + 1

L n + 1 = расстояние между центром масс узла n и n +1

T n + 1 = температура узла n + 1

A n-1 = общая площадь поверхности между узлом n и узлом n-1

L n-1 = расстояние между центром масс узла n и n -1

T n-1 = температура узла n-1

q использование, n и q источник, n определены как:

quse = εuse˙musecp (Tuse-T)

qsource = εsource˙msourcecp (Tsource-T)

где

εuse = эффективность теплообменника для подключений к установке на стороне использования

˙muse = массовый расход для подключений к установке со стороны использования

T use = температура жидкости на входе используемых соединений установки

εsource = эффективность теплообменника для подключений к установке на стороне источника

˙msource = массовый расход для соединений установки на стороне источника

T источник = температура жидкости на входе соединений установки на стороне источника

q расход, n определяется как:

qпоток, n = ˙mn + 1cp (Tn + 1 − Tn) + ˙mn − 1cp (Tn − 1 − Tn)

где

˙mn + 1 = массовый расход от узла n + 1

mn − 1 = массовый расход от узла n-1

q invmix, n определяется как:

qinvmix, n = ˙minvmix, n + 1cp (Tn + 1 − Tn) + ˙minvmix, n − 1cp (Tn − 1 − Tn)

где

˙minvmix, n + 1 = массовый расход из узла n + 1 из-за перемешивания с инверсией температуры

˙minvmix, n − 1 = массовый расход из узла n-1 из-за перемешивания с инверсией температуры

Инверсионное смешение происходит, когда нижний узел теплее, чем узел выше.Разница в температуре приводит к разнице в плотности, что приводит к перемешиванию узлов. Обычно инверсионное перемешивание происходит очень быстро. В этом алгоритме скорость инверсионного смешивания выбирается как максимальное значение, которое обеспечит стабильное решение с учетом массы узла и интервала подшагов:

˙minvmix = 0,5 ∗ mn / Δt

где

Δt = временной интервал подшага.

Порядок расчета температур на выходе пара из исходной жидкости и жидкости зависит от значений КПД.Если эффективность равна 1,0, то предполагается полное смешивание этого жидкого пара и воды в резервуаре. В этом случае температуры на выходе для использования и исходных потоков будут просто температурами воды в резервуаре в точках выпускных узлов. Когда эффективность меньше 1,0, предполагается косвенный теплообмен между использованием или исходным потоком и водой в стратифицированном резервуаре для хранения тепла. Когда эффективность меньше 1,0, температура использования и на выходе источника рассчитывается с использованием Q , использования и Q источника и уравнений баланса энергии следующим образом:

Tuseout, n = Tuse, n + quse, n˙musecp

Tsourceout, n = Tsource, n − qsource, n˙msourcecp

где,

T на выходе = температура жидкости на выходе из соединений на стороне использования

T на выходе из источника = температура жидкости на выходе из соединений установки на стороне источника

Численное решение [ССЫЛКА]

Система одновременных дифференциальных уравнений решается численным методом Форварда-Эйлера.Шаг системного времени разделен на подшаги продолжительностью в одну секунду. Новая температура для данного узла рассчитывается с использованием следующего уравнения:

Tn = Tn, старый + qnet, nΔtmncp

Все температуры узлов для q net, n — старые температуры из предыдущего подшага.

Перед вычислением каждого шага системного времени выполняются следующие оценки:

Расходы на входе использования и источника применяются к входным узлам

Определен межузловой поток и определены чистые расходы

Перед вычислением каждого подшага выполняются следующие оценки:

Термостатические регуляторы для нагревателя 1 и нагревателя 2 оцениваются, чтобы определить, должны ли нагревательные элементы включаться или выключаться

Температура узла 1 сравнивается с максимальным пределом для определения необходимости вентиляции

Температуры соседних узлов сравниваются, чтобы определить, есть ли какие-либо температурные инверсии, для которых следует использовать инверсионную скорость смешения.

Решение продолжает перебирать все подшаги до тех пор, пока не завершится шаг системного времени.

Источники [ССЫЛКА]

Даффи Дж. И У. Бекман. 1980. Солнечная инженерия тепловых процессов . Джон Вили и сыновья.

Ньютон Б. 1995. Моделирование солнечных резервуаров для хранения . Магистерская диссертация, Университет Висконсин-Мэдисон.

Размеры водяного обогрева [ССЫЛКА]

Некоторые входы для водонагревателей могут быть автоматически настроены с помощью объекта ввода WaterHeater: Sizing.В этом разделе описаны расчеты размеров водонагревателей. Существует шесть общих методов определения объема резервуара и теплопроизводительности.

Автоматическая установка объема резервуара [ССЫЛКА]

Объем водонагревателя можно подобрать следующим образом, в зависимости от выбранного пользователем метода проектирования.

Peak Draw. Объем определяется из расчетного расхода контура. Водонагреватель расположен на подающей стороне контура установки. После выполнения процедур определения размеров установки модель получает расчетный расход для всех компонентов со стороны спроса.Тогда объем резервуара равен: V = ˙Vloop.des ∗ tdraw,

Жилой HUD-FHA минимум. Объем определяется из набора правил, определенных в таблице ниже. Это из главы 48 справочника ASHRAE HVAC Applications, 1999 г., Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Атланта, Джорджия. (также используется в тесте Building America Benchmark).

Таблица: HUD-FHA Минимальная мощность накопителя горячей воды и горелки в жилом помещении (ASHRAE 1999)

: — |: -: |: -: |: -: |: -: |: -: |: -: |: -: |: -: |: -: |: -: |: -: |: — : # Спальни | 1 | 2 | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 5 | 6 # Ванные | Все | ≤ 1.5 | 2-2,5 | ≥ 3 | ≤ 1,5 | 2-2,5 | ≥ 3 | ≤ 1,5 | 2-2,5 | ≥ 3 | Все | Все Газ | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — Хранение (галлоны) | 20 | 30 | 30 | 40 | 30 | 40 | 40 | 40 | 40 | 50 | 50 | 50 Горелка (кБТЕ / час) | 27 | 36 | 36 | 36 | 36 | 36 | 38 | 36 | 38 | 38 | 47 | 50 Электрическая | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — Хранение (галлоны) | 20 | 30 | 40 | 50 | 40 | 50 | 50 | 50 | 50 | 66 | 66 | 80 Горелка (кВт) | 2,5 | 3,5 | 4,5 | 5.5 | 4.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5

  • На человека.Объем резервуара определяется путем суммирования проектного уровня людей в модели и умножения на введенный пользователем коэффициент объема на человека.
  • на площадь. Объем резервуара определяется путем суммирования площади пола во всех зонах в модели и умножения на введенный пользователем объем на коэффициент площади пола.
  • за единицу. Объем резервуара определяется путем умножения введенного пользователем объема на единицу и введенного пользователем количества единиц.
  • на площадь солнечного коллектора.Объем резервуара определяется путем суммирования площади коллектора всех солнечных коллекторов горячей воды в модели и умножения на введенный пользователем объем на коэффициент площади коллектора.

Автоматический подбор мощности нагревателя [ССЫЛКА]

Мощность нагревателя может быть изменена следующими способами в зависимости от метода проектирования, выбранного пользователем.

  • Peak Draw. Мощность нагревателя определяется объемом резервуара, предполагаемой начальной и конечной температурами и временем восстановления, определяемым пользователем.Мощность нагревателя тогда

    .

    qheat = Vρcp (Tfinish − Tstart)

    где,

    Tfinish = 57,2C

    Tстарт = 14.4C

  • Жилой HUD-FHA Минимум. Мощность нагревателя определяется из набора правил, определенных в таблице выше. Это из справочника ASHRAE HVAC Applications, 1999 г., Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Атланта, Джорджия. (также использовался тест Building America Benchmark).
  • на человека. Мощность нагревателя определяется путем суммирования проектного уровня людей в модели и использования введенного пользователем коэффициента для мощности рекуперации на человека. Мощность нагревателя тогда:

    qheat = NpeoplefRecoveryPerPerson (Tfinish − Tstart) ρcp3600

  • на площадь. Мощность обогревателя определяется путем суммирования площадей пола во всех зонах модели и использования введенного пользователем коэффициента для регенерации на площадь пола.Мощность нагревателя тогда:

    qheat = AfloorsfRecoveryPerFloorArea (Tfinish − Tstart) ρcp3600

  • за единицу. Мощность нагревателя определяется на основе введенной пользователем емкости рекуперации на единицу и введенного пользователем количества единиц. Мощность нагревателя тогда:

    qheat = NunitsfRecoveryPerUnit (Tfinish − Tstart) ρcp3600

  • на площадь солнечного коллектора. Предполагается, что водонагреватель будет использоваться для накопления горячей воды на солнечной энергии, а мощность нагревателя установлена ​​на ноль.

Автоподбор высоты резервуара [ССЫЛКА]

Если водонагреватель многослойный, важна его геометрия, и высота бака может изменяться с изменением объема. Для резервуаров с вертикальным цилиндром заданное пользователем соотношение сторон высоты AR используется для расчета высоты резервуара H с использованием

.

H = (4VAR2π) 1/3

Автоматическая установка параметров расхода при подключении к установке [ССЫЛКА]

Когда водяной термобак подсоединен к контуру установки, удобно автоматически изменять расчетные объемные расходы через соединения установки.Когда водяной термобак подсоединен к стороне подачи контура установки и скорости потока автоматически изменяются, скорость потока является суммой запросов на поток всех различных компонентов на стороне потребления этого контура установки. Когда водяной термобак подключается к потребляемой стороне контура установки (например, как для косвенного нагрева воды с бойлером) и скорость потока устанавливается автоматически, расчетная скорость потока рассчитывается по следующему уравнению:

˙V = — (VtRecover ∗ 3600 ∗ ε) ∗ Ln [(TPlantDesign − TSetpoint) (TPlantDesign − Tstart)]

где

V = объем резервуара

tRecover = Пользовательский параметр, определяющий время, необходимое резервуару для восстановления от предполагаемой начальной температуры до предполагаемой заданной температуры.Для водонагревателей начальная температура составляет 14,4 ° C, а конечная предполагаемая заданная температура составляет 57,2 ° C. Для резервуаров с охлажденной водой начальная температура составляет 14,4 ºC, а конечная температура — 9,0 ºC.

ε = εuse или εsource

TPlantDesign = температура на выходе, указанная в объекте расчета размеров завода

Tsetpoint = конечная температура резервуара 57,2 ° C для нагревателей и 9,0 ° C для резервуаров с охлажденной водой.

Tstart = начальная температура резервуара 14.4ºC

Если размеры подключений на стороне потребления устанавливаются автоматически, а объем резервуара водонагревателя — автоматически, то проблема не может быть легко решена в EnergyPlus, поскольку потоки на стороне потребления должны сообщаться ранее в моделировании, а объем резервуара еще не доступен. Эта ситуация решается путем использования промежуточного номинального объема резервуара для определения размеров соединений, а фактический объем рассчитывается позже в моделировании.

Расчет размера расширительного бака

: Regulus

РАСЧЕТ ОБЪЕМА

Для расчета размера расширительного бака необходимо знать следующие значения:

  • В — объем воды всей системы отопления (котел, трубопроводы, радиаторы отопления, другие устройства) [л]
  • T макс. — макс.рабочая температура системы отопления [C °] — найдите соответствующее значение Δv [-] на графике
  • p h, дов — макс. рабочее давление в системе отопления (не выше значения предохранительного клапана в вашей котельной) [бар]
  • H — высота самой высокой точки системы отопления над расширительным баком [м].
  • p ч, мин — мин. необходимое давление в котельной (устанавливается производителем котла) [бар]

Другие количества, использованные в расчетах:

  • Δv…….. увеличение относительного объема воды при нагревании от 10 ° C до макс. температура воды в системе отопления T max [-]
  • V e ……… объем расширительного бака [л]

Процедура:

  1. Установить мин. давление в котельной. Сравните требуемые мин. требуемое производителем котла давление со значением H / 10. Возьмите большее из этих двух значений и увеличьте его на 0,2. Результат — мин. давление в котельной ph, мин.
  2. Считайте значение Δv из известной температуры Tmax в таблице.
  3. Рассчитайте объем расширительного бака по формуле:
  4. Выберите ближайший больший размер из линейки расширительного бака.
  5. Перед установкой расширительного бака (или самое позднее перед заполнением отопительного контура) отрегулируйте давление в расширительном баке от значения предварительной зарядки до ph, мин.
  6. Залейте в систему отопления холодную воду и после стравливания воздуха установите давление ph, мин + 0,2.

Помните, что чем выше разница между ph, dov и ph, min, тем меньшие колебания давления будут возникать в системе, но расширительный бак должен быть больше.

Пример:

Объем воды в системе отопления 200 л, макс. рабочая температура 80 ° C, макс. давление в системе 2,5 бар, наивысшая точка системы 7 м над котельной, мин. давление в котле 0,5 бар.

  1. Котельная мин. давление минус 0.5 бар меньше 7/10, ph, мин. = 7/10 + 0,2 = 0,9 бар
  2. Δv из графика для 80 ° C составляет 0,029.
  3. V e = 1,3 * 200 * 0,029 * (2,5 + 1) / (2,5-0,9) = 16,5 л
  4. Выберите ближайшее судно большего размера из строки, например, HS018231
  5. Отрегулируйте давление в расширительном баке (пустом) на 0,9 бар
  6. Заполнить систему отопления и после выпуска воздуха установить давление 0,9 + 0,2 = 1,1 бар

Расчет предполагает схему системы отопления как на рис., котельная с котлом и расширительным баком в самой нижней точке системы отопления.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *